摘 要：倒装芯片Flip-Chip（FC）与芯片级（SCP）封装组装已成为与制造工艺基线密切相关的难题。许多现有的SMT表面贴装设备都将被这些高精密组装工艺排除在外。设备供应商在所表述的精确度实际是一种‘理想化’的状态，‘真实的精确度’受到许多物理因素限制，理解这一点，对用户在选购贴装设备是有益的
关键词：贴装设备，精确度。
1. 引 言
怎样评价影响长期产能的变量？
在各种先进封装中，倒装芯片Flip-Chip（FC）与芯片级（SCP）封装具有低信号传输延迟与基板占有空间减少的优越性—业界增强了对这两种封装形式的关注，这仅是问题的一方面。但这些器件怎样精确地组装已成为与制造工艺基线密切相关的难题。现在FC凸点间距已减少到150μm，甚至更小，非自对准互连工艺应用的增长，许多现有的SMT表面贴装设备都将被这些高精密组装工艺排除在外。
确实地讲，半导体器件越来越复杂，封装也越来越小型化，微型化。贴装设备的关键是将半导体芯片精确地装入封装内，或贴装在电路基板上。不可缺少的是，设备制造商必须清楚懂得设备应具有的精确度，且在长时期内保持其精确度的机械能力会影响产能，以及终端用户将面对因半导体芯片尺寸与复杂性带来的产能挑战。他们不必为因贴装偏位造成芯片贴装设备产能损失而担忧。
2. 精确度的定义
某些设备供应商在所表述的精确度实际是一种‘理想化’的状态，与事实上的精确度不一致。他们只是在排除了许多因素，为市场目的的设备性能水平，在生产环境中并非都能达到的。‘真实的精确度’应该是设备安装2-3年后，经5×106 - 10×106 次器件吸持贴装周期测试得到的性能水平。作为常用术语，‘贴装精确度’的定义是器件怎样贴装到接近被要求的位置。于是，实际贴装位置与要求贴装位置之间存在差别。对吸持/贴装结构的机器，使用编码器反馈来确定正确的贴装位置，通过计算编码器计数，转换为贴装头移动的位置，并到达那里。与机器‘贴装精确度’对应的术语是‘重复性精度’，其定义是贴装头怎样很好地返回到目标位置（已知编码计数）。所以对任何机器的重复性精度应更重于其精确度。
当一台机器的贴装头被编程从现有位置移动100μm，此时精确度起到了作用，现有大多数设备采用视觉系统获得器件贴装位置的偏差数据。如上所述，精确度是SMD贴装设备最重要的参数。精确度的定量化无疑是最关键的。公认的统计学方法表述精确度—如贴装设备的技术标准表述设备精确度‘+/-25μm@3s’。如技术标准不按此形式表述，购买者将无法知道设备确实的精确度，或模糊不清。不采用统计学方法来表述，精确度的命名是难以理解的。
贴装头吸持器件后，使用视觉系统来确定偏差及贴装器件，接下测量贴装位置的精确度，并多次重复这个过程。我们发现贴装头没有返回到相同的位置，而在目标贴装位置周围形成随机图形。大多数的贴装位置非常接近目标位置，只有少数偏离。这些数据如图 1所示，环绕靶心的目标贴装位置，计算实际贴装位置器件数量制成直方图，如图 2所示；如在每个直方条顶端作一条连线，这条连线的形状类似一个钟形（图 3），这也就是众所周知的正态分布曲线。
图 1 贴装位置分布图示
图 2 贴装位置分布直方图
图 3 贴装位置分布的钟形曲线
从这些数据，可计算得到标准偏差，其表示一串器件贴装位置数据怎样紧靠平均位置，标准偏差由S表示。如一个标准偏差是10μm（+/-10μm@s ）为狭的钟形曲线，一个标准偏差是50μm，则为较宽的钟形曲线（如图 3所示）。
按外推方法得，标准曲线是线性变化的。于是，+/-10μm@s 与+/-20μm@2s，+/-30μm@3s相同的。也就是68%的器件贴装位置在+/-10μm内，96%的器件位置在+/-20μm内，99%的器件位置在+/-30μm内。其中大部分的贴装位置是在+/-10μm内。如制造商只表明+/-10μm，没有标准偏差S，可以假定在最好条件下是1 S（或坏的条件下，可表示至少一个器件的贴装位置在其技术标准内）。
3．封装趋与小型化，微型化，高频化
需要懂得贴装设备的精确度为何如此重要？可用两句话概括；Flip-Chip凸点尺寸不断缩小，每个芯片可容纳更多I/O，或芯片尺寸减少。现有许多凸点直径已降到75-80μm，间距为150μm。新的封装技术，如Si芯片三维封装，凸点直径为50μm。Bumping houses已经生产30μm直径Flip-Chip凸点，成为该领域的先导者。
裸芯片的性能，特别是高频（RF）通讯应用的性能，需要快速高效传输信号。从芯片到电路基板的传输速度是引线键合工艺封装的10倍，这是RF器件所必需的。
许多SMT设备制造商能争得Flip-Chip市场，其中一个理由是焊锡合金凸点的自对准作用。这表示理论上讲，凸点与焊盘的贴装偏差可达50%，在再流焊过程中，由于许多焊锡合金凸点的表面张力将拉住芯片到正确位置。今天极大多数的Flip-Chip组装是使用C4 工艺，凸点直径100-125μm，间距225-250μm。如贴装设备的精度为+/-25μm@3s，能完成此项Flip-Chip组装，而不会发生任何产能问题，但是
225μm是C4 工艺的下限。所以随着间距变得更小，必须使用其他工艺。 更小直径的凸点，因表面张力的减少，失去了自对准作用的优势，在许多新的互连工艺中自对准不再是一个因素，如导电环氧胶，各向异性导电胶，热压键合工艺等。芯片的精确贴装再一次成为关键。
3. 设备占有成本（COO）
对设备最终用户来讲，最重要的是设备占有成本与产能。COO尽可能低，产能尽可能高。但这两项并非相互排弃的。高产能意味着低COO。设备的最初成本与将来设备失准时的成本比较会变得无力。假定贴装偏差的成本是$10（对高性能Flip-Chip组装不至如此），机器每年可生产7×106 件。如一年产能跌落1%，则全年损失$70,000，损失如此之高!因此，最终用户必须清楚知道，一台新机器满足技术标准是完全可能的，但经若干年后，机器连续使用及磨损就难以达到了。
4. 精确度的概述
在一周七天的工作环境中（一天20-21小时），经常会发生机器不能控制影响精确度的一些事情。尽可能降低设备的不精确因素变量及设备不能空制的外部变量，头等重要的是能适应在高贴装精度条件下，进行高速贴装（大于1,200cph）的贴装设备是精确的。
待加工产品的变量；
待加工产品的变量发生在电路基板上；这些在技术标准内并不引人注意。Flip-Chip组装工艺过程对这些变量无法接受。贴装设备通过视觉系统使用基准标志完成器件与焊盘的对准贴装，这些基准标志与基板上的焊盘是分别操作的，势必会引入误差变量。
温度变量；设备的环境温度会变化。通常，设备制造商在制定精确度的技术标准时，设备处于稳定的温度环境条件下进行测试。他们认为许多设备都安装在各种类型的洁净工作场地使用，那里的温度是稳定的。但实际情况并非如此，这一点得不到保证。如果存在5°F的温度变化，因为贴装设备正在进行50μm精度要求的器件贴装，操作者不可关机停止生产。设备自身的温度变化，电机发热，轴承摩檫，印制电路板发热，以及组装工艺的加热冷却等等。一般讲，温度变量对正态曲线的平均置的影响要比其标准值大得多。如器件贴装位置都紧靠平均偏差值，则此平均值也会从目标贴装位置值偏移。
设备的磨损与消耗；磨损与消耗在所有类型设备上都会发生。那里有摩檫，那里就有磨损。如过此摩檫是在与设备精确度相关的面上，那么在设备整个使用期间，精确度慢慢地会下降。
5. 设备的结构材料
设备的基础结构必须机械，热学，电学稳定，这对与设备的‘真实精确度影响存在明显影响。另一个重要的是设备安装场地抗震性能，贴装设备通常以达1米/秒高速度的大质量运动。吸持/贴装类型的贴装设备根据床架与传动轴使用的材料可分为三种结构形式；铝基，钢基，花岗岩/陶磁基。
花岗岩/陶磁基与铝基，钢基相比，具有更高的精确度，铝基结构因为其重量轻，不稳定不是高精确度平台，这些平台的最佳精确度一般只能达到+/-50-100μm@3s的水平。钢基结构是现有贴装设备最常用的结构材料。这些材料因为重量重，坚固比铝基结够具有高的稳定性，但是对任何一种钢基结构来讲，他们的精确度存在一个理论界限；其一是检查对准电路基板，其二是在器件被吸持后检查都是使用照相机标准技术，使得钢基结构的贴装设备的最佳精确度为+/-20μm@3s。
机器钢结构在X-Y工作平台的整个长度范围内所必须的平整性才达到准确度的改进，做到这一点是很难的。钢基结构设备理想状态是平整的，但实际上会存在弯曲变形。由此，钢基结构传动系统必须采用印贴方法校准才能达到20-25μm准确度的水平。印贴包括确定各传动轴的偏差，以将其修正为需要的线性。
6. 温度的补偿
温度对设备平台产生很大的影响，甚至环境温度仅有5°F的温度变化，也可能造成20-30μm的偏差，要解决这个问题，设备制造商采用两种温度补偿方法；
设备运行时，在工作平台上反复几次测量分析多点位置，确定其必需的修正值。
另一方法是在同台设备不运动的部位的相同材料安装一个编码器，这样在环境温度发生变化时，编码器的计数也随之同样的速率增长或减少。但使即使是最好的补偿方法仅代表另一个误差源近似的贴装位置。
总之，钢基结构因长期消耗与磨损很难达到20µm@3s以下的精确度水平。钢基结构设备使用高精密，高润滑线性轴承，但也会产生摩檫导致机械另部件的磨损。在全负载生产环境下，2-3年后设备的精确度从现在的20µm@3s可能降到30-40µm@3s。看来这些小数字对大多数SMT贴装设备的影响不明显，但对于高精确度的应用场合其只得转为低精确度贴装使用。
7. 最精密的贴装设备
花岗岩/陶磁结构设备具有最高的精确度，床架平台使用花岗岩制成，低重心与整体的重量使得设备具有极高的稳定性。精密安装设备外围的参考基准平面，及热稳定参考面。
陶磁材料用于传动系统X/Y轴的对准面，陶磁材料在1米长能达到+/-2µm的平整度，X/Y对准系统产生仅2µm的最大误差值。温度的变化对花岗岩/陶磁结构的影响极小。5°F的温度变化使得钢基结构达到20-30µm@3s，而花岗岩/陶磁结构可达到2-3µm@3s。温度对贴装精确度的影响依然，在这些系统同样采用温度补偿的硬件与软件。
花岗岩/陶磁结构的主要优点是耐磨耐消耗在整个使用寿命期间可保证设备的稳定性。这些设备的陶磁导轨悬浮无摩檫空气轴承。在贴装定位平面不存在摩檫，自安装运行始两年后，贴装头仍可在相同位置贴装器件。这种类型的设备已在主要的高端微处理器Flip-Chip组装制造商生产使用中得到证明。选用这种结构是排除了钢基结构的许多变量造成的问题，保证不会因时间而损坏精确度。
花岗岩/陶磁结构在贴装速度1,200cph时的理轮精确度界限为5-8µm@3s。在贴装精确度要求在20µm@3s以下，花岗岩/陶磁结构系统才是唯一的选择。另外，制造商不可能冒险去达到要求的精确度或长期生产使用而降低产能付出代价。
表 1所列不同设备结构的能力及在Flip-Chip组装应用中的产能。这些数据是长期生产中达到的（真实精确度），不是新设备的初期性能。
8. 结 论
面对竞争的市场，制造商在评价贴装设备时，必须懂得影响精确度与产能的相关因素，怎样正确测量，这对高端器件尤应如此。设备制造商表明设备精确度，但购买者必须懂得一台生产的设备在达到这些精确度时存在物理因素的限制。任何生产环境都需要高的精确度，关键是购买者评价设备的物理限制，在铝基结构，钢基结构，岗岩/陶磁结构中作出抉择，保证获得长时间的高产能。
