組裝系統(tǒng)低壓力貼裝研究

李有成

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二研究所,山西太原030024)

隨著半導(dǎo)體集成電路的小型化、集成化的發(fā)展，促進(jìn)了高密度立體組裝技術(shù)的應(yīng)用，多功能組裝系統(tǒng)可用于基板上裸芯片的自動(dòng)組裝，如將多個(gè)Si 基以及GaAs、SiC、GaN 等裸芯片在陶瓷多層基板上按要求精確的貼裝，針對(duì)GaAs、SiC 等薄且硬、脆芯片的貼裝，貼裝力的精確控制尤為重要，不當(dāng)?shù)馁N裝力會(huì)造成芯片的崩邊、裂紋以及潛在的損傷。因此在裸芯片的拾取或貼放中精確控制壓力是關(guān)鍵。組裝系統(tǒng)的貼裝壓力一般為40～400 g，屬于低壓力范圍。組裝系統(tǒng)貼裝力的要求：

GaAs 芯片：40～60 g

初始?jí)毫Γ?0 g

因此設(shè)計(jì)低壓力貼裝頭需解決兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：（1）使用低壓力的范圍；（2）初始峰值沖擊力。通常低壓力貼裝力是通過(guò)彈簧組件來(lái)實(shí)現(xiàn)特定使用范圍壓力的，貼裝頭下降到待貼裝表面后，z 軸繼續(xù)下降，通過(guò)超行程（overtravel）獲取所需的貼裝力。貼裝力是彈性系數(shù)的函數(shù)，選擇合適的彈性元件，使貼裝壓力在所限定的超行程內(nèi)達(dá)到所需力的范圍。

組裝系統(tǒng)初始?jí)毫Φ目刂埔埠苤匾?，初始沖擊力是貼裝頭的質(zhì)量和沖擊速度的函數(shù)。影響初始沖擊力的最大因素是貼裝頭與吸嘴組件的綜合質(zhì)量，必須減少貼裝頭總體運(yùn)動(dòng)質(zhì)量，降低慣性，才能獲得較小的初始貼裝力。

1 貼裝頭的構(gòu)成及其優(yōu)點(diǎn)

1.1 貼裝頭的結(jié)構(gòu)

如圖1 所示，貼裝頭主要由垂直旋轉(zhuǎn)拾放（pick&place）頭、力螺旋線管、片簧以及氣動(dòng)機(jī)構(gòu)等組成。

圖1 貼裝頭示意圖

在貼裝頭下有兩個(gè)曲軸支點(diǎn)，當(dāng)吸嘴接觸貼裝表面以及z 軸繼續(xù)到超行程時(shí)支點(diǎn)將偏轉(zhuǎn)，片簧受壓，產(chǎn)生超行程（超行程范圍0～1.5 mm），通過(guò)超行程即可確定貼裝力的大小。在曲軸上設(shè)置觸點(diǎn)，通過(guò)電信號(hào)識(shí)別貼裝吸嘴接觸芯片表面的過(guò)程。

1.2 貼裝頭特點(diǎn)

（1）效率高、質(zhì)量輕。針對(duì)低壓力貼裝特點(diǎn)要求，貼裝頭采用了垂直八工位轉(zhuǎn)塔頭，氣動(dòng)機(jī)構(gòu)通過(guò)壓縮空氣的驅(qū)動(dòng)完成各工位間的換位。組裝吸嘴按功用定制（蘸膠、拾放、共晶磨擦、共晶焊等），從而減少了貼裝頭的總質(zhì)量。

（2）初始沖擊力低。通過(guò)測(cè)力傳感器單元，將初始觸發(fā)力調(diào)整到20 g 左右。既保證了拾取的穩(wěn)定又不會(huì)對(duì)所貼裝的芯片造成損壞。

（3）組合加壓方式。采用片簧與力螺線管組合，平穩(wěn)、靈活。

1.3 施力關(guān)系

1.3.1 力螺線管

力螺線管分交流、直流和本整型3 種，直流螺線管可以保證次吸力穩(wěn)定，其優(yōu)點(diǎn)是體積小，工作可靠，換向沖擊小，使用壽命較長(zhǎng)。組裝系統(tǒng)采用24 V 直流力螺線管，通過(guò)8 位A/D 轉(zhuǎn)換器輸出，對(duì)應(yīng)0～255 g 力的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換(ADC)值。ADC值越大，則貼裝壓力越大。

1.3.2 片簧

采用0.2 mm 不銹鋼薄板帶材經(jīng)熱處理后制作而成。

2 建立力與超行程關(guān)系

2.1 測(cè)力單元標(biāo)定

為了精確地測(cè)量貼裝壓力，設(shè)計(jì)了與主控計(jì)算機(jī)通訊的測(cè)力單元作為測(cè)力量規(guī)，首先對(duì)測(cè)力單元進(jìn)行標(biāo)定，其標(biāo)定是通過(guò)一組放置在它的傳感器上的預(yù)定增量的砝碼進(jìn)行。

先調(diào)整零點(diǎn)使測(cè)力單元?dú)w零，加600 g 的砝碼，調(diào)節(jié)顯示器到讀出600 g，以限定測(cè)力單元的壓力量程（0～600 g）。

通過(guò)放置不同的砝碼，從20 g 到100 g，每次增加10 g；從150 g 到500 g，每次增加50 g，讀取力單元的讀數(shù)，標(biāo)定測(cè)力單元的精度。

2.2 片簧壓力和超行程測(cè)量

在標(biāo)定了測(cè)力單元精度的基礎(chǔ)上，將貼裝頭在測(cè)力單元上進(jìn)行實(shí)測(cè)。

2.2.1 初始?jí)毫φ{(diào)定

使用操作柄使貼裝頭吸嘴下降接觸到測(cè)力單元表面上并觀察觸點(diǎn)LED 燈狀態(tài)，當(dāng)LED 燈保持發(fā)亮，停止z 軸移動(dòng)。接著反方向操作使貼裝吸嘴向上運(yùn)動(dòng)到LED 燈滅的點(diǎn)上，然后向下直到剛剛接觸到測(cè)力單元表面。這個(gè)點(diǎn)是接近沒(méi)有任何超行程的接觸點(diǎn)。此點(diǎn)接近所測(cè)量和調(diào)整的最小初始?jí)毫Α榱藴y(cè)定準(zhǔn)確，在z 軸向下剛剛接觸到觸點(diǎn)時(shí)（LED 燈亮），反方向升起z 軸，然后采用單步執(zhí)行，使吸嘴每次下降一個(gè)數(shù)直到超行程值顯示“0”。

組裝系統(tǒng)最小力應(yīng)為20 g±5 g。調(diào)整力調(diào)節(jié)螺絲（見(jiàn)圖1 中接觸點(diǎn)處螺絲）使力達(dá)到在測(cè)力單元所測(cè)到的20 g±5 g。

2.2.2 超行程測(cè)定

使用操作轉(zhuǎn)輪使z 軸帶動(dòng)拾放吸嘴下降壓到測(cè)力單元表面，觀察所顯示的壓力數(shù)，直至達(dá)到所需的貼裝壓力，然后讀取超行程量。其關(guān)系見(jiàn)表1所示。

表1 彈簧力與超行程關(guān)系

繪制彈簧力與超行程值曲線如圖2 所示。

彈簧力計(jì)算公式：F=kx

其中：k 為彈性系數(shù)；

工作載荷F=417.49 g 時(shí)，其變形X＝1016 μm。則k=417.49/1016=0.41 g/μm。

力電磁線圈的有效性測(cè)試：輸入1 000 ms 的時(shí)間值以及100 g 的力。提升所選的芯片到感知到100 g 力為1 000 ms。

2.3 力與超行程關(guān)系表

圖2 彈簧力與超行程關(guān)系

當(dāng)彈簧與力螺線管共同作用時(shí)，建立實(shí)際貼裝壓力與超行程之間的關(guān)系。如表2 所示，通過(guò)此表可查詢給定超行程下的貼裝力值。

表2 力與超行程關(guān)系表

圖3 所示為貼裝力與超行程的關(guān)系圖。

表2 中力ADC 為0 時(shí)，對(duì)應(yīng)各超行程的壓力為片簧施加的貼裝壓力，力ADC 是力螺線管在片簧之上施加的壓力，其為非線性關(guān)系，這點(diǎn)從圖3中也可以看出。針對(duì)不同的超行程量，其施力大小也不盡相同，編程時(shí)查表確定其關(guān)系。

圖3 貼裝力與超行程關(guān)系圖

2.4 貼裝吸嘴

圖4 為組裝系統(tǒng)常用的典型吸嘴形式。

圖4 三種典型的貼裝吸嘴

圖4 中左邊為鋼性吸嘴，用于硅片以及鍍金基片等可以接觸其表面的真空吸嘴，中間的金字塔型吸嘴，用于芯片表面有電路或空氣橋等不適宜表面吸取的GaAs 芯片以及共晶磨擦焊接的背金芯片的夾持，所夾持的芯片部分應(yīng)大于芯片厚度的1/3，右邊的橡膠吸嘴可用于凸點(diǎn)面朝上的倒裝芯片， 也可用于較大的多層陶瓷基片（HTCC/LTCC）的拾取，增加其接觸面積，而拾取壓力也應(yīng)適當(dāng)加大。

2.5 運(yùn)動(dòng)控制

低壓力貼裝離不開(kāi)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，控制拾取和貼放過(guò)程參數(shù)，特別是貼裝的接近、接觸、分離過(guò)程。如圖5 所示為裸芯片（Die）在基板上的拾取和貼裝過(guò)程，從中可以看出芯片在貼裝過(guò)程中受到拾取和貼裝兩次初始?jí)毫Φ臎_擊。對(duì)于倒裝芯片的貼裝，則受到兩次拾取、兩次放置和一次翻轉(zhuǎn)的沖擊。

圖5 芯片在基板上的貼裝過(guò)程

運(yùn)動(dòng)過(guò)程參數(shù)主要包括：下降速度和力；下降將開(kāi)始減速度的高度，此距離為接近接觸的高度（即下降容差）；接觸時(shí)間和力、超行程；上升力、速度和加速度；上升減速度、上升停止高度等。

對(duì)于gel 包裝以及非常小和非常大的芯片，緩慢的運(yùn)動(dòng)是必需的。

采用合適的吸嘴以及調(diào)整運(yùn)動(dòng)參數(shù)，進(jìn)行裸芯片在基板上的貼裝，完成了點(diǎn)膠、沾膠、共晶摩擦、共晶焊等組裝過(guò)程，通過(guò)工藝試驗(yàn)驗(yàn)證，達(dá)到了實(shí)用要求。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)組裝系統(tǒng)貼裝力的分析、研究，設(shè)計(jì)制作了低壓力垂直旋轉(zhuǎn)貼裝頭，測(cè)定了壓力與超行程的關(guān)系，并與運(yùn)動(dòng)控制相結(jié)合，進(jìn)行了芯片貼裝實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了低壓力貼裝結(jié)構(gòu)的可行性。實(shí)現(xiàn)了裸芯片的無(wú)損貼裝，達(dá)到了使用要求，很好地解決了多功能組裝系統(tǒng)的低壓力貼裝問(wèn)題。

[1] Jason Higgins，Robert Hemann. Low Force Placement Solution For Delicate and Low IO Flip Chip Assemblies[J].onBoard Technology：2005(10)：22-26.