產(chǎn)品點(diǎn)膠工藝優(yōu)化及質(zhì)量控制

王寅玨 王 偉

（1.蘇州健雄職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 太倉 215411；2.上海傲睿科技有限公司，上海 201800）

0 前言

點(diǎn)膠工藝是集成電路產(chǎn)品封裝生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵工序，點(diǎn)膠的質(zhì)量會影響整個(gè)封裝產(chǎn)品的質(zhì)量，進(jìn)而會影響產(chǎn)品的可靠性。所以加強(qiáng)點(diǎn)膠的質(zhì)量管控是改進(jìn)封裝產(chǎn)品可靠性的前提。根據(jù)點(diǎn)膠方式的不同，點(diǎn)膠技術(shù)主要分為接觸式點(diǎn)膠和非接觸式點(diǎn)膠。接觸式點(diǎn)膠是點(diǎn)膠針頭和產(chǎn)品基板接觸，使膠水和產(chǎn)品接觸浸潤，然后點(diǎn)膠針頭回復(fù)原始位置，膠水通過自身黏性和點(diǎn)膠針頭分開，進(jìn)而在產(chǎn)品上形成膠水點(diǎn)；非接觸式點(diǎn)膠是膠水受到一定的高壓，進(jìn)而獲得足夠的動能后以一定速度噴射到產(chǎn)品上。隨著封裝產(chǎn)業(yè)的升級，接觸式點(diǎn)膠已逐漸被非接觸式點(diǎn)膠所替代。文獻(xiàn)[1]和文獻(xiàn)[2]研究了噴射點(diǎn)膠性能，從噴射點(diǎn)膠的理論、點(diǎn)膠性能影響因子和撞針的擊打方式，對點(diǎn)膠性能的優(yōu)化和點(diǎn)膠閥的設(shè)計(jì)有很好的指導(dǎo)意義。文獻(xiàn)[3]研究噴射速度對點(diǎn)膠的影響，認(rèn)為速度過小會導(dǎo)致噴不出膠，速度過大會導(dǎo)致衛(wèi)星液滴。

點(diǎn)膠平臺承載所有的生產(chǎn)產(chǎn)品，修改點(diǎn)膠平臺設(shè)計(jì)成本低，效果明顯，通過對相應(yīng)產(chǎn)品所需的點(diǎn)膠平臺進(jìn)行優(yōu)化，可以快速有效改善產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量。另外，點(diǎn)膠閥是點(diǎn)膠系統(tǒng)的核心部件，直接影響點(diǎn)膠的質(zhì)量，新工藝的引入能夠從根本上改進(jìn)生產(chǎn)工藝，顯著提升點(diǎn)膠質(zhì)量。工序能力指數(shù)（CPK）能夠反映產(chǎn)品良率的好壞，通過收集大量點(diǎn)膠數(shù)據(jù)分析CPK的結(jié)果直接反映產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量。該文通過優(yōu)化改進(jìn)點(diǎn)膠平臺和點(diǎn)膠閥，明顯改善了膠水點(diǎn)的均勻性和一致性，生產(chǎn)產(chǎn)品的質(zhì)量得到大幅提高。

1 點(diǎn)膠平臺改進(jìn)及產(chǎn)品質(zhì)量控制

產(chǎn)品使用接觸式點(diǎn)膠閥點(diǎn)膠保護(hù)，此點(diǎn)膠閥具有結(jié)構(gòu)簡潔、成本低、工作可靠等特點(diǎn)。產(chǎn)品需要貼上芯片點(diǎn)膠保護(hù)后蓋上密封蓋，見圖1產(chǎn)品封裝結(jié)構(gòu)示意圖。為了節(jié)約成本，提高產(chǎn)品性能，要求密封蓋的高度盡可能低。封裝設(shè)計(jì)要求點(diǎn)膠保護(hù)芯片后，膠水高度必須精確控制在規(guī)范以內(nèi)。在產(chǎn)品生產(chǎn)過程中，各種因素都會導(dǎo)致膠水高度控制不嚴(yán)，若膠水高度超出控制線會導(dǎo)致密封蓋貼合有空隙，進(jìn)而直接影響產(chǎn)品的生產(chǎn)效率和良率。如何通過優(yōu)化設(shè)備相關(guān)結(jié)構(gòu)來改善產(chǎn)品良率是要解決的一個(gè)重要問題。

圖1 產(chǎn)品封裝結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 測量產(chǎn)品翹曲

通過分析產(chǎn)品的生產(chǎn)過程，該文發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的印刷電路板（PCB基板）有很嚴(yán)重的翹曲現(xiàn)象。點(diǎn)膠設(shè)備為接觸式點(diǎn)膠方案，點(diǎn)膠頭在點(diǎn)膠時(shí)必須接近芯片表面，這樣點(diǎn)出的膠水才能迅速到達(dá)芯片上。這種方案會導(dǎo)致設(shè)備點(diǎn)膠時(shí)點(diǎn)膠頭和產(chǎn)品中芯片的距離不同而影響點(diǎn)膠高度。將有芯片的PCB基板放在設(shè)備工作平臺上，設(shè)定好上、下、左、右、中5個(gè)點(diǎn)位，進(jìn)行激光測高。通過批量數(shù)據(jù)收集，發(fā)現(xiàn)PCB基板有不同程度的翹曲，測量值最大為4mm。為了改善PCB基板翹曲，需要在基板外框設(shè)計(jì)加工壓抓，可以有效壓住四周翹曲，但PCB基座中間無法用夾具壓住，導(dǎo)致中間仍存在翹曲，測量值為1mm。

1.2 改進(jìn)點(diǎn)膠平臺

為了解決控制產(chǎn)品基座翹曲問題，應(yīng)優(yōu)化工作區(qū)域底板設(shè)計(jì)，平均分配真空氣孔在底板上吸住PCB基板。當(dāng)PCB基板放置在工作區(qū)后，先通過壓爪固定四周，將PCB基板四周壓平整，然后打開設(shè)備真空系統(tǒng)，PCB基板通過平臺治具真空孔可以被有效吸附平整。測量高度差，PCB基板的翹曲度可以控制在0.5mm以下。

1.3 試驗(yàn)結(jié)果對比

驗(yàn)證試驗(yàn)使用真空來吸附基板，可以保證基板不翹曲，進(jìn)而對比非真空條件下對點(diǎn)膠高度的影響。將2個(gè)PCB板的產(chǎn)品分別通過夾具固定，圖2中左側(cè)基板不用真空吸附，右側(cè)基板使用真空吸附，其他所有參數(shù)一致，收集產(chǎn)品保護(hù)膠的高度數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。

圖2 無真空孔平臺和有真空孔平臺對比圖

點(diǎn)膠測試結(jié)果見圖3，結(jié)果顯示使用真空的基板中芯片上膠水高度的變異明顯改善。在同樣膠水量的參數(shù)下，有真空吸附方案的產(chǎn)品比無真空吸附方案的產(chǎn)品基板的平整度有明顯改善，有助于點(diǎn)膠閥在產(chǎn)品上點(diǎn)膠時(shí)維持穩(wěn)定的間距，膠水滴落在芯片表面更加平穩(wěn)，膠水高度一致性更好，有效改善了產(chǎn)品生產(chǎn)時(shí)對膠水高度的控制能力。

圖3 保護(hù)膠高度對比圖

2 點(diǎn)膠閥改進(jìn)及產(chǎn)品質(zhì)量控制

點(diǎn)膠設(shè)備分為接觸式點(diǎn)膠閥和非接觸式點(diǎn)膠閥，圖4為兩種不同類型點(diǎn)膠閥的對比示意圖。接觸式點(diǎn)膠閥部件相對復(fù)雜，點(diǎn)膠高度低，膠水噴射動能低，膠水高度控制不穩(wěn)定。在點(diǎn)膠過程中，膠體中容易產(chǎn)生氣泡，影響點(diǎn)膠連貫性，導(dǎo)致膠水容易掉到芯片其他區(qū)域或沒有膠水噴出，產(chǎn)生不良品。另外，此點(diǎn)膠閥點(diǎn)膠高度低，每個(gè)芯片須抬高后再降落進(jìn)行點(diǎn)膠，導(dǎo)致點(diǎn)膠效率較低。噴射點(diǎn)膠是典型的非接觸式點(diǎn)膠方式，通過在噴嘴的上方產(chǎn)生壓力讓噴嘴內(nèi)的膠水得到一定的動能后，以一定速度噴射到產(chǎn)品上。和接觸式點(diǎn)膠相比，噴射方案的點(diǎn)膠頭不需要做上下移動。因此，噴射點(diǎn)膠可以較好地改善膠水的噴射速度和點(diǎn)膠頻率。

圖4 接觸式點(diǎn)膠閥和非接觸式點(diǎn)膠閥的對比示意圖

2.1 非接觸點(diǎn)膠閥關(guān)鍵參數(shù)選擇

針對接觸式點(diǎn)膠閥的問題，選擇一款非接觸式點(diǎn)膠閥進(jìn)行研發(fā)評估。首先進(jìn)行計(jì)算模擬，根據(jù)動量守恒定律=（動量，質(zhì)量，速度）計(jì)算撞針尺寸，確認(rèn)撞針中隔膜位置的設(shè)計(jì)，通過控制撞針隔膜位置的偏差，可以有效控制每次噴射輸出膠量的穩(wěn)定性。然后制定影響因子試驗(yàn)，確定優(yōu)化點(diǎn)膠閥各項(xiàng)參數(shù)，進(jìn)一步控制點(diǎn)膠量。試驗(yàn)對關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行點(diǎn)樣測量，獲得相關(guān)數(shù)據(jù)，用于改善產(chǎn)品保護(hù)膠高度控制。對試驗(yàn)中主要影響因子進(jìn)行9組測試，見表1。試驗(yàn)中，開閥時(shí)間設(shè)定3ms、4ms、5ms，氣壓設(shè)定大小為137.9kPa、206.8kPa、275.8kPa，其他參數(shù)固定，點(diǎn)膠高度為2.5mm，噴嘴直徑為200μm，針頭區(qū)域溫度為35℃，移動速度為62mm/s。

表1 點(diǎn)膠關(guān)鍵試驗(yàn)因子表

如上所述，點(diǎn)膠快慢、穩(wěn)定性和可操作性是評估點(diǎn)膠系統(tǒng)好壞的重要因素。電子封裝工藝中點(diǎn)膠產(chǎn)品品質(zhì)的評價(jià)沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)點(diǎn)膠技術(shù)在產(chǎn)品中的應(yīng)用狀況，重點(diǎn)評價(jià)的是膠點(diǎn)的一致性和準(zhǔn)確性。其中，準(zhǔn)確性主要是膠水直徑大小滿足需要，膠點(diǎn)的位置準(zhǔn)確。一致性主要體現(xiàn)在膠水的質(zhì)量、直徑和高度的偏差大小。優(yōu)良的膠點(diǎn)是大小正好，形狀是圓形。如果出現(xiàn)膠點(diǎn)大小偏差大、有衛(wèi)星液滴、膠點(diǎn)里有氣泡等都說明點(diǎn)膠效果不佳。該試驗(yàn)在陶瓷片上點(diǎn)膠，通過不同參數(shù)組合點(diǎn)出陣列（圖5），并測量膠水直徑來評估膠量大小和點(diǎn)膠穩(wěn)定性。

圖5 點(diǎn)膠陣列樣本圖

2.2 非接觸式點(diǎn)膠閥的主要影響因子

膠水外接壓力是非接觸式點(diǎn)膠閥的一個(gè)主要影響因子。膠水外接壓力的目的是將膠桶中呈流體的膠水材料及時(shí)地補(bǔ)充到噴嘴區(qū)域。將膠水壓出時(shí)，膠水黏度越大，需要的壓力也越大。因此，噴射壓力影響點(diǎn)膠的質(zhì)量和大小。如果膠水壓力不夠，會導(dǎo)致點(diǎn)膠不連續(xù)或者沒有膠水。如果膠水壓力太大，又會導(dǎo)致膠點(diǎn)太大，膠高太高，并且很可能有多余的膠水在噴嘴周圍累積，進(jìn)而導(dǎo)致噴膠方向偏離、大量衛(wèi)星液滴或不能正常工作。

開閥時(shí)間是非接觸式點(diǎn)膠閥的又一個(gè)影響因子。開閥時(shí)間的脈沖寬度是指氣壓作用下使閥門打開的時(shí)間長短。一般情況下，通過控制開閥時(shí)間可以有效控制膠點(diǎn)的尺寸，獲得一致性很好的點(diǎn)陣。開閥時(shí)間決定了膠水補(bǔ)充時(shí)間，會影響膠點(diǎn)的大小，且和膠點(diǎn)的大小成正比，見圖6、圖7膠點(diǎn)直徑和高度的影響因子圖。開閥時(shí)間也會影響點(diǎn)膠質(zhì)量，如果時(shí)間太短，會出現(xiàn)膠水累積在噴嘴表面，影響點(diǎn)膠的效果。

圖6 膠點(diǎn)直徑影響因子圖

圖7 膠點(diǎn)高度影響因子圖

2.3 產(chǎn)品生產(chǎn)數(shù)據(jù)對比

收集產(chǎn)品點(diǎn)膠高度關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，使用非接觸式點(diǎn)膠閥方案的產(chǎn)品，并用優(yōu)化后的參數(shù)和點(diǎn)膠方案，點(diǎn)膠在陶瓷片上測試膠點(diǎn)的直徑和膠高，結(jié)果表明穩(wěn)定性和一致性均明顯改善，產(chǎn)品點(diǎn)膠保護(hù)的良率明顯提高。統(tǒng)計(jì)過程控制（SPC）作為一種過程控制工具，應(yīng)用于點(diǎn)膠工藝的高度控制，則以數(shù)據(jù)形式直接反應(yīng)產(chǎn)品生產(chǎn)時(shí)點(diǎn)膠高度的質(zhì)量控制，及時(shí)糾正點(diǎn)膠中的問題，使點(diǎn)膠工藝時(shí)刻處在可控狀態(tài)。在生產(chǎn)中，表示點(diǎn)膠工藝水平滿足要求的程度，計(jì)算公式如下。=（-）/6（為公差上限，為公差下限，σ為標(biāo)準(zhǔn)差）。首先，通過產(chǎn)品設(shè)計(jì)優(yōu)化，使規(guī)范-盡量大。其次，通過工藝條件和設(shè)備治具的改善，使點(diǎn)膠尺寸的分散盡量小，減小標(biāo)準(zhǔn)偏差。最后，通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)調(diào)整工藝條件，可以將點(diǎn)膠大小的均值偏離盡可能小。

通過奧林巴斯高倍顯微鏡測量后收集點(diǎn)膠尺寸高度的數(shù)據(jù)，非接觸式點(diǎn)膠閥方案的點(diǎn)膠高度為4.99，傳統(tǒng)接觸式點(diǎn)膠閥方案的點(diǎn)膠高度為1.08。產(chǎn)品批量生產(chǎn)良率大幅改善，帶來了很好的經(jīng)濟(jì)效益。每天產(chǎn)線作業(yè)員開機(jī)后都需要將測試數(shù)據(jù)記錄到系統(tǒng)，系統(tǒng)自動生成相應(yīng)圖表，一旦系統(tǒng)報(bào)警或異常，就會通知質(zhì)量工程師和工藝工程師及時(shí)對產(chǎn)線產(chǎn)品進(jìn)行處理。

3 結(jié)論

該文分析了接觸式和非接觸式兩種不同的點(diǎn)膠方式，闡述了各自的優(yōu)缺點(diǎn)。1） 使用接觸式點(diǎn)膠方案評估真空治具和非真空治具，驗(yàn)證接觸式點(diǎn)膠方案改善點(diǎn)膠控制能力的方法是使用真空平臺。2） 接觸式針頭點(diǎn)膠與非接觸式噴射點(diǎn)膠進(jìn)行了對比，驗(yàn)證非接觸式點(diǎn)膠閥點(diǎn)膠性能方面更具有優(yōu)勢，并分析了在噴射點(diǎn)膠過程中主要影響因子所起的作用，生產(chǎn)測試數(shù)據(jù)顯示非接觸式點(diǎn)膠閥明顯改善膠水點(diǎn)的均勻性和一致性。

將來產(chǎn)品封裝的密度會越來越高，傳統(tǒng)的接觸式針頭點(diǎn)膠已經(jīng)不能完全滿足新產(chǎn)品功能和效率的要求，噴射點(diǎn)膠等非接觸式點(diǎn)膠技術(shù)將更能滿足產(chǎn)品新的發(fā)展趨勢，相信會有更加寬廣的前景。