多芯片高精度點膠貼片機技術(shù)發(fā)展趨勢

曹國斌，甘 琨，田志峰

(中國電子科技集團公司第二研究所,山西 太原)

1 多芯片高精度點膠貼片機應(yīng)用

針對5G通訊及微波功率器件、混合集成電路等微電子封裝領(lǐng)域,微電子技術(shù)繼續(xù)朝著超高密度方向發(fā)展,出現(xiàn)了三維封裝(3D)、多芯片封裝(MCP)和系統(tǒng)級封裝(SIP)等超高密度的封裝形式。從單芯片向多芯片發(fā)展,除了多芯片模塊(MCM)外,還有多芯片封裝(MCP)、系統(tǒng)級封裝(SIP)及疊層封裝等應(yīng)用。相對于提升摩爾定律的單芯片集成度,和相對于提升多芯片微系統(tǒng)封裝比較而言,前者是前道制程,技術(shù)已經(jīng)接近物理極限,不是本文的研究范疇,而后者屬于后道制程,封裝領(lǐng)域,同樣需要突破封鎖,即可滿足80%～90%的應(yīng)用。微系統(tǒng)封裝制造成本更低,更容易切入,不易被封鎖禁用。針對三維封裝(3D)、多芯片封裝(MCP)和系統(tǒng)級封裝(SIP)等超高密度的封裝形式由多種芯片在一個封裝單元殼內(nèi)搭建成一個微系統(tǒng),已經(jīng)成為一個強勁的發(fā)展趨勢,器件結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜,堆疊密度會越來越高,產(chǎn)品附加值高,因此需求對微封裝組裝的要求越來越多,高密度、高可靠性、多功能、大功率仍然是未來發(fā)展的主題。

微系統(tǒng)封裝組裝工藝裝備為應(yīng)對發(fā)展的要求,目前在光通信器件、新能源汽車電子碳化硅器件、微波通訊等微封裝組裝行業(yè)具有廣泛用途,特別是針對多芯片封裝(MCP)和系統(tǒng)級封裝(SIP)領(lǐng)域,多芯片高精度點膠貼片機是其中必備的核心工藝設(shè)備之一。

2 目前市場主要競品機型分析

2.1 需求差異分析

不同客戶的產(chǎn)品、物料和工藝不一樣,差異性大。點膠貼片領(lǐng)域大體分為兩類:簡單跑量型和柔性編程型。簡單跑量型,一般針對器件結(jié)構(gòu)簡單,芯片種類單一,產(chǎn)品附加值低,但市場需求量巨大,更看重設(shè)備的工作效率和使用成本。國內(nèi)目前在這個領(lǐng)域已經(jīng)突破,國產(chǎn)擺臂式點膠貼片機,已經(jīng)可以與國際大廠同臺競爭,優(yōu)勢明顯。而柔性編程型,一般針對三維封裝(3D)、多芯片封裝(MCP)和系統(tǒng)級封裝(SIP)等超高密度的封裝形式,封裝器件結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜,封裝產(chǎn)品附加值高,由多種芯片搭建成一個微系統(tǒng),更看重設(shè)備的貼片精度,多芯片物料上料方式的多元化,點膠和貼片工藝糅合在同一臺設(shè)備,提高裝貼一致性,可編程的柔性貼片工藝,多功能貼片需求。國內(nèi)在此類設(shè)備還沒有真正形成競爭力。

在三維封裝(3D)、多芯片封裝(MCP)和系統(tǒng)級封裝(SIP)等超高密度的需求應(yīng)用背景下,就會延伸出腔體、物料尺寸、物料供給、視覺識別等問題,貼片適用范圍要盡可能的大,必須同時滿足寬尺寸范圍和高深腔需求,一般物料范圍0.2 mm～20 mm,跨度非常大,對應(yīng)視覺相機的視場大小和放大倍數(shù)也必須兼顧。物料上料方式要盡可能的多,編帶、華夫盒、凝膠盒、藍(lán)膜。主控軟件必須滿足自由柔性的圖形化可編程貼片工藝,滿足多工程、多物料、多吸嘴自由選擇切換。其中有些指標(biāo)是沖突的,兼顧范圍越寬帶來的研發(fā)難度會大幅提高。

2.2 主流競品機型技術(shù)指標(biāo)差異分析

目前國內(nèi)科研機構(gòu)和生產(chǎn)工廠使用的主流多功能貼片機主要有以下表格中的3種,德國BESI公司DATACON 2200evo機型,美國MRSI公司705機型,美國PALOMAR公司的3880機型。主要技術(shù)指標(biāo)對比見表1。

從上表中可以看出,三家公司在中國市場的銷量占比都接近甚至超過一半,中國市場占全球市場的一半。

2.3 主流競品機型優(yōu)缺點分析

2.3.1 設(shè)計理念不同

DATACON 2200evo機型,設(shè)計定位于工廠生產(chǎn)用貼片機,采用空間協(xié)同,時間協(xié)同的理念,采用上方貼片軸,下方物料傳送的交叉協(xié)同運作。貼片軸拾取位置相對固定,貼片的同時下方物料協(xié)同供給,使得取料距離最短,時間最小,占用空間最小。采用異軸同步工作,點膠與貼片可以同步進(jìn)行,實現(xiàn)效率最大化,生產(chǎn)效率高。

MRSI705機型與PALOMAR 3880機型設(shè)計理念和功能相似,都定位于科研型貼片,都采用空間平鋪,時間異步的方式。雖然保證了貼裝精度,但物料平鋪,物料越多取料跨度越大,取料時間越長,貼裝時間越長。為了實現(xiàn)簡單操作,高精度貼片需求,采用同軸異時的方式,點膠與貼片不能同步進(jìn)行,速度較慢,生產(chǎn)效率低下。

2.3.2 貼片精度

從指標(biāo)上看DATACON 2200evo貼片精度±7 μm@3s,略低于MRSI705和PALOMAR 3880的貼片精度±5 μm@3s。根據(jù)客戶走訪實測,二者差異性不大。

2.3.3 速度差異

DATACON 2200evo純貼片速度(拾放速度)是MRSI705和PALOMAR 3880的3倍。DATACON 2200evo不僅取料距離短,而且單軸運動速度也明顯快于后者。

2.3.4 物料存放位置

DATACON 2200evo具有25層藍(lán)膜料倉,而MRSI705和PALOMAR 3880僅支持一個藍(lán)膜。如果全部采用華夫盒方式上料,DATACON 2200evo采用動態(tài)陣列堆棧供料,理論上支持200個2寸華夫盒,而MRSI705僅支持40個2寸華夫盒,無法滿足超大規(guī)模貼片需求。

2.3.5 測高方式

DATACON 2200evo采用機械測高,探針下探深腔,根據(jù)傳感器反饋測定高度,缺點是采用接觸式測高,存在物料損傷的風(fēng)險。MRSI705采用激光測高,測高速度也不快,而且存在窄槽,深槽,縱向槽光路阻擋無法測高的問題。

2.3.6 是否兼顧共晶貼片

DATACON 2200evo暫無共晶貼片功能,MRSI705和PALOMAR 3880具備共晶貼片功能。特別是PALOMAR 3880采用脈沖加熱臺,具備多芯片共晶能力,具有氮氣保護功能,但同一個基板共晶也不要超過6顆,否則焊接質(zhì)量無法保證。

2.3.7 軟件易用性

DATACON 2200evo采用LINUX平臺,編程時直觀性不強,初接觸不易上手。MRSI705和PALOMAR 3880采用Windows平臺,易上手。特別是MRSI705程序界面相對簡單,直觀,更接近OFFICE體驗感受,在程序編輯和使用方面,個人感覺MRSI705優(yōu)于DATACON 2200evo。

3 多芯片高精度點膠貼片機發(fā)展趨勢

根據(jù)市場和用戶反饋,針對5G通訊及微波功率器件微電子封裝,三維封裝(3D)、多芯片封裝(MCP)和系統(tǒng)級封裝(SIP)等超高密度的封裝形式由多種芯片搭建成一個微系統(tǒng)客戶需求的多樣化,多功能高精度點膠貼片需求越來越高?；谑袌龊图夹g(shù)進(jìn)步判斷,多功能高精度點膠機發(fā)展趨勢呈現(xiàn)更高速度、更高精度,智能化、網(wǎng)絡(luò)化等幾個特點。

1) 針對客戶需求的多樣化,特別是裝貼產(chǎn)品附加值高的場合,質(zhì)檢也要求全道工序必檢,主要集中在用戶對貼前檢測、膠后檢測,貼后檢測,并采用無損不接觸式檢測。目前采用人工檢驗,管控不易,容易漏檢,容易疲勞犯錯,因此自動檢驗需求迫在眉睫,排在第一位。

2) 針對設(shè)備的智能化需求也越來越多。比如:貼片精度自動標(biāo)定和修復(fù)功能,具備補償數(shù)據(jù)自動采集及計算,長期使用定期標(biāo)定。為降低維護保養(yǎng)工作量,通過特定的標(biāo)識和程序,自動計算精度補償量。尤其是,銷售量越大,銷售范圍越廣,此功能要求越迫切,排在第二位。

3) 針對芯片集成度提升,線寬越來越小,焊盤越來越小,對貼片精度要求越來越高,主流的10 μm精度已經(jīng)無法滿足,針對激光通訊行業(yè)的高精度貼片需求已經(jīng)達(dá)5 μm。針對視覺成像CCD制程貼片精度需求已經(jīng)達(dá)3 μm。未來貼片精度提升,同樣也是一個發(fā)展方向。

4) 針對貼片效率,同樣提出更高的要求,從目前的UPH2000,提升到UPH6000,降低單位生產(chǎn)成本。

5) 針對生產(chǎn)管理,設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化,集中控制管理,并與MES系統(tǒng),ERP系統(tǒng)對接需求越來越強烈。

6) 考慮點膠和共晶工藝兼顧,采用吸頭加熱,脈沖加熱等方式支持多芯片共晶貼片,功能多元化,也是一個發(fā)展方向。