李有成

(中國電子科技集團公司第二研究所,山西太原030024)

隨著半導體集成電路的小型化、集成化的發(fā)展，促進了高密度立體組裝技術的應用，多功能組裝系統(tǒng)可用于基板上裸芯片的自動組裝，如將多個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?shù)馁N裝力會造成芯片的崩邊、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

初始壓力：20 g

因此設計低壓力貼裝頭需解決兩個關鍵問題：（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彈簧組件來實現(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)達到所需力的范圍。

組裝系統(tǒng)初始壓力的控制也很重要，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動質(zhì)量，降低慣性，才能獲得較小的初始貼裝力。

1 貼裝頭的構成及其優(yōu)點

1.1 貼裝頭的結構

如圖1 所示，貼裝頭主要由垂直旋轉拾放（pick&place）頭、力螺旋線管、片簧以及氣動機構等組成。

圖1 貼裝頭示意圖

在貼裝頭下有兩個曲軸支點，當吸嘴接觸貼裝表面以及z 軸繼續(xù)到超行程時支點將偏轉，片簧受壓，產(chǎn)生超行程（超行程范圍0～1.5 mm），通過超行程即可確定貼裝力的大小。在曲軸上設置觸點，通過電信號識別貼裝吸嘴接觸芯片表面的過程。

1.2 貼裝頭特點

（1）效率高、質(zhì)量輕。針對低壓力貼裝特點要求，貼裝頭采用了垂直八工位轉塔頭，氣動機構通過壓縮空氣的驅動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。通過測力傳感器單元，將初始觸發(fā)力調(diào)整到20 g 左右。既保證了拾取的穩(wěn)定又不會對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)點是體積小，工作可靠，換向沖擊小，使用壽命較長。組裝系統(tǒng)采用24 V 直流力螺線管，通過8 位A/D 轉換器輸出，對應0～255 g 力的模擬數(shù)字轉換(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 建立力與超行程關系

2.1 測力單元標定

為了精確地測量貼裝壓力，設計了與主控計算機通訊的測力單元作為測力量規(guī)，首先對測力單元進行標定，其標定是通過一組放置在它的傳感器上的預定增量的砝碼進行。

先調(diào)整零點使測力單元歸零，加600 g 的砝碼，調(diào)節(jié)顯示器到讀出600 g，以限定測力單元的壓力量程（0～600 g）。

通過放置不同的砝碼，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)，標定測力單元的精度。

2.2 片簧壓力和超行程測量

在標定了測力單元精度的基礎上，將貼裝頭在測力單元上進行實測。

2.2.1 初始壓力調(diào)定

使用操作柄使貼裝頭吸嘴下降接觸到測力單元表面上并觀察觸點LED 燈狀態(tài)，當LED 燈保持發(fā)亮，停止z 軸移動。接著反方向操作使貼裝吸嘴向上運動到LED 燈滅的點上，然后向下直到剛剛接觸到測力單元表面。這個點是接近沒有任何超行程的接觸點。此點接近所測量和調(diào)整的最小初始壓力。為了測定準確，在z 軸向下剛剛接觸到觸點時（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數(shù)直到超行程值顯示“0”。

組裝系統(tǒng)最小力應為20 g±5 g。調(diào)整力調(diào)節(jié)螺絲（見圖1 中接觸點處螺絲）使力達到在測力單元所測到的20 g±5 g。

2.2.2 超行程測定

使用操作轉輪使z 軸帶動拾放吸嘴下降壓到測力單元表面，觀察所顯示的壓力數(shù)，直至達到所需的貼裝壓力，然后讀取超行程量。其關系見表1所示。

表1 彈簧力與超行程關系

繪制彈簧力與超行程值曲線如圖2 所示。

彈簧力計算公式：F=kx

其中：k 為彈性系數(shù)；

工作載荷F=417.49 g 時，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試：輸入1 000 ms 的時間值以及100 g 的力。提升所選的芯片到感知到100 g 力為1 000 ms。

2.3 力與超行程關系表

圖2 彈簧力與超行程關系

當彈簧與力螺線管共同作用時，建立實際貼裝壓力與超行程之間的關系。如表2 所示，通過此表可查詢給定超行程下的貼裝力值。

表2 力與超行程關系表

圖3 所示為貼裝力與超行程的關系圖。

表2 中力ADC 為0 時，對應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，其為非線性關系，這點從圖3中也可以看出。針對不同的超行程量，其施力大小也不盡相同，編程時查表確定其關系。

圖3 貼裝力與超行程關系圖

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大于芯片厚度的1/3，右邊的橡膠吸嘴可用于凸點面朝上的倒裝芯片， 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，而拾取壓力也應適當加大。

2.5 運動控制

低壓力貼裝離不開運動控制系統(tǒng)，控制拾取和貼放過程參數(shù)，特別是貼裝的接近、接觸、分離過程。如圖5 所示為裸芯片（Die）在基板上的拾取和貼裝過程，從中可以看出芯片在貼裝過程中受到拾取和貼裝兩次初始壓力的沖擊。對于倒裝芯片的貼裝，則受到兩次拾取、兩次放置和一次翻轉的沖擊。

圖5 芯片在基板上的貼裝過程

運動過程參數(shù)主要包括：下降速度和力；下降將開始減速度的高度，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。

對于gel 包裝以及非常小和非常大的芯片，緩慢的運動是必需的。

采用合適的吸嘴以及調(diào)整運動參數(shù)，進行裸芯片在基板上的貼裝，完成了點膠、沾膠、共晶摩擦、共晶焊等組裝過程，通過工藝試驗驗證，達到了實用要求。

3 結束語

通過對組裝系統(tǒng)貼裝力的分析、研究，設計制作了低壓力垂直旋轉貼裝頭，測定了壓力與超行程的關系，并與運動控制相結合，進行了芯片貼裝實驗，實驗結果驗證了低壓力貼裝結構的可行性。實現(xiàn)了裸芯片的無損貼裝，達到了使用要求，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.