楊 婷，蔣玉齊

（無錫中微高科電子有限公司，江蘇無錫214035）

1 引言

聲表面波（SAW）器件通常采用LiNbO3、LiTaO3等壓電單晶作為聲波產(chǎn)生和傳播的材料，使用鋁等聲阻抗較小的薄膜作為信號的輸入和輸出材料[1-2]。

本文以LiTaO3基材的SAW器件為研究對象，其中芯片采用的是倒裝FC結(jié)構(gòu)。與硅芯片相比，LiTaO3晶體易開裂，芯片強(qiáng)度低，芯片碎裂是其組裝過程中的常見缺陷，如圖1所示。因此在SMT過程中，不僅需考慮貼裝過程中芯片拋料或偏移等問題，還應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注LiTaO3單晶芯片的碎裂或內(nèi)隱紋等問題。

圖1 SAW器件在SMT組裝后出現(xiàn)的芯片碎裂

針對SAW器件的SMT貼片工藝研究鮮有報道，本文以計算仿真為理論基礎(chǔ)，從SMT工藝優(yōu)化、貼片吸嘴的選擇等方面對影響SAW器件組裝良率的因素進(jìn)行了研究。

2 試驗(yàn)設(shè)計

SAW器件在SMT貼片過程中，產(chǎn)生芯片拋料、偏移和碎裂的原因主要包括幾個方面：1）材料方面，如芯片基材LiTaO3的物理特性、芯片結(jié)構(gòu)及芯片表面狀態(tài)等；2）設(shè)備方面，如SMT貼片機(jī)貼片位置誤差、壓力誤差等；3）操作人員方面，如操作不當(dāng)?shù)龋?）工藝方面，如貼片吸嘴的選擇、貼片工藝參數(shù)等。

本文從貼片工藝優(yōu)化入手，重點(diǎn)評估影響SAW器件貼片質(zhì)量的2個因素：1）貼片壓力及行程參數(shù)設(shè)定；2）吸嘴選型。試驗(yàn)所用的材料包括SAW芯片、BT基板、陶瓷吸嘴等；工藝設(shè)備包括SMT貼片機(jī)、回流烘箱、助焊劑清洗機(jī)、等離子清洗機(jī)、壓縮模塑機(jī)、C-SAM超聲顯微鏡和光學(xué)顯微鏡等。

3 結(jié)果與討論

3.1 貼片壓力及行程參數(shù)設(shè)定

在貼片作業(yè)過程中，吸嘴通過對芯片表面施加一定壓力，使得芯片凸點(diǎn)和基板焊盤充分接觸，以利于下一步回流焊接。針對SAW器件LiTaO3單晶芯片易開裂的問題，在滿足焊接要求的前提下，應(yīng)選擇盡可能低的貼片壓力。本試驗(yàn)綜合工藝穩(wěn)定性和產(chǎn)能要求，將貼片壓力設(shè)定為2 N。

貼片過程中有標(biāo)準(zhǔn)和緩慢2種行程模式，設(shè)備可選菜單如圖2(a)所示。行程對比如圖2(b)所示，吸嘴下降的過程分為2步，第一步吸嘴以速度V1快速下降到一定高度，這個過程需兼顧芯片掉落偏移的問題和設(shè)備產(chǎn)能；第二步吸嘴以緩慢速度V2移動至貼片區(qū)，這個過程主要針對慣性較大的大尺寸芯片，防止設(shè)備校準(zhǔn)后芯片再偏移旋轉(zhuǎn)的問題；完成貼片后，吸嘴以速度V3進(jìn)入上升行程。緩慢模式與標(biāo)準(zhǔn)模式相比，除會較早地進(jìn)入緩慢下降速度V2區(qū)間外，還有一段以更緩慢的速度V4上升的行程，然后再進(jìn)入V3上升區(qū)間，這樣可防止快速上升造成芯片被帶出偏移的問題。本試驗(yàn)使用壓力傳感器觀察不同行程模式下實(shí)際貼片時間和貼片壓力的影響，壓力傳感器裝置示意圖如圖2(c)所示。

圖2 SMT設(shè)備貼片行程可選模式及檢測裝置示意

2種行程模式下的貼片時間和壓力實(shí)測值見表1。結(jié)果顯示在相同的貼片壓力設(shè)定下，標(biāo)準(zhǔn)模式與緩慢模式相比，實(shí)際最大貼片壓力相差不大，但貼片時間少了5 ms左右。因此試驗(yàn)選用標(biāo)準(zhǔn)模式，吸嘴作用于芯片表面的能量更小。

表1 各吸嘴行程模式下的實(shí)際貼片時間和壓力

3.2 SMT吸嘴選型

試驗(yàn)使用陶瓷材質(zhì)的SMT吸嘴，具有使用壽命長、高速貼裝過程中不帶靜電的優(yōu)點(diǎn)[3]。吸嘴結(jié)構(gòu)如圖3所示，吸嘴選型主要考慮2個參數(shù)：1）吸嘴內(nèi)部尺寸，2）吸嘴外部尺寸。前者決定了芯片吸取的真空吸力，后者影響芯片表面的受力情況。真空吸力不足時會造成貼片過程中途芯片拋料或芯片偏移現(xiàn)象，而芯片表面壓力過大時則會導(dǎo)致芯片碎裂問題。

圖3 吸嘴結(jié)構(gòu)示意圖

3.2.1 吸嘴內(nèi)部尺寸對芯片貼裝精度的影響

評估吸嘴內(nèi)部尺寸對貼片精度的影響，主要從2個方面考慮：1）吸嘴垂直吸取芯片時，芯片自身重力和上升產(chǎn)生的加速度力總和G需小于吸嘴的真空吸力F1；2）吸嘴移動過程中芯片的慣性力F3需小于吸嘴與芯片之間的摩擦力F2。吸嘴吸取芯片貼裝過程中力的分布如圖4所示。

圖4 吸嘴吸取芯片運(yùn)輸過程中力的分布

本試驗(yàn)SMT貼片機(jī)的真空度P=9.2 g/mm2，安全建議系數(shù)X≥3，吸嘴與芯片之間的摩擦力u≈0.5，設(shè)最大加速度ɑ=25 m/s2。試驗(yàn)選取的吸嘴內(nèi)部尺寸長1.00 mm,寬0.45 mm，則真空吸取面積Sin=0.45 mm2。芯片A質(zhì)量m≈0.0035 g。相關(guān)計算公式如下：

上述計算結(jié)果表明，試驗(yàn)吸嘴內(nèi)部尺寸可滿足芯片A貼裝要求，進(jìn)一步試驗(yàn)觀察，未發(fā)現(xiàn)掉芯片拋料、偏移現(xiàn)象，符合預(yù)期計算。

3.2.2 吸嘴外部尺寸對芯片表面受力情況的評估

SAW器件在貼片過程中，吸嘴對芯片表面的受力影響包括2個方面：1）吸嘴接觸面積的影響，2）接觸區(qū)背面凸點(diǎn)的影響。由于條件限制，采用同一款陶瓷吸嘴、2款不同凸點(diǎn)結(jié)構(gòu)的SAW芯片進(jìn)行試驗(yàn)，比較了2種芯片的受力情況。其中A、B 2款芯片的基材均為LiTaO3，減薄厚度為200 μm±20 μm，芯片表面狀態(tài)相同，芯片尺寸分別為1.63 mm×1.23 mm、1.85 mm×1.05 mm。二者面積相近，但凸點(diǎn)分布不同，見圖5。

圖5 2種芯片尺寸及凸點(diǎn)分布示意圖

陶瓷吸嘴內(nèi)部尺寸為1.00 mm×0.45 mm，外部尺寸為1.40 mm×0.90 mm。使用該款吸嘴對A、B 2款芯片進(jìn)行貼片，相同參數(shù)設(shè)定下芯片碎裂的比例存在明顯差異：貼裝芯片A 2196顆，并在貼裝后、塑封后進(jìn)行觀察，無芯片碎裂問題；貼裝芯片B 640顆，共有14顆芯片碎裂，失效比例為2.19%。芯片B碎裂模式如圖6所示，碎裂集中分布在芯片兩側(cè)，為吸嘴未覆蓋部位。

圖6 芯片B碎裂模式

通過有限元方法建模仿真，研究吸嘴對該2款芯 片的受力影響，其中LiTaO3材料特性見表2[4-5]。

表2 LiTaO3材料特性

仿真模型見圖7。在該模型中，載荷作用于吸嘴上表面，凸點(diǎn)底面作固定約束。模型觀察了2種芯片結(jié)構(gòu)及對應(yīng)的應(yīng)力分布。仿真結(jié)果表明，最大拉伸應(yīng)力在芯片的下表面，且接近芯片四周邊緣。晶圓切割會在芯片邊緣留下微裂紋，在此應(yīng)力作用下，芯片邊緣會成為最薄弱的點(diǎn)，裂紋可能從該薄弱點(diǎn)開始，不斷擴(kuò)展并貫穿整個芯片，導(dǎo)致芯片碎裂。當(dāng)吸嘴和芯片結(jié)構(gòu)固定時，最大拉伸應(yīng)力的幅值隨著載荷的增大而增大，但最大應(yīng)力的位置不變。對比2款芯片的應(yīng)力分布情況，發(fā)現(xiàn)凸點(diǎn)能起到較好的支撐作用。吸嘴覆蓋在芯片凸點(diǎn)上方時，凸點(diǎn)能分散大部分的載荷，因而作用在凸點(diǎn)上方及附近的LiTaO3基材拉伸應(yīng)力最小。而發(fā)生拉伸應(yīng)力最大的區(qū)域，主要集中在吸嘴覆蓋但無凸點(diǎn)支撐的區(qū)域，因此通過合理的芯片結(jié)構(gòu)設(shè)計或吸嘴選型優(yōu)化，盡量使吸嘴覆蓋的區(qū)域能有凸點(diǎn)支撐，芯片受到的拉伸應(yīng)力得到均衡分布。

圖7 2種芯片仿真模型示意圖

2種芯片拉伸力分布如圖8所示，貼片負(fù)載為4.5 N時，對比2款芯片的最大拉伸應(yīng)力計算值，可以發(fā)現(xiàn)吸嘴與芯片A結(jié)構(gòu)匹配度較好，最大拉伸力為12.17 MPa；芯片B尺寸比吸嘴長很多，載荷通過吸嘴作用于芯片上時，由于芯片兩側(cè)凸點(diǎn)分布在吸嘴外，起到的支撐作用較弱，底部的最大拉伸力為16.17MPa，高于前者32%。根據(jù)威布爾分布，小尺寸LiTaO3基材在局部拉伸力達(dá)到15 MPa以上時就有發(fā)生碎裂的風(fēng)險[6]，仿真結(jié)果與實(shí)際芯片碎裂模式一致。

圖8 2種芯片拉伸力分布圖

針對芯片B，若將吸嘴的外部尺寸優(yōu)化為1.70 mm×0.90 mm，吸嘴覆蓋到芯片兩側(cè)凸點(diǎn)，則仿真應(yīng)力分布云圖類似，應(yīng)力水平可顯著降低至12.41MPa，證明吸嘴外部尺寸是影響芯片碎裂的重要因素之一。

4 結(jié)論

本文以LiTaO3基材的SAW器件為例，研究了SMT貼片工藝參數(shù)及吸嘴尺寸對SAW器件貼片中芯片拋料、芯片碎裂的影響。通過對SMT貼片壓力和行程等工藝參數(shù)的優(yōu)化，可有效解決貼片過程中芯片掉落和偏移的情況，提高貼片良率。選擇合適的吸嘴內(nèi)徑可保證足夠真空度，防止芯片拋料或偏移；選擇合適的吸嘴外徑使其盡量覆蓋更多的凸點(diǎn)，可降低貼裝過程中的芯片拉伸應(yīng)力，并顯著減少芯片開裂幾率。