倒装贴装机荷重控制的优化改进_黄云龙.pdf

2023年1月电子工艺技术Electronics Process Technology第44卷第1期53摘要：高精度自动倒装贴装机是倒装焊工艺发展起来的新的微电子后封装设备。荷重是贴装机的关键因素之一，是控制质量的关键。简要介绍了高精度自动倒装贴装机荷重控制的重要性及系统结构和实现过程。为了提高倒装贴装机贴片质量并保证UPH，在高速高加速度的运行条件下，实现贴装机荷重的小超调、稳定和精确控制贴片机荷重的优化。关键词：倒装贴装机；荷重；小超调；标定中图分类号：TN305文献标识码：文章编号：1001-3474（2023）01-0053-04Abstract:The high precision automatic fl ip mounting machine is a new microelectronic post-packaging equipment developed from the fl ip welding process.The load is one of the key factors of mounting machine and the key of quality control.The high precision automatic fl ip on the importance of load control capacity is briefl y introduced,the system structure and implementation process are expounded.In order to improve the fl ip chip installed patches of quality and ensure the UPH,under the condition of high speed high acceleration run,the optimization of small overshoot,stable and precise control of the mounting machine load is realized.Keywords:fl ip mounting machine;load;small overshoot;calibration Document Code:A Article ID:1001-3474(2023)01-0053-04倒装贴装机荷重控制的优化改进Optimization and Improvement of Load Control for Flip Mounting Machine黄云龙HUANG Yunlong（大连佳峰自动化股份有限公司，辽宁 大连 116041）(Dalian Jafeng Automation Co.,Ltd.,Dalian 116041,China)0 引言随着高密度化、微型化、轻薄化、高集成化成为新一代芯片的发展方向1，具备互连长度低、干扰减小、容抗降低、尺寸超小、成品率高、成本低等技术优势的倒装芯片技术成为了新的发展热潮。芯片焊凸阵列微小化(5 m)，高密度化(10-4/mm2)，细间距化(10 m)的特性变得越来越突出2。在芯片倒装互连过程中，由于倒装机构执行系统处于频繁的大行程高速高加速度的运动条件下，荷重过大或过小都会使芯片电气互连的过程受到干扰。因此，对于高性能荷重控制系统的设计要求就是在高速高加速度的运行条件下，实现贴装过程接触的小超调、稳定和精确荷重。实际上，在高速高加速运动下，贴装过程荷重的小超调和稳定整定控制是一个复杂的研究对象，其荷重控制系统的性能要求包括：最小荷重超调、稳定精确的接触荷重和设备贴装效率。这些要求之间是相互制约的，涉及机械、电气控制、软件、力学和控制理论等不同领域的技术3。1 荷重的重要性随着时间推移，高性能芯片的尺寸不断增大，焊凸（Solder Bump）数量不断提高，基板变得越来越薄，对荷重控制的要求越来越高。考虑倒装芯片作者简介：黄云龙（1 9 8 5-），男，工程师，主要从事电子专用设备的研究和开发工作。doi:10.14176/j.issn.1001-3474.2023.01.0142023年1月电子工艺技术Electronics Process Technology54基材是比较脆的硅，若在取片过程中施以较大的荷重容易将其压裂，同时细小的焊凸在此过程中也容易压变形，所以尽量使用合适的荷重压力，一般要求在150 cN左右。对于超薄形芯片，有时甚至要求荷重控制在35 cN4。助焊剂浸蘸过程对荷重的控制也是非常重要部分，不仅要保证每次芯片焊凸上可以均匀地获得设定厚度的稳定的助焊剂薄膜，而且要对芯片焊凸的变形程度进行控制。助焊剂主要是在回流之前起到固定芯片的作用，在回流过程中起到清洁、湿润焊接表面以增强可焊性的作用5。芯片上的焊凸蘸取助焊剂的数量是否合理，分布是否均匀，直接影响到回流焊接完成的产品质量，所以浸蘸过程中荷重的参数也必须可以单独控制。贴片过程中荷重更是一个至关重要的参数，贴片动态荷重过大会对芯片造成损坏，贴片动态荷重太小，又会造成贴片位置偏移，贴装不牢靠，而且在绑定机构自身重力、惯性力等冲击荷重的作用下直接影响芯片贴装质量6-7。因此实际贴装过程中各种力叠加后的总的荷重幅值可能会太大从而破坏芯片，也可能太小使得贴装不牢固和精度不够。贴装的质量和可靠性很大程度上取决于荷重的控制性能。2 系统结构如图1所示，全自动倒装贴装机运动部分采用双动臂式结构8，为了加快运动速度，防止悬臂梁的效应，减少机械稳定时间，X轴运动采用完全同步控制回路的双伺服电动机驱动系统，Y轴Z轴R轴采用高定位精度和高重复精度的直线电动机，以模糊控制技术控制运动。运动过程分3段，即“慢-快-慢”，呈“S”型变化，从而使运动变得既“柔和”，又快速。小Z轴采用电流环控制，用以调节电流，给设备提供恒定的荷重输出。由以上运动机构组成整个绑定机构，绑定机构是倒装贴装设备中精度要求最高的运动部件,主要用于完成芯片的拾取、相机上视、蘸胶和贴片等主要功能9。设备的主要动作是翻转机构从蓝膜上将焊凸向上的芯片拾起，并翻转180；绑定机构从翻转机构上将芯片拾起，此时芯片焊凸方向向下，绑定机构带动芯片在xyz方向运动，使得芯片上的焊凸在蘸取机构上均匀蘸取助焊剂，绑定机构再在xyzr方向运动将芯片贴装在基板要求的位置上。从设备的主要动作看出芯片在贴装过程中受到两次拾取、两次放置及一次翻转的冲击荷重作用。图1 绑定机构图3 实现过程这个工艺过程看似简单，其实是一个十分复杂的过程。其间不但包括控制荷重大小和荷重过冲，而且包括绑定机构动态位置闭环控制，以及速度、加速度等条件使芯片上的焊凸发生适当的变形和获得稳定厚度的助焊剂薄膜。如果荷重太小，芯片和基板连接不牢固，如果荷重太大，焊凸就会被压扁从而破坏芯片和基板互连。尤其是绑定机构速度和效率的提高，会导致荷重超调和稳定性控制难度大大增加。控制稳定荷重的原则是恰好能将芯片“放”在表面并下压适当的高度，因为不同的供应商、不同型号、不同基板的厚度存在差异，所以，需要控制的荷重也不一样，在加工生产的时候要注意，必须要能调整拾取、蘸胶和贴片时不同的荷重值。因此设计稳定的贴装荷重需要解决两个关键问题：1）使用荷重值得范围，2）初始峰值冲击荷重。1）使用荷重值得范围采用标定方法来实现。荷重是通过小Z轴的电流环提供的，并且通过光栅尺进行位置反馈，当绑定机构下降到待测表面后，绑定机构Z轴继续下降，小Z轴会有位移变化，通过小Z轴获取所需荷重，荷重变成电流和位置关系的函数，选择合适下压高度和相应的电流，使荷重达到要求的范围。首先建立位置和荷重关系，在标定后的测力单元上，将绑定机构下降到小Z轴有不同位置时，通过记录测力单元反馈值，其关系见表1。然后建立小Z轴电流细分和荷重关系，同样在标定后的测力单元上，将绑定部分下降到0.101 mm处，根据上表可以查出荷重为62.5 cN，以此荷重为基准，通过增加小Z轴电流细分数值，得到测力单元反馈数据，其关系见表2。根据图表建立曲线如图2所示，可以看出小Z轴位置和荷重、小Z轴电流细分和荷重都为非线性关系，针对不同位置要获得相应的荷重，需要的电流细分也不尽相同，在使用中通过相应数据查表可以获取。第44卷第1期55图4 采集1 0 0 ms 的数据曲线表1 小Z 轴位置和荷重部分关系表图2 荷重曲线图 图3 控制系统图表2 小Z 轴电流细分和荷重部分关系表序号 荷重/c N小Z 轴位置/mm序号 荷重/c N小Z 轴位置/mm序号 荷重/c N小Z 轴位置/mm序号 荷重/c N小Z 轴位置/mm序号 荷重/c N小Z 轴位置/mm13 2.0 3 0.0 0 21 0 06 2.5 4 0.1 0 14 0 0 2 0 6.3 2 0.4 0 16 0 0 3 1 0.4 4 0.6 0 19 0 0 4 8 7.1 2 0.9 0 123 2.3 4 0.0 0 31 0 16 2.8 5 0.1 0 24 0 1 2 0 6.8 4 0.4 0 26 0 1 3 1 0.9 4 0.6 0 29 0 1 4 8 7.4 0 0.9 0 233 2.4 1 0.0 0 41 0 26 3.3 2 0.1 0 34 0 2 2 0 7.4 0 0.4 0 36 0 2 3 1 1.4 2 0.6 0 39 0 2 4 8 7.7 2 0.9 0 343 2.8 8 0.0 0 51 0 36 3.5 1 0.1 0 44 0 3 2 0 7.9 9 0.4 0 46 0 3 3 1 1.8 4 0.6 0 49 0 3 4 8 8.0 5 0.9 0 453 3.2 5 0.0 0 61 0 46 3.8 0 0.1 0 54 0 4 2 0 8.4 7 0.4 0 56 0 4 3 1 2.3 5 0.6 0 59 0 4 4 8 8.3 3 0.9 0 563 3.5 9 0.0 0 71 0 56 4.1 8 0.1 0 64 0 5 2 0 8.9 1 0.4 0 66 0 5 3 1 2.8 6 0.6 0 69 0 5 4 8 8.6 9 0.9 0 673 3.9 2 0.0 0 81 0 66 4.4 6 0.1 0 74 0 6 2 0 9.4 1 0.4 0 76 0 6 3 1 3.3 8 0.6 0 79 0 6 4 8 8.9 8 0.9 0 783 4.2 80.0 0 91 0 76 4.7 1 0.1 0 84 0 7 2 0 9.9 3 0.4 0 86 0 7 3 1 3.8 5 0.6 0 89 0 7 4 8 9.1 5 0.9 0 893 4.5 6 0.0 1 01 0 86 5.0 0 0.1 0 94 0 8 2 1 0.5 2 0.4 0 96 0 8 3 1 4.3 0 0.6 0 99 0 8 4 8 9.4 3 0.9 0 9序号荷重/c N小Z 轴电流细分 序号荷重/c N小Z 轴电流细分 序号荷重/c N小Z 轴电流细分 序号荷重/c N 小Z 轴电流细分1-3 4.0 7 15 0 01 2 7.6 2 5 0 09 0 01 7 0.1 7 9 0 01 2 0 0 2 6 0.3 0 1 2 0 02-3 3.6 8 25 0 11 2 8.2 5 5 0 19 0 11 7 0.6 2 9 0 11 2 0 1 2 6 0.4 5 1 2 0 13-3 3.3 0 35 0 21 2 9.0 3 5 0 29 0 21 7 1.0 2 9 0 21 2 0 2 2 6 0.6 7 1 2 0 24-3 2.9 1 45 0 31 2 9.8 8 5 0 39 0 31 7 1.3 6 9 0 31 2 0 3 2 6 0.9 0 1 2 0 35-3 2.5 3 55 0 41 3 0.5 5 5 0 49 0 41 7 1.6 5 9 0 41 2 0 4