SMT貼片機(jī)分析與選擇

 自動化的組件置放機(jī)在電路板的組裝上扮演著相當(dāng)重要的角色，但是組裝業(yè)者在采購這類設(shè)備時，對于如何選用一部適合且功能完備機(jī)并未具備有足夠的知識，在這篇文章中，我們將逐一的討論組件置放機(jī)所應(yīng)具備的功能，在具備了這些知識后，將可輕易的選擇出適當(dāng)?shù)慕M件置放機(jī)。

　　二、關(guān)鍵性的差異

　　在電子產(chǎn)品不斷的面對輕便的需求，組裝業(yè)者希望能從縮小組件尺寸與增加電路板的組裝密度來達(dá)成這項(xiàng)要求。近年來隨著覆晶技術(shù)逐漸的被采用，組件小型化目標(biāo)似乎得到解決，實(shí)際上還是有些困難待進(jìn)一步獲得確認(rèn)，如雖然覆晶在組裝上與傳統(tǒng)表面黏著技術(shù)相似采用的接腳都是低溫的共晶錫球，但并不是這樣組件置放機(jī)就能輕易的轉(zhuǎn)而適用于覆晶技術(shù)上，傳統(tǒng)的組裝所使用的組件置放機(jī)在技術(shù)上與覆晶的使用上還有些差距，這些差異主要是在使用于更小間距（小于0.012〞）與更小止境的錫球的組件時是否依然能夠提供與過去一樣的組裝對位質(zhì)量，組件置放機(jī)必須具備有更精確的視覺與對位系統(tǒng)才能得以因應(yīng)覆晶技術(shù)的需求。

　　除此之外，時下常見的覆晶間距為0.004〞，錫球的直徑為小于0.002〞，由于在回焊制程前，組件都是利用助焊劑（FLUX）暫時黏附在電路板上，若此時的組件是屬于較小間距時，相對的所具備的助焊劑的量也會較其它較大間距的組件來得少，若助焊劑在沾濕的情況未能盡于完美，或無法提供足夠的附著力將原件固定于焊電墊上時，則將會造成焊接質(zhì)量不良。上述的問題再在的點(diǎn)出組件置放機(jī)應(yīng)用在覆晶技術(shù)時所面臨的問題著實(shí)相當(dāng)復(fù)雜。

　　一般來說，一部能應(yīng)用在間距為0.004〞組件，速度約為8 sec/part，其中整個動過程包括吸取組件，移動與視覺系統(tǒng)對位功能的價位約為＄400000到＄500000，其差異在于所選用配備的要求，雖然這樣的設(shè)備已經(jīng)能夠面對時下的要求，但是否在未來依然適用？這就有賴持續(xù)的觀察未來組件形式的發(fā)展了。

　　三、組件置放機(jī)的分辨率與精確度

　　顯而易見的，分辨率與精確度對于組件置放機(jī)在微小間距組件（fine-pitch-parts）的應(yīng)用上是相當(dāng)重要的參數(shù)，大致上來說精確度是視覺系統(tǒng)精分辨率與設(shè)備在X-、Y-、及Z-方向移動穩(wěn)定度的函數(shù)，簡言之就是在組件放置動作中，放件吸頭在3-D方向移動至設(shè)定位置前，系統(tǒng)必須能先“看到”并確認(rèn)組件其所要放置的位置是否正確。

　　所有被試驗(yàn)的組件置放機(jī)的分辨率必須在0.00004〞到0.00008〞這個范圍內(nèi)，且精確度大約是在0.0004〞到0.002〞間，這樣的結(jié)果顯示了在微小間距的使用上，數(shù)據(jù)是越小越好。而其它的參數(shù)（如在組件吸嘴全速運(yùn)動下之精確度，焊墊與錫球間對位誤差的標(biāo)準(zhǔn)）將影響設(shè)備的層級。在這樣的觀點(diǎn)下，時下的高速機(jī)所能負(fù)荷的組件間距為0.0034〞到0.012〞,我們可以藉有以下的公式來推論組裝時所能容許的小組件間距：精確度*(100／焊墊與錫球?qū)ξ徽`差的百分率)*2＝所適合使用的間距　ex：0.001〞*100/25*2=0.008〞

　　若由上面的例子看來，精確度為0.001〞的組件置放機(jī)，在有25%對位誤差下，適合使用在間距為0.008〞的組件上，若供貨商所采用的誤差容許度為33%，則上述機(jī)臺所使用的組件間距就為0.006〞了。

　　四、組件置放機(jī)的精確度與驗(yàn)證

　　組件置放機(jī)的精確度與連續(xù)性可藉由鍍烙在玻璃片的方法（chrome-on-glass）來驗(yàn)證，其方法是在玻璃片以烙作出刻線，再將此玻璃片放置在組件置放機(jī)中，利用基板（substrate）與組件放置位置的基準(zhǔn)點(diǎn)（fiducial）來引導(dǎo)機(jī)器對位，在完成整個組裝制程后，再透過光學(xué)顯微鏡的檢視與光標(biāo)尺的測量，針對多個位置，再全速運(yùn)動與來判斷其精確度。

　　鍍烙在玻璃片（chrome-on-glass）的檢驗(yàn)方法是一種人工的制程，盡管如此在機(jī)器是否具備某一個程度的精確度這個議題上，還是一種相當(dāng)有效的驗(yàn)證方法。有一點(diǎn)是相當(dāng)重要的，就是當(dāng)機(jī)器剛開機(jī)，正進(jìn)行這種人工式的對位精確度確認(rèn)的動作勢必定要相當(dāng)確實(shí)，以免影響后序運(yùn)作時的精度。但也并非所有的這類設(shè)備在開始時都會進(jìn)行類似的動作，且也不是每一家的設(shè)備都附有具有鍍烙刻度的玻璃片來幫助校正精確度用。

　　此外，組件置放機(jī)的熱穩(wěn)定力也會影響其精確度，為此Jabil的覆晶組件置放機(jī)在是使用花崗巖石的基臺與陶瓷的支撐梁來減低這類的影響，既然如此，若設(shè)備常時間的勇來處理間距為0.004〞的組件時，是否能自我進(jìn)行熱校正就相當(dāng)重要，雖然有的廠商強(qiáng)調(diào)其設(shè)備無須做這類的校正，但在相關(guān)的文戲中還不時強(qiáng)調(diào)熱校正的重要性。

　　五、置件速率

　　一般所指的置件速率大都不包括電路板輸送與視覺對位的步驟，因此各家廠商所公布的速度都相當(dāng)快，但若將上述兩個動作包含在內(nèi)一起計(jì)算，則速度就會急速降低。例如：若不含該兩個項(xiàng)目，則一般速率都在2000pph左右，但若加上這兩個項(xiàng)目則速率就劇降為800pph了。

　　環(huán)顧時下的組件置放機(jī)在執(zhí)行吸取組件、沾助焊劑、視覺對位以及置件大約花費(fèi)2.5至8秒左右，若能夠?qū)⒄粗竸?、錫膏或者是導(dǎo)電膠等相關(guān)制程分離出來，使之不在組件置放的機(jī)置中運(yùn)作，則可效的縮短置件的時間。除此之外，若能在縮短吸嘴移動的距離也可達(dá)到相同的效果。

　　六、輸送

　　通常電路板在組件置放機(jī)中高速移動時，組件盡靠具有黏性的助焊劑黏著著，若電路板的移動，啟動或停頓動作過大，則很有可能會造成組件移位進(jìn)而混亂，所以輸送系統(tǒng)在輸送電路板的過程中，在三個不同區(qū)域必須要具備個別的速度控制單元。

　　在一個區(qū)域中，系統(tǒng)必須盡可能的以高速將電路板輸送到預(yù)定的位置（在這個部份組件通常的藉由先前所沾上之錫膏提供足夠的黏性以應(yīng)付高速的移動）這個區(qū)域主要是要將覆晶（flip chip）轉(zhuǎn)放到電路板上。

　　二個區(qū)域（通常稱為組裝區(qū)）則要以較慢的速度移動，因?yàn)楦簿В╢lip chip）在這個階段中已完成組裝。

　　三個區(qū)域（通常被稱為脫離區(qū)）是將電路板送出組件置放機(jī)。助焊劑在這扮演相當(dāng)重要角色，增加助焊劑的量將可提供覆晶(flip chip)更大的黏著力，就可以較高的速度運(yùn)送電路板，如此也可提高產(chǎn)能，但也會面臨到一些問題，亦即若未與清潔系統(tǒng)結(jié)合，殘留的助焊即將會造成覆晶(flip chip) 焊接不良。

　　七、電路板的對準(zhǔn)

　　由于覆晶（flip chip）所用到的基板尺寸不一，在電路板的對準(zhǔn)上會造成不同程度的問題，有些組件置放機(jī)的基板是以真空吸附(vacuum clamping)的方式來固定，這在較薄基板的使用上是相當(dāng)有疑問的，薄的基板在平整度的要求是較難達(dá)成的，雖然在真空系統(tǒng)運(yùn)作的同時基板是相當(dāng)平整，但當(dāng)真空去除后，基板將會回復(fù)原先的彎曲，另外，若組件僅靠助焊劑的黏性暫時固定組件，則再基板移動后將很容易發(fā)生組件移位，雖然可以加上一塊硬板的方式來強(qiáng)化基板，但這樣一來真空系統(tǒng)就不再有作用。部份的真空系統(tǒng)會與一特制的制具相互配合，相對的價格也相對的提高了。

　　八、可調(diào)整的置件壓力

　　置件吸嘴的向下壓力也是組件置放機(jī)的一項(xiàng)相當(dāng)重要的參數(shù)，對于組件而言需要一足夠的下壓力使其能準(zhǔn)確的放置在焊墊上，但又不能過大到使組件從焊墊上滑開。一般向下的壓力是每個凸塊（bump）3 到10g。

　　九、視覺系統(tǒng)

　　視覺系統(tǒng)在覆晶組件置放機(jī)中重要的單元之一，視覺系統(tǒng)除了辨認(rèn)焊錫接點(diǎn)外，同時也具備檢視組件尺寸以確認(rèn)吸嘴所吸取的組件是否正確的功能。影響視覺系統(tǒng)好壞的參數(shù)有倍率(gain)，偏位(offset) 與臨界值(threshold) 以及視覺工具，有了這個部份將可有效的處理微小間距的組件。當(dāng)組件的間距縮小時，焊錫接點(diǎn)也相對的要被迫縮小，舉例而言，間距為0.004〞的組件的焊錫接點(diǎn)高度約為0.002〞，當(dāng)焊錫接點(diǎn)被縮小到相當(dāng)接近芯片時，就算將影像放大，辨視上還是相當(dāng)困難，因?yàn)樾酒砻娴谋Ｗo(hù)層(passivation)的顏色與焊錫接點(diǎn)的顏色是相當(dāng)接近的。

　　另外還有一個問題是發(fā)生在基板上的基準(zhǔn)點(diǎn)(fiducial)上，由于覆晶(flip chip)的尺寸相當(dāng)小，在某些情況下，一些標(biāo)準(zhǔn)的基準(zhǔn)點(diǎn)居然比芯片大，要解決這個問題，必須要控制視覺系統(tǒng)的搜尋區(qū)域(search)。

　　十、上助焊劑的方法

　　助焊劑在此一組裝制程中相當(dāng)重要，我們希望其能具備有足夠的黏性，絕佳的沾濕力，與能盡量的減少殘留量，特別是殘留量的問題將會對焊接的好壞造成影響，因?yàn)槿糁竸埩粼诘啄z填充劑(underfill)的流動路徑上的話，將會不利其附著，這樣在彌補(bǔ)CTE不匹配的功效就大打折扣了。

　　一般在覆晶(flip chip)技術(shù)中上助焊劑的方法有許多種，包括有用噴灑的(spray)，用滴漏的  (drip)，還有用沾浸的(dip)。

　　噴灑是在組裝組件遣將液態(tài)的助焊劑以噴嘴霧化噴灑在要放置組件的區(qū)域。

　　滴漏是將液態(tài)的助焊劑滴在要放置組件區(qū)域的中心。

　　沾浸是將液態(tài)的助焊劑滴轉(zhuǎn)盤上，再利用刮刀控制其厚度與平整度，隨后以吸嘴吸起組件在轉(zhuǎn)盤上沾浸上助焊劑。在中、低速的組件置放機(jī)可考慮采用此一系統(tǒng)，這種用轉(zhuǎn)盤來制造固定厚度助焊劑的系統(tǒng)必須要特別留意污染的問題。

　　若上助焊劑的動作是被分離到另外一個制程而非與組件置放機(jī)在同一個機(jī)制下，如交給印刷機(jī)來做此一步驟，將可大大的提升產(chǎn)能。

　　十一、組件的處理

　　業(yè)界對于如何處理裸晶(bare-die)組件并無特別的規(guī)范，一般所常用的有waffle paks，gel paks，expended wafer systems，與surf  tape等方法。gel paks與expended wafer systems需要用到自動化的真空處理系統(tǒng)，而waffle paks或waffle-paks trays則無需使用到真空裝置，但較為其它方法來得復(fù)雜。另外，surf-tape system要使用一種被稱為鰭狀供料裝置(flipper feeder)的設(shè)備，這種供料系統(tǒng)與傳統(tǒng)的smt制程所使用到的tape-and-reel feeder在外型上與功能上類似，缺點(diǎn)是在將組件放入surf-tape是相當(dāng)困難的；若能設(shè)計(jì)出更好的pocket-size，   則在未來，標(biāo)準(zhǔn)的tape-and-reel將會更廣泛的被采用。

　　所有的制造商都有提供基本的材料供給裝置(feeder)，但鰭狀的材料供給裝置(flipper feeder)與晶圓材料供給裝置(expended wafer feeder)則是屬于選用配備，expended wafer feeder是屬于一種高速／低兼容性的組件處理方式，這點(diǎn)是可以被理解的，因?yàn)橥暾木A在處置上是相當(dāng)困難的。

　　十二、結(jié)論

　　由于標(biāo)準(zhǔn)的smt制程與覆晶(flip chip)組裝技術(shù)還有些不足之處，主要是在精確度的要求上，覆晶(flip chip)技術(shù)的特點(diǎn)就是在其尺寸與間距都相當(dāng)?shù)男?，在傳統(tǒng)的smt制程所使用的組件置放機(jī)未必刊用，正因?yàn)檫@樣，更促使業(yè)界需要在進(jìn)一步的發(fā)展出新型的技術(shù)以擴(kuò)充設(shè)備的能力與特性。另外，在助焊劑的制程與材料上也還有許多地方未盡完美，這也有賴業(yè)者發(fā)展出新一待的方法與技術(shù)，以期能與覆晶(flip chip)技術(shù)匹配。在這樣的前提下就需要設(shè)備工程師們先一步的研究出更新、更方便的設(shè)備以推動新型式的制程。

來源：SMT貼片機(jī)分析與選擇