多芯片高精度点胶贴片机技术发展趋势

曹国斌，甘 琨，田志峰

(中国电子科技集团公司第二研究所,山西 太原)

1 多芯片高精度点胶贴片机应用

针对5G通讯及微波功率器件、混合集成电路等微电子封装领域,微电子技术继续朝着超高密度方向发展,出现了三维封装(3D)、多芯片封装(MCP)和系统级封装(SIP)等超高密度的封装形式。从单芯片向多芯片发展,除了多芯片模块(MCM)外,还有多芯片封装(MCP)、系统级封装(SIP)及叠层封装等应用。相对于提升摩尔定律的单芯片集成度,和相对于提升多芯片微系统封装比较而言,前者是前道制程,技术已经接近物理极限,不是本文的研究范畴,而后者属于后道制程,封装领域,同样需要突破封锁,即可满足80%～90%的应用。微系统封装制造成本更低,更容易切入,不易被封锁禁用。针对三维封装(3D)、多芯片封装(MCP)和系统级封装(SIP)等超高密度的封装形式由多种芯片在一个封装单元壳内搭建成一个微系统,已经成为一个强劲的发展趋势,器件结构越来越复杂,堆叠密度会越来越高,产品附加值高,因此需求对微封装组装的要求越来越多,高密度、高可靠性、多功能、大功率仍然是未来发展的主题。

微系统封装组装工艺装备为应对发展的要求,目前在光通信器件、新能源汽车电子碳化硅器件、微波通讯等微封装组装行业具有广泛用途,特别是针对多芯片封装(MCP)和系统级封装(SIP)领域,多芯片高精度点胶贴片机是其中必备的核心工艺设备之一。

2 目前市场主要竞品机型分析

2.1 需求差异分析

不同客户的产品、物料和工艺不一样,差异性大。点胶贴片领域大体分为两类:简单跑量型和柔性编程型。简单跑量型,一般针对器件结构简单,芯片种类单一,产品附加值低,但市场需求量巨大,更看重设备的工作效率和使用成本。国内目前在这个领域已经突破,国产摆臂式点胶贴片机,已经可以与国际大厂同台竞争,优势明显。而柔性编程型,一般针对三维封装(3D)、多芯片封装(MCP)和系统级封装(SIP)等超高密度的封装形式,封装器件结构相对复杂,封装产品附加值高,由多种芯片搭建成一个微系统,更看重设备的贴片精度,多芯片物料上料方式的多元化,点胶和贴片工艺糅合在同一台设备,提高装贴一致性,可编程的柔性贴片工艺,多功能贴片需求。国内在此类设备还没有真正形成竞争力。

在三维封装(3D)、多芯片封装(MCP)和系统级封装(SIP)等超高密度的需求应用背景下,就会延伸出腔体、物料尺寸、物料供给、视觉识别等问题,贴片适用范围要尽可能的大,必须同时满足宽尺寸范围和高深腔需求,一般物料范围0.2 mm～20 mm,跨度非常大,对应视觉相机的视场大小和放大倍数也必须兼顾。物料上料方式要尽可能的多,编带、华夫盒、凝胶盒、蓝膜。主控软件必须满足自由柔性的图形化可编程贴片工艺,满足多工程、多物料、多吸嘴自由选择切换。其中有些指标是冲突的,兼顾范围越宽带来的研发难度会大幅提高。

2.2 主流竞品机型技术指标差异分析

目前国内科研机构和生产工厂使用的主流多功能贴片机主要有以下表格中的3种,德国BESI公司DATACON 2200evo机型,美国MRSI公司705机型,美国PALOMAR公司的3880机型。主要技术指标对比见表1。

从上表中可以看出,三家公司在中国市场的销量占比都接近甚至超过一半,中国市场占全球市场的一半。

2.3 主流竞品机型优缺点分析

2.3.1 设计理念不同

DATACON 2200evo机型,设计定位于工厂生产用贴片机,采用空间协同,时间协同的理念,采用上方贴片轴,下方物料传送的交叉协同运作。贴片轴拾取位置相对固定,贴片的同时下方物料协同供给,使得取料距离最短,时间最小,占用空间最小。采用异轴同步工作,点胶与贴片可以同步进行,实现效率最大化,生产效率高。

MRSI705机型与PALOMAR 3880机型设计理念和功能相似,都定位于科研型贴片,都采用空间平铺,时间异步的方式。虽然保证了贴装精度,但物料平铺,物料越多取料跨度越大,取料时间越长,贴装时间越长。为了实现简单操作,高精度贴片需求,采用同轴异时的方式,点胶与贴片不能同步进行,速度较慢,生产效率低下。

2.3.2 贴片精度

从指标上看DATACON 2200evo贴片精度±7 μm@3s,略低于MRSI705和PALOMAR 3880的贴片精度±5 μm@3s。根据客户走访实测,二者差异性不大。

2.3.3 速度差异

DATACON 2200evo纯贴片速度(拾放速度)是MRSI705和PALOMAR 3880的3倍。DATACON 2200evo不仅取料距离短,而且单轴运动速度也明显快于后者。

2.3.4 物料存放位置

DATACON 2200evo具有25层蓝膜料仓,而MRSI705和PALOMAR 3880仅支持一个蓝膜。如果全部采用华夫盒方式上料,DATACON 2200evo采用动态阵列堆栈供料,理论上支持200个2寸华夫盒,而MRSI705仅支持40个2寸华夫盒,无法满足超大规模贴片需求。

2.3.5 测高方式

DATACON 2200evo采用机械测高,探针下探深腔,根据传感器反馈测定高度,缺点是采用接触式测高,存在物料损伤的风险。MRSI705采用激光测高,测高速度也不快,而且存在窄槽,深槽,纵向槽光路阻挡无法测高的问题。

2.3.6 是否兼顾共晶贴片

DATACON 2200evo暂无共晶贴片功能,MRSI705和PALOMAR 3880具备共晶贴片功能。特别是PALOMAR 3880采用脉冲加热台,具备多芯片共晶能力,具有氮气保护功能,但同一个基板共晶也不要超过6颗,否则焊接质量无法保证。

2.3.7 软件易用性

DATACON 2200evo采用LINUX平台,编程时直观性不强,初接触不易上手。MRSI705和PALOMAR 3880采用Windows平台,易上手。特别是MRSI705程序界面相对简单,直观,更接近OFFICE体验感受,在程序编辑和使用方面,个人感觉MRSI705优于DATACON 2200evo。

3 多芯片高精度点胶贴片机发展趋势

根据市场和用户反馈,针对5G通讯及微波功率器件微电子封装,三维封装(3D)、多芯片封装(MCP)和系统级封装(SIP)等超高密度的封装形式由多种芯片搭建成一个微系统客户需求的多样化,多功能高精度点胶贴片需求越来越高。基于市场和技术进步判断,多功能高精度点胶机发展趋势呈现更高速度、更高精度,智能化、网络化等几个特点。

1) 针对客户需求的多样化,特别是装贴产品附加值高的场合,质检也要求全道工序必检,主要集中在用户对贴前检测、胶后检测,贴后检测,并采用无损不接触式检测。目前采用人工检验,管控不易,容易漏检,容易疲劳犯错,因此自动检验需求迫在眉睫,排在第一位。

2) 针对设备的智能化需求也越来越多。比如:贴片精度自动标定和修复功能,具备补偿数据自动采集及计算,长期使用定期标定。为降低维护保养工作量,通过特定的标识和程序,自动计算精度补偿量。尤其是,销售量越大,销售范围越广,此功能要求越迫切,排在第二位。

3) 针对芯片集成度提升,线宽越来越小,焊盘越来越小,对贴片精度要求越来越高,主流的10 μm精度已经无法满足,针对激光通讯行业的高精度贴片需求已经达5 μm。针对视觉成像CCD制程贴片精度需求已经达3 μm。未来贴片精度提升,同样也是一个发展方向。

4) 针对贴片效率,同样提出更高的要求,从目前的UPH2000,提升到UPH6000,降低单位生产成本。

5) 针对生产管理,设备网络化,集中控制管理,并与MES系统,ERP系统对接需求越来越强烈。

6) 考虑点胶和共晶工艺兼顾,采用吸头加热,脉冲加热等方式支持多芯片共晶贴片,功能多元化,也是一个发展方向。