CSP器件烧录策略

作者:BPM Microsystems 公司 技术总监:Srivatsan Mani

对小型器件需求的增加
手机、掌上电脑和其他移动产品继续扮演新角色,如数码相机、摄像机和电视接收器。这些功能需要越来越多的半导体器件来运行,而消费者则希望他们的成品越来越小。因此,随着手机销量的飙升,在过去10年左右的时间里,对芯片级封装(CSP)需求的增长速度超过了任何其他IC的封装类型。对密度更高的小封装的需求影响到了汽车、工业、医疗设备和物联网等其他领域。随着对复杂电路需求的增加,开发了封装越来越小的烧录器件,以便在电路设计中释放更多的所需空间。因此,烧录中心和制造商正在转向购买或改造现有的放置设备,这些设备能够在很少或没有器件失败的情况下对这些器件进行烧录。
制造商向处理小型器件挑战
在烧录小器件时,大多数质量问题都是由放置错误引起的。由于在放置之前,未知的较长的X-Y轴沉降时间,没有精确地示教机器或没有精确地放置元件时,放置错误就会发生。对于小器件,手动地为机器示教z轴高度几乎是不可能的,对于大型器件,需要操作者的技能和经验。烧录中心和生产商会因为劳动力、机器闲置时间、丢失器件、损坏器件、缺陷器件溜逃和低产量而带来额外的成本。
工艺控制的改进
自动IC器件烧录器使用连接到机器的机器人真空吸嘴来提升和移动器件,执行重复操作。负压将器件抬起并将其固定在吸嘴上,并将其移动到所需位置,然后将其安装到位。然而,非常小的器件,如小型处理器或数字芯片,包括晶圆级芯片尺寸封装(WLCSP)、小外形晶体管(SOT)和双扁平无引线(DFN),在吸嘴与器件接触之前,可能会被吸嘴提起。真空会使器件“跳”到吸嘴上。
在开始重复生产操作之前,操作员使用工艺控制软件示教机器人拾取器件的高度。在设置作业时,操作员使用工艺控制软件来示教机器人输入介质、输出介质、外围设备、烧录站点和插座的位置(x、y和z)。为了示教Z轴高度,操作员在操作器上压低吸嘴,直到它接触到器件。随着IC器件封装越来越小,达到0.305 mm厚,尺寸1.7 mm×1.4 mm,手工示教器件进入插座的Z轴高度是几乎不可能的。操作员不能清楚地看到插座的深处,以查看吸嘴是否接触到器件。借助于闪光灯和合作者的帮助,经多次尝试和调整以确定z轴高度。
在示教周期中,器件的蹦跳会导致移动吸嘴的机器人错误地测量高度。随后,在重复操作期间,这个不正确的高度使机器人在接触器件之前就试图捡起这个器件。这会导致拾取和放置错误、掉落器件、破裂的器件和后续性错误。如果对中偏离达0.2 mm,则必须重复示教过程以避免开裂或损坏器件。
据客户报告,手动示教小器件每站需要30 min。假如烧录中心每天产品转换5次,就有2.5 h的机器闲置时间,再加上劳动力和器件丢失或损坏的成本,成本浪费是很高的。编程中心和制造商应考虑过程控制软件,为小器件提供自动示教功能。例如, BPM微系统的WhisperTeach™自动完成操作员的任务。它在4.37 min内完成任务,标准偏差可达0.5 mils,从而对于每天5次产品转换的生产来说,每站节省了25.63 min,或每天节省了2.14 h。
通过减少拾取或放置错误,精确示教可以提高产量。据客户报告,使用手动示教取决于操作者的技能,对于非常小的器件,成品率低至80%。采用自动化的Z轴高度示教过程控制软件,消除了与示教相关的任何问题,成品率达到99.99%。
生产控制效率
在完成设置并开始生产后,放置的正确性对于避免损坏器件至关重要。制造商需要确保他们的系统在生产过程中能自校准Z轴高度,消除因大气压力、吸嘴尺寸、流速、筛选条件等的变化所需要的手动调整的补偿。机器的自动校准确保了整个工作过程的精确处理。除了智能过程控制软件及气动系统,寻找配备了高品质的视觉系统,确保在每站放置小器件前器件的合适对中。当与生产软件集成时,视觉系统允许机器在高速运动中对器件进行对中。
对于小器件,对于那些无法快速解决其x-y运动的系统来说,放置精度可能是一个挑战。寻找具有设计能力的系统,使它们能够以最大的吞吐量运行,而不必减慢系统处理小器件的速度。设计良好的运动系统可使用户达到更大的吞吐量和更好的可靠性。
3D检测提高质量
制造商希望监测生产过程的每一阶段,并及早采取纠正措施,以减少报废。配备3D检测系统的器件烧录系统,在烧录制程的早期就识别损坏的器件。这使得制造商能够快速采取纠正措施,从而提高质量,减少重排,降低整体成本。
3D检测系统在器件烧录后提供完整的器件封装验证。高性能系统支持多种器件的封装验证包括BGA、CSP、QFP、TSOP、SOIC和J形引线器件。当寻找一个检测系统时,功能应包括共面性测量、弯曲引线、间距、宽度、直径、托脚高度和XY误差。
检测有引线器件的共面性,如SOT-23,尺寸 2.2 mm×2.7 mm,确保不超过制造商的容差,共面性问题会引起器件的长期可靠性问题。弯曲引线的应力可能导致封装裂纹,降低对湿气的抵抗力,从而导致由于内部腐蚀而在现场出现故障。3D检测系统也可以识别BGA上的缺陷或焊球缺失。通过在最后放置前识别和去除损坏的器件,制造商可以避免质量问题,否则就会让损坏的器件溜逃下去。这反过来又提高了产量和工艺稳定性。
可追溯性激光标记
制造商必须全面实施可追溯性控制以保持和确认质量。例如,对带有序列号的器件进行标记,可以使烧录系统、站点甚至是烧录器件的插座具有可追溯性。
更小、更薄的器件需要对激光器功率进行精确控制,以避免损坏器件。此外,更小的器件需要更高分辨率的标记能力。当为器件烧录系统购买激光器时,请寻找混合激光系统,它结合了光纤和Nd:YAG激光技术来实现精确的打标质量。在有限空间的微打标信息需要超细的打标能力,采用传统的激光打标系统是不可能的。混合激光打标采用精细的激光设定控制,产生较浅的痕迹、生动的色彩和较低的热冲击。
具有功率监控的激光器提供高精度校准的激光打标,从而能够精确测量和控制激光能量输出。能够监控和控制激光功率,可避免损坏器件,减少报废。在电子制造业中,器件损坏影响产品质量、可靠性和盈利能力。对于小器件打标应用,混合激光是最佳的解决方案,必须消除热传输效应和控制最大穿透深度,同时也提供高对比度的微打标信息。
结论
现代电子产品偏爱在较小的封装尺寸中有更高密度的器件。制造商和烧录中心正在购买或升级现有的IC器件烧录系统,以支持小型器件的烧录需求。挑战之一便是从编带中取出小器件,放入插座,烧录器件,激光标记器件,3D检测器件,然后将器件放入编带。所有这些都需要迅速、高效、高质量地进行。决策者在选择能够处理小型IC器件烧录系统时,需要考虑许多要求。确保过程控制软件及气动系统适合小器件处理和自动示教Z轴高度。寻找一个具有高性能视觉系统的自校准设备,能够在生产过程中,在飞行中,高速对中器件,最大限度地提高DPH。设计良好的运动系统可实现更大的吞吐量和更高的可靠性。具有功率监控和微打标能力的混合激光器,可以确保器件的可追溯性。最后,选择一个3D检测系统,在器件烧录后进行完整的器件验证,包括检查引线弯曲和缺陷焊球,以较低的总成本实现高质量。按照这些策略,将确保您的IC器件烧录系统以高速、高质量和较低的整体成本处理小器件,满足现代电子制造的需求。
作者简介:
Srivatsan Mani是技术总监,他与电子产品制造商和烧录中心合作,开发现代化的创新解决方案,以提升其业务水平。他拥有超过16年的在BPM Microsystems公司从事器件烧录系统、过程控制软件和器件烧录技术的工作经验。Srivatsan知道如何利用技术来加快这一进程,同时以较低的整体成本生产更高质量的产品。Srivatsan领导开发了荣获行业大奖的VectorEngine™烧录技术、正在申请专利的WhisperTeach™自动Z轴高度示教解决方案以及BPWin™过程控制软件。Srivatsan拥有电子与通信工程学位和计算机系统工程硕士学位。

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