小型微組裝生產線建設方案

徐璞

(重慶會凌電子新技術有限公司，重慶 401336)

微組裝技術是綜合運用高密度多層基板技術、多芯片組裝技術、三維立體組裝技術和系統級組裝技術，將集成電路裸芯片、薄/厚膜混合電路、微小型表面貼裝元器件等進行高密度互連，構成三維立體結構的高密度、多功能模塊化電子產品的一種先進電氣互連技術[1]。隨著人們對產品便攜式的要求越來越高，電子產品也隨著越來越小型化，因此微組裝技術在電子生產制造領域被越來越廣泛地使用，比如蘋果手機iphone X的PCB板上就采用了微組裝技術。

微組裝技術目前主要可分成兩大類，LTCC基板制造技術和高密度組裝與封裝工藝技術。很多中小型企業都想在自己的產品上使用微組裝技術，但微組裝技術因工藝復雜，所需用的設備較多，前期投入太大，所以大部分企業最終未能成功應用微組裝技術。本文根據微組裝技術中較好實現的關鍵技術，給出了一種高密度組裝與封裝工藝技術方面的小型微組裝生產線的建設方案。

1 微組裝工藝

在高密度組裝與封裝工藝技術方面，標準的微組裝工藝工序步驟如下：

硅片/管芯探針測試→硅片貼膜→砂輪劃片→管芯裂片→管芯傳送→等離子清洗→管芯粘貼→固化處理→管芯剪切力測試→引線焊接→倒扣焊→焊絲拉力測試和其它測試→返修→氣密性封焊→高溫燒結→被封焊管殼返修→最后測試→打標記。

上述工序中有部分工序，如：硅片/管芯探針測試、硅片貼膜、砂輪劃片、管芯裂片是偏半導體生產方面的工藝，對設備和生產環境要求較高，不便于實現。相對容易實現的方式是購買芯片廠的裸芯片，結合自身產品的特點設計于之匹配的PCB板進行鍵合、封裝和焊接。通過直接使用裸芯片使得系統的尺寸及質量顯著減小，大大節省了由于芯片封裝而引入的體積，實現了更高的集成度。這是直接使用裸芯片封裝與其他封裝形式相比，在物理上獲得的最大優勢[2]。

在產品實際生產時，可分三步操作：第一步是阻容感元器件的回流焊接，第二步是裸芯片的定位固化和焊接。第三步是對裸芯片區域進行封蓋保護。具體工藝流程如圖1所示。

裸芯片的操作放在第二步有兩個原因，一是如果先焊好裸芯片再進行回流焊，裸芯片的電極焊點在經受二次熱沖擊時可能會部分融化；二是相當多的裸芯片在電氣連接方面通常使用空氣橋高速互連技術[3]，即裸芯片頂部表面有一拱橋形狀極薄易碎的金屬片，如果先將裸芯片焊接到PCB板上，因封蓋工序一般是放在最后，所以在后續生產工序中，會大大增加因金屬片被碰觸而造成芯片失效的風險。

圖1 工藝流程圖

按以上所述工藝流程，需要注意以下問題：

（1）小尺寸貼片電阻、電容、電感的貼裝。要想將產品做得小型化微型化，電阻、電容、電感等元器件也必須使用小封裝，比如0402甚至0201封裝。這種小尺寸的元器件，不方便用鑷子進行夾取，所以該工步建議使用全自動貼片機進行貼裝。

（2）將裸芯片貼到PCB板上并進行固定。要想把產品做得小型化微型化，使用的裸芯片外形尺寸不能大，目前市面上主流的裸芯片外形尺寸一般是1 mm×1 mm～2 mm×2 mm這個范圍。這個尺寸非常小，貼裝時用鑷子夾取十分不易；而且由于裸芯片頂部表面有空氣橋，鑷子夾取稍有不慎則可能碰碎空氣橋金屬片，所以該工步建議使用點膠貼片機完成。

裸芯片在PCB板上固定的常用方法是將芯片底部進行焊料焊接或者導電膠粘接。其中焊料焊接需采用加熱的方式，在此過程中容易造成裸芯片受過熱沖擊而失效。而由于導電膠在芯片粘接中相比于Au/Sn焊料工藝操作更為簡單，控制更為方便[4]，可操作性強，成為目前的主流工藝，故建議采用導電膠粘膠工藝。該工藝存在一個需解決的問題，即要嚴格控制好在PCB板上施放的導電膠的量，如過多或過少都會影響裸芯片固定的可靠性。所以該工步建議使用點膠貼片機完成。（3）烘烤固化導電膠。導電膠的固化溫度一般為150℃，該工序可由普通的高溫箱完成。

（4）金絲鍵合。金絲鍵合目前可分為球焊和楔焊（即壓焊）。球焊主要應用于光電領域，楔焊主要應用于微波領域。金絲鍵合的主要實現原理為熱壓焊接或者超聲波焊接。可按產品的實際情況，配置一臺半自動化金絲鍵合機。

（5）封蓋。對焊接好的裸芯片必須加以保護，行業內通常的做法是封管或者用金屬罩子進行保護。在生產實踐中，便于操作的做法是使用5 mm×5 mm的金屬屏蔽罩，在PCB板上設計好焊接該金屬屏蔽罩用的預留焊盤，用手工焊接方式實現封蓋。

2 微組裝線關鍵設備

結合上述工藝分析，整個小型微組裝生產線需要配置的關鍵設備如表1所示。

表1 小型微組裝生產線關鍵設備清單

2.1 全自動貼片機

目前市面上各種品牌中，中端品牌有韓華、JUKI、雅馬哈，高端品牌有松下、西門子、富士、環球等。

從生產實際使用的角度，選擇全自動貼片機需要關注的核心指標有：貼裝元器件尺寸、重復貼裝精度、貼裝速度等。貼裝元器件尺寸方面建議選擇能貼裝01005的機型，便于滿足后續產品進一步微型化時的需要。按貼裝速度分，貼片機可分為中速機和高速機，企業可以根據自身產能的需要來規劃購買哪一種機型。

2.2 回流焊爐

考慮到環保要求，建議企業配置能生產無鉛工藝的回流焊爐。選擇無鉛回流焊爐需注意，通常需要8個溫區（加溫區4個、回流區2個、冷卻區2個）[5]，最好是購買10溫區或12溫區的回流焊爐，溫區越多越便于設置回流焊接的溫度曲線。同時建議回流焊爐配置有氮氣系統，在焊接過程中充氮氣保護，可提高焊接品質，保證焊點的可靠性。

品牌方面，國產有科隆威、勁拓、日東，進口有VITRONICS，BTU，Heller等。

2.3 金絲鍵合機

金絲鍵合質量的影響因素有劈刀、鍵合參數、鍵合層鍍金質量、金絲等[6]。

目前，國內市面上的金絲鍵合機的主要生產廠商，國產的有中國電子科技集團公司第二研究所，進口的有美國的WESTBOND和K&S兩家公司。圖2為金絲鍵合機設備圖片。

圖2 金絲鍵合機

2.4 點膠貼片機

從點膠功能來看，有些點膠機能實現單獨的點膠功能，但不能實現貼片功能，在點膠方面特別需要注意控制一次出膠量的精度。

從貼片功能來看，可選用手動/半自動設備即可，不需要選用全自動設備。目前市場上主流產品有美國的WESTBOND和日本的JANOME。

圖3為點膠貼片機設備圖片。

圖3 點膠貼片機

3 生產環境

微組裝工藝對生產環境有較高要求，需要在10000級的潔凈車間里進行操作，同時要求車間內部要保持恒溫恒濕，溫濕度可以參照SMT車間，即溫度為22～28℃，濕度為50%～70%RH。考慮到潔凈車間的運行維護費用較高，故車間面積不宜過大，150～200 m2即可滿足一般情況下的生產需求。

4 結束語

本文對高密度組裝與封裝工藝技術方面的微組裝工藝流程做了一個大體上的說明。結合相對容易實現的關鍵技術，從工藝方法開始分析，在設備、生產環境方面給出了一種小型微組裝生產線的建設方案。