聲表面波濾波器SMT貼片工藝評估研究

楊 婷，蔣玉齊

（無錫中微高科電子有限公司，江蘇無錫214035）

1 引言

聲表面波（SAW）器件通常采用LiNbO3、LiTaO3等壓電單晶作為聲波產生和傳播的材料，使用鋁等聲阻抗較小的薄膜作為信號的輸入和輸出材料[1-2]。

本文以LiTaO3基材的SAW器件為研究對象，其中芯片采用的是倒裝FC結構。與硅芯片相比，LiTaO3晶體易開裂，芯片強度低，芯片碎裂是其組裝過程中的常見缺陷，如圖1所示。因此在SMT過程中，不僅需考慮貼裝過程中芯片拋料或偏移等問題，還應重點關注LiTaO3單晶芯片的碎裂或內隱紋等問題。

圖1 SAW器件在SMT組裝后出現的芯片碎裂

針對SAW器件的SMT貼片工藝研究鮮有報道，本文以計算仿真為理論基礎，從SMT工藝優化、貼片吸嘴的選擇等方面對影響SAW器件組裝良率的因素進行了研究。

2 試驗設計

SAW器件在SMT貼片過程中，產生芯片拋料、偏移和碎裂的原因主要包括幾個方面：1）材料方面，如芯片基材LiTaO3的物理特性、芯片結構及芯片表面狀態等；2）設備方面，如SMT貼片機貼片位置誤差、壓力誤差等；3）操作人員方面，如操作不當等；4）工藝方面，如貼片吸嘴的選擇、貼片工藝參數等。

本文從貼片工藝優化入手，重點評估影響SAW器件貼片質量的2個因素：1）貼片壓力及行程參數設定；2）吸嘴選型。試驗所用的材料包括SAW芯片、BT基板、陶瓷吸嘴等；工藝設備包括SMT貼片機、回流烘箱、助焊劑清洗機、等離子清洗機、壓縮模塑機、C-SAM超聲顯微鏡和光學顯微鏡等。

3 結果與討論

3.1 貼片壓力及行程參數設定

在貼片作業過程中，吸嘴通過對芯片表面施加一定壓力，使得芯片凸點和基板焊盤充分接觸，以利于下一步回流焊接。針對SAW器件LiTaO3單晶芯片易開裂的問題，在滿足焊接要求的前提下，應選擇盡可能低的貼片壓力。本試驗綜合工藝穩定性和產能要求，將貼片壓力設定為2 N。

貼片過程中有標準和緩慢2種行程模式，設備可選菜單如圖2(a)所示。行程對比如圖2(b)所示，吸嘴下降的過程分為2步，第一步吸嘴以速度V1快速下降到一定高度，這個過程需兼顧芯片掉落偏移的問題和設備產能；第二步吸嘴以緩慢速度V2移動至貼片區，這個過程主要針對慣性較大的大尺寸芯片，防止設備校準后芯片再偏移旋轉的問題；完成貼片后，吸嘴以速度V3進入上升行程。緩慢模式與標準模式相比，除會較早地進入緩慢下降速度V2區間外，還有一段以更緩慢的速度V4上升的行程，然后再進入V3上升區間，這樣可防止快速上升造成芯片被帶出偏移的問題。本試驗使用壓力傳感器觀察不同行程模式下實際貼片時間和貼片壓力的影響，壓力傳感器裝置示意圖如圖2(c)所示。

圖2 SMT設備貼片行程可選模式及檢測裝置示意

2種行程模式下的貼片時間和壓力實測值見表1。結果顯示在相同的貼片壓力設定下，標準模式與緩慢模式相比，實際最大貼片壓力相差不大，但貼片時間少了5 ms左右。因此試驗選用標準模式，吸嘴作用于芯片表面的能量更小。

表1 各吸嘴行程模式下的實際貼片時間和壓力

3.2 SMT吸嘴選型

試驗使用陶瓷材質的SMT吸嘴，具有使用壽命長、高速貼裝過程中不帶靜電的優點[3]。吸嘴結構如圖3所示，吸嘴選型主要考慮2個參數：1）吸嘴內部尺寸，2）吸嘴外部尺寸。前者決定了芯片吸取的真空吸力，后者影響芯片表面的受力情況。真空吸力不足時會造成貼片過程中途芯片拋料或芯片偏移現象，而芯片表面壓力過大時則會導致芯片碎裂問題。

圖3 吸嘴結構示意圖

3.2.1 吸嘴內部尺寸對芯片貼裝精度的影響

評估吸嘴內部尺寸對貼片精度的影響，主要從2個方面考慮：1）吸嘴垂直吸取芯片時，芯片自身重力和上升產生的加速度力總和G需小于吸嘴的真空吸力F1；2）吸嘴移動過程中芯片的慣性力F3需小于吸嘴與芯片之間的摩擦力F2。吸嘴吸取芯片貼裝過程中力的分布如圖4所示。

圖4 吸嘴吸取芯片運輸過程中力的分布

本試驗SMT貼片機的真空度P=9.2 g/mm2，安全建議系數X≥3，吸嘴與芯片之間的摩擦力u≈0.5，設最大加速度ɑ=25 m/s2。試驗選取的吸嘴內部尺寸長1.00 mm,寬0.45 mm，則真空吸取面積Sin=0.45 mm2。芯片A質量m≈0.0035 g。相關計算公式如下：

上述計算結果表明，試驗吸嘴內部尺寸可滿足芯片A貼裝要求，進一步試驗觀察，未發現掉芯片拋料、偏移現象，符合預期計算。

3.2.2 吸嘴外部尺寸對芯片表面受力情況的評估

SAW器件在貼片過程中，吸嘴對芯片表面的受力影響包括2個方面：1）吸嘴接觸面積的影響，2）接觸區背面凸點的影響。由于條件限制，采用同一款陶瓷吸嘴、2款不同凸點結構的SAW芯片進行試驗，比較了2種芯片的受力情況。其中A、B 2款芯片的基材均為LiTaO3，減薄厚度為200 μm±20 μm，芯片表面狀態相同，芯片尺寸分別為1.63 mm×1.23 mm、1.85 mm×1.05 mm。二者面積相近，但凸點分布不同，見圖5。

圖5 2種芯片尺寸及凸點分布示意圖

陶瓷吸嘴內部尺寸為1.00 mm×0.45 mm，外部尺寸為1.40 mm×0.90 mm。使用該款吸嘴對A、B 2款芯片進行貼片，相同參數設定下芯片碎裂的比例存在明顯差異：貼裝芯片A 2196顆，并在貼裝后、塑封后進行觀察，無芯片碎裂問題；貼裝芯片B 640顆，共有14顆芯片碎裂，失效比例為2.19%。芯片B碎裂模式如圖6所示，碎裂集中分布在芯片兩側，為吸嘴未覆蓋部位。

圖6 芯片B碎裂模式

通過有限元方法建模仿真，研究吸嘴對該2款芯 片的受力影響，其中LiTaO3材料特性見表2[4-5]。

表2 LiTaO3材料特性

仿真模型見圖7。在該模型中，載荷作用于吸嘴上表面，凸點底面作固定約束。模型觀察了2種芯片結構及對應的應力分布。仿真結果表明，最大拉伸應力在芯片的下表面，且接近芯片四周邊緣。晶圓切割會在芯片邊緣留下微裂紋，在此應力作用下，芯片邊緣會成為最薄弱的點，裂紋可能從該薄弱點開始，不斷擴展并貫穿整個芯片，導致芯片碎裂。當吸嘴和芯片結構固定時，最大拉伸應力的幅值隨著載荷的增大而增大，但最大應力的位置不變。對比2款芯片的應力分布情況，發現凸點能起到較好的支撐作用。吸嘴覆蓋在芯片凸點上方時，凸點能分散大部分的載荷，因而作用在凸點上方及附近的LiTaO3基材拉伸應力最小。而發生拉伸應力最大的區域，主要集中在吸嘴覆蓋但無凸點支撐的區域，因此通過合理的芯片結構設計或吸嘴選型優化，盡量使吸嘴覆蓋的區域能有凸點支撐，芯片受到的拉伸應力得到均衡分布。

圖7 2種芯片仿真模型示意圖

2種芯片拉伸力分布如圖8所示，貼片負載為4.5 N時，對比2款芯片的最大拉伸應力計算值，可以發現吸嘴與芯片A結構匹配度較好，最大拉伸力為12.17 MPa；芯片B尺寸比吸嘴長很多，載荷通過吸嘴作用于芯片上時，由于芯片兩側凸點分布在吸嘴外，起到的支撐作用較弱，底部的最大拉伸力為16.17MPa，高于前者32%。根據威布爾分布，小尺寸LiTaO3基材在局部拉伸力達到15 MPa以上時就有發生碎裂的風險[6]，仿真結果與實際芯片碎裂模式一致。

圖8 2種芯片拉伸力分布圖

針對芯片B，若將吸嘴的外部尺寸優化為1.70 mm×0.90 mm，吸嘴覆蓋到芯片兩側凸點，則仿真應力分布云圖類似，應力水平可顯著降低至12.41MPa，證明吸嘴外部尺寸是影響芯片碎裂的重要因素之一。

4 結論

本文以LiTaO3基材的SAW器件為例，研究了SMT貼片工藝參數及吸嘴尺寸對SAW器件貼片中芯片拋料、芯片碎裂的影響。通過對SMT貼片壓力和行程等工藝參數的優化，可有效解決貼片過程中芯片掉落和偏移的情況，提高貼片良率。選擇合適的吸嘴內徑可保證足夠真空度，防止芯片拋料或偏移；選擇合適的吸嘴外徑使其盡量覆蓋更多的凸點，可降低貼裝過程中的芯片拉伸應力，并顯著減少芯片開裂幾率。