Luis Gordon, ESC International

討論利用單一機具進行新封裝技術的彈性與複雜性，同時能提高其準確度。

在相當短的時間內，電子封裝與組裝技術改變得相當多，也很普遍，汰舊換新與微型化的速度也非常快。目前電子業一項主要的趨勢就是要讓產品更具有個人風格，而其作法則是力求製造出更輕薄短小、更具智慧，同時還要容易操作、功能強大、可靠、費用低廉的產品。為了要維持這種進步的速度，設備製造廠商也必須配合自動化系統的個性化與微型化，同時也要強化設備的功能、力求快速、可靠、精確與節省成本。
電子封裝是建立內連線的一門科學，從零級(zero-level)封裝體(晶片連接)到主機板等全部包辦。最普遍的內連線技術是正面引線銲接、膠帶自動接合與覆晶。很重要的一點是，這每一種技術的先決條件就是晶片接合製程，可以快速將挑選的晶片電路對準並貼附到各種內連線的材料上。這項製程在接下來的製程產能與封裝可靠度上的重要性一般都被忽略。
目前晶片接合機器的設計，通常只能處理單一種製造設備所使用的小部分材料與封裝設計。現有的晶片配置能力範圍通常在X、Y軸正負0.002～0.005英吋之間，以及正負1.5oq(theta)。大部分的機器都有處理晶片大小的限制，因為固定式的光學儀器與材料處理的約束，限制了製程使用的範圍與材料大小的彈性。新的晶片接合系統，除在單一機具上有新封裝技術的彈性與複雜性外，同時還增加其準確性，這一點是很重要的。為了因應最新的封裝類型，新一代的晶片接合機必須能夠達到正負25微米的配置準確度。
晶片尺寸的封裝技術，為晶片接合能力開闢了一個新紀元。晶片的尺寸大幅度縮小且每片晶片的輸出/輸入也增加，這使得達到晶片配置精確度的可重複性越來越重要。晶片尺寸縮小也為晶片基板實際面積的密度增加開啟了一扇大門。每個導線架(lead frame)或基板可以容納80到150個晶片的設計，預期會變得很普遍。除此之外，組裝多晶片模組(MCMs)也會變得越來越可行(圖一)。
#F#圖一：矩陣/多晶片模組(MCM)基板。

因為業界要求組裝各式各樣的材料組合與輪廓尺寸大小，因此有必要提供一台全自動的機器，具有可以進行可程式化材料配方與配方轉換能力。具有快速轉換與材料彈性特色的關鍵設備，包括使用夾子指標器(gripper indexer，圖二)所達到的材料處理彈性，這種指標器可以處理各種的半導體基板(金屬導線架、球狀柵極陣列、晶片陣列球狀柵極陣列、單一球狀柵極陣列、多晶片模組(MCM)、與其他基板晶片組之元件底材)。指標器必須要能夠自我學習，才能減少操作錯誤，並透過環氧樹脂的工件夾具與接合工作台，把材料組合順序最佳化。自動的自學演算法也應該要應用到輸出與輸入模組上。
#F#圖二：夾具指標器。

另一個重要的特色是使用多工高速螺旋塗佈機台來進行晶片接合製程，這樣可進行大量與程式化圖案寫入。對於多晶片尺寸、寫入圖案可以在任何角度塗佈，這使多晶片模組裝置的製程單一化可以實際運作。除此之外，塗佈機應該要能夠適用於精密的環氧樹脂壓模工具。(圖三)
#F#圖三：環氧樹脂寫入器。

新的封裝技術也有一長串的問題，包括既要增加系統產能，同時又要降低成本，理想很高，挑戰也很艱鉅。封裝材料的變動是影響配置準確度與系統產能的主要因素。

#P#配置準確度/可重複性與產能的關係
對於基板生產每批內與每批之間的基準變動，會造成標的圖像的辨識失敗，進而影響預期的晶片配置位置。新的辨識系統需要設定基準基本圖像的中心線，以減少晶片配置的變動，同時不會對細微的光源與形狀的波動過度敏感。在新一代的設備中安裝強化功能的圖像演算器，可以徹底減少檢查上的疏失，省掉重新對準的麻煩。
希望取得的配置準確度會與系統產能成正比。為了達成較緊的配置容忍度，基準變動必須可以用圖像來彌補。此外，圖像光學儀器與基板運輸機制的解析度應該要越來越高。根據我們所進行的研究顯示，把即將安置的物體圖像放得越大，配置的準確度就會越高。因此，使用高速可程式化的變焦光學儀器與可動式照相機來測定晶片的位置，就變得越來越重要了(圖四)。然而，這些組裝儀器的附加動作，會對整體的系統產能有負面的影響。最理想的狀況是能有一套有彈性的系統，可以根據程式化的配置容忍度，與依照顧客需求而量身訂做的圖案排列設計，來達到產能的最佳化。圖五顯示的是各種會直接影響系統產能與接合配置準確度的圖像標的對準方法。
#F#圖四：可移動式照相機。
#F#圖五：圖像標的變動圖。圖像必須對基準的變動不靈敏。

高準確度需要每個軸都有很高的馬達精密度。精密度高會減緩軸向運動的速度，特別是直流步進馬達的例子。為了滿足高精密度與高速運動的要求，先進的機器需要在每個重要的軸線上，加上閉鎖迴路無刷伺服馬達，才能改善功能。

#P#材料變動對產能的關係
其他對於基板材料的變動是與基板外部大小有關。以薄片印刷電路板材料製造的新基板材料，無法達到如金屬導線架的嚴緊誤差度。壓模金屬框的尺寸誤差容忍度範圍通常是正負0.0002～0.0005英吋。球狀柵極陣列基板的尺寸誤差容忍度可以比這個大十倍(圖六)。
#F#圖六：球狀柵極陣列基板材料的典型誤差。

因為誤差範圍較為寬鬆，因此如果要把輔助作用之平均時間減至最小的程度，就必須考慮機械與圖像的問題，包括圖像鎖定失誤、圖像標的重試、基板出入工件固定架發生機械性壅塞等。不管外部基板的大小如何，對準置放晶片相對於電路基準，都需要自動旋轉(theta)軸補償。
為了要達成配置精準與高產能的目標，有很多特點需要考慮。基板在進入工件固定架之前，必須要自動置放於Y軸上，而旋轉(theta) 軸偏置矯正必須要能夠透過元件本身基準定位的圖像系統運算來進行。此外，驅動馬達的旋轉(theta) 接合軸應該要能彌補所產生的變動(圖七)。
#F#圖七：驅動馬達的旋轉接合軸。

基板運輸機制必須要能夠定位黏著墊在指定節距正負1微米以內。想要達到這個目的，我們強力推薦使用閉鎖迴路直流步進機或是伺服系統。傳統的工件固定架採用接腳指標器來標註接合墊的位置，這樣會損害基板，增加輔助動作及設置時間。另一個比較容易使用的運輸設計，採用夾具的結構，因此0.004～0.05英吋厚的基板都可以不需要更換工具就執行製程。
先進的新機器採用不需要接觸的測量裝置，例如反射式光纖儀器或雷射元件，這些裝置先天上就較快速。維持接合線厚度在正負10微米之間所需的解析度，應該在次微米的程度(0.5微米或更薄)。球狀柵極陣列基板的製造過程，本來就會發生基板厚度變動的現象。因此，必須要能夠自動偵測出變動，並且在環氧樹脂沈積與接合工作台上彌補Z軸方向的變動。傳統晶片接合機的即時接合線厚度控制使用了機械式感應設計，速度很慢，而且因為接觸反彈，很容易造成不準確的現象。
封裝產業需要全新的晶片貼附或晶片接合系統，能夠滿足嚴苛的要求，同時又提供很大程度的彈性與製造多樣化。這些嚴峻的先決條件，讓設計未來的設備比以往更具挑戰性。SST-T

作者
Luis Gordon為資深晶片接合專案經理，請洽ESC International, 4 Ivybrook Blvd., Ivyland, PA18974; Tel: 215-682-9300; Fax: 215-682-9318; E-mail：luis@escint.com。