倒扣芯片焊接

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1、DKH-50凸點倒扣焊接系統(tǒng)的研制 摘要:本文介紹了 DKH-50倒扣焊接系統(tǒng)的研制過程及其中應用的關 鍵技術. 關鍵詞：凸點倒扣焊光學對正光學測距光學測平行五自由度 工作臺圖像采集串行通訊溫度控制 1引言 凸點倒扣焊技術研究課題是研究如何將帶有凸點的芯片倒扣 焊在與其凸點相對應的電極圖形的基片上去，使其達到電性能和機 械性能的連接，并達到機電技術指標要求，這是一項較為復雜的系 統(tǒng)技術研究。最終完成的凸點倒扣焊機將對SMT、HIC、半導體等技 術、MCM技術的發(fā)展起推動作用。 2主要技術指標 本項目涉及精密機械、計算機、光學、電子等多個技術領域，是一 個綜合性的整機研究。 其主要

2、技術指標如下： ⑴設備工作臺面積：50X50mm2， 運動距離（以中心算）〉±15mm 手動分辨率＜3um ⑵工作臺旋轉機構：手動分辨率＜3〃 ⑶工作臺平行度調整：手動分辨率＜3um/5mm ⑷工作臺Z方向上下移動距離80 mm,下壓精度＞±2.5umo ⑸凸點面積305X305，凸點中心距805。 ⑹工作頭、工作臺溫度＜250°C。 3. 設計原理 由于焊接的凸點尺寸小、間距密，對焊接時的平行度、距離及 上下圖形的對正要求很高，因此要用光學系統(tǒng)和圖像采集系統(tǒng)分別 對上下圖形的平行度、距離和對正精度進行光學測量，用機械調整 系統(tǒng)調整工作臺，并采用精密移動系統(tǒng)對工作頭進行位置

3、控制，使 之達到焊接要求。 本系統(tǒng)設計原理如下： 將芯片和基片分別吸裝在工作頭和工作臺上，使用平行光學測 量系統(tǒng)取得上下面反射的十字光叉，經圖像采集系統(tǒng)送到計算機屏 幕上顯示，根據顯示圖像調整工作臺的平行度，使基片的圖形面與 芯片的圖形面平行。使工作頭向下移動到測距的位置，使用測距光 學系統(tǒng)取得測距圖像，經圖像采集系統(tǒng)送到計算機屏幕上顯示，根 據圖像測得上下圖形面的間距，為焊接提供準確定位。使用對正光 學系統(tǒng)取得上下圖形面的圖像，經圖像采集系統(tǒng)送到計算機屏幕上 顯示，調整工作臺的X-Y位置及角度，使上下圖形面在圖像中重合。 根據測距結果通過精密移動系統(tǒng)將工作頭移動到指定位置，使芯片 凸點和

4、基片圖形接觸，進行焊接。然后通氮氣冷卻，釋放芯片及基 片，焊接過程結束。 在整個焊接過程開始之前，將工作頭和工作臺分別加熱到工藝 指定的溫度，并且在整個焊接過程中，溫度控制系統(tǒng)將工作頭和工 作臺的溫度保持在該溫度。 4. 解決的關鍵技術 本課題涉及下述四個方面技術:光學系統(tǒng)、精密機械系統(tǒng)、控制系 統(tǒng)、軟件。 4.1光學系統(tǒng) 由于焊接的凸點高度只有20-30 um,如果平行度不夠，焊接就 會出現(xiàn)一邊凸點壓攤開，一邊凸點還未接觸上。所以必須對基片與 芯片的平行度進行檢測和調整。另外，凸點和圖形之間的距離也要 控制，凸點和圖形需要對正。因而光學系統(tǒng)有四部分組成，即：測 平行光學系統(tǒng)、測距光

5、學系統(tǒng)、上下光路對準光學系統(tǒng)、光源。 4.2精密機械系統(tǒng)： 對機械系統(tǒng)首先要求能實現(xiàn)功能。由于機械系統(tǒng)設計工作繁瑣，下 面僅從主要功能和主要設計方法進行介紹： ① 工作臺： 工作臺有五個自由度。平面X-Y移動、旋轉是為了實現(xiàn)芯片與基片 圖形對齊；兩個方向俯仰是為了調節(jié)上下兩個面平行。這五個運動 要求連續(xù)可調，還要有足夠的剛性，在工作臺運動時沒有震動。我 們采用負間隙的直線導軌，所有傳動部分均采用了彈性消隙機構。 X-Y移動部分采用了雙調節(jié)旋鈕，速比為1： 100,實現(xiàn)了調節(jié)分辨 率 <15。 ② 工作頭。 工作頭運動位置要進行控制，我們采用美國Park公司的直線移動 系統(tǒng)，它的報告

6、是重復定位精度15，定位精度5um,我們測量 后，確實達到這個指標，也達到了我們的要求。由于我們工作行程 很短，經過調試及軟件修正，定位精度提高到2um。 工作頭原點位置和上下極限位置檢測采用光電檢測。 ③ 光學移動系統(tǒng)。 光學移動系統(tǒng)須X-Y兩個運動以實現(xiàn)三個光學系統(tǒng)均能到達自己的 工位。X-Y兩個運動采用負間隙導軌及普通光學系統(tǒng)的齒輪齒條傳 動。 ④ 精密移動系統(tǒng)與加熱部分的隔離 工作臺和工作頭頂端工作最高溫度達250°C，如果頂端不與底下的 精密移動部分隔離將大大影響精度和壽命，甚至系統(tǒng)不能工作。我 們采用了水套對兩部分進行隔離，水套中通入循環(huán)水，吸氣銅管也 浸在水套中，對加熱

7、的氣體也進行冷卻，以保證氣泵和非金屬氣路 的可靠運行。 ⑤ CAD貫穿整個機械設計過程 整個機械設計過程,我們均采用計算機輔助設計（用開目CAD機械設 計軟件）。原理設計階段的機構選取、計算，零件設計階段的圖紙 設計，均在計算機上完成，從而實現(xiàn)快速、準確、標準的設計工作。 4.3控制系統(tǒng)研究控制系統(tǒng)可分為以下五個子系統(tǒng)： ① 圖象采集：采用CG200圖象采集卡將三路CCD圖象信號采進計 算機，可軟件控制，分別單獨顯示。 ② 工作頭上下移動采用Park公司的步進電機驅動系統(tǒng)，實現(xiàn)每周 50000步細分，電機單步0.1um。 ③ 工作頭、工作臺溫度采用兩臺SR73A溫控儀。 ④ 我們自

8、己設計了一套單片機系統(tǒng)，分別控制基片和芯片的吸放， 三路光學系統(tǒng)光源的開關，基片、芯片的加熱和停止加熱。它采用 8031單片機，用RS232半雙工方式與主機通訊. ⑤ 計算機系統(tǒng)各部分采用串行通訊控制，因而至少需要四個串行 口，而PC機一般僅有兩個采用串行口。我們采用CP104串口卡， 分別實現(xiàn)電機控制系統(tǒng)，溫度控制系統(tǒng)，單片機系統(tǒng)與計算機的通 訊。CP104串口卡是PCI總線下轉出四路RS232總線，單片機系統(tǒng)、 電機控制系統(tǒng)采用RS232直接通訊。兩臺SR73A溫控儀本身采用 RS485總線，我們利用一塊轉換器實現(xiàn)了通訊。 4.4軟件： 軟件工作的關鍵是在對CG200圖像采集卡、OE

9、M750X步進電機驅動 系統(tǒng)、數字量控制系統(tǒng)、兩臺SR73A溫控儀的控制。CG200圖像采 集卡運用動態(tài)連接庫函數進行控制；OEM750X步進電機驅動系統(tǒng)與 主機用RS232 口通訊，主機向其發(fā)送Compumotor X語言格式的命 令對其進行控制；數字量控制系統(tǒng)與主機用RS232 口通訊，主機向 其發(fā)送命令代碼進行控制；SR73A溫控儀主機用RS232 口經 RS232/485轉換器通訊，主機向其發(fā)送讀寫碼，完成對其讀寫功能。 5今后的設想 ① 現(xiàn)在的光學系統(tǒng)處于原理實現(xiàn)階段，調整比較困難，離實用化尚 有一定距離。限于時間和資金，沒有做進一步的工作。今后在光學 系統(tǒng)的調整和安裝結構上有必

10、要做進一步的改善，以提高實用性。 ② 光學移動系統(tǒng)和芯片、基片的安裝調整目前是全手動進行，對操 作人員素質要求較高，不利于商品化。今后對光學移動系統(tǒng)及工作 臺的各方位調整擬采用自動控制，以提高精度和焊接質量。 ③ 將面對面圖像提取合成技術降低精度應用于BGA焊接工藝。BGA 技術以體積小和抗干擾、抗噪性能強在NOTEBOOK的內存、主板芯 片組等大規(guī)模集成電路的封裝領域得到了廣泛應用，是現(xiàn)今最先 進、最流行的封裝技術之一。BGA技術在國內卻難以啟動，尤其是 引腳間距0.5mm的uBGA。因為缺少適合國情的BGA放置設備。目 前，絕大多數使用BGA芯片的電子產品生產廠家，均采用四角標記 手工

11、放置。這種方法對1.27mm間距的BGA貼裝，廢品率已很高， 對非規(guī)則外形的BGA和0.5mm間距的uBGA已不可行。國內目前生 產的BGA放置設備均采用四角標記方法，尚未發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)凸點和焊盤 面對面圖形提取對準方法的BGA放置設備。 "DKH-50倒扣焊接系統(tǒng)〃的凸點對位精度是0.01mm，而BGA倒裝設 備精度可以降低到0.05?0.1mm。另外，BGA倒裝設備的關鍵技術 —小間隙面對面圖像提取合成技術，在"DKH-50倒扣焊接系統(tǒng)〃項目 中已解決。因而我們對本技術上應用于BGA倒裝設備有足夠的信心 和把握。 6結語 在研究工作中，我們學習和吸收了幾所大學、科研單位的寶貴經驗 和先進技術，并在光學系統(tǒng)的研究方面與蕪湖光學儀器廠合作。通 過上述技術途徑，DKH-50凸點倒扣焊接系統(tǒng)研制成功。用其焊接的 凸點芯片（面積5mmX5mm、凸點大小山30 mm、凸點中心距80 mm、 凸點個數51）各項指標均達到技術要求。不僅全面完成了研究任務， 而且由于融合了許多國內最新技術，從而使整個系統(tǒng)達到了國內領 先水平。