倒扣芯片焊接

DKH-50凸點(diǎn)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(yīng)用的關(guān) 鍵技術(shù). 關(guān)鍵詞：凸點(diǎn)倒扣焊光學(xué)對正光學(xué)測距光學(xué)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(diǎn)倒扣焊技術(shù)研究課題是研究如何將帶有凸點(diǎn)的芯片倒扣 焊在與其凸點(diǎn)相對應(yīng)的電極圖形的基片上去，使其達(dá)到電性能和機(jī) 械性能的連接，并達(dá)到機(jī)電技術(shù)指標(biāo)要求，這是一項(xiàng)較為復(fù)雜的系 統(tǒng)技術(shù)研究。最終完成的凸點(diǎn)倒扣焊機(jī)將對SMT、HIC、半導(dǎo)體等技 術(shù)、MCM技術(shù)的發(fā)展起推動作用。 2主要技術(shù)指標(biāo) 本項(xiàng)目涉及精密機(jī)械、計(jì)算機(jī)、光學(xué)、電子等多個(gè)技術(shù)領(lǐng)域，是一 個(gè)綜合性的整機(jī)研究。 其主要技術(shù)指標(biāo)如下： ⑴設(shè)備工作臺面積：50X50mm2， 運(yùn)動距離（以中心算）〉±15mm 手動分辨率＜3um ⑵工作臺旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)：手動分辨率＜3〃 ⑶工作臺平行度調(diào)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(diǎn)面積305X305，凸點(diǎn)中心距805。 ⑹工作頭、工作臺溫度＜250°C。 3. 設(shè)計(jì)原理 由于焊接的凸點(diǎn)尺寸小、間距密，對焊接時(shí)的平行度、距離及 上下圖形的對正要求很高，因此要用光學(xué)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(jìn)行光學(xué)測量，用機(jī)械調(diào)整 系統(tǒng)調(diào)整工作臺，并采用精密移動系統(tǒng)對工作頭進(jìn)行位置控制，使 之達(dá)到焊接要求。 本系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(xué)測 量系統(tǒng)取得上下面反射的十字光叉，經(jīng)圖像采集系統(tǒng)送到計(jì)算機(jī)屏 幕上顯示，根據(jù)顯示圖像調(diào)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(xué)系統(tǒng)取得測距圖像，經(jīng)圖像采集系統(tǒng)送到計(jì)算機(jī)屏幕上顯示，根 據(jù)圖像測得上下圖形面的間距，為焊接提供準(zhǔn)確定位。使用對正光 學(xué)系統(tǒng)取得上下圖形面的圖像，經(jīng)圖像采集系統(tǒng)送到計(jì)算機(jī)屏幕上 顯示，調(diào)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(jù)測距結(jié)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(diǎn)和基片圖形接觸，進(jìn)行焊接。然后通氮?dú)饫鋮s，釋放芯片及基 片，焊接過程結(jié)束。 在整個(gè)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(gè)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(guān)鍵技術(shù) 本課題涉及下述四個(gè)方面技術(shù):光學(xué)系統(tǒng)、精密機(jī)械系統(tǒng)、控制系 統(tǒng)、軟件。 4.1光學(xué)系統(tǒng) 由于焊接的凸點(diǎn)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(diǎn)壓攤開，一邊凸點(diǎn)還未接觸上。所以必須對基片與 芯片的平行度進(jìn)行檢測和調(diào)整。另外，凸點(diǎn)和圖形之間的距離也要 控制，凸點(diǎn)和圖形需要對正。因而光學(xué)系統(tǒng)有四部分組成，即：測 平行光學(xué)系統(tǒng)、測距光學(xué)系統(tǒng)、上下光路對準(zhǔn)光學(xué)系統(tǒng)、光源。 4.2精密機(jī)械系統(tǒng)： 對機(jī)械系統(tǒng)首先要求能實(shí)現(xiàn)功能。由于機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作繁瑣，下 面僅從主要功能和主要設(shè)計(jì)方法進(jìn)行介紹： ① 工作臺： 工作臺有五個(gè)自由度。平面X-Y移動、旋轉(zhuǎn)是為了實(shí)現(xiàn)芯片與基片 圖形對齊；兩個(gè)方向俯仰是為了調(diào)節(jié)上下兩個(gè)面平行。這五個(gè)運(yùn)動 要求連續(xù)可調(diào)，還要有足夠的剛性，在工作臺運(yùn)動時(shí)沒有震動。我 們采用負(fù)間隙的直線導(dǎo)軌，所有傳動部分均采用了彈性消隙機(jī)構(gòu)。 X-Y移動部分采用了雙調(diào)節(jié)旋鈕，速比為1： 100,實(shí)現(xiàn)了調(diào)節(jié)分辨 率 <15。 ② 工作頭。 工作頭運(yùn)動位置要進(jìn)行控制，我們采用美國Park公司的直線移動 系統(tǒng)，它的報(bào)告是重復(fù)定位精度15，定位精度5um,我們測量 后，確實(shí)達(dá)到這個(gè)指標(biāo)，也達(dá)到了我們的要求。由于我們工作行程 很短，經(jīng)過調(diào)試及軟件修正，定位精度提高到2um。 工作頭原點(diǎn)位置和上下極限位置檢測采用光電檢測。 ③ 光學(xué)移動系統(tǒng)。 光學(xué)移動系統(tǒng)須X-Y兩個(gè)運(yùn)動以實(shí)現(xiàn)三個(gè)光學(xué)系統(tǒng)均能到達(dá)自己的 工位。X-Y兩個(gè)運(yùn)動采用負(fù)間隙導(dǎo)軌及普通光學(xué)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(dá)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(jìn)行隔離，水套中通入循環(huán)水，吸氣銅管也 浸在水套中，對加熱的氣體也進(jìn)行冷卻，以保證氣泵和非金屬氣路 的可靠運(yùn)行。 ⑤ CAD貫穿整個(gè)機(jī)械設(shè)計(jì)過程 整個(gè)機(jī)械設(shè)計(jì)過程,我們均采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（用開目CAD機(jī)械設(shè) 計(jì)軟件）。原理設(shè)計(jì)階段的機(jī)構(gòu)選取、計(jì)算，零件設(shè)計(jì)階段的圖紙 設(shè)計(jì)，均在計(jì)算機(jī)上完成，從而實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確、標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)工作。 4.3控制系統(tǒng)研究控制系統(tǒng)可分為以下五個(gè)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(jìn)計(jì) 算機(jī)，可軟件控制，分別單獨(dú)顯示。 ② 工作頭上下移動采用Park公司的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)每周 50000步細(xì)分，電機(jī)單步0.1um。 ③ 工作頭、工作臺溫度采用兩臺SR73A溫控儀。 ④ 我們自己設(shè)計(jì)了一套單片機(jī)系統(tǒng)，分別控制基片和芯片的吸放， 三路光學(xué)系統(tǒng)光源的開關(guān)，基片、芯片的加熱和停止加熱。它采用 8031單片機(jī)，用RS232半雙工方式與主機(jī)通訊. ⑤ 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)各部分采用串行通訊控制，因而至少需要四個(gè)串行 口，而PC機(jī)一般僅有兩個(gè)采用串行口。我們采用CP104串口卡， 分別實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制系統(tǒng)，溫度控制系統(tǒng)，單片機(jī)系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)的通 訊。CP104串口卡是PCI總線下轉(zhuǎn)出四路RS232總線，單片機(jī)系統(tǒng)、 電機(jī)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(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)了通訊。 4.4軟件： 軟件工作的關(guān)鍵是在對CG200圖像采集卡、OEM750X步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動 系統(tǒng)、數(shù)字量控制系統(tǒng)、兩臺SR73A溫控儀的控制。CG200圖像采 集卡運(yùn)用動態(tài)連接庫函數(shù)進(jìn)行控制；OEM750X步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)與 主機(jī)用RS232 口通訊，主機(jī)向其發(fā)送Compumotor X語言格式的命 令對其進(jìn)行控制；數(shù)字量控制系統(tǒng)與主機(jī)用RS232 口通訊，主機(jī)向 其發(fā)送命令代碼進(jìn)行控制；SR73A溫控儀主機(jī)用RS232 口經(jīng) RS232/485轉(zhuǎn)換器通訊，主機(jī)向其發(fā)送讀寫碼，完成對其讀寫功能。 5今后的設(shè)想 ① 現(xiàn)在的光學(xué)系統(tǒng)處于原理實(shí)現(xiàn)階段，調(diào)整比較困難，離實(shí)用化尚 有一定距離。限于時(shí)間和資金，沒有做進(jìn)一步的工作。今后在光學(xué) 系統(tǒng)的調(diào)整和安裝結(jié)構(gòu)上有必要做進(jìn)一步的改善，以提高實(shí)用性。 ② 光學(xué)移動系統(tǒng)和芯片、基片的安裝調(diào)整目前是全手動進(jìn)行，對操 作人員素質(zhì)要求較高，不利于商品化。今后對光學(xué)移動系統(tǒng)及工作 臺的各方位調(diào)整擬采用自動控制，以提高精度和焊接質(zhì)量。 ③ 將面對面圖像提取合成技術(shù)降低精度應(yīng)用于BGA焊接工藝。BGA 技術(shù)以體積小和抗干擾、抗噪性能強(qiáng)在NOTEBOOK的內(nèi)存、主板芯 片組等大規(guī)模集成電路的封裝領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，是現(xiàn)今最先 進(jìn)、最流行的封裝技術(shù)之一。BGA技術(shù)在國內(nèi)卻難以啟動，尤其是 引腳間距0.5mm的uBGA。因?yàn)槿鄙龠m合國情的BGA放置設(shè)備。目 前，絕大多數(shù)使用BGA芯片的電子產(chǎn)品生產(chǎn)廠家，均采用四角標(biāo)記 手工放置。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(nèi)目前生 產(chǎn)的BGA放置設(shè)備均采用四角標(biāo)記方法，尚未發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)凸點(diǎn)和焊盤 面對面圖形提取對準(zhǔn)方法的BGA放置設(shè)備。 "DKH-50倒扣焊接系統(tǒng)〃的凸點(diǎn)對位精度是0.01mm，而BGA倒裝設(shè) 備精度可以降低到0.05?0.1mm。另外，BGA倒裝設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù) —小間隙面對面圖像提取合成技術(shù)，在"DKH-50倒扣焊接系統(tǒng)〃項(xiàng)目 中已解決。因而我們對本技術(shù)上應(yīng)用于BGA倒裝設(shè)備有足夠的信心 和把握。 6結(jié)語 在研究工作中，我們學(xué)習(xí)和吸收了幾所大學(xué)、科研單位的寶貴經(jīng)驗(yàn) 和先進(jìn)技術(shù)，并在光學(xué)系統(tǒng)的研究方面與蕪湖光學(xué)儀器廠合作。通 過上述技術(shù)途徑，DKH-50凸點(diǎn)倒扣焊接系統(tǒng)研制成功。用其焊接的 凸點(diǎn)芯片（面積5mmX5mm、凸點(diǎn)大小山30 mm、凸點(diǎn)中心距80 mm、 凸點(diǎn)個(gè)數(shù)51）各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到技術(shù)要求。不僅全面完成了研究任務(wù)， 而且由于融合了許多國內(nèi)最新技術(shù)，從而使整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到了國內(nèi)領(lǐng) 先水平。