Parlare delle tecnologie chiave delle apparecchiature di posizionamento.

Le attuali tendenze di sviluppo e applicazione dell'industria dei semiconduttori comprendono i dispositivi mobili intelligenti, i big data, l'intelligenza artificiale, le reti di comunicazione 5G, i computer ad alte prestazioni, l'Internet degli oggetti, le automobili intelligenti, l'Industria 4.0, il cloud computing, ecc. Queste applicazioni hanno dato luogo a un rapido sviluppo dei dispositivi elettronici. I chip richiedono velocità di calcolo più elevate, dimensioni ridotte e una maggiore larghezza di banda. Richiedono inoltre un basso consumo energetico, una bassa generazione di calore e una grande capacità di memorizzazione. Ciò richiede la produzione e il confezionamento di chip per soddisfare i requisiti di alte prestazioni. Nell'era nota come post Legge di Moore, il confezionamento dei chip ha ricevuto sempre più attenzione e la macchina di posizionamento è un'apparecchiatura importante nel processo di confezionamento dei chip. Le macchine di posizionamento possono essere suddivise in macchine di posizionamento SMT e macchine di posizionamento per imballaggi avanzati in base ai tipi di applicazione. Queste ultime sono utilizzate principalmente nel processo di wire bonding e nel processo di flip chip, che si sono sviluppati rapidamente negli ultimi anni. Tra le tecnologie di interconnessione dei chip IC, il tradizionale imballaggio a tre livelli: principalmente l'imballaggio a livello di chip, l'imballaggio a livello di substrato e l'imballaggio master. Questo metodo di confezionamento è stato gradualmente sostituito dal confezionamento a livello di sistema SIP. Indipendentemente dall'evoluzione del metodo di confezionamento, un processo importante è inseparabile dal processo di confezionamento dei chip, ovvero il processo di montaggio. Il processo di montaggio è passato dal montaggio in linea, al montaggio superficiale SMT, fino ai processi di confezionamento avanzati di oggi, come il wire bonding e il flip chip bonding. Anche il montaggio è accompagnato dallo sviluppo della tecnologia, confermando i cambiamenti di una generazione di tecnologia e attrezzature. Al giorno d'oggi, per ottenere un montaggio raffinato e soddisfare le caratteristiche di produzione su larga scala e a basso costo dei prodotti elettronici, sono stati proposti indicatori di prestazione ad alta precisione e ad alto rendimento per i mounter. In questo articolo vogliamo approfondire la questione delle attrezzature e della tecnologia dei chip. 

In primo luogo, lasciamo che‘Parliamo delle macchine SMT mounter, dette anche macchine pick and place. La montaggitrice è un'apparecchiatura fondamentale nel processo di back-end dei semiconduttori. Si possono dividere in due categorie in base al tipo di montaggio: La prima è quella dei montaggi SMT: Appartiene all'attrezzatura chiave della linea di produzione del processo di montaggio superficiale. Viene utilizzato principalmente per montare chip confezionati, componenti elettronici come resistenze, condensatori, ecc. sulla scheda PCB. La macchina è caratterizzata da una velocità di montaggio elevata, che può raggiungere i 20000 CPH e talvolta anche i 150000 CPH. La precisione di montaggio non è elevata, generalmente compresa tra 20 e 40μm: È utilizzato principalmente per il montaggio di chip nudi o di componenti microelettronici. Monta i chip su telai di piombo, dissipatori di calore, substrati o direttamente su schede PCB. Può essere generalmente suddiviso in wire bonding e flip chip. È attualmente il mainstream del packaging dei semiconduttori. tecnologia di connessione. Il wire bonding completa innanzitutto l'impacchettamento dei chip attraverso una macchina di posizionamento, quindi collega i punti delle piazzole sul lato anteriore del chip alle piazzole del telaio o del substrato attraverso una macchina di wire bonding. Il processo attuale è relativamente maturo. Il montaggio di chip flip è un metodo che consiste nel posizionare la saldatura sulla piazzola di saldatura sulla superficie del chip e saldarla direttamente alla corrispondente sfera di saldatura sul substrato dopo averla capovolta. Rispetto al wire bonding, questo metodo consente di ottenere una maggiore densità del pacchetto, un'interconnessione di linea più breve, una riduzione delle interferenze, una riduzione dell'impedenza capacitiva e connessioni più stabili e affidabili. 

Un altro punto è che le apparecchiature avanzate per l'imballaggio e i chip sono utilizzate principalmente nel microassemblaggio di dispositivi logici, memorie, MEMS, LED, optoelettronici, RF, LD e altri dispositivi. Il processo di assemblaggio comprende pacchetti C2C, C2W e W2W e 2,5D/3D. Tra questi, il packaging 3D ad alta densità è il trend di sviluppo futuro. Grazie alla tecnologia del silicio, è possibile realizzare l'interconnessione dei chip impilati. La caratteristica più evidente del packaging 3D ad alta densità è che può ridurre le dimensioni e la qualità del prodotto a 1/5~1/10 dell'originale. Le principali tecnologie di montaggio utilizzate sono la saldatura a riflusso, l'incollaggio a caldo, l'incollaggio eutettico, il processo adesivo, l'incollaggio a ultrasuoni, la polimerizzazione a raggi ultravioletti, il processo adesivo conduttivo, ecc.

In secondo luogo, vogliamo concentrarci sulla tecnologia chiave delle macchine SMT pick and place. Lo sviluppo di apparecchiature avanzate per il confezionamento e il montaggio comporta un'ingegneria di sistema multidisciplinare. I principali indicatori di prestazione delle apparecchiature sono la precisione di montaggio e la resa di montaggio. Attualmente, la maggior parte delle macchine di montaggio soddisfa le esigenze di montaggio ad alta precisione o di montaggio ad alta resa. Riuscire a soddisfare entrambi gli indicatori è la sfida attuale. I principali indicatori di prestazione della macchina di montaggio sono influenzati dalle seguenti tecnologie chiave, come il sistema di allineamento visivo accurato, il layout strutturale ragionevole, il controllo preciso del movimento e il software di sistema completo. 

La prima tecnologia chiave di cui vogliamo parlare è il sistema di contrappunto visivo. Il sistema di allineamento del montatore è passato dal primo allineamento meccanico, all'allineamento laser fino all'allineamento visivo, e la precisione dell'allineamento è gradualmente migliorata. Il sistema di allineamento visivo comprende generalmente fonti di illuminazione, lenti di imaging, telecamere a conversione fotoelettrica, schede di acquisizione e software di elaborazione per la trasmissione e l'elaborazione dei dati. Attualmente, l'allineamento della posizione del chip e del patch target viene effettuato principalmente attraverso l'allineamento visivo.

Nelle apparecchiature manuali e semiautomatiche per patch, l'allineamento viene effettuato direttamente attraverso la sovrapposizione delle immagini. Le apparecchiature per patch completamente automatiche utilizzano principalmente il rilevamento visivo multidimensionale delle immagini. Allineamento indiretto, che comprende almeno due sistemi di imaging indipendenti. La telecamera raccoglie le immagini, estrae i bordi dell'immagine e identifica la posizione centrale dell'immagine attraverso algoritmi di immagine. In genere, le telecamere del campo visivo superiore e inferiore sono disposte in modo da ottenere rispettivamente punti caratteristici sul chip o sulla forma del chip e punti caratteristici relativi alla posizione del patch target, stabilendo così la relazione di coordinate tra il chip e i punti di posizione del target. Nel processo di definizione delle posizioni coordinate, i metodi di allineamento utilizzati per la posizione del patch di destinazione (substrato o wafer) si dividono in allineamento globale e allineamento locale in base alle diverse precisioni del patch. L'efficienza dell'allineamento globale è elevata. Il prerequisito per posizionare le coordinate del bit target in un unico allineamento è che l'accuratezza della superficie del substrato o del wafer sia elevata. L'allineamento locale può adattarsi alla deviazione delle diverse posizioni dell'array. Ogni posizione del patch viene identificata e posizionata individualmente. È adatto per patch di alta precisione, ma a causa dell'allineamento frequente, la resa è relativamente bassa. La maggior parte dei processi di riconoscimento delle immagini è in uno stato statico. Il riconoscimento dinamico sviluppato negli ultimi anni mira principalmente a migliorare la produttività e a ridurre i tempi di attesa del movimento. Si tratta della cosiddetta visione di volo. Per visione di volo si intende la fotografia dinamica. Il sistema di visione di volo del montatore deve completare il montaggio. Quando la testa di montaggio si muove sopra la telecamera di visione a una certa velocità, raccoglie le immagini dei componenti da montare *inserite dall'ugello di aspirazione e, allo stesso tempo, la tecnologia di elaborazione della visione ad alta velocità viene utilizzata per completare l'attività di elaborazione della visione.

La tecnologia di visione di volo è di grande importanza per migliorare l'efficienza di lavoro dell'intera macchina. La fotografia di volo richiede l'acquisizione di immagini ad alta velocità e la precisione di posizionamento è influenzata dal tempo di esposizione della fotocamera, dal tempo di comunicazione, ecc. I montatori che utilizzano questo metodo per scattare le immagini sono utilizzati principalmente nelle apparecchiature di montaggio di superficie a bassa precisione, con una precisione di montaggio compresa tra 20 e 50μm. L'accuratezza del sistema è direttamente correlata alla risoluzione della fotocamera e dell'obiettivo, nonché all'algoritmo di riconoscimento delle immagini. Il miglioramento della NA dell'obiettivo può migliorare efficacemente la risoluzione dell'obiettivo, riducendo al contempo il campo visivo dell'obiettivo, il che richiede una selezione equilibrata. Inoltre, nel caso delle telecamere, l'aumento della risoluzione migliora anche le capacità di riconoscimento delle immagini. L'impatto negativo è l'aumento della quantità di dati elaborati per una singola immagine, l'aumento del tempo di acquisizione ed elaborazione delle immagini e l'impatto sulla resa. Gli algoritmi di riconoscimento delle immagini sono fortemente influenzati dal processo. L'utilizzo di diversi algoritmi per estrarre le caratteristiche del bordo del marchio può aumentare l'adattabilità del sistema di visione, generando così meno errori e migliorando l'accuratezza dell'allineamento. 

La seconda tecnologia chiave di cui vogliamo parlare è la progettazione strutturale delle macchine SMT pick and place. Oltre all'accurato sistema di allineamento visivo, la macchina di montaggio deve garantire un layout strutturale ragionevole, un meccanismo di movimento accurato e una progettazione del movimento parallelo per migliorare la produttività. Allo stesso tempo, deve garantire la stabilità del sistema e piccoli errori di interferenza ambientale. Considerando il processo evolutivo della montaggitrice, essa può essere suddivisa grossolanamente in quattro tipologie in base ai metodi di lavoro della montaggitrice: tipo a braccio, tipo a tavola rotante, tipo composito e sistema parallelo di grandi dimensioni.

Il primo è il tipo a braccio mobile. Questo tipo di montatore strutturale ha un'elevata flessibilità e un'alta precisione di montaggio. È generalmente disposta su un portale in marmo o in ghisa ed è dotata di bracci di montaggio che si muovono avanti e indietro. È la struttura principale della maggior parte dei banchi di montaggio. Tuttavia, rispetto a molte altre strutture, i rendimenti dei patch sono relativamente bassi e i nostri clienti Nectec utilizzano generalmente due bracci per migliorare i rendimenti. Il secondo è del tipo a tavola rotante, che installa la testa del chip su un mandrino rotante. Mentre una singola testa di truciolo assorbe i trucioli, le teste di truciolo delle altre stazioni possono eseguire operazioni come l'allineamento e il montaggio, migliorando notevolmente la produttività. A causa del lungo collegamento di trasmissione e della struttura complessa, la precisione di montaggio offerta da questa struttura è inferiore a quella del tipo a braccio mobile. È utilizzata principalmente nei montaggi SMT, mentre i montaggi e gli imballaggi avanzati utilizzano ancora la struttura a braccio mobile come parte principale. Il terzo tipo è una struttura composita, in grado di trasferire un gran numero di chip contemporaneamente e di concentrarsi sull'aspirazione e sull'incollaggio. Combina i vantaggi del tipo a braccio mobile e del tipo a tavola rotante, ma la struttura è relativamente complessa, ha costi di sviluppo elevati e manca di flessibilità. Il quarto tipo prevede che i sistemi paralleli su larga scala adottino un design modulare e che più set di componenti per il trasferimento o il montaggio dei chip siano impostati in base alle specifiche stazioni di strozzatura della linea di produzione per soddisfare le esigenze di confezionamento in lotti delle linee di produzione su larga scala. 

Considerando la stabilità della struttura e l'influenza della temperatura ambiente, nella progettazione del telaio strutturale del montatore, cercare di selezionare materiali con una migliore rigidità specifica, cioè il rapporto tra il modulo elastico e la densità del materiale. Questi materiali hanno una buona rigidità e un peso ridotto, come i telai in marmo e in ghisa. Le apparecchiature di montaggio di alta precisione aggiungono un sistema di smorzamento delle vibrazioni passivo o attivo alla parte inferiore del telaio per ridurre l'interferenza delle vibrazioni della fondazione. Dal punto di vista dell'analisi della catena degli errori, si deve tenere conto anche del coefficiente di espansione termica del materiale. Quanto più piccolo è il coefficiente, tanto meno il sistema di misura sarà influenzato dalla temperatura ambiente. Grazie alla maturità della moderna tecnologia di simulazione computerizzata, l'impatto dei fattori ambientali sulla progettazione strutturale di cui sopra può essere ottimizzato attraverso l'analisi di simulazione a elementi finiti combinata con i dati di prova reali, come la simulazione statica, la simulazione modale, la simulazione dinamica, la simulazione termodinamica, ecc. In termini di miglioramento della produttività, la progettazione strutturale cerca di ridurre al minimo la relazione tra l'alimentazione del materiale e le posizioni del patch di destinazione, di accorciare il percorso e di ridurre il tempo di trasferimento del materiale, poiché circa 70% del tempo di ciclo di un singolo patch è utilizzato per la movimentazione del materiale. Nella progettazione strutturale, la testa del chip è un componente chiave. Per adattarsi al processo di posizionamento dei trucioli, oltre a soddisfare l'adsorbimento di base a pressione negativa del truciolo, deve anche soddisfare il livellamento multi-freedom per garantire l'adattamento stretto e uniforme del truciolo e del substrato durante il processo di posizionamento dei trucioli. Alcuni processi richiedono anche pressione e riscaldamento per soddisfare il processo di posizionamento eutettico del chip. 

La terza tecnologia chiave di cui vogliamo parlare è il controllo del movimento di precisione. Poiché esistono due tipi di sistemi di movimento, li illustreremo uno alla volta. Il primo sistema di movimento è il sistema a tavola sportiva. Nell'applicazione di macchine avanzate per il confezionamento e il posizionamento, per coordinare il trasferimento e il posizionamento dei chip, all'interno dell'apparecchiatura vengono disposte piattaforme di spostamento multiasse. Queste piattaforme di movimento comprendono i movimenti degli assi X, Y, Z e Rz del supporto del chip, nonché il movimento multidimensionale della testa del chip. Negli ultimi anni, il meccanismo di trasmissione è stato gradualmente migliorato, passando da una struttura a vite a sfera azionata da servomotori e motori passo-passo a una struttura a motore ad azionamento diretto. Per la tavola portante con carichi pesanti, al posto della guida di trasmissione viene utilizzata una guida a galleggiante d'aria o una guida maglev, che riduce la trasmissione meccanica. L'usura, la riduzione degli errori di movimento e l'aumento della velocità e dell'accelerazione della piattaforma mobile migliorano la produttività del sistema. Aumentando la velocità di movimento della testa del truciolo, l'intero sistema introduce spesso un impatto. Nella progettazione del meccanismo, alcuni produttori utilizzano metodi come l'aumento della rigidità del telaio o l'aumento dei pesi e l'attrazione della gravità per tamponare la forza di reazione del movimento e raggiungere l'equilibrio dinamico del sistema. Il tradizionale sistema ad anello semi-chiuso, come l'accuratezza della posizione di retroazione dell'encoder, viene gradualmente sostituito da un sistema di misura a griglia di retroazione ad anello completamente chiuso, che porta direttamente l'accuratezza del chip da decine di micron a micron o addirittura a un'accuratezza di montaggio sub-micron.

Durante il processo di guida della tavola di movimento, viene generalmente utilizzato il metodo di guida impilata degli assi X e Y. A causa del forte carico sull'asse Y nello strato inferiore, la tecnologia di guida a doppio binario e doppia trave può aumentare la velocità di movimento dell'asse Y e ridurre gli scuotimenti a destra e a sinistra. A questo punto, gli alberi di trasmissione destro e sinistro devono essere rigorosamente sincronizzati e richiedono un controllo del movimento sincrono. Il secondo sistema di movimento è il sistema di controllo. Il sistema di controllo si divide in hardware e software di controllo. L'architettura hardware dipende dal modulo di controllo principale. In genere esistono i seguenti tipi: sistema di microcomputer a chip singolo, sistema PLC sportivo professionale e PC più scheda di controllo sportivo professionale. Tra questi, il microcomputer a chip singolo e il PLC sono utilizzati principalmente in apparecchiature con strutture di movimento semplici e traiettorie di movimento fisse, mentre le schede sportive professionali PC plus possono realizzare movimenti con curve complesse e algoritmi di movimento complessi. Per i sistemi di controllo complessi completamente automatici, il PC più la scheda sportiva professionale possono essere sostituiti da un server più il controller sportivo professionale. Il software del sistema è suddiviso in programma di controllo principale del computer superiore, software di interfaccia interattiva uomo-computer e software di controllo del movimento multiasse del computer inferiore, acquisizione e analisi delle immagini, controllo I/O, acquisizione di quantità analogiche e calibrazione della precisione del sistema. Una parte del miglioramento dell'accuratezza del mounter è ottenuta grazie alla compensazione dell'allineamento del sistema di visione. Il computer superiore è solitamente un computer industriale o un server, che completa l'interazione uomo-macchina, la visualizzazione delle immagini, la gestione della divisione dei compiti e le funzioni di comunicazione.

Il computer inferiore è di solito un modulo di controllo del movimento indipendente, un microprocessore, un PLC, ecc. che richiede elevate prestazioni in tempo reale e coordina vari assi di movimento, sensori, acquisizione di immagini, controllo I/O e altre azioni. Per i collegamenti con elevati requisiti di azioni in tempo reale, si utilizzano in genere metodi di hard trigger per ridurre il tempo di esecuzione del codice e migliorare la produttività. 

In conclusione, con l'evoluzione dei chip IC verso l'alta densità, l'alta affidabilità e il basso costo nell'industria dei circuiti integrati, vengono proposti requisiti più elevati per le apparecchiature chiave di montaggio nel campo dell'imballaggio, e la precisione di montaggio e la resa di montaggio aumentano di anno in anno. Con i continui investimenti nell'industria dei circuiti integrati degli ultimi anni, anche i fornitori di apparecchiature dovranno affrontare nuove opportunità e sfide. Riteniamo che in futuro le apparecchiature avanzate per il packaging e i chip dovranno avere caratteristiche multifunzionali, modulari, flessibili e intelligenti. Solo investendo continuamente nella ricerca e nello sviluppo di tecnologie chiave potremo essere unici nella competizione del mercato.