Praten over de belangrijkste technologieën van plaatsingsapparatuur.

De huidige trends in de ontwikkeling en toepassing van de halfgeleiderindustrie omvatten slimme mobiele apparaten, big data, kunstmatige intelligentie, 5G-communicatienetwerken, krachtige computers, het internet der dingen, slimme auto's, Industrie 4.0, cloud computing, enz. Deze toepassingen hebben geleid tot een snelle ontwikkeling van elektronische apparaten. Chips vereisen hogere verwerkingssnelheden, kleinere afmetingen en een grotere bandbreedte. Ze vereisen ook een laag energieverbruik, weinig warmteontwikkeling en een grote opslagcapaciteit. Dit vereist de productie en verpakking van chips om aan de hoge prestatievereisten te voldoen. In het tijdperk dat bekend staat als de post-Moore's Wet, heeft chipverpakking steeds meer aandacht gekregen, en de plaatsingsmachine is een belangrijk apparaat in het chipverpakkingsproces. Plaatmachines kunnen worden onderverdeeld in SMT-plaatmachines en geavanceerde verpakkingsplaatmachines op basis van het type toepassing. De laatste wordt voornamelijk gebruikt in het wire bonding proces en flip-chip proces die zich de laatste jaren snel hebben ontwikkeld. Onder de interconnectietechnologieën voor IC-chips is de traditionele verpakking op drie niveaus: voornamelijk verpakking op chipniveau, verpakking op substraatniveau en masterverpakking. Deze verpakkingsmethode is geleidelijk vervangen door SIP-verpakking op systeemniveau. Hoe de verpakkingsmethode ook evolueert, een belangrijk proces is onlosmakelijk verbonden met het verpakkingsproces van de chip, namelijk het montageproces. Het montageproces is geëvolueerd van inline, SMT oppervlaktemontage, tot de huidige geavanceerde verpakkingsprocessen zoals wire bonding en flip chip bonding. De mounter gaat ook gepaard met de ontwikkeling van technologie, wat de veranderingen van een generatie technologie en apparatuur bevestigt. Om een verfijnde montage te bereiken en te voldoen aan de grootschalige en goedkope productiekenmerken van elektronische producten, zijn er tegenwoordig prestatie-indicatoren voor montageprocessen met hoge precisie en een hoog rendement voorgesteld. In dit artikel willen we meer bespreken over de chipapparatuur en -technologie. 

Ten eerste‘s bespreken de SMT-mountermachines, ook wel pick-and-place-machines genoemd. Mounter is een belangrijk apparaat in het back-end proces van halfgeleiders. We kunnen ze in twee categorieën verdelen op basis van het type montage: De eerste is de SMT mounter: Deze behoort tot de belangrijkste apparatuur van de productielijn voor oppervlaktemontage. Het wordt voornamelijk gebruikt om verpakte chips, elektronische componenten zoals weerstanden, condensatoren, enz. op de printplaat te monteren. De mounter wordt gekenmerkt door snelle montagesnelheid, die 20000 CPH kan bereiken, en soms kan het zelfs 150000 CPH bereiken. De montagenauwkeurigheid is niet hoog, over het algemeen tussen 20 en 40 µm: Deze wordt voornamelijk gebruikt voor het monteren van naakte chips of micro-elektronische componenten. Hij monteert chips op loodframes, koellichamen, substraten of rechtstreeks op printplaten. Het kan over het algemeen worden onderverdeeld in draadhechting en flipchips. Het is momenteel de hoofdstroom van de halfgeleiderverpakking. verbindingstechnologie. Wire bonding voltooit eerst de gestapelde verpakking van chips door middel van een plaatsingsmachine, en verbindt dan de pad-punten aan de voorkant van de chip met het frame of substraat pads door middel van een wire bonding machine. Het huidige proces is relatief volwassen. Flip-chip montage is een methode waarbij soldeer op het soldeerpad op het chipoppervlak wordt aangebracht en na het omdraaien direct aan de overeenkomstige soldeerbal op het substraat wordt gesoldeerd. Vergeleken met draadbinding kan het een hogere pakkingsdichtheid, kortere onderlinge verbindingen, minder interferentie, minder capacitieve impedantie en stabielere en betrouwbaardere verbindingen opleveren. 

Een ander punt is dat geavanceerde verpakkings- en chipapparatuur voornamelijk wordt gebruikt in de microassemblage van logische apparaten, geheugens, MEMS, LED's, Opto-elektronica, RF, LD en andere apparaten. Het assemblageproces omvat C2C-, C2W- en W2W- en 2,5D/3D-pakketten. Onder hen is 3D-verpakking met hoge dichtheid de toekomstige ontwikkelingstrend. Door middel van through-silicon technologie wordt gestapelde chipinterconnectie gerealiseerd. De meest voor de hand liggende eigenschap van 3D-verpakking met hoge dichtheid is dat het de grootte en kwaliteit van het product kan terugbrengen tot 1/5~1/10 van het origineel. De belangrijkste gebruikte montagetechnologieën zijn reflow solderen, warmpersen, eutectisch lijmen, lijmen, ultrasoon lijmen, ultraviolet uitharden, geleidend lijmen, enz.

Ten tweede willen we ons richten op de sleuteltechnologie van SMT pick-and-place machines. Bij de ontwikkeling van geavanceerde verpakkings- en montagemachine-apparatuur komt multidisciplinaire systeemtechniek kijken. De belangrijkste prestatie-indicatoren van de apparatuur zijn montagenauwkeurigheid en montagerendement. Op dit moment voldoen de meeste inbeddingmachines ofwel aan hoge nauwkeurigheid of hoog rendement. Voldoen aan beide indicatoren is de huidige uitdaging. De belangrijkste prestatie-indicatoren van de montagemachine worden beïnvloed door de volgende sleuteltechnologieën, zoals een nauwkeurig visueel uitlijnsysteem, een redelijke structurele lay-out, nauwkeurige bewegingsbesturing en complete systeemsoftware. 

De eerste sleuteltechnologie die we willen bespreken is het visuele uitlijnsysteem. Het uitlijnsysteem van de mounter heeft het proces doorlopen van de eerste mechanische uitlijning, laseruitlijning tot visuele uitlijning, en de uitlijnnauwkeurigheid is geleidelijk verbeterd. Het visuele uitlijnsysteem bestaat over het algemeen uit lichtbronnen, beeldlenzen, foto-elektrische conversiecamera's, acquisitiekaarten en verwerkingssoftware voor gegevensoverdracht en -verwerking. Op dit moment wordt de uitlijning van de positie van de chip en het doelvlak voornamelijk uitgevoerd door visuele uitlijning.

Bij handmatige en halfautomatische patchapparatuur wordt de uitlijning direct uitgevoerd door beeldoverlap. Volledig automatische patchapparatuur maakt voornamelijk gebruik van multidimensionale visuele beelddetectie. Indirecte uitlijning, die ten minste twee onafhankelijke beeldvormingssystemen omvat. De camera verzamelt beelden, extraheert beeldranden en identificeert de middelpuntpositie van het beeld met behulp van beeldalgoritmen. Over het algemeen worden de camera's in het bovenste en onderste gezichtsveld opgesteld om respectievelijk kenmerkpunten op de chip of chipvorm te verkrijgen, en kenmerkpunten met betrekking tot de positie van het doelgebied, waardoor de coördinatenrelatie tussen de chip en de doelpositiepunten wordt vastgesteld. Bij het bepalen van de coördinatenposities worden de uitlijningsmethoden voor de positie van het doelvlak (substraat of wafer) verdeeld in globale uitlijning en lokale uitlijning, afhankelijk van de nauwkeurigheid van het doelvlak. De globale uitlijning is zeer efficiënt. De voorwaarde voor het positioneren van de doelbitcoördinaten in één uitlijning is dat de oppervlaktenauwkeurigheid van het substraat of de wafer hoog is. De lokale uitlijning kan zich aanpassen aan de afwijking van verschillende arrayposities. Elke patchpositie wordt individueel geïdentificeerd en gepositioneerd. Het is geschikt voor patches met hoge precisie, maar door de frequente uitlijning is de opbrengst relatief laag. De meeste beeldherkenningsprocessen bevinden zich in een statische toestand. De dynamische herkenning die de laatste jaren is ontwikkeld, is vooral bedoeld om de productiviteit te verbeteren en de wachttijd voor beweging te verminderen. Het wordt flight vision genoemd. Flight vision betekent dynamische fotografie. Het flight vision-systeem van de mounter moet de montage voltooien. Wanneer de montagekop met een bepaalde snelheid boven de visioncamera beweegt, verzamelt deze beelden van de te monteren onderdelen * die door de zuigmond worden aangezogen, en tegelijkertijd wordt high-speed visionverwerkingstechnologie gebruikt om de taak van visioncomputing te voltooien.

Flight vision-technologie is van groot belang voor het verbeteren van de werkefficiëntie van de hele machine. Vliegende fotografie vereist snelle beeldacquisitie en de positioneringsnauwkeurigheid wordt beïnvloed door de belichtingstijd van de camera, de communicatietijd, enz. Mounters die deze methode gebruiken om foto's te maken, worden voornamelijk gebruikt in apparatuur voor oppervlaktemontage met lage precisie, zoals montagenauwkeurigheden tussen 20 en 50 µm. De nauwkeurigheid van het systeem is direct gerelateerd aan de resolutie van de camera en lens en het beeldherkenningsalgoritme. Het verbeteren van de NA van de lens kan de resolutie van de lens effectief verbeteren, terwijl het gezichtsveld van de lens wordt verkleind, wat een evenwichtige selectie vereist. Voor camera's geldt ook dat een hogere cameraresolutie de beeldherkenningsmogelijkheden verbetert. Het negatieve effect is dat de hoeveelheid verwerkte gegevens van een enkel beeld toeneemt, de tijd voor het verwerven en verwerken van beelden toeneemt en de opbrengst wordt beïnvloed. Algoritmen voor beeldherkenning worden sterk beïnvloed door het proces. Door verschillende algoritmen te gebruiken om randkenmerken van markeringen te extraheren, kan het aanpassingsvermogen van het vision-systeem worden vergroot, waardoor er minder fouten optreden en de uitlijningsnauwkeurigheid verbetert. 

De tweede sleuteltechnologie die we willen bespreken is het structurele ontwerp van SMT pick-and-place machines. Naast het nauwkeurige visuele uitlijnsysteem moet de mounter ook zorgen voor een redelijke structurele lay-out, nauwkeurig bewegingsmechanisme en parallel bewegingsontwerp om de productiviteit te verbeteren. Tegelijkertijd moet hij de stabiliteit van het systeem en kleine storingsfouten in de omgeving garanderen. Als we kijken naar het evolutieproces van de mounter, kan deze grofweg worden onderverdeeld in vier typen op basis van de werkmethoden van de mounter: giektype, draaitafeltype, samengesteld type en groot parallelsysteem.

De eerste is het type met de bewegende arm. Dit soort structurele mounter heeft een hoge flexibiliteit en montagenauwkeurigheid. Hij staat meestal op een marmeren of gegoten portaal en is uitgerust met montagearmen die heen en weer bewegen. Het is de hoofdstructuur van de meeste monteermachines. Vergeleken met diverse andere structuren is het rendement van de patch echter relatief laag, en onze Nectec-klanten gebruiken over het algemeen twee armen om het rendement te verbeteren. De tweede is het draaitafeltype, waarbij de chipkop op een draaiende spindel wordt geïnstalleerd. Terwijl een enkele spaankop de spanen opneemt, kunnen de spaankoppen op andere stations handelingen uitvoeren zoals uitlijnen en monteren, wat de productiviteit sterk verbetert. Door de lange transmissieverbinding en complexe structuur is de montagenauwkeurigheid van deze structuur lager dan die van het type met beweegbare arm. Deze wordt voornamelijk gebruikt in SMT-montagebedrijven en geavanceerde verpakkings- en montagefabrikanten gebruiken nog steeds de beweegbare armstructuur als hoofdonderdeel. Het derde type is een samengestelde structuur die een groot aantal chips tegelijk kan overbrengen en zich kan concentreren op zuigen en plakken. Het combineert de voordelen van een type met beweegbare arm en een type met draaitafel, maar de structuur is relatief complex, heeft hoge ontwikkelingskosten en mist flexibiliteit. Het vierde type is dat grootschalige parallelle systemen een modulair ontwerp aannemen, en meerdere sets van chiptransfer- of montagecomponenten worden ingesteld volgens de specifieke knelpuntstations van de productielijn om te voldoen aan de behoefte aan batchverpakking van grootschalige productielijnen. 

Probeer, rekening houdend met de stabiliteit van de constructie en de invloed van de omgevingstemperatuur, bij het ontwerp van het structurele frame van de mounter materialen te kiezen met een betere specifieke stijfheid, dat wil zeggen de verhouding tussen de elasticiteitsmodulus en de dichtheid van het materiaal. Deze materialen hebben een goede stijfheid en een laag gewicht, zoals marmeren frames en gietijzeren frames. Hoognauwkeurige montageapparatuur voegt een passief of actief trillingsdempingssysteem toe aan de onderkant van het frame om de interferentie van funderingstrillingen te verminderen. Vanuit het perspectief van de analyse van de foutenmaatketen moet ook rekening worden gehouden met de thermische uitzettingscoëfficiënt van het materiaal. Hoe kleiner de coëfficiënt, hoe minder het meetsysteem wordt beïnvloed door de omgevingstemperatuur. Dankzij de volwassenheid van de moderne computersimulatietechnologie kan de invloed van omgevingsfactoren op het bovenstaande constructieontwerp worden geoptimaliseerd door middel van eindige-elementensimulatieanalyse in combinatie met actuele testgegevens, zoals statische simulatie, modale simulatie, dynamische simulatie, thermodynamische simulatie, enz. In termen van productiviteitsverbetering probeert het structurele ontwerp de relatie tussen materiaaltoevoer en doellocaties van de patch te minimaliseren, het pad te verkorten en de tijd voor materiaaloverdracht te verminderen, omdat ongeveer 70% van de cyclustijd van een enkele patch wordt gebruikt voor materiaalverwerking. In het structurele ontwerp is de spaankop een belangrijk onderdeel. Om zich aan te passen aan het plaatsingsproces van de chip, moet hij niet alleen voldoen aan de basisnegatieve drukadsorptie van de chip, maar ook aan de nivellering met meerdere vrijheden om te zorgen voor een strakke en uniforme passing van de chip en het substraat tijdens het plaatsingsproces van de chip. Sommige processen vereisen ook druk en verwarming om te voldoen aan het eutectische spaanplaatsingsproces. 

De derde sleuteltechnologie die we willen bespreken is precisiebewegingsregeling. Omdat er twee soorten bewegingssysteem zijn, zullen we ze elk afzonderlijk uitleggen. Het eerste bewegingssysteem is het sporttafelsysteem. Bij de toepassing van geavanceerde verpakkings- en plaatsingsmachines worden, om de verplaatsing en plaatsing van chips te coördineren, meerassige verplaatsingsplatforms in de apparatuur geplaatst. Deze bewegingsplatforms omvatten de bewegingen van de X-, Y-, Z- en Rz-assen van de chipdrager, evenals de multidimensionale beweging van de chipkop. In de afgelopen jaren is het transmissiemechanisme geleidelijk verbeterd van een kogelomloopspindelstructuur aangedreven door servo- en stappenmotoren naar een structuur met direct aangedreven motoren. Voor de lagertafel met zware belastingen wordt een luchtdrijfgeleiderail of een maglevgeleiderail gebruikt in plaats van de rollende geleiderail voor de transmissie, wat de mechanische transmissie vermindert. Slijtage, bewegingsfouten verminderen en tegelijkertijd de snelheid, versnelling van het bewegende platform verhogen, waardoor de productiviteit van het systeem verbetert. Terwijl het verhogen van de snelheid van de spaankop beweging, het hele systeem introduceert vaak impact. In het ontwerp van het mechanisme gebruiken sommige fabrikanten methoden zoals het verhogen van de stijfheid van het frame of het verhogen van gewichten en het aantrekken van de zwaartekracht om de reactiekracht van de beweging te bufferen en een dynamisch evenwicht van het systeem te bereiken. Het traditionele semi-gesloten-lus systeem, zoals de encoder feedback positienauwkeurigheid, wordt geleidelijk vervangen door full-closed-loop servo feedback tralie liniaal meetsysteem, waardoor de chip nauwkeurigheid van tientallen microns tot micron of zelfs sub-micron montagenauwkeurigheid.

Tijdens het aandrijfproces van de bewegingstafel wordt over het algemeen de X- en Y-as gestapelde aandrijfmethode gebruikt. Vanwege de zware belasting op de Y-as in de onderste laag kunnen de dubbele geleiderail en de dubbele balk aandrijftechnologie de bewegingssnelheid van de Y-as verhogen en het schudden links en rechts verminderen. Op dit moment vereisen de linker en rechter aandrijfassen een strikte synchronisatie en synchrone bewegingsbesturing. Het tweede bewegingssysteem is het besturingssysteem. Het besturingssysteem is onderverdeeld in besturingshardware en besturingssoftware. De hardwarearchitectuur is afhankelijk van de hoofdbesturingsmodule. Over het algemeen zijn er de volgende typen: single-chip microcomputersysteem, professioneel sport PLC-systeem en PC plus professionele sportbesturingskaart. Onder hen worden single-chip microcomputer en PLC voornamelijk gebruikt in apparatuur met eenvoudige bewegingsstructuren en vaste bewegingstrajecten, terwijl PC plus professionele sportkaarten complexe curvebewegingen en complexe bewegingsalgoritmen kunnen realiseren. Voor volautomatische complexe besturingssystemen kan een pc plus professionele sportkaart ook worden vervangen door een server plus professionele sportcontroller. De systeemsoftware is verdeeld in een hoofdbesturingsprogramma voor de bovencomputer, interactieve interface software voor de mens-computer en een ondercomputer voor meerassige bewegingsbesturing, beeldacquisitie en -analyse, I/O-besturing, acquisitie van analoge grootheden en kalibratiesoftware voor de systeemnauwkeurigheid. De nauwkeurigheid van de mounter wordt deels verbeterd door uitlijningscompensatie van het vision-systeem. De bovencomputer is meestal een industriële computer of server, die de interactie tussen mens en computer, beeldweergave, taakverdelingbeheer en communicatiefuncties afhandelt.

De onderste computer is meestal een onafhankelijke bewegingsbesturingsmodule, microprocessor, PLC enzovoort, die hoge realtime prestaties vereist en verschillende bewegingsassen, sensoren, beeldacquisitie, I/O-besturing en andere acties coördineert. Voor koppelingen met hoge eisen voor real-time acties worden over het algemeen harde trigger-methoden gebruikt om de uitvoeringstijd van code te verkorten en de productiviteit te verbeteren. 

Concluderend: naarmate IC-chips zich ontwikkelen in de richting van hoge dichtheid, hoge betrouwbaarheid en lage kosten in de industrie voor geïntegreerde schakelingen, worden er hogere eisen gesteld aan de belangrijkste apparatuur voor het verpakken en nemen de montagenauwkeurigheid en het montagerendement van jaar tot jaar toe. Met de voortdurende investeringen in de industrie van geïntegreerde schakelingen in de afgelopen jaren, zullen leveranciers van apparatuur ook te maken krijgen met nieuwe kansen en uitdagingen. Wij zijn van mening dat geavanceerde verpakkings- en chipapparatuur in de toekomst multifunctionele, modulaire, flexibele en intelligente eigenschappen moet hebben. Alleen door voortdurend te investeren in onderzoek en ontwikkeling van sleuteltechnologieën kunnen we uniek zijn in de concurrentiestrijd op de markt.