Рассказываем о ключевых технологиях размещения оборудования.

Современные тенденции развития и применения полупроводниковой промышленности включают в себя умные мобильные устройства, большие данные, искусственный интеллект, сети связи 5G, высокопроизводительные компьютеры, Интернет вещей, умные автомобили, Индустрию 4.0, облачные вычисления и т.д. Эти приложения привели к стремительному развитию электронных устройств. Чипы требуют более высокой скорости вычислений, меньших размеров и большей пропускной способности. Кроме того, они должны обладать низким энергопотреблением, низким тепловыделением и большой емкостью памяти. Это требует производства и упаковки микросхем, отвечающих требованиям высокой производительности. В эпоху, известную как "после закона Мура", упаковке микросхем уделяется все больше внимания, и машина для установки является важным оборудованием в процессе упаковки микросхем. Машины для монтажа можно разделить на машины для монтажа SMT и машины для монтажа современных упаковок в зависимости от типа применения. Последние в основном используются в процессе проводного соединения и в процессе флип-чипов, которые быстро развиваются в последние годы. Среди технологий соединения микросхем ИС традиционно используется трехуровневая упаковка: в основном упаковка на уровне микросхемы, упаковка на уровне подложки и мастер-упаковка. Этот метод упаковки постепенно вытесняется упаковкой на уровне системы SIP. Независимо от того, как развивается метод упаковки, один важный процесс неотделим от процесса упаковки микросхем, а именно процесс монтажа. Процесс монтажа прошел путь от поточного, поверхностного монтажа SMT до современных передовых процессов упаковки, таких как склеивание проводов и склеивание флип-чипов. Монтажник также сопровождается развитием технологий, подтверждая смену поколений технологий и оборудования. В настоящее время для того, чтобы добиться изысканного монтажа и соответствовать требованиям крупномасштабного и недорогого производства электронных изделий, для монтажников были предложены высокоточные и высокопроизводительные показатели. В этой статье мы хотим подробнее рассказать об оборудовании и технологии производства микросхем. 

Во-первых, пусть‘Мы обсудим машины для монтажа SMT, также называемые машинами для подбора и размещения. Монтажник - это ключевое оборудование в процессе производства полупроводников. Мы можем разделить его на две категории в зависимости от типа монтажа: Первая - SMT-монтажники: Он относится к ключевому оборудованию производственной линии процесса поверхностного монтажа. Он в основном используется для монтажа упакованных микросхем, электронных компонентов, таких как резисторы, конденсаторы и т.д. на плату печатной платы. Монтажный станок характеризуется высокой скоростью монтажа, которая может достигать 20000 CPH, а иногда может достигать и 150000 CPH. Точность монтажа не высока, обычно составляет от 20 до 40 мкм; второй - это передовой упаковочный и монтажный станок: Он в основном используется для монтажа голых микросхем или микроэлектронных компонентов. Он монтирует микросхемы на свинцовые рамки, радиаторы, подложки или непосредственно на печатные платы. Как правило, их можно разделить на проводные и флип-чипы. В настоящее время это основной способ упаковки полупроводников. Проволочное соединение сначала завершает упаковку чипов в стопку с помощью машины для размещения, а затем соединяет точки на передней стороне чипа с рамкой или подложкой с помощью машины для проволочного соединения. Этот процесс является относительно зрелым. Монтаж с переворачиванием микросхемы - это метод нанесения припоя на паяльную площадку на поверхности микросхемы и непосредственного припаивания ее к соответствующему шарику припоя на подложке после переворачивания. По сравнению с проводным соединением он позволяет достичь более высокой плотности упаковки, более короткого соединения линий, уменьшения помех, снижения емкостного сопротивления, а также более стабильных и надежных соединений. 

Еще один момент заключается в том, что передовое оборудование для упаковки и чипов в основном используется для микросборки логических устройств, памяти, MEMS, светодиодов, оптоэлектроники, RF, LD и других устройств. Процесс сборки включает в себя C2C, C2W и W2W и 2,5D/3D упаковки. Среди них 3D-упаковка высокой плотности является будущей тенденцией развития. С помощью технологии "через кремний" реализуется соединение чипов в стеке. Наиболее очевидной особенностью 3D-упаковки высокой плотности является то, что она позволяет уменьшить размер и качество продукта до 1/5~1/10 от исходного. В качестве основных технологий монтажа используются пайка оплавлением, склеивание горячим прессованием, эвтектическое склеивание, клеевой процесс, ультразвуковое склеивание, ультрафиолетовое отверждение, проводящий клеевой процесс и т.д.

Во-вторых, мы хотим остановиться на ключевой технологии SMT pick and place machines. Разработка современного оборудования для упаковки и монтажа включает в себя многопрофильный системный инжиниринг. Основными показателями работы оборудования являются точность монтажа и производительность монтажа. В настоящее время большинство монтажных машин обеспечивают либо высокоточный монтаж, либо высокопроизводительный монтаж. Выполнение обоих показателей является актуальной задачей. На основные показатели работы монтажного станка влияют следующие ключевые технологии, такие как точная система визуального выравнивания, рациональная структурная схема, точное управление движением и полное системное программное обеспечение. 

Первая ключевая технология, которую мы хотим обсудить, - это система визуальной юстировки. Система юстировки монтировщика прошла путь от ранней механической юстировки, лазерной юстировки до визуальной юстировки, и точность юстировки постепенно повышалась. Система визуальной юстировки обычно включает в себя источники освещения, объективы, камеры с фотоэлектрическим преобразованием, карты сбора и программное обеспечение для передачи и обработки данных. В настоящее время выравнивание положения чипа и целевого участка осуществляется в основном с помощью визуального выравнивания.

В ручном и полуавтоматическом патч-оборудовании выравнивание осуществляется непосредственно путем наложения изображений. Полностью автоматическое патч-оборудование в основном использует многомерное визуальное обнаружение изображений. Косвенное выравнивание, которое включает в себя как минимум две независимые системы визуализации. Камера собирает изображения, выделяет края изображения и определяет центральное положение изображения с помощью алгоритмов изображения. Как правило, камеры с верхним и нижним полем зрения располагаются таким образом, чтобы соответственно получать характерные точки на чипе или форме чипа, а также характерные точки, связанные с положением целевого участка, тем самым устанавливая координатные отношения между чипом и точками положения цели. В процессе определения координатных позиций методы выравнивания, используемые для положения целевого участка (подложки или пластины), делятся на глобальное выравнивание и локальное выравнивание в соответствии с различными точностями участков. Эффективность глобального выравнивания высока. Необходимым условием для позиционирования координат целевого бита в одном выравнивании является высокая точность площади поверхности подложки или пластины. Локальное выравнивание может адаптироваться к отклонению различных положений массива. Каждая позиция патча определяется и позиционируется индивидуально. Это подходит для высокоточных патчей, но из-за частого выравнивания выход продукции относительно низок. Большинство процессов распознавания изображений находятся в статичном состоянии. Динамическое распознавание, разработанное в последние годы, в основном направлено на повышение производительности и сокращение времени ожидания движения. Оно называется полетным зрением. Полетное зрение означает динамическую съемку. Система полетного зрения монтировщика должна завершить монтаж. Когда монтажная головка движется над камерой технического зрения с определенной скоростью, она собирает изображения компонентов, подлежащих монтажу, * при помощи всасывающего сопла, и в то же время для выполнения задачи вычисления технического зрения используется высокоскоростная технология обработки технического зрения.

Технология полетного зрения имеет огромное значение для повышения эффективности работы всей машины. Полетная съемка требует высокоскоростного получения изображения, а на точность позиционирования влияет время экспозиции камеры, время связи и т. д. Монтажники, использующие этот метод для получения снимков, в основном применяются в низкоточном оборудовании для поверхностного монтажа, например, с точностью монтажа от 20 до 50 мкм. Точность системы напрямую зависит от разрешения камеры и объектива, а также от алгоритма распознавания изображений. Повышение NA объектива может эффективно улучшить разрешение объектива, но при этом уменьшить поле зрения объектива, что требует сбалансированного выбора. Кроме того, для камер увеличение разрешения камеры также улучшает возможности распознавания изображений. Негативное влияние заключается в увеличении объема обработки данных одного изображения, увеличении времени получения и обработки изображения, а также в снижении доходности. Алгоритмы распознавания изображений сильно зависят от процесса. Использование различных алгоритмов для извлечения признаков края метки может повысить адаптивность системы технического зрения, тем самым уменьшая количество ошибок и повышая точность выравнивания. 

Вторая ключевая технология, которую мы хотим обсудить, - это структурная конструкция машин для подбора и установки SMT. В дополнение к точной системе визуального выравнивания монтажник должен обеспечить разумную структурную схему, точный механизм перемещения и параллельное движение для повышения производительности. В то же время он должен обеспечивать стабильность системы и малые погрешности от вмешательства окружающей среды. Рассматривая процесс эволюции монтировщика, можно условно разделить его на четыре типа в соответствии с методами работы монтировщика: тип стрелы, тип поворотного стола, композитный тип и большая параллельная система.

Первый - это тип подвижного рычага. Этот тип структурного монтажного устройства обладает высокой гибкостью и высокой точностью монтажа. Как правило, он располагается на мраморном или литом портале и оснащен монтажными рычагами, которые двигаются вперед-назад. Это основная конструкция большинства монтажных станков. Однако по сравнению с некоторыми другими конструкциями выход заплат относительно низок, и наши клиенты из Nectec обычно используют два манипулятора для повышения выхода. Второй - поворотный тип, при котором головка чипа устанавливается на вращающийся шпиндель. В то время как одна головка поглощает стружку, головки на других станциях могут выполнять такие действия, как выравнивание и монтаж, что значительно повышает производительность. Из-за длинного передаточного звена и сложной конструкции точность монтажа, обеспечиваемая этой конструкцией, ниже, чем у конструкции с подвижным рычагом. В основном она используется в установках SMT, а в передовых установках для упаковки и монтажа в качестве основной части по-прежнему используется конструкция типа подвижного рычага. Третий тип - это составная структура, которая может передавать большое количество чипов за один раз и концентрироваться на всасывании и склеивании. Она сочетает в себе преимущества подвижного рычага и поворотного стола, но ее структура относительно сложна, требует больших затрат на разработку и не обладает гибкостью. Четвертый тип - крупномасштабные параллельные системы используют модульную конструкцию, и несколько комплектов компонентов для переноса или монтажа чипов устанавливаются в соответствии с конкретными узкими местами производственной линии, чтобы удовлетворить потребности крупных производственных линий в упаковке партий. 

Учитывая устойчивость конструкции и влияние температуры окружающей среды, при проектировании конструктивного каркаса монтировки старайтесь выбирать материалы с лучшей удельной жесткостью, то есть отношением модуля упругости к плотности материала. Такие материалы обладают хорошей жесткостью и малым весом, например мраморные и чугунные рамы. В высокоточном монтажном оборудовании к нижней части рамы добавляется пассивная или активная система гашения вибраций, чтобы уменьшить влияние вибрации фундамента. С точки зрения анализа цепочки погрешностей необходимо также учитывать коэффициент теплового расширения материала. Чем меньше этот коэффициент, тем меньше на измерительную систему будет влиять температура окружающей среды. Благодаря развитию современных технологий компьютерного моделирования, влияние факторов окружающей среды на вышеуказанную конструкцию может быть оптимизировано с помощью анализа моделирования методом конечных элементов в сочетании с фактическими данными испытаний, таких как статическое моделирование, модальное моделирование, динамическое моделирование, термодинамическое моделирование и т.д. С точки зрения повышения производительности, структурная конструкция пытается минимизировать связь между подачей материала и целевым расположением патчей, сократить путь и уменьшить время передачи материала, поскольку около 70% времени цикла одного патча используется для перемещения материала. В структурном проектировании головка микросхемы является ключевым компонентом. Для того чтобы адаптироваться к процессу размещения чипа, помимо обеспечения базового отрицательного давления адсорбции чипа, она также должна соответствовать многомерному выравниванию для обеспечения плотного и равномерного прилегания чипа к подложке во время процесса размещения чипа. Некоторые процессы также требуют давления и нагрева для обеспечения эвтектического процесса укладки чипа. 

Третья ключевая технология, которую мы хотим обсудить, - это прецизионное управление движением. Поскольку существует два типа систем управления движением, мы расскажем о каждом из них по очереди. Первая система движения - это система спортивных столов. При использовании современных упаковочных и укладочных машин для координации процесса переноса и укладки чипов внутри оборудования устанавливаются многоосевые платформы перемещений. Эти платформы перемещения включают в себя движения по осям X, Y, Z и Rz носителя чипов, а также многомерные движения головки чипа. В последние годы механизм передачи постепенно совершенствовался: от шарико-винтовой передачи, приводимой в движение сервоприводами и шаговыми двигателями, до передачи с прямым приводом. Для подшипникового стола с большими нагрузками вместо направляющей качения используется направляющая с воздушным поплавком или направляющая на маглев, что уменьшает механическую передачу. Износ, уменьшение ошибок движения, и в то же время увеличение скорости, ускорение движущейся платформы, тем самым улучшая производительность системы. При увеличении скорости перемещения головки стружки вся система часто вносит ударные нагрузки. При проектировании механизма некоторые производители используют такие методы, как увеличение жесткости рамы или увеличение веса и привлечение силы тяжести для буферизации силы реакции при движении и достижения динамического равновесия системы. Традиционная полузамкнутая система, такая как энкодер с обратной связью по точности положения, постепенно заменяется на полнозамкнутую систему измерения линейки решетки с сервоприводом обратной связи, что непосредственно приводит к точности чипа от десятков микрон до микрона или даже субмикронной точности монтажа.

В процессе перемещения стола обычно используется метод сложения осей X и Y. В связи с большой нагрузкой на ось Y в нижнем слое, технология двойных направляющих и двойных балок может увеличить скорость движения оси Y и уменьшить левое и правое дрожание. В это время левый и правый приводные валы нуждаются в строгой синхронизации и требуют синхронного управления движением. Второй системой движения является система управления. Система управления делится на аппаратное и программное обеспечение. Архитектура аппаратного обеспечения зависит от основного модуля управления. Как правило, существуют следующие типы: однокристальная микрокомпьютерная система, профессиональная спортивная система PLC и ПК плюс профессиональная спортивная плата управления. Среди них однокристальные микрокомпьютеры и ПЛК в основном используются в оборудовании с простыми структурами движения и фиксированными траекториями движения, в то время как ПК плюс профессиональные спортивные карты могут реализовать сложные кривые движения и сложные алгоритмы движения. Для полностью автоматических комплексных систем управления ПК плюс профессиональная спортивная плата также могут быть заменены сервером плюс профессиональным спортивным контроллером. Программное обеспечение системы делится на программу управления верхнего компьютера, программу интерактивного интерфейса "человек-компьютер" и программное обеспечение нижнего компьютера для управления многоосевыми движениями, получения и анализа изображений, управления вводом/выводом, сбора аналоговых данных и калибровки точности системы. Частично точность монтировки повышается за счет компенсации выравнивания системы технического зрения. Верхний компьютер обычно представляет собой промышленный компьютер или сервер, который выполняет функции взаимодействия человека и компьютера, отображения изображений, управления распределением задач и связи.

Нижний компьютер обычно представляет собой независимый модуль управления движением, микропроцессор, ПЛК и т. д., который требует высокой производительности в реальном времени и координирует различные оси движения, датчики, получение изображений, управление вводом/выводом и другие действия. Для звеньев с высокими требованиями к действиям в реальном времени обычно используются методы жесткого триггера, позволяющие сократить время выполнения кода и повысить производительность. 

В заключение следует отметить, что по мере развития индустрии интегральных микросхем в направлении высокой плотности, высокой надежности и низкой стоимости к ключевому оборудованию для монтажа в области упаковки предъявляются все более высокие требования, а точность монтажа и производительность монтажа растут год от года. Благодаря постоянным инвестициям в индустрию интегральных схем в последние годы, поставщики оборудования также столкнутся с новыми возможностями и проблемами. Мы считаем, что в будущем передовое оборудование для упаковки и производства микросхем должно обладать многофункциональными, модульными, гибкими и интеллектуальными характеристиками. Только постоянно инвестируя в исследования и разработку ключевых технологий, мы сможем стать уникальными в рыночной конкуренции.