Hovoríme o kľúčových technológiách umiestňovania zariadení.

Súčasné trendy vývoja a aplikácií v polovodičovom priemysle zahŕňajú inteligentné mobilné zariadenia, veľké objemy dát, umelú inteligenciu, komunikačné siete 5G, výkonné počítače, internet vecí, inteligentné autá, priemysel 4.0, cloud computing atď. Tieto aplikácie podnietili rýchly rozvoj elektronických zariadení. Čipy si vyžadujú vyššie výpočtové rýchlosti, menšie rozmery a väčšiu šírku pásma. Vyžadujú tiež nízku spotrebu energie, nízku produkciu tepla a veľkú pamäťovú kapacitu. To si vyžaduje výrobu a balenie čipov tak, aby spĺňali požiadavky na vysoký výkon. V období známom ako obdobie po Moorovom zákone sa baleniu čipov venuje čoraz väčšia pozornosť a umiestňovací stroj je dôležitým zariadením v procese balenia čipov. Osadzovacie stroje možno rozdeliť na osadzovacie stroje SMT a pokročilé baliace osadzovacie stroje podľa typov použitia. Tieto stroje sa používajú najmä v procese lepenia drôtov a v procese flipových čipov, ktoré sa v posledných rokoch rýchlo rozvíjajú. Spomedzi prepojovacích technológií pre čipy integrovaných obvodov je tradičné trojúrovňové balenie: hlavne balenie na úrovni čipu, balenie na úrovni substrátu a hlavné balenie. Táto metóda balenia bola postupne nahradená balením na úrovni systému SIP. Bez ohľadu na to, ako sa vyvíja metóda balenia, od procesu balenia čipov je neoddeliteľný dôležitý proces, a to proces montáže. Proces montáže prešiel od in-line, povrchovej montáže SMT až po dnešné pokročilé procesy balenia, ako je lepenie drôtov a lepenie flip čipov. Montážny proces sprevádza aj vývoj technológií, čo potvrdzuje generačné zmeny technológií a zariadení. V súčasnosti sa v záujme dosiahnutia zdokonalenej montáže a splnenia veľkorozmerných a nízkonákladových výrobných charakteristík elektronických výrobkov navrhli pre montážne zariadenia ukazovatele výkonnosti s vysokou presnosťou a vysokou výťažnosťou. V tomto článku sa chceme bližšie zaoberať vybavením a technológiou montáže čipov. 

Po prvé, nech‘diskutujeme o montážnych strojoch SMT, nazývaných aj pick and place stroje. Montážny stroj je kľúčovým zariadením v procese výroby polovodičov. Môžeme ho rozdeliť do dvoch kategórií podľa typu montáže: Prvou je montážny stroj SMT: Patrí ku kľúčovým zariadeniam výrobnej linky procesu povrchovej montáže. Používa sa najmä na montáž balených čipov, elektronických súčiastok, ako sú rezistory, kondenzátory atď. na dosku plošných spojov. Montážny stroj sa vyznačuje vysokou rýchlosťou montáže, ktorá môže dosiahnuť 20000 CPH a niekedy dokonca až 150000 CPH. Presnosť montáže nie je vysoká, spravidla sa pohybuje medzi 20 a 40 μm; druhým typom je moderný baliaci a montážny stroj: Používa sa najmä na montáž holých čipov alebo mikroelektronických súčiastok. Montuje čipy na vývodové rámy, chladiče, substráty alebo priamo na dosky plošných spojov. Vo všeobecnosti ho možno rozdeliť na lepenie drôtov a flipové čipy. V súčasnosti je hlavným prúdom balenia polovodičov. connection technology. Pri drôtovom lepení sa najprv skompletizuje stohované balenie čipov prostredníctvom umiestňovacieho stroja a potom sa body podložky na prednej strane čipu spoja s podložkami rámu alebo substrátu prostredníctvom stroja na drôtové lepenie. Súčasný proces je relatívne vyspelý. Pri montáži flip-chipu ide o metódu umiestnenia spájky na spájkovaciu podložku na povrchu čipu a jej priameho pripájania k zodpovedajúcej spájkovacej guľôčke na substráte po preklopení. V porovnaní s lepením drôtom možno dosiahnuť vyššiu hustotu obalu, kratšie prepojenie liniek, zníženie rušenia, zníženie kapacitnej impedancie a stabilnejšie a spoľahlivejšie spoje. 

Ďalším bodom je, že moderné baliace a čipové zariadenia sa používajú najmä pri mikromontáži logických zariadení, pamätí, MEMS, LED, optoelektronických, RF, LD a iných zariadení. Proces montáže zahŕňa balíky C2C, C2W a W2W a 2,5D/3D. Medzi nimi je budúcim vývojovým trendom 3D balenie s vysokou hustotou. Prostredníctvom technológie "through-silicon" sa realizuje prepojenie stohovaných čipov. Najzjavnejšou vlastnosťou 3D balenia s vysokou hustotou je, že dokáže zmenšiť veľkosť a kvalitu výrobku na 1/5 ~ 1/10 pôvodnej veľkosti. Medzi hlavné používané montážne technológie patrí spájkovanie pretavením, spájkovanie lisovaním za tepla, eutektické spájkovanie, proces lepenia, ultrazvukové spájkovanie, ultrafialové vytvrdzovanie, proces vodivého lepidla atď.

Po druhé, chceme sa zamerať na kľúčovú technológiu strojov SMT pick and place. Vývoj moderných baliacich a montážnych strojov zahŕňa multidisciplinárne systémové inžinierstvo. Hlavnými ukazovateľmi výkonnosti zariadenia sú presnosť montáže a výťažnosť montáže. V súčasnosti väčšina montážnych strojov spĺňa buď vysokú presnosť montáže, alebo vysokú výťažnosť montáže. Splnenie oboch ukazovateľov je v súčasnosti výzvou. Hlavné ukazovatele výkonnosti montážneho stroja ovplyvňujú tieto kľúčové technológie, ako je presný systém vizuálneho vyrovnávania, rozumné konštrukčné usporiadanie, presné riadenie pohybu a kompletný systémový softvér. 

Prvou kľúčovou technológiou, o ktorej chceme hovoriť, je vizuálny kontrapunktický systém. Systém zarovnávania montážneho stroja prešiel procesom od prvého mechanického zarovnávania, laserového zarovnávania až po vizuálne zarovnávanie a presnosť zarovnávania sa postupne zlepšovala. Systém vizuálneho vyrovnávania vo všeobecnosti zahŕňa svetelné zdroje, zobrazovacie objektívy, kamery s fotoelektrickou konverziou, akvizičné karty a spracovateľský softvér na prenos a spracovanie údajov. V súčasnosti sa zarovnanie polohy čipu a cieľovej škvrny vykonáva najmä prostredníctvom vizuálneho zarovnania.

V manuálnych a poloautomatických zariadeniach na opravu sa zarovnanie vykonáva priamo prostredníctvom prekrývania obrazov. Plne automatické zariadenia na záplaty využívajú najmä viacrozmernú vizuálnu detekciu obrazu. Nepriame zarovnanie, ktoré zahŕňa najmenej dva nezávislé zobrazovacie systémy. Kamera zhromažďuje obrazy, extrahuje hrany obrazu a identifikuje polohu stredu obrazu prostredníctvom obrazových algoritmov. Vo všeobecnosti sú kamery s horným a dolným zorným poľom usporiadané tak, aby sa získali charakteristické body na čipe alebo tvare čipu, resp. charakteristické body súvisiace s polohou cieľovej záplaty, čím sa stanoví súradnicový vzťah medzi čipom a bodmi cieľovej polohy. V procese stanovenia súradnicových polôh sa metódy zarovnania používané pre polohu cieľovej škvrny (substrátu alebo doštičky) delia na globálne zarovnanie a lokálne zarovnanie podľa rôznych presností škvŕn. Účinnosť globálneho zarovnania je vysoká. Predpokladom umiestnenia súradníc cieľového bitu v rámci jedného zarovnania je, že presnosť povrchu substrátu alebo doštičky je vysoká. Lokálne zarovnanie sa môže prispôsobiť odchýlkam rôznych polôh matrice. Každá poloha políčka sa identifikuje a polohuje individuálne. Je vhodné pre vysoko presné políčka, ale kvôli častému zarovnávaniu je výťažnosť relatívne nízka. Väčšina procesov rozpoznávania obrazu je v statickom stave. Dynamické rozpoznávanie vyvinuté v posledných rokoch je zamerané najmä na zvýšenie produktivity a skrátenie času čakania na pohyb. Nazýva sa letové videnie. Letové videnie znamená dynamickú fotografiu. Systém letového videnia montážneho zariadenia musí dokončiť montáž. Keď sa montážna hlava pohybuje nad kamerou s videním určitou rýchlosťou, zhromažďuje snímky komponentov, ktoré sa majú namontovať * nasávacou tryskou, a zároveň sa na dokončenie úlohy výpočtu videnia používa technológia vysokorýchlostného spracovania videnia.

Technológia letového videnia má veľký význam pre zlepšenie efektivity práce celého stroja. Lietajúca fotografia si vyžaduje vysokorýchlostné získavanie obrazu a presnosť určenia polohy je ovplyvnená časom expozície kamery, časom komunikácie atď. Montážne zariadenie využívajúce túto metódu na snímanie sa používa najmä v zariadeniach na povrchovú montáž s nízkou presnosťou, napríklad s presnosťou montáže od 20 do 50 μm. Presnosť systému priamo súvisí s rozlíšením kamery a objektívu, ako aj s algoritmom rozpoznávania obrazu. Zlepšenie NA objektívu môže účinne zlepšiť rozlíšenie objektívu a zároveň zmenšiť zorné pole objektívu, čo si vyžaduje vyvážený výber. Aj v prípade kamier platí, že zvýšenie rozlíšenia kamery zlepšuje aj možnosti rozpoznávania obrazu. Negatívnym vplyvom je zvýšenie objemu spracovania údajov jedného obrazu, predĺženie času získavania a spracovania obrazu a spôsobenie vplyvu na výnos. Algoritmy rozpoznávania obrazu sú výrazne ovplyvnené týmto procesom. Používanie rôznych algoritmov na extrakciu znakov hrán značiek môže zvýšiť prispôsobivosť systému videnia, a tým generovať nižšie chyby a zlepšiť presnosť zarovnania. 

Druhou kľúčovou technológiou, o ktorej chceme diskutovať, je konštrukčný návrh strojov SMT pick and place. Okrem presného systému vizuálneho zarovnania musí montážny stroj zabezpečiť aj rozumné konštrukčné usporiadanie, presný pohybový mechanizmus a návrh paralelného pohybu na zvýšenie produktivity. Zároveň musí zabezpečiť stabilitu systému a malé chyby rušivých vplyvov prostredia. Pri pohľade na vývojový proces montážneho stroja ho možno zhruba rozdeliť na štyri typy podľa pracovných metód montážneho stroja: typ výložníka, typ otočného stola, zložený typ a veľký paralelný systém.

Prvým je typ pohyblivého ramena. Tento typ konštrukčného montážneho zariadenia má vysokú flexibilitu a vysokú presnosť montáže. Zvyčajne je umiestnený na mramorovom alebo liatom portáli a je vybavený montážnymi ramenami, ktoré sa pohybujú tam a späť. Je to hlavná konštrukcia väčšiny montážnych zariadení. V porovnaní s niekoľkými inými konštrukciami je však výťažnosť náplasti pomerne nízka a naši zákazníci spoločnosti Nectec zvyčajne používajú dve ramená na zlepšenie výťažnosti. Druhým je otočný typ, ktorý inštaluje hlavu s čipom na rotujúce vreteno. Zatiaľ čo jedna triesková hlava absorbuje triesky, trieskové hlavy na ostatných staniciach môžu vykonávať činnosti, ako je zarovnávanie a montáž, čo výrazne zvyšuje produktivitu. Z dôvodu dlhého prevodového článku a zložitej konštrukcie je presnosť montáže, ktorú táto konštrukcia prináša, nižšia ako pri type s pohyblivým ramenom. Používa sa najmä v montážnych zariadeniach SMT a pokročilé baliace a montážne zariadenia stále používajú ako hlavnú časť konštrukciu typu pohyblivého ramena. Tretím typom je zložená štruktúra, ktorá dokáže prenášať veľký počet čipov naraz a sústrediť sa na nasávanie a lepenie. Spája výhody typu pohyblivého ramena a typu otočného stola, ale konštrukcia je pomerne zložitá, má vysoké náklady na vývoj a chýba jej flexibilita. Štvrtý typ spočíva v tom, že veľkokapacitné paralelné systémy využívajú modulárnu konštrukciu a viaceré sady komponentov na prenos alebo montáž čipov sú nastavené podľa konkrétnych úzkych miest výrobnej linky, aby spĺňali potreby dávkového balenia veľkokapacitných výrobných liniek. 

Vzhľadom na stabilitu konštrukcie a vplyv okolitej teploty sa pri návrhu konštrukčného rámu montážnej jednotky snažte vybrať materiály s lepšou špecifickou tuhosťou, t. j. pomerom modulu pružnosti a hustoty materiálu. Tieto materiály majú dobrú tuhosť a nízku hmotnosť, napríklad mramorové rámy a liatinové rámy. Vysoko presné montážne zariadenia pridávajú na spodnú časť rámu pasívny alebo aktívny systém tlmenia vibrácií, aby sa znížilo rušenie vibrácií základov. Z hľadiska analýzy reťazca veľkosti chyby sa musí zohľadniť aj koeficient tepelnej rozťažnosti materiálu. Čím je koeficient menší, tým menej bude merací systém ovplyvnený teplotou okolia. Vďaka vyspelosti modernej počítačovej simulačnej technológie možno vplyv faktorov prostredia na uvedený konštrukčný návrh optimalizovať prostredníctvom simulačnej analýzy konečných prvkov v kombinácii so skutočnými údajmi zo skúšok, ako je statická simulácia, modálna simulácia, dynamická simulácia, termodynamická simulácia atď. Z hľadiska zlepšenia produktivity sa konštrukčný návrh snaží minimalizovať vzťah medzi miestami dodávky materiálu a cieľovými záplatami, skrátiť cestu a skrátiť čas prenosu materiálu, pretože približne 70% času cyklu jednej záplaty sa využíva na manipuláciu s materiálom. Pri konštrukčnom návrhu je kľúčovou zložkou konštrukčného návrhu hlava čipu. Aby sa prispôsobila procesu umiestňovania čipov, musí okrem splnenia základnej adsorpcie čipu pod negatívnym tlakom spĺňať aj vyrovnávanie s viacerými voľnosťami, aby sa zabezpečilo tesné a rovnomerné uloženie čipu a podkladu počas procesu umiestňovania čipu. Niektoré procesy si vyžadujú aj tlak a ohrev, aby sa splnil proces umiestnenia eutektického čipu. 

Treťou kľúčovou technológiou, o ktorej chceme hovoriť, je presné riadenie pohybu. Keďže existujú dva typy pohybového systému, vysvetlíme si každý z nich naraz. Prvým pohybovým systémom je systém športových stolov. Pri aplikácii moderných baliacich a umiestňovacích strojov sa na účely koordinácie prenosu a umiestňovania čipov vo vnútri zariadenia rozmiestňujú viacosové posunovacie plošiny. Tieto pohybové platformy zahŕňajú pohyby osí X, Y, Z a Rz nosiča čipov, ako aj viacrozmerný pohyb hlavy čipu. V posledných rokoch sa prevodový mechanizmus postupne zdokonaľoval z konštrukcie guľôčkovej skrutky poháňanej servomotormi a krokovými motormi na konštrukciu motora s priamym pohonom. Pri ložiskovom stole s veľkým zaťažením sa namiesto prenosovej valivej vodiacej koľajnice používa vzduchová plávajúca vodiaca koľajnica alebo maglevová vodiaca koľajnica, čím sa znižuje mechanický prenos. opotrebenie, znižuje chyby pohybu a zároveň zvyšuje rýchlosť, zrýchlenie pohyblivej plošiny, čím sa zvyšuje produktivita systému. Pri zvyšovaní rýchlosti pohybu hlavy triesky celý systém často zavádza náraz. Pri konštrukcii mechanizmu niektorí výrobcovia používajú metódy, ako je zvýšenie tuhosti rámu alebo zvýšenie závaží a priťahovanie gravitácie, aby sa vyrovnala reakčná sila pohybu a dosiahla dynamická rovnováha systému. Tradičný systém s polouzatvorenou slučkou, ako je presnosť polohy spätnej väzby snímača, sa postupne nahrádza systémom merania mriežkového pravítka s úplnou uzavretou slučkou servopohonu, čo priamo prináša presnosť čipu z desiatok mikrónov na mikrónovú alebo dokonca submikrónovú presnosť montáže.

Pri riadení pohybového stola sa spravidla používa metóda riadenia v osiach X a Y. Vzhľadom na veľké zaťaženie osi Y v spodnej vrstve môže technológia dvojitej vodiacej lišty a dvojitého nosníka pohonu zvýšiť rýchlosť pohybu osi Y a znížiť chvenie vľavo a vpravo. V tomto čase si ľavý a pravý hnací hriadeľ vyžadujú prísnu synchronizáciu a vyžadujú synchrónne riadenie pohybu. Potom je druhým systémom pohybu riadiaci systém. Riadiaci systém sa delí na riadiaci hardvér a riadiaci softvér. Hardvérová architektúra závisí od hlavného riadiaceho modulu. Vo všeobecnosti existujú tieto typy: jednočipový mikropočítačový systém, profesionálny športový PLC systém a PC plus profesionálna športová riadiaca karta. Spomedzi nich sa jednočipový mikropočítač a PLC používajú najmä v zariadeniach s jednoduchými pohybovými štruktúrami a pevnými trajektóriami pohybu, zatiaľ čo PC plus profesionálne športové karty môžu realizovať zložité krivkové pohyby a komplexné pohybové algoritmy. V prípade plne automatických komplexných riadiacich systémov možno PC plus profesionálnu športovú kartu nahradiť aj serverom plus profesionálnym športovým riadiacim systémom. Softvér systému sa delí na hlavný riadiaci program horného počítača, softvér interaktívneho rozhrania človek-počítač a softvér dolného počítača na viacosové riadenie pohybu, získavanie a analýzu obrazu, riadenie vstupov a výstupov, získavanie analógových veličín a softvér na kalibráciu presnosti systému. Časť zlepšenia presnosti montážneho zariadenia sa zlepšuje prostredníctvom kompenzácie zarovnania systému videnia. Horný počítač je zvyčajne priemyselný počítač alebo server, ktorý dokončuje interakciu medzi človekom a počítačom, zobrazovanie obrazu, riadenie rozdelenia úloh a komunikačné funkcie.

Spodný počítač je zvyčajne nezávislý modul riadenia pohybu, mikroprocesor, PLC atď., ktorý vyžaduje vysoký výkon v reálnom čase a koordinuje rôzne osi pohybu, snímače, zber obrazu, riadenie vstupov a výstupov a ďalšie činnosti. Pri spojeniach s vysokými požiadavkami na činnosti v reálnom čase sa zvyčajne používajú metódy tvrdého spúšťania, aby sa skrátil čas vykonávania kódu a zvýšila produktivita. 

Záverom možno konštatovať, že s vývojom čipov IC smerom k vysokej hustote, vysokej spoľahlivosti a nízkym nákladom v priemysle integrovaných obvodov sa na kľúčové montážne zariadenia v oblasti balenia kladú vyššie požiadavky a presnosť montáže a výťažnosť montáže sa z roka na rok zvyšuje. S neustálymi investíciami do priemyslu integrovaných obvodov v posledných rokoch budú dodávatelia zariadení čeliť aj novým príležitostiam a výzvam. Domnievame sa, že v budúcnosti musia mať moderné baliace a čipové zariadenia multifunkčné, modulárne, flexibilné a inteligentné vlastnosti. Jedine neustálymi investíciami do výskumu a vývoja kľúčových technológií môžeme byť v konkurencii na trhu jedineční.