（机械电子工程专业论文）用于集成电路球栅阵列（bga）封装的全自动植球机的研制开发.pdf

用于集成电路球栅阵列( b g a ) 封装的全自动 植球机的研制开发 摘要 随着电子产品的功能日趋精致，i c 封装的接脚数越来越多，i c 尺寸越来越小， 利用传统表面封装技术渐渐无法满足这些要求，球栅阵列封装( b g a ) 成为新的i c 封装技术主流，出现了满足各类功能需要的b g a 封装芯片。封装技术的发展给半 导体封装设备带来了新的挑战，在b g a 芯片需求不断增长的情况下，市场追切需 要开发一种新的满足b g a 封装要求的自动化封装设备。 目前，我国研究b g a 封装设备才刚刚起步，基于计算机剥霄控制的b g a 封装 植球设备的研究尚未见报道。本文研究了一种低成本、高效率的b g a 全自动植球 机。论文的主要内容包括： 1 全面详细论述了半导体b g a 封装技术和发展概况，提出了b g a 全自动植球 机的研制要求。 2 设计了s t a r 一0 4 zb g a 全自动植球机的总体方案，研究了真空吸引法植球 技术的原理和b g a 全自动植球机的系统组成，进行了产品样机的结构设计，同时 论述了影响植球质量的关键问题。论述了参数化设计思想在b g a 植球机c a d 设计 过程中的运用。 3 提出了一种由通用硬件和软件组成的基于b g a 全自动植球机图像检测 和精确定位系统的体系结构模型。 分析和讨论结果表明，所设计s t a r 0 4 zb g a 全自动植球机的总体方案和产 品样机能够满足市场的功能需求。为国内今后开展集成电路b g a 封装技术和设备 的研究打下了良好的基础。 关键字：球栅阵列：全自动植球机；集成电路；半导体封装：自动对准 图像检测 r o b o t i c sb a ua t t a c h m e n tw o r k c e uf o rb a ug r i d a r r a y s e m i c o n d u c t o rp a c i a g e s a b s t r a c t a l o n gw i t h 恤g r o w 吨如n c t i o n so fe l e c t r o n i cp r o d u c t ，也ep i nn 啪b e r si fi c p a c k a g i n g i sg r 0 谢n gf a s tw h i l et l 】es i z er e d u c e do b v i o u s l y t h e 圩a d i t i o n a l p k a g i n gm e t h o dc a n tf i ut h en e e do f n e wr e q 山r e m e n t s ，s ob a l lg r i da r r a y ( b g a ) b e c o m e sm e1 e a d i n gm e t h o do fi cp a c k a g i n g n e wp a c k a 画n gt e c h n 0 1 0 9 y n g s f 0 1 w a r dn e wc h a l l e n g ef 叫s e m i c o n d l l c t o rp a c k 赡i n gd e v i c e t h ed e m a n d so fb g a c h i p sg r o w sq u i c k l y ，s ot 胁血em a r k e th a sab a dn e e do fn e wa u t o m a t i cb g a p a c k a g i n g d e v i c e f o rt h em o m e m ，m es t u d yo fb g ap a c k 晤n gd e v i c ei sj u s tb e g i n 1 k sm a c h i n c w i un 1 1u pt h eb l a n l 【i l e s sa n di t st e c l l n o l o g yp e r f b n n a l l c er e a c h e sa l la d v a n c e dl e v e l i nt l l eb g aa m o m a t i cp a c k a g i n gf i e l di i ld o m e s t i c t h i sp 印e rs i u d i e sal o wc o s t ，b u t 1 1 i 曲e f f i c i e n cy ，a u t o m a t e db a l la t f a c h m e mw o r k c e l l tt h ef o l l o w i n g sh a v eb e e n a c l i e c e di nt 1 1 i sp a p e r ： a ) a n a i y z e st h es u r v e yo fs e m i c o n d u c t o rp a c k a g et e c h i l o i o g yo v e r s e a sa n d d o m e s t i c ，a i l dp u tf o n v a r dt h en e e do fd e v e l o p m e mo fe q u i p m e n tp l a t f o m o fb a l l a t t a c h m e n tw j r k c e uf o rb a l lg f i da a ys e m i c o n d u c t o rp a c k a g e s b )d e s i g n saw h o l es c h e m eo fs t a r 0 4 za l l f o m a t c d b a l l 讹c h i n e mw o r k c e l l s t l l d yt h et h e o r yo fv a c u 哪s u c k i n gm e t 1 0 df o r b a l la t t a c e n tt e c l l n o l o g ya i l dt h e s y s t e mc o m p o s e m e mo ft 1 1 eb g a a u t o m a t e db a l la 址a c h m e n tw o r k c e l l f a r t h e rm o r e ， f i n i s ht h es t n l c t u r ed e s i g no ft h em o d e lm a c h i n e a tt l l es 锄ed r n e ，t i l i sp 印e rr e l a c e s t 置1 ec m c i a lp m b l e m sw 量1 i c ha 疏c tt h eq u a i 时o fb a j la t c a c l l l e ma n dd i s “s s e sm e a p p l i c a t i o n o f p a r a | n e t e rd e s i 阱m e o r yi n t h ed e s i 乒p r o c e s so f b g a b a l la t t a c h n l c n t c ) p u tf o 枷sa 曲仙c n l r en l o d e lf b ri m a g ei n s p e c t i o n 缸da c c l l r a 把o r i e m a i i o n o ft l l eb g aa u 【t o m a t e db a l la t t a c 胁e mw o f k c e u ，w h i c hc o m 】p o s e so fc u r r e n c y h a r i h a r e & s o f l w a r e a n a l y s i sa i l dd i s c u s s i o ni n d i c a t e st l l a tt l l ew h 0 1 es c h e m ea n dt h em o d e lm a c 圭l i l l e 、v ed e s i g i l e da r ea _ b l et om e e tt h en e e do ft h em a r k e t o l l rm l d ym a k e sa ni m p o r t 姐t b e g i 瑚注n gf o rb g ap a c k a g i t l gt e c h n o l o g y 锄ge q t i i p m 锄t si i lc l l i n a k e yw o r d s ：b a l lg r i d 艋a y ( b g a ) ；a u l o m a t i cb a l la t t a c 胁e n tw o r k c e l l ；i c s e i n i c o n d u c t o rp a c k a g i n g ；叫t o m a t i ca l i g r l i i l e n t ；i m a g ed e t c c t i o n 插图清单 图卜l 全自动b g a 植球生产线7 图2 1q f p 封装( 左) 和b g a 封装( 右) 1 l 图2 2 两层p b g a 断面图。1 2 图z 一3 典型丝网印刷1 2 图2 4 直接真空法锡球贴放1 4 图2 5 间接真空法锡球贴放1 4 图2 6b g a 植球模具一一铜板框1 6 图2 7b g a 植球模具一一模具座1 6 图2 8 焊膏铜板1 6 图2 9 植球铜板1 6 图2 一l o 植球基座1 7 图2 一1 1 激光植球法原理图1 7 图3 1 封装前的b g a 芯片1 9 图3 2 封装后的b g a 芯片。1 9 图3 3 真空吸引法植球原理，1 9 图3 4b g a 全自动植球机植球工艺2 0 图3 5 植球机原理示意图2 1 图3 6b g a 全自动植球机的系统结构图2 1 图3 7s t a r 0 4 zb g a 全自动植球机系统硬件结构简图2 3 图3 8 程序组成，2 4 图3 9 数据流模型2 4 图3 一l o 硬件接口函数编制流程图2 5 图3 一1 1 通过图像系统可以检测到的植球缺陷2 6 国4 1s t a r 一0 4 z 全自动植球机整机模型2 9 图4 2 锡球供给机构工作原理图2 9 图p 3 锡球供给机构模型3 1 图 4 锡球供给机构剖面图。3 1 图4 5 供球装置上的静电荷影响3 2 图4 6 真空法锡球抬放原理图3 3 图4 7 真空吸头模型3 3 图4 8 真空吸头模型剖面3 4 图4 9f e s t 0a d v c 一4 2 型气缸外3 3 图4 1 04 5 6 型锡球精密模板三维模型 图4 1 14 5 6 型真空吸头锡球模板 图4 1 24 5 6 型锡球供给机构锡球模板 图4 1 3z 轴模型 图4 1 4z 轴剖面图 图4 一1 5x 轴机构( 方案一) 图4 一1 6x 轴机构( 方案二) 图4 1 7 机械急停导致的对准不齐问题， 图4 一1 8 伺服控制运送机平滑的停止b g a 基板。 图4 1 9 真空吸头锡球模板机构示意图 图5 一l 典型的视觉系统组成( 资料来源中国工控网机器视觉) 图5 2 基于b g a 植球机的图像检测和视觉对准系统示意图 图5 3 基于b g a 植球机图像检测的模板匹配识别流程 图5 4 视觉伺服自动对准控制系统 图5 5 基于b g a 植球机自动对准( 定位) 流程图， 弘跖弱踮盯卵船骆的们砺铝盯 表格清单 表卜l 全球封装市场营收分部( 2 0 0 2 2 0 0 7 ) 表4 一is t a r 0 4 z 植球机可以b g a 生产的规格 0 2 9 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含为获得 盒8 b 王些态堂 或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示谢意。 学位论文作者签名：雩尝 签字日期：2 厂年相。厂日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒壁王些盔堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权盒 匿王些盍堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：亏发 签字日期：7 一i 年叶月己日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 导师躲易瞳 ， 签字日期湔年v 月纠日 电话 邮编 致谢 值此论文完成之际，首先要衷心的感谢我尊敬的导师夏链副教授和韩江教 授! 在近三年的研究生学习期间，无论是在科研工作中，还是在生活中，夏老 师和韩老师都给予了热心的指导和悉心的照顾。夏老师和韩老师严谨认真的治 学态度和对学术孜孜追求的精神深深影响了我。他们渊博的学识和对学术问题 的独到见解，对研究课题的敏锐发现和研究方向的准确把握，都体现了学术素 养。在两位老师的悉心指导下，我对科研工作有了更深一步的认识并深受启发。 从开始收集与本论文相关资料，一直到本论文的完成，夏老师和韩老师都 给予了我无私的指导和帮助。在选题、开题及至完成论文的每一个阶段，夏老 师和韩老师都严格把关，并在课题的研究思路上给以具有建设性的意见。对论 文的审阅也同样耐心细致，大到论文的框架，小到一个知识点，夏老师和韩老 师都是一样细心批阅纠正。同时夏老师和韩老师也是我生活中的老师，他们对 人的平和、亲切，对学生的关心爱护，教会了我平易近人的待人处事方式。 感谢合肥工业大学c i m s 研究所王治森教授、祖暄老师、李良初老师、何高 清老师。他们丰富的实践经验、耿直、开朗的性格以及忘我的工作精神给我留 下了深刻的印象，令我敬佩与叹服。 感谢深圳翠涛电子科技公司李涣然总工、翁丰羽副总经理对我在翠涛做课 题期间所给予的支持与帮助。 感谢深圳市信特科技有限公司李伯林工程师、朱未江工程师在我课题资料 搜集所给予的支持与帮助。 感谢我的同学唐长平、余道洋、胡朝斌、曹斌，将克荣博士，使得我能够 在平时学习过程中与他们互相交流、互相帮助、不断提高。感谢师弟郭建强、 潘斌、王建兵、陆荣峰、姜小林、成勇、程治等给我的帮助! 衷心祝各位前程 似锦! 最后还要特别感谢父母的养育之恩，是他们数十年的辛劳、一如既往地期 待与支持，使我得以完成学业。感谢我的大哥、大嫂、二哥、二嫂、姐姐与姐 夫，他们始终如一的鼓励和支持是我完成学业的根本动力。对他们的感激之情 无法用言语表达，我只有在今后的岗位上努力工作用辉煌成就来汇报他们的殷 殷情。 作者：方兴 2 0 0 5 年4 月 第一章绪论 半导体产业是信息技术产业发展的核心，己成为2 1 世纪最重要和最具影响 力的技术产业。半导体就其生产流程而言，主要分为三个工序：芯片设计、晶 圆制造( 俗称前工序) 、封装测试( 俗称后工序) 。芯片设计指设计电路达至所需 的功能；晶圆制造指通过氧化、微影、蚀刻、沉积、扩散、离子植入、金属电 镀等过程，在晶圆上制成完整的晶粒；封装是将前工序完成的晶圆制作成一个 个独立芯片的所有过程。相应地，半导体产业分为设计、制造、封装测试三种 类型。国外五、六十年代的半导体从设计到制成产品都由同一家公司完成，到 八十年代逐渐分离出设计、制造、封装各自独立的公司。在信息浪潮的推动下， 在世界范围内已经形成比较完整的半导体设计、制造、封装产业链。前工序投 资巨大，核心技术集中，全世界只集中在十几个大厂生产。后工序中封装技术 占支配地位，由于封装形式的不断进步，才使得诸如数字相机、数字摄像机、 3 g 手机等技术得以迅速发展“。 l 。i 半导体封装形式介绍。“” 封装：指把硅片上的电路管脚，用导线接引到外部接头处，以便与其它器件 连接。经常听说某某芯片采用什么什么的封装方式，在电脑中，存在着各种各 样不同处理芯片，那么，它们又是采用何种封装形式呢? 并且这些封装形式又 有什么样的技术特点以及优越性呢? 本节介绍常用的芯片封装形式的特点和优 点， 1 、d i p 双列直插式封装 d i p ( d u a l i n l i n ep a c k a g e ) 是指采用双列直插形式封装的集成电路芯片， 绝大多数中小规模集成电路( i c ) 均采用这种封装形式，其引脚数一般不超过l o o 个。采用d i p 封装的c p u 芯片有两排引脚，需要插入到具有d i p 结构的芯片插 座上。当然，也可以直接插在有相同焊孔数和几何排列的电路板上进行焊接。 d i p 封装的芯片在从芯片插座上插拔时应特别小心，以免损坏引脚。 d i p 封装具有以下特点： 1 ) 适合在p c b ( 印刷电路板) 上穿孔焊接，操作方便。 2 ) 芯片面积与封装面积之间的比值较大，故体积也较大。 i n t e l 系列c p u 中8 0 8 8 就采用这种封装形式，缓存( c a c h e ) 和早期的内存芯 片也是这种封装形式。 2 、q f p 塑料方型扁平式封装和p f p 塑料扁平组件式封装 q f p ( p 1 a s t i cq u a df 1 a tp a c k a g e ) 封装的芯片引脚之间距离很小，管脚 很细，一般大规模或超大型集成电路都采用这种封装形式，其引脚数一般在1 0 0 个以上。用这种形式封装的芯片必须采用s m d ( 表面安装设备技术) 将芯片与主 第一章绪论 半导体产业是信息技术产业发展的核心，己成为2 1 世纪最重要和虽具影响 力的技术产业。半导体就其生产漉程而言，主要分为三个工序：芯片设计、晶 圆制造( 俗称前工序) 、封装测试( 俗称后工序) 。芯片设计指设计电路达至所需 的功能；晶圆制造指通过氧化、微影、蚀刻、沉积、扩散、离子植入、金属电 镀等过程，在晶圆上制成完整的晶粒；封装是将前工序完成的晶圆制作成一个 个独立芯片的所有过程。相应地半导体产业分为设计、制造、封装铡试三种 类型。国外五、六十年代的半导体从设计到制成产品都由同一家公司完成，到 八十年代逐渐分离出设计、制造、封装各自独立的公司。在信息浪潮的推动下， 在世界范围内已经形成比较完整的半导体设计、制造、封装产业链。前工序投 资巨大，核心技术集中，全世界只集中在十几个大厂生产。后工序中封装技术 占支配地位，由于封装形式的不断进步，才使得诸如数字相机、数字摄像机、 3 g 手机等技术得以迅速发展”。 1 i 半导体封装形式介绍。” 封装：指把硅片上的电路管脚，用导线接引到外部接头处，以便与其它器件 连接。经常听说某某芯片采用什么什么的封装方式，在电脑中，存在着各种各 样不同处理芯片，那么，它们又是采用何种封装形式呢? 并且这些封装形式又 有什么样的技术特点以及优越性呢? 本节介绍常用的芯片封装形式的特点和优 点。 l 、d i p 双列直插式封装 d i p ( d u a l i n l i n ep a c k a g e ) 是指采用双列直插形式封装的集成电路芯片， 绝大多数中小规模集成电路( i c ) 均采用这种封装形式，其引脚数一般不超过l o o 个。采用d i p 封装的c p u 芯片有两排引脚。需要插入到具有d i p 结构的芯片插 座上。当然，也可趴直接插在有相同焊孔数和几何排列的电路板上进行焊接。 d i p 封装的芯片在从芯片插座上插拔时应特别小心，以免损坏引脚。 d i p 封装具有以下特点： 1 ) 适合在p c b ( 印刷电路板) 上穿孔焊接，操作方便。 2 ) 芯片面积与封装面积之间的比值较大，故体积也较大。 i n t e l 系列c p u 中8 0 8 8 就采用这种封装形式，缓存( c a c h e ) 和早期的内存芯 片也是这种封装形式。 2 、0 f p 塑料方型扁平式封装和p f p 塑料扁平组件式封装 q f p ( p l a s t i cq u a df l a tp a c k a g e ) 封装的芯片引脚之问距离很小，管脚 很细，一般大规模或超大型集成电路都采用这种封装形式，其引脚数一般在l o o 个咀上。用这种形式封装的芯片必须采用s m d ( 表面安装设备技术) 将芯片与主 个以上。用这种形式封装的芯片必须采用s m d ( 表面安装设各技术) 将芯片与主 板焊接起来。采用s m d 安装的芯片不必在主板上打孔，一般在主板表面上有设 计好的相应管脚的焊点。将芯片各脚对准相应的焊点，即可实现与主板的焊接。 用这种方法焊上去的芯片，如果不用专用工具是很难拆卸下来的。 p f p ( p 1 a s t i cf l a tp a c k a g e ) 方式封装的芯片与q f p 方式基本相同。唯一 的区别是q f p 一般为正方形，而p f p 既可以是正方形，也可以是长方形。 q f p p f p 封装具有以下特点： 1 ) 适用于s m d 表面安装技术在p c b 电路板上安装布线。 2 ) 适合高频使用。 3 ) 操作方便，可靠性高。 4 ) 芯片面积与封装面积之间的比值较小。 i n t e l 系列c p u 中8 0 2 8 6 、8 0 3 8 6 和某些4 8 6 主板采用这种封装形式。 3 、p g a 插针网格阵列封装 p g a ( p i ng r i da r r a yp a c k a g e ) 芯片封装形式在芯片的内外有多个方阵形的 插针，每个方阵形插针沿芯片的四周间隔一定距离排列。根据引脚数目的多少， 可以围成2 5 圈。安装时，将芯片插入专门的p g a 插座。为使c p u 能够更方便 地安装和拆卸，从4 8 6 芯片开始，出现一种名为z i f 的c p u 插座，专门用来满 足p g a 封装的c p u 在安装和拆卸上的要求。 z i f ( z e r oi n s e r ti o nf o r c es o c k e t ) 是指零插拔力的插座。把这种插座上 的扳手轻轻抬起，c p u 就可很容易、轻松地插入插座中。然后将扳手压回原处， 利用插座本身的特殊结构生成的挤压力，将c p u 的引脚与插座牢牢地接触，绝 对不存在接触不良的问题。而拆卸c p u 芯片只需将插座的扳手轻轻抬起，则压 力解除，c p u 芯片即可轻松取出。 p g a 封装具有以下特点： 1 ) 插拔操作更方便，可靠性高。 2 ) 可适应更高的频率。 i n t e l 系列c p u 中，8 0 4 8 6 和p e n t i u m 、p e n t i u mp r o 均采用这种封装形式。 4 、b g a 球栅阵列封装 随着集成电路技术的发展，对集成电路的封装要求更加严格。这是因为封 装技术关系到产品的功能性，当i c 的频率超过1 0 0 麒z 时，传统封装方式可能 会产生所谓的“c r o s s t a l k ”现象，而且当i c 的管脚数大于2 0 8p i n 时，传统 的封装方式有其困难度。囡此，除使用q f p 封装方式外，现今大多数的高脚数 芯片( 如图形芯片与芯片组等) 皆转而使用b g a ( b a l lg r i da r r a yp a c k a g e ) 封 装技术。b g a 一出现便成为c p u 、主板上南北桥芯片等高密度、高性能、多引 脚封装的最佳选择。 b g a 封装技术又可详分为五大类： 1 ) p b g a ( p 1 a s r i cb g a ) 即塑料基板：一般为2 4 层有机材料构成的多层 2 板。i n t e l 系列c p u 中，p e n t i u mi i 、i i i 、i v 处理器均采用这种封装形式。 2 ) c b g a ( c e r a m i c b g a ) 基板：即陶瓷基板，芯片与基板问的电气连接通常 采用倒装芯片( f l i p c h i p ，简称f c ) 的安装方式。i n t e l 系列c p u 中，p e n t i u m i 、i i 、p e n t i u mp r o 处理器均采用过这种封装形式。 3 ) f c b g a ( f i l p c h i p b g a ) 基板：硬质多层基板。 4 ) t b g a ( t a p e b g a ) 基板：基板为带状软质的卜2 层p c b 电路板。 5 ) c d p b g a ( c a r i t yd o w np b g a ) 基板：指封装中央有方型低陷的芯片区( 又 称空腔区) 。 b g a 封装具有以下特点： 1 ) i 0 引脚数虽然增多，但引脚之间的距离远大于q f p 封装方式，提高了 成品率。 2 ) 虽然b g a 的功耗增加，但由于采用的是可控塌陷芯片法焊接，从而可以 改善电热性能。 3 ) 信号传输延迟小，适应频率大大提高。 4 ) 组装可用共面焊接。可靠性大大提高。 b g a 封装方式经过十多年的发展已经进入实用化盼段。1 9 8 7 年，日本西铁 城( c i t i z e n ) 公司开始着手研制塑封球栅面阵列封装的芯片( 即b g a ) 。而后， 摩托罗拉、康柏等公司也随即加入到开发b g a 的行列。1 9 9 3 年，摩托罗拉率先 将b g a 应用于移动电话。同年，康柏公司也在工作站、p c 电脑上加以应用。直 到五六年前，i n t e l 公司在电脑c p u 中( 即奔腾i i 、奔腾i i i 、奔腾i v 等) ，以 及芯片组( 如i 8 5 0 ) 中开始使用b g a ，这对b g a 应用领域扩展发挥了推波助澜 的作用。目前，b g a 已成为极其热门的i c 封装技术，其全球市场规模在2 0 0 0 年为1 2 亿块，预计2 0 0 5 年市场需求将比2 0 0 0 年有7 0 以上幅度的增长。 5 、c s p 芯片尺寸封装 随着全球电子产品个性化、轻巧化的需求蔚为风潮，封装技术己进步到 c s p ( c h i ps i z ep a c k a g e ) 。它减小了芯片封装外形的尺寸，做到裸芯片尺寸有 多大，封装尺寸就有多大。即封装后的i c 尺寸边长不大于芯片的1 2 倍，i c 面积只比晶粒( d i e ) 大不超过1 4 倍。 c s p 封装又可分为四类： 1 ) l e a dp r a l i l et y p e ( 传统导线架形式) ，代表厂商有富士通、日立、r o h m 、 高士达( g o l d s t a r ) 等等。 2 ) r i g i di n t e r p o s e rt y p e ( 硬质内插扳型) ，代表厂商有摩托罗拉、索尼、 东芝、松下等等。 3 ) f 1 e x i b l ei n t e r p o s e rt y p e ( 软质内插板型) ，其中最有名的是t e s s e r a 公司的m i c r o b g ，c t s 的s i m b g a 也采用相同的原理。其他代表厂商包括通用 电气( g e ) 和n e c 。 4 ) w a f e rl e v e lp a c k a g e ( 晶圆尺寸封装) ：有别于传统的单一芯片封装方 式，w l c s p 是将整片晶圆切割为一颗颗的单一芯片，它号称是封装技术的未来主 流，已投入研发的厂商包括f c t 、a p t o s 、卡西欧、e p i c 、富士通、三菱电子等。 c s p 封装具有以下特点： 1 ) 满足了芯片i o 引脚不断增加的需要。 2 ) 芯片面积与封装面积之间的比值很小。 3 ) 极大地缩短延迟时间。 c s p 封装适用于脚数少的i c ，如内存条和便携电子产品。未来则将大量应 用在信息家电( i a ) 、数字电视( d t v ) 、电子书( e b 0 0 k ) 、无线网络w l a n g i g a b i t e t h e m e t 、a d s l 手机芯片、蓝芽( b l u e t o o t h ) 等新兴产品中。 6 、m c m 多芯片模块 为解决单一芯片集成度低和功能不够完善的问题，把多个高集成度、高性 能、高可靠性的芯片，在高密度多层互联基板上用s m d 技术组成多种多样的电 子模块系统，从而出现m c m ( m u l t ic h i pm o d e l ) 多芯片模块系统。 m c m 具有以下特点： 1 ) 封装延迟时间缩小，易于实现模块高速化。 2 ) 缩小整机模块的封装尺寸和重量。 3 ) 系统可靠性大大提高。 总之，由于c p u 和其他超大型集成电路在不断发展，集成电路的封装形式 也不断作出相应的调整变化，而封装形式的进步又将反过来促进芯片技术向前 发展。 1 2 半导体封装设备的发展概况 半导体行业目前已经成为经济发展的支柱产业，其产品已经深深地融入我 们的生活中。从电视、d v d ，到手机、p c 等各类电子产品，其核心均为半导体产 品。据s e m i ( 国际半导体设备和材料协会) 资料显示，2 0 0 1 年，全球电子行业 产品的产值为8 7 9 0 亿美元，其中半导体产业产值为1 8 8 0 亿美元，占2 1 4 ， 预计到2 0 0 4 年，全球电子行业的产值为9 9 0 0 亿美元，其中半导体产业产值为 2 9 2 0 亿美元，占2 9 5 。 集成电路是最主要的半导体产品。据资料显示，2 0 0 1 年，全球半导体产品 的产值为1 3 9 0 亿美元，其中1 1 8 0 亿美元为集成电路。集成电路按封装形式可 以分为：t 0 ，d i p ，l c c ，q f p ，b g a ，c s p 等。其中九十年代中发展起来的球珊 阵列封装( b g a ) 作为一种高端的封装工艺，目前已广泛应用在电脑、p d a 、手机等 各类电子产品中。2 0 0 2 年，全球封装测试总产值为1 3 3 6 亿美元，预计到2 0 0 7 年达到1 9 5 6 亿美元，平均每年增长7 9 。2 0 0 2 年，全球b g a 封装总产值为 4 3 0 2 亿美元，预计到2 0 0 7 年达到5 0 6 6 亿美元，平均每年增长1 3 3 9 ，将成 为最主要的封装产品。 表卜1 全球封装市场营收分部( 2 0 0 2 2 0 0 7 ) 单位：百万美元( 资抖来源中国赛特顾问) 封装 2 0 0 2 2 0 0 3 ( e )2 0 0 4 ( f )2 0 0 5 ( f )2 0 0 6 ( f )2 0 0 7 ( f )c a g r ( 形式) d i p 3 6 03 5 43 3 9 3 1 2 3 1 6 3 3 4一1 4 9 s o3 3 6 5 3 5 6 2 3 8 5 1 3 6 7 l 3 8 6 6 3 9 3 9 3 2 0 c c2 6 52 8 l3 1 02 9 73 1 33 3 24 6 1 q f p 2 7 9 42 8 8 23 0 9 22 9 8 03 2 5 23 5 2 74 7 7 p g a2 4 6 5z 7 5 6 3 0 1 5 2 8 9 53 1 2 6 3 2 9 96 o o b g a3 0 2 23 6 7 04 4 1 54 2 8 75 0 2 l5 6 6 51 3 3 9 c s p 1 0 9 51 3 9 41 7 3 01 8 5 82 1 1 82 4 6 11 7 5 8 合计 1 3 3 6 6 1 4 8 9 9 1 6 7 5 21 6 3 0 01 8 0 1 21 9 5 5 77 9 l 中国是集成电路产品的消费大国，占到世界总产量的1 5 ；但中国又是集 成电路的生产小国，在产量上占3 ，销售额上只占0 7 6 ，存在着巨大的供 求矛盾：外资十分看好中国的集成电路行业，未来三到五年内将是中国集成电 路发展的黄金时期；中国集成电路的消费将在未来五年内保持1 5 的增长速度， 生产将达到年3 0 左右的增长。目前，中国集成电路产业主要集中在封装测试 上。2 0 0 2 年，封装测试的产值占全国集成电路产值的6 4 。但是，中国封装业 主要集中在d i p ，s 0 ，c c 等低端产品。目前，仅在江浙和广东一带有几家外资厂 引进几条b g a 生产线，目前处于调试安装阶段。可以预见，b g a 将会在中国飞速 成长旧。 当前，我国半导体产业正进入大规模发展的历史时期，许多地区前所未有 的半导体投资热潮和各级政府促进发展半导体产业的大批优惠措施的问世，人 大加速了我国半导体产业快速发展的态势。而优惠的产业政策以及巨大的潜在 市场需求，又吸引了大量国内外资金投入到中国半导体产业。目前，我国半导 体产业已形成了包括i c 设计业、i c 制造业、封装测试业、半导体分立器件业和 支撑业在内，具有一定产业规模、各业共同发展的产业发展格局。有的地区已 形成了较为完善的半导体产业链。根据半导体行业协会的调研统计，自2 0 0 0 年 1 月至2 0 0 2 年8 月，国内新建投产、在建、拟建的6 8 英寸集成电路芯片生产 线项目共1 8 个，其中建成投产项目4 个，在建项目7 个，拟建项目7 个，合计 总投资额为1 2 2 亿美元( 约合1 0 1 3 亿元人民币) 。信息产业的快速发展带动了 我国半导体产业市场和规模的不断扩大。在未来的5 一l o 年内，中国半导体产业 的发展将获得更快、更大规模的发展，到2 0 l o 年，我幽将会成为全球第二大的 半导体市场，未来我国半导体市场充满了机会，尤其是与之密切相关的上游产 业半导体设备产业是半导体产业大规模发展中的最大的受益者。 我国集成电路行业的高速成长将为其上游产业带来较大的发展机会，其中 半导体设备工业是主要的受益者。2 0 0 0 年，我国半导体和集成电路设备销售3 4 6 0 台，同比增长8 5 ，销售额1 7 4 6 9 万元，增长9 9 。9 ：2 0 0 1 年上半年销售1 7 7 4 台，销售额1 2 4 0 2 万元，同比增长5 7 2 ：2 0 0 2 年、2 0 0 3 年呈现出前所未有的 高速增长。虽然增长迅速，但我国半导体生产的生产设备与世界先进水平仍有 巨大差距，我国半导体设备市场仍由国外半导体设备占主体，国产设备所占市 场份额极小，而且集中在d i p 等低端产品“”。1 。 1 3 半导体封装技术国内外研究现状和发展趋势 随着科技产品的功能日趋精致，i c 封装的接脚数越来越多，i c 尺寸缩小就更 为迫切，利用传统表面封装技术渐渐无法满足这些要求，于是革命性的球栅阵列 封装( b g a ) 技术成为新的i c 封装主流。 国际上对b g a 封装的研究，始于二十世纪6 0 年代，但由于当时科技水平的 限制，b g a 封装很难实现、效率低，造成封装成本极高，没有褥到应用。到8 0 年代，由于光电技术、工业自动化、精密机械、机器人、运动控制、自动检测 和图像处理等技术的发展，使得b g a 封装规模化生产成为可能。日本、美国已 深入开展在这一领域的研究，并相继研制了b g a 封装设备，目前占据着b g a 封 装的主要市场。现在向小锡球、小间距、更高集成度的m b g a 、pb g a 方向发展。“”3 。 我国台湾、香港地区在半导体封装领域也占有一定的份额。台湾工业技术 研究院早在二十世纪9 0 年代便成功研制了半自动b g a 植球机，后与台湾万瑞科 技股份有限公司合作开发了r k i b 6 0 0 l 双轨植球机，市场反映良好。香港s 川 公司在半导体封装设备领域业绩突出，占据了很大一部分绑定机、倒装机和封 装机等封装设备的市场，其设在新加波的研发部正在开发新一代的b g a 封装设 备。 我国在二十世纪8 0 年代就开展了半导体后封装设备的研究，“九五”期间 半导体设备投资的规模达到1 1 7 亿元，而“十五”期间半导体设备投资将达到 9 5 0 亿元。据悉，上海、深圳正着手建立半导体研发基地，目前，半导体低端 封装设备已相继问世，但像b g a 这类高端封装设备还没有产品化，其相关技术 研究也未见公开报道。 目前，中国集成电路产业主要集中在封装测试上，2 2 年，封装测试的产 值占全国集成电路产值的6 4 。但是，中国封装业主要集中在d i p ( 双列直插式 封装) 等低端产品，b g a 这类高端元件的生产在我国还刚刚起步，目前植球的手 段只是用镊子或模板手工贴装，效率低、成本高，且对操作者的要求极高，整 体水平处在b g a 元件的返修层次上。小”“”1 。 6 1 4 课题研发背景、来源、主要内容和研究的意义 1 4 1 课题研发背景 在b g a 植球生产的早期，b g a 单元的全部组装过程都是由技术熟练的操作 工人在半自动机器上完成的。他们常常要返工一些单元。他们必须对自己工作 的各方面都非常熟悉，因此培训一个新的操作工人需要很长时间，花费很高的 代价。在这时期，生产的规模常常是被可雇用的经过培训的操作工人所限制， 而不是根据产品的需求量来定。由于b g a 的需求量不断增长，市场需要全自动 的生产系统。同时，b g a 变得越来越复杂，锡球的尺寸也在减小，所以操作工人 最终将无法胜任这项工作。高组装效率的全自动系统对于b g a 的大量生产是必 需的。 b g a 组装的发展过程与大量生产方法的发展史基本相似。现在，所有的b g a 生产厂家都开发了不同的全自动植球系统用于生产。这些全自动系统具有以下 方面的优点：1 ) 提高生产能力；2 ) 提高成品率；3 ) 把操作工人从单调重复的操 作中解放出来；4 ) 降低了组装成本。 在进行设备开发时不得不选择全自动的组装方式来实现b g a 生产。在概念 模型和设备开发阶段，主要考虑的是以下因素：1 ) b g a 产品的市场生命力和它们 的多样性；2 ) 设备成本；3 ) 必需的生产率和市场需求量预测；4 ) 系统操作员所 必需的技术；5 ) 软件和硬件工具；6 ) 系统的柔性。 目前，国际上b g a 植球工序广泛使用自动化生产。其组成包括以下几个部 分如图卜l 所示： 上 料 堂 一 兀 助焊 剂涂 敷单 兀 锡球 贴放 图卜i 全自动b g a 植球生产线 1 ) 基板上料下料及传送系统。基板上料单元把存放于基板盒内的基板取出， 通过传送带传递至下一单元。收料单元与送料单元结构类似，但作用相反，把 焊好的基板收入基板盒中。上料单元、下料单元可以完成多料盒的上下料工作。 同时，包含缓冲装置、检测装置在内的线性传送系统，完成基板的传送。 2 ) 助焊剂涂敷单元采用丝网印刷法，把定量的滴状助焊剂加在基板的焊盘 位置。 焊涂单 助剂敷元 )化固( 焊 流 回 3 ) 锡球贴放单元锡球贴放是这条生产线最核心的部分。首先把锡球自动放 置于与基板焊盘匹配的模具上，然后再用与基板焊盘匹配的真空吸头拾取这些 锡球，通过一个直角坐标机械手放置在已精确定位的基板上。此单元还包括一 套自动检查系统，把废品检出并取走。 4 ) 回流焊单元回流焊单元采用标准的回流焊工艺把锡球与基板的焊盘紧密 结合。 自动化生产具有效率高、质量好、易于控制等优点。由于基板上焊盘的数 量多、间距小，锡球体积小( 直径可小于0 3 哪) ，因此，要在规模化的生产中 达到良好的品质和速度是十分困难的。开发和制造b g a 自动生产设备需要跨学科 的技术和知识，包括工业自动化、精密机械、精密模具、机器人、运动控制、 自动检测、图像处理、激光技术、真空及气动控制、材料科学等。 b g a 全自动植球机是b g a 全自动植球生产线的关键核心设备，它的功能是将 数百颗锡球快速、准确地放置在b g a 基板上。 1 4 2 论文来源、主要内容和研究的意义 论文来源于合肥工业大学c i m s 研究所与深圳翠涛科技有限公司产学研合作 项目用于集成电路球珊阵列