SMT貼片機(jī)如何選擇
一、前言
自動(dòng)化的組件置放機(jī)在電路板的組裝上扮演著相當(dāng)重要的角色，但是組裝業(yè)者在采購(gòu)這類(lèi)設(shè)備時(shí)，對(duì)于如何選用一部適合且功能完備機(jī)并未具備有足夠的知識(shí)，在這篇文章中，我們將逐一的討論組件置放機(jī)所應(yīng)具備的功能，在具備了這些知識(shí)后，將可輕易的選擇出適當(dāng)?shù)慕M件置放機(jī)。
二、關(guān)鍵性的差異
在電子產(chǎn)品不斷的面對(duì)輕便的需求，組裝業(yè)者希望能從縮小組件尺寸與增加電路板的組裝密度來(lái)達(dá)成這項(xiàng)要求。近年來(lái)隨著覆晶技術(shù)逐漸的被采用，組件小型化目標(biāo)似乎得到解決，實(shí)際上還是有些困難待進(jìn)一步獲得確認(rèn)，如雖然覆晶在組裝上與傳統(tǒng)表面黏著技術(shù)相似采用的接腳都是低溫的共晶錫球，但并不是這樣組件置放機(jī)就能輕易的轉(zhuǎn)而適用于覆晶技術(shù)上，傳統(tǒng)的組裝所使用的組件置放機(jī)在技術(shù)上與覆晶的使用上還有些差距，這些差異主要是在使用于更小間距（小于0.012〞）與更小止境的錫球的組件時(shí)是否依然能夠提供與過(guò)去一樣的組裝對(duì)位質(zhì)量，組件置放機(jī)必須具備有更精確的視覺(jué)與對(duì)位系統(tǒng)才能得以因應(yīng)覆晶技術(shù)的需求。
除此之外，時(shí)下常見(jiàn)的覆晶間距為0.004〞，錫球的直徑為小于0.002〞，由于在回焊制程前，組件都是利用助焊劑（FLUX）暫時(shí)黏附在電路板上，若此時(shí)的組件是屬于較小間距時(shí)，相對(duì)的所具備的助焊劑的量也會(huì)較其它較大間距的組件來(lái)得少，若助焊劑在沾濕的情況未能盡于完美，或無(wú)法提供足夠的附著力將原件固定于焊電墊上時(shí)，則將會(huì)造成焊接質(zhì)量不良。上述的問(wèn)題再在的點(diǎn)出組件置放機(jī)應(yīng)用在覆晶技術(shù)時(shí)所面臨的問(wèn)題著實(shí)相當(dāng)復(fù)雜。
一般來(lái)說(shuō)，一部能應(yīng)用在間距為0.004〞組件，速度約為8 sec/part，其中整個(gè)動(dòng)過(guò)程包括吸取組件，移動(dòng)與視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)位功能的價(jià)位約為＄400000到＄500000，其差異在于所選用配備的要求，雖然這樣的設(shè)備已經(jīng)能夠面對(duì)時(shí)下的要求，但是否在未來(lái)依然適用？這就有賴(lài)持續(xù)的觀(guān)察未來(lái)組件形式的發(fā)展了。
三、組件置放機(jī)的分辨率與精確度
顯而易見(jiàn)的，分辨率與精確度對(duì)于組件置放機(jī)在微小間距組件（fine-pitch-parts）的應(yīng)用上是相當(dāng)重要的參數(shù)，大致上來(lái)說(shuō)精確度是視覺(jué)系統(tǒng)精分辨率與設(shè)備在X-、Y-、及Z-方向移動(dòng)穩(wěn)定度的函數(shù)，簡(jiǎn)言之就是在組件放置動(dòng)作中，放件吸頭在3-D方向移動(dòng)至設(shè)定位置前，系統(tǒng)必須能先“看到”并確認(rèn)組件其所要放置的位置是否正確。
所有被試驗(yàn)的組件置放機(jī)的分辨率必須在0.00004〞到0.00008〞這個(gè)范圍內(nèi)，且精確度大約是在0.0004〞到0.002〞間，這樣的結(jié)果顯示了在微小間距的使用上，數(shù)據(jù)是越小越好。而其它的參數(shù)（如在組件吸嘴全速運(yùn)動(dòng)下之精確度，焊墊與錫球間對(duì)位誤差的標(biāo)準(zhǔn)）將影響設(shè)備的層級(jí)。在這樣的觀(guān)點(diǎn)下，時(shí)下的高速機(jī)所能負(fù)荷的組件間距為0.0034〞到0.012〞,我們可以藉有以下的公式來(lái)推論組裝時(shí)所能容許的最小組件間距：精確度*(100／焊墊與錫球?qū)ξ徽`差的百分率)*2＝所適合使用的間距 ex：0.001〞*100/25*2=0.008〞
若由上面的例子看來(lái)，精確度為0.001〞的組件置放機(jī)，在有25%對(duì)位誤差下，適合使用在間距為0.008〞的組件上，若供貨商所采用的誤差容許度為33%，則上述機(jī)臺(tái)所使用的組件間距就為0.006〞了。
四、組件置放機(jī)的精確度與驗(yàn)證
組件置放機(jī)的精確度與連續(xù)性可藉由鍍烙在玻璃片的方法（chrome-on-glass）來(lái)驗(yàn)證，其方法是在玻璃片以烙作出刻線(xiàn)，再將此玻璃片放置在組件置放機(jī)中，利用基板（substrate）與組件放置位置的基準(zhǔn)點(diǎn)（fiducial）來(lái)引導(dǎo)機(jī)器對(duì)位，在完成整個(gè)組裝制程后，再透過(guò)光學(xué)顯微鏡的檢視與光標(biāo)尺的測(cè)量，針對(duì)多個(gè)位置，再全速運(yùn)動(dòng)與來(lái)判斷其精確度。
鍍烙在玻璃片（chrome-on-glass）的檢驗(yàn)方法是一種人工的制程，盡管如此在機(jī)器是否具備某一個(gè)程度的精確度這個(gè)議題上，還是一種相當(dāng)有效的驗(yàn)證方法。有一點(diǎn)是相當(dāng)重要的，就是當(dāng)機(jī)器剛開(kāi)機(jī)，正進(jìn)行這種人工式的對(duì)位精確度確認(rèn)的動(dòng)作勢(shì)必定要相當(dāng)確實(shí)，以免影響后序運(yùn)作時(shí)的精度。但也并非所有的這類(lèi)設(shè)備在開(kāi)始時(shí)都會(huì)進(jìn)行類(lèi)似的動(dòng)作，且也不是每一家的設(shè)備都附有具有鍍烙刻度的玻璃片來(lái)幫助校正精確度用。
此外，組件置放機(jī)的熱穩(wěn)定力也會(huì)影響其精確度，為此Jabil的覆晶組件置放機(jī)在是使用花崗巖石的基臺(tái)與陶瓷的支撐梁來(lái)減低這類(lèi)的影響，既然如此，若設(shè)備常時(shí)間的勇來(lái)處理間距為0.004〞的組件時(shí)，是否能自我進(jìn)行熱校正就相當(dāng)重要，雖然有的廠(chǎng)商強(qiáng)調(diào)其設(shè)備無(wú)須做這類(lèi)的校正，但在相關(guān)的文戲中還不時(shí)強(qiáng)調(diào)熱校正的重要性。
五、置件速率
一般所指的置件速率大都不包括電路板輸送與視覺(jué)對(duì)位的步驟，因此各家廠(chǎng)商所公布的速度都相當(dāng)快，但若將上述兩個(gè)動(dòng)作包含在內(nèi)一起計(jì)算，則速度就會(huì)急速降低。例如：若不含該兩個(gè)項(xiàng)目，則一般速率都在2000pph左右，但若加上這兩個(gè)項(xiàng)目則速率就劇降為800pph了。
環(huán)顧時(shí)下的組件置放機(jī)在執(zhí)行吸取組件、沾助焊劑、視覺(jué)對(duì)位以及置件大約花費(fèi)2.5至8秒左右，若能夠?qū)⒄粗竸?、錫膏或者是導(dǎo)電膠等相關(guān)制程分離出來(lái)，使之不在組件置放的機(jī)置中運(yùn)作，則可效的縮短置件的時(shí)間。除此之外，若能在縮短吸嘴移動(dòng)的距離也可達(dá)到相同的效果。
六、輸送
通常電路板在組件置放機(jī)中高速移動(dòng)時(shí)，組件盡靠具有黏性的助焊劑黏著著，若電路板的移動(dòng)，啟動(dòng)或停頓動(dòng)作過(guò)大，則很有可能會(huì)造成組件移位進(jìn)而混亂，所以輸送系統(tǒng)在輸送電路板的過(guò)程中，在三個(gè)不同區(qū)域必須要具備個(gè)別的速度控制單元。
在第一個(gè)區(qū)域中，系統(tǒng)必須盡可能的以高速將電路板輸送到預(yù)定的位置（在這個(gè)部份組件通常的藉由先前所沾上之錫膏提供足夠的黏性以應(yīng)付高速的移動(dòng)）這個(gè)區(qū)域主要是要將覆晶（flip chip）轉(zhuǎn)放到電路板上。
第二個(gè)區(qū)域（通常稱(chēng)為組裝區(qū)）則要以較慢的速度移動(dòng)，因?yàn)楦簿В╢lip chip）在這個(gè)階段中已完成組裝。
第三個(gè)區(qū)域（通常被稱(chēng)為脫離區(qū)）是將電路板送出組件置放機(jī)。助焊劑在這扮演相當(dāng)重要角色，增加助焊劑的量將可提供覆晶(flip chip)更大的黏著力，就可以較高的速度運(yùn)送電路板，如此也可提高產(chǎn)能，但也會(huì)面臨到一些問(wèn)題，亦即若未與清潔系統(tǒng)結(jié)合，殘留的助焊即將會(huì)造成覆晶(flip chip) 焊接不良。
七、電路板的對(duì)準(zhǔn)
由于覆晶（flip chip）所用到的基板尺寸不一，在電路板的對(duì)準(zhǔn)上會(huì)造成不同程度的問(wèn)題，有些組件置放機(jī)的基板是以真空吸附(vacuum clamping)的方式來(lái)固定，這在較薄基板的使用上是相當(dāng)有疑問(wèn)的，薄的基板在平整度的要求是較難達(dá)成的，雖然在真空系統(tǒng)運(yùn)作的同時(shí)基板是相當(dāng)平整，但當(dāng)真空去除后，基板將會(huì)回復(fù)原先的彎曲，另外，若組件僅靠助焊劑的黏性暫時(shí)固定組件，則再基板移動(dòng)后將很容易發(fā)生組件移位，雖然可以加上一塊硬板的方式來(lái)強(qiáng)化基板，但這樣一來(lái)真空系統(tǒng)就不再有作用。部份的真空系統(tǒng)會(huì)與一特制的制具相互配合，相對(duì)的價(jià)格也相對(duì)的提高了。
八、可調(diào)整的置件壓力
置件吸嘴的向下壓力也是組件置放機(jī)的一項(xiàng)相當(dāng)重要的參數(shù)，對(duì)于組件而言需要一足夠的下壓力使其能準(zhǔn)確的放置在焊墊上，但又不能過(guò)大到使組件從焊墊上滑開(kāi)。一般向下的壓力是每個(gè)凸塊（bump）3 到10g。
九、視覺(jué)系統(tǒng)
視覺(jué)系統(tǒng)在覆晶組件置放機(jī)中最重要的單元之一，視覺(jué)系統(tǒng)除了辨認(rèn)焊錫接點(diǎn)外，同時(shí)也具備檢視組件尺寸以確認(rèn)吸嘴所吸取的組件是否正確的功能。影響視覺(jué)系統(tǒng)好壞的參數(shù)有倍率(gain)，偏位(offset) 與臨界值(threshold) 以及視覺(jué)工具，有了這個(gè)部份將可有效的處理微小間距的組件。當(dāng)組件的間距縮小時(shí)，焊錫接點(diǎn)也相對(duì)的要被迫縮小，舉例而言，間距為0.004〞的組件的焊錫接點(diǎn)高度約為0.002〞，當(dāng)焊錫接點(diǎn)被縮小到相當(dāng)接近芯片時(shí)，就算將影像放大，辨視上還是相當(dāng)困難，因?yàn)樾酒砻娴谋Ｗo(hù)層(passivation)的顏色與焊錫接點(diǎn)的顏色是相當(dāng)接近的。
另外還有一個(gè)問(wèn)題是發(fā)生在基板上的基準(zhǔn)點(diǎn)(fiducial)上，由于覆晶(flip chip)的尺寸相當(dāng)小，在某些情況下，一些標(biāo)準(zhǔn)的基準(zhǔn)點(diǎn)居然比芯片大，要解決這個(gè)問(wèn)題，必須要控制視覺(jué)系統(tǒng)的搜尋區(qū)域(search)。
十、上助焊劑的方法
助焊劑在此一組裝制程中相當(dāng)重要，我們希望其能具備有足夠的黏性，絕佳的沾濕力，與能盡量的減少殘留量，特別是殘留量的問(wèn)題將會(huì)對(duì)焊接的好壞造成影響，因?yàn)槿糁竸埩粼诘啄z填充劑(underfill)的流動(dòng)路徑上的話(huà)，將會(huì)不利其附著，這樣在彌補(bǔ)CTE不匹配的功效就大打折扣了。
一般在覆晶(flip chip)技術(shù)中上助焊劑的方法有許多種，包括有用噴灑的(spray)，用滴漏的? (drip)，還有用沾浸的(dip)。
噴灑是在組裝組件遣將液態(tài)的助焊劑以噴嘴霧化噴灑在要放置組件的區(qū)域。
滴漏是將液態(tài)的助焊劑滴在要放置組件區(qū)域的中心。
沾浸是將液態(tài)的助焊劑滴轉(zhuǎn)盤(pán)上，再利用刮刀控制其厚度與平整度，隨后以吸嘴吸起組件在轉(zhuǎn)盤(pán)上沾浸上助焊劑。在中、低速的組件置放機(jī)可考慮采用此一系統(tǒng)，這種用轉(zhuǎn)盤(pán)來(lái)制造固定厚度助焊劑的系統(tǒng)必須要特別留意污染的問(wèn)題。
若上助焊劑的動(dòng)作是被分離到另外一個(gè)制程而非與組件置放機(jī)在同一個(gè)機(jī)制下，如交給印刷機(jī)來(lái)做此一步驟，將可大大的提升產(chǎn)能。
十一、組件的處理
業(yè)界對(duì)于如何處理裸晶(bare-die)組件并無(wú)特別的規(guī)范，一般所常用的有waffle paks，gel paks，expended wafer systems，與surf? tape等方法。gel paks與expended wafer systems需要用到自動(dòng)化的真空處理系統(tǒng)，而waffle paks或waffle-paks trays則無(wú)需使用到真空裝置，但較為其它方法來(lái)得復(fù)雜。另外，surf-tape system要使用一種被稱(chēng)為鰭狀供料裝置(flipper feeder)的設(shè)備，這種供料系統(tǒng)與傳統(tǒng)的SMT制程所使用到的tape-and-reel feeder在外型上與功能上類(lèi)似，缺點(diǎn)是在將組件放入surf-tape是相當(dāng)困難的；若能設(shè)計(jì)出更好的pocket-size，?? 則在未來(lái)，標(biāo)準(zhǔn)的tape-and-reel將會(huì)更廣泛的被采用。
所有的制造商都有提供基本的材料供給裝置(feeder)，但鰭狀的材料供給裝置(flipper feeder)與晶圓材料供給裝置(expended wafer feeder)則是屬于選用配備，expended wafer feeder是屬于一種高速／低兼容性的組件處理方式，這點(diǎn)是可以被理解的，因?yàn)橥暾木A在處置上是相當(dāng)困難的。
十二、結(jié)論
由于標(biāo)準(zhǔn)的SMT制程與覆晶(flip chip)組裝技術(shù)還有些不足之處，主要是在精確度的要求上，覆晶(flip chip)技術(shù)的特點(diǎn)就是在其尺寸與間距都相當(dāng)?shù)男?，在傳統(tǒng)的SMT制程所使用的組件置放機(jī)未必刊用，正因?yàn)檫@樣，更促使業(yè)界需要在進(jìn)一步的發(fā)展出新型的技術(shù)以擴(kuò)充設(shè)備的能力與特性。另外，在助焊劑的制程與材料上也還有許多地方未盡完美，這也有賴(lài)業(yè)者發(fā)展出新一待的方法與技術(shù)，以期能與覆晶(flip chip)技術(shù)匹配。在這樣的前提下就需要設(shè)備工程師們先一步的研究出更新、更方便的設(shè)備以推動(dòng)新型式的制程。