贴片设备的关键技术分析

贴片机是芯片封装工艺的重要设备，按照应用类型可分为 SMT 贴片机和先进封装贴片机，其中后者主要应用于近年来快速发展的引线键合工艺和倒装工艺中。介绍了现有贴片机设备的贴装精度、生产率和市场应用情况，归纳了高精度贴片设备开发过程中的关键技术：视觉对位系统、整机结构设计和精密运动控制，并对比分析各技术的优缺点，为国内相关设备的研究和开发提供参考。

当今半导体工业发展应用趋势包含了智能移动设备、大数据、人工智能（AI）、5G 通信网络、高性能计算机（HPC）、物联网（IoT）、智能汽车、工业4.0、云计算等。这些应用催生了电子器件的快速发展，芯片要求更高的运算速度，更小的体积，更大的带宽，同时要求低功耗、低发热量和大的存储容量。这就要求芯片的制造和封装满足高性能需求，在被称为后摩尔定律的时代，芯片的封装越来越受到重视。

实现 IC 芯片的互联技术中，传统的三级封装（芯片级封装，基板级封装和母版封装）逐渐被系统级封装 SIP 取代，无论封装的方式如何演变，在芯片的封装过程中离不开一道重要工艺，即贴装过程。而贴装工艺经历了从直插式，SMT 表面贴装，到如今的先进封装如引线键合、倒装键合（flipchip）等工艺。贴片机也伴随着工艺的发展，印证了一代工艺，一代设备的变化。如今为了达到精细化的贴装，同时满足电子产品的规模化低成本生产特性，对贴片机提出高精度和高产率的性能指标。

1 贴片设备

1.1 贴片设备类型

贴片机属于半导体后端制程工艺中的关键设备，按照贴片类型划分两类：

（1）SMT 贴片机，属于表面贴装工艺（SMT）生产线的关键设备，主要用于将封装好的芯片、电子元器件如电阻、电容等安装到 PCB 板上，这类贴片机的供应商主要有 K&S、Fuji、Samsung、Siemen、Panasonic、Universal、Yama-ha 等，贴片机特点是贴装速度快，根据工艺不同，可以达到 20 000 片 /h，甚至达到 150 000 片 /h，贴装精度不高，一般在 20～40 μm；

（2）先进封装贴片机，主要用于裸芯片或微型电子组件的贴装，将芯片安装到引线框架（Lead frame）、热沉（Heat sink）、基板（Substrate）或直接安装到 PCB 板上，一般可分为引线键合和倒装贴片 (Flip chip bon-der)，是目前半导体封装主流的连接技术，引线键合先通过贴片机完成芯片的堆叠封装，然后通过引线键合机将芯片正面的 pad 点连接到框架或基板焊盘上，目前工艺比较成熟，倒装贴片是在芯片表面焊盘上放置焊料，翻转后与基板上对应的焊球直接通过热压焊接的方式，与引线键合相比，能够实现更高的封装密度，更短的线路互联，减少干扰，降低容抗，实现更加稳定可靠的连接，两种工艺的对比如图 1 所示。倒装贴片机是在传统贴片机上发展起来的，各厂商推出的机型也在逐步兼容传统正装和倒装工艺，这类设备的贴装精度较高，可以达到亚微米级至 10 μm 偏移精度，但产率较低，一般只能达到 1 000～14 000 片 /h。

1.2 贴装设备的应用

先进封装贴片设备主要应用于逻辑器件、存储器、MEMS、LED、Optoelectronic、RF、LD 等器件的微组装，组装工艺包含 C2C（chip to chip）、C2W(chip to wafer)、W2W (wafer to wafer)、2.5D/3D 封装，其中高密度 3D 封装是未来发展趋势，通过TSV（硅穿孔）技术，实现堆栈芯片互联，高密度3D 封装最明显的特征是可使产品的尺寸和质量减小到原来的 1/5~1/10，其主要采用的贴片技术有回流焊、热压键合(TCB)、共晶焊、粘胶工艺、超声键合、紫外固化、导电胶工艺等。

1.3 贴片设备细分市场

2018 年先进封装贴片设备的总市场份额约为9.79 亿美元，预计后续每年以 6%的增长速度，到2024 年将达到 13 亿美元的市场份额。该类设备的主要供应商为 Besi 和 ASM，前者占据 28%市场，后者占据 31%的市场。从贴片工艺分类，目前胶粘后引线键合工艺还是主流方向，但随着共晶焊工艺的成熟，愈来愈多的芯片采用该工艺，预计到 2024 年将达到和引线键合相同的市场份额，同时从器件分类来看，近年来随着 5G 通信、智能手机、无人驾驶和 LED 等领域的发展，促进光电器件、LED 芯片封装的快速增长，未来 5 年有望超过逻辑器件和存储器件的封装市场份额。

从设备供应商分类来看，高精度高产率的贴片机设备主要集中在欧美、日本、韩国、新加坡等国家，我国主要依赖进口，国产设备起步较晚，主要涵盖低端封装贴片机。

2 贴片机关键技术

先进封装贴片机设备的开发涉及到多学科的系统工程，设备主要性能指标为贴片精度和贴片产率，目前大部分贴片机要么满足高精度贴片，要么为高产率贴片，同时满足两项指标是当前面临的挑战。贴片机主要性能指标受到以下关键技术影响，如精确的视觉对位系统、合理的结构布局、精密的运动控制和完善的系统软件。

2.1 视觉对位系统

贴片机的对位系统，经历了从最早的机械对位、激光对位到视觉对位的过程，对位精度也逐步提升，视觉对位系统一般包含用于照明光源、成像镜头、光电转换相机、用于数据传输处理的采集卡和处理软件。

目前芯片和目标贴片位置的对准主要通过视觉对位方式，在手动、半自动贴片设备中，直接通过图像重叠的方式进行对位，如图 2 所示；全自动贴片设备则主要通过多维度视觉图像检测的方式间接对位，其至少包含两个独立的成像系统，相机采集图像，提取图像边缘，通过图像算法识别图像中心位置。一般布置上下视野相机，分别获取芯片上特征点或者芯片外型，以及目标贴片位置关联的特征点，从而建立芯片和目标位置点的坐标关系。在建立坐标位置过程中，根据贴片精度不同，目标贴片位置（基板或者晶圆）采用的对位方式分为全局对位（Global align） 和局部对位（Local align）。全局对位效率高，一次对位完成目标位坐标定位，前提条件是基板或者晶圆的面型精度高，局部对位则能适应不同阵列位置的偏差，针对每一贴片位置进行单独识别定位，适合高精度贴片，但因对位频繁，产率相对较低。

大多数图像识别过程是在静止状态，近年来发展的动态识别，主要为了提升产率，减少运动等待时间，即所谓的飞行视觉，飞行视觉即动态拍照，贴片机的飞行视觉系统需要完成贴装头以一定的速度运动到视觉摄像机的上方时对吸嘴吸取的待贴装元器件进行图像采集，同时采用高速视觉处理技术完成视觉计算的任务，飞行视觉技术对提高整机工作效率具有重要意义。飞行拍照需要高速采集图像，同时定位精度受到相机曝光时间、通信时间影响等，采用该方式拍照的贴片机，主要用于低精度的表面贴装设备中，如贴装精度在 20～50 μm 之间。

系统精度和相机、镜头的分辨率以及图像识别算法直接关联，提高镜头 NA，能够有效提高镜头分辨率，同时减少了镜头视场，需要平衡选择。同样对于相机，提高相机分辨率同样提高图像识别能力，负面影响为增加了单幅图像的数据处理量，增加了图像采集处理的时间，造成产率影响。图像识别算法受到工艺影响较大，使用不同算法提取标记边缘特征，能够增加视觉系统适应性，进而产生较低误差，提高对位精度。

2.2 贴片机结构设计

贴片机除了精确的视觉对位系统外，还必须保证合理的结构布局，精确的运动机构和为了提高产率进行的并行运动设计，同时必须保证系统的稳定性，环境干扰误差小等特性。

纵观贴片机演变过程，根据贴片设备工作方式大致可以分为四种类型：动臂式、转盘式（转塔式）、复合式和大型平行系统。

（1）动臂式又称为拱架式，这类结构贴片机具有较高的灵活性和较高的贴装精度，一般布局在大理石或铸造的龙门架上，安装来回运动的贴装臂，是大部分贴片机的主要结构。但和其它几种结构相比，贴片产率相对低，设备供应商纷纷采用双臂以提高产率。

（2）转盘式也即转塔式，将贴片头安装在旋转的主轴上，在单一贴片头吸附芯片的同时，其它工位的贴片头上可以进行对位和贴装等动作，极大地提升了产率，该结构因传递链路长，结构复杂，带来的贴片精度相对于动臂式低，主要用于 SMT 贴片机中，先进封装贴片机还是以动臂式结构为主。

（3） 复合式结构是在动臂式结构中添加转盘贴片头，能够一次转运大量芯片，集中进行吸片和贴片，结合了动臂式和转盘式优点，但结构相对复杂，开发成本高，灵活性欠缺。

（4）大型平行系统采用模块化设计，根据产线具体瓶颈工位，设置多组芯片转运或者贴装部件，满足大型生产线的批量封装需求。

从结构的稳定性和环境温度的影响考虑，贴片机结构框架设计中，尽量选用比刚度好的材料，即材料的弹性模量与密度的比值。这类材料的刚性好，质量轻，如大理石框架、铸铁框架，高精度贴片设备在框架底部增加被动或主动减振系统，减少地基振动的干扰。从误差尺寸链分析角度考虑，同时要考虑兼顾材料的热膨胀系数，系数越小，测量系统受到环境温度影响的越小。得益于现代计算机仿真技术的成熟，以上结构设计的环境因素影响可以通过有限元仿真分析结合实际测试数据优化设计，如静力学仿真、模态仿真、动态仿真、热力学仿真等进行优化设计。

从产率提升上考虑，结构设计尽量满足物料供给和目标贴片位置间最小化，缩短路径，减小物料转运时间，因为单颗贴片的循环时间（Cycle time）中，约 70%时间用于物料搬运。如在 ESEC 机型中，曾将 Wafer 供料盘和基板运送轨道设置成倾斜布局结构，避免空间干涉的同时缩短物料搬运路径。

结构设计中，贴片头是结构设计的关键部件，为了适应贴片工艺，除了满足基本的负压吸附芯片，还要满足多自由调平，保证贴片工艺中芯片和基底紧密均匀贴合，部分工艺还需加压和加热，满足共晶贴片工艺。

2.3 精密运动控制

2.3.1 运动台系统

在先进封装贴片机应用中，为了配合芯片的转移和贴装动作，在设备内部布局了多轴位移平台，这些运动平台包含承片台的 X、Y、Z、Rz（旋转方向）运动，以及贴片头的多维运动。近年来，传动机构也逐步从伺服、步进电机带动的滚珠丝杆结构改进为直驱电机结构，对于负载较重的承片台，采用气浮导轨或磁浮导轨代替传动滚动导轨，减少了机械传动的磨损，降低运动误差，同时提高了运动平台的速度、加速度和加加速度，进而提升系统产率，在提升贴片头运动的速度的同时，整机系统往往引入冲击，在机构设计中部分厂家采用提高框架刚性或者增加配重、引力外引等方式，缓冲运动反力，使系统达到动平衡状态。

传统采用半闭环系统，如编码器反馈位置精度的方式逐步被全闭环伺服反馈的光栅尺测量系统代替，直接将贴片精度由几十微米带入微米级甚至亚微米的贴装精度。

在运动台驱动过程中，一般采用 X、Y 轴层叠驱动方式，处于下层的 Y 轴因负载较重，采用双导轨双梁驱动技术，可以提高 Y 轴的运动速度，减少左右晃动，这时左右两个驱动轴要求严格的同步，需要采用同步运动控制。

2.3.2 控制系统

控制系统分为控制硬件和控制软件，硬件架构根据主控模块不同，一般有以下几种类型：单片机系统，专业运动 PLC 系统，PC 机（或服务器）加专业运动控制卡，其中单片机和 PLC 主要用于运动结构简单，运动轨迹固定的设备中，而 PC 加专业运动卡可以实现复杂曲线运动，可以实现复杂的运动算法 [10] 。对于全自动复杂控制系统，PC 加专业运动卡也可采用服务器加专业运动控制器代替。一种典型的硬件控制架构如图 3 所示。

系统软件分为上位机主控程序、人机交互界面软件和下位机多轴运动控制、图像采集分析、I/O 控制、模拟量采集，以及系统精度校准软件等。贴片机部分精度提升通过视觉系统对位补偿提高。

上位机通常为工控机或服务器，完成人机交互、图像显示、任务分工管理和通信功能，下位机通常为独立的运动控制模块、微处理器、PLC 等，要求具有较高的实时性，协调各运动轴、传感器、图像采集、I/O 控制等动作。对于实时性动作要求较高环节，一般采用硬触发方式，减少代码运行时间，提升产率。

3 结 论

随着集成电路行业中 IC 芯片向着高密度、高可靠性和低成本方向发展，对封装领域的关键设备贴片机提出更高的要求，贴装精度和贴片产率逐年提高。因我国在先进封装设备开发方面起步较晚，关键技术滞后，造成目前我国高端先进封装贴片机主要依赖进口，国内设备供应商主要开发满足低端市场需求，亟待解决打破国外技术和设备垄断局面。随着近年来我国在集成电路产业上的持续投入，国产设备供应商也将迎来新的机遇和挑战。推动国内贴片设备向高端发展，首先要解决相关技术落后的问题，贴片设备开发中的关键技术，如视觉对位系统开发、结构设计仿真和精密运动控制技术，融合了光、机、电、软件、算法等多学科基础知识，同样也依赖于国内基础工业的发展。未来先进封装贴片设备需要具备多功能、模块化、柔性化、智能化特性，只有不断投入对关键技术的研究和开发，才能突破国外的技术出口限制，在市场竞争中立于不败之地。