板上晶片(Chip On Board,COB)工藝過程首先是在基底表面用導熱環氧樹脂(一般用摻銀顆粒的環氧樹脂)覆蓋矽片安放點,然後將矽片直接安放在基底表面,熱處理至矽片牢固地固定在基底為止,隨後再用絲焊的方法在矽片和基底之間直接建立電氣連線。
裸晶片技術主要有兩種形式:一種是COB技術,另一種是倒裝片技術(Flip Chip)。板上晶片封裝(COB),半導體晶片交接貼裝在印刷線路板上,晶片與基板的電氣連線用引線縫合方法實現,並用樹脂覆蓋以確保可靠性。雖然COB是最簡單的裸晶片貼裝技術,但它的封裝密度遠不如TAB和倒片焊技術 。
一、主要焊接方法
1、熱壓焊
利用加熱和加壓力使金屬絲與焊區壓焊在一起。其原理是透過加熱和加壓力,使焊區(如AI)發生塑性形變同時破壞壓焊介面上的氧化層,從而使原子間產生吸引力達到"鍵合"的目的。此外,兩金屬介面不平整加熱加壓時可使上下的金屬相互鑲嵌。此技術一般用為玻璃板上晶片COG。
2、超聲焊
超聲焊是利用超聲波發生器產生的能量,透過換能器在超高頻的磁場感應下,迅速伸縮產生彈性振動,使劈刀相應振動,同時在劈刀上施加一定的壓力,於是劈刀在這兩種力的共同作用下,帶動AI絲在被焊區的金屬化層如(AI膜)表面迅速摩擦,使AI絲和AI膜表面產生塑性變形,這種形變也破壞了AI層介面的氧化層,使兩個純淨的金屬表面緊密接觸達到原子間的結合,從而形成焊接。主要焊接材料為鋁線焊頭,一般為楔形。
3、金絲焊
球焊在引線鍵閤中是最具代表性的焊接技術,因為現在的半導體封裝二、三極體封裝都採用AU線球焊。而且它操作方便、靈活、焊點牢固(直徑為25UM的AU絲的焊接強度一般為0.07~0.09N/點),又無方向性,焊接速度可高達 15點/秒 以上。金絲焊也叫熱(壓)(超)聲焊主要鍵合材料為金(AU)線焊頭為球形故為球焊。
二、COB封裝流程
第一步:擴晶。採用擴張機將廠商提供的整張LED晶片薄膜均勻擴張,使附著在薄膜表面緊密排列的LED晶粒拉開,便於刺晶。
第二步:背膠。將擴好晶的擴晶環放在已刮好銀漿層的背膠機面上,背上銀漿。點銀漿。適用於散裝LED晶片。採用點膠機將適量的銀漿點在PCB印刷線路板上。
第三步:將備好銀漿的擴晶環放入刺晶架中,由操作員在顯微鏡下將LED晶片用刺晶筆刺在PCB印刷線路板上。
第四步:將刺好晶的PCB印刷線路板放入熱迴圈烘箱中恆溫靜置一段時間,待銀漿固化後取出(不可久置,不然LED晶片鍍層會烤黃,即氧化,給邦定造成困難)。如果有LED晶片邦定,則需要以上幾個步驟;如果只有IC晶片邦定則取消以上步驟。
第五步:粘晶片。用點膠機在PCB印刷線路板的IC位置上適量的紅膠(或黑膠),再用防靜電裝置(真空吸筆或子)將IC裸片正確放在紅膠或黑膠上。
第六步:烘乾。將粘好裸片放入熱迴圈烘箱中放在大平面加熱板上恆溫靜置一段時間,也可以自然固化(時間較長)。
第七步:邦定(打線)。採用鋁絲焊線機將晶片(LED晶粒或IC晶片)與PCB板上對應的焊盤鋁絲進行橋接,即COB的內引線焊接。
第八步:前測。使用專用檢測工具(按不同用途的COB有不同的裝置,簡單的就是高精密度穩壓電源)檢測COB板,將不合格的板子重新返修。
第九步:點膠。採用點膠機將調配好的AB膠適量地點到邦定好的LED晶粒上,IC則用黑膠封裝,然後根據客戶要求進行外觀封裝。
第十步:固化。將封好膠的PCB印刷線路板放入熱迴圈烘箱中恆溫靜置,根據要求可設定不同的烘乾時間。
第十一步:後測。將封裝好的PCB印刷線路板再用專用的檢測工具進行電氣效能測試,區分好壞優劣。
與其它封裝技術相比,COB技術價格低廉(僅為同晶片的1/3左右)、節約空間、工藝成熟。但任何新技術在剛出現時都不可能十全十美,COB技術也存在著需要另配焊接機及封裝機、有時速度跟不上以及PCB貼片對環境要求更為嚴格和無法維修等缺點。
某些板上晶片(COB)的佈局可以改善IC訊號效能,因為它們去掉了大部分或全部封裝,也就是去掉了大部分或全部寄生器件。然而,伴隨著這些技術,可能存在一些效能問題。在所有這些設計中,由於有引線框架片或BGA標誌,襯底可能不會很好地連線到VCC或地。可能存在的問題包括熱膨脹係數(CTE)問題以及不良的襯底連線。
三、COB工藝流程
清潔PCB → 滴粘接膠 → 晶片貼上 → 測試 → 封黑膠加熱固化 → 測試 → 入庫
1、清潔PCB
清洗後的PCB板仍有油汙或氧化層等,不潔部分需擦拭乾淨,擦拭後的PCB板用毛刷刷乾淨或用氣槍吹淨方可流入下一工序。對於防靜電嚴格的產品要用離子吹塵機。清潔的目的的為了把PCB板邦線焊盤上的灰塵和油汙等清潔乾淨以提高邦定的品質。
2、滴粘接膠
滴粘接膠的目的是為了防止產品在傳遞和邦線過程中DIE脫落,在COB工序中通常採用針式轉移和壓力注射法:
①針式轉移法:用針從容器裡取一小滴粘劑點塗在PCB上,這是一種非常迅速的點膠方法
②壓力注射法:將膠裝入注射器內,施加一定的氣壓將膠擠出來,膠點的大小由注射器噴口口徑的大小及加壓時間和壓力大小決定與與粘度有關。此工藝一般用在滴粘機或DIE BOND自動裝置上
膠滴的尺寸與高度取決於晶片(DIE)的型別、尺寸、與PAD位的距離、重量而定。尺寸和重量大的晶片膠滴量大一些,也不宜過大以保證足夠的粘度為準,同時粘接膠不能汙染邦線焊盤。如要一定說是有什麼標準的話,那也只能按不同的產品來定。硬把什麼不能超過晶片的1/3高度不能露膠多少作為標準的話,實沒有這個必要。
3、晶片貼上
晶片貼上也叫DIE BOND(固晶) 粘DIE 邦DIE 邦IC等各公司叫法不一。在晶片貼上中,要求真空吸筆(吸咀)材質硬度要小(也些公司採用棉籤貼上)。吸咀直徑視晶片大小而定,咀尖必須平整以免刮傷DIE表面。在貼上時須檢查DIE與PCB型號,貼上方向是否正確,DIE巾到PCB必須做到"平穩正","平"就是指DIE與PCB平行貼緊無虛位,"穩"是批DIE與PCB在整個流程中不易脫落,"正"是指DIE與PCB預留位正貼,不可偏扭。一定要注意晶片(DIE)方向不得貼反。
4、邦線(引線鍵合)
邦線(引線鍵合)Wire Bond 邦定 連線叫法不一,這裡以邦定為例。
邦定依BONDING圖所定位置把各邦線的兩個焊點連線起來,使其達到電氣與機械連線。邦定的PCB做邦定拉力測試時要求其拉力符合公司所訂標準(參考1.0線大於或等於3.5G 1.25線大於或等於4.5G)鋁線焊點形狀為橢圓形,金線焊點形狀為球形。
邦定熔點的標準
鋁線:
線尾大於或等於0.3倍線徑小於或等於1.5倍線徑
焊點的長度 大於或等於1.5倍線徑 小於或等於5.0倍線徑
焊點的寬度 大於或等於1.2倍線徑 小於或等於3.0倍線徑
線弧的高度等於圓劃的拋物線高度(不宜太高 不宜太低 具體依產品而定)
金線:
焊球一般線上徑的2.6-2.7倍左右
在邦線過程中應輕拿輕放,對點要準確,操任人員應用顯微鏡觀察邦線過程,看有無斷線、卷線、偏位、冷熱焊、起鋁等到不良現象,如有則立即通知管理工或技術人員。在正式生產之前一定得有專人首檢,檢查其有無邦錯、少邦、漏邦拉力等現象。每隔2個小時應有專人核查其正確性。
5、封膠
封膠主要是對測試好的PCB板進行點黑膠。在點膠時要注意黑膠應完全蓋住PCB太陽圈及邦定晶片鋁線,不可有露絲現象,黑膠也不可封出太陽圈以外的地方,如有漏膠應用布條即時擦拭掉。在整個滴膠過程中針咀或毛籤都不可碰到DIE及邦定好的線。烘乾後的黑膠表面不得有氣孔,及黑膠未固化現象。黑膠高度不超過1.8mm為宜,特別要求的應小於1.5mm,點膠時預熱板溫度及烘乾溫度都應嚴格控制。封膠方法通常也採用針式轉移法和壓力注射法。有些公司也用滴膠機,但其成本較高效率低下。通常都採用棉籤和針筒滴膠,但對操作人員要有熟練的操作能力及嚴格的工藝要求。如果碰壞晶片再返修就會非常困難。所以此工序管理人員和工程人員必須嚴格管控。
6、測試
因在邦定過程中會有一些如斷線、卷線、假焊等不良現象而導致晶片故障,所以晶片級封裝都要進行效能檢測。
根據檢測方式可分非接觸式檢測(檢查)和接觸式檢測(測試)兩大類,非接觸式檢測己從人工目測發展到自動光學圖象分析(AOI)X射分析,從外觀電路圖形檢查發展到內層焊點質量檢查,並從單獨的檢查向質量監控和缺陷修補相結合的方向發展。
雖然邦定機裝有自動焊線質量檢測功能(BQM),因邦定機自動焊線質量檢測主要採用設計規則檢測(DRC)和圖形識別兩種方法。DRC是按照一些給定的規則如熔點小於線徑的多少或大於多少一些設定標準來檢查焊線質量。圖形識別法是將儲存的數字化圖象與實際工作進行比較。但這都受工藝控制,工藝規程,引數更改等方面影響。具體採用哪一種方法應根據各單位生產線具體條件,以及產品而定。但無論具備什麼條件,目視檢驗是基本檢測方法,是COB工藝人員和檢測人員必須掌握的內容之一。兩者之間應該互補,不能相互替代.
四、結論
文章所述COB的工藝引數在設計時,必須實際情況加以考慮。掌握這些基本要求,各種可變因素在控制條件下,COB具有在裝載、封裝、組裝密度、可靠性等優點,且與標準SMT工藝相比,可減少產品的製造成本。
板上晶片(Chip On Board,COB)工藝過程首先是在基底表面用導熱環氧樹脂(一般用摻銀顆粒的環氧樹脂)覆蓋矽片安放點,然後將矽片直接安放在基底表面,熱處理至矽片牢固地固定在基底為止,隨後再用絲焊的方法在矽片和基底之間直接建立電氣連線。
裸晶片技術主要有兩種形式:一種是COB技術,另一種是倒裝片技術(Flip Chip)。板上晶片封裝(COB),半導體晶片交接貼裝在印刷線路板上,晶片與基板的電氣連線用引線縫合方法實現,並用樹脂覆蓋以確保可靠性。雖然COB是最簡單的裸晶片貼裝技術,但它的封裝密度遠不如TAB和倒片焊技術 。
一、主要焊接方法
1、熱壓焊
利用加熱和加壓力使金屬絲與焊區壓焊在一起。其原理是透過加熱和加壓力,使焊區(如AI)發生塑性形變同時破壞壓焊介面上的氧化層,從而使原子間產生吸引力達到"鍵合"的目的。此外,兩金屬介面不平整加熱加壓時可使上下的金屬相互鑲嵌。此技術一般用為玻璃板上晶片COG。
2、超聲焊
超聲焊是利用超聲波發生器產生的能量,透過換能器在超高頻的磁場感應下,迅速伸縮產生彈性振動,使劈刀相應振動,同時在劈刀上施加一定的壓力,於是劈刀在這兩種力的共同作用下,帶動AI絲在被焊區的金屬化層如(AI膜)表面迅速摩擦,使AI絲和AI膜表面產生塑性變形,這種形變也破壞了AI層介面的氧化層,使兩個純淨的金屬表面緊密接觸達到原子間的結合,從而形成焊接。主要焊接材料為鋁線焊頭,一般為楔形。
3、金絲焊
球焊在引線鍵閤中是最具代表性的焊接技術,因為現在的半導體封裝二、三極體封裝都採用AU線球焊。而且它操作方便、靈活、焊點牢固(直徑為25UM的AU絲的焊接強度一般為0.07~0.09N/點),又無方向性,焊接速度可高達 15點/秒 以上。金絲焊也叫熱(壓)(超)聲焊主要鍵合材料為金(AU)線焊頭為球形故為球焊。
二、COB封裝流程
第一步:擴晶。採用擴張機將廠商提供的整張LED晶片薄膜均勻擴張,使附著在薄膜表面緊密排列的LED晶粒拉開,便於刺晶。
第二步:背膠。將擴好晶的擴晶環放在已刮好銀漿層的背膠機面上,背上銀漿。點銀漿。適用於散裝LED晶片。採用點膠機將適量的銀漿點在PCB印刷線路板上。
第三步:將備好銀漿的擴晶環放入刺晶架中,由操作員在顯微鏡下將LED晶片用刺晶筆刺在PCB印刷線路板上。
第四步:將刺好晶的PCB印刷線路板放入熱迴圈烘箱中恆溫靜置一段時間,待銀漿固化後取出(不可久置,不然LED晶片鍍層會烤黃,即氧化,給邦定造成困難)。如果有LED晶片邦定,則需要以上幾個步驟;如果只有IC晶片邦定則取消以上步驟。
第五步:粘晶片。用點膠機在PCB印刷線路板的IC位置上適量的紅膠(或黑膠),再用防靜電裝置(真空吸筆或子)將IC裸片正確放在紅膠或黑膠上。
第六步:烘乾。將粘好裸片放入熱迴圈烘箱中放在大平面加熱板上恆溫靜置一段時間,也可以自然固化(時間較長)。
第七步:邦定(打線)。採用鋁絲焊線機將晶片(LED晶粒或IC晶片)與PCB板上對應的焊盤鋁絲進行橋接,即COB的內引線焊接。
第八步:前測。使用專用檢測工具(按不同用途的COB有不同的裝置,簡單的就是高精密度穩壓電源)檢測COB板,將不合格的板子重新返修。
第九步:點膠。採用點膠機將調配好的AB膠適量地點到邦定好的LED晶粒上,IC則用黑膠封裝,然後根據客戶要求進行外觀封裝。
第十步:固化。將封好膠的PCB印刷線路板放入熱迴圈烘箱中恆溫靜置,根據要求可設定不同的烘乾時間。
第十一步:後測。將封裝好的PCB印刷線路板再用專用的檢測工具進行電氣效能測試,區分好壞優劣。
與其它封裝技術相比,COB技術價格低廉(僅為同晶片的1/3左右)、節約空間、工藝成熟。但任何新技術在剛出現時都不可能十全十美,COB技術也存在著需要另配焊接機及封裝機、有時速度跟不上以及PCB貼片對環境要求更為嚴格和無法維修等缺點。
某些板上晶片(COB)的佈局可以改善IC訊號效能,因為它們去掉了大部分或全部封裝,也就是去掉了大部分或全部寄生器件。然而,伴隨著這些技術,可能存在一些效能問題。在所有這些設計中,由於有引線框架片或BGA標誌,襯底可能不會很好地連線到VCC或地。可能存在的問題包括熱膨脹係數(CTE)問題以及不良的襯底連線。
三、COB工藝流程
清潔PCB → 滴粘接膠 → 晶片貼上 → 測試 → 封黑膠加熱固化 → 測試 → 入庫
1、清潔PCB
清洗後的PCB板仍有油汙或氧化層等,不潔部分需擦拭乾淨,擦拭後的PCB板用毛刷刷乾淨或用氣槍吹淨方可流入下一工序。對於防靜電嚴格的產品要用離子吹塵機。清潔的目的的為了把PCB板邦線焊盤上的灰塵和油汙等清潔乾淨以提高邦定的品質。
2、滴粘接膠
滴粘接膠的目的是為了防止產品在傳遞和邦線過程中DIE脫落,在COB工序中通常採用針式轉移和壓力注射法:
①針式轉移法:用針從容器裡取一小滴粘劑點塗在PCB上,這是一種非常迅速的點膠方法
②壓力注射法:將膠裝入注射器內,施加一定的氣壓將膠擠出來,膠點的大小由注射器噴口口徑的大小及加壓時間和壓力大小決定與與粘度有關。此工藝一般用在滴粘機或DIE BOND自動裝置上
膠滴的尺寸與高度取決於晶片(DIE)的型別、尺寸、與PAD位的距離、重量而定。尺寸和重量大的晶片膠滴量大一些,也不宜過大以保證足夠的粘度為準,同時粘接膠不能汙染邦線焊盤。如要一定說是有什麼標準的話,那也只能按不同的產品來定。硬把什麼不能超過晶片的1/3高度不能露膠多少作為標準的話,實沒有這個必要。
3、晶片貼上
晶片貼上也叫DIE BOND(固晶) 粘DIE 邦DIE 邦IC等各公司叫法不一。在晶片貼上中,要求真空吸筆(吸咀)材質硬度要小(也些公司採用棉籤貼上)。吸咀直徑視晶片大小而定,咀尖必須平整以免刮傷DIE表面。在貼上時須檢查DIE與PCB型號,貼上方向是否正確,DIE巾到PCB必須做到"平穩正","平"就是指DIE與PCB平行貼緊無虛位,"穩"是批DIE與PCB在整個流程中不易脫落,"正"是指DIE與PCB預留位正貼,不可偏扭。一定要注意晶片(DIE)方向不得貼反。
4、邦線(引線鍵合)
邦線(引線鍵合)Wire Bond 邦定 連線叫法不一,這裡以邦定為例。
邦定依BONDING圖所定位置把各邦線的兩個焊點連線起來,使其達到電氣與機械連線。邦定的PCB做邦定拉力測試時要求其拉力符合公司所訂標準(參考1.0線大於或等於3.5G 1.25線大於或等於4.5G)鋁線焊點形狀為橢圓形,金線焊點形狀為球形。
邦定熔點的標準
鋁線:
線尾大於或等於0.3倍線徑小於或等於1.5倍線徑
焊點的長度 大於或等於1.5倍線徑 小於或等於5.0倍線徑
焊點的寬度 大於或等於1.2倍線徑 小於或等於3.0倍線徑
線弧的高度等於圓劃的拋物線高度(不宜太高 不宜太低 具體依產品而定)
金線:
焊球一般線上徑的2.6-2.7倍左右
在邦線過程中應輕拿輕放,對點要準確,操任人員應用顯微鏡觀察邦線過程,看有無斷線、卷線、偏位、冷熱焊、起鋁等到不良現象,如有則立即通知管理工或技術人員。在正式生產之前一定得有專人首檢,檢查其有無邦錯、少邦、漏邦拉力等現象。每隔2個小時應有專人核查其正確性。
5、封膠
封膠主要是對測試好的PCB板進行點黑膠。在點膠時要注意黑膠應完全蓋住PCB太陽圈及邦定晶片鋁線,不可有露絲現象,黑膠也不可封出太陽圈以外的地方,如有漏膠應用布條即時擦拭掉。在整個滴膠過程中針咀或毛籤都不可碰到DIE及邦定好的線。烘乾後的黑膠表面不得有氣孔,及黑膠未固化現象。黑膠高度不超過1.8mm為宜,特別要求的應小於1.5mm,點膠時預熱板溫度及烘乾溫度都應嚴格控制。封膠方法通常也採用針式轉移法和壓力注射法。有些公司也用滴膠機,但其成本較高效率低下。通常都採用棉籤和針筒滴膠,但對操作人員要有熟練的操作能力及嚴格的工藝要求。如果碰壞晶片再返修就會非常困難。所以此工序管理人員和工程人員必須嚴格管控。
6、測試
因在邦定過程中會有一些如斷線、卷線、假焊等不良現象而導致晶片故障,所以晶片級封裝都要進行效能檢測。
根據檢測方式可分非接觸式檢測(檢查)和接觸式檢測(測試)兩大類,非接觸式檢測己從人工目測發展到自動光學圖象分析(AOI)X射分析,從外觀電路圖形檢查發展到內層焊點質量檢查,並從單獨的檢查向質量監控和缺陷修補相結合的方向發展。
雖然邦定機裝有自動焊線質量檢測功能(BQM),因邦定機自動焊線質量檢測主要採用設計規則檢測(DRC)和圖形識別兩種方法。DRC是按照一些給定的規則如熔點小於線徑的多少或大於多少一些設定標準來檢查焊線質量。圖形識別法是將儲存的數字化圖象與實際工作進行比較。但這都受工藝控制,工藝規程,引數更改等方面影響。具體採用哪一種方法應根據各單位生產線具體條件,以及產品而定。但無論具備什麼條件,目視檢驗是基本檢測方法,是COB工藝人員和檢測人員必須掌握的內容之一。兩者之間應該互補,不能相互替代.
四、結論
文章所述COB的工藝引數在設計時,必須實際情況加以考慮。掌握這些基本要求,各種可變因素在控制條件下,COB具有在裝載、封裝、組裝密度、可靠性等優點,且與標準SMT工藝相比,可減少產品的製造成本。