COB芯片PCB板上组装技术
2011-08-15 10:48:49 作者：SZ_LED_IA 来源： 浏览次数：0
COB芯片PCB板上组装技术
1．混合集成技术
当今电子产品的趋势，在一个小型组件或整机内，不断集成越来越多的器件和功能。混合集成技术成为增加包含有源与无源器件封装密度的关键技术之一。
在混合集成各个制造步序中，器件与电路间的互连，某些无源器件如电阻器等，直接在基板上采用厚膜或薄膜工艺淀积制成。混合集成电路基板布局布线的设计有许多重要的参数：导线宽度，导线与键合盘最近连接的布线，键合强度，键合引线弧环的高度，热耗散等都必须加以考虑。
厚膜集成电路工艺，器件与电路间的互连，导线与电阻都是在基板上，采用各种功能浆料印刷烧结而成。薄膜集成电路工艺，互连与导线采用电镀或其他PVD方法淀积在陶瓷基板上，光刻制作所需导电图形，电阻与其他无源器件可印刷或焊接工艺装连。当基板上的无源表贴器件全部装连完成后，芯片粘贴设备将电路芯片粘贴到基板的给定位置，接下使用键合设备进行金丝或铝丝的键合，实现芯片与基板电路间的电气连接，最后封装。
混合集成技术能在一个非常小的基板面积上集成大量电路芯片和小型无源器件。如采用标准SMT表面贴装工艺，势必要占用比混合集成技术高达20倍的面积。
混合集成电路制造过程需要对半导体晶圆制造工艺，以及芯片组装和键合工艺的全面掌握。一些小公司不具备这些条件，而且小批量制作混合电路组件，其成本相对是昂贵的。然而混合集成电路的应用涉及医疗，航天航空，军用，汽车与通讯领域，在这些领域中，混合集成电路技术是不可缺少的。
2．COB芯片直接板上组装技术
许多年来，业界致力于开发混合集成电路技术的优势，但在制造成本没获突破。因此至今印制板组装工艺在复杂电路装联方面仍不失为最好的选择。只需对某些方面进行改进、裸芯片板上直接装连键合工艺无疑是容易的，可靠的。
COB芯片直接板上组装技术首先用于数字钟，手表。每块印制、电路板装有一块芯片，现已广泛应用于数码相机，计算器，电话卡与各种智能卡。COB在复杂的电路组件中，如装有5,000个LED与IC驱动组合的的打印机模块，先进数据处理电路32bitHP9000计算机母板安装22个IC与一块modem电路等产品扩大了应用。
今天在单块印制板组装方面超过100个芯片的多芯片工艺也得到成功，日本的娱乐设备及乎所有电子组件都已采用COB技术，在某些应用领域COB大有取代SMT之势。
成本分析表明DIP封装成本经常高出其内含的芯片三倍之多。采用COB技术，封装成本可显著降低，这在大批量生产尤为突出。
COB技术在欧州起步晚，应用领域也正在不断扩大，至今仍然无法与广泛应用的日本和美国相比，尤其在高组装密度与薄型封装的应用方面。
3．COB组装工艺
芯片板上直接组装模块与混合集成电路的制造工艺是非常类似的。其主要的差别是两者使用的基本材料与封装形式，COB使用的基板是有机印制电路板，而后者是陶瓷基板。COB的裸芯片被高分子有机树脂包封或球形塑封，混合集成电路最后使用金属外壳封装。与标准SMT组装工艺比较，COB与混合集成组装制过程的工艺步序较少。
印制板或PCB是由许多不同材料制成，如酚醛树脂，聚氨基甲酸树脂，聚酰胺树脂，有机硅，氟塑料等等，氟塑料（聚四氟乙稀）在高温环境下，具有高电阻的特性，聚氨基甲酸树脂能适应特别大的温度变化，如汽车电子，在非常高的温度条件，要求极小的热膨胀系数，此时氟塑料是最能胜任的。
通常，COB印制板使用的导线材料为铜基导线，键合盘需要进行表面处理，在铜基材上镀复2-4μm镍，接下再镀复0.1-0.2μm金(CuNiAu)
使用含银环氧导电胶将芯片粘接到印制板安装位置，在250℃条件下固化。功率器件的散热问题是通过芯片背面与粘接的印制板的铜层形成热路，最后组装时，冷却板固定安装在散热指或封装体上。
芯片与印制板间的电路连接使用铝丝或金丝。铝丝键合的最大优点是键合可在室温进行。在产品承受高温或大的温度变化时，铝丝超声键合显示很高的可靠性。金丝要达到键合可靠性需要在120℃以上的键合温度。印制板使用的许多材料在较高温度会变软，甚至键合盘会被从印制板基材中拉出脱离。当使用金丝与芯片上的铝层键合盘进行键合时，如果要求最终产品需要承受较高的工作温度，键合盘会存在损坏的危险。这种损坏的机理是由于Kirkendall孔隙造成键合盘被拉离。选择铝丝或金丝主要取决产品应用要求及工作的环境温度。
完成引线键合后，芯片可使用多种工艺进行包封保护，有机硅可在室温条件下固化，也有使用环氧或其他材料的黑胶。芯片也可使用塑料或金属壳进行封盖，最后COB单元被装入封装腔体内，使用焊接或键合工艺实现电路连接。
4．铝丝超声键合工艺
产品需要高的键合质量时，通常使用铝丝超声键合工艺，其键合速度与金丝球焊工艺相比要慢得多，采用铝丝键合工艺的最终产品因为材料表面处理的成本不贵，所以最终产品也是价低的。
铝丝超声键合实际是一种磨檫焊接工艺，两种纯金属在予设置的压力下，由超声换能器产生的超声振动相互加压磨檫，直到完成磨檫键合。
超声振动的幅度在1-2μm。焊接过程可分为三部分，首先是清洗表面，其二，清除氧化层，第三是两纯金属相互连接。这两个金属面相互受压，其间的距离小于一个原子，得到的焊接是高质量高可靠的。
芯片金属化层通常使用纯铝或铝合金，厚度在0.8-2μm，特别适用于铝丝超声键合工艺。印制板键合盘是铜镍金复合金属层（Cu/Ni2-4μm/Au0.1-0.2μm）金层表面在加工过程中保护受杂质和化学物质的污染。在清洗表面时金层被去除，但这不影响键合过程，磨檫焊接在铝丝与镍层间发生。经测试评估得在稳定性，可靠性，导电性，特别的高使用温度等情况下，铝与镍键合是最好的。
在印制板布局布线设计中，有许多参数如键合盘尺寸，间距必须考虑。为避免在键合时产生一些问题，必须保证印制板具有高的平整度，不能变形。
铝丝键合是室温超声焊接工艺，在焊接过程中应防止键合范围的印制板移动或振动，因此在键合时，印制板必须采用真空负压夹持固定。在键合盘邻近区域的铜导线的粘合力也是基本因素，即使存在1μm的振动也会对键合产生不利影响。 印制板表面的均匀性是另一个因素，如镍层的厚度变化或降低到0.5μm以下，则键合质量不稳定，键合力可能减少到零z。在键合区内的铜层的粗糙度应受控制小于2μm。这是由超声振动能补偿的最大偏差。
5．金丝球焊工艺
与铝丝超声键合不同，金丝球焊不能在室温条件下进行，其至少在120℃才可得到合格的焊接质量。金丝球焊与铝丝键合一样，在焊接过程，为避免表面温度的变化及超声功率损失，印制板必须保持平整。
键合盘表面金属化处理，镍层厚1μm，金层1.5-2μm(CuNiAu)。印制板因使用贵金属加工成本高于铝丝键合印制板，金丝球焊的速度比铝丝键合快三倍。由于铝丝是低温焊接工艺，需要更大的超声功率与精密的键合工作台夹持固定印制板，于是影响整个产能。超声键合使用劈刀及金丝球焊的毛细管，工具类型也影响加工的速度。
6．COB与封装工艺
封装除了将芯片与外界隔离保护作用外，还有电路的连接。
标准的封装形式有限，且引脚的数量也是标准的。这就意味着如需要额外的电气连接，则必须选用较大的封装，这样势必会增加封装的尺寸与成本。
超过100个引脚的芯片一般需要价高的封装，有时封装的几何尺寸给键合带来许多难度，造成对芯片的损坏。专用集成电路ASIC通常是小批量生产，增加了选择相应的封装的困难。但最大困难是如何满足需要尽可能高引脚数专用封装的用户。
使用现在的技术在非常短时间需要设计的印制板实现大量的互连，今天COB技术能为其提供满意的方案。
在非常少生产量或低的加工成本，大量的芯片连接与互连可以正确得到解决。引线键合完成后，电路芯片与所有的键合引线采用上述的工艺进行包封。对于需要知识产权保护的小批量ASIC组件，容易被复制，这种封装提供了优点。而且无源器件与其他芯片也可集成在同一个封装内。
COB封装方法的优点首先是封装体积小型化，而标准封装尺寸常是芯片的10倍。其二，高引脚数ASIC的标准封装的成本经常比芯片自身大得多。
7．COB引线键合设备
从经验得到使用COB技术加工90%的产品需要100×100mm印制板，每块印制板芯片少于100，所以用于COB的键合设备必需满足下面的最低要求；（1）加工的印制板最小尺寸100×100mm。（2）图形识别，需存贮多于200个参考图形。（3）多芯片高度，可编程聚焦。（4）对不同反差的芯片加工，大于4个可编程光源。（5）精细落地模式，适用不平整表面。（6）检测引线损耗的引线控制装置。（7）大的Z轴行程，适应大尺寸电容器的加工。（8）辟刀键合时，具有60度弯曲的能力。（9）真空夹持印制板。（10）键合工具应有足够的空间，满足深腔体封装的键合要求。（11）柔行传动系统，装载25-15-mm长度印制板。
8．COB芯片粘接设备
COB芯片粘接设备的主要功能如下；（1）加工的印制板最小尺寸100×100mm。（2）胶点或边沿识别功能，图形识别，需存贮多于100个参考图形。（3）多芯片高度，可编程聚焦。（4）适合晶圆，华夫盘或Gel包装芯片送料装置。
能满足至少4种不同尺寸芯片的可编程点胶装置。在程序控制下，可选择或更换需要采用印刷或点胶方法的能力。键合工具应有足够的空间，满足深腔体封装的键合要求。柔行传动系统，装载25-15-mm长度印制板。
