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摄像头模组&生物识别模组中的COB封装介绍

日期: 2015-03-25
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COB封装

Chip on Board(板上芯片封装)

  板上芯片(Chip On Board, COB)工艺过程首先是在基底表面用导热环氧树脂(一般用掺银颗粒的环氧树脂)覆盖硅片安放点,然后将硅片直接安放在基底表面,热处理至硅片牢固地固定在基底为止,随后再用丝焊的方法在硅片和基底之间直接建立电气连接。裸芯片技术主要有两种形式:一种是COB技术,另一种是倒装片技术(Flip Chip)。板上芯片封装(COB),半导体芯片交接贴装在印刷线路板上,芯片与基板的电气连接用引线缝合方法实现,芯片与基板的电气连接用引线缝合方法实现,并用树脂覆盖以确保可靠性。虽然COB是最简单的裸芯片贴装技术,但它的封装密度远不如TAB和倒片焊技术。

主要焊接方法

  (1)热压焊
  利用加热和加压力使金属丝与焊区压焊在一起。其原理是通过加热和加压力,使焊区(如AI)发生塑性形变同时破坏压焊界面上的氧化层,从而使原子间产生吸引力达到"键合"的目的,此外,两金属界面不平整加热加压时可使上下的金属相互镶嵌。此技术一般用为玻璃板上芯片COG。
  (2)超声焊
  超声焊是利用超声波发生器产生的能量,通过换能器在超高频的磁场感应下,迅速伸缩产生弹性振动,使劈刀相应振动,同时在劈刀上施加一定的压力,于是劈刀在这两种力的共同作用下,带动AI丝在被焊区的金属化层如(AI膜)表面迅速摩擦,使AI丝和AI膜表面产生塑性变形,这种形变也破坏了AI层界面的氧化层,使两个纯净的金属表面紧密接触达到原子间的结合,从而形成焊接。主要焊接材料为铝线焊头,一般为楔形。
  (3)金丝焊
  球焊在引线键合中是最具代表性的焊接技术,因为现在的半导体封装二、三极管封装都采用AU线球焊。而且它操作方便、灵活、焊点牢固(直径为25UM的AU丝的焊接强度一般为0.07~0.09N/点),又无方向性,焊接速度可高达15点/秒以上。金丝焊也叫热(压)(超)声焊主要键合材料为金(AU)线焊头为球形故为球焊。

COB封装流程

  第一步:扩晶。采用扩张机将厂商提供的整张LED晶片薄膜均匀扩张,使附着在薄膜表面紧密排列的LED晶粒拉开,便于刺晶。
  第二步:背胶。将扩好晶的扩晶环放在已刮好银浆层的背胶机面上,背上银浆。点银浆。适用于散装LED芯片。采用点胶机将适量的银浆点在PCB印刷线路板上。
  第三步:将备好银浆的扩晶环放入刺晶架中,由操作员在显微镜下将LED晶片用刺晶笔刺在PCB印刷线路板上。
  第四步:将刺好晶的PCB印刷线路板放入热循环烘箱中恒温静置一段时间,待银浆固化后取出(不可久置,不然LED芯片镀层会烤黄,即氧化,给邦定造成困难)。如果有LED芯片邦定,则需要以上几个步骤;如果只有IC芯片邦定则取消以上步骤。
  第五步:粘芯片。用点胶机在PCB印刷线路板的IC位置上适量的红胶(或黑胶),再用防静电设备(真空吸笔或子)将IC裸片正确放在红胶或黑胶上。
  第六步:烘干。将粘好裸片放入热循环烘箱中放在大平面加热板上恒温静置一段时间,也可以自然固化(时间较长)。
  第七步:邦定(打线)。采用铝丝焊线机将晶片(LED晶粒或IC芯片)与PCB板上对应的焊盘铝丝进行桥接,即COB的内引线焊接。
  第八步:前测。使用专用检测工具(按不同用途的COB有不同的设备,简单的就是高精密度稳压电源)检测COB板,将不合格的板子重新返修。
  第九步:点胶。采用点胶机将调配好的AB胶适量地点到邦定好的LED晶粒上,IC则用黑胶封装,然后根据客户要求进行外观封装。
  第十步:固化。将封好胶的PCB印刷线路板放入热循环烘箱中恒温静置,根据要求可设定不同的烘干时间。
  第十一步:后测。将封装好的PCB印刷线路板再用专用的检测工具进行电气性能测试,区分好坏优劣。
  与其它封装技术相比,COB技术价格低廉(仅为同芯片的1/3左右)、节约空间、工艺成熟。但任何新技术在刚出现时都不可能十全十美,COB技术也存在着需要另配焊接机及封装机、有时速度跟不上以及PCB贴片对环境要求更为严格和无法维修等缺点。
  某些板上芯片(CoB)的布局可以改善IC信号性能,因为它们去掉了大部分或全部封装,也就是去掉了大部分或全部寄生器件。然而,伴随着这些技术,可能存在一些性能问题。在所有这些设计中,由于有引线框架片或BGA标志,衬底可能不会很好地连接到VCC或地。可能存在的问题包括热膨胀系数(CTE)问题以及不良的衬底连接。

COB工艺流程及基本要求

COB

清洁PCB---滴粘接胶---芯片粘贴---测试---封黑胶加热固化---测试---入库
  1. 清洁PCB
  清洗后的PCB板仍有油污或氧化层等不洁部分用皮擦试帮定位或测试针位对擦拭的PCB板要用毛刷刷干净或用气枪吹净方可流入下一工序。对于防静电严的产品要用离子吹尘机。清洁的目的的为了把PCB板邦线焊盘上的灰尘和油污等清除干净以提高邦定的品质。
  2. 滴粘接胶
  滴粘接胶的目的是为了防止产品在传递和邦线过程中DIE脱落
  在COB工序中通常采用针式转移和压力注射法
  针式转移法:用针从容器里取一小滴粘剂点涂在PCB上,这是一种非常迅速的点胶方法
  压力注射法:将胶装入注射器内,施加一定的气压将胶挤出来,胶点的大小由注射器喷口口径的大小及加压时间和压力大小决定与与粘度有关。此工艺一般用在滴粘机或DIE BOND自动设备上
  胶滴的尺寸与高度取决于芯片(DIE)的类型,尺寸,与PAD位的距离,重量而定。尺寸和重量大的芯片胶滴量大一些,也不宜过大以保证足够的粘度为准,同时粘接胶不能污染邦线焊盘。如要一定说是有什么标准的话,那也只能按不同的产品来定。硬把什么不能超过芯片的1/3高度不能露胶多少作为标准的话,实没有这个必要。
  3. 芯片粘贴
  芯片粘贴也叫DIE BOND(固晶)粘DIE邦DIE 邦IC等各公司叫法不一。在芯片粘贴中,要求真空吸笔(吸咀)材质硬度要小(也些公司采用棉签粘贴)。吸咀直径视芯片大小而定,咀尖必须平整以免刮伤DIE表面。在粘贴时须检查DIE与PCB型号,粘贴方向是否正确,DIE巾到PCB必须做到"平稳正""平"就是指DIE与PCB平行贴紧无虚位"稳"是批DIE与PCB在整个流程中不易脱落"正"是指DIE与PCB预留位正贴,不可偏扭。一定要注意芯片(DIE)方向不得有贴反向之现象。
  4. 邦线(引线键合)
  邦线(引线键合)Wire Bond 邦定 连线叫法不一这里以邦定为例
  邦定依BONDING图所定位置把各邦线的两个焊点连接起来,使其达到电气与机械连接。邦定的PCB做邦定拉力测试时要求其拉力符合公司所订标准(参考1.0线大于或等于3.5G 1.25线大于或等于4.5G)铝线焊点形状为椭圆形,金线焊点形状为球形。
  邦定熔点的标准
  铝线:
  线尾大于或等于0.3倍线径小于或等于1.5倍线径
  焊点的长度 大于或等于1.5倍线径 小于或等于5.0倍线径
  焊点的宽度 大于或等于1.2倍线径 小于或等于3.0倍线径
  线弧的高度等于圆划的抛物线高度(不宜太高不宜太低具体依产品而定)
  金线:
  焊球一般在线径的2.6—2.7倍左右
  在邦线过程中应轻拿轻放,对点要准确,操任人员应用显微镜观察邦线过程,看有无断线,卷线,偏位,冷热焊,起铝等到不良现象,如有则立即通知管理工或技术人员。在正式生产之前一定得有专人首检,检查其有无邦错,少邦,漏邦拉力等现象。每隔2个小时应有专人核查其正确性。
  5. 封胶
  封胶主要是对测试OK之PCB板进行点黑胶。在点胶时要注意黑胶应完全盖住PCB太阳圈及邦定芯片 铝线,不可有露丝现象,黑胶也不可封出太阳圈以外及别的地方有黑胶,如有漏胶应用布条即时擦拭掉。在整个滴胶过程中针咀或毛签都不可碰到DIE及邦定好的线。烘干后的黑胶表面不得有气孔,及黑胶未固化现象。黑胶高度不超过1.8MM为宜,特别要求的应小于1.5MM点胶时预热板温度及烘干温度都应严格控制。(振其BE-08黑胶FR4PCB板为例:预热温度120±15度时间为1.5—3.0分钟 烘干温度为140±15度时间为40—60分钟)封胶方法通常也采用针式转移法和压力注射法。有些公司也用滴胶机,但其成本较高效率低下。通常都采用棉签和针筒滴胶,但对操作人员要有熟练的操作能力及严格的工艺要求。如果碰坏芯片再返修就会非常困难。所以此工序管理人员和工程人员必须严格管控。
  6. 测试
  因在邦定过程中会有一些如断线,卷线,假焊等不良现象而导致芯片故障,所以芯片级封装都要进行性能检测
  根据检测方式可分非接触式检测(检查)和接触式检测(测试)两大类,非接触式检测己从人工目测发展到自动光学图象分析(AOI)X射分析,从外观电路图形检查发展到内层焊点质量检查,并从单独的检查向质量监控和缺陷修补相结合的方向发展。
  虽然邦定机装有自动焊线质量检测功能(BQM)因邦定机自动焊线质量检测主要采用设计规则检测(DRC)和图形识别两种方法。DRC是按照一些给定的规则如熔点小于线径的多少或大于多少一些设定标准来检查焊线质量。图形识别法是将储存的数字化图象与实际工作进行比较。但这都受工艺控制,工艺规程,参数更改等方面影响。具体采用哪一种方法应根据各单位生产线具体条件,以及产品而定。但无论具备什么条件,目视检验是基本检测方法,是COB工艺人员和检测人员必须掌握的内容之一。两者之间应该互补,不能相互替代.

COB芯片板上组装技术

  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,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。如果采用标准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,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,省去了封装成本可显著降低,着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,至今仍然无法与得以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℃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,特别适用与铝丝超声键合工艺。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铝与镍键合是最好的。
  在印制板布局布线设计,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,键合力可能减少到另。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要求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,不能容易被复制,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,而标准封装尺寸往往是芯片的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;
  加工的印制板最小尺寸100×100mm。
  图形识别,需存贮多于200个参考图形。
  多芯片高度,可编程聚焦。
  对不同反差的芯片加工,大于4个可编程光源。
  精细落地模式,适用不平整表面。
  检测引线损耗的引线控制装置。
  大的Z轴行程,适应大尺寸电容器的加工。
  辟刀键合时,具有60度弯曲的能力。
  真空夹持印制板。
  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
  8.COB芯片粘接设备
  COB芯片粘接设备的主要功能如下;
  加工的印制板最小尺寸100×100mm。
  胶点或边沿识别功能,图形识别,需存贮多于100个参考图形。
  多芯片高度,可编程聚焦。
  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
  9.结 论
  文章所述COB印制板的工艺参数在设计时,必须加以考虑。掌握这些基本要求,各种可变因素在控制条件下,COB具有在装载,封装,组装密度,可靠性等优点,且与标准SMT工艺相比,可减少产品的制造成本。
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