Poprawa wydajności montażu chipletów i obudów WLCSP przy użyciu precyzyjnych nośników taśmowo-szpulowych

Normy branżowe, takie jak EIA-481 i 60286-3 Międzynarodowej Komisji Elektrotechnicznej (IEC) narzucają maksymalne dopuszczalne wygięcie 1mm na odcinku taśmy o długości 250mm. Określają one również wymagania dotyczące rozmiarów kieszeni i ogólnych tolerancji wymiarowych. Normy te nie narzucają konkretnych materiałów dla systemów taśm nośnych. W przypadku małych i wytrzymałych komponentów pasywnych, takich jak kondensatory i rezystory mikroelektroniczne, dobrym wyborem może być papierowa taśma nośna. Jest niedroga i dobrze współgra z komponentami o grubości do około 0,9mm.

W przypadku cieńszych komponentów, które wymagają sztywniejszej kieszeni, takich jak wiele urządzeń półprzewodnikowych do montażu powierzchniowego (SMD), dobrym wyborem mogą być taśmy poliestrowe, polistyrenowe lub poliwęglanowe. Poliester może charakteryzować się stosunkowo dużą kurczliwością, co sprawia, że kieszenie są mniej stabilne podczas przechowywania przez dłuższy czas. Taśmy polistyrenowe mogą mieć stosunkowo wysokie wygięcie, a mimo to nadal spełniać specyfikacje norm EIA-481 i IEC 60286-3. W przypadku najmniejszych komponentów, takich jak chiplety, obudowy WLCSP i BGA, często najlepszym wyborem są taśmy wykonane z poliwęglanu. Poliwęglan jest wytrzymały i może chronić delikatne komponenty przed uderzeniami. Ponadto mała kurczliwość zapewnia stabilność kieszeni przez dłuższy czas. Pomaga to w zapewnieniu precyzyjnego podawania taśmy i dokładnych pozycji kieszeni, niezbędnych w urządzeniach do montażu maszynowego.

Coraz mniejsze komponenty

Ciągłe zmniejszanie rozmiarów urządzeń półprzewodnikowych wymusza potrzebę zaostrzania tolerancji wymiarowych taśm nośnych. Normy dla taśm nośnych dopuszczają wymiary kieszeni, które mogą odbiegać od normy nawet o 100μm. Jest to w porządku w przypadku komponentów pasywnych typu mikroukładowego i większych urządzeń półprzewodnikowych do montażu powierzchniowego. Mniejsze komponenty wymagają tolerancji około 50μm, aby zapobiec nadmiernemu obracaniu lub przechylaniu urządzenia w kieszeni. Najnowsze obudowy, takie jak WLCSP, mogą wymagać kieszeni o 44% płytszych w porównaniu z większymi urządzeniami (ilustracja 1). Charakteryzują się one również tolerancjami 30μm, które można zapewnić tylko przy użyciu wysokoprecyzyjnych taśm poliwęglanowych.

Ilustracja 1: zastosowanie mniejszych komponentów, takich jak obudowy WLCSP, spowodowało zmniejszenie wysokości kieszeni taśm nośnych o 44%. (Źródło ilustracji: 3M)

Wyzwania związane z chipletami

Stosowanie chipletów jest jednym ze sposobów, w jaki producenci urządzeń zaspokajają zapotrzebowanie na mniejsze rozwiązania. Chiplety umożliwiają projektantom urządzeń dokonanie wyboru z katalogu struktur półprzewodnikowych zapewniających określone funkcje, które mogą być łączone w obrębie jednej obudowy w celu zapewnienia funkcji wyższego poziomu - poziomu systemowego. Popularne technologie obudów chipletów to m.in. struktury dwuipółwymiarowe (2,5D) i trójwymiarowe (3D). W obudowach 2,5D, czasami nazywanych technologią przekładkową, na jednej podstawie montowanych jest obok siebie kilka urządzeń. Połączenia zapewnia element pośredniczący. W strukturze trójwymiarowej układy scalone są ułożone piętrowo, aby zajmowały jeszcze mniejszą powierzchnię.

Chiplety są użyteczne, ale wymagają specjalnego traktowania. Muszą również być chronione przed uszkodzeniami spowodowanymi przez wyładowania elektrostatyczne (ESD). Ich niewielkie rozmiary sprawiają, że są one bardzo podatne na nieprawidłowe wyrównanie i ukruszanie krawędzi w kieszeni, jeśli taśma nośna nie zapewnia wysokiej stabilności w wąskim zakresie tolerancji. Ponadto ich produkcja odbywa się w środowisku pomieszczeń czystych klasy 10000, dlatego wymagane są odpowiednie taśmy nośne o specjalnie opracowanych właściwościach.

Właściwości poliwęglanu

Specjalnie zaprojektowana poliwęglanowa taśma nośna ma kilka właściwości, dzięki którym szczególnie dobrze nadaje się do stosowania z urządzeniami z nieosłoniętą strukturą, chipletami, obudowami WLCSP oraz BGA. Jej nominalna rezystywność powierzchniowa wynosi od 10⁴Ω/kwadrat do 10⁸Ω/kwadrat. Pozwala to na rozproszenie nagromadzonego ładunku w wyniku zjawiska tryboelektrycznego, co chroni urządzenia wrażliwe na wyładowania elektrostatyczne (ESD). Poliwęglan jest również bardzo stabilny, wykazując typową kurczliwość <0,1% po 24 godzinach w temperaturze +85°C, w porównaniu z <0,5% dla polistyrenu w tych samych warunkach.

Na przykład precyzyjne poliwęglanowe taśmy nośne 3000BD firmy 3M są wytwarzane z użyciem innowacyjnego procesu, który pozwala uzyskać wysoce precyzyjne i dokładne kieszenie. W porównaniu z kieszeniami formowanymi termicznie w konwencjonalnych nośnikach, nośniki 3000BD mają bardziej strome kąty ścian bocznych, co zmniejsza możliwość przemieszczania się struktur półprzewodnikowych po ściance. Charakteryzują się również wąskimi tolerancjami w odniesieniu do długości i szerokości kieszeni, aby zapobiec obracaniu się komponentów, a także wyjątkowo płaskim dnem, które poprawia parametry działania urządzeń do montażu maszynowego (ilustracja 2). Ponadto wąskie tolerancje kieszeni chronią przed ukruszaniem krawędzi struktur, które może stanowić poważny problem podczas wysyłki chipletów i nieosłoniętych struktur.

Ilustracja 2: kieszenie w poliwęglanowej taśmie nośnej (po lewej) mają bardziej strome ściany i bardziej płaskie dna w porównaniu z innymi taśmami (po prawej). (Źródło ilustracji: 3M)

Poliwęglanowa taśma nośna 3000BD jest bardzo uniwersalna i oferowana w formatach odpowiednich do środowisk czystych i innych. Ponieważ jest ona czyszczona i pakowana w pomieszczeniach czystych klasy 10000, zapewnia maksymalną ochronę przed zanieczyszczeniem cząstkami - liczba cząstek stałych jest o 60% do 70% niższa w porównaniu ze standardowymi taśmami nośnymi, a każda plastikowa szpula jest szczelnie zamknięta w worku z ekranem antystatycznym. Taśmy nośne 3000BD są również dostępne na szpulach kartonowych do zastosowań innych niż w pomieszczeniach czystych i do mniej wrażliwych komponentów.

Wspomniane taśmy nośne są wykonane z nadającej się do recyklingu termoplastycznej folii polimerowej z wypełniaczem węglowym i są bardzo przyjazne dla środowiska. Zawierają one mniej korozyjnych i wypłukiwanych przez wodę zanieczyszczeń jonowych w porównaniu z innymi taśmami nośnymi oraz spełniają normę 5ppm niezbędną do zapewnienia lepszych właściwości lutowniczych cynowo-ołowiowych (SnPb), indowo-ołowiowych (InPb), złotych (Au) i miedzianych (Cu) kulek lutowniczych (ilustracja 3).

Ilustracja 3: porównanie poziomów zanieczyszczeń jonowych w częściach na milion (ppm) dla trzech materiałów nośnych, przebadanych zgodnie z wymogami specyfikacji MIL-STD-883E, wg metody 5011. (Źródło ilustracji: 3M)

Nośniki precyzyjne

Dwa przykłady poliwęglanowych precyzyjnych nośników z serii 3000BD firmy 3M to: 3000BD-.12MM i 3000BD-12X8, o długości odpowiednio 220m i 87m. Oferowane są w postaci ciągłych taśm bezłączeniowych o szerokości od 8mm do 44mm, nawijanych równolegle na plastikowych szpulach o rozmiarach od 330mm (13") do 560mm (22") do zastosowań w pomieszczeniach czystych. Na specjalne zamówienie dostępne są taśmy z nawijaniem planetarnym. W zależności od zmiennych, takich jak głębokość kieszeni i raster oraz format nawijania, szpule te zwykle mieszczą od 30 do 2000m taśmy nośnej (ilustracja 4).

Ilustracja 4: precyzyjna poliwęglanowa taśma nośna jest dostarczana w rolkach o długości do 2000m. (Źródło ilustracji: 3M)

Wybór taśm osłonowych

Wybór wysokoparametrowej i precyzyjnej taśmy nośnej to tylko połowa sukcesu. Projektanci potrzebują również taśmy osłonowej, która chroni komponenty i zapewni bezproblemową współpracę ze sprzętem do montażu maszynowego. Dwie popularne taśmy osłonowe to taśma z preparatem przylepnym aktywowanym pod wpływem ciepła (HAA) i taśma z preparatem przylepnym aktywowanym dociskiem (PSA).

Taśmę z preparatem przylepnym aktywowanym pod wpływem ciepła (HAA) mocuje się za pomocą podgrzewanego bloku zamykającego, który dociska krawędzie taśmy, zamykając w ten sposób komponenty i nie pozostawiając resztek kleju. Stosowanie taśm z preparatem przylepnym aktywowanym pod wpływem ciepła (HAA) wymaga dokładnej kontroli temperatury, nacisku i prędkości zamykania. Na działanie taśm z preparatem przylepnym aktywowanym pod wpływem ciepła (HAA) może mieć również wpływ temperatura, wilgotność i czas przechowywania. W rezultacie siła odrywania potrzebna w przypadku taśm z preparatem przylepnym aktywowanym pod wpływem ciepła (HAA) może być stosunkowo różna. Zmienna siła odrywania może powodować wyskakiwanie urządzeń z kieszeni nośnika, co spowalnia proces montażu.

W przypadku mniejszych komponentów, takich jak chiplety i obudowy WLCSP, lepszym wyborem może być taśma z preparatem przylepnym aktywowanym dociskiem (PSA). Taśmy z preparatem przylepnym aktywowanym dociskiem (PSA) charakteryzują się bardziej płynną i równomierną siłą odrywania, co minimalizuje zjawisko wyskakiwania i przyspiesza proces montażu. Ponadto są mniej wrażliwe na ciepło i warunki temperaturowe, a także w mniejszym stopniu zmieniają właściwości z upływem czasu. Wadą niektórych taśm z preparatem przylepnym aktywowanym dociskiem (PSA) jest to, że mogą pozostawiać resztki kleju, które mogą osadzać się na maszynach montażowych.

Taśma z preparatem przylepnym aktywowanym dociskiem (PSA) do zamykania komponentów

W połączeniu z serią precyzyjnych nośników poliwęglanowych 3000BD, projektanci mogą używać przewodzących poliestrowych osłonowych taśm z preparatem przylepnym aktywowanym dociskiem (PSA) serii 2668 firmy 3M, które charakteryzują się wysoką wytrzymałością na ścinanie. Na przykład 2668-5,4MMX500M ma 5,4mm szerokości i 300m długości, natomiast 2668-13,3MMX500M ma 13,3mm szerokości i 300m długości. W porównaniu z taśmami z preparatem przylepnym aktywowanym pod wpływem ciepła (HAA), taśmy te zapewniają bardziej płaską warstwę osłonową i charakteryzują się mniejszą siłą odrywania ±10g (w porównaniu do ±20g). Posiadają one przewodzącą warstwę folii blokującej obok miejsca na komponent, która zapewnia ochronę przed wyładowaniami elektrostatycznymi (ESD) i minimalizuje pozostałości kleju.

Taśmy 2668 można używać z małymi komponentami, takimi jak gołe matryce, chiplety i obudowy WLCSP, które wymagają szczególnej ostrożności, aby zapobiec ich wyskakiwaniu podczas procesu ich zdejmowania z taśmy (ilustracja 5). Dzięki temu taśmę tę można stosować w szybkich urządzeniach do zdejmowania komponentów z taśmy w celu przyspieszenia procesu montażu. Jest ona dostępna w opakowaniach standardowych i zgodnych z normami dla pomieszczeń czystych. Różnice między nimi są następujące:

• Standardowa taśma jest dostarczana na plastikowej gilzie, z warstwami przekładkowymi z papieru o wysokiej gęstości oraz z gilzą centrującą w jednym worku polietylenowym zapakowanym w kartonowe pudełko.
• Taśma do pomieszczeń czystych to ta sama taśma, ale dostarczana w dwóch workach polietylenowych. Pozwala to na używanie i przechowywanie taśmy osłonowej w pomieszczeniu czystym w woreczku wewnętrznym, który nie miał bezpośredniego kontaktu z kartonowym pudełkiem.

Ilustracja 5: taśma osłonowa z preparatem przylepnym aktywowanym dociskiem (PSA) oddzielana od precyzyjnego poliwęglanowego nośnika przewodzącego 3000BD z obudowami BGA przedstawionymi dla porównania rozmiaru. (Źródło ilustracji: 3M)

Podsumowanie

W celu zwiększenia wydajności przy pracy z nieosłoniętymi strukturami, chipletami, strukturami z wyprowadzeniami sferycznymi, obudowami w skali mikroukładowej oraz obudowami WLCSP i BGA w połączeniu z precyzyjnymi systemami poliwęglanowych taśm nośnych można używać taśm osłonowych z preparatem przylepnym aktywowanym dociskiem (PSA). Omawiane systemy taśm i szpul zapewniają kompleksową ochronę delikatnych komponentów i charakteryzują się wąskimi tolerancjami wymiarowymi potrzebnymi do wsparcia pracy szybkich urządzeń montażowych.

Rekomendowane artykuły

1. Precyzyjna technologia cienkowarstwowa