貼片機是芯片封裝工藝的重要設(shè)備，按照應(yīng)用類型可分為 SMT 貼片機和先進封裝貼片機，其中后者主要應(yīng)用于近年來快速發(fā)展的引線鍵合工藝和倒裝工藝中。介紹了現(xiàn)有貼片機設(shè)備的貼裝精度、生產(chǎn)率和市場應(yīng)用情況，歸納了高精度貼片設(shè)備開發(fā)過程中的關(guān)鍵技術(shù)：視覺對位系統(tǒng)、整機結(jié)構(gòu)設(shè)計和精密運動控制，并對比分析各技術(shù)的優(yōu)缺點，為國內(nèi)相關(guān)設(shè)備的研究和開發(fā)提供參考。

當(dāng)今半導(dǎo)體工業(yè)發(fā)展應(yīng)用趨勢包含了智能移動設(shè)備、大數(shù)據(jù)、人工智能（AI）、5G 通信網(wǎng)絡(luò)、高性能計算機（HPC）、物聯(lián)網(wǎng)（IoT）、智能汽車、工業(yè)4.0、云計算等。這些應(yīng)用催生了電子器件的快速發(fā)展，芯片要求更高的運算速度，更小的體積，更大的帶寬，同時要求低功耗、低發(fā)熱量和大的存儲容量。這就要求芯片的制造和封裝滿足高性能需求，在被稱為后摩爾定律的時代，芯片的封裝越來越受到重視。

實現(xiàn) IC 芯片的互聯(lián)技術(shù)中，傳統(tǒng)的三級封裝（芯片級封裝，基板級封裝和母版封裝）逐漸被系統(tǒng)級封裝 SIP 取代，無論封裝的方式如何演變，在芯片的封裝過程中離不開一道重要工藝，即貼裝過程。而貼裝工藝經(jīng)歷了從直插式，SMT 表面貼裝，到如今的先進封裝如引線鍵合、倒裝鍵合（flipchip）等工藝。貼片機也伴隨著工藝的發(fā)展，印證了一代工藝，一代設(shè)備的變化。如今為了達(dá)到精細(xì)化的貼裝，同時滿足電子產(chǎn)品的規(guī)模化低成本生產(chǎn)特性，對貼片機提出高精度和高產(chǎn)率的性能指標(biāo)。

1 貼片設(shè)備

1.1 貼片設(shè)備類型

貼片機屬于半導(dǎo)體后端制程工藝中的關(guān)鍵設(shè)備，按照貼片類型劃分兩類：

（1）SMT 貼片機，屬于表面貼裝工藝（SMT）生產(chǎn)線的關(guān)鍵設(shè)備，主要用于將封裝好的芯片、電子元器件如電阻、電容等安裝到 PCB 板上，這類貼片機的供應(yīng)商主要有 K&S、Fuji、Samsung、Siemen、Panasonic、Universal、Yama-ha 等，貼片機特點是貼裝速度快，根據(jù)工藝不同，可以達(dá)到 20 000 片 /h，甚至達(dá)到 150 000 片 /h，貼裝精度不高，一般在 20～40 μm；

（2）先進封裝貼片機，主要用于裸芯片或微型電子組件的貼裝，將芯片安裝到引線框架（Lead frame）、熱沉（Heat sink）、基板（Substrate）或直接安裝到 PCB 板上，一般可分為引線鍵合和倒裝貼片 (Flip chip bon-der)，是目前半導(dǎo)體封裝主流的連接技術(shù)，引線鍵合先通過貼片機完成芯片的堆疊封裝，然后通過引線鍵合機將芯片正面的 pad 點連接到框架或基板焊盤上，目前工藝比較成熟，倒裝貼片是在芯片表面焊盤上放置焊料，翻轉(zhuǎn)后與基板上對應(yīng)的焊球直接通過熱壓焊接的方式，與引線鍵合相比，能夠?qū)崿F(xiàn)更高的封裝密度，更短的線路互聯(lián)，減少干擾，降低容抗，實現(xiàn)更加穩(wěn)定可靠的連接，兩種工藝的對比如圖 1 所示。倒裝貼片機是在傳統(tǒng)貼片機上發(fā)展起來的，各廠商推出的機型也在逐步兼容傳統(tǒng)正裝和倒裝工藝，這類設(shè)備的貼裝精度較高，可以達(dá)到亞微米級至 10 μm 偏移精度，但產(chǎn)率較低，一般只能達(dá)到 1 000～14 000 片 /h。

1.2 貼裝設(shè)備的應(yīng)用

先進封裝貼片設(shè)備主要應(yīng)用于邏輯器件、存儲器、MEMS、LED、Optoelectronic、RF、LD 等器件的微組裝，組裝工藝包含 C2C（chip to chip）、C2W(chip to wafer)、W2W (wafer to wafer)、2.5D/3D 封裝，其中高密度 3D 封裝是未來發(fā)展趨勢，通過TSV（硅穿孔）技術(shù)，實現(xiàn)堆棧芯片互聯(lián)，高密度3D 封裝最明顯的特征是可使產(chǎn)品的尺寸和質(zhì)量減小到原來的 1/5~1/10，其主要采用的貼片技術(shù)有回流焊、熱壓鍵合(TCB)、共晶焊、粘膠工藝、超聲鍵合、紫外固化、導(dǎo)電膠工藝等。

1.3 貼片設(shè)備細(xì)分市場

2018 年先進封裝貼片設(shè)備的總市場份額約為9.79 億美元，預(yù)計后續(xù)每年以 6%的增長速度，到2024 年將達(dá)到 13 億美元的市場份額。該類設(shè)備的主要供應(yīng)商為 Besi 和 ASM，前者占據(jù) 28%市場，后者占據(jù) 31%的市場。從貼片工藝分類，目前膠粘后引線鍵合工藝還是主流方向，但隨著共晶焊工藝的成熟，愈來愈多的芯片采用該工藝，預(yù)計到 2024 年將達(dá)到和引線鍵合相同的市場份額，同時從器件分類來看，近年來隨著 5G 通信、智能手機、無人駕駛和 LED 等領(lǐng)域的發(fā)展，促進光電器件、LED 芯片封裝的快速增長，未來 5 年有望超過邏輯器件和存儲器件的封裝市場份額。

從設(shè)備供應(yīng)商分類來看，高精度高產(chǎn)率的貼片機設(shè)備主要集中在歐美、日本、韓國、新加坡等國家，我國主要依賴進口，國產(chǎn)設(shè)備起步較晚，主要涵蓋低端封裝貼片機。

2 貼片機關(guān)鍵技術(shù)

先進封裝貼片機設(shè)備的開發(fā)涉及到多學(xué)科的系統(tǒng)工程，設(shè)備主要性能指標(biāo)為貼片精度和貼片產(chǎn)率，目前大部分貼片機要么滿足高精度貼片，要么為高產(chǎn)率貼片，同時滿足兩項指標(biāo)是當(dāng)前面臨的挑戰(zhàn)。貼片機主要性能指標(biāo)受到以下關(guān)鍵技術(shù)影響，如精確的視覺對位系統(tǒng)、合理的結(jié)構(gòu)布局、精密的運動控制和完善的系統(tǒng)軟件。

2.1 視覺對位系統(tǒng)

貼片機的對位系統(tǒng)，經(jīng)歷了從最早的機械對位、激光對位到視覺對位的過程，對位精度也逐步提升，視覺對位系統(tǒng)一般包含用于照明光源、成像鏡頭、光電轉(zhuǎn)換相機、用于數(shù)據(jù)傳輸處理的采集卡和處理軟件。

目前芯片和目標(biāo)貼片位置的對準(zhǔn)主要通過視覺對位方式，在手動、半自動貼片設(shè)備中，直接通過圖像重疊的方式進行對位，如圖 2 所示；全自動貼片設(shè)備則主要通過多維度視覺圖像檢測的方式間接對位，其至少包含兩個獨立的成像系統(tǒng)，相機采集圖像，提取圖像邊緣，通過圖像算法識別圖像中心位置。一般布置上下視野相機，分別獲取芯片上特征點或者芯片外型，以及目標(biāo)貼片位置關(guān)聯(lián)的特征點，從而建立芯片和目標(biāo)位置點的坐標(biāo)關(guān)系。在建立坐標(biāo)位置過程中，根據(jù)貼片精度不同，目標(biāo)貼片位置（基板或者晶圓）采用的對位方式分為全局對位（Global align） 和局部對位（Local align）。全局對位效率高，一次對位完成目標(biāo)位坐標(biāo)定位，前提條件是基板或者晶圓的面型精度高，局部對位則能適應(yīng)不同陣列位置的偏差，針對每一貼片位置進行單獨識別定位，適合高精度貼片，但因?qū)ξ活l繁，產(chǎn)率相對較低。

大多數(shù)圖像識別過程是在靜止?fàn)顟B(tài)，近年來發(fā)展的動態(tài)識別，主要為了提升產(chǎn)率，減少運動等待時間，即所謂的飛行視覺，飛行視覺即動態(tài)拍照，貼片機的飛行視覺系統(tǒng)需要完成貼裝頭以一定的速度運動到視覺攝像機的上方時對吸嘴吸取的待貼裝元器件進行圖像采集，同時采用高速視覺處理技術(shù)完成視覺計算的任務(wù)，飛行視覺技術(shù)對提高整機工作效率具有重要意義。飛行拍照需要高速采集圖像，同時定位精度受到相機曝光時間、通信時間影響等，采用該方式拍照的貼片機，主要用于低精度的表面貼裝設(shè)備中，如貼裝精度在 20～50 μm 之間。

系統(tǒng)精度和相機、鏡頭的分辨率以及圖像識別算法直接關(guān)聯(lián)，提高鏡頭 NA，能夠有效提高鏡頭分辨率，同時減少了鏡頭視場，需要平衡選擇。同樣對于相機，提高相機分辨率同樣提高圖像識別能力，負(fù)面影響為增加了單幅圖像的數(shù)據(jù)處理量，增加了圖像采集處理的時間，造成產(chǎn)率影響。圖像識別算法受到工藝影響較大，使用不同算法提取標(biāo)記邊緣特征，能夠增加視覺系統(tǒng)適應(yīng)性，進而產(chǎn)生較低誤差，提高對位精度。

2.2 貼片機結(jié)構(gòu)設(shè)計

貼片機除了精確的視覺對位系統(tǒng)外，還必須保證合理的結(jié)構(gòu)布局，精確的運動機構(gòu)和為了提高產(chǎn)率進行的并行運動設(shè)計，同時必須保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，環(huán)境干擾誤差小等特性。

縱觀貼片機演變過程，根據(jù)貼片設(shè)備工作方式大致可以分為四種類型：動臂式、轉(zhuǎn)盤式（轉(zhuǎn)塔式）、復(fù)合式和大型平行系統(tǒng)。

（1）動臂式又稱為拱架式，這類結(jié)構(gòu)貼片機具有較高的靈活性和較高的貼裝精度，一般布局在大理石或鑄造的龍門架上，安裝來回運動的貼裝臂，是大部分貼片機的主要結(jié)構(gòu)。但和其它幾種結(jié)構(gòu)相比，貼片產(chǎn)率相對低，設(shè)備供應(yīng)商紛紛采用雙臂以提高產(chǎn)率。

（2）轉(zhuǎn)盤式也即轉(zhuǎn)塔式，將貼片頭安裝在旋轉(zhuǎn)的主軸上，在單一貼片頭吸附芯片的同時，其它工位的貼片頭上可以進行對位和貼裝等動作，極大地提升了產(chǎn)率，該結(jié)構(gòu)因傳遞鏈路長，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，帶來的貼片精度相對于動臂式低，主要用于 SMT 貼片機中，先進封裝貼片機還是以動臂式結(jié)構(gòu)為主。

（3） 復(fù)合式結(jié)構(gòu)是在動臂式結(jié)構(gòu)中添加轉(zhuǎn)盤貼片頭，能夠一次轉(zhuǎn)運大量芯片，集中進行吸片和貼片，結(jié)合了動臂式和轉(zhuǎn)盤式優(yōu)點，但結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，開發(fā)成本高，靈活性欠缺。

（4）大型平行系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，根據(jù)產(chǎn)線具體瓶頸工位，設(shè)置多組芯片轉(zhuǎn)運或者貼裝部件，滿足大型生產(chǎn)線的批量封裝需求。

從結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和環(huán)境溫度的影響考慮，貼片機結(jié)構(gòu)框架設(shè)計中，盡量選用比剛度好的材料，即材料的彈性模量與密度的比值。這類材料的剛性好，質(zhì)量輕，如大理石框架、鑄鐵框架，高精度貼片設(shè)備在框架底部增加被動或主動減振系統(tǒng)，減少地基振動的干擾。從誤差尺寸鏈分析角度考慮，同時要考慮兼顧材料的熱膨脹系數(shù)，系數(shù)越小，測量系統(tǒng)受到環(huán)境溫度影響的越小。得益于現(xiàn)代計算機仿真技術(shù)的成熟，以上結(jié)構(gòu)設(shè)計的環(huán)境因素影響可以通過有限元仿真分析結(jié)合實際測試數(shù)據(jù)優(yōu)化設(shè)計，如靜力學(xué)仿真、模態(tài)仿真、動態(tài)仿真、熱力學(xué)仿真等進行優(yōu)化設(shè)計。

從產(chǎn)率提升上考慮，結(jié)構(gòu)設(shè)計盡量滿足物料供給和目標(biāo)貼片位置間最小化，縮短路徑，減小物料轉(zhuǎn)運時間，因為單顆貼片的循環(huán)時間（Cycle time）中，約 70%時間用于物料搬運。如在 ESEC 機型中，曾將 Wafer 供料盤和基板運送軌道設(shè)置成傾斜布局結(jié)構(gòu)，避免空間干涉的同時縮短物料搬運路徑。

結(jié)構(gòu)設(shè)計中，貼片頭是結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵部件，為了適應(yīng)貼片工藝，除了滿足基本的負(fù)壓吸附芯片，還要滿足多自由調(diào)平，保證貼片工藝中芯片和基底緊密均勻貼合，部分工藝還需加壓和加熱，滿足共晶貼片工藝。

2.3 精密運動控制

2.3.1 運動臺系統(tǒng)

在先進封裝貼片機應(yīng)用中，為了配合芯片的轉(zhuǎn)移和貼裝動作，在設(shè)備內(nèi)部布局了多軸位移平臺，這些運動平臺包含承片臺的 X、Y、Z、Rz（旋轉(zhuǎn)方向）運動，以及貼片頭的多維運動。近年來，傳動機構(gòu)也逐步從伺服、步進電機帶動的滾珠絲桿結(jié)構(gòu)改進為直驅(qū)電機結(jié)構(gòu)，對于負(fù)載較重的承片臺，采用氣浮導(dǎo)軌或磁浮導(dǎo)軌代替?zhèn)鲃訚L動導(dǎo)軌，減少了機械傳動的磨損，降低運動誤差，同時提高了運動平臺的速度、加速度和加加速度，進而提升系統(tǒng)產(chǎn)率，在提升貼片頭運動的速度的同時，整機系統(tǒng)往往引入沖擊，在機構(gòu)設(shè)計中部分廠家采用提高框架剛性或者增加配重、引力外引等方式，緩沖運動反力，使系統(tǒng)達(dá)到動平衡狀態(tài)。

傳統(tǒng)采用半閉環(huán)系統(tǒng)，如編碼器反饋位置精度的方式逐步被全閉環(huán)伺服反饋的光柵尺測量系統(tǒng)代替，直接將貼片精度由幾十微米帶入微米級甚至亞微米的貼裝精度。

在運動臺驅(qū)動過程中，一般采用 X、Y 軸層疊驅(qū)動方式，處于下層的 Y 軸因負(fù)載較重，采用雙導(dǎo)軌雙梁驅(qū)動技術(shù)，可以提高 Y 軸的運動速度，減少左右晃動，這時左右兩個驅(qū)動軸要求嚴(yán)格的同步，需要采用同步運動控制。

2.3.2 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)分為控制硬件和控制軟件，硬件架構(gòu)根據(jù)主控模塊不同，一般有以下幾種類型：單片機系統(tǒng)，專業(yè)運動 PLC 系統(tǒng)，PC 機（或服務(wù)器）加專業(yè)運動控制卡，其中單片機和 PLC 主要用于運動結(jié)構(gòu)簡單，運動軌跡固定的設(shè)備中，而 PC 加專業(yè)運動卡可以實現(xiàn)復(fù)雜曲線運動，可以實現(xiàn)復(fù)雜的運動算法 [10] 。對于全自動復(fù)雜控制系統(tǒng)，PC 加專業(yè)運動卡也可采用服務(wù)器加專業(yè)運動控制器代替。一種典型的硬件控制架構(gòu)如圖 3 所示。

系統(tǒng)軟件分為上位機主控程序、人機交互界面軟件和下位機多軸運動控制、圖像采集分析、I/O 控制、模擬量采集，以及系統(tǒng)精度校準(zhǔn)軟件等。貼片機部分精度提升通過視覺系統(tǒng)對位補償提高。

上位機通常為工控機或服務(wù)器，完成人機交互、圖像顯示、任務(wù)分工管理和通信功能，下位機通常為獨立的運動控制模塊、微處理器、PLC 等，要求具有較高的實時性，協(xié)調(diào)各運動軸、傳感器、圖像采集、I/O 控制等動作。對于實時性動作要求較高環(huán)節(jié)，一般采用硬觸發(fā)方式，減少代碼運行時間，提升產(chǎn)率。

3 結(jié) 論

隨著集成電路行業(yè)中 IC 芯片向著高密度、高可靠性和低成本方向發(fā)展，對封裝領(lǐng)域的關(guān)鍵設(shè)備貼片機提出更高的要求，貼裝精度和貼片產(chǎn)率逐年提高。因我國在先進封裝設(shè)備開發(fā)方面起步較晚，關(guān)鍵技術(shù)滯后，造成目前我國高端先進封裝貼片機主要依賴進口，國內(nèi)設(shè)備供應(yīng)商主要開發(fā)滿足低端市場需求，亟待解決打破國外技術(shù)和設(shè)備壟斷局面。隨著近年來我國在集成電路產(chǎn)業(yè)上的持續(xù)投入，國產(chǎn)設(shè)備供應(yīng)商也將迎來新的機遇和挑戰(zhàn)。推動國內(nèi)貼片設(shè)備向高端發(fā)展，首先要解決相關(guān)技術(shù)落后的問題，貼片設(shè)備開發(fā)中的關(guān)鍵技術(shù)，如視覺對位系統(tǒng)開發(fā)、結(jié)構(gòu)設(shè)計仿真和精密運動控制技術(shù)，融合了光、機、電、軟件、算法等多學(xué)科基礎(chǔ)知識，同樣也依賴于國內(nèi)基礎(chǔ)工業(yè)的發(fā)展。未來先進封裝貼片設(shè)備需要具備多功能、模塊化、柔性化、智能化特性，只有不斷投入對關(guān)鍵技術(shù)的研究和開發(fā)，才能突破國外的技術(shù)出口限制，在市場競爭中立于不敗之地。