貼片機(jī)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(jī)和先進(jìn)封裝貼片機(jī)，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(jī)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(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和精密運(yùn)動控制，并對比分析各技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，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(jì)算機(jī)（HPC）、物聯(lián)網(wǎng)（IoT）、智能汽車、工業(yè)4.0、云計(jì)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(yùn)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(shí)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(jìn)封裝如引線鍵合、倒裝鍵合（flipchip）等工藝。貼片機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)，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(jī)的供應(yīng)商主要有 K&S、Fuji、Samsung、Siemen、Panasonic、Universal、Yama-ha 等，貼片機(jī)特點(diǎn)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(jìn)封裝貼片機(jī)，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(jī)完成芯片的堆疊封裝，然后通過引線鍵合機(jī)將芯片正面的 pad 點(diǎn)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(shí)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(jī)是在傳統(tǒng)貼片機(jī)上發(fā)展起來的，各廠商推出的機(jī)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(jìn)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(shí)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(jìn)封裝貼片設(shè)備的總市場份額約為9.79 億美元，預(yù)計(jì)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(jì)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(jī)、無人駕駛和 LED 等領(lǐng)域的發(fā)展，促進(jìn)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(jī)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(jìn)口，國產(chǎn)設(shè)備起步較晚，主要涵蓋低端封裝貼片機(jī)。

2 貼片機(jī)關(guān)鍵技術(shù)

先進(jìn)封裝貼片機(jī)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(jī)要么滿足高精度貼片，要么為高產(chǎn)率貼片，同時滿足兩項(xiàng)指標(biāo)是當(dāng)前面臨的挑戰(zhàn)。貼片機(jī)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(yùn)動控制和完善的系統(tǒng)軟件。

2.1 視覺對位系統(tǒng)

貼片機(jī)的對位系統(tǒng)，經(jīng)歷了從最早的機(jī)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(jī)、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(jìn)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(dú)立的成像系統(tǒng)，相機(jī)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(jī)，分別獲取芯片上特征點(diǎn)或者芯片外型，以及目標(biāo)貼片位置關(guān)聯(lián)的特征點(diǎn)，從而建立芯片和目標(biāo)位置點(diǎn)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(jìn)行單獨(dú)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(yùn)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(jī)的飛行視覺系統(tǒng)需要完成貼裝頭以一定的速度運(yùn)動到視覺攝像機(jī)的上方時對吸嘴吸取的待貼裝元器件進(jìn)行圖像采集，同時采用高速視覺處理技術(shù)完成視覺計(jì)算的任務(wù)，飛行視覺技術(shù)對提高整機(jī)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(jī)曝光時間、通信時間影響等，采用該方式拍照的貼片機(jī)，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(jī)、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(jī)，提高相機(jī)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(jìn)而產(chǎn)生較低誤差，提高對位精度。

2.2 貼片機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

貼片機(jī)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(yùn)動機(jī)構(gòu)和為了提高產(chǎn)率進(jìn)行的并行運(yùn)動設(shè)計(jì)，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(jī)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(jī)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(yùn)動的貼裝臂，是大部分貼片機(jī)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(jìn)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(jī)中，先進(jìn)封裝貼片機(jī)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(yùn)大量芯片，集中進(jìn)行吸片和貼片，結(jié)合了動臂式和轉(zhuǎn)盤式優(yōu)點(diǎn)，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(jì)，根據(jù)產(chǎn)線具體瓶頸工位，設(shè)置多組芯片轉(zhuǎn)運(yùn)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(jī)結(jié)構(gòu)框架設(shè)計(jì)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(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的成熟，以上結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的環(huán)境因素影響可以通過有限元仿真分析結(jié)合實(shí)際測試數(shù)據(jù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，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(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

從產(chǎn)率提升上考慮，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(yùn)時間，因?yàn)閱晤w貼片的循環(huán)時間（Cycle time）中，約 70%時間用于物料搬運(yùn)。如在 ESEC 機(jī)型中，曾將 Wafer 供料盤和基板運(yùn)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(yùn)路徑。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，貼片頭是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(yùn)動控制

2.3.1 運(yùn)動臺系統(tǒng)

在先進(jìn)封裝貼片機(jī)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(yùn)動平臺包含承片臺的 X、Y、Z、Rz（旋轉(zhuǎn)方向）運(yùn)動，以及貼片頭的多維運(yùn)動。近年來，傳動機(jī)構(gòu)也逐步從伺服、步進(jìn)電機(jī)帶動的滾珠絲桿結(jié)構(gòu)改進(jìn)為直驅(qū)電機(jī)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(jī)械傳動的磨損，降低運(yùn)動誤差，同時提高了運(yùn)動平臺的速度、加速度和加加速度，進(jìn)而提升系統(tǒng)產(chǎn)率，在提升貼片頭運(yùn)動的速度的同時，整機(jī)系統(tǒng)往往引入沖擊，在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)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(yùn)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(yùn)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(yùn)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(yùn)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(jī)系統(tǒng)，專業(yè)運(yùn)動 PLC 系統(tǒng)，PC 機(jī)（或服務(wù)器）加專業(yè)運(yùn)動控制卡，其中單片機(jī)和 PLC 主要用于運(yùn)動結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)動軌跡固定的設(shè)備中，而 PC 加專業(yè)運(yùn)動卡可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜曲線運(yùn)動，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的運(yùn)動算法 [10] 。對于全自動復(fù)雜控制系統(tǒng)，PC 加專業(yè)運(yùn)動卡也可采用服務(wù)器加專業(yè)運(yùn)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(jī)主控程序、人機(jī)交互界面軟件和下位機(jī)多軸運(yùn)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(jī)部分精度提升通過視覺系統(tǒng)對位補(bǔ)償提高。

上位機(jī)通常為工控機(jī)或服務(wù)器，完成人機(jī)交互、圖像顯示、任務(wù)分工管理和通信功能，下位機(jī)通常為獨(dú)立的運(yùn)動控制模塊、微處理器、PLC 等，要求具有較高的實(shí)時性，協(xié)調(diào)各運(yùn)動軸、傳感器、圖像采集、I/O 控制等動作。對于實(shí)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(yùn)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(jī)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(jìn)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(jìn)封裝貼片機(jī)主要依賴進(jìn)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(jī)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(jì)仿真和精密運(yùn)動控制技術(shù)，融合了光、機(jī)、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(jìn)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。