Jak zlepšit výtěžnost chipletu a sestavy WLCSP pomocí nosičů přesných pásek a cívek

Průmyslové normy jako EIA-481 a International Electrotechnical Commission (IEC) 60286-3 nařizují maximální povolené vychýlení 1 mm na 250 mm úseku pásky. Stanovují také požadavky na velikosti kapes a celkové rozměrové tolerance. Normy nepředepisují konkrétní materiály pro systémy nosných pásek. Pro malé a odolné pasivní součástky, jako jsou čipové kondenzátory a rezistory, může být papírová nosná páska dobrou volbou. Je levná a může dobře fungovat pro součástky o tloušťce až 0,9 mm.

Pro tenčí součástky, které vyžadují pevnější kapsu, jako je mnoho polovodičových zařízení pro povrchovou montáž (SMD), mohou být dobrou volbou polyesterové, polystyrenové nebo polykarbonátové pásky. U polyesteru může docházet k poměrně velkému smršťování, takže kapsy jsou při delším skladování méně stabilní. Polystyrenové pásky mohou mít relativně vysoký stupeň prohnutí, a přesto zůstávají v mezích specifikací norem EIA-481 a IEC 60286-3. Pro nejmenší komponenty, například chiplety, WLCSP a BGA, jsou často nejlepší volbou pásky vyrobené z polykarbonátu. Polykarbonát je pevný a může chránit jemné součástky před nárazy. Také jeho nízké smrštění udržuje kapsy stabilní po delší dobu. To pomáhá podporovat přesné podávání pásky a pozice kapes, které jsou potřebné u manipulačních strojů.

Zmenšování součástí

Neustálé zmenšování polovodičových zařízení vyvolává potřebu přísnějších rozměrových tolerancí nosné pásky. Normy pro nosné pásky povolují rozměry kapes, které se mohou lišit až o 100 μm. To je v pořádku u pasivních součástek čipového typu a větších polovodičových zařízení SMD. Menší součástky vyžadují tolerance kolem 50 μm, aby se zabránilo nadměrnému natočení nebo naklonění zařízení v kapse. Nejnovější pouzdra, například typ WLCSP, mohou vyžadovat o 44 % mělčí kapsy oproti větším zařízením (obrázek 1). Mají také tolerance 30 μm, které lze konzistentně dodávat pouze pomocí vysoce přesných polykarbonátových nosných pásek.

Obrázek 1: Použití menších součástek, např. WLCSP, vedlo ke snížení výšky kapes nosných pásek o 44 %. (Zdroj obrázku: společnost 3M)

Výzva pro chiplety

Použití chipletů je jedním ze způsobů, jak výrobci řeší potřebu stále menších rozměrů zařízení. Chiplety umožňují návrhářům zařízení vybírat z katalogu čipů, které poskytují specifické funkce, jež mohou být společně umístěny tak, aby podporovaly vyšší funkce na úrovni systému. Mezi běžné technologie balení chipletů patří 2,5rozměrné (2,5D) a 3D struktury. Ve 2,5D pouzdru, někdy nazývaném technologie vodicích tyčí, je několik zařízení umístěno vedle sebe na jedné základně. Vodicí tyč zajišťuje konektivitu. Ve 3D struktuře se čipy skládají na sebe, aby se dosáhlo ještě menšího půdorysu.

Chiplety jsou užitečné, ale vyžadují speciální zacházení. Je třeba je také chránit před poškozením způsobeným výbojem statické elektřiny. Kvůli malým rozměrům jsou vysoce náchylné k vychýlení a odštípnutí hran v kapse, pokud nosná páska není vysoce stabilní s úzkými tolerancemi. Jejich výroba navíc probíhá v čistých prostorách třídy 10 000, a proto vyžadují vhodné nosné pásky se speciálně upravenými vlastnostmi.

Vlastnosti polykarbonátu

Nosná páska z technického polykarbonátu má několik vlastností, díky kterým je zvláště vhodná pro použití s holými čipy, chiplety a zařízeními v pouzdrech WLCSP a BGA. Má jmenovitý povrchový odpor mezi 10⁴ ohmů na čtverec (Ω/čtverec) a 10⁸ Ω/čtverec. Díky tomu může odvádět náboj nahromaděný v důsledku triboelektrického jevu, a chránit tak zařízení citlivá na výboje elektrostatické elektřiny. Polykarbonát je také velmi stabilní, po 24 hodinách při teplotě +85 °C vykazuje typické smrštění < 0,1 %, zatímco u polystyrenu je to za stejných podmínek < 0,5 %.

Například přesné polykarbonátové nosné pásky 3000BD značky 3M se vyrábí inovativním postupem, který vytváří vysoce přesné a přesné kapsy. Ve srovnání s tepelně tvarovanými kapsami v běžných nosičích mají nosiče 3000BD strmější úhly bočních stěn, které snižují možnost pohybu čipů po stěně. Mají také úzké tolerance, pokud jde o délku a šířku kapsy, aby se zabránilo otáčení součástek, a mají extrémně ploché dno, které podporuje lepší práci s manipulačním zařízením (obrázek 2). Kromě toho úzké tolerance kapsy chrání před odštípnutím hrany matrice, které může být významným problémem při přepravě chipletů a holých čipů.

Obrázek 2: Kapsy v polykarbonátové nosné pásce (vlevo) mají strmější strany a plošší dno ve srovnání s alternativními páskami (vpravo). (Zdroj obrázku: společnost 3M)

Polykarbonátová nosná páska 3000BD je vysoce univerzální a dodává se ve formátech vhodných do čistých i nečistých prostor. Protože se čistí a balí v čistém prostoru třídy 10 000, poskytuje maximální ochranu před kontaminací s počtem částic o 60 až 70 % nižším než standardní nosné pásky a každá plastová cívka je kvůli ochraně uzavřena ve staticky stíněném sáčku. Nosné pásky 3000BD jsou také k dispozici na kartonových cívkách pro aplikace mimo čisté prostory a pro méně citlivé komponenty.

Tyto nosné pásky jsou vyrobeny z recyklovatelného termoplastického polymerního filmu plněného uhlíkem a zajišťují vysokou míru udržitelnosti. Ve srovnání s jinými nosnými páskami obsahují nižší úroveň korozivních, vodou extrahovatelných iontových kontaminantů a splňují úroveň 5 částic na milion (ppm) potřebnou pro lepší pájitelnost pájek z olova a cínu (SnPb), olova a india (InPb), zlata (Au) a mědi (Cu) (obrázek 3).

Obrázek 3: Srovnání úrovní iontové kontaminace v ppm pro tři nosné materiály testované podle požadavků MIL-STD-883E, metoda 5011. (Zdroj obrázku: společnost 3M)

Přesné nosiče

Jako příklad uvádíme dva přesné polykarbonátové nosiče řady 3000BD od společnosti 3M: 3000BD-.12MM a 3000BD-12X8 o délce 220 m, resp. 87 m. Dodávají se ve formě souvislých, bezespárových pásek o šířce 8 mm až 44 mm, s navíjením po vrstvách na plastové cívky o velikosti od 330 mm (13") do 560 mm (22") pro použití v čistých prostorách. Na zvláštní objednávku je k dispozici formát planetového vinutí. V závislosti na proměnných, jako je hloubka a rozteč kapes a formát navíjení, tyto cívky obvykle pojmou 30 až 2 000 m nosné pásky (obrázek 4).

Obrázek 4: Přesná polykarbonátová nosná páska se dodává v rolích o délce až 2 000 m. (Zdroj obrázku: společnost 3M)

Volba krycí pásky

Výběr vysoce funkční a přesné nosné pásky je jen polovinou řešení. Návrháři potřebují také krycí pásku, která dokáže ochránit komponenty a zajistit hladké rozhraní s manipulačním zařízením. Dvěma běžnými variantami krycí pásky jsou lepidlo aktivované teplem (HAA) a lepidlo citlivé na tlak (PSA).

Páska HAA se připevňuje pomocí vyhřívané těsnicí botky, která přitlačí na okraje pásky, čímž se komponenty utěsní a nezůstanou na nich zbytky lepidla. U HAA je třeba přesně kontrolovat teplo, tlak a rychlost utěsňování. Lepidlo HAA na pásce může být také ovlivněno teplotou, vlhkostí a dobou skladování. V důsledku toho může být síla potřebná k odlepení pásky HAA poměrně nerovnoměrná. Rozdílná síla odlepování může mít za následek vyskakování zařízení z nosných kapes (tzv. efekt trampolíny), což zpomaluje proces montáže.

Pro menší komponenty, jako jsou chiplety a WLCSP, může být lepší volbou páska PSA. Pásky PSA mají plynulejší a konzistentnější sílu odlepování, což minimalizuje efekt trampolíny a urychluje proces montáže. Navíc jsou méně citlivé na teplo a teplotní podmínky a je méně pravděpodobné, že budou časem podléhat změnám. Nevýhodou některých pásek PSA je, že mohou zanechávat zbytky, které se mohou usazovat na montážních strojích.

Páska PSA utěsňuje komponenty

Jako doplněk k přesným polykarbonátovým nosičům řady 3000BD mohou návrháři použít krycí pásky 3M z polyesterové fólie řady 2668 s vodivým povrchem PSA citlivým na tlak a s vysokou pevností ve střihu. Například páska 2668-5.4MMX500M má šířku 5,4 mm a délku 300 m, zatímco páska 2668-13.3MMX500M má šířku 13,3 mm a délku 300 m. Tyto krycí pásky mají oproti páskám HAA plošší obal a mají sílu odlepování s odchylkou ±10 gramů ve srovnání s ±20 gramy u standardních krycích pásek HAA. Vedle komponenty je vrstva vodivé blokovací fólie, která zajišťuje ochranu proti elektrostatickému výboji a minimalizuje zbytky lepidla.

Pásku 2668 lze použít s malými součástkami, jako jsou holé čipy, chiplety a WLCSP, které vyžadují zvýšenou péči, aby během odlepování nedošlo k efektu trampolíny (obrázek 5). Díky tomu lze tuto pásku použít na vysokorychlostním odlepovacím zařízení, aby se urychlil proces montáže. Je k dispozici ve standardním balení a balení kompatibilním s čistými prostory. Rozdíly mezi nimi jsou:

• Standardní páska se dodává na plastovém jádru, je balena s papírovými vložkami s vysokou hustotou a centrovacím jádrem v jednom polyethylenovém sáčku, který je zabalený v kartonu.
• Páska pro čisté prostory je stejná, ale dodává se ve dvou polyethylenových sáčcích. Díky tomu lze krycí pásku používat a skladovat v čistém prostoru ve vnitřním sáčku, který nepřišel do přímého kontaktu s kartonem.

Obrázek 5: Na obrázku je nosná páska PSA (vlevo nahoře) odlupující se z přesného vodivého polykarbonátového nosiče 3000BD se zařízeními BGA pro referenční velikost. (Zdroj obrázku: společnost 3M)

Závěr

Systémy přesných polykarbonátových nosných pásek lze používat společně s nosnými páskami PSA ke zlepšení výnosnost při použití holých čipů, chipletů, čipů typu „bumped die“, pouzder velikosti čipu, WLCSP a zařízení BGA. Tyto systémy pásek a cívek zajišťují rozsáhlou ochranu choulostivých součástí a mají úzké rozměrové tolerance potřebné pro podporu vysokorychlostního manipulačního zařízení.

Doporučeno k přečtení

1. Přesná technologie tenkých vrstev