Come migliorare la resa di assemblaggio di chiplet e WLCSP con l'uso di nastri portanti e bobine di precisione

Gli standard di settore come EIA-481 e International Electrotechnical Commission (IEC) 60286-3 prevedono una curvatura massima consentita di 1 mm su una sezione di nastro di 250 mm. Inoltre, stabiliscono i requisiti per le dimensioni delle tasche e le tolleranze dimensionali complessive. Gli standard non dettano materiali specifici per i sistemi a nastro portante. Per i componenti passivi piccoli e robusti, come i condensatori in chip e i resistori, un nastro portante di carta può essere una buona scelta. È poco costoso e può funzionare bene per componenti con uno spessore di 0,9 mm circa.

Per i componenti più sottili che richiedono una tasca più rigida, come molti dispositivi a semiconduttore a montaggio superficiale (SMD), i nastri in poliestere, polistirene o policarbonato possono essere una scelta valida. Il poliestere può subire un restringimento relativamente elevato, rendendo le tasche meno stabili se conservate per lunghi periodi. I nastri in polistirene possono presentare gradi di curvatura relativamente elevati, pur rimanendo conformi alle specifiche EIA-481 e IEC 60286-3. Per i componenti più piccoli, come chiplet, WLCSP e BGA, i nastri in policarbonato ingegnerizzato sono spesso la scelta migliore. Il policarbonato è resistente e può proteggere i componenti delicati dagli urti. Inoltre, il suo basso restringimento mantiene le tasche stabili per lunghi periodi. Ciò contribuisce all'alimentazione precisa del nastro e alle posizioni costanti delle tasche per le macchine pick-and-place.

Componenti sempre più piccoli

La continua miniaturizzazione dei dispositivi a semiconduttore sta determinando la necessità di tolleranze dimensionali più rigide per i nastri portanti. Gli standard per i nastri portanti prevedono dimensioni della tasca che possono variare fino a 100 μm. Ciò va bene per i componenti passivi in chip e per i dispositivi a semiconduttore SMD più grandi. I componenti più piccoli richiedono tolleranze di circa 50 μm per evitare una rotazione o un'inclinazione eccessiva del dispositivo nella tasca. I contenitori più recenti, come WLCSP, possono richiedere tasche del 44% meno profonde rispetto ai dispositivi più grandi (Figura 1). Hanno anche tolleranze di 30 μm che possono essere assicurate in modo costante solo utilizzando nastri portanti in policarbonato di alta precisione.

Figura 1: L'uso di componenti più piccoli, come i WLCSP, ha permesso di ridurre del 44% l'altezza delle tasche dei nastri portanti. (Immagine per gentile concessione di 3M)

La sfida del chiplet

L'uso dei chiplet è un modo in cui i produttori di dispositivi rispondono all'esigenza di soluzioni più piccole. I chiplet offrono ai progettisti di dispositivi un vasto catalogo di chip dalle funzioni specifiche che possono essere co-incapsulate per supportare le funzionalità di livello superiore del sistema. Le tecnologie comuni di confezionamento dei chiplet includono strutture a 2,5 dimensioni (2,5D) e 3D. Nel confezionamento 2,5D, talvolta chiamato tecnologia di interposizione, diversi dispositivi sono montati uno accanto all'altro su un'unica base. L'interpositore fornisce la connettività. In una struttura 3D, i chip sono impilati per risultare in un ingombro ancora più compatto.

I chiplet sono utili ma richiedono una speciale attenzione in fatto di manipolazione. Inoltre, devono essere protetti dai danni causati dalle scariche elettrostatiche. Le loro piccole dimensioni li rendono altamente suscettibili al disallineamento e alla scheggiatura dei bordi nella tasca se il nastro portante non è molto stabile con tolleranze strette. Inoltre, la loro fabbricazione avviene in un ambiente di camera bianca di classe 10.000 e quindi richiedono nastri portanti adatti con proprietà appositamente calibrate.

Proprietà del policarbonato

Il nastro portante in policarbonato ingegnerizzato ha diverse proprietà che lo rendono particolarmente adatto all'uso con dispositivi su die nudo, chiplet, WLCSP e BGA. Ha una resistività superficiale nominale compresa tra 10⁴ Ω/quadrato e 10⁸ Ω/quadrato. Ciò consente di dissipare l'accumulo di carica dovuto agli effetti triboelettrici e di proteggere i dispositivi sensibili alle scariche elettrostatiche. Il policarbonato è anche molto stabile, con un restringimento tipico di <0,1% dopo 24 ore a +85 °C, rispetto a <0,5% del polistirene a parità di condizioni.

Ad esempio, i nastri portanti in policarbonato di precisione 3000BD di 3M sono realizzati con un processo innovativo che produce tasche altamente precise e accurate. Rispetto alle tasche formate a caldo dei nastri portanti convenzionali, i nastri portanti 3000BD presentano angoli laterali più ripidi che riducono la possibilità di movimento dei chip lungo la parete. Hanno inoltre tolleranze strette rispetto alla lunghezza e alla larghezza della tasca per evitare la rotazione dei componenti e hanno un fondo piatto che assicura prestazioni migliori con le apparecchiature pick-and-place (Figura 2). Inoltre, le strette tolleranze della tasca proteggono dalla scheggiatura del bordo del die, che può essere un problema significativo quando si spediscono chiplet e die nudi.

Figura 2: Le tasche nel nastro portante in policarbonato (a sinistra) hanno lati più ripidi e fondo più piatto rispetto ai nastri alternativi (a destra). (Immagine per gentile concessione di 3M)

Il nastro portante in policarbonato 3000BD è versatile ed è disponibile in formati adatti ad ambienti con e senza camera bianca. Essendo pulito e confezionato in una camera bianca di classe 10.000, offre la massima protezione dalla contaminazione da particelle, inferiori del 60%-70% rispetto ai nastri portanti standard;ogni bobina plastica è sigillata in una busta di schermatura antistatica. I nastri portanti 3000BD sono disponibili anche in bobine di cartone per applicazioni non pulite e per componenti meno sensibili.

Questi nastri portanti sono realizzati con un film polimerico termoplastico riciclabile riempito di carbonio e supportano alti livelli di sostenibilità. Contengono un livello inferiore di contaminanti ionici corrosivi ed estraibili in acqua rispetto ad altri nastri portanti e soddisfano il livello di 5 ppm necessario per supportare una migliore saldabilità dei bump in stagno-piombo (SnPb), indio-piombo (InPb), oro (Au) e rame (Cu) (Figura 3).

Figura 3: Confronto dei livelli di contaminazione ionica in ppm di tre materiali portanti testati secondo i requisiti di MIL-STD-883E, Metodo 5011. (Immagine per gentile concessione di 3M)

Nastri portanti di precisione

Due esempi della serie 3000BD di nastri portanti in policarbonato di precisione di 3M sono 3000BD-.12MM e 3000BD-12X8, lunghi rispettivamente 220 m e 87 m. Sono offerti come nastri continui, senza giunzioni, di larghezza compresa tra 8 e 44 mm, con un formato di avvolgimento a livello su bobine plastiche di dimensioni comprese tra 330 mm e 560 mm per applicazioni in camera bianca. Il formato di avvolgimento planetario è disponibile come ordine speciale. A seconda di variabili quali la profondità e il passo delle tasche e il formato di avvolgimento, queste bobine contengono in genere da 30 a 2.000 m di nastro portante (Figura 4).

Figura 4: Il nastro portante in policarbonato di precisione è disponibile in bobine fino a 2.000 m. (Immagine per gentile concessione di 3M)

Scelta del nastro di copertura

La scelta di un nastro portante di precisione e ad alte prestazioni è solo un lato della medaglia. I progettisti hanno anche bisogno di un nastro di copertura in grado di proteggere i componenti e di fornire un'interfaccia agevole con le apparecchiature pick-and-place. Due scelte comuni per i nastri di copertura sono l'adesivo termo-attivato (HAA) e l'adesivo sensibile alla pressione (PSA).

Il nastro HAA viene fissato mediante un pattino sigillante riscaldato che preme sui bordi del nastro, sigillando così i componenti e lasciandoli liberi da residui di adesivo. Con l'HAA, il calore, la pressione e la velocità di sigillatura devono essere controllati con precisione. L'adesivo del nastro HAA può essere soggetti anche alla temperatura, all'umidità e al tempo di conservazione. Di conseguenza, la forza di spellatura necessaria con il nastro HAA può essere relativamente incostante. La forza di spellatura variabile può causare la fuoriuscita dei dispositivi dalle tasche (il cosiddetto effetto trampolino), rallentando il processo di assemblaggio.

Per i componenti più piccoli, come chiplet e WLCSP, il nastro PSA può essere la scelta migliore. I nastri PSA hanno una forza di spellatura più uniforme e costante, che riduce al minimo l'effetto trampolino e velocizza l'assemblaggio. Inoltre, sono meno sensibili alle condizioni di calore e temperatura e hanno minori probabilità di variare nel tempo. Uno svantaggio di alcuni nastri PSA è che possono lasciare residui che si possono accumulare sulle macchine di assemblaggio.

Il nastro PSA sigilla i componenti

A complemento della serie 3000BD di nastri portanti in policarbonato di precisione, i progettisti possono utilizzare la serie 2668 di nastri di copertura in film di poliestere conduttivi PSA sensibili alla pressione di 3M. Ad esempio, il nastro 2668-5.4MMX500M misura 5,4 mm di larghezza per 300 m di lunghezza, mentre il nastro 2668-13.3MMX500M misura 13,3 mm di larghezza per 300 m di lunghezza. Questi nastri offrono una copertura più piatta rispetto ai nastri HAA e forniscono una forza di spellatura con una variazione di ±10 grammi rispetto ai ±20 grammi dei nastri di copertura HAA standard. Hanno uno strato conduttivo di blocco accanto al componente per garantire la protezione ESD e ridurre al minimo i residui di adesivo.

Il nastro 2668 può essere utilizzato con componenti di piccole dimensioni come die nudi, chiplet e WLCSP che richiedono una maggiore attenzione per evitare l'effetto trampolino durante il processo di denastratura (Figura 5). Di conseguenza, questo nastro può essere utilizzato su apparecchiature di denastratura ad alta velocità per accelerare l'assemblaggio. È disponibile in confezioni standard e compatibili con camera bianca. Le principali differenze tra i due sono:

• Il nastro standard viene fornito su un'anima in plastica, confezionato con inserti di carta ad alta densità e un'anima di centraggio in un'unica busta in polietilene imballata in una scatola di cartone.
• Il nastro per camere bianche è lo stesso nastro, ma viene fornito in due buste in polietilene. In questo modo il nastro di copertura può essere utilizzato e conservato in un ambiente di camera bianca nella busta interna che non ha avuto contatto diretto con la scatola di cartone.

Figura 5: Il nastro portante PSA (in alto a sinistra) si stacca da un nastro portante in policarbonato conduttivo di precisione 3000BD con dispositivi BGA come riferimento dimensionale. (Immagine per gentile concessione di 3M)

Conclusione

I nastri portanti in policarbonato di precisione possono essere utilizzati insieme ai nastri portanti in PSA per migliorare la resa quando si utilizzano die nudi, chiplet, bumped die, contenitori chip scale, WLCSP e dispositivi BGA. Questi sistemi nastrati in bobina offrono grande protezione ai componenti delicati e presentano le rigide tolleranze dimensionali necessarie per supportare le apparecchiature pick-and-place ad alta velocità.

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1. Tecnologia a film sottile di precisione