Рекомендации к выбору технологического оборудования для создания участка корпусирования микросхем, микросборок и многокристальных модулей

Автор: Воробьев Сергей - специалист отдела микроэлектроника ООО «ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ и ТЕХНОЛОГИИ», [email protected]

Специфика отечественного микроэлектронного производства пока такова, что основными его потребителями являются производители сложных изделий ответственного применения с высокой добавленной стоимостью. То есть, это производители, относящиеся к ВПК, предприятиям космического и медицинского приборостроения. Как правило, эти производители ориентированы на мелкосерийное многономенклатурное производство. В этом контексте следует упомянуть учебные и научные лаборатории ВУЗов и исследовательских институтов, которые разрабатывают и производят единичные экземпляры прототипов и рабочих образцов.

Да, в России также были предприняты попытки создания эффективных компаний-производителей микроэлектроники, выпускающих массовую продукцию (например, производства светодиодов), но результаты пока нельзя назвать успешными. После шумного старта такие компании сейчас, в лучшем случае, не закрылись и продолжают выпускать свою продукцию в гораздо меньших масштабах, чем ожидалось, без возможности инвестирования в развитие производства и разработку новых типов изделий.

Поэтому при принятии решения создать свое собственное сборочное производство изделий микроэлектроники, необходимо четко понимать, кто будет основным потребителем, какова у него потребность в вашей продукции. Отсюда вытекает понимание об ассортименте продукции, которую предполагается выпускать (номенклатуре) и серийности производства.

Исходя из предпосылок, изложенных в первом абзаце статьи, наиболее очевидным выводом является то, что вновь создаваемое производство должно быть многономенклатурным, ориентированным на мелкую/среднюю серию. Соответственно, используемое оборудование должно обладать определенной гибкостью, масштабируемостью, способностью к быстрой переналадке. Кроме того, желательно, чтобы оборудование позволяло выпускать изделия любой степени сложности, то есть в него должна быть заложена возможность реализации широкого круга технологических задач.

При проектировании такого производства (как правило, сначала речь идет о небольшом участке, укомплектованным ручным или полуавтоматическим оборудованием) и расчете требуемого объема инвестиций, заказчики зачастую начинают работу с конца – то есть, определяют перечень технологического оборудования и его общую стоимость, имея при этом плохо сформулированное понимание того, что именно они хотят выпускать (конструкция изделия) и с использованием каких технологических процессов. Это неизбежно приводит к тому, что между заказчиками и поставщиками оборудования возникает недопонимание. В результате возможны два варианта: заказчик, при наличии средств, приобретает оборудование с избыточными возможностями и в избыточной конфигурации; либо заказчик приобретает оборудование, возможности которого впоследствии оказываются недостаточными для выполнения поставленных задач и дальнейшего развития производства. В обоих случаях можно говорить о «потерянных» инвестициях и времени. Чтобы избежать этого, заказчику необходима грамотная техническая и технологическая поддержка уже на этапе предварительного проектирования производства. Специалисты компании «Протех» обладают необходимыми компетенциями для осуществления такого рода поддержки заказчиков.

Предположим, что речь идет о создании участка корпусирования микросборок и многокристальных модулей. Возьмем к рассмотрению именно эту тематику, так как интерес к этому обусловлен, в первую очередь, требованиями рынка. Многие заказчики хотели бы переработать свои изделия, которые зачастую представляют собой достаточно габаритные электронные модули, собранные на печатных платах, в компактные и надежные микросборки. Это позволило бы им снизить массу и габариты изделий, расширить их функциональность, увеличить быстродействие и надежность.

На этапе выполнения предпроектных работ и определения предварительного бюджета проекта, необходимо детально проработать как минимум три вопроса (именно в такой последовательности, как указано ниже):

1. Какая производственная технология будет использована
2. Какая планируемая мощность производства
3. Какое технологическое оборудование должно быть использовано

По первому пункту заказчик должен максимально четко сформулировать задачу, а именно: какую продукцию он будет выпускать (конструкция изделий), планируемый выход годных, какую комплектацию он будет использовать (материалы и габариты кристаллов, корпусов, подложек и т.п.), разработать предварительную схему технологического процесса (укрупненно, пошагово, с определением типа оборудования на каждом переходе), определить контрольные точки с методиками измерений и испытаний, а также решить, на каком этапе производства возможен ремонт изделий и вид ремонта.

Далее заказчик должен определить стадии развития производства – от опытного единичного до полноценного производства, с учетом плана наращивания мощностей на каждой стадии.

И, наконец, третьим этапом определяется перечень необходимого технологического оборудования. Чем четче сформулирована задача по пунктам 1 и 2, тем проще понять, какое оборудование необходимо, в какой конфигурации, какие к нему предъявляются требования и, самое главное, тем проще и быстрее получить достоверную информацию о требуемом объеме инвестиций в оборудование.

Рассмотрим типовой технологический процесс производства ИМС, микросборок и многокристальных модулей и попробуем определить перечень типов оборудования.

Таблица 1. Типовой технологический процесс сборки.

Как видно, важно определить не только перечень основного технологического оборудования, но также и вспомогательного, оборудования для контроля качества на каждой технологической операции, оборудования для хранения материалов и полусборок. То есть необходимо рассмотреть задачу комплексно, учитывая нюансы – если я выполняю операцию монтажа кристаллов, то как я буду оценивать качество монтажа? С помощью каких методов? Где хранить материалы? Полусобранные изделия?

В таблице не учтено оборудование, которое может потребоваться для анализа отказов, так как оно может быть использовано без привязки к технологическому процессу. К такому оборудованию, например, можно отнести установки рентгеновского контроля, сканирующие электронные микроскопы (SEM), сканирующие акустические микроскопы (SAM). Автору также известен случай, когда для выявления причины брака и нестабильного процесса разварки выводов кристалла использовалась высокоскоростная видеокамера. Процесс разварки настолько быстрый, что невозможно визуально отследить его стадии, а с помощью видеокамеры с высокой скоростью записи удалось определить причину нестабильности процесса.

В таблице 1 указан типовой процесс сборки. Разумеется, в каждом конкретном случае процесс обрастает соответствующими деталями, специфичными для процесса сборки конкретного вида изделия. Возможно, с чьей-то точки зрения, информация в таблице покажется недостаточно полной. Но здесь важен подход, а не точность в деталях.

Итак, предварительный перечень оборудования понятен и теперь необходимо перейти к формулированию требований к оборудованию. Предположим, что речь идет о сборке многокристальных модулей, в которых используются как флип-чипы, так и кристаллы для прямого монтажа. Здесь «сердцем» всей линейки оборудования является установщик кристаллов. Чтобы выбор оборудования был максимально осознанным, в первую очередь необходимо определить следующую информацию:

• материал и габариты кристаллов
• материал и геометрия бампов, предполагаемый процесс монтажа (пайка, термокомпрессия и т.д.)
• материал монтажа кристаллов и особенности его применения (способ нанесения, режим сушки/пайки и т.д.)
• требования к точности и скорости монтажа
• требования к скорости переналадки с изделия на изделие
• вид упаковки кристаллов (на пленке, в кассете, GelPack и т.д.)
• материал и габариты корпуса/подложки
• степень автоматизации (ручное, полу- или автоматическое оборудование, загрузка/выгрузка вручную или автоматически)

Перечень можно продолжить, но как правило для таких задач необходимо оборудование, основными характеристиками которого являются высокая точность монтажа, гибкость (работа с любыми типами кристаллов и корпусов/подложек, большое рабочее поле), универсальность (реализация большого количества методов монтажа кристаллов и флип-чипов), высокая скорость переналадки, масштабируемость (возможность дооснащения необходимыми опциями в будущем, повышение степени автоматизации процесса).

Этим требованиям отвечает оборудование компаний Finetech (Германия) и Palomar Technologies (США), которое поставляет наша компания. Основным различием между установками монтажа кристаллов этих производителей является то, что оборудование Finetech предназначено в первую очередь для высокоточного (вплоть до субмикронного) монтажа и единичного или мелкосерийного производства. В то время как оборудование Palomar Technologies больше подходит для мелко- или среднесерийного производства с высокой степенью автоматизации и с точностью монтажа до 1,5 мкм. Во всем остальном (в гибкости, универсальности, масштабируемости, возможности собирать изделия любой степени сложности) установщики Finetech и Palomar Technologies являются «чемпионами» и их основные заказчики – предприятия с многономенклатурным производством, выпускающие изделия ответственного применения.

Для примера мы можем рассмотреть две установки – установка монтажа 6500 (Palomar Technologies) и Fineplacer sigma (Finetech).

Рисунок 1. Palomar Technologies 6500	Рисунок 2. Fineplacer sigma

Таблица 2. Сравнение технических характеристик установок для монтажа Fineplacer sigma и Palomar Technologies 6500

Как видно из Таблицы 2, каждая из представленных моделей оборудования обладает своими сильными сторонами. Общим же является возможность решения широкого круга технологических задач. И если заказчиком проводилась детальная предпроектная работа, то выбор для него будет очевиден.

Если требуется использовать процесс бесфлюсовой вакуумной пайки для монтажа кристаллов, то можно рассматривать как оборудование Finetech/Palomar (в которых этот процесс может быть реализован как встроенная опция), так и отдельное оборудование – систему вакуумной пайки. Такая система (или печь) может быть также использована и на этапе герметизации корпуса – то есть бесфлюсовой пайки крышки к корпусу с помощью AuSn преформы. В этом случае заказчик сможет оптимизировать свои средства, осуществляя пайку кристаллов и крышек в отдельном оборудовании и не включая опцию вакуумной пайки в конфигурацию установщика кристаллов.

При выборе системы вакуумной пайки, необходимо также четко сформулировать задачу: габариты изделий, требуемый профиль пайки, используемые рабочие газы или среды, требуется ли пайка в среде избыточного давления и т.д. Также необходимо понимать, какая планируется серийность производства на начальном этапе, с учетом плана развития мощностей.

Если мы говорим о небольшом участке для единичного или мелкосерийного производства, то для такого уровня производства можно эффективно использовать системы вакуумной пайки компании Invacu (Болгария). Это компактные системы VSU20 (рисунок 3) и VSU28 (рисунок 4), предназначенные для лабораторного мелкосерийного производства. Системы различаются между собой габаритами рабочих зон, а также уровнем максимальной температуры пайки (для VSU28 это 650°С). Кроме того, система VSU28 позволяет осуществлять пайку в среде избыточного давления. По остальным возможностям системы практически идентичны.

Рисунок 3. Invacu VSU20	Рисунок 4. Invacu VSU28

Таблица 3. Основные технические характеристики систем VSU20 и VSU28 Invacu

Системы вакуумной пайки Invacu обладают двумя главными достоинствами – они компактны и универсальны. И могут применяться для самого широкого круга задач – бесфлюсовой пайки в среде защитного газа, монтажа мощных кристаллов на теплоотводящее основание, монтажа флип-чипов, оплавления бампов на пластине, монтажа мощных светодиодов, герметизации корпусов, сборки фотоэлектрических ячеек, сборки гибридных ИС, МЭМС-устройств и оптоэлектронных приборов, автомобильных датчиков и т.д. Поэтому их использование для многономенклатурного мелко- и среднесерийного производства более чем оправдано. Разумеется, если этого требует технологический процесс.

Итак, при проектировании участка корпусирования, первый вопрос, на который заказчик должен сам дать ответ – производство какого уровня он хочет создать? Если создавать с нуля производство, оснастив его оборудованием, не проработав предварительно вопросы, касающиеся номенклатуры, конструктива и технологии, то в данном случае велик риск нерациональных инвестиций. То есть приобретения дорогостоящего оборудования с таким набором функций и возможностей, которые, на самом деле, никогда не будут использоваться заказчиком.

Если все же отталкиваться от конструктива и технологии, то у заказчика есть возможность осознанно подходить к выбору технологического оборудования, оснащению его теми опциями, которые требуются для выполнения текущих и будущих задач. Не инвестируя свои средства в дорогостоящее оборудование и опции сразу, на всякий случай. Но в то же время, оставлять себе возможность для будущего расширения возможностей оборудования. Подобный рациональный подход к выбору конфигурации и постепенному расширению функциональных возможностей оборудования более чем оправдан и позволяет оптимизировать инвестиции еще на этапе проектирования участка корпусирования микросхем.