貼片機是芯片封裝工藝的重要設備，按照應用類型可分為 SMT 貼片機和先進封裝貼片機，其中后者主要應用于近年來快速發展的引線鍵合工藝和倒裝工藝中。介紹了現有貼片機設備的貼裝精度、生產率和市場應用情況，歸納了高精度貼片設備開發過程中的關鍵技術：視覺對位系統、整機結構設計和精密運動控制，并對比分析各技術的優缺點，為國內相關設備的研究和開發提供參考。

當今半導體工業發展應用趨勢包含了智能移動設備、大數據、人工智能（AI）、5G 通信網絡、高性能計算機（HPC）、物聯網（IoT）、智能汽車、工業4.0、云計算等。這些應用催生了電子器件的快速發展，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 IC 芯片的互聯技術中，傳統的三級封裝（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展，印證了一代工藝，一代設備的變化。如今為了達到精細化的貼裝，同時滿足電子產品的規模化低成本生產特性，對貼片機提出高精度和高產率的性能指標。

1 貼片設備

1.1 貼片設備類型

貼片機屬于半導體后端制程工藝中的關鍵設備，按照貼片類型劃分兩類：

（1）SMT 貼片機，屬于表面貼裝工藝（SMT）生產線的關鍵設備，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，根據工藝不同，可以達到 20 000 片 /h，甚至達到 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)，是目前半導體封裝主流的連接技術，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，翻轉后與基板上對應的焊球直接通過熱壓焊接的方式，與引線鍵合相比，能夠實現更高的封裝密度，更短的線路互聯，減少干擾，降低容抗，實現更加穩定可靠的連接，兩種工藝的對比如圖 1 所示。倒裝貼片機是在傳統貼片機上發展起來的，各廠商推出的機型也在逐步兼容傳統正裝和倒裝工藝，這類設備的貼裝精度較高，可以達到亞微米級至 10 μm 偏移精度，但產率較低，一般只能達到 1 000～14 000 片 /h。

1.2 貼裝設備的應用

先進封裝貼片設備主要應用于邏輯器件、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 封裝是未來發展趨勢，通過TSV（硅穿孔）技術，實現堆棧芯片互聯，高密度3D 封裝最明顯的特征是可使產品的尺寸和質量減小到原來的 1/5~1/10，其主要采用的貼片技術有回流焊、熱壓鍵合(TCB)、共晶焊、粘膠工藝、超聲鍵合、紫外固化、導電膠工藝等。

1.3 貼片設備細分市場

2018 年先進封裝貼片設備的總市場份額約為9.79 億美元，預計后續每年以 6%的增長速度，到2024 年將達到 13 億美元的市場份額。該類設備的主要供應商為 Besi 和 ASM，前者占據 28%市場，后者占據 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，預計到 2024 年將達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 等領域的發展，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。

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

2 貼片機關鍵技術

先進封裝貼片機設備的開發涉及到多學科的系統工程，設備主要性能指標為貼片精度和貼片產率，目前大部分貼片機要么滿足高精度貼片，要么為高產率貼片，同時滿足兩項指標是當前面臨的挑戰。貼片機主要性能指標受到以下關鍵技術影響，如精確的視覺對位系統、合理的結構布局、精密的運動控制和完善的系統軟件。

2.1 視覺對位系統

貼片機的對位系統，經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，視覺對位系統一般包含用于照明光源、成像鏡頭、光電轉換相機、用于數據傳輸處理的采集卡和處理軟件。

目前芯片和目標貼片位置的對準主要通過視覺對位方式，在手動、半自動貼片設備中，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，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，以及目標貼片位置關聯的特征點，從而建立芯片和目標位置點的坐標關系。在建立坐標位置過程中，根據貼片精度不同，目標貼片位置（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，一次對位完成目標位坐標定位，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，但因對位頻繁，產率相對較低。

大多數圖像識別過程是在靜止狀態，近年來發展的動態識別，主要為了提升產率，減少運動等待時間，即所謂的飛行視覺，飛行視覺即動態拍照，貼片機的飛行視覺系統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完成視覺計算的任務，飛行視覺技術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備中，如貼裝精度在 20～50 μm 之間。

系統精度和相機、鏡頭的分辨率以及圖像識別算法直接關聯，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，負面影響為增加了單幅圖像的數據處理量，增加了圖像采集處理的時間，造成產率影響。圖像識別算法受到工藝影響較大，使用不同算法提取標記邊緣特征，能夠增加視覺系統適應性，進而產生較低誤差，提高對位精度。

2.2 貼片機結構設計

貼片機除了精確的視覺對位系統外，還必須保證合理的結構布局，精確的運動機構和為了提高產率進行的并行運動設計，同時必須保證系統的穩定性，環境干擾誤差小等特性。

縱觀貼片機演變過程，根據貼片設備工作方式大致可以分為四種類型：動臂式、轉盤式（轉塔式）、復合式和大型平行系統。

（1）動臂式又稱為拱架式，這類結構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構。但和其它幾種結構相比，貼片產率相對低，設備供應商紛紛采用雙臂以提高產率。

（2）轉盤式也即轉塔式，將貼片頭安裝在旋轉的主軸上，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，極大地提升了產率，該結構因傳遞鏈路長，結構復雜，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構為主。

（3） 復合式結構是在動臂式結構中添加轉盤貼片頭，能夠一次轉運大量芯片，集中進行吸片和貼片，結合了動臂式和轉盤式優點，但結構相對復雜，開發成本高，靈活性欠缺。

（4）大型平行系統采用模塊化設計，根據產線具體瓶頸工位，設置多組芯片轉運或者貼裝部件，滿足大型生產線的批量封裝需求。

從結構的穩定性和環境溫度的影響考慮，貼片機結構框架設計中，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，質量輕，如大理石框架、鑄鐵框架，高精度貼片設備在框架底部增加被動或主動減振系統，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，系數越小，測量系統受到環境溫度影響的越小。得益于現代計算機仿真技術的成熟，以上結構設計的環境因素影響可以通過有限元仿真分析結合實際測試數據優化設計，如靜力學仿真、模態仿真、動態仿真、熱力學仿真等進行優化設計。

從產率提升上考慮，結構設計盡量滿足物料供給和目標貼片位置間最小化，縮短路徑，減小物料轉運時間，因為單顆貼片的循環時間（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置成傾斜布局結構，避免空間干涉的同時縮短物料搬運路徑。

結構設計中，貼片頭是結構設計的關鍵部件，為了適應貼片工藝，除了滿足基本的負壓吸附芯片，還要滿足多自由調平，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

在先進封裝貼片機應用中，為了配合芯片的轉移和貼裝動作，在設備內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（旋轉方向）運動，以及貼片頭的多維運動。近年來，傳動機構也逐步從伺服、步進電機帶動的滾珠絲桿結構改進為直驅電機結構，對于負載較重的承片臺，采用氣浮導軌或磁浮導軌代替傳動滾動導軌，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，進而提升系統產率，在提升貼片頭運動的速度的同時，整機系統往往引入沖擊，在機構設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，使系統達到動平衡狀態。

傳統采用半閉環系統，如編碼器反饋位置精度的方式逐步被全閉環伺服反饋的光柵尺測量系統代替，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。

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

2.3.2 控制系統

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

系統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，以及系統精度校準軟件等。貼片機部分精度提升通過視覺系統對位補償提高。

上位機通常為工控機或服務器，完成人機交互、圖像顯示、任務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，協調各運動軸、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節，一般采用硬觸發方式，減少代碼運行時間，提升產率。

3 結 論

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