Améliorer le rendement d'assemblage de chiplets et WLCSP à l'aide de supports de bande et bobine de précision

Les normes de l'industrie, telles que la norme EIA-481 et la norme 60286-3 de la Commission électrotechnique internationale (CEI), imposent une courbure admissible maximum de 1 millimètre (mm) sur une section de bande de 250 mm. Elles fixent également les exigences pour la taille des poches et les tolérances dimensionnelles globales. Les normes n'imposent pas de matériaux spécifiques pour les systèmes de bandes porteuses. Pour les composants passifs compacts et robustes tels que les condensateurs et les résistances pavés, une bande porteuse en papier peut constituer un bon choix. Cette solution est économique et peut fonctionner correctement pour des composants jusqu'à environ 0,9 mm d'épaisseur.

Pour les composants plus fins qui nécessitent une poche plus rigide, comme de nombreux dispositifs à semi-conducteurs à montage en surface (CMS), les rubans en polyester, en polystyrène ou en polycarbonate peuvent être un bon choix. Le polyester peut subir un retrait relativement important, ce qui rend les poches moins stables lorsqu'elles sont stockées pendant de longues périodes. Les bandes en polystyrène peuvent présenter des degrés de courbure relativement élevés, tout en restant cependant conformes aux spécifications EIA-481 et CEI 60286-3. Pour les composants les plus petits, comme les chiplets, WLCSP et BGA, les bandes en polycarbonate technique sont souvent le meilleur choix. Le polycarbonate est solide et peut protéger les composants fragiles contre les chocs. De plus, son faible retrait maintient les poches stables sur de longues périodes. Cela contribue à prendre en charge l'alimentation précise de la bande et les positions de poche requises par les machines d'assemblage automatisé.

Miniaturisation des composants

La réduction continue de la taille des dispositifs à semi-conducteurs entraîne le besoin de tolérances dimensionnelles plus strictes pour les bandes porteuses. Les normes pour les bandes porteuses autorisent des dimensions de poche pouvant varier jusqu'à 100 micromètres (μm). Cela convient aux composants passifs de type puce et aux dispositifs à semi-conducteurs CMS plus grands. Les composants plus petits requièrent des tolérances d'environ 50 μm pour éviter une rotation ou une inclinaison excessive du dispositif dans la poche. Les boîtiers les plus récents, tels que WLCSP, peuvent nécessiter des poches 44 % moins profondes que les dispositifs plus grands (Figure 1). Ils présentent également des tolérances de 30 μm qui ne peuvent être fournies de manière cohérente qu'avec des bandes porteuses en polycarbonate de haute précision.

Figure 1 : L'utilisation de composants plus petits, tels que le format WLCSP, a permis de réduire de 44 % la hauteur des poches des bandes porteuses. (Source de l'image : 3M)

Le défi des chiplets

L'utilisation de chiplets est l'un des moyens utilisés par les fabricants de dispositifs pour répondre au besoin de solutions plus petites. Les chiplets permettent aux concepteurs de dispositifs de faire leur choix parmi un catalogue de puces offrant des fonctions spécifiques qui peuvent être associées pour prendre en charge des fonctionnalités supérieures au niveau du système. Les technologies courantes de boîtiers chiplets incluent les structures 2.5D et 3D. Dans un boîtier 2.5D, parfois appelé technologie d'interposeur, plusieurs dispositifs sont montés côte à côte sur une seule base. L'interposeur fournit la connectivité. Dans une structure 3D, les puces sont empilées pour atteindre une empreinte encore plus petite.

Les chiplets sont utiles mais requièrent un traitement particulier. Ils doivent être protégés contre les dommages causés par les décharges électrostatiques (DES). Leur petite taille les rend très sensibles au désalignement et à l'écaillage des bords dans la poche si la bande porteuse n'est pas très stable avec des tolérances strictes. De plus, leur fabrication s'effectue dans un environnement de salle blanche de classe 10 000, et ils nécessitent donc des bandes porteuses appropriées avec des propriétés spécialement conçues.

Propriétés du polycarbonate

La bande porteuse en polycarbonate technique possède plusieurs propriétés qui la rendent particulièrement adaptée à une utilisation avec des dispositifs de types puce nue, chiplet, WLCSP et BGA. Elle présente une résistivité de surface nominale comprise entre 10⁴ ohms par carré (Ω/carré) et 10⁸ Ω/carré. Cela lui permet de dissiper l'accumulation de charge due aux effets triboélectriques, et ainsi de protéger les dispositifs sensibles aux décharges électrostatiques. Le polycarbonate est également très stable, avec un retrait typique < 0,1 % après 24 heures à +85 °C, contre < 0,5 % pour le polystyrène dans les mêmes conditions.

Par exemple, les bandes porteuses de précision en polycarbonate 3000BD de 3M sont fabriquées à l'aide d'un procédé innovant qui produit des poches hautement précises et exactes. Par rapport aux poches thermoformées des supports conventionnels, les supports 3000BD ont des angles de paroi latérale plus raides qui réduisent la possibilité de mouvement des puces. Ils présentent également des tolérances strictes en matière de longueur et de largeur de poche pour empêcher la rotation des composants, et ils ont un fond extrêmement plat qui permet des performances améliorées avec un équipement d'assemblage automatisé (Figure 2). De plus, les tolérances de poche strictes offrent une protection contre l'écaillage des bords des puces, ce qui peut constituer un problème majeur lors de l'expédition de chiplets et de puces nues.

Figure 2 : Les poches dans la bande porteuse en polycarbonate (à gauche) ont des côtés plus raides et des fonds plus plats par rapport aux bandes alternatives (à droite). (Source de l'image : 3M)

La bande porteuse en polycarbonate 3000BD est très polyvalente et est proposée dans des formats adaptés aux environnements de salle blanche et et hors salle blanche. Comme elle est nettoyée et conditionnée dans une salle blanche de classe 10 000, elle offre une protection maximum contre la contamination par les particules avec un nombre de particules inférieur de 60 % à 70 % à celui des bandes porteuses standard, et chaque bobine en plastique est scellée dans un sac antistatique pour la protection. Les bandes porteuses 3000BD sont également disponibles sur des bobines en carton pour les applications hors salle blanche et pour les composants moins sensibles.

Ces bandes porteuses sont fabriquées avec un film en polymère thermoplastique chargé de carbone recyclable et elles prennent en charge des niveaux élevés de durabilité. Par rapport à d'autres bandes porteuses, elles contiennent moins de contaminants ioniques extractibles à l'eau corrosifs, et respectent le niveau de 5 parties par million (ppm) requis pour améliorer la soudabilité des perles de soudure en étain-plomb (SnPb), indium-plomb (InPb), or (Au) et cuivre (Cu) (Figure 3).

Figure 3 : Comparaison des niveaux de contamination ionique en ppm pour trois matériaux de support testés selon les exigences de la norme MIL-STD-883E, méthode 5011. (Source de l'image : 3M)

Supports de précision

Deux exemples de supports de précision en polycarbonate de la série 3000BD de 3M incluent le 3000BD-.12MM et le 3000BD-12X8, mesurant respectivement 220 mètres (m) et 87 m de long. Ils sont proposés sous forme de bandes continues sans épissure mesurant de 8 mm à 44 mm de large, avec un format d'enroulement uniforme sur des tailles de bobines en plastique s'étendant de 330 mm (13 po) à 560 mm (22 po) pour les applications de salle blanche. Un format d'enroulement planétaire est disponible sur commande spéciale. En fonction de variables telles que le pas et la profondeur de la poche et le format d'enroulement, ces bobines contiennent généralement de 30 m à 2000 m de bande porteuse (Figure 4).

Figure 4 : La bande porteuse de précision en polycarbonate est disponible en rouleaux jusqu'à 2000 m. (Source de l'image : 3M)

Choix de bandes de recouvrement

La sélection d'une bande porteuse de précision hautes performances n'est qu'une partie du problème. Les concepteurs ont également besoin d'une bande de recouvrement capable de protéger les composants et de fournir une interface fluide avec l'équipement d'assemblage automatisé. Deux choix courants de bande de recouvrement sont l'adhésif thermocollant (HAA) et l'adhésif sensible à la pression (PSA).

La bande HAA est appliquée à l'aide d'un patin de scellage chauffé qui appuie sur les bords de la bande, ce qui permet de sceller les composants et de les maintenir exempts de résidus d'adhésif. Avec la bande HAA, la chaleur, la pression et la vitesse de scellage doivent être contrôlées avec précision. L'adhésif sur la bande HAA peut également être affecté par la température, l'humidité et la durée de stockage. Par conséquent, la force de décollement nécessaire avec la bande HAA peut être relativement irrégulière. La force de décollement variable peut entraîner l'éjection des dispositifs hors des poches de transport (on parle alors d'effet trampoline), ralentissant le processus d'assemblage.

Pour les composants plus petits tels que les chiplets et WLCSP, la bande PSA peut être le meilleur choix. Les bandes PSA ont une force de décollement plus homogène et régulière, ce qui réduit l'effet trampoline et accélère le processus d'assemblage. De plus, elles sont moins sensibles aux conditions de chaleur et de température, et moins susceptibles de varier dans le temps. Un inconvénient de certaines bandes PSA est qu'elles peuvent laisser des résidus qui peuvent s'accumuler sur les machines d'assemblage.

Bandes PSA dans les composants

En complément des supports de précision en polycarbonate série 3000BD, les concepteurs peuvent utiliser la série 2668 de 3M, composée de bandes de recouvrement à film polyester conducteur, sensibles à la pression PSA et à fort cisaillement. Par exemple, le 2668-5.4MMX500M mesure 5,4 mm de large par 300 m de long, tandis que le 2668-13.3MMX500M mesure 13,3 mm de large par 300 m de long. Ces bandes de recouvrement offrent un recouvrement plus plat par rapport aux bandes HAA et fournissent une force de décollement avec une variation de ±10 grammes par rapport à ±20 grammes pour les bandes de recouvrement HAA standard. Elles ont une couche de film de blocage conducteur à côté du composant pour fournir une protection DES et minimiser les résidus d'adhésif.

La bande 2668 peut être utilisée avec de petits composants tels que des puces nues, chiplets et WLCSP, qui nécessitent une attention particulière pour éviter l'effet trampoline pendant le processus de détachement (Figure 5). Par conséquent, cette bande peut être utilisée sur un équipement de détachement haute vitesse pour accélérer le processus d'assemblage. Elle est disponible en conditionnement standard et en conditionnement compatible avec les salles blanches. Les différences entre les deux conditionnement sont les suivantes :

• La bande standard est fournie sur un support en plastique, avec des inserts en papier haute densité et un noyau de centrage dans un seul sac en polyéthylène placé dans un carton.
• La bande pour salle blanche est identique, mais emballée dans deux sacs en polyéthylène. Cela permet à la bande de recouvrement d'être utilisée et stockée dans un environnement de salle blanche dans le sac intérieur qui n'a pas été en contact direct avec le carton.

Figure 5 : La bande porteuse PSA (en haut à gauche) se détache d'un support de précision en polycarbonate conducteur 3000BD, avec des dispositifs BGA comme référence de taille. (Source de l'image : 3M)

Conclusion

Les systèmes de bande porteuse en polycarbonate de précision peuvent être utilisés avec les bandes porteuses PSA pour améliorer le rendement lors de l'utilisation de puces nues, de chiplets et de dispositifs CSP, WLCSP et BGA. Ces systèmes de bande et bobine offrent une protection étendue pour les composants fragiles et présentent les tolérances dimensionnelles strictes requises pour prendre en charge les équipements d'assemblage automatisé haute vitesse.

Lecture recommandée

1. Technologie à couches minces de précision