Como melhorar os rendimentos da montagem de chiplets e WLCSP usando portadores precisos de fita e carretel

Os padrões do setor, como EIA-481 e Comissão Eletrotécnica Internacional (IEC) 60286-3, exigem uma curvatura máxima permitida de 1 milímetro (mm) em uma seção de fita de 250 mm. Eles também definem requisitos para tamanhos de bolso e tolerâncias dimensionais gerais. Os padrões não determinam materiais específicos para sistemas de fita do portador. Para componentes passivos pequenos e robustos, como capacitores e resistores de chip, uma fita do portador em papel pode ser uma boa opção. Ela é barata e pode funcionar bem para componentes com espessura de até 0,9 mm.

Para componentes mais finos que exigem um bolso mais rígido, como muitos dispositivos semicondutores de montagem em superfície (SMD), as fitas de poliéster, poliestireno ou policarbonato podem ser uma boa opção. O poliéster pode sofrer um encolhimento relativamente grande, tornando os bolsos menos estáveis quando armazenados por longos períodos. As fitas de poliestireno podem ter graus relativamente altos de curvatura e, ainda assim, permanecer dentro das especificações EIA-481 e IEC 60286-3. Para os menores componentes, como chiplets, WLCSPs e BGAs, as fitas fabricadas com policarbonato especial geralmente são a melhor opção. O policarbonato é resistente e pode proteger componentes delicados contra impactos. Além disso, seu baixo encolhimento mantém os bolsos estáveis por períodos mais longos. Isso ajuda a dar suporte à alimentação precisa da fita e às posições dos bolsos, necessárias para as máquinas pick-and-place.

Encolhimento dos componentes

O encolhimento contínuo dos dispositivos semicondutores está impulsionando a necessidade de tolerâncias dimensionais mais rígidas da fita do portador. Os padrões para fitas do portador permitem dimensões de bolsa que podem se desviar em até 100 micrômetros (μm). Isso é adequado para componentes passivos do tipo chip e dispositivos semicondutores SMD maiores. Os componentes menores exigem tolerâncias de cerca de 50 μm para evitar a rotação ou a inclinação excessiva do dispositivo no bolso. Os invólucros mais novos, como o WLCSP, podem exigir bolsos 44% mais rasos em relação aos dispositivos maiores (Figura 1). Eles também têm tolerâncias de 30 μm, que só podem ser fornecidas de forma consistente usando fitas do portador em policarbonato de alta precisão.

Figura 1: O uso de componentes menores, como o WLCSP, resultou em uma redução de 44% na altura dos bolsos das fitas do portador. (Fonte da imagem: 3M)

O desafio do chiplet

O uso de chiplets é uma maneira pela qual os fabricantes de dispositivos estão atendendo à necessidade de soluções menores. Os chiplets permitem que os projetistas de dispositivos selecionem, em um catálogo de chips, funções específicas que podem ser encapsuladas em conjunto para dar suporte a uma funcionalidade de nível superior do sistema. As tecnologias comuns de encapsulamento de chiplets incluem estruturas de 2,5 dimensões (2,5D) e 3D. No encapsulamento 2,5D, às vezes chamado de tecnologia de interposição, vários dispositivos são montados lado a lado em uma única base. A interposição fornece conectividade. Em uma estrutura 3D, os chips são empilhados para obter uma área ocupada ainda menor.

Os chiplets são úteis, mas exigem um manuseio especial. Eles também precisam ser protegidos contra danos causados por ESD. Seu tamanho pequeno os torna altamente suscetíveis a desalinhamentos e lascas nas bordas do bolso se a fita do portador não for altamente estável com tolerâncias rígidas. Além disso, sua fabricação ocorre em um ambiente de sala limpa de classe 10.000 e, portanto, exige fitas do portador adequadas com propriedades projetadas de forma especial.

Propriedades do policarbonato

A fita do portador em policarbonato especial tem várias propriedades que a tornam particularmente adequada para uso com dispositivos de pastilha exposta, chiplet, WLCSP e BGA. Ela tem uma resistividade nominal de superfície entre 10⁴ ohms por quadrado (Ω/quadrado) e 10⁸ Ω/quadrado. Isso permite que ela dissipe o acúmulo de carga devido aos efeitos triboelétricos e, assim, proteja os dispositivos sensíveis a ESD. O policarbonato também é muito estável, apresentando encolhimento típico <0,1% após 24 horas a +85°C, em comparação com <0,5% para o poliestireno sob as mesmas condições.

Por exemplo, as fitas do portador de precisão em policarbonato 3000BD da 3M são fabricadas usando um processo inovador que produz bolsos altamente precisos e exatos. Em comparação com os bolsos formados pelo calor nos portadores convencionais, os portadores 3000BD têm ângulos laterais mais íngremes que reduzem a possibilidade de movimentação dos chips pela parede. Eles também têm tolerâncias rígidas com relação ao comprimento e à largura do bolso para evitar a rotação do componente e têm um fundo extremamente plano que permite um melhor desempenho com o equipamento pick-and-place (Figura 2). Além disso, as tolerâncias rígidas do bolso protegem contra o lascamento da borda da pastilha, que pode ser uma preocupação significativa ao enviar chiplets e pastilha exposta.

Figura 2: Os bolsos na fita do portador em policarbonato (esquerda) têm lados mais íngremes e fundos mais planos em comparação com fitas alternativas (direita). (Fonte da imagem: 3M)

A fita do portador em policarbonato 3000BD é altamente versátil e é oferecida em formatos adequados para ambientes de sala limpa e sem sala limpa. Como é limpa e embalada em uma sala limpa de classe 10.000, ela oferece proteção máxima contra a contaminação por partículas, com contagens de partículas 60% a 70% menores do que as fitas do portador padrões, e cada carretel de plástico é selado em um saco de blindagem estática para proteção. As fitas do portador 3000BD também estão disponíveis em carretéis de papelão para aplicações sem sala limpa e para componentes menos sensíveis.

Essas fitas do portador são fabricadas com um filme de polímero termoplástico preenchido com carbono reciclável e suportam altos níveis de sustentabilidade. Elas contêm um nível mais baixo de contaminantes iônicos corrosivos e extraíveis pela água, em comparação com outras fitas do portador, e atendem ao nível de 5 partes por milhão (ppm) necessário para suportar a soldabilidade aprimorada de soldas de estanho-chumbo (SnPb), índio-chumbo (InPb), ouro (Au) e cobre (Cu) (Figura 3).

Figura 3: Comparação dos níveis de contaminação iônica em ppm para três materiais do portador, testados de acordo com os requisitos da MIL-STD-883E, Método 5011. (Fonte da imagem: 3M)

Portadores de precisão

Dois exemplos da série 3000BD de portadores de precisão em policarbonato da 3M incluem o 3000BD-.12MM e o 3000BD-12X8, medindo 220 metros (m) de comprimento e 87 m de comprimento, respectivamente. Eles são oferecidos como fitas contínuas, sem emendas, medindo de 8 mm a 44 mm de largura, com um formato de enrolamento nivelado em carretéis plásticos de tamanhos que variam de 330 mm (13") a 560 mm (22") para aplicações em salas limpas. Um formato de enrolamento planetário está disponível como pedido especial. Dependendo de variáveis como profundidade e passo do bolso e formato do enrolamento, esses carretéis normalmente comportam de 30 a 2.000 m de fita do portador (Figura 4).

Figura 4: A fita do portador de precisão em policarbonato é fornecida em rolos de até 2.000 m. (Fonte da imagem: 3M)

Opções de fita de cobertura

A seleção de uma fita do portador de alto desempenho e precisão é apenas metade do caminho. Os projetistas também precisam de uma fita de cobertura que proteja os componentes e forneça uma interface suave com o equipamento pick-and-place. Duas opções comuns de fita de cobertura são o adesivo ativado por calor (HAA) e o adesivo sensível à pressão (PSA).

A fita HAA é fixada usando uma sapata de vedação aquecida para pressionar as bordas da fita, vedando assim os componentes e deixando-os livres de resíduos de adesivo. Com o HAA, o calor, a pressão e a velocidade de selagem precisam ser controlados com precisão. O adesivo da fita HAA também pode ser afetado pela temperatura, umidade e tempo de armazenamento. Como resultado, a força de descolamento necessária com a fita HAA pode ser relativamente inconsistente. A força variável de descolamento pode fazer com que os dispositivos saltem dos bolsos do portador (chamado de trampolim), retardando o processo de montagem.

Para componentes menores, como chiplets e WLCSPs, a fita PSA pode ser a melhor opção. As fitas PSA têm uma força de descolamento mais suave e consistente, o que minimiza o efeito trampolim e acelera o processo de montagem. Além disso, elas são menos sensíveis às condições de calor e temperatura e têm menos probabilidade de variar com o tempo. Uma desvantagem de algumas fitas PSA é que elas podem deixar resíduos que podem se acumular nas máquinas de montagem.

A fita PSA veda os componentes

Para complementar a série 3000BD de portadores de precisão em policarbonato, os projetistas podem usar a série 2668 da 3M de fitas PSA de cobertura em filme de poliéster condutor, de alto cisalhamento e sensíveis à pressão. Por exemplo, o 2668-5.4MMX500M mede 5,4 mm de largura por 300 m de comprimento, enquanto o 2668-13.3MMX500M mede 13,3 mm de largura por 300 m de comprimento. Essas fitas de cobertura proporcionam uma cobertura mais plana em comparação com as fitas HAA e fornecem uma força de descolamento com uma variação de ±10 gramas em comparação com ±20 gramas das fitas de cobertura HAA padrão. Elas têm uma camada de filme condutor-bloqueador ao lado do componente para fornecer proteção ESD e minimizar os resíduos do adesivo.

A fita 2668 pode ser usada com componentes pequenos, como pastilha exposta, chiplets e WLCSPs, que precisam de cuidado extra para evitar o trampolim durante o processo de remoção da fita (Figura 5). Como resultado, essa fita pode ser usada em equipamentos de remoção de fita de alta velocidade para acelerar o processo de montagem. Ela está disponível em embalagens padrões e compatíveis com salas limpas. As diferenças entre as duas são:

• A fita padrão é fornecida em um núcleo de plástico, embalada com inserções de camadas de papel de alta densidade e um núcleo de centralização em um único saco de polietileno que é embalado em uma caixa de papelão.
• A fita para salas limpas é a mesma fita, mas é fornecida em dois sacos de polietileno. Isso permite que a fita de cobertura seja usada e armazenada em um ambiente de sala limpa no saco interno que não teve contato direto com a caixa de papelão.

Figura 5: É mostrada a fita PSA do portador (canto superior esquerdo) descolando de um portador de precisão em policarbonato condutor 3000BD com dispositivos BGA para referência de tamanho. (Fonte da imagem: 3M)

Conclusão

Os sistemas de fitas do portador de precisão em policarbonato podem ser usados em conjunto com fitas PSA do portador para melhorar os rendimentos ao usar dispositivos de pastilha exposta, chiplets, pastilha com saliências, encapsulamento em escala de chip, WLCSP e BGA. Esses sistemas de fitas e carretéis oferecem ampla proteção para componentes delicados e têm as tolerâncias dimensionais rigorosas necessárias para suportar equipamentos de pick-and-place de alta velocidade.

Leitura recomendada

1. Tecnologia de filme fino de precisão