中國報告大廳網訊，隨著微電子封裝技術持續進步，電子元器件朝著小型化發展，對工作效率要求也日益提高。這使得提升貼片機行業的精確性與貼片效率成為行業迫切需求。全自動共晶貼片機作為完成載體晶片共晶貼片的核心設備，在半導體激光器生產等領域發揮著關鍵作用，其能夠在短時間內升溫融化基板上的金錫焊料，並通過機械手將晶片共晶在基板上，精度要求達到 ±10 μm。在整個工藝流程中，共晶台的性能對產品生產效率及良品率有著直接影響。以下是2025年貼片機行業技術分析。
《2025-2030年中國貼片機市場專題研究及市場前景預測評估報告》指出，在CoC共晶貼片過程中，主要目標是實現晶片在基板上的精準貼裝。由於此前在 TO 型光通 LD 晶片共晶領域積累了較強的設備研製基礎，此次 CoC 共晶貼片設備的主體結構沿用了之前設備的結構框架，並依據客戶現場的實際產品和夾具進行了客制化調整，以更好地契合實際生產需求。
該設備運用多相機視覺定位原理來完成晶片在基板上的貼裝任務。校準台上方的俯視相機以及共晶焊台上方的俯視相機負責拾取圖像，通過多視場維度耦合解耦算法，實現晶片在基板上貼裝角度的補償和精度補償功能。設備主要由定位相機機構、主軸搬送機構、左右藍膜機構、左右頂針機構、左右校準台機構、下料機構和共晶台機構構成。定位相機部件設置在主軸機構上，具體分為三個部分：左右藍膜上方的相機用於物料識別定位，左右校準台上方的相機負責物料校準定位，共晶台上方的相機則承擔焊接基板的校準定位工作。主軸搬送機構又分為基板傳送和晶片傳送兩部分，這兩部分以共晶台為中心呈對稱分布，每部分均由兩個機械爪組成，即拾取機械爪和共晶焊接爪。機械爪的 X 方向由直線電機驅動，Z 方向由伺服電機驅動。拾取機械爪的 Y 方向通過滑台進行調整，共晶焊接爪的 Y 方向由直線電機驅動。機械爪的運動依靠滾柱導軌來支承。藍膜機構與頂針機構相互協作，完成物料的脫膜操作，校準台則負責物料的校準定位。
設備的共晶台設置於晶片基板傳送的中間位置，這種布局能夠使晶片和基板同時進行上料操作，有效節省了設備節拍。在共晶流程結束後，下料機構會單獨執行下料任務。初代設備的共晶台由於自身結構存在一定局限性，實際單品效率大約在 30 s / 顆，效率較低，並且大量時間都浪費在加熱板的升溫和降溫過程中。加熱板作為熱源，當加熱板熱量散失越少時，升溫速度就越快。所以，為了降低導熱速率，提高升溫速率，可以採取減小支撐件導熱橫截面積、增加導熱距離的措施。
在設備物料的拾取鍵合過程中，焊接機械爪將物料放置在共晶台後，需要進行視覺校準。X/Y 方向的校準精度直接決定了產品的最終精度，考慮到視覺定位通常存在 ±1 μm 左右的誤差，因此校準速度越快越好。基於此，共晶台的 X/Y 方向選用直線電機進行驅動。同時，結合設備藍膜的高度以及機械爪 Z 向的行程，將共晶台的整體結構劃分為上下兩部分，採用 X/Y 正交疊加的運動結構形式。下部為 X 直線電機驅動模組，上部為 Y 向直線電機驅動模組。為了減少普通導軌因摩擦力不均勻而產生的擾動，X/Y 軸直線運動平台均採用滾柱導軌進行支承。X/Y 向移動機構性能指標在運動行程、運動負載、重複定位精度、光柵尺解析度、工作速度等方面有著明確要求，具體如下表所示：
共晶台陶瓷加熱片數量的確定需要充分滿足設備效率的需求。以基板側物料的拾取共晶過程為例，左藍膜和左頂針機構相互配合，協同基板機械爪實現基板從藍膜上的拾取操作，隨後拾取機械爪將物料放置在校準台上。共晶機械爪再將校準台上的物料拾取並放置在共晶台上，進行校準後等待加熱板升溫。當加熱板升溫到指定溫度後，晶片共晶機械爪將晶片共晶在基板上。共晶結束後，加熱板降溫到指定溫度，下料機構將共晶完成的產品放置在魚骨架或者藍膜上。整個產品的共晶過程涵蓋物料搬運、共晶台升溫共晶、降溫冷卻以及下料等環節。為了有效提升設備的整體效率，設計採用了雙共晶台結構。
共晶台組件通過連接板與 X/Y 向移動機構中的共晶台連接板進行固定。陶瓷加熱板藉助壓板固定在支撐件上。雙工位共晶台依靠兩塊陶瓷加熱板來實現共晶功能。陶瓷加熱板採用電阻絲加熱方式，功率為 1500 W，分別通過兩路歐陸溫控儀來控制加熱板升溫。加熱板上設置有直徑為 0.6 mm、0.8 mm 和 1.2 mm 的小孔，以適配不同尺寸的物料。支撐件與加熱板直接接觸，支撐件上設有一個負壓孔和兩個冷卻吹氣孔。結合設備共晶台結構以及傅立葉定律，設計了兩種支撐件，旨在增加傳熱距離，減小導熱面積。負壓孔與陶瓷加熱板上的孔相對應，用於吸附正在共晶的物料。當需要降溫時，兩個冷卻孔通入冷風，能夠快速降低加熱板的溫度。在設備的共晶過程中，陶瓷加熱板從底溫升至工藝曲線的最高溫度，以及從最高溫度降至最低溫度的這兩個階段，對設備效率有著重要影響。由於升溫與降溫過程都會影響效率，且支撐件一與加熱板接觸面積小，冷卻風可直接吹向加熱板;支撐件二與加熱板接觸面積大，與加熱板形成冷卻腔體，所以需要對這兩種支撐件實際的效率表現進行深入分析。因為陶瓷加熱板與支撐件直接接觸，當加熱板升溫時，熱量首先會傳導到支撐件上，所以支撐件結構的合理性直接關係到加熱板的加熱速率。
對上述設計的兩種支撐件進行熱分析，主要研究在陶瓷加熱板作用下，陶瓷加熱板、支撐件和隔熱板在穩態時的溫度狀態。在陶瓷加熱板升溫共晶過程中，會有一部分能量通過支撐件傳遞到隔熱板上。除了加熱板自身功率大小外，加熱板傳遞熱量的多少直接決定了其升溫的快慢程度。通過支撐件傳遞的能量越少，加熱板升溫相對就越快，反之亦然。大部分共晶所使用的基板採用金錫焊料，其熔點為 280 ℃。因此，模擬在加熱板升溫到 280 ℃並達到穩態的情況下，支撐件和隔熱板的溫度情況。
利用相關軟體對加熱板、支撐件和隔熱板進行建模，兩種支撐件的尺寸均為長 31.9 mm、寬 24.9 mm、高 25 mm。支撐件嵌入在隔熱板中，並對模型進行默認的單元劃分。由於陶瓷加熱板、支撐件和隔熱板均通過熱傳導進行導熱，一般室內自然對流傳熱係數為 18 20 W/m2・K，氣體的強制對流傳熱係數為 20 100 W/m2⋅K。環境溫度設定為 20 ℃，加熱板材料選用陶瓷，支撐件材料選擇氧化鋯陶瓷，隔熱板材料採用鋁。忽略陶瓷加熱板壓板對結果的影響，分析結果如下所示：
(a)支撐件一 (b)支撐件二
圖 5 支撐件穩態結果(單位：℃)
從圖中可以看出，陶瓷加熱板的最高溫度均為 280 ℃，圖(a)中隔熱板的溫度為 49.5 ℃，圖(b)中為 55.8 ℃。圖(a)中陶瓷加熱板最高溫度 280 ℃的單元占據了 20 個單元，圖(b)中的占據了 10 個單元。通過對比分析可知，支撐件一的陶瓷加熱板散失的熱量更少，從理論上來說，其升溫速率應該更快。在降溫方面，加熱板主要受冷卻風與支撐件達到穩態時的溫度影響。觀察仿真結果可以發現，支撐件一達到穩態時的溫度相對較低。
將兩種支撐件分別安裝在隔熱板上，然後依次安裝壓板增高塊和壓板。針對由這兩種支撐件組成的共晶台，測試從底溫升溫到共晶溫度所需的時間。考慮到共晶工藝曲線存在差異，特意選取 4 種常見的底溫與共晶溫度組合進行試驗。為了排除誤差，每次記錄的結果均為 3 次試驗測得時間的平均值，具體試驗結果如下表所示：
由試驗結果可知，支撐件一的共晶台在不同工藝曲線下的升溫速度均比支撐件二的共晶台更快;並且工藝曲線溫度跨度越大，升溫所需時間越長。在升溫過程中，陶瓷加熱板將熱量傳遞給支撐件和隔熱板，傳遞的熱量越少，升溫速度就越快，這與之前的傳熱分析結果相吻合。
測試共晶台從共晶溫度降溫到底溫所需的時間。在達到共晶溫度後，先維持 5 s，隨後切斷加熱，立即開啟冷卻風，並通過流量表控制流量保持相同，利用歐陸溫控儀自帶的溫度檢測軟體記錄降低到底溫的時間，試驗結果如下表所示：
從試驗數據可以看出，支撐件一的共晶台在不同工藝曲線下的降溫速度比支撐件二的共晶台快 2 - 3 s。這表明支撐件一的共晶台降溫速率更快，其結構的冷卻效果更好。結合升溫試驗結果，在一次共晶過程中，使用支撐件一的共晶台能夠提高單品時間3 - 4s。
通過對適用於CoC共晶貼片設備的共晶台進行深入研究，在充分分析設備整體結構的基礎上，精心設計了 X/Y 移動平台，並根據設備效率要求構建了雙工位共晶台結構。重點針對共晶台的支撐件開展熱分析工作，並通過試驗清晰地得出使用不同支撐件的共晶台在升溫和降溫時間上的顯著差異。安裝支撐件一的共晶台能夠更為迅速地升溫到共晶溫度，這與理論熱分析結果高度一致。合理的支撐件結構能夠顯著提升設備效率，使得設備效率提升至原先設備的一倍，為後續進一步提升效率提供了極具價值的參考依據。在 2025年貼片機行業技術發展進程中，這種對共晶台結構的優化設計，為提高貼片機在共晶貼片工藝中的性能表現提供了有力支撐，有助於推動電子製造行業朝著更高效率、更高質量的方向發展。
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