1、顧靄云,6- 元件堆疊裝配（PoP ，Package on Package）的貼裝與返修技術(shù)介紹,隨著移動多媒體產(chǎn)品的普及和對更高數(shù)字信號處理、具有更高存儲容量和靈活性的需求，元件堆疊裝配(PoP, Package on Package)技術(shù)的應(yīng)用正在快速增長。 在集成復(fù)雜邏輯和存儲器件方面，PoP是一種新興的、成本最低的3D封裝解決方案。通過堆疊實現(xiàn)小型化、多功能。,3D系統(tǒng)級封裝SIP（Systems In Package）與PoP （Package on Package）技術(shù)比較,SIP是在封裝內(nèi)部堆疊的，其堆疊工藝很復(fù)雜，難度相當(dāng)大,目前流行的POP是一種新興的、成本最低的堆疊封裝解決

2、方案,PoP（Package on Package）,PoP在底部器件上面堆疊裝配器件 邏輯+存儲通常為2到4層 存儲型PoP可達8層 目前，POP封裝堆疊技術(shù)在新一代3G手機、DVD、PDA中已經(jīng)有了越來越多的應(yīng)用。,PoP技術(shù)應(yīng)用的例子,1PiP和POP的區(qū)別 2POP組裝技術(shù) （1）POP貼裝工藝過程 頂部元件助焊劑或焊膏量的控制 ； 貼裝過程中基準(zhǔn)點的選擇和壓力（Z軸高度）的控制 底部元件錫膏印刷工藝的控制 回流焊接工藝的控制 回流焊接后的檢查 （2）POP裝配工藝的關(guān)注點 POP返修技術(shù),內(nèi)容,1PiP （Package in Package Stacking）與POP （Packa

3、ge On Package）的區(qū)別,PiP是指器件內(nèi)置器件，封裝內(nèi)芯片通過金線鍵合堆疊到基板上，再將兩塊基板鍵合起來，然后整個封裝成一個器件。 PiP封裝的外形高度比較低，可以用普通的SMT工藝組裝，但器件的成本高，而且器件只能由設(shè)計服務(wù)公司決定，沒有終端使用者選擇的自由。,POP是指在底部器件上再放置器件 POP堆疊的高度比PIP高一些，但組裝前各個器件可以單個測試，保障了更高的良品率，總的組裝成本可降到最低，器件的組合可以由終端使用者自由選擇。,JEDEC JC-11 PoP機械結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn),底部PoP器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)尺寸,PoP器件一般采用標(biāo)準(zhǔn)精細間距BGA(FBGA)或SCSP封裝 圖中： A

4、 通過減薄工藝使裸片厚度降到100 50m B低環(huán)線的高度：75m C襯底基板厚度和層數(shù)是影響最終堆疊厚度、布線密度和堆疊扭曲控制的關(guān)鍵因素。目前帶盲孔和埋孔的四層基板厚度100m，樹脂涂覆金屬箔外層40m ，四層總高300m D盡量減少環(huán)線的數(shù)量和高度，為了保證環(huán)線和封裝外殼之間足夠的間隙，模塑高度一般采用(0.27 0.35mm),底部PSvfBGA 典型外形結(jié)構(gòu)尺寸,外形尺寸：10 15mm 焊盤間距：0.65mm， 焊球間距：0.5mm(0.4mm) 基板材料：FR-5 焊球材料：63Sn37Pb/Pb-free,頂部SCSP 典型外形結(jié)構(gòu)尺寸,外形尺寸：4 21mm 底部球間距：0.

5、4 0.8mm 基板材料：Polyimide（聚合樹脂） 焊球材料：63Sn37Pb/Pb-free 球徑：0.25 0.46mm,PoP器件的外形封裝結(jié)構(gòu)（舉例）,底面 頂面(有Mark),JEDEC JC-11對PoP設(shè)計和機械結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化以及JEDEC JC-63對頂層存儲器件引腳輸出的標(biāo)準(zhǔn)化工作正在進行中,PCB焊盤設(shè)計（舉例）Univos (Universal) demo PCB,SMD與NSMD焊盤設(shè)計,SMD NSMD SMD(soldermask defined) NSMD non-soldermask defined）,2POP組裝技術(shù),PoP典型的SMT工藝流程,1. 非P

6、oP面元件組裝(印刷、貼片、回流和檢查) 2. PoP面錫膏印刷 3. 底部器件和其它器件貼裝 4. 頂部器件蘸取助焊劑或錫膏 5. 頂部元件堆疊貼裝 6. 回流焊接及檢測, PoP面堆疊貼片（裝配）工藝 以三層堆疊的ASIC+存儲器為例： 該堆疊最底層是ASIC（特殊用途的IC），在ASIC上面堆疊2層存儲器,ASIC+存儲器,POP堆疊貼片過程,PoP面貼裝工藝過程,底部器件（第一層）在PCB上印刷焊膏貼裝 頂部器件（第二層、第三層）浸蘸膏狀助焊劑（或焊膏）堆疊在貼裝好的器件上面,將助焊劑或焊膏刮平 浸蘸膏狀助焊劑或焊膏 蘸取1/2焊球直徑高度, PoP裝配工藝的關(guān)注點, 頂部元件助焊劑或

7、錫膏量的控制 貼裝過程中基準(zhǔn)點的選擇和壓力的控制 底部元件錫膏印刷工藝的控制 回流焊接工藝的控制 回流焊接后的檢查 可靠性(是否需要底部填充), 頂部元件助焊劑或焊膏量的控制,頂部器件浸蘸助焊劑或焊膏的厚度需要根據(jù)頂部器件的焊球尺寸來確定，一般要求蘸取1/2焊球直徑的高度 要求保證適當(dāng)?shù)亩曳€(wěn)定均勻的厚度,長條形助焊劑浸蘸槽 四個吸嘴同時浸蘸助焊劑 蘸取1/2焊球直徑高度,頂部元件浸蘸助焊劑還是焊膏的考慮,浸蘸焊膏可以一定程度的補償元件的翹曲變形，同時焊接完后元件離板高度(Standoff)稍高，對于可靠性有一定的幫助，但浸蘸焊膏會加劇元件焊球本來存在的大小差異,可能導(dǎo)致焊點開路。 另外，需要

8、考慮優(yōu)先選擇低殘留免清洗助焊劑或焊膏，如果需要底部填充工藝的話，必須考慮助焊劑（或焊膏）與阻焊膜及底部填充材料的兼容性問題。,頂部元件浸蘸助焊劑還是焊膏的討論,選擇什么樣的flux非常重要，純的膏狀flux還是帶有金屬成分的paste flux？ 最初大多采用純的膏狀flux 由于金屬成分，可以彌補因為元件變形產(chǎn)生的縫隙，因此越來越被較多的公司采用，例如pana公司采用Sn/Ag合金，而且不是球狀的顆粒；其他公司都采用SnAgCu合金。, 貼裝過程中基準(zhǔn)點的選擇和壓力的控制,貼裝第一層ASIC時采用PCB上的局部Mark進行基準(zhǔn)校準(zhǔn)的。 由于堆疊器件時不在同一個平面， 貼裝堆疊器件時必須利用底

9、部器件上表面的 Mark進行基準(zhǔn)校準(zhǔn)，這樣才能保證貼裝精度。 PoP貼裝機的貼裝頭應(yīng)配置Z軸高度傳感器，浸蘸助焊劑及貼裝過程中需要較低的貼裝壓力，過高的壓力會使底層元件的錫膏壓塌，造成短路和錫珠，壓力不平衡還會導(dǎo)致器件倒塌。 多層堆疊貼裝后在傳送過程中要求傳輸軌道運轉(zhuǎn)更加平穩(wěn)，機器設(shè)備之間的軌道接口要順暢，避免回流焊接之前傳送過程中的震動沖擊。 另外，貼裝機的送料器也要穩(wěn)定。, 底部元件錫膏印刷工藝的控制,底部元件球間距為0.5mm或0.4mm的CSP，對于錫膏印刷是一個挑戰(zhàn)，需要優(yōu)化PCB焊盤的設(shè)計，印刷鋼網(wǎng)的開孔設(shè)計也需要仔細考慮。錫膏的選擇也很關(guān)鍵，往往會有錫膏過量或不足的現(xiàn)象。, 回流

10、焊接工藝的控制,首先需要細致地優(yōu)化回流焊接溫度曲線。由于無鉛焊接的溫度較高，例如 0.3mm較薄的元件和基板在回流焊接過程中很容易產(chǎn)生熱變形；同時監(jiān)控頂層元件表面與底層元件內(nèi)部溫度非常重要，既要考慮頂層元件表面溫度不要過高，又要保證底層元件焊球和錫膏充分熔化、形成良好的焊點。 升溫速度建議控制在1.5/s以內(nèi)，防止熱沖擊及爐內(nèi)移位和其他焊接缺陷產(chǎn)生。在保證焊接品質(zhì)的前提下讓回流溫度盡量低一些，最大程度地降低熱變形的可能。 C4元件在焊接過程中，高度會有一定程度的降低，這可以補償焊球高度的不一致性，但是基板焊盤要設(shè)計適當(dāng)?shù)墓?，將焊接過程中的變形及不共面性一并考慮。 選擇焊接環(huán)境。在空氣中焊接，

11、特別是對于無鉛工藝，會增加金屬氧化、潤濕不良、焊球不能完整塌陷；采用低氧氣濃度的氮氣焊接，元件會出現(xiàn)立碑現(xiàn)象；焊接成本也會增加25%50%。, 回流焊接后的檢查,X-ray檢查 堆疊兩層應(yīng)用X-ray來檢查沒有什么問題，只要在產(chǎn)品上設(shè)計適當(dāng)?shù)膮⒄?，就可以輕易檢查出元件是否有偏移等。但對于多層堆疊要清楚地檢查各層焊點的情況，需要X射線檢查儀具有分層檢查的功能，例如Agilent的5DX。 檢查底部元件和頂部元件回流焊接前、后的空間關(guān)系,底部元件和頂部元件組裝后的空間關(guān)系,PoP裝配的重點是需要控制元器件之間的空間關(guān)系，如果它們之間沒有適當(dāng)?shù)拈g隙，會產(chǎn)生致命的應(yīng)力，直接影響可靠性和裝配良率。概括起

12、來需要關(guān)注以下幾項空間關(guān)系： 底部器件的塑封高度(0.27 0.35mm) 頂部器件回流前焊球的高度d1與間距e1 回流前，頂部器件底面和底部元件頂面的間隙f1 頂部器件回流后焊球的高度d2與間距e2 回流后，頂部器件底面和底部元件頂面的間隙f2,Assembly x-ray,Bottom component placement accuracy is very good. Bottom component placement accuracy is very good.,PCB 變形時影響到底層CSP,合格焊點 不合格焊點 不合格焊點, 可靠性(是否需要底部填充underfill),目前大多

13、采用underfill來解決可靠性問題，但是pop的underfill的難度可比一般的BGA/CSP的難度要高很多，因為有兩個以上層面需要進行點膠，而且還要保證每層都能均勻的布滿，是個難題。 膠水選擇和填充工藝的合理安排很關(guān)鍵。,底部填充underfill,對于兩層堆疊，可以對上層器件進行底部填充，也可以兩層器件都做填充。如果上下層器件外形尺寸相同，便沒有空間單獨對上層器件進行底部填充。對上下層器件同時進行底部填充時，填料能否在兩層元件間完整流動需要關(guān)注。 適當(dāng)?shù)狞c膠路徑，適當(dāng)?shù)哪z量控制可以有效控制填料中的氣泡?；亓骱附舆^程中過多的助焊劑殘留會影響到添填料在元件下的流動，導(dǎo)致氣孔的出現(xiàn) 。,可

14、靠性是另一關(guān)注的重點,目前，環(huán)球儀器SMT工藝實驗室正在進行的另一個項目就是堆疊裝配可靠性的研究。從目前采用跌落測試的研究結(jié)果來看，失效主要發(fā)生在兩層元件之間的連接。位置主要集中在元件角落處的焊點。失效模式為在底部元件的上表面焊點沿IMC界面裂開。似乎和Ni/Au焊盤的脆裂相關(guān)，其失效機理還有待進一步研究。 通過染色試驗分析發(fā)現(xiàn) 元件角落處的焊點出現(xiàn)失效,電子掃描顯微鏡（SEM）發(fā)現(xiàn)堆疊焊點沿IMC界面裂開的照片,另外一種失效模式是在底部元件的焊盤和PCB層壓材料發(fā)生開裂。這種失效通過電氣測試不能探測到，所以在實際產(chǎn)品中潛在很大的風(fēng)險。造成這種失效的原因與PCB材料選擇，及其制造工藝相關(guān)。 有

15、關(guān)熱循環(huán)測試可靠性問題，業(yè)界、以及環(huán)球儀器SMT工藝實驗室正在進行研究中，正在試圖找出PoP組件可靠性與其它BGA/CSP的相關(guān)性，為我們在材料的選擇，PCB及元器件的設(shè)計，工藝控制和優(yōu)化等方面提供參考；同時還在不斷進行工藝試驗和研究，為業(yè)界尋求優(yōu)異的POP整體解決方案。,PoP返修技術(shù),對多層堆疊裝配的返修是重大挑戰(zhàn),如何將需要返修的元件移除并成功重新貼裝，而不影響其它堆疊元件和周圍元件及電路板是值 得我們研究的重要課題。雖然業(yè)界已有上下溫度可以單獨控制的返修臺，但要處理如此薄的元件(0.3mm)實屬不易，很難不影響到其它堆疊元件。很多時候可能需要將元件全部移除然后再重新貼裝。對于無鉛產(chǎn)品的

16、返修變得尤為困難，多次高溫帶來金屬氧化，焊盤剝離，元件和基板的變形及損壞，金屬間化合物的過度生長等問題不容忽視。,POP的返修步驟與BGA的返修步驟基本相同，都要經(jīng)過以下幾步：,拆除芯片 清理PCB焊盤 浸蘸膏狀助焊劑或焊膏 貼放PoP器件 再流焊 檢查,美國OK公司為POP返修專門開發(fā)了 鑷形噴嘴和上下溫度可以單獨控制的返修臺, 拆除芯片,拆除芯片的正確方法是一次性將POP整體從PCB上取下來。 OK公司開發(fā)的鑷形噴嘴是采用熱敏材料制成的卡子，在200時會自動彎曲大約2mm，能夠整體夾住POP器件，一次性將POP整體從PCB上取下來，可以避免多次回流造成對PCB焊盤的潛在損傷。另外，要避免用膠將POP雙層粘合在一起的做法。在拆除芯片過程中盡量避免對POP的機械損傷。,鑷形噴嘴 鑷形噴嘴底面 鑷形噴嘴夾住整個POP, 清理PCB焊盤 浸蘸膏狀助焊劑或焊膏,浸蘸膏狀助焊劑或焊膏的方法與貼裝PoP的方法相同。將膏狀助焊劑或焊膏放置在一個淺槽容器中，用刮刀將助焊劑或焊膏刮平，然后用返修臺的吸嘴吸取器件浸蘸膏狀助焊劑或焊膏。助焊劑的蘸取量要求達到1/2焊球直徑的高度。,將助焊劑 浸蘸膏狀助焊劑 蘸取1/2焊球 或焊膏刮平 或焊膏 直徑的高度, 貼放PoP器件,用返修臺的真空吸嘴拾取器件，將底部器件貼放在PCB相應(yīng)的位置上，然后用以上同樣的方法逐層拾取PoP上層直到最上層的