无铅返修工艺挑战

--Lead-Free返修工艺挑战对对双面贴片的PCB上的PoP封装芯片的返修重新定义PCBA的无铅返修工艺PresentedByZenLeePoP封装芯片的返修(PackageonPackageComponents)典型无铅焊接的要求硅片温度–最高245°C-260ºcMaxIPCspecification焊球温度–最高230-245°C,标准回流焊接时间80-120秒芯片底部PCB板最高温度为235°CPCB整板温度相同PackageonPackageComponentsƒ为什么使用PoP?ƒ什么是PoP?ƒ芯片具有高速开关速度ƒ双层PoP封装节省50%面积,更大的纵向空间允许更多层的封装.PackageonPackageComponentsƒ可以沿PCB的纵向将Dram,DdramSram,Flash,和微处理器进行混合装联.ƒ对于不同厂家的芯片,具有不同功能,不同价格,可以简单地混合装联在一起以满足客户的需求.ƒ目前该技术可以取得在垂直方向进行4层芯片外部叠加装联.ƒ每个封装芯片内部可以达到5层硅片叠加,每层厚度为0.8毫米.见下面Intel网页site:®Internal2StackedCSPBGAStackedServerMemoryfromViking2×256kchipsEachsidetop+bottom×3level’s=12×256chipsReworkingPoPPackagesƒ返修双面贴片的PCBA本身就是目前业内人事面临的挑战,而现在不得不接受在返修中同时要处理PoP器件的返修.ƒ贴片密度大的PCBA往往需要更大的热容量,较高的无铅焊接温度往往造成PoP上层芯片部分温度过高ƒ在拆取,更换上层芯片时候,在同样的温度下包括底层芯片上所有的焊球全部熔化.ƒ这些在芯片外封装上叠加的芯片是沿PCB垂直方向排列.DemoPoPStackedDevicesAmkorPoP芯片已经商品化环球仪器的PoP正在实验中;非常类似Amkor芯片HowCanPoPBeRemovedƒ下面的返修工艺是不被推荐的!ƒ返工两次–因为在相同温度下所有的焊锡球全部熔化,采用传统真空吸嘴方式提取芯片,不可避免发生芯片分层.ƒ通常真空吸嘴只是取下上层的芯片,将底部芯片留驻在PCB上面.ƒ为了保证同时取下多层芯片有人使用胶水将芯片粘在一起,但需要等待胶的固化时间.ƒ使用镊子手工拆除有损伤PCB的趋势.ƒ手工拆处使其不能对芯片进行有效的失效分析ƒ需要新设计和新工艺.PoP理想状态下被取下ƒ一次性将PoP整体从PCB上取下ƒ可以对PoP进行完整的测试,对其失效机理进行分析ƒ在摘取过程中不要对PoP有机械损伤,如PCB受热时向上卷曲,和任何真空吸嘴造成的向下的机械压力ƒ一次温度回流将芯片取下,避免多次回流造成对PCB上焊盘的潜在损伤ƒ避免用胶将PoP双层粘合在一起的做法新的镊形喷嘴设计ƒ镊形喷嘴在垂直方向有一些热敏型突出卡子,可以将整个多层芯片从PCB上一次性提取.ƒ不是手动操作,因为镊形喷嘴的卡子是热敏材料制作,在设备的软件控制下是自动完成芯片拆取的新形镊形喷嘴的工作机理ƒ镊形喷嘴采用特殊材料制成的卡子,在200ºc条件时候自动弯曲大约2mm.ƒ镊形喷嘴不局限于PoP应用.ƒ镊形喷嘴适合于任何器件而真空吸嘴不适合的应用.ƒ对于真空吸嘴方式,不可避免遇到不能在器件表面产生足够的真空,而由于焊锡与焊盘的表面张力过大而取不下器件的问题ƒ所有Lead-free焊接中的LGA/LLP/QFN.新形镊形喷嘴的工作机理镊形喷嘴在温度达到200ºc的时候拆取工艺:ƒ取下真空吸嘴,将镊形喷嘴装上ƒAPR机器新软件功能,具有自动操作拆取芯片的过程控制.ƒ对芯片实施热风回流焊,当焊球熔化时候,自动或者手动实施芯片拆除操作.ƒPoP将会作为一个整体芯片被一次性从PCB上拆除,避免了使用真空吸嘴对芯片造成任何机械压力损伤.拆取PoP的工艺过程热敏形镊形喷嘴拆取PoP的工艺过程放置镊形喷嘴位置恰好高于PCB镊形喷嘴的边刚好夹住整个PoP更换PoP的上层芯片操作工艺ƒ清洁焊盘后,将底层芯片的焊球做助焊剂涂敷或者将焊膏涂敷在芯片焊球上.ƒ焊球直径大约为10mils(.25mm)ƒ图片所示是采用环球仪器公司的演示芯片,4mil(.1MM),使用OK公司DTBK助焊剂涂敷模块.ƒ理想的涂敷量为焊球的1/2高度.ƒ图片显示理想的助焊剂量被转移到焊球上.如需要涂敷焊膏必须使用丝网.使用胶状助焊剂,切忌使用液体助焊剂√助焊剂转移的过程ƒ使用刮铲将膏状助焊均匀剂涂敷在模板上膏状助焊剂均匀涂敷过程,而不是使用液体助焊剂膏状助焊剂均匀涂敷过程,而不是使用液体助焊剂膏状助焊剂均匀涂敷过程,而不是使用液体助焊剂转移助焊剂到焊锡球的过程完成,下一步将芯片焊接到PCB上转移助焊剂量为1/2焊球高度膏状助焊剂均匀涂敷过程,而不是使用液体助焊剂4mil厚度涂敷模板(.1mm)膏状助焊剂完成均匀转移膏状助焊剂均匀涂敷过程焊接上层PoP的工艺流程ƒ采用同样的工艺方法对上层PoP焊球引脚进行助焊剂涂敷.ƒ上层的PoP的锡球尺寸与下层的不同.为16mil(.4mm),回流焊接后尺寸为14mil(.35mm),因此,建议使用4或者6mil(.15mm)的助焊剂模块.注意:不同厂家生产的上部PoP的焊球尺寸会不同.ƒ将上层PoP贴敷在下层PoP上面.贴放上层POPƒ使用常规带真空吸嘴吸起芯片ƒ注意真空吸力的调整,设置250较为理想.ƒ降低喷嘴直至离PCB距离为2mmƒ按照正常无铅焊接回流曲线焊接.APR5000XLDualZoneConvectionPreheater中心加热区Zone1外围加热区Zone2NewProcess:对双面贴片的PCB的选择性焊接工艺喷嘴温度260ºc顶部加热:热风喷嘴,温度分区变化功能所有焊球温度为:235-245°C通过调节顶部和底部分区温度相邻的PCB背面的元器件的温度在回流焊接PoP时候,不应该超过217ºc选择性加热,使高吸热密度的PoP芯片底部可以集中吸取热能量以提高温度上升速率APRAPR--50005000--DZDZ2×900w底部外围加热体1×900w底部中心加热体PreheaterAPR5000DZUsingStandardNozzlesForDualPreheaterReflowZone顶部加热体550WPB/LFReflowprofiles050100150200250300020406080100120140160180200220240260280300320340360380400TimeTempertureLeadLFN2LFHotLFlow有铅和无铅焊接曲线比较LeadVSLead-FreeKey助焊剂活化区温度斜率降温区温度斜率有铅焊接温度斜率小有铅焊接降温斜率小PB/LFReflowprofiles050100150200250300020406080100120140160180200220240260280300320340360380400TimeTempertureLeadLFN2LFHotLFlow有铅焊接使用的助焊剂绝对不能用在无铅焊接中LFfluxActivationzoneLeadfluxactivation有铅助焊剂如果使用在无铅时,助焊剂在大约无铅焊接需要的正常活化时间的30%时候已经烧掉了选择性加热温区的回流焊接曲线“L”islargepreheater“B”both“S”issmallheaterPOP回流焊接的注意事项ƒ底部中心加热体可以从PCB底部提供所需要的80%热容量,因此,允许降低顶部加热温度.ƒ底部中心加热体可以有效提高温度上升斜率,降低焊接曲线的总体时间ƒ焊接PoP时候,必须保证PCB和芯片不要变形,平整度是很关键的(Coplanarflatnessofchipsiscritical),因为部分焊球是连接在另一块芯片上,而其它焊球是连接在PCB上面.两个基板膨胀系数是不一样的ƒ顶部喷嘴温度过高很容易造成上层封装变形,因为,芯片本身是低密度,重量轻,每层封装后芯片只有1.5mm厚度,顶部温度达到265ºc会使一些芯片封装变形.BottomCSPTopCSPTopCSP符合质量标准的焊点BottomCSPTopCSP符合质量标准的焊点TopCSPBottomCSPBottomCSPTopCSPPCBPCB变形时影响到底层变形时影响到底层CSPCSPPCB变形后造成底层芯片焊球挤压外延或者压扁BottomCSPBottomCSPTopCSPTopCSP底层芯片变形BottomComponentPlacementX-RayImagingisComplexAssemblyx-rayBottomcomponentplacementaccuracyisverygood.BottomComponentPlacementX-RayImagingisComplexTracesontheboardBottomcomponentplacementaccuracyisverygood.BottomComponentPlacementX-RayImagingisComplexTracesontheboardNotanytraceforreferencetochecktheplacementstatusoftopcomponent16milBallat.65mmpitch12milBallat.5mmpitch12milSMDPad12milNSMDPad10milSMDPad12milNSMDPad10milNSMDPad1.5mmthick4layerFR4PCB.3mmthick,4layer.3mmthick,2layerFiducialsFiducialsUnivos(Universal)demoPCB底层芯片(BottomSurfacew/BallsMatchesPCBFootprint)上层芯片(BottomSurfacew/BallsandFids)POP演示芯片注释:脚间距和焊球尺寸不同总结FastercoolingandconducivetoPB-freesolders,newfastercoolingSpecifications..5-2degpersecAllblowersinlarge&smallheatersonduringcoolingstageMakesPoPreworkeasierbecauseofhigherpowerheatingtoreflowinnewleadfreereflowspecifications.AllAPRsreworkmachineswillincludedualheaters2007Increasesthrough-put,decreasescostsBothintimeandelectricity.FasterrampandlowerruntimePlaceslessstressI.e.componentstretching,PCBwarpingcomponents'droppingoffunderside,meltingofplasticconnectorsandotherpartsDualheaterslowerundersidetempto1900CorbelowreflowontotalundersideofPCBareaLowerpotentialforBGA(PoP)warpingandPoPistwicethemasssomoreEfficientheatingisrequired.DualheatersallowlowerreflownozzleAirtemperatures特征特征优点结论ƒ随着无铅焊接的实施,面临新的