POP的贴装与返修技术培训

元件堆叠装配（PoP，PackageonPackage）的贴装与返修技术介绍CHIVA-SMT元件堆叠装配技术（PoP）•随着移动多媒体产品的普及和对更高数字信号处理、具有更高存储容量和灵活性的需求，元件堆叠装配(PoP,PackageonPackage)技术的应用正在快速增长。•在集成复杂逻辑和存储器件方面，PoP是一种新兴的、成本最低的3D封装解决方案。通过堆叠实现小型化、多功能。3D系统级封装SIP（SystemsInPackage）与PoP（PackageonPackage）技术比较SIP是在封装内部堆叠的，其堆叠工艺很复杂，难度相当大目前流行的POP是一种新兴的、成本最低的堆叠封装解决方案PoP（PackageonPackage）•PoP—在底部器件上面堆叠装配器件•逻辑+存储通常为2到4层•存储型PoP可达8层•目前，POP封装堆叠技术在新一代3G手机、DVD、PDA中已经有了越来越多的应用。PoP技术应用的例子1．PiP和POP的区别2．POP组装技术（1）POP贴装工艺过程①顶部元件助焊剂或焊膏量的控制；②贴装过程中基准点的选择和压力（Z轴高度）的控制③底部元件锡膏印刷工艺的控制④回流焊接工艺的控制⑤回流焊接后的检查（2）POP装配工艺的关注点３．POP返修技术内容1．PiP（PackageinPackageStacking）与POP（PackageOnPackage）的区别•PiP是指器件内置器件，封装内芯片通过金线键合堆叠到基板上，再将两块基板键合起来，然后整个封装成一个器件。•PiP封装的外形高度比较低，可以用普通的SMT工艺组装，但器件的成本高，而且器件只能由设计服务公司决定，没有终端使用者选择的自由。•POP是指在底部器件上再放置器件•POP堆叠的高度比PIP高一些，但组装前各个器件可以单个测试，保障了更高的良品率，总的组装成本可降到最低，器件的组合可以由终端使用者自由选择。JEDECJC-11PoP机械结构标准底部PoP器件内部结构尺寸•PoP器件一般采用标准精细间距BGA(FBGA)或SCSP封装•图中：•A—通过减薄工艺使裸片厚度降到100～50μm•B—低环线的高度：75μm•C—衬底基板厚度和层数是影响最终堆叠厚度、布线密度和堆叠扭曲控制的关键因素。目前带盲孔和埋孔的四层基板厚度100μm，树脂涂覆金属箔外层40μm，四层总高300μm•D—尽量减少环线的数量和高度，为了保证环线和封装外壳之间足够的间隙，模塑高度一般采用(0.27～0.35mm)底部PSvfBGA典型外形结构尺寸•外形尺寸：10～15mm•焊盘间距：0.65mm，•焊球间距：0.5mm(0.4mm)•基板材料：FR-5•焊球材料：63Sn37Pb/Pb-free顶部SCSP典型外形结构尺寸•外形尺寸：4～21mm•底部球间距：0.4～0.8mm•基板材料：Polyimide（聚合树脂）•焊球材料：63Sn37Pb/Pb-free•球径：0.25～0.46mmPoP器件的外形封装结构（举例）底面顶面(有Mark)元件堆叠装配技术（PoP）•JEDECJC-11对PoP设计和机械结构的标准化以及JEDECJC-63对顶层存储器件引脚输出的标准化工作正在进行中PCB焊盘设计（举例）Univos(Universal)demoPCBSMD与NSMD焊盘设计SMDNSMDSMD(soldermaskdefined)NSMDnon-soldermaskdefined）2．POP组装技术PoP典型的SMT工艺流程1.非PoP面元件组装(印刷、贴片、回流和检查)2.PoP面锡膏印刷3.底部器件和其它器件贴装4.顶部器件蘸取助焊剂或锡膏5.顶部元件堆叠贴装6.回流焊接及检测⑴PoP面堆叠贴片（装配）工艺•以三层堆叠的ASIC+存储器为例：•该堆叠最底层是ASIC（特殊用途的IC），在ASIC上面堆叠2层存储器ASIC+存储器POP堆叠贴片过程PoP面贴装工艺过程•底部器件（第一层）在PCB上印刷焊膏→贴装•顶部器件（第二层、第三层）浸蘸膏状助焊剂（或焊膏）→堆叠在贴装好的器件上面将助焊剂或焊膏刮平浸蘸膏状助焊剂或焊膏蘸取1/2焊球直径高度⑵PoP装配工艺的关注点①顶部元件助焊剂或锡膏量的控制②贴装过程中基准点的选择和压力的控制③底部元件锡膏印刷工艺的控制④回流焊接工艺的控制⑤回流焊接后的检查⑥可靠性(是否需要底部填充)①顶部元件助焊剂或焊膏量的控制•顶部器件浸蘸助焊剂或焊膏的厚度需要根据顶部器件的焊球尺寸来确定，一般要求蘸取1/2焊球直径的高度•要求保证适当的而且稳定均匀的厚度长条形助焊剂浸蘸槽四个吸嘴同时浸蘸助焊剂蘸取1/2焊球直径高度顶部元件浸蘸助焊剂还是焊膏的考虑•浸蘸焊膏可以一定程度的补偿元件的翘曲变形，同时焊接完后元件离板高度(Standoff)稍高，对于可靠性有一定的帮助，但浸蘸焊膏会加剧元件焊球本来存在的大小差异,可能导致焊点开路。•另外，需要考虑优先选择低残留免清洗助焊剂或焊膏，如果需要底部填充工艺的话，必须考虑助焊剂（或焊膏）与阻焊膜及底部填充材料的兼容性问题。顶部元件浸蘸助焊剂还是焊膏的讨论•选择什么样的flux非常重要，纯的膏状flux还是带有金属成分的pasteflux？•最初大多采用纯的膏状flux•由于金属成分，可以弥补因为元件变形产生的缝隙，因此越来越被较多的公司采用，例如pana公司采用Sn/Ag合金，而且不是球状的颗粒；其他公司都采用SnAgCu合金。②贴装过程中基准点的选择和压力的控制•贴装第一层ASIC时采用PCB上的局部Mark进行基准校准的。•由于堆叠器件时不在同一个平面，贴装堆叠器件时必须利用底部器件上表面的Mark进行基准校准，这样才能保证贴装精度。•PoP贴装机的贴装头应配置Z轴高度传感器，浸蘸助焊剂及贴装过程中需要较低的贴装压力，过高的压力会使底层元件的锡膏压塌，造成短路和锡珠，压力不平衡还会导致器件倒塌。•多层堆叠贴装后在传送过程中要求传输轨道运转更加平稳，机器设备之间的轨道接口要顺畅，避免回流焊接之前传送过程中的震动冲击。•另外，贴装机的送料器也要稳定。③底部元件锡膏印刷工艺的控制•底部元件球间距为0.5mm或0.4mm的CSP，对于锡膏印刷是一个挑战，需要优化PCB焊盘的设计，印刷钢网的开孔设计也需要仔细考虑。锡膏的选择也很关键，往往会有锡膏过量或不足的现象。④回流焊接工艺的控制•首先需要细致地优化回流焊接温度曲线。由于无铅焊接的温度较高，例如0.3mm较薄的元件和基板在回流焊接过程中很容易产生热变形；同时监控顶层元件表面与底层元件内部温度非常重要，既要考虑顶层元件表面温度不要过高，又要保证底层元件焊球和锡膏充分熔化、形成良好的焊点。•升温速度建议控制在1.5℃/s以内，防止热冲击及炉内移位和其他焊接缺陷产生。在保证焊接品质的前提下让回流温度尽量低一些，最大程度地降低热变形的可能。•C4元件在焊接过程中，高度会有一定程度的降低，这可以补偿焊球高度的不一致性，但是基板焊盘要设计适当的公差，将焊接过程中的变形及不共面性一并考虑。•选择焊接环境。在空气中焊接，特别是对于无铅工艺，会增加金属氧化、润湿不良、焊球不能完整塌陷；采用低氧气浓度的氮气焊接，元件会出现立碑现象；焊接成本也会增加25%～50%。⑤回流焊接后的检查•X-ray检查•堆叠两层应用X-ray来检查没有什么问题，只要在产品上设计适当的参照，就可以轻易检查出元件是否有偏移等。但对于多层堆叠要清楚地检查各层焊点的情况，需要X射线检查仪具有分层检查的功能，例如Agilent的5DX。•检查底部元件和顶部元件回流焊接前、后的空间关系底部元件和顶部元件组装后的空间关系•PoP装配的重点是需要控制元器件之间的空间关系，如果它们之间没有适当的间隙，会产生致命的应力，直接影响可靠性和装配良率。概括起来需要关注以下几项空间关系：•底部器件的塑封高度(0.27～0.35mm)•顶部器件回流前焊球的高度d1与间距e1•回流前，顶部器件底面和底部元件顶面的间隙f1•顶部器件回流后焊球的高度d2与间距e2•回流后，顶部器件底面和底部元件顶面的间隙f2Assemblyx-ray•Bottomcomponentplacementaccuracyisverygood.•Bottomcomponentplacementaccuracyisverygood.PCB变形时影响到底层CSP合格焊点不合格焊点不合格焊点⑥可靠性(是否需要底部填充underfill)•目前大多采用underfill来解决可靠性问题，但是pop的underfill的难度可比一般的BGA/CSP的难度要高很多，因为有两个以上层面需要进行点胶，而且还要保证每层都能均匀的布满，是个难题。•胶水选择和填充工艺的合理安排很关键。底部填充underfill•对于两层堆叠，可以对上层器件进行底部填充，也可以两层器件都做填充。如果上下层器件外形尺寸相同，便没有空间单独对上层器件进行底部填充。对上下层器件同时进行底部填充时，填料能否在两层元件间完整流动需要关注。适当的点胶路径，适当的胶量控制可以有效控制填料中的气泡。回流焊接过程中过多的助焊剂残留会影响到添填料在元件下的流动，导致气孔的出现。可靠性是另一关注的重点•目前，环球仪器SMT工艺实验室正在进行的另一个项目就是堆叠装配可靠性的研究。从目前采用跌落测试的研究结果来看，失效主要发生在两层元件之间的连接。位置主要集中在元件角落处的焊点。失效模式为在底部元件的上表面焊点沿IMC界面裂开。似乎和Ni/Au焊盘的脆裂相关，其失效机理还有待进一步研究。•通过染色试验分析发现元件角落处的焊点出现失效电子扫描显微镜（SEM）发现堆叠焊点沿IMC界面裂开的照片•另外一种失效模式是在底部元件的焊盘和PCB层压材料发生开裂。这种失效通过电气测试不能探测到，所以在实际产品中潜在很大的风险。造成这种失效的原因与PCB材料选择，及其制造工艺相关。•有关热循环测试可靠性问题，业界、以及环球仪器SMT工艺实验室正在进行研究中，正在试图找出PoP组件可靠性与其它BGA/CSP的相关性，为我们在材料的选择，PCB及元器件的设计，工艺控制和优化等方面提供参考；同时还在不断进行工艺试验和研究，为业界寻求优异的POP整体解决方案。３．PoP返修技术对多层堆叠装配的返修是重大挑战•如何将需要返修的元件移除并成功重新贴装，而不影响其它堆叠元件和周围元件及电路板是值得我们研究的重要课题。虽然业界已有上下温度可以单独控制的返修台，但要处理如此薄的元件(0.3mm)实属不易，很难不影响到其它堆叠元件。很多时候可能需要将元件全部移除然后再重新贴装。对于无铅产品的返修变得尤为困难，多次高温带来金属氧化，焊盘剥离，元件和基板的变形及损坏，金属间化合物的过度生长等问题不容忽视。POP的返修步骤与BGA的返修步骤基本相同，都要经过以下几步：•拆除芯片•清理PCB焊盘•浸蘸膏状助焊剂或焊膏•贴放PoP器件•再流焊•检查美国OK公司为POP返修专门开发了镊形喷嘴和上下温度可以单独控制的返修台①拆除芯片•拆除芯片的正确方法是一次性将POP整体从PCB上取下来。•OK公司开发的镊形喷嘴是采用热敏材料制成的卡子，在200℃时会自动弯曲大约2mm，能够整体夹住POP器件，一次性将POP整体从PCB上取下来，可以避免多次回流造成对PCB焊盘的潜在损伤。另外，要避免用胶将POP双层粘合在一起的做法。在拆除芯片过程中尽量避免对POP的机械损伤。镊形喷嘴镊形喷嘴底面镊形喷嘴夹住整个POP②清理PCB焊盘③浸蘸膏状助焊剂或焊膏浸蘸膏状助焊剂或焊膏的方法与贴装PoP的方法相同。将膏状助焊剂或焊膏放置在一个浅槽容器中，用刮刀将助焊剂或焊膏刮平，然后用返修台的吸嘴吸取器件浸蘸膏状助焊剂或焊膏。助焊剂的蘸取量要求达到1/2焊球直径的高度。将助焊剂浸蘸膏状助焊剂蘸取1/2焊球或焊膏刮平或焊膏直径的高度④贴放PoP器件⑤再流焊•再流焊时需要细致的优化温度曲线。由于返修台再流焊是敞开在空气中进行的，散热快，因此更要注意底部预热和提高加热