新一代0.30毫米間距芯片級封裝（CSP）面臨的組裝和設計挑戰

摘要：本文將探討間距為0.30-0.40mm的芯片級封裝的各種設計與布局選擇和組裝與材料選擇，以及各自面臨的挑戰。本文也著重探討了不同的模具類型和浸漬材料以及空氣與氮氣回流焊。本文網絡版地址：http：//www. eepw.com.cn/article/203217.htm

關鍵詞：小型化；芯片級封裝；0.30毫米；間距

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2014.1.002

引言

由于手持設備永無止境的小型化和需要更先進的功能，應對小型化的能力對于滿足這些要求至關重要。小型化可以通過多種方式實現，而本文將探討0.30毫米間距的芯片級封裝。關鍵是確保組裝的幾個選擇可以實現，并且應被看作技術工具盒。封裝內有源元件的裸片堆疊是提高印刷電路板組裝（PCBA）每個單元區功能的一種方式。但是，創建堆疊的裸片解決方案存在一些缺點。

首先，這個方法是一個定制解決方案。如果任何用到的裸片發生變化，則需要評估裸片堆疊以確定封裝是否需要改變，例如，裸片縮小可能改變整個封裝的結構。第二，如果封裝內的一個或多個裸片出現故障，整個單元必須廢棄，這會導致成本增加，這就是著名的“復合良率”問題。最后，協調多家半導體供應商為封裝廠提供裸片以進行裸片堆疊也是極具挑戰性的任務。

堆疊封裝（PiP）是提高印刷電路板組裝（PCBA）每個單元區功能的另外一種方式。PiP類似于裸片堆疊，但不是堆疊裸片，而是基帶封裝和內存封裝等完整的封裝進行堆疊并放入模具。這讓內存能夠在堆疊之前進行全面測試，但通常封裝成本高于堆疊裸片或PoP配置。

在PoP流程中，一個元件在單SMT流程中放到另外一個封裝上，以便全面利用產品的三個維度。底部元件的頂端的焊盤類似于印刷電路板上方用于連接頂端封裝的焊盤，每個封裝是一個單元，可以作為目前常規的集成電路封裝進行全面測試，其良品率與目前常見的良品率相當。堆疊的封裝可以在傳統SMT環境中處理，包含幾個立即可用的升級。因此，封裝堆疊實現了可配置的組件，并在供應鏈中帶來更高的靈活性。它可用于內存應用或包含內存的處理器，加快上市時間并更好地管理封裝測試和復合良率問題。

縮小間距無疑是有源元件最重大的挑戰之一，但這是實現小型化非常有效的方式。目前的主流是0.4-0.5毫米間距，0.3毫米間距正在到來。從0.5毫米到0.4毫米主要給設計、絲網印刷以及印刷電路板的質量帶來了多個挑戰。對于0.3毫米間距，有很多問題需要在投產前予以解決。兩個關鍵問題是確定是否適用絲網印刷或焊液/焊膏浸漬以及是否需要氮氣或更好的東西。

測試臺與材料

本研究中的測試臺類似于手機，但基于有關外部尺寸的IPC跌落測試臺JESD22-B111。面板尺寸為132mmx77mm（圖1），由三個完全相同的部分組成。該電路板的表面涂層是有機表面防腐劑（OSP），印刷電路板的一側使用了阻焊層限定（SMD）焊盤，而另一側使用非阻焊層限定（NSMD）焊盤。

用作測試臺的印刷電路板有四層，在外層使用無鹵素附樹脂銅皮（RCC）以實現更高質量的微孔，內層使用無鹵素FR4，整個印刷電路板的厚度是0.788毫米。由于銅焊盤很小，非阻焊層限定為0.20毫米而阻焊層限定為0.25毫米——而且需要很小的微孔，我們決定使用銅填充的微孔。

在之前對0.40毫米間距CSP的研究中，我們看到絲網印刷效果更好，因為焊膏有更大的粘貼面積，而所謂的微孔帶來的空間或多或少地消失在CSP和BGA隆起的連接處（圖2）。0.30毫米間距CSP元件（圖3）是菊鏈形式，涵蓋所有焊點。

焊膏選擇

我們的所有研究均使用4型SAC 305（Sn96.5Ag3Cu0.5）無鹵素焊膏，是廣泛地評估了印刷能力、間隙、隆起、焊點、浸潤和SIR（表面絕緣電阻）之后做出的。

浸液/膏選擇

0.30毫米間距CSP的浸液選擇是基于0.40毫米間距穿透模塑通孔（TMV）堆疊組裝元件的開發活動。

在這些開發活動時，測試了15種不同的浸液/膏材料，主要聚焦浸潤和消除氮回流焊的需求。如表1所示，不同材料之間存在重大差異，但它們在0.40毫米間距穿透模塑通孔（TMV）堆疊組裝中都需要氮氣回流焊。在評估時，頂端和低端零部件都進行了浸潤，以評估流程的穩健性，但在常規生產中，只有頂端元件會浸潤，而真正的良率會更高，但在空氣回流焊下還不夠高。

表1表明0.4/0.4毫米間距PoP需要氮氣，材料A、G、H和N在氮氣回流焊下顯示出100%的良率。材料A、G、H和N被用于0.30毫米間距浸潤流程，但浸潤效果不可接受，即使電氣良率在空氣回流焊中達到100%。

底部充膠選擇

0.3毫米間距CSP的底部充膠材料從流程和可靠性的角度來說很復雜。通常，CSP采用所謂的無充填材料，這從機械角度來說很好，但不適合熱循環。另一方面，倒裝芯片通常使用所謂的底部充膠，從散熱角度來說更好一些，但更加昂貴且不可返工。

流程細節

在組裝痕跡期間，我們使用了兩種不同的0.30毫米間距CSP組裝方法：絲網印刷和浸潤。回流焊在空氣和氮氣中完成。

所有組裝在標準的小間距安裝機器上進行，在3西格瑪時精度為40微米。0.30毫米間距CSP中未檢測到組裝相關的缺陷，0.30毫米間距CSP在空氣和氮氣中進行了處理，良率相當，但使用浸潤流程時，需要氮氣以確保全面的浸潤和坍塌。

使用了標準的無鉛回流焊溫度曲線，回流焊在空氣和氮氣中完成，65次在217oC和245oC峰值溫度之上。之前在0.40毫米間距的研究表明，180-217oC之間快速的1.0oC/s和更高的溫度提升呈現更好的浸潤效果，這在0.3毫米間距CSP上也得到了驗證。在橫截面，可以注意到一些互聯出現枕頭形焊接的傾向，而焊接連接沒有浸潤整個焊盤（圖7）。這是在僅使用空氣回流焊時擔心的地方。根據這個結果，很明顯0.30毫米間距CSP在焊液/焊膏浸潤流程中需要氮氣。如果0.30毫米間距CSP使用絲網印刷，空氣回流焊可以完成，但流程窗口非常小，回流焊溫度需要仔細的優化。盡管出現枕頭形焊接，0.30毫米間距組裝顯示了良好的金屬間（IMC）成型，厚度為2-4微米（圖8）。

結論

有很多方式可以實現小型化，關鍵是有一套技術能夠滿足這些需求。根據產品的不同，可以考慮幾個選項，而選擇應基于數據而不是假設。0.30毫米間距CSP是可行的選擇，但需要密切地控制設計指南、材料和組裝流程。當在0.30毫米間距CSP上使用浸潤流程時，目前需要氮氣回流焊以實現高良率和高質量的焊接連接。如果在0.30毫米間距CSP中使用絲網印刷，可以避免使用氮氣，但模板厚度不能超過0.080毫米。包括模板選擇、板托和板夾、焊膏選擇和回流焊溫度的絲網印刷流程需要優化和密切的流程控制。

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