淺析元件堆疊裝配（PoP）技術(shù)

張海澎 王家波 李曉松

摘 要：元件堆疊裝配（PoP，Packag e on Packag e）技術(shù)的出現(xiàn)不但大大提高了邏輯運(yùn)算功能和存儲(chǔ)空間，也為終端用戶(hù)提供了自由選擇器件組合的可能，生產(chǎn)成本也得以大幅下降。文章對(duì)POP技術(shù)的基本概念和特點(diǎn)進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹，對(duì)POP工藝流程進(jìn)行了具體描述，最后對(duì)POP主要的工藝參數(shù)進(jìn)行了分析和說(shuō)明，有一定的借鑒價(jià)值。

關(guān)鍵詞：POP;貼裝;回流焊

1POP概述

POP（見(jiàn)圖一）是針對(duì)移動(dòng)設(shè)備的IC封裝而發(fā)展起來(lái)的可用于系統(tǒng)集成的的三維疊加技術(shù)之一。PoP由上下兩層封裝疊加而成，底層封裝與上層封裝之間以及底層封裝與母板（Motherboard）之間通過(guò)焊球陣列實(shí)現(xiàn)互連。

典型的PoP疊層封裝結(jié)構(gòu)是在PoP封裝底部放置集成了高密度的數(shù)字或混合信號(hào)邏輯器件，器件采用細(xì)間距BGA焊球結(jié)構(gòu)，可以滿(mǎn)足邏輯器件引腳數(shù)多的特點(diǎn);在PoP封裝頂部容納存儲(chǔ)器件或存儲(chǔ)器件疊層，由于存儲(chǔ)器件引腳數(shù)較低，可以通過(guò)周邊陣列來(lái)處理，在兩個(gè)封裝體的邊緣處實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)器與底部邏輯器件的互連。邏輯+存儲(chǔ)通常為2～4層，存儲(chǔ)型PoP可達(dá)8層。PoP作為一種新型的封裝形式，在現(xiàn)代智能手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)和個(gè)人多媒體播放器等便攜式電子產(chǎn)品中應(yīng)用非常廣泛。

PoP封裝具有以下優(yōu)點(diǎn)：尺寸小，質(zhì)量輕，占用較少的基板空間;頂層的存儲(chǔ)器件和底層的邏輯器件可以單獨(dú)進(jìn)行測(cè)試和替換，保障了更高的良品率;芯片可以由不同的供應(yīng)商提供，提供了設(shè)計(jì)靈活性，縮短了產(chǎn)品的上市時(shí)間;頂?shù)讓悠骷B層組裝的電氣連接，實(shí)現(xiàn)了更快的數(shù)據(jù)傳輸速率，可以應(yīng)對(duì)邏輯器件和存儲(chǔ)器件之間高速互聯(lián)的挑戰(zhàn)，降低了設(shè)計(jì)的復(fù)雜性和成本。

2POP工藝流程

目前，PoP的組裝方式有兩種。一種是預(yù)制PoP工序，即先將PoP的頂?shù)撞糠庋b疊裝在一起，焊接成一個(gè)器件，再貼裝到PCB上，然后進(jìn)行回流焊，這樣整個(gè)PoP器件要經(jīng)過(guò)兩次回流焊;一種是在板PoP工序，即底部封裝和頂部封裝依次疊裝在PCB上，先貼裝底部封裝，再在底部封裝上貼裝頂部封裝，然后整個(gè)組件進(jìn)行回流焊，這樣PoP器件只經(jīng)過(guò)一次回流焊。

在板PoP的典型工藝流程為：在PCB焊盤(pán)上印刷焊膏;拾取底部封裝器件;貼裝底部封裝器件;頂部封裝器件浸蘸助焊劑或焊膏;在底部封裝器件上貼裝頂部封裝器件;回流焊;X-射線檢測(cè);底部填充并固化。如圖2所示。

3 POP工藝關(guān)鍵參數(shù)控制

POP工藝主要關(guān)注以下幾方面：頂部元件助焊劑或錫膏量的控制;貼裝過(guò)程中基準(zhǔn)點(diǎn)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。

3.1頂部元件助焊劑或錫膏量的控制

助焊劑或錫膏的厚度需要根據(jù)元件焊球尺寸來(lái)確定，保證適當(dāng)?shù)亩曳€(wěn)定均勻的厚度，使最小的焊球也能在浸蘸過(guò)程中蘸上適量的助焊劑或錫膏。需要考慮優(yōu)先選擇低殘留免清洗助焊劑或錫膏，如果需要底部填充工藝的話，必須考慮助焊劑/錫膏與阻焊膜及底部填充材料的兼容性問(wèn)題。

3.2貼裝過(guò)程中基準(zhǔn)點(diǎn)的選擇和壓力的控制

底層元件以整板基準(zhǔn)點(diǎn)來(lái)矯正沒(méi)有問(wèn)題，上層元件是以整板基準(zhǔn)點(diǎn)還是以其底層元件背面上的局部基準(zhǔn)點(diǎn)來(lái)矯正就需要斟酌了。如果同樣選擇整板基準(zhǔn)點(diǎn)，會(huì)很方便，不需要任何變更，產(chǎn)出率也會(huì)高，但貼裝精度成了爭(zhēng)論的焦點(diǎn)，事實(shí)上貼裝的精度會(huì)受到影響。而選擇其底層元件背面上的局部基準(zhǔn)點(diǎn)，貼片周期會(huì)長(zhǎng)產(chǎn)出率受到影響，對(duì)處理基準(zhǔn)點(diǎn)的像機(jī)提出了挑戰(zhàn)（焦距的問(wèn)題）。但是貼片的精度會(huì)得以保證。

3.3底部元件錫膏印刷工藝的控制

底部元件球間距是0.5m m或0.4m m的CSP，對(duì)于錫膏印刷是一個(gè)挑戰(zhàn)，需要優(yōu)化PCB焊盤(pán)的設(shè)計(jì)，印刷鋼網(wǎng)的開(kāi)孔設(shè)計(jì)也需要仔細(xì)考慮。錫膏的選擇也成為關(guān)鍵，往往會(huì)有錫膏過(guò)量或不足的現(xiàn)象。

3.4回流焊接工藝的控制

首先面臨的是對(duì)于無(wú)鉛回流焊接工藝選擇焊接環(huán)境的問(wèn)題。在空氣中焊接，特別是對(duì)于無(wú)鉛工藝，增加了金屬的氧化、潤(rùn)濕不好、焊球不能完整的塌陷。

在低氧氣濃度（<50p p m）氮?dú)庵泻附樱档土私饘傺趸瑵?rùn)濕效果好，能夠形成完整的塌陷，而且表現(xiàn)出良好的自對(duì)中性。但0201/0402這類(lèi)元件會(huì)出現(xiàn)立碑現(xiàn)象，另外焊接成本也會(huì)增加25-50%。由于無(wú)鉛焊接的溫度較高，較薄的元件和基板（厚度可達(dá)0.3m m）在回流焊接過(guò)程中橫容易熱變形，需要細(xì)致的優(yōu)化回流焊接溫度曲線。同時(shí)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(guò)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(diǎn)（有時(shí)底層元件焊球可能是高鉛材料，此時(shí)焊球可能不熔或部分熔融，錫膏則熔化冷卻形成焊點(diǎn)）。

3.5回流焊接后的檢查

堆疊兩層應(yīng)用X-ray來(lái)檢查應(yīng)該沒(méi)有什么問(wèn)題，只要在產(chǎn)品上設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)膮⒄眨梢暂p易檢查出元件是否有偏移等。但對(duì)于多層堆疊要清楚的檢查各層焊點(diǎn)情況，實(shí)非易事，這時(shí)需要X-ray檢查儀具有分層檢查的功能了。