淺析元件堆疊裝配（PoP）技術

張海澎 王家波 李曉松

摘 要：元件堆疊裝配（PoP，Packag e on Packag e）技術的出現不但大大提高了邏輯運算功能和存儲空間，也為終端用戶提供了自由選擇器件組合的可能，生產成本也得以大幅下降。文章對POP技術的基本概念和特點進行了簡要介紹，對POP工藝流程進行了具體描述，最后對POP主要的工藝參數進行了分析和說明，有一定的借鑒價值。

關鍵詞：POP;貼裝;回流焊

1POP概述

POP（見圖一）是針對移動設備的IC封裝而發展起來的可用于系統集成的的三維疊加技術之一。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）之間通過焊球陣列實現互連。

典型的PoP疊層封裝結構是在PoP封裝底部放置集成了高密度的數字或混合信號邏輯器件，器件采用細間距BGA焊球結構，可以滿足邏輯器件引腳數多的特點;在PoP封裝頂部容納存儲器件或存儲器件疊層，由于存儲器件引腳數較低，可以通過周邊陣列來處理，在兩個封裝體的邊緣處實現存儲器與底部邏輯器件的互連。邏輯+存儲通常為2～4層，存儲型PoP可達8層。PoP作為一種新型的封裝形式，在現代智能手機、數碼相機和個人多媒體播放器等便攜式電子產品中應用非常廣泛。

PoP封裝具有以下優點：尺寸小，質量輕，占用較少的基板空間;頂層的存儲器件和底層的邏輯器件可以單獨進行測試和替換，保障了更高的良品率;芯片可以由不同的供應商提供，提供了設計靈活性，縮短了產品的上市時間;頂底層器件疊層組裝的電氣連接，實現了更快的數據傳輸速率，可以應對邏輯器件和存儲器件之間高速互聯的挑戰，降低了設計的復雜性和成本。

2POP工藝流程

目前，PoP的組裝方式有兩種。一種是預制PoP工序，即先將PoP的頂底部封裝疊裝在一起，焊接成一個器件，再貼裝到PCB上，然后進行回流焊，這樣整個PoP器件要經過兩次回流焊;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，然后整個組件進行回流焊，這樣PoP器件只經過一次回流焊。

在板PoP的典型工藝流程為：在PCB焊盤上印刷焊膏;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;底部填充并固化。如圖2所示。

3 POP工藝關鍵參數控制

POP工藝主要關注以下幾方面：頂部元件助焊劑或錫膏量的控制;貼裝過程中基準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。

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元件焊球尺寸來確定，保證適當的而且穩定均勻的厚度，使最小的焊球也能在浸蘸過程中蘸上適量的助焊劑或錫膏。需要考慮優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題。

3.2貼裝過程中基準點的選擇和壓力的控制

底層元件以整板基準點來矯正沒有問題，上層元件是以整板基準點還是以其底層元件背面上的局部基準點來矯正就需要斟酌了。如果同樣選擇整板基準點，會很方便，不需要任何變更，產出率也會高，但貼裝精度成了爭論的焦點，事實上貼裝的精度會受到影響。而選擇其底層元件背面上的局部基準點，貼片周期會長產出率受到影響，對處理基準點的像機提出了挑戰（焦距的問題）。但是貼片的精度會得以保證。

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，對于錫膏印刷是一個挑戰，需要優化PCB焊盤的設計，印刷鋼網的開孔設計也需要仔細考慮。錫膏的選擇也成為關鍵，往往會有錫膏過量或不足的現象。

3.4回流焊接工藝的控制

首先面臨的是對于無鉛回流焊接工藝選擇焊接環境的問題。在空氣中焊接，特別是對于無鉛工藝，增加了金屬的氧化、潤濕不好、焊球不能完整的塌陷。

在低氧氣濃度（<50p p m）氮氣中焊接，降低了金屬氧化，潤濕效果好，能夠形成完整的塌陷，而且表現出良好的自對中性。但0201/0402這類元件會出現立碑現象，另外焊接成本也會增加25-50%。由于無鉛焊接的溫度較高，較薄的元件和基板（厚度可達0.3m m）在回流焊接過程中橫容易熱變形，需要細致的優化回流焊接溫度曲線。同時監控頂層元件表面與底層元件內部溫度非常重要，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（有時底層元件焊球可能是高鉛材料，此時焊球可能不熔或部分熔融，錫膏則熔化冷卻形成焊點）。

3.5回流焊接后的檢查

堆疊兩層應用X-ray來檢查應該沒有什么問題，只要在產品上設計適當的參照，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的檢查各層焊點情況，實非易事，這時需要X-ray檢查儀具有分層檢查的功能了。