POP的贴装与返修技术培训解析

3D系统级封装SIP（Systems In Package）与 PoP （Package on Package）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 （Package on Package）
• 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
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
元件堆叠装配（PoP ，Package on Package）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, Package on Package)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。
• 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。
JEDEC JC-11 PoP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：
正在进行中
PCB焊盘设计（举例） Univos (Universal) demo PCB
SMD与NSMD焊盘设计
SMD
NSMD
SMD(soldermask defined) NSMD non-soldermask defined）
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
• 基板材料：Polyimide（聚合树脂）
• 焊球材料：63Sn37Pb/Pb-free
• 球径：0.25 ～ 0.46mm
PoP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 ）
• JEDEC JC-11对PoP设计和机械结构的标准化以及
JEDEC JC-63对顶层存储器件引脚输出的标准化工作
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
⑵ PoP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
1．PiP （Package in Package Stacking）与POP （Package On Package）的区别
• PiP是指器件内置器件，封装内芯片通 • POP是指在底部器件上再放 过金线键合堆叠到基板上，再将两块基 置器件 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。
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f2
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
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。
• 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%。
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
内容
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
Assembly x-ray
• Bottom component placement accuracy is very good.
• Bottom component placement accuracy is very good.
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)
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。
• 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。
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
⑴ PoP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