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堆叠技术在电子装联工艺中之应用与影响
录入时间:2019/11/5 11:19:17

许琳

深圳迈瑞生物医疗电子股份有限公司

 

摘要:在当今的科技时代,电子产品的更新速度越来越快,其趋势也日趋明朗,即朝着“轻、薄、短、小”的特点发展。PCB(Printed Circuit Board)上的器件密度越来越高,器件尺寸越来越小,Chip 物料从本世纪初的0603(英制),发展到如今的03015(公制),甚至到了公制的0201,而集成电路也已从最初的QFP封装发展到如今的3D系统集成封装(SIP/System in Package)、多芯片模块(MCM)等(可见图1)。电装工艺也借鉴3D封装技术,产生了以POP(Package On Package)、COC(Chip On Chip)等为代表的堆叠工艺,而这些工艺也打破了原有的电子制造分级,具有里程碑的意义。本文通过介绍POP工艺在电装工艺中的应用与影响,阐述了作者对这种工艺的理解,供大家学习参考。

 

   关键词: POP  堆叠技术 工艺评价 电子制造分级  

 

1 引言

随着移动多媒体产品的普及和对更高数字信息处理,具有更高存储容量和灵活性的需求,元件堆叠装配POP(Package and Package)技术的得到广泛应用。POP是一种典型的3D封装,将经过完成测试的封装单芯片BGA垂直堆叠在另外一片单芯片BGA上,通常逻辑+存储通常为2到4层,存储型POP可达8层,器件的组合可以由终端使用者自由选择,相关的组装设备和工艺也具有先进性与高灵活性。

为了进一步介绍POP叠装工艺,作者结合自己多年前该工艺的导入经历,分享自己的实践心得及对技术之外的思考。


              图1 电子器件及PCB的发展趋势

2  POP工艺流程

POP堆叠技术只要在现有的主流SMT贴片设备(松下、FUJI、西门子等)上增加一些特殊的模块就可以实现,原则上并不需要对现有的SMT线体做大的变更,所以实现起来比较容易。

POP工艺流程比较简单,POP底部器件按正常的SMT贴装方式操作,而堆叠的顶部器件需要采用专用的转印设备,给顶部器件锡球转印上一定量的锡膏或Flux,然后再将其贴装到底部器件上,底部器件与顶部器件一起回流焊接,完成机械与电气连接(见图2)。


图2 POP的工艺流程

 

3 工艺评价流程

一种新工艺在导入之前,公司内部有必要根据工艺的特点和产品自身的质量要求制定出适合该产品的工艺评价流程。

对关键参数安排实行DOE试验,通过试验数据对比选择最优参数,后通过外观检查、无损、有损确认等方式来评价工艺的水准。

最后对优化后工艺参数的试样品做可靠性试验,试验的内容根据产品的等级、使用环境及客户要求来决定。若试验失败,需要对失效样品做失效分析找出失效原因并采取对策实施再验证,若试验成功,满足所有要求,则需要固化所有参数条件总结整个评价过程,输出最终的评价报告。

3.1 转印材料的选择

POP工艺转印材料有两种,一种是锡膏,另一种是Flux。

锡膏一般使用五号粉的专用POP锡膏,但在选择时需要考虑两点。一是转印锡膏与印刷锡膏品牌尽量一致,能保证材料加工管控体系的一致。二是转印锡膏与印刷锡膏的金属合金成分一致,只有这样才能确保熔点温度一致,有利于回流参数的调整及控制。

Flux建议选择带有颜色的(如兰色),这样易于观察转印后Flux的蘸取量,而无色的就不易确认了。同时要评估好阻焊剂的活性,尽量避免选择高活性的Flux,尽管高活性能使焊接效果更好,但其残留物的存在可能会对产品带来可靠性风险,特别是没有清洗工序时。

     POP的堆叠种类常见有两种,一种是P-M组合,另一种是M-M组合,它们有不同的结构特点,具体如何选择转印材料见如表。

 

     选择不同的转印材料会有不同的焊接原理,其优劣势也很明显,但根据业内可靠性试验数据来看,转印材料选择锡膏的可靠性略优于Flux。

3.2 转印效果的控制

我司导入的POP堆叠种类是P-M组合,考虑到其结构与其可靠性,最终选择了转印锡膏。根据业内的POP锡球蘸取的经验值,锡膏的蘸取深度为锡球高度的50%左右为优,一般范围是50%~60%,具体选取值以实际生产评估为准。

3.3 回流曲线监控

     需要细致优化回流焊接温度曲线。由于无铅焊接的温度较高,POP器件封装一般较薄,在回流过程中很容产生热形变,那么监控顶部器件表面与底部器件内部温度非常重要,既要考虑顶部器件表面温度不要过高,又要保证底部器件焊球和锡膏充分熔化,形成良好焊点。

另外,控制升温速率及尽量选择低的峰值温度也非常关键。

3.4 样品外观确认

调试好过程参数后,我们需要通过制作样品来评价工艺的合理性。样品焊点的外观确认是不可缺少的,也是样品确认的第一步,通常是通过电子显微镜(带有观察BGA焊点侧面功能)来初步判定焊点的质量。

3.5 样品无损确认

由于POP器件的焊球在封装的底部,电子显微镜也只能观察到器件侧面锡球的焊接质量,内部焊点质量是无法有效确认的,所以需要使用其它确认手段来完成,而X-RAY就是无损确认的最常用的手段之一。如果设备本身带有CT功能,就可实现对焊点的断层扫描,立体的展现焊点的形貌,这对更准确地判定焊点质量帮助甚大。

3.6 样品有损确认

样品有损确认最常见、有效的方法是金相切片,通过切片我们观察到焊球内部晶粒状况以及界面IMC(金属间化合物)的厚度与形貌,根据金属学基本原理可知,焊点的显微结构决定其性能,所以焊点微观形貌确认对于工艺评价来说至关重要。

3.7 产品可靠性试验

通过外观检查、有损、无损方法等确认得出最优的工艺参数,在此工艺条件下生产出的产品我们还需要根据产品的等级、使用环境及客户的要求设计出适合本产品的可靠性试验,以下是针对我司试制产品所制定的试验条件,供大家参考。

4 叠装工艺对电装工艺的影响

叠装工艺的产生源于电装工艺的需要,而电装工艺的需要与电子产品发展趋势息息相关。作者认为以POP(Package On Package)为代表的叠装工艺对整个电装工艺的影响是巨大的,主要表现以下几点。

4.1 模糊了现有电子制造级别的划分

现有电子产品制造级别分为4级,0级为芯片的设计与加工,1级为芯片封装测试、PCB设计制造、无源器件制造、工艺材料等,2级为板级组装(PCBA),3级为系统装联(整机)。而叠装工艺的出现使得1、2级组装相互渗透,它介于这两个级别之间,模糊了现有电子制造级别的划分,我们可以将叠装工艺称之为1.5级,具体可参见以下电子制造级别划分(见图3)



图3 电子制造级别划分

4.2 对于电子产品加工制造增加一种有效工艺选择

改变传统的SMT钢板印刷加锡的方式,器件锡球直接蘸锡方式是一种有效的方案,这种方案的实施并不需要对已有的SMT设备做大的调整,只是增加相应的转印模组,但对于电装工艺来说却增加了一种加工思路,一些Fine Pitch BGA器件及特殊器件可以考虑通过蘸锡/Flux的方式来解决焊接。

4.3 突破了现有的思维模式,是一种里程碑。

POP堆叠工艺并非一种新的制造工艺,在业内应用已超过十年,但它却代表了一种思维方式的突破,跳出了原有的SMT固有加工思路,是一种进步,是具有里程碑,是值得可定的。它的出现意义不亚于喷印技术,也必将会记载到整个电子装联工艺历史长河当中去。

 

6  结束语

以POP为代表的堆叠技术在电子装联工艺中的影响是巨大的。本文作者根据自身的实践经验以及业内同仁的观点做了整理总结,分享了POP工艺如何应用及对其进行评价,同时也谈了自己对该工艺对电子装联影响的看法,希望大家能有所收获。随着电子产品小型化、高密度化的发展,作为电装人不能自我封闭,应该主动接受新的技术与理念,好好的理解消化,服务于生产实践,为我国的电子加工行业真正做大做强贡献出自己应有的一份力量。

 

参考文献:

〔1〕 Michael Chen, Kenji Masumoto, Shawn WU, Kurt Wachtler

TEXAS INSTRUMENTS   TI OMAP4 POP SMT Design Guideline

作者简介:

     许琳,男,高级工程师,广东省电子协会SMT专委会委员,《SMT

China表面组装技术》及一步步新技术研讨会技术顾问。从事PCBA电子装联十余年,主要负责过程品质管理,过程工艺优化以及板级失效分析等工作,发表技术论文多篇。


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