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2019-07-24

PoP堆叠芯片清洗合明科技分享:细间距POP堆叠组装工艺的优化

发布者:合明科技Unibright ; 浏览次数:368

PoP堆叠芯片清洗合明科技分享:细间距POP堆叠组装工艺的优化

 潘华强 王雪梅 SMTJS资讯

摘 要:POP作为新兴的3D高密度组装技术,在超薄、小型化智能手机中使用越来越广泛。但由于该技术本身存在的一些缺陷,其良品率一直是困扰业界的一大难题;本文通过分析典型的虚焊不良现象,并对比不同辅料及工艺参数的情况,寻求提升POP的焊接良品率的有效措施。 

关键词:POP,智能手机,SMT 

1. 背景介绍 

通讯电子产品尤其是智能手机在近几年有了飞速的发展。智能手机市场竞争硝烟不断,仅以手机的厚度为例,在I phone 4推出小于1 cm的9.3 mm厚的最薄机型之后,8.6 mm、8.5 mm、7.8 mm、7.69 mm、7.5 mm、6.9 mm、6.7 mm、6.68 mm、6.65 mm??等,各大厂商正在以前所未有的速度不断刷新这一最薄纪录。技术的发展变革注定给我们产品的研发设计、加工制造带来新的挑战;同时也不断催生出新封装、新工艺、新材料的应用。 

细间距POP(Package On Package)技术正是在伴随着手机产品朝着高性能和超薄、小型化方向发展而发展的,从而有力地驱动了3D、高密度电子互联工艺技术的发展。P0P堆叠技术加速了SMT由二维空间向三维空间的拓展。 


2. 细间距POP组装工艺难点 

2.1 POP按焊球间距的分类及常见的封装形式 

POP按照上层芯片(图1)的球间距可划分为下述三种尺寸型号:

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图1 top层芯片示意图

⑴ 0.65 mm pitch POP (top 层间距0.65 mm / bottom层间距 0.5 mm)

⑵ 0.50 mm pitch POP (top 层间距0.5 mm / bottom层间距 0.4 mm/0.5 mm ) 

⑶ 0.40 mm pitch POP (top 层间距0.4 mm / bottom层间距 0.4 mm) 

随着产品的微小型化和薄型化的发展趋势,尺寸为⑴类的已较少应用;目前在新型智能产品中应用的主要是第⑵、⑶两种尺寸规格的。 

POP芯片焊接时,BOT层芯片焊接与常规工艺相同,TOP层芯片由于施加助焊剂以及BOT层芯片翘曲影响导致焊点开路等问题,特别随着TOP芯片的pitch变小焊点体积缩小时,翘曲的影响会更加显著,如图2所示。 

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堆叠技术925.png

目前国内外电子业界流行的POP封装形式,在不同的机型上均有应用,不同POP封装技术及对比情况,如表1所示。 

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图2 芯片翘曲影响示意图 

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表1 不同的POP封装技术的比较


2.2 再流焊接釆用的工艺流程 

POP组装分为一次再流和预堆叠两种: 

⑴ 一次再流;一次再流的制程如图3所示:PCB表面焊膏印刷,底部及其他元器件贴装,顶部元器件浸渍助焊剂或焊膏,顶部元器件贴装,再流焊接,检测。 

一次再流制程目前在业界采用广泛,原因是易于实施、流程简单对相关设备依赖度小,缺点是过程控制难度大导致良品率低、且制程工艺需要消耗大量的氮气而导致制造成本高。

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图3 POP一次再流制程示意图

⑵ 预堆叠制程:预堆叠制程是指先单独顶部元器件浸渍助焊剂或焊膏后,贴装在底部上,再流焊接;而后将堆叠好POP当成普通物料,按照通常的SMT制程生产。预堆叠又分为来料堆叠和SMT制程堆叠两种: 

① 来料堆叠:通常由于POP下层CPU芯片和上层内存芯片来料分别属于不同供应商,二者均不愿意来完成组装问题。故目前业界仅极少数公司实现来料堆叠(其下层CPU芯片与上层内存芯片均是同一家封装厂封装的),这种来料堆叠的方式也极大地提升了其代工厂的良品率和降低其制造成本。 

② SMT制程堆叠:受限于一般的组装厂不具备芯片级的测试条件,因而应用较少。 

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堆叠技术0731.png

图4 POP预堆叠制程示意图 

2.3 再流焊接中的主要缺陷现象 

在执行上述工艺过程中的主要缺陷是:电气测试中的小电流现象。 

2.3.1 正常凹坑型POP焊点切片金相照片 

以凹坑型POP为例,正常焊点的SEM照片,如图5所示。 

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图5 凹坑型PoP正常焊点的SEM照片

2.3.2 有缺陷的凹坑型POP焊点切片金相照片

从切片照片看,焊点纵切面属典型的球窝缺陷,其表现特征是:上、下二球未完全融混,针对凹坑POP的小电流不良所作切片结果显示,存在典型的球窝(HIP)现象,现状证明它是导致测试中出现小电流现象的根源,如图6、图7所示。 

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图6 小电流不良焊点切片⑴                图7 小电流不良焊点切(2) 

由于界面存在SnO钝态膜,导致接触界面上存在较大的接触电阻,从而使通路的电流减小。造成此现象的原因有: 

① 所使用的助焊剂活性不足,或在高湿度使用环境中暴露时间过长,助焊剂吸湿变质,活性降低;此现象尤其在雨季是高发期,故要特别关注工艺过程监控。 

② 助焊剂量不足,导致上下球的接触面,特别是下球面助焊剂缺失,从而导致凸型(即方向朝上)的球窝缺陷。 


2.3.3 裸Die型POP切片金相照片 

针对裸Die型封装小电流不良所作切片结果显示,存在焊点拉伸,局部微裂纹甚至开路等现象;分析主要为芯片热翘曲变形导致的虚焊。如图8所示。

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图8 拉伸与开路焊点(左图)与正常焊点(右图)的对比图 

从切片照片看,焊点存在拉伸,开路现象,正常焊点与拉伸焊点高度差达35 um以上,造成此现象的原因有: 

① 芯片受潮或芯片本身结构产生的热变形大,焊接过程中无法形成联接而虚焊。 

② 焊球共面度不足。 


3. 提升POP焊接良品率的应对措施 

3.1 蘸取物质的选择 

目前国内外业界在POP堆叠组装浸蘸工序所使用的辅料中,主要是助焊剂和特制胶体焊膏两类。 


3.1.1 助焊剂 

助焊剂是一种由多种成份的溶液体系。在采用蘸取助焊剂贴装POP芯片工艺时,由于、助焊剂溶剂挥发快,粘度变化大、表面张力随环境变化、吸附力弱等因素的影响,不易获得稳定的蘸取高度和厚度。从而导致关键工艺参数在生产中波动性大,工艺过程控制难度大,再流焊后焊点质量稳定性差,进而影响产品良品率。 


3.1.2 特制胶体焊膏 

在POP的再流焊接中使用了一种特制的焊膏。它是由某公司研制的焊料粉粒度<10μm的特制焊膏。该尺度下的合金焊料粉末具有大的表面积,因此在蘸取时对焊球表面有很大的吸附能力,从而能获得较稳定的、一致的蘸取高度、厚度和形状,如图9所示。 

贴装后上、下二球间被该胶体强大的吸附力牢固地连接在一起,因而确保了上、下二球的连接合格率。故它的焊接效果和质量的稳定性均要高于助焊剂,并且简化了工艺过程控制, 

从实际应用的效果来看,胶体特制焊膏明显优于助焊剂。 

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图9 蘸取时能获得稳定而一致的蘸取高度、厚度和形状 


3.2 N2气氛围保护下的再流焊接 

由于特制的焊膏胶体,所用焊料粉末粒度<10μm,由于胶体内的粒子粒度愈小,其暴露的表面面积就愈大。而在再流焊接过程中其表面暴露面积大,受氧的侵蚀的几率也就愈大,所以采取在N气氛环境保护下进行再流焊接过程是非常必要的。另一方面N2气氛保护下,减少了再流高温过程中芯片焊球的再次氧化和助焊剂消耗,等效于增加了助焊剂的量,因此更大的发挥了助焊剂的能力。 


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以上为合明科技在工业清洗方面的经验的累积,我们是国内自主掌握核心水基清洗技术的先创品牌,在水基清洗、环保清洗方面有着丰富的经验,也成为了IPC清洗标准主席单位。但是因为工业清洗问题内容广泛,没办法面面俱到,本文只对常见问题作分析,随着电子产业的不断更新换代,新的工艺问题也不断出现,本公司自成立以来不断追求产品的创新,做到与时俱进,熟悉各种生产复杂工艺,力争能为客户提供全方位的工业清洗解决方案。

 

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