POP芯片堆疊技術(shù)，是現(xiàn)代電子信息產(chǎn)品為提高邏輯運(yùn)算功能和存儲空間而發(fā)展起來的一種新的高密度組裝形式。本文主要從設(shè)備技術(shù)的角度分析總結(jié)POP組裝工藝實(shí)現(xiàn)過程中的問題與對策。重點(diǎn)討論了POP組裝過程中主要工序工藝參數(shù)優(yōu)化方法和范圍，探討了工藝過程控制中應(yīng)關(guān)注的問題，這些都是確保POP芯片堆疊成功率的關(guān)鍵。

關(guān)鍵詞：POP、芯片堆疊、SMT

1 概述

POP（Package on Package）即器件芯片堆疊技術(shù)，是為提高邏輯運(yùn)算功能和存儲空間而發(fā)展起來的一種器件小型化高密度組裝的新方式。

POP技術(shù)廣泛運(yùn)用于高端終端產(chǎn)品，目前0.* mm pitch BGA的POP技術(shù)已具備批量生產(chǎn)能力。POP組裝工藝的基本流程如圖1所示。

目前，0.* mm pitch BGA的POP組裝工藝難點(diǎn)主要有：

? 0.* mm pitch 的下層BGA印刷焊膏和再流容易橋連；

? 下兩層的貼片精度要求很高，易移位；

? 上層芯片助焊劑蘸取量控制較難。

2 焊膏印刷

2.1 影響因素

印刷環(huán)節(jié)是PCB、鋼網(wǎng)、焊膏與設(shè)備在一定環(huán)境下按照一定方法吉印通 作業(yè)的系統(tǒng)工程，變量多、相互作用機(jī)理復(fù)雜。歸納其主要影響因素，如圖2所示。

焊膏印刷質(zhì)量受硬件、工藝參數(shù)、環(huán)境、過程控制等因素影響。針對精細(xì)間距元器件可靠印刷過程中存在的PCB與鋼網(wǎng)設(shè)計(jì)、焊膏選擇、過程控制等問題，在許多文獻(xiàn)中均有詳細(xì)的分析論述，此處不再贅述。

2.2 支撐方式

常見的支撐頂針有“硬”頂針和“軟”頂針兩種，如圖* 所示。

細(xì)間距元器件的焊膏印刷需要保證PCB與鋼網(wǎng)之間沒有任何間隙，同時(shí)PCB與鋼網(wǎng)在整個印刷過程中均處于平整無變形狀態(tài)。通常誤認(rèn)為頂針頂?shù)脑礁逷CB與鋼網(wǎng)間貼合越緊密，有利于改善印刷質(zhì)量，然而頂針頂?shù)奶?，PCB和鋼網(wǎng)存在一定的預(yù)變形量，如圖* 所示。一方面鋼網(wǎng)開口與焊盤對位可能發(fā)生偏移而導(dǎo)致印刷焊膏移位；另一方面刮刀移動過程中鋼網(wǎng)與PCB局部區(qū)域會分開，導(dǎo)致不同區(qū)域獲得的焊膏量不均勻，甚至出現(xiàn)焊膏量不足；同時(shí)，印刷過程中鋼網(wǎng)分離時(shí)，則分離速度和分離距離參數(shù)失去意義，易拉尖。

通過引入印刷支撐夾具可有效確保PCB和鋼網(wǎng)的平整及兩者間的緊密結(jié)合，對0.* mm/0.* * mm pitch等細(xì)間距，軟/薄板變形等印刷難題改善效果明顯。

2.* 刮刀

在印刷過程中焊膏要形成良好的滾動效果。由于滾動，刮刀最前面區(qū)域的焊膏會部分填充進(jìn)鋼網(wǎng)孔，其中的助焊劑會預(yù)先潤濕鋼網(wǎng)孔壁，有利于后續(xù)焊膏的進(jìn)一步填充和脫模，從而獲得理想的焊膏量和形狀。最初的“焊膏滾動柱”直徑約為1* mm，當(dāng)其減少到最初的二分之一時(shí)需要加入新的焊膏?！昂父酀L動柱” 要均勻且表面光滑。

為實(shí)現(xiàn)良好的滾動效果，除保證焊膏粘度合適、量合適外，各設(shè)備供應(yīng)商紛紛在刮刀結(jié)構(gòu)及工作原理上尋求改進(jìn)。例如，DEK的振動刮刀、ProFlow，Minami的旋轉(zhuǎn)刮刀等，如圖7所示。

2.* 鋼網(wǎng)清洗頻率

在保證鋼網(wǎng)底部清潔的前提下，應(yīng)盡量降低鋼網(wǎng)的清洗頻率。由切割方式加工的鋼網(wǎng)孔壁勢必存在各種大小的毛刺，阻礙焊膏填充和脫模。正常印刷時(shí)鋼網(wǎng)孔壁會被助焊劑所潤濕，各種作用力達(dá)到平衡狀態(tài)。清洗過程中由于酒精及真空的作用致使助焊劑潤濕膜被破壞，毛刺被重新暴露出來，新的平衡要幾個印刷循環(huán)后才能重新建立。這正是生產(chǎn)中清洗干凈的鋼網(wǎng)第一次印刷時(shí)都會少錫的原因。

清洗太頻繁同時(shí)可能會導(dǎo)致溶劑混入焊膏中，影響焊膏粘度；溶劑揮發(fā)影響焊膏、鋼網(wǎng)的最佳工作溫度，破壞系統(tǒng)平衡。

* 貼片

POP貼片工藝相對常規(guī)元器件而言，最關(guān)鍵的問題是助焊劑（焊膏）蘸取動作的實(shí)現(xiàn)及控制和BGA貼片精度的保障，如圖* 所示。

* .1 貼片模式

FUJI NXT/AIM設(shè)備具有* 種POP貼片模式：

⑴ 吸取器件 → 影像識別 → 蘸取助焊劑 → 貼片；

⑵ 吸取器件 → 影像識別 → 蘸取助焊劑 → 影像識別 → 貼片；

⑶ 吸取器件 → 蘸取助焊劑→ 影像識別→ 貼片。

導(dǎo)入階段選用了兩種助焊劑做對比試驗(yàn)，即：藍(lán)色助焊劑和無色助焊劑。

? 器件蘸取藍(lán)色助焊劑后無法進(jìn)行影像識別，故只能采用第一種貼片模式；

? 蘸取白色助焊劑后不影響影像識別，故可采用第二種或第三種貼片模式。

推薦使用白色助焊劑和第二種貼片模式。

* .2 蘸取助焊劑（焊膏）

FUJI Flux Unit裝置可實(shí)現(xiàn)助焊劑（焊膏）的自動供給及厚度自動控制，如圖9所示。

新工藝導(dǎo)入驗(yàn)證結(jié)果證明，使用助焊劑的效果比使用焊膏好。助焊劑厚度依下層芯片釬料球的pitch值調(diào)整，潤濕要大于釬料球高度的* 0%。潤濕的面要求水平，一般0.* mm pitch PoP調(diào)整到(0.19～0.20)mm之間，0.* mm pitch調(diào)整到(0.19～0.2* )mm之間。助焊劑厚度調(diào)節(jié)通過設(shè)備自帶量規(guī)實(shí)現(xiàn)，如圖10所示。

* .* 影像識別

FUJI貼片機(jī)內(nèi)有兩個數(shù)碼相機(jī)，一個讀取PCB Mark信息，用以計(jì)算Mark中心從而定位PCB。另一個讀取器件引腳（釬料球）、本體等關(guān)鍵信息，用以計(jì)算器件中心位置，從而將器件貼裝到程序中對應(yīng)位置點(diǎn)。

由圖11可以看出，為實(shí)現(xiàn)精確貼片，除了設(shè)備自身能力和狀態(tài)外，還需要滿足：

⑴ 良好的PCB Mark和器件來料質(zhì)量。例如，Mark中心亮點(diǎn)平整、亮度高、周圍區(qū)域無干擾，器件引腳（釬料球）一致性好且與本體灰度對比明顯、形狀規(guī)則等；

⑵ 高質(zhì)量的影像模型，即捕獲盡可能多的關(guān)鍵信息，并盡可能真實(shí)的反饋出來。

器件質(zhì)量在前期設(shè)計(jì)、選型及來料檢驗(yàn)階段要把好關(guān)，影像對于現(xiàn)場貼片調(diào)試來說至關(guān)重要，在0.* mm pitch BGA的POP工藝導(dǎo)入階段最長的貼片對位調(diào)試時(shí)間長達(dá)近10個小時(shí)。高質(zhì)量的影像模型制作需重點(diǎn)關(guān)注以下幾點(diǎn)：

(1)光線照射方向與曝光時(shí)間配合使用，突出關(guān)鍵識別信息

LED光源板上的不同區(qū)域發(fā)光就形成了不同的光照模式。FUJI AIM/NXT貼片機(jī)具有俯射、側(cè)射、俯射+側(cè)射、前光全亮四種光照模式（背光模式為選配），曝光時(shí)間在(1～1000)ms范圍內(nèi)調(diào)控，常用范圍為(* * ～2* 0)ms，如圖12所示。

可能* 種方式中的任何一種都能滿足上述兩種器件的貼片精度要求，但對于精細(xì)器件、異形器件而言，細(xì)微的差異可能會導(dǎo)致完全不同的結(jié)果，需根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷選擇。

⑵ 指定合適的“黑”、“白”界定標(biāo)準(zhǔn)

黑白照片在計(jì)算機(jī)中以灰度值數(shù)組的形式存在，照片中的1個點(diǎn)對應(yīng)1個(0～2* * )數(shù)組范圍內(nèi)的灰度值。識別關(guān)鍵信息點(diǎn)就是告訴計(jì)算機(jī)該點(diǎn)為“白”，其他無關(guān)緊要的區(qū)域都為“黑”。黑與白的界定就需要一個標(biāo)準(zhǔn)，在軟件中以參數(shù)Lead Brightness體現(xiàn)，如圖1* 所示。假設(shè)圖1* （a）中，在其他參數(shù)不變的條件下將“主體顏色”設(shè)置由“白色”改為“黑色”，則對應(yīng)的Lead Brightness應(yīng)設(shè)置為90以區(qū)分主體（* 0）和引腳（100）。由于灰度值* 0、90與100間的差距太小，生產(chǎn)中易誤判影響貼裝。

⑶ 選擇合適的影像類型

確認(rèn)重要的信息點(diǎn)后就需要采用合適的模型去模擬、表達(dá)他們。FUJI貼片影像制作軟件中提供了近* 0種備選影像類型，不同類型關(guān)注不同的結(jié)構(gòu)特征，如圖1* 、圖1* 所示。影像類型選定后還涉及到一些檢測點(diǎn)、尺寸與公差、背景極性等的設(shè)置，本文不作詳述。

* .* 過程干擾

POP組裝過程中底層芯片是活動的，任何微小的干擾都有可能導(dǎo)致前功盡棄。長時(shí)間的調(diào)試也正是因?yàn)闆]有分析清楚過程干擾的主因，并針對性的采取有效解決措施。常見的過程干擾因素可能有：

⑴ 吸嘴選擇與吸取位置

? 選取大小合適的吸嘴并使吸取位置盡量靠近器件重心，有利于保證器件在設(shè)備高速運(yùn)動過程中的平穩(wěn)性，避免貼片前器件與吸嘴間的微小位移導(dǎo)致貼片移位。

? 吸嘴破損會導(dǎo)致氣密性下降；吸嘴表面有灰塵、水汽等雜質(zhì)，有可能使橡膠吸嘴在與器件分離時(shí)，由于粘性作用帶動已貼好的器件。

⑵ 貼片參數(shù)

相對常規(guī)器件，貼片時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注貼片壓力和高度、貼片速度、分離速度等參數(shù)。

? 精確的貼片壓力和高度，可確保在貼裝頂層BGA時(shí)不會對底層過分?jǐn)D壓而導(dǎo)致移位。

? 較低的貼片速度，能確保貼片時(shí)對底層的沖擊減至最低。

? 合適的分離速度，能確保吸嘴與器件分離時(shí)不會將器件帶動。分離速度不一定越小越好，速度越慢橡膠吸嘴與器件表面間的粘力“表現(xiàn)”越明顯。因此，分離速度要綜合吸嘴大小、吸嘴類型、器件重量等因素于以綜合考慮。

⑶ 傳送平穩(wěn)性

軌道啟/停加速度太大，或是貼片機(jī)與貼片機(jī)之間、貼片機(jī)與過渡段之間對位不準(zhǔn)，易導(dǎo)致貼裝好的PCBA在傳送過程中受沖擊而導(dǎo)致移位。

* .* 貼片質(zhì)量檢測

生產(chǎn)過程中每兩小時(shí)對爐前PCBA進(jìn)行一次X-ray抽檢。透視檢查釬料球的大小應(yīng)均勻飽滿，如出現(xiàn)釬料球不能重合的情況即可判斷為不良品，如圖1* 所示。

pan s??=m`??un:'yes'; font-size:10.* 000pt; font-family:'宋體'; " 0.* mm pitch PoP調(diào)整到(0.19～0.20)mm之間，0.* mm pitch調(diào)整到(0.19～0.2* )mm之間。助焊劑厚度調(diào)節(jié)通過設(shè)備自帶量規(guī)實(shí)現(xiàn)，如圖10所示。

* 再流焊接

* .1 爐溫曲線設(shè)置

采用無鉛再流焊接工藝，爐溫曲線設(shè)置要求，如圖17所示。

在BTU 10溫區(qū)熱風(fēng)再流焊接爐上的實(shí)際焊接爐溫曲線，如圖1* 所示。

* .2 過程干擾

⑴ 溫度與風(fēng)壓的控制

BTU 10溫區(qū)熱空氣再流焊接爐溫控系統(tǒng)，如圖19所示。

BTU熱風(fēng)再流焊接爐內(nèi)同時(shí)存在熱空氣與PCBA間的對流傳熱、傳送軌道與PCBA間的傳導(dǎo)傳熱、高溫爐膛與PCBA間的輻射傳熱，但起主導(dǎo)作用的是對流傳熱。根據(jù)對流傳熱公式：

加熱絲與熱電偶、固態(tài)繼電器構(gòu)成熱風(fēng)溫度閉環(huán)控制回路；吹風(fēng)馬達(dá)與壓力感應(yīng)器、變頻器等構(gòu)成風(fēng)壓閉環(huán)控制回路。通過對加熱絲溫度、吹風(fēng)馬達(dá)產(chǎn)生的風(fēng)壓等參數(shù)的調(diào)控，實(shí)現(xiàn)對熱量的調(diào)控，如圖20所示。

在實(shí)際生產(chǎn)過程中有微小元器件、異形元器件等在再流焊接時(shí)被氣流吹動而導(dǎo)致移位、立碑等現(xiàn)象。因此，在POP再流焊接過程中風(fēng)壓調(diào)節(jié)也需慎重。

⑵ 傳送軌道平穩(wěn)性

BTU再流焊接爐通過馬達(dá)、齒輪、鏈條實(shí)現(xiàn)軌道傳動，通過絲杠轉(zhuǎn)動帶動軌道寬度調(diào)節(jié)。由于齒輪污損或潤滑缺失、爐膛內(nèi)有廢舊元器件阻擋等原因，可能導(dǎo)致PCBA在傳送過程中抖動或碰撞，影響POP焊接質(zhì)量，如圖21所示。分析焊接異常時(shí)應(yīng)關(guān)注意此問題。