4.6 PoP组装工艺
背景
PoP，即Package-on-Package的缩写，译为“堆叠封装”或“封装堆叠”，主要特征是在芯片上安装芯片。目前见到的安装结构主要为两类，即“球—焊盘”和“球—球”结构，如图4-53所示。
图4-53 POP的结构实例
一般PoP为两层，通常顶层封装是小中心距的球栅阵列（F-BGA）存储器，而底层封装是包含某种类型的逻辑器件或ASIC处理器。
特点
（1）节约板面面积，有效改善了电性能。
（2）相对于裸芯片安装，省去了昂贵芯片测试问题并为手持设备制造商提供了更好的设计选择，可以把存储器和逻辑芯片相互匹配地安装起来，即使是来自不同制造商的产品。
（3）顶层封装的安装工艺控制要求比较高，特别是“球—球”结构的PoP，同时，维修也比较困难，大多数情况下拆卸下来的芯片基本不能再次利用。
组装工艺
PoP的安装工艺流程如图4-54所示。
图4-54 PoP的组装工艺
工艺的核心是顶层封装的沾焊剂或焊膏工艺及再流焊接时的封装变形控制问题。
工艺难点
1）沾焊剂或焊膏
顶层封装的安装，通常采用焊球沾助焊剂或焊膏的工艺，焊剂工艺相对而言应用更普遍一些。
沾助焊剂与沾焊膏哪种更好？这主要取决于PoP的安装结构。一般而言，“球—焊盘”结构，更倾向于采用沾助焊剂工艺；“球—球”结构，则更倾向于采用沾焊膏工艺。
工艺上主要是控制沾涂的深度及一致性，一般要求沾涂的深度（h）为焊球直径的50%～70%，如图4-55所示。
图4-55 助焊剂或焊膏的沾涂高度
2）变形控制
由于上下芯片的受热状态不同，导致再流焊接过程中上下封装的翘曲方向不同，而且翘曲的大小与芯片的尺寸有关，如图4-56所示。
图4-56 PoP的变形示意图
案例
PoP属于要求非常高的工艺，特别是“球—球”结构的PoP要求更高一些，本节以此类结构的PoP为对象，对PoP的工艺做一较全面的介绍。
1.“球—球”结构PoP的结构
图4-57为某公司设计的一种名为ML-PoP的“球—球”结构的PoP底层封装。
图4-57 “球—球”结构的PoP底层封装
2.工艺流程
沾助焊剂组装工艺流程如图4-58所示。
图4-58 沾助焊剂组装工艺流程
沾助焊剂是在贴片机上完成的。工艺过程是先将芯片吸起，再移动到助焊剂托盘沾涂位置进行沾涂，然后提起进行贴装。图4-59为一助焊剂沾涂专用装置。
图4-59 助焊剂沾涂装置
3.工艺关键
（1）控制焊剂量。总的原则是宜多不宜少。一般控制在BGA球径的50%～70%。太多，可能沾到BGA塑封体底面，影响沾涂作业（吸不起）或贴片时图形识别；也会引起PoP之上所贴BGA的上下振动。太少，上下焊球接触不到，会导致球窝现象。
（2）控制贴片压力。一般用于PoP的助焊剂比较黏，如果贴片时压力小，很容易导致焊接时移位和“球—球”间球窝现象。
（3）焊接温度曲线。焊接温度和焊接时间对良好焊接非常重要，温度必须足够高（≥235℃）、时间足够长（≥70s），以便中间焊球达到熔化温度。
（4）封装质量。激光烧蚀深度不能大于埋置焊球球径的1/2。
激光窝深度是引起桥连的重要因素，理想的深度如图4-60所示。如果深度超过h将导致桥连。
图4-60 封装要求
4.主要焊接问题
ML-PoP焊接主要问题为球窝与桥连。
1）球窝
由于助焊剂少或元器件球没有接触，经常会发生球顶球或球窝虚焊现象。
（1）球顶球现象。
球顶球现象如图4-61所示，此情况形成的原因较多，例如：
●顶层BGA焊球没有焊剂，这种情况多为元器件掉在焊剂盘中导致BGA沾不到焊剂所致。
●顶层BGA所沾焊剂太多，导致顶层BGA托起。这种情况只发生在上下BGA中间存在大面积平面并间隙不大的情况下（≤0.25mm），如图4-62所示。
图4-61 “球顶球”现象
图4-62 元器件托起现象
（2）“倒球窝”现象。
“倒球窝”现象，即上球熔化形成球窝，半抱下球。此现象主要是上球所沾的焊剂比较少或两焊球间没有接触形成的。如果两球没有接触，下球受热困难，从而不能熔化并融合，最后就形成“倒球窝”现象，如图4-63所示。
图4-63 “倒球窝”现象
加焊剂变好或测试通过，都是这类缺陷的典型特征。
2）桥连
桥连现象如图4-64所示。产生桥连的主要原因是封装本身的原因。如果激光窝比较深，过多的焊剂将会把窝口封死，形成封闭的空气空间，高温时气体膨胀将熔融焊锡排挤出去从而形成桥连，形成机理如图4-65所示。
图4-64 桥连现象
图4-65 桥连形成机理
某芯片公司根据桥连等不良，改进了球窝形状与尺寸，目前采用的是浅窝，如图4-66所示。
图4-66 封装改进
5.经验
（1）采用助焊剂牌号：KESTER RF-741，爱法LR721H2。焊剂黏度很重要，太高，影响沾涂与转移；太低，影响挂涂量。一般应选择黏度在（25000±5000）cp范围。
（2）助焊剂厚度为焊球的60%。过厚，容易沾涂到封装体，引起焊接时振动，甚至影响到光学定位识别。不同厚度焊剂试验观察到的现象见表4-3。
表4-3 不同厚度焊剂试验观察到的现象
（3）检测方法：一般可以用梳规检测，但梳规因取样位置、操作方法（浸入速度、时间）、锯齿尺寸，与实际BGA芯片焊球有高度差异。应采用玻璃贴放观察，好的焊剂高度，应获得玻璃板下均匀的焊剂图形，尺寸应至少比焊球大。旋转刮平焊剂的装置，往往获得的焊剂量因黏度的差异而不同，如图4-67所示。采用X射线对焊点尺寸进行观察，发现焊剂越厚，焊点直径也越大，表明焊剂量会影响焊点的塌落程度。
试验表明，沾涂厚度应达到焊球直径的60%以上。
图4-67 PoP焊剂沾涂结果
（4）PoP封装应选用大尺寸球窝，以便消除焊剂过多后密封效应而桥连。
（5）PoP焊点的形成过程如图4-68所示，来源于再流焊接过程录像。
当ML-PoP加热到焊点熔点以上温度时，BGA焊球与PoP焊球将先后相互熔化、融合。先期融合者将被拉成柱状或细腰形，接下来随着绝大多数焊点的融合，BGA将发生塌落。
从这个过程看，BGA焊球与PoP焊球的熔化、融合过程是逐步完成的，只要BGA焊球上沾有助焊剂，BGA焊球与PoP焊球就会融合，不会形成球窝。如果BGA焊球上没有沾有助焊剂，就会形成球窝。
如果BGA底面上也沾有助焊剂，则会引发BGA在PoP上的上下振动。此振动有利于消除熔合焊点内外气体的排除及桥连焊点的断开，具有消除桥连的作用。PoP从来不会因为助焊剂多而发生桥连，但助焊剂多会影响贴装，即BGA沾助焊剂时贴片机吸嘴吸不起元器件，同时也影响图形识别。
图4-68 PoP焊点形成过程