POP芯片堆疊技術，是現代電子信息產品為提高邏輯運算功能和存儲空間而發展起來的一種新的高密度組裝形式。本文主要從設備技術的角度分析總結POP組裝工藝實現過程中的問題與對策。重點討論了POP組裝過程中主要工序工藝參數優化方法和范圍，探討了工藝過程控制中應關注的問題，這些都是確保POP芯片堆疊成功率的關鍵。

關鍵詞：POP、芯片堆疊、SMT

1 概述

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

POP技術廣泛運用于高端終端產品，目前0.* mm pitch BGA的POP技術已具備批量生產能力。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

印刷環節是PCB、鋼網、焊膏與設備在一定環境下按照一定方法吉印通 作業的系統工程，變量多、相互作用機理復雜。歸納其主要影響因素，如圖2所示。

焊膏印刷質量受硬件、工藝參數、環境、過程控制等因素影響。針對精細間距元器件可靠印刷過程中存在的PCB與鋼網設計、焊膏選擇、過程控制等問題，在許多文獻中均有詳細的分析論述，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。

細間距元器件的焊膏印刷需要保證PCB與鋼網之間沒有任何間隙，同時PCB與鋼網在整個印刷過程中均處于平整無變形狀態。通常誤認為頂針頂的越高PCB與鋼網間貼合越緊密，有利于改善印刷質量，然而頂針頂的太高，PCB和鋼網存在一定的預變形量，如圖* 所示。一方面鋼網開口與焊盤對位可能發生偏移而導致印刷焊膏移位；另一方面刮刀移動過程中鋼網與PCB局部區域會分開，導致不同區域獲得的焊膏量不均勻，甚至出現焊膏量不足；同時，印刷過程中鋼網分離時，則分離速度和分離距離參數失去意義，易拉尖。

通過引入印刷支撐夾具可有效確保PCB和鋼網的平整及兩者間的緊密結合，對0.* mm/0.* * mm pitch等細間距，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，刮刀最前面區域的焊膏會部分填充進鋼網孔，其中的助焊劑會預先潤濕鋼網孔壁，有利于后續焊膏的進一步填充和脫模，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，當其減少到最初的二分之一時需要加入新的焊膏。“焊膏滾動柱” 要均勻且表面光滑。

為實現良好的滾動效果，除保證焊膏粘度合適、量合適外，各設備供應商紛紛在刮刀結構及工作原理上尋求改進。例如，DEK的振動刮刀、ProFlow，Minami的旋轉刮刀等，如圖7所示。

2.* 鋼網清洗頻率

在保證鋼網底部清潔的前提下，應盡量降低鋼網的清洗頻率。由切割方式加工的鋼網孔壁勢必存在各種大小的毛刺，阻礙焊膏填充和脫模。正常印刷時鋼網孔壁會被助焊劑所潤濕，各種作用力達到平衡狀態。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后才能重新建立。這正是生產中清洗干凈的鋼網第一次印刷時都會少錫的原因。

清洗太頻繁同時可能會導致溶劑混入焊膏中，影響焊膏粘度；溶劑揮發影響焊膏、鋼網的最佳工作溫度，破壞系統平衡。

* 貼片

POP貼片工藝相對常規元器件而言，最關鍵的問題是助焊劑（焊膏）蘸取動作的實現及控制和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。

導入階段選用了兩種助焊劑做對比試驗，即：藍色助焊劑和無色助焊劑。

? 器件蘸取藍色助焊劑后無法進行影像識別，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裝置可實現助焊劑（焊膏）的自動供給及厚度自動控制，如圖9所示。

新工藝導入驗證結果證明，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調整到(0.19～0.20)mm之間，0.* mm pitch調整到(0.19～0.2* )mm之間。助焊劑厚度調節通過設備自帶量規實現，如圖10所示。

* .* 影像識別

FUJI貼片機內有兩個數碼相機，一個讀取PCB Mark信息，用以計算Mark中心從而定位PCB。另一個讀取器件引腳（釬料球）、本體等關鍵信息，用以計算器件中心位置，從而將器件貼裝到程序中對應位置點。

由圖11可以看出，為實現精確貼片，除了設備自身能力和狀態外，還需要滿足：

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

⑵ 高質量的影像模型，即捕獲盡可能多的關鍵信息，并盡可能真實的反饋出來。

器件質量在前期設計、選型及來料檢驗階段要把好關，影像對于現場貼片調試來說至關重要，在0.* mm pitch BGA的POP工藝導入階段最長的貼片對位調試時間長達近10個小時。高質量的影像模型制作需重點關注以下幾點：

(1)光線照射方向與曝光時間配合使用，突出關鍵識別信息

LED光源板上的不同區域發光就形成了不同的光照模式。FUJI AIM/NXT貼片機具有俯射、側射、俯射+側射、前光全亮四種光照模式（背光模式為選配），曝光時間在(1～1000)ms范圍內調控，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，但對于精細器件、異形器件而言，細微的差異可能會導致完全不同的結果，需根據經驗判斷選擇。

⑵ 指定合適的“黑”、“白”界定標準

黑白照片在計算機中以灰度值數組的形式存在，照片中的1個點對應1個(0～2* * )數組范圍內的灰度值。識別關鍵信息點就是告訴計算機該點為“白”，其他無關緊要的區域都為“黑”。黑與白的界定就需要一個標準，在軟件中以參數Lead Brightness體現，如圖1* 所示。假設圖1* （a）中，在其他參數不變的條件下將“主體顏色”設置由“白色”改為“黑色”，則對應的Lead Brightness應設置為90以區分主體（* 0）和引腳（100）。由于灰度值* 0、90與100間的差距太小，生產中易誤判影響貼裝。

⑶ 選擇合適的影像類型

確認重要的信息點后就需要采用合適的模型去模擬、表達他們。FUJI貼片影像制作軟件中提供了近* 0種備選影像類型，不同類型關注不同的結構特征，如圖1* 、圖1* 所示。影像類型選定后還涉及到一些檢測點、尺寸與公差、背景極性等的設置，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致前功盡棄。長時間的調試也正是因為沒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備高速運動過程中的平穩性，避免貼片前器件與吸嘴間的微小位移導致貼片移位。

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

⑵ 貼片參數

相對常規器件，貼片時應重點關注貼片壓力和高度、貼片速度、分離速度等參數。

? 精確的貼片壓力和高度，可確保在貼裝頂層BGA時不會對底層過分擠壓而導致移位。

? 較低的貼片速度，能確保貼片時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”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 傳送平穩性

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

* .* 貼片質量檢測

生產過程中每兩小時對爐前PCBA進行一次X-ray抽檢。透視檢查釬料球的大小應均勻飽滿，如出現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調整到(0.19～0.20)mm之間，0.* mm pitch調整到(0.19～0.2* )mm之間。助焊劑厚度調節通過設備自帶量規實現，如圖10所示。

* 再流焊接

* .1 爐溫曲線設置

采用無鉛再流焊接工藝，爐溫曲線設置要求，如圖17所示。

在BTU 10溫區熱風再流焊接爐上的實際焊接爐溫曲線，如圖1* 所示。

* .2 過程干擾

⑴ 溫度與風壓的控制

BTU 10溫區熱空氣再流焊接爐溫控系統，如圖19所示。

BTU熱風再流焊接爐內同時存在熱空氣與PCBA間的對流傳熱、傳送軌道與PCBA間的傳導傳熱、高溫爐膛與PCBA間的輻射傳熱，但起主導作用的是對流傳熱。根據對流傳熱公式：

加熱絲與熱電偶、固態繼電器構成熱風溫度閉環控制回路；吹風馬達與壓力感應器、變頻器等構成風壓閉環控制回路。通過對加熱絲溫度、吹風馬達產生的風壓等參數的調控，實現對熱量的調控，如圖20所示。

在實際生產過程中有微小元器件、異形元器件等在再流焊接時被氣流吹動而導致移位、立碑等現象。因此，在POP再流焊接過程中風壓調節也需慎重。

⑵ 傳送軌道平穩性

BTU再流焊接爐通過馬達、齒輪、鏈條實現軌道傳動，通過絲杠轉動帶動軌道寬度調節。由于齒輪污損或潤滑缺失、爐膛內有廢舊元器件阻擋等原因，可能導致PCBA在傳送過程中抖動或碰撞，影響POP焊接質量，如圖21所示。分析焊接異常時應關注意此問題。