浅析元件堆叠装配（PoP）技术

张海澎 王家波 李晓松

摘 要：元件堆叠装配（PoP，Packag e on Packag e）技术的出现不但大大提高了逻辑运算功能和存储空间，也为终端用户提供了自由选择器件组合的可能，生产成本也得以大幅下降。文章对POP技术的基本概念和特点进行了简要介绍，对POP工艺流程进行了具体描述，最后对POP主要的工艺参数进行了分析和说明，有一定的借鉴价值。

关键词：POP;贴装;回流焊

1POP概述

POP（见图一）是针对移动设备的IC封装而发展起来的可用于系统集成的的三维叠加技术之一。PoP由上下两層封装叠加而成，底层封装与上层封装之间以及底层封装与母板（Motherboard）之间通过焊球阵列实现互连。

典型的PoP叠层封装结构是在PoP封装底部放置集成了高密度的数字或混合信号逻辑器件，器件采用细间距BGA焊球结构，可以满足逻辑器件引脚数多的特点;在PoP封装顶部容纳存储器件或存储器件叠层，由于存储器件引脚数较低，可以通过周边阵列来处理，在两个封装体的边缘处实现存储器与底部逻辑器件的互连。逻辑+存储通常为2～4层，存储型PoP可达8层。PoP作为一种新型的封装形式，在现代智能手机、数码相机和个人多媒体播放器等便携式电子产品中应用非常广泛。

PoP封装具有以下优点：尺寸小，质量轻，占用较少的基板空间;顶层的存储器件和底层的逻辑器件可以单独进行测试和替换，保障了更高的良品率;芯片可以由不同的供应商提供，提供了设计灵活性，缩短了产品的上市时间;顶底层器件叠层组装的电气连接，实现了更快的数据传输速率，可以应对逻辑器件和存储器件之间高速互联的挑战，降低了设计的复杂性和成本。

2POP工艺流程

目前，PoP的组装方式有两种。一种是预制PoP工序，即先将PoP的顶底部封装叠装在一起，焊接成一个器件，再贴装到PCB上，然后进行回流焊，这样整个PoP器件要经过两次回流焊;一种是在板PoP工序，即底部封装和顶部封装依次叠装在PCB上，先贴装底部封装，再在底部封装上贴装顶部封装，然后整个组件进行回流焊，这样PoP器件只经过一次回流焊。

在板PoP的典型工艺流程为：在PCB焊盘上印刷焊膏;拾取底部封装器件;贴装底部封装器件;顶部封装器件浸蘸助焊剂或焊膏;在底部封装器件上贴装顶部封装器件;回流焊;X-射线检测;底部填充并固化。如图2所示。

3 POP工艺关键参数控制

POP工艺主要关注以下几方面：顶部元件助焊剂或锡膏量的控制;贴装过程中基准点的选择和压力的控制;底部元件锡膏印刷工艺的控制;回流焊接工艺的控制;回流焊接后的检查。

3.1顶部元件助焊剂或锡膏量的控制

助焊剂或锡膏的厚度需要根据元件焊球尺寸来确定，保证适当的而且稳定均匀的厚度，使最小的焊球也能在浸蘸过程中蘸上适量的助焊剂或锡膏。需要考虑优先选择低残留免清洗助焊剂或锡膏，如果需要底部填充工艺的话，必须考虑助焊剂/锡膏与阻焊膜及底部填充材料的兼容性问题。

3.2贴装过程中基准点的选择和压力的控制

底层元件以整板基准点来矫正没有问题，上层元件是以整板基准点还是以其底层元件背面上的局部基准点来矫正就需要斟酌了。如果同样选择整板基准点，会很方便，不需要任何变更，产出率也会高，但贴装精度成了争论的焦点，事实上贴装的精度会受到影响。而选择其底层元件背面上的局部基准点，贴片周期会长产出率受到影响，对处理基准点的像机提出了挑战（焦距的问题）。但是贴片的精度会得以保证。

3.3底部元件锡膏印刷工艺的控制

底部元件球间距是0.5m m或0.4m m的CSP，对于锡膏印刷是一个挑战，需要优化PCB焊盘的设计，印刷钢网的开孔设计也需要仔细考虑。锡膏的选择也成为关键，往往会有锡膏过量或不足的现象。

3.4回流焊接工艺的控制

首先面临的是对于无铅回流焊接工艺选择焊接环境的问题。在空气中焊接，特别是对于无铅工艺，增加了金属的氧化、润湿不好、焊球不能完整的塌陷。

在低氧气浓度（<50p p m）氮气中焊接，降低了金属氧化，润湿效果好，能够形成完整的塌陷，而且表现出良好的自对中性。但0201/0402这类元件会出现立碑现象，另外焊接成本也会增加25-50%。由于无铅焊接的温度较高，较薄的元件和基板（厚度可达0.3m m）在回流焊接过程中横容易热变形，需要细致的优化回流焊接温度曲线。同时监控顶层元件表面与底层元件内部温度非常重要，既要考虑顶层元件表面温度不要过高，又要保证底层元件焊球和锡膏充分熔化形成良好的焊点（有时底层元件焊球可能是高铅材料，此时焊球可能不熔或部分熔融，锡膏则熔化冷却形成焊点）。

3.5回流焊接后的检查

堆叠两层应用X-ray来检查应该没有什么问题，只要在产品上设计适当的参照，可以轻易检查出元件是否有偏移等。但对于多层堆叠要清楚的检查各层焊点情况，实非易事，这时需要X-ray检查仪具有分层检查的功能了。