PoP 封装芯片的返修

2020-03-27 09:06:58 网站负责人 144

 

 

 

 

PoP 封装芯片的返修

(Package on Package Components)

 

 

 

 

 

 

 

--Lead-Free返修工艺挑战

 

对双面贴片的PCB上的PoP 封装芯片的返修

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Presented By Paul Wood

 

 

重新定义PCBA的无铅返修工艺图片关键词


 

 

 

 

 

Package on Package

 

Components

 

为什么使用PoP?

 

 

 

什么是PoP?

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

芯片具有高速开关速度

双层PoP封装节省50%面积, 更大的纵向空间允许更多层的封装.图片关键词


 

 

 

 

 

Package on Package

 

Components

 

 

可以沿PCB的纵向将Dram,Ddram Sram,Flash,

微处理器进行混合装联.

 

对于不同厂家的芯片, 具有不同功能, 不同价格, 

以简单地混合装联在一起以满足客户的需求.

 

目前该技术可以取得在垂直方向进行 4 层芯片外

部叠加装联.

 

每个封装芯片内部可以达到5层硅片叠加, 每层厚

度为0.8毫米. 见下面 Intel 网页

site:http://www.intel.com/design/flash/packtech/index.htm图片关键词


 

 

 

 

 

 

 

Various Stacked devices


 

 

 

 

 

Intel® Internal

2 Stacked CSP

 

 

 

 

 

BGA Stacked


 

 

 

 

 

 

 

 

Server

Memory

from

Viking

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2×256k chips

Each side top

+ bottom ×3 levels

=12× 256 chips

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.0mm High profile 5

internal die Ram chips图片关键词


 

 

 

 

 

 

 

Reworking PoP Packages

 

 

 

 

返修双面贴片的PCBA本身就是目前业内人

事面临的挑战, 而现在不得不接受在返修中

同时要处理PoP器件的返修.

贴片密度大的PCBA往往需要更大的热容量,

高的无铅焊接温度往往造成PoP上层芯片部分

温度过高

在拆取, 更换上层芯片时候, 在同样的温度下包

括底层芯片上所有的焊球全部熔化.

这些在芯片外封装上叠加的芯片是沿PCB垂直

方向排列.图片关键词


 

 

 

 

 

 

 

Demo PoP Stacked Devices

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Amkor PoP 芯片已经商品化

 

 

 

 

 

环球仪器的 PoP 正在实验中;

非常类似Amkor 芯片图片关键词


 

 

 

 

 

 

 

How Can PoP Be Removed

 

 

 

下面的返修工艺是不被推荐的!

返工两次 – 因为在相同温度下所有的焊锡球全部熔化, 

用传统真空吸嘴方式提取芯片, 不可避免发生芯片分层.

通常真空吸嘴只是取下上层的芯片, 将底部芯片留驻在

PCB上面.

为了保证同时取下多层芯片有人使用胶水将芯片粘在一起,

但需要等待胶的固化时间.

使用镊子手工拆除有损伤PCB的趋势.

手工拆处使其不能对芯片进行有效的失效分析

需要新设计和新工艺.图片关键词


 

 

 

 

PoP 理想状态下被取下

 

 

 

 

 

 

一次性将PoP整体从PCB上取下

可以对PoP进行完整的测试, 对其失效机理进

行分析

在摘取过程中不要对PoP有机械损伤, PCB

受热时向上卷曲, 和任何真空吸嘴造成的向

下的机械压力

 

一次温度回流将芯片取下, 避免多次回流造

成对PCB上焊盘的潜在损伤

避免用胶将PoP双层粘合在一起的做法图片关键词


 

 

 

 

 

 

 

新的镊形喷嘴设计

 

 

 

 

镊形喷嘴在垂直方向有一些热敏型突出卡子, 可以将整

个多层芯片从PCB上一次性提取.

不是手动操作, 因为镊形喷嘴的卡子是热敏材料制作, 

设备的软件控制下是自动完成芯片拆取的图片关键词


 

 

 

 

 

 

 

新形镊形喷嘴的工作机理

 

 

 

 

镊形喷嘴采用特殊材料制成的卡子,

200ºc条件时候自动弯曲大约 2mm.

镊形喷嘴不局限于PoP应用.

镊形喷嘴适合于任何器件而真空吸嘴不适

合的应用.

对于真空吸嘴方式, 不可避免遇到不能在器

件表面产生足够的真空,而由于焊锡与焊盘

的表面张力过大而取不下器件的问题

所有Lead-free焊接中的 LGA/LLP/QFN.图片关键词


 

 

 

 

 

 

 

新形镊形喷嘴的工作机理

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

镊形喷嘴在温度达到200ºc 的时候图片关键词


 

 

 

 

 

 

拆取 PoP的工艺过程

 

 

 

 

拆取工艺:

 

 

取下真空吸嘴, 将镊形喷嘴装上

 

 

APR机器新软件功能, 具有自动操

作拆取芯片的过程控制.

 

 

对芯片实施热风回流焊, 当焊球熔

化时候, 自动或者手动实施芯片拆

除操作.

 

 

PoP 将会作为一个整体芯片被一

次性从PCB上拆除,避免了使用真

空吸嘴对芯片造成任何机械压力损

.

 

热敏形镊形喷嘴图片关键词


 

 

 

 

 

 

拆取 PoP的工艺过程

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

放置镊形喷嘴位置恰


好高于PCB

 

镊形喷嘴的边刚好夹住整个PoP图片关键词


 

 

 

 

 

 

更换PoP的上层芯片操作工艺

 

 

 

 

清洁焊盘后,将底层芯片的

焊球做助焊剂涂敷或者将

焊膏涂敷在芯片焊球上.

焊球直径大约为10 mils

(.25mm)

图片所示是采用环球仪器

公司的演示芯片,4 mil

(.1MM),使用OK公司

DTBK 助焊剂涂敷模块.

理想的涂敷量为焊球的1/2

高度.

图片显示理想的助焊剂量

被转移到焊球上. 如需要

涂敷焊膏必须使用丝网.图片关键词


 

 

 

 

 

 

 

使用胶状助焊剂, 切忌使用液体助焊剂

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

图片关键词


 

 

 

 

 

 

 

膏状助焊剂均匀涂敷过程, 而不是使用液体助焊剂

 

 

 

助焊剂转移的过程

 

 

使用刮铲将膏状助焊均匀剂涂敷在模板上图片关键词


 

 

 

 

 

 

 

 

膏状助焊剂均匀涂敷过程, 而不是使用液体助焊剂图片关键词


 

 

 

 

 

 

 

膏状助焊剂均匀涂敷过程, 而不是使用液体助焊剂图片关键词


 

 

 

 

 

 

 

膏状助焊剂均匀涂敷过程, 而不是使用液体助焊剂

 

 

 

 

 

转移助焊剂到焊锡球的过程完成, 下一步将芯片焊接到PCB

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

转移助焊剂量为

1/2焊球高度图片关键词


 

 

 

 

 

膏状助焊剂均匀涂敷过程

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

膏状助焊剂完成均匀转移

 

4 mil 厚度涂敷模板(.1mm)图片关键词


 

 

 

 

 

 

焊接上层PoP的工艺流程

 

 

 

 

采用同样的工艺方法对上层PoP焊球引脚进行助

焊剂涂敷.

 

上层的PoP的锡球尺寸与下层的不同. 16 mil

(.4mm) , 回流焊接后尺寸为14mil (.35mm), 因此,

建议使用 4 或者6 mil(.15mm) 的助焊剂模块. 

: 不同厂家生产的上部PoP的焊球尺寸会不同.

 

将上层PoP 贴敷在下层PoP 上面.图片关键词


 

 

 

 

 

 

贴放上层 POP

 

 

 

 

 

使用常规带真空吸

嘴吸起芯片

 

注意真空吸力的调

,设置250较为理

.

 

降低喷嘴直至离

PCB 距离为 2mm

 

按照正常无铅焊接

回流曲线焊接.图片关键词


 

 

 

 

 

APR5000XL Dual Zone

 

Convection Preheater

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

外围加热区

Zone 2

 

 

 

 

 

中心加热区

Zone 1图片关键词


 

 

 

 

 

New Process:

对双面贴片的PCB的选择性焊接工艺

 

顶部加热: 热风喷嘴, 温度分区变化功能

 

所有焊球温度为:


 

喷嘴温度

260ºc

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

选择性加热, 使高吸热

密度的PoP芯片底部可

以集中吸取热能量以提

高温度上升速率

235-245°C 通过调节

顶部和底部分区温度

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

相邻的PCB背面的元器件

的温度在回流焊接PoP

,不应该超过217ºc图片关键词


 

 

 

 

 

 

Preheater APR 5000 DZ Using Standard Nozzles

For Dual Preheater Reflow Zone

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

顶部加热体

550W

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1× 900w

底部中心加热体

 

 

 

 

 

2×900w

底部外围加热体图片关键词图片关键词


 

 

 

 

有铅和无铅焊接曲线比较

 

Lead VS Lead-Free

 

PB/LF Reflow profiles

 

 

300

 

 

250


 

 

200

 

 

150

 

 

有铅

 

 

 

 

斜率

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Lead

LFN2

LFHot


 

 

100

 

有铅焊

斜率小

LFlow


 

 

50

 

 

0


0

20

40

60

80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400


Time


 

 

 

 

Key

 

 

 

 

降温区温度斜率

 

 

 

 

助焊剂活化区温度斜率图片关键词图片关键词图片关键词图片关键词图片关键词


 

 

 

 

有铅焊接使用的助焊剂绝对不能用

在无铅焊接中

 

 

 

PB/LF Reflow profiles

 

 

300

 

 

 

250


 

 

200

 

 

 

150

 

 

 

 

LF   ati

A

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Lea

 

 

 

ne

 

 

x acti

 

 

 

 

 

 

on

 

 

 

 

Lead

LFN2

LFHot

LFlow


100

 

 

50

 

 

 

0


0

20

40

60

80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400


Time

 

 

有铅助焊剂如果使用在无铅时, 助焊剂在大约无铅焊接

需要的正常活化时间的30%时候已经烧掉了图片关键词图片关键词图片关键词图片关键词图片关键词图片关键词


 

 

 

 

 

 

选择性加热温区的回流焊接曲线

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Lis large preheater

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Sis small heater

 

 

 

 

 

Bboth图片关键词


 

 

 

 

 

 

POP 回流焊接的注意事项

 

 

 

 

底部中心加热体可以从PCB底部提供所需要的80%热容量,

确因此, 允许降低顶部加热温度.

底部中心加热体可以有效提高温度上升斜率, 降低焊接曲

线的总体时间

焊接PoP时候, 必须保证PCB和芯片不要变形, 平整度是很

关键的(Coplanar flatness of chips is critical), 因为部分焊

球是连接在另一块芯片上, 而其它焊球是连接在PCB上面.

两个基板膨胀系数是不一样的

顶部喷嘴温度过高很容易造成上层封装变形, 因为, 芯片本

身是低密度, 重量轻, 每层封装后芯片只有1.5mm厚度, 

部温度达到 265ºc 会使一些芯片封装变形.图片关键词


 

 

 

 

 

 

 

符合质量标准的焊点

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Top CSP


 

 

 

 

 

 

 

 

Top CSP

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Bottom CSP图片关键词


 

 

 

 

 

 

 

 

符合质量标准的焊点

 

 

 

 

Top CSP

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Bottom CSP图片关键词


 

 

 

 

PCB 变形时影响到底层CSP

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Top CSP

 

Top CSP


 

 

 

 

 

 

 

 

Bottom CSP

 

 

 

 

 

 

 

 

Bottom CSP


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

PCB变形后造成底层芯片焊球挤压外延或者压扁图片关键词


 

 

 

 

 

 

底层芯片变形


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Top CSP

 

 

 

 

Bottom CSP

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Top CSP

 

 

 

 

Bottom CSP图片关键词


 

 

 

 

 

 

 

Bottom Component Placement X-Ray Imaging is Complex

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Assembly x-ray图片关键词


 

 

 

 

 

 

Bottom Component Placement X-Ray Imaging is Complex

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Traces on the board

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Bottom component placement accuracy is very good.图片关键词


 

 

 

 

 

 

Bottom Component Placement X-Ray Imaging is Complex

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Traces on the board

 

No any trace for reference to

 

check the placement status

 

of top component

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Bottom component placement accuracy is very good.图片关键词


 

 

 

Univos (Universal) demo PCB


12 mil NSMD Pad

Fiducials


 

 

 

 

 

.3mm thick, 2 layer

12 mil SMD Pad

16 mil Ball at .65mm pitch


 

 

 

 

 

12 mil NSMD Pad

 

 

 

 

 

 

 

10 mil SMD Pad

 

 

 

 

 

 

Fiducials

 

 

 

 

 

.3mm thick, 4 layer


12 mil Ball at .5mm pitch

 

 

 

 

 

10 mil NSMD Pad

 

 

 

 

1.5mm thick

4 layer FR4

PCB图片关键词


 

 

 

 

 

 

POP 演示芯片

 

 

 

注释: 脚间距和焊球尺寸不同


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

底层芯片

(Bottom Surface w/ Balls

Matches PCB Footprint)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

上层芯片

(Bottom Surface w/ Balls and Fids)图片关键词


 

 

 

 

 

 

 

总结


 

 

 

特征

 

 

 

优点图片关键词图片关键词


 

 

 

 

 

 

 

结论

 

 

 

随着无铅焊接的实施, 面临新的返修挑战:

PoP 将使返修面临更加多的新挑战

需要对芯片整体进行温度控制, 特别是上层和底层芯片

在严格温度控制下进行回流焊接

 

 

 

正确设备是基本:

返修设备本身需要能够提供如此高精度的控制

底部加热必须是双温区控制

热敏镊形喷嘴在返修PoP时非常关键

OK公司提供新的设计返修台, 提供新的焊接工艺图片关键词


 

 

 

 

 

 

 

References

 

 

 

 

Universal (Unovis) for samples of Demo

PCB and PoP packages.

 

Michael Meilunas (Unovis) for PoP

samples of various reflow conditions and

X-Ray shots.

 

Amkor for Information on PoP.图片关键词