元件堆疊裝配(PoP)技術

1、隨著移動消費型電子產品對于小型化，功能集成以及大存儲空間的要求的進一步提升，元器件的小型化高 密度封裝形式也越來越多，如多模塊封裝(MCM)，系統(tǒng)封裝(SiP)，倒裝晶片等應用得越來越多。而元件堆疊裝配(PoP, Package on Package)技術的出現(xiàn)更加模糊了一級封裝與二級裝配之間的界線，在大大提高邏輯運算功能和存儲空間的同時，也為終端用戶提供了自由選擇器件組合的可能，生產成本也得以更有效的控制。對于3G手機PoP無疑是一個值得考慮的優(yōu)選方案。勿庸置否，隨著小型化高密度封裝的岀現(xiàn)，對高速與高精度裝配的要求變得更加關鍵。相關的組裝 設備和工藝也更具先進性與高靈活性。元器件堆(Pack

2、age on Package)技術必須經受這一新的挑戰(zhàn)。元器件堆疊裝配技術市場情況及其推動力當前半導體封裝發(fā)展的趨勢是越來越多的向高頻、多芯片模塊(MCM)，系統(tǒng)集成(SiP)封裝，堆疊封裝(PiP, PoP)發(fā)展，從而傳統(tǒng)的裝配等級越來越模糊，岀現(xiàn)了半導體裝配與傳統(tǒng)電路板裝配間的集成， 如倒裝晶片(Flip Chip)直接在終端產品裝配。 半導體裝配設備中的特征功能開始出現(xiàn)在多功能精細間距貼 片機上，同時具有較高的精度，又有助焊劑應用的功能?？梢哉f，元件堆疊技術是在業(yè)已成熟的倒裝晶片 裝配技術上發(fā)展起來的。自2003年前元件堆疊技術大部分還只是應用在閃存及一些移動記憶卡中，2004年開始出現(xiàn)

3、了移動電話的邏輯運算單元和存儲單元之間的堆疊裝配。在此財政年度內整個堆疊技術市場的平均增長率達60%。預計到2009年增長率達21%，其中移動電話對于堆疊裝配技術的應用將占整個技術市場的17%,3G手機，MPEG4將大量采用此技術。元器件堆疊裝配技術市場情況簡圖（資料來自 Prismark）汙T 3RAU, SDHAiMtanciMtmory CvAffwr Porta MM ?5Mernory CirftTIKDRAM"!30WOtter闿片GtSRAM. SDRAMl r 3tW G理Phorw Logic A iAirrw|rTclal： 50CM UnrtB60*, Grow

4、ltiTola!: 24 00M UnitsTotal: BOOM Unit*21 CAAGR移動通信產品關鍵是要解決 ”帶寬”的問題，通俗的講就是高速處理信號的能力。這就需要新型的數(shù)字信號處理器，解決方案之一就是在邏輯控制器上放置一枚存儲器(通常為動態(tài)存儲器)，實現(xiàn)了小型化,基本上我們可以利用現(xiàn)有的 S功能也得以強化。而成熟的倒裝晶片技術促成了這一技術大量應用的可能。MT現(xiàn)有的和下游資源及現(xiàn)成的物流供應鏈導入此技術進行大批量生產。堆疊裝配元器件的結構元器件內芯片的堆疊大部分是采用金線鍵合的方式(Wire Bonding),堆疊層數(shù)可以從2層到8層。STMICRO 聲稱迄今厚度達 40微米的芯

5、片可以從兩個堆疊到八個(SRAM, flash, DRAM)，40微米的芯片堆疊8個總厚度為1.6mm ，堆疊兩個厚度為0.8mm 。4 STACK 1 mvn3 STACK 1 2rwnEoftu SftMcr厲wkmt 葉m聊Source:ITRS 2005 RoadmapSource:ITRS 2005 Roadmap器件內置器件(PiP, Package in Package),封裝內芯片通過金線鍵合堆疊到基板上，同樣的堆疊通過金線再將兩個堆疊之間的基板鍵合，然后整個封裝成一個元便是PiP(器件內置器件)PIP SpjccrSource:ITRS 2005 RoadmapSource:

6、ITRS 2005 RoadmapF即肝總 QSStacked PackagesSource:ITRS 2005 RoadmapPiP封裝的外形高度較低，可以采用標準的SMT電路板裝配工藝，單個器件的裝配成本較低。但由于在封裝之前單個芯片不可以單獨測試，所以總成本會高(封裝良率問題)，而且事先需要確定存儲器結構，器件只能由設計服務公司決定，沒有終端使用者選擇的自由。元件堆疊裝配(PoP, Package on Package), 在底部元器件上面再放置元器件，邏輯+存儲通常為2到4層，存儲型PoP可達8層。外形高度會稍微高些，但是裝配前各個器件可以單獨測試，保障了 更高的良品率，總的堆疊裝配成

7、本可降至最低。器件的組合可以由終端使用者自由選擇，對于3G移動電話，數(shù)碼像機等這是優(yōu)選裝配方案。各種堆疊封裝工藝成本比較STACKED = AC：CATIONSSuerLogica嚴£1WenwryDteMwihLogico.eoecs越ME*1616IS1 6叭 Bondlock303030斗 Eery*41414HF辺d0 廠12LOfjK2F 51hlMWYT0. t10001 S3 一tI3?1c10冑* HtanninQU?gK2*77IM 卷w*44'斗4Anach- *001 3OtiW20壯2025Total Pfldsg韻 CmnM412Q&tv*P

8、Kk*g«d QMt R«網1 QOx呻11«It ?9iMdrarol FOB Cotte330i0V0*12510葡06Tetri Cpm111 41294125 4133.4TbM CAMi Wh11 IXk1.IBMAmkor PoP典型結構o 底部 PSvfBGA(Package Stackable very thin fine pitch BGA)o 頂部 Stacked CSP(FBGA, fine pitch BGA)PoP Overall Stack Up TableSyinbttlUniT7 ：iMmNomAl (Ball 0.5 pilch)

9、mm0.180u.2360130昭沖 lominare)mm0.2*00.061 (Ball 0.£5 Udi)mm0.27DD3300.3C0B? (?l IttTlilDlf)nwQ.I80Q720dMB3 刪 Cop)rtimD.37Q0.430G.WO的H ?ltg h刖yhtnim1.321!/?1400,B3A1底部PSvfBGA結構0外形尺寸10-15mm0中間焊盤間距0.65mm ，底部0焊球間距 0.5mm(0.4mm)0 基板FR-50焊球材料 63Sn37Pb/Pb-freePSvfBGA Cross Section0 27mmFoolxinf - bottom

10、 (C)SiiMlWhipiMl (mbHhlWBMt MbMlatJhr fW* 嚴 hflft feftiIhIhaMLmw1$104刑fH如Hu：f?in1»2W12站;ITU3«<725QV5曲吋林13b13&so3 tSiaoMOU11宙35?<12$tsoo血MTS15400<toDaw如糾 J(BCD已.、- 一 一JJk n £ _ -亠,BoffernC*OwAWli頂部SCSP結構o外形尺寸4-21mm0底部球間距0.4-0.8mmo 基板 Polyimide0焊球材料 63Sn37Pb/Pb-free0 球徑 0.2

11、5-0.46mmSlacked CSP Cross Section Di譽 an 2-Laer Lamitidte StructureStacked CSP Cross Section2+1 Die on 4-Layer Laminate StructureOfr-KtXStacked CSP Cross Section3*1 Logic + Memory底部元件和頂部元件組裝后的空間關系POP裝配的重點是需要控制元器件之間的空間關系，如果它們之間沒有適當?shù)拈g隙的話，那么會有 應力的存在，而這對于可靠性和裝配良率來講是致命的影響。概括起來其空間關系有以下這些需要我們關 注：O 底部器件的模塑高

12、度(0.27-0.35mm)o頂部器件回流前焊球的高度與間距elO回流前，頂部器件底面和底部元件頂面的間隙flO頂部器件回流后焊球的高度與間距e2O回流后，頂部器件底面和底部元件頂面的間隙f2BAT cHjSMT而影響其空間關系的因素除了基板和元器件設計方面，還有基板制造工藝，元件封裝工藝以及 裝配工藝，以下都需要加以關注的方面：O 焊盤的設計O 阻焊膜窗口O 焊球尺寸O 焊球高度差異O 蘸取的助焊劑或錫膏 的量*貼裝的精度*回流環(huán)境和溫度*元器件和基板的翹曲變形*底部器件模塑厚度B«(oce rellowAfter reflowPoP的SMT工藝流程典型的SMT工藝流程：1. 非P

13、oP面元件組裝（印刷、貼片、回流和檢查）2. PoP面錫膏印刷3. 底部元件和其它器件貼裝4. 頂部元件蘸取助焊劑或錫膏5. 頂部元件貼裝& nbsp； 6.回流焊接及檢測頂層CSP元件這時需要特殊工藝來裝配了，由于錫膏印刷已經不可能，除非使用特殊印刷鋼網（多余設備和成本，工藝復雜）,將頂層元件浸蘸助焊劑或錫膏后以低壓力放置在底部CSP上。貼裝過程如圖下圖為頂部元件浸蘸在0.2mm 厚的錫膏中，組裝在玻璃片上看到的情形進僻基準點或諄罐拾取元件一華夬盤宴空盤.送料器FiducialrecognrtionDie pick-up元怦辨iR肌期尤件燼球辨識局部嘉準點館識底部兀竹背佛的峯?ffi

14、點Cornponent recognrtionLocal fiducisi |1ia.LaauABauxMB4JiBB4AuajABau44 lMFluxing元件貼裝吸哦選掙vs狂MPlace menlPoP裝配工藝的關注點1.頂部元件助焊劑或錫膏量的控制助焊劑或錫膏的厚度需要根據(jù)元件焊球尺寸來確定，保證適當?shù)亩曳€(wěn)定均勻的厚度，使最小的焊 球也能在浸蘸過程中蘸上適量的助焊劑或錫膏。需要考慮優(yōu)先選擇低殘留免清洗助焊劑或錫膏，如果需要 底部填充工藝的話，必須考慮助焊劑 /錫膏與阻焊膜及底部填充材料的兼容性問題。頂部元件浸蘸助焊劑還是錫膏，會有不同的考慮：浸蘸錫膏可以一定程度的補償元件的翹曲變形， 同時焊接完后元件離板高度(Standoff)稍高，對于可靠性有一定的幫助，但浸蘸錫膏會加劇元件焊球本來 存在的大小差異，可能導致焊點開路。說定啟用at燒鐘養(yǎng)siw下圖為頂部元件浸蘸在0.2mm 厚的助焊劑中，組裝在玻璃片上看到的情形薩在焊球上的助岸剤 涼到了 片上2.貼裝過程中基準點的選擇和壓力的控制底層元件以整板基準點來矯正沒有問題，上層元件是以整板基準點還是以其底層元件背面上的局部 基準點來矯正就需要斟酌了。如果同樣選擇整板基準點，會很方便，不需要任何變更，產岀率也會高，但貼裝精度成了