细间距超薄叠装芯片（PoP）返修工艺研究

细间距超薄叠装芯片（PoP）返修工艺研究
文章类型：SMT
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BGA的返修在业界一直是比较难操作、难控制的工艺，PoP两层BGA元件的返修自然就是'难上加难”了，大多数工厂面对PoP焊接失败基本只有报废整块PCBA一途，那返修PoP是不是只有“职业特工队”才能搞定的impossible mission？命随天定，事在人为！本文从如何返工精确贴装、添置助焊剂和回流温度控制元件形变等方面来阐释怎样成功返修PoP，且有几种办法供不同条件下选择。

PoP封装的应用满足了消费电子结构小型化和功能综合化的要求，我们在《0.4mm&0.5mm间距BGA元件堆叠（PoP, Package on Package）装配工艺开发》一文中已对其SMT组装工艺进行了研究。

但任何元件的组装总难免会出现一些不良问题如短路、HIP、NWO等。

本文将研究一种特殊的细间距小外形PoP封装的返工过程，优化并控制对此类PoP返修可靠性具有显著影响的因子，完善有效可靠的返修工艺。

理想情况下的SoC元件结构应该如下左图所示，中间与边缘的锡球应处于同一平面。

事实上，元件本体变形量却能达到0.118mm，如下右图所示。

由于较小的锡球高度和较大的封装本体变形量，返修此类元件具有极大的挑战性。

如果像平常一样仅使用助焊膏，在没有氮气保护的条件下将带来100%的返修不良。

为了提高返修成功率，我们将尝试采用一些特殊方法对此特殊SoC元件进行返工处理：
•在PCB焊盘上印刷锡膏；
•在元件上印刷锡膏；
•在PCB焊盘上涂松香膏。

1. 产品信息
•PoP元件信息，如下表所示，此PoP底部元件的锡球高度仅为0.116mm，本体厚度也仅为0. 262mm。

低的锡球高度和薄的本体表明了该元件对于返工的温度和施加的锡膏量应该非常敏感。

•PCB尺寸：长：328mm；宽： 254mm；厚：1.57mm；铜箔层数：10层。

大而薄的PCB 在焊接时容易产生变形而导致焊接缺陷，给返修带来严峻的挑战。

2. 返修的主要难点
•PoP元件本体变形，通常情况下，PoP本体原材料的变形范围在88um到118um之间，主要变现为凹（负变形，右图）凸（正变形，左图）两种形式。

回流焊接后SoC本体变形模式便开始由朝上突起变为中间朝下弯曲。

通过Shadow Moiré测试变形量，其变形量超过了±50um，这就给返修带来了巨大的困难。

•PCB设计的空间局限性，PCB板面元件放置空间总是有限的，如下左图所示，PoP本体与邻近元件的间距仅为0.43mm，所以在焊盘上布置钢网（右图）来印刷锡膏难以实现。

•产品的复杂性和密度，围绕PoP 正反面都有较大元件和相关连接器以及一些热敏元件，所以这将对夹具的设计和返修温度的优化带来极大的挑战。

•缺陷挑战，现有的返修工艺常出现2种典型的缺陷——不润湿或枕头效应；这些缺陷模型和形成机理需要在返修工艺的开发过程中进行分析和解决。

3. 关键因素定义
由于PCB设计的空间局限性，无法将小型钢网布置到PCB焊盘上进行锡膏印刷，所以面对当前的情形只能运用另外两种方法，在焊盘上涂覆助焊膏或在锡球上印刷锡膏。

实际上，对于这款特殊的PoP，涂覆松香膏于焊盘空气回流将带来不润湿或枕头效应缺陷。

因此必须对造成此类缺陷的失效模式和形成机理进行认真分析，并对返修工艺进行针对性的优化。

一般情况下，在本体变形严重的PoP锡球上印刷锡膏是非常困难的。

因此需要对钢网开孔设计和钢片厚度选择进行大量的实验筛选。

•鱼骨图和因果矩阵图分析
根据鱼骨图的分析，我们需要重点针对与工艺方法相关的各种因子进行分析和实验。

通过因果矩阵图分析，共有10项关键要素有显著影响（如上图），其中5项与温度有关，说明返工回流焊接曲线是解决问题的首要因素，其它如氮气、锡膏以及助焊膏的作用也不可忽视。

•缺陷样品的缺陷分析
根据对枕头效应（Head-in-Pillow）的研究，我们知道CSP锡球与锡膏的分离导致锡球表面在加热过程中产生过多的氧化物，助焊剂的过度消耗又减弱了锡膏的清洁能力，最终导致锡球与锡膏在回流时无法正常融合而产生枕头效应。

因此，通过回流曲线的调试来控制助焊剂的消耗是非常重要的，同时氮气回流也是另外一个重要因素。

通过对原来的返修缺陷样品进行X-光、红墨水染色以及切片分析，结果再次证实了上面的分析。

4. 返修方案
具体返修流程的定义如下：
方案 #1：优化返修温度曲线；涂覆助焊于焊盘上；氮气回流
•优化返修温度曲线
下图为优化后的返修温度曲线，其液相线前的升温斜率提高了，同时收紧了回流时间的工艺窗口，最高温度保持在230~245℃。

•涂覆助焊膏于PCB焊盘
涂覆动作简单，但必须要在显微镜下进行才能确保合适的用量和均匀分布。

•返修流程确认
试返修27块板，通过ERSA Scope对元件周边的焊点进行目视检查，未发现有焊接不良问题。

X-Ray、切片及染色实验也没有发现任何的焊接问题。

所有PCBA通过了功能测试，没有发现不良，返修成功率为100%（如下表）。

方案#2：优化返修温度曲线；锡球上印刷锡膏；空气回流。

•锡球上锡膏印刷
将锡膏印刷到锡球上具有一定的挑战性，锡膏量的一致性较难保障，这需要多次尝试才能正常地将锡膏释放到锡球上。

通过进一步的分析和试验，将钢网厚度从4mils减小到3mils后，锡膏释放良好。

当然，锡膏能顺畅的脱模也取决于合理的夹具设计和返修的设备能力。

•返修流程确认
使用锡膏印刷的整体流程与涂覆助焊膏大体一致，唯一不同是使用锡膏来代替助焊膏，其它流程都一样。

优化后的回流曲线已被应用于此次返修。

•通过实际返修确认，锡膏能顺利的印刷到锡球上且返修效果良好。

通过 X-光检查，切片分析及红墨水染色实验，所有的焊点均未有不良
问题发现。

而且所有返修产品都已通过电性能测试。

5. 结论
尽管超薄PoP来料本体的严重变形对返修工艺带来了极大的困难，但是通过对返修工艺进行优化还是可以获得较好的返修成功率。

涂敷高粘性助焊膏，优化温度曲线和采用氮气回流是最佳选择，简单易行，便于控制。

采用合适的钢网印刷焊膏于锡球上也是不错的选择，可节省氮气成本，但操作流程相对复杂。