淺析SiP封裝產(chǎn)品植球工藝

摘要

SiP是（System In Package）的簡(jiǎn)稱，中譯為系統(tǒng)級(jí)封裝。隨著科技的發(fā)展，電子系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)是小型化、高性能、多功能、高可靠性和低成本，在這些需求的強(qiáng)力驅(qū)動(dòng)下，全球電子產(chǎn)品漸漸走向多功能整合及低功耗設(shè)計(jì)，因而使得可將多顆裸芯片整合在單一封裝中的SiP技術(shù)日益受到關(guān)注。

植球技術(shù)已廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體工業(yè)，越來(lái)越多的專業(yè)晶圓制造商用它取代傳統(tǒng)的電鍍焊或高精度焊膏印刷等工藝。SiP產(chǎn)品也不例外，目前也主要是使用植球工藝，采用錫球作為引腳，不僅提高了封裝密度，也提高了封裝的性能。

植球工藝是SiP產(chǎn)品生產(chǎn)的一個(gè)關(guān)鍵工序，植球質(zhì)量的好壞會(huì)直接影響到SiP產(chǎn)品在后續(xù)組裝或應(yīng)用的產(chǎn)品質(zhì)量及可靠性。

本文針對(duì)植球工藝中影響植球質(zhì)量的因素進(jìn)行分析及工藝驗(yàn)證，簡(jiǎn)要的從植球材料、PCB及焊盤設(shè)計(jì)、植球設(shè)備、植球方法和工藝條件等方面介紹和闡述了植球的工藝過(guò)程及關(guān)鍵控制點(diǎn)。SiP示例如圖1。

圖1 SiP產(chǎn)品示例（圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò)）

關(guān)鍵詞：

SiP、PCB、助焊劑、錫球、植球 、鋼網(wǎng)、錫膏、IMC

1、引言

芯片的發(fā)展也從一味的追求功耗下降及性能提升（摩爾定律）轉(zhuǎn)向更加務(wù)實(shí)的滿足市場(chǎng)的需求（超越摩爾定律）。為了讓芯片效能最大化、封裝后的體積最小化、定制化，SiP封裝技術(shù)已成為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)最重要的技術(shù)之一。SiP封裝技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)參考圖2所示，集成度和復(fù)雜度越來(lái)越高。

圖2 ?SIP封裝技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)介紹（圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò)）

2、植球工藝

2.1 球狀端子類型

行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)IPC-7095《BGA的設(shè)計(jì)及組裝工藝的實(shí)施》中提到的封裝球狀端?類型有三種，如圖3，可根據(jù)自己公司SiP產(chǎn)品的工藝要求選擇對(duì)應(yīng)的端子類型。

圖3 ?不同端子類型（圖片來(lái)自IPC標(biāo)準(zhǔn)）

2.2 植球方法

目前行業(yè)主要有三種植球方法如下表1，目前我司的SiP產(chǎn)品主要使用置球植球的方法。

表1 不同植球方法

2.2.1 錫膏印刷植球

錫膏印刷植球方法就是直接把適量的錫膏印刷到預(yù)設(shè)的焊盤上，過(guò)回流焊后形成凸點(diǎn)端子，如下圖4，其優(yōu)點(diǎn)是所用設(shè)備與現(xiàn)有SMT線體一樣，可以利用現(xiàn)有SMT錫膏印刷設(shè)備。

圖4 ?錫膏印刷植球

使用錫膏印刷植球時(shí)鋼網(wǎng)開(kāi)口設(shè)計(jì)主要考慮兩點(diǎn)：

a）確保過(guò)回流焊后焊盤上有一定形狀的焊料凸點(diǎn)，需要印刷足夠的錫膏量，一般采用增加鋼網(wǎng)厚度和擴(kuò)大鋼網(wǎng)開(kāi)口的方法，需要重點(diǎn)關(guān)注爐后凸點(diǎn)的形狀、高度和一致性；

b）從降低過(guò)回流焊后焊料凸點(diǎn)的空洞率考慮，通過(guò)驗(yàn)證建議鋼網(wǎng)開(kāi)口增加架橋方式（如直徑0.6mm的端子建議鋼網(wǎng)中間架0.15mm或0.2mm的橋），作為焊接時(shí)排氣通道，減少空洞問(wèn)題，同時(shí)還需要重點(diǎn)關(guān)注脫模效果和鋼網(wǎng)質(zhì)量。

2.2.2 置球植球

目前業(yè)內(nèi)采用的置球植球方法有兩種：“錫膏”+“錫球”和“助焊劑”+“錫球”，具體做法就是先把錫膏或助焊劑涂覆到錫球的焊盤上，再用植球機(jī)或絲網(wǎng)印刷的方式將錫球放置到焊盤上，過(guò)回流焊爐后形成球狀端子。

2.2.2.1 自動(dòng)植球機(jī)置球植球

使用自動(dòng)植球機(jī)植球工序可細(xì)分為4個(gè)步驟，如下圖5。

圖5 ?置球植球過(guò)程

a、用與錫球焊盤相應(yīng)的治具蘸取助焊劑(Flux Dip)，并將其點(diǎn)涂在錫球焊盤上。首次添加助焊劑前需檢查清理干凈植球設(shè)備裝載助焊劑的模板，確保模板內(nèi)沒(méi)有其它異物或不同類型的助焊劑。要根據(jù)錫球的直徑選擇合適厚度的助焊劑刮刀（一般建議刮刀厚度是錫球直徑的1/4~1/3），再添加助焊劑并手動(dòng)來(lái)回運(yùn)行設(shè)備助焊劑刮刀8~10次，以攪拌刮平模板上的助焊劑。助焊劑治具的PIN針在水平的助焊劑模板上均勻的蘸取助焊劑并點(diǎn)涂到錫球焊盤上。需要控制模板上的助焊劑厚度和PIN針的點(diǎn)涂時(shí)間，要確保點(diǎn)涂后助焊劑能完全潤(rùn)濕覆蓋焊盤，否則會(huì)有導(dǎo)致植球后錫球偏移或爐后錫球潤(rùn)濕焊接不良的問(wèn)題。注意，助焊劑添加遵循"少量多次"的原則。

b、通過(guò)置球治具(Ball attach tool)真空吸取錫球，并轉(zhuǎn)移至沾有助焊劑的焊盤上；松開(kāi)真空開(kāi)關(guān)，錫球在助焊劑的粘性作用下，粘貼在基板焊盤上；

c、植好錫球的基板通過(guò)熱風(fēng)回流焊，錫球在高溫下熔化，并在助焊劑的幫助下，與基板焊盤浸潤(rùn)，擴(kuò)散、溶解、冶金結(jié)合，形成結(jié)合層（IMC），冷卻后，錫球與基板焊盤焊接在一起。為了減少錫球高溫氧化，建議在氮?dú)夥諊潞附樱?/p>

d、焊接了錫球的基板，再進(jìn)行清洗，把基板上多余的助焊劑和臟污清洗掉，最后烘干。

2.2.2.2 鋼網(wǎng)置球植球

a、印刷錫膏或印刷助焊劑：助焊劑鋼網(wǎng)的孔與基板焊盤完全吻合（對(duì)準(zhǔn)）沒(méi)有偏差，使用45°~60°的刮刀將攪拌均勻的錫膏或助焊劑均勻地漏印到焊盤上，然后降低基板工作臺(tái)，再慢慢地抬起鋼網(wǎng)并將基板取出。觀察漏印在基板上的錫膏或助焊劑是否均勻、有無(wú)偏差或者其他印刷缺陷。

注意，助焊劑多了或者少了都有可能造成植球失敗。如果助焊劑多了，多出來(lái)的助焊劑會(huì)通過(guò)鋼網(wǎng)小孔溢出來(lái)，影響錫球排列；如果助焊劑少了，又會(huì)影響錫球焊接質(zhì)量。

b、放置錫球：錫膏或助焊劑印刷完成之后，將基板置于工作臺(tái)上，按照正確位置固定植球鋼網(wǎng)，調(diào)整工作臺(tái)高度，使基板與植球鋼網(wǎng)之間保持一定間距，大約為焊球直徑的 1/2~2/3 即可。

調(diào)整完成后，取一定量的錫球倒在植球鋼網(wǎng)上，使用刷子將錫球填充到相應(yīng)的網(wǎng)孔，多余的焊球使用刷子將其放置在旁邊。再查看網(wǎng)孔是否都填充有錫球，保證每個(gè)網(wǎng)孔中有且只有一個(gè)錫球存在。然后下降工作臺(tái)，卸下植球鋼網(wǎng)，取出基板。注意，取出基板時(shí)不要用力過(guò)大或速度過(guò)快，這樣會(huì)導(dǎo)致錫球偏移。

2.2.3 激光植球

激光植球就是使用激光設(shè)備，采用激光熔化錫球并噴射到對(duì)應(yīng)焊盤完成焊接形成球狀端子的方法，如下圖6。

在激光焊接系統(tǒng)中，錫球從錫球盒輸送到噴嘴，通過(guò)激光加熱熔化，然后從專用噴嘴噴出，直接覆蓋焊盤，不需要額外的助焊劑等。它具有非接觸、無(wú)焊料、熱量低、焊料精確可控等優(yōu)點(diǎn)。與普通的錫球注入法相比，具有沖擊變形和瞬間凝固的特點(diǎn)，體現(xiàn)了獨(dú)特的工藝過(guò)程特征。

圖6 ?激光植球

2.2.4 SiP植球方法的選用

根據(jù)行業(yè)的應(yīng)用趨勢(shì)和內(nèi)部試驗(yàn)驗(yàn)證的結(jié)果，對(duì)不同植球方法進(jìn)行了多維度對(duì)比分析，如表2。

表2 不同植球方法對(duì)比表

2.3 影響植球質(zhì)量的因素及控制要點(diǎn)

SiP產(chǎn)品植球工藝中影響植球質(zhì)量的因素主要有植球材料、植球方法和工藝條件。植球材料主要有錫球、助焊劑或錫膏、基板；工藝條件中主要是植球工藝方法、回流溫度曲線、保護(hù)氣氛等。對(duì)于植球材料方面，錫球要保持清潔和防止氧化；助焊劑要保持一定的粘度和良好的助焊性；基板要保持潔凈度和平整度。在植球過(guò)程中，主要是通過(guò)對(duì)助焊劑量的控制、焊接溫度曲線及保護(hù)氣氛等工藝條件來(lái)進(jìn)行相應(yīng)的工藝試驗(yàn)和管控。

3、植球材料

3.1 助焊劑

助焊劑主要是起助焊的作用，一是隔離空氣防止氧化；二是去除PCB焊盤表面及錫球焊接部位的氧化物和污染物，增加毛細(xì)作用，增加潤(rùn)濕性，防止虛焊；另一個(gè)重要的作用是粘附固定錫球的作用。

助焊劑有2種類型：一種是水洗助焊劑，一種是免洗助焊劑，可根據(jù)產(chǎn)品的工藝要求選擇使用。助焊劑存儲(chǔ)要求：如千住的助焊劑要求以密封狀態(tài)存放在溫度≤30℃，相對(duì)濕度40~60%RH的環(huán)境；存儲(chǔ)期限：從廠家制造日期開(kāi)始計(jì)算6個(gè)月以內(nèi)；具體可參考助焊劑產(chǎn)品規(guī)格書要求。

3.2 錫球

錫球分有鉛錫球和無(wú)鉛錫球，有鉛錫球有Sn63Pb37、Sn62Pb36Ag2、 Sn10Pb90、Sn5Pb95；無(wú)鉛錫球有Sn100、Sn96.5Ag3.5、Sn96.5Ag3Cu0.5。

錫球的直徑規(guī)格一般有：0.1mm、0.15mm、0.2mm、0.25mm、0.3mm、0.35mm、0.4mm、0.45mm、0.5mm、0.55mm、0.6mm 、0.65mm、 0.76mm。具體可根據(jù)產(chǎn)品的工藝要求選擇使用。

錫球很容易氧化，存儲(chǔ)要求：以密封狀態(tài)存放在溫度25±10℃，相對(duì)濕度≤60%RH的環(huán)境，拆包未使用完的錫球放在防潮柜中或儲(chǔ)存在有氮?dú)獾母稍锕裰?；存?chǔ)期限：從廠家制造日期開(kāi)始計(jì)算12個(gè)月以內(nèi)；具體可參考產(chǎn)品規(guī)格書要求。

3.3 基板（PCB）

基板（PCB）：基板級(jí)SiP產(chǎn)品的PCB建議選用高Tg（Tg≥170℃）的板材；植球后需要進(jìn)行清洗，基板焊盤表面處理優(yōu)選 ENIG（化學(xué)Ni/Au），防止清洗后氧化；PCB厚度規(guī)格有1.6mm、1.4mm、1.2mm、1.0mm、0.8 mm等。

具體可根據(jù)產(chǎn)品的工藝要求選擇使用，重點(diǎn)是要確保PCB的平整度。

4、SiP產(chǎn)品錫球焊接爐溫曲線要求

爐溫曲線主要參考所使用錫球、錫膏供應(yīng)商推薦的溫度條件和SiP產(chǎn)品上溫度敏感元件的規(guī)格要求，在保證回流焊接質(zhì)量的前提下進(jìn)行微調(diào)和優(yōu)化。爐溫曲線設(shè)定時(shí)需要重點(diǎn)關(guān)注以下三點(diǎn)：

升溫斜率盡量偏規(guī)格下限，過(guò)大的升溫斜率會(huì)由于熱應(yīng)力的原因造成例如陶瓷電容微裂、PCB板變形曲翹、BGA內(nèi)部損壞等機(jī)械損傷；

保溫區(qū)時(shí)間盡量偏規(guī)格上限，確保助焊劑得到充分活化；

回流時(shí)間和最高溫度盡量居中略偏規(guī)格下限，確保焊接充分又可避免IMC生長(zhǎng)過(guò)厚。

5、SiP產(chǎn)品錫球共面度要求

SiP產(chǎn)品錫球共面度是以SiP三個(gè)最低的錫球形成的平面為基準(zhǔn)面，其余的錫球與之比較而得到的最大偏差，會(huì)受模塊PCB厚度、材質(zhì)、尺寸、設(shè)計(jì)、制造工藝、元件布局、錫球和數(shù)量等因素的影響。

共面度一般以JEDEC設(shè)計(jì)指南定義的控制共面度（CCC）來(lái)描述模塊與錫球的共面度，根據(jù)錫球的尺寸大小來(lái)管控，如錫球直徑為0.4mm，共面度要求≤0.10mm；焊球直徑為0.5mm，共面度要求≤0.12mm。

6、SiP產(chǎn)品的PCB設(shè)計(jì)要求

好的設(shè)計(jì)是保證SiP產(chǎn)品的植球質(zhì)量和焊接可靠性的前提條件。SiP產(chǎn)品在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮下面幾個(gè)方面：

錫球的焊盤應(yīng)該盡可能的為圓形，焊盤布局排列規(guī)則整齊；

焊盤尺寸、間距與錫球直徑的對(duì)應(yīng)表可參考下表3；

圖3 焊盤尺寸、間距與錫球的對(duì)應(yīng)表

c) 植球焊盤阻焊設(shè)計(jì)可以是阻焊定義（SMD），也可以是非阻焊定義（NSMD）。推薦使用非阻焊定義（NSMD）。此外，非阻焊定義焊盤設(shè)計(jì)，阻焊開(kāi)窗需大于焊盤尺寸，可提高焊接焊點(diǎn)的可靠性；

d) SiP產(chǎn)品外形推薦正方形或矩形，標(biāo)準(zhǔn)尺寸不超過(guò)50mm×50mm，若產(chǎn)品設(shè)計(jì)需要，最大尺寸不超過(guò)80mm×80mm，若采用矩形，需要關(guān)注長(zhǎng)寬比例，應(yīng)用時(shí)需評(píng)估基板實(shí)際變形的影響；

e) SiP產(chǎn)品需要有極性標(biāo)識(shí)和焊盤防呆設(shè)計(jì)；

f) SiP產(chǎn)品植球后需要清洗殘留的助焊劑，設(shè)計(jì)時(shí)還需要考慮清洗的要求；

7、SiP產(chǎn)品植球接受標(biāo)準(zhǔn)

SiP產(chǎn)品植球后的接受標(biāo)準(zhǔn)參考IPC-A-610電子組件的可接受性標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

a）錫球或焊料凸點(diǎn)光亮、大小均勻，錫球破損和缺失是缺陷，不能接受，如圖7~9；

圖7 ?助焊劑點(diǎn)涂效果

圖8（左）? 植球后效果；圖9（右）? 爐后焊接效果

b）SiP產(chǎn)品錫球或凸點(diǎn)空洞率基于組裝后焊點(diǎn)驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)，推薦SiP錫球空洞率 ≤5%；

c）錫球或凸點(diǎn)與基板焊盤之間要形成明顯可見(jiàn)、連續(xù)的金屬合金層（IMC），如圖10；錫球或凸點(diǎn)連接需要在可接受的尺寸公差內(nèi)，連接后的高度和寬度需要在規(guī)定的可接受界限內(nèi)，錫球或凸點(diǎn)的剪切力需要滿足規(guī)格要求，如圖11~12；

圖10（左） 錫球IMC測(cè)量圖片；圖11（右）錫球切片檢測(cè)圖片

圖12 錫球剪切力測(cè)試結(jié)果

?圖13 ?錫球共面度測(cè)試結(jié)果

d)公司目前生產(chǎn)的SiP產(chǎn)品要求錫球共面度≤0.10mm，以提高SiP產(chǎn)品后續(xù)的焊接良率，如圖13。

8、SiP產(chǎn)品焊接可靠性驗(yàn)證要求

SiP產(chǎn)品需要進(jìn)行相關(guān)的焊接可靠性驗(yàn)證。如焊點(diǎn)空洞率測(cè)試、金相切片IMC厚度測(cè)量、錫球剪切力測(cè)試、紅墨水試驗(yàn)、焊點(diǎn)拉拔力測(cè)試、溫度循環(huán)和振動(dòng)跌落檢查焊點(diǎn)開(kāi)裂情況等可驗(yàn)證評(píng)估SiP產(chǎn)品錫球及SiP產(chǎn)品貼到主板上的焊點(diǎn)質(zhì)量和焊點(diǎn)強(qiáng)度；高溫高濕條件下驗(yàn)證助焊劑殘留的影響（表面絕緣電阻和電化學(xué)遷移測(cè)試驗(yàn)證），評(píng)估助焊劑殘留是否需要進(jìn)行清洗等。

9、結(jié)論

SiP目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于消費(fèi)類電子、物聯(lián)網(wǎng)、智能駕駛、HPC及5G網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域，有著非常廣闊的應(yīng)用和市場(chǎng)前景。

植球工藝作為SiP產(chǎn)品生產(chǎn)的一個(gè)關(guān)鍵工藝將會(huì)直接影響器件與電路導(dǎo)通的性能及可靠性。為了確保公司SiP產(chǎn)品的質(zhì)量，公司引進(jìn)全自動(dòng)植球技術(shù)和先進(jìn)的生產(chǎn)設(shè)備，采用穩(wěn)定性好、重復(fù)性高、可實(shí)現(xiàn)植球質(zhì)量自反饋的全自動(dòng)化植球設(shè)備，搭建行業(yè)先進(jìn)、高精度、高穩(wěn)定性的全自動(dòng)化SiP線體，提升了產(chǎn)品質(zhì)量與效率。

審核編輯：劉清