W artykule tym przedstawiono kompleksową analizę techniki PoP (Package on Package) na płytkach drukowanych.
PoP to zaawansowana technologia pakowania 3D, która umożliwia bezpośrednie ułożenie i przylutowanie układu scalonego (zazwyczaj pamięci, takiej jak DRAM lub Flash) na innym układzie scalonym (zazwyczaj procesorze aplikacyjnym lub układzie pasma podstawowego), tworząc pionowy układ. Układ ten jest następnie przylutowywany do głównej płytki drukowanej za pomocą kulek lutowniczych (BGA) na spodzie dolnej obudowy.
Zalety techniki PoP:
1. Oszczędność miejsca: Znaczne zwiększenie wykorzystania przestrzeni — kluczowa technologia w miniaturyzacji urządzeń mobilnych (telefonów, tabletów).
2. Poprawa wydajności: ścieżki połączeń między układami scalonymi górnej i dolnej warstwy są niezwykle krótkie (zwykle <1 mm), co zmniejsza opóźnienie sygnału i zużycie energii, a także zwiększa przepustowość transmisji.
3. Elastyczność projektowania: umożliwia łączenie procesorów i pamięci różnych producentów, ułatwiając iterację produktu i wybór konfiguracji.
4. Obniżenie kosztów: W porównaniu do integrowania dwóch układów scalonych w tej samej obudowie (jak w przypadku niektórych rodzajów SiP), PoP może wykorzystywać standardowe procesy pakowania i testowania.
Główne etapy procesu montażu PoP:
Wyzwaniem w montażu PoP jest wykonanie lutowania rozpływowego wszystkich punktów połączeń w jednej operacji: obudowy górnej i dolnej oraz obudowy dolnej z płytką drukowaną. Wymaga to precyzyjnego zarządzania materiałami, sprzętem i procesem montażu.
Cały proces można podzielić na następujące kluczowe etapy:
1. Drukowanie lutowane
● Dolna płytka PCB: Wydrukuj miejsce lutowania na głównej płytce drukowanej w miejscu, w którym znajduje się PoP, aby przylutować dolne kulki lutownicze BGA do dolnej obudowy.
● Obudowa górna: Lut jest nakładany na pady na górze obudowy dolnej. Jest to kluczowy punkt procesu montażu PoP. Istnieją dwie główne metody:
* Metoda nakładania pasty lutowniczej: Wykorzystując mikroszablony lub technologię drukowania strumieniowego, maleńkie kropki pasty lutowniczej są precyzyjnie nadrukowywane na górnych polach dolnej obudowy.
* Metoda rozmieszczania kulek: Drobne kulki lutownicze są wstępnie umieszczane na górnych polach lutowniczych dolnej obudowy. Ta metoda zapewnia dobrą spójność i jest obecnie powszechnie stosowana, szczególnie w przypadku układów PoP o małym rozstawie.
2. Rozmieszczenie komponentów
Jest to dwuetapowy proces umieszczania, wymagający dużej precyzji:
Krok 1: Umieść dolną obudowę. Dolny układ scalony (np. procesor) montuje się poprzez wyrównanie jego dolnych kulek lutowniczych BGA z pastą lutowniczą na płytce PCB.
Krok 2: Zamontuj górną obudowę. Postępując zgodnie z krokiem 1, w tym samym cyklu produkcyjnym, zamontuj górny układ scalony (np. pamięć), wyrównując jego dolne kulki lutownicze lub pola lutownicze z górnym lutem dolnej obudowy, która jest już umieszczona na płytce PCB. Wymaga to niezwykle wysokiej precyzji i stabilności ze strony sprzętu do montażu pick-and-place, zazwyczaj z użyciem dwuwspornika lub specjalistycznej, wielofunkcyjnej głowicy montażowej.
3. Lutowanie rozpływowe
● Zmontowany stos układów scalonych (warstwa górna + warstwa dolna) oraz płytka PCB trafiają do pieca reflow.
● W piecu rozpływowym z gorącym powietrzem lub w piecu próżniowym lut we wszystkich punktach połączeń (pasta lutownicza na płytce PCB oraz lut pomiędzy górną i dolną warstwą) topi się jednocześnie.
● W stanie stopionym, wykorzystując napięcie powierzchniowe i grawitację lutu, tworzą się połączenia lutownicze, dzięki którym powstają połączenia elektryczne i mechaniczne.
● Jest to proces o kluczowym znaczeniu: profil temperatury musi być precyzyjnie kontrolowany, aby mieć pewność, że każde połączenie lutowane będzie w dobrym stanie, a układy scalone nie ulegną uszkodzeniu na skutek naprężeń cieplnych.
4. Kontrola i testowanie
● Automatyczna kontrola optyczna: w celu sprawdzenia ustawienia komponentów po lutowaniu.
● Kontrola rentgenowska: Ponieważ połączenia lutowane są ukryte pod obudową, należy zastosować promienie rentgenowskie 2D/3D w celu sprawdzenia jakości połączeń lutowanych BGA i połączeń lutowanych wewnętrznej warstwy PoP, takich jak mostki, zimne połączenia lutowane i puste przestrzenie.
● Testowanie elektryczne: potwierdza, że ułożone w stos układy scalone działają prawidłowo.
Kluczowe wyzwania i rozwiązania montażu PoP
| Wyzwania | Opis | Rozwiązanie |
| Dokładność wyrównania | Pola lutownicze na górnej i dolnej obudowie są bardzo małe, podobnie jak zajmowana przestrzeń, co wymaga wyjątkowo dużej dokładności wyrównania (zwykle ±0,05 mm). | Należy używać precyzyjnego sprzętu typu pick-and-place i systemów kontroli wizyjnej, a także zapewnić współpłaszczyznowość obudów i spójność kulek lutowniczych. |
| Kontrola ilości lutu | Ilość lutu między obudowami musi być precyzyjnie dobrana. Zbyt duża ilość lutu prowadzi do powstawania mostków, a zbyt mała do zimnych lutów. | Zastosuj rozmieszczenie kulek zamiast nadrukowanej pasty lutowniczej;
dokładnie kontroluj rozmiar kulek i ilość pasty lutowniczej. |
| Wydajność lutowania | Jednoprzebiegowe lutowanie rozpływowe tworzy wiele rzędów niewidocznych połączeń lutowniczych, co zwiększa ryzyko utraty wydajności w porównaniu z jednowarstwowymi układami BGA. | Zoptymalizuj profile temperatury lutowania rozpływowego (zwykle stosując profil „w kształcie namiotu”), użyj ochrony azotowej, aby zmniejszyć utlenianie i zastosuj lutowanie rozpływowe próżniowe, aby zmniejszyć ilość pustych przestrzeni. |
| Wysokość stosu | Całkowita wysokość wymaga ścisłej kontroli, aby spełnić wymagania dotyczące cienkich i lekkich produktów. | Stosuj ultracienkie obudowy, tworzywa formujące o małym promieniu i mniejsze kulki lutownicze. |
| Termiczne i naprężeniowe | Wysoka gęstość cieplna po ułożeniu w stosie, w połączeniu ze zmiennymi współczynnikami rozszerzalności cieplnej różnych materiałów, może generować naprężenia cieplne. | Weź pod uwagę rozpraszanie ciepła podczas projektowania płytek PCB i obudów;
zastosuj podkład w celu zwiększenia wytrzymałości mechanicznej i odporności na zmęczenie cieplne. |
Wariacja procesu montażu: Podsypka
W zastosowaniach o ekstremalnie wysokich wymaganiach niezawodnościowych (takich jak elektronika samochodowa), po montażu PoP, między dolną obudową a płytką drukowaną, a czasami nawet między górną a dolną obudową, nakładany jest podkład. Klej wnika w szczeliny między kulkami lutowniczymi poprzez działanie kapilarne, a po utwardzeniu znacząco absorbuje naprężenia mechaniczne (takie jak uderzenia i zginanie), poprawiając odporność na zmęczenie cieplne spowodowane cyklicznymi zmianami temperatury.
Podsumowując, montaż PoP (PoS) to jedna z zaawansowanych technik współczesnego montażu elektroniki o wysokiej gęstości. Kluczowe elementy udanego montażu PoP to:
● Materiały: Wysokowydajne kulki lutownicze, pasta lutownicza i podłoża.
● Wyposażenie: Wysokoprecyzyjne maszyny typu pick-and-place i sterowane piece reflow.
● Kontrola procesu: precyzyjne zarządzanie całym procesem, od nakładania pasty lutowniczej/kulek po montaż i lutowanie rozpływowe.
● Kontrola: Potężne możliwości przeprowadzania badań nieniszczących, np. za pomocą promieni rentgenowskich.
Wraz ze wzrostem liczby wejść/wyjść układów scalonych i jednoczesną minimalizacją odstępów, technika PoP ewoluuje w kierunku drobniejszych odstępów (np. 0,35 mm) i wyższych warstw układania (np. PoPoP), co nieustannie napędza ewolucję urządzeń elektronicznych w kierunku mniejszych, szybszych i bardziej wydajnych konstrukcji.
Benlida to profesjonalny producent płytek PCB, świadczący usługi montażu płytek PCB od 14 lat. Jeśli zajmujesz się montażem PoP dla swojej płytki PCB i PCBA, skontaktuj się z firmą Benlida, aby uzyskać wskazówki dotyczące dalszych kroków w procesie produkcji!
Benlida jest do Twoich usług!
pl
WhatsApp