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吉印通 2022-06-19 17:46 439 0
POP芯片堆疊技術(shù),是現(xiàn)代電子信息產(chǎn)品為提高邏輯運算功能和存儲空間而發(fā)展起來的一種新的高密度組裝形式。本文主要從設備技術(shù)的角度分析總結(jié)POP組裝工藝實現(xiàn)過程中的問題與對策。重點討論了POP組裝過程中主要工序工藝參數(shù)優(yōu)化方法和范圍,探討了工藝過程控制中應關(guān)注的問題,這些都是確保POP芯片堆疊成功率的關(guān)鍵。
關(guān)鍵詞:POP、芯片堆疊、SMT
1 概述
POP(Package on Package)即器件芯片堆疊技術(shù),是為提高邏輯運算功能和存儲空間而發(fā)展起來的一種器件小型化高密度組裝的新方式。
POP技術(shù)廣泛運用于高端終端產(chǎn)品,目前0.* mm pitch BGA的POP技術(shù)已具備批量生產(chǎn)能力。POP組裝工藝的基本流程如圖1所示。
目前,0.* mm pitch BGA的POP組裝工藝難點主要有:
? 0.* mm pitch 的下層BGA印刷焊膏和再流容易橋連;
? 下兩層的貼片精度要求很高,易移位;
? 上層芯片助焊劑蘸取量控制較難。
2 焊膏印刷
2.1 影響因素
印刷環(huán)節(jié)是PCB、鋼網(wǎng)、焊膏與設備在一定環(huán)境下按照一定方法吉印通 作業(yè)的系統(tǒng)工程,變量多、相互作用機理復雜。歸納其主要影響因素,如圖2所示。
焊膏印刷質(zhì)量受硬件、工藝參數(shù)、環(huán)境、過程控制等因素影響。針對精細間距元器件可靠印刷過程中存在的PCB與鋼網(wǎng)設計、焊膏選擇、過程控制等問題,在許多文獻中均有詳細的分析論述,此處不再贅述。
2.2 支撐方式
常見的支撐頂針有“硬”頂針和“軟”頂針兩種,如圖* 所示。
細間距元器件的焊膏印刷需要保證PCB與鋼網(wǎng)之間沒有任何間隙,同時PCB與鋼網(wǎng)在整個印刷過程中均處于平整無變形狀態(tài)。通常誤認為頂針頂?shù)脑礁逷CB與鋼網(wǎng)間貼合越緊密,有利于改善印刷質(zhì)量,然而頂針頂?shù)奶?,PCB和鋼網(wǎng)存在一定的預變形量,如圖* 所示。一方面鋼網(wǎng)開口與焊盤對位可能發(fā)生偏移而導致印刷焊膏移位;另一方面刮刀移動過程中鋼網(wǎng)與PCB局部區(qū)域會分開,導致不同區(qū)域獲得的焊膏量不均勻,甚至出現(xiàn)焊膏量不足;同時,印刷過程中鋼網(wǎng)分離時,則分離速度和分離距離參數(shù)失去意義,易拉尖。
通過引入印刷支撐夾具可有效確保PCB和鋼網(wǎng)的平整及兩者間的緊密結(jié)合,對0.* mm/0.* * mm pitch等細間距,軟/薄板變形等印刷難題改善效果明顯。
2.* 刮刀
在印刷過程中焊膏要形成良好的滾動效果。由于滾動,刮刀最前面區(qū)域的焊膏會部分填充進鋼網(wǎng)孔,其中的助焊劑會預先潤濕鋼網(wǎng)孔壁,有利于后續(xù)焊膏的進一步填充和脫模,從而獲得理想的焊膏量和形狀。最初的“焊膏滾動柱”直徑約為1* mm,當其減少到最初的二分之一時需要加入新的焊膏。“焊膏滾動柱” 要均勻且表面光滑。
為實現(xiàn)良好的滾動效果,除保證焊膏粘度合適、量合適外,各設備供應商紛紛在刮刀結(jié)構(gòu)及工作原理上尋求改進。例如,DEK的振動刮刀、ProFlow,Minami的旋轉(zhuǎn)刮刀等,如圖7所示。
2.* 鋼網(wǎng)清洗頻率
在保證鋼網(wǎng)底部清潔的前提下,應盡量降低鋼網(wǎng)的清洗頻率。由切割方式加工的鋼網(wǎng)孔壁勢必存在各種大小的毛刺,阻礙焊膏填充和脫模。正常印刷時鋼網(wǎng)孔壁會被助焊劑所潤濕,各種作用力達到平衡狀態(tài)。清洗過程中由于酒精及真空的作用致使助焊劑潤濕膜被破壞,毛刺被重新暴露出來,新的平衡要幾個印刷循環(huán)后才能重新建立。這正是生產(chǎn)中清洗干凈的鋼網(wǎng)第一次印刷時都會少錫的原因。
清洗太頻繁同時可能會導致溶劑混入焊膏中,影響焊膏粘度;溶劑揮發(fā)影響焊膏、鋼網(wǎng)的最佳工作溫度,破壞系統(tǒng)平衡。
* 貼片
POP貼片工藝相對常規(guī)元器件而言,最關(guān)鍵的問題是助焊劑(焊膏)蘸取動作的實現(xiàn)及控制和BGA貼片精度的保障,如圖* 所示。
* .1 貼片模式
FUJI NXT/AIM設備具有* 種POP貼片模式:
⑴ 吸取器件 → 影像識別 → 蘸取助焊劑 → 貼片;
⑵ 吸取器件 → 影像識別 → 蘸取助焊劑 → 影像識別 → 貼片;
⑶ 吸取器件 → 蘸取助焊劑→ 影像識別→ 貼片。
導入階段選用了兩種助焊劑做對比試驗,即:藍色助焊劑和無色助焊劑。
? 器件蘸取藍色助焊劑后無法進行影像識別,故只能采用第一種貼片模式;
? 蘸取白色助焊劑后不影響影像識別,故可采用第二種或第三種貼片模式。
推薦使用白色助焊劑和第二種貼片模式。
* .2 蘸取助焊劑(焊膏)
FUJI Flux Unit裝置可實現(xiàn)助焊劑(焊膏)的自動供給及厚度自動控制,如圖9所示。
新工藝導入驗證結(jié)果證明,使用助焊劑的效果比使用焊膏好。助焊劑厚度依下層芯片釬料球的pitch值調(diào)整,潤濕要大于釬料球高度的* 0%。潤濕的面要求水平,一般0.* mm pitch PoP調(diào)整到(0.19~0.20)mm之間,0.* mm pitch調(diào)整到(0.19~0.2* )mm之間。助焊劑厚度調(diào)節(jié)通過設備自帶量規(guī)實現(xiàn),如圖10所示。
* .* 影像識別
FUJI貼片機內(nèi)有兩個數(shù)碼相機,一個讀取PCB Mark信息,用以計算Mark中心從而定位PCB。另一個讀取器件引腳(釬料球)、本體等關(guān)鍵信息,用以計算器件中心位置,從而將器件貼裝到程序中對應位置點。
由圖11可以看出,為實現(xiàn)精確貼片,除了設備自身能力和狀態(tài)外,還需要滿足:
⑴ 良好的PCB Mark和器件來料質(zhì)量。例如,Mark中心亮點平整、亮度高、周圍區(qū)域無干擾,器件引腳(釬料球)一致性好且與本體灰度對比明顯、形狀規(guī)則等;
⑵ 高質(zhì)量的影像模型,即捕獲盡可能多的關(guān)鍵信息,并盡可能真實的反饋出來。
器件質(zhì)量在前期設計、選型及來料檢驗階段要把好關(guān),影像對于現(xiàn)場貼片調(diào)試來說至關(guān)重要,在0.* mm pitch BGA的POP工藝導入階段最長的貼片對位調(diào)試時間長達近10個小時。高質(zhì)量的影像模型制作需重點關(guān)注以下幾點:
(1)光線照射方向與曝光時間配合使用,突出關(guān)鍵識別信息
LED光源板上的不同區(qū)域發(fā)光就形成了不同的光照模式。FUJI AIM/NXT貼片機具有俯射、側(cè)射、俯射+側(cè)射、前光全亮四種光照模式(背光模式為選配),曝光時間在(1~1000)ms范圍內(nèi)調(diào)控,常用范圍為(* * ~2* 0)ms,如圖12所示。
可能* 種方式中的任何一種都能滿足上述兩種器件的貼片精度要求,但對于精細器件、異形器件而言,細微的差異可能會導致完全不同的結(jié)果,需根據(jù)經(jīng)驗判斷選擇。
⑵ 指定合適的“黑”、“白”界定標準
黑白照片在計算機中以灰度值數(shù)組的形式存在,照片中的1個點對應1個(0~2* * )數(shù)組范圍內(nèi)的灰度值。識別關(guān)鍵信息點就是告訴計算機該點為“白”,其他無關(guān)緊要的區(qū)域都為“黑”。黑與白的界定就需要一個標準,在軟件中以參數(shù)Lead Brightness體現(xiàn),如圖1* 所示。假設圖1* (a)中,在其他參數(shù)不變的條件下將“主體顏色”設置由“白色”改為“黑色”,則對應的Lead Brightness應設置為90以區(qū)分主體(* 0)和引腳(100)。由于灰度值* 0、90與100間的差距太小,生產(chǎn)中易誤判影響貼裝。
⑶ 選擇合適的影像類型
確認重要的信息點后就需要采用合適的模型去模擬、表達他們。FUJI貼片影像制作軟件中提供了近* 0種備選影像類型,不同類型關(guān)注不同的結(jié)構(gòu)特征,如圖1* 、圖1* 所示。影像類型選定后還涉及到一些檢測點、尺寸與公差、背景極性等的設置,本文不作詳述。
* .* 過程干擾
POP組裝過程中底層芯片是活動的,任何微小的干擾都有可能導致前功盡棄。長時間的調(diào)試也正是因為沒有分析清楚過程干擾的主因,并針對性的采取有效解決措施。常見的過程干擾因素可能有:
⑴ 吸嘴選擇與吸取位置
? 選取大小合適的吸嘴并使吸取位置盡量靠近器件重心,有利于保證器件在設備高速運動過程中的平穩(wěn)性,避免貼片前器件與吸嘴間的微小位移導致貼片移位。
? 吸嘴破損會導致氣密性下降;吸嘴表面有灰塵、水汽等雜質(zhì),有可能使橡膠吸嘴在與器件分離時,由于粘性作用帶動已貼好的器件。
⑵ 貼片參數(shù)
相對常規(guī)器件,貼片時應重點關(guān)注貼片壓力和高度、貼片速度、分離速度等參數(shù)。
? 精確的貼片壓力和高度,可確保在貼裝頂層BGA時不會對底層過分擠壓而導致移位。
? 較低的貼片速度,能確保貼片時對底層的沖擊減至最低。
? 合適的分離速度,能確保吸嘴與器件分離時不會將器件帶動。分離速度不一定越小越好,速度越慢橡膠吸嘴與器件表面間的粘力“表現(xiàn)”越明顯。因此,分離速度要綜合吸嘴大小、吸嘴類型、器件重量等因素于以綜合考慮。
⑶ 傳送平穩(wěn)性
軌道啟/停加速度太大,或是貼片機與貼片機之間、貼片機與過渡段之間對位不準,易導致貼裝好的PCBA在傳送過程中受沖擊而導致移位。
* .* 貼片質(zhì)量檢測
生產(chǎn)過程中每兩小時對爐前PCBA進行一次X-ray抽檢。透視檢查釬料球的大小應均勻飽滿,如出現(xiàn)釬料球不能重合的情況即可判斷為不良品,如圖1* 所示。
pan s??=m`??un:'yes'; font-size:10.* 000pt; font-family:'宋體'; " 0.* mm pitch PoP調(diào)整到(0.19~0.20)mm之間,0.* mm pitch調(diào)整到(0.19~0.2* )mm之間。助焊劑厚度調(diào)節(jié)通過設備自帶量規(guī)實現(xiàn),如圖10所示。
* 再流焊接
* .1 爐溫曲線設置
采用無鉛再流焊接工藝,爐溫曲線設置要求,如圖17所示。
在BTU 10溫區(qū)熱風再流焊接爐上的實際焊接爐溫曲線,如圖1* 所示。
* .2 過程干擾
⑴ 溫度與風壓的控制
BTU 10溫區(qū)熱空氣再流焊接爐溫控系統(tǒng),如圖19所示。
BTU熱風再流焊接爐內(nèi)同時存在熱空氣與PCBA間的對流傳熱、傳送軌道與PCBA間的傳導傳熱、高溫爐膛與PCBA間的輻射傳熱,但起主導作用的是對流傳熱。根據(jù)對流傳熱公式:
加熱絲與熱電偶、固態(tài)繼電器構(gòu)成熱風溫度閉環(huán)控制回路;吹風馬達與壓力感應器、變頻器等構(gòu)成風壓閉環(huán)控制回路。通過對加熱絲溫度、吹風馬達產(chǎn)生的風壓等參數(shù)的調(diào)控,實現(xiàn)對熱量的調(diào)控,如圖20所示。
在實際生產(chǎn)過程中有微小元器件、異形元器件等在再流焊接時被氣流吹動而導致移位、立碑等現(xiàn)象。因此,在POP再流焊接過程中風壓調(diào)節(jié)也需慎重。
⑵ 傳送軌道平穩(wěn)性
BTU再流焊接爐通過馬達、齒輪、鏈條實現(xiàn)軌道傳動,通過絲杠轉(zhuǎn)動帶動軌道寬度調(diào)節(jié)。由于齒輪污損或潤滑缺失、爐膛內(nèi)有廢舊元器件阻擋等原因,可能導致PCBA在傳送過程中抖動或碰撞,影響POP焊接質(zhì)量,如圖21所示。分析焊接異常時應關(guān)注意此問題。
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