摘要

SiP是（System In Package）的簡稱，中譯為系統(tǒng)級封裝。隨著科技的發(fā)展，電子系統(tǒng)的發(fā)展趨勢是小型化、高性能、多功能、高可靠性和低成本，在這些需求的強力驅(qū)動下，全球電子產(chǎn)品漸漸走向多功能整合及低功耗設(shè)計，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)的一個關(guān)鍵工序，植球質(zhì)量的好壞會直接影響到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。

本文針對植球工藝中影響植球質(zhì)量的因素進行分析及工藝驗證，簡要的從植球材料、PCB及焊盤設(shè)計、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程及關(guān)鍵控制點。SiP示例如圖1。

圖1 SiP產(chǎn)品示例（圖片來自網(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)實的滿足市場的需求（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)展趨勢參考圖2所示，集成度和復(fù)雜度越來越高。

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

2、植球工藝

2.1 球狀端子類型

行業(yè)標準IPC-7095《BGA的設(shè)計及組裝工藝的實施》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應(yīng)的端子類型。

圖3 ?不同端子類型（圖片來自IPC標準）

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，過回流焊后形成凸點端子，如下圖4，其優(yōu)點是所用設(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鋼網(wǎng)開口設(shè)計主要考慮兩點：

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

b）從降低過回流焊后焊料凸點的空洞率考慮，通過驗證建議鋼網(wǎng)開口增加架橋方式（如直徑0.6mm的端子建議鋼網(wǎng)中間架0.15mm或0.2mm的橋），作為焊接時排氣通道，減少空洞問題，同時還需要重點關(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，再用植球機或絲網(wǎng)印刷的方式將錫球放置到焊盤上，過回流焊爐后形成球狀端子。

2.2.2.1 自動植球機置球植球

使用自動植球機植球工序可細分為4個步驟，如下圖5。

圖5 ?置球植球過程

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來回運行設(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針的點涂時間，要確保點涂后助焊劑能完全潤濕覆蓋焊盤，否則會有導(dǎo)致植球后錫球偏移或爐后錫球潤濕焊接不良的問題。注意，助焊劑添加遵循"少量多次"的原則。

b、通過置球治具(Ball attach tool)真空吸取錫球，并轉(zhuǎn)移至沾有助焊劑的焊盤上；松開真空開關(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熱風回流焊，錫球在高溫下熔化，并在助焊劑的幫助下，與基板焊盤浸潤，擴散、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，建議在氮氣氛圍下焊接；

d、焊接了錫球的基板，再進行清洗，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（對準）沒有偏差，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，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，多出來的助焊劑會通過鋼網(wǎng)小孔溢出來，影響錫球排列；如果助焊劑少了，又會影響錫球焊接質(zhì)量。

b、放置錫球：錫膏或助焊劑印刷完成之后，將基板置于工作臺上，按照正確位置固定植球鋼網(wǎng)，調(diào)整工作臺高度，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，保證每個網(wǎng)孔中有且只有一個錫球存在。然后下降工作臺，卸下植球鋼網(wǎng)，取出基板。注意，取出基板時不要用力過大或速度過快，這樣會導(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、無焊料、熱量低、焊料精確可控等優(yōu)點。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，體現(xiàn)了獨特的工藝過程特征。

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)用趨勢和內(nèi)部試驗驗證的結(jié)果，對不同植球方法進行了多維度對比分析，如表2。

表2 不同植球方法對比表

2.3 影響植球質(zhì)量的因素及控制要點

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、保護氣氛等。對于植球材料方面，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。在植球過程中，主要是通過對助焊劑量的控制、焊接溫度曲線及保護氣氛等工藝條件來進行相應(yīng)的工藝試驗和管控。

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，增加毛細作用，增加潤濕性，防止虛焊；另一個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℃，相對濕度40~60%RH的環(huán)境；存儲期限：從廠家制造日期開始計算6個月以內(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鉛錫球，有鉛錫球有Sn63Pb37、Sn62Pb36Ag2、 Sn10Pb90、Sn5Pb95；無鉛錫球有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，存儲要求：以密封狀態(tài)存放在溫度25±10℃，相對濕度≤60%RH的環(huán)境，拆包未使用完的錫球放在防潮柜中或儲存在有氮氣的干燥柜中；存儲期限：從廠家制造日期開始計算12個月以內(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SiP產(chǎn)品的PCB建議選用高Tg（Tg≥170℃）的板材；植球后需要進行清洗，基板焊盤表面處理優(yōu)選 ENIG（化學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)量的前提下進行微調(diào)和優(yōu)化。爐溫曲線設(shè)定時需要重點關(guān)注以下三點：

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

保溫區(qū)時間盡量偏規(guī)格上限，確保助焊劑得到充分活化；

回流時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生長過厚。

5、SiP產(chǎn)品錫球共面度要求

SiP產(chǎn)品錫球共面度是以SiP三個最低的錫球形成的平面為基準面，其余的錫球與之比較而得到的最大偏差，會受模塊PCB厚度、材質(zhì)、尺寸、設(shè)計、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)計指南定義的控制共面度（CCC）來描述模塊與錫球的共面度，根據(jù)錫球的尺寸大小來管控，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)計要求

好的設(shè)計是保證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)計時需要考慮下面幾個方面：

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應(yīng)表可參考下表3；

圖3 焊盤尺寸、間距與錫球的對應(yīng)表

c) 植球焊盤阻焊設(shè)計可以是阻焊定義（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，阻焊開窗需大于焊盤尺寸，可提高焊接焊點的可靠性；

d) SiP產(chǎn)品外形推薦正方形或矩形，標準尺寸不超過50mm×50mm，若產(chǎn)品設(shè)計需要，最大尺寸不超過80mm×80mm，若采用矩形，需要關(guān)注長寬比例，應(yīng)用時需評估基板實際變形的影響；

e) SiP產(chǎn)品需要有極性標識和焊盤防呆設(shè)計；

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

7、SiP產(chǎn)品植球接受標準

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

a）錫球或焊料凸點光亮、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)品錫球或凸點空洞率基于組裝后焊點驗證標準，推薦SiP錫球空洞率 ≤5%；

c）錫球或凸點與基板焊盤之間要形成明顯可見、連續(xù)的金屬合金層（IMC），如圖10；錫球或凸點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)，錫球或凸點的剪切力需要滿足規(guī)格要求，如圖11~12；

圖10（左） 錫球IMC測量圖片；圖11（右）錫球切片檢測圖片

圖12 錫球剪切力測試結(jié)果

?圖13 ?錫球共面度測試結(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)品焊接可靠性驗證要求

SiP產(chǎn)品需要進行相關(guān)的焊接可靠性驗證。如焊點空洞率測試、金相切片IMC厚度測量、錫球剪切力測試、紅墨水試驗、焊點拉拔力測試、溫度循環(huán)和振動跌落檢查焊點開裂情況等可驗證評估SiP產(chǎn)品錫球及SiP產(chǎn)品貼到主板上的焊點質(zhì)量和焊點強度；高溫高濕條件下驗證助焊劑殘留的影響（表面絕緣電阻和電化學遷移測試驗證），評估助焊劑殘留是否需要進行清洗等。

9、結(jié)論

SiP目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于消費類電子、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)用和市場前景。

植球工藝作為SiP產(chǎn)品生產(chǎn)的一個關(guān)鍵工藝將會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，公司引進全自動植球技術(shù)和先進的生產(chǎn)設(shè)備，采用穩(wěn)定性好、重復(fù)性高、可實現(xiàn)植球質(zhì)量自反饋的全自動化植球設(shè)備，搭建行業(yè)先進、高精度、高穩(wěn)定性的全自動化SiP線體，提升了產(chǎn)品質(zhì)量與效率。

審核編輯：劉清