新一代0.30毫米间距芯片级封装（CSP）面临的组装和设计挑战

　　引言

　　由于手持设备永无止境的小型化和需要更先进的功能，应对小型化的能力对于满足这些要求至关重要。小型化可以通过多种方式实现，而本文将探讨0.30毫米间距的芯片级封装。关键是确保组装的几个选择可以实现，并且应被看作技术工具盒。封装内有源元件的裸片堆叠是提高印刷电路板组装(PCBA)每个单元区功能的一种方式。但是，创建堆叠的裸片解决方案存在一些缺点。

　　首先，这个方法是一个定制解决方案。如果任何用到的裸片发生变化，则需要评估裸片堆叠以确定封装是否需要改变，例如，裸片缩小可能改变整个封装的结构。第二，如果封装内的一个或多个裸片出现故障，整个单元必须废弃，这会导致成本增加，这就是著名的“复合良率”问题。最后，协调多家半导体供应商为封装厂提供裸片以进行裸片堆叠也是极具挑战性的任务。

　　堆叠封装(PiP)是提高印刷电路板组装(PCBA)每个单元区功能的另外一种方式。PiP类似于裸片堆叠，但不是堆叠裸片，而是基带封装和内存封装等完整的封装进行堆叠并放入模具。这让内存能够在堆叠之前进行全面测试，但通常封装成本高于堆叠裸片或PoP配置。

　　在PoP流程中，一个元件在单SMT流程中放到另外一个封装上，以便全面利用产品的三个维度。底部元件的顶端的焊盘类似于印刷电路板上方用于连接顶端封装的焊盘，每个封装是一个单元，可以作为目前常规的集成电路封装进行全面测试，其良品率与目前常见的良品率相当。堆叠的封装可以在传统SMT环境中处理，包含几个立即可用的升级。因此，封装堆叠实现了可配置的组件，并在供应链中带来更高的灵活性。它可用于内存应用或包含内存的处理器，加快上市时间并更好地管理封装测试和复合良率问题。

　　缩小间距无疑是有源元件最重大的挑战之一，但这是实现小型化非常有效的方式。目前的主流是0.4-0.5毫米间距，0.3毫米间距正在到来。从0.5毫米到0.4毫米主要给设计、丝网印刷以及印刷电路板的质量带来了多个挑战。对于0.3毫米间距，有很多问题需要在投产前予以解决。两个关键问题是确定是否适用丝网印刷或焊液/焊膏浸渍以及是否需要氮气或更好的东西。

　　测试台与材料

　　本研究中的测试台类似于手机，但基于有关外部尺寸的IPC跌落测试台JESD22-B111。面板尺寸为132mmx77mm(图1)，由三个完全相同的部分组成。该电路板的表面涂层是有机表面防腐剂(OSP)，印刷电路板的一侧使用了阻焊层限定(SMD)焊盘，而另一侧使用非阻焊层限定(NSMD)焊盘。

　　用作测试台的印刷电路板有四层，在外层使用无卤素附树脂铜皮(RCC)以实现更高质量的微孔，内层使用无卤素FR4，整个印刷电路板的厚度是0.788毫米。由于铜焊盘很小，非阻焊层限定为0.20毫米而阻焊层限定为0.25毫米——而且需要很小的微孔，我们决定使用铜填充的微孔。

　　在之前对0.40毫米间距CSP的研究中，我们看到丝网印刷效果更好，因为焊膏有更大的粘贴面积，而所谓的微孔带来的空间或多或少地消失在CSP和BGA隆起的连接处(图2)。0.30毫米间距CSP元件(图3)是菊链形式，涵盖所有焊点。

　　焊膏选择

　　我们的所有研究均使用4型SAC 305(Sn96.5Ag3Cu0.5)无卤素焊膏，是广泛地评估了印刷能力、间隙、隆起、焊点、浸润和SIR(表面绝缘电阻)之后做出的。

　　浸液/膏选择

　　0.30毫米间距CSP的浸液选择是基于0.40毫米间距穿透模塑通孔(TMV)堆叠组装元件的开发活动。

　　在这些开发活动时，测试了15种不同的浸液/膏材料，主要聚焦浸润和消除氮回流焊的需求。如表1所示，不同材料之间存在重大差异，但它们在0.40毫米间距穿透模塑通孔(TMV)堆叠组装中都需要氮气回流焊。在评估时，顶端和低端零部件都进行了浸润，以评估流程的稳健性，但在常规生产中，只有顶端元件会浸润，而真正的良率会更高，但在空气回流焊下还不够高。

　　表1表明0.4/0.4毫米间距PoP需要氮气，材料A、G、H和N在氮气回流焊下显示出100%的良率。材料A、G、H和N被用于0.30毫米间距浸润流程，但浸润效果不可接受，即使电气良率在空气回流焊中达到100%。

　　底部充胶选择

　　0.3毫米间距CSP的底部充胶材料从流程和可靠性的角度来说很复杂。通常，CSP采用所谓的无充填材料，这从机械角度来说很好，但不适合热循环。另一方面，倒装芯片通常使用所谓的底部充胶，从散热角度来说更好一些，但更加昂贵且不可返工。

　　流程细节

　　在组装痕迹期间，我们使用了两种不同的0.30毫米间距CSP组装方法：丝网印刷和浸润。回流焊在空气和氮气中完成。

　　焊膏印刷与焊膏检查

　　0.40毫米间距CSP的标准焊膏印刷流程最初使用了标准的电解抛光0.080毫米厚激光切割模板。在所有地方进行了自动焊膏检查(表2和图4、5)，而自动模板清洁在每次印刷后进行。

　　可以看到，阻焊层限定(SMD)和非阻焊层限定(NSMD)焊盘之间存在微小的差异。尽管我们希望获得更高的Cp和Cpk，结果仍令人乐观，为我们进一步的开发给出了很好的基线。阻焊层限定(SMD)的Cp和Cpk较低表明，包含所谓的窗口开口的NSMD焊盘的丝网印刷效果更高。对于未来的0.30毫米间距CSP印刷，我们决定使用所谓窗口设计的NSMD焊盘。在仅使用丝网印刷流程的0.30毫米间距CSP的大约400个完整组件的最初测试中，发现了一个问题，在SMD设计焊盘的焊桥上。

　　在证明印刷电路板设计和流程设置可以实现可接受的Cp和Cpk数字以带来良好的良率之后，在不同模板和印刷参数和最佳的组合上进一步的研究。在研究(图6)中显示超高的Cp和Cpk数字和100%的组装良率。所有Cp和Cpk使用Minitab软件计算，使用Minitab的真正Cp和Cpk是Pp和PpK，因为这是整体计算功能。

　　组装

　　所有组装在标准的小间距安装机器上进行，在3西格玛时精度为40微米。0.30毫米间距CSP中未检测到组装相关的缺陷，0.30毫米间距CSP在空气和氮气中进行了处理，良率相当，但使用浸润流程时，需要氮气以确保全面的浸润和坍塌。

　　回流焊

　　使用了标准的无铅回流焊温度曲线，回流焊在空气和氮气中完成，65次在217oC和245oC峰值温度之上。之前在0.40毫米间距的研究表明，180-217oC之间快速的1.0oC/s和更高的温度提升呈现更好的浸润效果，这在0.3毫米间距CSP上也得到了验证。在横截面，可以注意到一些互联出现枕头形焊接的倾向，而焊接连接没有浸润整个焊盘(图7)。这是在仅使用空气回流焊时担心的地方。根据这个结果，很明显0.30毫米间距CSP在焊液/焊膏浸润流程中需要氮气。如果0.30毫米间距CSP使用丝网印刷，空气回流焊可以完成，但流程窗口非常小，回流焊温度需要仔细的优化。尽管出现枕头形焊接，0.30毫米间距组装显示了良好的金属间(IMC)成型，厚度为2-4微米(图8)。

　　结论

　　有很多方式可以实现小型化，关键是有一套技术能够满足这些需求。根据产品的不同，可以考虑几个选项，而选择应基于数据而不是假设。0.30毫米间距CSP是可行的选择，但需要密切地控制设计指南、材料和组装流程。当在0.30毫米间距CSP上使用浸润流程时，目前需要氮气回流焊以实现高良率和高质量的焊接连接。 如果在0.30毫米间距CSP中使用丝网印刷，可以避免使用氮气，但模板厚度不能超过0.080毫米。包括模板选择、板托和板夹、焊膏选择和回流焊温度的丝网印刷流程需要优化和密切的流程控制。

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