Questo articolo fornisce un'analisi completa della tecnica PoP (Package on Package) sui circuiti stampati.
PoP è una tecnologia di packaging 3D avanzata che consente di impilare e saldare direttamente un chip confezionato (in genere una memoria, come DRAM o Flash) sopra un altro chip confezionato (in genere un processore applicativo o un chip di banda base), formando un assemblaggio verticale. Questo assemblaggio viene quindi saldato al circuito stampato principale tramite sfere di saldatura (BGA) sulla parte inferiore del package inferiore.
Vantaggi della tecnica PoP:
1. Risparmio di spazio: Migliorare significativamente il tasso di utilizzo dello spazio, una tecnologia chiave per la miniaturizzazione dei dispositivi mobili (telefoni, tablet).
2. Miglioramento delle prestazioni: i percorsi di interconnessione tra i chip dello strato superiore e inferiore sono estremamente corti (in genere <1 mm), riducendo la latenza del segnale e il consumo energetico e aumentando la larghezza di banda di trasmissione.
3. Flessibilità di progettazione: consente la combinazione di processori e memorie di diversi produttori, facilitando l'iterazione del prodotto e la selezione della configurazione.
4. Riduzione dei costi: rispetto all'integrazione di due chip nello stesso package (come alcune forme di SiP), PoP potrebbe utilizzare processi di confezionamento e collaudo standardizzati.
Fasi principali del processo di assemblaggio PoP:
La sfida dell'assemblaggio PoP risiede nel completare la saldatura a rifusione di tutti i punti di interconnessione in un'unica operazione: i package superiore e inferiore, e il package inferiore con il PCB. Ciò richiede una gestione precisa dei materiali, delle attrezzature e del processo di assemblaggio.
L'intero processo è suddiviso principalmente nelle seguenti fasi chiave:
1. Stampa a saldatura
● PCB inferiore: stampare la saldatura sulla scheda a circuito stampato principale dove si trova il PoP, per saldare le sfere di saldatura inferiori del BGA sul package inferiore.
● Pacchetto superiore: la saldatura viene applicata ai pad sulla parte superiore del pacchetto inferiore. Questo è il punto chiave del processo di assemblaggio PoP. Esistono due metodi principali:
* Metodo di pre-applicazione della pasta saldante: utilizzando micro-stencil o la tecnologia di stampa a getto d'inchiostro, minuscoli punti di pasta saldante vengono stampati con precisione sui pad superiori del package inferiore.
* Metodo di posizionamento delle sfere: minuscole sfere di saldatura vengono pre-posizionate sui pad superiori del package inferiore. Questo metodo offre una buona uniformità ed è attualmente il più diffuso, soprattutto per i package PoP a passo fine.
2. Posizionamento dei componenti
Si tratta di un processo di posizionamento in due fasi ad alta precisione:
Passaggio 1: Posizionare il componente inferiore. Il chip inferiore (ad esempio, il processore) viene montato allineando le sue sfere di saldatura BGA inferiori con la pasta saldante sul PCB.
Fase 2: Montaggio del package superiore. Dopo la fase 1, all'interno dello stesso ciclo di produzione, montare il chip superiore (ad esempio, la memoria) allineando le sue sfere o piazzole di saldatura inferiori con la saldatura superiore del package inferiore già posizionato sul PCB. Ciò richiede una precisione e una stabilità estremamente elevate da parte dell'apparecchiatura pick-and-place, che in genere utilizza una doppia leva a sbalzo o una testa di montaggio multifunzionale specializzata.
3. Saldatura a rifusione
● La pila di chip assemblati (strato superiore + strato inferiore) e il PCB entrano nel forno a rifusione.
● In un forno a rifusione ad aria calda o sottovuoto, la saldatura in tutti i punti di connessione (pasta saldante sul PCB e saldatura tra gli strati superiore e inferiore) si fonde simultaneamente.
● Allo stato fuso, sfruttando la tensione superficiale e la forza di gravità della lega saldante, si formano i giunti di saldatura, realizzando connessioni elettriche e meccaniche.
● Questa è la fase più critica: il profilo termico deve essere controllato con precisione per garantire che ogni giunzione di saldatura raggiunga una condizione ottimale e che i chip non vengano danneggiati da stress termico.
4. Ispezione e collaudo
● Ispezione ottica automatizzata: per verificare l'allineamento dei componenti dopo la saldatura.
● Ispezione a raggi X: Poiché le saldature sono coperte dal package, è necessario utilizzare raggi X 2D/3D per ispezionare la qualità delle saldature BGA e delle saldature dello strato interno PoP, come ponti, saldature fredde e vuoti.
● Test elettrico: Conferma il corretto funzionamento dei chip impilati.
Principali sfide e soluzioni per l'assemblaggio PoP
| Sfide | Descrizione | Soluzione |
| Precisione dell'allineamento | I pad di saldatura sul package superiore e inferiore sono molto piccoli, così come lo spazio, il che richiede una precisione di allineamento estremamente elevata (tipicamente ±0,05 mm). | Utilizzare apparecchiature di prelievo e posizionamento ad alta precisione e sistemi di allineamento visivo, garantendo la complanarità dei componenti e la uniformità delle sfere di saldatura. |
| Controllo della quantità di saldatura | La quantità di stagno tra i componenti deve essere precisa. Troppo stagno provoca cortocircuiti, troppo poco provoca saldature fredde. | Utilizzare il posizionamento a sfera anziché la pasta saldante stampata;
controllare con precisione le dimensioni della sfera e la quantità di pasta saldante. |
| Resa della saldatura | La saldatura a rifusione in un unico passaggio crea più file di giunzioni di saldatura invisibili, aumentando il rischio di resa rispetto ai BGA a singolo strato. | Ottimizzare i profili di temperatura di rifusione (in genere utilizzando un profilo a forma di "tenda"), utilizzare la protezione con azoto per ridurre l'ossidazione e impiegare la rifusione sottovuoto per ridurre i vuoti. |
| Altezza della pila | L'altezza totale deve essere controllata rigorosamente per soddisfare i requisiti di prodotto sottile e leggero. | Utilizzate package ultrasottili, composti di stampaggio a basso raggio e sfere di saldatura più piccole. |
| Stress termico e termico | L'elevata densità termica dopo l'impilamento, unita ai diversi coefficienti di dilatazione termica dei vari materiali, potrebbe generare stress termico. | Nella progettazione di PCB e package, tenere conto della dissipazione del calore;
utilizzare materiale di riempimento (underfill) per migliorare la resistenza meccanica e la resistenza alla fatica termica. |
Variante del processo di assemblaggio: Sottoriempimento
Per applicazioni con requisiti di affidabilità estremamente elevati (come l'elettronica automobilistica), dopo l'assemblaggio PoP, viene applicato un materiale di riempimento (underfill) tra il package inferiore e il PCB, e talvolta anche tra il package superiore e quello inferiore. L'adesivo penetra negli spazi tra le sfere di saldatura per capillarità e, dopo la polimerizzazione, assorbe in modo significativo le sollecitazioni meccaniche (come urti e flessioni), migliorando la durata in termini di resistenza alla fatica termica causata dai cicli di temperatura.
In sintesi, l'assemblaggio PoP (PoS) è una delle tecniche avanzate di assemblaggio elettronico ad alta densità moderno. Gli elementi chiave per un assemblaggio PoP di successo sono:
● Materiali: sfere di saldatura ad alte prestazioni, pasta saldante e substrati.
● Attrezzatura: Macchine pick-and-place ad alta precisione e forni a rifusione controllabili.
● Controllo del processo: Gestione precisa dell'intero processo, dal posizionamento della pasta/sfera di saldatura al montaggio e alla rifusione.
● Ispezione: Potenti capacità di controllo non distruttivo, come i raggi X.
Con l'aumento del numero di I/O dei chip e la contemporanea minimizzazione del passo, la tecnica PoP si sta evolvendo verso passi più fini (ad esempio, passo di 0,35 mm) e un numero maggiore di strati impilati (ad esempio, PoPoP), guidando continuamente l'evoluzione dei dispositivi elettronici verso design più piccoli, veloci e potenti.
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