Dieser Artikel bietet eine umfassende Analyse der PoP-Technik (Package on Package) auf Leiterplatten.
PoP ist eine fortschrittliche 3D-Packaging-Technologie, die es ermöglicht, einen Chip (typischerweise ein Speicherchip wie DRAM oder Flash) direkt auf einen anderen Chip (typischerweise einen Anwendungsprozessor oder Basisbandchip) zu stapeln und zu verlöten. Dadurch entsteht eine vertikale Baugruppe. Diese Baugruppe wird anschließend über Lötperlen (BGA) an der Unterseite des unteren Chips mit der Hauptplatine verlötet.
Vorteile der PoP-Technik:
1. Platzersparnis: Deutliche Verbesserung der Raumausnutzung, eine Schlüsseltechnologie für die Miniaturisierung mobiler Geräte (Telefone, Tablets).
2. Leistungssteigerung: Die Verbindungswege zwischen den Chips der oberen und unteren Schicht sind extrem kurz (typischerweise <1 mm), wodurch die Signalverzögerung und der Stromverbrauch reduziert und die Übertragungsbandbreite erhöht werden.
3. Designflexibilität: Ermöglicht die Kombination von Prozessoren und Speichern verschiedener Hersteller und erleichtert so die Produktiteration und die Konfigurationsauswahl.
4. Kostenreduzierung: Im Vergleich zur Integration zweier Chips in dasselbe Gehäuse (wie etwa bei bestimmten SiP-Verfahren) kann PoP standardisierte Verpackungs- und Testverfahren nutzen.
Kernprozessschritte der PoP-Montage:
Die Herausforderung bei der PoP-Montage besteht darin, das Reflow-Löten aller Verbindungspunkte in einem Arbeitsgang abzuschließen: das obere und untere Gehäuse sowie das untere Gehäuse mit der Leiterplatte. Dies erfordert eine präzise Steuerung von Material, Ausrüstung und Montageprozess.
Der gesamte Prozess lässt sich im Wesentlichen in folgende Schlüsselphasen unterteilen:
1. Lötdruck
● Untere Leiterplatte: Drucken Sie das Lötzinn auf die Hauptplatine, wo sich der PoP befindet, um die unteren Lötperlen des BGA auf das untere Gehäuse zu löten.
● Oberseite des Gehäuses: Lötzinn wird auf die Lötpads auf der Oberseite des unteren Gehäuses aufgetragen. Dies ist der entscheidende Punkt beim PoP-Montageprozess. Es gibt zwei Hauptmethoden:
* Vorauftragen von Lötpaste: Mithilfe von Mikro-Schablonen oder Jet-Printing-Technologie werden winzige Lötpastenpunkte präzise auf die oberen Pads des unteren Gehäuses gedruckt.
* Lötperlenplatzierungsverfahren: Winzige Lötperlen werden auf den oberen Lötpads des unteren Gehäuses vorab platziert. Dieses Verfahren bietet eine gute Konsistenz und ist derzeit Standard, insbesondere für PoP mit feiner Rasterteilung.
2. Bauteilplatzierung
Dies ist ein hochpräziser, zweistufiger Platzierungsprozess:
Schritt 1: Platzieren Sie das untere Gehäuse. Der untere Chip (z. B. Prozessor) wird montiert, indem die Lötperlen des unteren BGA-Anschlusses mit der Lötpaste auf der Leiterplatte ausgerichtet werden.
Schritt 2: Montage des oberen Gehäuses. Im Anschluss an Schritt 1 wird innerhalb desselben Produktionszyklus der obere Chip (z. B. Speicherchip) montiert, indem seine unteren Lötperlen oder -pads mit den oberen Lötstellen des bereits auf der Leiterplatte platzierten unteren Gehäuses ausgerichtet werden. Dies erfordert höchste Präzision und Stabilität der Bestückungsanlage, typischerweise mithilfe eines Doppelauslegers oder eines speziellen Multifunktions-Bestückungskopfes.
3. Reflow-Löten
● Der montierte Chipstapel (Oberschicht + Unterschicht) und die Leiterplatte gelangen in den Reflow-Ofen.
● In einem Heißluft- oder Vakuum-Reflow-Ofen schmilzt das Lot an allen Verbindungsstellen (Lotpaste auf der Leiterplatte und Lot zwischen der oberen und unteren Lage) gleichzeitig.
● Im geschmolzenen Zustand werden durch die Oberflächenspannung und die Schwerkraft des Lotes Lötverbindungen gebildet, wodurch elektrische und mechanische Verbindungen hergestellt werden.
● Dies ist der kritischste Prozess: Das Temperaturprofil muss präzise gesteuert werden, um sicherzustellen, dass jede Lötstelle einen guten Zustand erreicht und die Chips nicht durch thermische Belastung beschädigt werden.
4. Inspektion und Prüfung
● Automatisierte optische Inspektion: zur Überprüfung der Ausrichtung der Bauteile nach dem Löten.
● Röntgenprüfung: Da die Lötstellen unter dem Gehäuse liegen, müssen 2D/3D-Röntgenaufnahmen eingesetzt werden, um die Qualität der BGA-Lötstellen und der PoP-Innenschichtlötstellen, wie z. B. Brücken, kalte Lötstellen und Lufteinschlüsse, zu prüfen.
● Elektrische Prüfung: Bestätigt die korrekte Funktion der gestapelten Chips.
Wichtigste Herausforderungen und Lösungsansätze für die PoP-Montage
| Herausforderungen | Beschreibung | Lösung |
| Ausrichtungsgenauigkeit | Die Lötpads auf dem oberen und unteren Gehäuse sind sehr klein, ebenso der Platz, was eine extrem hohe Ausrichtungsgenauigkeit (typischerweise ±0,05 mm) erfordert. | Verwenden Sie hochpräzise Bestückungsautomaten und Bildverarbeitungssysteme zur Ausrichtung und stellen Sie die Koplanarität der Bauteile sowie die Konsistenz der Lötperlen sicher. |
| Lötmengensteuerung | Die Lötmenge zwischen den Bauteilen muss genau stimmen. Zu viel Lötzinn führt zu Kurzschlüssen, zu wenig zu kalten Lötstellen. | Verwenden Sie Kugelplatzierung anstelle von gedruckter Lötpaste;
Kontrollieren Sie die Kugelgröße und die Lötpastenmenge präzise. |
| Lötausbeute | Beim Single-Pass-Reflow entstehen mehrere Reihen unsichtbarer Lötstellen, was das Ausbeuterisiko im Vergleich zu einlagigen BGAs erhöht. | Optimieren Sie die Reflow-Temperaturprofile (typischerweise mit einem "zeltförmigen" Profil), verwenden Sie Stickstoffschutz, um die Oxidation zu reduzieren, und setzen Sie Vakuum-Reflow ein, um Hohlräume zu vermeiden. |
| Stapelhöhe | Die Gesamthöhe muss streng kontrolliert werden, um die Anforderungen an dünne und leichte Produkte zu erfüllen. | Verwenden Sie ultradünne Gehäuse, Vergussmassen mit kleinem Radius und kleinere Lötperlen. |
| Thermische und Spannungsanalyse | Eine hohe Wärmedichte nach dem Stapeln, gepaart mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der verschiedenen Materialien, kann zu thermischen Spannungen führen. | Berücksichtigen Sie die Wärmeableitung beim Design von Leiterplatten und Gehäusen;
verwenden Sie Underfill, um die mechanische Festigkeit und die Beständigkeit gegen thermische Ermüdung zu verbessern. |
Variante des Montageprozesses: Unterfüllung
Bei Anwendungen mit extrem hohen Zuverlässigkeitsanforderungen (z. B. Automobilelektronik) wird nach der PoP-Montage Underfill zwischen dem unteren Gehäuse und der Leiterplatte, mitunter sogar zwischen dem oberen und unteren Gehäuse, aufgetragen. Der Klebstoff dringt durch Kapillarwirkung in die Lötstellen ein und absorbiert nach dem Aushärten mechanische Belastungen (z. B. Stöße und Biegungen) erheblich, wodurch die Lebensdauer durch Temperaturwechselbeanspruchung verbessert wird.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die PoP- (PoS-)Montage zu den fortschrittlichen Techniken der modernen, hochdichten Elektronikfertigung zählt. Die Kernelemente einer erfolgreichen PoP-Montage sind:
● Materialien: Hochleistungslötkugeln, Lötpaste und Substrate.
● Ausstattung: Hochpräzise Bestückungsautomaten und steuerbare Reflow-Öfen.
● Prozesskontrolle: Präzise Steuerung des gesamten Prozesses, von der Platzierung der Lötpaste/Lötkugeln bis hin zur Montage und dem Reflow-Löten.
● Inspektion: Leistungsstarke zerstörungsfreie Prüfverfahren wie z. B. Röntgenprüfung.
Mit der zunehmenden Anzahl von Chip-I/Os und der gleichzeitigen Minimierung der Strukturbreite entwickelt sich auch die PoP-Technik weiter hin zu feineren Strukturbreiten (z. B. 0,35 mm Strukturbreite) und höheren Stapelschichten (z. B. PoPoP) und treibt so kontinuierlich die Entwicklung elektronischer Geräte hin zu kleineren, schnelleren und leistungsfähigeren Designs voran.
Benlida ist ein professioneller Leiterplattenhersteller und bietet seit 14 Jahren Leiterplattenbestückungsdienstleistungen an. Wenn Sie mit der PoP-Bestückung für Ihre Leiterplatten und Leiterplattenbestückungsautomaten arbeiten, können Sie sich gerne an Benlida wenden, um einen Hinweis darauf zu erhalten, wie Sie bei der Fertigung vorgehen sollten!
Benlida steht Ihnen zur Verfügung!
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