我們來對SiP模塊中BGA焊球堆疊（BGA Stacking或Solder Ball Stacking）工藝方式進(jìn)行一個(gè)詳細(xì)的特點(diǎn)和應(yīng)用分析。

一、什么是SiP模塊中的BGA焊球堆疊工藝？

在SiP（System-in-Package）模塊中，BGA（Ball Grid Array）焊球堆疊是一種三維（3D）集成技術(shù)。它指的是在單個(gè)封裝體內(nèi)，將兩個(gè)或多個(gè)芯片/子模塊通過BGA焊球在垂直方向上互連起來。

這種工藝通常有兩種實(shí)現(xiàn)形式：

1. PoP (Package-on-Package)：最常見的形式。將一個(gè)封裝好的BGA器件（通常是存儲器，如DRAM）堆疊在另一個(gè)封裝好的BGA器件（通常是應(yīng)用處理器或基帶芯片）之上。上下封裝通過外圍的焊球陣列連接。

2. PiP (Package-in-Package)：將一個(gè)或多個(gè)未封裝的裸芯片堆疊在基板上，然后整體進(jìn)行一次模塑封裝，形成一個(gè)完整的SiP模塊。內(nèi)部的垂直互連也可能使用焊球堆疊。

本文將重點(diǎn)分析與PoP相關(guān)的BGA焊球堆疊工藝。

二、工藝特點(diǎn)分析

優(yōu)點(diǎn)：

1. 高密度集成，節(jié)省空間

• 最核心的優(yōu)勢。通過在Z軸方向堆疊，極大地減少了在PCB板上的占板面積（Footprint）。這對于智能手機(jī)、平板電腦、可穿戴設(shè)備等空間極其寶貴的便攜式電子產(chǎn)品至關(guān)重要。

2. 優(yōu)異的電性能

• 短互連路徑：堆疊芯片之間的互連路徑非常短，遠(yuǎn)小于將它們并排放置在PCB上并通過走線連接的長度。

• 低電感/電阻：短的互連意味著更低的寄生電感和電阻，從而帶來更快的信號傳輸速度、更高的帶寬和更低的功耗。這對于處理器和存儲器之間需要高速數(shù)據(jù)交換的應(yīng)用（如LPDDR）尤為有利。

3. 提升系統(tǒng)性能

• 得益于優(yōu)異的電性能，內(nèi)存訪問延遲更低，數(shù)據(jù)吞吐率更高，從而整體提升了系統(tǒng)性能。

4. 設(shè)計(jì)靈活性與標(biāo)準(zhǔn)化

• PoP架構(gòu)允許來自不同供應(yīng)商的上層封裝（內(nèi)存）和下層封裝（處理器）進(jìn)行混合匹配，提供了較大的設(shè)計(jì)靈活性。

• JEDEC等組織對PoP的尺寸、球柵排列等有標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)定，增強(qiáng)了互操作性。

5. 簡化PCB設(shè)計(jì)

• PCB布局只需為一個(gè)復(fù)合封裝（包含處理器和內(nèi)存）設(shè)計(jì)焊盤，而不是為兩個(gè)獨(dú)立的器件設(shè)計(jì)，簡化了布線復(fù)雜度和層數(shù)。

6. 已知良好芯片（KGD）測試

• 上層和下層封裝可以在堆疊前進(jìn)行獨(dú)立的測試，確保都是“已知良好芯片”，然后再進(jìn)行堆疊，有助于提高最終產(chǎn)品的良率。

缺點(diǎn)與挑戰(zhàn)：

1. 工藝復(fù)雜度高，良率管理挑戰(zhàn)大

• 堆疊工藝：需要高精度的貼片機(jī)在已焊接的下層封裝上精確放置上層封裝，對設(shè)備精度要求極高。

• 回流焊工藝：所有焊點(diǎn)（下層到PCB，上層到下層）通常在一次回流焊中完成。需要精確控制溫度曲線，以確保所有焊球同時(shí)良好熔化并連接，且不產(chǎn)生橋連、空洞或冷焊。這對焊膏印刷、焊球共面性要求極高。

2. 熱管理挑戰(zhàn)

• 高功耗的處理器和存儲器緊密堆疊在一個(gè)小空間內(nèi)，會產(chǎn)生巨大的熱密度。散熱路徑長，熱量容易積聚，可能導(dǎo)致芯片過熱降頻甚至失效。必須精心設(shè)計(jì)熱界面材料（TIM）和散熱方案。

3. 機(jī)械應(yīng)力與可靠性問題

• CTE（熱膨脹系數(shù)）失配：不同材料（芯片、基板、塑封料、PCB）的CTE不同，在溫度變化（如開機(jī)/關(guān)機(jī)、環(huán)境溫度變化）時(shí)會產(chǎn)生熱機(jī)械應(yīng)力，可能導(dǎo)致焊點(diǎn)疲勞開裂。

• 機(jī)械強(qiáng)度：堆疊結(jié)構(gòu)更高，在受到外力（如跌落、彎曲）時(shí)，底部的焊點(diǎn)，尤其是最外側(cè)的焊點(diǎn)，承受的應(yīng)力最大，容易損壞。

4. 測試和返修困難

• 測試：堆疊后很難對內(nèi)部的單個(gè)芯片進(jìn)行測試和診斷。

• 返修：如果堆疊后的模塊失效，返修過程非常復(fù)雜且成本高。需要先加熱取下整個(gè)堆疊模塊，可能會損壞PCB或周圍元件。

5. 成本較高

• 相比傳統(tǒng)二維封裝，額外的工藝步驟、更昂貴的設(shè)備、更復(fù)雜的材料（如底部填充膠Underfill）以及潛在的良率損失都導(dǎo)致了更高的總體成本。

三、應(yīng)用分析

BGA焊球堆疊工藝主要應(yīng)用于對尺寸、性能和帶寬有極致要求的領(lǐng)域。

1. 智能手機(jī)和平板電腦

• 應(yīng)用處理器 + 移動(dòng)DRAM (LPDDR) + 閃存 (eMMC/UFS) 是最經(jīng)典的PoP應(yīng)用。幾乎所有主流智能手機(jī)的AP都采用這種形式與內(nèi)存集成，以實(shí)現(xiàn)緊湊的布局和高速數(shù)據(jù)訪問。

2. 高端可穿戴設(shè)備

• 智能手表、AR/VR眼鏡等設(shè)備內(nèi)部空間極為狹小，PoP是集成主控和內(nèi)存的首選方案。

3. 高性能計(jì)算（HPC）和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備

• 在一些需要高帶寬內(nèi)存訪問的ASIC、FPGA和GPU中，也會采用類似PoP的3D堆疊技術(shù)（如HBM - High Bandwidth Memory），但其工藝更先進(jìn)（通常使用TSV硅通孔）。BGA堆疊是成本相對較低的3D集成方案。

4. 汽車電子

• 隨著ADAS（高級駕駛輔助系統(tǒng)）和智能座艙的發(fā)展，需要處理大量數(shù)據(jù)的域控制器也開始采用SiP和PoP技術(shù)，以滿足性能和空間要求。

四、工藝選擇與考量要點(diǎn)

在選擇是否采用BGA焊球堆疊工藝時(shí)，需要綜合評估：

• 性能需求：是否需要極高的內(nèi)存帶寬和極低的延遲？

• 空間約束：PCB板空間是否極度緊張？

• 熱預(yù)算：系統(tǒng)的散熱能力能否解決堆疊帶來的熱挑戰(zhàn)？

• 成本目標(biāo)：能否承受更高的封裝成本？

• 可靠性要求：產(chǎn)品所處的環(huán)境（溫度變化、機(jī)械振動(dòng)）對焊點(diǎn)可靠性要求有多高？

• 供應(yīng)鏈：是否有可靠的、能提供符合標(biāo)準(zhǔn)的PoP組件的供應(yīng)商和先進(jìn)的SMT組裝廠？

總結(jié)

SiP模塊中的BGA焊球堆疊工藝是一種強(qiáng)大的三維集成技術(shù)，它通過犧牲一定的工藝復(fù)雜性、熱性能和成本，換來了無與倫比的空間節(jié)省和電性能提升。它是推動(dòng)現(xiàn)代便攜式電子設(shè)備向更輕薄、更強(qiáng)大方向發(fā)展的重要引擎之一。隨著工藝技術(shù)的不斷進(jìn)步（如更先進(jìn)的底部填充材料、更精準(zhǔn)的貼裝設(shè)備、更優(yōu)化的回流焊曲線），其可靠性和成本效益仍在持續(xù)改善，應(yīng)用范圍也將進(jìn)一步擴(kuò)大。

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污染物有多種，可歸納為離子型和非離子型兩大類。離子型污染物接觸到環(huán)境中的濕氣，通電后發(fā)生電化學(xué)遷移，形成樹枝狀結(jié)構(gòu)體，造成低電阻通路，破壞了電路板功能。非離子型污染物可穿透PC B 的絕緣層，在PCB板表層下生長枝晶。除了離子型和非離子型污染物，還有粒狀污染物，例如焊料球、焊料槽內(nèi)的浮點(diǎn)、灰塵、塵埃等，這些污染物會導(dǎo)致焊點(diǎn)質(zhì)量降低、焊接時(shí)焊點(diǎn)拉尖、產(chǎn)生氣孔、短路等等多種不良現(xiàn)象。

這么多污染物，到底哪些才是最備受關(guān)注的呢？助焊劑或錫膏普遍應(yīng)用于回流焊和波峰焊工藝中，它們主要由溶劑、潤濕劑、樹脂、緩蝕劑和活化劑等多種成分，焊后必然存在熱改性生成物，這些物質(zhì)在所有污染物中的占據(jù)主導(dǎo)，從產(chǎn)品失效情況來而言，焊后殘余物是影響產(chǎn)品質(zhì)量最主要的影響因素，離子型殘留物易引起電遷移使絕緣電阻下降，松香樹脂殘留物易吸附灰塵或雜質(zhì)引發(fā)接觸電阻增大，嚴(yán)重者導(dǎo)致開路失效，因此焊后必須進(jìn)行嚴(yán)格的清洗，才能保障電路板的質(zhì)量。

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