SiP模块BGA焊球堆叠工艺分析及 SIP模块芯片清洗剂介绍

我们来对SiP模块中BGA焊球堆叠（BGA Stacking或Solder Ball Stacking）工艺方式进行一个详细的特点和应用分析。

一、什么是SiP模块中的BGA焊球堆叠工艺？

在SiP（System-in-Package）模块中，BGA（Ball Grid Array）焊球堆叠是一种三维（3D）集成技术。它指的是在单个封装体内，将两个或多个芯片/子模块通过BGA焊球在垂直方向上互连起来。

这种工艺通常有两种实现形式：

1. PoP (Package-on-Package)：最常见的形式。将一个封装好的BGA器件（通常是存储器，如DRAM）堆叠在另一个封装好的BGA器件（通常是应用处理器或基带芯片）之上。上下封装通过外围的焊球阵列连接。

2. PiP (Package-in-Package)：将一个或多个未封装的裸芯片堆叠在基板上，然后整体进行一次模塑封装，形成一个完整的SiP模块。内部的垂直互连也可能使用焊球堆叠。

本文将重点分析与PoP相关的BGA焊球堆叠工艺。

二、工艺特点分析

优点：

1. 高密度集成，节省空间

• 最核心的优势。通过在Z轴方向堆叠，极大地减少了在PCB板上的占板面积（Footprint）。这对于智能手机、平板电脑、可穿戴设备等空间极其宝贵的便携式电子产品至关重要。

2. 优异的电性能

• 短互连路径：堆叠芯片之间的互连路径非常短，远小于将它们并排放置在PCB上并通过走线连接的长度。

• 低电感/电阻：短的互连意味着更低的寄生电感和电阻，从而带来更快的信号传输速度、更高的带宽和更低的功耗。这对于处理器和存储器之间需要高速数据交换的应用（如LPDDR）尤为有利。

3. 提升系统性能

• 得益于优异的电性能，内存访问延迟更低，数据吞吐率更高，从而整体提升了系统性能。

4. 设计灵活性与标准化

• PoP架构允许来自不同供应商的上层封装（内存）和下层封装（处理器）进行混合匹配，提供了较大的设计灵活性。

• JEDEC等组织对PoP的尺寸、球栅排列等有标准化规定，增强了互操作性。

5. 简化PCB设计

• PCB布局只需为一个复合封装（包含处理器和内存）设计焊盘，而不是为两个独立的器件设计，简化了布线复杂度和层数。

6. 已知良好芯片（KGD）测试

• 上层和下层封装可以在堆叠前进行独立的测试，确保都是“已知良好芯片”，然后再进行堆叠，有助于提高最终产品的良率。

缺点与挑战：

1. 工艺复杂度高，良率管理挑战大

• 堆叠工艺：需要高精度的贴片机在已焊接的下层封装上精确放置上层封装，对设备精度要求极高。

• 回流焊工艺：所有焊点（下层到PCB，上层到下层）通常在一次回流焊中完成。需要精确控制温度曲线，以确保所有焊球同时良好熔化并连接，且不产生桥连、空洞或冷焊。这对焊膏印刷、焊球共面性要求极高。

2. 热管理挑战

• 高功耗的处理器和存储器紧密堆叠在一个小空间内，会产生巨大的热密度。散热路径长，热量容易积聚，可能导致芯片过热降频甚至失效。必须精心设计热界面材料（TIM）和散热方案。

3. 机械应力与可靠性问题

• CTE（热膨胀系数）失配：不同材料（芯片、基板、塑封料、PCB）的CTE不同，在温度变化（如开机/关机、环境温度变化）时会产生热机械应力，可能导致焊点疲劳开裂。

• 机械强度：堆叠结构更高，在受到外力（如跌落、弯曲）时，底部的焊点，尤其是最外侧的焊点，承受的应力最大，容易损坏。

4. 测试和返修困难

• 测试：堆叠后很难对内部的单个芯片进行测试和诊断。

• 返修：如果堆叠后的模块失效，返修过程非常复杂且成本高。需要先加热取下整个堆叠模块，可能会损坏PCB或周围元件。

5. 成本较高

• 相比传统二维封装，额外的工艺步骤、更昂贵的设备、更复杂的材料（如底部填充胶Underfill）以及潜在的良率损失都导致了更高的总体成本。

三、应用分析

BGA焊球堆叠工艺主要应用于对尺寸、性能和带宽有极致要求的领域。

1. 智能手机和平板电脑

• 应用处理器 + 移动DRAM (LPDDR) + 闪存 (eMMC/UFS) 是最经典的PoP应用。几乎所有主流智能手机的AP都采用这种形式与内存集成，以实现紧凑的布局和高速数据访问。

2. 高端可穿戴设备

• 智能手表、AR/VR眼镜等设备内部空间极为狭小，PoP是集成主控和内存的首选方案。

3. 高性能计算（HPC）和网络设备

• 在一些需要高带宽内存访问的ASIC、FPGA和GPU中，也会采用类似PoP的3D堆叠技术（如HBM - High Bandwidth Memory），但其工艺更先进（通常使用TSV硅通孔）。BGA堆叠是成本相对较低的3D集成方案。

4. 汽车电子

• 随着ADAS（高级驾驶辅助系统）和智能座舱的发展，需要处理大量数据的域控制器也开始采用SiP和PoP技术，以满足性能和空间要求。

四、工艺选择与考量要点

在选择是否采用BGA焊球堆叠工艺时，需要综合评估：

• 性能需求：是否需要极高的内存带宽和极低的延迟？

• 空间约束：PCB板空间是否极度紧张？

• 热预算：系统的散热能力能否解决堆叠带来的热挑战？

• 成本目标：能否承受更高的封装成本？

• 可靠性要求：产品所处的环境（温度变化、机械振动）对焊点可靠性要求有多高？

• 供应链：是否有可靠的、能提供符合标准的PoP组件的供应商和先进的SMT组装厂？

总结

SiP模块中的BGA焊球堆叠工艺是一种强大的三维集成技术，它通过牺牲一定的工艺复杂性、热性能和成本，换来了无与伦比的空间节省和电性能提升。它是推动现代便携式电子设备向更轻薄、更强大方向发展的重要引擎之一。随着工艺技术的不断进步（如更先进的底部填充材料、更精准的贴装设备、更优化的回流焊曲线），其可靠性和成本效益仍在持续改善，应用范围也将进一步扩大。

SiP模块清洗剂- 芯片封装前锡膏助焊剂清洗剂介绍：

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