当今消费电子产品日益增加的功能和尺寸的减小正在引导着PoP技术的发展.使用PoP器件使设计者更具灵活性,而且减少了研发时间和成本.从装配系统的角度来看,与标准的SMT组装相比,PoP需要新的组装技术.

第一个问题是层叠组装的器件怎样进行回流焊.焊剂或专门设计的可浸渍焊膏必须在器件贴装前施加到器件上,这不可能由一台外部设备来完成,因为在实际应用中要施加助焊剂的器件在进入装配系统之前都是包装好的,助焊剂或焊膏的使用不同于标准的SMT组装,所以装配系统需要附加其他硬件和软件来完成.

另一个挑战是要求把一个器件贴放到另一个器件顶部,有时多达5层或更多.虽然所有装配系统都具有在任何给定的坐标位置上贴放器件的基本能力,但在不同层或水平面上,以一个特定的顺序贴放不同的器件并不总是标准化的.当然,每台设备都可以向上和向下,或在Z轴方向上有一定的移动,但是停留在不同Z轴高度位置的能力,也依赖于贴装定位要求的附加硬件和软件.

一些PoP器件是同一种器件的简单层叠,而其它的是不同器件按特定顺序的叠装.装配过程中必须能够识别每个器件及对应层的软件,以防止出现器件贴放顺序错误.

装配方法PoP装配的两种主要方法是“预连接”和“飞行对中”.这两种方法的主要区别是装配过程,而不是最终结果.

预连接装配方法是通过两个过程实现（图1）.第一个过程,先装配将要被层叠的器件,这一步与标准的SMT装配是相同的.在载体上,一个器件被贴放到另一个器件上,然后整个载体被送进回流焊进行焊接.之后将预连接好的器件进行再封装,以便装配系统（通常是托盘）拾取.这些器件将返回到贴片机,并被层叠到另一个器件的顶部或贴放在不同器件的顶部.在某些情况下,每一次加一层,并在每加一层后进回流焊.在其它情况下,几个预连接器件初步处理后被堆叠在一起形成预连接器件.

飞行对中法（图2）是将所有层进行贴放,然后整体一次进行回流焊.第一层是直接贴放在PCB或载体上的,其余几层依次贴放.在所有器件以正确的顺序贴好后,对整个组件进行回流焊.通常在第一层施加一般的印刷锡膏,但助焊剂或可浸渍焊膏也可以使用.重要的是,要使用具有相同助焊剂介质的焊膏以及助焊剂,以确保回流曲线的兼容性.

预连接的方法减小了贴片机的复杂操作步骤,每一步更像是传统的SMT组装,但是增加的操作次数可能带来一些问题.例如,对一个器件进行多次回流,可能会导致麻烦的热应力.经过多次回流并且没有施加助焊剂的焊点也将产生焊点氧化和枝晶.这些是在选择装配方法时需要考虑的因素.

助焊剂涂敷在PoP装配过程中最大的不同可能是对器件涂敷助焊剂的要求.在一般的SMT装配中,采用丝网印刷机将焊膏印到PCB上,器件被贴装到印有焊膏的PCB上.由于在PoP中器件被层叠在彼此顶部,这种方法是不适用的.

在较常见的PoP装配方法中,器件的第一层被贴放在PCB上,而随后的几层则贴放在第一层的顶部.通常,对于第一层贴装,将焊膏印到PCB上是可行的,但是目前还没有方法能在已贴放好的层顶涂敷焊膏.首选的方法是在第二层和更高层的焊球上施加助焊剂或可浸渍焊膏.这必须在装配系统中完成,因为器件是从包装（编带,托盘等）直接被贴到PCB上的.

在典型的SMT车间,不同机器上涂敷助焊剂已经出现多年,但很少应用于主流SMT装配系统.很多为半导体贴装设计的专用贴片机已使用助焊剂涂敷机（fluxer）多年.虽然该设备通常被称为“助焊剂涂敷机”或“助焊剂喷涂器”,但是它对于新开发的可浸渍焊膏通常是适用的.

助焊剂涂敷机的主要任务是提供了一个方法,可以涂敷一致的助焊剂到器件上.其设计一定要使每个被浸渍的器件的所有引脚或焊球上有均匀一致的助焊剂或焊膏.器件上助焊剂的浸渍深度取决于器件上焊球的直径.通常,焊剂深度应是焊球直径的40～50%,以保证适当的覆盖范围.如果深度太深,助焊剂会触及器件的底部,引起不良反应.如果深度太浅,则没有足够的助焊剂进行回流焊.

有两种主要类型的助焊剂涂敷机用于SMT装配系统：线性式和旋转式.选择性波峰焊所用的喷雾式助焊剂涂敷机不适用于SMT装配系统.线性式和旋转式助焊剂涂敷机都属于浸渍式涂敷机,每次有一个器件进入助焊剂涂敷机中被浸渍.这两种涂敷机都必须有焊剂贮存器或容器,并且确保施加统一适量的焊剂.

线性助焊剂涂敷机（图4）通过一个滑板来保证深度的一致性,这个滑板上根据所需器件的尺寸铣削有精密的凹腔.滑板在贮存器下前后滑动进行填充,以刮掉所有过量焊剂.器件被浸渍后,滑板再次关闭以充满贮存器并尽量减少暴露在空气中.每个滑板上的凹腔尺寸和深度都是固定的,但是滑板可以很容易地为不同的需求而更改.有些滑板设计允许在同一滑板上有多个深度,提高了线性助焊剂涂敷机的灵活性.线性助焊剂涂敷机的优点是整个凹腔的助焊剂深度非常统一.由于滑板是固定的,想要错误设置助焊剂深度也难.只有选择了错误的滑板才能导致错误的深度.与旋转式助焊剂涂敷机相比,这种设计的一个缺点是,在需要改变深度时比较麻烦.

旋转式助焊剂涂敷机（图5）有一个旋转盘,助焊剂可滴到盘上.刮刀刮去多余助焊剂,以确保适当的助焊剂深度.通过调整固定在刮刀上的测微计设定助焊剂的深度,因此很容易改变助焊剂的深度.当器件准备浸入时,旋转盘暂停旋转,然后在浸入完成后继续旋转.必须要以恒定的速度旋转来保持助焊剂深度的一致性.旋转式助焊剂涂敷机的一个问题是,离心力的作用可以使助焊剂在旋转盘边缘的深度比在中心的深度稍微深一些.因为旋转盘必须是最大器件尺寸直径的两倍多,所以旋转式助焊剂涂敷机通常是比较大的.

贴装高度补偿涂敷助焊剂或焊膏的浸入装置能力之二是对PoP装配的3D补偿.不同于标准的SMT,所有器件都被贴装在同一水平面上,PoP贴装高度随着不同的装配和每一层层叠而变化.装配系统必须有一个方法能准确判断贴装高度的改变,以避免过度的力施加到器件上或损坏机器.测量和调整Z轴高度变化的能力,是PoP装配过程所独有的.有一些封装要求涂敷助焊剂,但不需要高度补偿；但PoP两者皆要求.

为了补偿不同的贴装高度,首先,装配系统必须对每个贴装头有准确的Z轴控制.机器中应用了电机和编码器这一功能.其次,在贴装每一层之前,机器需要一个方法来测量实际高度.最好的方法是,在贴装下一个器件之前用激光来测量每个贴装位置的高度.激光高度测量法既准确又快捷.装配系统根据PCB高度和已贴装好的器件计算合适的贴装高度是可行的,但是用激光逐个测量每个位置则更为准确.每个器件的实际高度会有一定程度的变化,当这个变化经过几层的累加后,计算的高度是不准确的.激光高度测量传感器（图7）被安装在装配系统的贴装头上.测量的进行非常类似于检查基准点或坏标志点（bad marks）.

贴装顺序
PoP装配中贴装顺序也是一个潜在的问题.一些应用由不同器件堆叠而成.在这些情况下,器件以适当的顺序贴装是至关重要的.装配系统软件必须有一个方法来确定每个器件将被贴装到哪一层,并保证较高一层的器件不会在较低一层贴装前贴装上去.通常在标准的SMT中,优化软件可以重新安排贴装顺序以减少装配时间.此外,当装配系统发生错误时,继续贴装后续的器件也是常见的.如果这种情况没有软件对层控制,错误发生时,贴装第一层时可能会导致第二层器件先被贴装上去.最优化软件能够详细指定每层的贴装任务,确保正确的贴装顺序.在贴装任何后续层之前,如果发生贴装错误,也会停机.

结论相对于标准的SMT装配工艺,装配PoP器件要求两大主要变化：部分或所有器件的助焊剂涂敷,以及能够在器件顶部堆叠器件.尽管这两个要求对SMT装配工艺来说是新的,但是这一技术和硬件已经存在了很多年了.在研究PoP的性能时,重要的是要确保装配系统中的器件处理能力达到装配要求.一般来说,这些与普通的器件贴装没有太大的不同.最主要的是要记住最终堆叠成的器件的总的最大高度,而不仅仅是一个单独器件的高度.虽然有好几种可行的装配方法,并且每一个方法都有许多可能的变化,不可以说任何一种方法比其它方法更好,因为这在很大程度上取决于具体的应用.

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器件类型在讨论如何装配PoP之前,了解有多少种不同类型的器件被应用于PoP装配中是非常重要的.由于这种方法还很新,器件的类型正在快速发展,必须能适应PoP最通常的应用之一,这就是用于制造存储器.

通过制造垂直的存储器封装,设计者可以添加更多存储器件到器件中,而无需占用PCB上的宝贵空间.它们只需要一组焊盘,便可在垂直方向上安装两层或更多层PoP存储器件.几乎所有PoP器件都在每层底部采用BGA焊球用于互连.从装配角度而言,PoP器件与标准的BGA的主要区别是PoP器件除了在底部有焊球外,在顶部还有焊盘.焊盘用于最后封装时不同层之间的互连.

从装配的角度来看,系统级封装（SiP）与PoP非常相似.SiP通常是一个完整的功能模块,如手机摄像头.SiP图3：双层PoP（Toshiba）图例大多只有两层,所以在某些方面与标准的SMT装配并无太大的区别.另一方面,PoP通常用于需要灵活使用数量不等的模块化器件.PoP的一个例子是固态驱动器件,增加驱动器的量值只需把多个模块彼此层叠在一起.而更复杂的情况是,有时几个SiP被层叠组成一个PoP器件.好消息是,装配系统并不在意其贴放的是什么,而只需要明确如何拾放.

PoP层叠可能是全部由相同的器件层组成,也可能每一层由不同的器件组成.当器件层不同时,装配顺序就变得非常重要,因为如果按错误的顺序组装,器件将无法工作.

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