在醫療設備設計領(lǐng)域，一個(gè)重要趨勢是提高這些 設備的便攜性，使其走近病人，進(jìn)入診所或病 人家中。這涉及到設計的方方面面，尤其是尺 寸和功耗。晶圓級芯片級封裝(WLCSP)的運用 對減小這些設備電子組件的尺寸起到了極大的助推作用。

 

此類(lèi)新型應用包括介入性檢測、醫學(xué)植入體和一次性便攜 式監護儀。但是為了最大限度地發(fā)揮出WLCSP封裝在性能 和可靠性方面的潛力，設計師必須在印刷電路板(PCB)焊 盤(pán)圖形、焊盤(pán)表面和電路板厚度的設計方面貫徹最佳實(shí)踐 做法。

 

晶圓級芯片級封裝是倒裝芯片互聯(lián)技術(shù)的一個(gè)變體(圖1)。 在WLCSP中，芯片活性面采用反轉式設計，通過(guò)焊球連接 至PCB。一般地，這些焊球的尺寸足夠大(0.5 mm間距，回 流前為300 μm，0.4 mm間距，回流前為250 um)，無(wú)需倒裝 互聯(lián)技術(shù)所需要的底部填充。該互聯(lián)技術(shù)有多個(gè)優(yōu)勢。

 

圖1. WLCSP封裝

 

首先，由于消除了第一級封裝(塑封材料、引腳架構或有機 基板)，因而可以節省大幅空間。例如，一個(gè)8引腳WLCSP 所占電路板面積僅相當于一個(gè)8引腳SOIC的8%。其次，由 于消除了標準塑封中使用的線(xiàn)焊和引腳，因而可以減小電 感，提高電氣性能。

 

另外，由于消除了引腳架構和塑封材料，因而可以減輕重 量，降低封裝厚度。無(wú)需底部填充，因為可以使用標準表 貼(SMT)組裝設備。最后，低質(zhì)芯片在焊錫固化期間具有 自動(dòng)對齊特性，有利于提高裝配成品率。

 

封裝結構

 

WLCSP在結構上可分為兩類(lèi)：直接凸點(diǎn)和再分配層(RDL)。

 

直接凸點(diǎn)WLCSP包括一個(gè)可選的有機層(聚酰亞胺)，充當 芯片活性面的應力緩沖層。聚酰亞胺覆蓋著(zhù)芯片上除焊盤(pán) 周?chē)_(kāi)口之外的所有區域。該開(kāi)口上噴涂有或鍍有一層凸 點(diǎn)下金屬(UBM)。UBM由不同的金屬層疊加而成，充當擴 散層、阻擋層、浸潤層和抗氧化層。將焊球滴落(這是其稱(chēng) 為落球的原因)在UBM上，并經(jīng)回流形成焊接凸點(diǎn)(圖2)。

 

圖2. 直接凸點(diǎn)WLCSP

 

運用RDL技術(shù)，可以把針對線(xiàn)焊設計的芯片(焊盤(pán)沿外圍排 列)轉換成WLCSP。與直接凸點(diǎn)不同，這類(lèi)WLCSP采用了 兩個(gè)聚酰亞胺層。第一個(gè)聚酰亞胺層沉淀在芯片上，使焊 盤(pán)保持開(kāi)放。然后噴涂或鍍上一層RDL，把外圍陣列轉換 成面積陣列。然后，構造工藝與直接凸點(diǎn)相同，包括第二 層聚酰亞胺、UBM和落球(圖3)。

 

圖3. 再分配層(RDL) WLCSP

 

落球后則是晶圓背面研磨、激光打標、測試、分離及卷帶和 卷盤(pán)。在背面研磨工序之后，還可選擇施用背面層壓板， 以減少切割時(shí)造成的芯片脫離問(wèn)題，簡(jiǎn)化封裝處理工作。

 

最佳PCB設計實(shí)踐

 

電路板設計的關(guān)鍵參數為焊盤(pán)開(kāi)口、焊盤(pán)類(lèi)型、焊盤(pán)表面 和電路板厚度?；贗PC標準，焊盤(pán)開(kāi)口等于UBM開(kāi)口。 對于0.5 mm間距WLCSP，典型焊盤(pán)開(kāi)口為250 μm，0.4 mm 間距WLCSP為200 μm(圖4)。

 

圖4. 焊盤(pán)開(kāi)口

 

阻焊層開(kāi)口為100 μm與焊盤(pán)開(kāi)口之和。走線(xiàn)寬度應小于焊 盤(pán)開(kāi)口的三分之二。增加走線(xiàn)寬度可以減少焊接凸點(diǎn)的支 柱高度。因此，維持正確的走線(xiàn)寬度比對于確保焊點(diǎn)可靠 性也很重要。對于電路板制造來(lái)說(shuō)，表貼裝配使用兩類(lèi)焊 盤(pán)圖形(圖5)：

 

非阻焊層限定(NSMD)：PCB上的金屬焊盤(pán)(I/O裝在其 上)小于阻焊層開(kāi)口。

阻焊層限定(SMD)： 阻焊層開(kāi)口小于金屬焊盤(pán)。

 

圖5. 焊盤(pán)類(lèi)型

 

由于銅蝕刻工藝比阻焊開(kāi)口工藝有著(zhù)更加嚴格的控制，因 此NSMD比SMD更常用。NSMD焊盤(pán)上的阻焊開(kāi)口比銅焊 盤(pán)大，使焊錫可以依附于銅焊盤(pán)四周，從而提高焊點(diǎn)的可 靠性。

 

金屬焊盤(pán)上的表層對裝配成品率和可靠性都有著(zhù)深刻的影 響。采用的典型金屬焊盤(pán)表面處理工藝為有機表面防腐 (OSP)和無(wú)電鍍鎳浸金(ENIG)兩種。金屬焊盤(pán)上OSP表層的 厚度為0.2 μm至0.5 μm。該表層會(huì )在回流焊工序中蒸發(fā)，焊 料與金屬焊盤(pán)之間會(huì )發(fā)生界面反應。

 

ENIG表層由5 μm的無(wú)電鍍鎳和0.02 μm至0.05 μm的金構成。 在回流焊過(guò)程中，金層快速溶解，然后，鎳和焊料之間會(huì ) 發(fā)生反應。非常重要的是，要使金層的厚度保持在0.05 μm 以下，以防形成脆性金屬間化合物。標準的電路板厚度范 圍在0.4 mm至2.3 mm之間。選擇的厚度取決于已填充系統組件的魯棒性。較薄的電路板會(huì )導致焊接接頭在熱負載條 件下的剪切應力范圍、爬電剪切應變范圍和爬電應變能量 密度范圍變小。因此，較薄的積層電路板會(huì )延長(cháng)焊接接頭 的熱疲勞壽命。

 

測試和評估

 

結合前述變量，WLCSP的可靠性通過(guò)對器件進(jìn)行加速壓力 測試來(lái)評估，此類(lèi)測試包括高溫存儲(HTS)、高加速壓力 測試(HAST)、高壓鍋測試、溫度循環(huán)、高溫工作壽命測試 (HTOL)和無(wú)偏高加速壓力測試(UHAST)。除了熱機械誘導 性壓力測試以外，還要進(jìn)行墜落、彎曲等機械測試。

 

HTS測試旨在確定在不施加任何電應力的情況下，高溫條 件下長(cháng)期存儲對器件的影響。該測試評估器件在高溫條件 下的長(cháng)期可靠性。典型測試條件為在150°C和/或175°C下持 續1000小時(shí)。實(shí)施測試時(shí)要把器件暴露在指定環(huán)境溫度之 下，并持續指定的時(shí)長(cháng)。

 

 

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