【導(dǎo)讀】借助晶圓級芯片級封裝，介入性檢測、醫(yī)學(xué)植入體、一次性監(jiān)護(hù)儀等便攜式醫(yī)療設(shè)備的設(shè)計(jì)師可以減小尺寸、降低功耗需求。
在醫(yī)療設(shè)備設(shè)計(jì)領(lǐng)域，一個(gè)重要趨勢是提高這些 設(shè)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(shè)計(jì)的方方面面，尤其是尺 寸和功耗。晶圓級芯片級封裝(WLCSP)的運(yùn)用 對減小這些設(shè)備電子組件的尺寸起到了極大的助推作用。
此類新型應(yīng)用包括介入性檢測、醫(yī)學(xué)植入體和一次性便攜 式監(jiān)護(hù)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(shè)計(jì)師必須在印刷電路板(PCB)焊 盤圖形、焊盤表面和電路板厚度的設(shè)計(jì)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(zhuǎn)式設(shè)計(jì)，通過焊球連接 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(gòu)或有機(jī) 基板)，因而可以節(jié)省大幅空間。例如，一個(gè)8引腳WLCSP 所占電路板面積僅相當(dāng)于一個(gè)8引腳SOIC的8%。其次，由 于消除了標(biāo)準(zhǔn)塑封中使用的線焊和引腳，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(gòu)和塑封材料，因而可以減輕重 量，降低封裝厚度。無需底部填充，因?yàn)榭梢允褂脴?biāo)準(zhǔn)表 貼(SMT)組裝設(shè)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(jié)構(gòu)
WLCSP在結(jié)構(gòu)上可分為兩類：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(jī)層(聚酰亞胺)，充當(dāng) 芯片活性面的應(yīng)力緩沖層。聚酰亞胺覆蓋著芯片上除焊盤 周圍開口之外的所有區(qū)域。該開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(dāng)擴(kuò) 散層、阻擋層、浸潤層和抗氧化層。將焊球滴落(這是其稱 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(yùn)用RDL技術(shù)，可以把針對線焊設(shè)計(jì)的芯片(焊盤沿外圍排 列)轉(zhuǎn)換成WLCSP。與直接凸點(diǎn)不同，這類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 盤保持開放。然后噴涂或鍍上一層RDL，把外圍陣列轉(zhuǎn)換 成面積陣列。然后，構(gòu)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(biāo)、測試、分離及卷帶和 卷盤。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)造成的芯片脫離問題，簡化封裝處理工作。
最佳PCB設(shè)計(jì)實(shí)踐
電路板設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)為焊盤開口、焊盤類型、焊盤表面 和電路板厚度。基于IPC標(biāo)準(zhǔn)，焊盤開口等于UBM開口。 對于0.5 mm間距WLCSP，典型焊盤開口為250 μm，0.4 mm 間距WLCSP為200 μm(圖4)。
圖4. 焊盤開口
阻焊層開口為100 μm與焊盤開口之和。走線寬度應(yīng)小于焊 盤開口的三分之二。增加走線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。對于電路板制造來說，表貼裝配使用兩類焊 盤圖形(圖5)：
非阻焊層限定(NSMD)：PCB上的金屬焊盤(I/O裝在其 上)小于阻焊層開口。
阻焊層限定(SMD)： 阻焊層開口小于金屬焊盤。
圖5. 焊盤類型
由于銅蝕刻工藝比阻焊開口工藝有著更加嚴(yán)格的控制，因 此NSMD比SMD更常用。NSMD焊盤上的阻焊開口比銅焊 盤大，使焊錫可以依附于銅焊盤四周，從而提高焊點(diǎn)的可 靠性。
金屬焊盤上的表層對裝配成品率和可靠性都有著深刻的影 響。采用的典型金屬焊盤表面處理工藝為有機(jī)表面防腐 (OSP)和無電鍍鎳浸金(ENIG)兩種。金屬焊盤上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 料與金屬焊盤之間會(huì)發(fā)生界面反應(yīng)。
ENIG表層由5 μm的無電鍍鎳和0.02 μm至0.05 μm的金構(gòu)成。 在回流焊過程中，金層快速溶解，然后，鎳和焊料之間會(huì) 發(fā)生反應(yīng)。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(biāo)準(zhǔn)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(tǒng)組件的魯棒性。較薄的電路板會(huì)導(dǎo)致焊接接頭在熱負(fù)載條 件下的剪切應(yīng)力范圍、爬電剪切應(yīng)變范圍和爬電應(yīng)變能量 密度范圍變小。因此，較薄的積層電路板會(huì)延長焊接接頭 的熱疲勞壽命。
測試和評估
結(jié)合前述變量，WLCSP的可靠性通過對器件進(jìn)行加速壓力 測試來評估，此類測試包括高溫存儲(chǔ)(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)和無偏高加速壓力測試(UHAST)。除了熱機(jī)械誘導(dǎo) 性壓力測試以外，還要進(jìn)行墜落、彎曲等機(jī)械測試。
HTS測試旨在確定在不施加任何電應(yīng)力的情況下，高溫條 件下長期存儲(chǔ)對器件的影響。該測試評估器件在高溫條件 下的長期可靠性。典型測試條件為在150°C和/或175°C下持 續(xù)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(xù)指定的時(shí)長。
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