应用笔记 1891

晶片级封装(WLP)及其应用


摘要 : 本文详细讨论了Maxim的晶片级封装(WLP),其中包括:晶圆架构、卷带包装、PCB布局、安装、回流焊、热特性以及可靠性等问题。

注:最终用户及安装人员有负责遵循符合其行业标准的设计和装配文件,行业标准文件包括(但不限于)以下内容:
  • 电子工业联接协会(IPC)
  • 半导体标准行业协会(JEDEC)
  • 电子工业协会(EIA)
  • 国际电子制造联合会(iNEMI)
  • 国际电工委员会(IEC)
  • 美国国家标准学会(ANSI)
  • Jisso国际理事会(JIC)
  • 日本印刷电路工业会(JPCA)
  • 线束及组件制造商协会(WHMA)

概述

晶片级封装(WLP)是芯片封装(CSP)的一种,可以使IC面向下贴装到印刷电路板(PCB)上,采用传统的SMT安装工艺。芯片焊盘通过独立的焊球直接焊接到PCB焊盘(图1)。WLP技术与球栅阵列、引线型和基于层压成型的CSP封装技术不同,它没有绑定线或引出线。WLP通常无需填充材料,但是在一些特定应用中,比如移动设备中,填充材料能够增大WLP的机械强度。WLP的主要优势在于其封装尺寸小、IC到PCB之间的电感很小、并且缩短了生产周期。

图1. 10 x 10 WLP侧视图照片
图1. 10 x 10 WLP侧视图照片

WLP结构

Maxim的WLP芯片是在硅晶片衬底上直接建立封装内部互连结构。在晶片表面附上一层电介质重复钝化的聚合物薄膜。这层薄膜减轻了焊球连接处的机械压力并在管芯表面提供电气隔离。在聚合物薄膜内采用成相技术制作过孔,通过它实现与IC绑定盘的电气连接。

WLP焊球阵列是基于具有均匀栅距的矩形栅格排列。焊球材料由顶标中A1位置的标示符表示(见图2中的顶标A1)。A1为光刻的双同心圆时,表示焊膏采用的是低熔点的SnPb;对于无铅焊膏,A1处采用加号表示。所有无铅WLP产品的底部均采用晶片迭层(聚合物薄膜保护层),该聚合物材料为硅片底部提供机械接触和UV光照保护。

WLP球栅阵列设计和尺寸

Maxim的WLP封装目前通常采用0.5mm和0.4mm的球栅阵列间隔,详细的WLP尺寸图请参见Maxim封装图

图2. 10 x 10阵列WLP的封装外形图
图2. 10 x 10阵列WLP的封装外形图

WLP载带

Maxim的所有WLP器件都以卷带(T&R)形式供货,WLP卷带要求基于EIA-481标准。关于卷带架构的详细信息,请参考Maxim SMD卷带数据

PCB安装流程及实施

参考文献:
  • IPC-7094 关于倒装芯片及裸片的设计和安装流程

PCB设计规则

参考文献:
  • IPC-A-600 可接受的印刷电路板
  • IPC-6011 关于印刷电路板的通用规格说明
  • IPC-6012 关于刚性印刷电路板的认证和规格说明
  • IPC-6013 关于柔性印刷电路板的认证和规格说明
  • IPC-6016 关于高密度内部互连(HDI)板层或电路板的认证和规格说明
  • IPC-D-279 关于表面贴装印刷电路板安装的可靠设计指南
  • IPC-2221 关于印刷电路板设计的通用标准
  • IPC-2222 关于刚性印刷电路板的组合设计标准
  • IPC-2223 关于柔性印刷电路板的组合设计标准
  • IPC-2226 关于高密度阵列或表贴架构外设的设计标准
  1. 布板设计中,WLP器件应该放置在机械应力和张力受力最均匀的位置,可能的话,应该在周围放置更高高度的器件作为支撑。
  2. 对于双层安装器件的PCB设计,应该在WLP封装中心位置的对面安装封装尺寸更大器件。

安装模板设计

参考文献:
  • IPC-7351 关于表贴设计的常规要求和安装模板的标准
用于表贴封装元件的焊盘结构有两种(图3):
  1. 阻焊层限定(SMD)
    • SMD焊盘在金属表面带有阻焊层开槽。
    • 阻焊层开口小于金属焊盘。
    • 阻焊层开槽材料一般为LPI (可成像液体感光胶),必须采用合适的材料以满足任何SMT处理工艺的要求。
  2. 非阻焊层限定(NSMD)
    • NSMD焊盘为金属限定焊盘,焊盘周围有一个相应的阻焊层。
    • 阻焊层开口大于金属焊盘。
    • 阻焊层开槽材料一般为LPI (可成像液体感光胶),必须采用合适的材料以满足任何SMT处理工艺的要求。
图3. WLP的SMD与NSMD PCB焊盘设计
图3. WLP的SMD与NSMD PCB焊盘设计

选择NSMD与SMD焊盘时必须考虑功率、接地和信号走向的要求。

对于给定的WLP球栅阵列间隔,NSMD焊盘的尺寸小于SMD焊盘。因此,NSMD电路板的设计能够更好的在焊盘间布置铜线。此外,微过孔设计(即“焊盘内过孔”)能够更方便地在焊盘间布置铜线。

对于给定的电路板,只能使用一种类型的焊盘布局(NSMD或SMD)以及一种类型的焊盘表面抛光(见下文)。

建议在所有焊盘之间使用阻焊层。

连接焊盘的引线宽度应该小于焊盘直径的60%。

表1. Maxim WLP的PCB焊盘尺寸(微米)
WLP Ball Pitch Nominal Ball Size Diameter Nominal Pad Size Diameter Used in Maxim
Package Qualification
Recommended Pad Size Range
500 300 220 220 ±25
500 350 275 275 ±25
400 250 210 210 ±25

金属表面涂层

  1. 有机可焊性保护层(OSP):允许使用。
  2. 无电镀镍/浸金(ENIG):允许使用。
  3. 浸锡电镀和热风整平(HASL)锡电镀:不推荐使用。

无铅PCB安装材料

标准的FR-4与Maxim WLP兼容。使用玻璃化温度(Tg)较高、热膨胀率(CTE)较小的FR-4能够提高封装的可靠性。

焊膏印刷版膜过孔设计

参考文献:
  • IPC-7525 版膜设计指南

过孔形状

  1. 为了改善焊膏从版膜的渗透,方形过孔优于圆形过孔。
  2. 版膜过孔形状应采用梯形,底层面积(PCB侧)大于顶层面积。

焊接版膜制作

版膜可以采用以下两种方法之一制作:
  1. 光刻不锈钢箔,后续采用电解法抛光。
  2. 镍电镀金属箔。

SMT工艺流程

WLP卷带检查
在电路板上涂上焊料
将芯片放置到电路板上
回流焊接
冲洗清洁(可选)
焊点检查
包装运输

自动放置元件

  1. 可使用标准拾取放置设备放置Maxim WLP器件,小间隔IC封装放置设备能够具有更高的精度。
  2. 拾取放置时的力度应非常小,以避免物理损坏。
  3. 为提高回流焊产量,焊球浸入PCB上焊膏的深度最好大于焊膏高度的20%。

焊膏回流

  1. 所有Maxim WLP器件均符合工业标准的回流焊处理工艺。回流焊时,请参考J-STD-020 D.1版本的无铅回流焊要求,以及其它焊膏供应商推荐的方法。
  2. 可以选择氮惰性气体回流焊,使用氮惰性气体时,无铅WLP的PCB焊盘中心定位特性优于空气环境下的回流焊。

WLP返修

返修只能在受控或规定的流程下进行操作,以避免机械操作或ESD造成硅片电路和封装的损坏。

对于球栅阵列封装的返修,建议采用聚焦红外(IR)技术,而不是传统的热气BGA返修系统。聚焦IR设备能够精确地定位引脚,消除回流焊锡,即使在高密度电路布局中替换最小尺寸的WLP器件也不会由于受热造成与相邻元件的接触。

WLP封装热特性

使用三维热模型确定Maxim WLP封装的结至环境的热阻ΘJA和结至电路板的热阻ΘJB图4图5给出了标准四层2s2p电路板(JESD51-9)的热特性指标。

图4. 四层电路板(2s2p)的ΘJA与焊球数量的关系
图4. 四层电路板(2s2p)的ΘJA与焊球数量的关系

图5. 四层电路板(2s2p)的ΘJB与焊球数量的关系
图5. 四层电路板(2s2p)的ΘJB与焊球数量的关系

Maxim WLP可靠性

表2列出的可靠性测试用于Maxim WLP的验证,表3给出了6 × 6阵列WLP的数据。

表2. 可靠性验证条件
Test Specification Test Duration Sampling Plan Number of Lots
MSL 1 Solder Reflow (260°C peak) J-STD 20C 3x 0/150 3
High-Temperature Storage JESD22 A103 1000 hours 0/77 3
Temperature Cycle JESD22 A104, Condition G (-40°C to + 125°C) 1000 cycles
(array size < = 6 x 6)
77 3
500 cycles
(array size > 6 x 6)
77 (note) 3
Operating Life Test(Tj = 135°C) JESD22 A108 1000 hours 0/77 3
Drop Test JESD22 B111 150 cycles 60 (note) 1
注:指定周期数的可靠性测试中,失效率低于5%,置信度高于90%。

表3. 0.5mm焊球间隔、6 × 6阵列无铅WLP的可靠性测试结果
Stress Test Duration No. of Samples No. of Failures
Solder Reflow 3x 150 0
Temp. Cycle 500x 77 0
1000x 77 0
High-Temp. Storage 1000 hours 240 0
Drop Test* 150x 60 0
*采用WLP菊链连接。