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在医疗设备中使用WLCSP封装的设计考虑

作者: Mike Delaus和Santosh Kudtarkar


便携式医疗保健设备和服务越来越普及。一般来说,这些设备必须高效和“不可见”,因而在低功耗和小体积方面给设计师带来了新的挑战。如今晶圆级芯片级封装(WLCSP)能使以往不可能实现的医学治疗得以实现。这些新的应用包括创伤检测、医学植入以及抛弃型便携式监测仪等。本文首先介绍WLCSP技术,然后讨论PCB连接盘图案、焊盘终饰层和电路板厚度设计的最佳实用技巧,以便发挥WLCSP的最大功效。

如图1所示,WLCSP是倒装芯片互连技术的一个变种。借助WLCSP技术,裸片的有源面被倒置,并使用焊球连接到PCB。这些焊球的尺寸通常足够大(在0.5mm间距、预回流焊时有300μm),可省去倒装芯片互连所需的底部填充工艺。



图1:WLCSP封装。

这种互连技术有以下一些优点:

  • 通过省去第一层封装(模塑复合材料、引线框或有机基底)可以节省可观的空间。例如,8-ball WLCSP所占电路板面积只有8-lead SOIC的8%。
  • 通过省去标准塑料封装中使用的连接线和引线可以减小电感、提高电气性能。
  • 由于省去了引线框和模塑复合材料,使得封装外形更加轻薄。
  • 无需底部填充工艺;可以使用标准的SMT组装设备。
  • 由于轻质裸片在焊接过程中具有自我校准特性,因此组装良率较高。

封装结构

WLCSP可以被分成两种结构类型:直接凸块和重分布层(RDL)

直接凸块

直接凸块WLCSP包含一个可选的有机层(聚酰亚胺),这个层用作有源裸片表面上的应力缓冲器。聚酰亚胺覆盖了除连接焊盘四周开窗区域之外的整个裸片面积。在这个开窗区域之上溅射或电镀凸块下金属层(UBM)。UBM是不同金属层的堆叠,包括扩散层、势垒层、润湿层和抗氧化层。焊球落在UBM之上(因此叫落球),然后通过回流焊形成焊料凸块。直接凸块WLCSP的结构如图2所示。



图2:直接凸块WLCSP。

重分布层(RDL)

图3是一种重分布层(RDL)WLCSP。这种技术可以将为邦定线(邦定焊盘安排在四周)而设计的裸片转换成WLCSP。与直接凸块不同的是,这种WLCSP使用两层聚酰亚胺层。第一层聚酰亚胺层沉积在裸片上,并保持邦定焊盘处于开窗状态。RDL层通过溅射或电镀将外围阵列转换为区域阵列。随后的结构类似直接凸块——包括第二个聚酰亚胺层、UBM和落球。



图3:重分布层(RDL)WLCSP。

最佳的印刷电路板(PCB)设计实践技巧

关键的电路板设计参数是焊盘开窗尺寸、焊盘类型、焊盘终饰层和电路板厚度。

焊盘开窗尺寸

根据IPC标准,焊盘开窗尺寸等于UBM开窗尺寸。典型的焊盘开窗如图4所示,其尺寸是:

  • 250μm(0.5mm间距WLCSP)
  • 200μm(0.4mm间距WLCSP)

阻焊层开窗尺寸等于焊盘开窗尺寸加上100μm。走线宽度应小于焊盘开窗尺寸的三分之二。增加走线宽度将导致焊料凸块的直立高度降低。因此为了确保焊接的可靠性,保持正确的走线宽度比很重要。



图4:焊盘开窗。

焊盘类型

在电路板制造过程中,以下类型的焊盘/连接盘图案被用于表面贴组装:

  • 无阻焊层限定(NSMD)。PCB上的金属焊盘(连接着I/O)尺寸小于阻焊层开窗。
  • 有阻焊层限定(SMD)。阻焊层开窗小于金属焊盘。

图5显示了这两类连接盘图案之间的区别。



图5:焊盘类型。

因为铜蚀刻工艺的控制要比阻焊层开窗工艺严格,因此宁愿选择NSMD,而非SMD。NSMD焊盘上的阻焊层开窗尺寸要大于铜焊盘,因此能使焊料附着于铜焊盘的两面,从而提高焊点的可靠性。

焊盘终饰层

金属焊盘上的终饰层对装配良率和可靠性有很大的影响。典型的金属焊盘终饰处理剂使用的是有机表面保护剂(OSP)/非电镀镍沉金(ENIG)。金属焊盘上的OSP处理剂厚度是0.2 μm至0.5μm。这种处理剂会在回流焊过程中蒸发掉,然后在焊料和金属焊盘之间发生分界面反应。ENIG处理剂由5μm的无电镀镍和0.02μm至0.05μm的金组成。在回流焊期间,金层会很快溶解,紧接着镍与焊料之间起反应。为了防止形成易碎的金属互化物,将金层的厚度保持在0.05μm以下非常关键。

电路板厚度

业界使用的标准电路板厚度范围从0.4mm至2.3mm。厚度的选择取决于复杂系统组装的鲁棒性要求。电路板越薄,切割应力范围、蠕变切割张力范围、热应力下焊点中的蠕变张力能量密度范围就越小。因此,越薄的积层板将导致焊点的热疲劳寿命越长[John H. Lau和S.W. Ricky Lee]。

案例分析:采用WLCSP的仪表放大器版图

采用晶圆级芯片级封装的仪表放大器可以很好地体现出最佳的WLCSP PCB设计实践技巧。AD8235 40μA微功耗仪表放大器在便携式医疗设备中很常见。

分析此案例的目的是确定PCB板厚度并设计图案以使封装应力最小,因为这种应力会改变仪表放大器的失调电压、增益精度和共模抑制性能。

AD8235安装在PCB的中央。电路板应力(热和机械应力)在PCB中央最小,越往PCB边缘越大。由于AD8235只有1.6mm×2.0mm,它承受的裸片应力比更大的WLCSP要小。使用0.8mm的超薄PCB板也能减少应力,因为这种PCB板更加柔韧,并且符合热-机械应力感应期间的裸片特性。另外,当PCB弯曲时,由于AD8235焊接在很小比例的表面积上,与PCB的剩余地方相比,AD8235下方区域经受的弯曲变化最小。由于走线宽度保持在焊盘开窗直径的三分之二,因此这种弯曲影响还能得到进一步的补偿。保持三分之二这个比例可以确保焊料凸块不会完全流到走线上,这样封装能保持牢固地连接在电路板上,并具有合理的直立高度。这里选择的ENIG焊盘终饰层是小于0.05μm的金层,可确保可靠的焊点形成。

参考文献:

1. John H. Lau and S.W. Ricky Lee, “Effects of Build-Up Printed Circuit Board Thickness on the Solder Joint Reliability of a Wafer Level Chip Scale Package (WLCSP),” IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies, Vol.25, No.1, March 2002, pages 3-14.

*****作者简介*****

Mike DeLaus
Mike DeLaus于1988年加入ADI公司高级工艺开发组,担任开发工程师。他最初参与了SDI资助的抗辐射ADC项目,后来从事XFCB-1项目中的多晶硅发射器开发。他在ADI-Limerick用了两年时间研发0.6μm CMOS工艺。他还领导过XFCB-2和XFCB-3的后端开发,包括新型MOMCAP和TFR结构的开发。从2005年开始,他一直负责晶圆级封装开发工作。

Santosh A. Kudtarkar
Santosh A. Kudtarkar是ADI公司全球制造组的一位封装开发工程师。Santosh拥有印度孟买大学的电子工程专业学士学位(1999年),并在纽约州立大学宾汉姆顿分校主修电子封装制造专业,并在这所大学获得电气专业(2002年)和机械工程(2004年)专业的硕士学位以及系统科学专业(2008年)的博士学位。目前他在ADI公司负责WLCSP封装等方面的工作。

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