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

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

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

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。
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)：

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。
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

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

有机可焊性保护层(OSP)：允许使用。
无电镀镍/浸金(ENIG)：允许使用。
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

为了改善焊膏从版膜的渗透，方形过孔优于圆形过孔。
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：

光刻不锈钢箔，后续采用电解法抛光。
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

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。
拾取放置时的力度应非常小，以避免物理损坏。
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

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。
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Θ_JA和结至电路板的热阻Θ_JB。图4和图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Θ_JA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Θ_JB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
Temperature Cycle	JESD22 A104, Condition G (-40°C to + 125°C)	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
Temp. Cycle	1000x	77	0
High-Temp. Storage	1000 hours	240	0
Drop Test*	150x	60	0