在醫(yī)療設(shè)備中使用WLCSP封裝的設(shè)計(jì)考慮

在醫(yī)療設(shè)備中使用WLCSP封裝的設(shè)計(jì)考慮作者：MikeDelaus和SantoshKudtarkar便攜式醫(yī)療保健設(shè)備和服務(wù)越來(lái)越普及。一般來(lái)說(shuō)，這些設(shè)備必須高效:不可見(jiàn)'，因而在低功耗和小體積方面給設(shè)計(jì)師帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。如今晶圓級(jí)芯片級(jí)封裝(WLCSP)能使以往不可能實(shí)現(xiàn)的醫(yī)學(xué)治療得以實(shí)現(xiàn)。這些新的應(yīng)用包括創(chuàng)傷檢測(cè)、醫(yī)學(xué)植入以及拋棄型便攜式監(jiān)測(cè)儀等。本文首先介紹WLCSP技術(shù)，然后討論P(yáng)CB連接盤(pán)圖案、焊盤(pán)終飾層和電路板厚度設(shè)計(jì)的最佳實(shí)用技巧，以便發(fā)WLCSP的最大功效。如圖1所示，WLCSP是倒裝芯片互連技術(shù)的一個(gè)變種。借助VLCSP技術(shù)，裸片的有源面被倒置，并使用焊球連接到CB。這些焊球的尺寸通常足夠大(在0.5mm間距、預(yù)回流焊時(shí)有300pm)，可省去倒裝芯片互連所需的底部填充工藝。圖1：WLCSP封裝。這種互連技術(shù)有以下一些優(yōu)點(diǎn)：通過(guò)省去第一層封裝模塑復(fù)合材料、引線框或有機(jī)基底可以節(jié)省可觀的空間。例如，8-ballWLCSP所占電路板面積只有8-leadSOIC的8%。通過(guò)省去標(biāo)準(zhǔn)塑料封裝中使用的連接線和引線可以減小電感、提高電氣性能。由于省去了引線框和模塑復(fù)合材料，使得封裝外形更加輕薄。無(wú)需底部填充工藝；可以使用標(biāo)準(zhǔn)的SMT組裝設(shè)備。由于輕質(zhì)裸片在焊接過(guò)程中具有自我校準(zhǔn)特性，因此組裝良率較高。封裝結(jié)構(gòu)WLCSP可以被分成兩種結(jié)構(gòu)類(lèi)型：直接凸塊和重分布廨DL)直接凸塊

直接凸塊WLCSP包含一個(gè)可選的有機(jī)房聚酰亞月胺)，這個(gè)層用作有源裸片表面上的應(yīng)力緩沖器。聚酰亞胺覆蓋了除連接焊盤(pán)四周開(kāi)窗區(qū)域之外的整個(gè)裸片面積。在這個(gè)開(kāi)窗區(qū)域之上濺射或電鍍凸塊下金屬由BM)。UBM是不同金屬層的堆疊，包括擴(kuò)散層、勢(shì)壘層、潤(rùn)濕層和抗氧化層焊球落在UBM之上(因此叫落球)，然后通過(guò)回流焊形成焊料凸塊。直接凸塊WLCSP的結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖2：直接凸塊WLCSP。重分布層(RDL)圖3是一種重分布層(RDL)WLCSP。這種技術(shù)可以將為邦定線邦定焊盤(pán)安排在四周而設(shè)計(jì)的裸片轉(zhuǎn)換成WLCSP。與直接凸塊不同的是，這種WLCSP使用兩層聚酰亞胺層。第一層聚酰亞胺層沉積在裸片上，并保持邦定焊盤(pán)處于開(kāi)窗狀態(tài)DL層通過(guò)濺射或電鍍將外圍陣列轉(zhuǎn)換為區(qū)域陣列。隨后的結(jié)構(gòu)類(lèi)似直接凸-一包括第二個(gè)聚酰亞胺層、UBM和落球。圖3：重分布層(RDL)WLCSP。最佳的印刷電路板(PCB設(shè)計(jì)實(shí)踐技巧關(guān)鍵的電路板設(shè)計(jì)參數(shù)是焊盤(pán)開(kāi)窗尺寸、焊盤(pán)類(lèi)型、焊盤(pán)終飾層和電路板厚度。焊盤(pán)開(kāi)窗尺寸根據(jù)IPC標(biāo)準(zhǔn)，焊盤(pán)開(kāi)窗尺寸等于UBM開(kāi)窗尺寸。典型的焊盤(pán)開(kāi)窗如圖4所示，其尺寸是:. 250pm（0.5mm間距WLCSP）. 200|jm（0.4mm間距WLCSP）阻焊層開(kāi)窗尺寸等于焊盤(pán)開(kāi)窗尺寸加上100叩。走線寬度應(yīng)小于焊盤(pán)開(kāi)窗尺寸的三分之二。增加走線寬度將導(dǎo)致焊料凸塊的直立高度降低。因此為了確保焊接的可靠性，保持正確的走線寬度比很重要。陽(yáng)羯房開(kāi)窗圖4：焊盤(pán)開(kāi)窗。焊盤(pán)類(lèi)型在電路板制造過(guò)程中，以下類(lèi)型的焊盤(pán)連接盤(pán)圖案被用于表面貼組裝:. 無(wú)阻焊層限定(NSMD)。PCB上的金屬焊盤(pán):連接著I/O)尺寸小于阻焊層開(kāi)窗。. 有阻焊層限定(SMD)。阻焊層開(kāi)窗小于金屬焊盤(pán)。圖5顯示了這兩類(lèi)連接盤(pán)圖案之間的區(qū)別。圖5：焊盤(pán)類(lèi)型。因?yàn)殂~蝕刻工藝的控制要比阻焊層開(kāi)窗工藝嚴(yán)格，因此寧愿選擇SMD，而非SMD。NSMD焊盤(pán)上的阻焊層開(kāi)窗尺寸要大于銅焊盤(pán)，因此能使焊料附著于銅焊盤(pán)的兩面，從而提高焊點(diǎn)的可靠性。焊盤(pán)終飾層金屬焊盤(pán)上的終飾層對(duì)裝配良率和可靠性有很大的影響典型的金屬焊盤(pán)終飾處理劑使用的是有機(jī)表面保護(hù)劑OSP）/非電鍍鎳沉金ENIG）。金屬焊盤(pán)上的OSP處理劑厚度是0.2四至0.5pm。這種處理劑會(huì)在回流焊過(guò)程中蒸發(fā)掉，然后在焊料和金屬焊盤(pán)之間發(fā)生分界面反應(yīng)ENIG處理劑由5pm的無(wú)電鍍鎳和0.02pm至0.05pm的金組成。在回流焊期間，金層會(huì)很快溶解，緊接著鎳與焊料之間起反應(yīng)。為了防止形成易碎的金屬互化物，將金層的厚度保持在0.05pm以下非常關(guān)鍵。電路板厚度業(yè)界使用的標(biāo)準(zhǔn)電路板厚度范圍從0.4mm至2.3mm。厚度的選擇取決于復(fù)雜系統(tǒng)組裝的魯棒性要求。電路板越薄，切割應(yīng)力范圍、蠕變切割張力范圍、熱應(yīng)力下焊點(diǎn)中的蠕變張力能量密度范圍就越小。因此，越薄的積層板將導(dǎo)致焊點(diǎn)的熱疲勞壽命越長(zhǎng)hnH.Lau和S.W.RickyLee。案例分析：采用WLCSP的儀表放大器版圖采用晶圓級(jí)芯片級(jí)封裝的儀表放大器可以很好地體現(xiàn)出最佳WLCSPPCB設(shè)計(jì)實(shí)踐技巧。AD823540pA微功耗儀表放大器在便攜式醫(yī)療設(shè)備中很常見(jiàn)。分析此案例的目的是確定PCB板厚度并設(shè)計(jì)圖案以使封裝應(yīng)力最小，因?yàn)檫@種應(yīng)力會(huì)改變儀表放大器的失調(diào)電壓、增益精度和共模抑制性能。AD8235安裝在PCB的中央。電路板應(yīng)力（熱和機(jī)械應(yīng)力）在PCB中央最小，越往PCB邊緣越大。由于AD8235只有1.6mmx2.0mm，它承受的裸片應(yīng)力比更大的WLCSP要小。使用0.8mm的超薄PCB板也能減少應(yīng)力，因?yàn)檫@種PCB板更加柔韌，并且符合熱-機(jī)械應(yīng)力感應(yīng)期間的裸片特性。另外，當(dāng)PCB彎曲時(shí)，由于AD8235焊接在很小比例的表面積上，與3CB的剩余地方相比，AD8235下方區(qū)域經(jīng)受的彎曲變化最小。由于走線寬度保持在焊盤(pán)開(kāi)窗直徑的三分之二，因此這種彎曲影響還能得到進(jìn)一步的補(bǔ)償。保持三分之二這個(gè)比例可以確保焊料凸塊不會(huì)完全流到走線上，這樣封裝能保持牢固地連接在電路板上，并具有合理的直立高度。這里選擇的NIG焊盤(pán)終飾層是小于0.05pm的金層，可確?？煽康暮更c(diǎn)形成。

參考文獻(xiàn):1.JohnH.LauandS.WRickyLee,“EffectsofBuildUpPrintedCircuitBoardThicknessontheSolderJointReliabilityofaWaferLevelChipScalePackage(WLCSP),”IEEETransactionsonComponentsandPackagingTechnologies,Vol.25,No.1,March2002,page1s43*****作者簡(jiǎn)*****作者簡(jiǎn)儼**MikeDeLausMikeDeLaus于1988年加入ADI公司高級(jí)工藝開(kāi)發(fā)組，擔(dān)任開(kāi)發(fā)工程師。他最初參與EDI資助的抗輻射ADC項(xiàng)目，后來(lái)從事XFCB-1項(xiàng)目中的多晶硅發(fā)射器開(kāi)發(fā)。他在ADI-Limerick用了兩年時(shí)間研發(fā)00mCMOS工藝。他還領(lǐng)導(dǎo)過(guò)XFCB-2和XFCB-3的后端開(kāi)發(fā)，包括新型MOMCAP和TFR結(jié)構(gòu)的開(kāi)發(fā)。從2005年開(kāi)始，他一直負(fù)責(zé)晶圓級(jí)封裝開(kāi)發(fā)工作。SantoshA.KudtarkarSantoshA.Kudtarkar是ADI公司全球制造組的