Maxim晶圓級封裝組裝指南

晶圓級封裝 （WLP） 允許將集成電路 （IC） 面朝下連接到印刷電路板 （PCB），芯片的焊盤通過單個焊球連接到 PCB 焊盤。本文檔介紹打包技術(shù)及其優(yōu)點。本文介紹了Maxim WLP的印刷電路板（PCB）布局和裝配工藝開發(fā)。

晶圓級封裝 （WLP） 使用單個焊球?qū)⒓呻娐?（IC） 連接到印刷電路板 （PCB）。IC面朝下安裝。該技術(shù)與其他基于球柵陣列、引線和層壓板的CSP不同，因為沒有鍵合線或中介層連接。其主要優(yōu)點是IC至PCB板電感最小化。次要好處是減小封裝尺寸和制造周期時間，以及增強導(dǎo)熱特性。

本文檔介紹Maxim WLP的印刷電路板（PCB）布局和裝配工藝開發(fā)。請注意，它適用于初始PCB布局設(shè)計和組裝工藝開發(fā)，不承擔(dān)客戶最終產(chǎn)品的任何可靠性目標(biāo)?？蛻羧匀恍枰炞C其指定的最終產(chǎn)品壽命可靠性要求。

包裝結(jié)構(gòu)

Maxim封裝概述

WLP焊料凸點互連通過在硅晶圓襯底上構(gòu)建而成。在晶圓電路表面上涂上BCB（苯并環(huán)丁烯）樹脂膜。該薄膜為球連接和模具表面的電氣隔離提供機(jī)械應(yīng)力消除。過孔在BCB薄膜中成像，提供與IC鍵合焊盤的電接觸。在通孔上添加 UBM（凸塊下金屬）層。通常，BCB的第二次應(yīng)用用作阻焊層，以定義回流焊球的直徑和位置。目前的封裝I/O設(shè)計包括1個至63個可焊接端子，見圖37。標(biāo)準(zhǔn)焊料凸塊合金為共晶 Sn95Pb5、“高鉛”Pb96Sn5 和“無鉛”Sn3.0Ag5Cu2.1。單個WLP焊料凸點結(jié)構(gòu)的橫截面如圖《》所示。組件的背面是裸硅，帶有激光刻有 Pin-《》 指示符和識別碼。雙金屬層再分布 （RDL） 工藝允許將焊料凸點從外圍鍵焊盤移動到任何凸塊陣列圖案。

圖1.通用 2 焊球 CSP、55 焊球倒裝芯片、4 x 4 UCSP?。

圖2.通用 WLP 構(gòu)造的橫截面圖。

WLP 載帶

所有WLP僅以卷帶（T&R）格式發(fā)貨。卷帶要求基于EIA-481和EIA-746&747標(biāo)準(zhǔn)。典型的卷帶結(jié)構(gòu)如圖3所示。所有Maxim倒裝芯片和CSP器件均采用壓花袋載帶和壓封膠（PSA）蓋帶，采用7in或13in卷盤格式。其他類型的載帶，如沖浪帶或沖浪帶-精簡版，以及其他卷盤尺寸可根據(jù)要求提供。

圖3.典型的 WLP 載帶結(jié)構(gòu)。

球朝下放在卷帶托架中。引腳 1 在載帶的每個口袋中方向一致。蓋帶應(yīng)具有 0.1N 至 1.0N 的總剝離強度（10gf 至 102gf 校準(zhǔn)刻度讀數(shù)）。

印刷電路板布局

PCB 設(shè)計要求基于 IPC-A-600 和 IPC-6012A 標(biāo)準(zhǔn).標(biāo)準(zhǔn) FR4（Tg = 120°C 至 150°C）覆銅板可用于峰值溫度高達(dá) 240°C 的所有焊料回流曲線，推薦使用 4°C 至 170°C 峰值溫度的焊接回流曲線的高性能 FR185 或 BT 層壓板（Tg = 240°C 至 270°C）。化學(xué)鍍鎳沉金（ENIG）是所有Maxim焊料凸點合金PCB銅焊盤表面光潔度（最小3微英寸/最大20微英寸金超過最小100微英寸/最大300微英寸鎳）的首選電鍍。銅焊盤上的有機(jī)表面保護(hù)（OSP）涂層也是可以接受的。

對于所有焊料凸點柵格陣列封裝，非阻焊層定義 （NSMD） 焊盤始終優(yōu)于阻焊層定義 （SMD） 焊盤。建議在所有焊盤之間使用阻焊層，阻焊層設(shè)計焊盤間隙為 0.002 英寸至 0.003 英寸?？烧郫B焊料凸塊回流焊（共晶Sn-Pb和無鉛）的焊盤尺寸通常比焊料凸塊最大直徑小20%至25%，這使得所得焊點能夠達(dá)到最大的元件間距高度。不可折疊焊料凸塊回流焊 （High-Pb） 的焊盤尺寸通常比焊料凸塊最大直徑大 0.002 英寸至 0.004 英寸，這使得焊料潤濕和焊點接受度的 X 射線檢測成為可能。這種“高鉛”焊點焊盤設(shè)計規(guī)則的唯一例外是Maxim 2焊點CSP（圖1），其推薦的焊盤模式為1：1，最大凸點尺寸，以盡量減少焊料回流期間發(fā)生的固有凸塊設(shè)計芯片傾斜。土地圖案可以是圓形或方形。焊盤和連接走線應(yīng)對稱排列，以防止焊料回流過程中的偏心潤濕力。為防止焊錫被盜，每個NSMD銅焊盤應(yīng)僅通過一條信號走線連接，走線寬度不超過其連接的NSMD銅焊盤直徑的1/2。

應(yīng)選擇所有WLP元件PCB位置，以便相鄰元件可能包含更高的封裝，這些封裝可以覆蓋WLP，并防止?jié)撛诘慕佑|損壞。

PCB組裝工藝流程

錫膏絲網(wǎng)印刷工藝

錫膏絲網(wǎng)印刷過程控制對于PCB組裝良率和焊點互連的可靠性至關(guān)重要。必須檢查焊膏高度、焊盤覆蓋率和可焊接焊盤圖案的套準(zhǔn)精度。

焊膏選擇：使用類型 3（25 至 45 微米焊球粒徑）或類型 4（20 至 38 微米），具體取決于焊模板孔徑尺寸限制。建議使用低鹵化物（< 100ppm鹵化物）免清洗松香/樹脂助焊劑系統(tǒng)，J-STD-004名稱ROL0/REL0，以消除回流焊組件后的清潔操作。

焊料模板制造： 使用激光切割不銹鋼箔與電拋光或鎳基金屬電鑄箔工藝.鎳E-form工藝更昂貴，但從超小孔徑提供最可重復(fù)的焊膏沉積，并且具有形成任何客戶要求的模板厚度的優(yōu)點。這些制造工藝中具有梯形橫截面的模板開口也增強了焊膏的釋放。

焊接模板孔徑設(shè)計：激光切割SS使用≥ 0.75的孔徑長寬比，E-Form Ni使用≥0.66的孔徑長寬比，方形（25微米角半徑）與圓形孔徑優(yōu)先，以提高焊膏沉積的可重復(fù)性。孔徑長寬比定義為孔徑開口面積除以孔徑側(cè)壁表面積。或者，可以使用焊盤的孔徑X和Y偏移來最大化焊膏沉積物之間的分離，并最大限度地減少焊料橋接的可能性，如圖4和圖5所示。

焊錫模板厚度： 焊錫鋼網(wǎng)厚度不應(yīng)超過焊料凸點高度.焊接模板厚度必須結(jié)合所選孔徑設(shè)計達(dá)到孔徑縱橫比要求.當(dāng)這些模板設(shè)計要求與混合技術(shù)PCB組件中其他所需的SMT組件發(fā)生沖突時， 可以使用符合IPC-7525設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的降壓模板或雙打印模板工藝.

圖4.2 x 2 UCSP偏移孔徑焊接模板設(shè)計示例。

圖5.DS2761X倒裝芯片偏置孔徑焊接模板設(shè)計示例

元件放置

所有Maxim WLP硅芯片均可通過真空噴嘴從袋載帶卷盤中拾取，并使用標(biāo)準(zhǔn)自動小間距IC拾取和放置機(jī)器放置在PCB基板上，貼裝精度≤為0.050mm，4σ。所有拾取和放置系統(tǒng)也需要固定式卷帶進(jìn)料器底座。使用機(jī)械定心拾取裝置的系統(tǒng)是不可接受的，因為硅封裝極有可能造成機(jī)械損壞。

自動拾取和放置系統(tǒng)的放置精度還取決于其包裝輪廓居中與凸塊網(wǎng)格陣列居中的視覺對齊。封裝外形居中用于更高速的貼裝，對準(zhǔn)精度要求降低，凹凸網(wǎng)格陣列視覺居中用于在較低的貼裝率下實現(xiàn)最大的對準(zhǔn)精度。從凸塊網(wǎng)格陣列質(zhì)心位置出發(fā)的最大封裝外形質(zhì)心x，y設(shè)計公差為±0.035mm。

在 X 和 Y 方向上，為確保焊料回流潤濕力的自定心對齊，最大建議允許焊錫凸點放置偏移從 PCB 焊盤中心偏移 ±0.100mm。

所有硅芯片封裝接觸力應(yīng)控制在≤ 2N （204gf）。實際放置力應(yīng)使用帶儀表的校準(zhǔn)稱重傳感器定期測量。

2D透射X射線檢測是放置精度驗證和測量所必需的。

錫膏回流

Maxim的WLP與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的焊料回流工藝兼容。氮氣惰性氣氛回流焊是可選的。

建議使用強制氣體對流回流爐，以在整個過程中控制傳熱速率。

WLP 焊料凸塊組件可進(jìn)行多達(dá)三個標(biāo)準(zhǔn)回流循環(huán)。

建議將 2D 透射 X 射線或 3D X 射線層壓法作為回流焊點檢測樣品監(jiān)測方法，用于檢測焊料短路、焊料不足、焊點內(nèi)空隙和潛在的焊料打開。

共晶 Sn-Pb 焊膏回流回流至共晶 Sn-Pb 和“高鉛”焊料凸塊 WLP：標(biāo)稱峰值溫度為 220°C ±15°C，熔點高于 183°C 的時間為 60 秒±15 秒，應(yīng)在機(jī)器設(shè)置時通過在線熱電偶測量烘箱分析進(jìn)行驗證。典型的共晶Sn-Pb焊膏回流焊溫度曲線如圖6所示。建議將共晶Sn-Pb焊膏回流焊至“高鉛”焊料凸點WLP，以進(jìn)一步增強凸塊界面處的金屬間粘結(jié)層。

“無鉛”焊膏回流焊：標(biāo)稱峰值溫度為250°C±10°C，高于217°C至221°C熔點的時間為60s±15s，應(yīng)在機(jī)器設(shè)置時通過在線熱電偶測量烘箱分析進(jìn)行驗證。Sn7.96Ag5.3和SnAg（5-2）Cu（4.0-5.0）合金的典型“無鉛”焊膏回流溫度曲線如圖8所示。

有關(guān)無鉛的更多信息。

圖7.Sn96.5Ag3.5和Sn-Ag-Cu“無鉛”焊膏的典型溫度曲線。

組件返工

WLP 返工采用與返工典型球柵陣列 （BGA） 相同的過程。

WLP去除使用與原始回流曲線相當(dāng)?shù)木植考訜?，采用熱氣對流煙囪噴嘴和底部預(yù)熱。

一旦噴嘴溫度超過焊點熔點，可以使用塑料鑷子或真空工具去除有缺陷的部件。

PCB焊盤必須使用溫控烙鐵重新表面處理。

然后將凝膠或粘性助焊劑涂在焊盤上。

使用真空針拾取工具拾取替換零件，并使用視覺對齊放置夾具準(zhǔn)確放置。

回流焊部件采用與熱氣對流噴嘴相同的底部預(yù)熱，按照原回流曲線規(guī)格。

環(huán)氧樹脂封裝（所有倒裝芯片板載組件都需要）

可以將毛細(xì)管底部填充環(huán)氧樹脂和/或 Glob-Top 環(huán)氧樹脂封裝添加到組裝的 CSP 電路中，以提高焊點互連的機(jī)械強度，并提供比沒有環(huán)氧樹脂封裝的組件高達(dá) 10 倍的加速熱循環(huán) （ATC） 測試可靠性增強。這種“封裝效應(yīng)”提高了環(huán)氧粘合劑在芯片和基板之間的機(jī)械耦合機(jī)制的性能。環(huán)氧樹脂封裝還為濕氣、濕度和化學(xué)污染提供了物理屏障。此外，底部填充環(huán)氧樹脂為相鄰焊料凸塊之間的熱循環(huán)應(yīng)力引起的焊料蠕變提供了物理屏障，而 Glob-Top 環(huán)氧樹脂則提供了物理保護(hù)，防止機(jī)械接觸損壞 WLP 的背面硅表面和邊緣。

材料屬性注意事項

固化環(huán)氧樹脂線性膨脹系數(shù) （CTE） 與焊點互連相匹配， Sn63Pb37 （21ppm/°C） - Pb95Sn5 （29ppm/°C）， 65% 至 70% 二氧化硅填料。

高玻璃化轉(zhuǎn)變 （Tg） 以達(dá)到所有產(chǎn)品儲存壽命溫度要求（最小固化環(huán)氧樹脂 Tg ≥基材 Tg;FR4 = 120°C 至 135°C，BT/增強型 FR4 = 170°C 至 185°C）。

對 BCB 鈍化和 LPI 阻焊層具有高粘合性能。

低離子<100ppm的總鹵化物。

低粘度和快速流速，最小間隙尺寸可達(dá) 50 毫米（2 密耳）。

低翹曲，低收縮基體。

吸濕性極小。

目視檢查驗收標(biāo)準(zhǔn)

底部填充環(huán)氧樹脂必須在模具的整個周邊實現(xiàn)連續(xù)的正圓角，不允許有空隙。正圓角定義為與模具底部側(cè)邊緣的最小接觸高度和不超過模具頂部邊緣的最大接觸高度。此外，圓角必須表現(xiàn)出從外部模具邊緣到基板表面的正潤濕角。

可見環(huán)氧樹脂表面積必須均勻，沒有空隙和針孔。

環(huán)氧樹脂不得與任何裝配所需的電接觸表面相鄰。

垂直掃描聲學(xué)顯微鏡（C-SAM）成像可用作底部填充檢測中空隙的分析方法，如圖9和圖10所示。

液體環(huán)氧樹脂分配重量增加測量可以用作監(jiān)測SPC能力的簡單方法。

圖8.環(huán)氧樹脂封裝選項。

圖9.垂直掃描聲學(xué)顯微鏡（C-SAM）成像示例。

圖10.垂直掃描聲學(xué)顯微鏡（C-SAM）成像示例。

包裝和運輸

為防止損壞 WLP 組件，在處理、包裝和運輸 WLP 組件時必須小心，尤其是在 WLP 安裝時沒有環(huán)氧樹脂封裝時。必須審查和優(yōu)化裝配現(xiàn)場對使用 WLP 安裝的 PCB 的封裝規(guī)格。

審核編輯：郭婷