非對稱封裝的電源芯片的焊盤和鋼網(wǎng)設(shè)計建議

電源管理芯片廣泛應(yīng)用于板級電源系統(tǒng)中，包括控制器和功率MOSFET。但對于大電流電源管理芯片，基于不同半導體工藝的技術(shù)特點，即控制器和MOSFET所需要工藝的差別，可能無法使用同一半導體制程把兩者集成到同一晶圓（Wafer）上面。因而只能采用multiple-die的結(jié)構(gòu)， 稱為多芯片封裝 (MCM)加倒裝法 (Flip-chip) 的封裝形式，從而導致焊盤outline不夠?qū)ΨQ。如果SMA工序不能完全依照芯片手冊的焊盤及鋼網(wǎng)的尺寸要求(有些客戶可能會有自己默認的CAD和SMA規(guī)則)，可能會出現(xiàn)焊錫的厚度不足或不均勻。這樣貼裝的芯片的引腳在長期運行后(對應(yīng)板級可靠性測試BLR，JESD22-A104)由于板子的翹曲形變導致引腳開裂或短路并使得芯片功能異常甚至損壞。因此正確理解和遵守芯片的焊盤和鋼網(wǎng)的尺寸規(guī)則，并能針對性的提前做出適當?shù)膬?yōu)化，對于提升SMA 工藝的良率和芯片的工作壽命，具有重要的意義。

芯片的引腳尺寸(footprint)

芯片數(shù)據(jù)手冊會標注芯片的引腳尺寸(footprint)，如下Figure 1所示。該芯片的引腳在水平和垂直方向上都存在不對稱的現(xiàn)象，而且在垂直方向上，這一情況更明顯：Pin25 AGND 尺寸比較大，而PIN26-30 的尺寸都比較小且分散。那么由于左右側(cè)的不對稱，如果不按照該產(chǎn)品要求的鋼網(wǎng)和焊錫厚度，就可能導致

左右側(cè)焊錫厚度不均勻，局部焊錫厚度不足，加之PCB，焊錫，PAD和芯片有不同的熱膨脹系數(shù)，在溫循時的受力就會有差別，容易造成焊錫開裂的現(xiàn)象。

相鄰IO由于芯片位置不夠水平，焊錫受力不均勻，可能會被擠壓流向相鄰IO，有短路的風險

Figure 1：TPS542A52 芯片頂視圖(左)和芯片的引腳尺寸圖(右)

芯片的焊盤尺寸(land pattern) 和鋼網(wǎng)尺寸

芯片在PCB板上的焊盤尺寸一般大于芯片尺寸，以便承接芯片在PCB板上。鋼網(wǎng)(solder stencil) 開窗，比焊盤相當或略小。

Figure 2：TPS542A52 焊盤(land pattern)頂視圖(左)和鋼網(wǎng)(solder stencil)頂視圖(右)

不同焊盤尺寸和鋼網(wǎng)厚度尺寸對焊錫厚度和均勻度的影響（TPS542A52）

在實際應(yīng)用中，芯片客戶的CAD 工程師在給供應(yīng)商的芯片建立CAD 模型時，基于自身SMT 工藝產(chǎn)線精度和經(jīng)驗，有一套默認的CAD rule，因而可能不會完全遵照TI 產(chǎn)品手冊推薦的尺寸。對于大多數(shù)對稱的封裝形式如QFP，BGA，LGA等，由于焊盤是對稱的，即使不完全按照供應(yīng)商推薦的焊盤鋼網(wǎng)尺寸，焊錫厚度一般也是均勻的。但對于非標準封裝的電源芯片，如FLIP-CHIP QFN， 由于功率部分占據(jù)較大的面積，但只有VIN/SW/GND 幾個IO口，而控制部分面積小但又有很多IO口，因此管腳的分布設(shè)計就容易出現(xiàn)不對稱的引腳。因此不同的焊盤尺寸和鋼網(wǎng)尺寸，就會體現(xiàn)出完全不同的引腳焊接質(zhì)量和長期可靠性。

如下表Table 1是TPS542A52在不同焊盤和鋼網(wǎng)下的焊接質(zhì)量(焊錫厚度和均勻度)和溫度循環(huán)測試后的引腳剖面圖。

Table 1

(1) 焊盤尺寸相比TI 偏大

(2) 鋼網(wǎng)開口尺寸相比TI 偏小

(3) TI推薦125um 鋼網(wǎng)厚度

A 焊盤尺寸偏大，鋼網(wǎng)開創(chuàng)較小并且沒有給PIN 25(GND)開兩個窗口

焊錫厚度不足，焊錫開裂

整體焊錫量不足，因為鋼網(wǎng)開口小于TI推薦且焊盤尺寸偏大，導致引腳下的焊錫被攤開，流向外部裸露的焊盤上。溫度循環(huán)后，焊錫由于厚度不足導致容易開裂，引起芯片引腳開路導致?lián)p壞。

芯片傾斜

由于沒有在PIN25 開多個窗口，導致PIN25焊錫中有較多的空洞(Void)。如下圖3所示。

圖 3 GroupA Unit 1 的PIN25 的焊錫空洞

B 焊盤和鋼網(wǎng)尺寸都符合TI 要求，但鋼網(wǎng)厚度偏厚并且沒有給PIN 25(GND)開兩個窗口

為了解決焊錫厚度不足的問題，有的客戶會直接增加鋼網(wǎng)厚度。焊錫厚度足夠厚（>60um）, 不會出現(xiàn)solder crack的問題。但焊接水平方向的傾斜仍然存在短路風險。如下圖4所示。

焊錫太厚

仍然不均勻，左側(cè)存在solder bridge導致短路的風險。

圖 4 GroupB Unit 2 的剖面圖

C焊盤和鋼網(wǎng)尺寸及開口都符合TI要求，鋼網(wǎng)厚度也符合

焊錫厚度均勻，且大于60um，PIN25下焊錫的空洞(void)也較小。

圖 5 Group C Unit 4 的X-ray頂視圖和剖面圖

總結(jié)

對于非對稱footprint的芯片，建議客戶一定要按照TI推薦的焊盤和鋼網(wǎng)尺寸進行設(shè)計。芯片焊錫厚度不均勻，造成傾斜，IO間焊錫短路。芯片焊錫厚度不足，在溫度循環(huán)測試中，容易開裂。

對于較大的單一PIN腳，焊錫越多，空洞越大，容易造成不平衡。可以適當把開窗分成多個小的開窗，以減少實際的焊錫量，并減少空洞。

審核編輯：郭婷