晶片級(jí)封裝(WL-CSP)基礎(chǔ)

摘要：本文詳細(xì)討論了Maxim的晶片級(jí)封裝(WL-CSP)，其中包括：晶圓架構(gòu)、卷帶包裝、PCB布局、安裝及回流焊等問題。本文還按照IPC和JEDEC標(biāo)準(zhǔn)提供了可靠性測(cè)試數(shù)據(jù)。

注：最終用戶及安裝人員應(yīng)該負(fù)責(zé)提供其行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求設(shè)計(jì)和裝配文件，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)文件包括(但不限于)以下內(nèi)容：

• 電子工業(yè)聯(lián)接協(xié)會(huì)(IPC)
• 半導(dǎo)體標(biāo)準(zhǔn)行業(yè)協(xié)會(huì)(JEDEC)
• 電子工業(yè)協(xié)會(huì)(EIA)
• 國(guó)際電子制造聯(lián)合會(huì)(iNEMI)
• 國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)
• 美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會(huì)(ANSI)
• Jisso國(guó)際理事會(huì)(JIC)
• 日本印刷電路工業(yè)會(huì)(JPCA)
• 線束及組件制造商協(xié)會(huì)(WHMA)

概述

晶片級(jí)(WL)芯片封裝(CSP)是一種可以使集成電路(IC)面向下貼裝到印刷電路板(PCB)上的CSP封裝技術(shù)，采用傳統(tǒng)的SMT安裝工藝。芯片焊盤通過獨(dú)立的焊球直接焊接到PCB焊盤，不需要任何填充材料(圖1)。WL-CSP技術(shù)與球柵陣列、引線型和基于層壓成型的CSP封裝技術(shù)不同，它沒有綁定線或引出線。


圖1. 4 x 4 WL-CSP照片，減少了兩個(gè)球柵陣列的位置，電路側(cè)視圖

WL-CSP封裝技術(shù)最根本的優(yōu)點(diǎn)是IC到PCB之間的電感很小，第二個(gè)優(yōu)點(diǎn)是縮小了封裝尺寸并縮短了生產(chǎn)周期，提高了熱傳導(dǎo)性能。

WL-CSP結(jié)構(gòu)

Maxim的WL-CSP球柵陣列是在硅晶片襯底上建立的封裝內(nèi)部互連結(jié)構(gòu)。在晶片表面附上一層電介質(zhì)重復(fù)鈍化的聚合物薄膜。這層薄膜減輕了焊球連接處的機(jī)械壓力并在管芯表面提供電氣隔離。在聚合物薄膜內(nèi)采用成相技術(shù)制作過孔，通過它實(shí)現(xiàn)與IC綁定盤的電氣連接。

WL-CSP焊球陣列是基于具有均勻柵距的矩形柵格排列。WL-CSP球陣列可以包含任意行(2至6)和任意列(2至6)數(shù)。焊球材料由頂標(biāo)中A1位置的標(biāo)示符表示(見圖2中的頂標(biāo)A1)。A1為光刻的雙同心圓時(shí)，表示焊膏采用的是低熔點(diǎn)的SnPb；對(duì)于無鉛焊膏，A1處采用加號(hào)表示。

所有無鉛WL-CSP產(chǎn)品底部的晶片迭層采用標(biāo)準(zhǔn)的聚合物薄膜保護(hù)層，該聚合物材料為硅片底部提供機(jī)械接觸和UV光照保護(hù)。

WL-CSP球柵陣列設(shè)計(jì)和尺寸

Maxim的WL-CSP 0.5mm間隔的球柵陣列封裝通常設(shè)計(jì)為2 x 2至6 x 6焊球矩陣(圖2)，詳細(xì)的WL-CSP尺寸圖可從網(wǎng)站下載：Maxim封裝圖。根據(jù)特殊器件的設(shè)計(jì)要求，焊球陣列的也可能突破最大焊球數(shù)。


圖2. 傳統(tǒng)的的WL-CSP封裝外形圖，6 x 6陣列

WL-CSP載帶

參考文獻(xiàn)：

• ANSI/EIA-481-1-A 8mm和12mm表貼元件卷帶，用于自動(dòng)處理流程。
• EIA/IS-763裸片和晶片級(jí)封裝包裝帶，8mm & 12mm載帶，用于自動(dòng)處理流程。
• IEC60286-3自動(dòng)處理流程元件包裝—第3章：表貼元件的載帶包裝。

Maxim的所有WL-CSP器件都以卷帶(T&R)形式供貨，WL-CSP卷帶要求基于EIA-481標(biāo)準(zhǔn)。關(guān)于卷帶架構(gòu)的詳細(xì)信息，請(qǐng)參考： SMD卷帶數(shù)據(jù)。該網(wǎng)頁(yè)給出了封裝圖以及卷帶封裝表的鏈接，其中包括圖4所示的WL-CSP封裝圖的參考定位。其它鏈接，鏈接到其它封裝的卷帶數(shù)據(jù)(PDF)，提供了其它封裝的所有尺寸。

1. 卷帶的凹槽應(yīng)該在元件周圍提供足夠的空間，以確保：
   • 器件不會(huì)超出載帶的上下任一個(gè)表面。
   • 揭開封帶時(shí)，元件不受任何機(jī)械力的約束，能從凹槽中垂直取出。
   • 元件的旋轉(zhuǎn)位置限制在±10°以內(nèi)(見圖3)。
   
   
2. 最小半徑R是體現(xiàn)包裝帶設(shè)計(jì)和材料機(jī)械彎曲特性的半徑值。實(shí)際的卷帶中軸半徑必需大于最小值R。按照常規(guī)方向裝有元件的卷帶在彎曲半徑大于最小值R時(shí)不會(huì)對(duì)載帶和元件造成損害。用戶應(yīng)該對(duì)卷帶在送料器和任意其它處理、運(yùn)輸、儲(chǔ)存過程中的條件進(jìn)行設(shè)置，使其彎曲半徑總是大于最小值R。
   
   
3. 條形碼標(biāo)志(如果需要)應(yīng)該在載帶與鏈輪齒孔相反的一側(cè)，參見EIA556。
   
   
4. 如果卷帶凹槽的間隔為2.0mm，卷帶可能無法合適地裝進(jìn)所有的送料器。
   
   
5. 卷帶包裝里焊球朝下，包裝帶每一個(gè)凹槽的A1引腳方向保持一致。左上角有A1引腳位置的標(biāo)記(圖2)。
   
   
6. 封帶的總剝離力應(yīng)該在0.1 N到1.0 N之間(標(biāo)定刻度的讀數(shù)為10克力到100克力)。拉力的方向應(yīng)該與包裝帶移動(dòng)的方向相反，封帶與包裝帶成165°至180°角。在剝離的過程中卷帶/封帶的剝離速度應(yīng)該是300mm ±10mm/分鐘。
   
   

圖3. 卷帶內(nèi)部允許CSP器件的最大旋轉(zhuǎn)位置

WL-CSP封裝的PCB安裝流程及實(shí)施

參考文獻(xiàn)：

• IPC-7094關(guān)于倒裝芯片及裸片的設(shè)計(jì)和安裝流程

PCB設(shè)計(jì)規(guī)則

參考文獻(xiàn)：

• IPC-A-600可接受的印刷電路板。
• IPC-6011關(guān)于印刷電路板的通用規(guī)格說明。
• IPC-6012關(guān)于剛性印刷電路板的認(rèn)證和規(guī)格說明。
• IPC-6013關(guān)于柔性印刷電路板的認(rèn)證和規(guī)格說明。
• IPC-6016關(guān)于高密度內(nèi)部互連(HDI)板層或電路板的認(rèn)證和規(guī)格說明。
• IPC-D-279關(guān)于表面貼裝印刷電路板安裝的可靠設(shè)計(jì)指南。
• IPC-2221關(guān)于印刷電路板設(shè)計(jì)的通用標(biāo)準(zhǔn)。
• IPC-2222關(guān)于剛性印刷電路板的組合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。
• IPC-2223關(guān)于柔性印刷電路板的組合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。
• IPC-2226關(guān)于高密度陣列或表貼架構(gòu)外設(shè)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

1. 布板設(shè)計(jì)中，WL-CSP器件應(yīng)該放置在機(jī)械應(yīng)力和張力受力最均勻的位置，可能的話，可以在周圍放置更高高度的器件作為支撐。
   
   
2. 對(duì)于雙層安裝器件的PCB設(shè)計(jì)，應(yīng)該在WL-CSP封裝中心位置的對(duì)面安裝封裝尺寸更大器件。

安裝模板設(shè)計(jì)

參考文獻(xiàn)：

• IPC-7351關(guān)于表貼設(shè)計(jì)的常規(guī)要求和安裝模板的標(biāo)準(zhǔn)。

用于表貼封裝元件的焊盤結(jié)構(gòu)有兩種(見圖4和表1)。

1. 阻焊層限定(SMD)
   • SMD焊盤在金屬表面帶有阻焊層開槽。
   • 阻焊層開口小于金屬焊盤。
   • 阻焊層開槽材料一般為L(zhǎng)PI (可成像液體感光膠)，必須采用合適的材料以滿足任何SMT處理工藝的要求。
2. 非阻焊層限定(NSMD)
   • NSMD焊盤(圖5)為金屬限定焊盤，焊盤周圍有一個(gè)相應(yīng)的阻焊層。
   • 阻焊層開口大于金屬焊盤。
   • 阻焊層開槽材料一般為L(zhǎng)PI (可成像液體感光膠)，必須采用合適的材料以滿足任何SMT處理工藝的要求。

圖4. WL-CSP的SMD與NSMD焊盤設(shè)計(jì)


圖5. 非阻焊層限定(NSMD) PCB的刨面圖

1. 選擇NSMD與SMD焊盤時(shí)必須考慮功率、接地和信號(hào)走向的要求。
2. 考慮到元件焊球件的微小間隔，NSMD焊盤更容易布線。使用微過孔是簡(jiǎn)化布板的另一個(gè)途徑。
3. 特殊的微過孔設(shè)計(jì)可以避免表面空間，例如，采用“焊盤內(nèi)過孔”設(shè)計(jì)。
4. 空間允許的話，可以在焊盤相鄰處放置一個(gè)過孔，可以方便布線，例如，“狗骨”式互連設(shè)計(jì)。
5. 對(duì)于相同類型的封裝，在一塊PCB上不要混合使用不同類型的焊盤。
6. 建議在所有焊盤之間使用阻焊層。
7. 連接焊盤的引線寬度應(yīng)該小于1/2的焊盤直徑，WL-CSP球柵陣列的各側(cè)布線應(yīng)該保持對(duì)稱。

表1. WL-CSP焊盤設(shè)計(jì)的選擇(微米)

WL-CSP Ball Pitch	Nominal Ball Size Diameter	Standard Land Size Reduction	Nominal Land Size Diameter	Land Size Diameter Range
500	350	20%	275	225 to 325
500	300	20%	250	200 to 300
400	250	20%	200	175 to 225

金屬表面涂層

1. 有機(jī)可焊性保護(hù)層(OSP)
2. 無電鍍鎳/浸金(ENIG)
3. 浸錫電鍍：不推薦使用熱風(fēng)整平(HASL)錫電鍍。

無鉛PCB安裝材料

1. 高溫FR4-FR5玻璃鱗片環(huán)氧樹脂，對(duì)于無鉛/符合RoHS標(biāo)準(zhǔn)的回流焊工藝，Tg (玻璃化溫度) ≥ 170°C。
2. 可選擇BT壓層材料。
3. 酚醛玻璃鱗片環(huán)氧樹脂材料：對(duì)于多次無鉛回流安裝，不推薦使用雙氰胺(“dicy”) FR4材料。

焊膏印刷版膜過孔設(shè)計(jì)

參考文獻(xiàn)：

• IPC-7525版膜設(shè)計(jì)指南。

Maxim對(duì)所有0.5mm間隔的WL-CSP安裝提供焊膏印刷。

過孔形狀

1. 為了改善焊膏從版膜的滲透，方形過孔優(yōu)于圓形過孔。
2. 采用梯形過孔，底層面積大于頂層面積。
3. 過孔的四角可以采用弧形，以避免過孔中存在殘留焊膏。

PCB焊膏材料

1. 使用與焊球合金一致的焊膏或助焊劑材料。
2. 使用低鹵化物材料。
3. 免洗松香助焊劑/松香可以省去手續(xù)的清洗流程。
4. 使用3型或4型尺寸的焊膏。

SMT工藝流程

焊接版膜的制作

采用光刻不銹鋼箔，采用電解法拋光或鎳電鍍(E-form)金屬箔處理工藝。鎳電鍍成本較高，但容易在超小過孔處重復(fù)沉積焊膏，而且可以根據(jù)用戶要求構(gòu)成任意厚度的版膜。

自動(dòng)放置元件

1. 需要固定卷帶送料器底座。
   • 送料器底座松動(dòng)會(huì)造成元件損失。
2. 使用帶照相定位的真空領(lǐng)紙裝置或激光對(duì)準(zhǔn)裝置固定元件中心。
   • 最好不要使用機(jī)械對(duì)準(zhǔn)裝置。
3. 在PCB表面的安裝高度必須精確，Z軸超程置為零或極小的負(fù)值。
   • 同樣適用于從卷帶送料器拾取元件。
4. 需要控制并監(jiān)測(cè)所有WL-CSP硅片的垂直壓力，建議在放置器件時(shí)選擇機(jī)器作用力的下限，并適當(dāng)降低放置探頭的速度。
   • 對(duì)于所有芯片級(jí)封裝，建議測(cè)量放置元件時(shí)的垂直壓力，將其作為機(jī)器設(shè)置流程的一個(gè)必要步驟。
   • 用于放置元件的機(jī)器供應(yīng)商可能提供特殊的低壓力管口設(shè)置選項(xiàng)以及相應(yīng)的端口，用于芯片級(jí)封裝的安裝。
5. 放置元件時(shí)可能需要借助工具，以避免產(chǎn)生PCB位置偏移。
   • 選擇1：對(duì)于需要二次安裝的設(shè)備，建議使用定制的PCB板裝載器/托盤，這是一種最可靠的方式，可以避免元件互連以及后續(xù)的安裝過程中產(chǎn)生PCB底層的位置偏移。
   • 選擇2：任何二次裝配的拾取機(jī)器操作時(shí)都可以利用支持PCB底層的可調(diào)節(jié)引腳，這對(duì)于高強(qiáng)度或高度密集的元件布板都是必要的。這些廉價(jià)工具通常在購(gòu)買定位機(jī)時(shí)作為配件贈(zèng)送，也可以從供應(yīng)商處單獨(dú)購(gòu)買。
6. 任何情況下，需要對(duì)芯片級(jí)封裝采用人工操作時(shí)，都要使用真空筆進(jìn)行操作。

焊膏回流

參考文獻(xiàn)：

• IPC J-STD-020非密封固態(tài)表貼器件的潮濕敏感度等級(jí)，1級(jí)潮濕敏感度。

1. 所有Maxim WL-CSP器件符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的回流焊處理工藝。
2. 可以選擇氮惰性氣體回流焊，但是，使用氮惰性氣體時(shí)隨著空氣回流回增大無鉛WL-CSP元件中心對(duì)PCB焊盤的受力(見圖6和7)。
3. 推薦使用強(qiáng)制氣體對(duì)流回流爐。
4. WL-CSP元件能夠經(jīng)受三次標(biāo)準(zhǔn)的回流焊。
   
   
   圖6. 易溶解的SnPb焊球WL-CSP的典型回流溫度曲線。
   
   
   圖7. 無鉛SAC焊球WL-CSP的典型回流溫度曲線
   注：1) 150s至210s浸錫區(qū)域限定在綠色曲線范圍內(nèi)；2) 溫度高于220°C的時(shí)間限定在60s至90s區(qū)域；3) 溫度高于235°C的時(shí)間在10s至30s；4) 峰值溫度的時(shí)間限定在240s至360s。 請(qǐng)參考：J-STD-202 Rev D， 表4.1-4.2和5.2。
   
   注：上述溫度曲線僅供參考，實(shí)際回流溫度應(yīng)該按照回流爐規(guī)格、焊膏、元器件以及PCB安裝工藝進(jìn)行調(diào)整。
   
   
5. 推薦使用2D X射線或3D X射線分層攝影法作為回流焊之后取樣檢查焊結(jié)短路、焊錫不足、漏焊及潛在的開路問題。

WL-CSP返修

返修只能在受控制或規(guī)定的流程下進(jìn)行操作，以避免機(jī)械操作或ESD造成硅片電路的損壞。

對(duì)于球柵陣列，建議采用聚焦紅外技術(shù)，而不是傳統(tǒng)的熱氣BGA返修系統(tǒng)。聚焦IR設(shè)備能夠精確地定位引腳，消除回流焊錫，即使替換最小尺寸的CSP也不會(huì)由于受熱造成與相鄰元件的接觸。

包裝與運(yùn)輸

為了防止損壞WL-CSP封裝元件，包裝與運(yùn)輸WL-CSP安裝件或組件時(shí)必需小心。

Maxim WL-CSP可靠性數(shù)據(jù)

Maxim WL-CSP測(cè)試條件

參考文獻(xiàn)：

• JESD47集成電路應(yīng)力測(cè)試規(guī)定。

表2和3給出了詳細(xì)的Maxim WL-CSP的可靠性測(cè)試數(shù)據(jù)。也可以根據(jù)需要進(jìn)行其它測(cè)試。

表2. 晶片級(jí)測(cè)試

Reliability Test	Test Condition and Sampling Plan
High-Temperature Storage Life (HTSL)	JESD22-A103 (150°C/1000 hours, no bias; three lots with 0/77 per lot)
Moisture Sensitivity Level 1 Solder Reflow (MSL 1)	J-STD-20 (three reflow passes at 260°C max peak temperature; three lots with 0/150 per lot)

表3. 電路板級(jí)測(cè)試結(jié)果(WL-CSP元件安裝在1.0mm厚的FR4–FR5板上)

Reliability Test	Test Condition and Sampling Plan
High-Temperature Operating Life (HTOL)	JESD22-A108 (135°C ambient, with bias, 1000 hrs; three lots with 0/77 per lot)
Drop Test (DT)	JESD22-B111 (1500Gs, 0.5msec, half sine pulse; one lot with 0/60, 150 drops min)
Temperature Cycling (TC) Test	JESD22-A104 condition G (-40°C to +125°C, 1000 cycles, ramp rate 11°C/minute, dwell = 15 minutes, one cycle/hour; three lots with 0/77 per lot)
Temperature Humidity and Bias (THB) Steady State	JESD22-A101 (85°C, 85% RH, max operating voltage; three lots with 0/77 per lot)

Maxim的WL-CSP產(chǎn)品可靠性測(cè)試結(jié)果列在表4至表8。0.5mm焊球間隔、焊球陣列高達(dá)6 x 6的無鉛WL-CSP產(chǎn)品均已通過認(rèn)證測(cè)試。

Maxim無鉛(SAC305) WL-CSP可靠性測(cè)試數(shù)據(jù)

注：SAC305焊球(LF45)、Sn96.5/Ag3.0/Cu0.5金屬合成物。

表4. 晶片級(jí)高溫保存期限(HTSL)的測(cè)試數(shù)據(jù)(3個(gè)批次)

High-Temp Storage (HTS)	500hr	1000hr
6 x 6 array	0/240	0/240
5 x 4 array	0/154	0/154
3 x 3 array	0/180	0/180
3 x 4 array	0/231	0/231

表5. 晶片級(jí)1級(jí)潮濕敏感度回流預(yù)處理測(cè)試數(shù)據(jù)(3個(gè)批次)

Moisture Sensitivity Level 1	Conditions	Results
6 x 6 array	3x reflow passes, 260°C max	0/150
5 x 4 array	3x reflow passes, 260°C max	0/150
3 x 3 array	3x reflow passes, 260°C max	0/90 (two Lots)
3 x 4 array	3x reflow passes, 260°C max	0/450

表6. 電路板級(jí)失效測(cè)試數(shù)據(jù)(累計(jì)失效)

Drop Test	30x	50x	100x	150x	200x	300x	400x	500x
6 x 6 array	0/120	0/120	0/120	0/120	0/120	0/120	0/120	0/120

表7. 電路板級(jí)加速溫度周期變化(TC)的測(cè)試數(shù)據(jù)(3個(gè)批次)

Temperature Cycle Test	250x	500x	750x	1000x
6 x 6 array	0/231	0/231	0/231	0/231
5 x 4 array	0/231	0/231	0/231	0/231
3 x 3 array	0/135	0/135	0/135	0/135
3 x 4 array	0/231	0/231	0/231	0/231

表8. 電路板級(jí)高溫工作期限(HTOL)的測(cè)試數(shù)據(jù)(每次3批)

HTOL Test	500hr	1000hr
6 x 6 array	0/45	0/45
5 x 4 array	0/45	0/45
3 x 3 array	0/40	0/40