晶片级封装定义及优势分析 - EDA365电子论坛网

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)

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

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ΘJA 和结至电路板的热阻ΘJB。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 5. 四层电路板(2s2p)的ΘJB 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

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

*采用 WLP 菊链连接。