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。
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图 1. 10 x 10 WLP 侧视图照片
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WLP 结构
' K5 L3 t( e8 ~- Z- CMaxim 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。
- I7 E* ]# o3 }8 V& e: yWLP 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。
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WLP 球栅阵列设计和尺寸4 J8 J) ^8 t+ i+ h; O
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。
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图 2. 10 x 10 阵列 WLP 的封装外形图& X2 k+ A) Y0 ~1 c& m
WLP 载带
( ]$ |1 [( ?, [" [! d5 @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。
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PCB 安装流程及实施4 G$ l$ u C. P1 M& c# q+ M( T
参考文献：
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5 e( T/ P1 \& K bIPC-6011 关于印刷电路板的通用规格说明
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IPC-6012 关于刚性印刷电路板的认证和规格说明
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IPC-6013 关于柔性印刷电路板的认证和规格说明
4 G* o$ w7 x& }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
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IPC-D-279 关于表面贴装印刷电路板安装的可靠设计指南
, }8 \/ a7 Z( z, i2 O% L
IPC-2221 关于印刷电路板设计的通用标准
/ E# s" G5 {, }" i$ YIPC-2222 关于刚性印刷电路板的组合设计标准
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IPC-2223 关于柔性印刷电路板的组合设计标准
6 y+ o- E- S) |$ T0 ~* d }
IPC-2226 关于高密度阵列或表贴架构外设的设计标准
: N3 o8 U; X0 g: t1 y8 L8 u- a
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。
6 \. b1 O2 E6 _+ P
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。
% f- l7 V; s8 Q! J6 l安装模板设计
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阻焊层限定(SMD)
8 ~- s2 X' o( H6 O# |5 ?SMD 焊盘在金属表面带有阻焊层开槽。
" X9 ?5 g9 D; I$ P) S/ p6 `; P
阻焊层开口小于金属焊盘。
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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。
5 y0 W! {, G8 N5 c8 f9 N/ V非阻焊层限定(NSMD)
' a% [+ _" u2 K! X; H) ~5 g! a" MNSMD 焊盘为金属限定焊盘，焊盘周围有一个相应的阻焊层。
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阻焊层开口大于金属焊盘。
: x) g& }# G* K( C# R1 \' G x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。
: _. g- }4 C) O" l% `; _* D) w
图 3. WLP 的 SMD 与 NSMD PCB 焊盘设计
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选择 NSMD 与 SMD 焊盘时必须考虑功率、接地和信号走向的要求。
# g1 ~) w2 L" |, T% s' D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。
2 o* c& p% B& ^& ?$ D( {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)。
7 J% w! A' p/ J c4 S! X7 t: q; D建议在所有焊盘之间使用阻焊层。
, I }3 x2 e" k7 A连接焊盘的引线宽度应该小于焊盘直径的 60%。
! V* W' P# }; h# {4 Z; d9 a6 d/ L
表 1. Maxim WLP 的 PCB 焊盘尺寸(微米)
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4 a# _% V# m R: u) [; O
金属表面涂层" o7 N3 v* J1 H
有机可焊性保护层(OSP)：允许使用。
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无电镀镍 / 浸金(ENIG)：允许使用。
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浸锡电镀和热风整平(HASL)锡电镀：不推荐使用。
; E9 A" H; H/ p; j! ?无铅 PCB 安装材料# `1 Y" [; V- Z5 v1 }9 j" g% |
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。
- G5 _' O: [: H! _1 B' h7 Y: X! }焊膏印刷版膜过孔设计, ^* X, _- m* E
参考文献：
# D" J. x+ `% G% B4 Q4 E- Z6 @( G1 Q
IPC-7525 版膜设计指南
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过孔形状
4 X8 k# b0 Z* [- i为了改善焊膏从版膜的渗透，方形过孔优于圆形过孔。
- a9 H: t4 R4 C0 R) R
版膜过孔形状应采用梯形，底层面积(PCB 侧)大于顶层面积。
' ?1 M4 \9 J; f) L- _焊接版膜制作, I3 D X% k1 K, w
版膜可以采用以下两种方法之一制作：
) N: y. ` t8 Q* o" E* f3 i2 \" j% T; s光刻不锈钢箔，后续采用电解法抛光。
1 P% ^8 I. @3 u1 x3 M( P% C) m镍电镀金属箔。
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SMT 工艺流程
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" r: ~ S: ?* |/ u! D" B0 ?自动放置元件
$ G. |% Z1 @. f. k& s7 @8 N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。
: U* T' Z1 P" u# d+ o3 F" m" n拾取放置时的力度应非常小，以避免物理损坏。
! d3 l8 Z9 [' F A* @* J; H1 o
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%。
$ v: C; p( r8 q' V3 M焊膏回流
( f; G5 k- T" ^" {/ a: g4 w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。
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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。
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WLP 返修
. C" b; B ?' D9 [4 ]0 M2 ~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。
, N2 s$ V: B; R- O5 s4 T/ i+ M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。
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WLP 封装热特性 a* k' q/ w( V4 s' ]" |
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。
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图 4. 四层电路板(2s2p)的ΘJA 与焊球数量的关系
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图 5. 四层电路板(2s2p)的ΘJB 与焊球数量的关系2 m( d1 l8 T# D5 }% G7 S
Maxim WLP 可靠性
5 V9 Z' E+ X6 J( I/ j! L6 j/ S3 h+ H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。
% j+ P/ i8 G8 O9 y( }6 S; i表 2. 可靠性验证条件
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% P% p) E$ R7 u0 x! f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%。
7 S, l7 J+ u& B5 y$ [1 E/ T表 3. 0.5mm 焊球间隔、6 × 6 阵列无铅 WLP 的可靠性测试结果
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' O- e6 w* m" x9 r- L*采用 WLP 菊链连接。
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+ ?5 n: T1 U1 B
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发表于 2020-11-6 10:07
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