WLCSP封装应用于医疗设备时必须考虑的问题 - 全文

　　便携式医疗保健设备和服务越来越普及。一般来说，这些设备必须高效和“不可见”，因而在低功耗和小体积方面给设计师带来了新的挑战。如今晶圆级芯片级封装（WLCSP）能使以往不可能实现的医学治疗得以实现。这些新的应用包括创伤检测、医学植入以及抛弃型便携式监测仪等。本文首先介绍WLCSP技术，然后讨论PCB连接盘图案、焊盘终饰层和电路板厚度设计的最佳实用技巧，以便发挥WLCSP的最大功效。

　　如图1所示，WLCSP是倒装芯片互连技术的一个变种。借助WLCSP技术，裸片的有源面被倒置，并使用焊球连接到PCB。这些焊球的尺寸通常足够大（在0.5mm间距、预回流焊时有300μm），可省去倒装芯片互连所需的底部填充工艺。

　　

　　图1：WLCSP封装。

　　这种互连技术有以下一些优点：

　　通过省去第一层封装（模塑复合材料、引线框或有机基底）可以节省可观的空间。例如，8-ball WLCSP所占电路板面积只有8-lead SOIC的8%。

　　通过省去标准塑料封装中使用的连接线和引线可以减小电感、提高电气性能。

　　由于省去了引线框和模塑复合材料，使得封装外形更加轻薄。

　　无需底部填充工艺；可以使用标准的SMT组装设备。

　　由于轻质裸片在焊接过程中具有自我校准特性，因此组装良率较高。

　　封装结构

　　WLCSP可以被分成两种结构类型：直接凸块和重分布层（RDL）

　　直接凸块

　　直接凸块WLCSP包含一个可选的有机层（聚酰亚胺），这个层用作有源裸片表面上的应力缓冲器。聚酰亚胺覆盖了除连接焊盘四周开窗区域之外的整个裸片面积。在这个开窗区域之上溅射或电镀凸块下金属层（UBM）。UBM是不同金属层的堆叠，包括扩散层、势垒层、润湿层和抗氧化层。焊球落在UBM之上（因此叫落球），然后通过回流焊形成焊料凸块。直接凸块WLCSP的结构如图2所示。

　　

　　图2：直接凸块WLCSP。

　　重分布层（RDL）

　　图3是一种重分布层（RDL）WLCSP。这种技术可以将为邦定线（邦定焊盘安排在四周）而设计的裸片转换成WLCSP。与直接凸块不同的是，这种WLCSP使用两层聚酰亚胺层。第一层聚酰亚胺层沉积在裸片上，并保持邦定焊盘处于开窗状态。RDL层通过溅射或电镀将外围阵列转换为区域阵列。随后的结构类似直接凸块——包括第二个聚酰亚胺层、UBM和落球。

　　

　　图3：重分布层（RDL）WLCSP。

　　最佳的印刷电路板（PCB）设计实践技巧

　　关键的电路板设计参数是焊盘开窗尺寸、焊盘类型、焊盘终饰层和电路板厚度。

　　焊盘开窗尺寸

　　根据IPC标准，焊盘开窗尺寸等于UBM开窗尺寸。典型的焊盘开窗如图4所示，其尺寸是：

　　250μm（0.5mm间距WLCSP）

　　200μm（0.4mm间距WLCSP）

　　阻焊层开窗尺寸等于焊盘开窗尺寸加上100μm。走线宽度应小于焊盘开窗尺寸的三分之二。增加走线宽度将导致焊料凸块的直立高度降低。因此为了确保焊接的可靠性，保持正确的走线宽度比很重要。

　　

　　图4：焊盘开窗。

　　焊盘类型

　　在电路板制造过程中，以下类型的焊盘/连接盘图案被用于表面贴组装：

　　无阻焊层限定（NSMD）。PCB上的金属焊盘（连接着I/O）尺寸小于阻焊层开窗。

　　有阻焊层限定（SMD）。阻焊层开窗小于金属焊盘。

　　图5显示了这两类连接盘图案之间的区别。

　　

　　图5：焊盘类型。

　　因为铜蚀刻工艺的控制要比阻焊层开窗工艺严格，因此宁愿选择NSMD，而非SMD。NSMD焊盘上的阻焊层开窗尺寸要大于铜焊盘，因此能使焊料附着于铜焊盘的两面，从而提高焊点的可靠性。

　　焊盘终饰层

　　金属焊盘上的终饰层对装配良率和可靠性有很大的影响。典型的金属焊盘终饰处理剂使用的是有机表面保护剂（OSP）/非电镀镍沉金（ENIG）。金属焊盘上的OSP处理剂厚度是0.2 μm至0.5μm。这种处理剂会在回流焊过程中蒸发掉，然后在焊料和金属焊盘之间发生分界面反应。ENIG处理剂由5μm的无电镀镍和0.02μm至0.05μm的金组成。在回流焊期间，金层会很快溶解，紧接着镍与焊料之间起反应。为了防止形成易碎的金属互化物，将金层的厚度保持在0.05μm以下非常关键。

　　电路板厚度

　　业界使用的标准电路板厚度范围从0.4mm至2.3mm。厚度的选择取决于复杂系统组装的鲁棒性要求。电路板越薄，切割应力范围、蠕变切割张力范围、热应力下焊点中的蠕变张力能量密度范围就越小。因此，越薄的积层板将导致焊点的热疲劳寿命越长［John H. Lau和S.W. Ricky Lee］。

　　案例分析：采用WLCSP的仪表放大器版图

　　采用晶圆级芯片级封装的仪表放大器可以很好地体现出最佳的WLCSP PCB设计实践技巧。AD8235 40μA微功耗仪表放大器在便携式医疗设备中很常见。

　　分析此案例的目的是确定PCB板厚度并设计图案以使封装应力最小，因为这种应力会改变仪表放大器的失调电压、增益精度和共模抑制性能。

　　AD8235安装在PCB的中央。电路板应力（热和机械应力）在PCB中央最小，越往PCB边缘越大。由于AD8235只有1.6mm×2.0mm，它承受的裸片应力比更大的WLCSP要小。使用0.8mm的超薄PCB板也能减少应力，因为这种PCB板更加柔韧，并且符合热-机械应力感应期间的裸片特性。另外，当PCB弯曲时，由于AD8235焊接在很小比例的表面积上，与PCB的剩余地方相比，AD8235下方区域经受的弯曲变化最小。由于走线宽度保持在焊盘开窗直径的三分之二，因此这种弯曲影响还能得到进一步的补偿。保持三分之二这个比例可以确保焊料凸块不会完全流到走线上，这样封装能保持牢固地连接在电路板上，并具有合理的直立高度。这里选择的ENIG焊盘终饰层是小于0.05μm的金层，可确保可靠的焊点形成。