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。
1 H8 E- r3 f( z$ v; @图 1. 10 x 10 WLP 侧视图照片
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WLP 结构
: n& ~( |% ^" DMaxim 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。
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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。
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WLP 球栅阵列设计和尺寸" _/ R5 @+ h4 f. P
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
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WLP 载带# ]4 O9 v$ q% I) m" X+ l* U& p
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。
$ X) {' O! G& J2 ePCB 安装流程及实施- ^4 q% i" S7 Q: n! m
参考文献：
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IPC-7094 关于倒装芯片及裸片的设计和安装流程
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IPC-2223 关于柔性印刷电路板的组合设计标准
r. y6 ]$ W. g0 G' a
IPC-2226 关于高密度阵列或表贴架构外设的设计标准
) ^6 v" L6 j% i% J9 x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。
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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。
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安装模板设计' c1 c0 Z u- w7 o9 N) h! {2 G
参考文献：2 {/ b h6 }* `- T, c( V
IPC-7351 关于表贴设计的常规要求和安装模板的标准
; C- z0 c5 S- w
用于表贴封装元件的焊盘结构有两种(图 3)：
7 y1 g1 f! w2 j0 V) J& U' n; H8 T阻焊层限定(SMD)1 l* k) c& {8 [) U/ u* [" P0 t
SMD 焊盘在金属表面带有阻焊层开槽。
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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。
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非阻焊层限定(NSMD): C, ?) M( a- P( a1 C- |
NSMD 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。
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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。
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图 3. WLP 的 SMD 与 NSMD PCB 焊盘设计$ Y& R7 k2 d, ~8 ?4 O4 L0 G/ M
选择 NSMD 与 SMD 焊盘时必须考虑功率、接地和信号走向的要求。
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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。
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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)。
: h7 D5 p- f# z7 w% O8 y2 l建议在所有焊盘之间使用阻焊层。
3 f. i" H: A; L1 T$ ]9 _连接焊盘的引线宽度应该小于焊盘直径的 60%。
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表 1. Maxim WLP 的 PCB 焊盘尺寸(微米)
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) B* k% A3 S* \/ \7 G/ F金属表面涂层1 S( C& l. ]( U8 ]
有机可焊性保护层(OSP)：允许使用。
6 M1 Y* ~1 l0 ^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。
! m1 y1 u" y0 g$ B/ O6 l无铅 PCB 安装材料
9 A' z, W& n/ l6 Q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。
) X9 i1 ?* L" n8 E4 v焊膏印刷版膜过孔设计- ^8 P) {: a: ^7 M! Y' ^
参考文献：
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- S4 e" V) ^% W& e4 |7 F! N过孔形状
% i) P3 U$ J& D7 R4 A, b6 q. b& [为了改善焊膏从版膜的渗透，方形过孔优于圆形过孔。
' C# T% E! E2 J6 j L* K% o0 s版膜过孔形状应采用梯形，底层面积(PCB 侧)大于顶层面积。
+ k, Y, F! p3 h6 M7 V焊接版膜制作8 ?& g3 C* J) a
版膜可以采用以下两种方法之一制作：
+ a, B* f9 O6 a, x" \9 r6 ~" J' n光刻不锈钢箔，后续采用电解法抛光。
+ N- b, v; m- t z# T! z/ ^; s$ H
镍电镀金属箔。
2 L6 {1 f7 g: K% i; k4 gSMT 工艺流程
; B# J* `4 b" _; b
& N- T. m1 b" W" f/ a2 r1 g
自动放置元件
; N- C6 q/ n3 j* K) A: d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。
9 C. w8 q1 S2 b& d拾取放置时的力度应非常小，以避免物理损坏。
/ ?# |5 L. W5 }* }; a3 n0 m" T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%。
( q% S# n0 B5 Y, g焊膏回流( @8 h# f6 g7 ]& W5 F9 Q
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。
' c) J$ | t, N1 p
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
8 B( P) J h3 g+ E4 Y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。
8 z; |- j" y3 n! l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。
0 r* n I% T: M, B+ N) q
WLP 封装热特性# v5 s$ S& T& y! e
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
3 l! Q1 X, h# j- [$ Q2 e# @$ `图 5. 四层电路板(2s2p)的ΘJB 与焊球数量的关系 ?0 U4 X/ H6 z4 M1 f& }* u
Maxim WLP 可靠性7 O9 O* I0 ]. o! r+ i8 I* E0 y: Q
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。
( @/ I4 x7 B# J e) w0 B* K表 2. 可靠性验证条件
- C! d! M K. T; @
; g" `$ j$ N9 X+ S9 p4 \
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%。
3 z! u! ^: v" S& i' M9 `
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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' ?) a/ D4 Z2 I" r; J*采用 WLP 菊链连接。
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! G5 B" P9 D7 u, p& g8 Y2 S: I
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发表于 2020-11-6 10:07
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