借助晶圓級芯片級封裝，介入性檢測、醫學植入體、一次性監護儀等便攜式醫療設備的設計師可以減小尺寸、降低功耗需求。

在醫療設備設計領域，一個重要趨勢是提高這些設備的便攜性，使其走近病人，進入診所或病人家中。這涉及到設計的方方面面，尤其是尺寸和功耗。晶圓級芯片級封裝(WLCSP)的運用對減小這些設備電子組件的尺寸起到了極大的助推作用。

此類新型應用包括介入性檢測、醫學植入體和一次性便攜式監護儀。但是為了最大限度地發揮出WLCSP封裝在性能和可靠性方面的潛力，設計師必須在印刷電路板(PCB)焊盤圖形、焊盤表面和電路板厚度的設計方面貫徹最佳實踐做法。

晶圓級芯片級封裝是倒裝芯片互聯技術的一個變體(圖1)。在WLCSP中，芯片活性面采用反轉式設計，通過焊球連接至PCB。一般地，這些焊球的尺寸足夠大(0.5 mm間距，回流前為300 μm，0.4 mm間距，回流前為250 um)，無需倒裝互聯技術所需要的底部填充。該互聯技術有多個優勢。

首先，由于消除了第一級封裝(塑封材料、引腳架構或有機基板)，因而可以節省大幅空間。例如，一個8引腳WLCSP所占電路板面積僅相當于一個8引腳SOIC的8%。其次，由于消除了標準塑封中使用的線焊和引腳，因而可以減小電感，提高電氣性能。

另外，由于消除了引腳架構和塑封材料，因而可以減輕重量，降低封裝厚度。無需底部填充，因為可以使用標準表貼(SMT)組裝設備。最后，低質芯片在焊錫固化期間具有自動對齊特性，有利于提高裝配成品率。

封裝結構

WLCSP在結構上可分為兩類：直接凸點和再分配層(RDL)。

直接凸點WLCSP包括一個可選的有機層(聚酰亞胺)，充當芯片活性面的應力緩沖層。聚酰亞胺覆蓋著芯片上除焊盤周圍開口之外的所有區域。該開口上噴涂有或鍍有一層凸點下金屬(UBM)。UBM由不同的金屬層疊加而成，充當擴散層、阻擋層、浸潤層和抗氧化層。將焊球滴落(這是其稱為落球的原因)在UBM上，并經回流形成焊接凸點(圖2)。

運用RDL技術，可以把針對線焊設計的芯片(焊盤沿外圍排列)轉換成WLCSP。與直接凸點不同，這類WLCSP采用了兩個聚酰亞胺層。第一個聚酰亞胺層沉淀在芯片上，使焊盤保持開放。然后噴涂或鍍上一層RDL，把外圍陣列轉換成面積陣列。然后，構造工藝與直接凸點相同，包括第二層聚酰亞胺、UBM和落球(圖3)。

落球后則是晶圓背面研磨、激光打標、測試、分離及卷帶和卷盤。在背面研磨工序之后，還可選擇施用背面層壓板，以減少切割時造成的芯片脫離問題，簡化封裝處理工作。

最佳PCB設計實踐

電路板設計的關鍵參數為焊盤開口、焊盤類型、焊盤表面和電路板厚度。基于IPC標準，焊盤開口等于UBM開口。對于0.5 mm間距WLCSP，典型焊盤開口為250 μm，0.4 mm間距WLCSP為200 μm(圖4)。

阻焊層開口為100 μm與焊盤開口之和。走線寬度應小于焊盤開口的三分之二。增加走線寬度可以減少焊接凸點的支柱高度。因此，維持正確的走線寬度比對于確保焊點可靠性也很重要。對于電路板制造來說，表貼裝配使用兩類焊盤圖形(圖5)：

非阻焊層限定(NSMD)：PCB上的金屬焊盤(I/O裝在其 上)小于阻焊層開口。

阻焊層限定(SMD)： 阻焊層開口小于金屬焊盤。

由于銅蝕刻工藝比阻焊開口工藝有著更加嚴格的控制，因此NSMD比SMD更常用。NSMD焊盤上的阻焊開口比銅焊盤大，使焊錫可以依附于銅焊盤四周，從而提高焊點的可靠性。

金屬焊盤上的表層對裝配成品率和可靠性都有著深刻的影響。采用的典型金屬焊盤表面處理工藝為有機表面防腐(OSP)和無電鍍鎳浸金(ENIG)兩種。金屬焊盤上OSP表層的厚度為0.2 μm至0.5 μm。該表層會在回流焊工序中蒸發，焊料與金屬焊盤之間會發生界面反應。

ENIG表層由5 μm的無電鍍鎳和0.02 μm至0.05 μm的金構成。在回流焊過程中，金層快速溶解，然后，鎳和焊料之間會發生反應。非常重要的是，要使金層的厚度保持在0.05 μm以下，以防形成脆性金屬間化合物。標準的電路板厚度范圍在0.4 mm至2.3 mm之間。選擇的厚度取決于已填充系統組件的魯棒性。較薄的電路板會導致焊接接頭在熱負載條件下的剪切應力范圍、爬電剪切應變范圍和爬電應變能量密度范圍變小。因此，較薄的積層電路板會延長焊接接頭的熱疲勞壽命。

測試和評估

結合前述變量，WLCSP的可靠性通過對器件進行加速壓力測試來評估，此類測試包括高溫存儲(HTS)、高加速壓力測試(HAST)、高壓鍋測試、溫度循環、高溫工作壽命測試(HTOL)和無偏高加速壓力測試(UHAST)。除了熱機械誘導性壓力測試以外，還要進行墜落、彎曲等機械測試。

HTS測試旨在確定在不施加任何電應力的情況下，高溫條件下長期存儲對器件的影響。該測試評估器件在高溫條件下的長期可靠性。典型測試條件為在150°C和/或175°C下持續1000小時。實施測試時要把器件暴露在指定環境溫度之下，并持續指定的時長。