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摘要：本文詳細討論了Maxim的晶片級封裝(WL-CSP)，其中包括：晶圓架構、卷帶包裝、PCB布局、安裝及回流焊等問題。本文還按照IPC和JEDEC標準提供了可靠性測試數據。
注：最終用戶及安裝人員應該負責提供其行業標準要求設計和裝配文件，行業標準文件包括(但不限于)以下內容：
圖1. 4 x 4 WL-CSP照片，減少了兩個球柵陣列的位置，電路側視圖
WL-CSP封裝技術最根本的優點是IC到PCB之間的電感很小，第二個優點是縮小了封裝尺寸并縮短了生產周期，提高了熱傳導性能。
WL-CSP焊球陣列是基于具有均勻柵距的矩形柵格排列。WL-CSP球陣列可以包含任意行(2至6)和任意列(2至6)數。焊球材料由頂標中A1位置的標示符表示(見圖2中的頂標A1)。A1為光刻的雙同心圓時，表示焊膏采用的是低熔點的SnPb；對于無鉛焊膏，A1處采用加號表示。
所有無鉛WL-CSP產品底部的晶片迭層采用標準的聚合物薄膜保護層，該聚合物材料為硅片底部提供機械接觸和UV光照保護。
圖2. 傳統的的WL-CSP封裝外形圖，6 x 6陣列
圖3. 卷帶內部允許CSP器件的最大旋轉位置
圖4. WL-CSP的SMD與NSMD焊盤設計
圖5. 非阻焊層限定(NSMD) PCB的刨面圖
過孔形狀
對于球柵陣列，建議采用聚焦紅外技術，而不是傳統的熱氣BGA返修系統。聚焦IR設備能夠精確地定位引腳，消除回流焊錫，即使替換最小尺寸的CSP也不會由于受熱造成與相鄰元件的接觸。
表2. 晶片級測試
表3. 電路板級測試結果(WL-CSP元件安裝在1.0mm厚的FR4–FR5板上)
Maxim的WL-CSP產品可靠性測試結果列在表4至表8。0.5mm焊球間隔、焊球陣列高達6 x 6的無鉛WL-CSP產品均已通過認證測試。
表4. 晶片級高溫保存期限(HTSL)的測試數據(3個批次)
表5. 晶片級1級潮濕敏感度回流預處理測試數據(3個批次)
表6. 電路板級失效測試數據(累計失效)
表7. 電路板級加速溫度周期變化(TC)的測試數據(3個批次)
表8. 電路板級高溫工作期限(HTOL)的測試數據(每次3批)
注：最終用戶及安裝人員應該負責提供其行業標準要求設計和裝配文件，行業標準文件包括(但不限于)以下內容：
- 電子工業聯接協會(IPC)
- 半導體標準行業協會(JEDEC)
- 電子工業協會(EIA)
- 國際電子制造聯合會(iNEMI)
- 國際電工委員會(IEC)
- 美國國家標準學會(ANSI)
- Jisso國際理事會(JIC)
- 日本印刷電路工業會(JPCA)
- 線束及組件制造商協會(WHMA)
概述
晶片級(WL)芯片封裝(CSP)是一種可以使集成電路(IC)面向下貼裝到印刷電路板(PCB)上的CSP封裝技術，采用傳統的SMT安裝工藝。芯片焊盤通過獨立的焊球直接焊接到PCB焊盤，不需要任何填充材料(圖1)。WL-CSP技術與球柵陣列、引線型和基于層壓成型的CSP封裝技術不同，它沒有綁定線或引出線。圖1. 4 x 4 WL-CSP照片，減少了兩個球柵陣列的位置，電路側視圖
WL-CSP封裝技術最根本的優點是IC到PCB之間的電感很小，第二個優點是縮小了封裝尺寸并縮短了生產周期，提高了熱傳導性能。
WL-CSP結構
Maxim的WL-CSP球柵陣列是在硅晶片襯底上建立的封裝內部互連結構。在晶片表面附上一層電介質重復鈍化的聚合物薄膜。這層薄膜減輕了焊球連接處的機械壓力并在管芯表面提供電氣隔離。在聚合物薄膜內采用成相技術制作過孔，通過它實現與IC綁定盤的電氣連接。WL-CSP焊球陣列是基于具有均勻柵距的矩形柵格排列。WL-CSP球陣列可以包含任意行(2至6)和任意列(2至6)數。焊球材料由頂標中A1位置的標示符表示(見圖2中的頂標A1)。A1為光刻的雙同心圓時，表示焊膏采用的是低熔點的SnPb；對于無鉛焊膏，A1處采用加號表示。
所有無鉛WL-CSP產品底部的晶片迭層采用標準的聚合物薄膜保護層，該聚合物材料為硅片底部提供機械接觸和UV光照保護。
WL-CSP球柵陣列設計和尺寸
Maxim的WL-CSP 0.5mm間隔的球柵陣列封裝通常設計為2 x 2至6 x 6焊球矩陣(圖2)，詳細的WL-CSP尺寸圖可從網站下載：Maxim封裝圖。根據特殊器件的設計要求，焊球陣列的也可能突破最大焊球數。圖2. 傳統的的WL-CSP封裝外形圖，6 x 6陣列
WL-CSP載帶
參考文獻：- ANSI/EIA-481-1-A 8mm和12mm表貼元件卷帶，用于自動處理流程。
- EIA/IS-763裸片和晶片級封裝包裝帶，8mm & 12mm載帶，用于自動處理流程。
- IEC60286-3自動處理流程元件包裝—第3章：表貼元件的載帶包裝。
- 卷帶的凹槽應該在元件周圍提供足夠的空間，以確保：
- 器件不會超出載帶的上下任一個表面。
- 揭開封帶時，元件不受任何機械力的約束，能從凹槽中垂直取出。
- 元件的旋轉位置限制在±10°以內(見圖3)。
- 最小半徑R是體現包裝帶設計和材料機械彎曲特性的半徑值。實際的卷帶中軸半徑必需大于最小值R。按照常規方向裝有元件的卷帶在彎曲半徑大于最小值R時不會對載帶和元件造成損害。用戶應該對卷帶在送料器和任意其它處理、運輸、儲存過程中的條件進行設置，使其彎曲半徑總是大于最小值R。
- 條形碼標志(如果需要)應該在載帶與鏈輪齒孔相反的一側，參見EIA556。
- 如果卷帶凹槽的間隔為2.0mm，卷帶可能無法合適地裝進所有的送料器。
- 卷帶包裝里焊球朝下，包裝帶每一個凹槽的A1引腳方向保持一致。左上角有A1引腳位置的標記(圖2)。
- 封帶的總剝離力應該在0.1 N到1.0 N之間(標定刻度的讀數為10克力到100克力)。拉力的方向應該與包裝帶移動的方向相反，封帶與包裝帶成165°至180°角。在剝離的過程中卷帶/封帶的剝離速度應該是300mm ±10mm/分鐘。
圖3. 卷帶內部允許CSP器件的最大旋轉位置
WL-CSP封裝的PCB安裝流程及實施
參考文獻：- IPC-7094關于倒裝芯片及裸片的設計和安裝流程
PCB設計規則
參考文獻：- IPC-A-600可接受的印刷電路板。
- IPC-6011關于印刷電路板的通用規格說明。
- IPC-6012關于剛性印刷電路板的認證和規格說明。
- IPC-6013關于柔性印刷電路板的認證和規格說明。
- IPC-6016關于高密度內部互連(HDI)板層或電路板的認證和規格說明。
- IPC-D-279關于表面貼裝印刷電路板安裝的可靠設計指南。
- IPC-2221關于印刷電路板設計的通用標準。
- IPC-2222關于剛性印刷電路板的組合設計標準。
- IPC-2223關于柔性印刷電路板的組合設計標準。
- IPC-2226關于高密度陣列或表貼架構外設的設計標準。
- 布板設計中，WL-CSP器件應該放置在機械應力和張力受力最均勻的位置，可能的話，可以在周圍放置更高高度的器件作為支撐。
- 對于雙層安裝器件的PCB設計，應該在WL-CSP封裝中心位置的對面安裝封裝尺寸更大器件。
安裝模板設計
參考文獻：- IPC-7351關于表貼設計的常規要求和安裝模板的標準。
- 阻焊層限定(SMD)
- SMD焊盤在金屬表面帶有阻焊層開槽。
- 阻焊層開口小于金屬焊盤。
- 阻焊層開槽材料一般為LPI (可成像液體感光膠)，必須采用合適的材料以滿足任何SMT處理工藝的要求。
- 非阻焊層限定(NSMD)
- NSMD焊盤(圖5)為金屬限定焊盤，焊盤周圍有一個相應的阻焊層。
- 阻焊層開口大于金屬焊盤。
- 阻焊層開槽材料一般為LPI (可成像液體感光膠)，必須采用合適的材料以滿足任何SMT處理工藝的要求。
圖4. WL-CSP的SMD與NSMD焊盤設計
圖5. 非阻焊層限定(NSMD) PCB的刨面圖
- 選擇NSMD與SMD焊盤時必須考慮功率、接地和信號走向的要求。
- 考慮到元件焊球件的微小間隔，NSMD焊盤更容易布線。使用微過孔是簡化布板的另一個途徑。
- 特殊的微過孔設計可以避免表面空間，例如，采用“焊盤內過孔”設計。
- 空間允許的話，可以在焊盤相鄰處放置一個過孔，可以方便布線，例如，“狗骨”式互連設計。
- 對于相同類型的封裝，在一塊PCB上不要混合使用不同類型的焊盤。
- 建議在所有焊盤之間使用阻焊層。
- 連接焊盤的引線寬度應該小于1/2的焊盤直徑，WL-CSP球柵陣列的各側布線應該保持對稱。
| WL-CSP Ball Pitch | Nominal Ball Size Diameter | Standard Land Size Reduction | Nominal Land Size Diameter | Land Size Diameter Range |
| 500 | 350 | 20% | 275 | 225 to 325 |
| 500 | 300 | 20% | 250 | 200 to 300 |
| 400 | 250 | 20% | 200 | 175 to 225 |
金屬表面涂層
- 有機可焊性保護層(OSP)
- 無電鍍鎳/浸金(ENIG)
- 浸錫電鍍：不推薦使用熱風整平(HASL)錫電鍍。
無鉛PCB安裝材料
- 高溫FR4-FR5玻璃鱗片環氧樹脂，對于無鉛/符合RoHS標準的回流焊工藝，Tg (玻璃化溫度) ≥ 170°C。
- 可選擇BT壓層材料。
- 酚醛玻璃鱗片環氧樹脂材料：對于多次無鉛回流安裝，不推薦使用雙氰胺(“dicy”) FR4材料。
焊膏印刷版膜過孔設計
參考文獻：- IPC-7525版膜設計指南。
過孔形狀
- 為了改善焊膏從版膜的滲透，方形過孔優于圓形過孔。
- 采用梯形過孔，底層面積大于頂層面積。
- 過孔的四角可以采用弧形，以避免過孔中存在殘留焊膏。
PCB焊膏材料
- 使用與焊球合金一致的焊膏或助焊劑材料。
- 使用低鹵化物材料。
- 免洗松香助焊劑/松香可以省去手續的清洗流程。
- 使用3型或4型尺寸的焊膏。
SMT工藝流程
焊接版膜的制作
采用光刻不銹鋼箔，采用電解法拋光或鎳電鍍(E-form)金屬箔處理工藝。鎳電鍍成本較高，但容易在超小過孔處重復沉積焊膏，而且可以根據用戶要求構成任意厚度的版膜。自動放置元件
- 需要固定卷帶送料器底座。
- 送料器底座松動會造成元件損失。
- 使用帶照相定位的真空領紙裝置或激光對準裝置固定元件中心。
- 最好不要使用機械對準裝置。
- 在PCB表面的安裝高度必須精確，Z軸超程置為零或極小的負值。
- 同樣適用于從卷帶送料器拾取元件。
- 需要控制并監測所有WL-CSP硅片的垂直壓力，建議在放置器件時選擇機器作用力的下限，并適當降低放置探頭的速度。
- 對于所有芯片級封裝，建議測量放置元件時的垂直壓力，將其作為機器設置流程的一個必要步驟。
- 用于放置元件的機器供應商可能提供特殊的低壓力管口設置選項以及相應的端口，用于芯片級封裝的安裝。
- 放置元件時可能需要借助工具，以避免產生PCB位置偏移。
- 選擇1：對于需要二次安裝的設備，建議使用定制的PCB板裝載器/托盤，這是一種最可靠的方式，可以避免元件互連以及后續的安裝過程中產生PCB底層的位置偏移。
- 選擇2：任何二次裝配的拾取機器操作時都可以利用支持PCB底層的可調節引腳，這對于高強度或高度密集的元件布板都是必要的。這些廉價工具通常在購買定位機時作為配件贈送，也可以從供應商處單獨購買。
- 任何情況下，需要對芯片級封裝采用人工操作時，都要使用真空筆進行操作。
焊膏回流
參考文獻：- IPC J-STD-020非密封固態表貼器件的潮濕敏感度等級，1級潮濕敏感度。
- 所有Maxim WL-CSP器件符合工業標準的回流焊處理工藝。
- 可以選擇氮惰性氣體回流焊，但是，使用氮惰性氣體時隨著空氣回流回增大無鉛WL-CSP元件中心對PCB焊盤的受力(見圖6和7)。
- 推薦使用強制氣體對流回流爐。
- WL-CSP元件能夠經受三次標準的回流焊。
圖6. 易溶解的SnPb焊球WL-CSP的典型回流溫度曲線。
圖7. 無鉛SAC焊球WL-CSP的典型回流溫度曲線
注：1) 150s至210s浸錫區域限定在綠色曲線范圍內；2) 溫度高于220°C的時間限定在60s至90s區域；3) 溫度高于235°C的時間在10s至30s；4) 峰值溫度的時間限定在240s至360s。 請參考：J-STD-202 Rev D， 表4.1-4.2和5.2。
注：上述溫度曲線僅供參考，實際回流溫度應該按照回流爐規格、焊膏、元器件以及PCB安裝工藝進行調整。
- 推薦使用2D X射線或3D X射線分層攝影法作為回流焊之后取樣檢查焊結短路、焊錫不足、漏焊及潛在的開路問題。
WL-CSP返修
返修只能在受控制或規定的流程下進行操作，以避免機械操作或ESD造成硅片電路的損壞。對于球柵陣列，建議采用聚焦紅外技術，而不是傳統的熱氣BGA返修系統。聚焦IR設備能夠精確地定位引腳，消除回流焊錫，即使替換最小尺寸的CSP也不會由于受熱造成與相鄰元件的接觸。
包裝與運輸
為了防止損壞WL-CSP封裝元件，包裝與運輸WL-CSP安裝件或組件時必需小心。Maxim WL-CSP可靠性數據
Maxim WL-CSP測試條件
參考文獻：- JESD47集成電路應力測試規定。
表2. 晶片級測試
| Reliability Test | Test Condition and Sampling Plan |
| High-Temperature Storage Life (HTSL) | JESD22-A103 (150°C/1000 hours, no bias; three lots with 0/77 per lot) |
| Moisture Sensitivity Level 1 Solder Reflow (MSL 1) | J-STD-20 (three reflow passes at 260°C max peak temperature; three lots with 0/150 per lot) |
表3. 電路板級測試結果(WL-CSP元件安裝在1.0mm厚的FR4–FR5板上)
| Reliability Test | Test Condition and Sampling Plan |
| High-Temperature Operating Life (HTOL) | JESD22-A108 (135°C ambient, with bias, 1000 hrs; three lots with 0/77 per lot) |
| Drop Test (DT) | JESD22-B111 (1500Gs, 0.5msec, half sine pulse; one lot with 0/60, 150 drops min) |
| Temperature Cycling (TC) Test | JESD22-A104 condition G (-40°C to +125°C, 1000 cycles, ramp rate 11°C/minute, dwell = 15 minutes, one cycle/hour; three lots with 0/77 per lot) |
| Temperature Humidity and Bias (THB) Steady State |
JESD22-A101 (85°C, 85% RH, max operating voltage; three lots with 0/77 per lot) |
Maxim的WL-CSP產品可靠性測試結果列在表4至表8。0.5mm焊球間隔、焊球陣列高達6 x 6的無鉛WL-CSP產品均已通過認證測試。
Maxim無鉛(SAC305) WL-CSP可靠性測試數據
注：SAC305焊球(LF45)、Sn96.5/Ag3.0/Cu0.5金屬合成物。表4. 晶片級高溫保存期限(HTSL)的測試數據(3個批次)
| High-Temp Storage (HTS) | 500hr | 1000hr |
| 6 x 6 array | 0/240 | 0/240 |
| 5 x 4 array | 0/154 | 0/154 |
| 3 x 3 array | 0/180 | 0/180 |
| 3 x 4 array | 0/231 | 0/231 |
表5. 晶片級1級潮濕敏感度回流預處理測試數據(3個批次)
| Moisture Sensitivity Level 1 | Conditions | Results |
| 6 x 6 array | 3x reflow passes, 260°C max | 0/150 |
| 5 x 4 array | 3x reflow passes, 260°C max | 0/150 |
| 3 x 3 array | 3x reflow passes, 260°C max | 0/90 (two Lots) |
| 3 x 4 array | 3x reflow passes, 260°C max | 0/450 |
表6. 電路板級失效測試數據(累計失效)
| Drop Test | 30x | 50x | 100x | 150x | 200x | 300x | 400x | 500x |
| 6 x 6 array | 0/120 | 0/120 | 0/120 | 0/120 | 0/120 | 0/120 | 0/120 | 0/120 |
表7. 電路板級加速溫度周期變化(TC)的測試數據(3個批次)
| Temperature Cycle Test | 250x | 500x | 750x | 1000x |
| 6 x 6 array | 0/231 | 0/231 | 0/231 | 0/231 |
| 5 x 4 array | 0/231 | 0/231 | 0/231 | 0/231 |
| 3 x 3 array | 0/135 | 0/135 | 0/135 | 0/135 |
| 3 x 4 array | 0/231 | 0/231 | 0/231 | 0/231 |
表8. 電路板級高溫工作期限(HTOL)的測試數據(每次3批)
| HTOL Test | 500hr | 1000hr |
| 6 x 6 array | 0/45 | 0/45 |
| 5 x 4 array | 0/45 | 0/45 |
| 3 x 3 array | 0/40 | 0/40 |
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