芯片级封装帮助便携式医疗设备减小尺寸和重量

作者：Mike Delaus and Santosh Kudtarkar

晶圆级芯片级封装使设计人员能够 便携式医疗设备，如侵入式传感， 医疗植入物和一次性监视器 - 减小尺寸 和电源要求。

医疗设备设计的主要趋势之一 是使设备更接近患者 医生办公室或自己家里通过制作 这些设备更便携。这涉及所有 设计方面，尤其是影响尺寸和功率 消费。缩小这些电子部分 仪器的使用得到了极大的帮助 晶圆级 芯片级封装 （WLCSP）。

这些新应用包括侵入式传感、医疗 植入物和一次性便携式监视器。但是要得到 在性能和可靠性方面最优秀的WLCSP， 设计人员在设计 印刷电路板 （PCB） 焊盘图案、焊盘表面处理和 板厚度。

晶圆级芯片级封装是倒装芯片的一种变体 互连技术（图1）。对于 WLCSP， 芯片的有源侧倒置并连接到PCB 使用焊球。这些焊球的尺寸通常为 足够大（300 μm 预回流焊，间距为 0.5 mm，250 0.4 mm 间距的 UM 预回流焊），以避免底部填充 倒装芯片互连是必需的。这种互连 技术提供了几个优势。

图1.WLCSP 封装

首先，通过消除 第一级封装（模塑料、引线框架或 有机基质）。例如，一个 8 球 WLCSP 占用 只有8%的电路板面积被8引脚SOIC占用。 接下来，电感降低，电气性能 通过消除用于 标准塑料包装。

此外，设计可实现更轻的重量和更薄的封装 型材，由于消除了引线框架和成型 复合。无需底部填充，作为标准表面贴装 （SMT）组装设备可以使用。和 最后，通过自对准实现高装配良率 焊接连接过程中低质量芯片的特性。

包装结构

WLCSP可分为两种结构类型： 直接凹凸和再分布层 （RDL）。

直接凸块 WLCSP 由可选的有机层组成 （聚酰亚胺），用作有源芯片上的应力缓冲器 表面。聚酰亚胺覆盖整个模具区域，除了 粘合垫周围的开口。一种凹凸不平的冶金 （UBM）层在此开口上溅射或电镀。这 UBM是一堆不同的金属层作为扩散 层、阻隔层、润湿层、抗氧化层。这 焊球掉落（这就是为什么它被称为落球）超过。 UBM并回流形成焊料凸块（图2）。

图2.直接凸块 WLCSP

RDL技术允许为引线键合设计的芯片 （沿外围布置的粘合垫）是 转换为 WLCSP。与直接颠簸相比，这 WLCSP的类型使用两个聚酰亚胺层。第一个 聚酰亚胺层沉积在芯片上，保持粘合 垫打开。RDL层经过溅射或电镀以转换 区域阵列的外围阵列。然后施工 沿着直接凸块，带有第二层聚酰亚胺， UBM和落球（图3）。

图3.重新分发层 （RDL） WLCSP

落球后是晶圆背磨、激光打标、测试、 分离，以及磁带和卷轴。还有一个选项 在背面研磨过程后应用背面层压板 减少锯切过程中引起的模具碎屑并缓解 包裹的处理。

最佳 PCB 设计实践

关键电路板设计参数是焊盘开口、焊盘 类型、焊盘表面处理和电路板厚度。基于IPC 标准，垫开口等于 UBM 开口。这 对于间距为 250.0mm 的 WLCSP，典型焊盘开口为 5 μm 200.0 mm 间距 WLCSP 为 4 μm（图 4）。

图4.垫开口

阻焊层开口为 100 μm 加上焊盘开口. 走线宽度应小于焊盘的三分之二 开放。增加走线宽度可以减少支座 焊料凸点的高度。因此，保持适当的 走线宽度比对于确保可靠性非常重要 焊接连接。对于电路板制造，两种类型的 焊盘/焊盘图案用于表面贴装装配 （图5）：

非阻焊层定义 （NSMD）：PCB 上的金属焊盘（I/O 连接到该焊盘）小于阻焊层开口。

阻焊层定义 （SMD）：阻焊层开口小于金属焊盘

图5.焊盘类型

因为铜蚀刻工艺比铜蚀刻工艺具有更严格的控制 阻焊层开口工艺，NSMD优于 贴片。NSMD 焊盘上的阻焊层开口更大 比铜焊盘，允许焊料附着在 侧面铜焊盘和提高可靠性 焊点。

金属垫上的精加工层对 装配良率和可靠性。典型的金属垫饰面 使用的有有机表面防腐剂（OSP）和化学 镍沉金（ENIG）。OSP 的厚度 金属垫上的光洁度为 0.2 μm 至 0.5 μm。这个完成 在回流焊接过程中蒸发，并且 焊料和金属焊盘之间发生界面反应。

ENIG 饰面由 5 μm 化学镀镍和 0.02微米至0.05微米的金。在回流焊接过程中， 金层迅速溶解，随后反应 镍和焊料。保持 金的厚度低于0.05μm，以防止形成 脆性金属间化合物。标准板厚度 范围从 0.4 毫米到 2.3 毫米。选择的厚度取决于填充系统所需的坚固性 集会。电路板越薄，剪切应力越小 范围、蠕变剪切应变范围和蠕变应变能 热负荷下焊点的密度范围。 因此，更薄的堆积板会导致更长的时间 焊点的热疲劳寿命。

测试和评估

结合上述变量，WLCSP 通过加速对设备进行评估可靠性 压力测试，如高温存储 （HTS），高度 加速压力测试， 高压釜测试， 温度循环、高温工作寿命测试 （HTOL）和无偏高加速压力测试 （超高温）。除了热机械引起的应力 测试，机械测试，如跌落和弯曲测试是 也进行了。

进行 HTS 测试以确定长期效果 在高温下存储在设备上，没有任何 施加的电应力。该测试评估长期 设备在高温条件下的可靠性。 典型的测试条件是 150°C 和/或 175°C 对于 1000 小时。该测试包括将零件暴露在指定的 指定时间内的环境温度。

审核编辑：郭婷