Maxim晶圆级封装组装指南

晶圆级封装 （WLP） 允许将集成电路 （IC） 面朝下连接到印刷电路板 （PCB），芯片的焊盘通过单个焊球连接到 PCB 焊盘。本文档介绍打包技术及其优点。本文介绍了Maxim WLP的印刷电路板（PCB）布局和装配工艺开发。

晶圆级封装 （WLP） 使用单个焊球将集成电路 （IC） 连接到印刷电路板 （PCB）。IC面朝下安装。该技术与其他基于球栅阵列、引线和层压板的CSP不同，因为没有键合线或中介层连接。其主要优点是IC至PCB板电感最小化。次要好处是减小封装尺寸和制造周期时间，以及增强导热特性。

本文档介绍Maxim WLP的印刷电路板（PCB）布局和装配工艺开发。请注意，它适用于初始PCB布局设计和组装工艺开发，不承担客户最终产品的任何可靠性目标。客户仍然需要验证其指定的最终产品寿命可靠性要求。

包装结构

　　Maxim封装概述

　　WLP焊料凸点互连通过在硅晶圆衬底上构建而成。在晶圆电路表面上涂上BCB（苯并环丁烯）树脂膜。该薄膜为球连接和模具表面的电气隔离提供机械应力消除。过孔在BCB薄膜中成像，提供与IC键合焊盘的电接触。在通孔上添加 UBM（凸块下金属）层。通常，BCB的第二次应用用作阻焊层，以定义回流焊球的直径和位置。目前的封装I/O设计包括1个至63个可焊接端子，见图37。标准焊料凸块合金为共晶 Sn95Pb5、“高铅”Pb96Sn5 和“无铅”Sn3.0Ag5Cu2.1。单个WLP焊料凸点结构的横截面如图《》所示。组件的背面是裸硅，带有激光刻有 Pin-《》 指示符和识别码。双金属层再分布 （RDL） 工艺允许将焊料凸点从外围键焊盘移动到任何凸块阵列图案。

图1.通用 2 焊球 CSP、55 焊球倒装芯片、4 x 4 UCSP™。

图2.通用 WLP 构造的横截面图。

WLP 载带

所有WLP仅以卷带（T&R）格式发货。卷带要求基于EIA-481和EIA-746&747标准。典型的卷带结构如图3所示。所有Maxim倒装芯片和CSP器件均采用压花袋载带和压封胶（PSA）盖带，采用7in或13in卷盘格式。其他类型的载带，如冲浪带或冲浪带-精简版，以及其他卷盘尺寸可根据要求提供。

图3.典型的 WLP 载带结构。

球朝下放在卷带托架中。引脚 1 在载带的每个口袋中方向一致。盖带应具有 0.1N 至 1.0N 的总剥离强度（10gf 至 102gf 校准刻度读数）。

印刷电路板布局

PCB 设计要求基于 IPC-A-600 和 IPC-6012A 标准.标准 FR4（Tg = 120°C 至 150°C）覆铜板可用于峰值温度高达 240°C 的所有焊料回流曲线，推荐使用 4°C 至 170°C 峰值温度的焊接回流曲线的高性能 FR185 或 BT 层压板（Tg = 240°C 至 270°C）。化学镀镍沉金（ENIG）是所有Maxim焊料凸点合金PCB铜焊盘表面光洁度（最小3微英寸/最大20微英寸金超过最小100微英寸/最大300微英寸镍）的首选电镀。铜焊盘上的有机表面保护（OSP）涂层也是可以接受的。

对于所有焊料凸点栅格阵列封装，非阻焊层定义 （NSMD） 焊盘始终优于阻焊层定义 （SMD） 焊盘。建议在所有焊盘之间使用阻焊层，阻焊层设计焊盘间隙为 0.002 英寸至 0.003 英寸。可折叠焊料凸块回流焊（共晶Sn-Pb和无铅）的焊盘尺寸通常比焊料凸块最大直径小20%至25%，这使得所得焊点能够达到最大的元件间距高度。不可折叠焊料凸块回流焊 （High-Pb） 的焊盘尺寸通常比焊料凸块最大直径大 0.002 英寸至 0.004 英寸，这使得焊料润湿和焊点接受度的 X 射线检测成为可能。这种“高铅”焊点焊盘设计规则的唯一例外是Maxim 2焊点CSP（图1），其推荐的焊盘模式为1：1，最大凸点尺寸，以尽量减少焊料回流期间发生的固有凸块设计芯片倾斜。土地图案可以是圆形或方形。焊盘和连接走线应对称排列，以防止焊料回流过程中的偏心润湿力。为防止焊锡被盗，每个NSMD铜焊盘应仅通过一条信号走线连接，走线宽度不超过其连接的NSMD铜焊盘直径的1/2。

应选择所有WLP元件PCB位置，以便相邻元件可能包含更高的封装，这些封装可以覆盖WLP，并防止潜在的接触损坏。

PCB组装工艺流程

锡膏丝网印刷工艺

锡膏丝网印刷过程控制对于PCB组装良率和焊点互连的可靠性至关重要。必须检查焊膏高度、焊盘覆盖率和可焊接焊盘图案的套准精度。

焊膏选择：使用类型 3（25 至 45 微米焊球粒径）或类型 4（20 至 38 微米），具体取决于焊模板孔径尺寸限制。建议使用低卤化物（< 100ppm卤化物）免清洗松香/树脂助焊剂系统，J-STD-004名称ROL0/REL0，以消除回流焊组件后的清洁操作。

焊料模板制造： 使用激光切割不锈钢箔与电抛光或镍基金属电铸箔工艺.镍E-form工艺更昂贵，但从超小孔径提供最可重复的焊膏沉积，并且具有形成任何客户要求的模板厚度的优点。这些制造工艺中具有梯形横截面的模板开口也增强了焊膏的释放。

焊接模板孔径设计：激光切割SS使用≥ 0.75的孔径长宽比，E-Form Ni使用≥0.66的孔径长宽比，方形（25微米角半径）与圆形孔径优先，以提高焊膏沉积的可重复性。孔径长宽比定义为孔径开口面积除以孔径侧壁表面积。或者，可以使用焊盘的孔径X和Y偏移来最大化焊膏沉积物之间的分离，并最大限度地减少焊料桥接的可能性，如图4和图5所示。

焊锡模板厚度： 焊锡钢网厚度不应超过焊料凸点高度.焊接模板厚度必须结合所选孔径设计达到孔径纵横比要求.当这些模板设计要求与混合技术PCB组件中其他所需的SMT组件发生冲突时， 可以使用符合IPC-7525设计标准的降压模板或双打印模板工艺.

图4.2 x 2 UCSP偏移孔径焊接模板设计示例。

图5.DS2761X倒装芯片偏置孔径焊接模板设计示例

元件放置

所有Maxim WLP硅芯片均可通过真空喷嘴从袋载带卷盘中拾取，并使用标准自动小间距IC拾取和放置机器放置在PCB基板上，贴装精度≤为0.050mm，4σ。所有拾取和放置系统也需要固定式卷带进料器底座。使用机械定心拾取装置的系统是不可接受的，因为硅封装极有可能造成机械损坏。

自动拾取和放置系统的放置精度还取决于其包装轮廓居中与凸块网格阵列居中的视觉对齐。封装外形居中用于更高速的贴装，对准精度要求降低，凹凸网格阵列视觉居中用于在较低的贴装率下实现最大的对准精度。从凸块网格阵列质心位置出发的最大封装外形质心x，y设计公差为±0.035mm。

在 X 和 Y 方向上，为确保焊料回流润湿力的自定心对齐，最大建议允许焊锡凸点放置偏移从 PCB 焊盘中心偏移 ±0.100mm。

所有硅芯片封装接触力应控制在≤ 2N （204gf）。实际放置力应使用带仪表的校准称重传感器定期测量。

2D透射X射线检测是放置精度验证和测量所必需的。

锡膏回流

Maxim的WLP与行业标准的焊料回流工艺兼容。氮气惰性气氛回流焊是可选的。

建议使用强制气体对流回流炉，以在整个过程中控制传热速率。

WLP 焊料凸块组件可进行多达三个标准回流循环。

建议将 2D 透射 X 射线或 3D X 射线层压法作为回流焊点检测样品监测方法，用于检测焊料短路、焊料不足、焊点内空隙和潜在的焊料打开。

共晶 Sn-Pb 焊膏回流回流至共晶 Sn-Pb 和“高铅”焊料凸块 WLP：标称峰值温度为 220°C ±15°C，熔点高于 183°C 的时间为 60 秒±15 秒，应在机器设置时通过在线热电偶测量烘箱分析进行验证。典型的共晶Sn-Pb焊膏回流焊温度曲线如图6所示。建议将共晶Sn-Pb焊膏回流焊至“高铅”焊料凸点WLP，以进一步增强凸块界面处的金属间粘结层。

“无铅”焊膏回流焊：标称峰值温度为250°C±10°C，高于217°C至221°C熔点的时间为60s±15s，应在机器设置时通过在线热电偶测量烘箱分析进行验证。Sn7.96Ag5.3和SnAg（5-2）Cu（4.0-5.0）合金的典型“无铅”焊膏回流温度曲线如图8所示。

有关无铅的更多信息。

图7.Sn96.5Ag3.5和Sn-Ag-Cu“无铅”焊膏的典型温度曲线。

组件返工

WLP 返工采用与返工典型球栅阵列 （BGA） 相同的过程。

WLP去除使用与原始回流曲线相当的局部加热，采用热气对流烟囱喷嘴和底部预热。

一旦喷嘴温度超过焊点熔点，可以使用塑料镊子或真空工具去除有缺陷的部件。

PCB焊盘必须使用温控烙铁重新表面处理。

然后将凝胶或粘性助焊剂涂在焊盘上。

使用真空针拾取工具拾取替换零件，并使用视觉对齐放置夹具准确放置。

回流焊部件采用与热气对流喷嘴相同的底部预热，按照原回流曲线规格。

环氧树脂封装（所有倒装芯片板载组件都需要）

可以将毛细管底部填充环氧树脂和/或 Glob-Top 环氧树脂封装添加到组装的 CSP 电路中，以提高焊点互连的机械强度，并提供比没有环氧树脂封装的组件高达 10 倍的加速热循环 （ATC） 测试可靠性增强。这种“封装效应”提高了环氧粘合剂在芯片和基板之间的机械耦合机制的性能。环氧树脂封装还为湿气、湿度和化学污染提供了物理屏障。此外，底部填充环氧树脂为相邻焊料凸块之间的热循环应力引起的焊料蠕变提供了物理屏障，而 Glob-Top 环氧树脂则提供了物理保护，防止机械接触损坏 WLP 的背面硅表面和边缘。

材料属性注意事项

固化环氧树脂线性膨胀系数 （CTE） 与焊点互连相匹配， Sn63Pb37 （21ppm/°C） - Pb95Sn5 （29ppm/°C）， 65% 至 70% 二氧化硅填料。

高玻璃化转变 （Tg） 以达到所有产品储存寿命温度要求（最小固化环氧树脂 Tg ≥基材 Tg;FR4 = 120°C 至 135°C，BT/增强型 FR4 = 170°C 至 185°C）。

对 BCB 钝化和 LPI 阻焊层具有高粘合性能。

低离子<100ppm的总卤化物。

低粘度和快速流速，最小间隙尺寸可达 50 毫米（2 密耳）。

低翘曲，低收缩基体。

吸湿性极小。

目视检查验收标准

底部填充环氧树脂必须在模具的整个周边实现连续的正圆角，不允许有空隙。正圆角定义为与模具底部侧边缘的最小接触高度和不超过模具顶部边缘的最大接触高度。此外，圆角必须表现出从外部模具边缘到基板表面的正润湿角。

可见环氧树脂表面积必须均匀，没有空隙和针孔。

环氧树脂不得与任何装配所需的电接触表面相邻。

垂直扫描声学显微镜（C-SAM）成像可用作底部填充检测中空隙的分析方法，如图9和图10所示。

液体环氧树脂分配重量增加测量可以用作监测SPC能力的简单方法。

图8.环氧树脂封装选项。

图9.垂直扫描声学显微镜（C-SAM）成像示例。

图10.垂直扫描声学显微镜（C-SAM）成像示例。

包装和运输

为防止损坏 WLP 组件，在处理、包装和运输 WLP 组件时必须小心，尤其是在 WLP 安装时没有环氧树脂封装时。必须审查和优化装配现场对使用 WLP 安装的 PCB 的封装规格。

审核编辑：郭婷