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在医疗设备中使用WLCSP封装的设计考虑
作者: Mike Delaus和Santosh Kudtarkar
便携式医疗保健设备和服务越来越普及。一般来说,这些设备必须高效和“不可见”,因而在低功耗和小体积方面给设计师带来了新的挑战。如今晶圆级芯片级封装(WLCSP)能使以往不可能实现的医学治疗得以实现。这些新的应用包括创伤检测、医学植入以及抛弃型便携式监测仪等。本文首先介绍WLCSP技术,然后讨论PCB连接盘图案、焊盘终饰层和电路板厚度设计的最佳实用技巧,以便发挥WLCSP的最大功效。
如图1所示,WLCSP是倒装芯片互连技术的一个变种。借助WLCSP技术,裸片的有源面被倒置,并使用焊球连接到PCB。这些焊球的尺寸通常足够大(、预回流焊时有300μm),可省去倒装芯片互连所需的底部填充工艺。
图1:WLCSP封装。
这种互连技术有以下一些优点:
通过省去第一层封装(模塑复合材料、引线框或有机基底)可以节省可观的空间。例如,8-ball WLCSP所占电路板面积只有8-lead SOIC的8%。
通过省去标准塑料封装中使用的连接线和引线可以减小电感、提高电气性能。
由于省去了引线框和模塑复合材料,使得封装外形更加轻薄。
无需底部填充工艺;可以使用标准的SMT组装设备。
由于轻质裸片在焊接过程中具有自我校准特性,因此组装良率较高。
封装结构
WLCSP可以被分成两种结构类型:直接凸块和重分布层(RDL)
直接凸块
直接凸块WLCSP包含一个可选的有机层(聚酰亚***),这个层用作有源裸片表面上的应力缓冲器。聚酰亚***覆盖了除连接焊盘四周开窗区域之外的整个裸片面积。在这个开窗区域之上溅射或电镀凸块下金属层(UBM)。UBM是不同金属层的堆叠,包括扩散层、势垒层、润湿层和抗氧化层。焊球落在UBM之上(因此叫落球),然后通过回流焊形成焊料凸块。直接凸块WLCSP的结构如图2所示。
图2:直接凸块WLCSP。
重分布层(RDL)
图3是一种重分布层(RDL)WLCSP。这种技术可以将为邦定线(邦定焊盘安排在四周)而设计的裸片转换成WLCSP。与直接凸块不同的是,这种WLCSP使用两层聚酰亚***层。第一层聚酰亚***层沉积在裸片上,并保持邦定焊盘处于开窗状态。RDL层通过溅射或电镀将外围阵列转换为区域阵列。随后的结构类似直接凸块——包括第二个聚酰亚***层、UBM和落球。
图3:重分布层(RDL)WLCSP。
最佳的印刷电路板(PCB)设计实践技巧
关键的电路板设计参数是焊盘开窗尺寸、焊盘类型、焊盘终饰层和电路板厚度。
焊盘开窗尺寸
根据IPC标准,焊盘开窗尺寸等于UBM开窗尺寸。典型的焊盘开窗如图4所示,其尺寸是:
250μm()
200μm()
阻焊层开窗尺寸等于焊盘开窗尺寸加上100μm。走线宽度应小于焊盘开窗尺寸的三分之二。增加走线宽度将导致焊料凸块的直立高度降低。因此为了确保焊接的可靠性,保持正确的走线宽度比很重要。
图4:焊盘开窗。
焊盘类型
在电路板制造过程中,以下类型的焊盘/连接盘图案被用于表面贴组装:
无阻焊层限定(NSMD)。PCB上的金属焊盘(连接着I/O)尺寸小于阻焊层开窗。
有阻焊层限定(SMD)。阻焊层开窗小于金属焊盘。
图5