ucsp - 晶片级封装

UCSP - 晶片级封装
概述
晶片级封装(WLCSP)是一种可以使集成电路（IC）面向下贴装到印刷电路板上的CSP封装技术，芯片的焊点通过独立的锡球焊接到PC板的焊盘上，不需要任何填充材料（图1）。

这种技术与球栅阵列、引线型和基于层压板的CSP封装技术的不同之处在于它没有联结线或内插连接。

WLCSP封装技术最根本的优点是IC到PC板之间的电感很小，第二个优点是缩小了封装尺寸和生产周期并提高了热传导性能。

Maxim 的WLCSP技术商标为UCSP。

图1. 4x4 UCSP照片，底部视图
UCSP结构
Maxim的UCSP结构是在硅晶片衬底上建立的。

在晶片的表面附上一层BCB(Benzocyclobutene, 苯并环丁烯)树脂薄膜。

这层薄膜减轻了锡球连接处的机械压力并在裸片（die）表面提供电气隔离。

在BCB膜上使用照相的方法制作过孔，通过它实现与IC联结基盘的电气连接。

过孔上面还要加上一层UBM（球下金属）层。

一般情况下，还要再加上第二层BCB作为阻焊层以确定回流锡球的直径和位置。

标准的锡球材料是共晶锡铅合金，即63%的Sn和/37%的Pb。

UCSP结构的截面图如图2所示。

图2. 典型的UCSP截面图
UCSP锡球阵列是基于具有统一栅距的长方形栅格排列的。

UCSP球阵列可能包含满足6 > ND > 2和6 > NE > 2的任意行数（ND）和列数（NE）。

基本的UCSP结构请参见表1，表2是其典型的尺寸，图3标示出了表2中引用的机械结构符号。

也可以减少使用锡球的数量，有许多种球阵列规格并未在表1中列出。

表1. UCSP 结构
注释：一些特定器件的球阵列设计需要的锡球数目可能比较少。

具体的UCSP制图方法可以在Maxim的封装概况目录中得到：/cgi-bin/packages.
表2. 典型的UCSP尺寸
Ball Diameter b
注释：一些特定器件的球阵列设计需要的锡球数目可能比较少。

具体的UCSP制图方法可以在Maxim的封装概况目录中得到：/cgi-bin/packages.
图3. 描绘UCSP封装外形的约定符号，完整的6x6阵列。

UCSP包装带
Maxim将所有的UCSP元件包装在带盘（T&R）中。

UCSP带盘的制作要求是基于EIA-481标准的。

典型的带盘结构如图4所示，表3中给出了关键和可变的尺寸参数。

图4. 典型的UCSP包装带结构
表3. UCSP带盘关键和可变的尺寸参数
表3注释：
1. 由图4所示的A0、B0和T确定的凹槽应该能够给元件提供足够的空间以满足：- 元件不会突出包装带的上下任一个表面。

- 揭开封带时，元件不受任何机械力的约束，能从凹槽中垂直取出。

- 元件的旋转被限制在±10°以内（见图5）。

2. 最小半径R是体现包装带设计和材料机械弯曲特性的半径值。

实际应用中带盘的中轴半径R必需大于最小值R。

按正常的方向装有元件的包装带在弯曲半径大于最小值R时对包装带和元件都没有损害。

用户应该对包装带在送料器和任意其它的处理、运输与储存过程中的条件进行设置以使其弯曲半径总是大于最小值R。

3. 条形码标志（如果需要）应该在包装带上与链轮齿孔相反的一边。

参见EIA-556。

4. 如果P1 = 2.0mm，包装带可能无法合适地装进所有的送料器。

5. 在带盘包装里锡球是向下的。

包装带每一个凹槽里Pin A1的方向应保持一致。

左上角有Pin A1 ID的标记。

具体细节请参见图6。

6. 封带的总剥离力应该在0.1 N到1.0 N之间（标定刻度的读数为10克到100克）。

拉力的方向应该与包装带移动的方向相反，封带与包装带成165度至180度角。

在剥离的过程中包装带/封带的速度应该是300mm ±10 mm/分钟。

图5. 元件在UCSP带盘空槽中的最大允许旋转角度
图6. UCSP元件方向与包装带馈送方向
印刷电路板布局设计
要在装配中成功地使用UCSP元件需要注意电路板布局的问题。

印刷电路板（PCB）的布局与制造将影响UCSP装配的产出率、设备性能和焊点的可靠性。

UCSP焊盘结构的设计原则和PCB制造规范跟引线型器件和基于层压板的BGA器件有所不同。

用于表贴封装元件的焊盘结构有两种（见图7）：
阻焊层限定(Solder-Mask Defined，SMD)。

阻焊层开口小于金属焊盘。

电路板设计者定义形状代码、位置和焊盘的额定尺寸；焊盘开口的实际尺寸是由阻焊层制作者控制的。

阻焊层一般为LPI （可成像液体感光胶）的。

∙非阻焊层限定(Non-Solder-Mask Defined，NSMD)：金属焊盘小于阻焊层开口。

在表层布线电路板的NSMD焊盘上，印刷电路导线的一部分将会受到焊锡的浸润。

图7. 焊盘的选择：阻焊层限定(SMD) vs. 非阻焊层限定(NSMD)
电路板设计者必需考虑到功率、接地和信号走向的要求在NSMD与SMD焊盘之间选择一种。

特殊的微过孔设计可能避免了表面走线，但是需要更先进的制板技术。

一旦选定，UCSP焊盘类型就不能混合使用。

焊盘和与其连接的导线的布局应该对称以防止偏离中心的浸润力。

选择UCSP焊盘类型时一些需要考虑的因素如下：
∙蚀刻铜导线的过程能够得到更好的控制，与使用SMD焊盘时的阻焊层蚀刻相比，NSMD是更好的选择。

∙SMD焊盘可能使阻焊层交叠的地方产生压力的集中，这将导致压力过大时焊点破裂。

∙根据PCB上铜导线及其它空地的制作规则，NSMD焊盘可以给PCB上的布线提供更多的空间。

∙与SMD焊盘相比，NSMD更大的阻焊层开口为UCSP元件的贴放提供了更大的工作窗口。

∙SMD焊盘能够使用更宽的铜导线，在与电源和地层的连接中具有更低的电感。

∙Maxim在温度循环测试中使用NSMD设计。

一般地，假设NSMD PCB设计中的基底铜箔厚度为1/2或1 oz.NSMD圆形铜焊盘的直径为11 +0/-3 mils，其阻焊层开口为14 +1/-2 mils。

为了防止焊料流失，信号导线在与NSMD铜焊盘的连接处应该具有瓶颈形状，其宽度不超过与之连接的NSMD焊盘半径的1/2。

使用最小的4 mil - 5 mil导线宽度设计就能实现这一目标。

这种颈状导线与元件焊盘的连接应该是对称的以防止回流焊接时不平衡的浸润力造成元件的位移。

为防止焊接短路，邻近焊盘之间的铜导线都必须被阻焊层覆盖。

阻焊层开口的公差和对表面铜层的对准是十分关键的，不同的商家提供的电路板在这些方面有所不同。

阻焊层细条（开口之间的窄带）的宽度应满足PCB制造规则以避免断裂。

对于SMD PCB布局设计，表层铜箔的厚度并不重要。

为防止焊点的塌裂从而降低UCSP焊点的可靠性，SMD阻焊层开口最大应为12 mils。

铜焊盘宽度应满足PCB制作规则中对最小间距和与阻焊层最小交叠的要求。

当改换一家新的PCB制造商时，应对阻焊层的制作是否合格进行检测，保证阻焊层的质量和焊点的可靠性满足用户的最低要求。

为了使阻焊层最佳地附着在基材上并使阻焊层下面靠近焊盘的边沿处对焊锡的毛细吸引作用最小，在电路板规范中需要使用一种裸铜覆盖阻焊层（SMOBC）工艺。

不要在电镀金属上覆盖阻焊层，因为这会产生阻焊层对电镀金属不可预知的附着效果导致在表面装配回流的过程中软化焊锡损坏阻焊层边沿。

PCB焊盘的金属涂复层会影响到装配产出率和可靠性。

关于焊盘涂复层，需要注意以下几点：
∙铜焊盘应该涂上有机可焊防腐层（OSP）。

OSP一般比镀金要便宜而且焊点更可靠。

∙如果不使用铜焊盘/OSP，无镀镍或沉金是另一种可接受的选择，因为它可以把镀金层的厚度限制在20微英寸以内。

镀金层的厚度必须小于0.5微米否则将造成焊点的脆弱，降低焊点的可靠性。

∙即使镀金比铜焊盘OSP涂层或沉金处理更便宜或更容易实现，也不要使用这种方法，因为在处理过程中镀金层的厚度很难保持一致。

∙HASL（热风焊锡整平）涂复层技术不能用于UCSP元件，因为无法控制焊料的用量和外层形状。

Maxim建议在UCSP装配中使用焊膏。

在大多数PCB板面设计资料库中，板面设计者会提供Gerber图形文件用于制作焊膏模板。

此时应该请SMT（表面安装技术）工程师复查一遍焊膏开孔布局设计，确保与焊膏印刷工艺的兼容性。

PCB设计者能够通过关注焊膏模板开孔的布局帮助优化装配的产出率。

对于某些具有有限的球阵列规格的小型UCSP器件，即球阵列为2x2、3x2和3x3，为了尽量减少焊锡的短路，比较好的方法是将锡膏沉积的位置从UCSP锡球的位置偏移0.05mm，将模板开孔的间距从0.50mm增加到0.55mm，对于2×2阵列要增加到0.60mm（具体的尺寸见图8）。

焊盘和阻焊层开口不需要任何变动。

对于较大的球阵列规格（即4x3、4x4、5x4以及更大的尺寸），外围行、列的锡膏开孔需要偏移。

可能的话，内部（非最外围）的焊膏沉积开孔要向球阵列节点密度较稀的方向偏移。

SMT工艺流程
典型的UCSP表贴装配工艺流程如下图所示，之后给出了对焊膏印刷、元件贴放、回流焊接、UCSP返修和封装运输的一些指导性原则。

焊膏印刷工艺
焊膏印刷是与PCB装配产出率相关的最重要的工艺。

检查焊膏厚度、焊盘覆盖百分比和与焊盘的对准精度是必须进行的工作。

∙选择焊膏：应使用Sn63/Pb37共晶合金第3类（锡球尺寸为25至45微米）或第四类（20至38微米）的锡膏，选择哪一类取决于模板开孔的尺寸。

建议使用低卤化物含量（<100 PPM）和免清洗的J-STD-00指定的ROL0/REL0树脂助焊剂，可以省去回流装配后的清洗工作。

∙制作模板：使用激光切割不锈钢箔片加电抛光技术或镍金属电铸成形的制作工艺。

镍电铸成形工艺虽然比较昂贵，但是对于从超小的开孔进行焊膏沉积的过程最具备可重复性。

这种方法还有一个优点，可以形成任何用户所需要的厚度。

具有梯形截面的模板开口有助于焊膏的释放。

∙焊锡模板开孔设计：应尽可能地通过将开孔偏移焊盘使锡膏沉积位置的间距最大，这可以把焊接锡球小于10个(2x2, 3x2, 3x3)的UCSP元件时桥接的可能性降到最低。

推荐的模板开孔设计参数请参考图8和表4。

∙开孔面积比定义为开孔的面积除以开孔侧壁的表面积。

为了锡膏印刷过程的可重复性，使用面积比> 0.66转圆的正方形（25微米角径）开孔比矩形开孔的效果要好，使用更大的开孔或更薄的模板可以提高面积比。

图8. 2x2球栅阵列开孔偏移设计实例
表4. 推荐的焊膏模板开孔设计
Parameters
4x3 through 6x6 Full Ball Arrays2x2, 3x2, and 3x3 Full
Ball Arrays and 4x3
through 6x6
Perimeter-Only Ball
Arrays Paste
Rule
Option
A1B C
X & Y
Paste
Aperture
Offset2
No offset
Inner apertures:
0 (no offset)
Perimeter apertures:
up to 0.030mm from ball
centers
All apertures:
up to 0.05mm from ball
centers
Paste
Aperture
Size
0.305mm square 0.305mm square 0.33mm square
Stencil
Thickness0.10mm 0.10mm 0.125mm Area
Ratio3
0.76 0.76 0.66 Comment Thin stencil Thin stencil
Tolerates lower
placement accuracy
注释：
1. Maxim UCSP产品要求使用A类焊膏规则。

2. 在球栅阵列中心(0,0)的焊膏开孔不需要偏移。

3. 开孔面积比定义为开孔的面积除以开孔侧壁的表面积。

为了锡膏印刷过程的可重复性，使用面积比> 0.66转圆的正方形（25微米角径）开孔比矩形开孔的效果要好，使用更大的开孔或更薄的模板可以提高面积比。

元件贴放
将UCSP元件从带有凹槽的包装带中取出并贴放到PCB板上，这一过程使用标准的自动精确定位IC拾取/贴放机，在4Σ下的贴放精度< 0.050mm。

拾取/贴放系统需要一个固定的带盘送料器。

使用机械中心定位方案的系统是不可取的，因为它极有可能伤害到元件。

∙拾取/贴放系统的贴放精度依赖于它使用的是封装轮廓中心对准还是球栅阵列中心对准的视觉定位技术。

对准精度要求较低时，封装轮廓中心对准可以用于高速贴放；球栅阵列中心对准则用于在贴放速率较低时实现最大的对准精度。

封装轮廓对准与球栅阵列对准的中心位置座标X，Y最大可相差±0.035mm。

∙锡球贴放位置与PCB焊盘中心的最大允许偏移在X、Y方向均为±0.150mm，这样可以保证回流过程中浸润力使锡球自动对准中心。

∙所有UCSP元件的接触力应该控制在< 5牛顿。

建议元件锡球高度Z不要超过焊膏高度的50% ∙最后需要使用2D X-射线测量并验证贴放精度。

∙为了一致、可靠地从包装带拾取裸片，同时把它放在PCB板上，拾取和贴放操作可能也要求对吸嘴/吸头进行足够的清理。

为实现这一目的，建议使用下面方法。

o在拾取和贴放操作期间，频繁的用IPA或甲醇清理裸片吸头。

通过在最佳的拾放间隔下几次拾放之后检查吸头的杂质来决定清理的频率。

o使用一个不接触光刻区的吸头。

o使用一个较大的吸头使得放置裸片时间的一致性更好同时避免了放置后裸片位置没被对准。

焊膏回流
Maxim UCSP与所有的工业标准回流焊接过程是兼容的。

我们选择氮气惰性氛围下的回流焊接。

∙推荐使用压力对流气体回流炉，这样可以控制整个过程中的热传导率。

∙额定峰值温度是220℃±15℃，高于锡球熔点的温度持续60±15秒，使用机器装置内部热电偶测量和证实这一温度曲线。

典型的基于UCSP的共晶锡回流焊温度曲线如图9所示。

∙UCSP元件能够经受住三次回流焊循环（峰值温度+235℃）。

∙推荐使用2D X-射线分层摄影法作为回流焊之后取样检查焊结短路、焊锡不足、漏焊和潜在开路等问题的方法。

图9. 典型的基于UCSP的共晶锡回流焊温度曲线
UCSP的返修
UCSP的返修使用与一般的球栅阵列（BGA）返修相同的工艺。

∙使用局部加热取走UCSP元件，加热的温度曲线与最初的回流温度曲线类似，使用对流热气体喷嘴和底部预热的方法。

∙当喷嘴温度达到190℃时，使用塑胶镊子或者真空工具取走有缺陷的UCSP元件。

∙必须使用温度可控的烙铁除去焊盘上的残留锡料。

∙将凝胶状助焊剂添加到焊盘上。

∙用真空拾取工具拾起新元件并利用视觉定位贴放夹具将其精确地放置。

∙用相同的对流热气体喷嘴和底部预热的方法对元件进行回流焊接，使用最初的回流温度曲线。

包装与运输
为了防止损坏UCSP封装元件，包装与运输UCSP装配时必需小心，尤其是在不使用底层填料安装UCSP 元件的情况下。

必需复习并严格遵守装有UCSP元件PCB的包装规范。

Maxim UCSP可靠性数据
Maxim UCSP封装产品经过了环境影响压力测试，测试环境与最终用户的应用环境类似。

这些UCSP产品进行了温度循环、压力罐和高温储存寿命测试等元件级（晶片级）测试。

除此之外，在安装了UCSP元件的FR4板上进行了电路板级的测试，如高温工作寿命、带偏置的温度与湿度测试和温度循环测试。

具体的测试条件见表5。

表5. UCSP产品可靠性测试条件
元件级测试
电路板级测试(UCSP元件贴装在0.035"厚的FR4 板上)
可靠性测试结果
Maxim UCSP产品可靠性测试结果如表6所示，其中包括从3x3到5x5阵列规格的UCSP产品。

表6. UCSP产品可靠性测试结果
元件级测试结果
电路板级测试结果(UCSP元件贴装在0.035"厚的FR4板上)
表6注释：
1. 边沿泄漏故障。

原因未知。

一例故障仍然可以满足标准要求。

2. 边沿泄漏故障。

原因未知。

一例故障仍然可以满足标准要求。

3. Icc与Ishdn值过高。

原因未知。

一例故障仍然可以满足标准要求。

其它UCSP可靠性测试
Maxim在不同的测试条件下进行了UCSP的可靠性测试，如表5和表6所列出的那样。

这些测试包括高温工作寿命测试，带有偏置的温度与湿度测试，低温工作寿命测试，低温储存寿命测试和温度循环测试。

表7总结了在3x3 UCSP元件上进行的可靠性测试结果。

测试使用的UCSP元件安装在4层的FR4板上。

每一个装配好的FR4板都经过了下面所描述的压力测试。

结果再一次证明Maxim 3x3 UCSP元件能够通过表7中列出的所有测试。

表7. 其它的UCSP可靠性测试结果(UCSP元件贴装在0.062" 厚的FR4板上)
电路板级UCSP封装的可靠性（焊点可靠性)
除了上述的可靠性测试，Maxim还进行了UCSP封装的焊点可靠性测试。

一般采用温度循环测试确定焊点的可靠性。

Maxim使用菊花链结构的安装在4层FR4板上（0.062厚）的UCSP元件进行测试。

整个电路板装配在温度循环室里，温度从-40℃到+125℃变化（1循环/小时，15分钟变化，15分钟维持不变）。

按照平常的方法进行电阻测量。

读取的电阻值升高超过10%就被认为是一次失败。

测试结果如下表所示。

表8. Maxim UCSP焊点可靠性测试结果
表8中所示的测试结果表明Maxim的6x6 UCSP焊点通过了1346次循环的测试，在-40℃到+125℃（1循环/小时）的条件下没有出现测试失败。

/appnotes.cfm/appnote_number/2775/ln/cn。