微型SMD晶圆级CSP封装

2003年11月30日

这种微型SMD是标准的薄型产品,图1所示为典型的微型SMD。在SMD芯片的一面带有焊接凸起(solder bump)。微型SMD生产工艺步骤包括标准晶圆制造、晶圆再钝化、I/O焊盘上共熔焊接凸起的沉积、背磨(仅用于薄型产品)、保护性封装涂敷、用晶圆选择平台进行测试、激光标记,以及包装成带和卷形式,最后采用标准的表面贴装技术(SMT)装配在PCB上。

微型SMD是一种晶圆级芯片尺寸封装(WLCSP),它有如下特点:

1. 封装尺寸与裸片尺寸大小一致；

2. 最小的I/O管脚；

3. 无需底部填充材料；

4. 连线间距为0.5mm；

5. 在芯片与PCB间无需转接板(interposer)。

表面贴装注意事项

a. 微型SMD表面贴装操作包括:

1. 在PCB上印刷焊剂；

2. 采用标准拾放工具进行元件放置；

3. 焊接凸起的回流焊及清洁(视焊剂类型而定)。

b. 微型SMD的表面贴装优点包括:

1. 采用标准带和卷封装形式付运,方便操作(符合EIA-481-1规范)；

2. 可使用标准的SMT拾放工具；

3. 标准的回流焊工艺。

PCB布局

表面贴装封装有非焊接屏蔽界定(NSMD)和焊点屏蔽界定(SMD)两种,如图2所示。与SMD方式相比,NSMD方式可严格控制铜蚀刻工艺并减少PCB上的应力集中点,因此应首选这种方式。

为了达到更高的离地高度,建议使用厚度低于30微米的覆铜层。30微米或以上厚度的覆铜层会降低有效离地高度,从而影响焊接的可靠性。此外,NSMD焊盘与接地焊盘之间的连线宽度不应超过焊盘直径的三分之二。建议使用表1列出的焊盘尺寸:

采用焊盘内过孔结构(微型过孔)的PCB布局应遵守NSMD焊盘界定,以保证铜焊盘上有足够的润焊区从而增强焊接效果。

考虑到内部结构性能,可使用有机可焊性保护(OSP)涂层电路板处理方法,可以采用铜OSP和镍-金镀层:

1. 如果采用镀镍-金法(电镀镍,沉积金),厚度不应超过0.5微米,以免焊接头脆变；

2. 由于焊剂具有表面张力,为了防止部件转动,印制线应在X和Y方向上对称；

3. 建议不使用热空气焊剂涂匀(HASL)电路板处理方法。

丝网印刷工艺

1. 模版在经过电镀抛光后接着进行激光切割。

2. 表2所示为推荐采用的模版孔径。

3. 当焊接凸起不足10个而且焊接凸起尺寸较小时,应尽量将孔隙偏移远离焊盘,以尽量减少桥接问题。当焊接凸起数超过10或者焊接凸起较大时则无需偏移。

4. 采用3类(粒子尺寸为25-45微米)或精密焊剂印刷。

元件放置

微型SMD的放置可使用标准拾放工具,并可采用下列方法进行识别或定位:

1. 可定位封装的视觉系统。

2. 可定位单个焊接凸起的视觉系统,这种系统的速度较慢而且费用很高。

微型SMD放置的其它特征包括:

1. 为了提高放置精度,最好采用IC放置/精密间距的放置机器,而不是射片机(chip-shooter)。

2. 由于微型SMD焊接凸起具有自我对中(selfcentering)特性,当放置偏移时会自行校正。

3. 尽管微型SMD可承受高达1kg的放置力长达0.5秒,但放置时应不加力或力量尽量小。建议将焊接凸起置于PCB上的焊剂中,并深入焊剂高度的20%以上。

回流焊和清洁

1. 微型SMD可使用业界标准的回流焊工艺。

2. 建议在回流焊中使用氮气进行清洁。

3. 按J-STD-020标准,微型SMD可承受多达三次回流焊操作(最高温度为235℃),符合。

4. 微型SMD可承受最高260℃、时间长达30秒的回流焊温度,。

焊接返工

产生微型SMD返工的关键因素有如下几点:

1. 返工过程与多数BGA和CSP封装的返工过程相同。

2. 返工回流焊的各项参数应与装配时回流焊的原始参数完全一致。

3. 返工系统应包括具有成型能力的局部对流加热器、底部预加热器,以及带图像重迭功能的元件拾放机。

质量检测

以下是微型SMD安装在FR-4 PCB上时的焊接点可靠性检查,以及机械测试结果。测试包括使用菊花链元件。产品可靠性数据在产品的每项质检报告中分别列出。

焊接可靠性质检

1. 温度循环:

应遵循IPC-SM-785 《表面贴装焊接件的加速可靠性测试指南》进行测试。按前面所述的装配条件进行的测试结果如图3、图4所示。

2. 封装剪切:

作为生产工艺的一部分,应在封装时收集焊接凸起的剪切数据,以确保焊球(solder ball)与封装紧密结合。对于直径为0.17mm的焊接凸起,所记录的每焊接凸起平均封装剪切力约为100gm。对于直径为0.3mm的焊接凸起,每个焊接凸起的封装剪切力大于200gm。所用的材料和表面贴装方法不同,所测得的封装剪切数值也会不同。

3. 拉伸测试: