WLCSP實現低功耗/小尺寸醫療裝置設計

這些新的應用領域包括侵入性感測(Invasive Sensing)、醫療性植入(Medical Implants)及可拋棄可攜式監測器等，但是想要取得WLCSP的最大性能與可靠度，設計工程師應注意關於印刷電路板(PCB)焊盤布局(Land Pattern)、焊點拋光(Pad Finish)及電路板厚度(Board Thickness)等的最佳做法。
 

晶圓級晶片尺寸封裝乃是覆晶(Flip-chip)互連技術(圖1)的改版。使用WLCSP，晶片的主動端會被加以反相並利用錫球連結至PCB。這些錫球的尺寸一般會大到足以在0.5毫米腳距下300微米回焊前(Pre-reflow)和在0.4毫米腳距下250微米回焊前免除在覆晶互連中所須具備的底部填充物(Underfill)。這種互連技術具有數項優點：首先，因免除第一階封裝(塑封材料、導線架或有機基板)，而節省可觀空間。例如一組八球WLCSP僅占用八支接腳的SOIC(Small Outline IC)所需電路板空間8%。其次，電感會被降低，而電子性能會因去除導線的約束，及使用於標準塑膠封裝中的接腳而獲得改善。

圖1　屬於覆晶互連技術改版的晶圓級晶片尺寸封裝，將晶片的主動端反相並透過錫球連結至PCB。

此外，由於省去導線架與塑封材料，設計成品將可獲得更輕的重量及更薄的封裝外型。因為可使用標準的表面黏著技術(SMT)組合設備，所以毋須使用底部填充物。最後，在焊接過程中，低質量晶片因具有自動校準特性，因而會得到高度組裝性的產量。

直接凸塊/RDL結構大相逕庭

WLCSP可以將其分類為直接凸塊(Direct Bump)和重分布層(RDL)兩種建構類型。直接凸塊型式的WLCSP是由一層具有選項性的有機層(聚亞胺)所構成，該有機層乃是做為運作中晶片表面應力緩衝之用。聚亞胺會覆蓋整個晶片的範圍，除了黏著焊點周邊的開孔之外。球下金屬層(UBM)會以噴濺或是電鍍的方式塗布於這些開孔處，UBM乃是由做為擴散層(Diffusion Layer)、隔離層(Barrier Layer)、潤濕層(Wetting Layer)及抗氧化層(Antioxidation Layer)等不同金屬層堆疊而成。
錫球落到(Ball-drop)UBM上回焊而形成鉛錫凸塊(圖2)。

圖2　在直接凸塊WLCSP當中屬於選項性的有機層，用以在運作中的晶片表面做為應力的緩衝。聚亞胺會覆蓋整個區域，除了黏著焊點的開孔之外。UBM層則以噴濺或是電鍍的方式塗布於這些開孔處。

RDL技術使得具有沿著周圍所設置的黏著焊點的導線接合法(Wire Bonding)，其所設計的晶片可被轉換為WLCSP。相對於直接凸塊，這種類型的WLCSP採用兩層聚亞胺層，第一層聚亞胺層沈積於晶片上方，維持黏著焊點的開孔，以噴濺或是電鍍的RDL層將周邊陣列轉換成區域陣列。接下來的建構則是以第二層聚亞胺層、UBM及Ball-drop(圖3)進行直接凸塊。

圖3　不同於直接凸塊WLCSP，RDL WLCSP採用兩層聚亞胺層。第一層沈積於晶片上方，以便維持黏著焊點的開孔。接著RDL層以噴濺或是電鍍的方式將周邊陣列轉換成區域陣列。

在Ball-drop之後，晶圓要經過背面研磨、雷射標記、測試、單一化(Singulated)及捲帶(Tape and Reel)的程序。另外還有一個選項是在經過背部研磨程序之後加上一片背部薄板，藉以減少在切割時所造成的晶片小碎片，從而舒緩封裝的處理。

薄型化PCB設計為最佳方案

在電路板設計中極為重要的參數就是焊點開孔、焊點類型、焊點拋光及電路板厚度。以美國印刷電路協會(IPC)標準為基準，焊點開孔要相當於UBM開孔。典型的焊點開孔，針對0.5毫米節距的WLCSP為250微米；針對0.4毫米節距的WLCSP為200微米(圖4)。

圖4　以IPC標準為基準，焊點開孔要相當於UBM開孔。典型的焊點開孔，針對0.5毫米節距的WLCSP為250微米，針對0.4毫米節距的WLCSP為200微米。

阻焊層(Solder Mask)開孔為100微米加上焊點開孔。走線寬度應該要低於焊點開孔的三分之二，增加走線寬度可降低銲錫凸塊的離地高度。因此，為了要確保銲錫連結的可靠度，維持適當的走線寬度比例相當重要。針對電路板的組建，有兩種類型的焊點/焊盤布局可使用於表面黏著的組裝(圖5)：

圖5　在NSMD焊盤布局當中，PCB上的金屬焊點比阻焊層開孔還要小。而在SMD焊盤布局當中，阻焊層開孔則比金屬焊點還要小。

由於銅蝕刻製程比阻焊層開孔製程具更嚴謹的控管，因此NSMD較SMD常被使用。NSMD焊點上的阻焊層開孔比銅焊點，這使得銲錫可以附著於銅焊點側，並改善焊接接縫的可靠度。

金屬焊點上的拋光層對於組裝良率(Assembly Yield)與可靠度具有顯著的影響。一般所使用的金屬焊點拋光為有機表面防護(OSP)及無電鍍鎳化金(ENIG)，在金屬焊點上的OSP拋光厚度是0.2～0.5微米，這層拋光會在回焊製程中消失，且會在銲錫與金屬焊點之間產生介面反應(Interfacial Reactions)。
 

ENIG拋光是由5微米的無電鍍鎳及0.02～0.05微米的金所組成。在回焊製程中，金層會快速的溶解，接著在鎳與銲錫之間產生反應。將金層的厚度維持在低於0.05微米以下，以避免脆性金屬化合物(Brittle Intermetallic Compound)之形成是極為重要的。標準的電路板厚度範圍是從0.4～2.3毫米。厚度的選擇要依據所需要的耐用度而定。較薄的電路板在熱負載下，於焊接接縫上會產生較小的剪應力(Sheer Stress)、潛變剪應變(Creep Shear Strain)及潛變應變能量密度(Creep Strain Energy Density)範圍。因此，越薄的組成電路板將可使焊接接縫獲得更長的熱疲勞壽命(Thermal Fatigue Life)。
 

測試/評估不可或缺
 

與前述的多項變數加以結合之後，WLCSP的可靠度可藉由對元件施以加速應力測試，如高溫保存(HTS)、高加速應力測試(HAST)、熱壓膨脹測試(Autoclave Testing)、溫度循環(Temperature Cycling)、高溫運作壽命(HTOL)測試及無偏高加速應力測試(UHAST)等來加以評估。除了熱機械所產生之壓力測試之外，像是掉落與折彎測試等的機械測試也必須加以執行。
 

執行HTS測試是為了要判定元件在沒有施予任何電氣應力時，於高溫狀態下長期存放的影響，此測試可評估元件處於高溫條件下的長期可靠度。典型的測試條件為150℃或是175℃，分別持續1,000小時。這項測試會將元件以特定的時間量置放於特定的環境溫度當中。
 

HAST是用以評估非密閉封裝固態元件在潮濕環境下的可靠度。其採用嚴苛的溫度、濕度及偏壓條件，藉以使濕氣加速穿透封裝。這些條件包括130℃的溫度、85%的相對濕度(RH)、32每平方吋(PSI)的壓力(典型)及持續96小時。熱壓膨脹測試會使用溫度、濕度與壓力的極端條件，類似於HAST。其唯一的差別是元件在此項測試中不會施予偏壓。
 

溫度循環的目的是為了要判定暴露於極端高溫與低溫狀態時該封裝的電阻，及偵測在這些極端條件下不同暴露度的影響。導因於這種循環式熱機械負載的故障就是所謂的疲勞故障

熱機械應力造成的疲勞故障之所以會產生，是因為熱膨脹係數之差異所導致。典型的測試條件包括在–65～150℃下500週期，或是在–55～125℃下1,000週期。
 

執行HTOL或是穩定狀態壽命測試，是為了解當元件暴露於高溫條件下，在經過較長期間之後的可靠度。此測試會使元件在高溫狀態下於特定時間內受到特定的偏壓。其測試條件是在Tj＝+125℃下持續1,000小時，或是在Tj＝135℃下持續750小時，或者在Tj＝140℃下持續500小時。電器測試會發生在測試期間的第168小時、第500小時及最終。
 

UHAST是用來評估產品忍受嚴苛溫度與濕度的能力。該測試主要是用來加速產品中金屬部分的腐蝕狀態，其中包括晶片表面的金屬塗布區域。測試用的載具在進行測試前會預先調整好，使其能夠模擬客戶的電路板裝配製程。
 

該測試通常包含以烘烤方式驅除封裝內的濕氣，以浸泡方式將經過控制的濕氣量送入封裝內，然後再經過IR或是蒸氣回流的三次循環。預先調整包括在125℃下的24小時烘烤及在30℃/60%RH下的96小時浸泡，加上在240℃最高溫度的三次回流。應力條件則包括在131℃/85%的RH狀態下持續96與192小時。
 

現今的客戶都會要求電子產品要更小、更快及更便宜，WLCSP正可符合這些需求。此外，這項技術也可廣泛的應用在可攜式產品上。相較於熱量條件改變對可攜式產品所造成的影響，掉落情況的發生可能性更高，因此可靠性研究的重心就應該轉移至機械式衝擊測試，如掉落與折彎測試等。

被歸類於輸入加速度或是衝擊脈衝(峰值加速度與峰值期之間)的掉落測試，乃是掉落高度、導引桿摩擦力、撞擊表面及氈材料(Felt Material)的函數。其所使用的典型測試條件為1,500G的峰值加速度，是具有半正弦波的衝擊脈衝及0.5毫秒的脈衝期間。

在每次掉落的期間，固定於底板上的加速度計會執行即時的衝擊脈衝量測。此可確保輸入脈衝維持在特定的容錯度以內。此外，應變儀(Strain Gauge)會量測在衝擊期間導因於PCB的動態應變響應。掉落測試中也包含對於錫球的原位電監測(In-situ Electrical Monitoring)。

折彎測試乃是以材料在一個連續折彎期間內的抵抗破裂或是其他表面不平整的能力，做為其品質評估的簡單方法。測試條件包括1Hz循環頻率，及經歷二十萬次建議測試週期，或者所有的單元中至少有60%都已失敗的正弦波。

WLCSP為儀表放大器　功耗/尺寸效能加分

具有WLCSP封裝的儀表放大器可做為解釋晶圓級晶片尺寸PCB的最佳實例。AD 8235的40微安培微功率儀表放大器常被使用於可攜式醫療裝置當中。該元件的極小尺寸及超低電力耗損，對於低功耗與可攜式的輕量化醫療裝置及消費性健康相關產品相當有效。

目標是設定PCB的厚度與設計其布局，藉以改變儀表放大器的偏移電壓、增益精確度及共模拒斥的封裝應力最小化。AD 8235黏著在PCB的中央。電路板中央的應力(熱量與機械)最小，隨著往邊緣移動而增加。
 

寬1.6毫米、長2.0毫米的AD 8235所受到的晶片應力比較大型的WLCSP少。極薄的0.8毫米PCB也因其更為柔軟而使得應力降低。在熱機械應力導入期間，它會順應晶片的特性。而當PCB彎曲時，AD 8235則會黏接於小範圍的PCB表面區域上。
 

位於AD 8235之下的區域比起其餘的PCB部分，所承受到的折彎應力是最小的。此可藉由將走線寬度維持在焊點開孔直徑的三分之二，以進一步補強。維持此比例能夠確保銲錫凸塊不會完全的吸附在走線上，因此封裝就能夠以適當的離地高度穩固的附著在電路板上。選擇金層低於0.05微米的ENIG焊點拋光，以便確保具有可靠的焊接接縫結構。
 

(本文作者任職於亞德諾)