1.7 UCSP封装的器件焊盘设计

晶片级封装（WLCSP）是一种可以使集成电路（IC）面向下贴装到印制电路板上的CSP封装技术，芯片的焊点通过独立的锡球焊接到PCB的焊盘上，不需要任何填充材料。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连接线或内插连接。WLCSP封装技术最根本的优点是IC到PCB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。

1.7.1 UCSP封装结构

Maxim的UCSP结构是在硅晶片衬底上建立的。在晶片的表面附有一层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，通过它可实现与IC连接基盘的电气连接。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%Sn/37%Pb。UCSP结构的截面图如图1-43所示。

UCSP锡球阵列是基于具有统一栅距的长方形栅格排列的。UCSP球阵列的行数和列数一般都在2～6之间。

1.7.2 UCSP焊盘结构的设计原则和PCB制造规范

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。印制电路板（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。

1.阻焊层限定（SMD）与非阻焊层限定（NSMD）

用于表面贴装元件的焊盘结构有阻焊层限定（Solder-Mask Defined，SMD）和非阻焊层限定（Non-Solder-Mask Defined，NSMD）两种形式。

设计PCB时必须考虑到功率、接地和信号走向的要求，要在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。

2.选择UCSP焊盘类型时一些需要考虑的因素

选择UCSP焊盘类型时一些需要考虑的因素如下。

① 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。

② SMD焊盘可能使阻焊层交叠的地方产生集中的压力，这将导致压力过大时焊点破裂。

③ 根据PCB上铜导线及其他空地的制作规则，NSMD焊盘可以给PCB上的布线提供更多的空间。

④ 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。

⑤ 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。

⑥ Maxim公司在温度循环测试中使用NSMD设计。

3.SMD和NSMD焊盘设计

一般在NSMD PCB设计中的基底铜箔厚度为1/2或1oz。如图1-44所示，NSMD圆形铜焊盘的直径为11 +0/-3 mil，其阻焊层开口为14+1/-2mil。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4mil至5mil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12mil。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。对不同PCB制造商的产品，应对阻焊层的制作是否合格进行检测，以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。

4.PCB焊盘的金属涂敷层

PCB焊盘的金属涂敷层会影响到装配产出率和可靠性。关于焊盘涂敷层，需要注意以下几点。

① 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。

② 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。

③ 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。

④ HASL（热风焊锡整平）涂敷层技术不能用于UCSP元件，因为无法控制焊料的用量和外层形状。

5.焊膏

Maxim公司建议在UCSP装配中使用焊膏。在大多数PCB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（球阵列为2×2、3×2和3×3），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阵列该间距要增加到0.60mm。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4×3、4×4、5×4，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。

① 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4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（<100ppm）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。

② 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，即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。

③ 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（2×2，3×2，3×3）的UCSP元件时桥接的可能性降到最低。

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。

1.7.3 UCSP焊盘设计实例

UCSP焊盘设计实例如图1-45和图1-46所示。