WLP、WLCSP元件的焊點間距相當(dāng)小，不同的焊墊設(shè)計也會左右焊點間的走線寬度限制，設(shè)計PCB時限制較多。

隨著晶圓級晶片尺寸封裝WLP、WLCSP，在微縮晶片的成效越來越顯著，在電子產(chǎn)品的使用現(xiàn)況也有持續(xù)增加的現(xiàn)象，但WLP、WLCSP雖然可以在封裝后晶片的尺寸可達(dá)到如同晶粒同等大小、具尺寸的絕佳優(yōu)勢，但在封裝成品功能日趨復(fù)雜、接腳數(shù)目與設(shè)計要求越來越嚴(yán)苛，對PCB設(shè)計即成為新的應(yīng)用挑戰(zhàn)...

 

晶圓級晶片尺寸封裝WLP(Wafer Level Packaging)、WLCSP(Wafer Level Chip Scale Package)，其實是積體電路的一種封裝方式，指的是在晶圓(Wafer)生產(chǎn)完成后直接于Wafer上進(jìn)行封裝、測試程序，當(dāng)封裝制作完成再進(jìn)行切割成單個積體電路的封裝制作方式。

 

常規(guī)IC與WLP制作的封裝設(shè)計元件，尺寸有極大的差異，WLP僅需晶粒尺寸就有相同的電氣特性。

 

WLP為在晶圓階段即進(jìn)行元件封裝，因此無常規(guī)IC的引腳、封裝體填膠等空間需求，元件尺寸可以做到晶粒大小，因此PCB設(shè)計挑戰(zhàn)更大。

 

Nemotek利用WLP制作image sensor模組，搭配光學(xué)透鏡設(shè)計，可讓image sensor模組的占位面積大幅縮小，生產(chǎn)可用自動送料快速制作，節(jié)省產(chǎn)制成本。

 

Samsung采用WLP形式制作的image sensor，直接利用晶圓級封裝大幅縮減元件尺寸，元件可做到極薄與最小占位面積。

 

WLP、WLCSP有別于晶圓切割成晶粒、再經(jīng)由封裝中打線追加引腳的積體電路制作方式，正因為少了封裝的體積占用，WLP、WLCSP可以達(dá)到相同的IC應(yīng)用功能，卻只要如同切割后晶粒大小的占位面積，而WLP、WLCSP制成單顆IC過程中，亦不用如同一般IC需進(jìn)行打線、填膠，在發(fā)展小型化或超小型的微縮設(shè)計產(chǎn)品方案時，WLP、WLCSP封裝設(shè)計方式的IC應(yīng)用，可以達(dá)到極佳的產(chǎn)品微縮效益，加上WLP、WLCSP元件本身具備極佳電性(因為少了打線與引腳)，針對高速傳輸應(yīng)用的元件使用效益更高，元件因可在晶圓上加工，也縮減了IC的繁瑣制程。

 

WLP、WLCSP體積小、重量輕

但問題來了，WLP、WLCSP雖然體積相當(dāng)小，隨著常規(guī)IC的接腳數(shù)目越來越多，WLP、WLCSP形式封裝使用的球距要求趨于嚴(yán)苛，但對于電路設(shè)計所需要的電性，基本上跟一般IC所需的電性支援并無不同，但WLP、WLCSP的尺寸已經(jīng)縮小到晶粒尺寸，加上PCB可與WLP、WLCSP連接的接點、線路都極小，在PCB的設(shè)計方案并不如一般IC應(yīng)用方案來得輕松。

 

至于，采用行晶圓級封裝，目的是為了降低解決方案的成本與整體尺寸，但連帶的當(dāng)導(dǎo)入晶圓級封裝后，PCB的成本勢必會因為采用行晶圓級封裝，必須進(jìn)行對應(yīng)的線路與打孔制程改善，讓PCB特性可以與WLP、WLCSP元件充分搭配，而不會出現(xiàn)連接上的問題。尤其在設(shè)計方案中使用了WLP、WLCSP后，PCB會變得更趨復(fù)雜，角色也會顯得較為重要，設(shè)計時需審慎規(guī)劃，避免PCB的質(zhì)量導(dǎo)致終端產(chǎn)品出現(xiàn)穩(wěn)定度問題。

 

當(dāng)我們在進(jìn)行載板設(shè)計時，基本上在現(xiàn)有的設(shè)計產(chǎn)品中，可用的載板面積已經(jīng)越來越小，而工程師又得面對持續(xù)縮小的設(shè)計要求，例如，穿戴型的電子產(chǎn)品，如手表型、行動電話的電子電路，可使用的載板空間極度珍貴，而為了降低終端設(shè)計采用行的PCB面積，導(dǎo)入如WLP、WLCSP更小的IC封裝，已經(jīng)是無法避免的設(shè)計趨勢。

 

在晶圓階段進(jìn)行元件封裝 大幅節(jié)省載板占位面積

由于WLP、WLCSP封裝是直接建立「硅」基板上的封裝制程，IC基本上是不需使用焊線，對高頻元件來說可直接獲得更好的高頻電性，達(dá)到縮短周期時間效益，而因為封裝可以在晶圓廠完成，同時可節(jié)省封裝成本，但對于工程師來說，設(shè)計方案也必須朝向降低成本方向考量，要搭配WLP、WLCSP元件同時PCB成本也必須限制在一定程度范圍，必須注意權(quán)衡設(shè)計，或采用取線路布局對應(yīng)。

 

一般來說，進(jìn)行導(dǎo)入WLP、WLCSP元件，在執(zhí)行PCB線路布局規(guī)劃前，工程師必須先取得WLP、WLCSP的占位面積(即封裝后尺寸)，同時對WLP、WLCSP元件確認(rèn)尺寸／接點誤差、接點間距等元件關(guān)鍵訊息，開始進(jìn)行電路布局、處理元件擺位，即可利用取得的元件參數(shù)進(jìn)行設(shè)計規(guī)劃，而因應(yīng)WLP、WLCSP的尺寸與接點變得更小，還須考量適用IC接腳的焊墊設(shè)計方案。

 

PCB需針對SMD、NSMD形式做對應(yīng)微調(diào)

可搭配WLP、WLCSP的焊墊類型，可以使用Solder Mask Defined(SMD)與Nonsolder Mask Defined(NSMD)。焊罩定義型SMD焊墊，其設(shè)計方式為利用焊罩定義焊球、將被焊接之焊墊面積，這種設(shè)計方案可以減少焊墊于焊接或除焊過程，可能被拉高的可能性，但SMD形式的缺點是，SMD減少了與錫球連接之銅表面的表面積，同時減少相鄰焊墊間的空間，這會讓焊墊間的走線寬度受限，也可能造成PCB的導(dǎo)通孔使用彈性。在多數(shù)設(shè)計方案中，較被常用的仍是SMD設(shè)計方案，因為SMD的焊墊可以有較佳的焊錫連接特性，在制作過程中可讓焊錫和焊墊整個結(jié)合在一起。

 

至于非焊罩定義型焊墊(NSMD)，設(shè)計方法是利用銅進(jìn)行焊錫凸塊焊接之焊墊面積定義，這種設(shè)計方案可提供更大的表面積，來使PCB與錫球進(jìn)行連接，同時NSMD相較SMD設(shè)計形式，亦提供焊墊與焊墊間更大的絕緣間距，可允許更寬的焊墊間走線間距，對于PCB的導(dǎo)通孔的使用彈性更高，但NSMD若在進(jìn)行焊接、除焊等操作過程很容易造成焊墊被拉高。

 

針對間距需特別考量

間距尺寸的考量也相當(dāng)重要，尤其是PCB在采用行SMD或NSMD形式，不同的方案在預(yù)留的間距尺寸也會略有差異，而間距尺寸指的是錫球間的距離，此為兩個錫球的圓心距離，而間距尺寸越大，代表焊墊與焊墊之間可用來進(jìn)行布線的線路空間越大。

 

對于0.5毫米的設(shè)計方案中，由于間距較大，提供更多的走線空間，或是設(shè)計時可以使用較寬、銅材料較多線路，這表示可在走線驅(qū)動更高的傳輸電流，絕緣距離也可以輕松完成設(shè)計。對于絕緣距離，一般需檢視所要求的設(shè)計規(guī)范，一般絕緣距離為3~3.5密爾(mil)。相較0.4毫米的間距寬度設(shè)計，就相對設(shè)計更為困難，因為可用的布線空間彈性限制更多，而可用的絕緣間距也會因為間距縮小而同時減少，這代表可在線路中使用的銅變少了，傳輸?shù)尿?qū)動電流也會對應(yīng)減少。

 

在PCB布線方面，因為WLP、WLCSP元件特性，可用的錫球間距相當(dāng)小，基本上是無法使用機械開孔設(shè)備進(jìn)行PCB開孔，因為機械開孔的孔徑過大，開孔過程也可能讓PCB上較薄的線路因為開孔過程誤差受損。而在有使用WLP、WLCSP元件的PCB，由于線路較緊密許多，也會改用成本較高的雷射鉆孔來處理導(dǎo)通孔(laser-drilled via)。

 

一般來說，只有在中、高單價的終端產(chǎn)品，才會使用高成本的雷射開孔PCB制作方案，而會用雷射開孔也會同時搭配多層板進(jìn)行制作，成本會較四層板高許多，對于一些低成本應(yīng)用方案，使用多層板、雷射開孔設(shè)計方案基本上是較為不劃算。而另一種相對不常見的設(shè)計方案，是采用行交錯錫球凸塊陣列(staggered bump array)之WLP元件，利用做在WLP晶片上使錫球交錯，讓產(chǎn)品開發(fā)者爭取更多可用空間來進(jìn)行PCB線路布局。但事實上WLP搭配staggered bump array的成本相當(dāng)高，同時，此方案必須在WLP、WLCSP元件進(jìn)行開發(fā)時就同步進(jìn)行考量，在元件制作難度較高，也會因此提高元件成本。

 

結(jié)語

晶圓級晶片尺寸封裝WLP、WLCSP元件，對于縮小終端產(chǎn)品尺寸具有極佳的改善效益，但換來的是PCB設(shè)計方案也必須同步升級，搭配高密度多層板、雷射開孔的精密制程進(jìn)行開發(fā)，原本自IC元件省下的載板空間、元件成本，會部分轉(zhuǎn)嫁到PCB設(shè)計與后段的量產(chǎn)制作上，而采用行更小的元件，在產(chǎn)品后段的產(chǎn)線打件、加工或維修，也會造成部分較難施作的操作問題，這在進(jìn)行相關(guān)設(shè)計前都必須一一考量。

 

WLP、WLCSP元件為晶圓級晶片尺寸封裝，最終IC的外觀、尺寸之封裝大小幾乎與晶片是相同的，晶圓級的晶片尺寸封裝優(yōu)點相當(dāng)多，像是元件尺寸大幅縮小，減少了常規(guī)IC應(yīng)有的面積、厚度，元件的重量更輕，元件可利用更適應(yīng)大量產(chǎn)線生產(chǎn)的自動化上料打件制作，可降低整體生產(chǎn)成本，甚至WLP、WLCSP元件本身針對高頻應(yīng)用的電氣特性表現(xiàn)會更好，應(yīng)用在需要輕量化、縮小體積的行動裝置，如手機、筆記型電腦、穿戴式智慧產(chǎn)品，都可以用來大幅縮減載板面積、產(chǎn)品重量的重要手段。WLP、WLCSP元件若可以在導(dǎo)入前即針對晶圓級封裝技術(shù)做更多整合，如搭配重新布線層技術(shù)、凸塊等改善WLP、WLCSP元件設(shè)計，可以讓W(xué)LP、WLCSP元件與PCB的搭配整合在設(shè)計上更為輕松。