采用晶圓級(jí)封裝(wafer-level package；WLP)可降低解決方案的整體尺寸及成本。然而當(dāng)你使用晶圓級(jí)封裝IC時(shí)，印刷電路板(PCB)將變得較為復(fù)雜，而且若未仔細(xì)規(guī)劃，則將導(dǎo)致不穩(wěn)定的設(shè)計(jì)。本文章將針對(duì)在應(yīng)用上選擇使用0.4或0.5毫米間距的晶圓級(jí)封裝時(shí)，有關(guān)PCB設(shè)計(jì)上的考量及一般的建議事項(xiàng)。
設(shè)計(jì)系統(tǒng)級(jí)線路時(shí)，印刷電路板的面積是相當(dāng)珍貴的。一個(gè)降低設(shè)計(jì)所需PCB面積的方法就是使用較小的IC封裝，例如晶圓級(jí)封裝(wafer-level package；WLP)。若您能依照以下準(zhǔn)則進(jìn)行設(shè)計(jì)，則PCB將能釋很多面積，同時(shí)也可節(jié)省許多成本。
晶圓級(jí)封裝體積較它們的前一代技術(shù)小很多，這是因?yàn)榇朔庋b是直接建立在矽基板上，而且毋需使用焊線，如此能縮短周期時(shí)間并節(jié)省封裝成本。然而，為了讓PCB的成本維持在最低水準(zhǔn)，還是必須采取一些布局方面的考量。此篇文章提出在使用晶圓級(jí)封裝設(shè)計(jì)時(shí)，一些需遵循的PCB布局通用準(zhǔn)則。在進(jìn)行PCB布局設(shè)計(jì)時(shí)，這些準(zhǔn)則能協(xié)助增加設(shè)計(jì)被可靠生產(chǎn)的機(jī)會(huì)。
SMD與NSMD焊墊
在開始任何布線之前，首先要考慮的應(yīng)該是WLP占板空間的設(shè)計(jì)。WLP的設(shè)計(jì)圖將會(huì)提供用以建置PCB占板空間的大部分訊息(包括封裝尺寸、誤差、接腳間距等)。此外，在建置WLP占板空間時(shí)，還需要考量用於IC接腳的焊墊類型。焊墊的選擇包括焊罩定義型(solder mask defined；SMD)及非焊罩定義型(nonsolder mask defined；NSMD)，圖1顯示了這兩者的分別。
圖1：在建置WLP的占板空間時(shí)，需考慮用於IC接腳的焊墊類型，這可以是焊罩定義型(solder mask defined；SMD)或非焊罩定義型(nonsolder mask defined；NSMD)。
焊罩定義型(SMD)焊墊，顧名思義，就是利用焊罩來定義焊球?qū)?huì)被焊接的焊墊面積。此種方法可減少焊墊在焊接或是除焊的過程中被拉高的可能性。然而這種方法的缺點(diǎn)是，它減少了可以用來作為與錫球連接的銅表面面積，以及減少了相鄰焊墊間的空間。焊墊間走線(trace)寬度受到限制，如此可能會(huì)影響導(dǎo)通孔的運(yùn)用。
非焊罩定義型焊墊是利用銅來定義與焊錫凸塊焊接的焊墊面積。這種方法提供了較大的表面面積來與錫球連接，同時(shí)也提供了焊墊間較大的絕緣距離(與焊罩定義型相較)，因此可以允許有較寬的走線寬度，且導(dǎo)通孔的使用上較有彈性。這種方式的缺點(diǎn)則是在焊接與除焊的過程中，比較容易造成焊墊被拉高。
最獲推薦采用的焊墊型式是焊罩定義型焊墊。這種形式的焊墊會(huì)有比較好的焊錫連接性，可讓焊錫與焊墊結(jié)合在一起而整個(gè)封住。當(dāng)開始進(jìn)行晶圓級(jí)封裝的PCB設(shè)計(jì)時(shí)，必需將這兩種型式的焊墊都列入考量，同時(shí)針對(duì)應(yīng)用標(biāo)的來衡量其中的利弊得失。請(qǐng)注意，此兩種方法都可被使用在單一的晶圓級(jí)封裝的占板空間。
間距尺寸是指在IC上，錫球(就是指接腳)之間的距離。這個(gè)距離是量測(cè)兩個(gè)相鄰錫球中心線到中心線的距離。這個(gè)間距越大，則焊墊之間可以用來布線走線的空間也就越大。
0.5毫米間距的設(shè)計(jì)比起0.4毫米的設(shè)計(jì)，提供了稍微多一點(diǎn)的空間。0.5毫米間距的設(shè)計(jì)可以提供給您的錫球中心線到中心線的空間是19.7密爾(千分之一英寸)。一個(gè)典型的焊墊尺寸是8.7密爾，所以在焊墊到布線走線間，有11密爾的空間。在采用走線到錫球(trace-to-solder-ball)間的絕緣距離是3.5密爾的規(guī)范時(shí)，可以輕易符合在兩個(gè)定義好的錫球焊墊間的走線最大寬度必須在4密爾以下的要求。在4密爾寬度的走線之下，使用1盎司的銅，你可以把流經(jīng)走線的電流限制在大約220毫安培。如果使用2盎司的銅，則可以在走線上驅(qū)動(dòng)380毫安培的電流。圖2顯示了一個(gè)0.5毫米間距的晶圓級(jí)封裝的空間與尺寸。
圖2：0.5毫米間距的晶圓級(jí)封裝空間與尺寸。
0.4毫米(15.7密爾)間距的設(shè)計(jì)與0.5毫米設(shè)計(jì)想較之下有一點(diǎn)棘手，在錫球間可以布線走線的空間少了許多，這也意味著有著較多的限制及較少的彈性。當(dāng)一個(gè)典型的焊墊尺寸是7密爾時(shí)，這將留下只有8.7密爾的空間讓你在焊墊之間來布線走線。當(dāng)使用了3密爾來作為每一邊與走線內(nèi)側(cè)距離時(shí)，你的走線最大寬度將僅剩下2.7密爾以下。圖三顯示了一個(gè)0.4毫米間距的晶圓級(jí)封裝空間與尺寸。在2.7密爾的走線寬度下，使用1盎司的銅，將使得流經(jīng)走線的電流會(huì)被限制在大約160毫安培左右。對(duì)於像這樣0.4毫米的小間距，想要使用較厚的銅可能會(huì)有一些問題，因?yàn)樽呔€的寬度會(huì)比銅的寬度來的小(例如，2盎司銅=2.8密爾)。這將會(huì)導(dǎo)致在蝕刻/電鍍的制程之後，走線的凈寬度會(huì)小於2.7毫米。表1提供了由一般印刷電路板制造商所建議的走線寬度與銅厚度的對(duì)應(yīng)表。
圖3：0.4毫米間距的晶圓級(jí)封裝空間與尺寸。
表1：走線寬度設(shè)計(jì)建議。
布線的選擇方案
假如在晶圓級(jí)封裝焊墊之間采用較薄的走線，也無法符合您的設(shè)計(jì)需求，例如較小間距的晶圓級(jí)封裝(例如：0.3毫米)時(shí)，則還有其他選擇可供采用，但是這些選擇也各有其缺點(diǎn)。其中一項(xiàng)選擇是使用雷射鉆孔式導(dǎo)通孔(laser-drilled via)，但這會(huì)導(dǎo)致PCB的成本升高許多。必須采用雷射鉆孔式導(dǎo)通孔的原因是，機(jī)械鉆孔有設(shè)備上的限制性(像是鉆孔器的尺寸最小都在10密爾以上)，以及因?yàn)榫A級(jí)封裝相鄰與對(duì)角焊墊間，占位空間有限所致。雷射鉆孔是印刷電路板工廠的生產(chǎn)制程，在這里是把導(dǎo)通孔用雷射鉆孔的方式，直接鉆進(jìn)去或是與WLP焊墊位置偏移，然後再回填，因此可讓走線在內(nèi)層導(dǎo)通。假如在你的應(yīng)用中，PCB板已經(jīng)使用了雷射鉆孔式的導(dǎo)通孔(像是高階的音響應(yīng)用設(shè)備或是行動(dòng)電話等)，那麼PCB板的成本將不會(huì)是個(gè)問題。然而，假如你的應(yīng)用必需使用較低成本的PCB板(例如液晶顯示幕等)，則這些額外的成本或許并不值得。
另外一種比較不常見的方法是使用交錯(cuò)錫球凸塊陣列(staggered-bump-array)的WLP。藉由在WLP晶片將錫球交錯(cuò)，你可以產(chǎn)生較多的空間來布線較大的走線。不過，并非所有的WLP晶片都可提供豪華的交錯(cuò)錫球凸塊陣列，而且這個(gè)方法必須在設(shè)計(jì)一開始的階段就非常小心。另外一個(gè)方法就是你可以使用缺少一些內(nèi)部/外部接腳的WLP錫球凸塊陣列。這樣也可以給你較多的空間來下這個(gè)導(dǎo)通孔，或是在內(nèi)層來布線較大的走線。再一次提醒，這種方法也是必須非常仔細(xì)，在你設(shè)計(jì)的早期就必須考慮的非常透徹，同時(shí)也需要把備案需求考慮進(jìn)來。
本文小結(jié)
這篇文章提供一些基本準(zhǔn)則及設(shè)計(jì)考量，在您使用0.4及0.5毫米間距的晶圓級(jí)封裝IC進(jìn)行PCB布局設(shè)計(jì)時(shí)，這可提供您有用的協(xié)助。焊墊的形式(焊罩定義型及非焊罩定義型)、焊墊間所允許的最大走線寬度，以及焊墊間布線方式的選擇方案(雷射鉆孔式的導(dǎo)通孔、交錯(cuò)陣列式的WLP，等等)，在此篇文章中皆有所討論，提醒大家在使用WLP進(jìn)行設(shè)計(jì)要多加注意。
