概述

晶片级芯片尺寸封装形式在半导体行业中长期以来占有非常重要的地位，这一封装形式被成功应用到满足不同温度要求的新型WLCSP封装，用以实现热量转换及信号保护，满足电子业界不断增加的热量密度要求。该篇文章聚焦温度对晶片级封装器件板上装联的影响，包括1.）焊接---锡铅焊接与无铅焊接；2.）底部填充---温度对填充材料性能的影响；3.）焊接失效模拟分析---温度与表面贴装工艺如何影响焊点可靠性，帮助工程师分析、解决WLCSP在生产应用中可能出现的各类问题；实验过程中红外摄像监控仪用于监控不同规格WLCSP不同焊接工艺下焊点温度特性。

关键字:WLCSP，BGA，焊球，热量

历史回顾：
晶片级封装（WLCSP）是一种最简单、最原始的应用于半导体行业的封装形式，也是最早的表面贴装器件模式，是今日表面贴装器件发展的基石。该封装形式的设计师来自Delco.delphi及IBM公司的设计人员致力于研究高温应用环境对器件可靠性带来的负面影响（IBM应用在服务器上，Delco.dephi用于汽车的内置引擎，要求焊点的可靠性高），焊接后的WLCSP器件因其特有的封装结构，可以应用于苛刻的温度环境。该技术始于1960年，器件便于线路板组装，特别适合现代化生产设备、焊接（含助焊剂）及线路板组装（PBA），WLCSP在生产过程中工艺要求与常用锡铅SMT器件稍有不同，因此要求工程师关注WLCSP器件，及时发现问题。
该篇文章主要评估温度与WLCSP焊点的关系，评估实验过程中运用同种焊膏，便于评估温度与焊点的直接关系，同时WLCSP底部填充，模拟正式生产过程，以获得符合正常生产的有效数据，实验过程中要同时检测WLCSP器件外的其他热传递路径，分析WLCSP焊球与其他热传递路径是否有所不同？

早期工作：
作为最早的一种封装形式，有很多关于WLCSP封装记录资料，实验中选用二种封装形式，目的在于解释WLCSP封装小范围内温度变化原理。CSP简易可行的封装结构、以及温度特性带给设计者应用WLCSP封装形式的灵感，我们选用的二种封装形式曾在技术文章中出现过，但并没有提供过任何该封装类型的结论性文件。

术语：
记录中有很多定义，本文中“WLCSP“指的是将小焊球（小于等于36个焊球）焊接在硅材料的基板上并封装的器件，文中后面谈到的特殊封装形式也叫WLCSP。

实验过程：
本文讲述了几个不同的实验过程，每一组实验，PWB和所用器件会有不同的组合，实验方法相同，FLIR红外摄像监控仪检测不同组装阶段的温度，PWB上印刷黑色高温Krylon“Barbeque”涂料，用热电偶测温仪测试黑色涂料散发的热量，并据此做相应的校准，实验中使用的器件是MOSFETS器件，热量由内在二极管提供。

适合CSP封装
的基本温度解析：
San Jose State university教授.Guna Selvaduray在最近文章中讲到“与温度管理及热损耗相关的最基本问题之一是：在一个器件封装体内，各部分产生的热量并不相同，也就是器件上的某局部范围内产生的热量与散发的热量并不相等”。这一论点对标准封装或大焊球封装的器件论述是正确的，但不适合小的WLCSP封装形式，WLCSP封装有其特有的优势。
CSP热路径的优先选择或相同的温度梯度变化可通过1×1.5毫米、6个焊球的WLCSP器件做热路径测试，并分析过程中的热变化。为此我们设计一种PWB，如图1，铜覆层，六个测试点两两铜箔连接情况相同，器件从1脚标准焊接、测试，然后旋转PWB180°再进行测试。实验中热处理方式是小封装电源电路设计中需特别解决的共同问题，门电路的焊球在该测试过程中无电流通过。

测试结果：
红外探测显示：在设备能力范围之内二个焊点有相同温度，由此推断：CSP内无热量优先选择的路径。

WLCSP热量测试结论：
测试结果显示，WLCSP封装器件无热量路径的优先级别，也就是说：对于一个小型封装的WLCSP器件，所有焊接在硅材料上的焊球，与PWB焊接后焊点与PCB接触面积较大，内存芯片在运行中产生的热量可以很容易地传导到PWB上并散发出去，同时CSP可以从背面散热，所以焊点散热能力基本一致，散热效率也很高，测试结果发现某个焊球与PWB上的地线或信号线连接，焊球散热能力对PWB热量无明显影响，所以PWB设计师可根据WLCSP器件的这一特性应用到实际中，保证PWB有效的散热效应。

失效焊点对热效应的影响：
分析焊接过程的工艺参数，当焊接后出现失效焊点时，研究重点放在焊球与PWB焊盘的连接上，究竟是何因素影响焊点的形成？如图3用于分析的MOSFET WLCSP测试板是将WLCSP器件贴在PWB上，图4是X-RAY图，其中有8个焊料开裂组装好的元器件用红外摄像探测任意焊点的温度，观察记录好的焊点温度与缺陷焊接处焊球温度的差异，分别记录8个缺陷焊球的数据。忽略失效焊点对4个好的焊点的影响，一旦有8个焊点失效，最大的可能性是施加在器件上电源能力降低，详见图5

失效焊点测试讨论：
这是在一种极端条件下的测试，测试结果显示WLCSP封装的器件焊接过程中出现的焊点空洞并不完全是由焊接温度造成，空洞会影响机械可靠性，这部分内容不属本文探讨的范畴，这里不多加解释。无铅封装的WLCSP比锡铅WLCSP更具活力，一个未焊接的焊球可增加节点的温度，因未焊接的焊球不能有效的散热，而导致器件温度失控。

底部填充：
WLCSP底部填充，目的是增加器件与PWB板之间的机械连接，因PWB热膨胀系数与BGA基材硅不同，器件体与PWB之间的温度传递及电信号传输是由焊球完成并吸收焊接过程中产生的应力，底部填充是将环氧树脂材料沿器件边缘填充到焊球之间，固化后增加PWB与器件体之间的机械连接强度达10倍以上。底部填充也可以充当另一条器件体与PWB之间的热传导路径，为实验这种推测的正确性，我们选择了一个5×5.5毫米的WLCSP，焊球直径为400微米，间距为0.8×0.85毫米，共36个焊球的MOSFET，硅基体无焊点的一侧镀铜，铜和PWB之间通过“STUDS”（金属扣）连接，这些STUDS相当于焊球连接可以把热量从器件体传到PWB。该器件面向高电流情况下高可靠性市场，这种器件封装体积小，常用于便宜的消费类产品中。底部填充材料由LOC TITE提供，固化曲线由供应商提供，将底部填充材料加热到90℃，然后沿封装的右手边填充，填充范围是器件的二对边，过热风回流炉，160℃7分钟固化，固化后填充材料分布均匀，符合填充要求。
在PWB上用丝网印刷焊膏，然后将器件贴放在2盎司/1平方英寸的铜箔上，这是标准的用于测量这种器件与温度特征的PWB。

CSP底部填充的测试结果：
实验运行4次，二次实验器件有底部填充，二次无底部填充，焊接材料用无铅SAC焊膏和锡铅共晶焊膏二种。

CSP底部填充的测试分析：
实验结果令人惊讶，红外摄像清楚显示有底部填充和无底部填充对性能无明显不同，这里可以把温度循环系统想象成一个电路，就能很容易的明白热量是如何循环的，如PWB与空气间热阻抗过大，焊点上的热量不能及时通过PWB散掉，那么会引起PWB温度过低而出现焊接不良。我们也知道器件的封装材料、业界使用的填充材料多不胜数，也许其他环氧树脂填充材料比我们实验中用到的这种更好，但因WLCSP器件通过封装本身也可散热，因此底部填充对温度性能的影响不是特别明显。
无铅焊膏对温度性能的影响：随着无铅焊膏在生产中的批量应用，工程师对WLCSP器件在不同领域中的温度性能变化都需重新定夺，因无铅材料的热传导性能好于铅，故无铅焊料热传导性能好，如SAC焊膏热传导系数是57.26W/M°K，锡铅共晶焊膏的热传导系数是50.9 W/M°K，那么是否可以确定：小的无铅WLCSP器件传递的热量比含铅的CSP更多？对于这个问题，我们测试了二种不同封装的器件，第一种器件是前面提到的36个焊球，直径400微米，高铅焊球材料（95PB/5SN），该种高铅器件，一个用锡铅共晶焊膏焊接，另一个用SAC无铅焊膏焊接；第二种器件用较小的1.5×1.5毫米，9个焊球的器件，该器件非常明显无铅焊接时热传导性能非常好。随着焊料成分的变化，增大焊球尺寸，无铅1.5×1.5毫米器件优势最为明显。这部分的结构与5.5×5毫米器件基本相似，一个MOSFET WLCSP器件，有6个焊球焊在硅材料上，3个金属扣焊在铜板上，如图7。

该器件安装在2盎司/1平方英寸的铜板上，板厚0.062英寸，FR-4材料，阻焊膜定位焊盘，无铅PWB用SAC焊丝，有铅PWB用共晶锡铅焊丝焊接，22股标准实心线通孔焊接，形成电气连接。门电路与泻流端的电路被短路，门电路/泻流端电路电流作为源电流，器件调到“二极管模式”，使用MOSFET内在的二极管产生热量使节点温度升高，PWB组装板印刷成黑色，使板面上散热率均匀一致，便于红外摄像的测量，所有的测量是在PWB垂直放置进行的，θJA可由下面公式计算：

 ：焊点温度--环境温度
V：二极管电压（大约0.6V）
I：通过二极管的电流

使用上述公式，可以对测试条件下一些小的变化进行补偿，使器件获得稳定的热量，所有数据均为稳定状态下的数据。

测试焊点对比结果：
5.5×5毫米WLCSP性能上没有显示出任何变化，无铅焊膏焊接的器件θJA是33.9℃/W，二种焊料显示出相同的温度图8，注意观察峰值温度级别完全相同。
共晶锡铅焊膏焊接的器件θJA是33.5℃/W，下图图9是用1.5×1.5毫米不同焊球规格的WLCSP器件所做的实验，二种器件产生的热量θJA都是55.7℃/W，显示相同的温度级别

焊膏对比结果：
对尺寸较大的器件，只有温度改变时，无铅焊料的热传导与锡铅焊料大致相同，焊膏对焊接性能无明显区别，小的差异变化是由测量系统和设备引起的。1.5×1.5毫米的小器件，无铅焊球体积较大时，希望在实验中出现大的温度差异，实验结果表明：大的焊球，热传导性能稍好一些，不过二种器件的峰值温度基本在10℃范围之内。

结论：
WLCSP是有弹性的高性能封装技术，体积小，占用PWB空间小，温度性能好，抗干扰，抗噪音性能好，这些优点使其处于封装技术的高峰，该文章展示一些设计师或许不太熟悉的优于传统锡铅封装的性能，包括WLCSP独特的热传导路径，从温度角度上讲提升（未焊接）一个焊球对WLCSP不会引起巨大的性能变化，新型封装技术将不断排除环境因素干扰，使封装技术不断发展。
该文章也阐明了一些WLCSP焊接到PWB上的不同连接方式及这些连接方式对器件温度性能的影响，学习到底部填充在小型组装技术中，对温度性能无大的影响以及无铅焊料不能提高焊接性能，只是加速了热传导.

参考文献

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