WLCSP简介

晶圆片级芯片规模封装（Wafer Level Chip Scale Packaging，简称WLCSP)，即晶圆级芯片封装方式，不同于传统的芯片封装方式（先切割再封测，而封装后至少增加原芯片20%的体积），此种最新技术是先在整片晶圆上进行封装和测试，然后才切割成一个个的IC颗粒，因此封装后的体积即等同IC裸晶的原尺寸。WLCSP封装由Silicon Die、Re-passivation、UBM、Ball (bump)四部分组成，芯片直接在硅基芯片上植球将芯片内部电路引出。结构如图1所示。

FCQFN简介

倒装芯片四方扁平无引脚封装（Flip Chip Quad Flat No-lead Packaging，FCQFN），又称引线框架上倒装芯片，是在QFN封装基础上发展起来的一种先进封装技术。芯片有源面朝下，通过凸点（Bump）直接与引线框架上的端子连接，外围有用于散热的裸露焊盘。结构如图2所示。

相较于WLCSP封装，FCQFN封装具有以下优势：

• FCQFN封装较WLCSP封装相比，芯片外侧多了树脂包裹，对于应力的抵抗能力会更好；
• FCQFN封装芯片在后期维修时，便于支持，不像WLCSP因为力道不当致破损；
• FCQFN封装的芯片在维修时可以重复利用，而WLCSP芯片通常不能返工使用；
• FCQFN封装芯片的可靠性会更好，如Drop Test、Bending Test等；
• FCQFN封装芯片在测试通过后直接编带出货，而WLCSP芯片在测试完成后还会经历磨片、打印、切割、编带等制程，芯片仍有小几率受损而失效；
• FCQFN封装的芯片由于使用了金属框架，其散热性能优于WLCSP封装。

由于WLCSP封装芯片的生产成本相对较高，为了降低成本，需要将CSP封装产品兼容至FCQFN封装中，芯片厂家可以通过新型引线框架、芯片和芯片封装框架设计实现。我们主要完成应用端的兼容焊盘设计和贴装生产验证。如图3所示。

WLCSP和FCQFN兼容焊盘设计

WLCSP封装芯片选用某公司端口保护开关芯片，封装名称WLCSP 1.82X1.27-12B，Pitch 0.4mm，球径0.268±0.020mm，焊球高度0.195±0.020mm，具体封装尺寸数据如图4所示。

FCQFN封装芯片选用同一公司的过压保护负载开关，封装名称FCQFN 1.8 × 1.3 -12，Pitch 0.4mm，底部焊盘尺寸∅0.25mm，首脚方形尺寸0.25mm倒角。具体封装尺寸数据如图5所示。

WLCSP和FCQFN兼容焊盘可以采用非阻焊定义（Non-Solder Mask Defined，NSMD）设计方案，也可以采用阻焊定义设计（Solder Mask Defined，SMD）。本试验焊盘封装采用NSMD设计，焊盘尺寸∅0.23mm，阻焊尺寸∅0.33mm。如图6所示。

WLCSP和FCQFN兼容钢网设计

对于Pitch 0.4mm的CSP或QFN封装芯片，一般钢网厚度0.08mm-0.10mm，钢网开孔尺寸0.23mm-0.24mm。本试验采用FG纳米钢网，钢网厚度0.08mm，钢网开孔尺寸∅0.24mm。如图7所示。

试验方案

• 样品与参数：WLCSP封装芯片和FCQFN封装芯片各500颗，采用完全相同的PCB设计（焊盘直径0.23m，NSMD设计）、钢网（厚度0.08um，开孔0.24mm）。贴装参数和焊接参数与正常项目一致。

• 切片验证：SMT贴装焊接后取样进行金相切片，检查焊接状态和Stand-off高度。

• 可靠性测试：对通过功能测试的芯片各取80颗，进行TST300次热冲击测试和TCT1000次温度循环测试。

• 可靠性分析：对完成可靠性测试的样品再次进行切片，确认焊接状态是否变化。

试验过程如图8所示。

贴装焊接质量确认-X-RAY & Cross Section

X-Ray检查：

各取10颗FCQFN和WLCSP进行X-RAY检查，未发现虚焊、短路情况，未发现气泡超标（>25%）的情况。

贴片存在轻微偏移，但在可接受范围内（小于焊球最小间距）。

X-RAY外观检查结论：焊接结果是OK的。如图9所示。

切片分析（Cross Section）：

从WLCSP的切片数据来看，SMT焊接完成后stand off值约175um，锡球直径约为306um，回流前锡球的高度为195um，锡球直径为268um；回流后锡球继续熔断，整体高度低于回流前锡球的直径。

从FCQFN的切片数据来看，SMT焊接完成后stand off值约67um，焊锡直径约为253um，回流前焊锡的高度为0-50um，焊锡直径约为250um；回流后引脚垫高，整体高度高于回流前焊锡的高度。

切片分析结论：焊接结果是OK的。

如图10所示。

封装可靠性验证-TST300 & TCT1000

TST300 Cycle：

分别选取80颗FCQFN和WLCSP，进行温度冲击试验（Thermal Shock Test），条件为-45°C～125°C，测试芯片上板后对于应力的抵抗能力，处理300Cycle，处理完成后进行性能测试，测试结果Pass。

TCT1000 Cycle：

分别选取80颗FCQFN和WLCSP，进行温度循环试验（Temperature Cycle Test），条件为-45°C～125°C，测试芯片上班后对于应力的抵抗能力，处理1000Cycle，处理完成后进行性能测试，测试结果Pass。

可靠性后样品切片确认-Cross Section

分别取TST300 Cycle处理完成的WLCSP和FCQFN进行切片确认，确认可靠性处理完成后的焊接状态，从切片图来看，可靠性处理后焊接点无明显变化。

如图11所示。

总结

本案例中FCQFN封装使用与WLCSP完全相同的焊盘和钢网设计进行SMT，焊接结果是合格的，实现FCQFN与WLCSP封装的兼容设计、制造，并满足高标准的可靠性要求。为设计的兼容方案提供了有力的实践数据支持。

题外话：我们为了在不改变PCB布局和重新制板的情况下，灵活地使用不同封装、不同引脚或不同厂商的元器件，经常会采用兼容焊盘设计。这是一种提高设计弹性、应对供应链波动、加速产品迭代和降低成本的战略性设计方法，即“以设计阶段的复杂性，换取产品全生命周期内极大灵活性”的工程策略。兼容焊盘设计需要在“设计的灵活性”与“制造的可靠性及成本”之间找到一个最佳的平衡点。 它本质上是一种有代价的、需要精心计算的妥协艺术。