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小型化cu波段wlcsp驱动器的研制

0wlp封装的简介半封闭化是半生产业的核心要素之一,重视电路设计和工艺制造。随着半导体技术的进步和集成度的提高,半导体封装要具有更高的封装密度、更小的封装体积以及更多的引脚数目。因此,以晶圆级封装(waferlevelpackaging,WLP)和芯片尺寸封装(chipscalepackaging,CSP)等形式的半导体封装满足了高封装密度、小型化封装体积、低成本的需求,逐渐成为封装中的主流与传统的金属、陶瓷、塑料管壳封装相比,WLP技术是先在整个晶圆片上进行封装和测试,之后经划片成为单个的单元,所以称之为WLP,也称之为晶圆级芯片尺寸封装(WLCSP)。WLCSP有封装面积小、封装面积与芯片面积之比小于1.2∶1等优点本文采用WLCSP工艺,通过对CMOS驱动器的重分配布线层进行优化,采用两层聚酰亚胺介质层、一层重分配布线层、一层金属下淀积层和金属凸点的方案研制了一款小型化WLCSP的CMOS驱动器。1晶圆的wlcsp工艺本文所述的WLCSP的CMOS驱动器的剖面图如图1所示。WLCSP由硅基衬底、薄膜钝化保护层、重分配布线层、两层电绝缘介质层、下金属层、铜柱和锡帽等组成。整个硅基晶圆在完成前期曝光、电镀、刻蚀等半导体工艺后,后期再进行WLCSP工艺。经过WLCSP后,硅基芯片表面上生长出金属凸点,形成倒装焊结构的封装形式。如图2所示,和传统芯片相比,WLCSP芯片和板级系统的互连不再需要金丝键合。采用表面贴装技术代替金丝键合,提升了微组装效率,减少了成本。与此同时,封装的小型化减小了寄生电感,提高了信号完整性。金属凸点的存在也加强了芯片的导热性能,保证芯片稳定正常工作。在WLCSP中重分配布线和金属凸点是工艺的核心技术。2高密度wlcsp凸点阵列封装重分配布线技术是一种重新布局芯片周边分布的压点到芯片的任何位置的布线技术。通过增加一个重分配布线的介质层,从而对芯片的输入输出管脚进行重新分配布线。通过重分配布线层(redistributionlayer,RDL)的重分配布线,把芯片的压点转化成阵列分布图形或者其他规则对称的分布图形来实现高密度的WLCSP凸点的阵列封装。另一方面,重分配布线技术可以再次布局高密度的输入输出压点,使封装不局限于芯片的压点设计。如图3所示,驱动器芯片通过RDL使输入和输出压点重新进行布局,将压点布局到间距适中,并有利于凸点制作的阵列位置上。WLCSP重分配布线工艺流程如图4所示。3重分配铜及其学模晶圆凸点制作是倒装芯片的核心技术之一。在凸点制作中最重要的工艺是制作凸点下金属层。凸点下金属层可以用蒸发、电镀、化学镀、印刷的方法实现。其中电镀的方法是最成熟、成本较低的一种。首先在完成重布线的整个晶圆表面上溅射种子层,然后溅射微米级的铜。在下金属层之上电镀厚铜,之后电镀铅锡焊料形成蘑菇形状的顶部,除去光刻胶和种子层,整个晶圆片进行回流。焊料融化后由于表面张力而形成光滑的凸点。在完成重布线工艺后,WLCSP凸点加工流程如图5所示。重分配布线和凸点工艺是在6英寸(1英寸=2.54cm)晶圆上实现的。经过回流后的金属凸点因为表面张力,表层锡层会形成光滑的曲面。经过加工完成的实物图如图6所示,WLCSP驱动器的尺寸为1.8mm×1.2mm×0.35mm。4wlcsp控制器测试结果驱动器芯片的基本逻辑单元是由CMOS晶体管组成的。它的主要功能是使输入的晶体管逻辑(transistor-transistorlogic,TTL)信号转换为输出脉冲-5或0V的信号,用于开关芯片的控制。在芯片完成WLCSP后,管脚分配也同时发生了改变。WLCSP驱动器的管脚定义如表1所示,驱动器有6个管脚,2个电源管脚,4个输入输出管脚。图7为测试系统,由电源和函数信号发生器提供输入信号,示波器对输出信号波形进行观测。电源供给+5V的电压,静态电流为3mA,驱动电流为2mA。WLCSP驱动器安装在测试夹具上。测试夹具由6个探针构成,可以和芯片进行精确对接。此外,测试夹具可以调节压合力矩确保探针和测试芯片紧密连接。WLCSP驱动器测试结果波形如图8所示,图中U为信号幅度,t为时间。从图8可知,驱动器上升沿为2.3ns,下降沿为2.5ns,开关时间为10.6ns。5wlcsp的可靠性试验半导体封装一方面为芯片提供电气互连,另一方面为芯片提供保护,提供必要的机械支撑,提高力学及热学可靠性,从而具备良好的环境适应性。WLCSP的模块使用过程中会因为环境而造成瞬间冷或热的变化,所以WLCSP承受温度冲击的能力要达到一定的水平来保证芯片安全稳定工作。另一方面,当模块处于振动环境中时,电路板上的器件因为其体积小则振动频率高,这会引起封装结构内部产生疲劳,从而导致断裂。所以WLCSP要具备承受一定的抗振动冲击的能力来保证芯片的可靠性金属凸点是WLCSP中重要的组成部分,同时也是影响WLCSP可靠性最为重要的因素。由于各材料之间的热膨胀系数,凸点不同会在外界温度变化时产生应力,应力经过时间的积累造成金属疲劳从而导致凸点开裂失效。因此必须做相关可靠性试验来验证。首先,在1mm厚的FR4基板上涂覆焊锡膏,之后把WLCSP驱动器倒装至基板上,如图9所示。然后经过回流焊接,通过铜柱阵列实现芯片和基板的互连。WLCSP驱动器按照GJB360B—2009方法107A-2温度冲击试验条件,在-55~85℃的温度环境下循环50次,极限温度下样品保持0.5h。WLCSP驱动器按照GJB360B—2009方法214B随机振动试验条件,加速度谱密度为4(m·s在半导体封装中,采用测试剪切力强度来表征器件与基板之间的共晶强度。通过在封装上施加平行于共晶界面的推力直到将WLCSP与基板分离,从而测出该剪切力的大小。底部填充胶是利用毛细作用迅速流过WLCSP芯片底部,利用加热固化的形式将WLCSP底部空隙填满,提高WLCSP的抗冲击、跌落和抗震性,提高WLCSP的可靠性。对未添加和添加下填充材料的WLCSP驱动器进行了剪切力对比测试。根据GJB548B—2005方法2019.2

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