FCQFN 和 WLCSP 封装的 PCB 焊盘设计兼容性和 SMT 焊接可靠性验证；WLCSP 简介

2026-01-16

PCB焊盘设计兼容性和SMT焊接可靠性验证我知道了FCQFN 和 WLCSP 软件包的 ation

WLCSP简介

晶圆级芯片封装 (WLCSP) 是一种封装方法，其封装体积基本等于集成电路芯片的原始尺寸。与传统的封装方法（先切割晶圆再进行封装，通常体积至少增加 20%）不同，这项先进技术先对整个晶圆进行封装和测试，然后再将其切割成单个集成电路芯片。

WLCSP结构由四部分组成：硅芯片、钝化层、UBM（凸点下冶金层）和焊球（凸点）。芯片通过将焊球直接焊接在硅衬底上与外部世界连接。该结构如图1所示。

FCQFN简介

倒装芯片四方扁平无引线封装 (FCQFN)，也称为引线框架倒装芯片，是一种基于标准 QFN 封装技术开发的先进封装技术。芯片正面朝下安装，通过凸点直接连接到引线框架上的引脚。其底部设有裸露焊盘 (EP)，以增强散热性能。该结构如图 2 所示。

FCQFN 与 WLCSP 的比较

与WLCSP包装相比，FCQFN具有以下优势：

抗应力能力： FCQFN 芯片封装在树脂中，与未封装的 WLCSP 相比，具有更好的抗机械应力能力。
维修难易程度： FCQFN 的刚性引线框架在返工过程中提供了稳定的支撑基础，防止了因 WLCSP 芯片处理不当而造成的损坏。
可返工性： FCQFN 芯片在拆卸和重新植球后可以重复使用，而 WLCSP 芯片通常在返工过程中被破坏，无法重复使用。
可靠性： FCQFN 在跌落试验和弯曲试验等测试中表现出优异的可靠性。
生产良率： FCQFN芯片在测试后立即进行卷带包装并出货。相比之下，WLCSP芯片在测试后需要经过背面研磨、标记、切割和卷带等工序，这使得它们更容易受到损坏和失效的影响。
热力射频森林： 由于采用了金属引线框架，FCQFN 的散热性能比 WLCSP 更好。

由于WLCSP的生产成本相对较高，市场需要用FCQFN封装的产品替代WLCSP产品以降低成本。虽然代工厂通过新的引线框架和芯片设计来实现这一目标，但我们的重点在于验证应用端PCB焊盘设计和组装工艺的兼容性。

适用于 WLCSP 和 FCQFN 的兼容焊盘设计

WLCSP 设备：端口保护转变我们选择了一家特定制造商的产品。
- 零件编号： WLCSP 1.82X1.27-12B
- 沥青： 0.4毫米
- 球体直径： 0.268 ± 0.020毫米
- 球的高度： 0.195 ± 0.020毫米
FCQFN器件： 我们选用了同一厂家生产的过压保护负载开关。
- 零件编号： FCQFN 1.8 × 1.3 -12
- 沥青： 0.4毫米
- 底部垫尺寸： 直径0.25毫米
- 第一枚别针： 0.25mm 方形，带倒角。

FCQFN 1.8 × 1.3 -12.png

垫子设计：
可以使用非阻焊层定义 (NSMD) 或阻焊层定义 (SMD) 方法设计与 WLCSP 和 FCQFN 兼容的焊盘。
- 测试设计： 本实验采用了NSMD方法。
- 垫子尺寸： 直径0.23毫米
- 阻焊层开口： 直径0.33毫米

WLCSP 和 FCQFN 兼容焊盘设计.png

兼容的模板设计

对于间距为 0.4mm 的 CSP 或 QFN 封装，标准钢网厚度范围为 0.08mm 至 0.10mm，开口尺寸为 0.23mm 至 0.24mm。

测试模板： FG纳米模板。
厚度： 0.08毫米
孔径大小： 直径0.24毫米

WLCSP 和 FCQFN 兼容模板设计.png

实验计划

样品及参数： 使用了500个WLCSP封装单元和500个FCQFN封装单元。两种封装均采用相同的PCB设计（直径0.23mm的NSMD焊盘）和钢网（厚度0.08mm，开口0.24mm）。贴片和焊接参数均符合标准生产设置。
横截面验证： 对SMT后的样品进行横截面分析，以检查焊接状况和焊点间距。
可靠性测试： 每个包装的 80 个功能单元分别经受 300 次热冲击 (TST) 循环和 1000 次温度循环 (TCT) 循环。
可靠性分析： 测试后的样品再次进行横截面分析，以检查焊点的变化。

SMT可靠性验证.png

焊点质量确认 - X射线和横截面分析

X射线检测： 对每种封装的10个单元进行了检查。未发现开路、短路或空隙率过高（>25%）的情况。观察到轻微的放置偏差，但均在可接受的范围内（小于最小球间距）。
- 结论： 焊接效果尚可。

X射线检测结果.png

横截面分析：
- WLCSP： 回流焊后的焊盘高度约为175μm，焊点直径约为306μm（回流焊前：高度195μm，直径268μm）。焊球塌陷，导致最终高度低于原始直径。
- FCQFN： 回流焊后的焊盘高度约为 67 微米，焊点直径约为 253 微米。（回流焊前：焊膏高度 0-50 微米，直径约 250 微米）。引脚被抬高，最终高度高于原始焊膏高度。
- 结论： 焊接效果尚可。

横截面分析.png

封装可靠性验证 - TST300 和 TCT1000

TST 300 循环： FCQFN 和 WLCSP 各 80 个单元接受了热冲击测试（-45°C 至 125°C）。该测试评估其抗热应力能力。所有单元在 300 次循环后均通过了性能测试。
TCT 1000 循环： 80台设备分别进行了温度循环测试（-45°C至125°C）。所有设备在1000次循环后均通过了性能测试。

可靠性测试后横截面确认

经TST 300循环测试后，样品横截面图像证实了焊点状态良好。图像显示焊点未发生明显变化或损坏。

概括

在本案例研究中，FCQFN封装成功地采用与WLCSP完全相同的PCB焊盘和钢网设计进行组装。焊接结果合格，在满足高可靠性标准的同时，实现了设计和制造的兼容性。这为兼容的设计方案提供了强有力的经验数据支持。

附注： 为了在不改变PCB布局或制造新电路板的情况下，灵活使用不同封装、引脚排列或来自不同供应商的元器件，我们通常采用兼容焊盘设计。这是一种战略性的工程方法，旨在提高设计灵活性、降低供应链风险、加快产品迭代速度并降低成本。它体现了“在产品生命周期内，以设计复杂性换取最大灵活性”的策略。兼容焊盘设计需要在“设计灵活性”和“制造可靠性及成本”之间找到最佳平衡点。这本质上是一门精于权衡的艺术。