【经验】如何降低CSP封装的光敏感度?

2018-07-24 Silicon Labs
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芯片级封装(CSP)为应用提供小型化和经济性的解决方案,广泛用于小型穿戴设备和物联网的PCB设计。然而,该封装将内部芯片直接暴露在光线下,可能导致额外的电流损耗,成为低功耗应用设计的不利因素。本文以EFM32WG360F256-A-CSP81为例,介绍了CSP封装阻挡光线进入的两种常用方法。


一、引言

CSP封装本质上是一块裸硅片,由于采用透明的模塑材料,使得硅半导体暴露在光线下,那么硅集成电路上的任意二极管或反向偏置PN结将受光电效应的影响。当光子撞击半导体时会产生电子空穴对,最终导致芯片的漏电流增大,对于低功耗或高精度模拟芯片的设计非常不利。



图1 NMOS和PMOS示意图


二、采用CSP封装的EFM32系列

Wonder Gecko EFM32WG360F256-A-CSP81作为一款节能型的微控制器,采用81引脚的CSP封装,其中封装顶部具有不透明的黑色涂层(芯片裸片的背侧),另外一侧为再分布层和焊球,用于将芯片焊接在PCB上。

 

实验结果表明,当元件暴露在明亮光线下时,EM2模式的漏电流会增大到几μA,那么欠压检测器(BOD)就会重启MCU。此外,超低功耗调节器采用低功耗的电压参考,也容易受到强光的影响。通过EMU_CTRL寄存器设置EMVREG位,增大EM2的电压调节器偏置,从而防止BOD重启设备:


EMU->CTRL |= EMU_CTRL_EMVREG


在该设置下,完全偏置模式EM2的电流将增大到400μA左右,然而对于低功耗应用来说不是一个好的解决方案。


三、光线阻挡方案

1.遮光外壳

对于大多数产品,PCB通常封装在某种类型的外壳中,可以保护电路板免受灰尘、污垢和机械的损坏。当选用CSP封装时,外壳设计还需要考虑光线阻挡的因素。

 

在LED、接近传感器、光电设备与EFM32WG360F256-A-CSP81配合使用时,设备外壳不仅要确保光线准确传递给内部的感光元件,还需阻挡光线到达CSP封装的半导体。CSP封装顶部的不透明材料阻挡了大部分光线,但是卤素灯实验的结果表明,当EFM32WG360F256-A-CSP81顶部的直接辐照度为30mW/cm2时,就会导致该元件重启。

 

EFM32WG360F256-A-CSP81对光源最敏感的位置在芯片左侧45°,即电压调节器去耦引脚的一侧。在该角度下大约4mW/cm2的光照等级就会导致芯片重启,因此表明该元件的边缘、封装底侧更容易受到光线影响。


图2 EFM32WG CSP封装的光敏感区域


2.圆顶封装体

如果无法使用外壳阻挡光线进入,另外一个解决方案是选用环氧树脂的圆体封装体进行覆盖,这种类型的材料通常用于芯片组装。在采用圆顶封装材料覆盖时(例如Namics Chipcoat G8345-6),需要准备充足材料覆盖封装的所有角落,为设备提供最佳的遮光效果。

图3 采用圆顶封装体覆盖EFM32WG设备


如图3所示,左侧电路板具有充足的填充材料,并且每个角落都被完全覆盖,在封装上面形成一个平滑的圆顶。右侧电路板填充材料不充足,那么CSP封装的角落就容易受到光照的影响。右侧电路板CSP封装的重置辐照度为30mW/cm2,而左侧CSP封装在辐照度100mW/cm2时设备仍未发生重置。

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  • luosai Lv8. 研究员 2018-09-25
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