塑性網格焊球陣列組件的製作方法

2023-10-24 20:17:47 1

專利名稱：塑性網格焊球陣列組件的製作方法
技術領域：
本發明涉及到印刷電路板(PCB)，更確切地說是涉及到用來製造網格焊球陣列(BGA)電子組件的PCB。
最近的工藝發展導致採用有機印刷電路板(PCB)疊層作為製造單晶片組件(SCM)型和多晶片組件(MCM)型電子組件的基板。這種組件帶有多個用來與電子電路(諸如母板、底板、專用板)進行電連接的導電焊點。這種電連接靠焊性合金的小圓球來獲得，這種電子組件稱為網格焊球陣列(BGA)。這些組件通常稱為塑性網格焊球陣列。「塑性」指的是與陶瓷基板相反的PCB的柔性。


圖1是SCM型BGA組件剖面的一個例子。在疊層101的下表面有多個導電焊點103，每個焊點帶有一個與電路相連接並被回流從而實現電連接的焊球105。在組件的上表面有被保護有源元件的組件帽109覆蓋著的有源元件107。
相對於網格插針陣列之類的傳統工藝，塑性BGA工藝在例如可靠性、堅固性和製造成本方面具有許多優點。但某些問題仍有待解決。塑性BGA組件的一個缺點是所謂封裝件彎曲，正如在加州San Jose3月3日舉行的IPC印刷電路展和39屬年會的「90年代的封裝綜述」分組會上所討論的那樣(見電路技術所電路世界學刊和印刷電路與互連協會技術學刊，1996年22卷第3期)。
這一彎曲主要是由製造過程中塑性BGA組件所用不同材料之間的熱膨脹係數(CTE)的差別所造成的。這些與材料相關的CTE在從裝配直到將組件安裝到專用板的不同工藝步驟中都影響著組件的行為。
塑性BGA組件所用的材料從有機複合物(具有中高CTE的疊層)直到矽(具有低CTE的有源器件)，廣泛採用樹脂(環氧樹脂、丙烯酸樹脂、尿烷及其它樹脂，它們都具有高CTE)。
在BGA組件製造工藝中，在將有源矽元件安裝於疊層基板上之後，在組件上安置一個最後包封109(圖1)。這一覆蓋對於保護有源器件107免受外部環境影響以及為高速檢放設備移動和放置組件提供一個恰當的表面來說是必須的。現今有二種常用的方法滴頂(亦稱球頂)法和過熔法。滴頂法是在通常低於90℃的相對低的溫度下分配液態樹脂。過熔法是在通常180℃左右的高溫下在鑄模中壓注樹脂。
不管怎樣，分配樹脂時的溫度都高於工作溫度，且二種方法都採用聚合後體積縮小的材料。這意味著溫度降低會引起樹脂收縮。另一個要考慮的情況是分配或注入的材料現在都只在組件的一側。
由於上述原因，當樹脂從加工溫度冷卻到室溫時，樹脂的收縮就確定了建立在組件中的張力；在裝配工序結束時，組件就出現形變，疊層的四個角就相對於中心而翹起。這就是上述的封裝件彎曲，這就影響圖2所示的組件球共平面性值。這種「四角翹起」是由於矽元件的存在而決定的，矽元件在其粘合或焊接於基板疊層處的區域中有如一個加強肋；相反，沒有矽元件處的疊層較為柔軟，導致樹脂收縮引入力。
在將封裝件焊到專用板上去的回流焊過程中，或在組件的使用壽命過程中，這種彎曲會引起嚴重的問題。即使所有的球都與適當的接觸相焊接，顯而易見，外圍的球仍受到可影響其堅固性的力。如有一個接觸斷開，則通常意味著塑性BGA封裝損壞了，工序應重新開始；手工返工是很困難的(若不是不可能時)，且手工返工的球連接未必是可靠的。
當組件暴露於達到或超過原來的樹脂分配/注入溫度的熱循環時，彎曲傾向於減小，且理論上傾向於消失。
圖3示出了一例可能的用來將組件(如圖1所示的SCM型)固定到專用基板的回流分布以及與溫度相關的組件行為。在回流過程中，焊料合金球的高度塌陷，同時組件傾向於消去上述的彎曲。這是由於樹脂帽(它具有高CTE)的體積隨溫度升高而顯著增大。這些條件使球能夠聯接到專用基板上的接觸(圖3b)。當溫度再次降低時，樹脂收縮(因而彎曲)在組件邊緣引起向上的力，傾向於使外圍焊球在它們完全重新凝固之前發生形變。因此，即使在球都不發生破裂的最好假定下，得到的也是隨組件位置而不同的連接形狀。圖4剖面圖示意地示出了SCM組件情況下的這種不同的形狀。在矽器件固定於塑性疊層處的中央部位得到的焊球矮而粗，而向組件的邊緣，形狀越來越高而不圓。因此，無論在室溫下或在產品壽命期內功率開/關循環過程中，焊料連接都受到不同程度的應力。
由於上述原因，電子封裝的彎曲是一個感覺得到的和熟知的問題。國際專門組織JEDEC(聯合電子器件工程協會)指出，為了限制對最終封裝件造成有害的彎曲效應，塑性BGA組件邊緣相對於中心的理想最大共平面值δ應該是150μm。若考慮到它與組件的尺寸無關，則這一數值是很嚴峻的，且已知的製造工藝無法保證其實現。
本發明的目的是提供一種克服上述缺點的技術。
根據本發明，提供了一種用來製造網格焊球陣列電子組件的印刷電路板(PCB)，此PCB的第一表面上有多個可與焊料合金的多個大體球形部位相連接的導電金屬焊點，其特徵是多個焊點具有可變的表面積。
而且，根據本發明，提供了一種包含PCB的塑性網格焊球陣列組件，此PCB的第一表面上有多個可與焊料合金的多個大體球形部位相連接的導電金屬焊點，此多個焊點具有可彎的表面積，且在第二表面上有一個連接於多個焊點的導電層，此導電層至少可連接於一個電子元件。
參照下列附圖，可更好地理解本發明的上述和其它優點，這些圖中圖1是現有技術BGA組件示意圖；圖2是塑性BGA組件上的彎曲效應示意圖；圖3是回流工序過程中塑性BGA組件行為的示意圖；圖4是彎曲效應造成的塑性BGA組件中焊料球變形的示意圖；圖5是本發明最佳實施例的剖面圖；圖6是根據本發明最佳實施例的塑料BGA組件金屬焊點具有差異形狀的平面圖。
塑性BGA組件主要可用二種工藝來裝配，在組件球和專用基板表面之間加入或不加入形成連接的焊膠。不管如何，在二種情況下，組件的四角翹起形狀都能造成對裝配操作最終結果的嚴重成品率影響。
在加入焊膠的裝配工藝情況下，用網板印刷法將低共熔焊膠(通常是一種錫鉛合金)分配到專用表面上；然後通常用檢放機將BGA組件置於網板印刷的膠上。可改變網板印刷膠的量和厚度以補償組件的彎曲；但這一技術只對球共平面性小的偏離有效。還應指出的是，在一個單一專用表面上可安裝不同的元件，各有不同的需要，故焊膠量必須是所有這些要求的折衷。
在不用任何焊膠的裝配工藝情況下，BGA組件被直接置於專用板的金屬焊點上，且只有中央的球直接接觸。外圍的球由於上述彎曲而分隔開。還可能有比回流後焊球上述變形更為不利的另一種危險，即組件一側傾斜，使另一側的接觸完全斷開。
根據本發明，焊球固定於其上的組件下表面上的金屬焊點，其形狀隨它們在組件上的位置而不同。
在一個最佳實施例中，金屬焊點有二種不同的尺寸。最好用對應於焊點是否存在矽器件作為「控制因子」。當考慮SCM型(即只有一個通常在中央的矽晶片)組件時，金屬焊點在中央的面積更寬；而靠近組件的邊緣面積較小。
這一具有差異的形狀抵制了組件的自然形變，平衡了封裝件彎曲的效應。
圖5是塑性BGA組件相對於參考平面的剖面圖，示出了金屬焊點具有差異形狀及其引起的組件較小彎曲效應的一個例子。四個中央焊點501的面積比靠近邊緣的焊點503的面積更大。
當焊料球被固定到金屬焊點時，具有更大焊接面積的中央球將分布在整個焊點上，其結果是球的最終高度減小。這就使由於彎曲效應而與參考平面分開的外圍焊點可減少其共平面值中的δ，從而平衡彎曲的負面影響。
由這一差異形狀得到的另一結果是，當組件被回流焊在專用板上時，與較寬焊點(在本例中即中央焊點)的連接將由於焊區較寬而呈現更大的強度。
圖6是塑性BGA組件上二種不同尺寸的焊點分布的一個例子。這是一個底平面圖，其中4×4個中央焊點比外圍焊點更大。這是因為本例是一個SCM型(即只有一個有源矽元件)的塑性BGA組件。不同類型的電子組件當然會引起焊點的不同的分布。在一個最佳實施例中，焊點是圓形，且中央焊點的面積比其它焊點的面積大25％。
當然其它分布、形狀和比率也是可能的(例如焊點有二個以上的不同尺寸)，它更適合特定組件的要求。但即使用這一簡單的雙重焊點尺寸，也已證實塑性BGA組件中的球相對於參考平面的共平面偏離δ可保持在JEDEC(聯合電子器件工程協會)建議的上述150μm的閾值之內。
權利要求
1.一種用來製造網格焊球陣列電子組件的印刷電路板(PCB)，此PCB在第一表面上有多個可與焊料合金的多個大體球形的部位相連接的導電金屬焊點，其特徵是多個焊點具有可變的表面面積。
2.權利要求1的PCB，其特徵是多個導電金屬焊點包括至少一個具有第一表面面積的第一組焊點和至少一個具有第二表面面積的第二組焊點。
3.權利要求2的PCB，其特徵是第一組焊點位於PCB的第一部位，而第二組焊點位於PCB的第二部位。
4.權利要求3的PCB，其特徵是第一部位位於PCB的中央，而第二部位位於第一部位周圍。
5.權利要求2、3或4的PCB，其特徵是第一表面面積大於第二表面面積。
6.權利要求5的PCB，其特徵是第一表面面積比第二表面面積大25％。
7.前述任一權利要求的PCB，具有一個有機基板。
8.一種塑性網格焊球陣列組件，它包含前述任一權利要求的PCB，此PCB在第二表面上有一個連接於多個焊點的導電層，此導電層可連接到至少一個電子元件。
9.權利要求8的塑性網格焊球陣列，其特徵是第一區對應於至少一個電子元件而被設置。
全文摘要
一種帶有面積可變的導電金屬焊點的塑性網格焊球陣列電子封裝件。為了補償彎曲對最終封裝件的影響，中央焊點比靠近邊緣的焊點更大。
文檔編號H05K3/34GK1168617SQ9711035
公開日1997年12月24日 申請日期1997年4月9日 優先權日1996年6月19日
發明者弗朗西斯克·加伯裡, 史蒂芬·奧格尤尼 申請人:國際商業機器公司