專利名稱：塑性網(wǎng)格焊球陣列組件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到印刷電路板(PCB)，更確切地說是涉及到用來制造網(wǎng)格焊球陣列(BGA)電子組件的PCB。
最近的工藝發(fā)展導(dǎo)致采用有機印刷電路板(PCB)疊層作為制造單芯片組件(SCM)型和多芯片組件(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(dǎo)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(wǎng)格焊球陣列(BGA)。這些組件通常稱為塑性網(wǎng)格焊球陣列?！八苄浴敝傅氖桥c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(dǎo)電焊點103，每個焊點帶有一個與電路相連接并被回流從而實現(xiàn)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。
相對于網(wǎng)格插針陣列之類的傳統(tǒng)工藝，塑性BGA工藝在例如可靠性、堅固性和制造成本方面具有許多優(yōu)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(shù)所電路世界學(xué)刊和印刷電路與互連協(xié)會技術(shù)學(xué)刊，1996年22卷第3期)。
這一彎曲主要是由制造過程中塑性BGA組件所用不同材料之間的熱膨脹系數(shù)(CTE)的差別所造成的。這些與材料相關(guān)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復(fù)合物(具有中高CTE的疊層)直到硅(具有低CTE的有源器件)，廣泛采用樹脂(環(huán)氧樹脂、丙烯酸樹脂、尿烷及其它樹脂，它們都具有高CTE)。
在BGA組件制造工藝中，在將有源硅元件安裝于疊層基板上之后，在組件上安置一個最后包封109(圖1)。這一覆蓋對于保護有源器件107免受外部環(huán)境影響以及為高速檢放設(shè)備移動和放置組件提供一個恰當?shù)谋砻鎭碚f是必須的?，F(xiàn)今有二種常用的方法滴頂(亦稱球頂)法和過熔法。滴頂法是在通常低于90℃的相對低的溫度下分配液態(tài)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于工作溫度，且二種方法都采用聚合后體積縮小的材料。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(xiàn)在都只在組件的一側(cè)。
由于上述原因，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(jié)束時，組件就出現(xiàn)形變，疊層的四個角就相對于中心而翹起。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”是由于硅元件的存在而決定的，硅元件在其粘合或焊接于基板疊層處的區(qū)域中有如一個加強肋；相反，沒有硅元件處的疊層較為柔軟，導(dǎo)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?shù)慕佑|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(yīng)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。
當組件暴露于達到或超過原來的樹脂分配/注入溫度的熱循環(huán)時，彎曲傾向于減小，且理論上傾向于消失。
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(guān)的組件行為。在回流過程中，焊料合金球的高度塌陷，同時組件傾向于消去上述的彎曲。這是由于樹脂帽(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(lián)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，傾向于使外圍焊球在它們完全重新凝固之前發(fā)生形變。因此，即使在球都不發(fā)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。在硅器件固定于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(chǎn)品壽命期內(nèi)功率開/關(guān)循環(huán)過程中，焊料連接都受到不同程度的應(yīng)力。
由于上述原因，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(lián)合電子器件工程協(xié)會)指出，為了限制對最終封裝件造成有害的彎曲效應(yīng)，塑性BGA組件邊緣相對于中心的理想最大共平面值δ應(yīng)該是150μm。若考慮到它與組件的尺寸無關(guān)，則這一數(shù)值是很嚴峻的，且已知的制造工藝無法保證其實現(xiàn)。
本發(fā)明的目的是提供一種克服上述缺點的技術(shù)。
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種用來制造網(wǎng)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(dǎo)電金屬焊點，其特征是多個焊點具有可變的表面積。
而且，根據(jù)本發(fā)明，提供了一種包含PCB的塑性網(wǎng)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(dǎo)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于多個焊點的導(dǎo)電層，此導(dǎo)電層至少可連接于一個電子元件。
參照下列附圖，可更好地理解本發(fā)明的上述和其它優(yōu)點，這些圖中圖1是現(xiàn)有技術(shù)BGA組件示意圖；圖2是塑性BGA組件上的彎曲效應(yīng)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(yīng)造成的塑性BGA組件中焊料球變形的示意圖；圖5是本發(fā)明最佳實施例的剖面圖；圖6是根據(jù)本發(fā)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(jié)果的嚴重成品率影響。
在加入焊膠的裝配工藝情況下，用網(wǎng)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；然后通常用檢放機將BGA組件置于網(wǎng)板印刷的膠上?？筛淖兙W(wǎng)板印刷膠的量和厚度以補償組件的彎曲；但這一技術(shù)只對球共平面性小的偏離有效。還應(yīng)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組件被直接置于專用板的金屬焊點上，且只有中央的球直接接觸。外圍的球由于上述彎曲而分隔開。還可能有比回流后焊球上述變形更為不利的另一種危險，即組件一側(cè)傾斜，使另一側(cè)的接觸完全斷開。
根據(jù)本發(fā)明，焊球固定于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(yīng)于焊點是否存在硅器件作為“控制因子”。當考慮SCM型(即只有一個通常在中央的硅芯片)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(yīng)。
圖5是塑性BGA組件相對于參考平面的剖面圖，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(yīng)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?qū)⒎植荚谡麄€焊點上，其結(jié)果是球的最終高度減小。這就使由于彎曲效應(yīng)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(jié)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)的連接將由于焊區(qū)較寬而呈現(xiàn)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(即只有一個有源硅元件)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組件中的球相對于參考平面的共平面偏離δ可保持在JEDEC(聯(lián)合電子器件工程協(xié)會)建議的上述150μm的閾值之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用來制造網(wǎng)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(dǎo)電金屬焊點，其特征是多個焊點具有可變的表面面積。
2.權(quán)利要求1的PCB，其特征是多個導(dǎo)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(quán)利要求2的PCB，其特征是第一組焊點位于PCB的第一部位，而第二組焊點位于PCB的第二部位。
4.權(quán)利要求3的PCB，其特征是第一部位位于PCB的中央，而第二部位位于第一部位周圍。
5.權(quán)利要求2、3或4的PCB，其特征是第一表面面積大于第二表面面積。
6.權(quán)利要求5的PCB，其特征是第一表面面積比第二表面面積大25％。
7.前述任一權(quán)利要求的PCB，具有一個有機基板。
8.一種塑性網(wǎng)格焊球陣列組件，它包含前述任一權(quán)利要求的PCB，此PCB在第二表面上有一個連接于多個焊點的導(dǎo)電層，此導(dǎo)電層可連接到至少一個電子元件。
9.權(quán)利要求8的塑性網(wǎng)格焊球陣列，其特征是第一區(qū)對應(yīng)于至少一個電子元件而被設(shè)置。
全文摘要
一種帶有面積可變的導(dǎo)電金屬焊點的塑性網(wǎng)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(yōu)先權(quán)日1996年6月19日
發(fā)明者弗朗西斯克·加伯里, 斯蒂芬·奧格尤尼 申請人:國際商業(yè)機器公司