专利名称：用于将半导体器件固定到印刷线路板的系统和方法
技术领域：
本公开涉及半导体器件封装，并且具体地涉及用于将封装固定到印刷线路板的系统和方法。
背景技术：
现今的复杂产品常常包含用于驱动这些产品的诸如处理器和微控制器的多个器件。随着器件数目的增加以及产品尺寸的减小，印刷线路板被用于改进器件密度。印刷线路板(PWB)(可替选地被称为印刷电路板(PCB))容纳经由印刷线路板中的电路或线路连接的许多个半导体器件。这些器件以多种方式连接到印刷线路板。一种方法是将球栅阵列(BGA)封装焊接到印刷线路板上的传导焊盘。然而，这种当前方法具有其缺点。例如，PWB可能不是平面的。BGA是以严密公差 制造的，从而确保与印刷线路板的紧密连接。此外，对于高引脚数目的器件，引脚之间的间距或距离将以毫米计。因此，如果PWB不是平面的，则BGA附接可能不具有针对板的完整的连接。在最初时，弱的连接可能引起与PWB上的其他器件的间歇的通信故障。随着时间的推移，该连接可能变得完全断开，致使器件不可用。另一示例是翘曲的影响。大部分现今的PWB被构建为包括多种材料的多个层。这些材料具有不同的热膨胀系数。当暴露于系统的规定温度(例如，-40摄氏度到140摄氏度)时，印刷线路板的不同的层以不同的速率膨胀和收缩，因此引起印刷线路板的翘曲。随着时间的推移，印刷线路板将变得不平并且BGA和焊料针对PWB的刚性连接将不能适应PWB的翘曲，导致BGA和PWB之间的连接断开。在上述情形下，现场工程师可以去除印刷线路板并且尝试更换断开连接的部件。当去除BGA时存在损坏印刷线路板的风险。当重新附接BGA球并且将BGA重新附接到印刷线路板时还存在减少器件寿命或者使器件永久不可用的风险。再者，在许多应用中更换部件是不可能的，因此产生了将BGA更牢固地连接到印刷线路板的需要。
发明内容
根据本发明的具体实施例，提供了一种用于通过柔性弹簧将半导体器件固定到印刷线路板的系统和方法。在具体实施例中，半导体器件封装包括球栅阵列(BGA)。BGA耦接到多个柔性弹簧，所述柔性弹簧包括一匝或多匝并且被配置为耦接到BGA。被配置为对准并且分离弹簧的隔板附接到BGA和弹簧组件。被配置为与印刷线路板(PWB)上的焊料对准的焊接辅助件附接到PWB。BGA、弹簧和隔板组件耦接到印刷线路板(PWB)上的传导焊盘。本发明的一个或多个实施例的技术优点可以包括BGA和PWB之间的连接的x、y和z轴上的改进的柔性。所有方向上的改进的柔性提供了若干优点。首先，由弹簧提供的柔性连接可以使BGA针对PWB的多个连接的断开和短路最少。其次，如果PWB因翘曲或者由极端温度引起的收缩和膨胀而变得不平，则弹簧可以进行调整而不会危及BGA、弹簧和PWB之间的连接。
这些优点可以减少封装和印刷线路板之间的连接的断开和短路，因此减少了现场维修的需要。此外，对于维修需要的减少，该方法和系统可以改进产品的可靠性。在其中维修可能性最小的诸如军事和航天的应用中，这是重要的优点。根据下面的附图、描述和权利要求，其他技术优点对于本领域技术人员将是显见的。而且，尽管上文列举了具体的优点，但是各种实施例可以包括所有或一些所列举的优点或者没有所列举的优点。
为了更完整地理解本发明及其特征和优点，现结合附图参照下面的描述，在附图中图IA是图示了由于X或y轴上的移动引起的直接附接到印刷线路板(PWB)的球栅阵列(BGA)之间的连接断开的示例的示图；图IB是图示了由于z轴上的翘曲引起的直接附接到PWB的BGA之间的连接断开的示例的示图；图2A是图示了根据本发明的一个实施例的，用于将弹簧附接到BGA的组装过程的示图；图2B是图示了根据本发明的一个实施例的，用于将图2A的BGA和弹簧组件附接到PWB的组装过程的示图；图3是图示了根据本发明的一个实施例的，其中使用弹簧连接BGA和PWB的完整附接的示图；以及图4是图示了根据本发明的一个实施例的组装过程的流程图。
具体实施例方式图IA是图示了直接附接到诸如印刷线路板(PWB)的板上的传导焊盘的球栅阵列(BGA)的示例的示图。BGA 100包括与PWB 120上的其他半导体器件通信的半导体器件。BGA经由附接到PWB 120上的传导焊盘140的球130与其他器件连通。如果存在x或y方向上的移动，则可能存在连接断开110。如果BGA 100未牢固地附接到印刷线路板上的传导焊盘，则器件的操作可能是间歇的或者完全中断。这些断开连接110引起了现场的产品故障。在诸如军事或航天的一些应用中，印刷线路板的维修或重新工作是不可能的。在其中维修可能的情况下，在器件去除期间存在损坏印刷线路板(PWB) 120上的传导焊盘140的风险。在从印刷线路板去除、BGA球130的重新附接以及重新附接到PWB 120期间，还存在损坏或减少器件寿命的风险。图IB是图示了直接附接到印刷线路板120上的传导焊盘140的球栅阵列(BGA) 100的示例的示图。如果因器件翘曲或者由于极端温度引起的收缩和膨胀导致z方向上的移动，则可能存在断开连接110。如果BGA100从印刷线路板上的传导焊盘140脱离，则器件的操作可能完全中断。这些断开连接110引起了现场的产品故障。在诸如军事或航天的一些应用中，印刷线路板的维修或重新工作是不可能的。在其中维修可能的情况下，在器件去除期间存在损坏印刷线路板(PWB) 120上的传导焊盘140的风险。在从印刷线路板去除、BGA球130的重新附接以及重新附接到PWB120期间，还存在损坏或减少器件寿命的风险。图2A是图示了根据本发明的一个实施例的，用于将弹簧附接到BGA的组装过程的示图。BGA 200可以包括陶瓷、塑料或者任何其他材料以提供对BGA内部的电路的保护或者承受组装或者最终产品所需的温度。BGA 200包括用于将BGA 200电耦接到诸如印刷线路板(PWB)的电路板的许多个球226。BGA 200的球可以包括适于在特定温度下熔化并接合到PWB的传导焊盘的诸如锡和铅的金属合金。为了开始组装过程，转动BGA 200使之倒转，随后第一隔板208与BGA 200上的球226对准。第一隔板208包括适于承受回流焊或组装过程期间所需的温度的诸如Durastone或聚酰胺的任何材料。第一隔板208包括孔220，孔220具有足以允许一组弹簧216滑动通过并且实现与BGA 200上的球的接触的直径。弹簧216包括诸如磷青铜的柔性导线并且镀覆有促进经由焊接进行附接的诸如银的适当材料。在一些实施例中，可以使用镀银的磷青铜弹簧。该材料可用于解决脆化问题。例如，使用镀金弹簧可能由于脆化而危及连接质量。金可能变成焊料中的灰尘并且在连接中产生空洞。镀银的磷青铜弹簧不具有这些问题。该材料可用在特定实施例中以满足诸如联合工业标准IPC J-STD-001D的标准，该标准列出了用于避免脆化问题的具体要求。对于诸如军事或宇 航的某些应用，常常需要这些标准。可以使用对准销212，其在第一隔板208的孔202内部配合。对准销212包括适于承受组装或回流焊过程的温度要求的诸如铝或钢的任何材料。在弹簧216和销212就位时，与第一隔板208相似的第二隔板228被安置在第一隔板208上，使得弹簧216被安置为通过隔板208和228的孔220。在一些实施例中，两个隔板208和228的组合高度小于弹簧216的高度。铝板224被安置在弹簧216上以确保最终组件的平坦。将在图4中描述组装过程的额外的细节。图2B是图示了根据本发明的一个实施例的，用于将图2A的BGA和弹簧组件附接到印刷线路板(PWB)的组装过程的示图。PWB 230具有被配置为与组件242的弹簧对准的传导焊盘234，组件242包括如图2A中组装的BGA 200、球226和弹簧216。PffB 230是包括用于连接经由焊接技术附接到PWB的多个器件的电路的多层板。焊盘234包括诸如焊料的材料，当通过组装或回流焊过程安置印刷线路板时，该材料将粘附到弹簧。图2A的示例中产生的组件242将在组装过程的清洁步骤期间去除隔板208和228。这将在图4中进一步描述。组件242的弹簧216随后被安置为通过清洁隔板238的孔220。组件242的弹簧216被安置在PWB 230的传导焊盘234上。焊接辅助件236可用于确保PWB230和BGA弹簧组件242之间的对准。随后将热保护器246安置在组件242上以保护组件242抵御将弹簧附接到焊盘234期间所需的回流焊的热。如图4中更详细描述的，铝板250提供重量以确保回流焊期间的平坦连接。图3是图示了根据本发明的一个实施例的，其中使用弹簧连接BGA和PWB的完整附接的示图。BGA 200附接到弹簧216。弹簧216附接到PWB 230上的传导焊盘234。如同隔板238，焊接辅助件236保持在印刷线路板上。这些弹簧216促进了 z、y和z方向上的柔性。该柔性可以使迫使需要维修和重新工作的可靠性问题最小。此外，这可以在诸如军事或航天的高应变应用中减少引起产品故障的可靠性问题。图4是图示了根据本发明的一个实施例的如图2A、2B和3中所示的用于将BGA附接到PWB的组装过程的流程图。在步骤400中，BGA被底朝上地安置，从而球暴露。在步骤402中，将第一(或底)隔板安置在球上，从而该隔板与封装齐平。在步骤404中，将助焊剂施加到隔板。在步骤406中，刮擦助焊剂，从而隔板中的所有孔填充有助焊剂。在步骤408中，将对准销安置在隔板的外孔中。在步骤410中，将第二(或顶)隔板安置在对准销上。随后在步骤412中推动第二(顶)隔板以与底隔板齐平。在步骤414中，将弹簧安置在每个隔板孔中。在步骤404中施加的助焊剂将使弹簧对向BGA的球保持就位。弹簧的高度可以大于一起齐平的两个隔板的高度。在步骤416中，将铝板安置在弹簧上。铝板确保了弹簧和BGA球之间的良好接触。其将进一步确保弹簧和PWB上的传导焊盘之间的接触区域是平坦的。在步骤418中，对上述组件进行回流焊。在回流焊期间，可以将组装的零件安置在红外对流或“披萨烤炉”中。作为示例，组装的零件可以缓慢地行进通过若干个热区，这些热区允许焊料缓慢地加热和缓慢地冷却。仅作为示例，工业标准目标是4摄氏度每秒以避免热冲击，尽管这在其他实施例中可能是不同的。在回流焊过程期间，BGA焊球在助焊剂的协助下熔化到弹簧上。焊料将仅部分地行进到弹簧上，使得弹簧的一匝或多匝未被覆盖以维持弹簧柔性。在一些实施例中，使两匝未被覆盖，然而，可以使弹簧的更多的或更少的匝未被来自BGA球的焊料覆盖。在步骤420中，去除铝板、第一(顶)隔板和第二(底)隔板以允许清洁和去除助焊剂以及组装过程的其他可能的副产物。在步骤422中，可以将BGA焊接辅助件安置在PWB的焊盘区域上。例如，可以使用Kapton BGA焊接辅助件，其被激光切割成与PWB上的焊盘图案匹配的图案。切口使用于焊接的焊盘暴露。Kapton辅助件的 厚度可以变化，但是其通常足够厚以在PWB暴露焊盘上产生空腔。在步骤424中，将焊剂施加到BGA焊接辅助件。在步骤426中，使焊剂平滑，从而所有空腔被填充。在步骤428中，将清洁隔板安置在弹簧上。该隔板未附接到PWB或BGA。其目的在于确保弹簧在诸如卫星发射的极端振动期间不会短接在一起。在步骤430中将组合的隔板和BGA弹簧组件安置到焊接辅助件上。在步骤434中，将适于承受回流焊或组装过程的热的任何材料的带安置在BGA组件上以将其固定到PWB上的适当位置。在步骤436中将热保护件安置在封装上以确保来自下一回流焊过程的热不会影响已连接的弹簧和BGA。在步骤438中，将步骤416中使用的铝板安置在来自步骤436的热保护件上。如步骤416中的那样，将铝板安置在组合的零件上，并且这些零件被安置为再次通过回流焊(步骤440)。步骤440中的回流焊与回流焊步骤418相似，然而，在该情况下，弹簧附接到PWB上的焊盘。在回流焊之后，弹簧和PWB之间的连接完成(步骤442)并且可以从组件去除铝板和热保护件。尽管图4针对用于将半导体器件固定到印刷线路板的方法公开了所采用的步骤的具体数目，但是这些步骤可以通过比图2至图4中所示的步骤更多或更少的步骤来执行。此外，尽管图4针对将半导体器件固定到印刷线路板的方法公开了所采用的步骤的特定顺序，但是包括将半导体器件固定到印刷线路板的方法的步骤可以以任何适当的顺序完成。尽管在优选实施例中已描述了本发明，但是本领域技术人员可想到各种改变和修改。仅作为示例，实施例可以具有数目不同的引脚，阵列的配置可以不同，阵列的间距可以不同，球的尺寸可以不同，弹簧的尺寸可以不同并且材料可以不同。本发明应涵盖落在所附权利要求范围内的这样的改变和修改。
权利要求
1.一种用于将球栅阵列BGA固定到印刷线路板PWB的系统，所述系统包括 球栅阵列，包括一个或多个球； 多个弹簧，每个弹簧包括一匝或多匝并且被配置为附接到所述球栅阵列中的球； 隔板，包括被配置为对准并且分离所述弹簧的多个孔；以及 印刷线路板，包括传导焊盘； 其中所述弹簧通过所述印刷线路板PWB的所述传导焊盘焊接到所述球栅阵列的球。
2.根据权利要求I所述的系统，其中每个弹簧包括柔性导线。
3.根据权利要求2所述的系统，其中所述弹簧包括镀银的柔性磷青铜导线。
4.根据权利要求I所述的系统，进一步包括焊接辅助件，其被配置为对准所述印刷线路板上的焊料。
5.根据权利要求4所述的系统，其中所述焊接辅助件包括Kapton或聚酰胺带。
6.根据权利要求4所述的系统，其中所述焊接辅助件包括一个或多个孔，所述孔被配置为与所述印刷线路板上的焊盘对准；以及 所述孔被配置为提供用于容纳液体的空腔。
7.根据权利要求I所述的系统，其中所述隔板包括聚酰胺或Durastone。
8.根据权利要求I所述的系统，其中所述隔板包括对准销孔并且所述系统进一步包括 第二隔板，包括被配置为对准并且分离所述弹簧的多个孔和对准销孔；以及 在所述隔板的所述对准销孔中，设置在所述隔板之间。
9.根据权利要求I所述的系统，其中所述印刷线路板包括一个或多个层；以及 顶层包括被配置为电连接的传导焊盘。
10.一种用于将球栅阵列固定到印刷线路板的方法，所述方法包括 使多个弹簧与球栅阵列上的多个球对准； 通过隔板分离所述弹簧； 将所述球栅阵列上的每个球焊接到所述弹簧中的一个； 使所述弹簧与印刷线路板上的焊盘对准；以及 将所述弹簧附接到所述印刷线路板上的焊盘。
11.根据权利要求10所述的方法，其中使所述多个弹簧与球栅阵列上的多个球对准包括 对准一个或多个隔板使其与所述球栅阵列BGA封装齐平；以及 安置被配置为维持所述一个或多个隔板的位置的对准销。
12.根据权利要求10所述的方法，其中将球栅阵列上的多个球附接到弹簧包括 将助焊剂施加到被配置为维持一个或多个弹簧的位置的所述一个或多个隔板；以及 进行回流焊以使所述球栅阵列BGA的球熔接到所述弹簧。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述回流焊在包括多个加热区的对流烤炉中执行。
14.根据权利要求10所述的方法，其中通过焊接辅助件使所述多个弹簧与印刷线路板上的焊盘对准包括 将焊接辅助件施加到所述印刷线路板；将焊剂施加到所述焊接辅助件；以及 在弹簧和隔板附接在所述焊接辅助件上的情况下，安置所述球栅阵列。
15.根据权利要求10所述的方法，其中将一个或多个弹簧附接到印刷线路板上的焊盘包括 在将所述弹簧附接到球之后在所述球栅阵列上安置热保护器以保护通过回流焊过程的所述球栅阵列和弹簧； 将铝板安置在所述热保护器上以确保平面连接；以及 进行回流焊以将所述弹簧附接到所述印刷线路板。
16.根据权利要求15所述的方法，其中回流焊包括使用被配置为包括多个热区的对流烤炉。
全文摘要
根据本发明的教导，提供了一种用于将球栅阵列固定到印刷线路板的系统和方法。在具体实施例中，球栅阵列包括被配置为附接到包括一匝或多匝的弹簧的一个或多个球。此外，存在被配置为对准并且分离弹簧的隔板，被配置为对准印刷线路板上的焊料的焊接辅助件以及被配置为通过传导焊盘经由弹簧附接到球栅阵列的印刷线路板。
文档编号H01L21/58GK102738023SQ20121002087
公开日2012年10月17日 申请日期2012年1月30日 优先权日2011年1月28日
发明者保罗·布赖恩·哈菲利, 叶利·霍尔兹曼, 罗伯特·迈克尔·斯滕斯 申请人:雷神公司