专利名称：安装集成电路封装的方法，集成电路封装及形成的组件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种把电子元件安装到印刷电路板上的方法，电子器件及由此形成的组件。
本发明尤其涉及(但不是排它的)表面可安装的球栅阵列(BGA)电子元件安装到印刷电路板，以提高表面可安装BGA电子元件和印刷电路板之间的焊接接点的可靠性。
背景技术：
在过去十年内，显著地增加了例如个人计算机、便携式电脑(膝上型计算机)、个人数字助理(PDA)、移动电话、数码相机之类的电子器件的利用。并且，增加了这种电子器件中更强的功能性和紧密性的需要。寻求对具有更大功能性和紧密性的器件的更大制造量的需要，电子器件的制造商被迫发展自动装配工艺以保持竞争力。
电子器件制造的显著优势是发展了表面安装技术，其中焊接剂的垫是丝网印刷在印刷电路板上的预定阵列中，放置例如集成电路封装的电子元件的端子与焊接垫接触，并且把组件放置在考炉等内以“回流(reflow)”焊接垫，来形成印刷电路板的各自端子与其上安装的电子元件之间的机械和电连接。
通常，焊接剂的相当厚的层被涂敷到印刷电路板表面上的电导通“岛”上，当焊接“圆点”液化以及表面张力扩散到岛面积上方的圆点，以补偿厚度的显著减少和表面面积的增加。在电子元件的电端子的区域中液体焊剂的量的这种减少常常在元件和印刷电路板之间产生削弱或有缺陷的电连接。
当一般有效用于其主要目的时，表面安装技术的早期形式具有额外的缺点，例如电子元件相对于印刷电路板上的各自的焊接垫的未对准，导致了电子元件和印刷电路板之间的不良机械和电连接。
为了满足电子器件更强的功能性和更大的紧密性的需要，印刷电路板上变得更满是具有非常大数量的电端子的集成电路封装，而同时要求用于集成电路封装的甚至更小的印记的需要。由于这些明显矛盾的要求产生了球栅阵列(BGA)电子元件封装。
一种典型的BGA封装包括一列基本外围的焊接球，焊接球被粘附到在封装基板或电子元件冲撞架的一侧上的相对应的电子接触垫上，接触垫与例如安装在冲撞架的其它侧上的集成电路的电子元件的端子电连接。BGA封装被定位在具有焊接球的印刷电路板上，焊接球接触印刷电路板上的各自的焊接垫，并且随后在回流炉或熔炉内加热组件以熔化焊接球和焊接垫。
安装BGA电子元件的一种考虑是通过使印刷电路板和电子元件冲撞架中的热膨胀系数不同，使应力能引入焊接接点。对于降低热应力和降低电子元件性能的一种提议包括引入散热片的印刷电路板以消散由电子元件产生的热。
另一种提议包括在印刷电路板上对角排列的伸长矩形焊接垫的定位，以减少焊接接点沿扩展和收缩的对角轴裂缝的趋势。又一种提议包括排列焊接球的阵列以形成位于安装在冲撞架上的集成电路的印记外部的外部阵列和位于集成电路的印记内的内部阵列。
还有一种提议包括沿电子元件冲撞架的对角线和/或角或在其它高应力位置中排列多个“虚设”焊接球，以提供对连接到电子元件的有源端子的焊接球的一些保护，来分散更大区域上方的热切变张力，“虚设”焊接球不连接电子元件的有源端子。由此虚设球仅提供印刷电路板和电子元件冲撞架之间的机械连接。
近年来对环境的考虑鼓励利用可以是铜(Cu)、银(Ag)和锡(Sn)合金或铜(Cu)、铟(In)和锡(Sn)合金或这些合金的混合物的无铅(Pb)焊剂。用于无铅焊剂的一般原理和时间要求BGA电子元件的焊接球和焊接剂都是基本相同的成分以避免熔点不同，影响焊接接点之电耦合的完整性。这样可能是一个问题，在任一印刷电路板和/或冲撞架接点垫上的电端子涂锡于含铅的焊剂或焊接剂垫之一，并且焊接球无铅而其他含铅，以便遇到不同的熔化温度。即使在形成在电路板上的焊接垫和BGA的焊接球的焊接剂中有基本相同的焊剂合金，也不难遇到BGA焊接接点中的空隙或阻断，尤其是焊接球的熔化温度低于焊接垫的熔化温度的话。这些空隙或阻断能引起电子器件的衰减或者由于焊接接点中机械或电失效引起的后面的磁场失效。
发明内容
根据本发明的一个方案，提供一种把表面可安装BGA电子元件安装到印刷电路板上的方法，该元件具有焊接球的第一阵列和焊接球的第二阵列，并且所述方法包括在印刷电路板上确定焊接球的第一阵列和焊接球的第二阵列二者的位置，定位第一阵列和第二阵列来对准所述印刷电路板的安装垫上的各自的焊接淀积物以形成组件；以及使所述组件受到回流焊接处理，其中焊接球的第二阵列在焊接球的第一阵列和所述焊接淀积物之后熔化，由此焊接球的所述第二阵列延缓了所述第一阵列和各自的所述焊接淀积物之间的接触，直到充分熔化焊接球的所述第一阵列和它们各自的所述焊接淀积物之后。
适当地，第二阵列包括具有比所述第一阵列的焊接球大的直径的焊接球。
优选地，在所述回流焊接处理的最初阶段期间第一阵列与各自的所述焊接淀积物间隔开。
适当地，第二阵列包括具有比所述第一阵列高的熔点的焊接合金。可选择地，所述第二阵列可以包括具有比所述第一阵列高的熔点的焊接合金。
适当地，所述焊接淀积物的熔点比所述第一阵列高。
优选地，所述第二阵列保持所述第一阵列的已熔焊接球和各自的所述焊接淀积物之间分隔一段时间，这段时间足以在所述第一阵列和各自的所述焊接淀积物之间接触之前使焊接粘剂(solder paste flux)蒸发。
适当地，第二阵列不电耦合到表面可安装BGA电子元件的有源管芯电极。
根据本发明的另一个方案，提供一种表面可安装BGA电子元件，包括BGA冲撞架的所述电子元件具有焊接球的第一阵列；焊接球的第二阵列，使所述第二阵列在回流焊接处理期间适于延缓所述第一阵列和在印刷电路板的安装垫上的已对准焊接淀积物之间的接触，直到所述第一阵列和各自的所述焊接淀积物已熔化。
优选地，所述第二阵列包括具有比所述第一阵列的焊接球的直径大的焊接球。适当地，所述第二阵列包括具有与所述第一阵列基本相同的熔点的合金。可选择地，所述第二阵列可以包括具有比所述第一阵列高的熔点的合金。
适当地，选择焊接球的所述第二阵列以具有比所述焊接垫的熔点高的熔点。
优选地，所述第二阵列位于邻近所述冲撞架的直径方向相对的角。在一个可替换的排列中，设置所述第二阵列邻近所述冲撞架的相对侧边缘。然而，在另一个可替换的排列中，按十字构造排列所述第二阵列。
适当地，第二阵列不电耦合到表面可安装BGA电子元件的有源管芯电极。
根据本发明的另一个方案，提供一种电子器件组件，所述组件包括表面可安装BGA电子元件；以及在其上具有带焊接淀积物的一列安装垫的印刷电路板，所述表面可安装BGA电子元件包括焊接球的第一阵列和焊接球的第二阵列，所述组件的特征在于所述第二阵列与所述第一阵列有一个或多个特性不同，使得在回流焊接期间延缓了所述第一阵列和各自的所述焊接淀积物之间的熔融(fusion)，直到在所述第一阵列和各自的所述焊接淀积物熔化之后。
适当地，第一阵列的所述焊接球均形成比所述第二阵列的焊接球体积小的焊接接点。
优选地，第二阵列不电耦合到表面可安装BGA电子元件的有源管芯电极。
为便于更充分地理解发明的各种方案，并且付诸于实践，现在将参考附图中所示例的优选实施例，其中图1示出了表面可安装BGA电子元件的俯视图；图2示出了图1按反向位置的封装；图3示意地示出了在回流焊接处理之前图1的表面可安装BGA电子元件和印刷电路板的组件的侧视图；图4示出了在回流焊接处理之前图3中所围绕的区域的放大图；图5示出了在回流焊接处理期间图3的组件；图6示出了在回流处理期间图3中所围绕的区域的放大图；图7示出了在回流处理完成后图3的组件的侧视图；图8示出了图7中所围绕的区域的放大图；图9示出了在回流处理期间表面可安装BGA电子元件和印刷电路板的可替换组件的侧视图；图10示出了图9中所围绕的区域的放大图；以及图11和12示出了第二焊球阵列构造的可替换实施例。
为了简洁，在需要的地方，以相同的参考数字表示相同特征。
在本说明书及权利要求中，术语“包括(comprises)”、“包含(including)”、“构成(comprising)”或类似的术语用于表示非专用的包含物，使得包括元件列表的方法或装置不只是包含那些元件，而且可以充分地包括没有列出的其它元件。
具体实施例方式
图1示意地示出了常称为BGA集成电路封装的表面可安装BGA电子元件1的俯视图。
如在突出的仿真图中所示的是位于结合有冲撞架(bump frame)0的接触垫4的间隔阵列中的常规焊接球3的第一阵列2，这些接触垫4与含有部分表面可安装BGA电子元件1的电子电路电连接。电子电路一般形成在半导体材料上并且通常称为管芯，管芯由一般为矩形形状的封胶外壳13所保护。在外壳13的每个角的内部是含有常规焊接球3a的附加的相应接触垫4，常规焊接球3a可以或不电连接到电子电路(未示出)，而另外有助于机械地使表面可安装BGA电子元件1粘合到印刷电路板(未示出)上。
位于各自的接触垫5内、在第一阵列2的直径方向相对的角处是具有比第一阵列2的焊接球3的直径大的焊接球6的第二阵列。提供定位标志符号7，以在常规自动组件处理期间，有助于表面可安装BGA电子元件1的机械处理和方向确定，其中电子电路或管芯连接到位于管芯的各自的接触垫4、5(常称为电极)内的焊接球3、6上。如本领域技术人员所应清楚地，第一阵列和第二阵列不必具有规则的图案，并且在本说明书中，阵列可以只是具有组、套或多个的广泛含义。
图2示出了图1的表面可安装BGA电子元件1的反向图，其中焊接球3的第一阵列2和球6的角阵列是清晰可见的。定位标志符号7也是清晰可见的。
图3示出了安装在印刷电路板8上的图1和2的表面可安装BGA电子元件1，印刷电路板8具有多个焊接淀积物9、10，焊接淀积物9、10分别淀积在形成安装垫的阵列的安装垫9a、10a上。安装垫9a至少电连接到印刷电路板8上的导电转轮上(conductive runner)，并且安装垫9a对准表面可安装BGA电子元件1的各自焊接球3。安装垫10由印刷电路板8支持并且对准表面可安装BGA电子元件1的各自焊接球6。安装垫10可以或不电连接到印刷电路板8上的各自导电转轮上，换句话说，这些安装垫10可以为“虚设垫”。类似地，焊接球6可以或不电连接到表面可安装BGA电子元件1的电路上(例如，有源管芯电极)。
焊接淀积物9、10一般包括用常规丝网印刷工艺淀积在安装垫9a、9b上的焊料糊状成分，以得到预定厚度的焊料淀积物。应注意，焊接球6的第二阵列包括比第一阵列2的焊接球3的直径大的焊接球。在回流焊接处理的初始阶段，表面可安装BGA电子元件1的外壳13和印刷电路板8分开一距离d1，这样还提供用于使焊接球3与它们的各自焊接淀积物9间隔开。
图4是图3中所围绕的区域的放大图，由此使焊接球3和各自的焊接淀积物9之间的间隙更加清楚明了。图3和图4中示意展现的构造示例出在回流炉或熔炉(未示出)中受到常规回流焊接处理之前，焊接球3的第一阵列2、较大球6的第二阵列和在各自的垫9a、10a上的它们的各自焊接淀积物9、10的并置关系。
图5和6示意地示例了在由图3中所示的印刷电路板8支持的表面可安装BGA电子元件1放置在回流炉或熔炉中之后，回流焊接处理的进展。
最初，焊接球3和各自的焊接淀积物9达到它们的熔点，在球3和焊接淀积物9中的焊接合金的成分相同时，它们的熔点将是相同的。随着球3和焊接淀积物9熔化，如图6中更加清楚地所示，表面张力使截面轮廓平坦到某种程度，并且趋于保持焊接球3和焊接淀积物9之间的垂直间隔到一定程度，由此现在表面可安装BGA电子元件1的外壳13和印刷电路板分开一距离d2。
由于焊接球6的较大质量，这些较大的球要花费更长的时间达到与焊接球3和焊接淀积物9相同的熔化温度，尽管焊接球6开始穿透各自的焊接淀积物10，由于热能量转移进入焊接球6，某种程度上妨碍了焊接淀积物10种增加温度的速度。尝试在增加用于焊接球6达到它们的熔化温度所花费的时间的净效应之后，使得在焊接球6熔化并充分软化之前焊接球3和各自的焊接淀积物9已充分熔化，以使表面可安装BGA电子元件1外壳13朝印刷电路板8移动，使焊接球3和焊接淀积物9的完全湿润的凸面11、12合在一起，如图6种更加清楚地所示。
图7和8示意地示出了回流焊接处理的结论，其中图3至图6的焊接球3和6彻底与各自的焊接淀积物9和10融合在一起，以充分形成湿润的非晶体14，非晶体14表现出表面可安装BGA电子元件1的外壳13和印刷电路板8之间高完整空间的或无阻断的电和机械结合，在表面可安装BGA电子元件1的外壳13和印刷电路板8之间具有最终的分隔距离d3。在为图7中所围绕区域的放大图的图8中能更加清楚地看到的，非晶体是比用于安装垫9a的邻近接点稍微大的后部相似(post-like)结构，并由此提供表面可安装BGA电子元件1和印刷电路板8之间增强的机械接点，非晶体提供对应原来的较大直径的角焊接球6和各自的焊接淀积物10的电和机械接点14a。换句话说，第一阵列2的焊接球3分别形成比第二阵列的焊接球6体积小的焊接接点。
从上所述，应明白通过在印刷电路板8上确定焊接球的第一阵列和焊接球的第二阵列的位置，来形成表面可安装BGA电子元件1和印刷电路板8的组件。确定第一阵列2和第二阵列的位置以在安装垫上对准各自的焊接淀积物9a、10。然后使该组件受到回流焊接处理，使得焊接球的第二阵列在焊接球的第一阵列2和焊接淀积物9、10之后熔化。因此，如上所述，焊接球的第二阵列延缓了所述第一阵列和各自的焊接淀积物之间的接触，直到焊接球的第一阵列2和它们各自的焊接淀积物9完全熔化之后。由焊接球3和各自的焊接淀积物9之间的延缓接触产生的特别优势在于，在如图6中所示球3和焊接淀积物9的完全湿润的凸面结合在一起之前，允许有更长的时间用于焊接淀积物9内的剩余焊剂蒸发。此外，本发明将允许双焊接系统，其中假定焊接淀积物9、10包括无焊剂引线，无焊剂引线一般具有比表面可安装BGA电子元件1上含焊接球的引线稍微高的熔化温度。通过利用在第一焊接球阵列之后熔化的第二焊接球阵列，在已熔化焊接球与之接触之前，这将使更高熔化温度的焊接垫充分熔化。
对于本领域技术人员应很容易明白，在不脱离本发明的主旨和范围的情况下，可以对本发明的各种方案作出许多修改和变化。
例如，图9和10示出了可替换的实施例，其中除第二阵列的所选择的焊接球3a具有比主要或第一阵列2的焊接球3高的熔化温度以外，表面可安装BGA电子元件1的所有焊接球3直径相同。图10是图9中所围绕区域的放大图。
同时，在回流焊接处理之前，如图9中所示，所有的焊接球3和3a最初与各自的焊接淀积物9接触，在焊接球3和各自的焊接淀积物9的凸面11、12中的表面张力使已熔化体平坦化并由此产生其之间的间隔，直到更高的熔化温度，球3a开始熔融并软化。在回流焊接处理期间，球3a在一定程度上用作各自焊接淀积物10的散热片，并且因此延迟其熔化。一旦球3a开始熔化，表面可安装BGA电子元件1的外壳13朝印刷电路板8移动，直到焊接球3和焊接淀积物9的完全湿润的凸面11、12开始接触并形成固态空隙(solid void)或无阻断的(occlusion free)电和机械接点。
图11和12分别示出了焊接球6的第二阵列15的可选择十字形和边缘构造，其中尽管示例了第二阵列15包括较大直径的焊接球6，为便于清楚，应明白球6还能由具有与第一阵列相同直径而更高熔化温度的焊接球构成，如图9和10的实施例所例证的。
在所有所示的实施例中，第二阵列的焊接球可用作表面可安装BGA电子元件1和印刷电路板之间的电耦合，或者它们可以简单地包括仅提供机械连接的“虚设”耦合。
对本领域的技术人员还应很容易地明白，本发明的各种方案针对在回流焊接处理期间形成的现有技术的表面可安装BGA电子元件1电接点的缺点提供了一种简单而精巧的解决方法。通过在表面可安装BGA电子元件1上利用不同特性的焊接球的第一和第二阵列，能够在焊接球的第二阵列熔化之前，选择性地使第一阵列的焊接球和印刷电路板上的各自的焊接垫完全熔化，以使第一阵列的完全熔化的焊接球和在印刷电路板上的各自的焊接垫之间熔融。第二阵列的焊接球和在安装垫上的它们各自的焊接淀积物允许在完全熔融时第一阵列和它们各自的焊接垫之间有受控的分离，同时在完全湿润已熔化表面的聚集的这种延迟能够使剩余焊剂从焊接淀积物的焊剂成分中蒸发。
权利要求
1.一种把表面可安装BGA电子元件安装到印刷电路板上的方法，该元件具有焊接球的第一阵列和焊接球的第二阵列，并且所述方法包括在印刷电路板上确定焊接球的第一阵列和焊接球的第二阵列二者的位置，定位第一阵列和第二阵列来对准所述印刷电路板的安装垫上的各自的焊接淀积物以形成组件；以及使所述组件受到回流焊接处理，其中焊接球的第二阵列在焊接球的第一阵列和所述焊接淀积物之后熔化，由此焊接球的所述第二阵列延缓了所述第一阵列和各自的所述焊接淀积物之间的接触，直到充分熔化焊接球的所述第一阵列和它们各自的所述焊接淀积物之后。
2.如权利要求1所要求的方法，其中，所述第二阵列包括具有比所述第一阵列的焊接球大的直径的焊接球。
3.如权利要求1所要求的方法，其中，在所述回流焊接处理的最初阶段期间，所述第一阵列与各自的所述焊接淀积物分离。
4.如权利要求3所要求的方法，其中，所述第二阵列包括具有与所述第一阵列基本相同的熔点的焊接合金。
5.如权利要求3所要求的方法，其中，所述第二阵列包括具有比所述第一阵列高的熔点的焊接合金。
6.如权利要求2所要求的方法，其中，所述第二阵列包括具有比所述第一阵列高的熔点的焊接合金。
7.如权利要求1所要求的方法，其中，所述第二阵列保持所述第一阵列的已熔焊接球和各自的所述焊接淀积物之间分隔一段时间，这段时间足以在所述第一阵列和各自的所述焊接淀积物之间接触之前使焊接粘剂蒸发。
8.如权利要求1所要求的方法，其中，第二阵列不电耦合到表面可安装BGA电子元件的有源管芯电极。
9.一种表面可安装BGA电子元件，含有BGA冲撞架的所述电子元件具有焊接球的第一阵列；焊接球的第二阵列，使所述第二阵列在回流焊接处理期间适于延缓所述第一阵列和在印刷电路板的安装垫上的已对准焊接淀积物之间的接触，直到所述第一阵列和各自的所述焊接淀积物已熔化。
10.如权利要求9所要求的电子元件，其中，所述第二阵列包括具有比所述第一阵列的焊接球的直径大的焊接球。
11.如权利要求9所要求的电子元件，其中，所述第二阵列包括具有与所述第一阵列基本相同的熔点的合金。
12.如权利要求9所要求的电子元件，其中，所述第二阵列包括具有比所述第一阵列高的熔点的合金。
13.如权利要求9所要求的电子元件，其中，第二阵列不电耦合到表面可安装BGA电子元件的有源管芯电极。
14.一种电子器件组件，所述组件包括表面可安装BGA电子元件；以及在其上具有带焊接淀积物的安装垫阵列的印刷电路板，所述表面可安装BGA电子元件包括焊接球的第一阵列和焊接球的第二阵列，所述组件的特征在于所述第二阵列与所述第一阵列有一个或多个特性不同，使得在回流焊接期间延缓了所述第一阵列和各自的所述焊接淀积物之间的熔融，直到在所述第一阵列和各自的所述焊接淀积物熔化之后。
15.如权利要求14所要求的组件，其中，第一阵列的所述焊接球中的每一个均形成比所述第二阵列的焊接球体积小的焊接接点。
16.如权利要求14所要求的组件，其中，第二阵列不电耦合到表面可安装BGA电子元件的有源管芯电极。
全文摘要
一种把表面可安装BGA电子元件(1)安装到印刷电路板(8)的方法包括使用不同特性的焊接球(3，6)的第一和第二阵列。在回流焊接处理期间，不同焊接球特性允许第一阵列(2)的焊接球(3)和印刷电路板(8)上的各自的焊接淀积物(9)之间受控的间隔，使焊接球(3)和它们各自的焊接淀积物(9)在接触之前充分熔化。焊接球(6)的延缓熔化用于保持第一阵列(2)的焊接球(3)和各自的焊接淀积物(9)之间的间隔，以确保完全湿润已熔化的表面(11，12)结合在一起，来形成无空隙和/或阻断的高完整性的电和机械接点(14)。
文档编号H05K7/02GK1761381SQ20041008509
公开日2006年4月19日 申请日期2004年10月12日 优先权日2004年10月12日
发明者黄杰, 彭博, 吴晓华 申请人:摩托罗拉公司