一种防翘曲的BGA芯片封装工艺及其封装结构的制作方法

一种防翘曲的bga芯片封装工艺及其封装结构
技术领域
1.本发明涉及bga芯片的封装领域，尤其涉及一种防翘曲的bga芯片封装工艺及其封装结构。


背景技术：

2.20世纪90年代随着技术的进步，芯片集成度不断提高，i/o引脚数急剧增加，功耗也随之增大，对集成电路封装的要求也更加严格。为了满足发展的需要，bga封装开始被应用于生产。bga是英文ball grid array package的缩写，即球栅阵列封装，一种高密度表面装配封装技术。在封装底部，引脚都成球状并排列成一个类似于格子的图案，由此命名为bga，主板控制芯片组多采用此类封装技术。采用bga技术封装的内存，可以使内存在体积不变的情况下，内存容量提高两到三倍，具有更小体积，更好的散热性能和电性能。
3.电子制造商越来越多地将bga封装技术用于集成电路（ic）的表面安装封装。 由于bga封装在ic的底侧设置了焊接连接，或其它部件，使用bga技术将集成电路或其它部件连接到印刷电路板（pcb），与其它围绕ic的周边设置连接的连接方法相比，提供更多的互连引脚。
4.但与此同时，翘曲是使用bga封装技术将ic或其它部件安装到pcb上的一个缺点。 翘曲倾向于在焊料回流步骤期间发生，该步骤通常发生在约260℃。该步骤中的高温可导致热机械应力，该热机械应力可导致ic翘曲，即变得非平面或不平坦。由于高的翘曲可能性，特别是在ic的拐角处，通常需要拐角接合。另外，通常采用底部填充来重新分布ic上的应力。底部填充包括在将环氧混合物焊接到pcb上之后，将环氧混合物注入到部件下面，从而基本上将pcb粘合在一起。随着bga和/或ic的尺寸变大，底部填充变得越来越关键。 底部填充和角接合对于bga封装器是额外的成本，并且如果bga封装不满足产品规范，也阻碍bga封装被返工。当使用底部填充时，由于pcb底部填充和ic彼此强粘合，所以很难对bga封装进行返工。
5.除了朝向更大bga封装的发展趋势外，还有朝向细间距bga封装的发展趋势，意味着bga连接之间的空间越来越小。当bga连接太靠近在一起时会有发生电短路的趋势。
6.虽然bga封装已经是将元件连接到pcb上的有效技术，但是在本领域中需要一种用于bga的封装工艺，其具有最小的翘曲，不需要底部填充，并且允许非常细的间距而不会引起电短路。


技术实现要素：

7.本发明解决的问题是提供一种全新的防翘曲的bga芯片封装工艺及其封装结构，其关键技术是设置含电绝缘环氧树脂焊料球和/或防翘曲间隔片，可解决现有技术中高温翘曲的技术问题，并在细间距bga布置中，有效防止电短路的发生。
8.为解决上述问题，本发明提供一种bga芯片封装结构，其包括：印刷电路板，在所述印刷电路板上电安装一系列焊盘；
芯片元件，以及二维bga，所述二维bga包括从所述芯片元件的下侧延伸的多个焊料球，所述焊料球之间具有一定的间距，所述焊料球由锡铋基焊料制成，所述焊料球还包括电绝缘环氧树脂，所述电绝缘环氧树脂涂覆焊料球作为外涂层，或混合到焊料球中并涂覆焊料球作为外涂层；所述二维bga还包括从芯片元件的下侧延伸的多个防翘曲间隔片，所述防翘曲间隔片位于所述焊料球之间的所述间距之中，所述防翘曲间隔片包括电绝缘环氧树脂和增强材料，所述增强材料由玻纤布形成，所述玻纤布混合到所述电绝缘环氧树脂中；其中，所述印刷电路板上的单独的焊盘与每个焊料球对准设置。
9.可选的，所述多个焊料球、多个防翘曲间隔片在低于200摄氏度的温度下熔化。
10.可选的，所述多个焊料球、多个防翘曲间隔片在高于140摄氏度和低于190摄氏度的温度下熔化。
11.可选的，一个焊料球的中心与相邻焊料球的中心之间的距离等于或小于0.5毫米。
12.可选的，一个焊料球的中心与相邻焊料球的中心之间的距离大于0.5毫米。
13.本发明还提供一种bga芯片封装工艺：包括以下步骤：提供一印刷电路板，在所述印刷电路板上电安装一系列焊盘；提供一芯片元件，以及二维bga，所述二维bga包括从所述芯片元件的下侧延伸的多个焊料球，所述焊料球之间具有一定的间距，所述焊料球由锡铋基焊料制成，所述焊料球还包括电绝缘环氧树脂，所述电绝缘环氧树脂涂覆焊料球作为外涂层，或混合到焊料球中并涂覆焊料球作为外涂层；所述二维bga还包括从芯片元件的下侧延伸的多个防翘曲间隔片，所述防翘曲间隔片位于所述焊料球之间的所述间距之中，所述防翘曲间隔片包括电绝缘环氧树脂和增强材料，所述增强材料由玻纤布形成，所述玻纤布混合到所述电绝缘环氧树脂中；其中，所述印刷电路板上的单独的焊盘与每个焊料球对准设置。
14.可选的，所述多个焊料球、多个防翘曲间隔片在低于200摄氏度的温度下熔化。
15.可选的，所述多个焊料球、多个防翘曲间隔片在高于140摄氏度和低于190摄氏度的温度下熔化。
16.可选的，一个焊料球的中心与相邻焊料球的中心之间的距离等于或小于0.5毫米。
17.可选的，一个焊料球的中心与相邻焊料球的中心之间的距离大于0.5毫米。
18.本发明提供的一种全新的防翘曲的bga芯片封装工艺及其封装结构，其关键技术是设置了含电绝缘环氧树脂焊料球和/或防翘曲间隔片，一方面因为焊料球包括环氧树脂，与不含环氧树脂的焊料球相比，焊料球和由此产生的互连引脚更坚固和更柔韧，这降低了短路的倾向，因为焊料球和由此产生的焊料连接被环氧树脂包围，从而产生了保护和电绝缘层。而且，与不包括环氧树脂的焊料连接相比，由回流步骤形成的焊料连接不易发生电短路。环氧树脂提供了对焊盘的机械粘合，这增加了bga对印刷电路板（pcb）的连接强度。
19.另一方面，焊料球的回流温度可以是200℃或更低，有利地，在这些较低的回流温度下，减小或消除了芯片元件的翘曲。而且，由于环氧树脂的存在，焊料球能够弯曲，这降低了芯片元件中的热机械应力。进一步的，由于防翘曲间隔片的存在，其具有更柔软的特性，可进一步降低芯片元件中的热机械应力，进一步减小或消除了芯片元件的翘曲。
20.因为减小或消除了芯片元件的翘曲，所以bga芯片封装结构不需要角接合。另外，
因为翘曲被减小或消除，所以bga芯片封装结构不需要底部填充，这些都是有利的，因为与包含底部填充的bga封装相比，bga可以更容易地返工。
附图说明
21.图1是在定位步骤期间球栅阵列(bga) 芯片封装结构的正视图。
22.图2是图1的bga芯片封装结构在回流步骤期间的正视图。
23.图3是描述制造图1和2的bga芯片封装结构的方法的示意流程图。
24.图4是描述用于生产包括图1-3的bga芯片封装结构的pcb组件的方法的示意性流程图。
具体实施方式
25.现在将参照附图来详细描述本公开的各种示例性实施例。对示例性实施例的描述仅仅是说明性的，绝不作为对本公开及其应用或使用的任何限制。本公开可以以许多不同的形式实现，不限于这里所述的实施例。提供这些实施例是为了使本公开透彻且完整，并且向本领域技术人员充分表达本公开的范围。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、材料的组分和数值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。
26.本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指在该词前的要素涵盖在该词后列举的要素，并不排除也涵盖其他要素的可能。
27.本公开使用的所有术语(包括技术术语或者科学术语)与本公开所属领域的普通技术人员理解的含义相同，除非另外特别定义。还应当理解，在诸如通用字典中定义的术语应当被解释为具有与它们在相关技术的上下文中的含义相一致的含义，而不应用理想化或极度形式化的意义来解释，除非这里明确地这样定义。
28.对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
29.将参考附图描述本公开的实施例。在下文中，将通过相同的附图标记表示附图中相互对应的部分。
30.图1是球栅阵列（bga）芯片封装结构的正视图。 bga芯片封装结构包括芯片元件200，以及二维bga 300，二维bga 300包括从芯片元件200的下侧延伸的焊料球310，焊料球310之间具有一定的间距。焊料球310可以由锡铋基焊料制成，可以改变锡铋基焊料以获得所需的回流温度，并且还可以包括自对准焊料。焊料球310还包括电绝缘环氧树脂，该电绝缘环氧树脂可根据需要涂覆焊料球310作为外层，或者可混合到焊料球310中，并涂覆焊料球310并使其电绝缘。焊料球310也可以根据需要由任何材料形成，例如粉末焊料，助焊剂材料和环氧混合物，或具有所需性能的其它材料。
31.在另一实施例中，二维bga 300还包括从芯片元件200的下侧延伸的防翘曲间隔片320，所述防翘曲间隔片320位于所述焊料球之间的所述间距之中。所述防翘曲间隔片320包括电绝缘环氧树脂和增强材料，所述增强材料可以据需要由任何材料形成，例如玻纤布，所述玻纤布混合到所述电绝缘环氧树脂中。bga芯片封装结构还包括印刷电路板（pcb）100，在
印刷电路板100上电安装一系列焊盘110，其中单独的焊盘110与每个焊料球310对准。
32.图1示出了在将焊料球310焊接到焊盘110之前的定位步骤中的bga芯片封装结构。 图2示出了回流步骤中的bga芯片封装结构，其中焊料球310被焊接到焊盘110上。在回流步骤中，提供热量以使焊料球310熔化和膨胀，从而在芯片元件200，焊料球310和焊盘110之间形成牢固的连接。因为焊料球310包括环氧树脂，与不含环氧树脂的焊料球相比，焊料球310和由此产生的互连引脚更坚固和更柔韧，这降低了短路的倾向，因为焊料球310和由此产生的焊料连接被环氧树脂包围，从而产生了保护和电绝缘层。而且，与不包括环氧树脂的焊料连接相比，由回流步骤形成的焊料连接不易发生电短路（横向短路）。环氧树脂提供了对焊盘110的机械粘合，这增加了bga对印刷电路板（pcb）100的连接强度。
33.在另一实施例中，在回流步骤中，提供热量以使防翘曲间隔片320熔化和膨胀，从而在芯片元件200，防翘曲间隔片320和印刷电路板（pcb）100之间形成牢固的连接。因为防翘曲间隔片320包括电绝缘环氧树脂，由此产生的互连结构更坚固和更柔韧，能够进一步的提高芯片元件200与印刷电路板（pcb）100之间连接的牢固性，与不含防翘曲间隔片320的实施例相比，芯片元件200与印刷电路板（pcb）100之间连接的牢固性成倍的提高，提供了对印刷电路板（pcb）100的机械粘合，这增加了芯片元件200对印刷电路板（pcb）100的连接强度，能有效防止芯片元件200与印刷电路板（pcb）100之间焊接脱落的问题。进一步的，防翘曲间隔片320包括电绝缘环氧树脂能够完全降低短路的倾向，因为焊料球310和由此产生的焊料连接被环氧树脂包围，但由于工艺问题会产生包裹不严密的现象，导致焊料球310裸露造成短路，防翘曲间隔片320则能够完全消除短路的问题，防翘曲间隔片320包含的电绝缘环氧树脂提供了保护和电绝缘层，在回流步骤形成的焊料连接时杜绝了发生电短路（横向短路）的可能性。
34.包括环氧树脂的焊料球310能够生产大规模bga，即bga大于80mm
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80mm，其中热翘曲被最小化。可以生产大规模bga，其中bga能够通过热可靠性测试而不经历微裂纹或疲劳破坏。当制造细间距bga时，较低的电短路倾向是有利的，其中细间距bga是焊料连接（也称作互连引脚）彼此非常接近的bga。例如，当从一个焊料球310的中心到相邻一个焊料球310的中心的距离在细间距bga中可以是0.5mm或更小时。所公开的实施例可以包括在相邻焊料球之间测量的中心到中心小于0.5mm的细间距bga布置，或者在相邻焊料球之间测量的中心到中心大于0.5mm的非细间距bga布置。或者，所公开的实施例可以包括细间距布置和非细间距布置。
35.焊料球310的回流温度可以是200℃或更低。在另一个实施例中，焊料球310的回流温度可以在140℃和190℃之间。这些回流温度远低于已知的回流温度。有利地，在这些较低的回流温度下，减小或消除了芯片元件200的翘曲。 而且，由于环氧树脂的存在，焊料球310能够弯曲，这降低了芯片元件200中的热机械应力。进一步的，由于防翘曲间隔片320的存在，其具有更柔软的特性，可进一步降低芯片元件200中的热机械应力，进一步减小或消除了芯片元件200的翘曲。
36.因为减小或消除了芯片元件200的翘曲，所以bga芯片封装结构不需要角接合。另外，因为翘曲被减小或消除，所以bga芯片封装结构不需要底部填充，这些都是有利的，因为与包含底部填充的bga封装相比，bga可以更容易地返工。
37.图3为组装工艺流程图，示出了组装例如bga芯片封装结构的过程。步骤s31：为提
供多个部件，并且可以包括衬底，例如印刷电路板；含电绝缘环氧树脂焊料球和/或防翘曲间隔片；以及一个或多个部件，例如集成电路或芯片元件。步骤s32：定位，将衬底，含电绝缘焊环氧树脂料球和/或防翘曲间隔片以及一个或多个部件定位在所需的结构中。例如，含电绝缘焊环氧树脂料球和/或防翘曲间隔片可以被定位成从一个或多个部件的下侧延伸以形成二维bga，并且二维bga可以被放置在衬底的顶部，例如pcb100或pcb100的焊盘110上。步骤s33：回流，将热量施加到bga芯片封装结构以达到升高的温度。 如图所示，升高的温度可以是200℃或低于200℃。在另一个实施例中，升高的温度可以是140℃至190℃之间的温度。在回流步骤之后，连接的bga芯片封装结构完成。由于含电绝缘焊环氧树脂料球和/或防翘曲间隔片以及由于所需的较低回流温度，所连接的bga芯片封装结构具有最小的热翘曲并且不需要底部填充或角接合。此外，在所连接的bga芯片封装结构中的每个焊接连接上的电绝缘外层环氧树脂以及防翘曲间隔片的设置有助于通过该工艺生产细间距bga。细间距bga由于连接是电绝缘的而被启用，这防止了电短路的发生。所连接的bga芯片封装结构也可以被再加工，即，如果，例如，它不满足产品规范，则可以被再加工。
38.图4示出了二维bga工艺的流程图。步骤s41，将焊料球和/或防翘曲间隔片印刷在印刷电路板上，其中可以使用本文所公开的含电绝缘焊环氧树脂焊料球和/或防翘曲间隔片。步骤s42，检查印刷电路板、焊锡膏和防翘曲间隔片。步骤s43，在拾取和放置步骤中将二维bga放置在pcb100上，该二维bga包括至少一个具有从芯片元件的下侧延伸的至少一个含电绝缘环氧树脂的焊料球的部件，以及至少一个具有从芯片元件的下侧延伸的至少一个含电绝缘环氧树脂的防翘曲间隔片的部件。步骤s44，焊料在低于200℃的温度下回流，或者在140-190℃的温度下回流。步骤s45，使用例如自动光学检查来检查回流的组件。如果需要，步骤s46执行波峰焊接，并且波峰焊接步骤包括主要用于印刷电路板制造中的通孔部件的焊接的批量焊接工艺。需要波峰焊机来执行该过程，其中电路板经过熔化的焊料。如果需要的话，步骤s47执行路由选择，有时称作去镶板。布线是一种用于从较大的多pcb板中移除多个较小的单个pcb的过程，随着电路板尺寸越来越小，为了增加pcb生产线的吞吐量，建立了布线。步骤s48对bga组件执行直列x射线，该步骤是波峰焊接工艺之后的x射线检查工艺，其为隐藏接头提供高速焊料覆盖测试。bga，qfn和pth桶填充件通常在x射线检查过程中基于ipc验收标准进行检查。步骤s49执行用于电测试的电路内测试。
39.在前面的详细描述中，为了在公开内容中简洁的目的，可以在各个实施例中将各种特征组合在一起。本公开的该方法不应被解释为反映任何随后要求保护的实施例需要比明确列举的更多特征的意图。
40.至此，已经详细描述了本公开的实施例。为了避免遮蔽本公开的构思，没有描述本领域所公知的一些细节。本领域技术人员根据上面的描述，完全可以明白如何实施这里公开的技术方案。
41.尽管已经参考本公开的实施例描述了本公开，但要理解本公开不限于实施例和构造。本公开意在覆盖各种修改和等价布置。此外，除却所述的各种组合和配置之外，其它包括更多、更少的元件或者只包括单个元件的组合和配置也落在本公开的精神和范围内。