专利名称:集成电路组件的直接安装的制作方法
本发明涉及印刷电路板的构成，它应用在表面安装的元件所组成的组件中。
参阅图1(现有技术)，当今许多电路以表面安装元件所形成的组件10为特色，其中，电子元件如无铅瓷芯片载体12是直接焊在印刷电路板14上的，而没有利用通孔来安装。许多焊节将无铅芯片载体12连接在印刷电路板14上。每一个焊节一般都包括一个薄的(0.002至0.005英寸)矩形焊层16，该焊层位于载体12下端的导电焊接区18和印刷电路板基底24导线图案22上所对应的导电焊接区20之间。此外，通常在每个焊节处有一个近似三角形的焊料填角26，26由导电焊接区20向上形成一个斜面，与由载体12一侧上的导电焊接区18向上延伸的金属半圆形槽28接触。焊料填角26是为了易于直观检查焊节而提供的。在表面安装元件的组件10中的焊节16、26提供了芯片载体12与印刷电路板14之间的机械连接及电连接。
表面安装技术对于微型化很有利，而且有着其它优点。但是焊节16、26易于断裂，在焊节受到交变应力作用的场合尤为如此。由元件12和基底24热膨胀系数的不同所引起的热循环故障，是造成焊节断裂的一个已知因素，在表面安装元件的组件10要反复受到包括温度显著变化的热循环影响的空间应用方面尤为如此。
在这个领域中的许多研究工作者已下了这样的结论，即组件10中焊节断裂是无铅瓷芯片载体12和印刷电路板14的热膨胀系数不匹配所造成的。这种热膨胀系数的不匹配或每单位温度变化所引起的长度的相对变化，对于由常规的环氧树脂、聚酰亚胺、蜜胺、或硅钢化玻璃迭层板制成的电路板基底24来说是显著的。例如，在表1中列有一些材料的热膨胀系数，这些材料是制做典型表面所安装元件的组件10用的。
表1无铅瓷芯片的铝载体 7.0×10-6英寸/英寸℃63锡37铅焊接合金 25.0×10-6英寸/英寸℃铜(无氧;可锻) 17.64×10-6英寸/英寸℃环氧树脂/玻璃迭层板 10.0×10-6英寸/英寸℃W/编织(W/Weave)15×10-6英寸/英寸℃相交编织(crossweave)这样的表面安装元件的组件10，由于上述热膨胀系数的不匹配，易于产生剪切变形所至的裂缝。而且，裂缝在低温循环变化的环境中比在高温循环变化的环境中出现更加频繁，因为焊接合金一般在低温时的延展性(伸长或变形能力)比升温后低得多。
因此，曾想研制热膨胀系数与无铅瓷芯片载体12非常匹配的电路板基底24，来消除热循环的故障问题。为此已研制出几种不同的电路板基底24高铝瓷(alumina ceramic)基底;搪瓷钢;强化玻璃(glass-reinforced)和低膨胀合金的迭层，如铜和镍/铁合金;一种石英/环氧树脂和/或聚酰亚胺迭层的新系列;及强化石墨(graphite-reinforced)迭层。虽然这些基底构成中的某些可以改善热循环故障的问题，具体地说是，当组件在-55℃至125℃的范围内经受低的温度变化率热疲劳时，用来延长寿命范围(大于1000个循环)，但是这些基底又产生了包括重量增加和造价上升在内的其它弊端。低循环率受到重视，因为它对所使用的锡/铅焊接合金最有破坏作用。参阅本说明书所引用的“微电子学方法1010.4温度循环，条件B的MIL-STD-883试验方法(MIL-STD-883 Test Methods for Micro Electronic METHOD1010.4 Temperating Cycling;Condition B)”(1977年8月31日)。该参阅热循环变化范围一般用于对所有的表面安装元件的组件试验1000个循环。除了极端的环境热循环变化(特别是在经历军事应用方面)之外，与电源循环变化关联的第二种工作条件一般也在表面安装元件的组件10中造成热循环故障。电源循环变化的字面之意是指开关元件12的“开”和“关”的转换。当电源接通为“开”时，大功率元件，如微处理器(一般装在1.2英寸×1.2英寸的无铅芯片载体上)，可以消耗3.0至5.0瓦特。这样的功率消耗使元件12所处的温度实质上高于印刷电路板14的温度。
而且，在其中元件12和基底24的热膨胀系数接近匹配的组件10中，能降低焊节16、26中因热变化引起的应变，但是另一种不同的断裂机理又变得明显起来。这种断裂机理产生于元件12与三角形焊料填角26中的焊料之间热膨胀系数的不匹配。这些应变在典型工作范围的整个低温部分为拉伸，而在高温部分为压缩。这种断裂机理在从气相焊接到环境条件的冷却过程中尤为显著。
参阅图2(现有技术)，表面安装元件的组件10′中热循环故障问题的第二种解决方案，包括使用具有弹性层30的印刷电路板14′，该弹性层介于电路板基底24与焊接有无铅瓷芯片载体12的导线图形22之间。这一方案的前提是，因为使电子部件12“浮”在弹性可塑层材料30上，所以消除了焊节16，26中的应力。
在这方面，美国专利No.3，818，279很有意义，它公开了一个电相互连接和接触系统，该系统包括一个绝缘软性塑料的，最好是具有至少一层导电弹性材料在内的弹性材料的基底。
美国专利No.4，042，861公开了一个具有一个基板，一个软性印刷电路片和集成电路芯片元件的集成电路块组件。最好用聚脂、聚酰亚胺或类似的树脂材料制作软性非导电薄板，在其上安置几组导电条。根据报道，这种软性印刷电路片对于保护集成电路组件免遭受外界机械振动的不利影响极为有效。
美国专利No.4，150，420描述了一个把微电路组件连到电路板上的电连接器。连接一般共平面的组件和电路板的电接点被形成并被平面刻蚀在叠加的弹性材料上的适当位置，这种材料据说起着恢复力的作用，用以在发生振动、颤动或在用于安装微电路组件的基底热膨胀的情况下维持连接。这种弹性材料最好是50丢洛(durometer)的低压缩永久变形的硅橡胶化合物。
英国专利申请说明书GB2，097，998A有特殊意义，它公开了一种表面安装集成电路元件的方法，该方法包括在刚性基底基板与带有导线图案的表面层之间提供一可塑性绝缘材料中间层的步骤，元件通过元件与线路图案之间的电的相互连接被固定在表面层上。据报道该中间层吸收安装元件时元件与基板间可能产生的不同的热膨胀。可塑性层一般描述为具有低弹性模量的一层薄的绝缘弹性体层。由于弹性层的可塑性，因热膨胀不匹配所引起的应变不会传给焊节。据描述，弹性层最好是未固化的热凝聚合物，这种聚合物接着固化后，具有合适的特性以接收以后安置的金属导线图案。具有已知电特性和实用性的聚合物包括有环氧树脂、聚酰亚胺、丙烯腈-丁二烯聚合物等。弹性层的厚度据报道取决于成品的要求。层越厚，部件与刚性基底间的应力消除越多。反之，层越薄，元件通过基底的热扩散越好，特别当后者为刚性金属基板时。
美国专利No.4，413，308提出一项集成电路无铅芯片载体的安装结构，采用了可塑性作用来防止因应力和热膨胀不同所选成的焊节故障。一个支承基底与带有印刷电路的软性薄板相接，载体通过焊接底座与印刷电路实行电连接。在接近焊接底座处基板有凹进部分使该处线路薄片自由悬着，形成能活动的吸收应力和不同的膨胀，以保护焊接连接的薄片部分。芯片载体和电路板在尺寸上的任何不同的变化以及由于操作时的应变都可被上述可动薄片部分吸收。
另一项有报道的方案是研制一种采用带有表面弹性以及具有调节高铝瓷无铅芯片载体与玻璃环氧树脂印刷线路板之间热膨胀差异特性的电路板，该方案建议用杨氏弹性模量为8×106磅/英寸2的树脂层做为中间可塑性层。据报道为此目的，用几层未强化的环氧树脂或聚酰亚胺迭层薄板(例如，三层0.002英寸厚的环氧树脂薄板)比单层均匀的低模量环氧树脂涂层效果要好。较厚的均匀环氧树脂层的基板中的热循环故障根据报道是由于硬度或高弹性模量所致。见海布里德微电子国际期刊(International for Hybrid MC Micro Electronic6(1)＝21-26，1983)。
一份最近关于表面安装元件的组件中抗温度循环的报道强调，在铜导电材料和玻璃钢(glass Fabric reiforcing)材料之间使用一层未强化环氧树脂。以此为目的的理想未强化树脂材料据报道有2.60×105磅/英寸2或更小的弹性模量，例如，弹性模量(E)为0.61×106磅/英寸2的聚酰亚胺树脂，或E为0.4×106磅/英寸的环氧树脂。具有这些弹性限制的可塑性层的必要厚度也是限定的。见《电子封装及生产(Electronic Packaging & Production)》PP，84-90，1985年1月。
虽然适合某些应用，但前述组件不能对无铅瓷芯片载体和印刷电路板之间的焊节因热循环故障所产生的问题给予彻底的解决。具体地说，前述中间层的构成没有精确地限定，也没有测验过其预定的性能。与在表面安装元件的组件中引入中间层相关的热处理问题则根本没有提到。
本发明提供一种改进的方法，用于在线路板上表面安装电子元件如无铅芯片载体，在该线路板基底和带有导线图案的表面层之间线路板具有弹性材料中间层，元件是经许多焊节与导线图案相连的。改进的一个方面是选择弹性材料，以使中间层的刚性模量(G)具有最大值，该值根据中间层的厚度、元件的尺寸、温度的循环变化范围及由下式算出的作用于焊节上的最大许可剪切力来决定。
G≤ (F)/(△TP) (1)式中F是位于离元件几何中心最远的元件一侧中间的焊节上的最大许可剪切力;
△T是组件在生产和应用过程中所经历的最大温度变化量;
P＝ (ASL)/(t) (db-dc)+(1+u)A1(d1-dc) (2)式中AS是焊节的水平横截面积;
L是元件几何中心到焊节几何中心的距离;
t是中间层的厚度;
db是电路板基底的热膨胀系数;
dc是元件的热膨胀系数;
u是弹性材料的泊松比;
A1是焊节下面中间层沿部件几何中心至焊节几何中心的连线的纵剖截面积;
d1是中间层的热膨胀系数。
本发明还提供改进的表面安装元件的组件，这些组件具有(1)式和(2)式定出刚性模量为特征的中间层。
选择弹性材料使中间层具有的刚性模量在(1)式和(2)式所定的范围内，解决表面安装元件的单层、双层或多层结构的组件中焊节热循环故障的问题。适合特殊应用的弹性材料包括粘性物质/弹性物质的混合物，其中粘性物质是从环氧树脂、聚酰亚胺、酚醛树脂和三聚酰胺树脂中选择的，弹性物质是从丙烯腈-丁二烯聚合物、氯丁橡胶、橡胶和乙烯树脂中选择的。在最佳实施例中，将弹性物质丙烯腈-丁二烯聚合物与一种或多种从环氧树脂、聚酰亚胺树脂和酚醛树脂中选出的粘性物质相混合，配制出弹性材料用作为具有由方程(1)和(2)算出的必要刚性模量的中间层，用于特殊表面安装元件的组件及应用。一个对许多空间应用都有用的具有代表性的配方是酚醛树脂/丙烯腈-丁二烯聚合物(1∶1)。
改进的另一方面是依靠将弹性材料与一电介质、热导材料(如氧化铝粉)相混合，缓和了热处理问题。中间层中的氧化铝粉成分可在大约百分之五的体积到百分之四十的体积范围内变化，根据弹性材料的质地及其粘性物质/弹性物质成分而定。
图1(现有技术)是部分立体透视图，它表示了在无铅瓷芯片截体与印刷电路板之间的两个焊节，这两个焊节位于常规表面安装元件的组件的两邻接边中部;
图2(现有技术)类似于图1，只是印刷电路板中在导线图案与电路板基底之间增加了由可塑性绝缘材料形成的中间层;
图3是曲线图，表示在本发明的代表表面安装元件的组件中，对于几种弹性中间层最大刚性模量(G)与元件尺寸及焊料成分的数关系;
图4是图1中XY平面的部面图;
图5是图4所示焊节的详细图;
图6是图2XY平面中的剖面图。
将一种改进的方法用于把电子元件(如无铅芯片载体)安装在电路板表面上，电路板在刚性基底和带有导线图案的表面层之间具有弹性材料中间层，元件依靠焊节与导线图案形成电和机械连接。用弹性层装置来消除表面安装元件的组件中因热循环而产生的焊节断裂现象，需要的条件是，对于电路板基底和组件中应用的部件的任何特殊组合都存在有弹性中间层刚性模量(G)的最大许可值，G值可以根据中间层厚度、元件尺寸、温度循环变化的范围、及按设计所允许作用于焊节的最大剪切力来定出。
以说明为目的，使用了下列参数标号G＝中间层刚性模量磅/英寸2千克/厘米2E＝中间层弹性模量磅/英寸2千克/厘米2u＝中间层的泊松比 无量纲t＝中间层厚度 英寸 厘米L＝元件几何中心到焊 英寸 厘米节几何中心的距离。
该焊节位于距元件几何中心最远的元件边的中间。
dc＝元件的热膨胀系数 (英寸)/(英寸℃) (厘米)/(厘米℃)d1＝中间层的热膨胀系数 (英寸)/(英寸℃) (厘米)/(厘米℃)db＝电路板基底的热膨胀 (英寸)/(英寸℃) (厘米)/(厘米℃)系数A＝用脚标标识的面积英寸2厘米2A1＝焊节下面的中间层沿元件几何中心至焊节几何中心的连纵剖面积，(例如对于图4所示的焊节即为YX平面内的纵剖面积)
ε＝用脚标识别的机械应变 无量纲F＝焊节上最大许可剪切力 磅 千克Ft＝热张力 磅 千克Fs＝热剪切力 磅 千克△T＝组件生产和应用中所经 ℃ ℃受的最大温度变化值C＝代表元件的脚标S＝代表焊节的脚标L＝代表中间层的脚标b＝代表电路板基底的脚标依照本发明，选择弹性材料以使中间层的刚性模量G满足下式G≤ (F)/(△TP) (1)式中P＝｛ (ASL)/(t) (db-dc)+(1+u)A1(d1-dc)｝ (2)请注意，由于受热循环变化出现焊节断裂是应变疲劳所致，而非应力疲劳的故障，所以上述关系主要涉及热力应变(P);见下述分析1。
图3的曲线定出了由(1)式和(2)式所得出的G的最大许可值，所述参数为下列具有代表性的值△T＝238℃ 该温度变化表示了最常用63Sn37Pb焊接合金的共晶点(183℃)与在热循环试验中最常使用的最低温度(-55℃)二者之差。这个△T的高值可求出G的保守估值。
As＝1.25×10-3英寸20.050×0.025的乘积，是典型焊节水平剖面的大小，该焊节在无铅瓷芯片载体下面的导电焊接区与电路板基底上导线图案上的对应焊接区之间。
t＝0.005英寸 该值与工业中常用粘膜的标准厚度相一致。
db＝15×10-6(英寸)/(英寸℃) 实际印刷电路板中常用的强化玻璃环氧树脂基底的最大值。
dc＝7.0×10-6(英寸)/(英寸℃) 无铅瓷芯片元件制造中所用高铝瓷材料的公布值。
u＝0.4 弹性材料一般采用的值。
A1＝1.25×10-4英寸20.005×0.025的乘积，是中间层厚度与焊节宽度的乘积。
d1＝250×10-6(英寸)/(英寸℃) 该值是对以酚醛或环氧树脂为基础的弹性体改进处理后的粘膜的均值。
对于具有上述代表性参数值的典型表面安装元件的组件，(2)式中的P值大小为P＝｛2.0×10-6L+4.25×10-8｝ (3)将(3)式代入(1)式得出下列关系
G≤ (F)/(238(2.0×10-6L+4.25×10-8))G≤ (4.2×10-3F)/((2.0×10-6L+4.25×10-8)) (4)L和F的代表值可以根据特殊的元件和应用来选出，以便定出中间层所必需的刚性模量G。
例如，图3中的曲线指明G的最大值为(1)式和(2)式规定并用(4)式算出，其中L在0.1至0.8英寸范围内变化，F在0.25磅至1.25磅之间以增量为0.25磅进行变化。这些有代表性的最大值G也列于下面表2中。
表2 代表性的最大G值 (磅/英寸2)L F→·25 ·50 ·75 1·0 1·25↓0.1 4340 8681 13021 17362 217030.2 2376 4753 7129 9506 118820.3 1636 3272 4908 6544 81800.4 1247 2495 3742 4990 62370.5 1008 2016 3024 4032 50400.6 846 1691 2537 3383 42290.7 728 1456 2185 2914 36420.8 640 1280 1919 2559 3198所选择的L值的代表性范围包括了有着焊接区数字为N(这里20≤N≤84)的典型的无铅陶瓷芯片载体。L值指的是第一点与第二点间的水平距离(L)，第一点在元件的几何中心之下，第二点在离第一点最远的元件边中间的焊节的几何中心。当然，可以扩展G值的范围来包括有着多于84个焊接区数N的元件(焊接区数为84的这个限制仅用于说明之用)。依靠对下述的方程(1)和(2)的推导作适当的矢量分析，就知道参考用于任何其它焊节(例如在矩形元件的任何角上)的L和F值也能确定本发明。
F值指的是最远离元件几何中心的一边中间的焊节上可允许的最大剪切力，F值的典型范围相应于范围为200磅/英寸2到1，000磅/英寸2的焊节剪切应力，并且包括最通常使用的锡铅焊接合金经过105分钟的断裂应力值，即对于63Sn37Pb和60Sn40Pb分别为459磅/英寸2和326磅/英寸2。本领域的普通技术人员知道，应当保守地规定F值，因为通常几乎无法得到热循环中焊料特性变化的数据。由于在不同变形速率下，特别在考虑到循环温度的变化时，由于焊料的弹性特性在宽范围内变化，具体应变值相应的焊节点应力的估算便十分复杂。即使考虑238℃的温度变化差，甚至用1，000磅/英寸2(1.25磅的力)的应力值仍可作出1，000次热循环的保守设计。而且，由于装配过程中只有一次238℃的温度变化差，在表面安装元件的组件的使用过程中遇到的典型的循环应力仅相应于35℃±90℃的纯应力交变。所以典型遇到的实际循环剪切应力(-55℃到125℃)仅相当于378磅/英寸2的数量级。
本发明的一个重要方面是发现对于减小焊节应力来说，中间层具有的刚性模量远比中间层具有的弹性模量重要(见下面的分析了)。如果按现有技术所教导的那样，仅利用导出拉力(Ft)的项来进行应力分析，那么，所得的最大拉伸模数将会远大于工作系统中可允许的数值。具体地说，如下面的分析2中的方程(26a)所导出的，这种过分简单的分析会得到以下的拉力数值Ft= (E1A1△T)/2 ｛d1-dC｝如果在此式中允许1.0磅的单位力作用在该式所述焊节上，那么利用相同参照点的可允许的E值是E≤ (2×1.00)/(1.25×10-4×238×243×10-6)E≤276，653磅/英寸2根据本发明，热循环故障的问题的解决方法是通过选择粘/弹性物质的混合物，以对所考虑的应用场合提供所需的刚性模量。粘性物质包括一种或多种环氧树脂、聚酰亚胺树脂、酚醛树脂和三聚氰胺树脂。弹性物质包括丙烯腈-丁二烯聚合物、氯丁橡胶、橡胶和/或乙烯树脂。调整粘/弹性物质的混合物中弹性物质的含量，使得混合物的刚性模量低到与具体的组件和工作环境有关的方程(1)和(2)所决定的可工作范围内。粘性物质领域中的行家将会知道，除了减震的场合外，依靠使粘/弹性物质的混合物的刚性模量等于或小于某一具体的磅/英寸2(千克/厘米2)值来决定粘/弹性物质的混合物便是唯一的要求。在减震情况下，G的数值通常与减震能力及传输率要求一起考虑。
用选定用作为弹性材料的粘/弹性物质的混合物的组成时，最好应当满足三个准则。首先并且极为重要的是，构成的弹性材料必须使得所得到的中间层的刚性模量在由方程(1)和(2)所决定的要求范围之内。其次，弹性材料在固化时，必须能够经受住高温以及能经受住印刷电路板制造过程中遇到的活性化学物品的影响。第三，弹性材料应当能长时间地抵御具体组件工作中的环境条件。
除了前述三个准则外，还要考虑中间层所要求的介电特性，要考虑到粘/弹性物质的混合物实际包括一组刚性模量可极限改变的适用的弹性材料。满足前述第二和第三准则的适用弹性材料包括以下的广泛用于航空和航天场合的粘/弹性物质的混合物环氧树脂/酚醛、环氧树脂/多硫化合物、环氧树脂/尼龙、腈橡胶/酚醛、氯丁橡胶/酚醛、以及乙烯树脂/酚醛。这种粘/弹性物质的混合物能够很方便地制成，例如一旦G值的范围是根据具体的组件和应用场合已经计算出后，通过改变弹性物质的含量百分比来达到所需的刚性模量。
表3给出了弹/粘性物质的混合物的有代表性的非限制性的例子。所述混合物适用于具体应用中具体组件弹性层。
表3合金 构成 杨氏模量 刚性模量(磅/英寸2)(E) (磅/英寸2)(G)AF31(3M)腈酚醛(Nitrile 41，900 13，666＊(高酚醛)Phenolic)AF30(3M) 腈酚醛 16，700 5，566＊(中酚醛)AF30(3M) 腈酚醛 11，800 3，933＊(低酚醛)F·M·238(AC) 50% (无数据) 远低于下面的腈酚醛 F·M·123
F·M·123(AC) 尼龙环氧树脂 321，000＊107，000F·M·47(AC) 乙烯酚醛 351，000＊117，000F·M·1，000(AC) 尼龙环氧树脂 192，000＊64，000P·L·639(古德腈酚醛(7%) 720＊240里奇(Goodrich) 氧化铝)(改良的Modified)＊用E＝3G计算(3M) 明尼苏达矿产和制造公司(Minnesota Mining & Manufacture)(AC)美国氰胺公司(American Cyanamrd Co)P·L·639(改良的)是一种由B·F·古德里奇(B·F·Goodrich)为本发明的受让人制造的材料。
对于典型的表面安装元件的组件的使用场合，比如由图3和表2所示的使用场合，腈酚醛混合物因其商业可行性是较好的，它们的构成有着相当低的刚性模量，正如利用方程(4)计算，模量在由方程(1)和(2)所决定的必须限制范围之内。
另一方面，本发明提出了一种方法，来减轻在表面安装元件的组件上因热处理引起的问题，它是通过在弹性材料中掺入介电、导热的材料(比如氧化铝或表4中示出的其它氧化物)来实现的。
表4材料 热导率(英国热量单位/小时英寸2°F/英尺)氧化铍(Beo) 95.2氧化铝(Al2O3) 10.4氧化钙(CaO) 4.12氧化镁(MgO) 1.47氧化硅(SiO2) 0.8氧化铍有着最高的热导率，但认为它对人体健康有害。因为当氧化钙、氧化镁和氧化硅掺入中间层对不能给出相同的热处理能力的增强水平，因此认为氧化铝对于大多数应用场合是较好的。公电、导热材料最好以粉末形式与弹性材料混合在一起引入中间层。中间层的这些粉末的含量可占体积的大约5%到大约40%，这取决于弹性材料的性质和粘/弹性物质的含量。
随着氧化铝粉末含量的增加，氧化铝粉末的掺入以下述方式影响着中间层(a)中间层的热导率增大;(b)中间层的弹性特性G和E增大;(c)中间层的热膨胀系数减小;(d)中间层的粘结性能降低;(e)使制成具有氧化铝均匀而各向同性分布的中间层更为困难。
在本发明的一个有代表性的实施例中，酚醛/丙烯腈-丁二烯聚合物(1∶1重量比)混合物(P·L·639;B·F·古德里奇(Goodrich)通过掺入7%体积比的氧化铝粉末而得到改良，这些粉末是用筛分(泰勒(Tyler)标准筛)得到，20-35%的粉末留在平均颗粒尺寸为20微米的325目筛上，而65-80%的粉末通过325目筛。这种氧化铝粉末可从市场购得凯译化学品公司(Kaiser Chemicals)＃H-36。所得的弹性材料的刚性模量为240磅/英寸2，这使得它适合于用来作在许多表面安装元件的组件中用作厚度为(t)的中间层。
以下面的分析和实例进一步说明本发明。
分析1对热循环过程中出现在无铅芯片元件和印刷电路板基底之间的焊节中的热机械应变的分析图4表明了在图1的XY平面处的局部剖视图。焊料填角26示为一个理想的三角填角。因为此组件10没有弹性中间层，在焊节16、26下的铜焊接区域20被夹住而随印刷电路板基底24弯曲。元件是处于室温下(21℃)。
在贯穿高度“h”的焊节中剪切应变的确定当加热组件10，使它产生△T的温度变化时，基底24的长度(L)的变化能表示为Lb＝L△Tdb 英寸 (5)元件12的长度L的相应变化为Lc＝L△Tdc 英寸 (6)基底24和元件12的膨胀之差(e)为e＝L△T(db-dc) 英寸 (7)
焊节中的剪切应变(ε)为(e)/(h) ＝ (L△T)/(h) (db-dc) (8)在焊料填角中热机械应变的确定参考图5，图中详细示出了焊节16、26。注意，作为典型的情况，焊料柱16的高度(h)远小于焊料填角26的高度(o
y)(h＜＜
y)。在点o、
y、
x限定的范围内(
x取决于元件12下的铜焊接区域的延伸部分，而y取决于在填角26中所用的焊料量，于是，长度xy能确定为(xy)＝x2+y2]]>(9)x轴和y轴的原点为O，它位于与元件12中心对应的B处。
假定图5中表明的构形和尺寸是室温以上的温度Ti时的情况。如果组件10随后经过△T的温度差被冷却，其中，△T＝(Ti-To)其中，To为室温相对于元件12的中心线x的初始位置为(B+X)， (10)冷却后x的位置为X1＝(B+X)(1-△Tdb) (11)点o的初始位置为B，冷却后点o的位置为 O1＝B(1-△Tdc) (12)按相同步骤，y的位置将是y1，y1＝y(1-△Tdc) (13)由(11)和(12)，自O到X1的新长度为X1＝(B+X)(1-△Tdb)-B(1-△Tdc)X1＝X(1-△Tdb)-B△T(db-dc) (14)
由(B)和(14)，在按(9)给出的长度xy上的热几何改变为△(xy)＝｛x2+ y2-x12+ y12｝]]>(15)因为焊料已冷却，如果没有再变形，焊料的收缩应当为△(xy)＝△Tdsx2+ y2]]>(16)(焊料)式中ds是焊料的热膨胀系数。在x和y之间的焊线长度的变化能限定为efef＝△(xy)-△(xy)(焊料)焊料应变εf为εf＝ (ef)/((xy))代入前面的有关方程
对于正温度差，表示式可按类似方式得到。
讨论把由方程(17)限安的应变与分析1第一部分中方程(8)限定的剪切应变加以比较表明，当αb≠αc时，剪切应变更为严重。在αb＝αc的条件下，由方程(8)估算的剪切应变减小到零，而焊料填角中的应变ef保持一定值，并且正比于元件和焊料的热膨胀系数的差值，通常情况下αs＞αC。
分析2对在把无铅芯片载体连接到印刷电路板上的焊节中的热机械应变吸收时减少应变的薄层作用的分析图6表明了图2中示出的组件10的xy平面上的局部剖视图，其中，在电路板基底24和表面铜电路20、22之间引入的中间层20的厚度为t。元件的构形是负温度变化△T出现后的情况。剪切应变的消除有着根本的重要性(见分析1)。没有示出焊料填角，力Fs和Ft是通过弹性中间层加在焊节上的热剪切力和拉力。
Fs表示式的推导Lc＝L(1-△Tαc) (18)Lb＝L(1-△Tαb) (19)由此t＝Lc-Lb＝L△T(αb-αc) (20)在焊节20下的中间层20中，延伸在区域(abcd)的体积部分中的剪切应变(εs)为εs＝ (L△T)/(T) (αb-αc) (21)剪切力为Fs＝ (C1ASL△T)/(t) (αb-αc) (22)式中G1是中间层的刚性模量，而As是焊节的水平横截面积。
Ft表示式的推导中间层延伸在区域(adfg)中的体积部分的应变值有两个位伸应变分量一个是因偏差t而产生的机械应变，一个是因元件12和中间层30的热膨胀系数的差别而产生的热应变。
机械应变为ε1＝ (e)/(2L) ＝ (△T)/2 (αb-αc) (23)热应变为ε2＝ (L△T)/(L) (α1-αc)ε2＝△T(αl-αc) (24)中间层30中的总应变为ε1+ε2的和ε1+ε2＝ (△T)/2 (αb-αc)+△T(α1-αc) (25)由此，力Ft能够表示为Ft＝E1A△T{ ((ab-ac))/2 +(α1-αc)｝Ft＝ (E1A1△T)/2 (2α1+αb-3αc) (26)在前面的推导△T(α1-αc)＞＞ (△T)/2 (αb-αc)中，典型地，α1＝250×106英寸/英寸℃、αb＝15×10-6英寸/英寸℃、αb＝15×10-6英寸／英寸℃、αc＝7.0×10-6英寸/英寸℃。因此，(α1-αc)＝243×10-6英寸/英寸℃，而(αb-αc)＝8.0×10-6英寸/英寸℃。因此，能够看出，元件和基底之间的不同的热应变对与层的热膨胀系数无关的节点拉力几乎不产生影响。方程(24)给出的层中热应变是通过焊节因中间层上表面的限制而造成的非伸缩性热应变。通过下面的分析会更好地理解这个机理，其中，如此表示所考虑的非伸缩应变值，以致对作用于所说体积，因而作用于焊节的主要拉伸力的起源提供了清晰的推导。
在产生温度改变时，延伸在区域(bcfg)的层体积受到线cf上的表面处的焊节的限制，还受到线bg上的底面处的基底的限制。
层中的热应变为上表面εf＝△T(α1-αC) (23a)下表面εg＝△T(α1-αb)层中的平均应变ε1＝ (εf+εg)/2ε1＝ (△T)/2 (2α1-(αb+αc)) (24a)在层中的平均力F1F1＝ (E1A1△T)/2 ｛2α1-(αb-αc)｝ (25a)因为这个力与焊节和基底施加的约束力相平衡，焊节的拉力表示为Ft＝ (E1A1△T)/2 ｛α1-αc｝ (26a)注意E和G之间的关系是由下式给出的G＝ (E)/(2(1+u)) ，其中u是泊松(Poisson)比(27)用2G(1+u)替代EEt＝G1(1+u)A1△T(α1-αc) (28)从(22)和(28)计算两力之和(Fs+Ft)＝G1△T｛ (Asl)/(t) (αb-αc)+(1+u)A1(α1-αc)｝ (29)
如果令P＝｛ (AsL)/(t) (αb-αc)+(1+u)A1(α1-αc)｝ (2)那么 (FS+Ft)＝G1△TP (30)确定(F3+Ft)的最大允许值＝F，那么由(30)可得F≤G1△TPG1≤ (F)/(△TP) (1)按照本发明，对于予期的△T温度变化和加到焊料柱上的最大极限力F，上式确定了中间层30的刚性模量的最大允许值。注意F由剪切力和拉力组成，它们的和产生了加到焊节上的剪切力。
确定弹性层最大允许的刚性模量下述有代表性的参数值是按以上的讨论选择的△T＝238℃;AS＝1.25×10-3英寸2;t＝0.005英寸;αb＝15×10-6英寸/英寸℃;αc＝7.0×10-6英寸/英寸℃;μ＝0.4;A1＝1.25×10-4英寸2;及αi＝250×10-6英寸/英寸℃此外，确定了下述F和L的代表值对于一个有84个焊接区的I/OL·C·CL＝0.55英寸，F＝1.14磅。F值的考虑是基于已发表的慢循环应变疲劳试验曲线的实验数据(R·N·Wild，I·B·MDoc·＃74Z000481，I·B·M·Fedtral Systems Div·，Oswego，N·y·1975)及元件几何形状，即、元件几何中心和焊节几何中心之间的间距(L)这两者所做的保守判断。
使用前面的代表值可从公式(1)和(2)计算出最大的许可刚性模量，从(2)求出PP＝1.142×10-6
然后从(1)得出G1≤ 1.14/(238×1.142×10-6)G1≤4194磅/英寸2并从(27)得出E≤2×4194(1+0.4)E≤11744磅/英寸2也应注意下列从(22)计算Fs并从(26a)求FtFs＝4194×238×1.1×10-6＝1.098磅Ft＝4194×238×4.2×10-8＝0.042磅它们的比FsFt＝ 1.098/0.042 ＝26.14这证实了中间层主要的影响是来自焊节下部体积部分，并作用在焊节上的剪切力。
分析3表明中间层刚性模量(G)在减少焊节应力中与弹性模量(E)相比具有头等重要性的分析。
前面分析2暗示了中间层的刚性模量在减少焊接应力中比弹性模量重要得多，尽管两者的性质是相关的。考虑式(2)是两项的汇合，第一项由刚性模量通过方程式(22)推导出的，第二项是由弹性模量通过方程式(26a)导出的。在范围0.1≤L≤0.8内，应用其它前面的代表参数值计算第一项对于L＝0.1，第一项＝0.2×10-6(31)对于L＝0.8，第一项＝1.6×10-6(32)
使用同样的参数值，第二项具有常数值4.2×10-8。用第二项的值去除(31)和(32)式分别得到比4.76∶1和38.09∶1这指出了;随着元件尺寸的增加，和弹性模量相比，刚性模量的重要性明显增加。
例1检测刚性模量与或不与电介质导热材料混合的待测粘/弹性物质的混合物，其刚性模量可用常规方法测定。例如，将覆盖铝条的拉力搭接剪切样品用待测弹性材料的中间层粘接起来。根据标准的工业程序将粘接好的样品在拉大试验机上进行拉伸试验。因此获得了机器负载(P)与剪切偏斜(e)的曲线图。用直接测量，确定粘接覆盖面积(A)和粘接层的厚度(t)。
经确定，刚性模量等于剪切应力除以剪切应变。剪切应力由P÷A(磅/英寸2)得出;剪切应变由e÷t(英寸/英寸)得出。观察到的P/A值可以以e/t的值为基础绘图，这样限定的线的斜率等于(P/A)/(e/t) ＝G磅/英寸2(33)例2试测焊节的剪切力Fs将选择好的电子元件的样品焊到在电路板基底表面上具有焊料焊接区的合适布图的印刷电路板上。将这样的电路板安装在一个适合当的夹紧装置中，其安装方式如下，即使加用到选择好尺寸的元件上的‘P’磅剪切力的方向与安装元件的电路板表面平行。用常规的方法测出结果得到的剪切偏斜。将力P调整到偏斜‘e’是元件和基底之间的予期差热偏斜的平均值的水平，作用在焊节上的力Fs可用下式直接计算如果元件上的焊接区的数目＝N予期的差热偏斜＝‘e’英寸产生‘e’所需的力＝‘P’磅那么每一焊节的焊接力＝ (P)/(N) 磅 (34)予期的焊节应力＝ (P)/(NAs) (磅)/(英寸2) (35)用以上例1和例2给出的方法也可在热循环试验中预期的温度极限上进行试验。这样的试验估计到了要制备的弹性层的影响。
本发明用最佳实施例进行了描述，一个有普通技艺的人在阅读了上述说明书之后可进行各种变化，等价物的替代，以及这里提出的成分和方法的其它选择。因此，用文字专利批准的保护范围只能用附加权利要求
及其等价物中所包含的定义加以限定。
权利要求
1.表面安装元件的组件，它包括一个在电路板基底和带有导线图形的表面层之间的弹性材料中间层，电子元件由元件和图形之间的多个焊节固定在该表面层上，其特征在于，中间层具有如下的刚性模量G≤ (F)/(ΔTP)其中F是作用在焊节上的最大允许剪切力，此焊节位于离其几何中心最远的元件一侧的中间点；△T是生产和应用该组件的过程中经历的最大温度变化值；和P={ (AsL)/(t) (ab-ac)+(1+μ)A1(a1-ac)}其中As是焊节水平模截面的面积，L是元件几何中心和焊节几何中心之间的距离，t是中间层的厚度，ab是基底的热膨胀系数，ac是元件的热膨胀系数，μ是弹性材料的泊松比，A1是焊节下中间层的沿元件几何中心和焊节几何中心间连线的垂直剖面面积，和a1是中间层的热膨胀系数。
2.根据权利要求
1的组件，其中，中间层的刚性模量是G≤ (4.2×10-3F)/(2.0×10-6L+4.2×10-8)
3.根据权利要求
1的组件，其中，弹性材料包括与弹性物质混合的粘性物质。
4.根据权利要求
3的组件，其中的粘性物质包括由环氧树脂，聚酰亚胺树脂，酚醛树脂和三聚氰胺树脂构成的这组材料中的一种或多种，而其中的弹性物质包括由丙烯腈丁二稀聚合物，氯丁橡胶，橡胶和乙烯树脂组成的这组材料中的一种或多种。
5.根据权利要求
4的组件，其中的粘性物质包括由环氧树脂，聚酰亚胺树脂和酚醛树脂构成的组中的一种或多种，而其中的弹性物质包括丙烯腈丁二稀聚合物。
6.根据权利要求
5的组件，其中粘性物质包括酚醛树脂，而弹性物质包括丙烯腈丁二烯聚合物。
7.根据权利要求
1的组件，其中中间层包括与介、电导热材料混合的弹性材料。
8.根据权利要求
7的组件，其中介电、导热材料包括由氧化铝、氧化铍、氧化钙、氧化镁及二氧化硅构成的组中的一种或多种。
9.根据权利要求
8的组件，其中介电、导热材料包括氧化铝粉。
10.根据权利要求
7的组件，其中介电、导热材料构成中间层体积的百分之5到百分之40。
11.根据权利要求
9的组件，其中氧化铝粉构成中间层体积的百分之7。
专利摘要
一种改进的表面安装元件的组件，其特点是在电路基底和具有导线图形的表面层之间有一弹性材料的中间层，无铅芯片载体由多个焊节连接到表面层上。选择的弹性材料使中间层的刚性模量(G)具有依以下各种条件确定的最大值中间层厚度、元件尺寸、循环温度范围及焊节上的最大允许剪切力。中间层材料的选择解决了表面安装元件的组件中焊节的循环故障问题。
文档编号H05K3/34GK86107586SQ86107586
公开日1987年9月16日 申请日期1986年11月7日
发明者阿瑟·R·布拉迪 申请人:森德斯特兰德数据控制公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan