专利名称：电路板组装方法与结构及用以组装该结构的工装用具的制作方法
技术领域：
本发明有关一种电路板组装方法、结构及用以组装上述结构的工装用具。
背景技术：
随着市场上对电子产品要轻、薄、短、小的需求，在半导体芯片的设计上，在有限面积的半导体基板，放入更多的电子元件；此举即使得半导体芯片及/或其封装体对外的接点的分布密度增加、间距变小。特别是对接点间距较小(例如在0.5mm(含)以下)、以BGA封装的半导体封装体而言，将其组装于电路板时，上述半导体封装体与电路板对准的困难度特别大；虽然以BGA封装的半导体封装体的焊料(solder)球状接点(业界通称「锡球(solder ball)」)具有可自行对准并导正的特性，在组装时可容许较大的偏差量，但是可容许的偏差范围随着上述球状接点间距的减少而递减；特别在上述球状接点间距的减少至例如0.5mm(含)以下时，在上述半导体封装体与电路板容易发生对准不佳。而经过回焊的步骤后，容易发生焊料接合物(solder joint)开路及/或短路的问题，使得上述电路板必须重做(rework)或报废，对制作工序良率及成本皆造成不良影响；即使幸运地未发生上述焊料接合物开路与短路的问题，上述焊料接合物的品质也有可能会受到影响，实际接合的面积缩减而无法呈现理想的灯笼状，特别是愈外侧的焊料接合物，其对准时的偏差量较大，而使其接合品质所受到的影响也愈大，同时组装后的电子产品在运输、储存、与使用时，愈外侧的焊料接合物所受到的外部应力也较大，因而加速外侧的焊料接合物的疲劳断裂，而对所组装的电子产品的可靠度造成不良影响。
图1A显示一印刷电路板100的俯视图。印刷电路板100具有一防焊层(solder mask)105于其一表面上，防焊层105具有多个宽W、以间距(pitch)P排列的开口102，暴露出多个位于内部区域的焊垫103与多个位于外部区域的焊垫104，其中W＜P，且间距P系为相邻二开口102的几何中心点的距离。其中，焊垫104系排列在焊垫103的外侧，图1A中焊垫103系排列成一行；而焊垫104系排列于焊垫103的两外侧，为不连续的两个单行。焊垫103与104可以为SMD(solder mask define)型焊垫、NSMD(non-solder mask define)型焊垫、SMD-NSMD混合型焊垫、或其他型式的焊垫。以封闭的虚线106框起的范围系为后续将一电子元件组装于印刷电路板100时，此电子元件的预定位置。请参考图1B，为一俯视图，系显示习知的工装用具150，可适用于以模板印刷法(stencil printing)将一具有焊料(例如为锡铅合金、含铅的锡基合金、或不含铅的锡基合金)及/或助焊剂的膏状物(业界俗称「锡膏」，以下亦称的)形成于印刷电路板100。工装用具150系具有一既定厚度的金属板，具有多个开口151，此等开口151概略依照印刷电路板100的焊垫排列方式设置。然而，在使用工装用具150将锡膏形成于电路板100表面时，可能会出现各点锡膏附着量略有差异的状况。当锡膏与半导体封装体的焊料球状接点融合时，所形成的焊料接合物体积也因此产生差异。
图2A系显示上述差异的一种状况，某一点的焊料接合物体积特别大，此时相邻的焊料接合物之间非常容易因相互接触而发生桥接。图2B则系显示上述差异的另一种状况，位于外侧的焊料接合物体积较小，此时发生空焊的机率便会偏高，而无法有效构成两相对焊垫之间的电性连结；而即使形成有效的焊料接合物，其实际接合面积过小，因为外侧的接点较常承受外力作用，可能会发生接合强度不足而对电路板组装结构1′与1″的可靠度造成不良影响。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的系提供一种电路板组装方法与结构，在组装时可容许更大的偏差量，亦可以补强外侧的焊料接合物的强度，以提升制程良率、降低制程成本、并增加产品可靠度。
本发明的另一目的提供一种工装用具，适用于将一至少具有一焊料及/或一助焊剂的膏状物形成于一电路板上，从而制造上述本发明的电路板组装结构，以提升制程良率、降低制程成本、并增加产品可靠度。
为达成本发明的上述目的，本发明系提供一种电路板组装结构，包含一印刷电路板，具有一防焊层于一表面上，上述防焊层具有多个宽W、以间距(pitch)P排列的开口，暴露出至少一第一焊垫与多个第二焊垫，其中第二焊垫系排列在第一焊垫的外侧；至少一第一焊料接合物(solder joint)电性连接于上述第一焊垫上，上述第一焊料接合物具有一最大宽度J1；多个第二焊料接合物分别电性连接于上述第二焊垫上，上述第二焊料接合物分别具有一最大宽度J2，且J1＜J2；以及一电子元件，具有多个排列方式与上述开口大体相同的第三焊垫，分别电性连接于上述第一焊料接合物与上述第二焊料接合物。
本发明系又提供一种工装用具，适用于将一至少具有一焊料及/或一助焊剂的膏状物形成于一电路板上，包含一具有既定厚度的金属板，依照上述印刷电路板的焊垫排列方式，设置有至少一第一开口与多个第二开口，其中上述第二开口的面积大于上述第一开口的面积，且上述第二开口系排列于上述第一开口的外侧。
为进一步说明本发明的上述目的、结构特点和效果，以下将结合附图对本发明进行详细的描述。
图1A为一印刷电路板的俯视图。
图1B为一已有的工装用具的俯视图。
图2A为一剖面图，显示已有的电路板组装结构′因某一点的焊料接合物体积特别大而使相邻的焊料接合物之间非常容易因相互接触而发生桥接的问题。
图2B为一剖面图，显示已有的电路板组装结构′位于外侧的焊料接合物体积较小，此时发生空焊的机率便会偏高，而无法有效构成两相对焊垫之间的电性连结的问题。
图3为一本发明的电路板组装结构的剖面图。
图4为显示工装用具上可能的开口形状的示意图。
图5A为显示本发明所采用的工装用具的一实施例的俯视图。
图5B为一示意图，显示位于图5A的左上角的第三开口与相对应的焊垫的位置关系。
图6为一剖面图，显示本发明的电路板组装结构的组装过程中，工装用具与印刷电路板对准的步骤。
图7为一剖面图，显示本发明的电路板组装结构的组装过程中，形成锡膏于印刷电路板上的步骤。
图8为一俯视图，显示本发明的电路板组装结构在组装过程中所具有的优点。
图9为图8中沿AA线的剖面图。
图10A为一剖面图，显示本发明的第二焊料接合物在回焊过程时的状态。
图10B为一剖面图，显示本发明的第一焊料接合物在回焊过程时的状态。
图11为一俯视图，显示本发明第二实施例所使用的印刷电路板。
图12为一俯视图，显示本发明第二实施例所使用的工装用具。
图13为一剖面图，显示本发明第二实施例的电路板组装结构。
图14A为一显微镜照片，显示为图13标示为(C)的焊料接合物。
图14B为一显微镜照片，显示为图13标示为(D)的焊料接合物。
图15是显示当回焊时电子元件所受的应力分布示意图。
具体实施例方式
请参考图3，本发明所提供的电路板组装结构1包含一电路板100，具有一防焊层105于一表面上，上述防焊层具有多个宽W、以间距(pitch)P排列的开口102，暴露出第一焊垫103与多个第二焊垫104，其中第二焊垫104排列在第一焊垫104的外侧；至少一第一焊料接合物(solder joint)61电性连接于上述第一焊垫103上，上述第一焊料接合物61具有一最大宽度J1；多个第二焊料接合物62分别电性连接于上述第二焊垫104上，上述第二焊料接合物62分别具有一最大宽度J2，且J1＜J2；以及一电子元件10，具有多个排列方式与上述开口大体相同的第三焊垫12，分别电性连接于上述第一焊料接合物61与上述第二焊料接合物62。此时因为相邻的第一焊料接合物61与第二焊料接合物62之间的间距较图2A所示的等效元件大，不容易发生桥接现象。此外，因为位于外侧的第二焊料接合物62宽度较大，其实际接合面积增加，可以有效的维持接合强度，提高电路板组装结构1的可靠度。
要控制焊料接合物的宽度，本发明所采用的一实施例是藉由控制附着于电路板100上的锡膏的量来达成。请参考图4，传统的工装用具上的开口为如开口a那样的圆形开口。在宽度为W的情况下，其开口面积为πW2/4。在不改变W值的情况下，为增加开口面积以增加锡膏的附着量，可以采用如开口b那样的矩形开口，此时的开口面积为W2。但是因为矩形开口的四个角落可能会出现锡膏累积的情形，造成制作工序上的困扰，故本发明特别设计出如开口c那样的具有圆弧角的矩形开口，使用于工装用具上，开口c的开口面积介于πW2/4与W2之间。藉由调整圆弧角的大小，可以调整矩形开口的开口面积。当然，尚有其他方式可能可以解决矩形开口的锡膏累积问题，例如将矩形开口的四个角落采取截角处理，形成一个八角形开口。另外，若不考虑增加开口宽度会减少两开口(及所形成的锡膏)之间的距离的情况下，亦可以采用较大宽度的圆形开口。
接下来请参考图5B，显示本发明所采用的工装用具的一实施例。其中工装用具300是用来将锡膏形成于图1A的电路板100上。工装用具300具有一既定厚度的金属板305，依照电路板100上焊垫的排列方式，设置有第一开口301与多个第二开口302，其中各第二开口302的面积大于各第一开口301的面积，且第二开口302排列于第一开口301的外侧；亦即，第一开口301是相对于印刷电路板100的焊垫103的位置，用于将上述锡膏形成于焊垫103上，而第二开口302是相对于印刷电路板100的焊垫104的位置，用于将上述锡膏形成于焊垫104上。
考虑到将电子元件10与印刷电路板100组装而形成图3的电路板组装结构1的过程中，特别在回焊(reflow)的步骤时，电子元件10的角落部分通常会受到较大的变形量，而使连接电子元件10的角落部分的焊垫12与印刷电路板100的焊垫104的焊料接合物62较容易和邻近的焊料接合物61/62发生桥接。为了避免上述桥接的情形发生，本实施例还设计工装用具300具有位于角落的第三开口303，其是相对于印刷电路板100的四个角落的焊垫104略为外侧的位置，用于将上述锡膏形成于四个角落的焊垫104上。图5B是用来说明位于图5B的左上角的第三开口303与相对应的焊垫104的位置关系。左上角第三开口303的中心点502是相对于焊垫104的中心点501朝向左上方进行位移。举例而言，若开口303宽度为12mil，则位移量可为2mil。在此情况下，预测的锡膏50形成位置也会相对于焊垫104向左上方偏移。而其他角落的第三开口303则是朝向远离中心的方向进行位移。
当进行将焊料形成于图1A的电路板100上的步骤时，首先将工装用具300覆盖于电路板100的相对位置上，如图6所示。图6中的工装用具300是沿图5B的线段BB的剖面图、电路板100是沿图1A的线段AA的剖面图。接着以模板印刷法将锡膏形成在电路板100表面。
请参考图7，显示已经将锡膏50形成于电路板100上的剖面图。因为第三开口303的开口面积大于第一开口301的面积，形成于焊垫104上的锡膏50的量较焊垫103上的锡膏50的量为多，且图7中的二个焊垫104正好位于角落处，故所形成的锡膏50的位置亦向外侧偏移。
接下来请参考图8与图9，将电子元件10置于电路板100上，再经由回焊(reflow)的步骤，使电子元件10与电路板100形成电性连接，而构成图3所示本发明的电路板组装结构1。其中，电子元件10较好为以BGA封装的半导体封装体、芯片级封装的半导体封装体、覆晶形式的半导体芯片、或连接器。其在组装于电路板100前，通常具有多个焊料凸块13，分别电性连接于多个排列方式与焊垫103与104大体相对应的焊垫12上，且各焊料凸块13的宽度(或直径)、高度等尺寸皆大致相同。而在图9中，各焊料凸块13是分别置于相对应的锡膏50上。
若在图8与图9所示制造电路板组装结构1的过程中，电子元件10的位置因为定位不准确或机械误差而向图面的右上角偏移(正确位置以图8的虚线范围106代表)。此时沿AA线的剖面图是绘示于图9中。
如前文所述，接点间距非常小时，电路板组装时对准的困难度特别大。此时，采用本发明的电路板组装方法还可具有自动归位的功能。在图9中，由于两侧的焊垫104上的锡膏50的量较大而焊垫103上的锡膏50的量较小，因此在回焊过程中，会形成类似图2C所示的第一焊料接合物61与第二焊料接合物62的结构，但是此时焊料接合物61与62均处于融熔状态。图10A显示的是第二焊料接合物62的示意图，图中虚线r代表一虚拟圆球体的位置。从基本物理学可以得知，因为内聚力的作用，处于融熔状态的第二焊料接合物62会有一朝向虚拟圆球体r内缩的趋势，因而产生如图中箭号所示的一向上的上举应力。图10B显示的则是第一焊料接合物61的示意图，图中虚线r代表一虚拟圆球体的位置。从基本物理学可以得知，因为内聚力的作用，处于融熔状态的第一焊料接合物61会有一朝向虚拟圆球体r外张的趋势，因而产生一向下的下拉应力。若无其他外力作用，则下拉应力与上举应力的总和恰可使电子元件10″漂浮″在电路板100上。
因此在图9所示的回焊过程中，两侧的焊垫104上熔融的锡膏50与焊料凸块13便对电子元件10提供相对具有方向71、73的上举应力，焊垫103上熔融的锡膏50与焊料凸块13便对电子元件10提供具有方向72的相对下拉应力，因而较容易驱动并促使电子元件10朝向箭号74的方向移动，直到电子元件10自动到达虚线106的既定位置为止。最后，将上述处于融熔状态焊料接合物61与62固化，完成了图3所示的电路板组装结构1。因此，本发明的电路板组装结构1在组装的过程中，在对准电子元件10与印刷电路板100时，可容许较大的偏差量，特别在开102的间距P在0.5mm(含)以下时(亦即焊垫102/103的间距)，更可以有效地降低如已有技术所述因对准不佳，而经过回焊的步骤后，容易发生焊料接合物开路及/或短路的问题。
另外，图3中焊料接合物61与62分别的最大宽度J1、J2之比(J2/J1)的值较好为1.05～1.50，可在焊料接合物62足以形成灯笼状、且提供较大的接合面积与接合强度的情况下，又能够进一步降低相邻的焊料接合物62桥接的机率，以更佳提升本发明的电路板组装结构1的制作良率与成本。
另外，如已有技术所述，组装后的电子产品在运输、储存、与使用时，愈外侧的焊料接合物所受到的外部应力也较大。而在图9中，由于两侧的焊垫104上的锡膏50的量较大，在回焊的过程中，亦可以与其上的焊料凸块13共同而形成灯笼状、且宽度较大的焊料接合物62(绘示于图3)，可提供较大的接合面积与接合强度，足以承受本发明的电路板组装结构1在运输、储存、与使用时所受到的外部应力。
请参考图11，显示本发明第二实施例中的电路板200的俯视图。电路板200的防焊层(solder mask)205、开口202、焊垫203、与焊垫204，可分别相当于图1A和1B所绘示电路板100的防焊层105、开口102、焊垫103、与焊垫104，故不再详述。其中，焊垫203分布在以虚线207框起的范围内，而焊垫204分布在虚线206与207之间的范围，即分布在焊垫203的外侧。而虚线206为后续将一电子元件组装于印刷电路板200的位置。
接下来请参考图12，为一俯视图，显示本发明第二实施例的工装用具400，其中工装用具400是用以将一锡膏形成于印刷电路板200，从而制造电路板组装结构2(参考图13)。工装用具400的金属板405、第一开口401、与第二开口402，是分别相当于图5A所绘示工装用具300的金属板305、第一开口301、与第二开口302，故不再详述。而位于四个角落的第二开口402，则相当于图5A的第三开口303，均向外侧进行偏移。
接下来请参考图13，为一剖面图，显示本发明第二实施例的电路板组装结构2，其中电路板组装结构2中的电路板200为图11的俯视图中，沿BB线的剖面图。电路板组装结构2的电子元件20、焊垫22、焊料接合物81、与焊料接合物82，可分别相当于图3所绘示电路板组装结构1的电子元件10、焊垫12、焊料接合物61、与焊料接合物62，故不再详述。
请参考图14A与14B，图14A为图13标示为(C)的焊料接合物81的显微镜照片、图14B为图13标示为(D)的焊料接合物82的显微镜照片。其中，此时的P为约0.5mm(500μm)、焊料接合物81的最大直径(照片中的最大宽度)为约333μm、焊料接合物82的最大直径(照片中的最大宽度)为约388μm，而此时的焊料接合物81与82分别的最大宽度J1、J2之比(J2/J1)的值为约1.17。此为实际应用的一例。从图中可以得知，焊料接合物81与焊垫203之间的夹角(fillet angle)R1大于焊料接合物82与焊垫204之间的夹角R2。
请参考图15，显示当回焊时电子元件20所受的应力分布示意图。位于内侧(虚线207框起的范围内)的焊料接合物81产生下拉应力，使电子元件20(视为透明)如图中箭号所示向中央靠拢，位于外侧的焊料接合物82则产生上举应力，以支持电子元件20的重量并使电子元件20漂浮在电路板200上。
虽然本发明已参照上述具体实施例来描述，但是本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，在没有脱离本发明精神的情况下还可作出各种等效的变化或替换，因此，只要在本发明的实质精神范围内对上述实施例的变化、变型都将落在本申请的权利要求书的范围内。
权利要求
1.一种电路板组装结构，包含一电路板，具有一于一表面上的防焊层，该防焊层具有多个开口，暴露出至少一第一焊垫与多个第二焊垫，且所述第二焊垫排列在该第一焊垫的外侧；至少一电性连接于该第一焊垫上的第一焊料接合物，该第一焊料接合物具有最大宽度J1；多个分别电性连接于所述第二焊垫上的第二焊料接合物，所述第二焊料接合物分别具有最大宽度J2，且J1＜J2；以及一电子元件，具有多个排列方式与所述开口相同的第三焊垫，所述第三焊垫分别电性连接于该第一焊料接合物或所述第二焊料接合物。
2.如权利要求1所述的电路板组装结构，其特征在于该第一焊料接合物的最大宽度J1与所述第二焊料接合物的最大宽度J2具有下列关系1.05≤(J2/J1)≤1.50。
3.如权利要求2所述的电路板组装结构，其特征在于所述第二焊料接合物的最大宽度J2与该第一焊料接合物的最大宽度J1的比值(J2/J1)大体为1.17。
4.如权利要求1所述的电路板组装结构，其特征在于该第一焊料接合物及第二焊料接合物为锡铅合金、含铅的锡基合金或不含铅的锡基合金。
5.如权利要求1所述的电路板组装结构，其特征在于该电子元件为一以BGA封装的半导体封装体、晶片级封装的半导体封装体、覆晶形式的半导体芯片或连接器。
6.一种工装用具，用于将一至少具有焊料与助焊剂的膏状物形成于一具有焊垫的电路板上，包含一金属板，依照该电路板的焊垫排列方式，设置有至少一第一开口与多个第二开口，其中所述第二开口的面积分别大于该第一开口的面积，且所述第二开口排列于该第一开口的外侧。
7.如权利要求6所述的工装用具，其特征在于该金属板为不锈钢。
8.如权利要求6所述的工装用具，其特征在于该第一开口的开口形状为圆形。
9.如权利要求6所述的工装用具，其特征在于所述第二开口的开口形状为角落成圆弧状的矩形。
10.如权利要求9所述的工装用具，其特征在于所述第二开口的开口形状为角落成圆弧状的正方形。
11.如权利要求6所述的工装用具，其特征在于该第一开口与所述第二开口是以一既定间距成阵列状排列。
12.如权利要求11所述的工装用具，其特征在于排列于阵列角落的第二开口向外侧偏移一既定距离。
13.一种工装用具，用于将一至少具有焊料与助焊剂的膏状物形成于一具有多个焊垫的电路板上，该工装用具包含一金属板，大体依照该电路板的焊垫排列方式，于该金属板上设置有多个第一开口与多个第二开口，其中所述第二开口排列于所述第一开口的外侧，且所述第二开口的开口形状为角落成圆弧状的矩形，而该第一开口的开口形状为圆形。
14.如权利要求13所述的工装用具，其特征在于该第二开口的面积分别大于该第一开口的面积。
15.一种电路板组装结构，包含一电路板，具有多个第一焊垫与多个第二焊垫，且所述第二焊垫排列在所述第一焊垫的外侧；以及一电子元件，具有多个排列方式与所述第一焊垫与第二焊垫相对应的第三焊垫，该第一焊垫分别通过一第一焊料接合物与相对应的第三焊垫形成电性连接，且该第二焊垫系分别通过第二焊料接合物与相对应的第三焊垫形成电性连接；其中该第一焊料接合物与该第一焊垫之间所形成的第一夹角大于该第二焊料接合物与该第二焊垫之间所形成的第二夹角。
16.一种电路板组装结构，包含一电路板，具有多个第一焊垫与多个第二焊垫，且所述第二焊垫排列在所述第一焊垫的外侧；及一电子元件，具有多个排列方式与所述第一焊垫与所述第二焊垫大体相对应的第三焊垫，该第一焊垫系分别通过第一焊料接合物与相对应的第三焊垫形成电性连接，且该第二焊垫分别通过第二焊料接合物与相对应的第三焊垫形成电性连接；其中该第二焊料接合物的体积大于该第一焊料接合物的体积。
17.一种电子结构组装方法，包含下列步骤提供一电路板，具有多个第一焊垫与多个第二焊垫，且所述第二焊垫排列在所述第一焊垫的外侧；提供一工装用具置于该电路板上，该工装用具具有一金属板，依照该电路板的焊垫排列方式，设置有多个第一开口与多个第二开口，其中所述第二开口的面积分别大于所述第一开口的面积，且所述第二开口排列于所述第一开口的外侧，而所述第一开口暴露所述第一焊垫，所述第二开口暴露所述第二焊垫；以模板印刷法，各形成焊料膏状物于各该第一焊垫与第二焊垫上，所述第二焊垫上焊料膏状物的量多于所述第一焊垫上焊料膏状物的量；分离该工装用具该电路板；提供一电子元件，置于该电路板上，该电子元件，具有多个排列方式与所述第一焊垫和所述第二焊垫相对应的第三焊垫，所述第三焊垫各具有一电性连接于其上的焊料凸块，而所述焊料凸块的尺寸大体相同，并分别置于相对应的所述焊料膏状物上；回焊所述焊料凸块与所述焊料膏状物，所述第一焊垫上焊料膏状物与焊料凸块形成多个熔融的第一焊料接合物，所述第二焊垫上焊料膏状物与焊料凸块形成多个熔融的第二焊料接合物，且所述第二焊料接合物对该电子元件产生一向上的上举应力，所述第一焊料接合物对该电子元件产生一向下的上拉应力；以及固化所述熔融的第一焊料接合物与第二焊料接合物。
全文摘要
本发明主要揭示一种电路板组装结构，包含一印刷电路板，具有于一表面上的一防焊层，上述防焊层具有多个宽W、以间距P排列的开口，暴露出至少一第一焊垫与排列在上述第一焊垫的外侧的多个第二焊垫；至少一电性连接于上述第一焊垫上、最大宽度为J1的第一焊料接合物；分别电性连接于上述第二焊垫上、最大宽度为J2的多个第二焊料接合物，且J1＜J2；以及一电子元件，具有多个排列方式与上述开口大体相同的第三焊垫，分别电性连接于上述第一焊料接合物与上述第二焊料接合物。
文档编号H05K1/18GK1684572SQ20041003463
公开日2005年10月19日 申请日期2004年4月13日 优先权日2004年4月13日
发明者潘俊杰 申请人:纬创资通股份有限公司