专利名称：塑性网格焊球阵列组件的制作方法
技术领域：
本发明涉及到印刷电路板(PCB)，更确切地说是涉及到用来制造网格焊球阵列(BGA)电子组件的PCB。
最近的工艺发展导致采用有机印刷电路板(PCB)叠层作为制造单芯片组件(SCM)型和多芯片组件(MCM)型电子组件的基板。这种组件带有多个用来与电子电路(诸如母板、底板、专用板)进行电连接的导电焊点。这种电连接靠焊性合金的小圆球来获得，这种电子组件称为网格焊球阵列(BGA)。这些组件通常称为塑性网格焊球阵列。“塑性”指的是与陶瓷基板相反的PCB的柔性。
图1是SCM型BGA组件剖面的一个例子。在叠层101的下表面有多个导电焊点103，每个焊点带有一个与电路相连接并被回流从而实现电连接的焊球105。在组件的上表面有被保护有源元件的组件帽109覆盖着的有源元件107。
相对于网格插针阵列之类的传统工艺，塑性BGA工艺在例如可靠性、坚固性和制造成本方面具有许多优点。但某些问题仍有待解决。塑性BGA组件的一个缺点是所谓封装件弯曲，正如在加州San Jose3月3日举行的IPC印刷电路展和39属年会的“90年代的封装综述”分组会上所讨论的那样(见电路技术所电路世界学刊和印刷电路与互连协会技术学刊，1996年22卷第3期)。
这一弯曲主要是由制造过程中塑性BGA组件所用不同材料之间的热膨胀系数(CTE)的差别所造成的。这些与材料相关的CTE在从装配直到将组件安装到专用板的不同工艺步骤中都影响着组件的行为。
塑性BGA组件所用的材料从有机复合物(具有中高CTE的叠层)直到硅(具有低CTE的有源器件)，广泛采用树脂(环氧树脂、丙烯酸树脂、尿烷及其它树脂，它们都具有高CTE)。
在BGA组件制造工艺中，在将有源硅元件安装于叠层基板上之后，在组件上安置一个最后包封109(图1)。这一覆盖对于保护有源器件107免受外部环境影响以及为高速检放设备移动和放置组件提供一个恰当的表面来说是必须的。现今有二种常用的方法滴顶(亦称球顶)法和过熔法。滴顶法是在通常低于90℃的相对低的温度下分配液态树脂。过熔法是在通常180℃左右的高温下在铸模中压注树脂。
不管怎样，分配树脂时的温度都高于工作温度，且二种方法都采用聚合后体积缩小的材料。这意味着温度降低会引起树脂收缩。另一个要考虑的情况是分配或注入的材料现在都只在组件的一侧。
由于上述原因，当树脂从加工温度冷却到室温时，树脂的收缩就确定了建立在组件中的张力；在装配工序结束时，组件就出现形变，叠层的四个角就相对于中心而翘起。这就是上述的封装件弯曲，这就影响图2所示的组件球共平面性值。这种“四角翘起”是由于硅元件的存在而决定的，硅元件在其粘合或焊接于基板叠层处的区域中有如一个加强肋；相反，没有硅元件处的叠层较为柔软，导致树脂收缩引入力。
在将封装件焊到专用板上去的回流焊过程中，或在组件的使用寿命过程中，这种弯曲会引起严重的问题。即使所有的球都与适当的接触相焊接，显而易见，外围的球仍受到可影响其坚固性的力。如有一个接触断开，则通常意味着塑性BGA封装损坏了，工序应重新开始；手工返工是很困难的(若不是不可能时)，且手工返工的球连接未必是可靠的。
当组件暴露于达到或超过原来的树脂分配/注入温度的热循环时，弯曲倾向于减小，且理论上倾向于消失。
图3示出了一例可能的用来将组件(如图1所示的SCM型)固定到专用基板的回流分布以及与温度相关的组件行为。在回流过程中，焊料合金球的高度塌陷，同时组件倾向于消去上述的弯曲。这是由于树脂帽(它具有高CTE)的体积随温度升高而显著增大。这些条件使球能够联接到专用基板上的接触(图3b)。当温度再次降低时，树脂收缩(因而弯曲)在组件边缘引起向上的力，倾向于使外围焊球在它们完全重新凝固之前发生形变。因此，即使在球都不发生破裂的最好假定下，得到的也是随组件位置而不同的连接形状。图4剖面图示意地示出了SCM组件情况下的这种不同的形状。在硅器件固定于塑性叠层处的中央部位得到的焊球矮而粗，而向组件的边缘，形状越来越高而不圆。因此，无论在室温下或在产品寿命期内功率开/关循环过程中，焊料连接都受到不同程度的应力。
由于上述原因，电子封装的弯曲是一个感觉得到的和熟知的问题。国际专门组织JEDEC(联合电子器件工程协会)指出，为了限制对最终封装件造成有害的弯曲效应，塑性BGA组件边缘相对于中心的理想最大共平面值δ应该是150μm。若考虑到它与组件的尺寸无关，则这一数值是很严峻的，且已知的制造工艺无法保证其实现。
本发明的目的是提供一种克服上述缺点的技术。
根据本发明，提供了一种用来制造网格焊球阵列电子组件的印刷电路板(PCB)，此PCB的第一表面上有多个可与焊料合金的多个大体球形部位相连接的导电金属焊点，其特征是多个焊点具有可变的表面积。
而且，根据本发明，提供了一种包含PCB的塑性网格焊球阵列组件，此PCB的第一表面上有多个可与焊料合金的多个大体球形部位相连接的导电金属焊点，此多个焊点具有可弯的表面积，且在第二表面上有一个连接于多个焊点的导电层，此导电层至少可连接于一个电子元件。
参照下列附图，可更好地理解本发明的上述和其它优点，这些图中图1是现有技术BGA组件示意图；图2是塑性BGA组件上的弯曲效应示意图；图3是回流工序过程中塑性BGA组件行为的示意图；图4是弯曲效应造成的塑性BGA组件中焊料球变形的示意图；图5是本发明最佳实施例的剖面图；图6是根据本发明最佳实施例的塑料BGA组件金属焊点具有差异形状的平面图。
塑性BGA组件主要可用二种工艺来装配，在组件球和专用基板表面之间加入或不加入形成连接的焊胶。不管如何，在二种情况下，组件的四角翘起形状都能造成对装配操作最终结果的严重成品率影响。
在加入焊胶的装配工艺情况下，用网板印刷法将低共熔焊胶(通常是一种锡铅合金)分配到专用表面上；然后通常用检放机将BGA组件置于网板印刷的胶上。可改变网板印刷胶的量和厚度以补偿组件的弯曲；但这一技术只对球共平面性小的偏离有效。还应指出的是，在一个单一专用表面上可安装不同的元件，各有不同的需要，故焊胶量必须是所有这些要求的折衷。
在不用任何焊胶的装配工艺情况下，BGA组件被直接置于专用板的金属焊点上，且只有中央的球直接接触。外围的球由于上述弯曲而分隔开。还可能有比回流后焊球上述变形更为不利的另一种危险，即组件一侧倾斜，使另一侧的接触完全断开。
根据本发明，焊球固定于其上的组件下表面上的金属焊点，其形状随它们在组件上的位置而不同。
在一个最佳实施例中，金属焊点有二种不同的尺寸。最好用对应于焊点是否存在硅器件作为“控制因子”。当考虑SCM型(即只有一个通常在中央的硅芯片)组件时，金属焊点在中央的面积更宽；而靠近组件的边缘面积较小。
这一具有差异的形状抵制了组件的自然形变，平衡了封装件弯曲的效应。
图5是塑性BGA组件相对于参考平面的剖面图，示出了金属焊点具有差异形状及其引起的组件较小弯曲效应的一个例子。四个中央焊点501的面积比靠近边缘的焊点503的面积更大。
当焊料球被固定到金属焊点时，具有更大焊接面积的中央球将分布在整个焊点上，其结果是球的最终高度减小。这就使由于弯曲效应而与参考平面分开的外围焊点可减少其共平面值中的δ，从而平衡弯曲的负面影响。
由这一差异形状得到的另一结果是，当组件被回流焊在专用板上时，与较宽焊点(在本例中即中央焊点)的连接将由于焊区较宽而呈现更大的强度。
图6是塑性BGA组件上二种不同尺寸的焊点分布的一个例子。这是一个底平面图，其中4×4个中央焊点比外围焊点更大。这是因为本例是一个SCM型(即只有一个有源硅元件)的塑性BGA组件。不同类型的电子组件当然会引起焊点的不同的分布。在一个最佳实施例中，焊点是圆形，且中央焊点的面积比其它焊点的面积大25％。
当然其它分布、形状和比率也是可能的(例如焊点有二个以上的不同尺寸)，它更适合特定组件的要求。但即使用这一简单的双重焊点尺寸，也已证实塑性BGA组件中的球相对于参考平面的共平面偏离δ可保持在JEDEC(联合电子器件工程协会)建议的上述150μm的阈值之内。
权利要求
1.一种用来制造网格焊球阵列电子组件的印刷电路板(PCB)，此PCB在第一表面上有多个可与焊料合金的多个大体球形的部位相连接的导电金属焊点，其特征是多个焊点具有可变的表面面积。
2.权利要求1的PCB，其特征是多个导电金属焊点包括至少一个具有第一表面面积的第一组焊点和至少一个具有第二表面面积的第二组焊点。
3.权利要求2的PCB，其特征是第一组焊点位于PCB的第一部位，而第二组焊点位于PCB的第二部位。
4.权利要求3的PCB，其特征是第一部位位于PCB的中央，而第二部位位于第一部位周围。
5.权利要求2、3或4的PCB，其特征是第一表面面积大于第二表面面积。
6.权利要求5的PCB，其特征是第一表面面积比第二表面面积大25％。
7.前述任一权利要求的PCB，具有一个有机基板。
8.一种塑性网格焊球阵列组件，它包含前述任一权利要求的PCB，此PCB在第二表面上有一个连接于多个焊点的导电层，此导电层可连接到至少一个电子元件。
9.权利要求8的塑性网格焊球阵列，其特征是第一区对应于至少一个电子元件而被设置。
全文摘要
一种带有面积可变的导电金属焊点的塑性网格焊球阵列电子封装件。为了补偿弯曲对最终封装件的影响，中央焊点比靠近边缘的焊点更大。
文档编号H05K3/34GK1168617SQ9711035
公开日1997年12月24日 申请日期1997年4月9日 优先权日1996年6月19日
发明者弗朗西斯克·加伯里, 斯蒂芬·奥格尤尼 申请人:国际商业机器公司