專利名稱：消除應(yīng)力的球柵陣列封裝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及減少與將球柵陣列(BGA)模塊連接到電路卡的焊料球相關(guān)聯(lián)的焊接點(diǎn)中熱應(yīng)變的結(jié)構(gòu)及相關(guān)的制造方法。
現(xiàn)代的電路板結(jié)構(gòu)有一個(gè)安裝在電路卡上的BGA模塊。BGA模塊包括具有上表面和下表面如陶瓷或塑料等的介質(zhì)材料的基板。焊料球的陣列固定到BGA模塊下表面上導(dǎo)電焊盤的對(duì)應(yīng)陣列上，同時(shí)一個(gè)或多個(gè)芯片固定到BGA模塊的上表面。相應(yīng)的電路卡是預(yù)先布線的板，板包括介質(zhì)材料和板上的導(dǎo)電焊盤的陣列。電路卡的一個(gè)例子是計(jì)算機(jī)的主板。電路卡焊盤作為接納一個(gè)或多個(gè)BGA模塊的固定點(diǎn)。因此，安裝在電路板上的BGA模塊上的每個(gè)焊料球固定到BGA模塊自身的導(dǎo)電焊盤上，也固定到電路卡上導(dǎo)電焊盤上。這些導(dǎo)電焊盤分別粘貼到BGA模塊的介質(zhì)基板和電路卡的介質(zhì)板上。由此，每個(gè)焊料球?yàn)闄C(jī)械地固定到焊料球每側(cè)上介質(zhì)材料板的結(jié)構(gòu)元件。
當(dāng)加熱或冷卻電路卡時(shí)，焊料球要承受由支撐介質(zhì)結(jié)構(gòu)的不同熱膨脹率引起的應(yīng)變。例如，電路卡通常的熱膨脹系數(shù)為14到22ppm/℃(ppm表示百萬分之幾)，同時(shí)BGA模塊的陶瓷基板具有約6到11ppm/℃的較小熱膨脹系數(shù)。如果BGA模塊使用塑料基板材料，那么在硅芯片約束基板膨脹的位置，塑料基板的有效熱膨脹系數(shù)通常約7ppm/℃。雖然上述材料和對(duì)應(yīng)的熱膨脹系數(shù)代表了BGA基板和電路卡的特性，但材料的特點(diǎn)為BGA基板的熱膨脹系數(shù)高于BGA模塊固定的電路卡的熱膨脹系數(shù)的反比關(guān)系。
不幸的是，由以上提到的不同熱膨脹引起焊料球的應(yīng)變會(huì)造成BGA焊接點(diǎn)疲勞失效。在這里引入作為參考的U.S.專利5,726,079(Johnson，3/10/98)公開了一種能減小不同熱膨脹效應(yīng)的措施。采用這種替換措施，安裝在基板上的芯片用機(jī)械地粘貼到基板上的介質(zhì)材料外圍地包封。此外，芯片機(jī)械地連接到位于芯片上側(cè)面的導(dǎo)電板上，其中導(dǎo)電板包括如不銹鋼等的材料。由于導(dǎo)電板和基板通過包封的介質(zhì)材料機(jī)械結(jié)合，因此消除了由熱膨脹不同造成的結(jié)構(gòu)彎曲，并且導(dǎo)電板的熱膨脹緩和了BGA模塊的基板的熱膨脹。由此選擇導(dǎo)電板的材料，使它具有的熱膨脹系數(shù)能消除由BGA模塊的基板和電路卡的介質(zhì)板的熱膨脹系數(shù)不匹配引起的彎曲。雖然該方法極大地延長了BGA的疲勞壽命，但由于導(dǎo)電板的成本以及制造包封結(jié)構(gòu)需要的工藝步驟和相關(guān)的設(shè)備，也增加了產(chǎn)品的成本。
本發(fā)明提供一種便宜的方法，以及一種相關(guān)的電結(jié)構(gòu)，能減小BGA模塊的焊料球上的熱應(yīng)變，其中BGA模塊安裝在電路卡上。本方法的實(shí)質(zhì)是增加BGA模塊和電路卡之間由于熱膨脹不同造成變形的連接結(jié)構(gòu)的有效長度。這樣減少了連接結(jié)構(gòu)中特別是焊料球中的應(yīng)變。由此，增加其上將發(fā)生一定變形的長度有效地減少了整個(gè)焊料球的應(yīng)變。特別是，本發(fā)明的方法通過從BGA模塊的介質(zhì)基板上除去材料形成環(huán)行空隙，由此使焊料球粘貼到介質(zhì)材料的區(qū)域，其中介質(zhì)材料的區(qū)域每個(gè)基本上都由如此形成的環(huán)行空隙環(huán)繞。環(huán)行空隙可以類似地形成在電路卡的介質(zhì)板的區(qū)域周圍，其中這些區(qū)域位于BGA模塊將固定的電路卡的導(dǎo)電焊盤下面。由此，如果形成的環(huán)行空隙基本上但不完全地環(huán)繞介質(zhì)區(qū)域，那么本方法形成了介質(zhì)區(qū)域的半島。此外，如果環(huán)行空隙完全環(huán)繞介質(zhì)區(qū)域，那么本發(fā)明形成了介質(zhì)區(qū)域的島。如此形成的半島與其余的介質(zhì)基板(或板)并不分離，由此在半島和剩余的介質(zhì)基板(或板)之間留下薄的介質(zhì)連接條。
一般來說，本發(fā)明提供一種形成至少一個(gè)電結(jié)構(gòu)的方法，包括以下步驟提供包括介質(zhì)層具有第一表面的基板，至少一個(gè)導(dǎo)電焊盤固定到第一表面；以及除去介質(zhì)層的第一部分，形成介質(zhì)層的空隙部分，其中空隙部分基本上環(huán)繞介質(zhì)層的第二部分，并且其中焊盤設(shè)置在第二部分上。
本發(fā)明通常提供至少一種電結(jié)構(gòu)，包括包括具有第一表面的介質(zhì)層的基板；固定到第一表面的至少一個(gè)導(dǎo)電焊盤；以及介質(zhì)層的空隙部分，其中空隙部分基本上環(huán)繞介質(zhì)層的第二部分，并且其中焊盤設(shè)置在第二表面上。
本發(fā)明具有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明保護(hù)了焊接點(diǎn)的整體性，延長了BGA模塊的疲勞壽命。與如U.S.專利5,726,079(以上在相關(guān)技術(shù)部分中已討論的)等的其它方法相比，本發(fā)明的方法很便宜。此外，本發(fā)明不排除使用其它的方法，可與其它方法結(jié)合使用，僅有少量附加成本。


圖1示出了固定到電路卡的BGA模塊的前視剖面圖。
圖2示出了根據(jù)本發(fā)明固定到電路卡的BGA模塊的前視剖面圖，空隙區(qū)域環(huán)繞BGA焊盤和電路卡焊盤下的介質(zhì)材料。
圖3示出了根據(jù)本發(fā)明固定到電路卡的BGA模塊的前視剖面圖，空隙區(qū)域環(huán)繞電路卡焊盤下的介質(zhì)板材料。
圖4示出了根據(jù)本發(fā)明固定到電路卡的BGA模塊的前視剖面圖，空隙區(qū)域環(huán)繞BGA焊盤下的介質(zhì)基板材料。
圖5示出了根據(jù)本發(fā)明帶有一個(gè)連接條的一個(gè)焊盤的基板俯視圖。
圖6示出了具有基本上環(huán)繞但沒有完全環(huán)繞焊盤下介質(zhì)材料的空隙區(qū)域的圖5。
圖7示出了具有基本上環(huán)繞但沒有完全環(huán)繞基板上焊盤下介質(zhì)材料的空隙區(qū)域的基板的俯視透視圖。
圖8示出了根據(jù)本發(fā)明具有一個(gè)焊盤的基板的俯視圖。
圖9示出了環(huán)繞焊盤下介質(zhì)材料的空隙區(qū)域的圖8。
圖10為圖9結(jié)構(gòu)的剖面?zhèn)纫晥D，示出了連接到焊盤的布線圖形圖11示出了具有完全環(huán)繞基板上焊盤下介質(zhì)材料的空隙區(qū)域的基板的俯視透視圖。
圖1示出了固定到電路卡30的BGA模塊20的前視剖面圖。BGA模塊20包括介質(zhì)基板22，固定到基板22的上表面27的芯片26，固定到基板22下表面29的BGA焊盤24，以及固定到BGA焊盤24高度為L的焊料球28。電路卡30包括介質(zhì)板32和固定到板32的上表面37的電路卡焊盤34。電路卡可以為任何包括介質(zhì)材料的預(yù)先布線的板，例如計(jì)算機(jī)的主板。焊料球28固定到電路卡30上的焊盤34，由此將BGA模塊20連接到電路卡30。在熱循環(huán)期間產(chǎn)生的焊料球28上的熱應(yīng)變分布在高度L上。本發(fā)明的意圖是修改基板22和/或板32，由此在大于L的高度上重新分布應(yīng)變，以增加圖1結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。
圖2示出了本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，與圖1的結(jié)構(gòu)相比增加了應(yīng)變分布的有效高度。圖2示出了固定到電路卡50的BGA模塊40的前視剖面圖。BGA模塊40包括介質(zhì)基板42，固定到基板42的上表面47的芯片46，固定到基板42的下表面49的BGA焊盤44，以及固定到BGA焊盤44高度為H的焊料球48。電路卡50包括介質(zhì)板52和固定到板52的上表面57的電路卡焊盤54。焊料球48固定到電路卡焊盤54，由此將BGA模塊40連接到電路卡50。基板42內(nèi)高度為ΔH1的環(huán)行空隙43環(huán)繞BGA焊盤44下面的基板材料?；?2內(nèi)高度為ΔH2的環(huán)行空隙56環(huán)繞電路卡焊盤54下面的板材料。沒有環(huán)行空隙43和56，根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)熱應(yīng)變將分布在高度H上。然而采用本發(fā)明的環(huán)行空隙43和56，變形分布在較大的高度H+ΔH1+ΔH2上，由此減小了整個(gè)焊料球48上的應(yīng)變。環(huán)行空隙43和56分別提供了空間，由此BGA焊盤44下面的基板材料和電路卡焊盤54下面的板材料受到的約束較小，由此增加了它們的柔順性，并減輕了焊料球48中的熱應(yīng)變。
圖3示出了本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，與圖1的結(jié)構(gòu)相比，增加了熱應(yīng)變分布的有效高度。圖3示出了固定到電路卡70的BGA模塊60的前視剖面圖。BGA模塊60包括包括介質(zhì)基板62，固定到基板62的上表面67的芯片66，固定到基板62的下表面69的BGA焊盤64，固定到BGA焊盤64上高度為Y的焊料球68。電路卡70包括介質(zhì)板72、固定到板72的上表面77的電路卡焊盤74。焊料球68固定到電路卡焊盤74，由此將BGA模塊60連接到電路卡70?；?2內(nèi)高度為ΔY的環(huán)行空隙76環(huán)繞電路卡焊盤74下面的板材料。沒有環(huán)行空隙76，根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)熱應(yīng)變將分布在高度Y上。然而采用本發(fā)明的環(huán)行空隙76，變形分布在較大的高度Y+ΔY上，由此減小了整個(gè)焊料球68上的應(yīng)變。環(huán)行空隙76提供了空間，由此電路卡焊盤74下面的基板材料受到的約束較小，由此增加了它們的柔順性，并減輕了焊料球68中的熱應(yīng)變。
圖4示出了示出了本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，與圖1的結(jié)構(gòu)相比增加了應(yīng)變分布的有效高度。圖4示出了固定到電路卡90的BGA模塊80的前視剖面圖。BGA模塊80包括介質(zhì)基板82，固定到基板82的上表面87的芯片86，固定到基板82的下表面89的BGA焊盤84，固定到BGA焊盤84高度為Z的焊料球88。電路卡90包括介質(zhì)板92和固定到板92的上表面97的電路卡焊盤94。焊料球88固定到電路卡焊盤94，由此將BGA模塊80連接到電路卡90。基板82內(nèi)高度為ΔZ的環(huán)行空隙83環(huán)繞BGA焊盤84下面的基板材料。沒有環(huán)行空隙83，根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)熱應(yīng)變將分布在高度Z上。然而采用本發(fā)明的環(huán)行空隙83，熱剪切應(yīng)力分布在較大的高度Z+ΔZ上，由此減小了整個(gè)焊料球88上的應(yīng)變。環(huán)行空隙83提供了空間，由此電路卡焊盤94下面的板材料受到的約束較小，由此增加了它們的柔順性，并減輕了焊料球88中的熱應(yīng)變。
如果圖2-4中的環(huán)行空隙基本上但不完全環(huán)繞焊盤下的介質(zhì)材料，那么焊盤下的介質(zhì)材料的半島將由環(huán)行空隙限定。此外，如果圖2-4中的環(huán)行空隙完全環(huán)繞焊盤下的介質(zhì)材料，那么焊盤下的介質(zhì)材料的島將由環(huán)行空隙限定。
圖5-7示出了形成基本上但不完全環(huán)繞焊盤下的介質(zhì)材料的環(huán)行空隙以產(chǎn)生介質(zhì)材料的島的本發(fā)明的一個(gè)工藝。工藝開始于圖5的結(jié)構(gòu)，圖5示出了帶有連接到焊盤112的布線圖形114的基板110上的焊盤112的俯視圖?；?10表示BGA模塊的介質(zhì)基板，或電路卡的介質(zhì)板，如圖1-3所示。接下來，圖6示出了形成基本上但不完全環(huán)繞焊盤112下的介質(zhì)材料的環(huán)行空隙116的結(jié)果。由此，在焊盤112下產(chǎn)生介質(zhì)材料的半島119，其中介質(zhì)基板材料的條115將半島119連接到基板110的其余部分118(參見圖5的基板110)。條115用于機(jī)械地支撐布線圖形114，將焊盤112電連接到基板110或BGA模塊的內(nèi)部電路或包括基板110的電路卡。
半島119顯示在圖6中，包括比位于半島119上的焊盤112更大的區(qū)域。圖7示出了基板128的另一結(jié)構(gòu)的透視圖，環(huán)行空隙126基本上但不完全環(huán)繞基板材料的半島，其中半島129的面積基本上等于位于半島129上的焊盤122的面積。介質(zhì)基板材料的條125將半島129連接到基板128，并機(jī)械地支撐連接到焊盤122的布線圖形124。布線圖形124將焊盤122電連接到基板128或BGA模塊的內(nèi)部電路或包括基板128的電路卡。
圖8-11示出了形成完全環(huán)繞焊盤下的介質(zhì)材料的環(huán)行空隙以產(chǎn)生介質(zhì)材料的島的本發(fā)明的一個(gè)工藝。工藝開始于圖8的結(jié)構(gòu)，圖8示出了基板210上的焊盤212的俯視圖?；?10表示BGA模塊的介質(zhì)基板，或電路卡的介質(zhì)板，如圖1-3所示。接下來，圖9示出了形成完全環(huán)繞焊盤212下的介質(zhì)材料的環(huán)行空隙216的結(jié)果。由此，介質(zhì)材料的島219在焊盤212下產(chǎn)生，留下基板210的其余部分218(參見圖8的基板210)。圖10示出了圖9結(jié)構(gòu)的剖面圖，示出了通孔220內(nèi)的布線圖形222，其中通孔220包含在島219內(nèi)。布線圖形222向上將焊盤212電連接到BGA模塊的內(nèi)部電路或包括基板210的電路卡。
島219顯示在圖9中，包括比位于島219上的焊盤212更大的區(qū)域。圖11示出了基板238的另一結(jié)構(gòu)的透視圖，環(huán)行空隙236完全環(huán)繞基板材料的島239，其中島239的面積基本上等于位于島239上的焊盤232的面積。布線圖形(未示出)類似于圖10，其中布線圖形位于含在島239內(nèi)的通孔內(nèi)，其中布線圖形向上將焊盤232電連接到BGA模塊的內(nèi)部電路或包括基板238的電路卡。
圖2-11中的本發(fā)明的環(huán)行空隙可以通過本領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員公知的任何方法形成。特別是，可以使用本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的各種類型的激光中的任何一種通過激光消融形成環(huán)行空隙。用于所述目的的實(shí)際激光為使用發(fā)射紫外線、高峰值功率、高重復(fù)率以及直徑為6到50μm的聚焦束的三倍頻NeodumuimYAG激光。通常，介質(zhì)聚合物對(duì)紫外線能吸收最好，對(duì)非消融部分的熱損傷最小。紫外線范圍內(nèi)有用的波長為355nm。由于要掃描的區(qū)域通常大于束尺寸，因此可以形成光柵掃描以覆蓋要掃描的區(qū)域。掃描間距通常為光點(diǎn)尺寸的80％，以部分重疊高斯光束。根據(jù)材料，可以采用1,000Hz到20,000Hz的重復(fù)率，1,000Hz速率提供了12KW的每脈沖的最高功率，在20,000Hz降到0.5KW。具體工藝的一個(gè)例子是以2,000Hz，8.3KW每脈沖以及11μm的脈沖間距，用14μm束掃描靶區(qū)域，在如FR-4的玻璃纖維布增強(qiáng)環(huán)氧材料制成的基板上消融圓形焊盤。每次掃描除去約20μm的材料。要除去200μm(0.008英寸)，需要10次掃描。除以上的NeodumuimYAG激光之外，可以使用其它的激光技術(shù)(例如，CO2激光器和受激準(zhǔn)分子激光器)獲得類似的結(jié)果。
雖然這里介紹的優(yōu)選實(shí)施例屬于環(huán)繞BGA模塊上或電路卡上的焊盤下介質(zhì)物的空隙區(qū)域，但本發(fā)明可以適用于具有環(huán)繞介質(zhì)基板上焊盤下介質(zhì)物的環(huán)行空隙區(qū)域的任何結(jié)構(gòu)。
雖然這里為了說明的目的介紹了本發(fā)明的優(yōu)選和特定實(shí)施例，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員顯然可以做出很多修改和變形。因此，附帶的權(quán)利要求書意在包含落入本發(fā)明精神和范圍內(nèi)的所有的這種修改和變形。
權(quán)利要求
1.一種形成至少一個(gè)電結(jié)構(gòu)的方法，包括以下步驟提供包括介質(zhì)層具有第一表面的基板，至少一個(gè)導(dǎo)電焊盤固定到第一表面以及除去介質(zhì)層的第一部分，形成介質(zhì)層的空隙部分，其中空隙部分基本上環(huán)繞介質(zhì)層的第二部分，并且其中焊盤設(shè)置在第二部分上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中去除步驟通過激光完成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中去除步驟產(chǎn)生將第二部分連接到介質(zhì)層的其余部分介質(zhì)層的條。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中去除步驟產(chǎn)生與介質(zhì)層的全部其余部分不相連的第二部分。
5.根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其中提供步驟還包括提供電連接到焊盤的內(nèi)部布線圖形，其中去除步驟在一部分內(nèi)部布線圖形的下面形成條。
6.根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其中提供步驟還包括提供電連接到焊盤的內(nèi)部布線圖形，其中部分內(nèi)部布線圖形含在位于焊盤下的通孔內(nèi)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中提供步驟還包括提供電連接到焊盤的內(nèi)部布線圖形，并且其中去除步驟不除去內(nèi)部布線圖形的任何部分。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的方法，還包括以下形成球柵陣列模塊的以下步驟提供焊料球；將焊料球固定到焊盤上；以及將芯片粘貼到介質(zhì)層的第二表面，其中芯片電連接到內(nèi)部布線圖形。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其中粘貼步驟在固定步驟之前進(jìn)行。
10.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，還包括將球柵陣列模塊緊固到電路卡。
11.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，還包括形成至少一個(gè)電結(jié)構(gòu)的第一電結(jié)構(gòu)，其中提供步驟提供了至少一個(gè)導(dǎo)電焊盤的第一焊盤；以及通過將焊料球粘貼到第一焊盤將球柵陣列模塊粘貼到第一電結(jié)構(gòu)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中形成第一電結(jié)構(gòu)先于形成球柵陣列模塊。
13.至少一個(gè)電結(jié)構(gòu)，包括包括具有第一表面的介質(zhì)層的基板；固定到第一表面的至少一個(gè)導(dǎo)電焊盤；以及介質(zhì)層的空隙部分，其中空隙部分基本上環(huán)繞介質(zhì)層的第二部分，其中焊盤設(shè)置在第二表面上。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的電結(jié)構(gòu)，其中介質(zhì)層的條將第二部分連接到介質(zhì)層的其余部分。
15.根據(jù)權(quán)利要求13的電結(jié)構(gòu)，其中第二部分與介質(zhì)層的全部其余部分不相連。
16.根據(jù)權(quán)利要求14的電結(jié)構(gòu)，還包括電連接到焊盤的內(nèi)部布線圖形，其中所述條位于一部分內(nèi)部布線圖形的下面。
17.根據(jù)權(quán)利要求15的電結(jié)構(gòu)，還包括電連接到焊盤的內(nèi)部布線圖形，其中部分內(nèi)部布線圖形包含在位于焊盤下的通孔內(nèi)。
18.根據(jù)權(quán)利要求13的電結(jié)構(gòu)，還包括電連接到焊盤的內(nèi)部布線圖形。
19.根據(jù)權(quán)利要求18的電結(jié)構(gòu)，所述電結(jié)構(gòu)為球柵陣列模塊，由此電結(jié)構(gòu)還包括固定到焊盤的焊料球；固定到介質(zhì)層第二表面的芯片，其中芯片電連接到內(nèi)部布線圖形。
20.根據(jù)權(quán)利要求19的電結(jié)構(gòu)，還包括粘貼到電路卡的球柵陣列模塊。
21.根據(jù)權(quán)利要求19的電結(jié)構(gòu)，還包括至少一個(gè)電結(jié)構(gòu)的第一電結(jié)構(gòu)，其中第一電結(jié)構(gòu)包括至少一個(gè)導(dǎo)電焊盤的第一焊盤，并且其中球柵陣列模塊粘貼到第一電結(jié)構(gòu)，由此焊料球粘貼到第一焊盤。
全文摘要
一種減少將球柵陣列(BGA)模塊連接到電路卡的焊接點(diǎn)的熱應(yīng)變的方法和結(jié)構(gòu),由此增加了BGA的疲勞壽命。本方法產(chǎn)生了環(huán)繞BGA焊料球要固定的部分BGA介質(zhì)基板的環(huán)行空隙區(qū)域和/或環(huán)繞BGA模塊將固定的部分電路卡介質(zhì)材料的環(huán)行空隙區(qū)域。導(dǎo)致了安裝在電路板上之后形成環(huán)繞BGA模塊的焊料球的介質(zhì)島或半島。如此的介質(zhì)島或半島用于減少了焊接點(diǎn)上的應(yīng)變。此外,環(huán)行空隙區(qū)域提供了介質(zhì)島或半島變形的空間,由此增加了它們的柔順性,并將應(yīng)變由焊接點(diǎn)轉(zhuǎn)移到介質(zhì)島或半島。
文檔編號(hào)H05K3/34GK1267910SQ00104100
公開日2000年9月27日 申請(qǐng)日期2000年3月16日 優(yōu)先權(quán)日1999年3月19日
發(fā)明者E·A·約翰遜, J·S·克雷斯吉 申請(qǐng)人:國際商業(yè)機(jī)器公司