專利名稱：球柵陣列下安裝電容器的制作方法
背景表面安裝技術涉及通過互連陣列直接將集成電路芯片及其相關封裝件(package)安裝在印刷電路板上。這些互連可以包括焊球，銅、鋁及其它材料的球，柱、棒、針，等等。然而，為了便于論述，稱該互連陣列為球柵陣列(BGA)。典型地，BGA用于倒裝芯片封裝，其中芯片倒轉地安裝到封裝件，除此之外，BGA可用于引線接合封裝以及其它封裝類型。
用于放置電容器和諸如電阻器和電感器之類的其它表面安裝元件的當前方法包括將它們放置在封裝件上與集成電路芯片相同的一側，或緊接著封裝件的印刷電路板上，或放置在電路板背部上與電路板相對面的封裝件的陰影區(qū)或覆蓋區(qū)中。
在這些構造的任一例中，由于通路和平面的原因，電容器的電流必須穿過印刷電路板的寄生電感。類似地，存在著來自球柵陣列和印刷電路板“狗骨”(dog-bone)的電感。在該情況下，術語“狗骨”是指由BGA焊點與其鄰近通路焊點間的蝕刻連接產(chǎn)生的形狀。通常，常規(guī)BGA技術的局限是，BGA需要印刷電路板(PCB)上的可用于連接的焊點。為了進入內(nèi)層，需要設置通路以連接到該BGA焊點。普通的主板技術阻礙在BGA焊點內(nèi)設置該通路，因而，以50密耳BGA技術為例，通常在相對BGA球的焊點約x＝+/-25密耳，Y＝+/-25密耳的偏移處設置通路，并且通路焊點和BGA焊盤(land)之間的連接產(chǎn)生了使人想起“狗骨”的形狀。避免使用“狗骨”的一種替代技術是“焊點中的通路”(via-in-pad)技術，已有充分的文獻資料說明該技術。
由從集成電路芯片通過其相關的封裝件流出、流至電路板上的電容器并重新流回到芯片的電流產(chǎn)生的大回路區(qū)域引起了顯著的通路電感。于是，限制了板載電容器響應于芯片上的集成電路的高頻瞬態(tài)電流消耗的能力。
典型地，在需要較高頻率電流的情況下，封裝件上，可使用芯片側電容器，這是由于它們的下降的回路電感的原因。
然而，在封裝件上放置芯片側電容器可能引起熱管理和封裝布線的問題。普通的熱管理技術是將散熱片安裝在集成電路芯片上，在封裝件表面和散熱片之間留下非常小的高度空間。在封裝件表面的芯片側上具有電容器或任何其它表面安裝技術(SMT)元件要求在布局、潛散熱片(potential heat sink)的可能形狀與那些芯片側SMT元件中進行調(diào)節(jié)，這增加了成本和散熱片與電容器端子之間發(fā)生短路的危險。這些芯片側封裝元件還會增加封裝布線的復雜性，并且在一些情況下導致所需的封裝布線層的數(shù)量的增多。這可能引起顯著的產(chǎn)品成本增加。
附圖簡述可通過參考附圖閱讀說明書來最佳地理解本發(fā)明的實施例，附圖中

圖1示出了現(xiàn)有技術安裝電容器的實施例。
圖2示出了現(xiàn)有技術安裝電容器的實施例的電流回路的側視圖。
圖3示出了用于安裝電容器的實施例的側視圖。
圖4示出了連同散熱片安裝電容器的實施例的側視圖。
圖5示出了安裝電容器的實施例的電流回路的側視圖。
圖6示出了安裝電容器的實施例的球側視圖。
圖7a和7b分別示出了現(xiàn)有技術實施例和本發(fā)明實施例的輸入/輸出信號的基準平面圖。
實施例的詳細描述圖1示出了在集成電路、BGA封裝件和印刷電路板的組合件上的現(xiàn)有技術電容器安裝的一些可選方案。典型地，可將集成電路芯片16密封在基板14內(nèi)或上面，將兩者的組合稱為集成電路封裝件，盡管僅封裝件的底面部分與本論述有關。封裝件的其它部分已從圖上移除，以顯現(xiàn)集成電路芯片和電容器位置。
通過互連塊(bump)或引線接合(wire bond)把集成電路16電氣連接到基板14，基板14連接諸如BGA球12之類的電氣導電互連。這些連接提供了集成電路16及其基板14和諸如印刷電路板10之類的電路板之間的電氣連接。電路板10可以是任何類型的電路卡或板，諸如PC卡、主板等等。電流通道(current approach)可將電容器放置在印刷電路板上的與集成電路和封裝件相同側上，如位置18a和18b所示。18a和18b布局的缺點在于，他們顯著地阻塞并抑制了印刷電路板10上的信號通路，并可能和散熱片固位支持阻止區(qū)域(heat sink retention support keep-out area)產(chǎn)生顯著的機械爭用。
一種可選的方法可以把電容器放置在印刷電路板上，但位于與集成電路和封裝相對的一側。一般放置在基板14的陰影區(qū)或覆蓋區(qū)內(nèi)。通過位置22a和22b示出該實施例。雖然22a和22b電容器的布局技術上是可行的，并且可能導致電學上的受益及面積節(jié)約，但是與電路板10上的元件的雙面裝配相關的成本通常阻礙了對該技術的應用。
另一個可選的位置可以在基板14上。在位置20a和20b上示出了這種可能性。20a和20b布局的不足之處在于，它們顯著地阻塞并抑制了基板14上的信號通路，并可能和散熱片26產(chǎn)生顯著的機械爭用。
圖2示出了現(xiàn)有技術情況中使用的用于電容器18a的電流回路的典型例子。雖然圖2中的繪圖不是精確的刻度，但是為了示圖清晰，圖2所示的尺寸有助于理解現(xiàn)有技術解決方法的缺點和本發(fā)明實施例的優(yōu)點。如可在圖2中所見，諸如18a之類的板載電容器的電流回路在基板14電源面100處開始，連續(xù)通過基板電源通路102，通過電源BGA球12b，通過電路板狗骨連接113。然后，該回路沿著把電源狗骨113連接到電路板電源面109的電路板電源通路106，電路板電源面109通過電容器電源通路107連接到電容器18a的正極側端子。
通過把電容器18a的負極側端子連接到基板14中的接地面101完成該回路。返回路徑從連接到電容器接地通路108的電容器18a負極端子開始到電路板接地面110，電路板接地面110依次連接電路板接地通路105、接地狗骨104、接地BGA球12a、基板接地通路103并最終到基板14中的接地面101。
在圖2的特例中，集成電路芯片上的電源面100與接地面101連接之間的距離為30微米(μ)。兩個基板通路102和103間的距離是585微米。BGA球12a和12b的分隔為1270μ。電路板通路105和106間的分隔也是1270μ。由于各種制造排斥設計規(guī)則，電容器18a必須放置在離基板145000μ的地方，同時電路板中的電源面109和接地面110間的分隔典型的為1250μ。以0603形狀因數(shù)中的電容器為例，電容器18a通路107和108的典型分隔約為2300μ。
該回路包括相當大的回路面積。具體來說，由電容器18a的電路板連接提供的回路面積約為(2300+5000+1270)×1250＝8570×1250〔μ2〕。該回路的大面積導致高回路電感，并降低電容器響應于高頻瞬態(tài)的有效性。
如圖1中的20a或20b所示，在基板的芯片側上安裝電容器不具備這種大的電流回路。然而，在基板14的上部存在電容器可能增加剖面，引起基板14的頂層上的信號的布線擁擠，并可能對諸如像圖1所示的散熱片26那樣的熱解決方案之類其它裝置造成干擾。
在本發(fā)明的一個實施例中，在基板和印刷電路板間安裝電容器。圖3中示出了該實施例的一個例子。除了本發(fā)明的實施例的連接類型之外，仍可使用其它所有的現(xiàn)有技術連接方法，為了便于論述而不顯示這些方法。電容器24a、b和c的端子可代替先前可能制造了基板和印刷電路板間的連接的那些互連。例如，用電容器24a的陰影線區(qū)域示出的電容器端子連接到基板以及諸如印刷電路板之類的電路板上。
在其它實施例中，可僅把電容器連接到基板上?？赏ㄟ^焊料或其它電學或物理連接的方法建立連接。在電容器端子不連接到電路板上的情況下，最近的BGA球將作出電容器端子和電路板之間的貫穿基板的連接。然而，直接將電容器端子連接到電路板，并用相同的端子連接到基板的方法在電氣上更值得做，因為它將最大地受益于電容器連接的電感下降。
對印刷電路板的直接連接確保電容器的快速再充電回路免受電路板上的大容積電容器或電壓源的危險，因為電容器端子可作為電源與接地連接從基板到電路板的直接電流路徑。允許與印刷電路板建立直接連接還能減少基板14上集成電路16的正常操作所需的電源和接地球柵陣列(BGA)球或針的數(shù)量。
如可在圖4中所見，在基板和印刷電路板之間安裝電容器不會抑制任何可能的熱解決方案。除此之外，將通常位于電路板上的SMT元件移動到基板的覆蓋區(qū)下的基板周界之外能夠節(jié)約電路板布局空間，并且降低電路板布線擁擠。對于未來產(chǎn)品中的較小的形狀因數(shù)電路板設計來說，這可能是關鍵的。未來的熱解決方案可能要求將集成電路芯片變薄。這會減少圖1中從集成電路芯片16的底部到頂端的縱深量，使圖1中基板上的電容器20a與20b的布局不實用。電容器可能伸出到芯片頂部之上，使封裝變得更困難。然而，利用把電容器24a-c布局在圖4的基板14與印刷電路板10之間，該集成電路芯片16可能變得與所需的一樣薄，而不會對散熱片26與芯片16間的物理連接造成限制。
更進一步地，電容器的布局減少了電流回路的回路面積。如可在圖5中所見，從基板通過電容器到印刷電路板10上的電源與接地通路的電流回路是相當小的回路面積。先前圖2中的包含在BGA球12a與12b、電路板電源面109、接地面110和電路板通路105與106間的、具有大約8570×1250μ2的回路面積以及圖2的狗骨113和104與BGA球12b和12a之間的回路面積的回路在圖5中被消除了。這顯著地減少了回路面積，并因此圖5中的電容器連接24c到與圖2中的電源和接地面100與101的回路電感也降低。
與現(xiàn)有技術相比，這增加了電容器的有效性。基板14的芯片電源和接地面100與101間的30微米的介電分離以及兩個基板通路102與103間的585微米的距離仍然保持。然而，因為放置了代替先前圖2中的BGA球12a和12b的電容器24c，所以在電流回路中沒有更多的面積。與目前的布局方案相比，這導致了回路面積的顯著減少。
應在印刷電路板和封裝件之間安裝電容器?？梢酝ㄟ^把電容器附著在封裝件上的電源與接地連接上來實現(xiàn)，或通過把它們附著在印刷電路板上的電源與接地連接上來實現(xiàn)。圖6示出了具有諸如24之類的附著電容器的封裝30的底部可能為什么樣的示圖?？蛇x地，表面30可以是封裝件還未安裝到其上、但已經(jīng)放置了電容的印刷電路板的上表面。對于最初將電容器附著在印刷電路板上還是在基板上的選擇由工藝設計者決定，并取決于特定的工藝流程。
除了在基板和印刷電路板間放置電容器的其它結果之外，該布局可能有助于有時被稱為“雙重引用”(dual referenced)的電路板或基板布線。高頻IO信號的高頻操作要求它們的布線在位于通過兩個基板和諸如印刷電路板之類的電路板連接的兩個集成電路間的整個通路具有受控的特性阻抗。為了達到這個目的，按照帶狀線或微帶線將IO信號布線在基板和電路板中。在帶狀線的情況下，信號被布線在稱為基準平面的兩個導體平面之間，利用通過電介質材料絕緣于基準平面的信號導體進行。在微帶線的情況下，通過電介質材料將信號線與單個基準平面隔離。
基板和電路板布線的各種置換都是可能的。例如，微帶線基板布線可與帶狀線電路板布線結合，并連接到使用微帶線的第二基板。帶狀線和微帶線布線的所有可能的置換都可存在于基板和電路板布線之間。除此之外，各個基準平面可以是地或者是電源。在簡單的情況下，封裝件和電路板基準平面是地，并且，由于在基板與電路板中的返回通路是等電勢的，使用簡單的通路電流連接以保持基板與電路板間的返回通路的連續(xù)性。然而，布局限制可導致基板信號基準和電路板信號基準不同的情況。
例如，考慮基板中信號參考地的微帶線基板與微帶線配置的電路板信號布線參考電源面的組合的情況。在此例中，對于基準平面的返回通路連續(xù)性，不可能用電路板的電源面基準使基板接地面基準短路，因兩者具有不同的穩(wěn)態(tài)電壓。在這種情況下，放置電容器來代替BGA球提供了非常有效的方法以保持用于從基板布線中的電源或接地面基準變換到電路板中相對面基準的高頻信號的高質量的返回通路連續(xù)性。
圖7a示出了這樣的現(xiàn)有技術通路的例子，其中電容器42放置在IC封裝件周界外的電路板上。最初，用符號表示代表電路板傳輸線路的自電容的Cload電容器在兩個端子上充電至電源軌道的電壓電平。集成電路16上SW1的激活將逐步使鏈接到信號線的Cload的端子放電，直至放電至0v接地電位。這將在電路板和封裝件的傳輸線路中建立灰色區(qū)域所示的電流。高頻電流回路的完成必須通過現(xiàn)有技術電容器42的端子，建立了大約8570×1250μ2的大回路面積。這對返回電流通路增加了顯著的電感，該電感會顯著地干擾基板和電路板間轉移的均勻的傳輸線路特性阻抗，導致顯著的信號質量劣化。
在本發(fā)明的一個實施例中，圖7b中所示，為了在基板接地基準平面和電路板電源面間建立高頻連接通路，在BGA基板下放置電容器43。在該實施例中，電流回路無需流動很遠，因為它具有直接鄰近接地BGA球的電容器。從而，消除了8570×1250μ2的電流通路回路面積，導致基板和電路板間返回路徑轉移的低得多的電感。在基板和印刷電路板間安裝電容器可擴展使用到封裝件周圍的任何地方，包括如圖6中31處所示的外圍I/O區(qū)域和中心功率輸出象限。
盡管圖7a和7b中所示的例子示出了基板的接地基準的微帶線布線，以及電路板中電源面基準的微帶線布線，但是，對于所提出的發(fā)明的實施例，對于接地或電源、或電源和接地基準(在帶狀線的情況下)和布線(微帶線或帶狀線)的信號基準的任何其它置換來說，可得出相似的分析和結論。
一般地，附圖中所示的實施例針對外圍布局，但如本發(fā)明的實施例所示放置的電容可有益于核心功率輸出。
典型地，用于實現(xiàn)本發(fā)明的實施例的電容器將是標準多層陶瓷芯片電容器(MLCC)。在一些例子中，根據(jù)基板和互連高度，可能需要低剖面(low-profile)的MLCC電容器。
除了其它類型的陶瓷電容器之外，關于MLCC的另外可能的問題是陶瓷電容器和電容器可駐留于其中的球柵陣列互連間可能的熱膨脹系數(shù)失配。一種可能的方法是對互連使用超過尺寸的型板。典型地，使用型板在基板上沉積焊球。將焊料型板尺寸例如從18密耳增加到25密耳，這使得有足夠的空間以克服任何由熱量引起的膨脹問題。另一方法可能涉及到使用超過尺寸的互連，其中該互連具有較現(xiàn)有互連更大的縱深。由于應用的電容器的高度，可能需要該互連。
貫穿整篇論述，重點在于作為SMT元件的電容器，所述電容器會最大受益于本發(fā)明的實施例。然而，可使用本發(fā)明的實施例安裝具有兩個或更多端子的、例如包括電阻器和電感器的任何SMT元件。使用電容器作為啟發(fā)例子并不對電容器有任何限制。任何SMT元件可代替上述論述中電容器。
從而，盡管描述了在集成電路封裝中安裝電容器和安裝到印刷電路板的方法和裝置的特定實施例，但是除了所附權利要求中提出的之外，這些具體的參考并不應被認為是對本發(fā)明的范圍的限制。
權利要求
1.一種裝置，其特征在于，包括電路板；安裝在電路板上的集成電路封裝件；以及設置在電路板和封裝件之間的至少一個表面安裝元件。
2.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，元件安裝到印刷電路板上。
3.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，元件安裝到封裝上。
4.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，定位元件以從基板到電路板對電源和地提供連接。
5.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述元件是從包括電容器、電阻器、電感器和低剖面電容器的組中選擇出的。
6.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，按照球柵陣列球安裝元件。
7.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，該裝置進一步包括與封裝件相接觸的散熱片。
8.一種安裝電容器的方法，其特征在于，該方法包括提供電路板；把集成電路封裝件安裝到電路板上；以及在封裝件和電路板之間設置至少一個表面安裝元件。
9.如權利要求8所述的方法，其特征在于，設置元件進一步包括在把封裝件安裝到電路板之前，將元件附著于封裝件。
10.如權利要求8所述的方法，其特征在于，設置元件進一步包括在安裝封裝件之前，將元件附著于電路板。
11.如權利要求8所述的方法，其特征在于，設置元件進一步包括將元件設置成從封裝件至電路板對電源和地提供連接。
12.一種裝置，其特征在于，包括具有電源和接地通路的電路板；安裝在電路板上的集成電路封裝件，使得所述封裝件的電源和接地通路對應于所述電路板上的電源和接地通路；以及在一個電源通路和一個接地通路之間，在封裝件和電路板之間，設置至少一個元件。
13.如權利要求12所述的裝置，其特征在于，所述元件是從包括電容器、電阻器、電感器和低剖面電容器的組中選擇出的。
14.如權利要求12所述的裝置，其特征在于，所述元件附著在封裝件上。
15.如權利要求12所述的裝置，其特征在于，所述元件附著在電路板上。
全文摘要
揭示了一種裝置。該裝置具有印刷電路板(10)以及安裝到印刷電路板(10)上的一個或多個集成電路基板(14)。在印刷電路板(10)和封裝件(14)之間設置具有兩個或多個端子的至少一個SMT元件(24)。在一個實施例中，SMT元件(24)代替用于將基板(14)安裝到印刷電路板(10)的球柵陣列中的互連，同時將SMT端子連接到基板(14)和印刷電路板(10)。所揭示的SMT元件(24)安裝的裝置導致連接到基板(14)的SMT連接的電感的顯著降低。
文檔編號H05K1/18GK1732722SQ200380107787
公開日2006年2月8日 申請日期2003年12月11日 優(yōu)先權日2002年12月31日
發(fā)明者A·韋茨曼, E·皮特, C－Y·鐘 申請人:英特爾公司