專利名稱：用于將半導(dǎo)體器件固定到印刷線路板的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本公開涉及半導(dǎo)體器件封裝，并且具體地涉及用于將封裝固定到印刷線路板的系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)今的復(fù)雜產(chǎn)品常常包含用于驅(qū)動這些產(chǎn)品的諸如處理器和微控制器的多個器件。隨著器件數(shù)目的增加以及產(chǎn)品尺寸的減小，印刷線路板被用于改進器件密度。印刷線路板(PWB)(可替選地被稱為印刷電路板(PCB))容納經(jīng)由印刷線路板中的電路或線路連接的許多個半導(dǎo)體器件。這些器件以多種方式連接到印刷線路板。一種方法是將球柵陣列(BGA)封裝焊接到印刷線路板上的傳導(dǎo)焊盤。然而，這種當(dāng)前方法具有其缺點。例如，PWB可能不是平面的。BGA是以嚴(yán)密公差 制造的，從而確保與印刷線路板的緊密連接。此外，對于高引腳數(shù)目的器件，引腳之間的間距或距離將以毫米計。因此，如果PWB不是平面的，則BGA附接可能不具有針對板的完整的連接。在最初時，弱的連接可能引起與PWB上的其他器件的間歇的通信故障。隨著時間的推移，該連接可能變得完全斷開，致使器件不可用。另一示例是翹曲的影響。大部分現(xiàn)今的PWB被構(gòu)建為包括多種材料的多個層。這些材料具有不同的熱膨脹系數(shù)。當(dāng)暴露于系統(tǒng)的規(guī)定溫度(例如，-40攝氏度到140攝氏度)時，印刷線路板的不同的層以不同的速率膨脹和收縮，因此引起印刷線路板的翹曲。隨著時間的推移，印刷線路板將變得不平并且BGA和焊料針對PWB的剛性連接將不能適應(yīng)PWB的翹曲，導(dǎo)致BGA和PWB之間的連接斷開。在上述情形下，現(xiàn)場工程師可以去除印刷線路板并且嘗試更換斷開連接的部件。當(dāng)去除BGA時存在損壞印刷線路板的風(fēng)險。當(dāng)重新附接BGA球并且將BGA重新附接到印刷線路板時還存在減少器件壽命或者使器件永久不可用的風(fēng)險。再者，在許多應(yīng)用中更換部件是不可能的，因此產(chǎn)生了將BGA更牢固地連接到印刷線路板的需要。
發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的具體實施例，提供了一種用于通過柔性彈簧將半導(dǎo)體器件固定到印刷線路板的系統(tǒng)和方法。在具體實施例中，半導(dǎo)體器件封裝包括球柵陣列(BGA)。BGA耦接到多個柔性彈簧，所述柔性彈簧包括一匝或多匝并且被配置為耦接到BGA。被配置為對準(zhǔn)并且分離彈簧的隔板附接到BGA和彈簧組件。被配置為與印刷線路板(PWB)上的焊料對準(zhǔn)的焊接輔助件附接到PWB。BGA、彈簧和隔板組件耦接到印刷線路板(PWB)上的傳導(dǎo)焊盤。本發(fā)明的一個或多個實施例的技術(shù)優(yōu)點可以包括BGA和PWB之間的連接的x、y和z軸上的改進的柔性。所有方向上的改進的柔性提供了若干優(yōu)點。首先，由彈簧提供的柔性連接可以使BGA針對PWB的多個連接的斷開和短路最少。其次，如果PWB因翹曲或者由極端溫度引起的收縮和膨脹而變得不平，則彈簧可以進行調(diào)整而不會危及BGA、彈簧和PWB之間的連接。
這些優(yōu)點可以減少封裝和印刷線路板之間的連接的斷開和短路，因此減少了現(xiàn)場維修的需要。此外，對于維修需要的減少，該方法和系統(tǒng)可以改進產(chǎn)品的可靠性。在其中維修可能性最小的諸如軍事和航天的應(yīng)用中，這是重要的優(yōu)點。根據(jù)下面的附圖、描述和權(quán)利要求，其他技術(shù)優(yōu)點對于本領(lǐng)域技術(shù)人員將是顯見的。而且，盡管上文列舉了具體的優(yōu)點，但是各種實施例可以包括所有或一些所列舉的優(yōu)點或者沒有所列舉的優(yōu)點。
為了更完整地理解本發(fā)明及其特征和優(yōu)點，現(xiàn)結(jié)合附圖參照下面的描述，在附圖中圖IA是圖示了由于X或y軸上的移動引起的直接附接到印刷線路板(PWB)的球柵陣列(BGA)之間的連接斷開的示例的示圖；圖IB是圖示了由于z軸上的翹曲引起的直接附接到PWB的BGA之間的連接斷開的示例的示圖；圖2A是圖示了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的，用于將彈簧附接到BGA的組裝過程的示圖；圖2B是圖示了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的，用于將圖2A的BGA和彈簧組件附接到PWB的組裝過程的示圖；圖3是圖示了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的，其中使用彈簧連接BGA和PWB的完整附接的示圖；以及圖4是圖示了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的組裝過程的流程圖。
具體實施例方式圖IA是圖示了直接附接到諸如印刷線路板(PWB)的板上的傳導(dǎo)焊盤的球柵陣列(BGA)的示例的示圖。BGA 100包括與PWB 120上的其他半導(dǎo)體器件通信的半導(dǎo)體器件。BGA經(jīng)由附接到PWB 120上的傳導(dǎo)焊盤140的球130與其他器件連通。如果存在x或y方向上的移動，則可能存在連接斷開110。如果BGA 100未牢固地附接到印刷線路板上的傳導(dǎo)焊盤，則器件的操作可能是間歇的或者完全中斷。這些斷開連接110引起了現(xiàn)場的產(chǎn)品故障。在諸如軍事或航天的一些應(yīng)用中，印刷線路板的維修或重新工作是不可能的。在其中維修可能的情況下，在器件去除期間存在損壞印刷線路板(PWB) 120上的傳導(dǎo)焊盤140的風(fēng)險。在從印刷線路板去除、BGA球130的重新附接以及重新附接到PWB 120期間，還存在損壞或減少器件壽命的風(fēng)險。圖IB是圖示了直接附接到印刷線路板120上的傳導(dǎo)焊盤140的球柵陣列(BGA) 100的示例的示圖。如果因器件翹曲或者由于極端溫度引起的收縮和膨脹導(dǎo)致z方向上的移動，則可能存在斷開連接110。如果BGA100從印刷線路板上的傳導(dǎo)焊盤140脫離，則器件的操作可能完全中斷。這些斷開連接110引起了現(xiàn)場的產(chǎn)品故障。在諸如軍事或航天的一些應(yīng)用中，印刷線路板的維修或重新工作是不可能的。在其中維修可能的情況下，在器件去除期間存在損壞印刷線路板(PWB) 120上的傳導(dǎo)焊盤140的風(fēng)險。在從印刷線路板去除、BGA球130的重新附接以及重新附接到PWB120期間，還存在損壞或減少器件壽命的風(fēng)險。圖2A是圖示了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的，用于將彈簧附接到BGA的組裝過程的示圖。BGA 200可以包括陶瓷、塑料或者任何其他材料以提供對BGA內(nèi)部的電路的保護或者承受組裝或者最終產(chǎn)品所需的溫度。BGA 200包括用于將BGA 200電耦接到諸如印刷線路板(PWB)的電路板的許多個球226。BGA 200的球可以包括適于在特定溫度下熔化并接合到PWB的傳導(dǎo)焊盤的諸如錫和鉛的金屬合金。為了開始組裝過程，轉(zhuǎn)動BGA 200使之倒轉(zhuǎn)，隨后第一隔板208與BGA 200上的球226對準(zhǔn)。第一隔板208包括適于承受回流焊或組裝過程期間所需的溫度的諸如Durastone或聚酰胺的任何材料。第一隔板208包括孔220，孔220具有足以允許一組彈簧216滑動通過并且實現(xiàn)與BGA 200上的球的接觸的直徑。彈簧216包括諸如磷青銅的柔性導(dǎo)線并且鍍覆有促進經(jīng)由焊接進行附接的諸如銀的適當(dāng)材料。在一些實施例中，可以使用鍍銀的磷青銅彈簧。該材料可用于解決脆化問題。例如，使用鍍金彈簧可能由于脆化而危及連接質(zhì)量。金可能變成焊料中的灰塵并且在連接中產(chǎn)生空洞。鍍銀的磷青銅彈簧不具有這些問題。該材料可用在特定實施例中以滿足諸如聯(lián)合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)IPC J-STD-001D的標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)列出了用于避免脆化問題的具體要求。對于諸如軍事或宇 航的某些應(yīng)用，常常需要這些標(biāo)準(zhǔn)?？梢允褂脤?zhǔn)銷212，其在第一隔板208的孔202內(nèi)部配合。對準(zhǔn)銷212包括適于承受組裝或回流焊過程的溫度要求的諸如鋁或鋼的任何材料。在彈簧216和銷212就位時，與第一隔板208相似的第二隔板228被安置在第一隔板208上，使得彈簧216被安置為通過隔板208和228的孔220。在一些實施例中，兩個隔板208和228的組合高度小于彈簧216的高度。鋁板224被安置在彈簧216上以確保最終組件的平坦。將在圖4中描述組裝過程的額外的細節(jié)。圖2B是圖示了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的，用于將圖2A的BGA和彈簧組件附接到印刷線路板(PWB)的組裝過程的示圖。PWB 230具有被配置為與組件242的彈簧對準(zhǔn)的傳導(dǎo)焊盤234，組件242包括如圖2A中組裝的BGA 200、球226和彈簧216。PffB 230是包括用于連接經(jīng)由焊接技術(shù)附接到PWB的多個器件的電路的多層板。焊盤234包括諸如焊料的材料，當(dāng)通過組裝或回流焊過程安置印刷線路板時，該材料將粘附到彈簧。圖2A的示例中產(chǎn)生的組件242將在組裝過程的清潔步驟期間去除隔板208和228。這將在圖4中進一步描述。組件242的彈簧216隨后被安置為通過清潔隔板238的孔220。組件242的彈簧216被安置在PWB 230的傳導(dǎo)焊盤234上。焊接輔助件236可用于確保PWB230和BGA彈簧組件242之間的對準(zhǔn)。隨后將熱保護器246安置在組件242上以保護組件242抵御將彈簧附接到焊盤234期間所需的回流焊的熱。如圖4中更詳細描述的，鋁板250提供重量以確?；亓骱钙陂g的平坦連接。圖3是圖示了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的，其中使用彈簧連接BGA和PWB的完整附接的示圖。BGA 200附接到彈簧216。彈簧216附接到PWB 230上的傳導(dǎo)焊盤234。如同隔板238，焊接輔助件236保持在印刷線路板上。這些彈簧216促進了 z、y和z方向上的柔性。該柔性可以使迫使需要維修和重新工作的可靠性問題最小。此外，這可以在諸如軍事或航天的高應(yīng)變應(yīng)用中減少引起產(chǎn)品故障的可靠性問題。圖4是圖示了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的如圖2A、2B和3中所示的用于將BGA附接到PWB的組裝過程的流程圖。在步驟400中，BGA被底朝上地安置，從而球暴露。在步驟402中，將第一(或底)隔板安置在球上，從而該隔板與封裝齊平。在步驟404中，將助焊劑施加到隔板。在步驟406中，刮擦助焊劑，從而隔板中的所有孔填充有助焊劑。在步驟408中，將對準(zhǔn)銷安置在隔板的外孔中。在步驟410中，將第二(或頂)隔板安置在對準(zhǔn)銷上。隨后在步驟412中推動第二(頂)隔板以與底隔板齊平。在步驟414中，將彈簧安置在每個隔板孔中。在步驟404中施加的助焊劑將使彈簧對向BGA的球保持就位。彈簧的高度可以大于一起齊平的兩個隔板的高度。在步驟416中，將鋁板安置在彈簧上。鋁板確保了彈簧和BGA球之間的良好接觸。其將進一步確保彈簧和PWB上的傳導(dǎo)焊盤之間的接觸區(qū)域是平坦的。在步驟418中，對上述組件進行回流焊。在回流焊期間，可以將組裝的零件安置在紅外對流或“披薩烤爐”中。作為示例，組裝的零件可以緩慢地行進通過若干個熱區(qū)，這些熱區(qū)允許焊料緩慢地加熱和緩慢地冷卻。僅作為示例，工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)目標(biāo)是4攝氏度每秒以避免熱沖擊，盡管這在其他實施例中可能是不同的。在回流焊過程期間，BGA焊球在助焊劑的協(xié)助下熔化到彈簧上。焊料將僅部分地行進到彈簧上，使得彈簧的一匝或多匝未被覆蓋以維持彈簧柔性。在一些實施例中，使兩匝未被覆蓋，然而，可以使彈簧的更多的或更少的匝未被來自BGA球的焊料覆蓋。在步驟420中，去除鋁板、第一(頂)隔板和第二(底)隔板以允許清潔和去除助焊劑以及組裝過程的其他可能的副產(chǎn)物。在步驟422中，可以將BGA焊接輔助件安置在PWB的焊盤區(qū)域上。例如，可以使用Kapton BGA焊接輔助件，其被激光切割成與PWB上的焊盤圖案匹配的圖案。切口使用于焊接的焊盤暴露。Kapton輔助件的 厚度可以變化，但是其通常足夠厚以在PWB暴露焊盤上產(chǎn)生空腔。在步驟424中，將焊劑施加到BGA焊接輔助件。在步驟426中，使焊劑平滑，從而所有空腔被填充。在步驟428中，將清潔隔板安置在彈簧上。該隔板未附接到PWB或BGA。其目的在于確保彈簧在諸如衛(wèi)星發(fā)射的極端振動期間不會短接在一起。在步驟430中將組合的隔板和BGA彈簧組件安置到焊接輔助件上。在步驟434中，將適于承受回流焊或組裝過程的熱的任何材料的帶安置在BGA組件上以將其固定到PWB上的適當(dāng)位置。在步驟436中將熱保護件安置在封裝上以確保來自下一回流焊過程的熱不會影響已連接的彈簧和BGA。在步驟438中，將步驟416中使用的鋁板安置在來自步驟436的熱保護件上。如步驟416中的那樣，將鋁板安置在組合的零件上，并且這些零件被安置為再次通過回流焊(步驟440)。步驟440中的回流焊與回流焊步驟418相似，然而，在該情況下，彈簧附接到PWB上的焊盤。在回流焊之后，彈簧和PWB之間的連接完成(步驟442)并且可以從組件去除鋁板和熱保護件。盡管圖4針對用于將半導(dǎo)體器件固定到印刷線路板的方法公開了所采用的步驟的具體數(shù)目，但是這些步驟可以通過比圖2至圖4中所示的步驟更多或更少的步驟來執(zhí)行。此外，盡管圖4針對將半導(dǎo)體器件固定到印刷線路板的方法公開了所采用的步驟的特定順序，但是包括將半導(dǎo)體器件固定到印刷線路板的方法的步驟可以以任何適當(dāng)?shù)捻樞蛲瓿伞１M管在優(yōu)選實施例中已描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員可想到各種改變和修改。僅作為示例，實施例可以具有數(shù)目不同的引腳，陣列的配置可以不同，陣列的間距可以不同，球的尺寸可以不同，彈簧的尺寸可以不同并且材料可以不同。本發(fā)明應(yīng)涵蓋落在所附權(quán)利要求范圍內(nèi)的這樣的改變和修改。
權(quán)利要求
1.一種用于將球柵陣列BGA固定到印刷線路板PWB的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括 球柵陣列，包括一個或多個球； 多個彈簧，每個彈簧包括一匝或多匝并且被配置為附接到所述球柵陣列中的球； 隔板，包括被配置為對準(zhǔn)并且分離所述彈簧的多個孔；以及 印刷線路板，包括傳導(dǎo)焊盤； 其中所述彈簧通過所述印刷線路板PWB的所述傳導(dǎo)焊盤焊接到所述球柵陣列的球。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其中每個彈簧包括柔性導(dǎo)線。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中所述彈簧包括鍍銀的柔性磷青銅導(dǎo)線。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，進一步包括焊接輔助件，其被配置為對準(zhǔn)所述印刷線路板上的焊料。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其中所述焊接輔助件包括Kapton或聚酰胺帶。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其中所述焊接輔助件包括一個或多個孔，所述孔被配置為與所述印刷線路板上的焊盤對準(zhǔn)；以及 所述孔被配置為提供用于容納液體的空腔。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其中所述隔板包括聚酰胺或Durastone。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其中所述隔板包括對準(zhǔn)銷孔并且所述系統(tǒng)進一步包括 第二隔板，包括被配置為對準(zhǔn)并且分離所述彈簧的多個孔和對準(zhǔn)銷孔；以及 在所述隔板的所述對準(zhǔn)銷孔中，設(shè)置在所述隔板之間。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其中所述印刷線路板包括一個或多個層；以及 頂層包括被配置為電連接的傳導(dǎo)焊盤。
10.一種用于將球柵陣列固定到印刷線路板的方法，所述方法包括 使多個彈簧與球柵陣列上的多個球?qū)?zhǔn)； 通過隔板分離所述彈簧； 將所述球柵陣列上的每個球焊接到所述彈簧中的一個； 使所述彈簧與印刷線路板上的焊盤對準(zhǔn)；以及 將所述彈簧附接到所述印刷線路板上的焊盤。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中使所述多個彈簧與球柵陣列上的多個球?qū)?zhǔn)包括 對準(zhǔn)一個或多個隔板使其與所述球柵陣列BGA封裝齊平；以及 安置被配置為維持所述一個或多個隔板的位置的對準(zhǔn)銷。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中將球柵陣列上的多個球附接到彈簧包括 將助焊劑施加到被配置為維持一個或多個彈簧的位置的所述一個或多個隔板；以及 進行回流焊以使所述球柵陣列BGA的球熔接到所述彈簧。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中所述回流焊在包括多個加熱區(qū)的對流烤爐中執(zhí)行。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中通過焊接輔助件使所述多個彈簧與印刷線路板上的焊盤對準(zhǔn)包括 將焊接輔助件施加到所述印刷線路板；將焊劑施加到所述焊接輔助件；以及 在彈簧和隔板附接在所述焊接輔助件上的情況下，安置所述球柵陣列。
15.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中將一個或多個彈簧附接到印刷線路板上的焊盤包括 在將所述彈簧附接到球之后在所述球柵陣列上安置熱保護器以保護通過回流焊過程的所述球柵陣列和彈簧； 將鋁板安置在所述熱保護器上以確保平面連接；以及 進行回流焊以將所述彈簧附接到所述印刷線路板。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中回流焊包括使用被配置為包括多個熱區(qū)的對流烤爐。
全文摘要
根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)，提供了一種用于將球柵陣列固定到印刷線路板的系統(tǒng)和方法。在具體實施例中，球柵陣列包括被配置為附接到包括一匝或多匝的彈簧的一個或多個球。此外，存在被配置為對準(zhǔn)并且分離彈簧的隔板，被配置為對準(zhǔn)印刷線路板上的焊料的焊接輔助件以及被配置為通過傳導(dǎo)焊盤經(jīng)由彈簧附接到球柵陣列的印刷線路板。
文檔編號H01L21/58GK102738023SQ20121002087
公開日2012年10月17日 申請日期2012年1月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月28日
發(fā)明者保羅·布賴恩·哈菲利, 葉利·霍爾茲曼, 羅伯特·邁克爾·斯滕斯 申請人:雷神公司