專利名稱：球柵陣列(bga)連接系統(tǒng)與相關(guān)方法以及球座的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及集成電路(integrated circuit, IC)封裝的領(lǐng)域，且更明確地說，涉及球 柵陣列(ball grid array, BGA) IC封裝和相關(guān)連接系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
球柵陣列(BGA)與針柵陣列(pin grid array, PGA)有關(guān)，其中集成電路(IC) 封裝包含覆蓋有或部分覆蓋有PGA中的針或BGA中的球(通常呈柵格或矩陣圖案)的 面。所述針和球?qū)㈦娦盘?hào)從定位在IC封裝中的IC傳導(dǎo)到上面放置有所述封裝的印刷電 路板(printed circuit board, PCB)，例如，印刷線路板。在BGA中，所述球是導(dǎo)電球， 通常由焊料形成且定位在IC封裝的底部。通常，PCB承載呈矩陣圖案的銅墊，所述矩 陣圖案與導(dǎo)電球所形成的矩陣圖案相匹配。在一些制造技術(shù)中，在回流焊爐(reflow oven) 或紅外線加熱器中加熱組合件，從而致使導(dǎo)電球粘附到PCB。通常，選擇焊料合金的成 分以及焊接溫度以使得焊料不會(huì)完全熔化，而是保持半液態(tài)，從而允許每一導(dǎo)電球與其 相鄰者保持分離。
BGAIC封裝通常在IC封裝與PCB之間具有較低熱阻，使得IC所產(chǎn)生的任何熱量 較易流向PCB,從而防止IC芯片過熱。而且，因?yàn)锽GA的導(dǎo)電球作為電導(dǎo)體比PGA 的針短，所以所述球與所述針相比具有較低的電感，且防止高速電子電路中不希望有的 信號(hào)失真。然而，BGA的一個(gè)缺點(diǎn)在于導(dǎo)電球常常無法以PGA中的針的方式撓曲。PCB 內(nèi)的任何彎曲和熱膨脹都直接傳輸?shù)紹GA IC封裝，從而致使焊接點(diǎn)在高熱或機(jī)械應(yīng)力 下發(fā)生斷裂。在一些設(shè)計(jì)中，通過使PCB與IC封裝之間的熱膨脹系數(shù)(coefficient of thermal expansion, CTE)相匹配來克服上述問題，但盡管如此， 一旦IC封裝被緊固到 PCB，就很難檢査焊接故障。
因此，BGA封裝具有有限的可檢査性、再加工性和可測(cè)試性，且當(dāng)IC封裝與PCB 之間的CTE失配較大時(shí)，BGA封裝就具有可靠性問題和設(shè)計(jì)限制。對(duì)不同的BGA產(chǎn)品 存在許多提議，但這些產(chǎn)品增加了比所需情況多的封裝占用面積、高度、重量和組合步 驟。

發(fā)明內(nèi)容
球柵陣列(BGA)連接系統(tǒng)包含集成電路(IC)封裝，所述IC封裝包含用于形成球柵陣列(BGA)的多個(gè)導(dǎo)電球，所述多個(gè)導(dǎo)電球以導(dǎo)電觸點(diǎn)的矩陣圖案布置。印刷電 路板(PCB)包含多個(gè)球座，所述多個(gè)球座以對(duì)應(yīng)的矩陣圖案布置在PCB上。在一個(gè)非 限制性實(shí)例中，每一球座包含基部，所述基部的一側(cè)嚙合PCB，且相對(duì)側(cè)經(jīng)配置以容置 BGA的導(dǎo)電球。多個(gè)叉狀物(prong)緊固到基部并從基部延伸，且經(jīng)配置以一起合作， 并接納且固持導(dǎo)電球以使所述導(dǎo)電球與基部接觸。
球座的每一叉狀物包含球嚙合區(qū)，所述球嚙合區(qū)被配置成大體上球弧形，且其大小 經(jīng)設(shè)計(jì)以嚙合導(dǎo)電球的最大表面區(qū)域。在一個(gè)非限制性實(shí)例中，每一球座包含凹痕 (indentation),所述凹痕在基部上形成為"凹坑"，所述凹痕的一側(cè)容置導(dǎo)電球。在相對(duì) 側(cè)上，"凹坑"的配置幫助芯吸(wick)焊料并補(bǔ)償板翹曲。每一球座可形成為微電鑄 部件。
在又一方面，每一叉狀物包含具有向外延伸的短小突出部的末端，所述短小突出部 幫助將導(dǎo)電球向下引向基部，并使導(dǎo)電球與球座形成鎖定關(guān)系。每一球座的叉狀物的高 度可大于基部的寬度，以幫助賦予柔性并調(diào)節(jié)PCB與IC封裝之間的熱失配。叉狀物可 形成為從基部向外延伸的大體矩形的支腿部件。
在又一方面，陳述一種將集成電路(IC)封裝安裝在印刷電路板(PCB)上的方法。 多個(gè)導(dǎo)電球形成球柵陣列(BGA)，所述多個(gè)導(dǎo)電球以矩陣圖案布置在IC封裝或PCB 的一者上，且與相應(yīng)的多個(gè)球座互連，所述多個(gè)球座以對(duì)應(yīng)的矩陣圖案布置在上面不具 有BGA的另一相應(yīng)PCB或IC封裝上。每一球座包含基部，所述基部的一側(cè)嚙合相應(yīng) 的IC封裝或PCB，且相對(duì)側(cè)經(jīng)配置以容置導(dǎo)電球。多個(gè)叉狀物緊固到基部并從基部延 伸，且經(jīng)配置以接納并固持導(dǎo)電球以使所述導(dǎo)電球與基部接觸。作為組合件的IC封裝、 PCB、導(dǎo)電球和球座可連接在一起，例如，在本發(fā)明的一個(gè)非限制性方面中回流焊接在 一起。
還詳細(xì)陳述一種球座。


當(dāng)根據(jù)附圖考慮時(shí)，本發(fā)明的其它目標(biāo)、特征和優(yōu)點(diǎn)將從以下對(duì)本發(fā)明的詳細(xì)描述
中變得明顯，在附圖中
圖1是根據(jù)本發(fā)明非限制性實(shí)例的球座的等角視圖，所述等角視圖是朝容置球的凹 痕向內(nèi)觀看的，且展示從基部向外延伸的叉狀物。
圖2是球座的另一等角視圖，所述等角視圖是在與圖1所示的方向相反的方向上觀 看的，且展示基部的嚙合PCB或類似表面的側(cè)。圖3是BGA IC封裝和PCB的局部截面圖，其中所述PCB具有接納來自BGA IC封 裝的球的球座。
圖4是類似于圖3的另一局部截面圖，但展示形成BGA的球和球座的定位是相反 的，使得球座緊固到IC封裝的底部上，且形成BGA的球緊固在PCB上。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)將在下文中參考附圖更充分地描述不同實(shí)施例，所述附圖中展示優(yōu)選實(shí)施例。可 陳述許多不同形式，且所描述的實(shí)施例不應(yīng)被解釋為限于本文所陳述的實(shí)施例。確切地 說，提供這些實(shí)施例是為了使得本發(fā)明將詳盡且完整，且將向所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員充分 傳達(dá)范圍。相同的數(shù)字始終指代相同的元件。
根據(jù)本發(fā)明的非限制性實(shí)例，圖1和圖2是球座10的等角視圖，球座10可以矩陣 圖案布置在表面(例如，PCB)上，以接納BGA的球，所述球也以矩陣圖案布置且形 成球柵陣列(BGA)，球座10定位在集成電路(IC)封裝或其它半導(dǎo)體裝置上或以相反 配置應(yīng)用在PCB上。
根據(jù)非限制性實(shí)例，球座IO通過形成可暫時(shí)或永久地鎖定在一起的帶球座BGA系 統(tǒng)而促進(jìn)焊接點(diǎn)檢査、再加工和故障檢修。對(duì)溫度和濕氣敏感的BGAIC封裝可避免焊 料回流溫度以及對(duì)允許的總回流數(shù)目的限制。所述系統(tǒng)可容許PCB平整度的偏差，且可 在拾取與放置機(jī)器兼容系統(tǒng)中使用。如所說明的球座的使用不會(huì)以類似于傳統(tǒng)球座的方 式增加BGA IC封裝的占用面積。不同材料的熱膨脹系數(shù)(CTE)可能失配，且球座和 BGA連接系統(tǒng)可基于材料厚度、回火度和叉狀物幾何形狀而順應(yīng)。如所說明的球座的配 置大體消除了對(duì)任何BGA焊料或類似材料底部填料的需要，且允許大量球柵陣列 (BGA)存在在單個(gè)PCB (例如，印刷線路板或類似結(jié)構(gòu))上。
因?yàn)榭芍苯訖z驗(yàn)的焊料連接在電測(cè)試期間減少了勞動(dòng)，所以如所描述的連接系統(tǒng)允 許較大的成本節(jié)約、較高的質(zhì)量和減少的設(shè)計(jì)約束。因?yàn)閤射線常用于推斷連接，所以 可直接檢驗(yàn)的焊料連接還提供較大程度的質(zhì)量保證。因?yàn)閭鹘y(tǒng)上較慢的(手動(dòng))BGA再 加工程序被減到最少，所以技術(shù)勞動(dòng)也減少。CTE順應(yīng)性可提供BGA連接的較大可靠 性，且通過允許較大的CTE失配而潛在地允許較多種類的BGA襯底，例如，F(xiàn)R-4板上 的陶瓷模塊。BGA封裝計(jì)數(shù)可不受限制。
圖1和圖2展示連接BGA的焊球或其它導(dǎo)電球的球座10。球座10包含基部12， 基部12大體上呈圓形配置，且具有經(jīng)配置以嚙合PCB的"外"側(cè)14 (圖2)和經(jīng)配置 以容置來自BGA的導(dǎo)電球的"內(nèi)"或相對(duì)側(cè)16 (圖1)。如所說明，輪緣18形成于基'部12的外邊緣上，且基部的中心部分包含形成"凹坑"的凹痕20，凹痕20在面向球的 內(nèi)側(cè)16上用以容置導(dǎo)電球且使導(dǎo)電球定位在所述側(cè)的中心處。另一側(cè)或"外"側(cè)14形 成向內(nèi)的"凹坑"作為凹痕22，凹痕22幫助將焊料芯吸在所述外側(cè)14上以補(bǔ)償板翹曲。 舉例來說，如果許多球座10以矩陣圖案布置在翹曲的PCB上，那么焊料可芯吸在任何 "凹坑狀"凹痕22內(nèi)，且填充在板翹曲所形成的不同量的空間中，并補(bǔ)償板翹曲?？尚?吸較厚的焊料層(例如，在球座IO與PCB之間延伸)，使得焊料發(fā)生移動(dòng)并填充板翹曲 所形成的間隙。
如所說明，多個(gè)叉狀物30緊固到基部12并從基部12向上延伸，且經(jīng)配置以接納 并固持(例如，通過卡扣鎖定)導(dǎo)電球以使所述導(dǎo)電球與基部接觸，而且更明確地說， 使所述導(dǎo)電球位于基部的由形成中心"凹坑"的凹痕20形成的區(qū)域中。說明四個(gè)叉狀 物30，且其定位于輪緣18周圍相應(yīng)的90度、180度、270度和360度位置處，且在此 非限制性實(shí)例中形成為大體矩形的支腿部件，所述支腿部件從基部12彼此平行地向外 且向上延伸。每一叉狀物30包含球嚙合區(qū)32,球嚙合區(qū)32被配置成大體上球弧形，且 其大小經(jīng)設(shè)計(jì)以嚙合導(dǎo)電球的最大表面區(qū)域。每一叉狀物30還包含具有向外延伸的短 小突出部34的末端，短小突出部34幫助將導(dǎo)電球向下引向基部12，以與球座10形成 鎖定關(guān)系。在圖1和圖2所示的實(shí)例中，將球座10說明為高度大體上類似于基部的寬 度，例如，在一些實(shí)例中，高度為約20密耳到約30密耳，且基部12處的直徑為約20 密耳到約30密耳。然而，在其它實(shí)例中，叉狀物30可形成為具有大于基部寬度的高度， 以幫助賦予柔性并調(diào)節(jié)PCB與IC封裝之間的熱失配。
在操作中，導(dǎo)電球容置于在基部12處形成"凹坑"的凹痕20處，并嚙合叉狀物30 以獲得最大接觸面積和導(dǎo)電性/導(dǎo)熱性?；?2的特定配置提供平坦穩(wěn)定的參考表面以 及如圖2中的凹痕22或"凹坑"所示的合適焊料填角(solder fillet)。材料厚度、回火 度和球座幾何形狀可經(jīng)優(yōu)化以獲得CTE失配緩解以及配合/去配合力。叉狀物短小突出 部34通過沿表面32向下引導(dǎo)球并使球與所述球居于其中心的凹痕20形成容置關(guān)系來 促進(jìn)球插入?；?2上的焊料量可經(jīng)預(yù)鍍錫以控制球座將經(jīng)歷的芯吸量。其它芯吸控 制機(jī)制是可能的，例如，通過在球座上使用涂層或選擇性鍍層。
形成球座的一種方式是通過級(jí)進(jìn)模沖壓技術(shù)或?qū)ｉT的微電鑄技術(shù)，所述技術(shù)適合于 芯片級(jí)封裝(CSP)或倒裝芯片組件的典型的較小球尺寸和間距。此些制造技術(shù)由若干 公司實(shí)施，例如，紐約州(New York)羅徹斯特(Rochester)的尼克福(Nicoform)， 所述公司通常以其微電鑄能力而聞名。而且，金屬微機(jī)電系統(tǒng)(MEMs)技術(shù)(例如， HT微量分析公司(HT Microanalytical, Inc.)所教示的技術(shù))是可能的。舉例來說，可使用多層工藝，例如，商業(yè)上稱為"HT精密制造(HT precision fabrication, HTPF)"
的工藝，HTPF作為制造精密結(jié)構(gòu)的一組基于平版印刷的工藝。HTPF是類似LIGA的工 藝且提供更多的靈活性。
微電鑄可產(chǎn)生不同形狀和紋理的復(fù)制品，且使用電鍍技術(shù)，例如，將厚金屬fej沉積 到待復(fù)制的原物上。所述部分形成電鑄件，且通過根據(jù)原子級(jí)工藝進(jìn)行電鑄而操作。鎳 可代替銅而用作主要材料。還有可能使用經(jīng)電沉積的鎳鈷合金(稱為NiColoy)。而且， 可使用鈹銅和其它類型的彈簧回火可成型材料，包含磷青銅。其它類型的鎳混合物可用 作,適合于球座的材料。
圖3和圖4展示球柵陣列(BGA)連接系統(tǒng)50和相關(guān)聯(lián)的方法，其中，如圖3所 示，BGA 52可通過導(dǎo)電球56的矩陣而形成于IC封裝54上。每一導(dǎo)電球56可形成為 如所說明由保持器部件58附接的焊球，其可通過所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員已知的不同技術(shù) 形成。"n"個(gè)球以如所說明的矩陣圖案形成BGA。球座10可如所說明緊固(例如，通 過回流焊接)到PCB60上，且IC封裝54可經(jīng)卡扣配合或鎖定以與球座IO嚙合?；蛘?， 可首先將球座10插入到每一球56上。將整個(gè)組合件放置在PCB 60上，并對(duì)所述組合 件進(jìn)行回流焊接。圖3展示一種其中球座10接納IC封裝的BGA球56的類型的BGA 連接系統(tǒng)。在 -個(gè)非限制性實(shí)例中，拾取并放置BGA，且接著將其回流焊接到PCB。 可使BGA保持原狀，或暫時(shí)移除以進(jìn)行球座檢査、再加工和測(cè)試。
還有可能使用座載體工具(socket carrier tool)(未圖示)，所述座載體工具形成為同 等帶球的拾取與放置載體工具，且CET與PCB相匹配。座載體工具中可安裝有球座' 或可形成為帶穿孔載體(例如，F(xiàn)R-4)，所述帶孔載體可使球座插入到穿孔中，且球座 的基部從中突出。 一旦球座己被回流焊接到PCB,就可移除載體，從而將球座留在PCB 上。BGA可直接安插到PCB。通過基部上的焊膏量控制和形成襯墊，并將焊料施加到 球座基部的下側(cè)，可在翹曲的PWB上維持球座/球的共面性。通常，BGA/載體要求球的 熔點(diǎn)超過最高可能回流溫度。
圖4展示另一實(shí)施例，其中BGA 52緊固到PCB 60上，且球座10緊固到IC封裝 54上。與圖3所示的配置相比，此實(shí)施例展示相反配置。然而，球座10和BGA52的 結(jié)構(gòu)可以是相同的。
權(quán)利要求
1. 一種用于將集成電路(IC)封裝安裝在印刷電路板(PCB)上的方法，其包括提供形成球柵陣列(BGA)的多個(gè)導(dǎo)電球以及相應(yīng)的多個(gè)球座，所述多個(gè)導(dǎo)電球以矩陣圖案布置在所述IC封裝或PCB的一者上，所述多個(gè)球座以對(duì)應(yīng)的矩陣圖案布置在上面不具有所述BGA的相應(yīng)的另一PCB或IC封裝上，每一球座包括基部，所述基部的一側(cè)嚙合相應(yīng)的IC封裝或PCB，且相對(duì)側(cè)經(jīng)配置以容置導(dǎo)電球，且每一球座包含多個(gè)叉狀物，所述多個(gè)叉狀物緊固到所述基部并從所述基部延伸，且經(jīng)配置以接納并固持所述導(dǎo)電球以使所述導(dǎo)電球與所述基部接觸；以及將所述IC封裝、PCB、導(dǎo)電球和球座互連在一起而成為組合件。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其進(jìn)一步包括將每一球座的所述叉狀物形成為包含 球嚙合區(qū)，所述球嚙合區(qū)被配置成大體上球弧形，且其大小經(jīng)設(shè)計(jì)以嚙合所述導(dǎo)電 球的最大表面區(qū)域。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其進(jìn)一步包括在每一球座的所述基部上形成凹痕， 所述凹痕將導(dǎo)電球容置在一側(cè)上，且?guī)椭鷮⒑噶闲疚诹硪粋?cè)上以補(bǔ)償板翹曲。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其進(jìn)一步包括使用微電鑄技術(shù)來形成所述球座。
5. —種球柵陣列(BGA)連接系統(tǒng)，其包括集成電路(IC)封裝，其包含形成球柵陣列(BGA)的多個(gè)導(dǎo)電球，所述多個(gè)導(dǎo) 電球以導(dǎo)電觸點(diǎn)的矩陣圖案布置；印刷電路板(PCB);以及多個(gè)球座，其以對(duì)應(yīng)的矩陣圖案布置在所述PCB上，每一球座包括基部，所述 基部的一側(cè)嚙合所述PCB，且相對(duì)側(cè)經(jīng)配置以容置導(dǎo)電球，且每一球座包含多個(gè)叉 狀物，所述多個(gè)叉狀物緊固到所述基部并從所述基部延伸，且經(jīng)配置以接納并固持 所述導(dǎo)電球以使所述導(dǎo)電球與所述基部接觸。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的球座和BGA連接系統(tǒng)，其中球座的每一叉狀物包括球嚙合 區(qū)，所述球嚙合區(qū)被配置成大體上球弧形，且其大小經(jīng)設(shè)計(jì)以嚙合所述導(dǎo)電球的最 大表面區(qū)域。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的BGA連接系統(tǒng)，其中每一球座包含形成于所述基部上的凹 痕，所述凹痕將導(dǎo)電球容置在一側(cè)上，且?guī)椭鷮⒑噶闲疚诹硪粋?cè)上以補(bǔ)償板翹曲。
8. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的BGA連接系統(tǒng)，其中每一球座包括微電鑄部件。
9. --種用于連接球柵陣列(BGA)的球的球座，其包括基部，其一側(cè)經(jīng)配置以嚙合印刷電路板(PCB),且相對(duì)側(cè)經(jīng)配置以容置BGA的 導(dǎo)電球；以及多個(gè)叉狀物，其緊固到所述基部并從所述基部延伸，且經(jīng)配置以接納并固持所述 導(dǎo)電球以使所述導(dǎo)電球與所述基部接觸。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的球座，其中每一叉狀物包括球嚙合區(qū)，所述球嚙合區(qū)被配置 成大體上球弧形，且其大小經(jīng)設(shè)計(jì)以嚙合所述導(dǎo)電球的最大表面區(qū)域。
全文摘要
本發(fā)明提供一種球柵陣列(BGA)連接系統(tǒng)，其包含集成電路(IC)封裝，所述IC封裝包含形成球柵陣列(BGA)的多個(gè)導(dǎo)電球，所述多個(gè)導(dǎo)電球以矩陣圖案布置。印刷電路板(PCB)包含以對(duì)應(yīng)的矩陣圖案布置的多個(gè)球座。每一球座包含基部，所述基部的一側(cè)嚙合所述PCB，且相對(duì)側(cè)經(jīng)配置以容置所述BGA的導(dǎo)電球。多個(gè)叉狀物緊固到所述基部并從所述基部延伸，且經(jīng)配置以接納并固持導(dǎo)電球以使所述導(dǎo)電球與所述基部接觸。
文檔編號(hào)H05K3/34GK101485238SQ200780025518
公開日2009年7月15日 申請(qǐng)日期2007年7月3日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月6日
發(fā)明者史蒂文·C·史密斯, 史蒂文·R·斯奈德 申請(qǐng)人:賀利實(shí)公司