专利名称：消除应力的球栅阵列封装的制作方法
技术领域：
本发明涉及减少与将球栅阵列(BGA)模块连接到电路卡的焊料球相关联的焊接点中热应变的结构及相关的制造方法。
现代的电路板结构有一个安装在电路卡上的BGA模块。BGA模块包括具有上表面和下表面如陶瓷或塑料等的介质材料的基板。焊料球的阵列固定到BGA模块下表面上导电焊盘的对应阵列上，同时一个或多个芯片固定到BGA模块的上表面。相应的电路卡是预先布线的板，板包括介质材料和板上的导电焊盘的阵列。电路卡的一个例子是计算机的主板。电路卡焊盘作为接纳一个或多个BGA模块的固定点。因此，安装在电路板上的BGA模块上的每个焊料球固定到BGA模块自身的导电焊盘上，也固定到电路卡上导电焊盘上。这些导电焊盘分别粘贴到BGA模块的介质基板和电路卡的介质板上。由此，每个焊料球为机械地固定到焊料球每侧上介质材料板的结构元件。
当加热或冷却电路卡时，焊料球要承受由支撑介质结构的不同热膨胀率引起的应变。例如，电路卡通常的热膨胀系数为14到22ppm/℃(ppm表示百万分之几)，同时BGA模块的陶瓷基板具有约6到11ppm/℃的较小热膨胀系数。如果BGA模块使用塑料基板材料，那么在硅芯片约束基板膨胀的位置，塑料基板的有效热膨胀系数通常约7ppm/℃。虽然上述材料和对应的热膨胀系数代表了BGA基板和电路卡的特性，但材料的特点为BGA基板的热膨胀系数高于BGA模块固定的电路卡的热膨胀系数的反比关系。
不幸的是，由以上提到的不同热膨胀引起焊料球的应变会造成BGA焊接点疲劳失效。在这里引入作为参考的U.S.专利5,726,079(Johnson，3/10/98)公开了一种能减小不同热膨胀效应的措施。采用这种替换措施，安装在基板上的芯片用机械地粘贴到基板上的介质材料外围地包封。此外，芯片机械地连接到位于芯片上侧面的导电板上，其中导电板包括如不锈钢等的材料。由于导电板和基板通过包封的介质材料机械结合，因此消除了由热膨胀不同造成的结构弯曲，并且导电板的热膨胀缓和了BGA模块的基板的热膨胀。由此选择导电板的材料，使它具有的热膨胀系数能消除由BGA模块的基板和电路卡的介质板的热膨胀系数不匹配引起的弯曲。虽然该方法极大地延长了BGA的疲劳寿命，但由于导电板的成本以及制造包封结构需要的工艺步骤和相关的设备，也增加了产品的成本。
本发明提供一种便宜的方法，以及一种相关的电结构，能减小BGA模块的焊料球上的热应变，其中BGA模块安装在电路卡上。本方法的实质是增加BGA模块和电路卡之间由于热膨胀不同造成变形的连接结构的有效长度。这样减少了连接结构中特别是焊料球中的应变。由此，增加其上将发生一定变形的长度有效地减少了整个焊料球的应变。特别是，本发明的方法通过从BGA模块的介质基板上除去材料形成环行空隙，由此使焊料球粘贴到介质材料的区域，其中介质材料的区域每个基本上都由如此形成的环行空隙环绕。环行空隙可以类似地形成在电路卡的介质板的区域周围，其中这些区域位于BGA模块将固定的电路卡的导电焊盘下面。由此，如果形成的环行空隙基本上但不完全地环绕介质区域，那么本方法形成了介质区域的半岛。此外，如果环行空隙完全环绕介质区域，那么本发明形成了介质区域的岛。如此形成的半岛与其余的介质基板(或板)并不分离，由此在半岛和剩余的介质基板(或板)之间留下薄的介质连接条。
一般来说，本发明提供一种形成至少一个电结构的方法，包括以下步骤提供包括介质层具有第一表面的基板，至少一个导电焊盘固定到第一表面；以及除去介质层的第一部分，形成介质层的空隙部分，其中空隙部分基本上环绕介质层的第二部分，并且其中焊盘设置在第二部分上。
本发明通常提供至少一种电结构，包括包括具有第一表面的介质层的基板；固定到第一表面的至少一个导电焊盘；以及介质层的空隙部分，其中空隙部分基本上环绕介质层的第二部分，并且其中焊盘设置在第二表面上。
本发明具有几个优点。本发明保护了焊接点的整体性，延长了BGA模块的疲劳寿命。与如U.S.专利5,726,079(以上在相关技术部分中已讨论的)等的其它方法相比，本发明的方法很便宜。此外，本发明不排除使用其它的方法，可与其它方法结合使用，仅有少量附加成本。
图1示出了固定到电路卡的BGA模块的前视剖面图。
图2示出了根据本发明固定到电路卡的BGA模块的前视剖面图，空隙区域环绕BGA焊盘和电路卡焊盘下的介质材料。
图3示出了根据本发明固定到电路卡的BGA模块的前视剖面图，空隙区域环绕电路卡焊盘下的介质板材料。
图4示出了根据本发明固定到电路卡的BGA模块的前视剖面图，空隙区域环绕BGA焊盘下的介质基板材料。
图5示出了根据本发明带有一个连接条的一个焊盘的基板俯视图。
图6示出了具有基本上环绕但没有完全环绕焊盘下介质材料的空隙区域的图5。
图7示出了具有基本上环绕但没有完全环绕基板上焊盘下介质材料的空隙区域的基板的俯视透视图。
图8示出了根据本发明具有一个焊盘的基板的俯视图。
图9示出了环绕焊盘下介质材料的空隙区域的图8。
图10为图9结构的剖面侧视图，示出了连接到焊盘的布线图形图11示出了具有完全环绕基板上焊盘下介质材料的空隙区域的基板的俯视透视图。
图1示出了固定到电路卡30的BGA模块20的前视剖面图。BGA模块20包括介质基板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焊盘24，以及固定到BGA焊盘24高度为L的焊料球28。电路卡30包括介质板32和固定到板32的上表面37的电路卡焊盘34。电路卡可以为任何包括介质材料的预先布线的板，例如计算机的主板。焊料球28固定到电路卡30上的焊盘34，由此将BGA模块20连接到电路卡30。在热循环期间产生的焊料球28上的热应变分布在高度L上。本发明的意图是修改基板22和/或板32，由此在大于L的高度上重新分布应变，以增加图1结构的疲劳寿命。
图2示出了本发明的一个实施例，与图1的结构相比增加了应变分布的有效高度。图2示出了固定到电路卡50的BGA模块40的前视剖面图。BGA模块40包括介质基板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焊盘44，以及固定到BGA焊盘44高度为H的焊料球48。电路卡50包括介质板52和固定到板52的上表面57的电路卡焊盘54。焊料球48固定到电路卡焊盘54，由此将BGA模块40连接到电路卡50。基板42内高度为ΔH1的环行空隙43环绕BGA焊盘44下面的基板材料。基板52内高度为ΔH2的环行空隙56环绕电路卡焊盘54下面的板材料。没有环行空隙43和56，根据现有技术热应变将分布在高度H上。然而采用本发明的环行空隙43和56，变形分布在较大的高度H+ΔH1+ΔH2上，由此减小了整个焊料球48上的应变。环行空隙43和56分别提供了空间，由此BGA焊盘44下面的基板材料和电路卡焊盘54下面的板材料受到的约束较小，由此增加了它们的柔顺性，并减轻了焊料球48中的热应变。
图3示出了本发明的一个实施例，与图1的结构相比，增加了热应变分布的有效高度。图3示出了固定到电路卡70的BGA模块60的前视剖面图。BGA模块60包括包括介质基板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焊盘64，固定到BGA焊盘64上高度为Y的焊料球68。电路卡70包括介质板72、固定到板72的上表面77的电路卡焊盘74。焊料球68固定到电路卡焊盘74，由此将BGA模块60连接到电路卡70。基板72内高度为ΔY的环行空隙76环绕电路卡焊盘74下面的板材料。没有环行空隙76，根据现有技术热应变将分布在高度Y上。然而采用本发明的环行空隙76，变形分布在较大的高度Y+ΔY上，由此减小了整个焊料球68上的应变。环行空隙76提供了空间，由此电路卡焊盘74下面的基板材料受到的约束较小，由此增加了它们的柔顺性，并减轻了焊料球68中的热应变。
图4示出了示出了本发明的一个实施例，与图1的结构相比增加了应变分布的有效高度。图4示出了固定到电路卡90的BGA模块80的前视剖面图。BGA模块80包括介质基板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焊盘84，固定到BGA焊盘84高度为Z的焊料球88。电路卡90包括介质板92和固定到板92的上表面97的电路卡焊盘94。焊料球88固定到电路卡焊盘94，由此将BGA模块80连接到电路卡90。基板82内高度为ΔZ的环行空隙83环绕BGA焊盘84下面的基板材料。没有环行空隙83，根据现有技术热应变将分布在高度Z上。然而采用本发明的环行空隙83，热剪切应力分布在较大的高度Z+ΔZ上，由此减小了整个焊料球88上的应变。环行空隙83提供了空间，由此电路卡焊盘94下面的板材料受到的约束较小，由此增加了它们的柔顺性，并减轻了焊料球88中的热应变。
如果图2-4中的环行空隙基本上但不完全环绕焊盘下的介质材料，那么焊盘下的介质材料的半岛将由环行空隙限定。此外，如果图2-4中的环行空隙完全环绕焊盘下的介质材料，那么焊盘下的介质材料的岛将由环行空隙限定。
图5-7示出了形成基本上但不完全环绕焊盘下的介质材料的环行空隙以产生介质材料的岛的本发明的一个工艺。工艺开始于图5的结构，图5示出了带有连接到焊盘112的布线图形114的基板110上的焊盘112的俯视图。基板110表示BGA模块的介质基板，或电路卡的介质板，如图1-3所示。接下来，图6示出了形成基本上但不完全环绕焊盘112下的介质材料的环行空隙116的结果。由此，在焊盘112下产生介质材料的半岛119，其中介质基板材料的条115将半岛119连接到基板110的其余部分118(参见图5的基板110)。条115用于机械地支撑布线图形114，将焊盘112电连接到基板110或BGA模块的内部电路或包括基板110的电路卡。
半岛119显示在图6中，包括比位于半岛119上的焊盘112更大的区域。图7示出了基板128的另一结构的透视图，环行空隙126基本上但不完全环绕基板材料的半岛，其中半岛129的面积基本上等于位于半岛129上的焊盘122的面积。介质基板材料的条125将半岛129连接到基板128，并机械地支撑连接到焊盘122的布线图形124。布线图形124将焊盘122电连接到基板128或BGA模块的内部电路或包括基板128的电路卡。
图8-11示出了形成完全环绕焊盘下的介质材料的环行空隙以产生介质材料的岛的本发明的一个工艺。工艺开始于图8的结构，图8示出了基板210上的焊盘212的俯视图。基板210表示BGA模块的介质基板，或电路卡的介质板，如图1-3所示。接下来，图9示出了形成完全环绕焊盘212下的介质材料的环行空隙216的结果。由此，介质材料的岛219在焊盘212下产生，留下基板210的其余部分218(参见图8的基板210)。图10示出了图9结构的剖面图，示出了通孔220内的布线图形222，其中通孔220包含在岛219内。布线图形222向上将焊盘212电连接到BGA模块的内部电路或包括基板210的电路卡。
岛219显示在图9中，包括比位于岛219上的焊盘212更大的区域。图11示出了基板238的另一结构的透视图，环行空隙236完全环绕基板材料的岛239，其中岛239的面积基本上等于位于岛239上的焊盘232的面积。布线图形(未示出)类似于图10，其中布线图形位于含在岛239内的通孔内，其中布线图形向上将焊盘232电连接到BGA模块的内部电路或包括基板238的电路卡。
图2-11中的本发明的环行空隙可以通过本领域中的普通技术人员公知的任何方法形成。特别是，可以使用本领域技术人员公知的各种类型的激光中的任何一种通过激光消融形成环行空隙。用于所述目的的实际激光为使用发射紫外线、高峰值功率、高重复率以及直径为6到50μm的聚焦束的三倍频NeodumuimYAG激光。通常，介质聚合物对紫外线能吸收最好，对非消融部分的热损伤最小。紫外线范围内有用的波长为355nm。由于要扫描的区域通常大于束尺寸，因此可以形成光栅扫描以覆盖要扫描的区域。扫描间距通常为光点尺寸的80％，以部分重叠高斯光束。根据材料，可以采用1,000Hz到20,000Hz的重复率，1,000Hz速率提供了12KW的每脉冲的最高功率，在20,000Hz降到0.5KW。具体工艺的一个例子是以2,000Hz，8.3KW每脉冲以及11μm的脉冲间距，用14μm束扫描靶区域，在如FR-4的玻璃纤维布增强环氧材料制成的基板上消融圆形焊盘。每次扫描除去约20μm的材料。要除去200μm(0.008英寸)，需要10次扫描。除以上的NeodumuimYAG激光之外，可以使用其它的激光技术(例如，CO2激光器和受激准分子激光器)获得类似的结果。
虽然这里介绍的优选实施例属于环绕BGA模块上或电路卡上的焊盘下介质物的空隙区域，但本发明可以适用于具有环绕介质基板上焊盘下介质物的环行空隙区域的任何结构。
虽然这里为了说明的目的介绍了本发明的优选和特定实施例，但本领域的技术人员显然可以做出很多修改和变形。因此，附带的权利要求书意在包含落入本发明精神和范围内的所有的这种修改和变形。
权利要求
1.一种形成至少一个电结构的方法，包括以下步骤提供包括介质层具有第一表面的基板，至少一个导电焊盘固定到第一表面以及除去介质层的第一部分，形成介质层的空隙部分，其中空隙部分基本上环绕介质层的第二部分，并且其中焊盘设置在第二部分上。
2.根据权利要求1的方法，其中去除步骤通过激光完成。
3.根据权利要求1的方法，其中去除步骤产生将第二部分连接到介质层的其余部分介质层的条。
4.根据权利要求1的方法，其中去除步骤产生与介质层的全部其余部分不相连的第二部分。
5.根据权利要求3的方法，其中提供步骤还包括提供电连接到焊盘的内部布线图形，其中去除步骤在一部分内部布线图形的下面形成条。
6.根据权利要求4的方法，其中提供步骤还包括提供电连接到焊盘的内部布线图形，其中部分内部布线图形含在位于焊盘下的通孔内。
7.根据权利要求1的方法，其中提供步骤还包括提供电连接到焊盘的内部布线图形，并且其中去除步骤不除去内部布线图形的任何部分。
8.根据权利要求7的方法，还包括以下形成球栅阵列模块的以下步骤提供焊料球；将焊料球固定到焊盘上；以及将芯片粘贴到介质层的第二表面，其中芯片电连接到内部布线图形。
9.根据权利要求8的方法，其中粘贴步骤在固定步骤之前进行。
10.根据权利要求8的方法，还包括将球栅阵列模块紧固到电路卡。
11.根据权利要求8的方法，还包括形成至少一个电结构的第一电结构，其中提供步骤提供了至少一个导电焊盘的第一焊盘；以及通过将焊料球粘贴到第一焊盘将球栅阵列模块粘贴到第一电结构。
12.根据权利要求11的方法，其中形成第一电结构先于形成球栅阵列模块。
13.至少一个电结构，包括包括具有第一表面的介质层的基板；固定到第一表面的至少一个导电焊盘；以及介质层的空隙部分，其中空隙部分基本上环绕介质层的第二部分，其中焊盘设置在第二表面上。
14.根据权利要求13的电结构，其中介质层的条将第二部分连接到介质层的其余部分。
15.根据权利要求13的电结构，其中第二部分与介质层的全部其余部分不相连。
16.根据权利要求14的电结构，还包括电连接到焊盘的内部布线图形，其中所述条位于一部分内部布线图形的下面。
17.根据权利要求15的电结构，还包括电连接到焊盘的内部布线图形，其中部分内部布线图形包含在位于焊盘下的通孔内。
18.根据权利要求13的电结构，还包括电连接到焊盘的内部布线图形。
19.根据权利要求18的电结构，所述电结构为球栅阵列模块，由此电结构还包括固定到焊盘的焊料球；固定到介质层第二表面的芯片，其中芯片电连接到内部布线图形。
20.根据权利要求19的电结构，还包括粘贴到电路卡的球栅阵列模块。
21.根据权利要求19的电结构，还包括至少一个电结构的第一电结构，其中第一电结构包括至少一个导电焊盘的第一焊盘，并且其中球栅阵列模块粘贴到第一电结构，由此焊料球粘贴到第一焊盘。
全文摘要
一种减少将球栅阵列(BGA)模块连接到电路卡的焊接点的热应变的方法和结构,由此增加了BGA的疲劳寿命。本方法产生了环绕BGA焊料球要固定的部分BGA介质基板的环行空隙区域和/或环绕BGA模块将固定的部分电路卡介质材料的环行空隙区域。导致了安装在电路板上之后形成环绕BGA模块的焊料球的介质岛或半岛。如此的介质岛或半岛用于减少了焊接点上的应变。此外,环行空隙区域提供了介质岛或半岛变形的空间,由此增加了它们的柔顺性,并将应变由焊接点转移到介质岛或半岛。
文档编号H05K3/34GK1267910SQ00104100
公开日2000年9月27日 申请日期2000年3月16日 优先权日1999年3月19日
发明者E·A·约翰逊, J·S·克雷斯吉 申请人:国际商业机器公司