CN100508707C - 电路设备和用于装配该电路设备的方法 - Google Patents

Abstract

一种电路设备(300)，其包括：衬底(330)，具有接地层(336)，至少一个器件孔(332)和至少一个焊料孔(334)；热沉(310)；以及粘合层(320)，所述粘合层(320)用于机械耦合热沉至衬底的地层，以使衬底器件孔的至少一部分重叠热沉，所述粘合层具有至少一个器件孔和至少一个焊料孔，其中对准至少一个衬底焊料孔与至少一个粘合层焊料孔，并对准至少一个衬底器件孔与至少一个粘合层器件孔，使得热沉和衬底的地层之间预定区域中的焊料湿润。

Description

电路设备和用于装配该电路设备的方法

本申请涉及下面的美国申请，所述美国申请与本申请一起共同属于摩托罗拉公司：

于2003年10月2日提交的申请10/677,456，由Waldvogel等人所提出的名称为“Electrical Circuit Apparatus and Methods for AseemblingSame”(代理人卷号.CM06196G)。

技术领域

本发明通常涉及装配部件至电路板，并且更具体地涉及装配功率器件，比如射频(“RF”)晶体管至电路板。

背景技术

当构造功率方法器时，各种部件必须被装配至电路板或衬底。一个这种部件是功率部件或功率器件，比如功率晶体管，于此也被称作射频(或“RF”)晶体管。当装配包括具有一个或多个输入端和一个或多个输出端的RF晶体管至具有相应的输入和输出信号线的电路板时，必须平衡两个因素，也就是平衡适当电耦合器件到电路板的需要和器件的高热散性的的需要。为了提供功率晶体管的最佳电性能，利用已知的焊料回流工艺，通常装配输入和输出端至电路板的顶侧，并且理想地，晶体管端子连接至的输入和输出信号线尽可能在邻近晶体管主体处接地，因此提供了晶体管至电路的剩余部分的低电感电匹配。此外，在RF晶体管和热沉之间必须建立充分的导热路径，所述热沉典型地被局部焊接至主要围绕RF晶体管的区域中的电路板的底侧。

存在用于装配功率器件，比如RF晶体管至电路板的多个方法，包括利用夹具的混合制造工艺(也就是单通焊料回流工艺)和双通焊料回流工艺。混合制造工艺典型与陶瓷电路板相关，并且可能与充当热沉的载体板相关。由于衬底的易碎性，在工艺过程中大的陶瓷常常需用于它的对准和保护。夹具的使用常常强制了人工工艺。

混合制造工艺的一个缺点是比其它制造方法更昂贵，主要由于工艺中使用夹具的附加成本，并且也由于对于产生较低制造产量的多个人工步骤的需要。另外的缺点是利用夹具的制造产生关于晶体管端子连接至的信号线的接地连接方面的明显变化。

现在转向双通焊料回流工艺。在焊料回流工艺的一通过程中，多个热沉局部耦合至主要围绕在那里将装配功率部件的区域中的电路板的地层。其后，在板上的战略区域中设置焊料，并将多个部件，比如RF晶体管装配至回流焊料工艺的二通中的板上。RF功率晶体管装配在两个区域中装配于电路板上。首先，将RF晶体管的输入和输出端装配至板的顶侧上。其次，将一部分RF晶体管设置于电路板中孔的内部，以使RF晶体管可被耦合至至少一个热沉。在回流工艺的二通过程中，焊接包括RF晶体管的部件至电路板，并且在RF晶体管的情况中至热沉。

双通回流工艺的主要缺点是它需要具有高熔化温度焊料合金的高温回流通路和具有低熔化温度焊料合金的第二后来回流通路。第一通路暴露电路板至高温，其会导致损坏，比如畸变。具有不同焊料温度设定的两个独立通路的需要限制了制造产量。该双通方法也不好赋予自身不含铅焊料，因为需要连接热沉的第一温度不得不超过升高的不含铅焊料回流温度。这是明显的缺点，因为不含铅焊料连接在不远的将来很可能变成关键产物微分器，因为一些市场，特别是欧洲市场走向需要不含铅焊料连接。

因此，存在成本有效的方法和电路设备的需要，其中部件，也就是功率器件，比如RF晶体管可被装配至电路板，而不需要夹具，并且其可以相容单通焊料回流工艺，所述单通焊料回流工艺相容但不局限于不含铅焊料。

附图说明

参照附图，仅通过举例现在描述本发明的优选实施例，其中：

图1描述了依据本发明的实施例的一部分衬底的示意图的顶侧视图；

图2描述了依据本发明的实施例的粘合层的示意图的顶侧视图；

图3描述了依据本发明的实施例的电路设备的分解图，所述电路设备包括热沉、粘合层、衬底和功率器件；

图4描述了依据本发明的实施例的电路设备的装配顶侧视图；

图5描述了在焊料湿润之前在图4中所述的电路设备的截面A-A处的横截面图；

图6描述了在焊料湿润之后在图4中所述的电路设备的截面A-A处的横截面图；

图7描述了在焊料湿润之前在图4中所述的电路设备的截面B-B处的横截面图；

图8描述了在焊料湿润之后在图4中所述的电路设备的截面B-B处的横截面图；

图9描述了依据本发明的一部分实际衬底的顶侧视图；以及

图10描述了在装置总体和回流焊接之后图9的衬底的X-射线图像。

具体实施方式

当本发明对以多种不同形式的实施例敏感时，在附图中示出本发明，并于此详细描述具体实施例，可以理解目前公开的内容不被认为是本发明的原理的例子，并且不试图限制本发明至示出和所述的具体实施例。此外，于此使用的术语和字不被认为限制，而仅仅是说明性的。也可以理解，为了描述的简化和清楚，在附图中示出的部件不必绘画至刻度。例如，一些部件的尺寸被彼此相对地夸大。此外，在附图中重复被考虑合适的参考数字，以表示对应的部件。

本发明包括一种方法和电路设备，其中部件，也就是包括RF晶体管的功率器件可被装配至电路板。该功率器件典型地被装配于电路板的两个区域中，也就是电路板的顶部上和在延伸通过电路板并垂直于电路板的顶部的孔中。

图1描述了依据本发明的实施例的一部分电路板或衬底100的示意图的顶侧视图。在一个实施例中，衬底100是有机电路板，比如印刷电路板(PCB)。然而，本领域的熟练技术人员将理解可以结合其它衬底(例如陶器的)。衬底100包括接地层(未示出)，其可以包括衬底的底部，或可替代地内部存在于衬底的顶部和底部。接地层典型地由铜构成，其可被涂覆或镀多种保护性层(例如有机表面涂层，锡，镍或金)。

衬底100进一步包括装置孔10，延伸通过衬底切出该孔，并且部件可以装配于其中。器件孔10在两个区域中容纳可被装配至衬底100的部件，第一区域通过器件孔，并且第二区域在衬底100的顶侧上。在一个实施例中，器件孔10容纳功率器件，比如RF晶体管或加铅的电阻。为了便于描述，图1仅示出了一个器件孔。然而，本发明的衬底可以结合另外的器件孔，其中器件孔的数量是结合衬底应用的函数。

衬底100也可以包括用于允许部件被装配于衬底100的顶侧上的衬垫20。例如，在具有至少一个输入端和至少一个输出端的RF晶体管被装配至衬底100的情况中，输入端在一个衬垫20处可被耦合至衬底，并且输出端在其它衬垫20处可被耦合至衬底。

衬底100进一步包括延伸通过衬底切出的焊料孔30，以用于在焊料润湿之前容纳焊料添加。焊料润湿被限定为熔化焊料的流动，由于沿着远离焊料添加的初始区域的一个表面或多个表面的表面张力。焊料可以以糊状、小球等形式，并且可以是加铅或不加铅的焊料。焊料孔30的布置、尺寸和量纲是预定的，并有助于引起焊料在预定区域中被湿润，例如在衬底100的热沉和地层之间。图1描述了四个椭圆形的焊料孔30。对于功率晶体管之下的最佳焊料润湿，焊料孔30的布置、安装尺寸是示范性的。然而，本领域的熟练技术人员可以实现，基于被装配的具体部件和为用于焊料湿润的期望区域，在衬底上的其它位置中可以存在多个或少量焊料孔，并且可以具有其它安装尺寸(size anddimension)。

图2描述了依据本发明的实施例的粘合层200的示意图的顶侧视图。粘合层200对应于图1的衬底部分100，并用于机械耦合热沉的至少一部分至衬底100的接地层，以使器件孔10的至少一部分重叠热沉。

粘合层200典型由具有粘性和内聚性特性的柔性材料构成，所述粘性和内聚性特性在回流焊接工艺的高温上是稳定的。该材料典型为非导电的，但也可以是导电材料。在一个实施例中，该材料是柔性、压力敏感的丙烯酸粘合剂。在另一实施例中，可以使用需要硬化工艺(例如升高的温度)的柔性液体或薄膜粘合剂。粘合层200可被制造成具有预定厚度，在下面讨论其用途。粘合层200包括对应于衬底100中器件孔10的器件孔210。器件孔210同样延伸通过粘合层切出来，并如衬底100的器件孔10基本上相同的安装尺寸。粘合层200进一步包括对应于衬底110中焊料孔30的焊料孔230。焊料孔230同样是延伸通过粘合层200切出来，以用于在焊料湿润之前容纳焊料。

焊料孔230的布置、安装尺寸是预定的。并基本上与衬底中焊料孔30的相同，从而使焊料孔30与焊料孔230对准，以及器件孔10与器件孔210对准提供从焊料孔(30、230)至预定区域导引和控制焊料湿润的精确空腔，例如在衬底100的热沉和地层之间。粘合层因此可以从粘合薄膜或粘合涂覆薄膜消失，以用于制造粘合层的期望厚度和形状的可重复性。

图3描述了依据本发明的实施例的电路设备300的分解图。电路设备300包括热沉310、粘合层320、衬底部分330和功率器件340。热沉310由合适的高导热材料构成，例如铜或铝，这允许焊料的湿润和为电路设备装配工艺而选择的材料的连接。热沉310具有两个主要侧面312和314。在侧面312处：利用粘合层320连接衬底部分330；利用焊料连接装置340；并且热被输入进入热沉310，以用于散逸。相对的侧面314是从电路设备300的热析取的主要区域，和用于电路设备300的主要装配表面。在一个实施例中，热沉的尺寸大于热散逸装置(例如功率器件340)的尺寸，从而获得期望的热扩展。

粘合层320依据如通过参照图2所述的粘合层。因此，粘合层320包括器件孔322和焊料孔324。衬底部分330依据如通过参照图1所述的衬底部分。因此，衬底部分330包括器件孔332、焊料孔334和接地层336。衬底330也典型包括在衬底的顶侧上的多个衬垫(未示出)，功率器件340可以耦合于所述衬底之上。在图3中所述的实施例中，接地层336包括衬底330的底侧。然而，可以理解，接地层336对衬底330可以是内部的，其中衬底330将进一步包括用于暴露所述地层的凹槽，该凹槽典型具有稍微大于热沉310的尺寸的尺寸。最后，功率器件340可以包括至少一个输入端342，至少一个输出端344以及接地部分或凸缘346。在一个实施例中，功率器件340是RF晶体管。然而，可以理解，功率器件340也可以是装配于衬底部分330上两个区域中的任何功率器件。

依据本发明如下可以装配电路设备300的上面所述的部件。粘合层320与衬底330对准，从而使器件孔322与器件孔332对准，和焊料孔324与焊料孔334对准。利用粘合层320，热沉310机械耦合至衬底330的接地层336，从而使其与衬底330对准，并且器件孔322和332的至少一部分重叠热沉310。在图3中所述的实施例中，热沉310在完全围绕功率器件340的区域中局部耦合至衬底330，以用于提供最佳导热路径。

焊料被设置于衬底衬垫之上，进入粘合层器件孔322的至少一部分和粘合层焊料孔324的至少一部分中，以用于随后的焊料湿润，从而耦合装置输入和输出端(342、344)至衬垫，耦合装置凸缘346至热沉310，以及产生功率器件340的接地。典型地，丝网印刷焊料糊于衬底衬垫上，并进入粘合层器件孔322和焊料孔324。然而，在其它实施例中，可以采用其它形式的焊料，例如焊料小球或预先形式。进一步可以理解，在焊料添加过程中，焊料也可以被添加至衬底器件孔332和焊料孔334的至少一部分中。实际上，在焊料添加过程中，典型地填满衬底和粘合层焊料孔(324，334)。

功率器件340装配于衬底330的两个顶侧上，并进入衬底器件孔332，以使至少一个输入端342接触衬底330的顶侧上对应衬垫上的焊料；至少一个输入端344接触衬底330的顶侧上对应衬垫上的焊料；并且装置凸缘346接触粘合层器件孔322中的焊料。可以人工做到衬底330和装置340的总体，为了制造工艺过程中的效率和成本有效性，而可以利用自动工艺典型做到。

组装的衬底330可被设置于回流炉中，其后被冷却，其中完成装置端(342，344)和衬垫之间的焊料连接以及凸缘346与热沉310之间的焊料连接，并且来自焊料孔(324，334)的焊料湿气进入接地层336和热沉310之间的空腔，以完成功率器件340的接地。

在一个实施例中，作为自动工艺的一部分可以实施如上所述依据本发明的方法的一部分步骤，并且理想地如此实施全部步骤。然而，可以理解可以人工或作为自动工艺的一部分实施以各种组合的任何上面所述的步骤。

在表面装配技术(SMT)过程中，在回流之前热沉至衬底的机械连接消除了对于为在适当的位置保持热沉的夹具的需要，并在用于电路设备装配的处理的装配工艺过程中增加了强度。在用于热耦合和顶侧SMT连接的单通回流工艺过程中可以实施电路设备的装配，从而很好赋予自身不加铅焊料和加铅焊料的使用。

粘合层焊料孔、衬底地层和可湿润的热沉表面促进回流过程中从焊料孔至临界RF接地的区域焊料的湿润。之上(衬底地层)和之下(热沉)的高表面能表面促进焊料至两个可湿润表面之间的开放空间的湿润。这些表面也提供获得热沉和衬底之间高粘合强度的理想粘结表面。

具有控制厚度的薄膜粘合的使用产生高可重复的分离，导致对于制造工艺该临界尺寸的较低变化。通过允许焊料糊挥发逃逸，对于晶体管的主体通过器件孔产生的自然通风特征进一步促进了最佳焊料填满。对于糊的焊料孔的尺寸和形状也限定了熔化焊料的体积，以填满分离，并容易被控制，以最佳化RF接地。焊料体积的控制和通过器件孔产生的两个高表面能表面的区域的终止以及粘合中的切断的组合限制了熔化焊料至感兴趣区域的流动。得到的地层至热沉焊料连接产生用于信号线的可重复的RF接地路径，RF晶体管的端子连接至所述信号线，其中接地路径在该装置的主体附近，以用于最佳的电性能。

由于利用低刚性粘合实现至热沉至衬底的连接的体积，去耦热沉和衬底的上部上匹配部件(例如陶瓷部件，比如RF匹配电容器，其具有比热沉低得多的热膨胀系数)之间的热膨胀差，因此提高了部件和对应的焊料接头的可靠性。此外，器件孔允许功率器件的接地凸缘和热沉之间好的导热路径。

为了简化，图3描述了利用依据本发明在上面所述的方法具有装配于其上的部件的一部分衬底。然而，本领域的熟练技术人员可以理解，衬底典型地具有装配于其上的多个部件，并包括功率部件和其它部件。本领域的熟练技术人员可以进一步理解，尽管图3描述了被局部耦合至仅在一个功率器件340之下的衬底330的热沉310，热沉310典型地局部耦合于多个功率器件之下，以用于制造方面的效率，并最小化制造成本。此外，图3仅示出了被耦合至衬底330的一个热沉310。然而可以理解，多个热沉可被耦合至衬底。

图4描述了在焊料糊网筛和装置总体之后，但在焊料湿润之前，依据在图3中所述的电路设备，电路设备400的装配顶侧视图。图4中的所述是已经被装配于衬底414之上的功率器件410的顶侧，其中至少一个装置输入端420和至少一个装置输出端430的顶侧已经与衬底414的顶侧上输入和输出衬垫(未示出)上的焊料接触。也描述的是利用已知的方法已经填满焊料的四个焊料孔440，通过参照图5-8详细讨论描述了电路设备400的不同横截区域的标记A-A的横截线和标记B-B的横截线。

图5描述了在焊料湿润之前在图4中所述的电路设备400的截面A-A处的横截面图。该横截面图描述了具有经由焊料层520耦合至衬底524上衬垫522的至少一个输入端514和至少一个输出端516的功率器件510。功率器件510的至少一部分装配通过电路设备400，以使装置510的接地凸缘经由焊料层536耦合至热沉。进一步的所述是经由粘合层540机械耦合至热沉550的衬底524的接地层528，其中粘合层540产生地层528和热沉550之间精确的空腔544。

图6描述了在焊料湿润之后在图4中所述的电路设备400的截面A-A处的横截面图。在图6中对应相同地标记等同于在图5中所述的部件的那些部件，并且为了简洁，不再这里进行描述。然而图6进一步描述了衬底524的接地层528和热沉550之间区域中空腔544中的焊料湿润610，以用于接地输入和输出端(514，516)连接至的衬底的输入和输出信号线(未示出)，邻近功率器件510的主体。

图7描述了在焊料湿润之前在图4中所述的电路设备400的截面B-B处的横截面图。该横截面图描述了功率器件710，其中功率器件710的至少一部分装配通过电路设备400，以使装置710的接地凸缘经由焊料层736耦合至热沉750。描述的衬底具有经由粘合层机械耦合至热沉750的接地层728，其中粘合层740产生接地层728和热沉750之间精确的空腔744。进一步的所述是利用已知方法已被设置进入焊料孔746的焊料760。

图8描述了在焊料湿润之后在图4中所述的电路设备400的截面B-B处的横截面图。在图8中对应相同地标记等同于在图7中所述的部件的那些部件，并且为了简洁，不再这里进行描述。图8进一步描述了从焊料孔746进入衬底724的地层728和热沉750之间区域中的空腔744的焊料740的焊料湿润，邻近功率器件710的主体。

图9描述了例如在焊料糊网筛之前和通过功率器件的总体之前，依据本发明的一部分实际衬底900的顶侧视图。在图9中描述了多个输入衬垫910和输出衬垫920。也描述了器件孔930和焊料孔940。

图10描述了在装置总体和回流焊接之后衬底900的X-射线图像。该图描述了在耦合至衬底900的热沉上各个区域处的焊料连接。该X-射线图像清楚地示出焊料从焊料孔1040如何被湿润，以产生衬底900的地层和输入端1010之下区域中的热沉以及功率器件1030的输出端1020之间理想的焊料连接1000，其中焊料连接1000邻近功率器件1030的主体。此外，可以看出装置凸缘和热沉之间好的焊料连接1050。

利用本发明的方法和电路设备可以实现超过现有技术的多个示范性优点，其中功率器件可被装配至电路板。这些优点包括，但不局限于此：(1)两个平面或区域(也就是在输入和输出端处和在接地凸缘处)中功率器件的可重复的焊料连接；(2)通过接地凸缘，从功率器件的底部至直接在之下的热沉好的热路径；(3)电路板的接地层至热沉的可重复的焊料连接，焊料连接在输入和输出端之下，并且尽可能地接近于功率器件的主体；(4)热沉至电路板的连接，以增加刚性至用于处理的装配和随后的模型装配；(5)消除对于一个步骤或单通回流焊接工艺中夹具的需要，所述一个步骤或单通回流焊接工艺赋予自身不加铅焊料和加铅焊料；以及(6)在其它部件至电路板的SMT连接过程中可以实现装配，而不需要额外的工艺步骤。

当结合其具体实施例已经描述了本发明时，对本领域的熟练技术人员容易出现其它的优点和修改。因此本发明，在它的较宽的方面中不局限于示出和所述的具体细节，典型的设备，以及说明性的例子。考虑到前面的说明，各种替代、修改和变形对本领域的熟练技术人员是明显的。因此，可以理解，不通过前面的说明限制本发明，而是包含依据本附加权利要求的精神和范围的全部这种替代、修改和变形。

Claims (10)

1.一种电路设备，其包括：

衬底，包括接地层，至少一个器件孔和至少一个焊料孔；

热沉；以及

粘合层，用于机械耦合所述热沉至所述衬底的接地层，以使衬底器件孔的至少一部分重叠所述热沉，所述粘合层包括至少一个器件孔和至少一个焊料孔，其中对准至少一个衬底焊料孔与至少一个粘合层焊料孔，并对准至少一个衬底器件孔与至少一个粘合层器件孔，使得所述热沉和所述衬底的接地层之间的预定区域中的焊料湿润。

2.如权利要求1的设备，进一步包括耦合至所述热沉的装置，其中在衬底器件孔中定位所述装置的至少一部分。

3.如权利要求2的设备，其中所述装置是包括至少一个输入端和至少一个输出端的功率器件，以及所述预定区域的至少一部分位于所述功率器件之下。

4.如权利要求2的设备，其中所述装置耦合至所述热沉，并在单通焊料回流工艺过程中出现所述焊料湿润，其中焊料回流工艺利用不加铅焊料或加铅焊料的一个。

5.一种电路设备，其包括：

衬底，包括接地层，至少一个器件孔和至少一个焊料孔；

热沉；以及

粘合层，用于机械耦合所述热沉至所述衬底的接地层，以使所述衬底器件孔的至少一部分重叠所述热沉，所述粘合层包括至少一个器件孔和至少一个焊料孔；以及

耦合至所述热沉的装置，其中在衬底器件孔中定位所述装置的至少一部分，并且其中对准至少一个衬底焊料孔与至少一个粘合层焊料孔，并对准至少一个衬底器件孔与至少一个粘合层器件孔，使得所述热沉和所述衬底的接地层之间的预定区域中的焊料湿润，并且其中所述预定区域的至少一部分位于所述装置之下。

6.一种电路设备，其包括：

有机电路板，包括接地层，至少一个器件孔和至少一个焊料孔；

热沉；

粘合层，用于机械耦合所述热沉至所述有机电路板的接地层，以使有机电路板器件孔的至少一部分重叠所述热沉，所述粘合层包括预定厚度的非导电材料并进一部包括至少一个器件孔和至少一个焊料孔；以及

功率晶体管，包括至少一个输入端和至少一个输出端，并耦合至所述热沉，其中在有机电路板器件孔中定位至少所述功率晶体管的一部分，并且其中对准至少一个有机电路板焊料孔与至少一个粘合层焊料孔，并对准至少一个有机电路板器件孔与至少一个粘合层器件孔，使得所述热沉和所述有机电路板的接地层之间的预定区域中的焊料湿润，并且其中所述预定区域的第一部分位于所述至少一个输入端之下，并且所述预定区域的第二部分位于所述功率晶体管的所述至少一个输出端之下。

7.一种用于装配电路设备的方法，所述电路设备包括衬底，热沉，以及粘合层，所述衬底具有接地层、至少一个器件孔和至少一个焊料孔，所述粘合层具有至少一个器件孔和至少一个焊料孔，所述方法包括以下步骤：

a)对准至少一个衬底焊料孔与至少一个粘合层焊料孔，并对准至少一个衬底器件孔与至少一个粘合层器件孔；

b)利用所述粘合层，机械耦合所述热沉至所述衬底的接地层，以使衬底器件孔的至少一部分重叠所述热沉；

c)以焊料填满至少一部分所述至少一个粘合层焊料孔和所述粘合层器件孔的至少一部分；以及

d)执行用于焊料湿润的工艺，其中至少一个衬底焊料孔与至少一个粘合层焊料孔的对准以及至少一个衬底器件孔与至少一个粘合层器件孔的对准引起所述焊料从所述焊料孔流至所述热沉和所述衬底的接地层之间预定区域。

8.如权利要求7的方法，其中电路设备进一步包括一个装置，并且其中所述方法进一步包括步骤c)之后的步骤：装配所述装置进入所述衬底，以使所述装置的至少一部分位于衬底器件孔中，并使所述装置耦合至所述热沉。

9.如权利要求8的方法，其中所述装置耦合至所述热沉，并在单通回流工艺过程中出现所述焊料湿润，其中所述焊料回流工艺利用不加铅焊料或加铅焊料的一个。

10.如权利要求7的方法，其中以人工和部分自动工艺中的至少一个来执行所述方法的至少一部分步骤。

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