CN101636038B - 具有增强机械强度的印刷电路板球栅阵列系统 - Google Patents

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Abstract

具有增强机械强度的印刷电路板球栅阵列系统。在一个实施例中，PCB BGA系统包括：PCB；形成在PCB上的PCB BGA焊盘；电镀的通孔通路，其至少部分地穿过PCB布置成邻近PCB BGA焊盘；以及布置在PCB上的焊接掩模。焊接掩模包括：(i)BGA焊盘开口，通过该开口暴露PCB BGA；以及(ii)通路开口，通过该开口暴露电镀的通孔通路的中心部分。通路开口的内径小于电镀的通孔通路的外径。

Description

具有增强机械强度的印刷电路板球栅阵列系统
技术领域
本发明大体上涉及印刷电路板(PCB)表面安装系统，更具体地，涉及具有增强机械强度的高密度PCB球栅阵列系统，其非常适合用在高振动环境中。
背景技术
球栅阵列(BGA)是一种相对新型的表面安装封装，其中，使用焊球矩阵来提供至少一个电子元件和主印刷电路板(PCB)之间的机械连接和电连接。可通过首先将焊膏沉积在从形成于主PCB的安装表面上的一个点阵BGA焊盘中选定的BGA焊盘上，来形成典型的BGA-PCB界面。然后，将具有形成于其上的对应点阵BGA焊盘的电子元件放置在PCB上。电子元件放置成使得每个焊球位于电子元件的BGA焊盘和PCB的BGA焊盘之间并接触电子元件的BGA焊盘和PCB的焊盘。随后进行回流处理，即组件被加热(例如，通过红外加热器)，而电子元件以可控方式被推向PCB(例如，通过机器人)。当接近熔点时，每个焊球变形并粘附到设置在PCB焊盘上的结合面上。从而，BGA中的每个焊球在主PCB和电子元件之间形成机械连接和电连接。
对减小电子元件尺寸和重量的持续需求导致了高密度BGA的发展(通常也称为“微间距BGA”)。在这种高密度BGA中，设置在PCB上的每个BGA焊盘的外径都减小了。这种PCB BGA焊盘尺寸的减小允许减小焊盘和其它位于PCB上的导电构件(例如，电镀的通孔通路)之间的间距；但是，这种PCB BGA焊盘尺寸的减小也会导致每个BGA焊盘的结合面面积的相应减小，因此，导致BGA-PCB界面的整体机械强度的降低。在很多应用中，这种机械强度的降低是可接受的，不会负面影响BGA-PCB界面的可靠性。但是，这种机械强度的降低可使BGA-PCB界面在某些惯常地遭受机械应力源(例如，大的振动力)的应用中的使用不尽如人意，诸如在电动车或混合动力车的逆变器组件中的部署。
至少引入了两种主要的方法来提高高密度BGA中BGA-PCB界面的机械强度。在第一种方法中，将焊球和BGA下方之间的空间填上粘接剂，例如环氧胶。环氧胶通过将每个焊球结合到周围的PCB元件(例如，PCB BGA焊盘、焊接掩模等)上而显著地提高了BGA-PCB界面的强度。但是，在下方填充环氧胶也给制造过程增加了所不期望的成本和复杂度。此外，由于环氧胶和BGA封装之间不同的热膨胀系数，在装置运行期间可能会发展出裂纹或断裂。
也可以通过将电镀的通孔通路移动到一些或全部PCB BGA焊盘中使得通路不再位于电路板上的BGA焊盘之间，来提高BGA-PCB界面的强度。这种“通路在焊盘中”的方法允许每个BGA焊盘的外径、从而其结合面的面积得以增加，由此提高了BGA-PCB界面的整体机械强度。然而，这种“通路在焊盘中”的方法也增加了焊料在装置处理期间流进通路通孔中的可能性。虽然可以用环氧胶堵塞通路通孔以防止这样的焊料流进，但是堵塞通路通孔的过程给制造过程增加了相当大的成本和复杂度。
因此，应该理解，希望提供一种能达到相对高的机械强度的高密度PCB BGA系统。优选地，这样的PCB BGA系统的实施例应是可靠的并且生产起来也是相对廉价的。也希望这样的PCB BGA系统的实施例能提供通过BGA-PCB界面的有效热消散。从后续的具体实施方式和所附权利要求中，并结合附图以及前文的技术领域和背景技术，其它所希望的本发明的特征和特性将变得显而易见。
发明内容
提供了一种印刷电路板(PCB)球栅阵列(BGA)系统。在一个实施例中，PCB BGA系统包括：PCB；形成在PCB上的PCB BGA焊盘；电镀的通孔通路，其至少部分地穿过PCB布置成邻近PCB BGA焊盘；以及布置在PCB上的焊接掩模。焊接掩模包括：(i)BGA焊盘开口，通过该开口暴露PCBBGA；以及(ii)通路开口，通过该开口暴露电镀的通孔通路的中心部分。通路开口的内径小于电镀的通孔通路的外径。
附图说明
下面将结合附图描述本发明，其中相似的标号表示相似的构件：
图1是根据现有技术教导的具有安装于其上的电子元件的印刷电路板(PCB)球栅阵列(BGA)系统的侧视截面图；
图2是图1所示PCB BGA系统的俯视图，为清楚起见，焊球被去除了；
图3是根据一个示例性实施例的具有安装于其上的电子元件的印刷电路板(PCB)球栅阵列(BGA)系统的侧视截面图；以及
图4是图3所示示例性PCB BGA系统的俯视图，为清楚起见，焊球被去除了。
具体实施方式
下面的具体实施方式实质上仅为示例性的，并非意在限制本发明或本发明的应用和使用。此外，也无意受到介绍在前文的技术领域、背景技术、发明内容或下文的具体实施方式部分中的明示或暗示的理论的限制。
图1是根据现有技术教导的具有安装于其上的电子元件22的印刷电路板(PCB)球栅阵列(BGA)系统20的侧视截面图。图1中仅仅示出了PCB BGA系统20的一小部分和电子元件22的一小部分，这对本领域技术人员而言是很显然的。PCB BGA系统20和电子元件22的示出部分通常重复几百次以形成完整的BGA-PCB界面。因此，PCB BGA系统20和电子元件22的示出部分大致代表整个BGA-PCB界面并足以用于后续描述的目的。
如图1所示，PCB BGA系统20包括PCB24，PCB24包含PCB基板26(例如，基本平的塑料板或纤维玻璃板)，在该基板上可安装一个或多个电子元件。虽然为清楚起见图1示出的是单一块，但PCB基板26将通常包括多个制版层(patterned layer)。BGA焊盘28形成在PCB基板26的上表面上，电镀的通孔通路30穿过PCB基板26而形成，邻近BGA焊盘28。电镀的通孔通路30包括导电外箔32(例如，铜)和电镀的主体33(例如，铜)，其限定了穿过通路30中心部分的纵向通道34。BGA焊盘28电连接于电镀的通孔通路30，电镀的通孔通路30转而电连接于形成在PCB基板26的各层上的导电部件(例如，铜线)。如果需要，可在电镀的通孔通路30和BGA焊盘28的外表面上布置外镀层35(例如，锡或锡-铅)，以防止通路30和焊盘28的腐蚀。
绝缘焊接掩模36(例如，液态感光焊接掩模)形成在PCB基板26上。焊接掩模36的所示部分包括两个贯穿其的开口，即，BGA焊盘开口38和通路开口40。BGA焊盘开口38使BGA焊盘28通过焊接掩模36而暴露，以允许焊盘28的焊接，如下文更详细描述的。类似地，通路开口40使电镀的通孔通路30通过焊接掩模36而暴露。这基本上防止了来自焊接掩模36的材料在装置处理期间流进纵向通道34中。
如上所述，可表面安装的电子元件22安装在PCB BGA系统20上。电子元件22，除了其它未示出的构件外包括BGA基板42，基板42具有形成于其上的BGA焊盘44。为清楚起见，BGA焊盘44在本文中可称为“元件BGA焊盘”，而BGA焊盘28在本文中可称为“PCB BGA焊盘”。特别地，PCBBGA焊盘28的外径小于元件BGA焊盘44的外径。焊球46位于元件BGA焊盘44和PCB BGA焊盘28之间。图1中示出的焊球46处于回流状态。即，示出的是在加热以及在PCB BGA焊盘28和元件BGA焊盘44之间压缩后的焊球46。在以这种方式回流之后，焊球46粘附在PCB BGA焊盘28和元件BGA焊盘44的结合面上，以提供电子元件22和PCB24之间的机械连接和电连接。
图2是PCB BGA系统20的俯视图，为清楚起见，焊球46被去除了。在这个视图中可以看到，PCB BGA焊盘28、BGA焊盘开口38、电镀的通孔通路30和通路开口40，它们每个都具有基本圆形的俯视形状。PCB BGA焊盘28的外径小于BGA焊盘开口38的内径(在图2中分别由箭头48和50表示)。从而，在PCB BGA焊盘28的外周壁和BGA焊盘开口38的内周壁之间提供了基本环形的周向间隙51。举例来说，PCB BGA焊盘28的外径可为大约0.50mm，BGA焊盘开口38的内径可为大约0.55mm至0.59mm，周向间隙51的径向宽度可为大约0.025mm至0.045mm。
如图2所示，电镀的通孔通路30的外径小于通路开口40的内径(在图2中分别由箭头52和54表示)。从而，在电镀的通孔通路30的外周壁和通路开口40的内周壁之间提供了基本环形的第二周向间隙55。电镀的通孔通路30的外径可为，例如，大约0.51mm；通路开口40的内径可为，例如，大约0.55mm至0.59mm；周向间隙55的径向宽度可为，例如，大约0.02mm至0.04mm。
同时参照图1和图2，焊接掩模36用作焊料坝，其在回流过程期间基本上保持住焊球46。特别地，焊接掩模36将焊球46基本上保持在大致由BGA焊盘开口38的内周侧壁所限定的空间中。如可从图1最易理解的，设置在PCB BGA焊盘28周围的周向间隙51的宽度、焊球46的体积、以及其它这样的参数大体上防止了焊球46进入到设置在PCB BGA焊盘28周围的周向间隙中。【0020】为了允许PCB BGA系统20的尺寸得以最小化，可减小PCB BGA焊盘28的外径；例如，如上所述，焊盘28可具有大约0.50mm的外径。尽管允许了PCB BGA系统20的外廓最小化，但PCB BGA焊盘28尺寸的减小也会降低形成在PCB BGA焊盘28和元件BGA焊盘44之间的焊接接合点的机械强度，从而也降低PCB-BGA界面的整体机械强度。结果导致PCB BGA系统20可能不适合用在以巨大机械应力源例如大的振动力为特征的应用中。为了解决这个问题，现在将结合图3和图4描述一个示例性PCB BGA系统，该系统提供具有显著改善机械强度的高密度PCB-BGA界面。
图3是根据本发明的一个示例性实施例的印刷电路板(PCB)球栅阵列(BGA)系统60的一部分的侧视截面图。PCB BGA系统60在几个方面类似于图1和图2所示的PCB BGA系统20。例如，PCB BGA系统60包括PCB62，PCB62包含多层PCB基板64(例如，大致平的塑料板或纤维玻璃板)。BGA焊盘66(本文中称为“PCB BGA焊盘”)形成在PCB基板64的上表面上。PCB BGA焊盘66可由例如光刻制版铜(photolithographic patterningcopper)形成，以形成焊盘和随后的金属镀层(例如，镍/金、银、锡/铅或锡)。电镀的通孔通路68电连接于PCB BGA焊盘66并部分地或整个地形成为贯穿PCB基板64。如前述情况一样，电镀的通孔通路68可包括导电外箔70(例如，铜)和电镀的主体33(例如，具有镍/金、银、锡或锡覆层(finish)的铜)，其限定了穿过通路68中心部分的纵向通道74。也可以在电镀的通孔通路68和BGA焊盘66的外表面上布置外镀层75(例如，锡或锡-铅)以防止它们的腐蚀。作为非限制性实例，外镀层75可包括锡或锡-铅覆层。
绝缘焊接掩模76形成在PCB基板64的所示层上。作为非限制性实例，焊接掩模76可包括在PCB基板64的上表面上的绝缘膜(例如，液态感光膜或干膜)。焊接掩模76的示出部分形成为包括两个贯穿其的开口，即，BGA焊盘开口78和通路开口80，通过BGA焊盘开口78，PCB BGA焊盘66整个暴露，而通过通路开口80，电镀的通孔通路68部分暴露。此时应该注意，通路开口80形成为使得焊接掩模76侵占但不完全覆盖电镀的通孔通路68的上表面，如将在下文更详细讨论的。
PCB BGA系统60还包括焊球82，其在图3中示出为处于回流状态。焊球82提供PCB62和可表面安装的电子元件84例如逆变器处理器之间的机械连接和电连接。更具体地，电子元件84包括BGA基板88，在该基板上形成有元件BGA焊盘86。在其回流状态，焊球82在PCB BGA焊盘66和元件BGA焊盘86之间变形并粘附于它们。在回流过程中，焊接掩模76将焊球82基本上保持住，并且也可以将焊料引向设置在PCB BGA焊盘66周围的大致环形的缺口或间隙中(即，下文描述的间隙95)。焊接掩模76的分离部分90用作焊料坝以防止焊球82流到相邻的通路上并随后向下流到其电镀的通孔中。
图4是PCB BGA系统60的俯视图，为清楚起见，焊球82被去除了。在所示示例性实施例中，PCB BGA焊盘66和BGA焊盘开口基本上同心并且都具有大致圆形的俯视形状。PCB BGA焊盘66的外径小于BGA焊盘开口78的内径(在图4中分别由箭头92和94表示)。从而，在PCB BGA焊盘66的外周壁和BGA焊盘开口78的内周壁之间提供了基本环形的周向间隙95。在一个优选实施例中，BGA焊盘66的外径为大约0.625mm至大约0.65mm，BGA焊盘开口78的内径为大约0.72mm至大约0.76mm，周向间隙95的径向宽度为大约0.035mm至大约0.0675mm(即，BGA焊盘开口78的内径比BGA焊盘66的外径大大约0.07mm至大约0.135mm)。在一个更有选的实施例中，BGA焊盘66的外径为大约0.64mm，BGA焊盘开口78的内径为大约0.73mm至大约0.74mm，周向间隙95的径向宽度为大约0.045mm至大约0.05mm。
如在图4中最清楚地示出的，电镀的通孔通路68的外径大于通路开口80的内径(在图4中由箭头96表示)。从而，与PCB BGA系统20(图1和图2)相反的是，在电镀的通孔通路76的外周壁和通路开口80的内周壁之间没有提供周向间隙。而是由焊接掩模76侵占但不完全覆盖电镀的通孔通路68的上表面。更具体地，焊接掩模76覆盖电镀的通孔通路68的上表面的外围部分，而让通路68的中心部分暴露，其中贯穿通路68的中心部分形成有纵向通道74。这样的“部分遮盖(partial tenting)”大体上防止了焊接掩模76落入通路68的纵向通道74中。
仍然参照图3和图4所示的示例性实施例，通路开口80可形成为具有基本圆形的俯视形状并可与电镀的通孔通路68同心。在一个优选实施例中，电镀的通孔通路68的外径可为大约0.50mm至大约0.52mm，通路开口80的内径为大约0.41mm和大约0.45mm。从而，焊接掩模76可包括基本环形的重叠区98，它的径向宽度为大约0.025mm至大约0.055mm。换句话说，焊接掩模76可越过通孔通路68的外周边侵占大约0.025mm至大约0.055mm(即，通路68的外径比通路开口80的内径大大约0.05mm至大约0.11mm)。在一个更有选的实施例中，电镀的通孔通路的外径可为大约0.51mm，通路开口80的内径可为大约0.40mm至大约0.41mm。
焊接掩模76的分离部分90优选地形成为具有足够的宽度以作为坝来防止焊料流到相邻的焊盘上。通过比较图3和图1可以理解，焊接掩模76的分离部分90可具有基本上等于焊接掩模36的分离部分56的宽度。此外，PCB BGA焊盘66和电镀的通孔通路68的中心线之间的距离可基本上等于焊盘28(图1)和通路30(图1)的中心线之间的距离。但是，相对于PCB BGA系统20(图1和图2)，焊接掩模76的分离部分90更接近于电镀的通孔通路68的中心线。另外，相对于PCB BGA系统20(图1和图2)，PCB BGA焊盘66的外径和设置在PCB BGA焊盘66周围的周向间隙95的宽度(在图4中标出)增加了。例如，PCB BGA焊盘66的外径可形成为具有比元件BGA焊盘86更大的外径；例如，如上所述，PCB BGA焊盘66的外径可为大约0.625mm至大约0.65mm。PCB BGA焊盘66外径的增大增加了焊盘66的主结合面的面积。结果，形成在焊球82和PCB BGA焊盘66之间的焊接接合点的机械强度提高了，从而提高了BGA-PCB界面的整体强度。此外，PCB BGA焊盘66外径的增大提供了更有效的热路径，用于从电子元件84向PCB62进行传导性热消散。
除了增加BGA焊盘结合面面积之外，PCB BGA系统60还以另一种方式提高了BGA-PCB界面的机械强度，即，通过使焊球82流入设置在PCB BGA焊盘66周围的周向间隙并周向地粘附于BGA焊盘66。这是通过增大设置在PCB BGA焊盘66周围的周向间隙95(在图4中标出)的宽度而在通路68和焊盘66的暴露部分之间保持适当的焊料坝宽度来实现。如上所述，周向间隙的径向宽度可为，例如，大约0.035mm至大约0.0675mm。此外，焊球82的体积可增大。在一个优选实施例中，焊球82的体积和周向间隙95的尺寸使得，在其回流状态下，焊球82填充周向间隙95的大部分，并可能基本上填充整个周向间隙95。在这种情况下，焊球82可基本上包围或环绕BGA焊盘66。如图3所示，焊球82也可接触PCB基板64的上表面。通过以这种方式使焊球82周向地接合PCB BGA焊盘66，显著地提高了BGA-PCB界面的机械强度和导热性。
因此，应该理解，已经提供了一种具有增强机械强度的高密度PCB BGA系统的示例性实施例。上述PCB BGA系统的实施例是相对耐久的、制造廉价的，并提供了通过BGA-PCB界面的有效的热消散路径。尽管在前文的具体实施方式部分已经介绍了至少一个示例性实施例，但应该理解，存在很多变型。还应该理解，示例性实施例仅为例子，并非意在以任何方式限制本发明的范围、应用性或构造。相反，前文的具体实施方式将为本领域技术人员提供实施示例性实施例的便捷的路线图。应该理解，可对各构件的功能和布置做出各种变化，而不偏离如在所附权利要求及其法律等同物中所阐述的本发明的范围。

Claims (20)

1.一种印刷电路板(PCB)球栅阵列(BGA)系统，包括：
PCB；
形成在PCB上的PCB BGA焊盘；
电镀的通孔通路，其至少部分地穿过PCB布置成邻近PCB BGA焊盘；以及
布置在PCB上的焊接掩模，焊接掩模包括：
BGA焊盘开口，通过该开口暴露PCB BGA；以及
通路开口，通过该开口暴露电镀的通孔通路的中心部分，通路开口的内径小于电镀的通孔通路的外径。
2.权利要求1的PCB BGA系统，其中，通路开口的内径为0.41毫米至0.45毫米。
3.权利要求2的PCB BGA系统，其中，BGA焊盘开口的内径比PCB BGA焊盘的外径大0.07毫米至0.135毫米。
4.权利要求1的PCB BGA系统，其中，电镀的通孔通路的外径比通路开口的内径大0.05毫米至0.11毫米。
5.权利要求1的PCB BGA系统，其中，BGA焊盘开口与PCB BGA焊盘同心。
6.权利要求5的PCB BGA系统，其中，通路开口与电镀的通孔通路同心。
7.权利要求6的PCB BGA系统，其中，BGA焊盘开口和通路开口每个都具有圆形的俯视形状。
8.权利要求1的PCB BGA系统，还包括布置在PCB BGA焊盘上并周向地粘附于PCB BGA焊盘的回流焊球。
9.权利要求8的PCB BGA系统，其中，回流焊球包围着PCB BGA焊盘。
10.权利要求1的PCB BGA系统，还包括布置在电镀的通孔通路上的镀层，镀层包括锡和铅中的至少一种。
11.一种印刷电路板(PCB)球栅阵列(BGA)系统，包括：
PCB；
形成在PCB上的PCB BGA焊盘；
电镀的通孔通路，其至少部分地穿过PCB布置成邻近PCB BGA焊盘；以及
布置在PCB上的焊接掩模，焊接掩模侵占电镀的通孔通路使得：(i)电镀的通孔通路的上表面的外围部分被焊接掩模覆盖，以及(ii)电镀的通孔通路的上表面的中心部分通过焊接掩模暴露。
12.权利要求11的PCB BGA系统，其中，焊接掩模越过电镀的通孔通路的外周边侵占0.025毫米至0.055毫米。
13.权利要求11的PCB BGA系统，其中，焊接掩模具有穿过其的BGA焊盘开口，PCB BGA焊盘位于BGA焊盘开口中并偏离BGA焊盘开口一周向间隙。
14.权利要求13的PCB BGA系统，其中，周向间隙的径向宽度为0.045毫米至0.05毫米。
15.权利要求14的PCB BGA系统，还包括接触PCB BGA焊盘并至少部分地位于周向间隙中的回流焊接球。
16.权利要求15的PCB BGA系统，其中，回流焊接球填充周向间隙的大部分。
17.权利要求13的PCB BGA系统，其中，BGA焊盘开口与PCB BGA焊盘同心。
18.一种与电子元件结合使用的印刷电路板(PCB)球栅阵列(BGA)系统，电子元件在其上包括元件BGA焊盘，该PCB BGA系统包括：
PCB；
PCB BGA焊盘，其布置在PCB上并具有比元件BGA焊盘的外径更大的外径；
电镀的通孔通路，其至少部分地穿过PCB布置成邻近PCB BGA焊盘；
布置在PCB上的焊接掩模；
BGA焊盘开口，其穿过焊接掩模形成，并使PCB BGA焊盘暴露，BGA焊盘开口具有比PCB BGA焊盘的外径更大的内径；
通路开口，其穿过焊接掩模形成，并使电镀的通孔通路部分暴露，通路开口具有比电镀的通孔通路的外径更小的内径；以及
回流焊球，其与PCB BGA焊盘和元件BGA焊盘配合以形成焊接接合点，回流焊球周向地接合PCB BGA焊盘。
19.权利要求18的PCB BGA系统，其中，BGA焊盘开口的内径比PCBBGA焊盘的外径大0.07毫米至0.135毫米。
20.权利要求19的PCB BGA系统，其中，通路开口的内径比电镀的通孔通路的外径小0.05毫米至0.11毫米。
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