CN102281715A - 板加强结构、板组件、以及电子装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及板加强结构、板组件、以及电子装置。公开了一种板加强结构，该板加强结构用于加强将电子部件安装在第一表面上的电路板，所述电子部件具有设置在所述第一表面上的矩形区域中的电极。所述板加强结构包括：加强部件，该加强部件接合至所述电路板的第二表面上的、与所述矩形区域的四角的角部相对应的位置，所述第二表面设置在与所述电路板的所述第一表面相反一侧上。在所述板加强结构中，在与所述矩形区域的所述四角的角部相对应的位置处形成对应缺口，并且所述缺口形成所述加强部件的、朝向外侧的至少两个顶点，以形成所述板加强结构的轮廓。

Description

板加强结构、板组件、以及电子装置
技术领域
在此公开的实施方式涉及用于加强其上安装有电子部件的板的板加强结构。
背景技术
一般来说，电子装置并入有其上安装诸如半导体器件的电子部件的电路板。随着近来在电子装置最小化方面的进展，并入到电子装置中的电路板已经通过高密度安装而最小化，并且安装在该电路板上的诸如半导体器件的电子部件也已经最小化。因此，用于在电路板上安装电子部件的安装结构也已经最小化。
作为用于在电路板上安装半导体器件的接合部件，通常使用焊料块。利用焊料块的焊料接合提供了电连接并将半导体器件以机械方式固定至电路板。在如上所述最小化安装结构并且使焊料块变小的情况下，也使焊料接合件变小。因此，焊料块接合件容易因热应力和外力而变形和受损，其导致倾向于出现差连接。
这里，参照图1A和1B，对在将外力施加至作为安装结构的焊料块接合件时焊料块的变形进行描述。图1A例示了其中通过焊料块2将半导体器件的电极焊盘1接合至电路板3的连接焊盘4的安装结构。在焊料回流时使焊料块2熔化并凝固，使得形成与电极焊盘1和连接焊盘4紧密接触的焊料接合件2a。图1A例示了其中未向焊料块2施加外力并且该焊料块2未变形的状态。
当如图1A所示向电路板3的一部分施加外力时，该电路板3按这样的方式变形，即，与该外力所施加到的地方相对应的一部分升高，同时焊料块2也如图1B所示变形。因为外力所施加至的该部分远离焊料块2的中心，所以应力过度施加至焊料接合件2a的靠近外力所施加的部分一侧的端部。当停止施加外力时，该应力也不再施加。结果，焊料块2变得解除其变形状态，并且恢复其如图1A所示初始状态。
如果将这种外力反复地施加至电路板3，则该应力反复地过度施加在焊料接合件2a与连接焊盘4之间，这进而又可能分离焊料接合件2a的所述端部与连接焊盘4。而且，如果焊料接合件2a的所述端部的分离传动到焊料接合件2a和连接焊盘4中，则焊料接合件2a与连接焊盘4之间的电连接丧失，其导致出现差的连接。
鉴于上述问题，已经采用了一种在已安装的半导体器件与电路板之间填充孔型(underfill)材料以加强焊料接合件的方法。换句话说，将由环氧树脂等形成的孔型(underfill)材料填充在焊料接合件周围，以在它们的外周加强，并且通过孔型材料将半导体器件的底表面和电路板的前表面接合在一起，以使机械地固定。由此，改进焊料接合件的抗压性和长期可靠性。
同时，随着近来特别是在诸如移动计算机(包括笔记本计算机)和移动电话的电子装置的最小化和功能能力方面的发展，施加至电子装置的外壳的压力容易传动至它们的内部电路板和安装结构。因此，为了进一步改进焊料接合件的抗压性和长期可靠性，使用具有增加的接合强度和更高杨氏模量的孔型材料。然而，如果孔型材料的接合强度增加，则其变得难于从电路板去除由孔型材料固定的半导体器件。
例如，如果在将半导体器件安装在电路板之后该半导体器件中出现故障，则不能从电路板中仅去除和替换出现故障的半导体器件。因此，必须整体替换昂贵的电路板，其导致电路板的损坏成本增加。另外，不能仅检查假定具有故障的半导体器件的功能而分析该故障的原因。因此，不能确定故障的原因，其进而增加了不良率。
在小型便携式电子装置中，电路板特别是容易因外力而变形。因此，因电路板的变形而造成的应力很可能传动至半导体器件的安装结构。鉴于这个问题，已经提出了加强电路板来防止该电路板容易变形，以使改进焊料接合件等的安装结构的抗压性和长期可靠性。换句话说，已经提出了通过焊料在其上安装了半导体器件的电路板的后侧接合翘曲减小部件，来加强与安装在电路板上的半导体器件相对应的部分(例如，参见专利文献1)。
而且，已经提出了在半导体器件中并入加强部件来防止该半导体器件容易变形，以加强具有半导体器件的电路板和安装结构本身(例如，参见专利文献2到4)。而且，已经提出了在半导体器件的外周处的角部(corner part)中形成缺口来减小因热应力差异而造成的翘曲(例如，参见专利文献5)。
专利文献1：日本特开专利公报2007-88293
专利文献2：日本特开专利公报11-40687
专利文献3：日本特开专利公报02-079450
专利文献4：日本特开专利公报10-56110
专利文献5：日本特开专利公报10-150117
专利文献1中公开的翘曲减小部件在减小因热应力而造成的翘曲方面有效。然而，如果将外力施加至电路板，则应力经由电路板传动至焊料接合件，并且特别过度施加至翘曲减小部件的角部，导致接合件之间出现差的连接。为此，在专利文献1中公开的翘曲减小部件特别不适于容易被传动外力的便携式电子装置。
专利文献2到4中的每一个专利文献中公开的安装结构致力于加强半导体器件以使其不容易变形，而不是致力于减缓在电路板因外部引力而变形时所造成的应力。因此，不能加强电路板与半导体器件以及安装结构之间的接合件。
专利文献5中公开的半导体器件致力于在半导体器件的角部中形成切口来减小半导体器件的翘曲，而在减小电路板的翘曲方面无效。因此，不能加强电路板与半导体器件以及安装结构之间的接合件。
在专利文献1、2、4以及5中，最终在半导体器件与电路板之间填充孔型材料，以将半导体器件接合并固定至电路板。因此，尽管可以加强半导体器件的接合件，但未考虑到容易地分离已安装半导体器件与电路板。
因此，希望开发能够在不利用孔型材料的情况下改进半导体器件的接合件的抗压性和长期可靠性并且能够容易地从电路板去除已安装半导体器件的安装结构。
发明内容
根据本发明的一方面，提供了一种板加强结构，该板加强结构用于加强将电子部件安装在第一表面上的电路板，所述电子部件具有设置在所述第一表面上的矩形区域中的电极。所述板加强结构包括：加强部件，该加强部件接合至所述电路板的第二表面上的、与所述矩形区域的四角的角部相对应的位置，所述第二表面设置在与所述电路板的所述第一表面相反一侧上。在所述板加强结构中，在与所述矩形区域的所述四角的角部相对应的位置处形成对应缺口，并且所述缺口形成所述加强部件的、朝向外侧的至少两个顶点，以形成所述板加强结构的轮廓。
根据本发明的另一方面，提供了一种板组件，该板组件包括：电路板，该电路板具有第一表面和设置在与所述第一表面相反一侧上的第二表面；电子部件，该电子部件具有设置在矩形区域中的电极，并且利用接合至所述电路板的连接端子的所述电极来安装；以及加强部件，该加强部件接合至所述电路板的所述第二表面。在所述板组件中，所述加强部件接合至所述电路板的第二表面上的、与所述矩形区域的四角的角部相对应的位置，所述加强部件在与所述矩形区域的所述四角的角部相对应的位置处形成对应缺口，并且所述缺口形成所述加强部件的、朝向外侧的至少两个顶点，以形成所述板加强结构的轮廓。
根据本发明的一种实施方式，所述加强部件可以分散在电路板内部传送的应力，同时加强电路板。因而，因为改进了已安装电子部件的接合件的抗压性和长期可靠性，所以不必通过孔型材料来固定电子部件，并且可以容易地从电路板去除已安装电子部件。
本发明的目的和优点通过在权利要求书中具体指出的部件和组合而被认识到并获得。
应当明白，前述一般描述和下面的详细描述都是示范性和解释性的，而不是对要求保护的本发明的限制。
附图说明
图1A和1B是例示当将外力施加至作为安装结构的焊料块接合件时该焊料块的变形的视图；
图2是其中从后侧加强电路板的板组件的侧视图；
图3是例示图2所示板组件的后表面的平面图；
图4是例示设置有在四角的角部处具有缺口的加强部件的板组件的后表面的平面图；
图5是接合根据一实施方式的加强部件的板组件的侧视图；
图6是图5所示板组件的、从后表面侧看到的平面图；
图7是例示图6所示加强部件的变型例的平面图；
图8是例示图6所示加强部件的另一变型例的平面图；
图9是例示形成矩形框形状并且在四角具有缺口的加强部件的平面图；
图10是例示形成十字形状并且在四角具有缺口的加强部件的平面图；
图11是例示加强部件的缺口的形状和该缺口相对焊料块的位置的视图；
图12是例示结构仿真的结果的表；
图13是例示用于比较的加强部件的平面图；以及
图14是并入板组件的笔记本计算机的立体图。
具体实施方式
接下来，参照附图，对本发明的实施方式进行描述。
首先，对用于加强其上安装半导体器件的板的基本结构进行描述。图2是其中从后侧加强电路板的板组件的侧视图。图3是例示板组件的后表面的平面图。
电路板10是印刷电路板，其中，通过铜图案在由玻璃环氧树脂等形成的板上形成电路和连接电极。在电路板10的前表面(第一表面)10a上，安装有作为电子部件的半导体器件12，而在该半导体器件12周围安装有诸如电容器和电阻部件的无源部件14。半导体器件12被形成为所谓的BGA封装件：将半导体器件12形成在电极上并且通过多个焊料块12a倒装安装在电路板10的连接电极上。
在电路板10的后表面(第二表面)10b上，接合有加强部件16。该加强部件16是例如由强度比电路板10的材料的强度更大的金属或陶瓷材料形成的板状部件。通过树脂粘接剂将加强部件16接合至电路板10。另选的是，可以利用形成在电路板10的后表面10b上的铜图案，通过诸如焊料的接合材料将加强部件16接合至电路板10。
如图2所示，加强部件16按覆盖整个已安装半导体器件12的尺寸来构建，从而整体加强安装有半导体器件12的安装区域。即使将外力施加至电路板10，电路板10也因已接合的加强部件16而不太可能变形。从而，减缓了在半导体器件12的接合件(通过焊料块12a形成的安装结构)中产生的应力。
这里，如果在电路板10的安装区域外侧施加外力，则该外力传至该安装区域，成为电路板10内部的应力。传至安装区域的应力首先传至安装有加强部件16的部分的外围。在加强部件16是如图2所示矩形的情况下，应力集中施加至该矩形外周的四角。从而，应力集中施加至最靠近该矩形四角的角部的接合件(焊料块12a)。
因此，如图4所示，设置在加强部件16的、应力所集中施加的部分(四角的角部)处的缺口16a可以分散集中施加至角部的尖端处的特定点的应力，从而更有效地加强电路板10。换句话说，通过加强靠近半导体器件12的安装区域中的四角的角部的部分，可以仅加强应力所集中施加的部分。
如图5所示，在该实施方式中，代替加强部件16，将四个加强部件20接合至半导体器件12的安装区域的四角，以特别加强电路板10。将加强部件20接合至电路板10的后表面10b上的、半导体器件12的矩形安装区域的四角的角部。在该实施方式中，加强部件20是皆具有缺口20a的圆形。将加强部件20设置成使得缺口20a朝向安装区域的对角线的外侧，并且与由焊料块12a所形成的结合件中对角线上的安装区域的角处的接合件(焊料块12a)相对应地定位。
如上所述，将加强部件20设置在由焊料块12a所形成的部分当中的、其中应力最可能集中施加的部分处，并且加强部件20的缺口20a沿其中应力很可能集中施加的方向(应力沿对角线施加至半导体器件12的安装区域的方向)定向。因此，沿对角方向传动至半导体器件12的安装区域的应力在具有缺口20a的加强部件20的两个山部(mountain part)处分散，进而缩小了向缺口2a处的接合件(焊料块20a)集中施加的应力。这防止了因施加至电路板10的外力而造成的应力过度集中施加至缺口20a处的接合件(焊料块20a)，并且可以有效减少连接故障的出现。
在该实施方式中，仅将加强部件20接合至半导体器件12的安装区域的四角的角部。这是因为集中施加的应力在安装区域的四角以外的其它部位不太大，并由此，即使未设置加强部件20，在这些接合件(焊料块20a)处也可能很难出现连接故障。
加强部件20的形状不限于图6所示的具有缺口20a的圆形。该加强部件20可以采用任何形状，如同图7所示皆具有缺口22a的多个加强部件22，和图8所示皆具有缺口24a的多个加强部件24，只要它们具有如同缺口20a的缺口即可。
而且，如图9所示，可以形成矩形框形加强部件26来覆盖半导体器件12的安装区域的四角，并且在其四角具有缺口26a。该加强部件26可以减小向半导体器件12的安装区域的四角集中施加的应力，同时加强电路板10上的半导体器件12的安装区域的整个外周。而且，如图10所示，加强部件28可以按交叉形状形成，以沿半导体器件12的安装区域的对角线延伸，并且在与安装区域的四角相对应的位置处具有缺口28a。该加强部件28可以减小向半导体器件12的安装区域的四角集中施加的应力，同时整体加强电路板10上的半导体器件12的安装区域。
这里，对加强部件的缺口的形状和位置进行描述。图11是例示加强部件20的缺口20a的形状和该缺口20a相对焊料块12a的位置的视图。如图11所示，加强部件20的缺口20a具有用作两个山部的顶点的角部20b和20c和用作角部20b与20c之间的谷底的角部20d。从半导体器件12的安装区域的对角线的延伸方向传送的应力被分散并且集中传至用作两个山部的顶点的角20b和20c。因此，对于将焊料块12a定位在缺口20a内部的情况来说，应力被分散并传至缺口20a的两侧上的角20b和20c，并由此不会集中施加至焊料块12a。因此，在沿其中应力所传送的方向将角部20b和20c定位在焊料块12a的上游侧的情况下，该应力可以被分散并且在传至焊料块12a之前集中施加至角部20b和20c。换句话说，仅需要将焊料块12a定位在彼此连接角部20b和20c的线(如图11虚线所示)内侧。
本发明人通过进行结构仿真确认对上述加强部件的抗压性的效果。图12是例示结构仿真的结果的表。
在结构仿真中，半导体器件12的形状是边长27mm的方形。电路板10由作为板材料的FR4形成，并且具有1mm的厚度。加强部件由不锈钢(SUS材料)或具有10GPa杨氏模量并且具有1mm厚度的树脂材料形成。基于上述条件，将4Kg的外力施加至电路板10，以使其应力传至四角的接合件(焊料块12a)。这里，发现不会导致接合件破裂的应力为300N/mm2。
在图12中，仿真编号1例示了其中仅将半导体器件12安装在电路板上的结构的仿真结果，该电路板未设置有加强部件。在这个条件下，确认传动至接合件(焊料块12a)的应力为500N/mm2。该应力值极大地超出容限300N/mm2，从而造成接合件破裂。
仿真编号2例示了其中半导体器件12和电路板10通过填充在其间的孔型材料而彼此固定的结构的仿真结果，该电路板未设置有加强部件。在这个条件下，确认传动至接合件(焊料块12a)的应力为38.5N/mm2。
仿真编号3例示了其中将方框形金属加强部件接合至电路板10的后表面10b的结构的仿真结果。在这个条件下，确认传动至接合件(焊料块12a)的应力为30N/mm2。发现与填充孔型材料相比，该加强部件可以进一步减小传递至接合件(焊料块12a)的应力。
仿真编号4例示了其中将按与仿真编号3的加强部件类似的形状形成的树脂材料接合至电路板10的后表面10b的结构的仿真结果。在这个条件下，确认传动至接合件(焊料块12a)的应力为160N/mm2。发现即使代替加强部件而使用树脂材料(具有10GPa的杨氏模量)，传递至接合件(焊料块12a)的应力也可以减小至某种程度。
仿真编号5例示了其中将交叉形金属加强部件接合至电路板10的后表面10b的结构的仿真结果。在这个条件下，传至接合件(焊料块12a)的应力为50N/mm2。确认与填充孔型材料相比，该加强部件可以进一步减小传递至接合件(焊料块12a)的应力。
仿真编号6例示了其中将按与仿真编号5的加强部件类似的形状形成的树脂材料接合至电路板10的后表面10b的结构的仿真结果。在这个条件下，确认传至接合件(焊料块12a)的应力为200N/mm2。发现即使代替加强部件而使用树脂材料(具有10GPa的杨氏模量)，传至接合件(焊料块12a)的应力也可以减小至某种程度。
仿真编号7例示了其中将矩形金属加强部件30如图13所示接合至电路板10的后表面10b上的安装区域的四角处的结构的仿真结果。在这个条件下，传动至接合件(焊料块12a)的应力为100N/mm2。进行该仿真，作为与下列仿真的比较。
仿真编号8例示了其中将在四角处具有缺口16a的矩形加强部件16如图4所示地接合至电路板10的后表面10b的安装区域中的结构的仿真结果。该加强部件16的外部形状在尺寸上类似于已安装半导体器件12的外部形状。在这个条件下，确认传递至接合件(焊料块12a)的应力为18.5N/mm2。
仿真编号9例示了其中如图9所示将在四角处具有缺口26a的矩形框加强部件26接合至电路板10的后表面10b的安装区域中的结构的仿真结果。该加强部件26的外部形状尺寸上类似于已安装半导体器件12的外部形状。在这个条件下，确认传递至接合件(焊料块12a)的应力为28N/mm2。
仿真编号10例示了其中如图8所示将皆具有缺口24a的多个加强部件24接合至电路板的后表面处的安装区域的四角的结构的仿真结果。缺口24a的长度为3mm，并且加强部件24的宽度为3mm。在这个条件下，确认传递至接合件(焊料块12a)的应力为60N/mm2。
根据上述仿真的结果，可以清楚，即使仅将加强部件接合至安装区域的四角，也能将传动至接合件(焊料块12a)的应力减小至100N/mm2，大大低于应力的容限300N/mm2。另外，发现通过皆具有缺口24a的多个矩形加强部件24将应力进一步减小至60N/mm2。看来因缺口24a的应力分散而提供了40N/mm2的减小量。
根据本实施方式的加强部件在将诸如半导体器件的电子部件安装在并入电子装置中的电路板上时使用。图14是并入根据本实施方式的具有加强部件的板组件的笔记本计算机的立体图。
具有笔记本计算机40的键盘的主机42并入了其中将半导体器件44安装在电路板46上的板组件48。在将半导体器件44安装在电路板46上时，使用根据本实施方式的加强部件。因为笔记本计算机40较薄，所以从外部向主机42施加的力容易传动至电路板46，容易致使电路板46达到变形状态。因此，根据本实施方式的加强部件可以分散传至安装结构的接合件的应力，从而改进半导体器件44与电路板46之间的接合件的抗压性和长期可靠性。而且，根据本实施方式的加强部件消除了通过孔型材料将半导体器件44固定至电路板46的必要性。从而，半导体器件44可以容易地与电路板46分离。
应注意到，本实施方式使用焊料作为用于将半导体器件安装在电路板上的接合材料来进行描述，然而，该接合材料不限于焊料，而是可以使用其它热熔融材料。而且，优选的是，该加强部件由具有高强度和硬度的金属、陶瓷等形成。对于通过焊料来接合加强部件的情况来说，优选的是，该加强部件的前表面利用Sn、Au、Cu、Ag等镀覆。

Claims (17)

1.一种板加强结构，该板加强结构用于加强第一表面上安装电子部件的电路板，所述电子部件具有设置在所述第一表面上的矩形区域中的电极，所述板加强结构包括：
加强部件，该加强部件接合至所述电路板的第二表面上的、与所述矩形区域的四角的角部相对应的位置，所述第二表面设置在所述电路板的与所述第一表面相反的一侧；其中，
在所述加强部件中的、与所述矩形区域的所述四角的角部相对应的位置处形成对应的缺口，并且
各所述缺口形成所述加强部件的朝向外侧的至少两个顶点，来形成所述加强部件的外形。
2.根据权利要求1所述的板加强结构，其中，
在将由所述缺口形成的所述两个顶点相互连接的线的内侧设置用于接合所述电子部件的接合件。
3.根据权利要求2所述的板加强结构，其中，
所述加强部件具有矩形框形状，该矩形框形状将与所述矩形区域的所述四角的所述角部相对应的位置相互连接，并且
所述矩形框形状在其外周四角处具有所述缺口。
4.根据权利要求2所述的板加强结构，其中，
所述加强部件包括交叉形状，该交叉形状沿所述矩形区域的对角线设置，所述交叉形状在其四个端部处具有所述缺口。
5.根据权利要求2所述的板加强结构，其中，
所述加强部件包括矩形形状，该矩形形状尺寸上和所述矩形区域相同，所述矩形形状在其外周四角处具有所述缺口。
6.根据权利要求2所述的板加强结构，其中，
所述加强部件包括四个加强部件，所述四个加强部件分别设置在与所述矩形区域的所述四角的角部相对应的位置处，所述四个加强部件具有所述缺口。
7.根据权利要求1到6中的任一项所述的板加强结构，其中，
所述加强部件通过焊料接合至所述电路板的所述第二表面。
8.根据权利要求1到6中的任一项所述的板加强结构，其中，
所述加强部件通过树脂粘接剂接合至所述电路板的所述第二表面。
9.一种板组件，该板组件包括：
电路板，该电路板具有第一表面和设置在与所述第一表面相反一侧的第二表面；
电子部件，该电子部件具有设置在矩形区域中的电极，并且通过将所述电极接合至所述电路板的连接端子来安装；以及
加强部件，该加强部件接合至所述电路板的所述第二表面；其中，
所述加强部件接合至所述电路板的所述第二表面上的、与所述矩形区域的四角的角部相对应的位置，
所述加强部件在与所述矩形区域的所述四角的所述角部相对应的位置处具有对应的缺口，并且
各所述缺口形成所述加强部件的朝向外侧的至少两个顶点，来形成所述加强部件的外形。
10.根据权利要求9所述的板组件，其中，
在将由所述缺口形成的所述两个顶点相互连接的线的内侧设置用于接合所述电子部件的接合件。
11.根据权利要求10所述的板组件，其中，
所述加强部件包括矩形框形状，该矩形框形状将与所述矩形区域的所述四角的所述角部相对应的位置相互连接，并且
所述矩形框形状在其外周四角处具有所述缺口。
12.根据权利要求10所述的板组件，其中，
所述加强部件包括交叉形状，该交叉形状沿所述矩形区域的对角线设置，所述交叉形状在其四个端部处具有所述缺口。
13.根据权利要求10所述的板组件，其中，
所述加强部件包括矩形形状，该矩形形状尺寸上和所述矩形区域相同，所述矩形形状在其外周四角处具有所述缺口。
14.根据权利要求10所述的板组件，其中，
所述加强部件包括四个加强部件，所述四个加强部件分别设置在与所述矩形区域的所述四角的角部相对应的位置处，所述四个加强部件具有所述缺口。
15.根据权利要求9到14中的任一项所述的板组件，其中，
所述加强部件通过焊料接合至所述电路板的所述第二表面。
16.根据权利要求9到14中的任一项所述的板组件，其中，
所述加强部件通过树脂粘接剂接合至所述电路板的所述第二表面。
17.一种电子装置，该电子装置包含根据权利要求9到16中的任一项所述的板组件。
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