CN102804940A - 包括电路板和电子集成元件的封装型系统的接触垫的布置 - Google Patents

Abstract

用于向印刷电路板（16）提供电子元器件（1）的方法，其中电子元器件（1）具有至少一个外部焊接垫（11），外部焊接垫具有预定尺寸以便于散热，焊接垫（11）被焊接到印刷电路板（16）的印刷电路板衬底上，使得电子元器件（1）被电连接至在印刷电路板衬底上设置的电路，其特征在于，焊接前，在焊接垫（12）要被焊接至印刷电路板（16）的区域内，在印刷电路板内设置一个或更多个通孔（12），使得通孔被设置成允许在电子元器件（1）焊接至印刷电路板期间产生的助焊剂气体逸散。

Description

包括电路板和电子集成元件的封装型系统的接触垫的布置

技术领域

本发明涉及根据第一项权利要求的前序部分，用于提供一种向印刷电路板提供电子元器件的方法。

本发明还涉及根据这种方法的设有电子元器件的印刷电路板，其包括其上提供电路的印刷电路板衬底，电子元器件被电连接至电路，电子元器件的外部焊接垫具有预定尺寸以便于散热、并被焊接至印刷电路板，印刷电路板包括贯穿印刷电路板的一个或更多个通孔。

背景技术

这种用于向印刷电路板提供电子元器件的方法已经为本领域技术人员所知。

在这种方法中电子元器件具有至少一个外部焊接垫。焊接垫具有预定尺寸用于散热，并且焊接垫被焊接到印刷电路板的印刷电路板衬底上，使得电子元器件被电连接至在印刷电路板衬底上设置的电路。

然而，当将电子元器件的焊接垫焊接至印刷电路板衬底时，存在着相当大的风险，即，在电子元器件焊接至印刷电路板期间产生的助焊剂气体降低电子元器件与印刷电路板的连接质量，正例如在US2002/0084312A1中所描述的那样。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种用于向印刷电路板提供电子元器件的方法，其中不良连接的电子元器件的风险被降低。

利用权利要求1的特征部分的技术特征，在本发明的方法中实现该目的。

此外，在焊接前，在焊接垫要被焊接至印刷电路板的区域内，在印刷电路板内设置一个或更多个通孔，使得通孔被设置成允许在将电子元器件焊接至印刷电路板期间产生的助焊剂气体逸散。

已经发现，这种通孔的设置允许电子元器件更好地连接至印刷电路板，这是因为由外部焊接垫焊接至印刷电路板产生的助焊剂气体能够逸散，从而例如通过形成空隙（void），使这些气体不再阻碍在外部焊接垫和印刷电路板之间连接的形成，正如US2002/0084312中所描述的那样。

另外，已经发现，焊接材料，特别是焊膏，将更好地涂敷在电子元器件的焊接垫上，使得电子元器件将更加垂落（collapse）至印刷电路板，导致整个印刷电路板的厚度减小。

优选地，通过制造仅穿过电路旁边的电路板衬底的通孔来制造穿过印刷电路板的通孔。用这种方法设置通孔允许通过制造通孔来避免对电路的任何有害的影响。在这种情况下，通孔不同于可能存在于印刷电路板内的所谓导通孔（via），导通孔是电路的一部分，其位置通常由电路决定，而不是由焊接垫要被焊接的区域决定。

根据本发明，根据用于向印刷电路板提供电子元器件的方法的优选实施例，焊接期间徐热处理区（soak zone）内温度的升高保持在7℃/min-15℃/min的范围内，更优选为10℃/min。

本发明还涉及根据上述方法的设有电子元器件的印刷电路板。

这种印刷电路板包括印刷电路板衬底，该印刷电路板衬底上设有电路，该电路被电连接至电子元器件。印刷电路板被焊接至电子元器件的外部焊接垫，该外部焊接垫具有预定尺寸以便散热。印刷电路板包括贯穿印刷电路板的一个或更多个通孔。通孔被设置成允许在将电子元器件焊接至印刷电路板期间产生的助焊剂气体逸散。

优选地，焊接连接的电子元器件的焊接垫覆盖在这种印刷电路板内的通孔，获得电子元器件至印刷电路板的改进的连接。

在根据本发明的印刷电路板的优选实施例中，在焊接垫的中心设置通孔。这种更加对称的定位进一步增进由焊接产生的助焊剂气体的逸散，导致电子元器件至印刷电路板的进一步改进的附连。

附图说明

借助于下面的描述和附图将进一步说明本发明。

图1示出封装型系统的横截面。

图2示出去除第一层的可去除（removable）部分后的根据图1的横截面。

图3示出图1的封装型系统的仰视图的局部。

图4示出根据图3的仰视图，其中，可去除部分从封装型系统被去除。

图5示出印刷电路板的俯视图，带有对图2和3所示的封装型系统的期望位置的指示。

图6示出用于将焊膏施加到图5所示的印刷电路板上的图案的俯视图。

图7示出用于将焊膏施加到印刷电路板上的不同图案的俯视图。

图8示出用于将电子元器件焊接至如图5所示的印刷电路板的推荐的回流图线（reflow profile）。

图9示出印刷电路板的侧视图，该印刷电路板设有电子元器件和SMD（表面安装的元器件），其用于获得图8数据。

具体实施方式

将结合特定实施例和结合参考一些附图描述本发明，但本发明不限于此，而只由权利要求书限定。描述的附图只是示意性的而非限制性的。

此外，在说明书中和在权利要求书中，术语第一、第二、第三等用于在相似的元素之间进行区分，而不一定用于描述顺序或时间先后次序。在适当情况下这些术语是可以互换的，而且本发明的实施例可以按照除本文中描述或示出之外的其它顺序操作。

另外，在说明书和权利要求书中，术语顶、底、在…上面、在…下面等用于描述的目的，而不一定用于描述相对位置。在适当情况下这样使用的术语是可以互换的，而且本文中描述的本发明的实施例可以按照除了本文中描述或示出之外的其它方位操作。

在权利要求书中使用的术语“包括”，不应当解释为受限于下文列出的手段；它不排除其它元素或步骤。需要将它解释为指定所陈述的特征、整数（integers）、步骤或组件的存在，但是不排除存在或补充一个或更多个其它特征、整数、步骤或组件、或及其集合（group）。因而，“元器件包括装置A和B”表达的范围不应当被限于元器件仅由组件A和B组成。这意味着关于本发明，元器件的相关组件只有A和B。

图1示出封装型系统1的横截面。所示封装型系统1包括衬底4。在衬底4上设有第一导电层2，从外部可触及到第一导电层2以便将封装型系统1电连接至电路。在第一层2上设有外部接触垫（external contactpad）7。封装型系统1还包括第二内部导电层3，其被第一导电层2覆盖。电子元器件6设置在衬底4上，并且电连接至外部接触垫7、9、10。

通过将封装型系统1穿过第一导电层2电连接至电路，不同的电子元器件6的功能被应用到电路里。通过设置预定的电子元器件6——该电子元器件6通过第二内部导电层3和/或第一外部导电层2在内部互相连接，可以将封装型系统1设计成通过组合（bundling）不同电子元器件6的电功能（electrical functionality）而执行预定的电功能。例如，这允许将电功能提供到单个封装之中，亦即封装型系统1之中，使得此功能可以直接地应用到电路中。这样，电功能可以被组合到相对小的模块中，并且例如可以相对大规模地生产。

例如，图1示出三个电子元器件6，它们通过第二内部导电层3互相连接，以便执行预定的电功能。电子元器件6的预定电功能和由第二层3的互相连接产生的电功能对于本发明不是关键性的，并且这些电功能可以由本领域技术人员按照封装型系统1的预期用途进行决定。电子元器件6的数量对于本发明也不是关键性的，并且该数量也可以由本领域技术人员按照由封装型系统1所提供的期望的电功能的功能进行决定。例如，封装型系统1可以包括中央处理单元、存储器，该存储器可以与诸如电阻器、电感器和电容器的无源组件相结合，当进行适当的电气互连时，这些无源组件可以在单个封装内提供完备操作的计算机系统。

各种类型的电子元器件6都可以用于形成封装型系统1，但封装型系统1中使用的电子元器件6经常是集成电路。另外，使用集成电路6具有能够减小封装型系统1的体积的优点。

第一导电层2通常被设置为附连至另外的衬底，例如但不限于附连至印刷电路板，并且如图1所示，通常尽可能扁平地进行附连。然而，这对于本发明不是关键性的，并且第一层也可以具有另一种形状，取决于封装型系统1将被安装到其最终位置中的方式。

在图1中，在衬底4上设置的电子元器件6更具体是设置在第二内部导电层3上。然而，这对于本发明不是关键性的，并且也可以在第一导电层2上设置至少一个电子元器件6。然而，当所有电子元器件6都设置在第二层3上时，电子元器件6的位置较不妨碍第一层2的设置。特别是当封装型系统1在第一层2处安装至另外的衬底时，已经发现，最好在第二层3上设置电子元器件6，使得它们较不妨碍封装型系统1安装至另外的衬底。

图1示出，第二层3和设置于其上的元器件6被例如陶瓷材料的包覆模制（overmould）化合物13覆盖。虽然这种具减震效果的包覆模制化合物对于本发明不是必要的，但是这种包覆模制化合物通过保护第二层3和电子元器件6而给封装型系统1提供增强的坚固性。

图1示出并排放置的三个外部接触垫7。然而，外部接触垫7的位置和数量对于本发明不是关键性的，并且可以通过本领域技术人员进行修改。例如，可以设置更多或更少的外部接触垫7，和/或可以在不同位置上设置外部接触垫7。

各外部接触垫7中的一个外部接触垫可以被设置成接地垫（groundpad）9，并且因此被设置成电连接至接地信号。然而，各外部接触垫7中的一个外部接触垫也可以被设置成信号垫10，并且因此被设置成电连接至不同于接地信号的信号。然而，这对于本发明不是关键性的。

各外部接触垫7中的一个外部接触垫，可能但不一定除了是接地垫9或信号垫10之外，还可以是焊接垫11。将焊接垫11设置成被焊接至另外的衬底，诸如例如印刷电路板，并且优选焊接至印刷电路板，焊接垫11具有预定尺寸，便于散发由于将焊接垫11焊接至另外的衬底而产生的热。

图1所示的衬底4是平面栅格阵列（land grid array）衬底，其中外部接触垫7是大致扁平的，并且在封装型系统1的一个外表面，尤其是封装型系统1将被安装至另外的衬底的安装面17上形成阵列。然而，这对于本发明不是关键性的，并且衬底4也可以是，例如针脚栅格阵列，其中外部接触垫7具有从安装面17延伸的插针形式，还可以是球形栅格阵列，其中外部接触垫7是球形的，等等。另外，设置呈阵列形式的外部接触垫7对于本发明也不是关键性的，并且外部接触垫7也可以，例如，任意地分布在封装型系统1的外表面17上。

图1还示出第二层3上隐藏式接触垫5。隐藏式接触垫5类似于外部接触垫7，不同之处为设置在第二层3上并且被第一层2的至少一部分所隐藏，使得只有在去除第一层2的可去除部分8后才能触及到隐藏式接触垫5。

图2示出第一层2的可去除部分8被去除之后的根据图1的横截面。图2所示的可去除部分8是各外部接触垫7中的一个外部接触垫的一部分，更确切地说是第一层2的接地垫9的一部分。然而，这对于本发明不是关键性的，并且第一层2的不是外部接触垫7的其它部分也可以是可去除部分8。另外，信号垫10或不是信号垫10的焊接垫11或焊接垫11的一部分也可以是可去除部分8。可去除部分8甚至可以包括一个完整的外部接触垫7。当只有外部接触垫7的一部分是可去除部分8的一部分时，外部接触垫7的其余部分，在去除可去除部分8后，仍可以用作例如信号垫10、接地垫9和/或焊接垫11。

可以通过例如刮掉可去除部分8，拔掉、剥掉可去除部分8，用化学方法去除可去除部分8等，而将可去除部分8去除。优选地，通过刮掉可去除部分8来去除掉可去除部分8，因而可以被容易地执行去除，对于封装型系统1无需使用另外的设备并且基本无需使用机械装备。

被露出的隐藏式接触垫5可以具有本领域技术人员已知的任何功能。例如，隐藏式接触垫5可以是焊接垫和/或可以具有电功能，诸如例如是接地垫、信号垫等，如对外部接触垫7的描述中那样。

在例如可去除部分8是各外部接触垫7中的一个外部接触垫的情况下，隐藏式接触垫8的功能可以不同于被去除的外部接触垫7的功能。使得例如当被去除的外部接触垫7是接地垫9时，隐藏式接触垫5可以执行信号垫的功能，或当被去除的外部接触垫7是信号垫10时，隐藏式接触垫5也可以是信号垫、但用于不同的电信号和/或用于不同的电功能，等等。

这样，例如在单个封装型系统1上提供不同的电子备选方案是有可能的。例如，封装型系统1可以设有两个可替换的电子元器件。例如，可以将外部接触垫7配置成诸如导向（direct）这些电子元器件中的第一个电子元器件，而隐藏式接触垫5被设置为导向这些电子元器件中的第二个电子元器件，该第二个电子元器件与第一个电子元器件是选择性的（alternative）。这样，封装型系统1在默认情况下提供使用第一个电子元器件的可能性，但可以通过去除外部接触垫7并且改为使用隐藏式接触垫5，而被配置成使用第二个电子元器件。第一个电子元器件例如是WIFI（无线保真）发射器，并且第二个电子元器件例如是UMTS（通用移动通信系统）发射器。

在另一个实例中，在可去除部分8是各外部接触垫7中的一个外部接触垫、并且该外部接触垫7具有的功能不同于隐藏式接触垫5的功能的情况下，各元器件6中的至少一个元器件电连接至第二层3上的附加的隐藏式接触垫5，其只有在去除掉第一层2的可去除部分8之后才可被触及，附加的隐藏式接触垫18可以具有与可去除部分8的外部接触垫7相同的功能。这种配置允许，虽然整个的外部接触垫7是可去除部分8的一部分，但当去除外部接触垫7时，仍然不失去外部接触垫7的功能。然而，隐藏式接触垫18也可以具有与外部接触垫7不同的功能，并且作为最初的接触垫5，诸如向封装型系统1提供进一步的功能。

虽然一个附加的隐藏式接触垫18可能够用，但隐藏式接触垫18的数量对于本发明不是要点，并且可以设置多于一个的附加的接触垫18，诸如例如两个、三个、四个，等等。

在另一个实例中，例如，多于一个的外部接触垫7是可去除部分8的一部分也是可能的。

例如，可去除部分8包括多于一个的外部接触垫7是可能的，所述外部接触垫7只覆盖单个的隐藏式接触垫18。这种配置例如允许不必要的接触垫——例如经常是已被使用的接触垫，在封装型系统1的具体用途中可以被去除或更换。

作为可去除部分8的一部分的全部或部分的外部接触垫7的数量、隐藏式接触垫5的数量和/或它们结合的和/或单独的功能对于本发明不是关键性的，并且可以由本领域技术人员根据封装型系统1的具体的预期用途来决定。

图3示出封装型系统1的仰视图的局部，并且示出被一系列环绕的接触垫20所环绕的八个中央外部接触垫19。环绕的外部接触垫20被设置成信号垫，并且中央外部接触垫被设置成接地接触垫和焊接接触垫。然而，如上所述，不同的接触垫7的配置对于本发明不是关键性的，并且可以由本领域技术人员根据封装型系统1的预期用途而改变。

在这种情况下，封装型系统1是方形扁平封装，更确切地说是无引脚方形扁平封装。具体地说，如上所述，还示出平面栅格阵列衬底。然而，其它类型的封装型系统1仍然是可能的，并且可以由本领域技术人员决定。

使左上方的外部接触垫7的一个角的一部分被去除，用于指示封装型系统1的预定方位。这允许封装型系统1被正确地电连接至电路。允许封装型系统1被定位的装置——在这种情况下是被去除的角的形式和形状，不是关键性的，并且可以使用任何其它的指示，诸如例如衬底4上的标记，等等。

图4不同于图3之处在于，各外部接触垫7中的一个外部接触垫被拆除，露出三个隐藏式接触垫5。在被拆除的外部接触垫7是焊接垫而且不被设置成信号垫或接地垫的情况下，在这种情况下焊接功能可以由例如邻近的外部接触垫7或露出的各隐藏式接触垫5中的一个接触垫来承担。

图5示出印刷电路板16的俯视图，该印刷电路板具有用于电子元器件——诸如例如图2和3所示的封装型系统的期望位置的指示，也被称作引脚排列图案（land pattern）。印刷电路板16包括印刷电路板衬底，在印刷电路板衬底上，电路被电气地设置成电连接至封装型系统1。然而，电路未在各图中示出。

封装型系统1，或任何其它的封装型系统或一般的每个电子元器件，都可以借助于电子元器件上的至少一个焊接垫11而被焊接至印刷电路板衬底。图5所示的印刷电路板衬底包括在将要设置这种焊接垫11的区域的中心的单个通孔12。这种通孔12允许由焊接产生的助焊剂气体逸散。虽然在将要设置焊接垫11的区域的中心设置通孔12，但也可以在将要设置焊接垫11的区域内的任何其它位置设置通孔12。并且，虽然只设置单个通孔12，但可以在将要定位焊接垫11的区域内设置多于一个的通孔12。

虽然图5示出的是在每一个焊接垫11的位置上设置一个通孔12，但这对于本发明不是关键性的，并且一些通孔12可被省略。然而，发明人已经发现，印刷电路板上各通孔的对称位置，使得由焊接产生的气体的逸散效果得以提升。例如，关于图5，省略四个角部接触垫7处的通孔12和/或只在接触垫28处设置通孔12以限定接触垫7的区域的范围，在图5的情况下，有二十个接触垫被限定。

通孔12的直径优选在0.5和0.9mm之间，更优选在0.6和0.8mm之间，最优选为0.7mm。已经发现，这种直径会降低穿过通孔12发生的焊接材料渗漏，尤其是焊膏渗漏的风险。

优选地，通孔12是非电镀的（non plated），已经发现非电镀的通孔12能避免焊接材料的渗漏，尤其是焊膏的渗漏。

从而，封装型系统1，不限于上述的封装型系统1，而是一般的每个电子元器件，都可以通过将电子元器件的焊接垫11焊接到印刷电路板衬底上而附连至印刷电路板，使得封装型系统1电连接至在印刷电路板衬底上设置的电路。为了获得由焊接产生的气体的期望的逸散，焊接前，如上所述，在印刷电路板内设置一个或更多个通孔12，如上所述，优选在焊接垫12要被焊接至印刷电路板16的区域内穿过印刷电路板衬底。

图6示出图案14的俯视图，用于涂焊接材料，更具体地是将焊膏施加到图5所示印刷电路板上。更具体地，在此基础上制造的模板（stencil）可以被用于施加焊接材料，更具体地是将焊接材料施加至另外的衬底，对于本实例而言是印刷电路板16。如在图6上可以看到的那样，已经采取措施以避免焊接材料施加到通孔12上。然而，不同的图案可以用于将焊膏施加到印刷电路板16上，诸如例如图7所示图案，其也示出由焊接产生的气体的改进的逸散。

在将焊接材料施加至印刷电路板16后，以及将封装型系统1安装至印刷电路板16后，为了将封装型系统1附连至印刷电路板16，需要加热焊接材料。这个过程通常以“回流（reflow）”而被本领域技术人员所知悉。优选地，回流过程对印刷电路板16与封装型系统1的组装应用相继的加热或冷却步骤。这例如在图8中示出，其中X轴指示不同的应用步骤，换言之是指示时间，而其中Y轴指示印刷电路板16和封装型系统1的组件所承受的温度。换言之，曲线15指示印刷电路板16和封装型系统1的组件所承受的作为时间的函数的温度，并且曲线15通常被本领域技术人员称作回流图线。图8中不同的温度曲线15相应于封装型系统1和表面安装的元器件（Surface Mounted Device,SMD）27的组件的不同位置上的温度测量值，所述组件借助于在各预定位置上的热电偶21而被安装在印刷电路板16上，如图9所示。如本领域技术人员已知的那样，温度曲线15可以被分成四个区22、23、24、25：预热区22、徐热处理区23、回流区24以及冷却区25。徐热处理区23允许助焊剂被活化，使得焊接材料（优选为焊膏）的润湿特性得到改进。在每个区内每条曲线都应当在范围26内，该范围以“样板（gabarit）”而被本领域技术人员所知悉，该样板如图8中所示。发明人已经发现，通过在徐热处理区23内使温度升高保持在7℃/min–15℃/min的范围内，更优选为10℃/min，由加热焊接材料所产生的助焊剂气体的逸散得到显著的改进。徐热处理区23的持续时间应当优选足够长以允许由焊接产生的基本上所有气体得以逸散。

发明人也已经发现，为了在徐热处理区23内温度的平稳上升，在助焊剂活化温度处开始（start）徐热处理区以获得快速的助焊剂活化是有益的，并且在进入回流区24之前，将造成由焊接产生的助焊剂气体更好和更完全的逸散。可选地，为了要避免热应力而且使助焊剂气体完全逸散，可以在较低温度下进入徐热处理区，并且作为补偿，可以例如延长徐热处理区。

然而，确切的回流图线15对于本发明不是要点，并且可以由本领域技术人员根据使用的具体印刷电路板16和封装型系统1进一步决定。

Claims (7)

1.一种向印刷电路板（16）提供电子元器件（1）的方法，其中所述电子元器件（1）具有至少一个外部焊接垫（11），所述外部焊接垫具有预定尺寸以便于散热，所述电子元器件通过所述焊接垫（11）被焊接到所述印刷电路板（16）的印刷电路板衬底上，使得所述电子元器件（1）被电连接至在所述印刷电路板衬底上设置的电路，其特征在于，焊接前，在所述焊接垫（12）要被焊接至所述印刷电路板（16）的区域内，在所述印刷电路板内设置一个或更多个通孔（12），使得所述通孔被设置成允许在所述电子元器件（1）焊接至所述印刷电路板期间产生的助焊剂气体逸散。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，焊接期间徐热处理区（23）内温度的升高被保持在7℃/min–15℃/min的范围内，更优选为10℃/min。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述通孔（12）的直径在0.5和0.9mm之间，更优选在0.6和0.8mm之间，并且最优选为0.7mm。

4.根据上述权利要求的任何一项所述的方法，其特征在于，通过设置只穿过所述电路旁边的所述印刷电路板衬底的通孔，而穿过所述印刷电路板设置所述通孔。

5.印刷电路板（16），其设有根据权利要求1或2所述的电子元器件（1），所述印刷电路板包括印刷电路板衬底，所述印刷电路板衬底上设有电路，所述电子元器件（1）电连接至所述电路，所述电子元器件（1）的外部焊接垫（11）具有预定尺寸以便于散热，并且被焊接至所述印刷电路板（16），所述印刷电路板（16）包括贯穿所述印刷电路板（16）的一个或更多个通孔（12），其特征在于，所述通孔（12）被设置成允许在所述电子元器件（1）焊接至所述印刷电路板期间产生的助焊剂气体逸散。

6.根据权利要求5所述的印刷电路板（16），其特征在于，焊接连接的所述电子元器件（1）的所述焊接垫（11）覆盖所述通孔（12）。

7.根据权利要求5或6所述的印刷电路板（16），其特征在于，所述通孔（12）设置在所述焊接垫（11）的中心。

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