CN103280437B - 焊球、包括焊球的球栅阵列封装件及其热管理增强方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种焊球、包括所述焊球的球栅阵列(BGA)封装件及其热管理增强方法。焊球包括：焊料合金层；壳体，被焊球合金层包围；相变材料，位于所述壳体的内部，吸收由封装件的芯片产生的热而发生相变。根据本发明，通过在BGA封装件的焊球内部设置相变材料，可以使焊球很好地吸收芯片产生的热量而使BGA封装件的温度控制更优异。

Description

焊球、包括焊球的球栅阵列封装件及其热管理增强方法
技术领域
本发明属于半导体封装领域，具体地讲，涉及一种用于球栅阵列(BGA)封装件的焊球、包括所述焊球的BGA封装件及其热管理增强方法。
背景技术
目前，在球栅阵列(BGA)封装件中，焊球主要由焊料合金构成，其热导率优于包封芯片的环氧塑封料(EMC)的热导率，因此，由芯片产生的热更倾向于经焊球流向PCB。
图1示出了根据现有技术的BGA封装件的示意性结构剖视图。
参照图1，根据现有技术的BGA封装件包括基板10、设置在基板10上的芯片20、印刷电路板(PCB)40、设置在芯片20与PCB40之间以连接二者的焊球30以及包封芯片20的包封层(例如，EMC)50。
芯片20产生的热量F热有两个传递方向，其中一个方向是朝上通过EMC50将热量交换出去，另一个方向是通过焊球30将热量传递到PCB40，如图1所示。
通常，焊球30主要由焊料合金(例如，Sn-Cu合金或Sn-Ag合金)构成，或者，焊球30具有以塑料球为核心并在外层包裹一层焊料合金的结构。然而，无论哪种焊球结构，它们的热导率都要优于EMC，因此，芯片产生的热量更倾向于途经焊球流向PCB。
图2是示出了使用根据现有技术的BGA的装置和PCB的温度随使用时间变化的关系图。由图2可以看出，随着芯片和PCB的使用时间的增加，芯片产生的热量不能通过PCB很好地散发到外部，导致使用传统焊球的装置和PCB的温度随时间的增加而升高。
目前，便携式移动终端中全部采用的是被动散热的方式，而芯片的热量大部分经由焊球流至PCB。PCB虽然热导率良好，但是PCB与空气间的热交换不佳，导致热量积聚在PCB中无法耗散，最终导致芯片与PCB的温度随使用时间而逐步升高，从而导致使用者不适。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种改进的用于球栅阵列(BGA)封装件的焊球、包括所述焊球的BGA封装件及其热管理增强方法。
本发明的一方面提供了一种能够增强BGA封装件的热管理的焊球和具有所述焊球的BGA封装件，从而使焊球很好地吸收芯片产生的热量而不致于使BGA封装件的芯片和PCB的温度过高。
本发明的另一方面提供了一种使用改进的焊球的BGA封装件的热管理增强方法。
附加方面将在下面的描述中部分地进行阐述，部分地通过描述将是清楚的，或者可通过对提出的实施例的实践而明了。
根据本发明的一方面，提供了一种用于球栅阵列封装件的焊球，所述焊球包括：焊料合金层；壳体，被焊球合金层包围；相变材料，位于所述壳体的内部，吸收由封装件的芯片产生的热而发生相变。
根据本发明的一个实施例，壳体可以为塑料壳。根据本发明的另一实施例，壳体可以为金属壳。
根据本发明的一个实施例，壳体可以为空心壳。根据本发明的另一实施例，壳体的内部可以包括网格结构，相变材料分布在壳体的网格结构中。
根据本发明的一个实施例，金属壳可以为铜壳或铝壳。
根据本发明的一个实施例，相变材料可以包括从由聚乙二醇、亚甲基二苯二异氰酸酯和聚乙二醇共聚物组成的组中选择的至少一种。
根据本发明的另一方面，提供了一种包括上述焊球的球栅阵列封装件。根据本发明的一个实施例，球栅阵列封装件还可以包括印刷电路板和设置在基板上的芯片，其中，所述多个焊球设置在印刷电路板和芯片之间，以连接印刷电路板和芯片。
根据本发明的又一方面，提供了一种包括上述焊球的球栅阵列封装件的热管理增强方法，所述方法包括下述步骤：球栅阵列封装件的芯片在工作过程中产生的热通过焊球进行传递，当焊球的壳体内部的相变材料因吸收由芯片产生的热而达到的温度低于相变材料的相变温度时，芯片产生的热通过焊球被传递至印刷电路板；当焊球的壳体内部的相变材料因吸收由芯片产生的热而达到相变材料的相变温度时，相变材料发生相变并且继续吸收由芯片产生的热，从而不使印刷电路板的温度升高。
附图说明
通过以下结合附图对实施例的描述，这些和/或其它方面将变得清楚且更容易理解，在附图中：
图1示出了根据现有技术的BGA封装件的示意性结构剖视图；
图2是示出了使用根据现有技术的BGA封装件的装置和PCB的温度随使用时间变化的关系图；
图3是示出了根据本发明的一个实施例的焊球的结构示意图；
图4是示出了根据本发明的另一实施例的焊球的结构示意图；
图5A是示出了使用根据本发明的焊球的BGA封装件的一般使用状态的示例的示意图；
图5B是示出了使用根据本发明的焊球的BGA封装件在焊球内部的相变材料发生相变后的状态的示例示意图；
图6是示出了使用根据现有技术的焊球和根据本发明的焊球的装置和PCB的温度随使用时间变化的关系图。
具体实施方式
现在将参照附图更充分地描述本发明的实施例，在附图中示出了本发明的示例性实施例。然而，本发明可以以许多不同的形式实施，而不应被解释为局限于在此阐述的实施例；相反，提供这些实施例使得本公开将是彻底的和完整的，并且这些实施例将向本领域的普通技术人员充分地传达本发明的实施例的构思。在下面详细的描述中，通过示例的方式阐述了多处具体的细节，以提供对相关教导的充分理解。然而，本领域技术人员应该清楚的是，可以实践本教导而无需这样的细节。在其它情况下，以相对高的层次而没有细节地描述了公知的方法、步骤、组件和电路，以避免使本教导的多个方面不必要地变得模糊。附图中的同样的标号表示同样的元件，因此将不重复对它们的描述。在附图中，为了清晰起见，可能会夸大层和区域的尺寸和相对尺寸。
现在将在下文中参照附图更充分地描述本发明。
图3是示出了根据本发明的一个实施例的焊球300的结构示意图。
参照图3，根据本发明的当前实施例的焊球300包括焊料合金层301、被焊球合金层301包围的壳体302以及位于壳体302内部的相变材料。根据本发明的BGA封装件用焊球的焊料合金层301可以采用本领域常用的材料，在此不作特别限定。如图3所示，根据本发明该实施例的壳体302为空心壳体，用来维持填充在壳体302内部的相变材料303的形状。另外，根据本发明的一个实施例，焊球300的壳体302可以由塑料制成。根据本发明的另一实施例，焊球300的壳体302可以由高熔点金属材料制成，例如，由铜或铝制成。
根据本发明的BGA封装件用焊球，其壳体302内部的相变材料303用来吸收经由焊球的焊料合金层301和壳体302传递的由芯片产生的热量。具体地讲，根据本发明的BGA封装件用焊球，其壳体内部的相变材料具有在一定温度范围内改变其物理状态的能力。以相变材料发生固—液相变为例，在相变材料被加热到熔化温度时，相变材料产生从固态到液态的相变，在熔化的过程中，相变材料吸收并储存大量的潜热；当相变材料冷却时，储存的热量在一定的温度范围内要散发到环境中去，进行从液态到固态的逆相变。在这两种相变过程(即，固—液相变和液—固相变)中，所储存或释放的能量称为相变潜热。相变材料在物理状态发生变化时，其自身的温度在相变完成前几乎维持不变，从而形成一个宽的温度平台，因此，虽然相变材料的温度不变，但吸收或释放的潜热却相当大。
根据本发明，相变材料为相变点低但热分解温度高的物质，例如，聚乙二醇、亚甲基二苯二异氰酸酯和/或聚乙二醇共聚物等。然而，本发明不限于此；本领域技术人员可以在本发明的教导下选择其它合适的能够用于本发明的相变材料的材料示例。
图5A是使用根据本发明的焊球的BGA封装件的一般使用状态的示意图，图5B是使用根据本发明的焊球的BGA封装件在焊球发生相变后的状态的示意图。
参照图5A，在BGA封装件的芯片20产生热后，由于焊球300的热导率大于EMC50的热导率，所以从芯片20产生的热主要通过焊球300进行传递。图5A中的右图示出了左图的BGA封装件中的被圈出的部分(即，一个焊球300)的放大图。焊球300因接收芯片20产生的热而使壳体302内部的相变材料303的温度升高，当芯片产生的热量不足以使焊球300内部的相变材料303的温度达到相变点(即，相变材料303的相变温度)时，根据本发明的焊球300与普通焊球(例如，图1中的焊球30)一样沿如图5A右图中的箭头所指的方向仅会将热量F热传递至PCB40，而此时，芯片和PCB的温度不会有很大的升高，故它们的使用不会受到影响。
另一方面，参照图5B，当焊球内部的相变材料因吸收来自芯片的热而达到相变点的温度时，焊球内部的相变材料发生相变。图5B中的右图示出了左下图的BGA封装件中的被圈出的部分(即，一个焊球300)的放大图。此时，芯片20产生的大部分热量沿如图5B中的箭头所指的方向都被相变材料303所吸收，而相变材料303的温度却依然可以维持在相变点。因此，在BGA封装件的芯片产生大量热的情况下，根据本发明的焊球能够通过其内部的相变材料吸收这些大量的热F热而不会将热传递到PCB，从而使设置有根据本发明的BGA封装件的装置的温度控制特性更加出色。
图4是示出了根据本发明的另一实施例的焊球300’的结构示意图。
除了图4的焊球300’的壳体302的内部为网格结构之外，图4示出的焊球300’的结构与图3示出的焊球300的结构基本相同，因此，在这里省略了对相同部件的描述。下面将仅仅描述图4的焊球300’与图3的焊球300的结构的不同之处。
具体地讲，参照图4，与图3中的焊球300的内部空心的壳体302不同的是，焊球300’的壳体302的内部包括网格结构304，相变材料303分布在壳体302的网格结构304中。
与图3中示出的焊球300的壳体302一样的是，图4中的焊球300’的壳体可以为塑料壳或高熔点的金属壳(例如，铜壳或铝壳)。另外，与图3中示出的焊球300的相变材料303一样，图4中示出的焊球300’的相变材料303可以包括从由聚乙二醇、亚甲基二苯二异氰酸酯和聚乙二醇共聚物组成的组中选择的至少一种。
虽然未示出，但是图4示出的焊球在吸收由芯片产生的热时同样经历由图5A和图5B示出的状态的改变，为了简洁起见，在此省略了相同的描述。
下面将参照图3至图5B描述使用根据本发明的焊球的球栅阵列(BGA)封装件的热管理增强方法。
具体地讲，BGA封装件的芯片在工作过程中产生的热通过焊球进行传递，当焊球300(300’)的壳体302内部的相变材料303因吸收由芯片20产生的热而达到的温度低于相变材料的相变温度时，芯片20产生的热F热通过焊球300(300’)被传递至印刷电路板40；当焊球300(300’)的壳体302内部的相变材料303因吸收由芯片20产生的热而达到相变材料的相变温度时，相变材料发生相变并且继续吸收由芯片30产生的热，从而不使印刷电路板的温度升高。因此，根据本发明，能够使BGA封装件更好地管理由芯片产生的热。
图6是示出了使用根据现有技术的焊球和根据本发明的焊球的装置和PCB的温度随使用时间变化的关系图。
如图6所示，在芯片工作开始的一段时间内，使用传统技术的焊球的装置和PCB的温度与使用根据本发明的焊球的装置和PCB的温度之间的差异不大，而随着使用时间的增加，使用根据本发明的焊球的装置和PCB的温度的升高明显少于使用传统技术的焊球的装置和PCB的温度的升高，这是因为使用根据本发明的焊球的装置和PCB因焊球内部的相变材料发生了相变而仍然能够吸收由芯片产生的大量的热，但是使用传统技术的焊球的装置和PCB由于芯片产生的热持续被传递到PCB而使得温度继续升高。因此，根据本发明的焊球因在壳体内部设置了储热高且在相变过程可保持相变温度特性的相变材料，使得与使用普通焊球的设备相比，在相变点附近可以将温度保持更长的时间，设备的温度控制更加出色。
虽然已经参照本发明的示例性实施例具体地示出并描述了本发明，但是本领域普通技术人员将理解，在不脱离如所附权利要求和它们的等同物所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以在此做出形式和细节上的各种改变。应当仅仅在描述性的意义上而不是出于限制的目的来考虑实施例。因此，本发明的范围不是由本发明的具体实施方式来限定，而是由权利要求书来限定，该范围内的所有差异将被解释为包括在本发明中。

Claims (9)

1.一种用于球栅阵列封装件的焊球，其特征在于所述焊球包括：
焊料合金层；
壳体，被焊球合金层包围；以及
相变材料，位于所述壳体的内部，吸收由封装件的芯片产生的热而发生相变，其中，当所述相变材料因吸收由芯片产生的热而达到的温度低于相变材料的相变温度时，芯片产生的热通过焊球被传递至印刷电路板，当所述相变材料因吸收由芯片产生的热而达到相变材料的相变温度时，相变材料发生相变并且继续吸收由芯片产生的热，从而不使印刷电路板的温度升高，
其中，所述相变材料包括从由聚乙二醇、亚甲基二苯二异氰酸酯和聚乙二醇共聚物组成的组中选择的至少一种。
2.根据权利要求1所述的焊球，其特征在于所述壳体为塑料壳。
3.根据权利要求1所述的焊球，其特征在于所述壳体为金属壳。
4.根据权利要求2或3所述的焊球，其特征在于所述壳体为空心壳。
5.根据权利要求2或3所述的焊球，其特征在于所述壳体的内部包括网格结构，所述相变材料分布在壳体的网格结构中。
6.根据权利要求3所述的焊球，其特征在于所述金属壳为铜壳或铝壳。
7.一种球栅阵列封装件，所述球栅阵列封装件包括多个根据权利要求1至6中任一项所述的焊球。
8.根据权利要求7所述的球栅阵列封装件，所述球栅阵列封装件还包括印刷电路板和设置在基板上的芯片，其中，所述多个焊球设置在印刷电路板和芯片之间，以连接印刷电路板和芯片。
9.一种根据权利要求8所述的球栅阵列封装件的热管理增强方法，所述方法包括下述步骤：
球栅阵列封装件的芯片在工作过程中产生的热通过焊球进行传递，当焊球的壳体内部的相变材料因吸收由芯片产生的热而达到的温度低于相变材料的相变温度时，芯片产生的热通过焊球被传递至印刷电路板；
当焊球的壳体内部的相变材料因吸收由芯片产生的热而达到相变材料的相变温度时，相变材料发生相变并且继续吸收由芯片产生的热，从而不使印刷电路板的温度升高。
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