CN106104795A - 使用局部热源的集成电路芯片附接 - Google Patents

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Abstract

描述了使用局部热源的集成电路芯片附接。在一个示例中，内插件具有连接至硅部件的顶侧和连接至电路板的底侧，顶侧具有多个接触焊盘以使用焊料电连接至硅部件。内插件的多个加热器迹线具有连接端子。可移除控制模块附接在内插件和硅部件上方以将电流传导至加热器连接端子以加热加热器迹线、熔化内插件的接触焊盘上的焊料以及在部件与内插件之间形成焊点。

Description

使用局部热源的集成电路芯片附接
技术领域
本说明书涉及至外部板或插槽的集成电路附接，具体来说，涉及使用局部热源的附接。
背景技术
硅芯片部件例如CPU(中央处理单元)、GPU(图形处理单元)、控制器等使用部件的表面上的焊盘与外部连接器上的连接阵列(例如主电路板、测试板、或插槽)之间的互连接口。在BGA(球形栅格阵列)的情况下通常通过焊接、在LGA(连接盘栅格阵列)的情况下通常通过插槽来实现连接。在测试平台环境中，有时使用MPI(金属微粒互连)插槽来实现互连。在生产期间，当部件在它最后被发布之前移动通过不同的测试场景时，部件可连接到几个不同的测试夹具。此外，当部件移动通过不同的测试阶段时，每个电路板或插槽可被重新使用几次以测试不同的部件。
不同的公共连接系统提供了适用于不同应用的特定特征。BGA连接(其中焊料附接部件)是非常可靠的并提供良好的高速信号传输性能。然而，焊接在受控的出厂设置中完成。焊料连接的再加工需要利用专用设备和训练的受控的出厂设置。
LGA连接提供极大的灵活性。部件可在制造过程的任何点处安装在插槽中，并容易在现场更换。然而，LGA插槽中的触点易于损坏，致使昂贵的印刷电路板不工作。此外，插槽降低了高速信号性能。通过插槽的触点和路径为信号增加了显著的阻抗和串扰。额外的阻抗造成了在接触中的显著功率损耗，从而降低功率效率。
MPI插槽是昂贵的，且不适合于大批量生产。连接经受断开的触点、高阻抗，并且当用于测试设备时可能是不可靠的。
附图说明
通过示例的方式而不是通过限制的方式在附图的图中例示了本发明的实施例，在附图中，类似的附图标记指代类似的元件。
图1是根据实施例的控制模块和电路板的等距分解图。
图2是根据实施例的图1中的控制模块和电路板的等距组装图。
图3是根据实施例的将热沉附接至电路板的等距分解图。
图4是根据实施例的内插件(interposer)的加热器迹线层的顶部正视图。
图5A是根据实施例的在电路板上安装硅部件的工艺流程图。
图5B是根据实施例的在电路板上安装硅部件的控制模块操作的工艺流程图。
图6是根据实施例的从电路板移除硅部件的工艺流程图。
图7是根据实施例的加热器温度控制电路的框图。
图8A是根据实施例的具有一个加热器元件的电阻加热器迹线的图。
图8B是根据实施例的具有两个加热器元件的电阻加热器迹线的图。
图8C是根据实施例的具有三个加热器元件的电阻加热器迹线的图。
图9A是根据实施例的替代的控制模块和电路板的等距分解图。
图9B是根据实施例的图9A中的部分横截面和电路板中的控制模块的等距组装图。
图10是根据实施例的外部电源模块和接口模块的图。
图11是根据实施例的包括经测试的半导体管芯的计算设备的框图。
具体实施方式
如本文中所描述的，可以在允许硅芯片部件的附接和重新附接的电路板上形成直接的焊料连接。可以在电路板上直接形成触点阵列。随后利用焊料将部件直接附接至板。这消除了LGA和MPI触点以用于较高的可靠性、耐用性和信号完整性。
加热器被设计到电路板中以使焊料回流并创建可靠的焊点。在可在任何地方使用的可重新使用的模块化设备中提供加热器的控制机构。这去除了对工厂工具的任何依赖性。它也消除了对集成到每个母板中的控制电路进行集成的花费。
利用模块化的加热器控制电路，工厂或现场中的技术人员可安装或更换硅芯片部件。模块化的加热器控制电路可以被配置为使用来自母板或外部源的功率来驱动控制并驱动加热器元件。模块化设备可以被配置为向加热器电路提供受控电流以使得插槽基板上的焊球回流。母板或插槽上的特征部可用于定位硅芯片部件以进行可靠的互连。当完成时，技术人员可移除并重新使用模块化设备。
图1是将使用控制模块100附接至电路板的部件的等距分解图。电路板106(例如母板或测试夹具板)具有由连接盘或焊盘构成的连接栅格107。焊料可预先涂敷到这些连接盘以用于附接部件109。加热器迹线(未示出)围绕连接栅格的接触点形成在母板上。当电流被驱动通过加热器迹线时，迹线产生足够的热量来熔化焊料连接以将部件109附接至母板或从母板移除部件。代替直接在母板上形成的连接盘或焊盘，可使用内插件。内插件可以是以插槽、多层电路板、硅板的形式，或可使用任何其它适当的内插件。在具有内插件的情况下，使用表面安装或焊料回流技术将内插件附接至电路板。部件109随后附接至内插件，如下面所描述的。内插件可包含至部件的连接器、加热器迹线和连接至母板的布线层中的全部。
可以是任何硅管芯或封装器件的部件109被放置在电路板106上的连接盘107上方。各种不同的对准特征部108中的任一个可附接至电路板以引导部件与连接盘正确地对准。在所例示的示例特征部中，在这种情况下，提供对准角以允许部件浮动并与焊盘自动对准。取决于实施方式，电路板可配置有位于电路板上的配线迹线以通过连接盘将部件连接到外部部件以用于测试或用于操作。还可以存在电阻器和其它无源器件(未示出)以支持部件、电源线和附接至电路板的其它器件。
安装模块是以包括它自己的控制器板101的组件的形式，控制器板101安装至承载控制器板和包括用于控制加热过程的电路的其它部件146的电源底架110。控制器板承载有源或无源部件146或这两者以控制电流从母板到母板上的加热元件的流动。弹簧顶针102安装到底架的每个角并延伸穿过控制器板。在这种情况下，示出了四个顶针，但可使用更多或更少的顶针或者可使用除了弹簧顶针以外的不同的对准系统。弹簧顶针将控制器板互连至电路板上的电连接器112。如示出的，电连接器是连接至弹簧顶针上的触点的简单的铜连接盘，然而，可使用各种其它电连接器中的任一个。弹簧顶针还用作对准顶针以使控制模块与电路板上的对准特征部108对准，然而，可使用各种对准方案中的任一个。弹簧顶针可用于从母板接收功率并且也向加热器迹线供应功率。替代地，可针对这些功能中的一个或两者进行外部连接。
顶板114承载用于对控制模块的操作进行控制的开关105。顶板安装在电源底架上方并使用卡扣到狭槽(未示出)中的柔性翼片126和可移除的推压铆钉103附接至电源底架。推压铆钉使用弹簧来帮助在移除过程期间将封装器件提升离开板。顶板为了安全而覆盖电源底架和所有部件并提供舒适的抓握表面来保持并移动控制模块。顶盖122、124允许内插件被抓握以在部件被移除时拔取部件。
模式控制开关105设置控制模块以用于安装和移除。在该示例中，模式控制开关具有倾斜圆形表面以接合顶板上的配合的倾斜表面并将开关连接至顶板。连接至电源底架的连接接线柱122延伸穿过顶板以便也附接至控制开关。以这种方式，控制开关具有安装至顶板的卡销并且也附接至电源底架。这将顶板保持在电源底架与开关之间。可移除的推压铆钉也将顶板保持到电源底架。替代地，顶板和电源底架可以用各种其它方式中的任和方式紧固在一起。
推压铆钉116附接在电源底架的两侧中的每侧上。推压铆钉延伸穿过电源底架以接触母板。推压铆钉具有弹簧118以在正常使用期间将接触板110保持为远离母板。推压铆钉可从上向下逆着弹簧的阻力被推动以接触母板，并被按压穿过在原位与推压铆钉对准的连接孔142。推压铆钉锁到孔内以将电源底架保持在适当的位置上，直到被稳固地拉开以从孔中移除推压销(push pin)为止。使用支座、指旋螺钉、或其它用工具或免工具的方法的各种附接方法也可被使用。
当移除部件时，加热器迹线可被激活以熔化至母板的连接的焊料，并且推压铆钉弹簧可用于推动部件和控制模块124向上并远离母板。位于电源底架的底部上的翼片在侧面抓住部件，使得部件被控制模块向上拉起。如示出的，在电源底架的两个相对侧中的任一侧上有一个推压铆钉。存在用于保持部件的两个翼片，每个翼片位于电源底架的相对侧和与推压铆钉的相邻侧。拔取力和抓握特征部的应用的特定布置可适合于适应不同的部件和不同的附接配置。
图2是被完全组装和放置在母板106上并位于部件上方的控制模块100的等距视图。部件在控制模块下面并且在图中不是可见的。顶板114安装在电源底架110上方并防止与电源底架上的电连接部件直接接触。在一个示例中，部件(未示出)109弹扣到控制模块中的适当位置中并使用翼片124保持在适当位置上。随后使用弹簧顶针102和母板上的角对准特征部112的对准来将控制模块放置在母板上方。一旦控制模块在母板上方的适当位置上，控制模块就用于将部件焊接至母板。
在控制模块移动到适当位置之前，焊料可涂敷到母板连接栅格。在控制模块在适当位置上的情况下，弹簧顶针建立从母板上的电源板到控制模块内的电连接。来自母板的功率由控制模块提供给母板的加热器迹线或母板的内插件。
控制模块100的开关105具有两个位置：在12:00移除，在9:00安装。开关的安装和移除位置激活或去激活在移除期间提升板的部分的弹簧。控制模块可具有各种不同的经编程的电流或温度循环，该经编程的电流或温度循环由控制电路板上的集成电路部件来控制。这些循环可自主地运行，以使得用户不需要在加热循环期间监控控制模块。替代地，较简单的闭合、断开开关可用于控制至加热器迹线的功率。
一组LED被用作为控制模块的控制接口。存在用于“HOT”的第一LED 130。每当加热器迹线被供电时，这个LED就可被激活，以便指示系统处于危险或高温。存在被标记为“SAFE”的第二LED。这个LED可用于指示控制模块在适当的位置上，连接至母板和部件，以及温度对于用户触摸控制模块是安全的。第三LED被标记为“REFLOW”。这个LED可以是连续的或闪烁的以向用户指示焊接操作正在进行，并且不应以任何方式被中断。虽然这三个LED对控制模块的安全操作是足够的，但取决于特定的实施方式，可以存在更多或更少的LED。可使用其它类型的用户输出来代替所示出的那些。可使用更详细的显示系统，或可使用至操作员终端的无线或有线连接来将系统配置用于远程显示。
图3是使用上面所述的安装和对准特征部来将热沉放置在硅部件上方的等距视图。硅部件309在如上面所描述的一组角对准特征部308之间附接至印刷电路板306。取决于特定的实施方式，使用内插件板内的加热器迹线、印刷电路板、或插槽将部件焊接在适当的位置上。图3示出了控制模块的孔如何也可用于正常的热沉附接。
热沉316具有连接到母板中的相应的孔312内的位于至少两侧上的推压销318。这些是用于将控制模块保持在适当位置上的相同的孔。导热膏或其它导热材料被涂敷到部件309的顶部上。热沉随后被按压在部件的顶部上，并且推压销被按压直到底销314被按压穿过母板中的孔以将热沉保持在适当位置上为止。部件随后可以在没有过热的情况下在高速和高负载下工作。这样的热沉安装系统可用于测试或正常操作目的。
对于测试夹具，在测试完成之后，可通过在推压销上向上拉动来移除热沉。随后可以通过重新附接控制模块来移除部件。类似的方法可用于在现场更换硅部件。尽管热沉被示为具有金属散热鳍状物(例如铝鳍状物)的阵列的金属基座，但热沉可采用各种无源或有源形式中的任一种。更精确的热沉(例如液体冷却系统)可用于更精确地控制部件的温度。
图4是可与如本文中所描述的控制模块一起使用的加热器迹线的顶部平面图。加热器迹线可形成在内插件400(例如图1中的内插件107)中。替代地，加热器迹线可直接形成在电路板106上或在插槽中。加热器迹线嵌入在非常接近待焊接的连接点的材料内。在图4中，存在将被焊接到部件(未示出)的连接点406的阵列。加热器迹线在每个连接点之间以行404和列402延伸，出现为与由加热器迹线的热规则和设计规则可允许的一样靠近连接点。当加热器迹线被供电时，它们变热，对承载它们的印刷电路板进行加热，并通过板对电路板上的连接盘阵列的连接点进行加热。
加热器迹线可嵌入在内插件的任何适当的层(例如内插件的层2)中。加热器迹线加热内插件内的过孔，并通过过孔加热焊盘。加热器迹线可以位于能够加热过孔的内插件的任一内部层中。在图4的示例中，热量穿过板材料行进到过孔中并接着进入表面安装焊料隆起焊盘中。加热器迹线的特定配置可适合于适应助焊剂类型、助焊剂应用、和助焊剂数量。助焊剂提供介质以将热量从内插件板转移到待焊接的部件的底部。
图5A是如本文中所描述的将硅部件安装在母板上的工艺流程图。在部件可被安装之前，提供具有加热器迹线的连接点阵列。这可以通过将这些特征部构建到母板内或如上面所描述的通过构造具有球形栅格阵列(BGA)和位于BGA与连接盘之间的布线层的FR4(预浸渍)内插件以附接至母板来完成。当母板最初被组装时或在任何其它时间，内插件被安装在母板上。
图5中的过程从准备系统以使用如本文中所描述的控制模块开始。相应地，内插件在502处被焊接到母板、测试板、或其它基板上。如上面提到的，内插件可以由各种材料中的任一种制成。在一侧，它被配置为连接至母板。在另一侧，它被配置为焊接到硅器件部件。内插件还包括在连接至部件的连接焊盘、焊球、或连接盘附近或甚至周围的用于控制模块和加热器元件的连接。
内插件可以以常规方式被焊接到母板。此外在504处，任何其它部件被焊接到母板。特定的部件将取决于板的类型及其预期用途。这些其它部件可包括电压调节器、电源、或其它系统部件，例如存储器、图形、输入/输出集线器、和通信接口。
在506处，待安装的部件物品被插到内插件上。这可借助于例如在图1中所示出的集成的角对准特征部或任何其它对准或放置辅助设备来完成。角特征部确保部件上的连接点与内插件上的连接点的安全和适当的对准。
在508处，控制模块被设置在母板上并位于部件上方。这可以包括使弹簧互连顶针与母板上的电连接点对准。其还可以包括将推压铆钉按压到母板上的相应的孔中以将推压销和控制模块固定在板上或可选的附接方法。
在510处，控制模块连接到电源。这可以通过将母板连接至电源以使得控制模块通过弹簧顶针被供电来完成，或者这可以通过将电源直接连接至控制模块来完成。在连接电源的情况下，在512处，操作员使用模式控制来选择“安装”模式。
控制模块随后在514处发起焊料回流循环。在516处，控制模块将来自母板或另一外部源的电流施加到内插件的加热器迹线。迹线通过电阻加热而变热，并且该热量从迹线传播到连接焊盘和已经被涂敷到内插件或部件的焊料。
当控制模块的板载控制器使内插件中的加热器元件通电时，其还监控部件的温度以确保部件在用于低温焊料回流的温度范围内。控制模块对至加热器迹线的电流进行调节以维持期望温度。这个温度被选择为足以使焊料回流而不损坏部件、内插件或连接阵列。
可修改特定的温度以适应不同的材料、不同的用途、和不同类型的连接。作为示例，较低的温度、较少的稳健焊料可以用于附接至测试板，这是因为测试将在谨慎控制的条件下运行。对于运送到最终用户的产品，更稳健的、更高温度的焊料可用于抵抗运送的物理应变和操作温度变化，并且也用于持续最终产品期望的许多年。对内插件至母板所使用的焊料化合物也可影响对用于将内插件连接至部件的焊料化合物的选择。对内插件至部件接合点使用较低温度的焊料可允许较低温度的焊料回流而不影响内插件与母板之间的焊接。
在520处，回流指示器LED闪烁。控制模块可与各种不同的控制和显示系统配合。在所例示的示例中，使用一组LED。在这样的示例中，可以存在回流LED以指示回流过程在进行中。当回流过程结束时，则该LED将关闭。不同的闪烁循环可与所有LED一起使用以针对每个状态指示来指示不同水平。在522处，HOT指示器LED照亮以指示警告。HOT指示器可直接由所测量到的或监测到的温度或由其它条件控制。
当循环结束时，回流LED被关掉。HOT LED仍可指示系统太热而不能触摸，以及焊料仍然正在冷却。当温度已经达到安全水平时，则HOT led在524处熄灭并且SAFE LED在526处照亮以确认回流过程结束。此时，部件成功地连接至内插件并取决于实施方式而准备测试或操作。
在528处，操作员通过在弹簧顶针上按压并从母板中的推压销的配对孔中拉出推压销来移除控制模块。在530处，热沉可以可选地附接到部件。在图3的示例中示出了特定的便捷附接机构。也可进行其它准备，并且具有所安装的部件的母板可被安装到测试系统或计算系统内以进行使用。
图5B是仅示出控制模块的操作的将部件附接至电路板的工艺流程图。在552处，控制模块接收回流使能信号。如果控制模块被这样配备，则该信号可来自选择器开关105的定位。替代地，取决于控制模块的操作的具体实施方式，信号可来自各种其它控制系统中的任一个。在554处，一旦接收到回流使能信号，控制模块就发起回流循环。这个循环可以是将部件与内插件连接或断开。控制模块可包括针对不同的器件类型和针对焊料和去焊剂包含各种热分布(profile)的MCU(微控制器单元)。MCU可以根据内插件检测适当的分布，并对通过加热器的电流流动进行控制以创建适当的温度循环来焊接部件或使部件去焊。
在图2的示例中，控制模块附接至电路板并被放置在硅部件上方。控制模块和部件被放置在内插件上方。内插件转而连接至电路板。内插件具有接触焊盘以电连接至硅部件的焊盘。在回流之后，部件和内插件被焊接在一起。替代地，控制模块熔化焊料连接以允许部件被移除。
在556处，控制模块将来自控制模块的电流施加到内插件的加热器连接端子。加热器连接端子耦合至内插件的电阻加热器迹线。加热器对内插件的接触焊盘上的焊料进行加热以使该焊料回流以产生或中断焊料连接。电流可由至电路板的连接或从另一外部源的连接提供。
在558处，控制模块可激活回流指示器信号。可以存在其它信号，例如高温警告、特定的温度指示、定时器、或任何其它期望的信号。在本文中示出了一小组LED，但指示器可以以其它形式。
在560处，控制模块完成回流循环。因此，在562处，电流施加停止。这可以伴随有在564处熄灭回流指示器信号，这指示安全温度或其它指示。在回流循环已经结束之后，可移除控制模块。此外，如果回流循环是用于移除部件的，则部件可被移除。
图6是使用控制模块从内插件板移除部件的工艺流程图。如同安装一样，没有回流炉并且没有使用大设备。可以仅使用控制模块和足以通过加热器迹线来使焊料回流的电源来安装和移除部件。
部件移除类似于安装，除了控制模块的控制被设置为“移除”以外。这允许与弹簧顶针同轴的弹簧在部件上施加向上的压力。当焊料已经足够熔化以释放部件与内插件之间的附接时，弹簧的压力随后用于从电路板移除部件。
在602处开始，从部件移除热沉(如果存在一个热沉)。同时，从部件的顶部移除任何其它附件或连接。这允许触及部件的顶部，并且在604处，控制模块被设置在板上并位于部件上方。如同安装一样，弹簧顶针连接至板的电源连接盘，并且推压铆钉固定至电路板。
在控制模块被附接并位于部件上方的适当位置上时，在606处，母板连接至电源。电源可以可选地在放置控制模块之前进行连接或可简单地保持在适当位置上。
在608处，操作员利用控制模块开始移除过程。在所例示的示例中，这可以通过将选择器旋转到控制模块上的移除模式位置来完成。控制模块接着在610处发起回流循环。类似于安装，对于回流过程，板载控制器在612处使内插件中的加热器元件通电，并在614处还监控并调节用于焊料回流的温度。
在过程期间，回流指示器在616处闪烁。在系统由于加热器元件而变热之后，HOTLED还在618处照亮。在620处，在回流过程期间，在所例示的示例中，当焊料熔化时，弹簧顶针的弹簧在部件上施加向上的压力，以便从板移除部件。控制模块物理地连接至部件。在图1中，翼片124到达部件下方并抓住部件的下侧的一部分。弹簧的向上压力通过这些翼片转移到部件，以使得控制模块在部件上向上拉动。当焊料充分熔化时，焊料连接被释放并且弹簧将部件拉动远离内插件连接阵列。
在622处，回流LED在部件被释放之后或者在定时器消逝之后熄灭。HOT LED在回流循环完成并且系统已经冷却之后熄灭。当系统触摸起来安全时，SAFE LED在624处点亮。
操作员可接着在626处移除控制模块并在628处移除部件。这可以通过将这两者作为单个组件从母板提起来完成。随后可从控制模块释放部件。内插件连接阵列和部件连接阵列可接着在630处被清理掉过量的焊料、树脂、或任何其它材料。对于测试系统或为了修理操作系统，在632处使内插件准备用于另一部件的安装。作为示例，清理焊盘可被安装在控制模块中，清理循环被发起。焊盘可用于移除任何过量的焊料并准备新部件的安装。在其它情况下，内插件或部件或这两者可被更换或丢弃。部件或内插件的任何准备都可适合于适应任何特定的实施方式并被控制模块使用。
如示出的，与表面安装连接相比，内插件在板上需要非常小的额外空间。内插件需要比插槽小得多的空间。这增加了板设计的灵活性。内插件提供了比MPI插槽更可靠和有效的连接。也消除了LGA插槽所常见的在组装或维修期间的工厂和现场损坏的风险。
控制模块允许零件的最后一刻的配置，这增加了效率并使得系统工厂中的存货管理最小化。此外，如果CPU部件安装在有缺陷的板上，则至内插件的连接的可再加工性质允许昂贵的CPU部件被回收利用。控制模块也是小的和便携式的。这允许部件被更换，用于在现场在所安装的系统上进行升级或修理。系统不必返回到远程工厂或修理设施。
使用被供应到母板的功率，控制模块通过向例如BGA(球形栅格阵列)加热器提供恒定地控制的功率来电气地实现部件与内插件之间的焊料回流。控制模块包括用于维持加热器温度的电路。温度可由母板设置，或温度可由控制模块存储器设置。可在基板焊球回流过程期间的任何时间使用控制模块来设置和改变该加热器温度。
图7是加热器温度控制电路702的框图。其包括以内插件上的迹线的形式的加热器704，其通过功率MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)708和电流传感器710连接至DC(直流)电压源706。电流传感器信号通过RC低通滤波器712被馈送到HC(迟滞比较器)714的两个输入端中的一个。另一HC输入端耦合至设置加热器温度的TSS(温度设置信号)716。
焊料在热平衡条件下熔化，热平衡条件在这个示例中由闭环控制来维持。闭环保持被输送到加热器的功率恒定，而不考虑加热器电阻。控制电路还包括施加到比较器718的使能输入718。使能比较器将使能输入与温度设置信号进行比较，并且如果这两者都是有效的，则比较器输出被提供到功率MOSFET 708。使能输入718由外部控制开关(例如控制模块的旋转开关的回流位置)设置。使能输入通过激活功率MOSFET来激活加热器。这允许控制电路在封装更换或焊球回流过程开始时调节加热器。
当受控电路启动时，开关MOSFET导通并且RC滤波器的输出电容器开始被电流传感器信号充电。一旦电容器电压越过由TSS设置的上迟滞比较器阈值，迟滞比较器就使MOSFET关断并且RC滤波器电容器开始放电。当电容器电压越过下迟滞比较器阈值时，HC使MOSFET导通。这两个阈值设置用于回流过程的温度范围。MOSFET循环导通和关断以维持期望的加热器温度。在达到预设温度之后，加热器在热平衡条件下工作，直到封装移除或其它回流过程完成并且使能信号被无效为止。
由于低通滤波器的输出信号与来自MOSFET的平均电流电平成比例，因此在加热器中产生的功率保持不变。由MOSFET输送到加热器的功率等于恒定输入电压和由加热器消耗的平均电流的乘积。因为开关MOSFET耗散非常少的功率，因此从输入电源消耗的几乎所有功率都被供应到加热器。在导通(ON)状态中，跨MOSFET的电压接近于零。在关断(OFF)状态中，经过MOSFET的电流接近于零，因此MOSFET耗散非常小的功率。
各种不同的温度和电流控制和调节系统可用于向加热器迹线提供电流。可使用更复杂和更简单的系统。图7中的示例仅被提供为示例。尽管在图7的示例中，在回流过程期间维持单个温度，但该温度替代地可在回流过程期间改变。可根据时间或温度图来提高温度。可通过根据期望改变阈值来在任何期望的模式下维持或减小温度。在另一实施方式中，可使用闭环切换来控制加热器温度。可基于对加热器温度传感器信号与参考水平进行比较来使用不同的脉冲宽度调制(PWM)设置以切换MOSFET的占空比。
可以用各种不同方式中的任何方式实现加热器。图4示出了包围每个接触焊盘406的蛇形迹线402、404，因为其缠绕内插件的层而不接触接触焊盘。如示出的，迹线在内插件的接触焊盘406之间和周围穿过。所示出的连接焊盘是用于与硅器件部件连接的那些连接焊盘。
为了在较低电源电压下在加热器中产生所需要的功率电平而不使用升压调节器，可使用一个或多个开关来将加热器迹线划分成可联合地或单独地进行控制的N个相等的区段，以在不同的加热器区域中提供不同的温度。每个区段的电阻都可被描述为Rt/N，其中Rt是加热器迹线的总电阻，并且N是区段的数量。通过并联连接所有加热器区段以用于联合控制，等效加热器电阻比每个区段的电阻低N倍。等效加热器电阻RtE＝Rt/N2。
图8A示出了具有Rt的总电阻的电阻加热器迹线806的示例。加热器具有两个加热器端子功率连接802、804以形成单个连续加热器元件。
在图8B中，存在并联地连接至两个单独的电阻加热器迹线区段816、818的端子功率连接812。这两个迹线也都并联地连接至第二功率端子814。这两个区段形成等效电阻R/22＝R/4。类似地在图8C中，两个加热器端子功率连接822、824并联地连接至三个单独的加热器迹线区段826、828、830。这产生R/32＝R/9的等效电阻。将加热器迹线划分成多个区段并将它们并联连接允许在较低电源电压下产生相同的加热器功率。高电压加热器的热量可在较低电压下进行匹配。这允许在通常用于电子设备母板的电压电平下产生回流温度。
可以例如通过比较高(V1)电压电平和低(V2)电压电平并接着将功率设置为相等来示出这个原理：
P＝V1 2/Rt＝V2 2/RtE＝(N2xV2 2)/Rt
相应地，在V2下获得的相同功率电平可在V1/N下获得。作为在具有电阻Rt＝24Ω的原始加热器迹线中产生24W功率的示例，需要24V的电压源V1。如图8B中示出的将加热器迹线划分成两个相等的区段并并联连接这两个区段减小了需要的电压。考虑12V的源作为V2。RtE＝Rt/N2＝24/22＝6；P＝V2 2/RtE＝122/6＝24W。
通过将加热器迹线划分成相等的区段并将它们并联连接(如图8B和图8C中所示出的)，电压可以减小。这允许控制电路尺寸和成本降低，通过消除额外的转换器并使用在母板上可得到的现有电压源来增加它的效率。
图9A是替代的控制模块和母板组合的等距分解图。电路板902具有使用表面安装或焊料回流技术附接至电路板的内插件904。部件906随后被放置在内插件上方。内插件可包含至部件的连接器、加热器迹线和连接至母板的布线层中的全部。具体来说，内插件具有加热器连接件920以连接至控制模块的弹簧顶针来独立地驱动内插件的每个加热器迹线。部件906被放置在内插件上的连接盘上方并通过分度(indexing)特征部、粘合剂或任何其它特征部保持在适当位置上。
电路板904包括很多其它特征部(未示出)以支持各种外部部件中的任何部件并连接至功率器件、数据器件、I/O器件和其它器件。电路板还包括对准角912以便当附接内插件时将内插件保持在适当位置上，并且还有助于对准控制模块932的对准销910。除了角以外，电路板包括接合控制模块上的三个对应的接线柱918的三个栓(peg)916。接线柱被放置在栓上方以将控制模块保持在适当位置上。
控制模块932具有控制电路914和用于从外部电源接收功率的功率连接器924。该接收到的功率可用于运行控制电路或驱动内插件的加热器迹线或两者。盖926覆盖控制电路并提供用户接口928。
图9B是在部件(未示出)和内插件904上方的适当位置上的相同控制模块的等距和横截面图。在一侧的弹簧顶针930是清晰可见的，并进行从控制模块电路到内插件上的连接器的电连接。在该示例中，连接直接至内插件的加热器迹线。然而，连接可以替代地至电路板，以使得电路板进行至加热器迹线的连接。如果电路板用于向控制模块和向加热器迹线供应功率，则将弹簧顶针连接至电路板可能是有用的。在该示例中，从控制模块提供外部功率连接924，以使得至加热器迹线的直接连接更简单，但这不是必需的。
类似于将处理器插入插槽内，在修理期间或在制造流程中，处理器906被放置到内插件904上。助焊剂被施加到内插件。内插件上的对准特征部对准处理器以用于正确焊接。包含控制器914的安装工具932被安装到板上。回流循环由操作员发起，并且分布进行，使处理器回流到板。内插件是主母板构造的一部分并且已经焊接到母板上，但是它可经由再加工过程在稍后进行附接。使用对准特征部、用手或可能经由安装工具将处理器插到内插件中。控制模块932位于板上。控制器的特征部与板的特征部配合，并利用螺丝或任何适当的方法来固定。板的特征部可以是如图3中所示出的热沉安装支座。
通过软件或模式开关来在控制模块上选择安装模式。随后作为响应通过软件或模式开关来发起回流。在回流操作期间，回流指示器928闪烁，热指示器告诉操作员等待，随后安全指示器照亮，以指示模块可被安全地移除。
当回流指示器闪烁时，控制模块通过弹簧顶针向加热器迹线发送激发电流。加热器迹线开始对激发电流做出响应。传感器迹线也响应于加热器迹线的提高的温度而开始变热。
控制器914通过其它弹簧顶针向传感器迹线提供精确电流。为了更好的灵活性并且为了对母板铜密度和布局中的差异进行补偿，传感器迹线与加热器迹线段对准以允许对区域的单独控制。内插件的传感器层允许对加热器区域的准确的温度测量和闭环控制。
控制器914监控电压(其代表传感器迹线的平均温度)，以控制加热器电流并确保达到适当的温度以满足焊料回流分布。控制器完成分布，并管理任何控制器接口LED指示器928。热沉组件可以是最后的安装步骤。
图10是被设置在电路板950上的部件和内插件上方的较简单的接口模块952的图。接口模块耦合至外部电源模块960。图10中所示出的零件、布局、和布置与图9A和9B中的零件、布局、和布置相同，除了加热器驱动和控制驻留在外部模块960上以外。控制器组件位于电源模块960内，而接口模块952具有将信号从电缆连接传送到弹簧顶针的接口板。换句话说，上面所描述的控制模块被划分成两个单独的部件、安装在电路板上的较简单的接口部件、和使用电缆连接至接口的外部智能部件。取决于空间限制和其它要求，外部部件可替代地以其它方式进行连接，包括使用直接物理连接器直接在接口部件上方连接。
电力电缆连接器956耦合至电源模块的电源输出端962。电源输出端提供加热器驱动电流。接口模块的传感器信号输出端958向电源模块的信号连接器964提供传感器信号。接口模块的信号连接器也可驱动用户接口LED 954和任何其它功能连接。电源模块的外部电源连接器962接收外部DC电源、或AC电源以为电源模块供电，并提供功率以向加热器迹线和接口模块952中的任何部件馈送。如果外部电源是AC，则DC转换器可被构建在电源模块中。
在图10的实施方式的情况下，控制电路和电源来自外部电源模块。至内插件和用户接口的连接位于接口模块中。用户接口也可从接口模块移动到电源模块。如在其它实施方式中所示出和所描述的，控制模块被设计为与母板在一起，以使得其在处理器和内插件上方适配并连接至内插件。控制模块和母板也被设计为使得母板上的其它零件并不与控制模块的附接、移除、和使用干扰。在当前示例中，代替设计控制器以适配到与部件一起安装在板上的模块中，外部电源模块通过插入只提供连接、保护、对准、和用户指示器的较简单的接口模块内来与任何部件和印刷电路板的组合一起工作。接口模块设计和构建起来较为简单，这是因为所有控制和功率电路都被移除。
图11例示了根据本发明的一个实施方式的计算设备11。计算设备11容纳板2。板2可包括多个部件，包括但不限于处理器4和至少一个通信芯片6。处理器4物理耦合和电耦合至板2。在某些实施方式中，至少一个通信芯片6也物理耦合和电耦合至板2。在另外的实施方式中，通信芯片6是处理器4的部分。
取决于其应用，计算设备11可包括可以物理耦合和电耦合至板2的其它部件，也可以不存在这样的耦合。这些其它部件包括但不限于易失性存储器(例如DRAM)8、非易失性存储器(例如ROM)9、闪存(未示出)、图形处理器12、数字信号处理器(未示出)、密码协处理器(未示出)、芯片组14、天线16、显示器18(例如触摸屏显示器)、触摸屏控制器20、电池22、音频编解码器(未示出)、视频编解码器(未示出)、功率放大器24、全球定位系统(GPS)设备26、罗盘28、加速度计(未示出)、陀螺仪(未示出)、扬声器30、照相机32、和大容量存储设备(例如硬盘驱动器)10、光盘(CD)(未示出)、数字多功能盘(DVD)(未示出)等等。这些部件可连接至系统板2，安装至系统板、或与任何其它部件组合。
通信芯片6实现了用于数据往返计算设备11的传输的无线和/或有线通信。术语“无线”及其派生词可用于描述可通过使用穿过非固体介质的经调制的电磁辐射来传输数据的电路、设备、系统、方法、技术、通信通道等。该术语并非暗示相关联的设备不包含任何电线，尽管在某些实施例中它们可能不含有。通信芯片6可实现多个无线或有线标准或协议中的任何标准或协议，这些标准或协议包括但不限于Wi-Fi(IEEE 802.11系列)、WiMAX(IEEE 802.16系列)、IEEE 802.20、长期演进(LTE)、Ev-DO、HSPA+、HSDPA+、HSUPA+、EDGE、GSM、GPRS、CDMA、TDMA、DECT、蓝牙、以太网、它们的派生物、以及被命名为3G、4G、5G、和更高代的任何其它无线和有线协议。计算设备11可包括多个通信芯片6。例如，第一通信芯片6可专用于较短距离无线通信(例如Wi-Fi和蓝牙)，而第二通信芯片6可专用于较长距离无线通信(例如GPS、EDGE、GPRS、CDMA、WiMAX、LTE、Ev-DO等)。
计算设备11的处理器4包括封装在处理器4内的集成电路管芯。在本发明的某些实施方式中，处理器、存储设备、通信设备或其它部件的集成电路管芯包括利用如本文中所描述的内插件测试或安装的一个或多个管芯(如果需要的话)。术语“处理器”可以指代对来自寄存器和/或存储器的电子数据进行处理以将该电子数据转换成可被储存在寄存器和/或存储器中的其它电子数据的任何设备或设备的部分。
在各种实施方式中，计算设备11可以是膝上计算机、上网本、笔记本、超级本、智能电话、平板设备、个人数字助理(PDA)、超级移动PC、移动电话、台式计算机、服务器、打印机、扫描仪、监视器、机顶盒、娱乐控制单元、数字照相机、便携式音乐播放器、或数字视频记录器。在另外的实施方式中，计算设备11可以是处理数据的任何其它电子设备。
实施例可被实现为一个或多个存储器芯片、控制器、CPU(中央处理单元)、微芯片或使用母板互连的集成电路、专用集成电路(ASIC)、和/或现场可编程门阵列(FPGA)的一部分。
对“一个实施例”、“实施例”、“示例的实施例”、“各种实施例”、等等的提及指示这样描述的本发明的一个或多个实施例可包括特定的特征、结构、或特性，但不是每个实施例都必须包括该特定的特征、结构、或特性。此外，某些实施例可具有针对其它实施例所描述的特征中的某些、全部特征或不具有这些特征。
在下面的描述和权利要求中，可使用术语“耦合”连同其派生词。“耦合”用于指示两个或更多个元件彼此协作或相互作用，但它们可以具有或可以没有在它们之间的中间物理或电连接部件。
如在权利要求中使用的，除非另有规定，使用序数词“第一”、“第二”、“第三”等来描述共同的元件仅仅指示所指代的相似元件的不同实例，而并不旨在暗示这样描述的元件必须在时间上、空间上、排序上、或以任何其它方式按照给定的顺序。
附图和前述描述给出实施例的示例。本领域技术人员将意识到，所描述的元件中的一个或多个元件可以适当地组合成单个功能元件。替代地，某些元件可被分割成多个功能元件。来自一个实施例的元件可被添加到另一实施例。例如，本文中所描述的过程的顺序可以改变且不限于本文中所描述的方式。而且，任何流程图的动作不需要以所示顺序实现；所有动作也不一定需要被执行。此外，不取决于其它动作的那些动作可以与其它动作并行地执行。实施例的范围决不由这些特定的示例限制。很多变化(不管是否在说明书中被明确地给出)(例如在结构、尺寸、和材料的使用方面中的差异)是可能的。实施例的范围至少与所附权利要求所给出的一样宽。
以下示例涉及另外的实施例。不同实施例的各种特征可与被包括的某些特征和被排除的其它特征不同地组合以适应各种不同的应用。某些实施例涉及一种系统，包括：内插件，所述内插件具有连接至硅部件的顶侧和连接至电路板的底侧，所述顶侧具有多个接触焊盘以使用焊料电连接至所述硅部件；多个加热器迹线，所述多个加热器迹线位于具有连接端子的所述内插件中；以及可移除控制模块，所述可移除控制模块附接在所述内插件和所述硅部件上方，以便将电流传导至加热器连接端子以加热所述加热器迹线、熔化所述内插件的所述接触焊盘上的焊料以及在所述部件与所述内插件之间形成焊点。
另外的实施例包括所述控制模块的温度控制电路，以对被提供给所述加热器连接端子的电流进行控制。在另外的实施例中，所述温度控制电路包括比较器，以将所述内插件的所感测到的温度与阈值进行比较并基于比较结果来对至所述加热器连接端子的所述电流进行调节。所述温度控制电路包括功率晶体管，所述功率晶体管耦合至所述加热器迹线，并且其中，所述比较器具有耦合至电流传感器信号的第二输入，以使得所述功率晶体管在所述电流传感器信号低于选定电压时导通。
另外的实施例包括RC滤波器，所述RC滤波器位于所述电流传感器信号与比较器之间，以使得所述RC滤波器的电容器被所述电流传感器信号充电，并且所述功率晶体管在所述RC滤波器达到选定的充电电压之后关断。
在另外的实施例中，所述加热器迹线包括蛇形图案的导电迹线，所述导电迹线在所述内插件的接触焊盘之间穿过。所述控制模块还包括销，以使所述控制模块可移除地物理连接至所述电路板，所述销在所述部件的至少两个相对侧从所述控制模块延伸以连接至所述电路板。所述销通过延伸穿过形成在所述电路板中的孔并与所述孔接合来连接至所述电路板。
在另外的实施例中，所述控制模块还包括与所述电路板上的连接盘电连接的弹簧顶针以将电流从所述电路板传导至所述控制模块。所述控制模块还包括与所述内插件上的连接盘电连接的弹簧顶针以将电流从所述控制模块传导至所述加热器连接端子。
在另外的实施例中，所述控制模块还包括控制开关，以通过将电流传导至所述加热器连接端子来使所述控制模块开始焊料回流过程。所述控制模块还包括显示器，以指示所述控制模块是否正在操作焊料回流过程。所述多个加热器迹线并联连接至单个电源电压。
某些实施例涉及一种方法，包括：在控制模块处接收回流信号，所述控制模块附接至电路板并位于硅部件上方和内插件上方，所述内插件连接至所述电路板，所述内插件具有接触焊盘以电连接至所述硅部件的焊盘；发起所述控制模块的回流循环；将来自所述控制模块的电流施加到所述内插件的加热器连接端子，所述加热器连接端子耦合至所述内插件的电阻加热器迹线以使所述内插件的所述接触焊盘上的焊料回流；以及一旦完成所述回流循环就停止施加电流。
另外的实施例包括一旦发起所述回流循环就激活回流指示器信号。另外的实施例包括在发起所述回流循环之后激活热指示器信号以及在完成所述回流循环之后激活安全指示器信号。在另外的实施例中，施加电流包括通过所述控制模块将来自所述电路板的电流施加到所述内插件。另外的实施例包括调整所施加的电流以维持所述内插件的预定回流温度。
某些实施方式涉及一种装置，包括：从外部电源接收功率的电连接器；驱动内插件的加热器迹线以加热焊料连接并使部件附接至所述内插件的电连接器；接收热传感器信号以确定所述焊料连接的温度的电连接器；用户接口，所述用户接口接收发起焊接过程的命令并指示所述焊接过程完成；以及控制器，所述控制器接收所述命令、响应于所述命令将所接收到的功率施加到所述加热器迹线、基于所接收到的热传感器信号来控制所施加的加热器功率以在所述焊料连接中驱动焊料回流分布、以及为所述用户接口供电以指示所述焊接过程完成。
在另外的实施例中，所述装置可移除地附接至印刷电路板以驱动所述焊料回流过程以及将所述部件按压在所述电路板上。

Claims (20)

1.一种装置，包括：
内插件，所述内插件具有连接至硅部件的顶侧和连接至电路板的底侧，所述顶侧具有多个接触焊盘以使用焊料电连接至所述硅部件；
多个加热器迹线，所述多个加热器迹线位于具有连接端子的所述内插件中；以及
可移除控制模块，所述可移除控制模块附接在所述内插件和所述硅部件上方，以便将电流传导至加热器连接端子以加热所述加热器迹线、熔化所述内插件的所述接触焊盘上的焊料以及在所述部件与所述内插件之间形成焊点。
2.根据权利要求1所述的装置，还包括所述控制模块的温度控制电路，以对被提供给所述加热器连接端子的所述电流进行控制。
3.根据权利要求2所述的装置，其中，所述温度控制电路包括比较器，以将所述内插件的所感测到的温度与阈值进行比较并基于所述比较结果来对至所述加热器连接端子的所述电流进行调节。
4.根据权利要求3所述的装置，其中，所述温度控制电路包括功率晶体管，所述功率晶体管耦合至所述加热器迹线，并且其中，所述比较器具有耦合至电流传感器信号的第二输入，以使得所述功率晶体管在所述电流传感器信号低于选定电压时导通。
5.根据权利要求4所述的装置，还包括RC滤波器，所述RC滤波器位于所述电流传感器信号与所述比较器之间，以使得所述RC滤波器的电容器被所述电流传感器信号充电，并且所述功率晶体管在所述RC滤波器达到选定的充电电压之后关断。
6.根据权利要求1所述的装置，其中，所述加热器迹线包括蛇形图案的导电迹线，所述导电迹线在所述内插件的接触焊盘之间穿过。
7.根据权利要求1所述的装置，其中，所述控制模块还包括销，以使所述控制模块可移除地物理连接至所述电路板，所述销在所述部件的至少两个相对侧从所述控制模块延伸以连接至所述电路板。
8.根据权利要求7所述的装置，其中，所述销通过延伸穿过形成在所述电路板中的孔并与所述孔接合来连接至所述电路板。
9.根据权利要求1所述的装置，其中，所述控制模块还包括与所述电路板上的连接盘电连接的弹簧顶针以将电流从所述电路板传导至所述控制模块。
10.根据权利要求9所述的装置，其中，所述控制模块还包括与所述内插件上的连接盘电连接的弹簧顶针以将电流从所述控制模块传导至所述加热器连接端子。
11.根据权利要求1所述的装置，其中，所述控制模块还包括控制开关，以通过将电流传导至所述加热器连接端子来使所述控制模块开始焊料回流过程。
12.根据权利要求11所述的装置，其中，所述控制模块还包括显示器，以指示所述控制模块是否正在操作焊料回流过程。
13.根据权利要求1所述的装置，其中，所述多个加热器迹线并联连接至单个电源电压。
14.一种方法，包括：
在控制模块处接收回流信号，所述控制模块附接至电路板并位于硅部件上方和内插件上方，所述内插件连接至所述电路板，所述内插件具有接触焊盘以电连接至所述硅部件的焊盘；
发起所述控制模块的回流循环；
将来自所述控制模块的电流施加到所述内插件的加热器连接端子，所述加热器连接端子耦合至所述内插件的电阻加热器迹线以使所述内插件的所述接触焊盘上的焊料回流；以及
一旦完成所述回流循环就停止施加电流。
15.根据权利要求14所述的方法，还包括：一旦发起所述回流循环就激活回流指示器信号。
16.根据权利要求14所述的方法，还包括：在发起所述回流循环之后激活热指示器信号以及在完成所述回流循环之后激活安全指示器信号。
17.根据权利要求14所述的方法，其中，施加电流包括通过所述控制模块将来自所述电路板的电流施加到所述内插件。
18.根据权利要求14所述的方法，还包括：调整所施加的电流以维持所述内插件的预定回流温度。
19.一种装置，包括：
从外部电源接收功率的电连接器；
驱动内插件的加热器迹线以加热焊料连接并使部件附接至所述内插件的电连接器；
接收热传感器信号以确定所述焊料连接的温度的电连接器；
用户接口，所述用户接口接收发起焊接过程的命令并指示所述焊接过程完成；以及
控制器，所述控制器接收所述命令、响应于所述命令将所接收到的功率施加到所述加热器迹线、基于所接收到的热传感器信号来控制所施加的加热器功率以在所述焊料连接中驱动焊料回流分布、以及为所述用户接口供电以指示所述焊接过程完成。
20.根据权利要求19所述的装置，其中，所述装置可移除地附接至印刷电路板以驱动所述焊料回流过程并将所述部件按压在所述电路板上。
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