CN108566727A - 一种基于bga的电子器件及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于BGA的电子器件及其制作方法，涉及电子技术领域。本发明提供的电子器件包括的绝缘基板上设置有多个通孔，通孔内填充有导电结构，导电结构由室温自固化导电复合材料在室温下自固化形成，电子元件与导电结构的一端电连接，绝缘基板的一面上设置有多个导电球，导电球由室温自固化导电复合材料在室温下自固化形成，导电球与导电结构的另一端电连接，印刷电路板与导电球电连接；按重量百分比计，室温自固化导电复合材料由70％～88％的低熔点金属，以及12％～30％的高熔点粉末部分合金化形成。本发明的技术方案能够使基于BGA的电子器件的制作方法简单，且成本较低。
Description
技术领域
本发明涉及电子技术领域，尤其涉及一种基于BGA的电子器件及其制作方法。
背景技术
为了使电子器件的集成度更高，目前存在一种BGA(Ball Grid Array，球栅阵列)封装技术，在基于BGA的电子器件中均采用了“多孔基板-焊锡球”这一结构。这一结构中，基板为绝缘材料，在基板上钻通孔并使用电镀法使通孔金属化满足导电需要，再将焊锡球熔焊在焊盘上形成触点。
发明人发现，在电镀过程中，首先在通孔的内壁上进行种子层的附着，然后再在种子层上电镀铜，以使通孔导电，工艺较复杂，且成本高。
发明内容
本发明提供一种基于BGA的电子器件及其制作方法，可以使基于BGA的电子器件的制作方法简单，且成本较低。
第一方面，本发明提供一种基于BGA的电子器件，采用如下技术方案：
一种基于BGA的电子器件包括：
绝缘基板，所述绝缘基板上设置有多个通孔，所述通孔内填充有导电结构，所述导电结构由室温自固化导电复合材料在室温下自固化形成；
至少一个电子元件，所述电子元件与所述导电结构的一端电连接；
多个导电球，所述导电球位于所述绝缘基板的一面上，且与所述导电结构的另一端电连接，所述导电球由室温自固化导电复合材料在室温下自固化形成；
印刷电路板，所述印刷电路板与所述导电球电连接；
其中，按重量百分比计，所述室温自固化导电复合材料由70％～88％的低熔点金属，以及12％～30％的高熔点粉末部分合金化形成；所述低熔点金属的熔点在30摄氏度以下，所述高熔点粉末的熔点在500摄氏度以上。
可选地，所述低熔点金属为镓单质或者镓铟合金。
可选地，所述低熔点金属为镓铟合金，按重量百分比计，所述镓铟合金由75％～85％镓和15％～25％铟组成。
可选地，所述高熔点粉末为高熔点金属粉末，所述高熔点金属粉末包括镍粉、铁粉中的一种或两种。
可选地，所述高熔点金属粉末为镍粉，按重量百分比计，所述室温自固化导电复合材料由75％～83％的低熔点金属，以及17％～25％的镍粉部分合金化形成。
可选地，所述高熔点金属粉末的粒径为10nm～1μm。
第二方面，本发明实施例提供一种基于BGA的电子器件的制作方法，采用如下技术方案：
所述制作方法包括：
步骤S1、按重量百分比计，称取70％～88％的低熔点金属，以及12％～30％的高熔点粉末，并使二者进行部分合金化形成室温自固化导电复合材料，其中，所述低熔点金属的熔点在30摄氏度以下，所述高熔点粉末的熔点在500摄氏度以上；
步骤S2、提供一绝缘基板，在所述绝缘基板上形成多个通孔；
步骤S3、在所述通孔内填充室温自固化导电复合材料，且在所述通孔一端使室温自固化导电复合材料堆积成球形；
步骤S4、使所述通孔内填充的室温自固化导电复合材料在室温下自固化，形成导电结构，且使堆积成球形的室温自固化导电复合材料在室温下自固化，形成导电球；
步骤S5、提供至少一个电子元件；
步骤S6、使所述电子元件与所述导电结构的一端电连接；
步骤S7、提供印刷电路板，使所述印刷电路板通过所述导电球与所述导电结构的另一端电连接。
可选地，在步骤S4中，通过超声、加热或通直流电流的方式，加速自固化。
可选地，步骤S3中，通过微针头挤压的方式在所述通孔内填充室温自固化导电复合材料。
可选地，步骤S1中，通过将所述低熔点金属和所述高熔点粉末混合后进行球磨或者立式捏合的方式，使二者进行部分合金化形成室温自固化导电复合材料。
本发明提供了一种基于BGA的电子器件及其制作方法，该基于BGA的电子器件中，绝缘基板上设置有多个通孔，通孔内填充有导电结构，导电结构由室温自固化导电复合材料在室温下自固化形成，按重量百分比计，室温自固化导电复合材料由70％～88％的低熔点金属，以及12％～30％的高熔点粉末部分合金化形成，低熔点金属的熔点在30摄氏度以下，高熔点粉末的熔点在500摄氏度以上，从而使得在基于BGA的电子器件的制作过程中，在通孔内填充室温自固化导电复合材料，使通孔内填充的室温自固化导电复合材料在室温下自固化，即可形成导电结构，相比于现有技术中的电镀工艺，本发明的技术方案能够使基于BGA的电子器件的制作方法简单，且成本较低。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的基于BGA的电子器件的截面示意图；
图2为本发明实施例提供的基于BGA的电子器件的制作方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下本发明实施例中的各技术特征均可以相互结合。
本发明实施例提供一种基于BGA的电子器件，如图1所示，图1为本发明实施例提供的基于BGA的电子器件的截面示意图，该基于BGA的电子器件包括：
绝缘基板1，绝缘基板1上设置有多个通孔2，通孔2内填充有导电结构3，导电结构3由室温自固化导电复合材料在室温下自固化形成；
至少一个电子元件4，电子元件4与导电结构3的一端电连接；
多个导电球5，导电球5位于绝缘基板1的一面上，且与导电结构3的另一端电连接；
印刷电路板6，印刷电路板6与导电球5电连接；
其中，按重量百分比计，室温自固化导电复合材料由70％～88％的低熔点金属，以及12％～30％的高熔点粉末部分合金化形成；其中，低熔点金属的熔点在30℃以下，高熔点粉末的熔点在500℃以上。
上述导电球5可以与导电结构3的材质相同，即导电球5也由室温自固化导电复合材料在室温下自固化形成，如此设置可以使得导电球5和导电结构3可以在一次工艺中形成，简化电子器件的制作工艺，且导电球5和导电结构3之间无界面，电子传输性能较好。
室温自固化导电复合材料中含有三种成分，即低熔点金属、高熔点粉末以及两者的合金反应物。上述室温自固化导电复合材料实现室温自固化的原理如下：上述三种成分中，合金成分可诱发剩余的低熔点金属与剩余的高熔点粉末在室温下逐步发生合金反应，使得合金反应物在室温自固化导电复合材料中占比逐渐增大，进而使得室温自固化导电复合材料由粘稠状变化为固体。
示例性地，低熔点金属的重量百分比可以为：72％、74％、76％、78％、80％、82％、84％或者86％；高熔点粉末的重量百分比可以为：14％、16％、18％、20％、22％、24％、26％或者28％。
电子元件4与导电结构3的一端电连接的方式可以有多种，例如二者直接电连接，或者，二者通过在绝缘基板1上的走线(例如铜箔)电连接。
基于BGA的电子器件具有如上所述的结构时，在基于BGA的电子器件的制作过程中，在通孔2内填充室温自固化导电复合材料，使通孔2内填充的室温自固化导电复合材料在室温下自固化，即可形成导电结构3，相比于现有技术中的电镀工艺，本发明的技术方案能够使基于BGA的电子器件的制作方法简单，且成本较低。
本发明实施例中的绝缘基板1可以为玻璃基板、塑料基板、陶瓷基板等绝缘的基板。其中，当绝缘基板1为塑料基板(例如PET基板，PVC基板，PI基板等)时，绝缘基板1具有可挠曲、轻薄的特点，不仅可以减少电子设备的体积与重量，还可以适合各种形状的要求，使得基于BGA的电子器件可以应用于柔性电子设备中。基于此，采用本发明实施例中的室温自固化导电复合材料制作导电结构3时，还可以避免在室温自固化导电复合材料固化过程中对绝缘基板1的影响，有利于维持基于BGA的电子器件的结构和性能的稳定。
上述室温自固化导电复合材料在使用前呈具有一定粘稠度的液态，且使用后能够在室温下实现自固化，其中，低熔点金属和高熔点粉末的合金化程度越高，形成的室温自固化导电复合材料的粘度越大。
室温自固化导电复合材料的粘度具体可以通过低熔点金属的选材、高熔点粉末的选材、低熔点金属和高熔点粉末之间的比例，高熔点粉末的粒径等因素中的一个或多个进行调节，以最终得到合适本发明实施例中应用的室温自固化导电复合材料。
具体地，由熔点在30℃以下的低熔点金属和熔点在500℃以上的高熔点粉末部分合金化后形成室温自固化导电复合材料的方式如下：按一定比例将熔点在30℃以下的低熔点金属与熔点在500℃以上的高熔点粉末均匀混合一段时间，在混合的过程中可通过多种方式使熔点在30℃以下的低熔点金属与熔点在500℃以上的高熔点粉末中的部分发生合金反应(即部分合金化)。可选地，上述混合过程可以通过传统加热、高压电击或者球磨实现，以使熔点在30℃以下的低熔点金属与熔点在500℃以上的高熔点粉末中的部分发生合金反应。其中，由于在一定转速的球磨处理中可产生极高的能量，包括热能及机械能，其瞬时温度最大可达到1600℃以上，可满足多种金属的合金反应条件，并且球磨处理中其能量分布不均，更适于发生部分的合金反应，制备本发明实施例中的室温自固化导电复合材料。具体可采用行星球磨、搅拌球磨等球磨方式。可选地，球磨处理过程中：球磨转速为600～2000转/分钟；球磨时间为10～300分钟。
可选地，本发明实施例中熔点在30℃以下的低熔点金属包括：熔点在30℃以下的低熔点金属单质、低熔点金属合金或由低熔点金属单质/低熔点金属合金与金属纳米颗粒和流体分散剂混合形成的导电纳米流体。更为具体地，当选用导电纳米流体时，流体分散剂优选为乙醇、丙二醇、丙三醇、聚乙烯吡咯烷酮、聚二甲基硅氧烷、聚乙二醇、聚甲基丙烯酸甲酯中的一种。
低熔点金属合金成分可包括镓、铟、锡、锌、铋、铅、镉、汞、银、铜、钠、钾、镁、铝、铁、镍、钴、锰、钛、钒、硼、碳、硅、铯元素等中的一种或多种。
可选地，熔点在30℃以下的低熔点金属具体的选择范围包括：汞单质、镓单质、铯单质、镓铟合金、镓铟锡合金、镓锡合金、镓锌合金、镓铟锌合金、镓锡锌合金、镓铟锡锌合金、镓锡镉合金、镓锌镉合金、铋铟合金、铋锡合金、铋铟锡合金、铋铟锌合金、铋锡锌合金、铋铟锡锌合金、锡铅合金、锡铜合金、锡锌铜合金、锡银铜合金、铋铅锡合金中的一种或几种。
可选地，低熔点金属为镓单质、铯单质、镓铟合金、镓锡合金、镓铟锡合金等。进一步选择，低熔点金属为镓铟合金，按重量百分比计，镓铟合金由75％～85％镓和15％～25％铟组成。例如，按重量百分比计，低熔点金属由78.6％镓和21.4％铟组成，或者，低熔点金属由75％镓和25％铟组成。
可选地，本发明实施例中高熔点粉末为高熔点金属粉末，或者，高熔点粉末为高熔点金属粉末及其氧化物的混合物。
高熔点粉末为高熔点金属粉末时，本发明实施例中的高熔点金属粉末可包括锌粉、铜粉、铁粉、镍粉中的一种或几种组合。优选地，为了形成熔点较高的合金反应物，提高室温自固化导电复合材料固化后的耐温性，本发明实施例中可选用熔点在1000℃以上的高熔点金属粉末，例如铜粉、铁粉、镍粉中的一种或几种组合。优选地，本发明实施例中的熔点在1000℃以上的高熔点金属粉末选用纯净的铜粉、铁粉或者镍粉，以尽量避免杂质对合金化反应的影响。
可选地，高熔点金属粉末包括镍粉、铁粉中的一种或两种。以低熔点金属为镓单质或镓基合金为例，高熔点金属粉末为铁粉时，其与镓单质或镓基合金中的镓发生合金反应生成FeGa3，高熔点金属粉末为镍粉时，其与镓单质或镓基合金中的镓发生合金反应生成NiGa4。
在一个例子中，低熔点金属选用镓单质，高熔点金属粉末选用铁粉，其合金反应物为FeGa3。
在又一个例子中，低熔点金属选用镓铟合金，高熔点金属粉末选用镍粉，其合金反应物为Ni2Ga3、NiGa4、NiGa5、Ni3Ga7和InNi3中的一种或多种。
在又一个例子中，低熔点金属选用镓铟合金，高熔点金属粉末选用镍粉和铁粉，其合金反应物为FeGa3、Ni2Ga3、NiGa4、NiGa5、Ni3Ga7和InNi3中的一种或多种。
在又一个例子中，低熔点金属选用镓铟锡合金，高熔点金属粉末选用镍粉、铁粉和锌粉，其合金反应物为FeGa3、Ni2Ga3、NiGa4、NiGa5、Ni3Ga7、InNi3、Sn-Zn中的一种或多种。
在又一个例子中，低熔点金属选用镓铟合金，高熔点金属粉末选用铁粉和铜粉，其合金反应物为FeGa3和Cu-In中的一种或多种。
在此，本发明提供了多种低熔点金属与高熔点金属粉末的组合方案，本领域技术应该理解的除上述举例说明的组合方案之外，还可采用其他的组合方案，在此不再赘述。
示例性地，本发明实施例中选择，高熔点金属粉末为镍粉，按重量百分比计，室温自固化导电复合材料由75％～83％的低熔点金属，以及17％～25％的镍粉部分合金化形成。
发明人发现，高熔点金属粉末的粒径对室温自固化导电复合材料的导电性能、室温自固化导电复合材料的粘度(由高熔点金属粉末与低熔点金属合金化程度决定)、室温自固化导电复合材料的自固化时间等都有影响。可选地，高熔点金属粉末的粒径为10nm～1μm，进一步优选为20nm～100nm，以使室温自固化导电复合材料不仅具有合适的粘度以便于填充在通孔2中，还具有较好的导电性能，另外还能使室温自固化导电复合材料具有合适的自固化时间。其中，当被测颗粒的某种物理特性或物理行为与某一直径的同质球体(或组合)最相近时，就把该球体的直径(或组合)作为被测颗粒的粒径(或粒度分布)。
此外，本发明实施例提供一种基于BGA的电子器件的制作方法，具体地，如图2所示，图2为本发明实施例提供的基于BGA的电子器件的制作方法的流程图，该制作方法包括：
步骤S1、按重量百分比计，称取70％～88％的低熔点金属，以及12％～30％的高熔点粉末，并使二者进行部分合金化形成室温自固化导电复合材料，其中，低熔点金属的熔点在30摄氏度以下，高熔点粉末的熔点在500摄氏度以上。
可选地，在步骤S1中，通过将低熔点金属和高熔点粉末混合后进行球磨或者立式捏合的方式，使二者进行部分合金化形成室温自固化导电复合材料。低熔点金属和高熔点粉末部分合金化的过程如下：将低熔点金属与高熔点粉末均匀混合一段时间，在混合的过程中通过球磨或者立式捏合的方式提供能量，使低熔点金属与高熔点粉末中的部分发生合金反应(即部分合金化)。
在一个例子中，制作室温自固化导电复合材料的方法包括：向常温下为液态的低熔点金属中，按比例添加高熔点粉末，将低熔点金属和高熔点粉末的混合物置入球磨罐，进行球磨混合，球磨转速为600～1000转/分钟，球磨时间为20分钟～120分钟，优选为20分钟～60分钟，在球磨过程中，球磨罐内应为氩气或真空环境，直至低熔点金属和高熔点粉末混合均匀，具体地，若为氩气环境，球磨罐内的氩气气压应始终保持大于环境大气压，若为真空环境，球磨罐内的气压应不大于1千帕。
在又一个例子中，制作室温自固化导电复合材料的方法包括：向常温下为液态的低熔点金属中，按比例添加高熔点粉末，将低熔点金属和高熔点粉末的混合物置入立式捏合机进行捏合，加热至150～200℃，优选为200℃，捏合转速为72～96转/分，捏合时间为120分钟～180分钟，在立式捏合过程中，立式捏合机内应为氩气或真空环境，直至低熔点金属和高熔点粉末混合均匀，具体地，若为氩气环境，立式捏合机内的氩气气压应始终保持大于环境大气压，若为真空环境，立式捏合机内的气压应不大于1千帕。
需要说明的是，若室温自固化导电复合材料在制备后无需立即使用，则应当将其储存在-20℃及以下温度下，优选为-30℃及以下温度，避免在室温自固化导电复合材料自身内部发生反应，使用时将其放置在室温下变为液态后即可使用。
步骤S2、提供一绝缘基板，在绝缘基板上形成多个通孔。
可以通过刻蚀等方式在绝缘基板上形成多个通孔。
步骤S3、在通孔内填充室温自固化导电复合材料，且在通孔一端使室温自固化导电复合材料堆积成球形；
具体可以通过微针头挤压的方式在通孔内填充室温自固化导电复合材料。
步骤S4、使通孔内填充的室温自固化导电复合材料在室温下自固化，形成导电结构，且使堆积成球形的室温自固化导电复合材料在室温下自固化，形成导电球。
室温自固化导电复合材料的自固化时间约为6～10小时。可选地，在步骤S4中，可以通过超声、加热或通直流电流的方式，加速自固化。其中，通过超声的方式，可以将基材上的室温自固化导电复合材料的自固化时间缩短0.5小时，通过加热至60摄氏度的方式，可以将基材上的室温自固化导电复合材料的自固化时间缩短1小时，通过通10A的电流直流的方式，可以将基材上的室温自固化导电复合材料的自固化时间缩短1小时。
步骤S5、提供至少一个电子元件；
步骤S6、使电子元件与导电结构的一端电连接；
电子元件与导电结构的一端电连接的方式可以有多种，例如二者直接电连接，或者，二者通过在绝缘基板上的走线(例如铜箔)电连接，当二者通过在绝缘基板上的走线电连接时，本发明实施例中的制作方法还包括在绝缘基板上形成走线的步骤，该步骤在步骤S6之前即可，与其他步骤之间的关系不进行限定。
步骤S7、提供印刷电路板，使印刷电路板通过导电球与所述导电结构的另一端电连接。
例如，可以通过焊接的方式使印刷电路板通过导电球与所述导电结构的另一端电连接，也可以通过室温自固化导电复合材料将导电球与印刷电路板粘结，待室温自固化导电复合材料固化后，形成稳定的结构。
其中，步骤S5和步骤S6可以在步骤S7之前进行，也可以在步骤S7之后进行，此处不进行限定。
需要说明的是，本发明实施例中基于BGA的电子器件的相关内容均适用于其制作方法，其制作方法的相关内容也均适用于基于BGA的电子器件，此处不再进行赘述。
本发明提供了一种基于BGA的电子器件及其制作方法，该基于BGA的电子器件中，绝缘基板上设置有多个通孔，通孔内填充有导电结构，导电结构由室温自固化导电复合材料在室温下自固化形成，按重量百分比计，室温自固化导电复合材料由70％～88％的低熔点金属，以及12％～30％的高熔点粉末部分合金化形成，低熔点金属的熔点在30摄氏度以下，高熔点粉末的熔点在500摄氏度以上，从而使得在基于BGA的电子器件的制作过程中，在通孔内填充室温自固化导电复合材料，使通孔内填充的室温自固化导电复合材料在室温下自固化，即可形成导电结构，相比于现有技术中的电镀工艺，本发明的技术方案能够使基于BGA的电子器件的制作方法简单，且成本较低。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种基于BGA的电子器件，其特征在于，包括：
绝缘基板，所述绝缘基板上设置有多个通孔，所述通孔内填充有导电结构，所述导电结构由室温自固化导电复合材料在室温下自固化形成；
至少一个电子元件，所述电子元件与所述导电结构的一端电连接；
多个导电球，所述导电球位于所述绝缘基板的一面上，且与所述导电结构的另一端电连接，所述导电球由室温自固化导电复合材料在室温下自固化形成；
印刷电路板，所述印刷电路板与所述导电球电连接；
其中，按重量百分比计，所述室温自固化导电复合材料由70％～88％的低熔点金属，以及12％～30％的高熔点粉末部分合金化形成；所述低熔点金属的熔点在30摄氏度以下，所述高熔点粉末的熔点在500摄氏度以上。
2.根据权利要求1所述的基于BGA的电子器件，其特征在于，所述低熔点金属为镓单质或者镓铟合金。
3.根据权利要求2所述的基于BGA的电子器件，其特征在于，所述低熔点金属为镓铟合金，按重量百分比计，所述镓铟合金由75％～85％镓和15％～25％铟组成。
4.根据权利要求1所述的基于BGA的电子器件，其特征在于，所述高熔点粉末为高熔点金属粉末，所述高熔点金属粉末包括镍粉、铁粉中的一种或两种。
5.根据权利要求4所述的基于BGA的电子器件，其特征在于，所述高熔点金属粉末为镍粉，按重量百分比计，所述室温自固化导电复合材料由75％～83％的低熔点金属，以及17％～25％的镍粉部分合金化形成。
6.根据权利要求4所述的基于BGA的电子器件，其特征在于，所述高熔点金属粉末的粒径为10nm～1μm。
7.一种基于BGA的电子器件的制作方法，其特征在于，所述制作方法包括：
步骤S1、按重量百分比计，称取70％～88％的低熔点金属，以及12％～30％的高熔点粉末，并使二者进行部分合金化形成室温自固化导电复合材料，其中，所述低熔点金属的熔点在30摄氏度以下，所述高熔点粉末的熔点在500摄氏度以上；
步骤S2、提供一绝缘基板，在所述绝缘基板上形成多个通孔；
步骤S3、在所述通孔内填充室温自固化导电复合材料，且在所述通孔一端使室温自固化导电复合材料堆积成球形；
步骤S4、使所述通孔内填充的室温自固化导电复合材料在室温下自固化，形成导电结构，且使堆积成球形的室温自固化导电复合材料在室温下自固化，形成导电球；
步骤S5、提供至少一个电子元件；
步骤S6、使所述电子元件与所述导电结构的一端电连接；
步骤S7、提供印刷电路板，使所述印刷电路板通过所述导电球与所述导电结构的另一端电连接。
8.根据权利要求7所述的制作方法，其特征在于，在步骤S4中，通过超声、加热或通直流电流的方式，加速自固化。
9.根据权利要求7所述的制作方法，其特征在于，步骤S3中，通过微针头挤压的方式在所述通孔内填充室温自固化导电复合材料。
10.根据权利要求7所述的制作方法，其特征在于，步骤S1中，通过将所述低熔点金属和所述高熔点粉末混合后进行球磨或者立式捏合的方式，使二者进行部分合金化形成室温自固化导电复合材料。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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