CN110379792A - 用于温度循环的电子组件焊点 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于温度循环的电子组件焊点，该焊点又称为互联点，用于电子组件的封装，互联点截面的轴距或截面面积分别由电子组件中线向电子组件边缘以非均匀式分布。其中，互联点截面呈不规则多边形；互联点的轴距由电子组件中线向电子组件边缘呈现由密到疏的非均匀式分布。互联点的截面面积由电子组件中线向电子组件边缘呈现由大到小的非均匀式分布。其中，互联点呈沙漏形状。该电子组件焊点具有焊点尺寸不一样或不均匀分布的特点，提供了最优的焊点尺寸和轴距的分布，也同时提供了最优的焊点形状，目的是让每个焊点和焊点的每个部位，都承受相等的应力，舒缓角焊点末端处所承受的应力，减低焊点断裂的发生几率。

Description

用于温度循环的电子组件焊点

技术领域

本发明涉及半导体封装技术领域，具体涉及一种用于承受温度循环的电子组件焊点。

背景技术

半导体封装是半导体器件价值链中的一个重要环节。半导体封装的关键在于芯片与芯片、芯片与封装、封装与封装、封装与板之间实现电气、热力和机械等互联作用。因为焊点具有易于制造和在可靠性测试中有稳定的表现的特点，所以用焊点进行互联是半导体封装中最常见的方法。

电子组件可以看作是一个三层组件，其中焊点夹在两个具有不同物理、机械和几何特性的基板之间。温度循环是最具挑战性的可靠性测试条件之一。由于基板在温度循环作用下发生了交变差热膨胀，夹层焊点发生了交变剪切变形。由于在焊点接近于溶度的温度下发生了交替变形，焊点在蠕变疲劳作用下会发生失效。并且越来越大的电子封装和越来越小的焊点趋势加剧了焊点的蠕变疲劳。目前的做法是用相同尺寸和形状的焊点以相等的轴距填充夹层。焊点与基板上的金属垫片通过冶炼形成冶金结合，由于表面张力，焊点自然呈桶形。蠕变疲劳引起的断裂通常始于电子组件边缘的焊点；更详细地说，是在焊点和连接基板的两端。

现有技术如下：

1、一种常用方法(including US 6,709,964)是在焊点与焊点之间填充一些热固性聚合物(图1A)作为增强元件，减低焊点的剪切变形。但该方法存在以下缺陷：第一，由于填充了热固性聚合物，当电路板组件中某配件出现缺陷时难以局部更换，需丢弃整个电路板组件。第二，由于填充的聚合物相当昂贵，该方法增加了电子组件的成本。第三，由于热固性聚合物的填充是通过毛细作用实现的，填充过程会很长，增加了制造时间，降低了生产效率。

2、有些设计(图1B)通过仅对焊点的外围区域填充热固性聚合物来减少了使用的材料和处理时间。但这种方法仍然存在较差的可再加工性。

3、另一种方法是将外围区域的焊点合并成一道焊料栅栏(图1C)。这些栅栏可以保护内部焊点不受交替剪切的影响。然而，这种设计需要额外的空间来放置额外的焊料栅栏，导致更大的包装，这与电子产品小型化的趋势是相违背的。

4、专利US 8,101,866(2012)通过使用铜柱(图1D)来提高焊点的高度，以增加焊点的剪切柔度。但因铜柱具有高刚度的特性，限制了焊点剪切柔度增加的量。

5、专利US 8,373,275(2013)使用聚酰亚胺岛(图1E)作为焊点的应力缓冲材料。然而，这种设计将故障从焊点转移到聚酰亚胺-铜焊盘界面，这界面甚至比焊料-铜焊盘界面弱。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，以分散互联点受力的方法加强半导体封装内的焊点抵抗温度循环的耐力。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种用于温度循环的电子组件焊点，该焊点用于电子组件的封装，比如芯片与芯片、芯片与封装、封装与封装、封装与板之间电气、热力和机械等互联作用。以分散互联点受力的方法使得半导体封装内的焊点能抵抗温度循环。该焊点的轴距的尺寸区间为【0.02mm，2mm】。

本发明中，焊点又称为互联点，两种称呼可以互换替代使用，意在表明电子组件中一种起连接作用的固定点，需要强调的是，具体称呼上的变化不构成本发明技术方案的保护范围限制。

电子组件中互联点的轴距和截面面积分别由电子组件中线向电子组件边缘以非均匀式分布。

进一步地，电子组件中互联点不是圆柱体，其截面不一定是圆形而可呈不规则多边形，其截面形状和截面面积也可沿高度变化。进一步地，电子组件中互联点的代表性截面面积A_3s，由电子组件中线向电子组件边缘以如下方程式分布:

其中,l是电子组件中线到电子组件边缘的距离，x是距离中线的距离,λ_x和κ_s分别为电子组件的平面拉张柔度与剪切柔度,A_3o是当x＝l处互联点的截面面积。注：互联点不是圆柱体，可是为了方便验算，本发明中把互联点假想为一个附有代表性截面面积A_3s的圆柱体。这假想圆柱体会有与原来互联点相等的剪切变移(所以代表性截面面积也称等效剪切面积)。代表性截面面积A_3s的数学定义为：其中，A_z是z-高度处互联点的截面面积，h₃是焊点的高度。

同时，电子组件是一个二维结构，其等效剪切面积于y-方向也由电子组件中线向电子组件边缘以如下方程式分布：

其中,l是电子组件中线到电子组件边缘的距离，y是距离中线的距离,A_3o是当x＝l处互联点的等效剪切面积.

进一步地，电子组件中互联点的轴距由电子组件中线向电子组件边缘呈现由密到疏的非均匀式分布。即：越靠近电子组件中心位置的互联点的轴距更小，越靠近电子组件边缘位置的互联点的轴距更大疏，其中，互联点的轴距定义为相邻互联点之间的轴心距离。

进一步地，电子组件中互联点的轴距由电子组件中线向电子组件边缘以如下方程式分布:

其中,p_x和p_y分别是互联点在x坐标和y坐标上的轴距，l是电子组件中线到电子组件边缘的距离，x是距离中线的距离,λ_x和κ_s分别为电子组件的平面拉张柔度与剪切柔度,A_po＝p_xp_y是当x＝l的轴距面积。p_x和p_y分别根据x坐标值和y坐标值变化。

进一步地，电子组件中互联点呈沙漏形状。

进一步地，电子组件中互联点的沙漏形状近似：

其中，F_joint是互联点所承受的剪切力，z＝0和z＝h₃是互联点与基板的接触面,r_z是z-高度处外层与互联点中线轴之间的距离，h₃是互联点的高度，σ_c是互联点材料的临界应力。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

1)、本发明公开了一种用于温度循环的电子组件焊点，相当于现有的技术1和2，本发明更有利于电子组件的局部加工更换，更经济。相当于现有的技术3，本发明更有利于电子产品的小型化。相当于现有的技术4和5，本发明更经济，更有效。

2)、本发明公开的一种用于温度循环的电子组件焊点具有焊点尺寸不一样以及不均匀分布的特点，提供了最优的焊点尺寸和轴距的分布，也同时提供了最优的焊点形状，目的是让每个焊点和焊点的每个部位，都承受相等的应力，舒缓角焊点末端处所承受的应力，减低焊点断裂的发生几率。

附图说明

图1A是现有技术1示意图；

图1B是现有技术2示意图；

图1C是现有技术3示意图；

图1D是现有技术4示意图；

图1E是现有技术5示意图；

图2是本发明实施例中将电子组件视为三层组件的示意图；

图3是本发明实施例中焊点末端和焊点内部的剪切力和力矩的示意图；

图4是本发明实施例中假想圆柱体焊点，其等效剪切面积A_3s和其轴距p_x，p_y的示意图；

图5是本发明未实施前从电子组件的中间长度到边缘的焊点上的剪切力的分布示意图；

图6显示本发明未实施前焊点的形状和弯曲应力σ_b不对应的示意图；

图7是本发明实施例二中焊点设计的简图以及由此产生的平均分布的剪切力示意图；

图8是本发明实施例三中焊点设计的简图以及由此产生的平均分布的剪切力示意图；

图9显示本发明实施例四中焊点的形状和弯曲应力σ_b成相对应的示意图。

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。

实施例一

如图2所示，将电子组件视为三层组件，其中焊点夹在基板#1和#2之间。目前的做法是用相同尺寸和形状的焊点以相等的轴距填充夹层。当组件经历温度偏移ΔT时，焊点所承受剪切应力的分布近似于公式其中ε_T是两基板之间的差热应变,l是中线到电子组件边缘的距离，x是距离中线的距离；λ_x和κ_s分别为组件的平面拉张柔度与剪切柔度，公式的准确性已通过有限元分析方法验证。电子组件是一个二维结构，虽然所描述的只是x方向上剪切应力的分布，但在y方向上的剪切应力分布是一样的。

图3显示了由于基板的不同热膨胀所引发的焊点的变形和焊点两端的剪切力，F_joint＝τ_smearp_xp_y，其中p_x和p_y分别是焊点在x坐标和y坐标上的轴距(如图4所示)。该剪切力在焊点任何截面位置是不变的。同时，旋转平衡要求焊点两端的力矩为M_joint＝F_jointh₃/2,而在z-截面的力矩为m_joint＝F_joint(z-h₃/2)，其中h₃是焊点的高度。互联点一般为非圆柱体。可是为了方便验算，把互联点假想为圆柱体,其截面面积,A_3s,为原来互联点的等效剪切面积(如图4所示)。

综上所述，在电子组件基板之间发生热失配膨胀的情况下，焊点会承受以下受力:

(1)从中线到组件边缘逐渐增大的剪切力和力矩(如图5所示)；

(2)随着焊点截面积的变化而变化的剪切应力:τ_z＝F_joint/A_z，其中，A_z为z高度处焊点的横截面，(如图6所示)；

(3)由焊点两端向内直线减弱的力矩,m_joint＝F_joint(z-h₃/2)，和焊点外层所乘受的弯曲应力，σ_b＝F_joint(z-h₃/2)r_z/I_z,其中r_z是z-高度处外层与互联点中线轴之间的距离(如图6所示)，I_z是z-高度处截面的二次矩。

图5显示，剪切力F_joint和力矩M_joint的分布是不均匀的，且取决于焊点的剪切柔度，而其又取决于焊点的等效剪切面积A_3s和焊点的轴距面积,p_xp_y.。图6显示，焊点外层所乘受的弯曲应力,σ_b,分布不均匀，而这取决于焊点沿不同高度位置的截面面积和截面形状。本发明的技术思路是：

(1)优化焊点的剪切柔度，使电子组件中从中线到边缘的焊点有更平均的剪切力和力矩分布。

(2)优化焊点的形状，使焊点外层所乘受的弯曲应力沿焊点长度有更平均的分布。

实施例二

在本实施例中，基于优化焊点的剪切柔度，使电子组件中从中线到边缘的焊点有更平均的剪切力和力矩分布的技术思路。本实施例设计焊点的等效剪切面积从电子组件中线到边缘作非均匀分布–由大到小(如图7所示)。焊点的等效剪切面积A_3s，往x方向的分布为：其中，A_3o为当x＝l处的代表性剪切面积。

此时焊点的剪切柔度会是其中κ_o＝h₃p_xp_y/(G₃A_3o),G₃是焊点的剪切模量。同时需保持节面积p_xp_y不随x变化，这样，焊点上的剪切力会是而端力矩会是M_joint≈F_jointh₃/2。两者都不随x方向变化,如图7所示。

上述实施例描述了焊点代表性截面面积沿x方向装配长度的数学最优分布,此数学最优分布也适用于沿y方向的装配长度(在公式中用y替换x)。然而，本发明技术方案不仅限于数学优化设计，还包括由于制造公差和实际考虑而偏离数学优化设计；例如，靠近中线的焊点截面面积可能受到桥接风险的限制。在这种情况下，需限制靠近中线的焊点的截面面积。因此，中长度附近的剪切力将低于理想的强度此时剪切力的分布会更像虚线。

本实施例是通过改变相应的焊料掩模开口，然后根据焊料膏体的设计体积打印而成。

实施例三

在本实施例中，基于优化焊点的剪切柔度，使电子组件从中线到边缘的焊点有更平均的剪切力和力矩分布的技术思路。本实施例设计焊点的轴距面积(即p_xp_y)从电子组件中线到边缘作非均匀分布–由密到疏(如图8所示)。其往x方向的分布为为:其中A_po为x＝l处的轴距面积。同时需保持焊点代表性剪切面积(A_3s)不随x变化。这样，焊点上的剪切力会是而端力矩会是M_joint≈F_jointh₃/2。两者都不随x方向变化，如图8所示。

上述实施例描述了焊点轴距面积沿x方向装配长度的数学最优分布,此数学最优分布也适用于沿y方向的装配长度(在公式中用y替换x)。然而，本发明技术方案不仅限于数学优化设计，还包括由于制造公差和实际考虑而偏离数学优化设计；例如，靠近中线的焊点间距可能受到桥接风险的限制。在这种情况下，需限制靠近中线的焊点的轴距。因此，中长度附近的剪切力将低于理想的强度此时剪切力的分布会更像虚线。

本实施例是通过改变相应的焊料掩模开口的节距来实现的。

实施例二和实施例三中公开的焊点设计，都是尽量让每个焊点都承受相等的剪切力和弯矩，舒缓角焊点(即位于x＝l的焊点)所承受的应力，减低角焊点断裂的发生几率。本发明实施例中技术方案与目前市场上的焊点设计(用相同尺寸和形状的焊点以相等的轴距填充)的应力比为βl：e^βl-1。电子组件的βl的一般值为5。以此为例，应力比为1：30。即本发明实施例中技术方案能把原角焊点应力的最高值减低96.6％。

实施例四

在本实施例中，基于优化焊点的形状，使弯曲应力沿焊点长度有更平均的分布的技术思路，进行焊点形状设计如下：

在最低表面能的驱使下,焊点会形成桶状。可是从力学的角度，这形状是非常不智的；因为这形状与焊点外层所乘受的弯曲应力，σ_b＝F_joint(z-h₃/2)r_z/I_z，成反比，其中，F_joint为剪切力，r_z为z-高度处外层与焊点中线轴之间的距离，h₃为焊点高度。最佳的焊点形状是当冯米斯应力以等值分布于焊点的外层。基于这原理，如果焊点截面是圆形或者接近圆形，焊点沿长度的最优形状为(如图9所示):

其中，σ_c为焊点材料的临界应力。因此最优形状为沙漏形，如图9所示。

焊点的端部和中间长度之间的截面积的比值为

其中，r_end是最优沙漏形状的焊点末端外层与焊点中线轴之间的距离，A_end是最优沙漏形状的焊点末端的横截面积，A_mid是最优沙漏形焊点的中间高度的横截面积。发明实施例中技术方案不仅限于数学优化设计，还包括由于制造公差和实际考虑而偏离数学优化设计。例如，沙漏的确切形状将受到两端焊料接触角和焊料表面张力的影响。

本发明实施例中技术方案与实施例二或实施例三技术方案结合使用。当与实施例二结合使用时其中较大体积的焊点更靠近组件的中线，在重熔过程中会产生较大的间距h₃，造成更靠近组件边缘的焊点被拉伸，自然的形成沙漏形状。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于加强温度循环耐力的电子组件焊点，该焊点又称为互联点，用于电子组件的封装，其特征在于，所述的互联点的轴距和/或截面面积分别由电子组件中线向电子组件边缘以非均匀式分布。

2.根据权利要求1所述的电子组件焊点，其特征在于，所述的互联点的轴距的尺寸区间为【0.02mm，2mm】。

3.根据权利要求1所述的电子组件焊点，其特征在于，所述的互联点的截面呈不规则多边形。

4.根据权利要求1所述的电子组件焊点，其特征在于，所述的互联点的截面面积由电子组件中线向电子组件边缘呈现由大到小的非均匀式分布。

5.根据权利要求4所述的电子组件焊点，其特征在于，所示的互联点的代表性截面面积A_3s，由电子组件中线向电子组件边缘以如下方程式分布:

其中,l是电子组件中线到电子组件边缘的距离，x是距离中线的距离,A_3o是当x＝l处互联点的代表性截面面积，λ_x和κ_s分别为电子组件的平面拉张柔度与剪切柔度。

6.根据权利要求1所述的电子组件焊点，其特征在于，所述的互联点的轴距由电子组件中线向电子组件边缘呈现由密到疏的非均匀式分布，其中，互联点的轴距定义为相邻互联点之间的轴心距离。

7.根据权利要求6所述的电子组件焊点，其特征在于，所述的互联点的轴距由电子组件中线向电子组件边缘以如下方程式分布:

其中,p_x和p_y分别是互联点在x坐标和y坐标上的轴距，l是电子组件中线到电子组件边缘的距离，x是距离中线的距离,λ_x和κ_s分别为电子组件的平面拉张柔度与剪切柔度,A_po是当x＝l的轴距面积。

8.根据权利要求1所述的电子组件焊点，其特征在于，所述的互联点呈沙漏形状。

9.根据权利要求8所述的电子组件焊点，其特征在于，所述的互联点的沙漏形状表示如下：

其中，F_joint是互联点所承受的剪切力，z＝0和z＝h₃是互联点与基板的接触面,r_z是z-高度处互联点的外层与互联点中线轴之间的距离，h₃是互联点的高度，σ_c是互联点材料的临界应力。