CN112735956A - 一种封装组件焊接于电路基板的方法及热固性树脂组合物 - Google Patents
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Abstract
一种封装组件焊接于电路基板的方法及热固性树脂组合物，所述方法包括下列步骤：将锡膏施加在电路基板上；将热固性树脂组合物施加在所述电路基板的焊垫与焊垫之间的空间上；以覆晶的方式，将球栅阵列封装组件的焊接凸块放置在锡膏上；加热所述球栅阵列封装组件以将所述球栅阵列封装组件焊接于所述电路基板上；及使所述热固性树脂组合物流动协助焊接及冷却时形成一焊点保护层。
Description
技术领域
本发明涉及一种封装组件焊接于电路基板的方法及热固性树脂组合物，特别是涉及一种球栅阵列封装组件与电路基板的接合方法，以及适用于所述封装组件接合方法的热固性树脂组合物。
背景技术
随着电子设备的小型化及薄型化，组件封装技术从双列直插封装(Dual in-linepackage)或四侧引脚扁平封装(Quad Flat Package)演变成球栅阵列(Ball Grid Array，简称BGA)，球栅阵列封装的组件底部表面可全作为引脚使用，封装底面的引脚由锡球所取代，借此提高单位面积可容纳的引脚数(input/output，I/O)。此封装技术常用来永久性固定高引脚数组件如微处理器。
先前一般焊接技术，当BGA封装组件与安装基板(或称电路基板)接合时，先是将锡膏以钢板印刷方式(stencil printing)涂布于电路基板的焊垫(pad，或称焊盘)，接着将BGA封装组件以覆晶的方式放置于锡膏上，然后使用回流焊接(reflow)的方式加热使BGA封装组件的锡球引脚(或称焊接凸块)能焊接于电路基板。此种方式仅用焊球将组件接合于电路基板，接合部分的机械强度较弱。
另一种先前技术，为了加强接合的机械强度，在加热的步骤之后，通过将底部填充材料(underfill)填充到BGA封装组件和电路基板之间的缝隙，并使底部填充材料(underfill)固化以强化接合部分。或者对于较小的BGA封装组件是施加四角结合胶(corner bonding glue)于封装组件的边缘以强化接合部分。然而，随着BGA封装组件的锡球引脚变小，BGA封装组件和电路基板之间的间隙会随着变小，底部填充材料将难以填满该间隙而降低机械强度的强化效果；且上述填充底部填充材料并进行固化的步骤耗费时间，因此影响生产效率。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，针对现有技术的不足提供一种将球栅阵列封装组件焊接于电路基板的方法，可以简便地确保具有焊球的封装组件与电路基板的接合强度，以及一种适用于封装组件接合过程的热固性树脂组合物。
为了解决上述的技术问题，本发明所采用的其中一技术方案是，提供一种将球栅阵列封装组件焊接于电路基板的方法，包括下列步骤：
将锡膏施加在电路基板上；
将热固性树脂组合物施加在所述电路基板的焊垫与焊垫之间的空间上；
以覆晶的方式，将球栅阵列封装组件的焊接凸块放置在锡膏上；
加热所述球栅阵列封装组件以将所述球栅阵列封装组件焊接于所述电路基板上；及
使所述热固性树脂组合物流动协助焊接及冷却时形成一焊点保护层。
其中，施加所述热固性树脂组合物的方式为使用点胶机或针转印；
其中，以点胶方式施加所述热固性树脂组合物，所述点胶机的针头直径小于所述电路基板的所述焊垫间距的一半，且小于所述焊接凸块。
为了解决上述的技术问题，本发明另外还提供一种适用于如上所述的将球栅阵列封装组件焊接于电路基板的方法的热固性树脂组合物，所述热固性树脂组合物包括：
环氧树脂，占所述热固性树脂组合物50％-90％的重量百分比；
酸剂，占所述热固性树脂组合物5％-20％的重量百分比；
硬化剂，占所述热固性树脂组合物1％-10％的重量百分比；
溶剂，占所述热固性树脂组合物0％-10％的重量百分比；及
抗垂流剂，占所述热固性树脂组合物0％-5％的重量百分比。
其中，述环氧树脂选自于由双酚A系环氧树脂、双酚F系环氧树脂、萘系环氧树脂以及三嗪系环氧树脂所组成的群组，并且还包括活性稀释剂。
其中，所述酸剂为二质子酸。
其中，所述硬化剂选自于由酸酐系硬化剂以及咪唑系硬化剂所组成的群组。
其中，所述溶剂选自于由甘醇系溶剂以及羧酸酯系溶剂所组成的群组。
其中，所述抗垂流剂选自于蓖麻油、山梨糖醇以及脂肪酸酰胺所组成的群组。
本发明的其中一有益效果在于，本发明所提供的将球栅阵列封装组件焊接于电路基板的方法，其能通过将热固性树脂组合物施加在所述电路基板的焊垫与焊垫之间的空间上，经过加热(例如回焊)的步骤，球栅阵列封装组件即可被稳固地焊接于电路基板，热固性树脂组合物能协助焊接，经过冷却时形成一焊点保护层。
为能更进一步了解本发明的特征及技术内容，请参阅以下有关本发明的详细说明与图式，然而所提供的图式仅用于提供参考与说明，并非用来对本发明加以限制。
附图说明
图1为将球栅阵列封装组件焊接于电路基板的方法的流程图。
图2为球栅阵列封装组件的俯视示意图。
图2A至图2E为将球栅阵列封装组件焊接于电路基板的步骤剖面示意图。
具体实施方式
以下是通过特定的具体实施例来说明本发明所公开的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所公开的内容了解本发明的优点与效果。本发明可通过其他不同的具体实施例加以施行或应用，本说明书中的各项细节也可基于不同观点与应用，在不悖离本发明的构思下进行各种修改与变更。另外，本发明的附图仅为简单示意说明，并非依实际尺寸的描绘，事先声明。以下的实施方式将进一步详细说明本发明的相关技术内容，但所公开的内容并非用以限制本发明的保护范围。
参阅图1所示，本发明提供一种将球栅阵列封装组件焊接于电路基板的方法，包括下列步骤：步骤S10，利用钢板印刷将锡膏施加于电路基板的焊垫上；步骤S20，将热固性树脂组合物施加在所述电路基板的焊垫与焊垫之间的空间上；步骤S30，以覆晶的方式，将球栅阵列封装组件的焊接凸块放置在锡膏上；步骤S40，加热所述球栅阵列封装组件以将所述球栅阵列封装组件焊接于所述电路基板上，使所述热固性树脂组合物流动协助焊接及冷却时形成一焊点保护层；步骤S50，完成焊接。
接下来，配合图2A至图2E，进一步解说上述各步骤。步骤S10，如图2、图2A及图2B所示，首先，将锡膏3施加在电路基板1的焊垫2上。其中钢板印刷可以是以在钢板上开孔形成锡膏要施加的位置，开孔位置主要都是对应于焊垫2的位置。印刷时，锡膏3较佳的是不超过焊垫2的范围。
步骤S20，如图2C所示，将热固性树脂组合物4施加在所述电路基板1的焊垫2与焊垫2之间的空间上。上述施加所述热固性树脂组合物4的方式可以是使用点胶机或针转印。其中以点胶方式施加所述热固性树脂组合物4时，点胶机(图略)的针头直径小于电路基板1的相邻两个焊垫2的间距(pitch)的一半。
如图2D所示，球栅阵列封装组件5包括一半导体基板50及多个位于半导体基板50底面的电极51，每个电极51各设有一焊接凸块53。步骤S30，以覆晶的方式，将所述球栅阵列封装组件5的焊接凸块53放置在锡膏3上。点胶机(图略)的针头直径小于所述焊接凸块53。
步骤S40，加热待焊接对象。更具体说，加热所述球栅阵列封装组件5以将所述球栅阵列封装组件5焊接于所述电路基板1上。加热后，焊接凸块53与锡膏3熔融而形成一结合焊点C。完成焊接后，结果如图2E所示意的。热固性树脂组合物4围绕在多个结合焊点C的周围。
此外，加热过程，本发明较佳的，还使所述热固性树脂组合物4流动协助焊接及冷却时形成一焊点保护层(如图2E的标号4所示的位置)。
本发明还提供一种适用于将封装组件焊接于电路基板的热固性树脂组合物4，下面举例说明相关成分细节。所述热固性树脂组合物4包括环氧树脂(Epoxy Resin)，占所述热固性树脂组合物50％-90％的重量百分比。其中环氧树脂选自于由双酚A系环氧树脂(Bisphenol-A Epoxy Resin)、双酚F系环氧树脂(Bisphenol-F Epoxy Resin)、柔软性及接着性改良的双酚A系环氧树脂及双酚F系环氧树脂、萘系环氧树脂(Naphthalene EpoxyResin)以及三嗪系环氧树脂(Triazine Epoxy Resin)所组成的群组，并且还包括活性稀释剂(Reactive Diluent)。
酸剂(Acid)，占所述热固性树脂组合物5％-20％的重量百分比。例如可以是二质子酸(Diprotic Acid)。
硬化剂(Hardener)，占所述热固性树脂组合物1％-10％的重量百分比；例如可以是酸酐系硬化剂(Acid-anhydride hardener)、咪唑系硬化剂(Imidazole hardener)，或者，二者的混合。
溶剂(Solvent)，占所述热固性树脂组合物0％-10％的重量百分比；例如可以是甘醇类溶剂(Glycol solvent)、羧酸酯系溶剂(Carboxylate Ester solvent)，或者，二者的混合。
抗垂流剂(Thixotropic Agent)，占所述热固性树脂组合物0％-5％的重量百分比。例如可以是蓖麻油(Castor oil)、山梨糖醇(Sorbitol)、脂肪酸酰胺(Fatty acidamide)，或者，至少两者所组成的群组。
参考下列表格，为本实施例的热固性树脂组合物4更具体的比例及相关实验。
表格内符号的定义：
焊点周围的锡珠(直径75um以上)：O:低于十颗；x:大于或等于十颗。
枕头效应(Head in Pillow)不良焊点：O:零颗；x:大于零颗。
上述“锡珠”的意思是，锡膏在进行焊接时，锡膏可能因为坍塌或被挤压等原因而超出焊垫之外，在焊接过程中被独立在焊垫附近形成锡珠。锡珠的存在将有机率让临近的焊点出现短路而造成组件的损坏。对于欲施加的热固性树脂组合物4，若提早坍塌则会推挤锡膏而使锡膏离开焊垫之外；或缺乏协助焊接的能力，则会阻碍锡膏的熔融而造成锡珠的生成。
上述“枕头效应”为球栅阵列封装组件的焊接凸块与锡膏在焊接过程中，因板翘等原因无法熔融成一体，在凝固后形成类似一颗头靠在枕头上的虚焊状态，造成电路开路的不良现象。对于欲施加的热固性树脂组合物4若提早坍塌则会流动覆盖在锡膏上，热固性树脂组合物4加热后会固化进而阻碍焊接凸块与锡膏的熔融接合而产生枕头效应。
关于本实施例的点胶机参数，举例说明如下：
压力：0.1～0.4MPa，出胶时间：1～10秒，停胶时间：0.1～0.5秒，移动速度：3～20mm/sec，针头：Φ0.2mm～Φ0.4mm。
实施例一：点胶
在电路基板的焊垫间距(Pitch)为0.8mm，球栅阵列封装组件为0.45mm大小的锡球接点(例如可为SAC305或低温合金)的焊接凸块时，先在电路基板上以钢板印刷的方式施加锡膏(例如可为SAC305或低温合金)，然后使用点胶机将实施例1的环氧树脂涂布在焊垫之间的绿漆上。
本实施例涂布的参数如下：针筒装填实施例1的热固性树脂组合物，使用直径0.3mm的针头，施以0.2MPa的压力，以4mm/sec的移动速度沿着预先设定的涂布路径将实施例1的热固性树脂组合物涂布在焊垫之间的绿漆上。涂布路径可根据零件及可靠度的需求进行设计。
实施例1的热固性树脂组合物涂布完成后，将球栅阵列封装组件以覆晶的方式放置在锡膏上，然后进行回焊即完成焊接。
通过X-射线检测系统观察焊接完的球栅阵列封装组件，并没有发现枕头效应的焊点。而把球栅阵列封装组件撬开之后观察焊点周围的状况，并没有发现锡珠。
实施例二：点胶
在电路基板上的焊垫间距(Pitch)为0.65mm，球栅阵列封装组件为0.406mm尺寸的锡球接点(可为SAC305或低温合金)的焊接凸块时，先在电路基板上以钢板印刷的方式施加锡膏(可为SAC305或低温合金)，然后使用点胶机将实施例2的热固性树脂组合物涂布在焊垫之间的绿漆上。
本实施例涂布参数如下：针筒装填实施例2的热固性树脂组合物，使用直径0.2mm的针头,施以0.3MPa的压力，以3mm/sec的移动速度沿着预先设定的涂布路径，将实施例2的热固性树脂组合物涂布在焊垫之间的绿漆上。涂布路径可根据零件及可靠度的需求进行设计。
本实施例涂布完成后，将球栅阵列封装组件放置在锡膏上，然后进行回焊即完成焊接。
利用X-射线检测系统观察焊接完的球栅阵列封装组件，并没有发现枕头效应的焊点。而把球栅阵列封装组件撬开之后观察焊点周围的状况，发现2颗直径75um以上的锡珠。
实施例三：针转印(pin transfer)
在电路基板的焊垫间距(Pitch)为0.8mm，球栅阵列封装组件具有0.45mm大小的锡球接点(可为SAC305或低温合金)的焊接凸块时，先在电路基板上以钢板印刷的方式施加锡膏(可为SAC305或低温合金)，然后以针转印的方式将实施例1的热固性树脂组合物涂布在焊垫之间的绿漆上。
本实施例针转印情况如下：将实施例1的热固性树脂组合物，在承载器皿中刮平并控制实施例1的热固性树脂组合物的高度约为0.36mm，然后利用拥有转印图案的转印针去沾附承载器皿中的实施例1的热固性树脂组合物。转印针的转印图案可根据球栅阵列封装组件及可靠度的需求进行设计。
转印完成后，将球栅阵列封装组件放置在锡膏之上，然后进行回焊即完成焊接。
利用X-射线检测系统观察焊接完的球栅阵列封装组件，并没有发现枕头效应的焊点。而把球栅阵列封装组件撬开之后观察焊点周围的状况，并没有发现锡珠。
比较例：
在电路基板的焊垫间距(Pitch)为0.8mm，球栅阵列封装组件为0.45mm大小的锡球接点(可为SAC305或低温合金)的焊接凸块时，先在电路基板上以钢板印刷的方式施加锡膏(可为SAC305或低温合金)，然后使用点胶机将比较例1的热固性树脂组合物涂布在焊垫之间的绿漆上。
比较例涂布情况如下：针筒装填比较例的热固性树脂组合物，使用直径0.3mm的针头，施以0.2MPa的压力，以4mm/sec的移动速度沿着预先设定的涂布路径将比较例1的热固性树脂组合物涂布在焊垫之间的绿漆上。涂布路径可根据零件及可靠度的需求进行设计。
比较例涂布完成后，将球栅阵列封装组件放置在锡膏上，然后进行回焊即完成焊接。
利用X-射线检测系统观察焊接完的球栅阵列封装组件，发现2颗枕头效应的焊点。而把球栅阵列封装组件撬开之后观察焊点周围的状况，发现10颗以上直径75um以上的锡珠。
基于上面施加方式的影响，本实施例说明补充如下。首先，避免使用钢板印刷热固性树脂组合物，因为会破坏上一步骤施加的锡膏。第二，点胶机的施加压力会影响热固性树脂组合物的涂布量，压力越大涂布量越多。第三、点胶机的针头直径会影响热固性树脂组合物的涂布量，直径越大涂布量越多。第四、点胶机的针头直径需小于焊垫间距。第五、点胶机的移动速度会影响热固性树脂组合物的涂布量，速度越慢涂布量越多。第六、热固性树脂组合物的黏度会影响点胶机参数，黏度越高需越大的施加压力，或大直径的针头或放慢移动速度。
实施例的有益效果：
本发明的其中一有益效果在于，本发明所提供的将球栅阵列封装组件焊接于电路基板的方法，其能通过将热固性树脂组合物施加在所述电路基板的焊垫与焊垫之间的空间上，经过加热(例如回焊)的步骤，球栅阵列封装组件即可被稳固地焊接于电路基板，热固性树脂组合物能协助焊接，经过冷却时形成一焊点保护层。
本发明还具体提供热固性树脂组合物的相关成分及实施例，经过实验，确认是没有发现枕头效应的焊点。此外，把球栅阵列封装组件撬开之后观察焊点周围的状况，并没有发现锡珠。
以上所公开的内容仅为本发明的优选可行实施例，并非因此局限本发明的保护范围，所以凡是运用本发明说明书及图式内容所做的等效技术变化，均包含于本发明的保护范围内。
Claims (9)
1.一种将球栅阵列封装组件焊接于电路基板的方法，其特征在于，包括下列步骤：
将锡膏施加在电路基板上；
将热固性树脂组合物施加在所述电路基板的焊垫与焊垫之间的空间上；
以覆晶的方式，将球栅阵列封装组件的焊接凸块放置在锡膏上；
加热所述球栅阵列封装组件以将所述球栅阵列封装组件焊接于所述电路基板上；及
使所述热固性树脂组合物流动协助焊接及冷却时形成一焊点保护层。
2.如权利要求1所述的将球栅阵列封装组件焊接于电路基板的方法，其特征在于，其中施加所述热固性树脂组合物的方式为使用点胶机或针转印。
3.如权利要求2所述的将球栅阵列封装组件焊接于电路基板的方法，其特征在于，其中以点胶方式施加所述热固性树脂组合物，所述点胶机的针头直径小于所述电路基板的所述焊垫间距的一半，且小于所述焊接凸块。
4.一种适用于权利要求1的热固性树脂组合物，其特征在于，所述热固性树脂组合物包括：
环氧树脂，占所述热固性树脂组合物50％-90％的重量百分比；
酸剂，占所述热固性树脂组合物5％-20％的重量百分比；
硬化剂，占所述热固性树脂组合物1％-10％的重量百分比；
溶剂，占所述热固性树脂组合物0％-10％的重量百分比；以及
抗垂流剂，占所述热固性树脂组合物0％-5％的重量百分比。
5.如权利要求4所述的热固性树脂组合物，其特征在于，所述环氧树脂选自于由双酚A系环氧树脂、双酚F系环氧树脂、萘系环氧树脂以及三嗪系环氧树脂所组成的群组，并且还包括活性稀释剂。
6.如权利要求4所述的热固性树脂组合物，其特征在于，所述酸剂为二质子酸。
7.如权利要求4所述的热固性树脂组合物，其特征在于，所述硬化剂选自于由酸酐系硬化剂以及咪唑系硬化剂所组成的群组。
8.如权利要求4所述的热固性树脂组合物，其特征在于，所述溶剂选自于由甘醇系溶剂以及羧酸酯系溶剂所组成的群组。
9.如权利要求4所述的热固性树脂组合物，其特征在于，所述抗垂流剂选自于蓖麻油、山梨糖醇以及脂肪酸酰胺所组成的群组。
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