CN117727723A - 一种封装基板中bga防翘曲封装结构及封装工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种封装基板中BGA防翘曲封装结构及封装工艺，采用BiSnAgCu材料作为焊球，BiSnAgCu材料具有较低的熔融温度，并在焊球表面制备一层有机涂层，该涂层由溶剂、有机硅改性环氧树脂、N‑羟丙基二乙胺、聚乙烯醇和聚胺酯组成，在回流焊工艺中，BiSnAgCu材料有效降低了回流焊温度，降低了热应力，涂层中的有机硅改性环氧树脂具有良好的热稳定性、较低的线膨胀系数和低温下的柔韧性，有效降低了内部应力，降低了翘曲的产生，同时，其增强了焊球与焊盘的底部接合，避免了短路的发生。该涂层中的有机硅改性环氧树脂、N‑羟丙基二乙胺、聚乙烯醇和聚氨酯相互配合具有较低的活性，避免了翘曲产生的不润湿开口现象。
Description
技术领域
本公开涉及一种球栅阵列（BGA)封装工艺，具体涉及一种封装基板中BGA防翘曲封装工艺。
背景技术
近年来，随着电子产品多样化，电子封装趋向于小型化、高密度、高可靠性，这些性能使得电子产品中的集成电路或其他电路元件与印刷电路板之间的连接提出了更高要求。球栅阵列(BGA）技术作为一种集成电路的表面封装技术，其相比其他连接方法提供了较多的连接引脚，其作为一种有效的连接技术，其引线间距大、长度短，消除了精细间距器件中由于引线问题而引起的共平面和翘曲的问题。
球栅阵列（BGA)作为一种连接技术，其在一定程度上解决了器件中引线引起的翘曲问题，但随着器件轻薄化的发展，球栅阵列（BGA)回流工艺引起的凹凸翘曲问题仍然是BGA封装工艺中的一个核心缺陷。在焊料回流工艺中，由于封装体的不均匀收缩和焊料的熔融，超过250℃的高温导致导致器件不同部位的封装体膨胀差异，从而导致热机械应力的产生。第二，在高温环境下，BGA封装体吸收水分导致的吸湿部分与干燥部分膨胀差异导致的热应力。第三，封装结构的不合理设计和不合理材料的选择可能导致应力集中，从而导致了翘曲问题的产生，此外，翘曲问题还导致了不润湿开口缺陷的问题。
目前，针对于球栅阵列（BGA)回流工艺中形成翘曲的成因，分别提出了相应的解决方法。针对高温带来的热应力，通常采用精确控制回流温度曲线，减少温度梯度差异；针对BGA封装之前存在的湿气，要确保其防潮包装完好或进行适当的烘烤处理，降低器件的温度，减少吸湿膨胀的影响；针对封装和材料选择的不合理，常通过优化封装设计和材料的选择来解决应力集中的问题。
现有的球栅阵列（BGA)回流工艺中，焊料以及助焊剂等材料的使用使得回流焊温度高、机械应力大从而导致翘曲，而翘曲进一步导致了不润湿开口缺陷和易发生短路的问题。
发明内容
本发明通过焊料、助焊剂的选择和改进提供了一种球栅阵列（BGA)回流工艺中新的用料，用以解决现有技术中存在的上述缺陷。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种封装基板中BGA防翘曲封装结构，其包括：印刷电路板，形成于印刷电路板上的多个焊盘，半导体芯片，以及位于半导体芯片表面的多个焊球，焊盘与焊盘、焊球与焊球之间彼此间隔，焊球表面含有一层涂层，焊球的材料组成为BiSnAgCu，涂层由溶剂、有机硅改性环氧树脂、N-羟丙基二乙胺、聚乙烯醇和聚氨酯组成。
进一步地，本发明中的BiSnAgCu的结构组成为SnxBiyAg3Cu0.5，其中34.4≤x≤54，其中42.5≤y≤62.1；进一步地，涂层采用旋涂或浸入提拉工艺制备，进一步地，涂层中按重量计，溶剂、有机硅改性环氧树脂、N-羟丙基二乙胺、聚乙烯醇和聚胺酯的比例为：溶剂为20%-75%，有机硅改性环氧树脂10%-60%、N-羟丙基二乙胺6%-45%、聚乙烯醇4%-10%和聚胺酯1%-6%。
优选地，涂层中按重量计，溶剂、有机硅改性环氧树脂、N-羟丙基二乙胺、聚乙烯醇和聚胺酯的比例为：溶剂为30%-60%，有机硅改性环氧树脂20%-50%、N-羟丙基二乙胺10%-35%、聚乙烯醇6%-8%和聚胺酯2%-4%。
进一步地，本发明涂层中的有机溶剂为二丙二醇丁醚，1-（2-甲氧基-1-乙氧基）异丙醇。可选地，有机硅改性环氧树脂为联苯型有机硅改性环氧树脂。
进一步地，本发明的封装结构还包括位于角部位置的多个支撑件，可选地，该支撑件由位于角部焊盘上的锡膏、位于锡膏上的垫片构成，可选地，该垫片为镀铜圆盘。
本发明还提供了一种封装基板中BGA防翘曲封装工艺，其包括下面的步骤：提供一印刷电路板，在印刷电路板上形成多个相互间隔的焊盘；提供一半导体芯片，在半导体芯片表面形成多个相互间隔的焊球，焊球的材料为BiSnAgCu，焊球与焊盘相对应；形成焊球后在焊球表面制备一层涂层，其中，该涂层由溶剂、有机硅改性环氧树脂、N-羟丙基二乙胺、聚乙烯醇和聚氨酯制备而成，随后将半导体芯片表面的含有表面涂层的焊球与印刷电路板上的焊盘对应，进行回流焊工艺，焊盘与焊球相接触。
可选地，本发明中的BiSnAgCu的结构组成为SnxBiyAg3Cu0.5，其中34.4≤x≤54，其中42.5≤y≤62.1；可选地，涂层中按重量计，溶剂、有机硅改性环氧树脂、N-羟丙基二乙胺、聚乙烯醇和聚胺酯的比例为：溶剂为20%-75%，有机硅改性环氧树脂10%-60%、N-羟丙基二乙胺6%-45%、聚乙烯醇4%-10%和聚胺酯1%-6%。
优选地，涂层中按重量计，溶剂、有机硅改性环氧树脂、N-羟丙基二乙胺、聚乙烯醇和聚胺酯的比例为：溶剂为30%-60%，有机硅改性环氧树脂20%-50%、N-羟丙基二乙胺10%-35%、聚乙烯醇6%-8%和聚胺酯2%-4%。
进一步地，本发明涂层中的有机溶剂为二丙二醇丁醚，1-（2-甲氧基-1-乙氧基）异丙醇。可选地，有机硅改性环氧树脂为联苯型有机硅改性环氧树脂。
作为优选，本发明的回流焊工艺在低于169℃的温度之间进行。优选地，本发明的回流焊工艺采用梯度温度回流工艺，第一步逐渐升温到100度并在60-120秒内逐步升温到120℃，第二步在10-20s内从120℃升温到145℃，第三步在20-40s内逐渐升温到169℃，并在该温度下保持5-10s，第四步在20-40s内降温到145℃，且该回流焊过程中有不少于50s的时间回流温度不小于145℃。
进一步地，本发明的封装结构还包括形成于角部位置的多个支撑件，可选地，该支撑件由位于角部焊盘上的锡膏、位于锡膏上的垫片构成，可选地，该垫片为镀铜圆盘。
本发明提供了一种区别于现有技术的封装基板中BGA防翘曲封装结构及封装工艺，其取得了以下有益的技术效果：
本发明的焊球采用了BiSnAgCu材料，该材料具有较低的熔融温度，其熔融温度不大于169℃，相比于现有焊锡材料大约260℃的熔融温度，焊球的熔融温度降低了35%以上，熔融温度的降低有效降低了热应力的大小，降低了翘曲的产生；同时，本发明的梯度温度回流工艺进一步降低了材料不同导致的热应力的释放，从而进一步降低了翘曲产生的风险。
本发明的焊球表面采用了涂层技术，该涂层由溶剂、有机硅改性环氧树脂、N-羟丙基二乙胺、聚乙烯醇和聚氨酯制成，在回流焊工艺中，有机硅改性环氧树脂由于具有优良的热稳定性、较低的线膨胀系数和低温下的柔韧性，有效降低了内部应力，降低了翘曲的产生，同时，其增强了焊球与焊盘的底部接合，避免了短路的发生。该涂层中的有机硅改性环氧树脂、N-羟丙基二乙胺、聚乙烯醇和聚氨酯相互配合具有较低的活性，避免了翘曲产生的不润湿开口现象。
本发明在封装结构的角部位置安装了支撑件，支撑件的设置有效缓解了基板对焊球的应力，从而进一步有效地降低了焊球产生的翘曲风险。进一步地，该支撑件由位于角部焊盘上的锡膏、位于位于锡膏上的镀铜圆盘构成，可以进一步进行高度的精确控制，管理组件的倾斜，以及便于通孔回流。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中待要使用的附图作简单介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明封装基板中防BGA翘曲的封装结构示意图。
图2是本发明封装基板中防BGA翘曲的封装工艺流程图。
其中，1-PCB基板，2-焊盘，3-半导体元件，4-焊球，5-锡膏，6-垫片。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
需要说明的是，术语“包括”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
下面结合附图，对本申请的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的各个实施例及实施例中的各个特征可以相互组合。
为了使本发明的目的、技术方案和技术效果更加清楚、明晰，以下将结合具体的实施例对本发明进行详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅用于解释本发明，而并非对本发明的限定。
图1是一个封装基板中防球栅阵列（BGA）翘曲的封装结构示意图。BGA封装结构包括PCB基板1，以及多个焊盘2，焊盘2位于PCB基板的上表面，相邻的焊盘2之间相互间隔；半导体元件3，多个位于半导体元件上的焊球4，焊球4在回流焊之前含有涂层，其中，焊球4的材料为Sn34.4Bi62.1Ag3Cu0.5，涂层材料为按重量计，二丙二醇丁醚溶剂、联苯型有机硅改性环氧树脂、N-羟丙基二乙胺、聚乙烯醇和聚胺酯的比例为：二丙二醇丁醚溶剂为50%，联苯型有机硅改性环氧树脂25%、N-羟丙基二乙胺15%、聚乙烯醇8%和聚胺酯2%。
本实施例中Sn34.4Bi62.1Ag3Cu0.5材料具有较低的熔融温度，其熔融温度为169℃，远低于现有焊锡材料大约260℃的熔融温度，有效降低了热应力的大小，降低了翘曲的产生；在涂层材料中，有机硅改性环氧树脂由于具有优良的热稳定性、较低的线膨胀系数和低温下的柔韧性，有效降低了内部应力，降低了翘曲的产生，同时，其增强了焊球与焊盘的底部接合，避免了短路的发生。该涂层中的有机硅改性环氧树脂、N-羟丙基二乙胺、聚乙烯醇和聚氨酯相互配合具有较低的活性，避免了翘曲产生的不润湿开口现象。
在另一实施例中，焊球4的材料为Sn54Bi42.5Ag3Cu0.5，该材料的熔融温度降低到136℃，其相比于上一个实施例，焊球的熔融温度进一步降低，有效降低了热应力的大小，降低了翘曲产生的风险；本实施例中封装基板的其他结构与组成与上一个实施例相同。
在另一实施例中，封装结构还包括位于角部位置的多个支撑件，该支撑件由位于角部焊盘2上的锡膏5、位于锡膏上的镀铜圆盘（垫片6）构成。该支撑件由位于角部焊盘上的锡膏、位于锡膏上的镀铜圆盘（垫片6）构成，可以进一步进行高度的精确控制，管理组件的倾斜，以及便于通孔回流。
图2为封装基板中防球栅阵列（BGA）翘曲的封装工艺流程图，其示出了BGA封装过程。其中，
步骤S1为：提供一印刷电路板，在印刷电路板上形成多个相互间隔的焊盘；
步骤S2为：提供一半导体芯片，在半导体芯片表面形成多个相互间隔的焊球，焊球的材料为Sn34.4Bi62.1Ag3Cu0.5，焊球与焊盘相对应；
步骤S3为：形成焊球后在焊球表面采用浸入提拉工艺制备一层涂层，其中，该涂层由二丙二醇丁醚溶剂、联苯型有机硅改性环氧树脂、N-羟丙基二乙胺、聚乙烯醇和聚胺酯制备而成，按重量百分比计，其分别为二丙二醇丁醚溶剂为50%，联苯型有机硅改性环氧树脂25%、N-羟丙基二乙胺15%、聚乙烯醇8%和聚胺酯2%。
步骤S4为：随后将半导体芯片表面的含有表面涂层的焊球与印刷电路板上的焊盘对应，进行回流焊工艺，焊盘与焊球相接触。
在另一实施例中，回流焊工艺采用梯度温度回流工艺，第一步逐渐升温到100度并在60-120秒内逐步升温到120℃，第二步在10-20s内从120℃升温到145℃，第三步在20-40s内逐渐升温到169℃，并在该温度下保持5-10s，第四步在20-40s内降温到145℃，且该回流焊过程中有不少于50s的时间回流温度不小于145℃。
在另一实施例中，焊球的材料为Sn54Bi42.5Ag3Cu0.5，该材料的熔融温度降低到136℃，其相比于上一个实施例，焊球的熔融温度进一步降低，有效降低了热应力的大小，降低了翘曲产生的风险；本实施例中封装基板的制备工艺与上述实施例相同。
在另一实施例中，回流焊工艺采用梯度温度回流工艺，第一步逐渐升温到80度并在60-120秒内逐步升温到100℃，第二步在10-20s内从100℃升温到115℃，第三步在20-40s内逐渐升温到136℃，并在该温度下保持5-10s，第四步在20-40s内降温到115℃，且该回流焊过程中有不少于50s的时间回流温度不小于115℃。
在另一实施例中，本发明的封装结构还包括形成于角部位置的多个支撑件，该支撑件由位于角部焊盘上的锡膏5、位于锡膏上的镀铜圆盘（垫片6）构成。
综合所述，本发明提供了一种封装基板中BGA防翘曲封装结构及封装工艺，本发明的焊球采用了BiSnAgCu材料，该材料具有较低的熔融温度，其熔融温度不大于169℃，其远低于现有焊锡材料大约260℃的熔融温度，熔融温度的降低有效降低了热应力的大小，降低了翘曲的产生；同时，本发明的梯度温度回流工艺进一步降低了材料不同导致的热应力的释放，从而进一步降低了翘曲产生的风险；焊球表面采用了涂层技术，该涂层由溶剂、有机硅改性环氧树脂、N-羟丙基二乙胺、聚乙烯醇和聚氨酯制成，在回流焊工艺中，有机硅改性环氧树脂由于具有优良的热稳定性、较低的线膨胀系数和低温下的柔韧性，有效降低了内部应力，降低了翘曲的产生，同时，其增强了焊球与焊盘的底部接合，避免了短路的发生。该涂层中的有机硅改性环氧树脂、N-羟丙基二乙胺、聚乙烯醇和聚氨酯相互配合具有较低的活性，避免了翘曲产生的不润湿开口现象；封装结构的角部位置安装了支撑件，支撑件的设置有效缓解了基板对焊球的应力，从而进一步有效地降低了焊球产生的翘曲风险。
应当理解的是，以上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精神和范围。
Claims (10)
1.一种封装基板中BGA防翘曲封装结构，其包括：印刷电路板，形成于印刷电路板上的多个焊盘，半导体芯片，以及位于半导体芯片表面的多个焊球，焊盘与焊盘、焊球与焊球之间彼此间隔，其特征在于：焊球表面含有一层涂层，焊球的材料组成为BiSnAgCu，涂层由溶剂、有机硅改性环氧树脂、N-羟丙基二乙胺、聚乙烯醇和聚氨酯组成。
2.根据权利要求1所述的BGA防翘曲封装结构，其特征在于：BiSnAgCu的结构组成为SnxBiyAg3Cu0.5,其中34.4≤x≤54，其中42.5≤y≤62.1。
3.根据权利要求1或2所述的BGA防翘曲封装结构，其特征在于：涂层中按重量计，溶剂、有机硅改性环氧树脂、N-羟丙基二乙胺、聚乙烯醇和聚胺酯的比例为：溶剂为20%-75%，有机硅改性环氧树脂10%-60%、N-羟丙基二乙胺6%-45%、聚乙烯醇4%-10%和聚胺酯1%-6%。
4.根据权利要求1或2所述的BGA防翘曲封装结构，其特征在于：该封装结构还包括位于角部位置的多个支撑件，该支撑件由位于角部焊盘上的锡膏、位于锡膏上的垫片构成。
5.一种封装基板中BGA防翘曲封装工艺，其包括：提供一印刷电路板，在印刷电路板上形成多个相互间隔的焊盘；提供一半导体芯片，在半导体芯片表面形成多个相互间隔的焊球，焊球与焊盘相对应；其特征在于：焊球的材料为BiSnAgCu，其中，涂层由溶剂、有机硅改性环氧树脂、N-羟丙基二乙胺、聚乙烯醇和聚氨酯制备而成，随后将半导体芯片表面的含有表面涂层的焊球与印刷电路板上的焊盘对应，进行回流焊，焊盘与焊球相接触。
6.根据权利要求5所述的BGA防翘曲封装工艺，其特征在于：BiSnAgCu的结构组成为SnxBiyAg3Cu0.5,其中34.4≤x≤54，其中42.5≤y≤62.1。
7.根据权利要求5或6所述的BGA防翘曲封装工艺，其特征在于：涂层中按重量计，溶剂、有机硅改性环氧树脂、N-羟丙基二乙胺、聚乙烯醇和聚胺酯的比例为：溶剂为20%-75%，有机硅改性环氧树脂10%-60%、N-羟丙基二乙胺6%-45%、聚乙烯醇4%-10%和聚胺酯1%-6%。
8.根据权利要求5或6所述的BGA防翘曲封装工艺，其特征在于：封装结构还包括位于角部位置的多个支撑件，该支撑件由位于角部焊盘上的锡膏、位于锡膏上的垫片构成。
9.根据权利要求5所述的BGA防翘曲封装工艺，其特征在于：所述回流焊采用梯度温度回流工艺，第一步逐渐升温到100度并在60-120秒内逐步升温到120℃，第二步在10-20s内从120℃升温到145℃，第三步在20-40s内逐渐升温到169℃，并在该温度下保持5-10s，第四步在20-40s内降温到145℃，且该回流焊过程中有不少于50s的时间回流温度不小于145℃。
10.根据权利要求5所述的BGA防翘曲封装工艺，其特征在于：封装结构还包括形成于角部位置的多个支撑件，该支撑件由位于角部焊盘上的锡膏、位于锡膏上的镀铜圆盘构成。
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