CN1742371A - 具有未电连接的焊锡球的区域阵列封装 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示一种区域阵列封装，其包括复数个未用作电连接器的焊锡球。这些未连接的焊锡球或“虚设球”为连接至带电引脚的焊锡球提供保护，因此会提高区域阵列封装的可靠性。所述虚设球可设置于角落处、沿对角线设置或者设置于区域阵列封装上的其他高应力位置处。为进一步提高可靠性，可使用一连续的铜球焊盘焊垫来连接每一组角落虚设球。连续的铜焊垫有助于减小虚设球上的应力。对于中心处元件减少的BGA封装，可在封装的中心处使用一虚设球阵列来防止衬底弯折并提高坠落测试的可靠性。
Description
相关申请案
本申请案主张在2003年1月30日提出申请且名称为“焊接接头可靠性得到提高的区域阵列封装(AREA ARRAY PACKAGE WITH IMPROVEDRELIABILITY OF SOLDER JOINTS)”的第60/443,817号美国临时专利申请案的权利。
技术领域
本申请案涉及区域阵列封装，更具体而言，涉及提高承受环境应力的区域阵列封装中焊接接点的可靠性。
背景技术
为使半导体集成电路芯片能够与外界进行电气相互作用，须对半导体集成电路芯片进行连接。球栅阵列(BGA)半导体芯片封装使用复数个焊锡球作为外部端子。BGA封装因能够在一有限区域上实现一多引脚结构而得到广泛使用。
芯片装置通常具有一约3ppm/C的热膨胀系数(CTE)。这些装置相对呈刚性，且如果因过度弯折而受到应力，可能会出现脆性断裂。一区域阵列封装包括一芯片、一封装衬底及可选的模塑件。区域阵列封装的CTE会受到封装中每一组件的影响。
环氧玻璃印刷电路板的CTE可处于约16至21ppm/C范围内，此视玻璃布、树脂系统、及铜的含量而定。为获得一有用的电连接，需要在区域阵列封装与印刷电路板之间提供一物理连接。
区域阵列封装与印刷电路板之间所存在的CTE的不一致会引起热驱动应力并可通过许多种方式影响封装的可靠性。通过某种方式，这种基本的CTE不一致会影响所有涉及到区域阵列封装及印刷电路板的电子器件封装方案。对球栅阵列(BGA)型及芯片尺寸(CSP)型半导体封装的测量发现，靠近封装角落处的焊接接头会因CTE不一致而承受尤其高的应变。
随着焊盘焊垫间距及尺寸的缩小，焊锡球接头的可靠性通常会降低。区域阵列封装要求封装方案在装置的整个表面上在该封装与一印刷电路板之间形成并保持电接触。在区域阵列封装与印刷电路板之间会存在与温度相依的剪切应变。焊锡球连接具有非常可预测的有限的疲劳寿命。此外，区域阵列封装还会受到与CTE无关的机械应力。这些应力包括机械弯折及其他环境应力。
区域阵列封装与印刷电路板之间的应力使得需要对提供电连接的焊锡球加以保护。对提供电连接的焊锡球的保护应提供充分的应力消除，以将焊锡球连接上的应变降低至可接受的程度，从而实现疲劳寿命的提高。
发明内容
一种区域阵列封装包括复数个未用作电连接器的焊锡球。这些未连接的焊锡球或“虚设球”为连接至带电引脚的焊锡球提供保护，因此会提高区域阵列封装的可靠性。所述虚设球可沿对角线布置于角落处或者布置于区域阵列封装上的其他高应力位置处。为进一步提高可靠性，可使用一连续的铜球焊盘焊垫来连接每一组角落虚设球。连续的铜焊垫有助于减小虚设球上的应力。对于中心处球减少的BGA封装，可在封装的中心处使用一虚设球阵列来防止衬底弯折并提高坠落测试的可靠性。
在阅读下文详细说明及参阅附图后，使用虚设球来提高区域阵列封装的可靠性及各实施例的优点将变得更加一目了然。
附图说明
图1显示一连接至一印刷电路板的区域阵列封装；
图2显示该区域阵列封装上的虚设球构造；
图3显示一用于中心处元件减少的区域阵列封装的可选的中心虚设球构造；
图4是一流程图，其显示如何在区域阵列封装与印刷电路板之间制备连接以提高可靠性。
具体实施方式
图1显示一区域阵列封装100。该区域阵列封装100包括一衬底105、一电路小片106、及可选的模塑件108。衬底105可由包括陶瓷、层压片或聚酰亚胺胶带在内的不同材料构成。电路小片106通常是一硅芯片，其连接至衬底105。电路小片106可丝焊或以倒装片方式固定至衬底105。模塑件108可布置于电路小片106周围以保护电路小片106。当电路小片106丝焊至衬底105时，通常使用模塑件108，但即使电路小片106是以倒装片方式固定，也可使用模塑件108。
区域阵列封装100安装于一印刷电路板110或类似组件上。印刷电路板110通常是一层压片。区域阵列封装100通过复数个焊锡球115连接至印刷电路板110。焊锡球115可在区域阵列封装100与印刷电路板100之间提供机械和电连接。
图2显示区域阵列封装100与印刷电路板110之间的焊锡球连接115。焊锡球连接115通常布置于区域阵列封装100的衬底105的底部上。在本发明中，使用两种类型的焊锡球连接115。第一种类型的焊锡球连接205在区域阵列封装100与印刷电路板110之间提供机械及电介面。因此，除了将区域阵列封装100物理固定至印刷电路板110外，焊锡球连接205还能够在区域阵列封装100与印刷电路板110之间传输电信号。此种类型的焊锡球连接205是在BGA应用中常见的焊锡球连接。第二种类型的焊锡球连接是虚设球210。虚设球210仅在区域阵列封装100与印刷电路板110之间提供机械连接。虚设球210并不连接至任何电信号线。
在本发明的一实施例中，区域阵列封装100包括焊锡球焊垫208。每一焊锡球焊垫208均适于接纳一焊锡球。在图2中，为清楚起见，仅显示焊锡球焊垫208的一样本，尽管焊锡球焊垫208通常位于每一适于接纳一焊锡球的位置上。位于区域阵列封装100的每一角落215、220、225、230处及沿连接区域阵列封装100的各角落215、220、225、230的对角线235，240的焊锡球焊垫208并不具有与区域阵列封装100的电连接。这些无电连接的焊锡球焊垫208构造为使用虚设球210。
对半导体封装进行的测量发现，靠近封装角落的焊接接头承受尤其高的应力。通过将区域阵列封装100设计成在角落215、220、225、230处及沿连接区域阵列封装100的角落215、220、225、230的对角线235、240不具有电连接，可使用虚设球210来取代标准的焊接接头。使用虚设球210取代标准焊接接头会使在这些角落及对角线上所经受的高应变被虚设球210吸收。由于虚设球210不包含任何电连接，因而施加至虚设球210的应变不会使敏感的电连接断裂。此外，设计一沿对角线235、240无电连接的区域阵列封装100还使虚设球210能够沿对角线235、240布置，从而进一步吸收应力及应变，而不会使任何电连接断裂。
使用虚设球210实施的经验测试表明，在失效前温度循环测试及弯折失效测试二者中，虚设球210均早在常规焊锡球之前失效。由于虚设球210不具有电连接，因而其失效不会使区域阵列封装100与印刷电路板110之间的连接失效。通过将虚设球210定位于高应力位置处，会提高区域阵列封装100的总体寿命。表1即显示该测试。
| 温度循环(失效前的循环数) | ||
| 样本 | I/O电路 | 虚设球 |
| 1 | 1455 | 379 |
| 2 | 2065 | 140 |
| 3 | 1759 | 1070 |
| 4 | 1750 | 467 |
| 5 | 426 | 189 |
| 弯折失效(mm挠曲量) | ||
| 样本 | I/O电路 | 虚设球 |
| 1 | 14.5 | 10 |
| 2 | 15.5 | 15 |
| 3 | 15 | 14.5 |
| 4 | 19 | 14.5 |
| 5 | 15 | 14.5 |
| 6 | 1923 | 329 |
| 7 | 916 | 176 |
| 8 | 1184 | 134 |
| 9 | 1797 | 121 |
| 10 | 1425 | 211 |
| 11 | 1898 | 1269 |
| 12 | 2315 | 417 |
| 13 | 1805 | 737 |
| 14 | 768 | 218 |
| 15 | 1849 | 1075 |
| 16 | 1809 | 171 |
| 17 | 1946 | 375 |
| 18 | 1075 | 589 |
| 19 | 2259 | 387 |
| 20 | 2300 | 125 |
| 平均 | 1636 | 429 |
| 6 | 16 | 13.5 |
| 7 | 14 | 12.5 |
| 8 | 15.5 | 13 |
| 9 | 18.5 | 18 |
| 10 | 18 | 14 |
| 11 | 14 | 8 |
| 12 | 16 | 7.5 |
| 13 | 15 | 14 |
| 平均 | 16 | 13 |
表1
为进一步减小虚设球210上的应力，可在一或多个角落215、220、225、230中在虚设球210的下方设置一连续的铜球焊盘焊垫250。铜焊垫250设置于虚设球210与衬底105之间。铜焊垫250提供一均匀的焊盘区域并进一步减小角落处虚设球210上的应力。使用铜焊垫250实施的建模数据表明在失效前的温度循环数量增大。表2即显示该测试。
| 失效前的温度循环 | ||
| 虚设球 | 无铜焊垫 | 有铜焊垫 |
| 1 | 920 | 987 |
| 2 | 3216 | 3750 |
| 3 | 3099 | 3793 |
| 4 | 2475 | 2617 |
表2
图3显示对于一中心处元件减少的封装而言，区域阵列封装100与印刷电路板110之间的焊锡球连接的一替代布置方案。在本实施例中，一虚设球阵列350位于区域阵列封装100中心处元件减少的区域中。位于中心处的虚设球阵列350可防止衬底在电气测试期间出现弯折并提供更多的焊接接头来提高坠落测试的可靠性。位于中心处的虚设球阵列350也可与在角落及对角线上所使用的虚设球相组合来增强可靠性。
图4是一流程图，其显示如何制备区域阵列封装100与印刷电路板110之间的连接以提高可靠性。该过程始于START(开始)块405。然后进行至块410，为区域阵列封装100形成一封装轮廓。该封装轮廓包含复数个焊锡球115，所述复数个焊锡球115多于芯片装置106的输入/输出(I/O)要求的数量。通过包含一高数量的焊锡球115，并非每一焊锡球115均需要用作一I/O连接。此使某些焊锡球115能够用作虚设球210。
然后进行至决415，识别沿区域阵列封装100与印刷电路板110之间的连接的高应力位置。所述高应力位置是那些在受到环境应力或其他应力时有可能首先出现焊锡球115失效现象的位置。可通过建模数据(计算机仿真)、经验测试或其他适当的技术来识别高应力位置。
然后进行至块420，对于每一高应力位置，均选择适当数量的焊锡球115作为虚设球210。根据目标性能水平及所需I/O连接的数量来选择拟对每一区域使用的虚设球210的数量。如上文所述，高应力区域通常见于区域阵列封装100的角落处及沿对角线处。因此，如图2所示在这些区域中设置虚设球210。图2中的构造仅为例示性，且可根据目标性能水平及所需I/O连接的数量来改变在每一高应力区域中拟使用的虚设球210的数量。当使用一中心处元件减少的封装时，可视需要在区域阵列封装100的中心处设置一虚设球阵列。中心虚设球既可与也可不与角落及对角线处的虚设球一起使用。可按矩形或正方形布局来设置中心虚设球，但也可使用其他类型的布局。
然后进行至块425，对衬底进行线路确定，以使电路小片的焊垫仅连接至含有带电I/O焊锡球的位置。在电路小片的焊垫与虚设球之间不进行电连接。
然后进行至块430，可在角落处的虚设球与区域阵列封装100之间设置一连续的铜焊垫或其他焊垫。连续的铜焊垫可提高角落处虚设球对环境应力的耐受性。铜焊垫的使用是可选的。
在设计封装及设置虚设球之后，可实施经验测试来确定该封装是否满足目标应力水平。如果不满足目标水平，则可对设计进行进一步的修改。一旦满足所述目标水平，即在END(结束)块435中终止该过程。
尽管已参考附图结合本装置的较佳实施例对本装置进行了全面说明，然而应注意，所述技术领域的技术人员将易知各种改变及修改。应将这些改变及修改视为仍归属于由随附权利要求书所界定的本装置的范畴内。
Claims (15)
1、一种装置，其包括：
一印刷电路板；
一具有角落的区域阵列封装；
一第一组焊锡球，其将所述区域阵列封装电连接至所述印刷电路板；及
一第二组焊锡球，其提供物理连接但不提供电连接，所述第二组以可构造方式在所述区域阵列封装的所述角落的至少一个中及沿所述区域阵列封装的相对于所述角落的对角线设置。
2、如权利要求1所述的装置，其中所述第二组焊锡球进一步包括设置于所述区域阵列封装的中心处的焊锡球。
3、如权利要求1所述的装置，其中位于所述区域阵列封装的所述角落之一中的所述第二组焊锡球中的至少一个位于一连续的球焊垫上。
4、如权利要求3所述的装置，其中所述连续的球焊垫是一金属焊垫。
5、一种装置，其包括：
一印刷电路板；
一区域阵列封装；
一第一组焊锡球，其将所述区域阵列封装电连接至所述印刷电路板；及
一第二组焊锡球，其提供物理连接但不提供电连接，所述第二组以可构造方式设置于所述区域阵列封装的一中心处。
6、一种提高一具有角落的区域阵列封装与一印刷电路板之间的可靠性的方法，其包括：
提供第一复数个未用于所述区域阵列封装与所述印刷电路板之间的电连接的焊锡球，其中所述第一复数个焊锡球以可构造方式在所述区域阵列封装的所述角落的至少一个中及沿所述区域阵列封装的相对于所述角落的对角线设置；及
提供第二复数个电连接所述区域阵列封装与所述印刷电路板的焊锡球。
7、如权利要求6所述的方法，其进一步提供第三复数个设置于所述区域阵列封装的所述中心处的焊锡球。
8、如权利要求6所述的方法，其进一步包括将所述第一复数个焊锡球的设置于所述角落中的部分定位于一连续的球焊垫上。
9、如权利要求8所述的方法，其中所述连续的球焊垫是一金属焊垫。
10、一种具有角落的区域阵列封装，其包括：
一第一组焊锡球焊垫，其经构造用于将电信号传输至所述区域阵列封装；及
一第二组无电连接的焊锡球焊垫，所述第二组焊锡球焊垫经构造用于仅提供与所述区域阵列封装的物理连接，所述第二组焊锡球焊垫以可构造方式在所述区域阵列封装的所述角落的至少一个中及沿所述区域阵列封装的相对于所述角落的对角线设置。
11、如权利要求10所述的区域阵列封装，其中所述第二组焊锡球焊垫进一步包括设置于所述区域阵列封装的所述中心处的焊锡球焊垫。
12、如权利要求10所述的区域阵列封装，其中位于所述区域阵列封装的所述角落之一中的所述第二组焊锡球焊垫中的至少一个包括一连续的球焊垫。
13、如权利要求12所述的区域阵列封装，其中所述连续的球焊垫是一金属焊垫。
14、一种设计一具有角落的区域阵列封装的方法，其包括：
在所述区域阵列封装的所述角落的至少一个中及沿所述区域阵列封装的相对于所述角落的对角线设置第一复数个不用于电连接所述区域阵列封装的焊锡球焊垫；及
提供第二复数个适于允许电连接至所述区域阵列封装的焊锡球焊垫。
15、如权利要求14所述的方法，其进一步提供第三复数个设置于所述区域阵列封装的所述中心处的不用于电连接的焊锡球焊垫。
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