CN203574939U - 用于模块化电路板的表面安装互连系统 - Google Patents

Abstract

一种用于模块化电路板的表面安装互连系统，其中表面安装互连系统（10）提供用于将辅助印刷电路板组件（14）直接安装到主电路板组件（12），而不采用带引线的表面安装装置的方法和设备。直线阵列的间隔开的焊盘（20,36）设置在两个组件（12,14）的基板的露出表面（18,34）上，焊盘（36）阵列中的至少一个与和其相关联的基板（32）的边缘（48）相邻。选定的多对对准的协作的焊盘（20,36）通过焊球（50）电气和机械互连，该焊球回流以在成对的焊盘之间形成焊点（66）。焊球（50）包括相对高温的内芯部（52）和相对低温的外焊料层（54）。

Description

用于模块化电路板的表面安装互连系统

技术领域

本实用新型涉及用于向电路板提供电气连接的设备，并更具体地涉及提供电路板之间的电气和机械互连件。

背景技术

电路板的互连会在成本和可靠性方面以及组装难易度方面出现问题。借助通常带引线的部件，排针（header pin）可用于取消连接件，以减少部件数量并提高可靠性。

制造过程进步到采用更多是驱动组件的表面安装部件，以在表面安装技术的情况下不采用带引线的部件。产品设计致力于改变特别是用于昂贵但又没有太多可选的连接系统的表面安装。

已知形成球栅阵列封装，该球栅阵列封装件包括通过焊接凸点（solderbump）互连件来安装到基板的电子组件。例如，具有封装集成电路管芯的组件可通过焊接凸点互连件安装到母板上。基板和组件平行并间隔开一间隙，而焊接凸点互连件设置在该间隙内。焊接凸点互连件经由基板和组件上的接合焊盘（bond pad）使基板电气和物理附连到组件。已提出采用焊球来形成互连件，这些焊球包括带有焊料层的聚合物芯部。将焊球放置于焊盘上，基板和组件借助它们之间的焊球对准，然后加热以使焊料回流。芯部用作间隔件以确保基板和组件之间的最小距离。

在操作过程中，由于组件和基板之间热膨胀不匹配而引发的应力，焊接凸点互连会破裂，从而使电子组件和基板之间的电气连接断开，并引起封装的失效。基板的表面与电子组件的表面之间的距离被称为焊点互连高度。加大焊点互连高度会减少应力并产生更可靠的连接。此外，已知将电气部件定位在基板上、于电子组件下方。各部件产生热量。加大基板和组件之间的焊点互连高度可加大间隙内的空气或其它冷却流体的流动，并改善位于组件下方的电气部件的冷却。

实用新型内容

表面安装互连系统提供用于将辅助印刷电路板组件直接安装到主电路板组件，而不采用带引线的表面安装装置的方法和设备。直线阵列的间隔开的焊盘设置在两个组件的基板的露出表面上，焊盘阵列中的至少一个与和其相关联的基板的边缘相邻。选定的多对对准的协作的焊盘通过焊球电气和机械互连，该焊球回流以在焊盘对之间形成焊点。

根据本实用新型的一方面，焊球中的至少一些包括高熔化温度的内芯部和低熔化温度的外焊料芯部/外焊料层。这种结构向主印刷电路板组件和辅助印刷电路板组件之间的机械连结提供加强的结构支承特性。

为了代替排针和/或两件式连接系统，存在有能使垂直电路板互连到水平电路板的焊球。拾取和贴装执行电气互连的焊球。这些焊球的直径通常为约1.6毫米。垂直的电路板板将使焊球在与交界区域处的边缘相邻的接触区域处回流，以能焊接到水平电路板。借助施加于水平电路板上的交界接触点的焊膏，焊接操作将使焊料回流，并完成电路板之间期望的电路连接。小边缘卡型固定装置可有助于定位垂直电路板，而正好位于交界区域外的两个防错凸片可有助于定位电路板，并能有助于将电路板相对于彼此保持在位，直至完成焊接操作为止。

根据本实用新型，提供一种用于形成具有加大的焊点互连高度的球栅阵列封装的方法。设有包括多个第一接合焊盘的基板。将焊球设置到各个第一接合焊盘上。焊球由在焊料回流温度下保持固态的材料制成的芯部构成，并封装在可回流焊料层内。电子组件设置在基板上，因而，组件上的第二接合焊盘与焊球接触，由此形成这样的结构，即，基板和组件处于平行的间隔开的关系，而焊球位于第一和第二接合焊盘之间，该电子组件的特征在于基板和组件之间的第一焊点互连高度。将该结构加热到有效融化和使焊料回流的温度一段时间。融化的焊料浸润第一和第二接合盘，并聚结于固态芯部和接合盘的至少一个之间，以加大焊点互连高度。当焊料冷却和固化时，球栅阵列封装的特征在于比回流之前结构的第一焊点互连高度大的第二焊点互连高度。

本实用新型的这些和其它特征与优点将通过阅读下述说明书变得清晰，说明书结合附图具体描述本实用新型的较佳和替代的实施例。

附图说明

现将参照附图通过例子描述本实用新型，附图中：

图1是本实用新型的第一实施例的分解立体图，其中，水平设置的母电路板示出为与垂直设置的子电路板并置以与其进行组装；

图2是图1的实施例的放大比例的剖视详图，其中，母电路板和子电路板在进行电气和机械连结之前预先定位在它们对应的组装定向；

图3是类似于图2的剖视详图，该图示出通过焊料回流工艺互连母电路板和子电路板之后，接着施加刚性的电气绝缘的底填料；

图4是本实用新型的第二实施例的分解立体图，其中，母电路板示出为与相邻的挠性子电路板并置，以与其进行组装；

图5是本实用新型的第三实施例的立体图，其中子电路板具有通过“拾取和贴装”工艺预先与其组装的许多焊球，其中，焊球通过粘结剂或焊料回流工艺来粘附；

图6A、B和C是第三实施例的组装过程步骤的立体图，其中，设有焊接板（图6A），焊接板预先定位在母电路板上方，以支承与其垂直的子电路板（图6B），以及从完成的母-子电路板组件移除焊接板（图6C）；以及

图7是图6C的一部分的放大详图，该图示出影响母和子电路板的机械和电气互连的焊点。

尽管附图代表本实用新型的实施例，但不必按比例绘制附图，并且可以放大某些特征以说明和阐释本实用新型。本文如下的示例说明本实用新型在一种形式中的实施例，且这种示例并不构造成以任何方式限制本实用新型的范围。

具体实施方式

参见图1，示出体现本实用新型的电子封装件10。电子封装件10包括适于选择性地电气和机械连结的主电路板组件12和辅助电路板组件14。主电路板组件12具有大致平坦的基板16，诸如刚性印刷电路板（PCB），其形成露出（上）表面18。直线阵列的间隔开的焊盘20a-20f沿标记为X-X的轴线承载于基板16的露出表面18上。各个焊盘20通过一个或多个导电迹线24与各种电气部件22电气互连。焊盘20a-20f、电气部件22和导电迹线24构成主或第一子电路组件26。诸如成形凹部的一对间隔开的定位特征28和30形成于该基板16内，这些凹部在焊盘20a-20f的阵列附近在露出表面18中敞开。各个焊盘20a-20f较佳地相似构造（成形和定尺寸），而相邻的焊盘20a-20f彼此相等地间隔开。

辅助电路板组件14具有大致平坦的基板32，诸如刚性印刷电路板（PCB），从而形成露出（面向右）的表面34。直线阵列的间隔开的焊盘36a-36f沿标记为Y-Y的轴线承载于基板32的露出表面34上。各个焊盘36通过一个或多个导电迹线40与各种电气部件38电气互连。焊盘36a-36f、电气部件38和导电迹线40构成辅助或第二子电路组件42。诸如成形延伸部的一对间隔开的定位凸片44和46形成于基板32内，这些定位凸片与露出表面34相邻地从底边表面48（向下）垂直延伸，并分别滑动配合到定位特征28和30内。焊盘36a-36f的阵列位于露出表面34和底边表面48的相交线处或非常接近该相交线。各个焊盘36a-36f较佳地类似构造而成（成形和定尺寸），而相邻的焊盘36a-36f彼此相等地间隔开。

现在参照图2和3，示出有为了形成封装件10而组合的主电路板组件12和辅助电路板组件14的结构。除了焊盘20a-20f以及36a-36f外，阻焊剂分别覆盖基板16和32的露出表面18和34以及承载面26。

参照图1和2，示出用于将辅助电路板组件14表面安装在主电路板组件12上的初始组装步骤。较佳地，分开预组装辅助电路板组件14和主电路板组件12。此后，辅助电路板组件14垂直地预先定位在主电路板组件12上，而辅助电路基板32的底边表面48与主电路板基板16的露出的上表面18邻接。辅助电路板组件14的一体定位凸片44和46分别精确地滑动配合到匹配的定位特征28和30内，这些定位特征形成于主电路板组件12的基板16内。

限定直线阵列的间隔开的焊盘20a-20f的轴线X-X与限定直线阵列的间隔开的焊盘36a-36f的轴线Y-Y平行。这样做，焊盘以协作的对的方式对准。例如，焊盘36a和20a对准为图2中所示的协作对。相似地，焊盘36b和20b，36c和20c，36d和20d，36e和20e以及36f和20f分别形成协作的对。

采用焊球50来选择性地使协作的焊盘20和36对电气互连，并将辅助电路板组件14机械固定到主电路板组件12。通过选择性地使协作的焊盘20和36对电气互连，将子电路组件26和42电气接入电路内，从而形成复合电路。复合电路的功能可通过在一些或全部的协作的焊盘对20和36处选择性采用焊球50来改变。例如，第一功能可通过将焊球50置于各个协作的焊盘对20和36处来实现。第二功能可通过将焊球50仅置于焊盘20a、20c、20d和20f（作为示例）上来实现，而第三功能可通过将焊球50仅置于焊盘20a,20b,20e和20f上（作为示例）来实现。当然，在比所有可能的焊盘对少的焊盘对处采用焊球50将造成略减小的结构完整性。

各个焊球50可由均质复合物来构成。较佳地，各个焊球50包括芯部52、包封芯部52的焊料层54以及设置在芯部52与焊料层54之间的焊料浸润层56。焊料层54通过助熔化合物58涂覆在其外层上。在较佳实施例中，焊料层54由包含63％锡和余下的铅的近共晶合金构成。在所述实施例中，芯部52由聚合物材料、较佳是二乙烯基苯共聚物构成。或者，芯部可由在焊料回流温度下保持固态的任何适当材料制成。层56由通过融化焊料浸润的金属构成。合适的金属包括铜或铜合金或镍或镍合金。合适的焊球可由商标名为Indium Sphereot的铟泰公司（Indium Corporation）购得。

参照图3，在基板14、电子组件16和焊球40如图1和2中所示那样设置之后，将结构10加热到约210摄氏度的温度约30秒钟时间，从而使焊料有效回流。在焊料回流过程中，焊料液化，并在阻焊剂层内的开口处浸润各个对应的对的第一焊盘或接合焊盘20和第二焊接或接合焊盘36。将阻焊剂层的样式设计成形成使焊盘20和36露出的开口，从而允许用融化的焊料来浸润焊盘20和36的顶面和侧面。在焊料层54处于液态形式时，焊料芯部52由于表面张力从图2中所示的位置被吸到图3中所示的位置，其中，芯部52分别如箭头67所示移位成切向靠近两个基板16和32的露出表面18和34。当冷却时，焊料固化，并接合到各对焊盘20和36，以形成焊料接头互连。当固定在图3中所示的位置时，芯部52用作网（web），从而将基板16和32机械加强在图3中它们的对应位置，以及促进对应的焊盘20和36之间的导电性。从图2的初始焊料层54重新形成的焊料66也用于从结构上支持图3的实施例，并完全浸没芯部52。

在冷却焊点之后，非导电的溢流材料60可在焊点上提供密封，以及提供基板16和32在图3中所示的它们对应位置的补充结构机械支承。

参照图2，焊盘20a-20f具有形成于其内的中心凹入的凹部或定位凹穴62。凹穴62的尺寸分别设计成并定位成便于在回流工艺步骤之前手动放置焊球50。粘结层64可形成于定位凹穴62内，以将焊球50暂时保持于凹穴内。或者，各个焊球50可具有外粘附涂层，以提供相同的功能。

参照图4，示出体现本实用新型的替代实施例的电子封装件68。电子封装件68包括适于通过直接表面安装来选择性电气和机械连结的主电路板组件70和辅助电路板组件72。主电路板组件70具有大致平坦的基板74，诸如刚性印刷电路板（PCB），其形成露出的（上）表面76。直线阵列的间隔开的焊盘78（仅示出一个）沿一轴线承载于基板74的露出表面76上。各个焊盘78通过一个或多个导电迹线与各种电气部件电气互连。焊盘78、电气部件22和导电迹线构成主或第一子电路组件80。诸如成形凹部的定位特征82形成于基板74内，从而在焊盘78的阵列附近通入露出的表面76内。各个焊盘78较佳地类似构造（成形和定尺寸），而相邻的焊盘78彼此相等地间隔开。

辅助电路板组件72有大致平坦的基板84，诸如挠性印刷电路板（PCB），其形成露出（面向下）的表面86。直线阵列的间隔开的焊盘88沿标记的轴线承载于基板84的露出表面86上。各个焊盘88通过一个或多个导电迹线90与各种电气部件电气互连。焊盘88、电气部件和导电迹线90构成辅助或第二子电路组件92。通过铆钉96固定到基板84的一对间隔开的定位凸片94从与基板74的露出表面76平行的底边表面98（向下）延伸，以滑动配合到定位特征82内。各个焊盘88较佳地类似构造（成形和定尺寸），而相邻的焊盘88彼此相等地间隔开。

焊盘78具有形成于其内的凹部100，用以定位焊球102，该焊球由粘结层104保持。相似地，焊盘88具有形成于其内的凹部106，以与焊球102对准。

通过手动选择性地将焊球102放置于一些或全部的主子电路组件焊盘78的凹部100内来组装电子封装件68。随后，定位凸片94与它们对应的定位特征82对准，且将焊球102加热到它回流，从而以间隔开的关系使毗邻的焊盘78和88对互连。当焊料重新固化时，在两者之间具有焊球102的焊盘78和88机械和电气连结。没有焊球的成对的焊盘78和88保持由间隔台阶108间隔开，该台阶形成于定位凸片94内，并且因此，成对的焊盘78和88机械和电气隔离。

参照图5、6a-6c和7，示出体现本实用新型的第三替代实施例的形成电子封装件的过程步骤。

参照图5，主电路板组件110具有大致平坦的基板112，诸如刚性印刷电路板（PCB），其形成露出（上）表面114。直线阵列的间隔开的焊盘116沿标记为Z-Z的轴线承载于基板112的露出表面114上。各个焊盘116通过一个或多个导电迹线120与各种电气部件118电气互连。焊盘116、电气部件118和导电迹线120构成主或第一子电路组件122。诸如成形的边缘邻接部的成对间隔开的定位特征124和126形成于基板112内并位于焊盘116阵列附近。各个焊盘116较佳地类似构造而成（成形和定尺寸），而相邻的焊盘116彼此相等地间隔开。将焊球128手动粘附地预先定位在各个焊盘116上。

参照图6a，组件固定装置130设置成在焊接之前将辅助电路板组件预先定位在主电路板组件110上。固定装置130由大致矩形的框架132构成，该框架包括端壁部134和侧壁部136，它们构造成形成开口138，该开口尺寸设计成以滑动配合的方式精确地接纳主电路板组件110。向内的定位凸片140分别一体形成于端壁部134和侧壁部136上，以使主电路板组件110垂直定位在框架132内。定位套箍142通过两个一体形成的支柱144支承于框架侧壁部136中的一个上方。定位套箍142形成垂直开口的通槽146。

参照图6b，图5的主电路板组件110示出为安装在图6a的组件固定装置130内。此外，图6b示出辅助电路板组件148，该辅助电路板组件相对于主电路板组件110预先定位，并由定位套箍142支承在垂直定向中。

辅助电路板组件148具有大致平坦的基板150，诸如刚性印刷电路板（PCB），其形成露出表面152。直线阵列的间隔开的焊盘154沿标记的轴线承载于基板150的露出表面152上。各个焊盘154通过一个或多个导电迹线158与各种电气部件156电气互连。焊盘154、电气部件156和导电迹线158构成辅助或第二子电路组件162。焊盘154的阵列位于主电路板组件的焊盘116的轴线Z-Z处或非常接近该轴线。各个焊盘154较佳地类似构造而成（成形和定尺寸），而相邻的焊盘154彼此相等地间隔开。

如图6b和7中所示，辅助电路板组件148的焊盘154与主电路板组件110的焊盘116精确地对准。借助如图6b中所示那样对齐的对应的对准的焊盘116和154对，将焊球128加热直到它们回流，从而将焊球128转化成焊点162，如图6c和7中所示。在回流的焊料冷却并凝结成焊点162之后，移除组件固定装置130。随后，辅助电路板组件148仅通过焊点162机械支承于主电路板组件110上。如文中详细所述，焊点162也用于选择性地互连第一和第二子电路组件122和160。

下述文献被认为是提供文中所述的本实用新型以及制造和使用本实用新型的更充分公开内容。由此，下面所列的每篇文献在此以参见的方式纳入本说明书。

授予S.Yeh等人的、题为“Solder Bump Transfer Device for Flip ChipIntegrated Circuit Devices（用于倒装片方式集成的电路装置的焊接凸片转移装置）”的美国专利第5,607,099号。

授予Eric D.Jensen等人的、题为“Integrated Circuit with a Chip On Dotand a Heat Sink（具有点上集成芯片和散热片的集成电路）”的美国专利第5,896,271号。

授予Youg K.Yeo等人的、题为“Enhanced Chip Scale Package for FlipChips（用于倒装片的放大芯片比例封装件）”的美国专利第6,608,379B2号。

授予Youg K.Yeo等人的、题为“Enhanced Chip Scale Package for WireBond Dies（用于引线接合模具的放大芯片比例封装件）”的美国专利第6,710,438B2号。

授予Bruce A.Myers等人的、题为“Method of Fabricating an ElectronicPackage Having Underfill Standoff（制造具有底填支座的电子封装件的方法）”的美国专利第7,118,940B1号。

授予Chris R.Snider等人的、题为“Lightweight Audio System forAutomotive Applications and Method（用于汽车应用的轻质音频系统及方法）”的美国专利第7,733,659B2号。

Frank Stepniak等人的、题为“Integrated Circuit with Low-StressUnder-Bump Metallurgy（具有低应力下凸起冶金的集成电路）”的美国专利申请第2007/0029669号。

Derek B.Workman的、题为“Devices with Microjetted Polymer Standoffs（具有微喷射聚合物焊点的装置）”的美国专利申请第2007/0235217A1号。

Mark E.Webster等人的、题为“Method for Forming BGA Package withIncreased Standoff Heigh（用于形成具有加大的焊点互连高度的BGA封装件的方法）”的美国专利申请第2009/0080169A1号。

必须予以理解的是，参照具体的实施例和变型描述了本实用新型以提供前述的特征和优点，且实施例如对于那些本领域技术人员显而易见地易于进行修改。

此外，可以设想的是许多替代性的、普通的、不昂贵的材料可以用于构造各基本的组成部件。因此，前述内容并不意味有限制的意思。

以说明性方式对本实用新型进行描述，且须予以理解的是所使用的术语往往是说明性文字而非限制。

显然，受到上述讲授的启发可以对本实用新型进行多种变化和改动。因此，须予以理解的是，在所附权利要求书的范围内，其中附图标记仅出于方便和说明的目的，并且不以任何方式受到局限，由根据专利法原则、包括等价学说所阐释的下述权利要求书所限定的本实用新型可以与具体所述不同地实施。

Claims (17)

1.一种表面安装互连系统（10），包括： 

第一和第二电路板组件（12,14），各个电路板组件包括大致平坦的基板（16,32），所述基板具有设置在其露出表面（18,34）上的直线阵列的间隔开的焊盘（20,36）， 

其中，所述直线阵列的焊盘（20,36）中的至少一个与和其相关联的所述基板（32）的边缘（48）大致相邻地设置，以及 

其中，多对对准的协作的所述焊盘（20,36）均通过焊球（50）电气和机械互连，所述焊球回流以在相关联的成对焊盘（20,36）之间形成焊点（66）。 

2.如权利要求1所述的表面安装互连系统（10），其特征在于，所述基板（16,32）以相互呈锐角来设置。 

3.如权利要求1所述的表面安装互连系统（10），其特征在于，所述基板（16,32）大体刚性。 

4.如权利要求1所述的表面安装互连系统（10），其特征在于，所述基板（16,32）中的至少一个包括大致挠性的印刷电路板（84）。 

5.如权利要求1所述的表面安装互连系统（10），其特征在于，还包括形成于各个所述协作的焊盘（20,36）中的一个内的凹入空腔（62），所述凹入空腔（62）的尺寸设计成在相关的焊球（50）回流之前实现所述焊球的预先定位。 

6.如权利要求1所述的表面安装互连系统（10），其特征在于，至少多个所述焊球（50）包括相对高温的内芯部（52）和相对低温的外焊料层（54）。 

7.如权利要求6所述的表面安装互连系统（10），其特征在于，还包括设置在各个焊球（50）和相关的焊盘（20）之间的粘性材料层（64），所述粘性材料层操作成在所述焊球（50）回流之前实现所述焊球（50）的位置保持。 

8.如权利要求6所述的表面安装互连系统（10），其特征在于，还包括设置在所述焊球（50）的外表面上的助熔材料层（58）。 

9.如权利要求1所述的表面安装互连系统（10），其特征在于，还包括完全包封所述焊点（66）的模制复合物保护层（60）。 

10.如权利要求1所述的表面安装互连系统（10），其特征在于，还包括围绕所述焊点（66）部分覆盖各个基板（16,32）的阻焊层。 

11.如权利要求1所述的表面安装互连系统（10），其特征在于，各个所述电路板组件（12,14）包括设置在所述电路板组件的所述基板（16,32）上并与所述焊盘（20,36）中的至少一些构成回路的电路迹线（24,40）。 

12.如权利要求11所述的表面安装互连系统（10），其特征在于，各个所述电路板组件（12,14）包括设置在所述电路板组件的所述基板（16,32）上并与所述迹线（24,40）中的至少一些构成回路的电气部件（22,38）。 

13.如权利要求1所述的表面安装互连系统（10），其特征在于，还包括由所述基板（16,32）中的每个一体形成的协作的定位特征（28,30和44,46），所述定位特征操作成在所述焊球（50）回流之前实现所述基板的对准和保持。 

14.如权利要求6所述的表面安装互连系统（10），其特征在于，所述焊点（66）包括所述高温内芯部（52）。 

15.如权利要求1所述的表面安装互连系统（10），其特征在于，所述基板边缘（48）成形为顺应于另一所述基板（16）的露出表面（18）的相邻部分。 

16.如权利要求1所述的表面安装互连系统（10），其特征在于，位于所述直线阵列中的每个内的相邻的焊盘（20,32）大致相等地间隔开。 

17.如权利要求6所述的表面安装互连系统（10），其特征在于，所述焊点（66）包括所述相对高温的内芯部（52），所述相对高温的内芯部设置成切向靠近两个所述基板（16,32）的露出表面（18,34）。 

Images