DE102004029584A1 - Anordnung zur Erhöhung der Zuverlässigkeit von substratbasierten BGA-Packages - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Erhöhung der Zuverlässigkeit von substratbasierten Ball-Grid-Array-(BGA)-Packages, mit einem auf einem Substrat montierten Die (Chip), welches mit Leitbahnen des Substrates elektrisch verbunden ist und bei dem das Substrat mit in einem vorgegebenen Raster angeordneten Lötkugeln versehen ist. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine besonders einfach zu realisierende und wirksame Anordnung zur Erhöhung der Zuverlässigkeit von sustratbasierten Ball-Grid-Array-Packages zu schaffen. Erreicht wird das dadurch, dass auf der Seite des mit den Leiterbahnen versehenen Substrates (2) eine Laminatlage (10) auflaminiert ist, die an den Positionen der Ballpads (6) mit Öffnungen (11) zur Aufnahme der Lotbälle (7) versehen ist.
Description
- Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Erhöhung der Zuverlässigkeit von substratbasierten Ball-Grid-Array-(BGA)-Packages, mit einem auf einem Substrat montiertes Die (Chip), welches mit Leitbahnen des Substrates elektrisch verbunden ist und bei dem das Substrat mit in einem vorgegebenen Raster angeordneten Lötkugeln versehen ist.
- Bei substratbasierten Ball-Grid-Array-Packages (BGA-Packages) ist die Zuverlässigkeit des auf einer Leiterplatte (PCB) aufgelöteten Packages (2nd-Level-Reliability) ein Problem, insbesondere beim thermischen Zykeln, also dem mehrfachen Durchfahren von erheblichen Temperaturänderungen, der aufgelöteten Packages können Ausfälle auf Grund des Versagens durch Ermüdungsbrüche der Lotverbindungen, also der Lotkugeln, fest gestellt werden.
- Ein solches Package besteht beispielsweise aus einem Substrat, auf dem ein Die durch Chipbonden befestigt ist, wobei das Substrat mit einem zentralen Bondkanal versehen ist, durch den Drahtbrücken, die von den Bondpads des Die zu Kontaktinseln auf dem Substrat gezogen sind, mit dem Substrat elektrisch verbunden ist und bei dem auf der dem Die abgewandten Seite des Substrates ein Array von Lotkugeln angeordnet ist, dessen Lotkugeln jeweils über Ballpads mit Leitbahnen auf dem Substrat elektrisch verbunden sind.
- Weiterhin ist der Bondkanal zum Schutz der empfindlichen Drahtbrücken mit einer Vergussmasse vergossen und die Seite des Substrates mit dem Die zu dessen Schutz mit einem Moldcompound umhüllt.
- Die Ermüdung der Lotverbindungen beim Thermozykeln des Moduls wird im Wesentlichen durch das unterschiedliche thermische Ausdehnungsverhalten von Package und dem PCB (Printed Circuit Board/gedruckte Leiterplatte) während des thermischen Zykelns sowie durch eine mangelnde Flexibilität des Substrates verursacht.
- Die beim thermischen Zykeln induzierten thermomechanischen Spannungen werden an der schwächsten Stelle im Verbund Package-PCB abgebaut, wobei die schwächste Stelle in der Regel die Lötverbindungen zwischen PCB und dem Package bilden.
- Um diese thermomechanischen Beanspruchung beim thermischen Zykeln zu minimieren und damit eine Verbesserung der Zuverlässigkeit zu erreichen, wurde als eine mögliche Variante eine Die-Ausgleichsschicht vorgesehen. Diese Die-Ausgleichsschicht wurde zwischen Die und Substrat angeordnet.
- Andere Möglichkeiten zur Erhöhung der Zuverlässigkeit bestehen darin, beispielsweise die Dicke des Dies anzupassen, z.B. das Die abzudünnen, was zwar zu positiven Effekten führt, aber nicht ausreichend ist.
- Eine Verbesserung der Zuverlässigkeit der Lotverbindungen kann prinzipiell auch durch die Erhöhung der eingesetzten Lotmenge erreicht werden, indem der Lotkugeldurchmesser vergrößert wird und ggf. zusätzlich eine Verringerung der Kerbung des Lotes im Übergang zwischen Lotkugel und Lötstopp-Maskenöffnung auf dem Substrat vorgenommen wird, erreicht werden. Allerdings ist die Vergrößerung des Lotkugeldurchmessers im BGA-Baustein nur begrenzt möglich und durch den vorgegebenen Abstand der Lotkugeln limitiert. Bei Durchmessern der Lotkugeln oberhalb eines bauteilespezifischen Grenzwertes kann es zu Kurzschlüssen zwischen den Lotkugeln kommen.
- Die Substrate werden üblicher Weise aus Gasfaserlaminaten in Verbindung mit Epoxydharzbindemitteln hergestellt, auf deren Unterseite in der Regel eine Kupferschicht auflaminiert ist, die durch übliche Strukturierungsverfahren (Photolithographie in Verbindung mit Ätzverfahren) so strukturiert sind, dass Leiterbahnen ausgebildet werden, die mit Ballpads zur Aufnahme und elektrischen Kontaktierung der Lotkugeln versehen sind. Üblicher Weise werden die Leiterbahnen durch eine Schicht aus einem Lötstopplack bedeckt, während die Ballpads nicht mit Lötstopplack bedeckt sind, sondern mit einem geeigneten Oberflächenschutz (z.B. eine organische Schutzschicht oder eine zusätzliche Metallisierung, z.B. einer Nickel-Gold-Schicht versehen werden.
- Der Erfindung liegt nunmehr die Aufgabe zugrunde, eine besonders einfach zu realisierende und wirksame Anordnung zur Erhöhung der Zuverlässigkeit von substratbasierten Ball-Grid-Array-Packages zu schaffen.
- Ausgehend von einer Anordnung der eingangs genannten Art wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe dadurch gelöst, dass auf der Seite des mit den Leiterbahnen versehenen Substrates eine Laminatlage auflaminiert ist, die an den Positionen der Ballpads mit Öffnungen versehen ist.
- In einer ersten Ausgestaltung der Erfindung besteht die zusätzliche Laminatlage aus einer Polyimidfolie.
- Die der Erfindung zugrunde liegende Anordnung zur Erhöhung der Zuverlässigkeit von substratbasierten Ball-Grid-Array-Packages, enthaltend ein auf einem Substrat montiertes Die (Chip), welches mit Leiterbahnen eines Substrates elektrisch verbunden ist und bei dem das Substrat mit in einem vorgegebenen Raster angeordneten Lötkugeln versehen ist, die jeweils mit einem Ballpad auf dem Substrat verbunden sind, wird weiterhin auch dadurch gelöst, dass eine erste Laminatschicht eines einlagigen Sub strates aus einer oder mehreren Glasfasergewebelagen und mit strukturierter Kupferlaminatschicht mit einer zweiten Laminatschicht durch Verpressen miteinander verbunden ist, wobei die zweite Laminatlage an den Positionen der Ballpads mit Öffnungen versehen ist.
- In einer Fortbildung der Erfindung sind die Öffnungen sich trichterförmig öffnend ausgebildet.
- Schließlich ist vorgesehen, dass die Orientierung der Glasfasern der zweiten Substratlage gegenüber der ersten Substratlage um 90° verdreht ist.
- Entsprechend der Erfindung wird auf das Leiterbahnen tragende Substrat eine weitere Laminatschicht auflaminiert, welche an den Positionen der Ballpads bevorzugt trichterförmig geöffnet ist. Durch die trichterförmige Öffnung in der zusätzlichen Laminatschicht wird es ermöglicht, die zur Verfügung stehende Menge an Lotmetall pro Lotball deutlich zu erhöhen und die Einschnürung/Kerbung des Lotkontaktes zu verringern, ohne den Durchmesser des sich ausbildenden Lotkontaktes auf einen kritischen Wert erhöhen zu müssen.
- Durch das Aufbringen der zusätzlichen Laminatlage mit den trichterförmigen Öffnungen zur Aufnahme der Lotkugeln kann das für den Lotkontakt zur Verfügung stehende Lotvolumen deutlich erhöht werden. Das Ergebnis ist eine Verbesserung der Zuverlässigkeit der Lötverbindung beim Thermozykeln Wird eine trichterförmige Öffnung in der zusätzlichen Laminatlage vorgesehen, wird der beim Thermozykeln auf die Lötverbindung wirkende Stress reduziert, der sonst durch das Rollen der Lotkugel auf eine feste Kante des Lötstopplackes entsteht und einen Abriss der Lotkugel bewirken kann.
- Die Erfindung soll nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zei gen:
-
1 : den schematischen Aufbau eines Board-on-Chip BGA-Packages mit einer zusätzlichen Laminatlage auf dem Substrat; und -
2 : eine Detailansicht eines erfindungsgemäß modifizierten Substrates, wobei hier die zweite Substratlage zur weiteren Stressreduzierung über den Kontaktpads einen Öffnungswinkel von größer 90° aufweist. - In
1 ist eine Hälfte eines FBGA-Packages und zwar eines Board-On-Chip-BGA-Packages1 (BOC-Package) dargestellt. Dieses BOC-Package1 besteht aus einem Substrat2 , auf dem ein Die3 mittels eines Chipklebers4 befestigt ist. Die Rückseite des Dies3 , einschließlich von Teilen des Substrates ist mit einer Moldkappe5 zum Schutz des Dies3 versehen. - Auf der dem Die
3 gegenüber liegenden Seite des Substrates2 sind Ballpads6 zur Aufnahme und elektrischen Kontaktierung von Lotkugeln7 in einem Array angeordnet. Diese Ballpads6 sind über nicht dargestellte Leiterbahnen mit Kontaktpads neben einem zentralen Bondkanal8 im Substrat2 verbunden, die ihrerseits über Drahtbrücken durch den Bondkanal8 mit Bondpads auf dem Die3 elektrisch verbunden sind. Der Bondkanal8 ist zum Schutz der Drahtbrücken mit einer Vergussmasse9 vergossen. - Um eine Erhöhung des Lotvolumens zu erreichen, ist auf der Ballseite des Substrates
2 eine zusätzliche Laminatlage10 aufgebracht, die mit Öffnungen11 über den Ballpads6 versehen ist, in welche die Lotkugeln7 eingesetzt sind. Die zusätzliche Laminatlage10 ist wie üblich mit einem Lötstopplack12 versehen, der die Öffnungen11 ausspart. - Ein „einlagiges" Substrat
2 wird aus einer bzw. mehreren Glasfasergewebelagen gebildet, die mit einem Matrixmaterial (Harz), in der Regel Epoxydharz vergossen werden. Die zusätzliche Laminatlage10 kann durch einfaches Verpressen mit dem Substrat2 bei erhöhter Temperatur hergestellt werden. - Als zusätzliche Laminatlage
10 kann auch eine Polyimidfolie oder dergleichen, z.B. eine Lötstoppmaske, auf das Substrat2 aufgebracht werden. - In
2 ist eine Detailansicht mit der zusätzlichen Laminatlage10 präpariertes Substrat2 dargestellt, bei der die Öffnungen11 in der Laminatlage sich zur Lotkugel7 in einem Winkel größer 90° öffnen, wodurch eine weitere Stressreduzierung erreicht wird. - Durch das Aufbringen der zusätzlichen Laminatlage
10 mit Öffnungen entsprechend der Anordnung der Lotkugeln7 kann das für den Lotkontakt zur Verfügung stehende Lotvolumen vergrößert werden, wodurch die Zuverlässigkeit beim Thermozykeln erhöht wird. - Die Strukturierung der zusätzlichen Laminatlage
10 entsprechend2 kann zusätzlich der während des Temperaturzykelns auf die Lötverbindungen wirkende Stress reduziert werden, welcher sonst das Rollen der Lotkugeln7 auf eine feste Kante des Substrates2 entsteht. -
- 1
- BOC-Package
- 2
- Substrat
- 3
- Die/Chip
- 4
- Chipkleber
- 5
- Moldkappe
- 6
- Ballpad
- 7
- Lotlugel
- 8
- Bondkanal
- 9
- Vergussmasse
- 10
- Laminatlage
- 11
- Öffnung
Claims (5)
- Anordnung zur Erhöhung der Zuverlässigkeit von substratbasierten Ball-Grid-Array-Packages, enthaltend ein auf einem Substrat montiertes Die (Chip), welches mit Leiterbahnen des Substrates elektrisch verbunden ist und bei dem das Substrat mit in einem vorgegebenen Raster angeordneten Lötkugeln versehen ist, die jeweils mit einem Ballpad auf dem Substrat verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Seite des mit den Leiterbahnen versehenen Substrates (
2 ) eine Laminatlage (10 ) auflaminiert ist, die an den Positionen der Ballpads (6 ) mit Öffnungen (11 ) zur Aufnahme der Lotbälle (7 ) versehen ist. - Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Laminatlage (
10 ) aus einer Polyimidfolie besteht. - Anordnung zur Erhöhung der Zuverlässigkeit von substratbasierten Ball-Grid-Array-Packages, enthaltend ein auf einem Substrat montiertes Die (Chip), welches mit Leiterbahnen eines Substrates elektrisch verbunden ist und bei dem das Substrat mit in einem vorgegebenen Raster angeordneten Lötkugeln versehen ist, die jeweils mit einem Ballpad auf dem Substrat verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Laminatschicht eines einlagigen Substrates (
2 ) aus einer oder mehreren Glasfasergewebelagen und mit strukturierter Kupferlaminatschicht mit einer zweiten Laminatlage (10 ) durch Verpressen miteinander verbunden ist, wobei die zweite Laminatlage (10 ) an den Positionen der Ballpads (6 ) mit Öffnungen (11 ) zur Aufnahme der Lotkugeln (7 ) versehen ist. - Anordnung nach Anspruch 1, 2 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen (
11 ) sich trichterförmig öffnend ausgebildet sind. - Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Orientierung der Glasfasern der zweiten Laminatlage (
10 ) gegenüber dem Substrat (2 ) um ca. 90° verdreht ist.
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