SE524631C2 - Kretskortsarrangemang med förbättrad driftsäkerhet under temperaturvariationer och metod för att framställa ett sådant arrangemang - Google Patents

Description

20 25 30 524 651 2 u. .u ningen mer spänning och bryts, vilket resulterar i att ett eller flera paket eller anordningar helt eller delvis förlorar kontakten med kretskortet.

För att uppnå en acceptabel uthållighet under sådana omständigheter vid- tages vanligtvis ytterligare åtgärder, speciellt såsom att lägga till en underfyllande polymerharts i gränssnittet mellan varje paket eller komponent och kretskortet, där polymerhartsen läggs på iflytande form och därefter härdas. Den underfyllande polymerhartsen verkar för att minska spänningen vid lödpunkterna genom att sprida den pålagda lasten över hela gränssnittsytan.

En annan möjlig lösning är att avsevärt öka tjockleken på kretskortet.

Ytterligare en annan lösning är att använda ett material i kretskortet som har en temperaturutvidgningskoefficient som ligger närmare temperaturutvidgnings- koefficienten hos paketens substrat.

Det finns dock en del nackdelar med ovan nämnda lösningar.

Användandet av en underfyllande polymerharts ger ett avsevärt bidrag till tillverkningskostnaden av ett kretskortsarrangemang. Det är även så att omarbet- ning efter sammanfogning, såsom utbyte av defekta anordningar, blir avsevärt mer komplext, eller helt ogörligt, på grund av den härdade polymerhartsen.

Att öka kretskortets tjocklek erbjuder en begränsad förbättring jämfört med den degraderingsfaktor som erhålls genom att använda ett tvåsidigt arrangemang i stället för ett enkelsidigt arrangemang.

Kretskort som har en temperaturutvidgningskoefficient som matchas med temperaturutvidgningskoefficienten hos substratmaterialet för paketen finns endast tillgängliga till en avsevärt högre kostnad och minskad elektrisk lämplighet jämfört med vanligen använda kretskort av exempelvis typen FR-4.

SAMMANDRAG A V UPPFINNINGEN Avsikten med uppfinningen är att erbjuda ett kretskortsarrangemang enligt vad som krävs av moderna mobiltelefoner eller anordningar för trådlös kommuni- kation med den driftsäkerhet som finns hos underfyllda arrangemang under på- verkan av temperaturvariationer, dock undvikande underfyllning, och en metod för att framställa sådana arrangemang.

Detta åstadkommes genom ett uppfinningsenligt kretskortsarrangemang, omfattande ett kretskort med åtminstone en elektronisk anordning on åtminstone en sida av kretskortet, en första skärmande omslutning anordnad till den ena sidan 10 20 25 30 524 631 3 - . - . vv av kretskortet, en andra skärmande omslutning anordnad till den andra sidan av kretskortet, där den första och andra omslutningen är symmetriskt anordnade motsatt varandra, omslutande nämnda åtminstone ena elektroniska anordning, genom att den första och andra skärmande omslutningarna har en temperatu- rutvidgningskoefficient som är lägre än kretskortets temperaturutvidgningskoef- ficient för att hålla kretskortet plant i ett tillstånd av dragpåkänning inom normala temperaturområden för ett verksamt kretskortsarrangemang.

Härigenom kommer elektroniska anordningar monterade till kretskortet att klara av temperaturvariationer.

Kort figurbeskrivning Uppfinningen kommeri det följande att beskrivas mer detaljerat med hänvisning till bifogad ritning där figur 1 visar ett tvärsnitt av ett uppfinningsenligt kretskortsarrangemang.

BESKRIVNING A V UPPFINNINGEN Figur 1 visar schematiskt ett tvärsnitt av en utföringsform ett kretskortsar- rangemang 1 enligt föreliggande uppfinning. Kretskortsarrangemanget 1 omfattar ett kretskort 2, elektroniska anordningar 3a, 3b, och skärmande omslutningar 4a, 4b.

Kretskortet 2 är framställt av ett konventionellt organiskt laminat, exempelvis FR-4, G-10 eller FR-5, med två microvia-lager på var sida. De elek- troniska anordningarna 3a, 3b kan utgöras av HDPer såsom CSPer, "micro ball grid arrays" (uBGA), "direct chip attached" (DCA) eller flip chip anordningar. Oav- sett vilket avser uppfinningen kretskortsarrangemang omfattande godtyckliga diskreta komponenter eller anordningar som är anslutna till kretskortet. l den illustrerade utföringsformen är de elektroniska anordningarna 3a, 3b monterade medelst lödkulor (eng.: solder balls) 5a, 5b, 50, 5d på var sida av kretskortet 2. Den elektroniska anordningen 3a på en sida av kretskortet är anordnad motstående den elektroniska anordningen 3b på den andra sidan.

De elektroniska anordningar 3a, 3b är i den illustrerade utföringsformen två till antalet. Det är dock möjligt att tillämpa uppfinningen i en utföringsform med endast en elektronisk anordning på den ena sidan av kretskortet, såväl som i en utföringsform med fler än en anordning på var sida. 20 25 30 524 651 4 « - | . Q ø . | o u.

De skärmande omslutningarna 4a, 4b är, enligt uppfinningen, symmetriskt och direkt motstående anordnade till kretskortet 2 i förhållande till varandra, på var sida om kretskortet 2, genom exempelvis Iödning eller genom användandet av ledande adhesiv. På detta sätt definierar de skärmande omslutningarna 4a, 4b till- sammans en kavitet, vilken omsluter de elektroniska anordningarna 3a, 3b.

De skärmande omslutningarna 4a, 4b är enligt uppfinningen tillverkade av ett material med en vald TUK som är lägre än kretskortets 2 TUK. Genom att även erbjuda en tillräcklig tjocklek hos materialet för de skärmande omslutningarna 4a, 4b domineras det mekaniska tillståndet för kretskortsarrangemanget 1 av de skä- rmande omslutningarna 4a, 4b och inte av kretskortet 2. På detta sätt kan krets- kortet 2 alltid hållas i ett tillstånd av dragpåkänning inom det normala arbetstem- peraturområdet av -60°C till +155°C för ett kretskortsarrangemang 1.

De skärmande omslutningarna 4a, 4b kan tillverkas metall, exempelvis av kallvalsat stål. Även andra material kan användas så länge som de skärmande omslutningarna har en TUK som är lägre än TUK för kretskortet 2, och samtidigt kan erbjuda en rigid och stadig struktur.

Konventionella kretskort 2 av FR-4 har en TUK i storleksordningen 19 till 20 ppm/°C. Skärmande omslutningar 4a, 4b, av kallvalsat stål, enligt föreliggande uppfinning, har en TUK som är i storleksordningen 13 till 16 ppm/°C.

Vid lodets smältpunkt (eng.: solders solidus point), vilken typiskt är mellan 184°C och 235“C för de flesta bly/ten Iegeringarna under lodets återflöde och sam- mansättningsoperationen är de skärmande omslutningarna 4a, 4b anordnade eller fastsatta till kretskortet 2 i en neutral spänningspunkt, vilket betyder att varken de skärmande omslutningarna 4a, 4b eller kretskortet 2 är utsatta för någon last före eller efter att de skärmande omslutningarna 4a, 4b är fastsatta. Så snart som tem- peraturer förändras från denna neutrala spänningspunkttemperatur utsätts de skärmande omslutningarna 4a, 4b och kretskortet 2 för spänning. Det normala arbetstemperaturområdet för kretskortsarrangemanget 1 är under den neutrala spänningspunkttemperaturen, vilket försäkrar att kretskortet 2 alltid hålls i ett in- spänt tillstånd. Dragpåkänningen som beror på skillnaden mellan TUK för de skärmande omslutningarna 4a, 4b och kretskortet 2 säkerställer att kretskortet 2 förblir plant och inte vrider sig under det normala arbetstemperaturområdet för kretskortsarrangemanget 1. Detta begränsar den påverkan som en vridning hos 20 n | - | . n ~ . c nu , . f. n v n z", ,",: Å ".. - v' a nu : : u a. n. u - »n o u n n I f" . a a a u ann.. s f v q n u o v n v o q 1 I f I 0 ' . . u . - a kretskortet 2 har på lödkulorna 5a, 5b, 5c, 5d och därav resulterande skalnings- spänningar (eng.: peel stresses).

Exempel Kretskortet 2 är ett konventionellt organiskt laminat FR-4 med två så kallade microvia-lager på var sida, en TUK på 19 ppm/°C, och en tjocklek av 0,8 mm. De skärmande omslutningarna 4a, 4b är tillverkade av kall valsat stål med en TUK på 13-16 ppm/“C och en tjocklek på 0,15 mm. Utan de skärmande omslutningarna 4a, 4b skulle de elektroniska anordningarna 3a, 3b inte klara av ett minimalt uthål- lighetstest (800 cykler, -40°C till +100°C, 1 timme för komplett cykel, 15 minuters ramp med 15 minuters stopp vid varje extrem) utan underfyllning med epoxyharts.

Med skärmande omslutningar 4a, 4b klarar kretskortsarrangemanget 1 tempe- raturcykler utan den försämring som normalt uppstår (3-5 gånger lägre uthållighet i antalet temperaturcykler) när elektroniska anordningar 3a, 3b monteras motstå- ende varandra pà var sida om kretskortet 2. Det kunde visas att uthålligheten vid temperaturcykler faktiskt ökade när de elektroniska enheterna 3a, 3b var direkt motstående varandra på var sida om kretskortet 2 i jämförelse med om en elektro- nisk enhet 3a, 3b togs bort.

Claims (6)

15 20 25 30 524 631 °~ï*= - - » ~ en PATENTKRAV

1. Ett kretskortsarrangemang (1 ), omfattande ett kretskort (2) med åtmin- stone en elektronisk anordning (3a, 3b) på åtminstone den ena sidan av kretskor- tet (2), en första skärmande omslutning (4a) anordnad på den ena sidan av krets- kortet (2), en andra skärmande omslutning (4b) anordnad på den andra sidan av kretskortet (2), där den första och andra skärmande omslutningen (4a, 4b) är an- ordnade symmetriskt och direkt motstående varandra, omslutande nämnda åtmin- stone ena elektroniska anordning (3a, 3b), kännetecknad av, att den första och andra skärmande omslutningen (4a, 4b) har en temperaturutvidgningskoefficient som är lägre än kretskortets (2) temperaturutvidgningskoefficient för att hålla krets- kortet (2) plant och i ett tillstånd av dragpåkänning inom ett normalt arbetstempe- raturområde för kretskortsarrangemanget (1 ).

2. Ett kretskortsarrangemang enligt patentkravet 1, kännetecknat av, att den första och andra skärmande omslutningen (4a, 4b) är av metall.

3. Ett kretskortsarrangemang enligt patentkravet 1 eller 2, kännetecknat av, att den första och andra skärmande omslutningen (4a, 4b) är av kallvalsat stål.

4. Ett kretskortsarrangemang enligt något av ovanstående patentkrav, kän- netecknat av, att temperaturutvidgningskoefficienten för den första och andra skärmande omslutningen (4a, 4b) är i storleksordningen 13 - 16 ppm/°C.

5. Ett kretskortsarrangemang enligt något av ovanstående patentkrav, kän- netecknat av, att de elektroniska anordningarna (3a, 3b) är monterade till krets- kortet (2) medelst lödkulor (5a, 5b, 5c, 5d).

6. En metod för att framställa ett kretskortsarrangemang (1) omfattande ett kretskort (2) med åtminstone en elektronisk anordning (3a, 3b) på åtminstone den ena sidan av kretskortet(2), en första skärmande omslutning (4a) anordnad på den ena sidan av kretskortet (2), en andra skärmande omslutning (4b) anordnad på den andra sidan av kretskortet (2), där den första och andra skärmande om- slutningen (4a, 4b) är anordnade symmetriskt och direkt motstående varandra, 524 631? 7 nu» o! omslutande nämnda åtminstone ena elektroniska anordning (3a, 3b), känneteck- nad av, att materialet för den första och andra skärmande omslutningen (4a, 4b) väljes med en temperaturutvidgningskoefficient som är lägre än kretskortets (2) temperaturutvidgningskoefficient, och att de skärmande omslutningarna (4a, 4b) fastsättes till kretskortet (2) i en neutral spänningspunktstemperatur, varigenom kretskortet (2) hålls i ett tillstånd av dragpåkänning inom det normala arbetstempe- raturområdet.