TWI713181B

TWI713181B - 將球柵陣列封裝元件焊接於電路基板的方法、及適用於所述方法的熱固性樹脂組合物

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Publication number: TWI713181B
Application number: TW108135432A
Authority: TW
Inventors: 曾華承; 葉時婁; 小林誠治; 傅從陽
Original assignee: 昇貿科技股份有限公司
Priority date: 2019-10-01
Filing date: 2019-10-01
Publication date: 2020-12-11
Also published as: TW202115851A

Abstract

一種將球柵陣列封裝元件焊接於電路基板的方法，包括下列步驟：將錫膏施加在電路基板上；將熱固性樹脂組合物施加在所述電路基板的焊墊與焊墊之間的空間上；將球柵陣列封裝元件以覆晶的方式，將所述球柵陣列封裝元件的焊接凸塊置放在錫膏上；加熱所述球柵陣列封裝元件以將所述球柵陣列封裝元件焊接於所述電路基板上；及使所述熱固性樹脂組合物流動協助焊接及冷卻時形成一焊點保護層。

Description

將球柵陣列封裝元件焊接於電路基板的方法、及適用於所述方法的熱固性樹脂組合物

本發明涉及一種封裝元件的接合方法，特別是涉及一種球柵陣列封裝元件與電路基板的接合方法，以及適用於所述封裝元件接合方法的熱固性樹脂組合物。

隨著電子設備的小型化及薄型化，元件封裝技術從雙列直插封裝（Dual in-line package）或四側引腳扁平封裝（Quad Flat Package）演變成球柵陣列(Ball Grid Array，簡稱BGA)，球柵陣列封裝的元件底部表面可全作為引腳使用，封裝底面的引腳由錫球所取代，藉此提高單位面積可容納的引腳數(input/output，I/O)。此封裝技術常用來永久性固定高引腳數元件如微處理器。

先前一般焊接技術，當BGA封裝元件與安裝基板(或稱電路基板)接合時，先是將錫膏以鋼板印刷方式(stencil printing)塗佈於電路基板的焊墊 (pad，或稱焊盤)，接著將BGA封裝元件以覆晶的方式置放於錫膏上，然後使用回流焊接(reflow)的方式加熱使BGA封裝元件的錫球引腳(或稱焊接凸塊)能焊接於與電路基板。此種方式僅用焊球將元件接合於電路基板，接合部分的機械強度較弱。

另一種先前技術，為了加強接合的機械強度，在加熱的步驟之後，通過將底部填充材料(underfill)填充到BGA封裝元件和電路基板之間的縫隙，並使底部填充材料(underfill)固化以強化接合部分。或者對於較小的BGA封裝元件是施加四角結合膠(corner bonding glue)於封裝元件的邊緣以強化接合部分。然而，隨著BGA封裝元件的錫球凸塊變小，BGA封裝元件和電路基板之間的間隙會隨之變小，底部填充材料將難以填滿該間隙而降低機械強度的強化效果；且上述填充底部填充材料並進行固化的步驟耗費時間，因此影響生產效率。

本發明所要解決的技術問題在於，針對現有技術的不足提供一種將球柵陣列封裝元件焊接於電路基板的方法，可以簡便地確保具有焊球的封裝元件與電路基板的接合強度，以及一種適用於封裝元件接合過程的熱固性樹脂組合物。

為了解決上述的技術問題，本發明所採用的其中一技術方案是，提供一種將球柵陣列封裝元件焊接於電路基板的方法，包括下列步驟：將錫膏施加在電路基板上；將熱固性樹脂組合物施加在所述電路基板的焊墊與焊墊之間的空間上；將球柵陣列封裝元件以覆晶的方式，將所述球柵陣列封裝元件的焊接凸塊置放在錫膏上；加熱所述球柵陣列封裝元件以將所述球柵陣列封裝元件焊接於所述電路基板上；及使所述熱固性樹脂組合物流動協助焊接及冷卻時形成一焊點保護層。

為了解決上述的技術問題，本發明另外還提供一種適用於申請專利範圍第1項的熱固性樹脂組合物，所述熱固性樹脂組合物包括：環氧樹脂，佔所述熱固性樹脂組合物50%-90%的重量百分比；酸劑，佔所述熱固性樹脂組合物5%-20%的重量百分比；硬化劑，佔所述熱固性樹脂組合物1%-10%的重量百分比；溶劑，佔所述熱固性樹脂組合物0%-10%的重量百分比；及抗垂流劑，佔所述熱固性樹脂組合物0%-5%的重量百分比。

本發明的其中一有益效果在於，本發明所提供的將球柵陣列封裝元件焊接於電路基板的方法，其能通過將熱固性樹脂組合物施加在所述電路基板的焊墊與焊墊之間的空間上，經過加熱(例如回焊)的步驟，球柵陣列封裝元件即可被穩固地焊接於電路基板，熱固性樹脂組合物能協助焊接，經過冷卻時形成一焊點保護層。

為使能更進一步瞭解本發明的特徵及技術內容，請參閱以下有關本發明的詳細說明與圖式，然而所提供的圖式僅用於提供參考與說明，並非用來對本發明加以限制。

以下是通過特定的具體實施例來說明本發明所公開的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所公開的內容瞭解本發明的優點與效果。本發明可通過其他不同的具體實施例加以施行或應用，本說明書中的各項細節也可基於不同觀點與應用，在不悖離本發明的構思下進行各種修改與變更。另外，本發明的附圖僅為簡單示意說明，並非依實際尺寸的描繪，事先聲明。以下的實施方式將進一步詳細說明本發明的相關技術內容，但所公開的內容並非用以限制本發明的保護範圍。

參閱圖1所示，本發明提供一種將球柵陣列封裝元件焊接於電路基板的方法，包括下列步驟：步驟S10，利用鋼板印刷將錫膏施加於電路基板的焊墊上；步驟S20，於焊墊之間放置熱固性樹脂組合物；步驟S30，放置球柵陣列封裝元件於錫膏上；步驟S40，加熱待焊接物件；步驟S50，完成焊接。

接下來，配合圖2A至圖2E，進一步解說上述各步驟。步驟S10，如圖2、圖2A及圖2B所示，首先，將錫膏3施加在電路基板1的焊墊2上。其中鋼板印刷可以是以於鋼板上開孔形成錫膏要施加位置，開孔位置主要都是對應於焊墊2的位置。印刷時，錫膏3較佳是不超過焊墊2的範圍。

步驟S20，如圖2C所示，將熱固性樹脂組合物4施加在所述電路基板1的焊墊2與焊墊2之間的空間上。上述施加所述熱固性樹脂組合物4的方式可以是使用點膠機或針轉印。其中以點膠方式施加所述熱固性樹脂組合物4，點膠機(圖略)的針頭直徑小於電路基板1的焊墊2間距(pitch)的一半。

如圖2D所示，球柵陣列封裝元件5包括一半導體基板50、及多個位於半導體基板50底面的電極51，每個電極51各設有一焊接凸塊53。步驟S30，將球柵陣列封裝元件5以覆晶的方式，將所述球柵陣列封裝元件5的焊接凸塊53置放在錫膏3上。點膠機(圖略)的針頭直徑小於所述焊接凸塊53。

步驟S40，加熱待焊接物件。更具體說，加熱所述球柵陣列封裝元件5以將所述球柵陣列封裝元件5焊接於所述電路基板1上。加熱後，焊接凸塊53與錫膏3熔融而形成一結合焊點C。完成焊接後，結果如圖2E所示意的。熱固性樹脂組合物4圍繞在多個結合焊點C的周圍。

此外，加熱過程，本發明較佳的，還使所述熱固性樹脂組合物4流動協助焊接及冷卻時形成一焊點保護層(如圖2E的標號4所示的位置)。

本發明還提供一種適用於將封裝元件焊接於電路基板的熱固性樹脂組合物4，下面舉例說明相關成份細節。所述熱固性樹脂組合物4包括環氧樹脂(Epoxy Resin)，佔所述熱固性樹脂組合物50%-90%的重量百分比。其中環氧樹脂選自於由雙酚Ａ系環氧樹脂(Bisphenol-A Epoxy Resin)、雙酚Ｆ系環氧樹脂(Bisphenol-F Epoxy Resin)、柔軟性及接著性改良的雙酚Ａ系環氧樹脂及雙酚Ｆ系環氧樹脂、萘系環氧樹脂(Naphthalene Epoxy Resin)、以及三嗪系環氧樹脂(Triazine Epoxy Resin)所組成的群組，並且還包括活性稀釋劑(Reactive Diluent)。

酸劑(Acid)，佔所述熱固性樹脂組合物5%-20%的重量百分比。例如可以是二質子酸(Diprotic Acid)。

硬化劑(Hardener)，佔所述熱固性樹脂組合物1%-10%的重量百分比；例如可以是酸酐系硬化劑(Acid-anhydride hardener)、或咪唑系硬化劑(Imidazole hardener)，或混合二者。

溶劑(Solvent)，佔所述熱固性樹脂組合物0%-10%的重量百分比；例如可以是甘醇類溶劑(Glycol solvent)、或羧酸酯系溶劑(Carboxylate Ester solvent)，或混合二者。

抗垂流劑(Thixotropic Agent)，佔所述熱固性樹脂組合物0%-5%的重量百分比。例如可以是蓖麻油(Castor oil)、山梨糖醇(Sorbitol)、脂肪酸醯胺(Fatty acid amide)。

參下列表格，為本實施例的熱固性樹脂組合物4更具體的比例及相關實驗。

		實施例 1	實施例 2	比較例 1	比較例 2
成份	環氧樹脂 1	餘量	餘量	餘量	餘量
環氧樹脂 2	10%	-	10%	-
抗垂流劑	2%	2%	2%	2%
酸	10%	10%	-	-
硬化劑	5%	5%	5%	5%
溶劑	-	10%	-	10%
合計	100%	100%	100%	100%
表現	焊點周圍的錫珠	O	O	x	x
枕頭效應不良焊點	O	O	x	x

表格內符號的定義：焊點周圍的錫珠(直徑75um以上)： O: 低於十顆； x: 大於或等於十顆。枕頭效應(Head in Pillow)不良焊點： O: 零顆； x: 大於零顆。

上述「錫珠」的意思是，錫膏在進行焊接時，錫膏可能因為坍塌或被擠壓等原因而超出銲墊之外，在焊接過程中被獨立在銲墊附近形成錫珠。錫珠的存在將有機率讓臨近的焊點出現短路而造成元件的損壞。對於欲施加的熱固性樹脂組合物4，若提早坍塌則會推擠錫膏而使錫膏離開銲墊之外；或缺乏協助焊接的能力，則會阻礙錫膏的熔融而造成錫珠的生成。

上述「枕頭效應」為球柵陣列封裝元件之焊接凸塊與錫膏在焊接過程中，因板翹等原因無法熔融成一體，在凝固後形成類似一顆頭靠在枕頭上的虛焊狀態，造成電路開路的不良現象。對於欲施加的熱固性樹脂組合物4若提早坍塌則會流動覆蓋在錫膏之上，熱固性樹脂組合物4加熱之後會固化進而阻礙焊接凸塊與錫膏的熔融接合而產生枕頭效應。

關於本實施例的點膠機參數，舉例說明如下：壓力：0.1~0.4MPa，出膠時間：1~10秒，停膠時間：0.1~0.5秒，移動速度：3~20mm/sec，針頭：Φ0.2mm~Φ0.4mm。

實施例(一) 點膠

在電路基板的焊墊間距(Pitch)為0.8mm，球柵陣列封裝元件為0.45mm大小的錫球接點(例如可為SAC305或低溫合金)的焊接凸塊，先在電路基板上以鋼板印刷將錫膏(例如可為SAC305或低溫合金)，然後使用點膠機將實施例1的環氧樹脂塗佈在焊墊之間的綠漆上。

本實施例塗佈的參數如下：針筒裝填的熱固性樹脂組合物實施例1，使用直徑0.3mm的針頭，施以0.2MPa的壓力，以4mm/sec的移動速度沿著預先設定的塗佈路徑將熱固性樹脂組合物實施例1塗佈在焊墊之間的綠漆上。塗佈路徑可根據零件及可靠度的需求進行設計。

熱固性樹脂組合物實施例1塗佈完成後，將球柵陣列封裝元件以覆晶的方式打件在錫膏之上，然後進行回焊即完成焊接。

藉由X-射線檢測系統觀察焊接完的球柵陣列封裝元件，並沒有發現枕頭效應的焊點。而把球柵陣列封裝元件撬開之後觀察焊點周圍之狀況，並沒有發現錫珠。

實施例(二) 點膠

在電路基板上的焊墊間距(Pitch)為0.65mm，球柵陣列封裝元件為0.406mm尺寸的錫球接點(可為SAC305或低溫合金)的焊接凸塊，先在電路基板上以鋼板印刷將錫膏(可為SAC305或低溫合金)，然後使用點膠機將實施例2之熱固性樹脂組合物。

本實施例塗佈參數如下：針筒裝填的本發明的環氧樹脂使用直徑0.2mm的針頭,施以0.3MPa的壓力，以3mm/sec的移動速度沿著預先設定的塗佈路徑，將熱固性樹脂組合物實施例2塗佈在焊墊之間的綠漆上。塗佈路徑可根據零件及可靠度的需求進行設計。

本實施例塗佈完成後，將球柵陣列封裝元件打件在錫膏之上，然後進行回焊即完成焊接。

利用X-射線檢測系統觀察焊接完的球柵陣列封裝元件，並沒有發現枕頭效應的焊點。而把球柵陣列封裝元件撬開之後觀察焊點周圍之狀況，發現2顆直徑75um以上的錫珠。

實施例(三) 針轉印(pin transfer)

在電路基板的焊墊間距(Pitch)為0.8mm，球柵陣列封裝元件具有0.45mm大小的錫球接點(可為SAC305或低溫合金)的焊接凸塊，先在電路基板上以鋼板印刷將錫膏(可為SAC305或低溫合金)，然後以針轉印實施例1的熱固性樹脂組合物塗佈在焊墊之間的綠漆上。

本實施例針轉印情況如下：在熱固性樹脂組合物實施例1，承載器皿中刮平並控制實施例1的高度約為0.36ｍｍ，然後擁有轉印圖案的轉印針去沾附承載器皿中的實施例1。轉印針的轉印圖案可根據球柵陣列封裝元件及可靠度的需求進行設計。

實施例1轉印完成後，將球柵陣列封裝元件打件在錫膏之上，然後進行回焊即完成焊接。

利用X-射線檢測系統觀察焊接完的球柵陣列封裝元件，並沒有發現枕頭效應的焊點。而把球柵陣列封裝元件撬開之後觀察焊點周圍之狀況，並沒有發現錫珠。

比較例

在電路基板的焊墊間距(Pitch)為0.8mm，球柵陣列封裝元件為0.45mm大小的錫球接點(可為SAC305或低溫合金)的焊接凸塊，先在電路基板上以鋼板印刷將錫膏(可為SAC305或低溫合金)，然後使用點膠機將比較例1之環氧樹脂塗佈在焊墊之間的綠漆上。

比較例塗佈情況如下：針筒裝填的比較例是使用直徑0.3mm的針頭，施以0.2MPa的壓力，以4mm/sec的移動速度沿著預先設定的塗佈路徑將比較例1的熱固性樹脂組合物塗佈在焊墊之間的綠漆上。塗佈路徑可根據零件及可靠度的需求進行設計。

比較例塗佈完成後，將球柵陣列封裝元件打件在錫膏之上，然後進行回焊即完成焊接。

利用X-射線檢測系統觀察焊接完的球柵陣列封裝元件，發現2顆枕頭效應的焊點。而把球柵陣列封裝元件撬開之後觀察焊點周圍之狀況，發現10顆以上直徑75um以上的錫珠。

基於上面施加方式的影響，本實施例說明補充如下。首先，避免使用鋼板印刷熱固性樹脂組合物，因為會破壞於上一步驟施加的錫膏。第二，點膠機的施加壓力會影響熱固性樹脂組合物的塗佈量，壓力越大塗佈量。第三、點膠機的針頭直徑會影響熱固性樹脂組合物的塗佈量，直徑越大塗佈量越多。第四、點膠機的針頭直徑需小於焊墊間距。第五、點膠機的移動速度會影響熱固性樹脂組合物的塗佈量，速度越慢塗佈量越多。第六、熱固性樹脂組合物的黏度會影響點膠機參數，黏度越高需越大的施加壓力，或大直徑的針頭或放慢移動速度。

[實施例的有益效果]

本發明還具體提供熱固性樹脂組合物的相關成份，及實施例，經過實驗，確認是沒有發現枕頭效應的焊點。此外，把球柵陣列封裝元件撬開之後觀察焊點周圍之狀況，並沒有發現錫珠。

以上所公開的內容僅為本發明的優選可行實施例，並非因此侷限本發明的申請專利範圍，所以凡是運用本發明說明書及圖式內容所做的等效技術變化，均包含於本發明的申請專利範圍內。

1:電路基板

2:焊墊

3:錫膏

4:熱固性樹脂組合物

5:球柵陣列封裝元件

50:半導體基板

51:電極

53:焊接凸塊

C:結合焊點

圖1為將球柵陣列封裝元件焊接於電路基板的方法的流程圖。

圖2為球柵陣列封裝元件的俯視示意圖。

圖2A至圖2E為將球柵陣列封裝元件焊接於電路基板的步驟剖面示意圖。

本代表圖為流程圖，無符號說明。

Claims

一種將球柵陣列封裝元件焊接於電路基板的方法，包括下列步驟：將錫膏施加在電路基板上；將熱固性樹脂組合物施加在所述電路基板的焊墊與焊墊之間的空間上；所述熱固性樹脂組合物包括：環氧樹脂，佔所述熱固性樹脂組合物50%-90%的重量百分比；酸劑，佔所述熱固性樹脂組合物5%-20%的重量百分比；硬化劑，佔所述熱固性樹脂組合物1%-10%的重量百分比；溶劑，佔所述熱固性樹脂組合物0%-10%的重量百分比；以及抗垂流劑，佔所述熱固性樹脂組合物0%-5%的重量百分比；其中所述環氧樹脂選自於由雙酚A系環氧樹脂、雙酚F系環氧樹脂、萘系環氧樹脂、以及三嗪系環氧樹脂所組成的群組，並且還包括活性稀釋劑；將球柵陣列封裝元件以覆晶的方式，將所述球柵陣列封裝元件的焊接凸塊置放在錫膏上；加熱所述球柵陣列封裝元件以將所述球柵陣列封裝元件焊接於所述電路基板上；及使所述熱固性樹脂組合物流動協助焊接及冷卻時形成一焊點保護層。
如申請專利範圍第1項所述的將封裝元件焊接於電路基板的方法，其中施加所述熱固性樹脂組合物的方式為使用點膠機或針轉印。
如申請專利範圍第2項所述的將封裝元件焊接於電路基板的方法，其中以點膠方式施加所述熱固性樹脂組合物，所述點膠機的針頭直徑小於所述電路基板的所述焊墊間距的一半，且小於所述焊接凸塊。
一種熱固性樹脂組合物，適用於將球柵陣列封裝元件焊接於電路基板時，所述熱固性樹脂組合物施加在所述電路基板的焊墊與焊墊之間的空間上，協助焊接及冷卻時形成一焊點保護層於所述球柵陣列封裝元件與所述電路基板之間，所述熱固性樹脂組合物包括：環氧樹脂，佔所述熱固性樹脂組合物50%-90%的重量百分比；酸劑，佔所述熱固性樹脂組合物5%-20%的重量百分比；硬化劑，佔所述熱固性樹脂組合物1%-10%的重量百分比；溶劑，佔所述熱固性樹脂組合物0%-10%的重量百分比；以及抗垂流劑，佔所述熱固性樹脂組合物0%-5%的重量百分比；其中所述環氧樹脂選自於由雙酚A系環氧樹脂、雙酚F系環氧樹脂、萘系環氧樹脂、以及三嗪系環氧樹脂所組成的群組，並且還包括活性稀釋劑。
如申請專利範圍第4項所述的熱固性樹脂組合物，其中所述酸劑為二質子酸。
如申請專利範圍第4項所述的熱固性樹脂組合物，其中所述硬化劑選自於由酸酐系硬化劑、以及咪唑系硬化劑所組成的群組。
如申請專利範圍第4項所述的熱固性樹脂組合物，其中所述溶劑選自於由甘醇系溶劑、以及羧酸酯系溶劑所組成的群組。
如申請專利範圍第4項所述的熱固性樹脂組合物，其中所述抗垂流劑選自於蓖麻油、山梨糖醇、以及脂肪酸醯胺所組成的群組。