用于提高焊盘过孔技术组装工艺的生产率的可排气过孔 【技术领域】
本发明涉及微型芯片封装基板和第二基板之间的组装的领域，尤其是在提高生产率的情况下将球状栅格阵列(BGA)器件安装到第二基板上。
背景技术
硅中密度的不断增大充分带动了芯片载体中的相应布线密度的增大。在BGA封装设计中，布线密度的增大已经遇到了挑战。图1A是球状栅格阵列(BGA)设计的图示。球状栅格阵列封装设计就是将管芯包藏在一个塑料封装体中，并且一般在焊盘结构中设有过孔。焊球被连接到BGA封装体上，以与内部的管芯电连接，从而通过焊球利用回流焊操作与第二基板电连接。图1B是两个焊球之间短路的图示。图1C是因焊接不充分而连接失败的图示。随着焊球数量的增加，焊盘过孔(via in pad)的设计造成了焊球短路或者焊接不充分连接的问题。这些缺陷由于在表面组装(SMT，surface mount technology)处理中涉及的高温循环过程中来自过孔管的渗气(outgassing)造成的。如图1B所示，在相对的过孔管末端已封住的情况下，渗气能从相配合的第二基板中的过孔管膨胀到焊球内，使焊球膨胀直到它们相互接触或者与不正确的接合区接触而产生短路。如图1C所示，因渗气导致地焊球膨胀可能导致焊球内爆，结果使焊球掉入过孔管中，从而在BGA接合区和第二基板的相配合的焊盘过孔之间产生间隙。
随着电路线宽度的减小，焊球阵列会继续变得拥挤甚至更紧密，焊球短路和焊接不充分的问题也将继续变得更严重。因此，焊盘过孔技术的应用可能导致SMT制造过程的高产率损失(在器件级超过1％)。这些因BGA接合点以及其它主要器件的短路或间隙而导致的产率损失是过孔管中困住的气体的渗出和/或在热处理过程中过孔中的材料挥发的直接结果。
目前，技术的状况是在与焊球相对的印刷电路板(PCB)一侧将过孔封住，并且依赖于使过孔管中的挥发最小化以防止回流焊过程中渗气和焊球内爆。可以采用高固体含量的填充材料或者使过孔填充材料最小化，然而，这些方法都不能将缺陷控制到理想水平而实现高成本效率的制造。
【发明内容】
本发明图示了一种用于组装过程中释放焊盘过孔中过孔管渗气的设备。焊盘中设置有排气通路，焊盘过孔的大小可释放全部或一部分回流焊操作中所产生的过孔渗气，并且释放渗气的速率可以控制焊球破裂进入过孔管中。在回流焊操作中，过孔管渗气可以经过排气孔和焊料周围而释放至空气中。
【附图说明】
图1A是球状栅格阵列(BGA)设计的图示；
图1B是两焊球之间短路的图示；
图1C是因焊接不充分而连接失败的图示；
图2A是具有排气凹槽的焊盘过孔的一个实施例的图示(为清楚显示，焊球被移除)；
图2B是具有排气凹槽的焊盘过孔的上述实施例的横截面图示；
图3A是具有排气凹槽的焊盘过孔的另一实施例的图示；
图3B是上述另一实施例在未发生排气时的横截面图示；
图3C是上述另一实施例在发生排气时的横截面图示；
图4A是具有沉积的铜镀层和过孔的BGA基板的图示；
图4B是涂敷了光刻胶图案之后的铜镀层的图示；
图4C是经蚀刻后的铜镀层的图示；
图4D是移除光刻胶之后被蚀刻的铜镀层的图示；
图4E是铜蚀刻以及移除光刻胶之后焊盘过孔的俯视图；
图4F是涂敷焊接掩膜层的图示；
图4G是焊接掩膜中的图案的图示；
图4H是在在焊接掩膜中暴露的铜表面上涂敷焊料涂层的图示；
图5A是焊盘过孔中的排气孔的另一实施例的图示；
图5B是焊盘过孔中的排气孔的又一实施例的图示；
图5C是焊盘过孔中的排气孔的又一实施例的图示；
图5D是焊盘过孔中的排气孔的又一实施例的图示；
图5E是焊盘过孔中的排气孔的又一实施例的图示；
图5F是焊盘过孔中的排气孔的又一实施例的图示；
图6A是连接到具有可排气焊盘过孔的PCB上的表面安装电容器的图示；
图6B是该电容器的横截面图示；
图6C是连接到具有可排气焊盘过孔的PCB上的鸥翼式器件的图示；
图6D是该鸥翼式器件的横截面图示；
图7图示了例如计算机的机器的一个实施例。
具体实施例
本发明公开了一种设备，该设备中利用焊料作为连接剂将第一基板电连接到第二基板上，其中第一基板上的焊料能接合到第二基板上的焊盘过孔，其中焊盘可以设有排气通路(可排气焊盘过孔)来释放组装过程中形成的过孔气体。第一基板可以是例如球状栅格阵列(BGA)封装体的形式，以将焊球附着到例如印刷电路板(PCB)的第二基板的焊盘过孔上。在制造的整个过程中，排气通路可以在整个处理过程中将过孔气体连通到外部空气，或者，在采用焊球的情况下，其可以仅在热循环过程中焊球膨胀的一定时刻将过孔气体连通到外部空气。
在组装中，进行回流焊操作，其中热循环加热BGA封装体和相配合的基板，例如PCB。焊球与印刷电路板上的焊盘过孔相接触。在加热过程中，由于过孔管中的气体膨胀到每个焊球内部，因此焊球会膨胀。这些气体可能是残留在过孔中的空气或者可能是由过孔管中的材料产生的。本发明可以在与焊球接触的焊盘过孔的一个或多个焊盘表面设置一个或多个排气通路(排气孔)。其它情况下会导致焊球膨胀的所有或部分膨胀中的过孔管气体现在可以逃逸至空气中了。从而，由于来自过孔的渗气造成的焊球膨胀能够被控制并且被限制或消除。
在下面的描述中，陈述了许多具体细节，例如具体材料、设备和工艺等，以提供对本发明的全面理解。在另外一些情况下，没有对公知的计算机组装技术和机器进行详细的描述，以免使本发明不清晰。
图2A图示了具有排气凹槽的焊盘过孔的一个实施例(为清楚显示，焊球被移除)。图2B图示了具有排气凹槽的焊盘过孔的该实施例的横截面。PCB的焊盘202过孔和BGA的焊盘222可以由铜构成并涂覆有薄层的焊膏218。排气凹槽204可以具有大致平行的壁206，其尺寸被设计成对过孔气体208散逸进行调节，使得在接合点(即，利用经回流焊的焊球在两个相配合的接合区之间生成的连接)固化时部分气体210留在过孔212和焊球220中。排气孔的尺寸限制气体从过孔212散逸，从而残余的压强210可以防止焊料214进入过孔管212造成接合不充分的情况(如图1C上部所示)。在一个实施例中，凹槽204的宽度(W)大致在3-8密耳范围内，其中优选5密耳的宽度。凹槽204可以足够深至暴露下面的例如玻璃纤维环氧树脂(例如FR4)的基板材料216。排气孔凹槽204可以延伸于焊盘202过孔外径和过孔212之间的整个长度上。PCB焊盘202周围可以有焊接掩膜214涂层，其中焊接掩膜214与焊盘的外径(O.D.)之间的间距大致为2密耳。焊料不会粘附在玻璃纤维环氧树脂216或者焊接掩膜214上，因此，排气通路(排气凹槽204加上焊盘与焊接掩膜之间的间距g)不会在涂敷焊膏218或者通过对焊球214的回流焊进行附着时被焊料填塞或堵塞。
图3A图示了可排气焊盘过孔的另一个实施例(为清楚显示，焊球被移除)。图3B和图3C是本实施例的横截面图示。焊盘302中，排气孔304不像图2A和图2B所示的排气凹槽204那样从焊盘外径306连续延伸到过孔直径307。在本实施例中，排气孔304大致呈三角形。利用该三角形的排气孔304，焊球314(为清楚显示，图3A中未示出)在没有排气的情况下可由于焊盘过孔的渗气316而开始膨胀。如图3B所示，最初由焊球314内部的膨胀气体316所产生的焊球空心(空心)306没有与排气孔304物理连接。图3C图示了过孔的渗气通过排气孔的情形。随着空心306和焊球314继续膨胀，空心306经过并与三角形排气孔304的排气孔顶点318接触。一旦空心306与排气孔304接触，渗气压强316就开始释放或者排到空气中(或压强较低的空间)。随着空心306由于持续的渗气316而继续膨胀，排气孔304暴露于空心306的横截面面积会增加(三角形状所产生的结果)，这会以更快的速度释放压强(还从焊盘排气孔304和焊接掩膜320之间的间距(g)散逸)。当释放了足够的压强，空心306会收缩直到空心306不再位于排气孔304上面或者空心306位于排气孔304的一较小横截面上。随着排气停止或减慢，压强会再次增大，再次增大焊球空心306的大小，直到排气孔304能够再次开始释放压强。只要在压强足够大的情况下继续产生渗气，此“嗝气”动作会重复进行。或者，焊球314能够膨胀至排气孔304上的一个位置，在该处通过排气孔304散逸渗气316，渗气316的速度可以只要暂时地使得焊球314的膨胀速度减慢或停止。
图4A-4F图示了在焊盘过孔中制作排气孔方法的一个实施例。该方法是在印刷电路板的制作和过孔的钻孔工作完成后进行。图4A是基板404中过孔402的图示，其中基板404具有沉积的2-4密耳厚的铜镀层406。过孔(管)可以具有沉积有无电镀铜(electroless copper)408的里衬(lining)，该里衬可以将铜镀层406和位于印刷电路板404内部和/或其背面的层状电路407(仅在本视图中示出)连接起来。图4B是位于铜层406上的图案化的光刻胶层410的图示。图案化可以包括以下几个步骤：首先在铜层406上沉积光刻胶层410，在光刻胶层410中曝光一幅图像，将光刻胶层中的图像显影，最后利用化学浴槽将光刻胶中的未显影(或显影)部分移除，以暴露下面铜层的部分。图4C是铜蚀刻操作结果的图示，其中未被光刻胶410保护的铜被移除。留下来的铜可以形成电路迹线412和焊盘414中的可排气过孔。图4D是在移除光刻胶410(图4C)后保留下来的焊盘414过孔和铜迹线412。图4E是焊盘414中的可排气过孔沿横截面A-A的俯视图，其中排气孔418是具有平行壁的凹槽。图4F是在焊盘414过孔、铜迹线412以及暴露的基板表面422上涂敷焊接掩膜420图示。图4G是在焊接掩膜420上印刷图像、将焊接掩膜420显影以及移除未曝光的焊接掩膜(或移除已曝光的焊接掩膜)之后的图案化焊接掩膜420的图示。图案化焊接掩膜420露出铜迹线412以及焊盘414中的可排气过孔。图4H是涂敷于焊接掩膜420中已暴露区域的焊料涂层424的图示。过孔封盖426可以在焊接操作之后完成。
图5A-5F是排气孔设计的其它实施例的图示。本发明的排气孔不局限于凹槽或三角形形状。排气孔的横截面面积可设计成是变化的，以以不同的速度从过孔管释放膨胀气体。排气孔的形状可以设计成随着焊球的增大而调节气体的释放。图5A-5D表示了排气孔构造502、502、504、506、508、510、512、514以及516，这些排气孔构造允许随着渗气使焊球空心(未图示)膨胀，暴露于过孔渗气的排气孔横截面增大。图5A是焊盘过孔排气孔的一个实施例的图示。图5A示出了过渡到三角形凹槽502的平行壁凹槽501。凹槽501为渗气提供均一横截面面积直到焊球空心(为清楚显示，在图5中未示出)在焊盘过孔接合区503的外侧区域到达三角形排气孔502。此时，暴露于渗气中的排气孔横截面面积随着焊球空心的进一步膨胀而增大。图5B是焊盘过孔排气孔的另一实施例的图示。图5B中具有若干排气孔504、506、508以及510，这些排气孔与膨胀的焊球空心(未示出)的接触取决于焊球空心的大小。随着焊球空心的增大，其横跨更多的排气孔504、506、508以及510，从而使暴露在渗气中的总横截面面积增大。排气孔506、507以及508中的一部分可能不延伸至过孔，即它们的几何构形截止于比过孔直径还大的直径处，因此并没有一开始就提供渗气通路。图5C是排气孔的又一实施例的图示。图5C中的排气孔516呈“星”形，该“星”形为多个三角形的组合，从而使暴露在渗气中的总横截面面积随着焊球空心(未示出)的增大而增大。图5D是排气孔的又一实施例的图示。图5D具有同心圆环的若干排气孔512、514。每一圆环512、514都能为渗气提供通往空气的通路516、516’。
图5E和图5F表示了排气孔构造，其中可排气焊盘过孔的设计提供了能够随着焊球空心的增大减小渗气速度的排气横截面面积。图5E是焊盘过孔排气孔的又一实施例的图示。图5E表示与图5C中的排气孔设计相反的排气孔设计。过孔518是星形(以剖面线示出)，该星形是被布置成使得最初半径为R1的焊球空心不会被排气的一系列凹入的三角形。然而，随着焊球空心(未示出)的增大，当焊球半径大致在接合区503中的中间点R2时开始排气。当焊球空心的进一步膨胀，排气孔横截面面积将会减小，直到到达焊盘过孔的外径R3时，横截面面积将再度为零或者近似为零。图5F是可排气焊盘过孔设计的又一实施例的图示。图5F图示了一系列过孔凹槽520、522、524、526，其中只有部分凹槽从过孔528延伸到焊盘503过孔的外径530。随着焊球空心(未示出)增大，其经过的排气孔520、522、524、526就越少，以致于暴露在过孔渗气中的横截面面积减小。一种结果就是随着渗气由于渗气材料的耗尽而减少，由于过孔气体的释放速度减小了，所以通过焊料在焊盘过孔上保持恒定的接触力。
然而，最好能将排气孔构造能够被设计成使得渗气速度能够满足任何要求的条件。排气孔形状的唯一限制就是避免在接合处(未示出)产生很大的应力，所述应力会因使用者的正常使用时所需的后续热循环过程而在连接处内部或周围产生裂缝。
本发明可以使用其它焊接连接形式。图6A是具有可排气焊盘过孔的非BGA接合的一个实施例的图示。图6B是所述具有可排气焊盘过孔的非BGA接合的A-A横截面视图。图6A和图6B图示了连接到PCB 606上的可排气焊盘602过孔的表面组装器件604。非BGA接合612位于电容器604和PCB基板606上的可排气焊盘602过孔之间。在PCB组装之前，可以在表面组装器件604的端部涂覆焊料(未示出)，可以将这些带焊料的端部与焊盘602过孔接触。焊盘过孔的接触表面610可以具有粘性的焊料涂层(未示出)。当在例如回流焊的热循环过程中形成焊点612时，过孔616中的任何空气或不期望的挥发物会膨胀并且过孔612中增加的内部压强可以通过焊盘过孔排气孔614中排出到空气中。这种情况下的排气可以避免渗气压力增大直到释放，其中这种压强的释放可能将表面组装器件604从焊盘602过孔移开而产生间隙情况。图6C和图6D是连接至可排气焊盘过孔上的表面组装器件的另一实施例的图示。图6C是鸥翼式器件的三维立体图。图6D是安装在可排气焊盘过孔上的该鸥翼式器件的B-B截面视图。鸥翼式器件618在基板622的一侧被安装至具有排气孔621的焊盘620过孔上，而过孔624在基板的另一侧具有封盖626。
即使过孔被填充，该排出渗气的发明也可以应用于芯片封装中。由于来自被填充的过孔内的挥发材料的渗气的缘故，用于散逸气体的焊盘中的排气通路仍然是有用的。
结合排气孔的设计，调整回流焊操作能够控制过孔气体的排出。使回流焊操作适应这些方法的改变可以包括调整上升或下降的速度，即回流炉中加热曲线(温度VS.时间)。同时可以调整对任何给定温度下基板的保温时间的设定以及对基板保持在焊料的液相温度(183℃)之上的时间的调节。焊盘过孔中排气孔的设计可以被设计成与组装处理条件结合，即结合组装处理条件来操作。也就是说，渗气速度可以通过过孔设计被调整成顾及了处理温度和时间，即热处理特性，并与之协同工作。
图7图示了例如计算机的机器的实施例。该机器740可以适用于实现用户机703、服务器401或两者都可以。机器740包括微处理器750、存储器755、输入/输出设备760以及总线765。总线765耦合到处理器750、存储器755和输入/输出760，允许它们之间的通信和控制。印刷电路板可以用来例如利用接合区和焊盘过孔之间的焊接连接来连接任何一个上述计算机器件，或者用来将PCB通过焊盘过孔连接到表面组装器件。
以上参照本发明的具体示例性实施例对本发明进行了描述。但是显然，在不背离本发明的广泛的精神和范围的情况下，可以对其做出各种修改和改变。尤其是，各个框图中的分立的方框表示方法或设备中的功能块，并不一定表示物理或逻辑上的分立，或者具有本发明的精神和范围所固有的操作顺序。因此本发明的说明书以及附图被视为是说明性而非限制性的。