一种改善有机封装基板翘曲的加固结构及加固方法

技术领域

本发明涉及电子封装技术领域，具体是涉及一种改善有机封装基板翘曲的加固结构及加固方法。

背景技术

随着集成电路技术的迅速发展，芯片的集成度越来越高，输入输出引脚以及过孔等数量急剧增加，并且信号的速率也越来越快，FR-4材料作为传统的封装基板介质材料，由于其介电常数等材料参数的影响，使用在高频高速的基板中时，会对高速信号的传输有较大的损耗，从而引发信号完整性以及其他问题，使用有机材料作为介质材料，可以较好的改善此类问题。

有机材料相比于FR-4材料，其缺点是在基板回流焊等高温加热过程中更容易发生热失配，并且现在提倡使用无铅焊料，常用的有SAC305，使用此焊料通常需要将最高温度设置为217℃以上，焊接时更高的温度会加剧热失配，这也使得使用有机材料制成的基板在高温加热工艺中，更容易发生翘曲的问题，这不仅会导致产品无法满足生产标准，还会使芯片与基板之间的微凸点发生开裂，发生断路等问题，严重影响了其后续使用的可靠性，所以研究如何抑制封装基板的翘曲至关重要。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种改善有机封装基板翘曲的加固结构及加固方法，可以降低封装基板在回流焊过程中产生的翘曲，保证了生产的质量，提高了后续使用的可靠性，本发明的方法解决了基板回流焊后形变大以及产品合格率低等问题。

为解决现有技术问题，本发明提供一种改善有机封装基板翘曲的加固结构，应用于减小基板在加热后发生的翘曲，基板具有用于焊接芯片的基板功能区，加固结构包括沿基板功能区向外侧延伸的基板延伸区，以及开设有窗口的加固电路板，基板延伸区固定地设置在加固电路板上，基板功能区位于窗口的顶部。

优选地，窗口的区域大小与基板功能区的尺寸相匹配。

优选地，基板延伸区通过导热胶片粘连在加固电路板上，窗口完整露出基板功能区的底部。

优选地，基板功能区的顶部矩形阵列有微凸点焊盘，芯片通过微凸点与微凸点焊盘与基板功能区连接。

优选地，芯片和基板功能区之间还填充有包裹微凸点的底填胶。

优选地，基板延伸区的布线层中无铜布线。

优选地，基板功能区的底部矩形阵列有BGA植球焊盘。

优选地，加固电路板由耐高温材料制成。

优选地，窗口矩形阵列在加固电路板上，每一个窗口都对应粘连有一块基板。

本发明还涉及一种改善有机封装基板翘曲的加固方法，应用于一种改善有机封装基板翘曲的加固结构，加固方法包括以下步骤：

步骤一，将具有基板延伸区的基板粘连在具有窗口的加固电路板上，使基板功能区正对加固电路板的窗口；

步骤二，将粘连有加固电路板的基板进行回流焊、底填固化和植球高温加热工艺；

步骤三，完成所有高温加热工艺后，对整体封装结构进行切割，按照封装基板功能区与延伸区之间的四条分界线进行切割，切割完成之后保留下封装基板功能区。

本申请相比较于现有技术的有益效果是：

本发明通过加固结构可以减小基板在高温加热工艺后发生的翘曲，有助于减少由于封装基板翘曲引发的凸点断路等问题，提高了产品可靠性和合格率，同时具备良好的经济效益和社会效益。

附图说明

图1是一种改善有机封装基板翘曲的加固结构的立体图。

图2是一种改善有机封装基板翘曲的加固结构在第一种视角下的立体分解图。

图3是一种改善有机封装基板翘曲的加固结构在第二种视角下的立体分解图。

图4是一种改善有机封装基板翘曲的加固结构的正视图。

图5是一种改善有机封装基板翘曲的加固结构的切割示意图。

图6是一种改善有机封装基板翘曲的加固结构在植球工艺结束后的示意图。

图7是一种改善有机封装基板翘曲的加固结构在批量生产时的立体图。

图8是一种改善有机封装基板翘曲的加固结构在批量生产时的立体分解图。

图9是一种改善有机封装基板翘曲的加固结构进行高温工艺时在第一种视角下的立体分解图。

图10是一种改善有机封装基板翘曲的加固结构进行高温工艺时在第二种视角下的立体分解图。

图11是有加固结构封装基板有限元仿真形变结果云图。

图12是无加固结构封装基板有限元仿真形变结果云图。

图中标号为：1、芯片；2、基板功能区；22、微凸点焊盘；23、BGA植球焊盘；24、微凸点；25、BGA焊球；3、基板延伸区；4、加固电路板；41、窗口；5、切割线；6、底填胶。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的特征、技术手段以及所达到的具体目的、功能，下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

如图1、图2和图3所示，本申请提供：

一种改善有机封装基板翘曲的加固结构，应用于减小基板在加热后发生的翘曲，基板具有用于焊接芯片1的基板功能区2，加固结构包括沿基板功能区2向外侧延伸的基板延伸区3，以及开设有窗口41的加固电路板4，基板延伸区3固定地设置在加固电路板4上，基板功能区2位于窗口41的顶部。

设计封装基板。首先在设计封装基板时将基板分为基板功能区2与基板延伸区3，基板功能区2维持芯片1正常工作，基板延伸区3扩展封装基板的面积。

设计封装基板底部加固电路板4部分。使用FR-4材料制作加固电路板4，粘接在封装基板延伸区3底部，对电路板的中间进行挖空处理，挖空的区域大小与基板功能区2尺寸相匹配，使窗口能够露出封装基板功能区。随后将导热胶片粘在基板延伸区3的底部，接着将挖空后的加固电路板4按照对应的位置粘在导热胶片上，对应位置要求粘接上的加固电路板4的挖空区域能完整露出基板功能区2的底部。

将粘接底部加固电路板4后的封装结构进行回流焊、底填固化和植球等高温加热工艺。在封装基板底部粘接加固电路板4后，将连接芯片1与基板的微凸点24放置在基板功能区2上方的焊盘上，接着把芯片1按照对应的位置放置在微凸点24上，最后把放置好微凸点24和芯片1的物体放进回流炉进行回流焊工艺。完成芯片1与基板的连接后，将底填胶6填充在芯片1与基板之间，包裹住微凸点24，接着对整体结构进行加热，加热温度和时间根据使用的底填胶6材料手册而定。接着将BGA焊球25放置在基板功能区2的底部，接着将此时的封装结构放入回流炉，进行回流焊，将BGA焊球25植在基板功能区2底部的焊盘上。

完成所有高温加热工艺后，对整体封装结构进行切割，按照封装基板功能区2与延伸区之间的四条分界线进行切割，切割完成之后保留下封装基板的功能区，此时保留下来的封装基板已经完成了上片、底填胶6水和植球等工艺，可以正常工作。

对粘接加固电路板4后的基板进行切割，图5展示了切割的位置和完成切割后保留下的结构，按图5中的虚线位置进行切割，其切割位置是沿着基板的功能区的边线进行，最后对于基板来说保留下来的是基板功能区2，功能区能够维持芯片1和基板的正常工作，切割完成后的结构图如图6所示，从上到下分别为芯片1、微凸点24、基板功能区2以及BGA焊球25。

本实施例通过加固结构可以减小基板在高温加热工艺后发生的翘曲，有助于减少由于封装基板翘曲引发的凸点断路等问题，提高了产品可靠性和合格率，同时具备良好的经济效益和社会效益。

在研究封装基板在工艺中发生的变形时，可以使用有限元方法对其进行仿真，从而预测出不同工艺下封装基板的变形情况。为此根据图1所示的粘接加固电路板4的基板结构，进行了有限元建模并仿真，设置了最高温度为220℃的温度载荷后开始仿真。仿真结果如图11所示，展示了高温加热工艺后封装基板功能区2的变形情况，可以看到经过220℃的高温加热后，封装基板功能区2的最大变形为9.10um。

如图12所示，使用有限元方法对传统的没有使用加固结构的封装基板在工艺中的变形进行了仿真，在相同的温度载荷以及其他边界条件的情况下，没有经过加固的封装基板功能区2最大变形达到了122.32um。通过有限元仿真方法，比较两种结构的仿真结果可以看出，使用本发明提出的加固结构可以有效的减小有机封装基板在生产工艺流程中发生的翘曲，提升产品的合格率以及后续使用的可靠性。

如图3所示，窗口41的区域大小与基板功能区2的尺寸相匹配。

窗口41与基板功能区2的尺寸相匹配，在切割时能够沿着窗口41的边沿进行切割，同时能够对基板功能区2进行定位，便于焊接BGA焊球25。

加固电路板4的长与宽大于封装基板的尺寸，加固电路板4的长和宽要大于封装基板相应长和宽的1.4倍以上，例如封装基板为一个边长为50mm，厚度为1.3mm的正方体时，加固电路板4的边长至少为70mm，并且需要对电路板的中间进行挖空处理，这样将挖空处理过后的加固电路板4粘接在基板延伸区3底部后从底部看，可以将基板功能区2底部的植球区域显露出来，方便后续进行植球工艺。当加固电路板4挖空处理完成后，将其粘接在基板的延伸区底部。

如图4所示，基板延伸区3通过导热胶片粘连在加固电路板4上，窗口41完整露出基板功能区2的底部。

图1和图4展示了使用加固结构的封装基板完成上片回流以及植球后的结构图，由上到下分别是芯片1、连接芯片1与基板的微凸点24、基板和加固电路板4。

如图9和图10所示，基板功能区2的顶部矩形阵列有微凸点焊盘22，芯片1通过微凸点24与微凸点焊盘22与基板功能区2连接。

通过在微凸点焊盘22上焊接微凸点24，能够稳定连接芯片1和基板功能区2。

如图4和图5所示，芯片1和基板功能区2之间还填充有包裹微凸点24的底填胶6。

通过底填胶6能够有效填充芯片1和基板功能区2之间的空隙，避免芯片1受力使得焊接的微凸点24断裂。

如图4所示，基板延伸区3的布线层中无铜布线。

图4展示了设计的封装基板，设计封装基板时将基板分为基板功能区2与基板延伸区3，其中基板功能区2是能够维持芯片1正常工作的区域，基板功能区2的布线层中是铜和封装基板中的有机材料组合而成，高速封装基板中使用的有机材料需要具有低介电常数和低损耗因素等特点，使用这种材料的目的是为了减少封装基板中高速信号的传输损耗，从而提高信号传输质量，基板功能区2的其它层分别为介质层、Core层和阻焊层；基板延伸区3相比于基板功能区2的主要区别在于布线层的组成材料，基板延伸区3布线层中不进行铜布线，使用介质层的有机材料填充，所以基板即使失去了延伸区，也可以正常工作，延伸区的介质层和Core层与功能区的一致。基板功能区2上方的中间区域是连接芯片1与基板的微凸点24的焊盘，基板功能区2的下方是BGA植球区域。

如图4所示，基板功能区2的底部矩形阵列有BGA植球焊盘23。

通过BGA植球焊盘23能够在基板功能区的底部焊接BGA焊球25。完成底部加固电路板4的粘接后，对加固后的整体结构进行烘烤（是对粘接加固电路板4后的整体结构进行烘烤，在所有后续的高温加热工艺完成之前加固电路板4都是粘接在封装基板的底部的。），烘烤完成后，对封装基板进行上片回流以及BGA植球等高温加热工艺，在所有高温加热工艺完成之前，底部加固电路板4都是粘接在封装基板的延伸区下方的。图4展示的是粘接加固电路板4后的基板进行上片回流以及植球工艺后的结构图。

加固电路板4由耐高温材料制成。

耐高温材料包括但不限于环氧板、陶瓷、聚苯硫醚、碳化钛、石墨、钨、碳化柜、PEEK（一种半结晶热塑性塑料）、氮化硅、氧化铝、硅橡胶、硅盐酸材料、耐高温涂层材料。

如图7和图8所示，窗口41矩形阵列在加固电路板4上，每一个窗口41都对应粘连有一块基板。

该方法还可以用于批量化的加工生产，图7和图8展示的就是批量化生产的加固电路板4示意图，先拿一块大型的加固电路板4，接着对电路板进行一样的挖空处理以形成矩形阵列的窗口41，挖出的窗口41刚好可以露出基板底部的功能区即可，然后再将每块单个的封装基板分别对应好空缺的位置粘接在加固电路板4上，接着进行上片回流等高温加热工艺。

然后沿窗口41的边沿位置进行切割，保留下每一块的基板功能区2即可，这样就使用此结构完成了批量化的生产，可以提高生产效率。

一种改善有机封装基板翘曲的加固方法，应用于一种改善有机封装基板翘曲的加固结构，加固方法包括以下步骤：

步骤一，将具有基板延伸区3的基板粘连在具有窗口41的加固电路板4上，使基板功能区2正对加固电路板4的窗口41；

步骤二，将粘连有加固电路板4的基板进行回流焊、底填固化和植球高温加热工艺；

步骤三，完成所有高温加热工艺后，对整体封装结构进行切割，按照封装基板功能区2与延伸区之间的四条分界线进行切割，切割完成之后保留下封装基板功能区2。以上实施例仅表达了本发明的一种或几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。