用于焊膏缺陷缓解的压缩负载印刷电路组件

技术领域

本公开涉及用于焊膏缺陷缓解的压缩负载印刷电路组件。

背景技术

可以使用表面安装技术(“SMT”)将部件安装到印刷电路板(“PCB”)上。SMT通常需要在焊膏加热到变成液态之前，先利用焊膏将部件临时地附接到PCB的第一表面上的接触焊盘。然后，液体冷却成固态焊点，该焊点将部件连接到接触焊盘。可以使用回流焊接对焊膏进行加热，其中将整个PCB——包括部件和焊膏——加热，直到焊膏回流为液态。一旦从热源中移出，液态焊料将在部件和接触焊盘之间形成固态焊点。

双面印刷电路板(“PCB”)可以具有使用SMT焊接到PCB两侧的部件。为了将部件附接到PCB的第二侧，可将PCB放置成使得附接的部件向下放置，并且附加部件可利用焊膏临时地附接到PCB的面向上的表面上的接触焊盘。整个PCB可以再次经受回流焊接。在完成第二次回流焊接后，PCB的两侧都可以附有部件。

发明内容

本公开的方面针对一种用于最小化和减轻焊料缺陷和断开的压缩负载组件。在一个方面，一种用于在专用集成电路(“ASIC”)封装上施加压缩力的压缩负载组件包括顶板、压缩板以及耦合到压缩板和顶板的一个或多个压缩机构，其中，所述一个或多个压缩机构配置为在背离顶板朝向压缩板的方向上向ASIC施加压缩负载。每个压缩机构可包括压缩构件和位于每个压缩构件上的至少一个弹簧。所述至少一个弹簧可以被定位在压缩板和顶板之间。

每个压缩构件可包括头部和轴。压缩板可包括一个或多个沉孔，其被配置成容纳压缩构件的头部。压缩板可包括一个或多个通孔，其被配置成容纳压缩构件的轴。压缩构件的头部可被定位在顶板的第一侧上，并且所述至少一个弹簧被定位在顶板的、与第一侧相反的第二侧上。

所述一个或多个压缩构件可前进或缩回，使得压缩负载是可调节的。当所述一个或多个压缩机构前进时，压缩负载可以增加。当所述一个或多个压缩机构缩回时，压缩负载可以减小。

压缩负载组件可以进一步包括一个或多个耦合机构，其可释放地耦合印刷电路板(“PCB”)与压缩板。所述一个或多个耦合机构中的每个耦合机构可以包括对准螺柱和螺纹构件。对准螺栓可以与压缩板集成并且可以包括螺纹孔。PCB可以包括与对准螺柱的螺纹孔对准的至少一个PCB通孔。所述至少一个PCB通孔和对准螺柱的螺纹孔可被配置成容纳螺纹构件。

所述一个或多个压缩机构可以包括至少六个压缩机构。所述至少六个压缩机构可以分布在压缩板上。所述至少六个压缩机构可以配置为跨整个ASIC提供均匀的压缩负载。

附图说明

图1示出了根据本公开的方面的ASIC封装的截面图。

图2A示出了根据本公开的方面的深反钻(deep-backdrilled)VIPPO结构的截面图。

图2B示出了根据本公开的方面的VIPPO结构的截面图。

图2C示出了根据本公开的方面的非VIPPO结构的截面图。

图3示出了根据本公开的方面的连接ASIC封装中的部件的多个结构。

图4示出了根据本公开的方面的压缩负载组件的透视图。

图5示出了根据本公开的方面的图4的压缩负载组件的侧面透视图。

图6示出了根据本公开的方面的压缩负载组件的侧面透视图。

具体实施方式

本文描述的系统和方法涉及压缩负载组件，该压缩负载组件可以在焊接期间将特定的压缩负载施加到ASIC封装，以最小化在回流焊接或返工期间焊点故障或缺陷的风险。在ASIC封装的制造期间，ASIC封装可以诸如利用顶部SMT经由BGA阵列焊接到PCB。一旦焊接后，可以翻转ASIC封装和PCB，以便顶部SMT可以用于经由PCB相反侧的另一BGA阵列安装其他部件。为了避免在回流或焊接其他部件期间PCB和ASIC封装之间的焊点分离，可以使用压缩负载组件在ASIC封装上施加压力。压缩负载组件可以在ASIC封装上施加压缩负载，其足以防止将ASIC封装连接到PCB的焊点与PCB或ASIC封装分离或以其他方式产生缺陷。

图1示出了其中可以实现本文描述的特征的示例系统100。如本文所述，不应将示例系统100视为限于本公开的范围或本文所述特征的有用性。系统100可以包括第一BGA封装182和第二BGA封装184。第一BGA封装182可以是ASIC封装。ASIC封装可以包括ASIC管芯102、具有加强环124的封装基板104和BGA阵列114。ASIC管芯102可以被附接或以其他方式安装到封装基板104。第二BGA封装184可以是电力模块BGA封装，并且在一些示例中，可包括电力模块126和BGA阵列116。电力模块126可包括齿轮箱108和多芯片模块(“MCM”)110。在第一BGA封装182和第二BGA封装184之间可以是PCB 106。

第一BGA封装182和第二BGA封装184可以通过焊接一个或多个BGA阵列114、116连接到PCB106。例如，图1进一步示出了位于封装基板104和PCB 106之间的第一BGA阵列114和位于PCB 106和电力模块126之间的第二BGA 116阵列。如图所示，BGA阵列114、116可以与通孔118对准。但是，在一些示例中，BGA阵列114、116可能不完美对准，从而使它们从通孔118偏移。封装基板104可以通过焊接第一BGA阵列114而耦合到PCB 106，并且电力模块126可以通过焊接第二BGA阵列116而耦合到PCB 106。

图1的系统100包括垂直电力传输(“VPD”)组件，其中附接有ASIC管芯102的封装基板104背对背安装回PCB106上的电力模块126上。然后可以经由第一和第二BGA阵列114、116通过PCB 106将电力从电力模块126传递到ASIC封装102。

每个BGA阵列114、116可以与PCB 106上的BGA覆盖区对准。PCB 106上的BGA覆盖区可以在PCB 106上或PCB 106内包括诸如VIPPO、深反钻VIPPO和非VIPPO结构的结构。这些结构可以用于将数据从连接到BGA封装的部件路由到其他位置和/或部件。VIPPO结构是其中导电或非导电材料完全填充焊点和/或BGA焊盘之间的PCB106中的通孔的结构。在一些示例中，VIPPO结构镀有铜，与PCB的环氧层压板相比，铜具有较高的导热性和较低的“平面外”热膨胀系数(“CTE”)。深反钻VIPPO结构是下述结构：其中从PCB中的通孔中去除一部分导电或不导电材料，以及去除那部分通孔中的镀铜。这导致深反钻VIPPO结构的CTE高。非VIPPO结构是其中不使用通孔连接焊点的结构。但是，非VIPPO结构具有高的CTE，就像PCB板一样。相邻结构之间的“面外”或Z轴CTE的不匹配可能会在二次回流期间导致焊料分离缺陷。

图2A-2C示出了BGA阵列114、116可以关联的不同结构。如本文所解释的，由于在BGA封装和/或焊盘下方的铜(或其他金属)的百分比的差异，不同的结构可能各自具有不同的热梯度。在一些示例中，无论是导电的还是非导电的，由于材料的不同，结构可能具有不同的热梯度，否则会形成通孔，如本文中进一步讨论的。根据一些示例，以上讨论的系统100可以使用所示的各种结构，因此，对于每个焊点，CTE可能发生不匹配。

焊点214、焊盘213和基板204可以是BGA封装的一部分，类似于上面讨论的ASICBGA封装182。焊盘215可以是PCB 206的BGA覆盖区。

图2A示出了结构200a，在该结构处形成具有深反钻VIPPO结构的焊点。深反钻VIPPO结构去除焊盘以及通孔内的至少一部分非导电或导电材料。例如，通孔218可以从PCB206的一端延伸到另一端。如图2A所示，通孔218的一部分232和/或通孔218内的镀层可以例如通过反向钻孔来去除。因此，仅导电和/或非导电材料的一部分233可以保留在通孔218中。保留的部分233可以耦合至焊盘215或邻接焊盘215。BGA阵列114的焊点214可以被定位在焊盘213和焊盘215之间。焊盘213可以耦合到ASIC封装204或ASIC封装204附接到的封装基板，并且焊盘215可以耦合到PCB 206和/或通孔218的部分233。在一些示例中，焊点214可与通孔218和已反钻的通孔218的部分233对准。在整个通孔218和已被去除的通孔的部分233中，深反钻VIPPO结构可以具有高或增加的CTE。

图2B示出了使用VIPPO结构的焊点的结构200b。VIPPO结构类似于深反钻VIPPO结构，但未去除一部分通孔。因此，通孔218以及因而通孔218内的非导电或导电材料从PCB206的一端延伸到另一端。通孔218可以耦合到焊盘215或邻接焊盘215。BGA阵列114的焊点214可以被定位在焊盘213和焊盘215之间。焊盘213可以耦合到ASIC封装204，或者ASIC封装204附接到的封装基板，并且焊盘215可以耦合到PCB 206和/或通孔218。在一些示例中，焊点214可以与通孔218对准。VIPPO结构可以具有高的热导通孔218。

图2C示出了具有非VIPPO结构的焊点的结构200c。因此，焊点在焊点的PCB焊盘正下方没有通孔。这可以是由于相邻焊点之间的不匹配而发生的。例如，如果BGA封装偏离VIA，则焊盘213、215和/或焊点214可能不与通孔对准。因此，焊点将不使用VIPPO结构。但是，非VIPPO焊点在整个PCB 206上可以具有高的CTE。

当与VIPPO和非VIPPO或深反钻VIPPO结构相关的相邻焊点下方存在面外CTE不匹配时，通常会发生焊料缺陷和分离。在一些示例中，当部件经受二次回流时，无论是在用于底部部件的顶侧SMT期间，还是在对相邻的或镜像的BGA部件进行返工期间，发生焊料分离。另外地或可替代地，由于在焊点的BGA焊盘下方的PCB中具有不同结构的每个焊点的热梯度的不同，可能发生焊料分离缺陷。例如，不同的热梯度可能是由于BGA封装焊盘下方的铜百分比所致。因此，每个VIPPO结构的铜含量可能导致一个焊点在相邻焊点之前变成液相线。在一些示例中，非VIPPO焊点可以保持实心，使得当PCB加热时，非VIPPO焊点会膨胀并向上推动实心焊点和ASIC。这可能导致液相线VIPPO焊点断开。在一些示例中，一旦焊料变为液相线，各种VIPPO结构上的焊点可能在焊料和金属间化合物(“IMC”)之间分离。

图3示出了其中形成焊点的多个结构300。多个结构可以类似于关于图2A-2C描述的结构。例如，结构300a可以对应于深反钻VIPPO结构，结构300b可以对应于VIPPO结构，并且结构300b可以对应于VIPPO结构，并且300c可以对应于非VIPPO结构。每个结构300a、300b、300c可以具有不同的CTE和/或更高的导热率。每个结构300a、300b、300c之间的CTE和导热率之间的差异可能导致某些焊点先成为液相线。例如，焊点214可以在焊点314a、314b之前变成液相线。由于焊点314a、314b可比焊点214保持固体更长的时间，因此与VIPPO结构300b相比，深反钻VIPPO结构300a和非VIPPO结构300c可具有更大的膨胀。在一些示例中，在二次回流期间，这种膨胀可能向上推动ASIC封装204，从而在焊点214上施加张力载荷。一旦焊点214变成液相线，而焊点314a、314b保持固态，焊点214可能与在封装焊盘接口213或PCB焊盘接口215处的IMC分离。

例如，结构300可以被翻转使得电力模块126在顶部。结构300可以翻转以执行二次回流工艺。二次回流工艺可用于将焊点374焊接到BGA焊盘373，并且因此将BGA焊盘373连接到结构300a、300b、300c。在二次回流工艺期间，VIPPO焊点214上的张力载荷可能是由于相邻非VIPPO焊盘下方的PCB扩展所致。由于焊点314a、314b可能仍然是坚固的，所以这种扩展可以将ASIC封装204推离PCB。当将ASIC封装204从PCB推离时，由于焊接点214被PCB BGA焊盘下方的VIPPO结构保持在适当的位置，所以焊接点214可被置于张力下。在一些示例中，该VIPPO结构具有较低的“面外”CTE，它可以充当铆钉，其将焊点向下压，而不是扩展以将其推离PCB。另外地或替代地，由于与焊点314a、314b相比，焊点214在PCB焊盘下方具有更高的导热性，所以焊点214可在相邻的焊点314a、314b之前变成液相线。在焊点214处于张紧的示例中，它可以在封装焊盘或PCB焊盘处与IMC分离。如图3所示，焊点214与封装焊盘213分离开空间303。根据一些实施例，焊点214可以与PCB焊盘215分离，因此，该空间可以在焊点214与PCB焊盘215之间。

为了防止焊料分离缺陷，可以在将BGA封装焊接在ASIC封装和PCB之间之后以及在将电力模块焊接到PCB期间使用压缩负载组件。因此，ASIC封装位于PCB和压缩板之间。一个或多个压缩机构可以耦合到顶板和压缩板。一个或多个压缩机构可以被配置为将压缩负载施加到压缩板，并且因此施加到包括焊点的ASIC封装和ASIC BGA封装。在一些示例中，压缩机构可以包括螺钉或螺栓，并且至少一个弹簧被定位在螺钉或螺栓上，使得弹簧被定位在顶板和压缩板之间。可以拧紧螺钉或螺栓，以调节压缩机构施加在压缩板上的弹力的量。因此，施加在压缩板上的弹力可以传递以将压缩负载施加在ASIC封装和ASIC BGA封装上。压缩负载可以在背离顶板并且朝向压缩板的方向上施加。根据一些示例，当顶板和压缩板耦合到PCB时，压缩负载可以朝向PCB。

压缩负载可以克服张力以防止焊料分离缺陷。在一些示例中，压缩负载可以足以克服张力，从而在返工或二次回流期间保持焊点。此外，压缩负载可以不足以使焊点形状变形或显着改变焊料支架。间距可能是回流后PCB与ASIC之间的距离。

特别地，与非VIPPO和深反钻VIPPO结构相比，VIPPO结构的通孔中的金属可能具有更低的“平面外”CTE。相比之下，非VIPPO和深反钻VIPPO结构可能会比VIPPO结构具有更高的“面外”CTE，这是因为更少的金属或没有金属被定位在通孔中。

如上所述，当在具有VIPPO、非VIPPO和/或深反钻VIPPO结构的相邻焊点下方存在不匹配时，可能会发生焊料分离缺陷。焊料分离缺陷可能是由于面外CTE不匹配以及具有VIPPO和非VIPPO或深反钻VIPPO结构的相邻焊点之间的热梯度差异之一或两者引起的。

压缩负载组件可以施加克服通常导致焊料分离缺陷的张力的压缩负载。附加地或替代地，压缩负载可以足够低以至于不使焊点形状变形或改变焊料支座。在一些示例中，压缩负载组件在返工或二次回流期间保持焊料。

图4是用于在回流工艺期间在ASIC封装上施加压缩力的压缩负载组件400。压缩负载组件400可以被配置为定位关于图1描述的ASIC封装的一个或多个部件。特别地，系统可以对BGA封装施加压缩负载以将焊点保持在封装和PCB之间。例如，组件400可以在返工或二次回流期间向ASIC BGA封装182施加压缩力。当ASIC BGA封装182围绕ASIC BGA封装182的水平轴旋转180度，或者倒置翻转以执行第二BGA封装184或电力模块BGA封装到PCB的焊接时，可能会发生返工或二次回流。

压缩负载组件400可以包括顶板340、压缩板354、PCB 106、一个或多个压缩机构350和一个或多个对准螺柱344。压缩机构350可以包括螺栓352和弹簧(如图4所示)。组件400还可包括止动组件457。止动组件可包括螺母和螺栓。止动组件457可以提供硬止动或最大压缩距离。止动组件可以确保弹簧不会过度压缩并且因此变得损坏。

顶板340可以包括一个或多个沉孔(counterbore)346。每个沉孔346可以包括与沉孔346轴向对准的通孔。沉孔346和通孔可以被配置为接收压缩机构350的螺栓352。压缩机构350的每个螺栓352可包括头部342和轴464(在图4中示出)。螺栓352的头部348可装配在沉孔346内。螺栓352的轴可装配在通孔内。根据一些示例，螺栓352的轴可以是带螺纹的，并且接收螺栓352的轴的通孔可以具有与轴的螺纹配合的螺纹。因此，螺栓352可以与压缩板354螺纹耦合。

弹簧可以位于每个螺栓352的轴上。弹簧可以被定位在顶板340和压缩板354之间。弹簧可以沿背离顶板和朝向压缩板354的方向上在压缩板354上施加力。弹簧所施加的力可以均匀地分布在整个压缩板354上，并且可以导致均匀地分布的力施加在ASIC BGA封装182上。根据一些示例，压缩板354上的弹簧力将力施加在ASIC BGA封装182或ASIC BGA封装182的部件上，诸如ASIC管芯102。另外地或替代地，弹簧可用于减小或阻滞回流工艺期间的振动。

如图所示，可以有七(7)个压缩机构350。但是，在一些示例中，可以有六(6)个压缩机构350、三(3)个压缩机构350、九(9)个压缩机构350等。因此，所示的七个压缩机构350仅是一个示例，并不意味着是限制性的。

顶板340以及因此压缩板354可以经由一个或多个耦合机构可释放地耦合至PCB106。每个耦合机构可以包括对准螺柱344和螺纹构件。每个对准螺柱344可以耦合到顶板340。根据一些实施例，对准螺柱344可以与顶板340集成。对准螺柱344可以包括沿着对准螺柱344的纵向轴线的螺纹孔或螺纹通孔。对准螺栓344的螺纹孔可被配置成容纳螺纹构件。

可以将螺纹构件插入穿过PCB 106中的孔以将PCB 106和顶板340耦合。可以将螺纹构件拧入对准螺柱344的螺纹孔中。因此，可以将PCB 106和顶板340可释放地耦合。通过耦合PCB 106和顶板340，压缩机构350的弹簧可以压缩并且因此在ASIC封装上施加力。特别地，弹簧可以在PCB 106的方向上在压缩板354以及ASIC 102上施加力，而不管压缩负载组件和ASIC封装的方向如何(即，不管压缩负载组件和ASIC封装是直立的还是颠倒的)。根据一些示例，PCB 106和顶板340可以永久地耦合。

在另一个示例中，组件400可以包括底板。在这样的示例中，顶板340以及因此压缩板354可以经由一个或多个耦合机构可释放地耦合到底板。如上所述，顶板340和压缩板354到底板的耦合可以类似于顶板340和压缩板354到PCB 106的耦合。

图5示出了压缩负载组件500的侧面透视图。组件500可以类似于关于图3所描述的组件400，因此，相同或相似的附图标记可以用于描述相似的部件。压缩负载组件500可包括顶板340、压缩板354、加强件466、一个或多个压缩机构350、一个或多个对准螺柱344、用于将PCB 106耦合到对准螺柱344的一个或多个螺纹构件460。压缩机构350可以包括螺栓352和弹簧462。

如上所述，顶板340可以经由对准螺柱344耦合至PCB106。螺纹构件460可以插入穿过PCB 106中的孔并进入对准螺柱344的螺纹孔。螺纹构件460将PCB 106螺纹地耦合至顶板340。

如图所示，压缩机构350的每个弹簧462可以被定位在顶板340和压缩板354之间。弹簧462可以在压缩板上并因此在ASIC102上施加压缩力或压缩负载。可以通过旋转螺栓352来调整压缩负载。例如，拧紧螺栓352可以压缩弹簧462。弹簧462的压缩越大，弹簧462施加在压缩板354上的力就越大。相反，松开螺栓352可以使弹簧462减压。弹簧462的压缩越少，弹簧462施加在压缩板354上的力就越小。因此，可以基于制造ASIC封装所需的规格来调整压缩机构产生的压缩负载。

根据一些示例，如图所示，组件500具有PCB 106作为底层以及顶板340作为顶层。当组件500被翻转时，使得PCB 106是顶层并且顶板340是底层，组件500可以在回流工艺期间保持焊点。

例如，在回流工艺期间，由于整个通孔中的金属，VIPPO结构的金属可能首先被加热。如前所述，VIPPO结构的通孔中的金属可能比非VIPPO和深反钻VIPPO结构的“面外”或Z轴CTE更低。相比之下，非VIPPO和深反钻VIPPO结构可能会比VIPPO结构具有更高的“面外”CTE，这是因为更少的金属或没有金属被定位在通孔中。在一些示例中，在非VIPPO和/或深反钻VIPPO结构上方的焊点之前VIPPO结构上方的焊点可能变成液相线，从而在非VIPPO和/或深反钻VIPPO上方的焊点可以保持固体。当非VIPPO和深反钻VIPPO结构被加热时，封装基板被向外推，这可能会削弱或断开VIPPO结构。一旦非VIPPO和深反钻VIPPO完全呈液态，就可以从VIPPO结构中去除应变。因此，压缩负载组件500可用于去除和/或减小在VIPPO结构上方的焊点上的应力，而在非VIPPO和深反钻VIPPO结构上方的焊点液化。由压缩机构350施加的均匀压缩负载可以将液化的焊点保持在VIPPO结构上方，而将非VIPPO和深反钻VIPPO结构上方的焊点液化。在一些示例中，压缩负载可以防止VIPPO结构上方的焊点在BGA焊盘处的散装焊料和IMC之间分离。附加地或替代地，压缩负载可以克服或大于导致焊料分离缺陷的张力。

压缩负载组件500可以具有不会显着影响电力模块的回流曲线的热质量。附加地或替代地，压缩负载系统500可承受高达锡银铜(SAC)回流曲线的245摄氏度，而不会将翘曲效应引入ASIC焊点。ASIC焊点可以是PCB与ASIC之间的焊点。

图6是压缩负载组件600的侧面透视图。图6与图5基本相似，但还包括多个突出部570，其背离压缩板354并朝着顶板340延伸，并且还包括位于压缩板354和ASIC 102之间的加强件572。

压缩板354可具有多个突出部570。突出部570可用于将顶板340与压缩板354耦合或对准。例如，每个突出部可具有带螺纹的螺纹孔，该螺纹孔配置成与螺栓352的螺纹配合。因此，每个突出部570的螺纹孔可螺纹地接收螺栓352。将螺栓352拧入突出部570，从而将压缩板354和顶板340耦合。根据一些示例，每个螺栓352越拧入每个突出部570，每个弹簧462施加在压缩板354上的压缩负载越大。

如图所示，压缩机构350的每个弹簧462可以被定位在顶板340和压缩板354之间。弹簧462可以在压缩板354上施加压缩力或压缩负载，随后压缩板354在加强件572上施加压缩力，同时还在包括ASIC管芯102的ASIC BGA封装182上施加力。加强件572可以由硅树脂制成，并配置成吸收冲击，从而在ASIC BGA封装182上施加均匀的压缩负载。根据一些示例，加强件572可以是压缩板354和ASIC管芯102之间的保护层。作为保护层，加强件572可以保护ASIC管芯102的易碎部件不受硬压缩板354的破坏。

压缩负载组件可以在除了本文公开的那些以外的示例中使用。例如，当焊接相邻结构时，可以使用压缩负载组件。特别地，由于具有不同的CTE和热导率的不同结构，可能有必要使用压缩负载组件以防止发生焊料分离缺陷。因此，压缩负载组件可以用于除二次回流过程以外的其他适用情况。

尽管本文描述的示例涉及ASIC封装和电力模块，但是压缩负载组件可与其他附接到基板封装的部件——诸如集成电路、芯片上的系统、存储器等——一起使用。例如，压缩负载组件可用于附接任何两个单独的部件，以便两个BGA封装背对背安装。因此，本文中对ASIC封装和电力模块的引用仅用于说明，并不意味着限制。

除非另有说明，否则前述替代示例不是互相排斥的，而是可以以各种组合实现以实现独特的优点。由于可以在不背离权利要求所限定的主题的情况下利用以上讨论的特征的这些和其他变形以及组合，因此，对实施例的前述描述应通过说明的方式而不是通过限定的主题的方式进行。根据要求。另外，本文描述的示例的提供以及用短语表达为“诸如”、“包括”等的用语不应被解释为将权利要求的主题限制于特定示例。相反，这些示例仅旨在说明许多可能的实施例之一。此外，不同附图中的相同附图标记可以标识相同或相似的元件。