焊料柱及其制造方法技术

一种改进的焊料柱，具有包括焊料芯材料的焊料芯，围绕焊料芯的至少大部分外表面并且包括交织成网的多条线的外骨架套筒结构，以及形成于所述外骨架中所述多条线之间的多个空间。可以配置外骨架套筒，使得外骨架套筒将支撑焊料芯，从而防止焊料芯在超过焊料芯液相线温度的温度下塌陷。可选地，多个空间的每一个能够具有与该空间相邻的线的宽度一样大的宽度和高度，并且该空间可以配置为对焊料柱提供附加弹性。

【技术实现步骤摘要】
焊料柱及其制造方法参照优先权申请的结合本申请要求2019年4月17日提交的、名称为焊料柱及其制造方法的62/835,322号美国专利申请，以及2019年6月13日提交的、名称为焊料柱及其制造方法的、专利申请号为16/440,905、目前美国专利号为10,477,698的美国专利的优先权，二者的内容以引用的方式结合在本文中，如同其全文在本文陈述。依据适当的法律基础要求优先权。
本公开的设置一般涉及焊料柱结构以及用于制造焊料柱结构的方法。
技术介绍
通常地，金属间连接形成于多个焊料柱和连接盘网格阵列(LGA)基底上的传导垫之间。初始时，使用一层焊膏覆盖LGA上的传导垫阵列。加热后，焊膏回流到传导垫上，引起焊料柱和LGA上的传导垫之间的金属间连接。LGA基底材料可以由陶瓷、塑料或硅材料组成。在回流工艺完成后，具有焊料柱的LGA在本领域中被称为柱栅阵列(CGA)或陶瓷柱栅阵列(CCGA)。一般而言，CGA器件上的焊料柱的数量范围可以是4至10000，或者随着电子器件和集成电路封装密度的持续增加而更多。球栅阵列(BGA)器件是CGA柱栅阵列器件的一种替代。BGA器件包含由焊料球体(球)构成的阵列，以提供BGA基底上的传导垫和印刷电路板(PCB)之间的电连接。在本领域中，由陶瓷材料(诸如，氧化铝或Al2O3)构成的BGA基底被称为陶瓷球栅阵列(CBGA)。在苛刻的环境下或者当过热或功率过高时，经常需要陶瓷基底。然而，BGA器件的一个潜在的问题是，BGA基底和PCB板之间会存在热膨胀系数(CTE)的实质差异。当大尺寸BGA基底附接到由塑料玻璃交织材料，诸如，FR-4或其他层压材料，制成的PCB板上时，该CTE差异的潜在问题通常变得更加棘手。这样的热膨胀系数差异会引起将BGA器件和PCB板相互连接的焊料球体(焊料球)的变形。随着时间推移，由于CTE不匹配的问题，在大尺寸BGA基底和塑料玻璃交织的PCB之间，焊料球和金属垫之间的电连接会断开。CTE不匹配的问题已经通过使用圆柱状焊料柱替代焊料球体(焊料球)作为模组基底和PCB板之间的电互连而解决。传统上，在军事、航空航天和国防领域应用中趋向使用的焊料柱为圆柱状，并且通常具有大约0.50mm(0.020英寸)的直径，以及大约2.2mm(0.087英寸)的高度。然而，通常在大功率计算机服务器、人工智能(Ai)、5G无线通讯和微电子领域中使用的焊料柱，直径可能小至0.10mm(0.004英寸)或者大于0.889mm(0.035英寸)。进一步地，焊料柱的长度可能短至0.15mm(0.006英寸)或者长至3.81mm(0.150英寸)或者更长。在将多个焊料柱附接至LGA基底之前，LGA基底上的传导垫通常覆盖有受控厚度的焊膏。在一些情况下，对于航空航天、军事和国防工业领域中的应用，可能优先考虑由铅锡合金，诸如，Sn63/Pb37，构成的焊膏。然而，在商业领域中，对于需要无铅材料的应用，可能使用无铅焊膏合金，诸如SAC305(Sn96.5/Ag3.0/Cu0.5)，或其他含有铋(Bi)、铟(In)或其他添加物的无铅合金。焊料柱的另一种替代是微螺旋弹簧，通常由铍铜(Be-Cu)合金制成，并电镀有锡铅焊料(Sn60/Pb40)或其他镀层，诸如，镍金(Ni-Au)。焊料柱通常竖直地垂直置于LGA基底上的对应传导垫阵列上。然后，基底通常与高温焊料柱或者与替代的引脚以及低温焊膏层一起被加热，使得焊膏回流，以在焊料柱和LGA传导垫之间形成金属间倒角连接，而无需熔化或破坏焊料柱。具有附接焊料柱的完整封装，在本领域中被称为柱栅阵列(CGA)或陶瓷柱栅阵列(CCGA)封装。通常需要二次流程将CGA封装安装至PCB板上。将CGA封装连接至PCB板的工艺需要使CGA再次回流，而焊料柱不熔化或塌陷。可以将受控的低温熔化焊膏层涂敷于PCB板上相应的多个接触垫上。CGA封装可以放置在PCB板上的焊膏覆盖的垫上。然后，PCB板与一个或多个CGA封装(以及其他组件)可以被加热并回流，形成将CGA焊料柱固定在PCB板上的金属间倒角。常规工艺将重点放在通过选择具有比焊膏开始熔化时更高熔点的柱材料防止竖直放置的焊料柱在回流工艺过程中塌陷，其中，焊膏润湿并将柱连接至CGA封装上的金属垫至PCB板。然而，迄今为止，很少或没有注意力集中在开发能够迅速从大功率、产生热量的CGA封装的底部传导和传输热量的方案上。而是，在常规设计中，通常将散热片安装在CGA封装的顶部作为将热量传导出CGA的补救措施。因此，应当开发焊料柱的更好的方案来克服这些缺点和限制中的每一个。特别地，需要用于保持焊料柱的柱状形状和结构完整性的更加稳健和可靠的方法和结构。进一步地，需要柔性的套筒结构来吸收CTE不匹配引起的机械应力，以最小的失真传导电信号以及使用无铅材料通过柱结构将热量从CGA基底的底部热传导至印刷电路板的接地层。本公开的设置为前述需求提供方案。下面将对这些设置的细节进行更加详细的描述。
技术实现思路
本文公开的是焊料柱结构的设置，该设置可用于避免回流过程中柱栅阵列(CGA)的灾难性塌陷，并且公开了制造这种结构的方法。本文公开的任一种焊料柱设置可以具有更大区域范围的外骨架套筒，从而可以通过柱从CGA基底的底部向印刷电路板的接地层传导更多热量。本文公开的改进的焊料柱的一些设置，配置为当连接半导体模组至印刷电路板时，提供机械柔性、电传导和热传导结构以用作相互连接。在任意设置中，固体焊料芯可以被外骨架套筒围绕，该外骨架套筒包括通过电镀并用可湿性焊料合金涂覆整个结构而连接在一起的4至48股小直径铜线。在正常焊接环境下回流的过程中，柱的端部可以液化而焊料柱不会塌陷。这可以与在模组的金属垫上润湿的焊膏形成扩散的金属间连接，并且其次与印刷电路板上的金属垫形成扩散的金属间连接。本文公开的任意焊料柱设置也可以由含铅材料制成或包括含铅材料。本文公开的焊料柱还可以在使用或不使用焊膏的情况下将焊料柱附接至LGA/CGA封装以及印刷电路板，可选地，仅使用粘性助焊剂(TackyFlux)。本文公开的任意焊料柱设置，可以具有任意以下设置的任何组件、特征或细节的任一个或任意结合。设置1：一种改进的焊料柱，具有包括焊料芯材料的焊料芯，至少围绕焊料芯的大部分外表面并且包括交织成网的多条线的外骨架套筒结构，以及在所述外骨架中在所述多条线之间形成的多个空间。设置2：设置1的焊料柱，其中所述外骨架套筒配置为使得所述外骨架套筒将支撑所述焊料芯，以防止所述焊料芯在超过所述焊料芯液相线温度的温度下塌陷。设置3：前述任一设置的焊料柱，其中所述多个空间的每一个具有至少与所述空间相邻的线的宽度同样大的宽度和高度。设置4：前述任一设置的焊料柱，其中所述空间配置为对焊料柱提供附加弹性。设置5：前述任一设置的焊料柱，其中所述多条线形成关于所述外骨架的菱形图案。设置6：前述任一设置的焊料柱，其中所述多条线的每一条具有大约0.025mm(0.001英寸)至大约0.076mm(0.003英寸本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种焊料柱，包括：/n焊料芯，包括焊料芯材料；/n外骨架套筒结构，围绕所述焊料芯的外表面的至少大部分并且包括交织成网的多条线；以及/n多个空间，形成于所述外骨架中所述多条线之间；/n其中：/n所述外骨架套筒配置为使得所述外骨架套筒将支撑所述焊料芯，以防止所述焊料芯在超过所述焊料芯的液相线温度的温度下塌陷；/n所述多个空间的每一个具有至少与所述空间相邻的线的宽度同样大的宽度和高度；以及/n所述空间配置为对所述焊料柱提供附加弹性，以提高所述焊料柱吸收由通过所述焊料柱相互连接的基底之间热膨胀系数的不匹配导致的应力的能力。/n

【技术特征摘要】
20190417 US 62/835,322;20190613 US 16/440,9051.一种焊料柱，包括：
焊料芯，包括焊料芯材料；
外骨架套筒结构，围绕所述焊料芯的外表面的至少大部分并且包括交织成网的多条线；以及
多个空间，形成于所述外骨架中所述多条线之间；
其中：
所述外骨架套筒配置为使得所述外骨架套筒将支撑所述焊料芯，以防止所述焊料芯在超过所述焊料芯的液相线温度的温度下塌陷；
所述多个空间的每一个具有至少与所述空间相邻的线的宽度同样大的宽度和高度；以及
所述空间配置为对所述焊料柱提供附加弹性，以提高所述焊料柱吸收由通过所述焊料柱相互连接的基底之间热膨胀系数的不匹配导致的应力的能力。


2.如权利要求1所述的焊料柱，其中所述多条线形成关于所述外骨架的菱形图案。


3.如上述权利要求的任一项所述的焊料柱，其中所述多条线的每一条具有大约0.025mm(0.001英寸)至大约0.076mm(0.003英寸)的宽度。


4.如上述权利要求的任一项所述的焊料柱，其中所述空间的每一个具有大约0.050mm(0.002英寸)至大约0.125mm(0.005英寸)的宽度和高度。


5.如上述权利要求的任一项所述的焊料柱，其中所述空间的每一个具有大约0.050mm(0.002英寸)至大约0.125mm(0.005英寸)的宽度和高度，并且其中所述空间的总表面积占所述外骨架套筒的总表面积的大约10％至大约20％。


6.如上述权利要求的任一项所述的焊料柱，其中所述空间的每一个具有大约两条线的宽度/直径至大约四条线的宽度/直径的宽度，以及大约两条线的宽度/直径至大约四条线的宽度/直径的高度。


7.如上述权利要求的任一项所述的焊料柱，其中所述外骨架套筒包括第一线，所述第一线以相对于第二线大约80°至大约100°的角度与所述第二线相交并从所述第二线的上面或下面穿过。


8.如上述权利要求的任一项所述的焊料柱，其中所述外骨架套筒包括第一线，所述第一线以大约90°的角度与第二线相交并从所述第二线的上面或下面穿过。


9.如上述权利要求的任一项所述的焊料柱，其中所述多条线中各条线每一条以大约90°的角度与所述多条线中的其他线相交并从所述多条线中的其他线的上面或下面穿过。


10.如上述权利要求的任一项所述的焊料柱，其中所述多条线中的各条线每一条以相对于所述多条线中的其他线大约80°至大约100°的角度与所述多条线中的其他线相交并从所述多条线中的其他线的上面或下面穿过。


11.如上述权利要求的任一项所述的焊料柱，其中所述焊料柱配置为使得当所述焊料芯材料处于熔融状态时，所述焊料芯材料将形成与连接盘网格阵列LGA/柱栅阵列CGA和/或印刷电路板的传导垫的接合而所述焊料芯不会塌陷。


12.如上述权利要求的任一项所述的焊料柱，其中所述外骨架套筒进一步配置为提高通过所述焊料柱的热传导。


13.如上述权利要求的任一项所述的焊料柱，其中所述焊料柱配置为使得当所述焊料芯的温度超过所述焊料芯的液相线温度时，来自所述焊料芯的焊料将形成与LGA/CGA和/或印刷电路板的传导垫的接合而无需使用焊膏。


14.如上述权利要求的任一项所述的焊料柱，其中至少部分厚度的所述外骨架套筒嵌入所述焊料芯。


15.如上述权利要求的任一项所述的焊料柱，其中所述外骨架套筒包括4、8、12、16、20、24、32或48股线。


16.如上述权利要求的任一项所述的焊料柱，其中一条或多条所述线包括铜、铍铜、银和金中的至少一种。


17.如上述权利要求的任一项所述的焊料柱，其中一条或多条所述线包括镀钯铜。


18.如上述权利要求的任一项所述的焊料柱，其中一条或多条所述线具有矩形截面。


19.如上述权利要求的任一项所述的焊料柱，其中一条或多条所述线具有矩形截面，在所述外骨架套筒径向上的厚度大约0.050mm(0.002英寸)或更小，宽度大约0.204mm(0.008英寸)或更小。


20.如上述权利要求的任一项所述的焊料柱，其中所述外骨架套筒围绕整个长度的所述焊料芯。


21.如上述权利要求的任一项所述的焊料柱，其中所述多个空间部分或全部由焊料填充。


22.如上述权利要求的任一项所述的焊料柱，其中所述外骨架套筒包括所述多条线之间的多个电镀连接处。


23.如上述权利要求的任一项所述的焊料柱，其中当所述焊料芯的温度高于所述焊料芯的液相线温度时，上至大约50％的厚度的所述外骨架能够嵌入到所述焊料芯中。


24.如上述权利要求的任一项所述的焊料柱，其中所述焊料包括SAC305、Sn63/Pb37、Pb80/Sn20、Pb90/Sn10和Pb93.5/Sn5/Ag1.5中的至少一种。


25.如上述权利要求的任一项所述的焊料柱，其中所述外骨架包括铜、镀钯铜和铍铜合金中的至少一种。...

【专利技术属性】
技术研发人员：马丁·哈特，
申请(专利权)人：托普莱恩公司，
类型：发明
国别省市：美国;US