(57)【要約】実装構造が、ＩＣとマルチチップ・モジュール（ＭＣＭ）基板との間に位置していて、ＩＣからの放熱を促進する。実装構造は絶縁性であり、好適には、銅への直接接合（ＤＢＣ）ボードを備えることが好ましい。ＩＣが取り付けられる熱拡散領域が、実装構造の表面上に形成され、ボンドパッド領域は、熱拡散領域の周囲に位置する。実装構造の他の側面は、同様にボンドパッドを有する基板に実装される。ＩＣ上のボンドパッドは、実装構造上のボンドパッド領域に接続していて、実装構造上のボンドパッド領域は、さらに、基板上のボンドパッドと結合している。好適には、これらの各接続は、ワイヤ・ボンディングにより行うことが好ましい。さらに、放熱を促進するために、実装構造および／または基板内でサーマル・ビアを使用することができる。
2009510766.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
集積回路を実装するためのシステムであって、
表面を有し、同表面上に配置される複数の基板接点を有する基板と、
同基板上に実装される実装構造であって、その上に複数の実装構造接点および熱拡散領域が配置される電気的絶縁面を有し、前記実装構造接点のうちの少なくとも１つが、前記基板接点のうちの１つと電気的に接続している実装構造と、
実装構造の前記熱拡散領域に実装される集積回路であって、複数の集積回路ボンドパッドを備え、同集積回路ボンドパッドのうちの少なくとも１つが、前記実装構造接点のうちの１つと電気的に接続している集積回路と、を備えるシステム。
【請求項２】
前記集積回路ボンドパッドのうちの少なくとも１つが、ボンド・ワイヤのうちの少なくとも１つまたは集積回路ボンドパッドの突起により前記実装構造接点のうちの１つと電気的に接続している請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記集積回路が、フリップ・チップ装置の前記実装構造に実装される請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記集積回路ボンドパッドのうちの少なくとも１つが、ボンド・ワイヤにより前記実装構造接点のうちの１つと電気的に接続し、前記実装構造接点のうちの少なくとも１つが、ボンド・ワイヤにより前記基板接点のうちの１つと電気的に接続している請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
マルチチップ・モジュールであって、
表面を有し、同表面上に配置される複数の基板接点を有する基板と、
同基板表面に接着している第１の集積回路であって、同第１の集積回路が、複数の第１の集積回路ボンドパッドを備え、同第１の集積回路ボンドパッドのうちの少なくとも１つが、前記基板接点のうちの１つと電気的に接続している第１の集積回路と、
前記基板に実装される実装構造であって、その上に複数の実装構造接点および熱拡散領域が配置される電気的絶縁面を有し、前記実装構造接点のうちの少なくとも１つが、前記基板接点のうちの１つと電気的に接続している実装構造と、
実装構造の前記熱拡散領域に実装される第２の集積回路であって、前記第２の集積回路が、複数の第２の集積回路ボンドパッドを有し、前記第２の集積回路ボンドパッドのうちの少なくとも１つが、前記実装構造接点のうちの１つと電気的に接続している第２の集積回路とを備えるマルチチップ・モジュール。
【請求項６】
前記第２の集積回路ボンドパッドのうちの少なくとも１つが、ボンド・ワイヤのうちの少なくとも１つまたは集積回路ボンドパッドの突起により前記実装構造接点のうちの１つと電気的に接続している請求項５に記載のマルチチップ・モジュール。
【請求項７】
前記第２の集積回路が、フリップ・チップ装置内の前記実装構造に実装される請求項６に記載のマルチチップ・モジュール。
【請求項８】
前記基板が、低温同時焼成セラミック（ＬＴＣＣ）を備える請求項１に記載のシステムまたは請求項５に記載のマルチチップ・モジュール。
【請求項９】
前記実装構造が、前記熱拡散領域に近い前記実装構造を通して延びる１つまたは複数のサーマル・ビアをさらに含む請求項１に記載のシステムまたは請求項５に記載のマルチチップ・モジュール。
【請求項１０】
前記基板が、前記実装構造に近い前記基板を通して延びる１つまたは複数のサーマル・ビアをさらに含む請求項１に記載のシステムまたは請求項５に記載のマルチチップ・モジュール。
【請求項１１】
前記実装構造接点のうちの少なくとも１つが、ボンド・ワイヤにより前記基板接点のうちの１つと電気的に接続している請求項１に記載のシステムまたは請求項５に記載のマルチチップ・モジュール。
【請求項１２】
前記第２の集積回路ボンドパッドのうちの少なくとも１つが、ボンド・ワイヤにより前記実装構造接点のうちの１つと電気的に接続し、前記実装構造接点のうちの少なくとも１つが、ボンド・ワイヤにより前記基板接点のうちの１つと電気的に接続している請求項１に記載のシステムまたは請求項５に記載のマルチチップ・モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マルチチップ・モジュール（ＭＣＭ）内で基板に集積回路チップを実装するための技術に関し、特にチップをＭＣＭに接続するための中間結合パッドを含むヒート・スプレッダを有する構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
エレクトロニクス分野の技術的進歩により、より高速でよりコンパクトなシステムが求められている。用途がさらに進歩したために、相互に通信する必要があるより多くの構成要素も必要になってきている。異なる構成要素間での迅速なアクセスの要件に適合するための新しいシステムの場合には、システムの異なる構成要素間の経路の長さをいくつかの制限内に維持しなければならない。しかし、システムが複雑になると、構成要素間の経路の長さも長くなる。このような構成要素間の最大許容距離を越えないようにするために、これらの構成要素はますます小型に組立てられてきたし、より高密度でパックされてきた。
【０００３】
このような制約によりＭＣＭが生まれた。ＭＣＭは、周知のように、複数の相互接続している集積回路（「ＩＣ」、「ダイ」、または「チップ」）を含むパッケージを備える。ＭＣＭのパッケージは、パッケージ内においてＩＣに結合するための複数のコネクタ点（リード・フィンガ）と、パッケージの外部において、例えばプリント基板に結合することができる複数のピンを有するリード・フレームを支持する。
【０００４】
ＭＣＭ内部においては、ＩＣが基板により支持されている。通常、基板は絶縁性であるが、２つ以上のＩＣ間で基板に沿って信号を経路指定することができるようにするための導電性の電気的トレースを含む。最終的には、ＭＣＭ内のＩＣは、ＩＣのボンドパッドをトレースに接続することにより、またはＩＣのボンドパッドを直接一緒に接続することにより、電気的に結合される。いずれの場合も、このような接続は、通常、ボンド・ワイヤを使用することにより行われるが、ＩＣボンドパッドの突起を基板上のトレースと接触させるために、ＭＣＭパッケージ内においてＩＣが倒置される「フリップ・チップ」技術も使用することができる。いかなる場合でも、ＩＣを一旦相互接続すると、またパッケージのリード・フレームに一旦接続すると、パッケージをポッティング材で充填することにより、および／または蓋をパッケージに固定することにより、回路および種々の接続（例えば、ボンド・ワイヤ）が保護される。
【０００５】
図１は、ＭＣＭ１のパッケージの内部の凹部のトップダウン図である。図に示すように、複数のＩＣ２（ａ−ｃ）は、基板３の表面３ａに実装される。セラミック材料の１つまたは複数の層からできていて、通常、支持のための金属材料（図示せず）に結合される、低温同時焼成セラミック（ＬＴＣＣ）のようなＭＣＭで使用することができる種々の基板は、当業者にとって周知のものである。図に示すように、各ＩＣ２は、ＩＣがＭＣＭの他の構成要素に電気的に接続することができるようにするボンドパッド４を含む。基板３の表面３ａも、ＭＣＭ１の内部で信号を経路指定するために使用するトレース３０に接続するボンドパッド６を含む。図面には、図面を簡単にするために数個のボンドパッドしか図示していない。すでに説明したように、ボンド・ワイヤ５は、必要な接続を行うための１つの方法であり、このような接続は、ＩＣボンドパッド４をトレース３０（５ａ）のボンドパッド６に接続することもできるし、または介在トレース３０（５ａ）を使用しなくても２つのＩＣボンドパッド４を直接接続することもできる。ボンド・ワイヤ５ｃも、すでに説明したように、パッケージの外部にピンとして突き出ているパッケージ内のリード・フレーム７に、トレースのボンドパッド６またはＩＣボンドパッド４を最終的に接続するために使用することができる。
【０００６】
ＩＣ２は、動作した場合に熱を発生し、この熱はＭＣＭ１で特定の問題を起こす恐れがある。何故なら、多くのＩＣが高い密度で一緒にパックされているからである。周知のように、過度の熱は、ＩＣの動作を劣化させる恐れがあり、ＩＣの動作が劣化すると、ＭＣＭ１の性能が劣化する恐れがある。熱の発生を防止する１つの方法は、図２に示すように、過度の熱を発生するＩＣ２ａと基板表面３ａとの間にヒート・スプレッダ９を設置する方法である。ヒート・スプレッダ９は、例えば、銅のような金属のような熱伝導性材料の層である。ヒート・スプレッダ９は、広いエリア上でＩＣ２ａが発生した熱を拡散するので、放熱が容易になり、またＩＣの動作を不良にする恐れがあるＩＣ２上の分離された「ホット・スポット」が起こす恐れがある問題を緩和する。
【０００７】
熱の蓄積の問題は解決するが、ヒート・スプレッダ９を使用すると、ＭＣＭ１の信頼性が劣化する。何故なら、ＩＣのボンドパッド４とトレースのボンドパッド６との間の距離６ａが、ヒート・スプレッダ９の空間的広がりのためにかなり長くなるからである。その結果、これら２つのタイプのボンドパッドを接続しているボンド・ワイヤ５も長くなり、これによりＭＣＭが故障を起こしやすくなる。かなり長いボンド・ワイヤ５も、比較的重く、それ故破損しやすく、特に機械的振動を受ける場合には破損しやすい。また、ヒート・スプレッダ上を延びるボンド・ワイヤの長さおよび重量により、このようなボンド・ワイヤが「垂れ下がる」恐れがあり、そうなると、導電性ヒート・スプレッダ９と接触し、この装置と短絡する恐れがある。それ故、単にヒート・スプレッダ９を導入しても、ＭＣＭ１内の熱の蓄積の有効な解決方法にはならない場合があり、改善された解決方法が必要になる。さらに、ヒート・スプレッダ９の空間的広がりは小さくすることができるが、そうすると、その放熱特性も低減しそのため有効な解決方法とはならない。
【０００８】
サイズ、温度、複雑さ、またはコストの制約があるために、ＭＣＭで従来の放熱技術を使用するのは通常難しい。例えば、米国特許第６，４５５，９３０号、米国特許第６，４８３，７０５号および国際特許出願ＷＯ０１／４３１６７号を参照されたい。これらの文献は参照により本明細書に組み込むものとする。
【特許文献１】米国特許第６，４５５，９３０号
【特許文献２】米国特許第６，４８３，７０５号
【特許文献３】国際特許出願ＷＯ０１／４３１６７号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
それ故、ＩＣが発生する熱を効果的に放散するが、コスト・パフォーマンスがよく、簡単で、製造が容易で、故障しにくいような方法で、ＭＣＭ内の基板上にＩＣを実装するための別の技術を提供することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明のある実施形態は、ＭＣＭの場合に特に役に立つ、基板上にＩＣを実装するための実装構造を示す。実装構造は、ＩＣとＭＣＭ基板との間に位置していて、ＩＣからの放熱を促進する。しかし、実装構造は絶縁性で、一実施形態の場合には、銅への直接接合（ＤＢＣ）ボードを含む。ＤＢＣ基板の導電性の側面のうちの１つ上には、ＤＢＣの周縁部のところの熱拡散領域の周囲のボンドパッド領域により中心部に熱拡散領域が形成される。ＩＣからの放熱を助けるために、ＩＣは、熱拡散領域に実装される。実装構造の他の側面は、同様にボンドパッドを有する基板に実装される。本発明のある実施形態の場合には、ＩＣ上のボンドパッドは、実装構造上のボンドパッド領域と接続し、実装構造上のボンドパッド領域は、さらに基板上のボンドパッドと結合する。本発明のある実施形態の場合には、これらの各接続は、ワイヤ・ボンディングにより行われるが、ＩＣのボンドパッドを実装構造のボンドパッドと結合するために、フリップ・チップ技術を使用することもできる。放熱をさらに促進するために、実装構造および／または基板内でサーマル・ビアを使用することもできる。開示の技術を使用することにより、ＩＣの熱を放散することができるし、一方、ＩＣを長いボンド・ワイヤを使用しないで、基板と電気的に結合することができる。
【００１１】
それ故、本発明は、ＭＣＭ内で基板上にＩＣを実装するための構造を提供する。この場合、この構造は、放熱を容易にするが、図２のヒート・スプレッダ構成に関連する欠点を持たない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
ここで図３を参照すると、本発明の構造１０は、ボード１３の基板１２上に配置されている熱伝導性熱拡散層１１を含む。熱拡散層１１は、例えば銅のような金属のような熱伝導性材料から作られる。ボード１３は、熱拡散層１１およびＩＣ（図３には図示せず）を支持するための適当な表面を供給する任意の材料から作ることができる。ボード１３用の材料の例としては、銅への直接接合（ＤＢＣ）ボードがある。ＤＢＣは、当業者にとって周知のものであり、通常、銅フォイルのような２つの金属層の間にサンドイッチ状に挟まれている酸化アルミニウムまたは窒化アルミニウムのようなセラミックの層から作られる。実装構造１０は、また、以下に説明するように、構造１０上に実装されたＩＣをＭＣＭ基板上の他の装置と接続するためにもっと短いボンド・ワイヤを使用することができるようにする中間ボンドパッド１４を含む。ボード１３がＤＢＣのような材料からできている場合には、熱拡散層１１および中間ボンドパッド１４を提供するために、ＤＢＣの一方の表面から銅をエッチングすることができる。
【００１３】
図４は、ＭＣＭの基板３の表面３ａ上に実装されている構造１０上に実装されているＩＣ２ａである。より詳細に説明すると、ＩＣ２ａは、熱伝導性熱拡散層１１上に実装されていて、層１１により促進されたこのような構造１０は、ヒート・スプレッダとしての働きをする。ＩＣ上のボンドパッド４は、中間ボンドパッド１４にボンド・ワイヤ５ｘによりワイヤ・ボンドされ、ボンドパッド１４は、ボンド・ワイヤ５ｙにより基板３上のボンドパッド６にワイヤ・ボンドされる。それ故、構造１０は、距離を２つに分割するために、構造１０上の中間接触点（例えば、中間ボンドパッド１４など）を提供することにより、ヒート・スプレッダを使用した場合に長いボンド・ワイヤに関連する上記欠点を克服する。ボンド・ワイヤ５ｘおよび５ｙは、この時点で長さが短くなっていて、これらのボンド・ワイヤは破損しにくく、垂れ下がりにくくなっているので、ＭＣＭ装置の信頼性が向上する。
【００１４】
今まで主として１つのエリアとして説明してきたが、実際には、中間ボンドパッド１４は、例示として図４の構造１０の左上隅に示すように、それぞれボンド・ワイヤ５ｘおよび５ｙによりＩＣのボンドパッド４および基板のボンドパッド６と接続している、２つの異なる中間ボンドパッド１４ａ、１４ｂ間の中間トレース３５を形成するために長くすることができる。中間トレース３５を使用すれば、経路指定の柔軟性がさらに増大し、ボンド・ワイヤが短くなるために熱拡散が改善される。信号中間ボンドパッド１４とトレースにより結合している２つのボンドパッド（１４ａ，１４ｂ；ノード）間の機能的類似性という点から見てみると、両方の構成を、一般的に接触ポイントまたは接点と呼ぶことができる。
【００１５】
ある種の用途の場合、ボンド・ワイヤ５ｃにより示すように、ＩＣ上の１つまたは複数のボンドパッド４ａを熱拡散層１１に直接ワイヤ・ボンドするほうが望ましい場合がある。例えば、この方法で、アース・ボンドパッド４ａは、熱拡散層に、すなわちＩＣ２ａの基板に短絡することができる。
【００１６】
図４は、ＩＣ２ａ上のボンドパッド４が、ボンド・ワイヤ５ｘにより中間ボンドパッド１４と電気的に接触しているある実施形態を示す。当業者であれば、他の構造も同じ結果となることを理解することができるだろう。例えば、ＩＣ２ａは、ボンドパッド４が、ボンドパッドの突起により直接、およびボンド・ワイヤ５ｘを使用しないで中間ボンドパッド１４に直接接触するように、フリップ・チップ構成で実施することができる。
【００１７】
図５は、本明細書で説明したように、構造１０によりＭＣＭ基板３上に実装されているＩＣ２ａの断面図である。構造１０は、すでに説明したように、導電性材料１６上に配置されたセラミック材料１５の１つまたは複数の層から作ることができるボード１３を含む。一実施形態によれば、ボード１３は、ＤＢＣボードであり、セラミック層１５の厚さは、約０．０１〜約０．０３インチである。適当なセラミック材料の例としては、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、炭化珪素、酸化ベリリウム等があるが、これらに限定されない。ボード１３がＤＢＣである場合には、導電性材料１６は通常、銅である。一実施形態によれば、導電性材料１６の厚さは、約０．００１インチ〜約０．０２５インチである。中間ボンドパッド１４および熱拡散層１１は、構造１０の表面１２上に配置される。本発明の一実施形態によれば、中間ボンドパッド１４および熱拡散層１１の厚さは、約０．００１インチ〜約０．０２５インチである。すでに説明したように、ボード１３がＤＢＣでできている場合には、熱拡散層１１および中間ボンドパッド１４は、同じ層から形成され、ＤＢＣの銅層の一方からエッチングされる。
【００１８】
引き続いて図５を参照すると、ＩＣ２ａは、ＩＣを導電性層ボードと結合するための周知の任意の技術により、熱拡散層１１に結合される。例えば、ＩＣ２ａは、半田の結合層１７によりまたは導電性接着剤により熱拡散層１１に結合することができる。導電性接着剤の例としては、Ｅｍｅｒｓｏｎ  ａｎｄ  Ｃｕｍｍｉｎｇ社（マサチューセッツ州ベレリカ）から市販されている、Ｅｍｅｒｓｏｎ  ａｎｄ  Ｃｕｍｍｉｎｇ  ＣＥ３１０４導電性接着剤があるが、これに限定されない。一実施形態によれば、結合層１７の厚さは、約０．００１インチ〜約０．００７インチである。すでに説明したように、ＩＣ２ａ上のボンドパッド４は、ボンド・ワイヤ５ｘにより、構造１０の表面１２上の中間ボンドパッド１４／中間トレース３５にワイヤ・ボンドされる。一方、中間ボンドパッド１４／中間トレース３５は、ボンド・ワイヤ５ｙによりボンドパッド６にワイヤ・ボンドされる。
【００１９】
構造１０は、例えば、Ｅｍｅｒｓｏｎ  ａｎｄ  Ｃｕｍｍｉｎｇ社（マサチューセッツ州ベレリカ）から市販されている、Ｅｍｅｒｓｏｎ  ａｎｄ  Ｃｕｍｍｉｎｇ  ＣＥ３１０４導電性接着剤のような接着剤２１により基板３の表面３ａ上の導電性実装領域１８に接着される。取り付けのために半田を使用することもできる。実装領域１８は、すでに説明した同じボンドパッド６／トレース３０を含むことができる。基板３は、電子装置を支持するための当業者であれば周知の任意の基板であってもよく、すでに説明したように、例えば、銅のような金属のような層導電性材料２０上に配置されているセラミック１９の層を含むＬＴＣＣを含むことができる。他の適当な材料の例としては、シリコン・カーバイド、高温同時焼成セラミック（ＨＴＣＣ）、ＦＲ４、または他の有機ボード、ＡＬＮ、絶縁金属基板またはポリアミド・ボード等がある。基板３は、アルミニウムのような金属であってもよいベースプレート２２に、熱伝導性接着剤２３の層により接着することができる。
【００２０】
引き続いて図５を参照すると、例えば、ＩＣ２ａから金属ベースプレート２２への放熱をさらに容易にするために、そうしたい場合には、サーマル・ビア２４をボード１３および／またはＬＴＣＣ層１９に内蔵させることができる。例えば、サーマル・ビア２４は、例えば、銅、金または銀のような熱伝導性材料のコラムであってもよい。一実施形態によれば、サーマル・ビア２４の直径は、約０．００４インチまたはそれより大きい。さらに、ある種の用途の場合、サーマル・ビア２４が、ある機構がＩＣ２ａの基板をベースプレート２２等にアースすることができるようにする導電性経路を提供することが望ましい場合もある。
【００２１】
引き続いて図５を参照すると、ＭＣＭ１は、通常使用され、多くの異なるタイプの材料上に形成することができるハウジング２５に内蔵されている。すでに説明したように、ＩＣ２ａを内蔵しているハウジング内の凹部、構造１０および基板３等は、ボンド・ワイヤを保護するためにポッティング化合物で充填することもできるし、および／または蓋をパッケージの頂部に固定することもできる。図には示していないが、パッケージは、種々の回路ノードを接着することができるリード・フレームまたはコネクタを含んでいることを理解されたい。
【００２２】
本明細書においては、ＭＣＭ内で基板上にＩＣを実装するための構造について説明してきたが、この構造はＭＣＭ内での使用に限定されないことを理解されたい。この構造は、任意のタイプの基板上にＩＣを実装しなければならない任意の用途で使用することができる。
【００２３】
本発明のコンセプトを種々に修正することができることを理解されたい。そのような修正が添付の特許請求の範囲およびその等価物に入る場合には、それらの修正はこの特許に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】基板上に実装された３つのＩＣを有する従来技術のＭＣＭ。
【図２】ＩＣが基板上に配置されている熱伝導性熱拡散層上に実装される従来技術のＭＣＭ。
【図３】基板にＩＣを実装するための構造であり、この場合、この構造は、熱伝導性熱拡散層および中間ボンドパッドを含む。
【図４】図３の実装構造により基板上に実装されたＩＣを有するマルチチップ・モジュール。
【図５】図３の実装構造により基板上に実装されたＩＣの断面図。
【図１】
2009510766.tif 000003
【図２】
2009510766.tif 000004
【図３】
2009510766.tif 000005
【図４】
2009510766.tif 000006
【図５】
2009510766.tif 000007
【国際調査報告】
2009510766.tif 000008