(57)【要約】      （修正有）【課題】集積回路アセンブリの構成要素間の半田相互接続の機械的損傷を防止する。【解決手段】アセンブリ１０は、それぞれ複数の電気接続点を有する第１の回路基板１４、１６と第２の回路基板１８を有する。第１の回路基板１４、１６上の電気接続点が第２の回路基板１８上の特定の電気接続点に半田構造物１２により接続され、また、第１の回路基板１４、１６と第２の回路基板１８が定められた離間距離Ｈで互いに積み重ねられている。アセンブリ１０はまた、１つまたは複数のストッパ２０を備え、ストッパ２０のそれぞれの差込み部２１が所定の高さＨを有しており、かつ、差込み部２１が第１の回路基板１４、１６と第２の回路基板１８の少なくとも１つの外周に沿って電気回路基板の間に置かれる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれ複数の電気接続点を有する第１の回路基板と第２の回路基板を持ち、前記第１の回路基板上の電気接続点が前記第２の回路基板上の特定の電気接続点に半田構造物により接続され、前記第１の回路基板と前記第２の回路基板が所定の離間距離で互いに積み重ねられているアセンブリにおいて、
１つまたは複数のストッパを備え、
前記ストッパのそれぞれの差込み部が所定の高さを有しており、
前記差込み部が前記第１の回路基板と前記第２の回路基板の少なくとも１つの外周に沿って前記電気回路基板の間に置かれる、
ことを特徴とするアセンブリ。
【請求項２】
前記半田構造物が、半田ボールか、または半田カラムであることを特徴とする請求項１に記載のアセンブリ。
【請求項３】
前記第１の回路基板がチップを取り付けた基板であり、また前記第２の回路基板がプリント基板であることを特徴とする請求項１に記載のアセンブリ。
【請求項４】
前記ストッパの前記差込み部が、特定の半田構造物によって設定される最低離間距離よりも、０〜１２ミルだけ短い最高高さを持つことを特徴とする請求項１に記載のアセンブリ。
【請求項５】
前記ストッパの少なくとも前記差込み部が、前記半田構造物とほぼ同じ熱膨脹特性を有する材料で作られていることを特徴とする請求項１に記載のアセンブリ。
【請求項６】
前記ストッパが、金属、合金、プラスチック、合成物、およびそれらの組合せから成るグループから選択された材料で作られていることを特徴とする請求項１に記載のアセンブリ。
【請求項７】
複数のストッパが前記電気回路基板の外周の少なくとも１つの側部に沿って差し込まれることを特徴とする請求項１に記載のアセンブリ。
【請求項８】
前記回路基板の外周の各側部でのストッパの数、各ストッパの長さ、および各ストッパの位置が異なることを特徴とする請求項１に記載のアセンブリ。
【請求項９】
前記ストッパが前記少なくとも１つの回路基板の外周の２つの対向する側縁に沿って差し込まれることを特徴とする請求項１に記載のアセンブリ。
【請求項１０】
前記１つまたは複数のストッパが前記回路基板の外周の少なくとも対向する側縁と中間の側縁に沿って延びている単一のストッパを有することを特徴とする請求項１に記載のアセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、集積回路アセンブリの構成要素間の半田相互接続を支持するのに用いられる方法および部品に関する。
【背景技術】
【０００２】
集積回路（ＩＣ）デバイスにさらに高レベルの機能を提供するために、ＩＣパッケージが、回路基板、例えばドーターカードまたはマザーボードに電気的に接続されている。ドーターボード上に電気的終端を提供する一般的な技法には、例えば、パッケージ基板の下面上に、ボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）半田ボール終端またはカラムグリッドアレイ（ＣＧＡ）を利用することがある。次に、これらの電気的終端は、好ましくは、半田カラム、あるいは、半田または他の導電性接続手段を含む他の接続手段を用いて、マザーボードに半田付けされる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
集積回路およびボードアセンブリがさらに大きく、さらに複雑になる傾向と、熱放散を向上させる要件から、回路およびアセンブリの動作中に発生するエネルギーを放散させる大きくて、重いヒートシンク、および、構成要素の界面に充分な熱伝達を保証する圧縮保持荷重を利用することが必要になってきた。しかしながら、アセンブリ上へのヒートシンクの取付けや、圧縮荷重の付与は、半田ボール、半田カラム、または他の電気接続手段に大きな応力を加えかねない。このことから、ＩＣ動作の結果として、半田ボール、半田カラム、または接続部に熱が発生すると、それらの部分に過度のコールドフロー、またはフローが発生することもある。さらに、これらの接続部は、ＩＣアセンブリを組み込んだデバイスの出荷、取扱い、または使用の間に、衝撃や振動の結果として、破壊される場合がある。ＢＧＡ、ＣＧＡ、または、撓みやすさを制限した他の電気接続部を取り入れているデバイスは、これらの素子の使用、取付け、または曲げから、電気的相互接続を維持するように設計されたアセンブリ構成要素により、特にボードのコーナまたは外周に応力が加えられる結果として、とりわけ機械的損傷を受けやすい。
【０００４】
さらなる問題は、アセンブリが、半田の球、カラム、または薄膜というかなり柔軟性のない構造物を含み、それにより、パッケージとボード間には撓み性がほとんど与えられない点である。動作中に、熱が溜まり、また様々な構成要素間に温度差が発生することもある。特にデバイスが機械荷重を受けているときに、デバイスを、オン状態、オフ状態にするか、あるいは、電源を循環的に動作させると、絶え間ない加熱と冷却により、半田接続点にさらなる応力が加えられる。このような問題は、上記のデバイスの正規の動作・寿命サイクル（通常、２０°〜１００℃で、かつ、＜２０００サイクル）のもとで明らかになる。しかしながら、このような問題は、動作要件が拡大されるにつれて（−４０°〜１２５℃で、かつ、＞２０００サイクル）、ますます増えてくる。これは、取付けのために、さらに撓みやすい半田接続部を構成することで、ある程度まで軽減される場合がある。熱膨脹と電気的連続性（導通）の問題を扱おうとする試みは、これらの相互接続をさらに撓みやすくすることを対象としている（例えば、ＤｉＳｔｅｆａｎｏ氏らに与えられた米国特許第６，３７０，０３２号参照）。例えば、このようなソリューションに合致する代表的な半田カラムは、高さ０．０５０インチ〜０．０８７インチで、かつ直径０．０２０インチ〜０．０２３インチの鉛分の高い合金である。しかしながら、このような半田カラムでも、圧縮取付けおよび安定化の荷重によるフローを免れない。
【０００５】
代替手法は、基板に取り付けられた一定の長さのピンを用いて、そのピンの下端を、プリント基板の穴に差し込むことであった。電気的相互接続を行うために、高融点の半田カラムのアレイを持つ集積回路パッケージを対象としている（例えば、Ｄｏｃｋｅｒｔｙ氏に与えられた米国特許第６，３９５，９９１号参照）。具体的に言えば、複数のさらに大きい直径、高融点の半田カラムを、チップが置かれている基板の外周位置に位置づけて、これらの大形のカラムが、ピンに取って代わる。次に、これらの半田カラムを、基板とプリント基板の両方に恒久的に取り付ける。このような手法は、パッケージ基板上に大形の半田カラムを取り付けるために、追加処理を必要とし、応力除去が効力を発揮するように、かなり広いパッケージ基板スペースおよびボードスペースを使う。この手法はまた、電気的相互接続の要求を満たすためにのみ必要であるものとは異なるパッケージ設計およびボード設計も必要としている。これらの大形のカラムはまた、半田でのみできているから、それらのカラムも、さらに大きい荷重を受けると、甚だしいクリープを呈することもある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一実施形態は、それぞれ複数の電気接続点を有する第１の回路基板と第２の回路基板を持ち、第１の回路基板上の電気接続点が第２の回路基板上の特定の電気接続点に半田構造物により接続され、第１の回路基板と第２の回路基板が定められた離間距離で互いに積み重ねられているアセンブリであって、１つまたは複数のストッパを備え、これらのストッパのそれぞれの差込み部が所定の高さを有しており、かつ、この差込み部が第１の回路基板と第２の回路基板の少なくとも１つの外周に沿ってこれらの電気回路基板の間に置かれるアセンブリである。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
半田カラムグリッドアレイおよびボールグリッドアレイによる相互接続の利用は、積層セラミックＩＣパッケージをプリント基板に取り付ける有用な手法である。これらの相互接続は、ソケット式相互接続と比較すると、コストパフォーマンスが高い。しかしながら、これらの半田接続技法、並びに、他のタイプの半田または導電性の相互接続、とりわけ、高くて、かつ細い半田カラムの利用は、長期の静的圧縮荷重のもとでのクリープだけでなく、衝撃および振動の結果としての短期の動的荷重による損傷も受けやすい。特に、ＩＣパッケージの多くの用途は、充分な熱界面を得るために、また、大型のヒートシンクを用いるときにパッケージおよび相互接続への衝撃および振動の損傷を防止するために、強い保持荷重を必要とする。このように強い保持荷重は、普通の場合、半田相互接続が耐えることのできる最大の長期圧縮荷重よりも大きい。通常、９０／１０の割合の鉛／錫の半田の場合、カラムまたはボールの直径と、エンドユーザーでの使用条件に応じて、それぞれ１カラムまたは１ボール当たり５〜５０グラムが用いられる。しかしながら、これらの圧縮荷重は、甚だしいクリープを起こし、さらに、そのクリープが、相互接続の破壊を起こして、短絡させ、かつ／または、保持荷重の効力を大幅に低下させることがある。このような制約条件が、半田相互接続技術の適用を制限していた。本明細書に述べられ、かつ本発明の教示に合致した外周ストッパを用いて積層ボード間の半田相互接続を支持すると、最大保持荷重の制約条件が排除されるか、または最小限に抑えられて、動作の信頼性を損なうことなく、熱伝達の問題を処理できる。
【０００８】
さらに、外周ストッパを用いて、熱伝達手段用の保持荷重を支持すれば、ＩＣパッケージの取付けの際に用いられる半田相互接続の結合性は、この半田相互接続上への圧縮荷重によっても損なわれない。
【０００９】
半田相互接続向けの他の機械的支持手法に優る一利点は、半田カラムおよびＢＧＡの再加工を容易に達成できることである。また、本発明の実施形態により、簡単に取り付けることができる。さらなる利点は、外周ストッパの取付けは、プリント基板のスペースをほとんど使わない点である。
【００１０】
図１は、チップ１６が実装され、かつプリント基板１８から隔てられている（上方に、または下方に積み重ねられている）基板１４を含むＩＣパッケージ１０に適用される本発明の一実施形態を示している。４つのストッパ２０は、プリント基板１８上に置かれていて、基板１４の４つすべての側部に沿って、かつ部分的にそれらの側部の下に位置づけられる。図２は、半田カラム相互接続１２を利用した第１の実施形態１０を示す、図１の線２−２で切断した断面図である。
【００１１】
図３は、半田カラム相互接続１２の代りに、半田ボールグリッドアレイ２２を取り入れた第２の実施形態３０を示す、図１の線２−２で切断した断面図である。
【００１２】
図４は、チップ１６と基板１４のアセンブリの上面に取り付けられたヒートシンク２４をさらに含む図２の実施形態の断面図である。ヒートシンクは、充分な熱伝達および／または電気的連続性を保証するために、圧縮荷重を加えるのに業界で利用されている多数の技法のうちのどれを使っても、ＩＣパッケージ１０に取り付けることができる。図４に図式的に描かれている保持荷重２６は、機械式クランプ、ボルト、ばね、荷重プレート、および、それらの組合せを含むが、ただし、それらには限定されない。当業者であれば、保持荷重なしでＩＣパッケージを取付けできることと、締付け板や裏当て板などの他の部品をこのアセンブリに追加できることが理解されよう。さらに、半田カラムまたは半田ボールが８つしか図示されてないが、これらのカラムまたはボールはコンターコネクトのグリッドの一部しか描いていない。すなわち、このようなアセンブリは、通常、上記の導電性相互接続を、何十、何百、または何千も含んでいる。
【００１３】
ストッパ２０は、高さＨの棚部２１を持っている。高さＨは、好ましくは、半田カラムまたは半田ボールの使用時の（組み付け後の）離間高さに等しいか、あるいは、それよりもわずかに低い。この高さは、通常、半田カラムよりも約１２ミル以下だけ短く、また半田ボールよりも約６ミル以下だけ短い。好ましい高さは、１〜６ミルである。もっとも好ましくは、高さは、この離間高さよりも約２ミル短い。この棚部２１は、積層基板とプリント基板との間に位置づけられる。棚部２１の選択された高さＨは、製作時に用いられた離間公差（許容変動性）によって決まることもある。ＩＣパッケージを半田で取り付けた後で、そのＩＣパッケージに、ヒートシンクを取付け、保持荷重を加える。ストッパは、上記の半田での取付けと、ヒートシンクの取付けを施した後で、かつ、保持荷重をヒートシンクアセンブリに加える前に、差し込まれることが好ましい。しかしながら、別法として、保持荷重によるクリープを考慮に入れるように棚部２１の寸法が決められているストッパは、ヒートシンクを付ける前に、あるいは、保持荷重を加えた後で、パッケージに入れられることもある。半田が所期の量だけクリープ変形して基板がこれらのストッパの上に載ると、これらのストッパは、基板を支持し、相互接続上への圧縮荷重を軽減する。
【００１４】
積層アセンブリの一実施形態では、設計上のクリープが発生する前の半田カラムの離間高さは、約８４〜約９２ミルである。また、ストッパの高さＨは、約８０〜約８４ミルである。４０ミルのピッチの半田ボール相互接続の場合、その離間高さは、約３０〜約３３ミルである。また、ストッパの高さＨは、約２６〜約３０ミルである。
【００１５】
ストッパ２０を製作するために、広範な材料、好ましくは金属、合金、プラスチック、または合成物を使用できる。しかしながら、この材料は、ヒートシンクおよび保持荷重によってストッパ２０に加えられた荷重のもとでも、縮みもせず、またフローも生じないように選択されるべきである。これらのストッパはまた、ＩＣパッケージが受けるかもしれないあらゆる動作条件のもとでの熱的安定性と、使用中にＩＣパッケージに応力が加えられたときに、一定の、あるいは変動する保持荷重の結果としての圧縮またはゆがみに耐える構造的安定性とを持つべきである。好ましい実施形態では、基板の下に差し込まれるストッパ、またはストッパの少なくとも棚部は、半田相互接続と同様な熱膨脹特性を有し、したがって、このアセンブリの熱サイクリングの間、伸び差または縮み差が最小限に抑えられる。約０℃から約１００℃までの温度範囲では、この支持構造物の好ましい膨脹は、約０．２％〜約０．３％である。鉛・錫ベースの半田の熱膨脹率は、通常、１５℃〜約１１０℃の温度範囲では２４〜約２９ｐｐｍ／℃である。
【００１６】
ストッパ２０の好ましい構成材料は、様々なアルミニウム合金、マグネシウム合金、エポキシノボラック成形化合物、ステンレス鋼ファイバ入り硫化ポリフェニレン（ＰＰＳ）、６０％ガラス繊維入りナイロン合成物、４０％ガラス繊維入りポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）合成構造物、あるいは、それらの組合せを含むが、ただし、それらには限定されない。さらに、外周ストッパ２０は、４つの部片（正方形基板の各側部に１つ）として示されているが、パッケージで発生する熱を放散させるために、各側部に、複数のストッパを、例えば間隔を置いて使用できる。さらに他の別法として、外周ストッパ２０は、中実の構造物ではなくて、空気循環や熱放散も与えるように設計された貫通する穴を有していても良い。さらに、各側部のストッパ２０が、基板を支持するように、またパッケージに加えられる荷重または熱応力のもとでの基板の許容できない曲げを防止するように、適正に位置づけられる限り、ストッパ２０の長さまたは数は同一である必要はない。
【００１７】
これらのストッパを取り入れた積層パッケージの組立て方法の第１の実施形態では、チップと基板を取り付けて、基板とプリント基板間を半田付けにより相互接続する。所望の高さＨを持つストッパ２０を、基板とプリント基板との間で、基板の外周に沿って置く。次に、ヒートシンクを取付け、圧縮荷重を加える。パッケージの使用中に、熱膨脹または熱収縮、あるいは取扱いの結果として、ストッパが動くことがないようにするために、これらのストッパは、接着剤、様々な部品（ピン、ペグなど）間の機械式の留め具やインターロック、または半田付けを含め、当業者が利用できる多数の取付け技法のいずれかを用いて、プリント基板と基板のいずれか、または双方に固定される。初期クリープが発生すると、基板とプリント基板との間隔は、ストッパ高さＨとほぼ同一となり、これらのストッパが、圧縮荷重により、所定の場所に保持される。
【００１８】
代替実施形態では、ストッパは、プロセス中の他のステップ後、例えば、ヒートシンクの取付け後、あるいは、圧縮加重を加えた後に差し込まれる。
【００１９】
外周ストッパの使用の有効性を実証するために、ほぼ図４に示される通りのアセンブリが組み立てられた。この構造の信頼性および安定性は、外周ストッパを含まない同数のほぼ同様なアセンブリと比較された。
【００２０】
各アセンブリは、８８ミルの公称高さを持つ半田カラムを通じて、１６５７または２５３３の相互接続を持った。実質的に図４により組み立てられた積層アセンブリでは、８２ミルの公称棚部高さＨの外周ストッパは、半田カラムの半田付け後に置かれ、その後で、ヒートシンクを取り付け、保持荷重が加えられた。次に、すべてのアセンブリは、約１時間／サイクルにて、０℃から１００℃まで加速温度サイクリングを受けた。
【００２１】
外周ストッパなしのアセンブリは、半田カラムに広範囲でフローが生じ、２０００サイクル後には、カラムの高さが、平均して約４５％低くなった。広範囲の短絡も認められ、通常、全範囲に渡って認められた。これと対照的に、テストされた実施形態では、外周ストッパを取り入れたアセンブリは、パッケージとプリント基板との間隔を８２ミルに維持し、２０００サイクル後でも、短絡の結果としての故障（１アセンブリにつきただ１回の短絡でも故障と見なされる）を示さなかった。
【００２２】
上記の組立て技法や支持部品は、半田カラムまたは半田ＢＧＡへの使用に限定されず、第１の回路基板上の複数の電気出力部を、概ね積層配置に位置づけられた第２の回路基板上の選択された複数の電気入力部に相互接続している任意のアセンブリに用いることもできる。
【００２３】
チップ、基板、ＩＣパッケージ、ドーターカード、マザーボードなどを参照してきたが、本発明は、述べられた特定の構成要素の取付けに限定されない。本発明は、固定され、積み重ねられ、かつ概ね平行である構造において相互接続された２つの電気構成要素であって、半田構造物を用いて相互接続された多数の電気接続点をそれぞれが担持している電気構成要素の安定化を意図している。この取り付けられた構造物の安定化は、２つの構成要素の少なくとも１つの外周の周りで、これらの構成要素間に差し込まれた支持物を用いて達成される。個々のストッパは、正方形または長方形の回路基板の各側部の周縁に沿って示されているが、本発明は、例えば、この回路基板の２つ以上の側部に沿って、回路基板の４つのコーナの下に、または、４つすべての側部に沿って延びている単一のストッパ、あるいは、この周縁の２つの対向する側部上にのみ位置づけられたストッパを利用することを含む。当業者であれば、外周ストッパの利用は、追加利点を持てることも理解されよう。例えば、外周ストッパは、外部電磁力から遮蔽し、絶縁材および／または断熱材として働き、さらに、導電粒子が、ボード間のスペースにすぐに入り込めないようにすることができる。
【００２４】
本発明の上述および他の目的、特徴、利点は、上記の詳細な説明を、添付図面とともに読めば、当業者には明らかになろう。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の特徴を織り込んだ集積回路（ＩＣ）パッケージの一実施形態の略上面図である。
【図２】本発明の教示に合致する外周ストッパとともに、半田カラム相互接続を取り入れたプリント回路ボードアセンブリの第１の実施形態を図式的に示す、図１の線２−２で切断した断面図である。
【図３】本発明の第２の実施形態を示す、図１の線２−２で切断した断面図である。
【図４】本発明の特徴を織り込んだＩＣパッケージの他の実施形態の、線２−２で切断した断面図である。
【符号の説明】
【００２６】
１０、３０  アセンブリ
１２  半田カラム
１４  基板
１６  チップ
１８  プリント基板
２０  ストッパ
２１  差込み部
２２  半田ボール
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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