(57)【要約】【課題】  カラムグリッドアレイで印刷回路基板との接続を取る集積回路パッケージを支持する支持具について、簡単に取り付け可能でＰＣＢのスペースを過度に使用しないものを提供する。【解決手段】  カラムグリッドアレイで印刷回路基板（１０５）との接続を取る集積回路パッケージ（１０３）用の支持具（１００）は、前記集積回路パッケージ及び前記印刷回路基板間に挿入されるシム（１０１）を備え、該シムは、前記印刷回路基板に機械的に取り外し可能に固定される。【選択図】  図３ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
カラムグリッドアレイで印刷回路基板との接続を取る集積回路パッケージ用の支持具であって、
前記集積回路パッケージ及び前記印刷回路基板間に挿入されるシムを備え、
該シムは、前記印刷回路基板に機械的に取り外し可能に固定されることを特徴とする支持具。
【請求項２】
前記シムは、前記集積回路パッケージ及び前記印刷回路基板間に挿入される突出部分と、前記シムを前記印刷回路基板に取り付けるための固定手段を有するベースとを具備することを特徴とする請求項１に記載の支持具。
【請求項３】
前記ベース及び前記突出部分は、該突出部分を前記集積回路パッケージのはんだカラムに接触させないようにする形状を有することを特徴とする請求項１に記載の支持具。
【請求項４】
支持具であって、前記突出部分は、該支持具の設置直後、前記突出部分及び前記集積回路パッケージ間に隙間を生じるように構成されていることを特徴とする請求項３に記載の支持具。
【請求項５】
前記集積回路パッケージの角部に設置されることを特徴とする請求項１に記載の支持具。
【請求項６】
前記集積回路パッケージのはんだカラムの熱膨張率と一致する熱膨張率を有する材料で形成されることを特徴とする請求項１に記載の支持具。
【請求項７】
前記固定手段は、ねじか、または凸部であることを特徴とする請求項２に記載の支持具。
【請求項８】
カラムグリッドアレイで印刷回路基板との接続を取る集積回路パッケージを機械的に支持する方法であって、
１つまたは複数の支持具を前記集積回路パッケージ及び前記印刷回路基板間に挿入するステップと、
前記１つまたは複数の支持具を前記印刷回路基板に機械的に取り外し可能に固定するステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項９】
前記挿入するステップは、前記集積回路パッケージを前記印刷回路基板にはんだ付けした後、１つまたは複数の支持具を前記集積回路パッケージ及び前記印刷回路基板間に挿入することを特徴とする請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記挿入するステップは、前記１つまたは複数の支持具の上面と前記集積回路パッケージの下面との間に隙間が存在するように、前記１つまたは複数の支持具を位置決めすることを特徴とする請求項９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、包括的には印刷回路基板（ＰＣＢ）技術に、特にカラムグリッドアレイ接続部を機械的に支持する装置、及びそのような装置を使用する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
パッケージ及び回路板の接続は、長年にわたって多くの異なった方法を使用して行われてきた。産業界では当初、矩形であって、矩形の長辺から比較的大きいリードが延出している「集積回路」パッケージとのピン・スルー・ホール（ＰＴＨ）リード接続が支配的であった。これらの装置は、リード数で制限されると共に、パッケージ及び印刷回路基板（ＰＣＢ）間にかなり凹凸のある接続を与える。リードの数を増加させ、また、デバイスを回路板に接続するプロセスの自動化を改善するために、表面実装技術がＰＴＨ技術に徐々に取って代わった。近年では、「ボールグリッドアレイ」（ＢＧＡ）技術として知られる新しいパッケージング技術が開発されている。ＢＧＡパッケージは、基板の表面に実装されたシリコンチップからなる。基板は、底面上のパッドアレイにファインピッチトレースで接続された上面上のシリコンチップ用の接続点を提供する印刷回路を有する。底面上のパッドには、パッケージをＰＣＢに接続する接続点として機能するはんだ球が取り付けられている。ＢＧＡ技術は、１０００を超える入出力点のリード数を有する構造を可能にする。リード数が多いのに加えて、この技術は、取り扱いの容易さ、簡単になったデバイス取り付け、及びファインピッチ外周リード接続デバイスと較べたときの全体的コスト効率を含めた多く他の利点も与える。
【０００３】
しかし、ＢＧＡ技術は、熱サイクルの信頼性が低い。ガルウィング（gull-wing）を有する外周リード接続デバイスは、ＰＣＢ及びデバイス間の熱膨張率（ＴＣＥ）の不一致による応力に直面することなく、多くの熱サイクルを受けるであろう。他方、ＢＧＡパッケージは、はんだ球（リフロー後は楕円形）の剛直構造で回路板に接続される。デバイスの作動時に、廃熱が蓄積して、デバイス及び回路板間に温度差が生じる。この温度差は、デバイス及び回路板間のＴＣＥの差と共に、はんだ球取り付け点に応力をもたらし、これにより、疲れ破損の危険性が高い。
【０００４】
熱安定性の問題の１つの解決方法は、カラムグリッドアレイ（ＣＧＡ、柱状はんだの格子状の配列）技術であり、これは、はんだ球（はんだボール）の代わりに可撓性カラムリード（つまり、可塑性の柱状リード）を使用する。カラムリードは、はんだ球より剛性が低く、デバイス及びＰＣＢ間のオフセット距離が大きくなるように構成される。これらの２つの特徴により、デバイス及びＰＣＢ間の寸法の拡大量が変化するとき、リード（リード線）はより少ない応力でたわむことができる。オフセット距離が大きいことにより、デバイス及びＰＣＢ間の距離の二乗だけ応力が減少する。
【０００５】
ＣＧＡは、高信頼度用途に広く使用されてきた。しかし、ＣＧＡ内の薄く背が高いはんだカラム接続部は、ショックや振動中の短期動的荷重による破損や、長期静的圧縮荷重を受けた状態でのクリープを生じやすい。たとえば、集積回路（ＩＣ）パッケージに直接的に取り付けられる放熱手段は、はんだカラム（つまり、柱状のはんだ）をショック及び振動衝撃と共に長期圧縮荷重にさらし、したがって、はんだカラムに過大な損傷を生じることを避けるために、軽質量でなければならない。この制限は、ヒートシンクマス（ヒートシンクの熱容量）要件またはサーマルインターフェース（熱接続）要件のために高い保持荷重を有する放熱手段を必要とする大型で高出力のＩＣパッケージにとって重大な問題になる。高い保持荷重は、はんだカラムの最大長期圧縮荷重を超えることが多く、はんだカラムの過大なクリープ、屈曲、座屈を引き起こし、その結果、最終的にはショートまたは接合破壊などの接続破損を生じる。したがって、これらの用途では、ＣＧＡ接続部内のはんだカラムを機械的に支持する必要があることが多い。支持具を完全に固定して、支持具が緩んでそれ自体が破損することがないようにする必要もある。一般的に使用される支持具は、ヒートシンク及びＰＣＢ間に取り付けられたポストと、外部フレームまたはコーナー支持部分とを有する。しかし、これらの支持具は、エポキシ接着剤を使用した複雑な取り付け処理を必要とし、貴重なＰＣＢのスペースを浪費することが多い。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
カラムグリッドアレイで印刷回路基板との接続を取る集積回路パッケージを支持する支持具について、簡単に取り付け可能でＰＣＢのスペースを過度に使用しないものを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
ＣＧＡ（柱状はんだの格子状の配列）でＰＣＢとの接続を取るＩＣパッケージの機械的支持を、シム（つまり、二つの面の間に入れる薄い部材）をＩＣパッケージ及びＰＣＢ間に挿入することによって行うことができる。シムは、ＰＣＢに機械的に取り外し可能に固定することができ、また、ＩＣパッケージ及びＰＣＢ間の空間に容易に挿入できるが、ＣＧＡのはんだカラムに接触して破損またはショートを引き起こすことがないような形状に構成することができる。ＩＣパッケージの最大保持荷重の制約をほとんどなくすことができ、信頼性の低下を伴わないで広範な放熱手段を実行することができる。
【０００８】
本発明書に記載されている実施形態は、以下の図面とともにより理解される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下の詳細な説明は、当業者であれば本明細書に記載されている実施形態を製造して使用できるようにするために提示されている。説明のため、完全な理解が得られるように特定の用語を述べる。しかし、特定の用語が必要ないことは、当業者には明らかであろう。特定の用途を単に代表例として記載する。好適な実施形態に対するさまざまな変更が当業者には容易に明らかになり、本明細書で定義される一般的原理は、他の実施形態及び用途にも応用することができる。本発明は、ここに示した実施形態に制限されないことを意図し、本明細書に開示されている原理及び特徴に一致した可能な最大範囲を与えられるものとする。
【００１０】
本明細書に記載する実施形態は包括的に、ショック、振動及び長期圧縮荷重によるはんだカラムの破損を防止するために、ＩＣパッケージのＣＧＡはんだカラムを支持する装置及び方法を対象とする。
【００１１】
図１〜図５を参照しながら、支持具のさまざまな実施形態を説明する。より詳細に後述するように、ＩＣパッケージ上のＣＧＡはんだカラムの機械的支持を行うために、支持具を多くの形状で使用することができる。
【００１２】
図１は、支持具の一実施形態を示す。この実施形態では、支持具が、コーナーシム（角部シム）１０１の形になっている。シム１０１は、特定用途向け集積回路（（ＡＳＩＣ）１０３を支持できるだけの十分な機械的強度を有する任意材料で形成することができる。シム材料の例にはプラスチック、セラミック、金属及び金属合金があるが、それらに制限されない。好ましくは、シム１０１は、熱膨張率（ＣＴＥ）がはんだカラムのＣＴＥとほぼ一致する材料で形成される。一致したＣＴＥを有するシム１０１は、半導体ウェハ及び高出力ＩＣパッケージのバーンイン検査などの高温用途に好適であろう。本実施形態では、シム１０１がＡＳＩＣ１０３の各コーナー（角部）に配置されている。しかし、個々の用途に使用されるシムの数は、その用途の特定要件に従って変更することができ、また、シム１０１を他の閑散領域（空き領域）に配置してもよいことに留意されたい。たとえば、ＡＳＩＣ１０３の側部に沿ってシム１０１の挿入が可能な閑散領域が存在する場合、シム１０１をＡＳＩＣ１０３の側部に沿って配置してもよい。好ましくは、ＰＣＢ１０５、ＡＳＩＣ１０３及びシム１０１は、シムの設置を自動化することができるように互いに適応するように構成されている。
【００１３】
シム１０１の寸法及び形状に特定の制限はまったくない。通常、ＰＣＢ上のスペースの使用量を減少させるために、シム１０１の寸法が最小化される。図２及び図３に示された実施形態では、シム１０１は、シム１０１の突出部分１１１をＡＳＩＣ１０３の下側及びＰＣＢ１０５の上側間の空間に挿入することができる形状に構成されている。突出部分１１１は、ＡＳＩＣ１０３及びＰＣＢ１０５間の距離より小さい厚さにして、はんだカラム１０７を引き伸ばすことなく、突出部分１１１をＡＳＩＣ１０３及びＰＣＢ１０５間の空間に滑り込ませるようにすることができる。しかし、突出部分１１１は、ＡＳＩＣ１０３の機械的支持を行うと共に、長期圧縮荷重を受けたはんだカラム１０７のクリーピングによるショートまたは接合破損を防止するだけの十分な厚さを有するであろう。言い換えると、シム１０１を設置した直後（図４Ａ）では、突出部分１１１とＡＳＩＣ１０３との間にわずかな隙間１２５が存在することが好ましい。図４Ｂに示されているように、装置の使用中に、はんだカラム１０７が応力のために経時的にクリープを開始して、隙間１２５が閉じるであろう。突出部分１１１の上面がＡＳＩＣ１０３の下面に接触したとき、ＡＳＩＣ１０３はシム１０１によって完全に支持されて、はんだカラム１０７にかかる応力が解放される。
【００１４】
シム１０１はまた、ＡＳＩＣ１０３及びＰＣＢ１０５間に完全に挿入された後、シム１０１の突出部分１１１がＡＳＩＣ１０３のはんだカラム１０７のいずれにも接触しないような形状に構成することもできる。図２及び図３に示された実施形態では、突出部分１１１がはんだカラム１０７のいずれかに接触する前に、ＡＳＩＣ１０３の縁部に接触してシム１０１の前進を停止させるベース（つまり台座部）１１３の構造によって、この目標が達成される。
【００１５】
シム１０１のいずれの望ましくない移動も防止するために、シム１０１をＰＣＢ１０５に機械的に取り外し可能に固定することができる。シム１０１は、ねじか、または凸部１１９などのスナップ／キャッチ機構（凹凸の係合機構、又はディンプル機構）でＰＣＢに固定することができる。図３ａ〜図４ｂは、固定機構の幾つかの実施形態を示している。図３ａを参照すると、シム１０１は、ベース１１３（台座部）の底部からＰＣＢ１０５の穴１２１を貫通したねじ１１５によって固定される。代替として、ねじ１１５をベース１１３の上部からベース１１３を貫通して穴１２１を通り、ＰＣＢ１０５の下方のボルスタ（bolster、受け部材）１１７内に取り付けてもよい（図３ｂ）。別の実施形態では、ねじ付きアダプタ１２７を穴１２１に挿入して、ねじなし穴１２１をシム１０１の取り付け用ねじ穴に変更する（図３ｃ）。
【００１６】
次に図４ａを参照すると、シム１０１のベース１１３上の凸部１１９がＰＣＢ１０５の穴１２１にカチッとはまってシム１０１を不動化する位置に、シム１０１が押し込まれる。シム１０１の水平移動が凸部１１９及び対応の穴１２１によって制限されて、シム１０１がはんだカラム１０７に接触することができない限り、凸部１１９を穴１２１に締まりばめさせる必要はない。シム１０１の垂直移動は、ＡＳＩＣ１０３及びＰＣＢ１０５間に入っている突出部分１１１によって制限されるので、シム１０１はＰＣＢ１０５に適切に固定される。時間が経過して、はんだカラム１０７のわずかなクリーピングのために隙間１２５が閉じたとき（図４ｂ）、シム１０１が完全に不動化される。しかし、シム１０１はいつでも取り外して、同一または異なった位置に取り付け直すことができることに留意されたい。
【００１７】
図５は、ＣＧＡでＰＣＢと接続を取るＩＣパッケージを機械的に支持する方法５００を示す。本方法５００は好ましくは、シムをＩＣパッケージ及びＰＣＢ間に挿入するステップ（ステップ５０３）と、シムをＰＣＢに固定するステップであって、それにより、ＩＣパッケージに対する支持を確保して、シムの望ましくない移動によるＩＣパッケージのはんだカラムの破損を防止する、固定するステップ（ステップ５０５）とを含む。好ましくは、ＩＣパッケージをＰＣＢにはんだ付けした後、シムを挿入して、シムの存在がはんだ付け処理の邪魔にならないようにする。シム１０１は、ＡＳＩＣ１０３の再加工のために取り外し、ＡＳＩＣ１０３の再加工後に取り付け直してもよい。
【００１８】
本発明の支持具の好適な実施形態は、説明的であって、制限的ではないことを意図している。当業者であれば、上記教示に照らして変更及び変化を加えることができることに留意されたい。したがって、添付の特許請求の範囲によって定義されるように記載されているものの範囲に入る変更を、開示した特定の実施形態に加えることができる。
【産業上の利用可能性】
【００１９】
本発明の支持具は、集積回路パッケージを印刷回路基板上で支持する支持具として使用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本明細書に記載されている実施形態の支持具によって支持されたＩＣパッケージの斜視図である。
【図２】本明細書に記載されている実施形態の１つのコーナーシムの等角図である。
【図３ａ】シムをＰＣＢにねじで固定する実施形態を示す図である。
【図３ｂ】シムをＰＣＢにねじで固定する実施形態を示す図である。
【図３ｃ】シムをＰＣＢにねじで固定する実施形態を示す図である。
【図４ａ】シムをＰＣＢに凸部で固定する実施形態を示す図である。
【図４ｂ】シムをＰＣＢに凸部で固定する実施形態を示す図である。
【図５】本明細書に記載されている実施形態の支持具を使用する方法を説明するフローチャートである。
【符号の説明】
【００２１】
１００  支持具
１０１  シム
１０３  集積回路パッケージ
１０５  印刷回路基板（プリント回路基板）
１０７  はんだカラム
１１１  突出部分
１１３  ベース
１１５  ねじ
１１９  凸部
１２５  隙間
【図１】
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【図２】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図３ｃ】
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【図４ａ】
2005167245.tif 000008
【図４ｂ】
2005167245.tif 000009
【図５】
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