(57)【要約】ダイとパッケージの外装の間に電気的接続を実現するためにダイが取り付けられている基板、蓋、および少なくとも１つの途切れがパターン内にあるパターンで基板と蓋の間に配置されているシーラントを備えるパッケージ内に存在する圧力を解放するための装置および方法。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ダイが取り付けられる内面を備え、ダイとパッケージの外との間に基板を通して電気的接続を形成する基板と、
内面が基板の内面を向いている蓋と、
パターン内に少なくとも１つの途切れがあるパターンで基板と蓋の間に配置されているシーラントと
を備えるパッケージ。
【請求項２】
パッケージがボール・グリッド・アレイ型パッケージである請求項１に記載の装置。
【請求項３】
パッケージがピン・グリッド・アレイ型パッケージである請求項１に記載の装置。
【請求項４】
ダイが蓋に取り付けられ、この蓋を使用してダイから熱を伝える請求項１に記載の装置。
【請求項５】
蓋を通して通気口が形成されている請求項１に記載の装置。
【請求項６】
シーラントを蓋と基板の間に配置するパターンが、少なくとも１つの途切れがある実質的に四角形のパターンである請求項１に記載の装置。
【請求項７】
四角形のパターンに４つの途切れがある、つまり実質的に四角形のパターンのそれぞれの辺に１つ途切れがある請求項６に記載の装置。
【請求項８】
４つの途切れは、途切れのない実質的に四角形のパターンとなるものの全長の最低でも１０％である請求項７に記載の装置。
【請求項９】
四角形のパターンに４つの途切れがある、つまり実質的に四角形のパターンのそれぞれの隅に１つ途切れがある請求項６に記載の装置。
【請求項１０】
４つの途切れは、途切れのない実質的に四角形のパターンとなるものの全長の最低でも１０％である請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
基板が水分吸収の影響を受け、水分が基板によりパッケージ内に放出され蒸気に転換される結果として基板と蓋の間に圧力が加わる請求項１に記載の装置。
【請求項１２】
基板が有機材料から成り立っている請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
４Ｃを使用してダイが基板に取り付けられる請求項１に記載のパッケージ。
【請求項１４】
パッケージを高圧蒸気に晒してパッケージの外に熱を加えることによりパッケージの試験を行う請求項１に記載のパッケージ。
【請求項１５】
パッケージ内に存在する圧力を解放する方法であって、
ダイと基板との間に電気的接触を形成するために、ダイを基板の内面に取り付けることと、
ダイを囲む途切れのない線を形成するパターンとなるであろうものに少なくとも１つの途切れを入れたパターンで基板の内面の周りにシーラントを配置することと、
蓋の内面が基板の内面に向くように蓋を基板に結合させ、基板の内面の周りに配置されたシーラントを使用して蓋を基板に接着させること
を含む方法。
【請求項１６】
さらに、蓋がダイから熱を放出するように、ダイと蓋の内面との間にサーマル・アタッチを配置する請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
さらに途切れのない線を形成するパターンでシーラントを配置するのに使用される装置を修正して、途切れのない線を形成するパターンとなるであろうものに少なくとも１つの途切れを入れているパターンでシーラントを配置する請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
さらに蓋を通して形成される通気口を塞ぎ、パッケージ内に存在する圧力が通気口から抜けないような形で試験するために、パッケージを取り付けることを含む請求項１５に記載の方法。
【請求項１９】
試験がパッケージを高圧蒸気に晒してパッケージの外から熱を加えることを含む請求項１８に記載の装置。
【請求項２０】
基板が水分吸収の影響を受け、水分が基板によりパッケージ内に放出され蒸気に転換される結果として基板と蓋の間に圧力が加わる請求項１５に記載の方法。
【請求項２１】
さらに蓋を通して形成される通気口を塞ぐ形で通常のように使用し、パッケージ内に存在する圧力が通気口から抜けないようにパッケージを取り付けることを含む請求項１５に記載の方法。
【請求項２２】
４Ｃを使用してダイが基板に取り付けられる請求項１５に記載の方法。
【請求項２３】
内面がある基板と、
内面が基板の内面を向いている蓋と、
電子回路が配置され、基板と蓋の間に封入されており、ダイとパッケージの外との間に電気的接続を実現する基板の内面に取り付けられているダイと、
パターン内に少なくとも１つの途切れがあるパターンで基板と蓋の間に配置されているシーラントと
を備える電子デバイス。
【請求項２４】
ダイが蓋に取り付けられ、蓋がダイから熱を放出する請求項２３に記載の装置。
【請求項２５】
シーラントを蓋と基板の間に配置するパターンが、少なくとも１つの途切れがある実質的に四角形のパターンである請求項２３に記載の装置。
【請求項２６】
四角形のパターンに４つの途切れがある、つまり実質的に四角形のパターンのそれぞれの辺に１つ途切れがある請求項２５に記載の装置。
【請求項２７】
４Ｃを使用してダイが基板に取り付けられる請求項２３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
発明の分野
本発明は、フリップ・チップ・パッケージ内に封入されている電子デバイスの信頼性とパフォーマンスを高めるための装置と方法に関するものである。
【０００２】
技術背景
市販の電子デバイスは薄いシート状の半導体材料、つまりダイの形で存在し、その上に各種写真平板プロセスにより電子回路が配置されている。回路を損傷から保護するために、多くの場合、ダイは電子デバイスをプリント回路基板に装着しやすいように設計されたパッケージ内に封入されている。
【０００３】
従来、電気的信号特性を改善するとともに、消費電力およびダイのサイズの面で柔軟性を高めるために、「フリップ・チップ」または「Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ  Ｃｏｌｌａｐｓｅｄ  Ｃｈｉｐ  Ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ」（Ｃ４）パッケージなどのパッケージが使用されてきたが、これは、通常、ヒートシンク（「熱拡散装置」とも呼ばれる）として使用されるアルミニウムまたはその他の熱伝導材料で作られた蓋と、ダイとパッケージが取り付けられる回路基板との間を電気的に接続するために使用される導電材料を組み込んだ有機化合物で作られている基板とを合わせたものである。
【０００４】
図１は、ボール・グリッド・アレイ型の従来技術のパッケージの断面図である。パッケージ１００は、蓋１１０（集積熱拡散装置またはＩＨＳとも呼ばれる）、基板１１２、および蓋１１０と基板１１２の間に配置されるシーラント１１４で構成されている。サーマル・アタッチ１１６がダイ１３０と蓋１１０との間の熱伝導接続を行うもので、ダイ１３０に配置されている回路の通常動作時にダイ１３０から伝わる熱をそのサーマル・アタッチ１１６を通じて蓋１１０の外の周囲の外気に放出することによりダイ１３０を冷却するのを助けている。アンダーフィル１２０とソルダー・ボール１２２（Ｃ４バンプとも呼ばれる）により、ダイ１３０が基板１１２に取り付けられ、ソルダー・ボール１２２によってダイ１３０と基板１１２とが電気的に接続される。基板１１２は、導体によりソルダー・ボール１２２とソルダー・ボール１２４の間に電気的接続が形成されているプリント回路基板である。ソルダー・ボール１２４は、パッケージ１００が回路基板１４０に取り付けられたときに基板１１２と回路基板１４０の間に電気的接続を形成し、したがって、ダイ１３０と回路基板１４０との間に電気的接続を形成する。
【０００５】
図２は、図１に示されている同じ従来技術のパッケージの平面図であり、図２のパッケージ２００の品目には２ｘｘという番号が振られており、これは図１のパッケージ１００のラベル付き品目の１ｘｘという番号に対応している。図１のそれぞれ蓋１１０とサーマル・アタッチ１１６に対応している蓋およびサーマル・アタッチは、蓋の下の他の品目の相対的位置が見えるように図２に示されているパッケージから取り除かれている。図２に示されているように、パッケージ２００は基板２１２とシーラント２１４を備えている。ダイ２３０は、基板２１２の実質的に中心にあり、ダイ２３０のエッジの下からそれを超えて突き出ている図示のアンダーフィル２２０を介して基板２１２に取り付けられている。シーラント２１４は、蓋（図には示されていない）が基板２１２を受け、蓋を基板２１２に接着する場所に対応するように配置されている。図に示されているように、シーラント２１４はダイ２３０を囲む途切れていない線を形成する形で配置されている。
【０００６】
シーラント２１４を途切れていない線で配置することの欠点は、蓋と基板２１２の間に完全なシールが形成され、パッケージ２００の内装とパッケージ２００の外の周りの外気との間の差圧が等しくなるのを妨げるという点である。これは、基板２１２が、パッケージ２００の周りの外気から水分を吸収し、パッケージ２００の内部に水分を放出しやすい可能性のある有機材料またはその他の材料でできている場合に特に著しい。加熱試験または通常使用では、ダイ２３０の温度が上昇すると、パッケージ２００の内部に存在する水分は蒸気になり、パッケージ２００内の圧力が上昇し、蓋と基板２１２を押して引き離す傾向がある。図１を検討すると最もよく理解できるが、蓋１１０と基板１１２を押して引き離すことにより蓋１１０がダイ１３０から分離し、それにより、蓋１１０がサーマル・アタッチ１１６をダイ１３０に強く押し付けることで通常加わる圧力が低減され、これにより、ダイ１３０から熱を伝えて逃がす際のサーマル・アタッチ１１６の有効性が減じる。このような圧力増加によりさらに基板１１２は外側へ曲がり、基板１１２が湾曲形状となり、ダイ１３０の四隅に応力がかかり、これにより薄膜にひびが入ったり薄膜の層が剥離し、電気的不具合が発生したり、ダイ表面に配置されている回路の寿命が短くなる場合がある。
【０００７】
圧力下で蒸気に転換される水分が存在することで生じる欠点としては他に、サーマル・アタッチ１１６とダイ１３０の間、またはサーマル・アタッチ１１６と蓋１１０の間に蒸気が送られる可能性があるという点である。このため、サーマル・アタッチ１１６と蓋１１０またはダイ１３０の間の接触が低下し、またダイ１３０から蓋１１０に向かって熱が逃げて行く際にサーマル・アタッチ１１６の有効性が減じる。さらに、サーマル・アタッチ１１６の組成に応じて、蒸気はさらに、サーマル・アタッチ材料自体を貫通し、サーマル・アタッチ１１６内に間隙が形成され、熱がダイ１３０からサーマル・アタッチ１１６へと伝達されるのが妨げられる。
【０００８】
圧力上昇および水分の存在のせいで生じる不要な効果に加えて、蓋、基板、およびダイの間の膨張および収縮の速度に差がある結果としてシーラントの途切れていない線を使用することで生じる欠点がある。再び図１を参照すると、蓋１１０および基板１１２を作るのに使用される特定の材料に応じて、温度が上昇したときに、蓋１１０と基板１１２はダイ１３０に比べ、互いに関して速度が異なり、膨張が速い傾向がある。シーラントの途切れていない線により、蓋１１０と基板１１２の相対的移動が、一定のパターンの途切れがあるシーラントの場合と比べて制限され、その結果、蓋１１０または基板１１２は外側へ曲がる可能性がある。すでに説明したように、このような外へ曲がる効果により、ダイ１３０から熱が逃げる際のサーマル・アタッチ１１６の有効性が低下したり、ダイ１３０にひび割れおよび／または層剥離が生じる可能性がある。
【０００９】
本発明の目的、特徴、および利点は、当業者であれば、以下の詳細な説明に照らして明白であろう。
【００１０】
詳細な説明
以下の説明では、説明のため本発明を完全に理解できるように多数の詳細を定めている。しかし、当業者であれば、本発明を実施する上でこれらの特定の詳細は必要ないことは明白であろう。
【００１１】
本発明では、有機材料基板が使用されている集積回路用の「フリップ・チップ」または「Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ  Ｃｏｌｌａｐｓｅｄ  Ｃｈｉｐ  Ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ」（Ｃ４）パッケージを対象とする。このようなパッケージは、「Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｌａｎｄ  Ｇｒｉｄ  Ａｒｒａｙ」またはＯＬＧＡとも呼ばれる。特に、本発明は、とりわけ大きなダイを保持するためにこのようなパッケージを使用することを対象とする。しかし、当業者であれば、本発明はさらに、他の多孔性基板材料が使用される場合や、相当量の熱を発生する回路が配置されているそれよりも小さなダイが使用される場合にも適用できることを理解されるであろう。本発明はさらに、パッケージを高熱環境で使用する場合にも適用できる。
【００１２】
図３は、図２と類似の平面図であるが、本発明の一実施形態を示している。図３のパッケージ３００の品目には、図２のパッケージ２００のラベル付き品目の２ｘｘという番号に対応する３ｘｘという番号のラベルが付けられている。図２の場合とまったく同様に、図１のそれぞれ蓋１１０とサーマル・アタッチ１１６に対応している蓋およびサーマル・アタッチは、蓋の下の他の品目の相対的位置が見えるように図３に示されているパッケージから取り除かれている。図３に示されているように、パッケージ３００は基板３１２とシーラント・セグメント３１４ａから３１４ｄを備えている。図にも示されているように、ダイ３３０は、基板３１２に関して実質的に中心にあり、ダイ３３０のエッジの下から超えて突き出ている図示のアンダーフィル３２０を介して基板３１２に取り付けられている。
【００１３】
図２のシーラント２１４のように、図３の実施形態で使用されているシーラントは、蓋を基板３１２に接着するように、蓋（図には示されていない）が基板３１２と接触する箇所に配置されている。しかし、図２のシーラント２１４とは異なり、この実施形態で使用されているシーラントはダイ３３０を囲む途切れていない線を形成しない。その代わりに、このシーラントを４つのシーラント・セグメント３１４ａ〜ｄとして配置し、セグメントの間に途切れを入れることで、パッケージ内の温度が上昇したときに水分が蒸気に変わった結果としてパッケージ３００の内部に他の何らかの形で増大するであろう圧力をここから解放することができる。
【００１４】
図１および３の両方をさまざまに参照すると、このように圧力を解放できれば、蓋（図３には示されていないが、それに応じて図１の蓋１１０として示されている）が基板１１２／３１２から押しやられることはない。そのため、ダイ１３０／３３０から蓋へ熱を伝えるサーマル・アタッチ（図３には示されていないが、それに応じて図１のサーマル・アタッチ１１６として示されている）に蓋によって加えられる圧力は低下せず、このような熱を伝達する際のサーマル・アタッチの有効性は保たれる。
【００１５】
さらに、このように圧力を解放させることで、基板１１２／３１２が湾曲し、ダイ１３０／３３０内の隅の付近にひびが入る可能性がある基板１１２／３１２の外への曲がりがなくなる。
【００１６】
さらに、途切れのあるパターンでシーラント３１４ａ〜ｄを配置すると、シーラントは蓋１１０と基板１１２／３１２との間に剛性の弱まった接続を形成し、そのため、蓋１１０と基板１１２／３１２の間である程度の相対的移動が可能になる。ある程度相対的移動ができるため、蓋１１０と基板１１２／３１２は温度変化に応じて互いに異なる速度で膨張、収縮をし、これにより、蓋１１０または基板１１２／３１２は外側へ曲がる傾向が減じる。これを利用すると、サーマル・アタッチ１１６の前述の有効性喪失および／またはダイ１３０／３３０の前記のひび割れまたは層剥離が低減される。
【００１７】
一実施形態では、シーラントは複数のセグメントとして配置されており、その結果複数の途切れが生じる。他の実施形態では、シーラントは単一セグメントとして配置されているが、ダイ３３０を囲む完全なループを形成しておらず、そのため単一の途切れが生じる。一実施形態では、これらの途切れは他の何らかの手段ではシーラントの完全なループとなるであろうものの全長の少なくとも１０％であるが、他の実施形態では、これらの途切れはその長さの１０％未満である。さらに他の実施形態では、シーラントはシーラントの小さなスポットまたはドットのパターンで配置され、途切れを形成するセグメントではなくむしろシーラントのスポット間に途切れを残す。
【００１８】
一実施形態では、シーラントは基板３１２と蓋（図に示されていない）が高い自由度で互いに関して相対的に移動できるように比較的柔軟な材質で構成されている。他の実施形態では、シーラントは基板３１２と蓋の相対的移動が制限されるようにより剛性の高められた材質で構成される。
【００１９】
一実施形態では、まずダイ３３０を基板３１２に取り付けてパッケージ３００を形成し、その後、ダイ３３０と基板３１２の間に物理的、電気的接続を形成する。シーラントは、蓋（図に示されていない）を基板３１２に取り付ける基板３１２上の位置に４つのセグメント３１４ａ〜ｄとして配置される。蓋（図に示されていない）がダイ３３０に取り付けられる位置で、サーマル・アタッチ（図に示されていない）をダイ３３０の上に配置する。次に、蓋を基板３１２に（シーラント３１４ａ〜ｄで）、さらにダイ３３０に（サーマル・アタッチで）取り付ける。当業者であれば理解できると思うが、本発明の精神から逸脱することなくこれらを実施する順序を変更できる。
【００２０】
一実施形態では、途切れていない線にシーラントを配置するように元々設計されているパッケージ組立装置を修正して、シーラントをシーラント・セグメント３１４ａ〜ｄとして配置する。他の実施形態では、シーラント・セグメント３１４ａ〜ｄとしてシーラントを配置するように特に設計されている新しいパッケージ組立装置を使用している。
【００２１】
一実施形態では、基板３１２は有機材料を使用しているが、この有機材料は多孔性でパッケージ３００の外の外気からの水分吸収の影響を受けやすい。他の実施形態では、基板３１２は非有機的材料であるが、まだ水分を吸収するという欠点を持つ材料である。一実施形態では、パッケージおよび／またはパッケージ内のダイは、パッケージを高圧蒸気に晒してパッケージの外から熱を加えることにより試験を行う。
【００２２】
一実施形態では、蓋（図に示されていない）は、１つまたは複数の通気口が形成されており、これを利用してパッケージ３００内部の圧力を逃すこともできるが、パッケージ３００が試験または通常使用に際して取り付ける方法のため塞がれることがある。他の実施形態では、蓋に通気口が形成されておらず、シーラント・セグメント３１４ａ〜３１４ｄの間の途切れが圧力を逃すために用意されている唯一の手段である。
【００２３】
一実施形態では、サーマル・アタッチ（図に示されていない）は、サーマル・グリースであるが、他の実施形態では、サーマル・アタッチは熱伝導接着剤である。
【００２４】
一実施形態では、蓋（図に示されていない）は、銅やアルミニウムなどの、ダイ３３０から熱を伝えることができる材質のものである。一実施形態では、蓋は、ダイ３３０から伝わってきた熱をパッケージ３００の周りの外気に放出する。他の実施形態では、蓋は熱を、ヒートシンク（または熱拡散装置）、ヒート・パイプ、または熱電式冷却装置などの蓋が接触している他の熱伝導装置に伝える。
【００２５】
一実施形態では、パッケージ３００はボール・グリッド・アレイ型パッケージであって、基板３１２が図１のソルダー・ボール１２４に一般的に対応するソルダー・ボールにより回路基板（図に示されていない）に取り付けられている。他の実施形態では、パッケージ３００はピン・グリッド・アレイ型パッケージであって、基板３１２は、ピンにより、回路基板に取り付けられたソケットを通じて間接的に、または回路基板にあけた穴を通して直接的に、回路基板に取り付けられる。
【００２６】
一実施形態では、マイクロコンピュータ・システムのコア論理回路（例えば、ランダム・アクセス・メモリ・コントローラ、バス・インターフェイス、Ｉ／Ｏデバイス・インターフェイス、またはタイマー）を備える回路がダイ３３０の表面に配置されている。他の実施形態では、マイクロコンピュータ・システムの中央処理装置を備える回路がダイ３３０の表面に配置されている。
【００２７】
図４は、図３と類似の平面図であり、同様に、本発明の一実施形態を示している。図４は、蓋（図に示されていない）が基板４１２に接触し、蓋を基板４１２に接着する場所に対応するように配置できる他のパターンを示す。図３および４のパターンは両方とも実質的に四角形であるが、パッケージ４００内のシーラントの途切れは、パッケージ３００の場合のように側面ではなく実質的に四角形のパターンの隅にある。図４のパッケージ４００の品目には、図３のパッケージ３００のラベル付き品目の３ｘｘという番号に対応する４ｘｘという番号のラベルが付けられている。図３の場合とまったく同様に、図１のそれぞれ蓋１１０とサーマル・アタッチ１１６に対応している蓋およびサーマル・アタッチは、蓋の下の他の品目の相対的位置が見えるように図４に示されているパッケージから取り除かれている。
【００２８】
本発明は、好ましい実施形態に関して説明した。さまざまな他の実施形態、修正、バリエーション、および用途は、前記の説明に照らせば、当業者には明白であることは確かである。当業者であれば、本発明がコンピュータ・システムの機能の他の組み合わせを利用して実施できることも理解するであろう。
【００２９】
本発明の実施例については、電子回路が配置されているダイを載せたボール・グリッド・アレイ型パッケージおよびピン・グリッド・アレイ型パッケージの文脈で説明している。しかし、本発明はさまざまな種類のパッケージおよびさまざまな電子デバイス、マイクロ電子デバイス、およびマイクロメカニカル・デバイスに応用することができる。本発明は一般に使用されている堅いプリント回路基板に取り付けられているパッケージの文脈において説明されているが、本発明は、電気的接続が可能な柔軟な材質のシートまたはその他の表面に取り付けられているパッケージにも応用できる。また、本発明はシーラントが実質的に四角なパターンで配置されるパッケージの文脈において説明されているが、本発明は、シーラントが配置されるパターンが蓋および／または基板の形状の影響を受ける受けないに関係なく、シーラントを配置する他のパターンにも応用できる。実際、シーラントを円形またはその他の多角形パターンで配置したり、シーラントを線分ではなく複数のスポットとして配置することもできる。さらに、本発明は電子回路が配置されている単一のダイを封入するパッケージの文脈で説明されているが、本発明は複数の別々のダイ、および／またはさらに小さいダイに分けられているダイを封入しているパッケージにも応用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】
従来技術のボール・グリッド・アレイ型パッケージの断面図である。
【図２】
パッケージの一部分を取り外した従来技術のボール・グリッド・アレイ型パッケージの平面図である。
【図３】
パッケージの一部分を取り外した本発明の一実施形態の平面図である。
【図４】
パッケージの一部分を取り外した本発明の他の実施形態の平面図である。
【国際公開パンフレット】
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2004517497.tif 000004
2004517497.tif 000005
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2004517497.tif 000019
2004517497.tif 000020
2004517497.tif 000021
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2004517497.tif 000022
【国際調査報告】
2004517497.tif 000023
2004517497.tif 000024
2004517497.tif 000025