(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子アセンブリを構成する方法であって、
熱的伝導部材（１０）と、熱的伝導インジウムを含有する物質（１８）であって該インジウム含有物質がインジウムを含む合金であり、かつ純粋なインジウムより低い溶融点を有する物質（１８）と、パッケージ基板上に搭載された半導体チップであって集積回路が形成された半導体チップ（４０）とを、少なくとも前記物質（１８）の一部分が前記半導体チップの一面上に位置し、且つ前記物質（１８）が前記半導体チップと前記熱伝導部材の一部との間に位置するように、互に選択された方向に配置するステップと、
前記熱的伝導部材と前記物質と前記半導体チップが互に選択された方向に配置されている状態で、前記物質をその溶融点まで加熱するステップと、
前記加熱によって生じた前記物質内のボイドをもみ動かして除去するステップと、
前記溶融点より低い温度まで冷却して前記物質を凝固させて、熱的伝導部材の前記一部分と前記半導体チップとの間に熱的伝導のための熱結合を提供するステップと
を含む方法。
【請求項２】
前記物質は１５０℃より低い溶融点を有し、その溶融点より高いが、前記半導体チップの破壊を引き起こす温度より低い温度まで加熱されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記熱的伝導部材が凹部を有する蓋を有し、前記物質が、前記凹部に配置される材料の第１のシートであり、前記方法が、前記第１のシートを溶融させるために、前記凹部の前記第１のシートを加熱するとともに前記第１のシート内のボイドをもみ動かして除去するステップをさらに含む請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記蓋は銅を含む熱的伝導材料により作られ、前記第１のシートは４４．７％のビスマス、２２．６％の鉛、１９．１％のインジウム、８．３％の錫、および５．３％のカドミウムを含む合金から作られ、該第１のシートが加熱されてそれが溶融されたときに前記銅と反応して該第１のシート内にボイドを生じる請求項３記載の方法。
【請求項５】
前記蓋の前記材料と反応したときの前記合金が、前記蓋の前記材料と反応したときの純粋なインジウムによって作られるボイドよりも少ないボイドを作ることを特徴とする請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記ボイドは、前記第１のシートの部分の外に前記ボイドを動かす力を作る流体のジェットによって外にもみ動かされることを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項７】
前記第１のシートを覆って材料の第２のシートを配置するステップ、および
前記第１のシートを前記第１のシートの溶融点を超える温度に加熱するステップをさらに有し、前記第１のシートは溶融するが、前記第２のシートの溶融点より低い温度で、前記材料の第２のシートは変わらないままで前記第１のシートを溶融し、流体のジェットを前記第２のシート上に当て、前記第２のシートが、前記流体のジェットによって前記溶融した第１のシートがはねることを防ぐことを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記第２のシートの材料がインジウムを含むことを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記ボイドが外にもみ動かされた後に、前記第１のシートを前記第１のシートの溶融点より低い温度に冷却するステップと、
前記半導体チップに隣接して前記第１のシートを配置するステップと、
前記第１、第２のシートを該第２のシートの溶融点より高く加熱し、前記半導体チップを覆って前記第１、第２のシートのリフローを引き起こすステップと
をさらに有することを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
インジウムを含む第３のシートを、前記半導体チップを覆って配置するステップと、前記第３のシート、前記第２のシートおよび前記第１のシートを、それらの溶融点より高い温度に同時に加熱するステップとをさらに含み、前記第３のシートが、前記半導体チップに適切に熱的に結合するための濡れ層として作用することを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項１１】
（ｉ）パッケージ基板、および集積回路が形成され、前記パッケージ基板に搭載された半導体チップを含む半導体パッケージと、
（ii）凹部を有する、熱的な伝導材料の蓋と、
（iii)第１の合金の第１のシートと
から、電子アセンブリを構成する方法であって、
前記凹部内に前記第１のシートを配置するステップと、
前記第１のシートを、前記第１の合金を柔らかくするために、その溶融点より高い温度に加熱し、前記第１の合金内にボイドを生じさせるステップと、
インジウムを含みかつ前記第１の合金より高い溶融点を有する材料の第２のシートを前記第１の合金上に配置するステップと、
前記第２のシートと前記第１の合金が、第１の合金の溶融点と前記第２のシートの溶融点との間の温度にある状態で流体のジェットを前記第２のシートへ向け、前記第２のシートが前記流体のジェットによる前記第１の合金がはねることを防ぎ、前記流体のジェットが前記第１の合金の少なくとも一部からボイドをもみ出すステップと、
前記半導体チップを前記凹部に隣接させるように、前記蓋と前記半導体パッケージを選択された方向に配置するステップと、
前記第２のシートと前記第１の合金を前記第２のシートの溶融点より高い温度に加熱し、前記半導体チップの上で前記第２のシートと前記第１の合金をリフローさせるステップと
を有し、前記第２のシートと前記第１の合金が、前記半導体チップと前記蓋との間の熱結合を提供する方法。
【請求項１２】
前記第１の合金がインジウムを含むことを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
電子アセンブリを構成する方法であって、
インジウムを含む第１の合金を熱的伝導性のある蓋の凹部に挿入するステップと、
前記凹部にある前記第１の合金を溶融させるために加熱するステップと、
前記加熱された第１の合金内に形成されたボイドの少なくともある程度のボイドを該第１の合金内からもみ出して取り除くステップと、
パッケージ基板上に搭載された半導体チップであって集積回路を有した半導体チップと前記蓋との間に、前記第１の合金を配置するステップと
を含む方法。
【請求項１４】
前記蓋の熱的伝導性の材料は銅であることを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記ボイドは、前記第１の合金の外にボイドを動かす力を作る流体のジェットによって外にもみ動かされることを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１６】
前記第１の合金を覆って、材料の第２のシートを配置するステップと、
前記第１の合金を該第１の合金の溶融点を超える温度に加熱するステップとを更に有し、前記第１の合金を溶融するが、前記第２のシートの溶融点より低い温度で前記材料の第２のシートは変わらないままで前記第１の合金を溶融し、前記流体ジェットを前記第２のシートにあて、前記流体ジェットにより前記溶融した第１の合金がはねることを防ぐことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記材料の第２のシートはインジウムを含むことを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
熱的伝導性のある物質を前記半導体チップに隣接して配置するステップと、
前記熱的伝導性のある物質と第１の合金とをそれらの溶融点より高い温度に加熱し、前記蓋が前記半導体チップと熱結合するよう、前記半導体チップを覆って前記熱的伝導性のある物質と前記第１の合金とのリフローを引き起こすステップとをさらに有することを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（発明の背景）
１．発明の分野
本発明は、電子アセンブリを構成する方法、および本発明の方法により作成することができる電子アセンブリに関する。
【０００２】
２．関連技術の検討
集積回路は半導体ウェハ上に形成される。ウェハは、その後、半導体チップに切断される。各半導体チップは、その後、パッケージ基板に搭載される。半導体チップ内の集積回路は、電力を供給され、データ信号がパッケージ基板を介して集積回路へ送信され、および集積回路から受信される。
【０００３】
集積回路に電力が供給されたとき、熱が半導体チップに生成される。その熱が外部へ移動しない場合は、熱が集積回路の破壊を引き起こすことがある。熱伝導プレートが、しばしば半導体チップに隣接して配置される。熱伝導グリースを半導体チップと熱伝導プレートとの間に設けることができる。熱伝導グリースが、半導体チップおよび反対側の熱導電プレートに接触し、半導体チップと熱伝導プレートとの間の熱結合として作用する。熱は、グリースを通って半導体チップから熱伝導プレートへ移動し、熱伝導プレートから、ヒート・シンクまたは他の装置へ移動し、周囲へ対流する。
【０００４】
熱結合としてグリースを使用することは、高出力応用分野では適していないことが多い。熱伝導グリースは、大量の熱が半導体チップ上で生成されたとき、十分な量の熱を移動しないためである。熱伝導グリースが良好な熱伝導体でない一つの理由は、熱伝導グリース内に金属がないためである。一方、金属は通常導電性である。したがって、導電性金属が、半導体チップの部品とパッケージ基板との間で短絡を引き起こすことがあるため、熱結合体として金属を使用することは通常避けられる。
【０００５】
（発明の概要）
本発明の一態様によれば、電子アセンブリを構成する方法が提供される。電子アセンブリは、パッケージ基板およびパッケージ基板に搭載された半導体チップを含む半導体パッケージと、熱伝導部材と、インジウムを含む物質とから構成される。本方法は、半導体チップのパッケージ基板と反対側に熱伝導部材があり、かつ半導体チップと熱導電部材の少なくとも一部との間に物質を配置して熱伝導部材と半導体パッケージを、互いに対して選択された方向で、固定することを含む。物質は、一方の側で半導体チップに熱的に結合され、および反対側で熱伝導部材の部分に熱的に結合される。
【０００６】
本発明は、添付の図面を参照して例示によってさらに記載される。
【０００７】
（発明の詳細な説明）
添付の図面の図１〜図１１は、電子アセンブリを構成する方法を示している。インジウムを含む合金が蓋内の凹部内に配置される。インジウムを含む合金は加熱されると、合金と蓋の材料との間の反応のために、望ましくないボイドを合金の中に形成する。ボイドは、合金を加熱し、および合金上に空気のジェットを向けることによって、外へもみ動かされる（massaged out）。空気のジェットがそのシートの上に当るときに合金がはねることを防ぐために、合金より高い溶融温度を有するインジウムのシートが使用される。キャップと合金とは、それから、電子アセンブリに半導体パッケージとともにアセンブリされる。主にインジウムを使用するために、合金は良好な熱伝導性を有する。合金は、半導体パッケージの部品が互いに電気的に絶縁されることを確実にする電気絶縁体である。合金は、半導体パッケージのパッケージ基板の材料を通り抜けない。合金は、また比較的低い溶融温度を有し、半導体パッケージの半導体チップ内の集積回路に破壊を引き起こすことなく、合金を溶融させることができる。合金は加熱されたときにボイドを生成するにもかかわらず、ボイドは、合金の熱伝導部分から離れてもみ動かされる。
【０００８】
添付の図面の図１は、本発明による電子アセンブリの構成に使用される熱伝導蓋１０を示す。蓋１０は良好な熱伝導性を有する銅などの材料から作られる。蓋１０は、中央部１２と４つの側壁１４とを含む。凹部１６が、側壁１４の内側で中央部１２の上に形成される。
【０００９】
蓋１０は清浄にされ、その後、図２に示されるように、第１の合金の第１のシート１８が凹部１６内に挿入される。第１のシート１８は、側壁１４と凹部１６との間にはまるような寸法にされている。第１の合金は好ましくは、質量比で、４４．７％のビスマス、２２．６％の鉛、１９．１％のインジウム、８．３％の錫、および５．３％のカドミウムを含む。この種の合金のシートは、ニューヨーク、ユチカのＩｎｄｉｕｍ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ａｍｅｒｉｃａから入手することができる。そのような合金の選択および特性は、以下の記載から明らかとなろう。
【００１０】
蓋１０および第１のシート１８は、図３に示されるように、第１の合金１８を溶融するために、第１の合金の約１１５℃である溶融温度より高く加熱される。第１の合金１８内のインジウムは、蓋１０の銅と反応し、第１の合金１８内に気泡すなわちボイド２０を発生させる。第１の合金１８内のボイド２０は、熱伝導目的には望ましくない。しかしながら、ボイド２０の数は、純粋なインジウムを合金１８の代わりに使用するときより、はるかに少ない。
【００１１】
第１の合金１８は、その後、図４に示されるように第１の合金を凝固させるために冷却される。ボイド２０は、凝固した第１の合金１８内に捕らえられる。
【００１２】
図５に示されるように、その後、第２のシート２２が第２の合金１８の上に配置される。第２のシート２２は、一般に約２ｍｍの厚みであり、好ましくは純粋なインジウムで作られる。第２のシート２２は蓋１０のリム２４まで位置する。
【００１３】
図６に示されるように、その後、赤外線放射２６で下方から蓋１０を加熱する。熱は、蓋１０から第１の合金１８へ伝達される。蓋１０、第１の合金、および第２のシート２２の組み合わせは、第１の合金１８の溶融温度１１５℃より高い温度に加熱される。実質的に第２のシート２２の純粋なインジウムは、約１３５℃の溶融点を有する。蓋１０、第１の合金１８、および第２のシート２２の組み合わせが、第２のシート２２の１３５℃の溶融点より低い温度に加熱される。したがって、第１の合金１８は溶融され、第２のシート２２は固体のままである。実質的に純粋なインジウムの第２のシート２２と比較したとき、第１の合金１８のより低い溶融点は、主に、第１の合金１８内に鉛を含有するためである。鉛は質量で０．５％から３０％を有することが好ましい。
【００１４】
ノズル２８を用いて、空気のジェット３０を第２のシート２２の中央部に向ける。空気のジェット３０は、第２のシート２２にほぼ直角に当り、第２のシート２２の中央部から外側に広がる。空気のジェット３０の偏向のために、第２のシート２２に力が作られ、力は、第２のシート２２から第１の合金１８へ伝達される。空気によって作られた力は、ボイド２０を、第１の合金１８の中央部３２から外側へもみ動かす。ほとんどのボイド２０は、リム２４と第２のシート２２の縁部との間の界面から逃げる。いくらかのボイド２０は、まだ第１の合金１８の外側部分に残ることがある。しかしながら、第１の合金１８の中央部３２は、実質的にまたは完全にボイドが無い。その後、第１の合金１８は、図７に示されるように凝固させるために冷却される。凝固した第１の合金１８の外側領域にいくつかのボイド２０が残ることもある。第２のシート２２は、凝固した第２の合金１８上に位置する。
【００１５】
図８は、第１の合金１８と第２のシート２２を含むキャップ１０を反転させた状態で示し、かつ、本発明の実施形態による電子アセンブリを構成するために使用される半導体パッケージ３４を図示する。半導体パッケージは、パッケージ基板３８および半導体チップ４０を含む。
【００１６】
パッケージ基板３８は、少なくとも誘電体材料から部分的に作られる。誘電体材料は、例えば、その表面を形成するビスマテイネイト・トリアジン（bismateinite triazine)樹脂などの樹脂でよい。ボール・グリッド・アレイ４２の形態のはんだボールのアレイが、パッケージ基板３８の下部表面上に配置される。
【００１７】
半導体チップ４０は、シリコンなどの半導体材料で作られ、内部に集積回路（図示せず）を有する。はんだバンプ４４のアレイは、集積回路を含む半導体チップ４０の上部表面上に形成され、その後、半導体チップ４０が、図８に示されるようにフリップされ、はんだバンプ４４が、「ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ  ｃｏｌｌａｐｓｅ  ｃｈｉｐ  ｃｏｎｎｅｃｔ（Ｃ４）」と一般に呼ばれるプロセスによって底部に設けられる。パッケージ基板３８と半導体チップ４０との間にはんだバンプ４４を備えた半導体チップ４０がパッケージ基板３８の上部表面上に配置される。半導体パッケージ３４は、その後加熱されかつ冷却され、それによって、パッケージ基板３８へ他のバンプ４４を取り付ける。
【００１８】
第２の合金の第３のシート５０が半導体チップ４０を覆って配置される。第３のシート５０の第２の合金の組成は、第１の合金１８の組成と同じでよい。
【００１９】
図９に示されるように、その後、第２のシート２２の下方表面を第３のシート５０の上部表面と接触させる。第２のシート２２、第１の合金１８、蓋１０の組み合わせが第３のシート５０上に載る。
【００２０】
図９に示される組み合わせは、その後、１３５℃より高い温度に加熱される。第１の合金１８、第２の合金５０、第２のシート２６は、１３５℃より高い温度で溶融する。図９に示される組み合わせは、半導体チップ４０内の集積回路の破壊を避けるように、１５０℃より高い温度までは決して加熱されない。第１の合金１８、第２の合金５０、第２のシート２２が溶融したときの、パッケージ基板３８上に置かれた蓋１０が図１０に示される。第３のシート５０の溶融した材料が、半導体チップ４０の上部表面上に適切な熱結合を確実するための濡れ層として作用する。第１の合金１８と、第２の合金５０と、インジウムの第２のシート２６との溶融した混合物５２が、半導体チップ４０と蓋１０の中央部１２との間の全領域を満たす。したがって、溶融した混合物５２は、半導体チップ４０の上部表面と蓋１０の中央部分１２の下部表面とに接触する。
【００２１】
溶融する混合物５２の材料を選択することによって、混合物５２は、他の金属が混合物５２の代わりに使用された場合に発生することがあるような、パッケージ基板３８の誘電体材料を破壊しない。
【００２２】
その後、図１０に示される組み合わせは、図１１に示されるように、混合物５２を凝固させるために冷却される。エポキシ・ビード５４が、その後配置され、蓋１０とパッケージ基板３８との間の境界を満たす。エポキシ・ビード５２は、蓋１０をパッケージ基板３８に固定し、それによって、電子アセンブリ６０の構成が終了する。
【００２３】
混合物５２は、主に混合物５２内のインジウムの形態の金属の使用のため、半導体チップ４０と蓋１０との間の有効な熱結合を提供する。混合物５２内のインジウムは、少なくとも１０％などのより高い百分率にすると、より良好な熱導体であるが、有効な熱結合を提供するためには、好ましくは質量で少なくとも１％である。インジウムを含む混合物は、電気絶縁体であり、例えばパッケージ基板３８上のはんだバンプ４４または電気トレースなどの半導体パッケージ３４の部品は、混合物５２がこれら部品と接触しても、互いに電気的に絶縁される。熱が、半導体チップ４０から蓋１０へ伝達される中央部３２は、半導体チップ４０と蓋１０との間の有効な熱伝達経路が存在することを確実にするなどのように、実質的にボイドがないことに留意されたい。
【００２４】
ある例示的な実施形態が、記載されかつ添付の図面に示されたが、そのような実施形態は、単に例示的なものであり、本発明を限定するものではなく、本発明は、当業者により修正が可能であることから、示されかつ記載された特定の構成および配置に限定されないことを理解される。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施形態による電子アセンブリの構成に使用される蓋の側面断面図である。
【図２】  第１合金の第１シートが蓋の凹部内に挿入された後の、蓋の側面断面図である。
【図３】  第１シートが、第１合金の溶融させるように加熱された後の側面断面図である。
【図４】  第１合金が凝固された後の、蓋の側面断面図である。
【図５】  凹部内に配置された第２シートをさらに示す、蓋の側面断面図である。
【図６】  図５の組み合わせがどのように加熱され、第１合金内のボイドがどのように外側に動かされるかを示す側面断面図である。
【図７】  冷却された後の、蓋、第１合金、および第１シートの側面断面図である。
【図８】  蓋、第１合金、および第２シートを含み、さらにパッケージ基板および半導体チップを有する半導体パッケージを含み、さらに第２合金の第３シートを含む、電子アセンブリの部品の側面断面図である。
【図９】  第２シートが第３シート上に配置された後の、図８の部品の側面断面図である。
【図１０】  第１合金、第２シート、および第３シートを混合物に溶融するために加熱された後の、図９の部品の側面断面図である。
【図１１】  冷却し、混合物の凝固後の、図１０の部品の側面断面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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