JP2001160602A - 電気的接点のポピュレーションを選択的に減らすモデル作成方法 - Google Patents

電気的接点のポピュレーションを選択的に減らすモデル作成方法

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JP2001160602A JP2000287159A JP2000287159A JP2001160602A JP 2001160602 A JP2001160602 A JP 2001160602A JP 2000287159 A JP2000287159 A JP 2000287159A JP 2000287159 A JP2000287159 A JP 2000287159A JP 2001160602 A JP2001160602 A JP 2001160602A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 パッケージにおけるデバイスの信頼性を高め
る。 【解決手段】 デバイスの信頼性を改善する為に、ボー
ル・グリッド・アレイ(BGA)パッケージ又はランド
・グリッド・アレイ(LGA)パッケージの従来のフッ
トプリントから選択的にはんだボール(12)(並びに
その夫々のはんだボール・パッド(34)、バイア(3
2)、及びトレース又は線(30))のポピュレーショ
ンを減らしモデル作成方法。このモデル作成方法は、ポ
ピュレーション減らしをしたはんだボール又はランドに
よって追加スペースとして生じた隙間を通るトレースの
配路を、はんだボール又はランド・パッドから、その上
に半導体ダイ(20)が取付けられる基板(14)外面
までトレース又は線を配路する為に見込む。この発明の
利点は、それが、縮小し続けるパッケージのはんだボー
ル又はランドの数を増やしながら、最適のバイア直径を
保持することが出来るようにし、こうしてデバイスの信
頼性を高めることである。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は集積回路デバイス
の分野に関する。更に具体的に言えば、この発明はパッ
ケージ基板の配路能力(routability)を高めると共に
デバイスの信頼性を高める為に、グリッド・アレイ(B
GA又はランド・グリッド・アレイ(LGA))のフッ
トプリントから電気接点のポピュレーションを選択的に
減らすモデル作成方法に関する。
【0002】
【従来の技術及び課題】最近数年間、全体的なコストの
削減及び小形化を併行的に押し進めることにより、非常
に小さいICパッケージという解決策が次第に強調され
るようになった。これは、カムコーダ及び移動電話機の
ような消費者向け最終装置に特に明らかである。正式の
定義があるにも係わらず、その面積がパッケージがカプ
セル封じしているIC面積と同様であるようなパッケー
ジは、大ざっぱにチップ規模パッケージ(CSP)と呼
ばれている。CSPは、色々な方法があるが、コストの
削減及び小形化の条件に対する理想的な解決策である。
これは、クワッド・フラット・パッケージに比べると大
幅に面積が縮小し、しかも余分のシステム・レベルのコ
ストをかけずに、そうすることが出来る能力が高まって
いる。最善の場合、CSPは端子当たりのコストを基準
とすると、今日クワッド・フラット・パッケージと競争
し得る。例えば、テキサス・インスツルメンツ社の種々
のCSPは、薄いクワッド・フラット・パッケージと互
角のコストで利用することが出来る。テキサス・インス
ツルメンツは、MicroStar BGA(図1参
照、商標)の名前で知られるポリイミド・ベース系列の
CSPを生産している。このCSP10は、他の大抵の
ものと同じく、パッケージ基板14と、パッケージをは
んだ付けするボードとの間の相互接続部として、はんだ
合金ボール12を用いている。このようなパッケージは
全てそうであるが、パッケージとボードの間に形成され
るはんだボールは、循環的な周囲温度条件に曝される
と、疲労を生じる。
【0003】JEDEC及びEIAJは細かいピッチの
BGA業界基準の文書作りを強めている。現在広く認め
られている最も細かいピッチ基準は、0.50mmピッ
チである。しかし、下記の理由で、0.50mmピッチ
のCSPが広く受け容れられること及び使用されること
は、未だごく限られている。 1)広範囲の供給業者からパッケージを入手することが
出来ない。 2)パッケージの信頼性データがなく、信頼性が消費者
市場の条件さえ満たさないという心配がある。 3)このような細かいピッチのパッケージを取付ける為
の印刷配線板(PCB)条件がごく厳しい。このような
ボードの利用可能度は限られており、多くの場合、PC
Bコストが一層高くなることは禁止的である。 4)このような細かいピッチのBGAを用いて製造する
ことに、大抵のSMT組立て作業の側に経験が不足して
いる。 5)0.50mmピッチのCSP部品のコストが、端子
当たりのコストを基準とすると、例えば、0.80mm
ピッチのCSPよりも本質的に高いという確信。勿論、
システム・コストの削減及び小形化という双子の目標を
満たさなければならないパッケージを首尾よく採用する
鍵は、パッケージの信頼性である。ボール・ピッチが小
さくなるにつれて、明細書の冒頭で述べたボール・ジョ
イントの疲労の現象がある為に、信頼性の仕様を満たす
ことがどんどん困難になる。はんだボールの寸法(容
積)及び形の両方が信頼性に影響する。このシステムの
最も弱いリンクは、はんだ継手内の断面積が最も小さい
点であるのが普通であり、これが図2に見られるような
バイア(28)である。
【0004】従って、CSP基板の設計に於ける最大の
問題は、このはんだバイアの直径を最適にすることであ
る。しかし、パッケージのボールの密度が増加するにつ
れて(一層細かいピッチで、より多くの行により多くの
ボールがあるようになると)、基板の配路密度も増加
し、パッケージの設計は本質的に信頼性が一層低いもの
につながる場合が多い。これを実証すると、信頼性に対
する現在の最適設計は、図3に示すが、次の通りであ
る。 ボール(12)ピッチ :500μm 線(30)/スペース :28/42μm バイア(32)の直径 :280μm はんだボール・パッド(34)の直径 :380μm NB。パッド寸法はバイア寸法+100μmである 信頼性に対する設計に基づくこういう最適規則による
と、隣接したボール(12)の間に1つのトレース又は
線(30)しか通せない。CSPパッケージでは、線又
はトレース(30)が各々のはんだボール・パッド(3
4)から基板(14)の外側の縁まで伸びなければなら
ない(例えば電解めっきを容易にする為)ので、これは
重要なことである。隣接したボールの間の線又はトレー
スを1本にするというこのような制約により、マトリク
ス形のボール・グリッド・アレイで実際に構成し得るボ
ールの総数が限定される。これは、どれだけの数のトレ
ース又は線が実際に基板の外面まで伸び出すことが出来
るかの限定があるからである。
【0005】図4は10×10mmのパッケージ本体の
上にある144個のボール(0.5mmピッチ)を持つ
普通のボール・フットプリント(3行のボールの規則的
なパターン)を示す。この稠密な配路を達成する為に
は、設計技術者は妥協しなければならない。典型的には
3つの選択がある。 1)接続用トレースに対する線/スペースの設計規則を
強める。これによってコスト増になったり、或いは基板
技術*の能力を超えることがある。 2)バイアの直径を縮小する。これははんだ継手の疲労
寿命を短くする。 3)ボール・パッドとバイアとの最小の重なりを小さく
する(図4参照)。これは、パッケージの耐湿性に影響
するので、信頼性にマイナスの影響がある。 *NB。線/スペース設計規則は、銅被膜の厚さを薄く
することによって改善することが出来る。ここで説明す
る原理は、任意の所定の金属被膜の厚さに対するパッケ
ージの信頼性を高める為に用いることが出来るので、こ
れはここでは論じない。配路密度を高めなければならな
い場合に当面したときの最も普通の妥協は、所定の基板
の技術に対して利用し得る線/スペース規則を使い、次
にボール・バイアの直径を縮小することである。これが
図5の例に示されており、図4のフットプリントに使わ
れる設計である。図5は3つの完全な行のボールに対す
る配路パターンを示す。ここで ボール(12)ピッチ :500μm 線(30)/スペース :28/42μm バイア(32)の直径 :218μm はんだボール・パッド(34)の直径 :318μm 従って、図4の場合(並びに同様に図5の場合も)、設
計技術者は2)の選択を選ぶ。隣接したボールの間に2
本のトレースを配路することが出来るようにする為、バ
イアの直径を280μmから218μmに縮めなければ
ならないが、これは280μmのバイア直径を要求する
最適設計規則の違反である。周知のように、このような
変形又は変更には信頼性に影響の大きい意味合いがあ
る。
【0006】
【課題を解決する為の手段及び作用】デバイスの信頼性
を改善する為にグリッド・アレイ・パッケージ(ボール
・グリッド・アレイ(BGA)又はランド・グリッド・
アレイ(LGA))の普通のフットプリントから選択的
にはんだ接点(並びにその夫々の接点パッド、バイア及
びトレース又は線)のポピュレーションを減らすモデル
作成方法と、このようなモデルによるBGA又はLGA
を説明する。このモデル作成方法は、ポピュレーション
を減らしたはんだ接点によって追加スペースとして生じ
た隙間を通るトレースの配路を、はんだ接点パッドか
ら、その上に半導体ダイ(20)を取付ける基板(1
4)の外面までトレース又は線を配路する為に見込む。
この発明の利点は、それが(例えば今の場合はエクセル
・スプレッドシートで)使い易いモデル作成方法とな
り、特定の本体寸法のデバイスで予め選ばれた数のボー
ルが可能であるかどうかを容易にユーザが予測すること
が出来るようにすることである。この発明に特有と考え
られる新規な特徴は、特許請求の範囲に説明してある
が、この発明自体並びにその他の特徴及び利点は、以下
添付図面について詳しく説明するところを参照すれば、
最もよく理解されよう。
【0007】
【実施例】フットプリントの設計を根本的に見直すと、
上に述べた多くの制約及び妥協を克服することが可能で
ある。選択的なボールのポピュレーション減らしの原理
を使うと、信頼性に対する最適設計規則に戻って、従来
のフットプリント設計のボール密度に合わせることが可
能になる。しかし、フットプリント設計の複雑さは今日
では著しく増大しており、これを取上げる為に利用し得
るソフトウエア設計の手段が今日存在しない(発明者の
知る限り)ので、特にそうである。図3に示すように、
280μmのバイア(32)は、隣接するボール(1
2)の間に1本のトレースしか許さない。しかし、(そ
れに関連するバイア(32)、はんだボール・パッド
(34)及びトレース又は線(30)を含めて)ボール
のポピュレーションを減らせば、この結果隣接する2つ
のボールの間に生じる隙間に、25μm規則の線/スペ
ース28/42を使うときは8本までのトレース又は線
(30)(又は18μm規則の線/スペース20/30
を使うときは13本までのトレース又は線(30)。こ
ういう数はこの他の規則−線/スペース数を選ぶときに
変わる)を配置することが出来る。このようにポピュレ
ーションを減らすボールを注意深く選ぶことにより、妥
協の設計規則(例えば、280μm未満のバイア直径)
を用いた従来のフットプリントに比較して、全体のボー
ルはそれより多くならないとしても、それと同じ数を最
適設計規則(最適のバイア直径)で配路することが可能
である。この設計の考えをSmart−Foot(商
標)と呼ぶ。図6は選択的なボールのポピュレーション
減らしを用いたフットプリント(38)を示す。具体的
に言うと、図6に示す選択的なボール・ポピュレーショ
ン減らしをしたフットプリント(38)が10×10m
mの本体(40)の上に151個のボールを有するTI
151 GHZ μStar BGA(商標)に対す
るフットプリントである。図7は、パッケージ設計技術
者が、特定の本体寸法に対して予め選ばれた数のボール
が実現可能であるかどうかを素早く決定することが出来
るようにするモデル作成方法を取入れたエクセル・スプ
レッドシートを示す。モデル作成方法が働く為には、予
め選ばなければならない(又はスプレッドシートの計算
規則に挿入しなければならない)あるパラメータと、設
計技術者が「途中で」入力することが出来る他のパラメ
ータとがある。例えば、図7の場合、n−1行にポピュ
レーション減らしして可能な最大のマトリクスである
0.50mmピッチが予め選ばれる。バイアの縁からの
金属の重なりである50μmのバイアキャップ規則も予
め選ばれる。本体寸法パラメータは、「途中で」設計技
術者が次に選ぶものである(図7の場合は10mm)。
マトリクス・パラメータも「途中で」選ばれる(図7の
場合は18)。ボール・ピッチは予め選ばれる(図7の
場合は500μm)。次に、埋めなければならない縦の
17列の情報があるが、その大部分は予め選ばれるもの
であるが、幾つかは「途中で」選ばれる。
【0008】列1は「行n−」列である。これは、選ば
れた本体寸法に対して考えられる行の少なくとも総数
(4辺)のリストであり、一番外側の(従って一番大き
な)行としての「行0」から始まり、一番内側(従って
最も小さい)としての「行n」まである。11行がリス
トに載っているが(0−10)、図7の場合は、9が利
用し得る最大である。行の総数が予め選ばれ、これは本
体寸法及び選ばれたマトリクスに応じて変化する。列2
は「ボール箇所/行」列である。列2は、各々の特定の
行に対して利用し得るボール箇所の考えられる総数をリ
ストしている。各行に対する数が最初に予め選ばれる
が、設計技術者によって「途中で」本体及びマトリクス
の数が変更されるとき、プログラムが自動的に数を変え
る。図7の場合(10mmの本体寸法及び18のマトリ
クス)、行0は利用し得る68個のボール箇所をリスト
する。この他の各々の行は、対応的に減少した数のボー
ル箇所をリストし、最後に行8は利用し得る4つのボー
ル箇所をリストする。スプレッドシートが基板の設計規
則を念頭に置いて設計されているから(その知識は当業
者が利用し得る)、こういう数はスプレッドシートによ
って変更されるのであって、デバイスの設計技術者によ
って変更されるのではない。列3は4辺を持つ行の「1
辺当たりのポピュレーション減らしをするボール」であ
る。これは設計技術者によって「途中で」選択される。
設計技術者は、各々の行でポピュレーション減らしの為
に、ボール箇所の総数の内、0から完全な1/4までを
選ぶことが出来る。列4は「行に残るボール」列であ
り、これは夫々の4辺を持つ行に残るボールの総数をリ
ストする。この数は、最初は、1辺当たりのポピュレー
ション減らしされるボールが0であると仮定して、夫々
の「ボール箇所/行」と同じに予め選ばれるが、スプレ
ッドシートが、設計技術者が「途中で」列3の数を変更
するのにつれて、この数を自動的に変更する。列5は
「縮小寸法のバイアの数/辺」である。この列の数は、
設計技術者によって予め選ばれ、標準寸法のバイアを持
つ各々の行では、0であるべきである。この数は設計規
則によって予め定まり、設計技術者が標準以外のバイア
寸法を予め選ばない限り、変わらない。列6は、「標準
バイア寸法(μm)」列である。この列の数字は、設計
技術者によって予め選ばれ、現在、標準本体は標準寸法
として280μmを選んでいる。設計技術者が別の標準
寸法を予め選ばない限り、これは変わらない。
【0009】列7は「縮小バイア寸法(μm)」列であ
る。この列の数字は、設計技術者によって予め選ばれ、
標準寸法バイアと共に縮小バイアを使う場合、設計技術
者は縮小寸法を予め選ばなければならない。縮小寸法バ
イアを選ばない場合、この数字は列6と同じままにすべ
きである。列8は「線幅(μm)」列である。この列の
数字は、設計技術者によって予め選ばれ、18μm銅規
則が選ばれる場合、列8の各行に入る数字は18であ
る。変更によって、25μm銅規則が選ばれる場合、2
8が列8の各行に入る数である。この発明は、線/スペ
ースに対して18μm及び25μm規則の2つの規則か
ら選ぶことを考えているが、この他の規則も使うことが
出来る。列9は「スペース幅(μm)」列である。この
列の数字は、設計技術者によって予め選ばれ、18μm
銅規則が選ばれる場合、列9の各行に入る数字は28で
ある。他方、25μm銅規則が選ばれる場合、列9の各
行に入る数は42である。この発明は、線/スペースに
対し例えば18μm及び25μm規則という2つの規則
から選ぶことを考えているが、この他の規則も使うこと
が使うことが出来る。列10は「標準バイアの間のトレ
ース」列である。この列の数字は、設計技術者によって
予め選ばれ、現在受け容れられている業界基準では、1
8μm線/スペース規則が選ばれる場合、2が予め選ば
れ、列10の各行に入れられる。他方、25μm線/ス
ペース規則が選ばれる場合、1が予め選ばれ、列10の
各行に入れられる。上に述べたように、この数字は、こ
の他の線/スペースに対し、又は業界基準が変わるとき
に、変わることがある。列12は「ポピュレーション減
らししたボール当たりのトレース」列である。この列の
数字は、設計技術者によって予め選ばれ、現在受け容れ
られている業界の間隔基準では、18μm規則が選ばれ
る場合、ポピュレーション減らししたボール当たり12
本までのトレースが可能である。25μm線/スペース
規則が選ばれる場合、ポピュレーション減らししたボー
ル当たり8本までのトレースが可能である。上に述べた
のと同様に、この数字は、この他の線/スペースに対
し、又は業界基準が変わるときに、変わることがある。
列13は「最大トレース(ボール内側)」列である。こ
れは、所定の行で(ポピュレーション減らしをしてもし
なくても)ボールの間に配置することが出来る金属トレ
ースの総数を計算する。これは、所定の行の内側の全部
の行の和に配置することが出来るボールの最大数に等し
い。
【0010】列14は「最大トレースOK?」列であ
る。これは、所定の列のボールの間に許容し得るトレー
スの数が、所定の行の内側の行の和に存在すると現在特
定されている全部のボールを収容するのに十分であるか
どうかを検査する。そうでなければ、−99999の警
告値が計算され、働かない解になる。この働かない解の
フラッグが出た場合、働き得る解が見つかるまで、列3
でより多くのボールのポピュレーション減らしを行うこ
とが出来る。列15は「可能な全部のボール」列であ
る。これは、列14の結果が働き得るものであれば、所
定の行にあるボールの数を示す。そうでなければ、それ
は0の値を示し、この後、「合計」セルに働かない合計
(0)を表示する。列16は「内側の実際のボール」列
である。これは所定の行の内側に現在存在するボールの
総数を示す。これに対して、列13に示されるのは、理
論的に可能な最大ボールである。実際が理論的な最大値
より小さい場合、これは働き得る解であることを示し、
それを使って列17の理論と実際の間の差を計算する。
列17は「デルタ」列である。これは、所定の行の内側
の実際のボールと、所定の行の内側で可能なボールの理
論的な最大数との間の差を計算する。0に近ければ近い
程、配路が一層困難になると考えられる。
【0011】一旦全ての「予め選ばれた」パラメータが
スプレッドシートに入力されたら、設計技術者は、設計
技術者が選んだボール・グリッド・パターンの実現可能
性を予測する為に、「本体」、「マトリクス」及び「1
辺当たりのポピュレーション減らしをするボール(列
3)」に「途中で」数を入力し、数を変更することが自
由に出来る。ボールの総数に対して正の数が出てくれ
ば、設計技術者によって選ばれたパターンは可能であ
る。しかし、ボールの総数に“0”が出てくれば、設計
技術者によって選ばれたパターンは、予め選ばれた設計
パラメータを使っては不可能である。図7に戻って、T
I 151 GHZμStar BGA(商標)パッケ
ージに対するモデル作成は、(ダイの寸法と顧客の寸法
制限要請の組合せに基づいて)10×10mmの本体の
選択から始められた。次に、18(18×18)のボー
ル・グリッド・マトリクスが選ばれた。各々の有効なダ
イ・パッドに対するトレース又は線が基板の外面まで伸
びなければならないが、全ての0.28mm直径のバイ
アの間には全てのトレースを収容する場所がないから、
最適設計規則を使って、324個のボールを持つ完全な
18×18ボール・グリッド・アレイ(又はその点では
実質的な寸法を持つ他のどのグリッド)を利用すること
は出来ないことが、これまでの説明から思い出されよ
う。こつは、所望のフットプリントに達する為に、どの
ボールのポピュレーション減らしをするかを知能的に決
めることである。従って、図6及び8の実施例では、2
80μmの標準寸法バイアと28μmの線幅を使い、こ
れによって標準バイアの間に1本のトレース、そしてポ
ピュレーション減らししたバイアがその間にある2つの
バイアの間に8本までのトレースが取れる。
【0012】上に述べた判断基準を使うと、(同一の4
辺を持つ)グリッド上での一番外側の行(行0)は、最
大の可能性として68個のボール箇所を持ち、一番外側
の行の4辺の各々で6つのボールをポピュレーション減
らしし、その結果、行0には総数44個のボールが残
る。グリッドの次の行(行1)は最大の可能性として6
0個のボール箇所を持ち、この行の4辺の各々で14個
のボールをポピュレーション減らしし、その結果総数4
個のボールが行1に残る。グリッドの次の行(行2)は
最大の可能性として52個のボール箇所を持ち、この行
の4辺の各々でポピュレーション減らしするボールは0
であり、この結果、総数52個のボールが行2に残る。
グリッドの次の行(行3)が最大の可能性として44個
のボール箇所を持ち、この行の4辺の各々でポピュレー
ション減らしするボールは0であり、この結果、総数4
4のボールが行3に残る。グリッドの次の行(行4)は
最大36個のボール箇所を持ち、この行の4辺の各々で
7個のボールがポピュレーション減らしされ、その結果
総数8個のボールが行4に残る。ボールの追加の行は選
ばなかった。全てのボールを加算すると、このフットプ
リントの選択結果を示す図7に見られるように、パッケ
ージは152個のボール(行0の左下隅のボールをポピ
ュレーション減らしするとき、151個のボールに減
る)を持つフットプリントを持つ。この例では、実際に
選ばれた151個のボールは、この発明の選択的なポピ
ュレーション減らしを使って10×10mmパッケージ
で求めることが出来る最大又は最小ではない。それで
も、151個のボールは、最適280μmのバイア寸法
を必要とする従来のフットプリント設計方式を使って1
0×10mmパッケージで求めることが出来るボールの
数よりも実質的に多い。図8は、切断線1−1で切った
図6のフットプリントの一例の配路パターンを示す。ス
プレッドシートは実際には、必要な場合、(行0−5
で、夫々6個、5個、4個、2個及び1個のボールをポ
ピュレーション減らしすることにより)280μmのバ
イアで、248個までのボールの配路をすることが出来
ることを示している。
【0013】図9は、選択的なボールのポピュレーショ
ン減らしを用いた別のフットプリント(41)を示す。
更に具体的に言うと、図9に示す選択的なボールのポピ
ュレーション減らしのフットプリント(41)は、10
×10mmの本体(40)上に240個のボールを有す
るTI 240 GHZ μStar BGA(商標)
パッケージに対するフットプリントである。TI 24
0 GHZ μStar BGA(商標)パッケージの
モデル作成は、(ダイの寸法及び顧客の寸法制限の要請
の組合せに基づいて)10×10mmの本体を選ぶこと
から始まった。次に、17(17×17)のボール・グ
リッド・マトリクスを選んだ。図9の実施例では、28
0μmの標準寸法バイア及び(現在の最適設計規則より
小さい)18μmの線幅を用いており、これによって標
準バイアの間に2本のトレース、及びポピュレーション
減らししたバイアがその間にある2つのバイアの間に1
2本までのトレースがとれる。
【0014】上に示した判断基準を使うと、(同一の4
辺を持つ)グリッド上の一番外側の行(行0)は最大の
可能性として64個のボール箇所を持ち、一番外側の行
の4辺の各々で3つのボールがポピュレーション減らし
され、その結果総数52個のボールが行0に対して残
る。グリッドの次の行(行1)は最大の可能性として5
6個のボール箇所を持ち、行の4辺の各々で2つのボー
ルがポピュレーション減らしされ、その結果総数48個
のボールが行1に対して残る。グリッドの次の行(行
2)が最大の可能性として48個のボール箇所を持ち、
行の4辺の各々で2つのボールをポピュレーション減ら
しして、その結果総数40個のボールが行2に残る。グ
リッドの次の行(行3)は最大の可能性として40個の
ボール箇所を持ち、行の4辺の各々で1つのボールをポ
ピュレーション減らしし、その結果総数36個のボール
が行3で残る。グリッドの次の行(行4)は最大32個
のボール箇所を持ち、行の4辺の各々でポピュレーショ
ン減らしするボールは0であり、その結果総数32個の
ボールが行4に残る。グリッドの次の行(行5)は最大
の可能性として24個のボール箇所を持ち、行の4辺の
各々でポピュレーション減らしするボールは0であり、
その結果総数24個のボールが行5に残る。グリッドの
次の行(行6)は最大の可能性として16個のボール箇
所を持ち、行の4辺の各々で4つのボールがポピュレー
ション減らしされ、その結果行6に残るボールの総数は
0である。グリッドの次の行(行7)は最大8個のボー
ル箇所を持ち、行の4辺の各々でポピュレーション減ら
しされるボールは0であり、その結果総数8個のボール
が行7に残る。この他のボールの行は選ばれなかった。
全部のボールを加算すると、このフットプリントに対す
る選択の結果を示す図10に見られるように、パッケー
ジは240個のボールを持つフットプリントを有する。
上に述べた151個のボールのフットプリントの例のよ
うに、実際に選ばれた240個のボールは、この発明の
選択的なポピュレーション減らしを使って10×10m
mパッケージに対して求めることが出来る最大又は最小
ではない。前と同じく、240個のボールは、最適の2
80μmのバイア寸法を必要とする従来のフットプリン
ト設計方法を用いて、10×10mmパッケージで求め
ることが出来るよりも、実質的に多い。
【0015】図11は、選択的なボールのポピュレーシ
ョン減らしを用いた更に別のフットプリント(43)を
示す。更に具体的に言うと、図11に示す選択的なボー
ルのポピュレーション減らしをしたフットプリント(4
3)は、12×12mmの本体(45)の上に288個
のボールを有するTI 288 GZG μStarB
GA(商標)パッケージに対するフットプリントであ
る。このTI 288GZG μStar BGA(商
標)パッケージのモデル作成は、(ダイの寸法及び顧客
の寸法制限の要請の組合せに基づいて)12×12mm
の本体を選ぶことから始まった。次に、21(21×2
1)のボール・グリッド・マトリクスを選んだ。図11
の実施例では、280μmの標準寸法バイア及び(現在
の最適設計規則より小さい)18μmの線幅を用いてお
り、これによって、標準バイアの間に2本のトレース、
そしてポピュレーション減らししたバイアがその間にあ
る2つのバイアの間に12本までのトレースがとれる。
上に示した判断基準を使うと、(同一の4辺を持つ)グ
リッド上の一番外側の行(行0)は最大の可能性として
80個のボール箇所を持ち、一番外側の行の4辺の各々
で8つのボールがポピュレーション減らしされ、その結
果総数48個のボールが行0に対して残る。グリッドの
次の行(行1)は最大の可能性として72個のボール箇
所を持ち、行の4辺の各々で1つのボールがポピュレー
ション減らしされ、その結果総数68個のボールが行1
に対して残る。グリッドの次の行(行2)が最大の可能
性として64個のボール箇所を持ち、行の4辺の各々で
ポピュレーション減らしするボールは0であり、その結
果総数64個のボールが行2に残る。グリッドの次の行
(行3)は最大の可能性として56個のボール箇所を持
ち、行の4辺の各々でポピュレーション減らしされるボ
ールは0であり、その結果総数56個のボールが行3で
残る。グリッドの次の行(行4)は最大の可能性として
48個のボール箇所を持ち、行の4辺の各々で12個の
ボールがポピュレーション減らしされ、その結果行4で
残るボールの総数は0である。グリッドの次の行(行
5)は最大の可能性として40個のボール箇所を持ち、
行の4辺の各々で10個のボールがポピュレーション減
らしされ、その結果行5で残るボールの総数は0であ
る。グリッドの次の行(行6)は最大の可能性として3
2個のボール箇所を持ち、行の4辺の各々で1つのボー
ルがポピュレーション減らしされ、その結果総数28個
のボールが行6に残る。グリッドの次の行(行7)は最
大の可能性として24個のボール箇所を持ち、行の4辺
の各々でポピュレーション減らしされるボールは0であ
り、その結果総数24個のボールが行7に残る。グリッ
ドの次の行(行8)は最大の可能性として16個のボー
ル箇所を持ち、行の4辺の各々で4つのボールがポピュ
レーション減らしされ、その結果行8で残るボールの総
数は0である。グリッドの次の行(行9)は最大8個の
ボール箇所を持ち、行の4辺の各々で2つのボールがポ
ピュレーション減らしされ、その結果、行9に残るボー
ルの総数は0である。この他のボールの行は選ばれなか
った。全部のボールを加算すると、このフットプリント
に対する選択の結果を示す図12に見られるように、パ
ッケージは288個のボールを持つフットプリントを有
する。実際に選ばれた288個のボールは、この発明の
選択的なポピュレーション減らしを使って12×12m
mパッケージに対して求めることが出来る最大又は最小
ではない。上に述べたのと同じく、288個のボール
は、最適の280μmのバイア寸法を必要とする従来の
フットプリント設計方法を用いて、12×12mmパッ
ケージで求めることが出来るよりも、実質的に多い。
【0016】図13は、選択的なボールのポピュレーシ
ョン減らしを用いた更に別のフットプリント(47)を
示す。更に具体的に言うと、図11に示す選択的なボー
ルのポピュレーション減らしをしたフットプリント(4
7)は、12×12mmの本体(45)の上に240個
のボールを有するTI 240 GZG μStarB
GA(商標)パッケージに対するフットプリントであ
る。このTI 240GZG μStar BGA(商
標)パッケージのモデル作成は、(ダイの寸法及び顧客
の寸法制限の要請の組合せに基づいて)12×12mm
の本体を選ぶことから始まった。次に、21(21×2
1)のボール・グリッド・マトリクスを選んだ。図13
の実施例では、280μmの標準寸法バイア及び(現在
の最適設計規則より小さい)18μmの線幅を用いてお
り、これによって、標準バイアの間に2本のトレース、
そしてポピュレーション減らししたバイアがその間にあ
る2つのバイアの間に12本までのトレースがとれる。
【0017】上に示した判断基準を使うと、(同一の4
辺を持つ)グリッド上の一番外側の行(行0)は最大の
可能性として80個のボール箇所を持ち、一番外側の行
の4辺の各々で8個のボールがポピュレーション減らし
され、その結果総数48個のボールが行0に対して残
る。グリッドの次の行(行1)は最大の可能性として7
2個のボール箇所を持ち、行の4辺の各々で1つのボー
ルがポピュレーション減らしされ、その結果総数68個
のボールが行1に対して残る。グリッドの次の行(行
2)が最大の可能性として64個のボール箇所を持ち、
行の4辺の各々で2つのボールをポピュレーション減ら
しし、その結果総数56個のボールが行2に残る。グリ
ッドの次の行(行3)は最大の可能性として56個のボ
ール箇所を持ち、行の4辺の各々で4つのボールをポピ
ュレーション減らしし、その結果総数40個のボールが
行3で残る。グリッドの次の行(行4)は最大の可能性
として48個のボール箇所を持ち、行の4辺の各々で1
2個のボールがポピュレーション減らしされ、その結果
行4で残るボールの総数は0である。グリッドの次の行
(行5)は最大の可能性として40個のボール箇所を持
ち、行の4辺の各々で10個のボールがポピュレーショ
ン減らしされ、その結果行5で残るボールの総数は0で
ある。グリッドの次の行(行6)は最大の可能性として
32個のボール箇所を持ち、行の4辺の各々で1つのボ
ールがポピュレーション減らしされ、その結果総数28
個のボールが行6に残る。グリッドの次の行(行7)は
最大の可能性として24個のボール箇所を持ち、行の4
辺の各々で6つのボールをポピュレーション減らしし、
その結果行7に残るボールの総数は0である。グリッド
の次の行(行8)は最大の可能性として16個のボール
箇所を持ち、行の4辺の各々で4つのボールがポピュレ
ーション減らしされ、その結果行8で残るボールの総数
は0である。グリッドの次の行(行9)は最大の可能性
として8個のボール箇所を持ち、行の4辺の各々で2つ
のボールがポピュレーション減らしされ、その結果、行
9に残るボールの総数は0である。この他のボールの行
は選ばれなかった。全部のボールを加算すると、このフ
ットプリントに対する選択の結果を示す図14に見られ
るように、パッケージは240個のボールを持つフット
プリントを有する。実際に選ばれた240個のボール
は、この発明の選択的なポピュレーション減らしを使っ
て12×12mmパッケージに対して求めることが出来
る最大又は最小ではない。上に述べたのと同じく、24
0個のボールは、最適の280μmのバイア寸法を必要
とする従来のフットプリント設計方法を用いて、12×
12mmパッケージで求めることが出来るよりも、実質
的に多い。
【0018】図15は、選択的なボールのポピュレーシ
ョン減らしを用いた更に別のフットプリント(49)を
示す。更に具体的に言うと、図15に示す選択的なボー
ルのポピュレーション減らしをしたフットプリント(4
9)は、12×12mmの本体(45)の上に256個
のボールを有するTI 256 GZG μStarB
GA(商標)パッケージに対するフットプリントであ
る。このTI 256GZG μStar BGA(商
標)パッケージのモデル作成は、(ダイの寸法及び顧客
の寸法制限の要請の組合せに基づいて)12×12mm
の本体を選ぶことから始まった。次に、21(21×2
1)のボール・グリッド・マトリクスを選んだ。図15
の実施例では、280μmの標準寸法バイア及び(現在
の最適設計規則より小さい)18μmの線幅を用いてお
り、これによって、標準バイアの間に2本のトレース、
そしてポピュレーション減らししたバイアがその間にあ
る2つのバイアの間に12本までのトレースがとれる。
上に示した判断基準を使うと、(同一の4辺を持つ)グ
リッド上の一番外側の行(行0)は最大の可能性として
80個のボール箇所を持ち、一番外側の行の4辺の各々
で8個のボールがポピュレーション減らしされ、その結
果、総数48個のボールが行0に対して残る。グリッド
の次の行(行1)は最大の可能性として72個のボール
箇所を持ち、行の4辺の各々で1つのボールがポピュレ
ーション減らしされ、その結果、総数68個のボールが
行1に対して残る。グリッドの次の行(行2)は最大の
可能性として64個のボール箇所を持ち、行の4辺の各
々でポピュレーション減らしされるボールは0であり、
その結果、総数64個のボールが行2に残る。グリッド
の次の行(行3)は最大の可能性として56個のボール
箇所を持ち、行の4辺の各々で2つのボールをポピュレ
ーション減らしし、その結果、総数48個のボールが行
3で残る。グリッドの次の行(行4)は最大の可能性と
して48個のボール箇所を持ち、行の4辺の各々で12
個のボールがポピュレーション減らしされ、その結果、
行4で残るボールの総数は0である。グリッドの次の行
(行5)は最大の可能性として40個のボール箇所を持
ち、行の4辺の各々で10個のボールがポピュレーショ
ン減らしされ、その結果行5に残るボールの総数は0で
ある。グリッドの次の行(行6)は最大の可能性として
32個のボール箇所を持ち、行の4辺の各々で1つのボ
ールがポピュレーション減らしされ、その結果、総数2
8個のボールが行6に残る。グリッドの次の行(行7)
は最大の可能性として24個のボール箇所を持ち、行の
4辺の各々で6つのボールをポピュレーション減らし
し、その結果、行7に残るボールの総数は0である。グ
リッドの次の行(行8)は最大の可能性として16個の
ボール箇所を持ち、行の4辺の各々で4つのボールがポ
ピュレーション減らしされ、その結果、行8に残るボー
ルの総数は0である。グリッドの次の行(行9)は最大
の可能性として8個のボール箇所を持ち、行の4辺の各
々で2つのボールがポピュレーション減らしされ、その
結果、行9に残るボールの総数は0である。この他のボ
ールの行は選ばれなかった。全部のボールを加算する
と、このフットプリントに対する選択の結果を示す図1
6に見られるように、パッケージは256個のボールを
持つフットプリントを有する。実際に選ばれた256個
のボールは、この発明の選択的なポピュレーション減ら
しを使って、12×12mmパッケージに対して求める
ことが出来る最大又は最小ではない。上に述べたのと同
じく、256個のボールは、最適の280μmのバイア
寸法を必要とする従来のフットプリント設計方法を用い
て、12×12mmパッケージで求めることが出来るよ
りも、実質的に多い。
【0019】表1は、従来のフットプリント及び「スマ
ート・フットプリント」の両方に対して為されたボード
・レベルの信頼性(BLR)試験の結果を示す。信頼性
に対するダイ寸法の依存性が強い為、両方の場合のダイ
は一定に保った(6.0×6.0mm)。パッケージの
信頼性に焦点を合わせる為、継手のパッケージ側の故障
だけを報告する。従来のパッケージ及び「Smart−
Foot」(商標)パッケージのボード・レベルの信頼
この試験に用いられたこの他の設計及び試験の特徴は次
の通りである。 温度範囲 :−40/125℃ 傾斜時間 :2−5分 停留時間 :11−13分 ボード・ランドの形式 :銅、Ni/Auめっき ボード材料 :FR4 ボードの厚さ :0.80mm ランドの設計 :はんだマスク定めず ランドの直径 :0.20mm* *最適直径は0.25−0.30mmである。この試験の為に調達したボードは 、元の仕様に合わなかった。
【0020】ここで提案した解決策のモデルを作ること
が出来ることは、新しいパッケージを素早く市場に持ち
込む点で測りしれない価値がある。TI 151 CS
P「Smart−Foot」(商標)パッケージは、ど
んな新しいツールも使わずに、2次元有限要素解析ツー
ルを用いてモデルを作成した。このモデルは、この提案
による信頼性の利点を前もって確認した。151ボール
CSP「Smart−Foot」(商標)パッケージ
は、モデルの予測通りに、信頼性があることを証明した
ばかりでなく、全ての信頼性試験に始めて合格した。図
17は、ダイ寸法の関数として、両方のパッケージに対
する最悪の場合の弾性歪み予測を示しており、「Sma
rt−Foot」(商標)パッケージの場合、歪みがず
っと少ないことをはっきりと示している。無線送受話器
用の注文製DSPは、144個の接点を持つパッケージ
を使う場合が多い。144 TQFPパッケージは、こ
ういう用途に対する需要の大きいパッケージであった。
明細書の前文に述べたように、従来のQFPパッケージ
の寸法を同等のチップ規模パッケージまで縮小する必要
が明確にあった。この為、144 CSPが必要であっ
た。12×12mmの本体を持ち、0.80mmのボー
ル・ピッチを有する144 CSPを開発したが、19
97年以降、需要が高いCSPであった。パッケージの
一層の縮小が必要になった場合、10×10mmの本体
寸法で0.50mmピッチ版を開発する必要性が出てく
る。今日、0.50mmピッチを持つ10×10mmの
本体を持つパッケージは、従来のフットプリント及び
「Smart−Foot」(商標)フットプリントの両
方で利用出来る。
【0021】本体が一層小さいパッケージに対する要求
が続くとき、この発明が辿った経路に続く一層のパッケ
ージの設計が視野に入っている。既に、12×12mm
及び13×13mmの本体を持つ「Smart−Foo
t」(商標)パッケージが、全体のボール数が更に大き
い用途向けに設計中である。パッケージ設計に対する幾
らかの「注文製」方式で、色々な批判に先手を打つこと
ができる。 1)「Smart−Foot」(商標)パッケージは外
観が普通と異なり、他の売主が提供するフットプリント
と合致しないという批判。幸いなことに、無線の用途が
大量である為、幾らかの「注文製」のフットプリント
は、信頼性の利点の点で容易に正当化される。 2)このような普通とは違うボードの配路能力が問題に
なるかもしれないという批判。実際には、「Smart
−Foot」(商標)フットプリントの配路は、拡がっ
た形式の為に、実際には一層容易であり得るから、この
方式ではシステム・コストに余分の負担がかかることが
ない。240及び304個のボールのような一層大きな
パッケージの場合、ボードの配路能力が劣化しないよう
に保証する為に余計な注意が必要であるが、こういうこ
とを達成するのは容易である。 3)パッケージ・コストが一層高くなるであろうという
批判。設計サイクルが一層長くなることを別とすると、
「Smart−Foot」(商標)パッケージのコスト
は、従来のフットプリントを持つパッケージと同じであ
る。組立て過程は同一である。使われるパッケージ材料
は両方の場合、同じである。更に、「Smart−Fo
ot」(商標)が(普通の1つの金属層の代わりに、例
えば2つの金属層を必要とする)一層コストの高い基板
材料を使わずに済む例がある。 4)上に述べた配路能力の他に、この他の余分のシステ
ム・コストがかかるかもしれないという批判。信頼性が
不適切なCSPは、パッケージの不適切さを埋め合わせ
る為の特徴を追加することをボード組立て装置に必要と
するのが普通である。通常、これは、部品とボードの間
に接着剤を使う方法である「下埋め」過程を用いる。こ
の接着剤がはんだボールから応力を軽減し、それをパッ
ケージの下方にある表面積全体に亙って分配する。これ
は有効な方法であるが、かなりのコスト増になる。「S
mart−Foot」(商標)のような信頼性が一層高
い解決策を使うことにより、システム・レベルのコスト
を節約することが出来る。
【0022】結論として、「Smart−Foot」
(商標)パッケージを用いたパッケージ設計への革新的
な方式を取ることにより、幾つかの利点を提供すること
が出来る。 1)ボード・レベルの信頼性が従来の設計の2−3倍に
改善される。 2)下埋めのような余分の過程を避けることにより、コ
スト節約の可能性がある。 3)パッケージ、顧客のボード又は顧客の方法に余分の
コストを生じない。
【0023】以上の説明に関し、更に以下の項目を開示
する。 (1) デバイスの信頼性を改善する為に、グリッド・
アレイ・パッケージの普通のフットプリントから、はん
だボール及び夫々のはんだボール・パッド、バイア、及
びトレース又は線のポピュレーションを選択的に減らす
モデル作成方法。 (2) 第1項に記載のモデル作成方法に於て、前記方
法が、選択的にポピュレーションを減らした接点及び夫
々の接点パッド、バイア及びトレース又は線を持つグリ
ッド・アレイに対する選ばれたフットプリントの実現性
を予測する為にスプレッドシートを利用するモデル作成
方法。 (3) 第1項に記載のモデル作成方法に於て、前記方
法が、選択的にポピュレーションを減らした接点及び夫
々の接点パッド、バイア及びトレース又は線を持つグリ
ッド・アレイの選ばれたフットプリントの実現性を予測
する為に自動化過程を利用するモデル作成方法。 (4) 第1項乃至第3項に記載のモデル作成方法に於
て、前記方法のユーザが、前記グリッド・アレイ・パッ
ケージの基板の見込み本体寸法を選択的に変えることが
出来るモデル作成方法。 (5) 第1項乃至第4項に記載のモデル作成方法に於
て、前記方法のユーザが、前記ボール・グリッド・アレ
イ・パッケージの接点箇所の見込みマトリクスを選択的
に変えることが出来るモデル作成方法。 (6) 第1項乃至第5項に記載のモデル作成方法に於
て、前記方法のユーザが、選ばれたグリッド・アレイ・
パッケージの接点箇所の総数に影響を与える為に、行の
各々の側からポピュレーションを減らすことを見込むボ
ールの数を選択的に変えることが出来るモデル作成方
法。 (7) 第1項乃至第6項に記載のモデル作成方法に於
て、前記グリッド・アレイ・パッケージがボール・グリ
ッド・パッケージであるモデル作成方法。 (8) 第1項乃至第7項に記載のモデル作成方法を用
いて製造された製品。
【0024】(9) デバイスの信頼性を改善する為
に、グリッド・アレイ・パッケージの普通のフットプリ
ントから電気接点及びその夫々のバイアのポピュレーシ
ョンを選択的に減らすモデル作成方法。
【0025】(10) 第9項に記載のモデル作成方法
に於て、前記方法が、接点及び夫々の接点パッド、バイ
ア及びトレース又は線のポピュレーションを選択的に減
らしたグリッド・アレイに対する選ばれたフットプリン
トの実現性を予測する為にスプレッドシートを用いるモ
デル作成方法。 (11) 第9項に記載のモデル作成方法に於て、接点
及び夫々の接点パッド、バイア及びトレース又は線のポ
ピュレーションを選択的に減らしたグリッド・アレイに
対する選ばれたフットプリントの実現性を予測する為に
自動化過程を利用するモデル作成方法。 (12) 第9項乃至第11項に記載のモデル作成方法
に於て、前記方法のユーザが、前記グリッド・アレイ・
パッケージの基板の見込み本体寸法を選択的に変えるこ
とが出来るモデル作成方法。 (13) 第9項乃至第12項に記載のモデル作成方法
に於て、前記方法のユーザが、前記ボール・グリッド・
アレイ・パッケージの接点箇所の見込みマトリクスを選
択的に変えることが出来るモデル作成方法。 (14) 第9項乃至第13項に記載のモデル作成方法
に於て、前記方法のユーザが、選ばれたグリッド・アレ
イ・パッケージの接点箇所の総数に影響を与える為に、
行の各々の側からポピュレーションを減らすことを見込
む電気接点の数を選択的に変えることが出来るモデル作
成方法。 (15) 第9項乃至第14項に記載のモデル作成方法
に於て、前記グリッド・アレイ・パッケージがボール・
グリッド・アレイ・パッケージであるモデル作成方法。 (16) 第15項に記載のモデル作成方法に於て、前
記グリッド・アレイ・パッケージがランド・グリッド・
アレイ・パッケージであるモデル作成方法。 (17) 第15項に記載のモデル作成方法を用いて製
造された製品。
【0026】(18) デバイスの信頼性を改善する為
に、ボール・グリッド・アレイ(BGA)パッケージ又
はランド・グリッド・アレイ(LGA)パッケージの従
来のフットプリントから選択的にはんだボール(12)
(並びにその夫々のはんだボール・パッド(34)、バ
イア(32)、及びトレース又は線(30))のポピュ
レーションを減らしモデル作成方法。このモデル作成方
法は、ポピュレーション減らしをしたはんだボール又は
ランドによって追加スペースとして生じた隙間を通るト
レースの配路を、はんだボール又はランド・パッドか
ら、その上に半導体ダイ(20)が取付けられる基板
(14)外面までトレース又は線を配路する為に見込
む。この発明の利点は、それが、縮小し続けるパッケー
ジのはんだボール又はランドの数を増やしながら、最適
のバイア直径を保持することが出来るようにし、こうし
てデバイスの信頼性を高めることである。
【図面の簡単な説明】
【図1】ボール・グリッド・アレイ(BGA)パッケー
ジの分解断面図。
【図2】印刷配線板(PWB)の上に取付けられたボー
ル・グリッド・アレイ(BGA)パッケージの断面図。
【図3】バイア、はんだボール・パッド及びトレース又
は線に対する現在の最適設計を示す。
【図4】現在の最適設計規則を犠牲にして達成すること
が出来る従来のボール・グリッド・アレイ・フットプリ
ントを示す。
【図5】図4のボール・グリッド・アレイ・フットプリ
ントに於けるボールの完全な3行に対する配路パターン
を示す。
【図6】この発明の1実施例による、選択的なボールの
ポピュレーション減らしを用いたボール・グリッド・ア
レイ・フットプリントを示す。
【図7】図5及び6のボール・グリッド・アレイ・フッ
トプリントに対するモデル作成結果を示す。
【図8】図6のフットプリントの一部分の配路パターン
を示す。
【図9】この発明の別の実施例による、選択的なボール
のポピュレーション減らしを用いたボール・グリッド・
アレイ・フットプリントを示す。
【図10】図9のボール・グリッド・アレイ・フットプ
リントに対するモデル作成結果を示す。
【図11】この発明の更に別の実施例による、選択的な
ボールのポピュレーション減らしを用いたボール・グリ
ッド・アレイ・フットプリントを示す。
【図12】図11のボール・グリッド・アレイ・フット
プリントに対するモデル作成結果を示す。
【図13】この発明の更に別の実施例による、選択的な
ボールのポピュレーション減らしを用いたボール・グリ
ッド・アレイ・フットプリントを示す。
【図14】図13のボール・グリッド・アレイ・フット
プリントに対するモデル作成結果を示す。
【図15】この発明の更に別の実施例による、選択的な
ボールのポピュレーション減らしを用いたボール・グリ
ッド・アレイ・フットプリントを示す。
【図16】図15のボール・グリッド・アレイ・フット
プリントに対するモデル作成結果を示す。
【図17】ダイの寸法の関数として、従来のボール・グ
リッド・アレイ並びに選択的にポピュレーション減らし
したボール・グリッド・アレイ・パッケージに対する最
悪の場合の弾性歪みの予測を示す。
【符号の説明】
30 トレース又は線 32 バイア 34 はんだボール・パッド

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 デバイスの信頼性を改善する為に、グリ
    ッド・アレイ・パッケージの普通のフットプリントか
    ら、はんだボール及び夫々のはんだボール・パッド、バ
    イア、及びトレース又は線のポピュレーションを選択的
    に減らすモデル作成方法。
JP2000287159A 1999-09-22 2000-09-21 電気的接点のポピュレーションを選択的に減らすモデル作成方法 Abandoned JP2001160602A (ja)

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