JP2004538640A - 高周波ボンドワイヤ振動の減衰 - Google Patents

高周波ボンドワイヤ振動の減衰 Download PDF

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Abstract

複数の導線および電気部品が、基板上に配置されている。電気部品は、複数のボンドワイヤによって基板上の導線に接続される複数のリード線を有する。減衰材料は、複数のボンドワイヤと接触して位置し、減衰材料は、複数のボンドワイヤが減衰材料に関連して移動できるように選択される。減衰材料は、基板に取り付けられる格納蓋によってボンドワイヤと接触するよう保たれる粘性液体であり得る。あるいは、減衰材料は、液体またはエラストマーを含むコロイド混合物であり得る。

Description

【背景技術】
【０００１】
本発明は、電気回路アセンブリの分野、より具体的には、様々な回路部品端子および/または導体を電気的に接続するワイヤを用いる電気回路アセンブリに関する。
【０００２】
集積回路は、通信から家庭用電化製品までにわたる産業において様々な用途を有する。典型的な集積回路は、しばしばチップと呼ばれる、１つ以上の半導体デバイスをシリコンウエハ上に組み立てることによって形成される。このチップは、プリント回路基板（ＰＣＢ）または他のキャリヤーに載置することに適し得る熱伝導性基板に、より大きな電気回路アセンブリの一部として取り付けられる。保護カバーは、チップおよび基板上に固定され得、電気的な接続リード線は、蓋の下から伸び、これにより集積回路パッケージを形成する。パッケージのリード線は、チップの共通端子をＰＣＢ上に位置する他の回路要素に接続する。
【０００３】
集積回路パッケージのリード線とチップ上の接続端子との間の、ならびに同じチップ上またはチップ間の接続端子の間の電気的な接続は、しばしば接触点の間、例えば、絶縁構造またはパスを「ジャンプする」、ワイヤを用いて行われる。そのような導電性ワイヤは、通常非常に小さく、典型的には４分の１ミリメートル以下の直径を有する。ワイヤは、熱音波および超音波のボンディングおよびはんだ付けを含む当該分野で周知の様々な技術を用いて、接触端子またはリード線にボンドされる。そのようなワイヤは、本明細書中で「ボンドワイヤ」といわれる。
【０００４】
例えば、航空宇宙、自動車および高周波数無線通信に適用される電気アセンブリは、激しい振動の下におかれ得る。小さな直径のために、ボンドワイヤは、高周波数のこのような振動に特に敏感である。十分な周期数を経て、ボンドワイヤがリード線または接続端子に接続するボンドパッドを含むボンドワイヤは、材料が変形する場合に生じる疲労破壊のために損傷し得る。疲労から材料が破壊するまでの周期数は、変形が低減するにつれて増加する。
【０００５】
熱応力による低周期の疲労損傷を防げる１つの手法は、米国特許第５，９３０，６０４号および第５，８０８，３５４号に記載されるように、エポキシを用いてワイヤを被包することを含み、ワイヤの回避動作および隣接するボンドワイヤ間のショートを回避することを完了する。被包材料は、接合線を含むアセンブリ上に注がれ、ワイヤが不動にするように固められる。この技術はいくつかの不利な点を有する。例えば、ワイヤおよびそれぞれのボンドパッドは、被包材料およびチップを形成する材料の熱膨張係数の違いによる熱応力を受ける。また、そのようなチップを形成する方法は、応力を集中させ、且つ初期故障を起こす材料内に空隙または気泡を作り得る。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
（発明の要旨）
本発明は、ワイヤを不動にする従来技術によって、ワイヤのいくつかの動きが、熱ストレスを軽減し、且つ他の問題を避けることを可能にしながら、振動に応答しながら接合線の機械変形を低減することによって、高周波数振動による電気アセンブリおよび集積回路パッケージ内のボンドワイヤの破壊を低減することを目的とする。
【０００７】
１つの実施形態において、例えば、ＬＤＭＯＳパワートランジスタのゲートおよびドレイン端子のような電気部品の端子は、それぞれ複数のボンドワイヤによって、部品が載る基板から伸びる入出力リード線に接続される。ボンドワイヤの動きを抑制するように、しかし減衰材料に関連して動くことが可能であるように選択される減衰材料は、接続線を包囲する。制限しない実施例を用いて、減衰材料は様々なコロイド混合物であり、しかし、おそらく液状または粘性材料である必要はない。
【０００８】
本発明の他のおよびさらなる局面および有利な点は、好ましい実施形態の以下の詳細な記述を考慮すると明らかになる。
【０００９】
好ましい実施形態は、例示するためであって、制限するために示されるわけではない。添付の図面の数字において、同じ参照符号が同じコンポーネントを表す。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明の１つの実施形態によると、図１および図２は、多重層ＰＣＢ１０、パワートランジスタパッケージ２０、実質的には流体である減衰材料５２および格納蓋５４を含む電気アセンブリ８を示す。
【００１１】
より具体的には、ＰＣＢ１０は、導電上部層１２、誘電性絶縁層１３、導電下部層１４をそれぞれ含む。他の実施形態において、ＰＣＢ１０は、いくつかのさらなる他の導電および誘電体層を含み得、本発明は、特定のＰＣＢ実施形態に限定されない。ＰＣＢ１０の下部層１４は、放熱体１６に取り付けられる。パワートランジスタパッケージ２０の載置基板１８は、導電接着剤またはハンダ層２２によって、ＰＣＢ１０の切り取りウインドエリア２１にある放熱体１６に取り付けられる。当業者によって理解されるように、ネジまたは引張バネのような基板１８を取り付ける他の手段は当該分野において周知であり、本明細書に開示される発明概念と異なることなく同様に用いられてもよい。
【００１２】
パワートランジスタパッケージ２０は、基板１８の上面に取り付けられるトランジスタチップ２４を含み、そこに形成される１つ以上のトランジスタ（図示されず）を有する。例示的な実施形態において、側方拡散金属酸化物半導体（ＬＤＭＯＳ）トランジスタが用いられるが、本明細書に教示される発明概念を逸脱することなく、他の実施形態において、他の種類のトランジスタ（例えば、バイポーラ接合デバイス）が用いられ得る。チップ２４上のトランジスタは、チップ２４の上面に位置する複数の入力（ゲート）端子２６および出力（ドレイン）端子２８を有する。誘電性ウインド基板３０は、基板１８の上面に取り付けられ、トランジスタチップ２４を封入する。ウインド基板３０は、それぞれの入出力リード線３２および３４を基板１８からそれぞれ電気的に絶縁する役割を果たす。
【００１３】
パワートランジスタパッケージ２０は、トランジスタチップ２４の両側にある基板１８の上面に取り付けられる出入力マッチング素子（例えば、キャパシタまたはインダクタ）３６および３８をさらに含む。ボンドワイヤ４４の第１のセットは、入力リード線３２をそれぞれのトランジスタゲート端子２８および入力マッチング素子３６に電気結合する。ボンドワイヤ４６の第２のセットは、出力リード線３４をそれぞれトランジスタドレイン端子２８および出力マッチング素子３８に電気的に接合する。本明細書中で用いられるように、ボンドワイヤの「セット」は、１つ以上のボンドワイヤを意味する。
【００１４】
ＰＣＢ１０の上部導電層１２の部分は、露出された誘電体層１３によって、層１２の残りの部分から離れたそれぞれ金属ストリップ導線４０および４２を形成するように、ウインドエリア２１の両側で切り取られた部分である。トランジスタパッケージの入出力リード線３２および３４を、ＰＣＢ１０上（または内）の他の場所に位置する電気アセンブリ８の受動的および能動的部品（図示されず）に接続するために、金属ストリップ導線４０および４２は、導電パスを提供する。出入力リード線３２および３４をそれぞれストリップ同然４０および４２に電気的に結合するために、ボンドワイヤ４８および５０のさらなるセットが用いられる。ボンドワイヤのセット４４、４６、４８および５０において、ボンドワイヤは、非常に薄く、熱音波および超音波ボンディングおよびはんだ付けを含む当該分野において公知の技術を用いて、様々な接触点にボンディングされている。
【００１５】
図２に見られるように、減衰材料５２は、ボンドワイヤセット４４、４６、４８および５０の個々のボンドワイヤを包囲するように、格納蓋５４によってＰＣＢ１０に対して格納される。減衰材料５２は、パワートランジスタパッケージ２０を通って発信される高周波数信号を伴って振動する個々のボンドワイヤの振動を最小化するように選択される。他の実施形態において、減衰材料５２は、格納システムを必要としない。例えば、減衰材料４４は流れず（例えば、エラストマー）、格納蓋５４は不必要である。流体であるかどうかには関わらず、減衰材料５２は、ショートを回避するために、好ましくは誘電性、すなわち実質的には非導電性である。
【００１６】
振動面（例えば、トランジスタチップ端子２６および２８）に取り付けられる１つのボンドワイヤは、所定の周波数で駆動されるバネの端部に質量としてモデル化される。図３は、他方の端部で振動力Ｆ（ｔ）によって駆動される、剛性ｋを有するバネの一端に接続される質量ｍを示す。これは単純化されたモデルであり、図３が、より多くの複雑なモデルを用いてまた記述され得る基本概念を示すことは理解し得る。振動駆動力Ｆ（ｔ）に応答して、質量が振動変位ｘ（ｔ）を有することは理解され得る。
【００１７】
振動変位ｘ（ｔ）の振幅は、駆動力Ｆ（ｔ）の周波数および振幅に依存する。当該分野において公知のように、図３の質量‐バネシステムは、質量ｍおよびバネの剛性ｋに依存する固有周波数ω０を有する。図５の曲線Ａによって示されるように、固有周波数で駆動される場合、質量は最高振幅で振動する。従って、ボンドワイヤは、所定の剛性および質量の固有周波数を有し、それらが接続される表面によってその周波数で駆動される場合、相当振動し得る。これらの振動は、ボンドワイヤおよびボンドパッドの変形を引き起こし、多くの周期を経て、疲労破損をもたらす。
【００１８】
図４によって表現されるように、そのモデルにおいて振動は、ダンパーを加えることによって減少され得る。ダンパーは、ずれの速度に正比例および反比例する力を生成する特性を有し、その構成関係は、ｘ’（ｔ）がｘ（ｔ）の時間微分であり、Ｆｃ＝ｃｘ’（ｔ）によって与えられる。図５の曲線ＢおよびＣによって示されるように、質量バネモデルにこのダンパーを加えることによって、質量の振動を減少することが示され得る。曲線Ｃは、曲線Ｂよりも大きな減衰係数ｃを有するシステムの周波数の応答を表し、曲線Ｃのシステムにおける振動は、相対して減少される。
【００１９】
図４において、特定の減衰材料により、減衰定数ｃが決定される。例えば、減衰効果が極僅かである（例えば、空気がボンドワイヤを囲むように減衰材料が用いられない）場合、減衰係数ｃはゼロに近づき、図４のモデルは、図３の減衰されないモデルに単純化する。減衰材料として適する様々な材料が存在する。ボンドワイヤの所望される減衰は、（ｍとして表現される）質量および（ｋとして表現される）剛性および（Ｆ（ｔ）で表現される）アセンブリの典型的な振動に依存することが理解される。これらの変数に依存して、様々な減衰特性を有する様々な減衰材料が適切であり得る。粘性が、液体がボンドワイヤに所定の剪断速度で伝えることができる剪断応力、またはワイヤに関連する動きの大きさである場合、例えば、より粘性の高いものは、より大きな減衰能力を有する。
【００２０】
他の減衰材料はまた、ボンドワイヤを減衰することに適切であり得る。これらは、発泡体、乳剤、ゲルおよび他の粘弾性のある材料を含む。発泡体は、少なくとも１つの局面がコロイドのサイズ範囲に入る、液体中における気泡の分散である。発泡体の種類は、固体フォームおよびバイリキッド（ｂｉ‐ｌｉｑｕｉｄ）発泡体を含む。固体発泡体は、ポリスチレン発泡体のような固体中における気体のコロイド分散である。バイリキッド発泡体は、別の液体に分散される１つの液体の濃縮された乳剤である。乳剤は、１つの液体の液滴の別の非混和液中における分散であり、液滴は、コロイドのサイズであるか、またはコロイドのサイズに近い。空気混和乳剤は、乳剤の形成において液体部品が２相からなる発泡体である。例えば、ホイップクリームは、それ自体が乳剤であるクリームに分散された気泡の空気混和乳剤である。ゲルは、液体ではなく、弾性固体または半固体として挙動する懸濁液または高分子溶液である。
【００２１】
１つの好ましい実施形態において、選択される減衰材料は、ボンドワイヤを通る電気信号の伝搬によって引き起こされる振動に応答するボンドワイヤの動きは減衰されるが完全に妨げられず、ボンドワイヤが「移動可能に被包する」と言われ得る性質を有する。特に、減衰材料は、回復力ならびに減衰力を生成する可能性が最も高いため、従って、図４のダンパーは、より正確には、バネおよびダンパーのネットワークによって表現され得る。しかし、そのモデルの目的は、システムに減衰材料を加える効果を示すことであり、必要とされるシステムのパラメータを経験的に決定することは、当業者の能力の範囲内である。
【００２２】
適切な減衰材料を選択することにおける他の要因は、トランジスタチップ２４から熱を散逸する材料の性能である。例えば、周囲の流体中の回路基板上の電気部品によって発生される熱を散逸することによって集積回路を冷却し、さらに液体から周囲に熱を散逸するように、本明細書中の発明の局面をシステムに組み込むことが所望され得る。本明細書中に開示されるアセンブリ８の減衰材料５２は、熱を散逸する流体と同じであり、結果としてもたらされるシステムが、ボンドワイヤ振動を減衰することと同じ手段によって回路を冷却することとの両方に備えることは明らかである。
【００２３】
好ましい実施形態および実施が示され、且つ記述されてきたが、当業者によって理解され得るように、本発明は、本明細書中に含まれる発明概念を逸脱することなく、他の特定の形態において実施され得る。従って、開示された実施形態は、例示的であり、限定的ではないことが理解されなければならない。
【００２４】
例えば、蓋５４の使用は、減衰材料のための格納システムのほんの（単純な）一例である。特定のアセンブリ構造および選択される減衰材料の種類に依存して、格納システムのの他の多くの種類は可能であり、本発明の範囲内で熟慮される。重要なことは、ワイヤを介する高周波数信号伝搬によって生じられる振動エネルギーを吸収するように、減衰材料がボンドワイヤと接触することである。どの格納システムが必要とされるかは、実施形態毎に異なり得る設計上の選択である。
【００２５】
従って、本発明は、添付の請求項の範囲以外によって限定されない。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】図１は、格納蓋および減衰材料を除く、本発明の１つの好ましい実施形態に従って構成される例示的な電気回路アセンブリの上面図である。
【図２】図２は、格納蓋および減衰材料を含む、図１の電気回路アセンブリの部分的に切り取られた側面図である。
【図３】図３は、高周波数電気回路において電気接続するために用いられる減衰されていないボンドワイヤの数学モデルの図である。
【図４】図４は、図１の電気回路アセンブリにおいて接続するために用いられる減衰されたボンドワイヤの数学モデルの図である。
【図５】図５は、それぞれ減衰されていない、僅かに減衰された、十分に減衰されたボンドワイヤの周波数応答曲線のグラフである。

Claims (13)

  1. 電気回路アセンブリであって、
    導体が上に配置される基板と、
    端子を有する電気部品と、
    該導体を該端子に電気的に接続するボンドワイヤと、
    該ボンドワイヤと接触して位置する減衰材料であって、該ボンドワイヤを通る電気信号の伝搬によって生じる振動に応答するボンドワイヤの動きは減衰されるが、妨げられない性質の減衰材料と
    を含む、電気回路アセンブリ。
  2. 前記減衰材料は流体である、請求項１に記載の電気回路アセンブリ。
  3. 前記減衰材料は誘電体である、請求項１に記載の電気回路アセンブリ。
  4. 前記減衰材料は熱伝導性である、請求項１に記載の電気回路アセンブリ。
  5. 前記ボンドワイヤは、前記減衰材料によって移動可能に被包される、請求項１に記載の電気回路アセンブリ。
  6. 前記ボンドワイヤとの前記減衰材料の接触を保つ格納システムをさらに含む、請求項２に記載の電気回路アセンブリ。
  7. 前記減衰材料は、流体中における固体のコロイド混合物である、請求項１に記載の電気回路アセンブリ。
  8. 前記減衰材料は、流体中における気体のコロイド混合物である、請求項１に記載の電気回路アセンブリ。
  9. 前記減衰材料は粘弾性材料である、請求項１に記載の電気回路アセンブリ。
  10. 前記電気部品は、ＲＦパワートランジスタチップである、請求項１に記載の電気回路アセンブリ。
  11. 電気接続をそれぞれ形成する複数のボンドワイヤであって、前記減衰材料は、該ボンドワイヤと接触して位置し、該減衰材料は、該ボンドワイヤを通る電気信号の伝搬によって生じる振動に応答する該ボンドワイヤの動きが、減衰されるが、完全には妨げられない性質を有する、請求項１に記載の電気回路アセンブリ。
  12. 前記ボンドワイヤは、前記減衰材料によって移動可能に被包される、請求項１１に記載の電気回路アセンブリ。
  13. 前記ボンドワイヤとの前記減衰材料の接触を保つ格納システムをさらに含む、請求項１１に記載の電気回路アセンブリ。
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