JP2008047918A - 蓋アタッチ・アタッチメントが機械的に分離されたプラスチック・オーバーモールドされたパッケージ - Google Patents
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Abstract
【課題】チムニー型ヒート・シンクを備えた、蓋をされたＭＣＭ ＩＣプラスチック・オーバーモールドされたパッケージを提供する。
【解決手段】 基板と、前記基板に取り付けられた、複数のＮ個の半導体ＩＣデバイスと、ＩＣデバイスに取り付けられた複数のＮ個のヒート・シンクと、上部表面を形成するポリマー性のオーバーモールドと、選択的に付された第１のポリマー材料の複数のＮ個のプラグと、第２のポリマー材料によって取り付けられた蓋と、を具備するオーバーモールドされたＭＣＭ ＩＣパッケージ。
【選択図】図１２
【解決手段】 基板と、前記基板に取り付けられた、複数のＮ個の半導体ＩＣデバイスと、ＩＣデバイスに取り付けられた複数のＮ個のヒート・シンクと、上部表面を形成するポリマー性のオーバーモールドと、選択的に付された第１のポリマー材料の複数のＮ個のプラグと、第２のポリマー材料によって取り付けられた蓋と、を具備するオーバーモールドされたＭＣＭ ＩＣパッケージ。
【選択図】図１２
Description
本発明は、集積回路（ＩＣ）および関連するデバイスのためのプラスチック・オーバーモールドされたパッケージに関し、より具体的には、積極的な熱管理が必要なプラスチック・オーバーモールドされたパッケージに関する。
本出願は、本出願と同日に出願された出願番号（Ｃｒｉｓｐｅｌｌ ｅｔ ａｌ． Ｃａｓｅ ７−１−５９）に関連する。
ＩＣデバイスのような電子デバイス用のパッケージングで広く用いられている形態は、プラスチック筐体である。典型的には、ＩＣチップは基板に接着され、ポリマーがアセンブリの周囲を覆うように成形されてデバイスをオーバーモールドする。１つのオーバーモールドされたパッケージ内に２つ以上のＩＣチップを組み込むことは一般的である。複数チップ・パッケージは、マルチ・チップ・モジュール（ＭＣＭ）と称される。
ＩＣデバイスのような電子デバイス用のパッケージングで広く用いられている形態は、プラスチック筐体である。典型的には、ＩＣチップは基板に接着され、ポリマーがアセンブリの周囲を覆うように成形されてデバイスをオーバーモールドする。１つのオーバーモールドされたパッケージ内に２つ以上のＩＣチップを組み込むことは一般的である。複数チップ・パッケージは、マルチ・チップ・モジュール（ＭＣＭ）と称される。
チップサイズが、最先端のＩＣ技術において小さくなるにつれて、ＩＣパッケージ内の過熱の問題がより深刻になる。この問題は、オーバーモールドに用いられるポリマーの熱伝導性が悪いため、さらに悪化する。したがって、プラスチックは、効果的にデバイスを封止する一方で、デバイスから生じる熱を閉じ込めることにもなる。ＩＣチップがパッケージの電気端子にワイヤ・ボンドで接続されているパッケージにおいては、この封止材料の厚さは、ワイヤ・ボンドの高さが収まるのに十分でなければならない。この結果、厚いプラスチックの「カバー」がデバイスの周りに位置することになる。あらゆる所与の材料の熱抵抗は、厚みが増すと減少するので、他の点が全て同じであっても厚みが増すことによって放熱がさらに遅くなる。
熱管理問題に対処するために、多様なヒート・シンク手段が提案され、用いられてきた。それらの中で、ワイヤ・ボンド接続されたＩＣチップを備えたパッケージのタイプ向けに調整されたものは、ＩＣチップの上端に取り付けられ、またプラスチック・オーバーモールド内に埋め込まれる伝導性の「チムニー」を用いることである。この伝導性のチムニーは、熱を、ＩＣチップから、プラスチック・オーバーモールドの厚さを介してではあるがプラスチック・オーバーモールド材料を介さずにチムニー自体を介してパッケージの上端へと導く。パッケージ設計によっては、チムニーの上端は蓋に貼り付けられている。この蓋は、熱を効果的に拡散させるとともに熱を外部環境へと導く金属から構成することができる。従来の設計では、チムニーは、熱インターフェース材料（ＴＩＭ）を用いて蓋に取り付けられる。あらゆる熱伝導性材料をチムニー構造に用いることができるが、シリコン・チップとの熱機械的な互換性があり、低コストであり、入手することができ、既存のＩＣアセンブリ装置と互換性があり、および熱伝導性が良好であるため、シリコンが好ましい。
出願番号（Ｃｒｉｓｐｅｌｌ ｅｔ ａｌ． Ｃａｓｅ ７−１−５９）
デバイス故障は、これらのパッケージ設計において特定された。これらの故障を克服するために、このパッケージ設計において改善を行うことが求められる。
発明者らは、チムニー型ヒート・シンクを備えたＩＣデバイスの故障モードを研究し、故障の原因と影響を詳細に特定した。これらのパッケージにおける２つの最も一般的な故障モードは、チムニー・スタックの機械的完全性が崩壊する結果生じる。すなわち、ｉ）ＴＩＭ／蓋またはＴＩＭ／チムニーの界面の崩壊によって蓋のシリコン・チムニーへの接着が失われること、およびｉｉ）チムニー−ＩＣ接着剤／チムニーまたはチムニー−ＩＣ接着剤／ＩＣデバイスの界面の崩壊によってシリコン・チムニーのＩＣデバイスへの接着が失われること、である。この接着が機能しなくなると、ＩＣチップから外部環境への熱伝導経路に障害が生じる。剥離が起きる原因のうち、主要な原因は熱機械的応力である。熱機械的応力が過剰になると、蓋がチムニーから剥がれるか、あるいはチムニーがＩＣデバイスから剥がれる。発明者らは、熱機械的応力の悪影響を減らし、これらのＩＣパッケージの熱機械的な安定性を改善する効果的なアプローチを開発した。パッケージ設計を改善するのに重要なことは、蓋が、熱的にしっかりと結合している一方、チムニーから少なくとも一部、機械的に分離しているべきであることを認識することである。これは、チムニーと蓋との間の結合を機械的により強固にし、ひいてはより確固たるものとすることによってこの問題に取り組むという傾向に対して反直感的なものである。本改善は、基本的に、チムニー・スタックと蓋とを接着剤で強固に結合することをやめて、チムニー・スタックと蓋との間の相対運動を可能にする柔軟な伝導性ポリマー・クッションで置き換えるということに依存している。
本発明は、図面とともに考察することによって、より良く理解されるであろう。
本発明は、図面とともに考察することによって、より良く理解されるであろう。
図１は、ダイ取付け材料１６によって基板１１に接着されたＩＣチップ１４を具備するＩＣチップ・パッケージを示している。基板は、あらゆる適切な基板材料とすることができるが、典型的にはプリント回路基板（ＰＣＢ）である。ワイヤ・ボンド・パッド１２、１３は、既知の方法で基板上に形成される。図２を参照すると、接着されたＩＣチップ１４をＰＣＢに電気的に接続するワイヤ・ボンド２１、２２が示されている。様々なＩＣチップが、動作中にかなりの熱を発生し、過熱および故障を回避するためにヒート・シンクの特別なタイプを必要とする。例えば、マイクロプロセッサは、典型的には、最先端のデザイン・ルールで製作された大型のＩＣチップであり、デバイスが高密度に詰め込まれている。マイクロプロセッサよって、厳しい熱管理問題が課せられ、このため、通常、ヒート・シンクが特別な配置とされて設けられる。マイクロプロセッサの１つが、シリコン・チムニー３２の形態のヒート・シンクとともに図３に示されている。このようなタイプのパッケージにおいては、ＩＣチップは、通常、ＰＣＢ上に搭載され、電気的な相互接続のためにワイヤ・ボンド接続される。ワイヤ・ボンドは、ＩＣチップ上のボンド・パッド（明瞭化のために図示せず）の縁部の列に取り付けられる。こうすることによって、シリコン・チムニーが搭載される、チップの中央に空間ができる。シリコン・チムニーは、適切な取付け材料３３を用いて、ＩＣチップに取り付けることができる。取付け材料は、エポキシまたは他の接着ポリマー材料等の接着剤またははんだを含むが、これらに限定されない。接着材料は、熱伝導性の接着剤であることが好ましい。多くの標準的で市販されている導電性の接着剤もまた、効果的な熱伝導体である。
ダイ・ボンド接続され、ワイヤ・ボンド接続されたデバイスの例が示されている。ＩＣデバイスの他の形態、例えばフリップ・チップＩＣデバイスを代替として用いることができる。ＩＣチップは、典型的には、封止されているが、むき出しのダイを具備していてもよい。ＩＣチップに言及した場合は、いずれかの形態が含まれていることを意味する。図示のワイヤ・ボンド接続された例では、シリコン・チムニーは、ワイヤ・ボンドの高さが収まるのに十分な高さである。チムニーは、より高くてもよいし、ワイヤ・ボンドのないデバイスの場合、より短くてもよい。シリコン・チムニーは、通常、ワイヤ・ボンド接続されたＩＣチップ・パッケージ用に設計される。
図４を参照すると、次に、アセンブリはポリマー性のオーバーモールド４３によって封止される。これによって、ＩＣチップ、ＰＣＢの表面上のプリント回路、およびワイヤ・ボンドが保護される。次に、熱インターフェース材料（ＴＩＭ）４５がオーバーモールドに付され、蓋４１が取り付けられて、デバイスが完成する。ＴＩＭは、シリコン・チムニー３２から蓋４１へ熱を伝導する伝導媒体として、また蓋を適所に固定させるための接着剤として、の両方として機能する。この用途に適するＴＩＭは、Ａｂｌｅｂｏｎｄ ２０００Ｔ（登録商標）であり、Ａｂｌｅｓｔｉｃｋ Ｃｏｒｐ．から入手可能である。蓋４１は、熱の拡散体として働くとともに熱をシリコン・チムニーから離れて位置する蓋のより温度が低い部分へと水平方向にも伝導し、また周囲へまたは他の放熱構造に設計されたシステムへも熱を伝導または放散する。蓋は、銅などの熱伝導性材料から構成される。蓋の典型的な厚さの範囲は、０．１ｍｍ〜１．０ｍｍである。
図５は、正方形の４つの角に配置された４つのＩＣデバイスおよび４つのシリコン・チムニー５３、５４、５５、５６を備えたＭＣＭ５１を平面図で概略的に表現したものである。この図は、より少ないまたはより多くのデバイスおよびチムニーを有する様々なＭＣＭデバイス構成および配置の一例に過ぎない。
チムニー５３、５４は、中心間の公称距離ａ−ｂで離隔されている。ＭＣＭモジュールを動作させ、また異なる動作条件下、例えばオンおよびオフで熱的に循環させる場合、距離ａ−ｂは、ＩＣパッケージ内の様々な素子が膨張／収縮することによって変化する。６１のような蓋が、図６に示すようにチムニーの上端に取り付けられている場合、チムニーの上端は蓋および基板の両方に接続され、距離ａ−ｂを変化させるあらゆる動きに起因する差応力が、チムニー・スタックとチムニー／蓋の界面に印加される。例えば、蓋６１が、この種のパッケージおよびかなりの温度変化にさらされるパッケージの蓋に一般的に用いられる材料である銅である場合、銅性の蓋は、銅の熱膨張係数Ｔｃによって支配される膨張／収縮を受ける。距離ａ’−ｂ’はこの特性によって決定され、この特性は典型的には距離ａ−ｂを決定するものとは異なる。したがって、このａ−ｂとａ’−ｂ’との間の不一致によって、パッケージの構成に用いられる材料の熱機械特性に応じて、パッケージ内で大きなせん断応力および曲げ応力が生じる。このことによって、チムニーおよび蓋ならびにチムニーおよびＩＣデバイス間の界面に影響が及ぶ傾向がある。深刻な場合、このことによって、蓋がパッケージから剥がれたり、チムニーがＩＣから剥がれたりする。
剥離は、多くの場合、ＴＩＭと蓋との間で発生する。ＴＩＭは、シリコン・チムニーには良好に接着するが、蓋に対してはそれよりも弱い。図７は、蓋７１とＴＩＭ７４との間で発生した空隙７５を示している。
面外ひずみの差から生じるひずみ、および曲げモーメントは、蓋の故障およびチムニーからＩＣデバイスへの故障の一方または両方につながる。これらが図８に例示されている。すなわち、蓋故障においては、図の左側のシリコン・チムニー８４が図の右側のシリコン・チムニー８５に対して持ち上がっている。この不均衡は、チムニーの膨張の差またはパッケージの他の要素の膨張の差によって生じ得る。面外ひずみは、蓋８１を封止材料８３から完全にまたは一部、剥離させるのに十分な場合がある（明瞭化のため、ＴＩＭは図において省略されている）。図８に例示したのと同様の面外ひずみは、シリコン・チムニーに対して曲げモーメントも与え得る。直感的には、蓋は、図の左側で持ち上がっているので（ここで蓋はシリコン・チムニー８４から剥離している場合もある）、傾いていると理解される。このことによって、チムニー８５に曲げモーメントがかかり、３３における取付け、すなわちチムニーとＩＣチップとの間の取付けに障害が生じ得る。
チムニー・ヒート・シンクと蓋とをよりしっかりと接続するためのアプローチは、これらの要素間の接着ボンドをより完全にすることであるように思われる。しかしながら、本発明者らは、より効果的なアプローチは、ちょうど反対であることを発見した。これらの要素を強固に接着することが、蓋故障の問題の、少なくとも一部、原因となっていることが見出された。したがって、蓋とチムニー・スタックとが機械的に分離している新規なパッケージ構造が設計された。これらの要素間の界面は、通常は強力な接着剤で埋められているが、軟質伝導性ポリマーによって埋められている。この界面埋め込み材は、十分に柔軟で多孔質であり、上記した要因によって生じるひずみは、容易に吸収され、また蓋へと伝わらない。
本発明の一実施形態は、図９〜図１２に例示されている。これらの図は、この実施形態を実行するための工程の順序を示している。図９は、オーバーモールド９３を成形する工程を示している。この成形作業用の型枠９５には、突起９４ａが設けられている。これらの突起の位置は、チムニー３２の上端と揃っており、オーバーモールド・ポリマーが付され、またモールドが取り外された後、窪み９４がオーバーモールド９３の上端に形成される。図に示すように、窪みの位置は、チムニーと揃っている。オーバーモールド材料は、多様なポリマーから選択することができる。適当な材料は、ジョージア州、ＡｌｐｈａｒｅｔｔａのＣｏｏｋｓｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓから入手することができる。典型的には、これらは、熱硬化性樹脂であり、硬化後は比較的硬質である。硬化されたエポキシ材料は、典型的に、１００℃を超えるガラス転移温度Ｔｇを有する。
図１０を参照すると、窪みは、好ましくは軟質伝導性ポリマー１０１からなるプラグである、機械的バッファによって埋め込まれる。プラグ１０１によって、チムニー３２は後に付される蓋から機械的に分離される。伝導性ポリマーは、多様な材料から選択することができる。シリコン・ゲル、例えば、ノースカロライナ州、ＣａｒｙのＬｏｒｄ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから入手できるＧｅｌｅａｓｅ（商標）が適している。この材料は、ガラス転移温度Ｔｇが−１２１℃であり、熱伝導率は２．３ワット毎メートル・ケルビン（Ｗ／ｍＫ）である。これは、一般的なプラスチックの熱伝導率（０．２Ｗ／ｍＫ）の約１０倍である。本発明の目的のために、熱伝導性ポリマーは、熱伝導率が０．７Ｗ／ｍＫを超えており、弾性率およびガラス転移温度がオーバーモールド化合物よりも低いことが推奨される。
伝導性プラグ１０１を付した後、アセンブリの上部表面は、ＴＩＭによって被覆され得る。ＴＩＭは、蓋をパッケージの上端に接着するために、エポキシ接着剤のような、様々な材料から選択することができる。この用途に適するＴＩＭは、Ａｂｌｅｓｔｉｋ Ｃｏ．から入手可能なＡｂｌｅｂｏｎｄ（商標）２０００Ｔである。この材料は、室温モジュラスが１７００ＭＰａであり、熱伝導率が２．７Ｗ／ｍＫである。図１１は、オーバーモールド９３の表面に一様に付されたＴＩＭの層１１１を示している。ＴＩＭ層１１１は、ペースト状、ゲル状、膜状で付すことができる。図１２では、蓋１２１がＴＩＭ層に付されているのが示されている。ＴＩＭは、蓋が配置されると、オーバーモールドが硬化するのと同じタイミングで、またはその後で硬化させることができる。蓋は、典型的に、硬化の間にＴＩＭと蓋との接着が進行するように、ＴＩＭが硬化される前に配置される。これらの作業は、当技術分野で既知である。
図１０〜図１３に示す工程の順序は、簡略化の観点から推奨されるものであり、チムニー・スタックを有するＩＣパッケージに蓋を取り付ける標準的な方法からの逸脱が最小となる。しかしながら、伝導性のプラグを用いることによって、チムニーとパッケージの蓋との間に許容できる熱経路が形成される。したがって、従来のＴＩＭを用いる必要がなくなる。蓋はその他の手段によって取り付けてもよい。例えば、蓋は、出願番号（Ｃｒｉｓｐｅｌｌ ７−１−５９）の出願において記載されかつ特許請求されている方法を用いて取り付けてもよい。
本発明の他の実施形態では、蓋は、エポキシ接着剤のような、オーバーモールドに選択的に付される、接着性ポリマーを用いて接着される。この選択肢は、図１３に例示されている。接着材料１３１は、オーバーモールドの上端の伝導性プラグ１０１と離隔された領域に付される。この接着材料は、液体、ゲル、膜、または他の適当な形態で付すことができる。この接着材料は、熱伝導性であっても、非熱伝導性であってもよい。しかしながら、これらの領域における接着剤は、熱を伝導する機能を本来果たさないので、非熱伝導性の接着性エポキシであることが好ましい。すでに指摘したように、通常のポリマーは、熱伝導率の値が約０．２Ｗ／ｍＫである。したがって、熱伝導率が約０．３Ｗ／ｍＫ未満のポリマーは、非熱伝導性ポリマーであるとみなされよう。さらに、この例における接着性ポリマーは、チムニーを覆わないので、伝導性ポリマーのプラグについて先に推奨した機械的特性に従う必要はない。
ただ今、記載した実施形態では、少なくとも２つの異なるポリマー材料が、蓋をチムニー・スタックに取り付けるのに用いられる。１つは、接着性ポリマーであり、蓋をオーバーモールドに物理的に取り付けるために用いられる。もう１つは、チムニーと蓋との間にプラグを形成するための伝導性ポリマーである。２つの材料を用いることにより、これらの材料の機械的特性を、求められる機能に合わせて調整することができる。蓋をパッケージに接着する接着性ポリマー材料は、接着という効果のために、機械的特性または熱的特性さえも気にすることなく、選択することができる。他方のポリマー材料は、チムニーを蓋から機械的に分離するポリマーであり、機械的特性および熱的特性について最適化することができる。
上記したように、本発明は、主としてＭＣＭパッケージに対して適用可能である。ＭＣＭパッケージは、Ｎを少なくとも２としてそれぞれがＮ個のＩＣデバイスを含んでおり、各ＩＣデバイスがヒート・シンクを備えていることを意味することが意図されている。
当業者は、この発明の様々なさらなる変形例を思い付くであろう。本技術の進展をもたらした原理およびその等価物に本質的に依存する、本明細書の特定の教示から外れたものは、全て、記載されまた請求の範囲で述べられているように、当然、本発明の範疇に属するものと理解される。
Claims (20)
- ａ．基板と、
ｂ．前記基板に取り付けられた、Ｎを少なくとも２とする、複数のＮ個の半導体ＩＣデバイスと、
ｃ．各ＩＣデバイスに取り付けられ、上端と下端とを有し、前記下端を１つのＩＣデバイスに取り付けられた複数のＮ個のヒート・シンクと、
ｄ．前記Ｎ個の半導体ＩＣデバイスおよび前記Ｎ個のヒート・シンクを封止し、露出された前記ヒート・シンクの前記上端とともに上部表面を形成するポリマー性のオーバーモールドと、
ｅ．前記ヒート・シンクの前記露出された上端に選択的に付された第１のポリマー材料の複数のＮ個のプラグと、
ｆ．第２のポリマー材料によって前記オーバーモールドに取り付けられた蓋と、
を具備するオーバーモールドされたＭＣＭ ＩＣパッケージ。 - 前記第２のポリマー材料は、前記オーバーモールドおよび前記プラグの両方を覆うように付された接着性熱インターフェース材料（ＴＩＭ）である、請求項１に記載のパッケージ。
- 前記プラグを覆うことなく前記オーバーモールドに選択的に付された接着性ポリマーをさらに含む、請求項１に記載のパッケージ。
- 前記ＩＣデバイスは、ワイヤ・ボンドによって前記基板に電気的に接続される、請求項１に記載のパッケージ。
- 前記ヒート・シンクはシリコンである、請求項１に記載のパッケージ。
- 前記蓋は銅である、請求項５に記載のパッケージ。
- Ｎは少なくとも４である、請求項１に記載のパッケージ。
- 前記第１のポリマー材料は、前記第２のポリマー材料のＴｇよりも小さなＴｇを有する、請求項１に記載のパッケージ。
- 前記第１のポリマー材料は、前記第２のポリマー材料の弾性率よりも小さな弾性率を有する、請求項８に記載のパッケージ。
- 前記第１のポリマー材料は、０．７Ｗ／ｍＫを超える伝導率を有する、請求項１に記載のパッケージ。
- 前記第２のポリマー材料は、０．３Ｗ／ｍＫ未満の伝導率を有する、請求項１０に記載のパッケージ。
- ａ．Ｎを少なくとも２とするＮ個の半導体ＩＣデバイスを基板に取り付けること、
ｂ．各ＩＣデバイスに１つのヒート・シンクが設けられるように、１つのＩＣデバイスに取り付けられる下端および上端を有するＮ個のヒート・シンクを前記ＩＣデバイスに取り付けること、
ｃ．前記ヒート・シンクの上端を露出させながら前記ＩＣデバイスおよび前記ヒート・シンクを封止するオーバーモールドを成形すること、
ｅ．第１のポリマー材料からなる複数のＮ個のプラグを選択的に前記ヒート・シンクの前記露出された上端に付すこと、
ｆ．第２のポリマー材料を前記オーバーモールドの表面に付すこと、および
ｇ．前記第２のポリマー材料に蓋を付すこと、
を含む、オーバーモールドされたＭＣＭ ＩＣパッケージの製造方法。 - 前記第１および第２のポリマー材料が付され、前記蓋が付され、次いで前記第１および第２の材料が同じ硬化工程で硬化させられる、請求項１２に記載の方法。
- 前記ＩＣデバイスは、ワイヤ・ボンドによって前記基板に電気的に接続される、請求項１２に記載の方法。
- 前記第２のポリマー材料は、前記オーバーモールドおよび前記第１のポリマー材料を覆うように付される、請求項１２に記載の方法。
- 前記第１のポリマー材料は、前記第２のポリマー材料のＴｇよりも小さなＴｇを有する、請求項１２に記載の方法。
- 前記第１のポリマー材料は、前記第２のポリマー材料の弾性率よりも小さな弾性率を有する、請求項１６に記載の方法。
- 前記第１のポリマー材料は、０．７Ｗ／ｍＫを超える伝導率を有する、請求項１２に記載の方法。
- 前記第２のポリマー材料は、０．３Ｗ／ｍＫ未満の伝導率を有する、請求項１８に記載の方法。
- 前記第１の伝導性ポリマーは、接着性ポリマーでない、請求項１２に記載の方法。
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