JP2008111722A - 熱放散機能を備えたｉｃソケット - Google Patents
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Abstract
【課題】簡易な構成でＩＣデバイスからの放熱を促進し、検査中のＩＣデバイスの過熱を防止する構成を備えたＩＣソケットを提供する。
【解決手段】ＢＧＡデバイス５の信号用ボール５１及びサーマルボール５２のいずれにも対応しない位置に、コンタクトピン６ａ及び６ｂと同様のコンタクトピン６ｃを配列し、さらにこれらのコンタクトピン６ｃとサーマルボール５２に当接する第２コンタクトピン６ｂとを、ヒートスプレッダを介して互いに熱的に接続する。
【選択図】図２
【解決手段】ＢＧＡデバイス５の信号用ボール５１及びサーマルボール５２のいずれにも対応しない位置に、コンタクトピン６ａ及び６ｂと同様のコンタクトピン６ｃを配列し、さらにこれらのコンタクトピン６ｃとサーマルボール５２に当接する第２コンタクトピン６ｂとを、ヒートスプレッダを介して互いに熱的に接続する。
【選択図】図２
Description
本発明は、半導体集積回路（以降、ＩＣと略称）デバイスの電気接続用ＩＣソケットに関し、特には、ボールグリッドアレイ（以降、ＢＧＡと略称）デバイスの検査に使用するＩＣソケットに関する。
ＢＧＡデバイス等のＩＣデバイスの電気的特性、耐久性及び耐熱性等を評価するいわゆるバーンインテストを行う際には、そのＩＣデバイスの端子の各々に導通接続可能な接触子を備えたＩＣソケットが使用される。通常、バーンインテストではＩＣデバイス及びＩＣデバイスを保持したＩＣソケットを、例えば１２５℃のオーブン内に入れて行う。このとき、ＩＣデバイスに包含されるＩＣチップ自体は通電によって発熱し、１２５℃よりさらに高温になる。ＩＣチップは一般に１５０℃を超えると故障する可能性が高くなることから、検査中はＩＣチップを何らかの方法で放熱させる必要がある。
発熱したＩＣデバイスからの放熱を促進するために、これまでにも種々の提案がなされている。例えば特許文献１には、ソケット本体が熱伝導性の高い材料からなるソケットが開示されている。ここでは、当該材料は例えばセラミックであり、集積回路の発生熱をソケット本体を介して放熱することが図られている。
図９（ａ）及び（ｂ）は、サーマルボールを有するＢＧＡデバイス１００の側面図及び平面図（下面図）である。ＢＧＡデバイス１００は平面視で一辺が例えば２０ｍｍ〜４０ｍｍ程度の正方形形状であり、樹脂封止されたＩＣチップ１０２と、ＩＣチップ１０２に電気的に接続された半田製の信号用ボール１０４と、ＩＣチップ１０２に近接する領域（通常はデバイス中央）に配置された半田製のサーマルボール１０６とを有する。
また図１０は、ＢＧＡデバイス１００を検査するＩＣソケット２００の概略側断面図である。ＩＣソケット２００は、プリント配線基板２０２上に配置され、樹脂製の本体２０４及び複数のコンタクトピン２０６ａ、２０６ｂを有し、コンタクトピン２０６ａの各々はＢＧＡデバイス１００の信号用ボール１０４に当接するように本体２０４に固定され、一方コンタクトピン２０６ｂの各々はＢＧＡデバイス１００のサーマルボール１０６に当接するように本体２０４に固定される。コンタクトピンはいずれも銅合金等の導電性かつ熱伝導性の高い材料から作製されるので、信号用ボール１０４に当接するコンタクトピン２０６ａは信号用ボールからプリント配線基板に信号を伝えることができ、一方サーマルボール１０６に当接するコンタクトピン２０６ｂは発熱したＢＧＡデバイス（ＩＣチップ）の熱をプリント配線基板に伝達する放熱経路（矢印で図示）として作用する。
図９及び図１０に示すような従来の構成では、放熱用の接触子すなわちサーマルボール１０６が配置される領域は、樹脂封止されたＩＣチップ１０２に近接するＩＣデバイス下面のかなり狭い領域（図９（ｂ）に破線で示す領域）に限定されている。従って高出力のＢＧＡデバイスの場合、すなわちＩＣチップ１０２の発熱量が多い場合には、サーマルボール１０６及びコンタクトピン２０６ｂを介する熱伝導量では、ＢＧＡデバイスの好ましくない過熱を防止するには不十分となる虞がある。しかしながら、ＩＣチップ１０２から比較的離れたＢＧＡデバイス下面領域からの放熱（熱伝導）を図ろうとしても、デバイス本体は比較的熱伝導性の低い樹脂等から作製されているので、ＩＣチップからサーマルボール以外の部分への熱伝導量は小さく、故にその放熱効果は低い。
また特許文献１には、各端子を絶縁する（電気的に短絡させない）理由から、ソケット本体を絶縁性のあるセラミックで構成する案が提示されているが、セラミックは一般に高価であり、また精密成形が困難という問題がある。またセラミックは絶縁材料としては熱伝導性の高い材料と言えるが、銅合金等の金属材料に比べれば熱伝導性は相当に低い。
そこで本発明は、簡易な構成でＩＣデバイスからの放熱を促進し、検査中のＩＣデバイスの過熱を防止する構成を備えたＩＣソケットを提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、ＩＣデバイスを配置可能なソケット本体と、前記ソケット本体に配置されたＩＣデバイスの下方投影領域に配置される複数の第１接触子及び複数の第２接触子と、を有し、前記第１接触子は前記ＩＣデバイスに電気的に接続され、前記第２接触子は前記ＩＣデバイスに電気的には接続されずに熱的に接続される、ＩＣソケットにおいて、前記ソケット本体の熱伝導率よりも高い熱伝導率を備える材料からなり、前記第２接触子の各々を熱的に接続するヒートスプレッダと、を備えることを特徴とする、ＩＣソケットを提供する。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のＩＣソケットにおいて、前記ヒートスプレッダは、前記第２接触子の各々が内接する受容孔が形成された板状材料から作製される、ＩＣソケットを提供する。
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載のＩＣソケットにおいて、前記第２接触子は概ね四角柱の一側面を除去した部分を有し、前記ヒートスプレッダの前記受容孔の形状は前記四角柱が内接可能な略四角形である、ＩＣソケットを提供する。
また請求項４に記載の発明は、請求項１に記載のＩＣソケットにおいて、前記下方投影領域内であって前記第１及び第２接触子が占有していない領域に配置されるとともに、前記ＩＣデバイスに電気的に接続されない第３接触子をさらに有し、前記ヒートスプレッダは前記第２接触子と前記第３接触子とを熱的に接続するように構成される、ＩＣソケットを提供する。
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載のＩＣソケットにおいて、前記ヒートスプレッダは、前記第２及び第３接触子の各々が内接する受容孔が形成された板状材料から作製される、ＩＣソケットを提供する。
請求項６に記載の発明は、請求項５に記載のＩＣソケットにおいて、前記第２及び第３接触子は概ね四角柱の一側面を除去した部分を有し、前記ヒートスプレッダの前記受容孔の形状は前記四角柱が内接可能な略四角形である、ＩＣソケットを提供する。
請求項７に記載の発明は、請求項４〜６のいずれか１項に記載のＩＣソケットにおいて、前記第１接触子、前記第２接触子及び前記第３接触子は同一である、ＩＣソケットを提供する。
請求項８に記載の発明は、請求項１〜７のいずれか１項に記載のＩＣソケットにおいて、前記ヒートスプレッダは、銅合金及びアルミニウムを含む群から選定される金属材料から作製される、ＩＣソケットを提供する。
請求項９に記載の発明は、請求項１〜８のいずれか１項に記載のＩＣソケットにおいて、前記ＩＣデバイスはＢＧＡデバイスであり、前記第１接触子は前記ＢＧＡデバイスの信号ボールに当接可能に構成され、前記第２接触子は前記ＢＧＡデバイスのサーマルボールに当接可能に構成される、ＩＣソケットを提供する。
本発明に係るＩＣソケットによれば、ＩＣソケットの熱抵抗を従来よりも下げることができる。従って、ＩＣデバイスの発熱量が多い場合であっても、ＩＣデバイスの温度上昇を抑制し、ＩＣデバイスの熱による故障を回避することができる。さらに、第３接触子を使用することにより、新たな放熱経路を提供して熱抵抗をさらに下げることができる。
第２及び第３接触子はＩＣデバイスと電気的には接続されないので、ヒートスプレッダは第２及び第３接触子を熱的にだけでなく電気的に接続しても問題はない。従って、ヒートスプレッダは熱伝導性が極めて高い金属材料から形成することができる。
ヒートスプレッダと第２又は第３接触子との接続は、ヒートスプレッダを受容孔が形成された板状部材の形態とし、その受容孔に各接触子を挿通するという簡易な構成によって実現可能である。
また受容孔を略四角形とし、受容孔に当接する各接触子の部分を一側面が除去された四角柱とすることにより、各接触子を板状部材から打ち抜いて折り曲げて作製することを維持しつつ、ヒートスプレッダと接触子との十分な接触面積を確保することができる。
第１接触子、第２接触子及び第３接触子は、材料及び形状のいずれについても全て同一に作製可能である。従って製造コスト上及び部品管理の面から有利である。
本発明に係るＩＣソケットは、信号用ボール及びサーマルボールを備えたＢＧＡデバイスの検査用に特に好適である。
以下、図面を参照しながら本発明を詳細に説明する。
図１は、本発明に係るＩＣソケット１の外観斜視図であり、また図２は、図１のＩＣソケット１の概略側断面図である。ＩＣソケット１は、プリント配線基板２の上に配置され、樹脂等の絶縁性材料からなるソケット本体３と、ソケット本体３に対して上下方向に移動可能であって上方に向けて付勢されるフレーム４とを有する。なおＩＣソケット１は、フレーム４以外にもネスト、ガイド及びレバー等の構成要素を有するが、いずれも公知であるので説明は省略し、また図２では明瞭化のためこれらの図示も省略している。図２に示すように、ソケット本体３は、上部に配置される検査すべきＢＧＡデバイス５とプリント配線基板２とを電気的又は熱的に接続する複数の接触子すなわち第１コンタクトピン６ａ及び第２コンタクトピン６ｂを、ＢＧＡデバイス５の下方投影領域に有する。上述の従来の構成と同様に、第１コンタクトピン６ａの各々は、ＢＧＡデバイス５の略中央に樹脂封止されたＩＣチップ５３に導通接続され、ＢＧＡデバイス下面の外周領域に配置された信号用ボール５１に当接するようにソケット本体３に固定される。一方、第２コンタクトピン６ｂの各々は、ＢＧＡデバイス５の放熱用としてＩＣチップ５３に近接するＢＧＡデバイス５の下面に配置されたサーマルボール５２に当接するようにソケット本体３に固定される。
図１は、本発明に係るＩＣソケット１の外観斜視図であり、また図２は、図１のＩＣソケット１の概略側断面図である。ＩＣソケット１は、プリント配線基板２の上に配置され、樹脂等の絶縁性材料からなるソケット本体３と、ソケット本体３に対して上下方向に移動可能であって上方に向けて付勢されるフレーム４とを有する。なおＩＣソケット１は、フレーム４以外にもネスト、ガイド及びレバー等の構成要素を有するが、いずれも公知であるので説明は省略し、また図２では明瞭化のためこれらの図示も省略している。図２に示すように、ソケット本体３は、上部に配置される検査すべきＢＧＡデバイス５とプリント配線基板２とを電気的又は熱的に接続する複数の接触子すなわち第１コンタクトピン６ａ及び第２コンタクトピン６ｂを、ＢＧＡデバイス５の下方投影領域に有する。上述の従来の構成と同様に、第１コンタクトピン６ａの各々は、ＢＧＡデバイス５の略中央に樹脂封止されたＩＣチップ５３に導通接続され、ＢＧＡデバイス下面の外周領域に配置された信号用ボール５１に当接するようにソケット本体３に固定される。一方、第２コンタクトピン６ｂの各々は、ＢＧＡデバイス５の放熱用としてＩＣチップ５３に近接するＢＧＡデバイス５の下面に配置されたサーマルボール５２に当接するようにソケット本体３に固定される。
図３は、第１コンタクトピン６ａの構造を示す斜視図である。第１コンタクトピン６ａは、銅合金等の導電性かつ熱伝導性の高い金属板を打ち抜いて折り曲げて形成されることが製造コスト上有利である。図３に示すように、第１コンタクトピン６ａは、胴部６１と、胴部６１から上方に延び、検査時に信号用ボール５１に把持するように当接する二股部６２と、胴部６１から下方に延び、検査時にプリント配線基板２に接続される脚部６３とを有する。ＩＣソケット１は、フレーム４（図１参照）を下方に押し下げたときに二股部６２が広がるように構成されている。ＢＧＡデバイス５をＩＣソケット１に接続するときは、先ずフレーム４を押し下げて二股部６２が開いた状態でＢＧＡデバイス５をＩＣソケット１のソケット本体３の上に載置し、次にフレーム４を元の位置に復帰させて二股部６２を閉じることにより、図４に示すように、ＢＧＡデバイス５の下面に設けられた信号用ボール５１又はサーマルボール５２が各コンタクトピンの二股部６２に把持される。なおこのようなフレーム４の機能は公知である。
なおコンタクトピン６ａ及び６ｂ、並びに後述するコンタクトピン６ｃはいずれも、同一の材料から図３に示すような同一の形状に作製されることが好ましい。これらの製造コストだけでなく部品管理面からも有利だからである。さらに、信号用ボール５１の個数が第１コンタクトピン６ａの本数を超えない限り、サーマルボール５２の個数が増減しても同一のＩＣソケットで対応することができる。
本発明の特徴は、図２に示すように、ＢＧＡデバイス５の信号用ボール５１及びサーマルボール５２のいずれにも対応しない領域、すなわちＢＧＡデバイス５の下方投影領域であってコンタクトピン６ａ及び６ｂが占有していない「空きの領域」に、好ましくはコンタクトピン６ａ及び６ｂと同様の接触子、すなわち第３コンタクトピン６ｃをＢＧＡデバイス５に電気的には接続されないように配設し、さらにこれらの第３コンタクトピン６ｃとサーマルボール５２に当接する第２コンタクトピン６ｂとを、ソケット本体３の熱伝導率よりも高い熱伝導率を有する材料を介して互いに接続することにある。
具体的には、図２に示すように、第２及び第３コンタクトピン６ｂ及び６ｃの全てに当接するヒートスプレッダ７がソケット本体３の上に配置される。ヒートスプレッダ７は、ソケット本体３の熱伝導率よりも高い熱伝導率を有する材料から作製され、図５に示すような板状部材７１に、コンタクトピン６ｂ及び６ｃの各々が貫通するように配列された複数の受容部すなわち受容孔７２を有して形成される。
図６は、ヒートスプレッダ７を配置したソケット本体３の上面図である。ソケット本体３は、上述のコンタクトピン６ａ、６ｂ及び６ｃがそれぞれ挿通される挿通孔３１ａ、３１ｂ及び３１ｃを有する。ヒートスプレッダ７の受容孔７２の配列は、挿通孔３１ｂ及び３１ｃの配列に合致しており、ヒートスプレッダ７は、受容孔７２の各々がソケット本体３の挿通孔３１の各々に連通するようにソケット本体３上に配置される。
また図７は、ヒートスプレッダ７の受容孔７２とコンタクトピンとの接触状態を示す図である。なお図７では、明瞭性のためコンタクトピンは第３コンタクトピン６ｃの一部のみを図示している。各コンタクトピン（図示例ではコンタクトピン６ｃ）は、その胴部６１がヒートスプレッダ７の受容孔７２に内接するように配置されている。ここで図３に示すように、コンタクトピン６ｃの胴部６１は概ね四角柱の一側面を除去した形状を有する。一方ヒートスプレッダ７の受容孔７２の形状は、図８に示すように、上記四角柱が内接可能な略四角形であり、故に四角柱の残り３辺すなわち胴部６１の外表面の大半は受容孔７２に当接可能である。このような構成によれば、コンタクトピン６ｂ及び６ｃからヒートスプレッダ７へ十分な熱伝導を行うことができる。
再び図２を参照すると、本発明に係るＩＣソケットを使用した場合の放熱経路が矢印で示されている。図１０に示した従来のＩＣソケットの場合は、放熱経路は各サーマルボールからそれに当接するコンタクトピンを経由してプリント配線基板に至る経路に限定されていた。しかし本発明の場合は、ヒートスプレッダ７が第２及び第３コンタクトピン６ｂ及び６ｃを熱的に接続するので、それにより上記放熱経路に加え、サーマルボールに当接する第２コンタクトピン６ｂから、ヒートスプレッダ７及び第３コンタクトピン６ｃを経由して、プリント配線基板２に至る新たな放熱経路が形成される。従ってＢＧＡデバイス５からプリント配線基板２までのＩＣソケット全体としての熱抵抗を従来よりも低下させることができ、検査中のＢＧＡデバイスの温度上昇を抑制することができる。なおプリント配線基板２に伝えられた熱量は、図示しないヒートシンク等により適切に外部に逃がすことができる。
なおヒートスプレッダ７は、ＩＣソケット１の熱抵抗を下げるためのものであるから、その材料はソケット本体３の熱伝導率よりも高い熱伝導率を有する。ここで、ヒートスプレッダ７により熱的に接続される第２及び第３コンタクトピン６ｂ及び６ｃはいずれもＢＧＡデバイスと電気的には接続されないので、コンタクトピン６ｂ及び６ｃを電気的にも接続しても全く不都合はない。従ってヒートスプレッダ７の材料は、ベリリウム銅のような銅合金やアルミニウム等の、非常に熱伝導性の高い金属材料を含む群から選定されることが好ましい。但し、ヒートスプレッダによってコンタクトピン６ａも含め全てのコンタクトピンを互いに熱的に接続させること、換言すればコンタクトピン６ａを信号送信用だけでなく放熱経路としても利用することも可能である。しかしその場合は、コンタクトピン６ａの各々は他のコンタクトピンと電気的に接続させてはいけないので、ヒートスプレッダはセラミック等の、絶縁材料としては比較的熱伝導性が高い材料から作製される。
次に、本発明に係るＩＣソケットの有効性を確認するために、本発明に係る第３コンタクトピンを使用したＩＣソケットと従来のＩＣソケットとを比較するテストを行った。テストでは、ＩＣチップの発熱を模したダミーデバイスを各ＩＣソケットに搭載し、一定出力の下でのデバイスの温度上昇を測定し、各ＩＣソケットの熱抵抗を算出した。その結果、本発明のＩＣソケットでは、従来のＩＣソケットに比べ、熱抵抗が約１０℃／Ｗ低くなることがわかった。すなわち、例えば出力２ＷのＢＧＡデバイスの場合、本発明と従来とでは、検査中のデバイス温度に約２０℃の差が生じることになる。上述のように汎用のＢＧＡデバイスは１５０℃を超えると故障の可能性が急激に高くなることから、従来よりも同条件でデバイスの温度を約２０℃下げることができる本発明のメリットは非常に大きい。より高出力のデバイスであれば、そのメリットはさらに大きくなる。
なお、図示した実施形態では第３コンタクトピンを新たに設けて第２コンタクトピンと熱的に接続しているが、第３コンタクトピンを使用せず、同様のヒートスプレッダを用いて第２コンタクトピンの各々を熱的に接続するだけでもよい。ＩＣデバイスではＩＣチップのみが発熱し、またＩＣパッケージの材料の熱伝導率が低いこともあって、ＩＣチップ直下のサーマルボールはその周辺に配置されたサーマルボールよりも高温になり、コンタクトピン間の温度斑が生じる。第２コンタクトピンの各々を熱的に接続する構成とすると、ＢＧＡデバイスの発熱によるＩＣソケット本体の温度斑をある程度均一化することができるので、プリント配線基板への放熱を促進することができる。
１ ＩＣソケット
２ プリント配線基板
３ ソケット本体
３１ａ、３１ｂ、３１ｃ 挿通孔
４ フレーム
５ ＢＧＡデバイス
５１ 信号用ボール
５２ サーマルボール
５３ ＩＣチップ
６ａ、６ｂ、６ｃ コンタクトピン
６１ 胴部
６２ 二股部
６３ 脚部
７ ヒートスプレッダ
７２ 受容孔
２ プリント配線基板
３ ソケット本体
３１ａ、３１ｂ、３１ｃ 挿通孔
４ フレーム
５ ＢＧＡデバイス
５１ 信号用ボール
５２ サーマルボール
５３ ＩＣチップ
６ａ、６ｂ、６ｃ コンタクトピン
６１ 胴部
６２ 二股部
６３ 脚部
７ ヒートスプレッダ
７２ 受容孔
Claims (9)
- ＩＣデバイスを配置可能なソケット本体と、前記ソケット本体に配置されたＩＣデバイスの下方投影領域に配置される複数の第１接触子及び複数の第２接触子と、を有し、前記第１接触子は前記ＩＣデバイスに電気的に接続され、前記第２接触子は前記ＩＣデバイスに電気的には接続されずに熱的に接続される、ＩＣソケットにおいて、
前記ソケット本体の熱伝導率よりも高い熱伝導率を備える材料からなり、前記第２接触子の各々を熱的に接続するヒートスプレッダと、を備えることを特徴とする、ＩＣソケット。 - 前記ヒートスプレッダは、前記第２接触子の各々が内接する受容孔が形成された板状材料から作製される、請求項１に記載のＩＣソケット。
- 前記第２接触子は概ね四角柱の一側面を除去した部分を有し、前記ヒートスプレッダの前記受容孔の形状は前記四角柱が内接可能な略四角形である、請求項２に記載のＩＣソケット。
- 前記下方投影領域内であって前記第１及び第２接触子が占有していない領域に配置されるとともに、前記ＩＣデバイスに電気的に接続されない第３接触子をさらに有し、
前記ヒートスプレッダは前記第２接触子と前記第３接触子とを熱的に接続するように構成される、請求項１に記載のＩＣソケット。 - 前記ヒートスプレッダは、前記第２及び第３接触子の各々が内接する受容孔が形成された板状材料から作製される、請求項４に記載のＩＣソケット。
- 前記第２及び第３接触子は概ね四角柱の一側面を除去した部分を有し、前記ヒートスプレッダの前記受容孔の形状は前記四角柱が内接可能な略四角形である、請求項５に記載のＩＣソケット。
- 前記第１接触子、前記第２接触子及び前記第３接触子は同一である、請求項４〜６のいずれか１項に記載のＩＣソケット。
- 前記ヒートスプレッダは、銅合金及びアルミニウムを含む群から選定される金属材料から作製される、請求項１〜７のいずれか１項に記載のＩＣソケット。
- 前記ＩＣデバイスはＢＧＡデバイスであり、前記第１接触子は前記ＢＧＡデバイスの信号ボールに当接可能に構成され、前記第２接触子は前記ＢＧＡデバイスのサーマルボールに当接可能に構成される、請求項１〜８のいずれか１項に記載のＩＣソケット。
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