JP2008517459A - Printed circuit board assembly with improved thermal energy dissipation - Google Patents
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Abstract
PCB上に実装された集積回路(IC)を備えるプリント回路板(PCB)組立体の熱伝導度を改善する方法と装置である。空所がPCB内に形成され、除去された部分の回路基板の熱伝導度より高い熱伝導度を有するデバイスまたは材料が空所内に配置される。また、PCBは少なくとも1つの回路トレースを含み、ICダイは、その上の電気的接触パッドをPCBの回路トレースと相互接続する少なくとも1つの電気的相互接続によってPCBに相互接続される。空所内に相対的に高い熱伝導度を有する材料を配置することによって、熱ネルギー放散効果が改善される。 A method and apparatus for improving the thermal conductivity of a printed circuit board (PCB) assembly comprising an integrated circuit (IC) mounted on a PCB. A void is formed in the PCB, and a device or material having a thermal conductivity higher than that of the removed portion of the circuit board is placed in the void. The PCB also includes at least one circuit trace, and the IC die is interconnected to the PCB by at least one electrical interconnect that interconnects electrical contact pads thereon. By disposing a material having a relatively high thermal conductivity in the void, the heat energy dissipation effect is improved.
Description
本発明は、プリント回路板(PCB)に関し、より詳細には、PCB上に実装された集積回路(IC)によって生成される熱エネルギーの放散に関する。 The present invention relates to printed circuit boards (PCBs), and more particularly to the dissipation of thermal energy generated by an integrated circuit (IC) mounted on a PCB.
典型的なICパッケージは通常、内部リード・フレーム、ボンディング・ワイヤおよびダイと共に密閉され、および/または封止されたプラスチック・ハウジングならびにダイを外界と電気的に接続する外部電気リードを含む。高い熱放散ダイを収容するICパッケージは、IC基板に接続されるパッケージ内に形成された追加の一体型ヒート・シンクを有する。ヒート・シンクは通常、金属層を備える。ダイは普通、電気的接触パッドをフェイス・アップで、ボンディング・ワイヤがダイの電気的接触パッドをICパッケージの内部リード・フレームに接続する状態で、この金属層の上に実装される。リード・フレームは、普通、内部リード・フレームと外部リードの間の電気的接続を橋渡しするためにプラスチック・ハウジング内に部分的に成型されている。電気的リードは、パッケージから、パッケージが実装されているPCBへ電気的接続を形成する。 A typical IC package typically includes a sealed and / or sealed plastic housing with internal lead frames, bonding wires and dies and external electrical leads that electrically connect the dies to the outside world. An IC package that houses a high heat dissipation die has an additional integrated heat sink formed in the package that is connected to the IC substrate. A heat sink usually comprises a metal layer. The die is typically mounted on this metal layer with the electrical contact pads face up and the bonding wires connecting the die electrical contact pads to the internal lead frame of the IC package. The lead frame is usually partially molded into the plastic housing to bridge the electrical connection between the inner lead frame and the outer lead. The electrical leads form an electrical connection from the package to the PCB on which the package is mounted.
高電力熱放散ICがPCB上に実装される場合、直接、ICパッケージの真下に置かれるPCB上のヒート・スプレッド・デバイスが、ICパッケージのヒート・シンク、次いでPCB層内のグランド面へ熱的に接続される。ヒート・スプレッド・デバイスは、ICによって生じた熱を、PCBグランド面、そのものへ放散する。ICによって生じた熱は、対流によってもICパッケージから出て周囲の空気中へ移動し離れていく。しかし、用いているICパッケージが、物理的に狭い場所に制限され、ならびに/あるいは物理的に他のダイに比べて小さい場合には、通常パッケージ周囲の空気の循環は非常に乏しく、したがって対流による熱の除去はとても少量である。したがってICによって生じた熱の全てが、大部分は、ICパッケージ・ヒート・シンクを介して下向きに、PCBのヒート・スプレッド・デバイス中へ放散されなければならない。 When a high power heat dissipation IC is mounted on a PCB, the heat spread device on the PCB directly underneath the IC package is thermally transferred to the heat sink of the IC package and then to the ground plane in the PCB layer. Connected to. The heat spread device dissipates the heat generated by the IC to the PCB ground plane itself. The heat generated by the IC also leaves the IC package by convection and moves away into the surrounding air. However, if the IC package used is confined to a physically confined area and / or physically small compared to other dies, the air circulation around the package is usually very poor and therefore by convection. The removal of heat is very small. Thus, all of the heat generated by the IC must be dissipated largely through the IC package heat sink and down into the PCB heat spread device.
ダイレクト・チップ・アタッチ構成では、ICパッケージは省かれ、ダイは、その上の電気的接触パッドがPCB上で向き合う回路トレースの方にフェイス・ダウンになるような倒立位置で直接PCBに実装され、ダイの接触パッドをPCB上の回路トレースに接続する電気的相互接続(例えば、はんだバンプ)によって電気的に相互接続される。ダイレクト・チップ・アタッチ構成で使用されるPCBは、通常、物理的にフレキシブルなPCBであり、フレックスPCBまたはフレックス回路として既知である。その可撓性から、フレックスPCBは、小さな物理的領域内に適合させることができ、それでもなおPCBとダイの間の電気的接触を維持し得る。これらの種類の回路は、ハード・ディスク・ドライブ(HDD)内のハード・ドライブ磁気記憶媒体からデータを読み取り、あるいはそこへデータを書き込む読み取り/書き込みヘッドなどに関し、PCBを実装するのにほんの少しのスペースしか利用できない状態でしばしば使用される。これらの読み取り/書き込みヘッドは、通常、ステンレス・スチール・アーマチュア上に置かれ、フレックスPCBはその上に実装される。フレックスPCBの電気的接点は通常、読み取り/書き込みヘッドを読み取り/書き込みプリアンプICの電気的接点に接続する。したがって、この組立体全体は空気力学的に磁気記憶媒体の上で浮かんでいる。 In a direct chip attach configuration, the IC package is omitted, and the die is mounted directly on the PCB in an inverted position such that the electrical contact pads on it are face down to the circuit traces facing on the PCB, It is electrically interconnected by electrical interconnections (eg, solder bumps) that connect the die contact pads to circuit traces on the PCB. A PCB used in a direct chip attach configuration is typically a physically flexible PCB, known as a flex PCB or flex circuit. Because of its flexibility, the flex PCB can be fit within a small physical area and still maintain electrical contact between the PCB and the die. These types of circuits are related to a read / write head that reads data from or writes data to a hard drive magnetic storage medium in a hard disk drive (HDD), and requires only a few to implement a PCB. Often used with only space available. These read / write heads are usually placed on a stainless steel armature and the flex PCB is mounted on it. Flex PCB electrical contacts typically connect the read / write head to the read / write preamplifier IC electrical contacts. The entire assembly is therefore aerodynamically suspended above the magnetic storage medium.
図6は、従来のダイレクト・チップ・アタッチ組立体11の透視図を図示しており、それは種々の層12を含むフレックスPCBおよびフレックスPCB12の上に実装されたICダイ13を含む。ICダイ13の上の電気的接触パッド(図示されてない)がフレックスPCB12上の回路トレース(図示されてない)に配置され、電気的相互接続(例えば、はんだバンプ)19によって容易に接続されるようにICダイ13は、向き合う位置にあるフレックスPCB12に実装される。フレックスPCB12は、ダイ13に対向するPCB12の側面に接触しているヒート・シンク材料14と、ヒート・シンク材料14上に配置される接着材および熱絶縁誘電体材料(例えばポリイミド)層15と、層15上に配置される金属層16と、金属層16上に配置される熱絶縁誘電体材料(例えばポリイミド)層17とを含んでよい。前述の回路トレースは、フレックスPCB12の金属層部分16によって形成され、通常、銅でできている。ヒート・シンク材料14は熱放散体として機能し、その熱経路は、ダイ13からヒート・シンク材料14に向けられた矢印23および24によって示されるように、ダイ13からヒート・シンク材料14に向いている。
FIG. 6 illustrates a perspective view of a conventional direct chip attach assembly 11 that includes a flex PCB including various layers 12 and an IC die 13 mounted on the flex PCB 12. Electrical contact pads (not shown) on the IC die 13 are placed in circuit traces (not shown) on the flex PCB 12 and are easily connected by electrical interconnects (eg, solder bumps) 19. As described above, the IC die 13 is mounted on the flex PCB 12 at the facing position. The flex PCB 12 includes a
場合によっては、フレックスPCBは、ヒート・シンク材料14とポリイミドおよび接着材層15との間に置かれるアルミニウム補強材(図示されてない)など安定化デバイスを含む。補強材は、フレックスPCBに対し機械的安定性をもたらす。ヒート・シンク材料14は、PCB12の部分であるとは限らず、代わりに、その上にPCB12が配置されている別個のデバイスでよい。補強材が使用される場合、それはヒート・シンク材料の中へ、さらに最後にディスク・ドライブのアーマチュアおよびハウジングの中へ熱放散経路を提供する。
In some cases, the flex PCB includes a stabilizing device such as an aluminum reinforcement (not shown) placed between the
通常、ダイ13の接触パッドを金属層16内に形成された回路トレースと接続する電気的相互接続19は、ダイ13の底面に置かれた電気的接触パッド(図示されてない)上に配置され、フレックスPCB12上の回路トレースに接触して加熱され、次いで配置される、はんだまたは鉛フリー・バンプである。バンプが冷え、硬化すると、それらがダイ13の底面上のパッドとフレックスPCB12の金属層16に形成された回路トレースとの間の強固な電気的接続を形成する。
Typically,
いったん、ダイ13上のパッドとフレックスPCB12の回路トレースの間に電気的接続が形成されると、ダイ13の表面とPCB12の表面の間にわずかな分離が見られる。通常、25μmから76μm(0.001インチから0.003インチ)程度である、この間隔の物理的な形状のために、ダイ13とフレックスPCB12の間の間隔は、一般的に機械的安定性をもたらすアンダーフィル材料21で満たされる。これは、電気的接続を駄目にさせることがある過度の機械的ストレスがダイ13および相互接続に働くのを防止する。アンダーフィル材料21は、通常、ダイ13のパッドが、フレックスPCB12上の回路トレースと相互接続された後に適用される。アンダーフィル材料21は、一般的にキャピラリ・フローを用いて適用される。次いで、アンダーフィル材料21は、固体である、物理的状態に材料を硬化させるために過熱される。現在、この目的で使用されるアンダーフィル材料21は、低熱伝導度を有する、典型的には、ドイツ、DusseldorfのHenkel Loctite Corporationで製造されたHysol(登録商標)FP4549である。特に、このアンダーフィル材料は、高純度、低応力、集積回路パッシベーション材料に合わせて接着性を強化設計された液状エポキシである。
Once an electrical connection is made between the pad on the
図1に図示されたようなフレックスPCB組立体がディスク・ドライブの読み取り/書き込みヘッドに使用される場合、標準的フレックスPCB組立体は、読み書き動作を実行可能とするように大量の電流および/または電圧を用いる。これらの種類の信号は通常、200ピコ秒(ps)未満ほどの非常に速い立ち上がり時間、ナノ秒(ns)当たり700ミリ・アンペア(mA)を越える大きなスルー・レートを示し、それが極めて大きな瞬時電流および/または電圧を生じさせる。これらの大きな瞬時電流および/または電圧は放散される必要がある大量の熱エネルギーを生じさせる。 When a flex PCB assembly such as that illustrated in FIG. 1 is used in a disk drive read / write head, the standard flex PCB assembly may require a large amount of current and / or so as to be able to perform read / write operations. Use voltage. These types of signals typically exhibit very fast rise times of less than 200 picoseconds (ps) and large slew rates in excess of 700 milliamps (mA) per nanosecond (ns), which is a very large instantaneous Generate current and / or voltage. These large instantaneous currents and / or voltages generate a large amount of thermal energy that needs to be dissipated.
フレックス回路上の銅トレース領域を増やすこと、フレックス回路上の銅トレース厚さを増やすこと、専用に配置した多数の「ダミー」バンプなど高密度の熱伝導性相互接続を使用すること、高い熱伝導性アンダーフィルを使用すること、および、ダイ/PCB界面の物理的構造を介してすでに発生している伝導冷却に加えて、PCBに向き合うフリップ・チップの側面にヒート・シンクを追加し、周囲の空気中への対流冷却を改善するのに役立てることを含めて、PCB組立品のヒート・シンクの有効性を改善するいくつもの試みがなされてきた。今までのところ単独にしても、一緒に用いたとしても、これらの技術のどれも熱抵抗をかなり減少させて有効性が十分証明されたものはなく、一方効果的なロー・コスト(またはコストの掛からない)解決策となるものもない。 Increase the copper trace area on the flex circuit, increase the copper trace thickness on the flex circuit, use high-density thermally conductive interconnects such as a number of dedicated “dummy” bumps, high thermal conductivity In addition to the conductive cooling that has already occurred through the physical structure of the die / PCB interface and a heat sink on the side of the flip chip facing the PCB, Several attempts have been made to improve the effectiveness of heat sinks in PCB assemblies, including helping to improve convective cooling into the air. So far, either alone or when used together, none of these technologies has been proven to be effective with significantly reduced thermal resistance, while effective low cost (or cost) There is no solution.
フレックスPCB組立体が、非常に物理的に狭い環境、例えばディスク・ドライブの読み取り/書き込みヘッドなどで使用される場合、スペースおよびコスト的制約が貴重であり、熱抵抗を減少させるための一般的アプローチは不適当かつ/あるいは実行不可能である。さらに、通常、フレックスPCB組立品は、単層(つまり、その中に形成されたトレースを有する金属層16)を使用する。多層PCBを使用することが可能であり、また実用的である、スペースおよびコスト的制約が重要でない場合では、発生した温熱を放散するためにPCBを介して下方に熱伝導性伝熱経路を設けるのに、単純な多層めっきスルー・ホール技法が使用されてよい。しかし、普通には、多層PCBは、単層PCBよりかなりコストが掛かる。したがって、場合によって、多層導電体PCBを使用すると、ひどく高いコストになるおそれがある。やはりディスク・ドライブ応用例では、ヘッド・アーマチュアの空気力学に基因して、アーマチュア上の追加的質量により読み取り、書き込み速度が遅くなることがあるので、ディスク・ドライブのアーマチュア上に置かれた多層PCBは、通常、不適当である。
When flex PCB assemblies are used in very physically confined environments, such as disk drive read / write heads, space and cost constraints are at a premium and a general approach to reducing thermal resistance Is inappropriate and / or infeasible. In addition, flex PCB assemblies typically use a single layer (ie,
したがって、PCB内の熱エネルギーをより効果的に放散する方法と装置に対するニーズがある。 Accordingly, there is a need for a method and apparatus that more effectively dissipates thermal energy in the PCB.
本発明は、ダイからプリント回路板(PCB)組立体への熱放散を改善する方法と装置を提供する。その装置は改善された熱伝導度を有するPCB組立体を備え、その方法はPCBの熱伝導度を改善する方法である。 The present invention provides a method and apparatus for improving heat dissipation from a die to a printed circuit board (PCB) assembly. The apparatus comprises a PCB assembly having improved thermal conductivity, and the method is a method for improving the thermal conductivity of the PCB.
本発明の一実施形態によれば、PCB組立体は、PCBの一部分が除去された、空所がそこに形成されたPCBと、PCBの側面に実装され、PCBに電気的に相互接続された集積回路(IC)ダイと、PCBの除去された部分の熱伝導度より高い熱伝導度を有する空所内に配置された材料またはデバイスとを含む。PCBは少なくとも1つの回路トレースを含む。ダイは、その上の電気的接触パッドをPCBの回路トレースと相互接続する少なくとも1つの電気的相互接続によってPCBに相互接続される。 According to one embodiment of the present invention, the PCB assembly is mounted on the side of the PCB and electrically interconnected to the PCB, with a portion of the PCB removed and a void formed therein. And an integrated circuit (IC) die and a material or device disposed in the cavity having a thermal conductivity higher than that of the removed portion of the PCB. The PCB includes at least one circuit trace. The die is interconnected to the PCB by at least one electrical interconnect that interconnects electrical contact pads thereon with PCB circuit traces.
本発明のもう1つの実施形態によれば、PCB組立体は、PCBの一部分が除去された、空所がそこに形成されたPCBと、ダイレクト・チップ・アタッチ構成でPCBに実装され、PCBに電気的に相互接続されたICダイと、空所または空所の中の突出に隣接するダイに取り付けられるか、ダイのごく近傍にある材料またはデバイスとを含む。ダイに取り付けられるか、ダイのごく近傍にある材料またはデバイスは、除去された回路基板の一部の熱伝導度より高い熱伝導度を有する。PCBは少なくとも1つの回路トレースを含む。ダイは、その上の電気的接触パッドをPCBの回路トレースと相互接続する少なくとも1つの電気的相互接続によってPCBに相互接続される。 According to another embodiment of the present invention, a PCB assembly is mounted on a PCB in a direct chip attach configuration with a PCB having a portion of the PCB removed and a void formed therein, An IC die that is electrically interconnected and a material or device that is attached to or in close proximity to a cavity or a die adjacent to a protrusion in the cavity. The material or device attached to or in close proximity to the die has a thermal conductivity that is higher than the thermal conductivity of the portion of the removed circuit board. The PCB includes at least one circuit trace. The die is interconnected to the PCB by at least one electrical interconnect that interconnects electrical contact pads thereon with PCB circuit traces.
PCB組立体中の熱放散を改善する本発明の方法は、PCB内に空所を形成するためにPCBの一部分を除去すること、除去された回路基板の一部の熱伝導度より高い熱伝導度を有するデバイスまたは材料を空所内に配置すること、およびダイレクト・チップ・アタッチ構成でPCBの側面にダイを実装することを含む。
本発明のこれらの、また他の特徴および利点が、以下の説明、図面および特許請求の範囲から明らかになるであろう。
The method of the present invention for improving heat dissipation in a PCB assembly is to remove a portion of the PCB to form a void in the PCB, a thermal conductivity higher than the thermal conductivity of a portion of the removed circuit board. Placing the device or material having a degree in the cavity and mounting the die on the side of the PCB in a direct chip attach configuration.
These and other features and advantages of the present invention will be apparent from the following description, drawings and claims.
本発明によれば、PCB組立体はPCB上に実装されたICダイを含む。ICダイは、ダイレクト・チップ・アタッチ構成で実装することができる。二者択一に、ICダイはICパッケージ内に封止することができ、そのICパッケージがPCBに実装される。本明細書で用いる用語PCBは、電気的、熱的に共に絶縁性である誘電体材料を有する任意の基板を含む。したがって本明細書で用いる用語PCBは、限定されないが、単層プリント回路板である前記フレックス回路を含む。本発明は、PCBが作製される材料の種類についても限定されない。ポリイミドおよび繊維樹脂が最も通常PCBを作製するのに用いられる材料であるが、例えば硬質PCBを作製するのに用いられるTeflon(登録商標)など他の材料がPCB材料として用いられてもよい。しかし本発明は多層PCBにも適用される。説明と図示を簡略化するために、本発明は特定の材料を含むフレックス回路であるPCBを参照して説明することになる。 In accordance with the present invention, the PCB assembly includes an IC die mounted on the PCB. The IC die can be mounted in a direct chip attach configuration. Alternatively, the IC die can be sealed in an IC package, which is mounted on the PCB. As used herein, the term PCB includes any substrate having a dielectric material that is both electrically and thermally insulating. Thus, the term PCB used herein includes, but is not limited to, the flex circuit being a single layer printed circuit board. The present invention is not limited to the type of material from which the PCB is made. Polyimide and fiber resin are the materials most commonly used to make PCBs, but other materials such as Teflon® used to make hard PCBs may be used as the PCB material. However, the present invention also applies to multilayer PCBs. For ease of explanation and illustration, the present invention will be described with reference to a PCB that is a flex circuit containing a particular material.
図1は、一実施形態による本発明のPCB組立体20の断面図を図示している。PCB組立体20は、PCB30およびその上にダイレクト・チップ・アタッチ構成つまりフリップ・チップ構成で実装されたICダイ40を含む。ダイレクト・チップ・アタッチ構成は、ICパッケージは省かれ、ダイ上の電気的接触パッドがPCB面の方にフェイス・ダウンで面し、電気的相互接続(例えば、はんだバンプ、鉛フリー・バンプ、ビアなど)によってPCB上の回路トレースに電気的に相互接続されるように、ICダイは向き合う関係で直接PCBへ実装されることになると意図されている。図1に図示された実施形態によれば、PCB30はフレックス回路であるが、前述したように、本発明はそのようなPCBに限らない。本発明はダイレクト・チップ・アタッチ構成に限らず、例えば単層PCBなど、PCB上に実装されるICパッケージにも適用される。
FIG. 1 illustrates a cross-sectional view of a
本発明のフレックスPCB30は、典型的にヒート・シンク材料31と、その上に配置される電気的、熱的絶縁誘電体材料(例えば、ポリイミド)の第1層32と、接着性、ポリイミド層32の上に配置され、そこに形成された1つまたは複数の回路トレースを有する金属層33と、金属層33の上面に配置される電気的、熱的絶縁材料(例えば、ポリイミド)の層34とを含む。ヒート・シンク材料31は熱放散体として機能し、その放散経路は、ダイ41からヒート・シンク材料31の中へ向けられた矢印43および44によって示されたように、ダイ40からヒート・シンク材料31に向いている。
The
金属層33は、一般的に銅である。図1を参照して前述したように、金属層33は、その中に形成されたフレックス回路30の回路トレースを有する。電気的、熱的絶縁誘電体材料層の一部分34は、除去され、金属層33内に回路トレースを形成することができる。ダイ40は、ダイレクト・チップ・アタッチ構成では、一般的にダイ40の周辺近くに置かれる例えば、はんだバンプなど電気的相互接続36を介してPCB30の金属層33に電気的に接触して配置される。電気的相互接続36は、ダイ40上の電気的接触パッドを金属層33内に形成された回路トレースに相互接続する。
The
ヒート・シンク材料31は、PCB組立体20の一部であるか、PCB組立体20とは別個であってよい。ヒート・シンク材料31は、一般的に金属であり、例えばアルミニウムまたはステンレス・スチールでよい。さらに、アルミニウムなど安定化デバイスが、通常、機械的安定性を与えるためにフレックスPCB組立体で用いられ、接着性で電気的、熱的絶縁誘電体材料の層32とヒート・シンク材料31の間に置かれることがある。
The
本発明によれば、PCB30の一部分が、ダイ40の下面41とヒート・シンク材料31の上面38の間のPCB30内で除去され、空所50を形成する。好ましくは、空所50は、層32〜34の全てを一部分下にヒート・シンク材料31の上面38まで除去することによって形成される。図1と図6の比較から、図1に図示された空所50は、図6にはないことが分かる。好ましくは、空所50は、ダイの直接真下に置かれ、ダイ表面領域上に中心が置かれることになるような位置に形成される。図1に図示された実施形態によれば、空所50は、除去されたPCB30の部分より相対的に高い熱伝導度を示すアンダーフィル材料60で満たされる。アンダーフィル材料60は、図1内の黒点で満たされた領域によって表されている。今日の業界標準では、通常、機械的安定性を与えるのに用いられるアンダーフィル材料(図6の参照番号21)は、極めて低い低熱伝導体であり、概してPCB基板材料のそれとほぼ同じ熱伝導度を有する。図6に図示されたフィリップ・チップ組立体で用いられるアンダーフィル材料21に対する熱伝導度の標準的範囲は約0.3W/m°Kから0.9W/m°Kの間である。
In accordance with the present invention, a portion of the
図1に図示された実施形態によれば、空所50を満たすのに用いられるアンダーフィル材料60の熱伝導度は、好ましくは約3.0W/m°Kの最小値を有する(つまりPCB誘電体材料の除去された部分の熱伝導度の約10倍の最小値である)。したがって、アンダーフィル材料60の熱伝導度は、好ましくは約3.0W/m°K以上である。しかし、本発明ではアンダーフィル材料60の熱伝導度に対し任意の特定の最小値または最大値、あるいは値の範囲を限定しない。アンダーフィル材料は、例えばNigorikawa,Niigata City,JapanにあるNamics Corporationによって製造されたNamics8449−3でよい。この特定のアンダーフィル材料は、熱伝導性である小粒子フィラー材料を含む液状エポキシである。熱伝導性小粒子フィラー材料は、一般に銀、ブロンド窒化物である。例えば接着性、熱伝導性などふさわしい物理的特性を有する任意のフィラー材料がこの目的に適合し得ることを留意されたい。
According to the embodiment illustrated in FIG. 1, the thermal conductivity of the
PCB30内に空所50を形成するために低熱伝導度を有する材料を除去し、PCB30の除去された部分のそれより高い熱伝導度を有するアンダーフィル材料60で空所50を満たすことによって、PCB30の除去された部分に比べて改善された熱伝導度の経路がダイ40とヒート・シンク材料31の間にもたらされ、それが基本的に熱エネルギーをダイ40からヒート・シンク材料31の中にのがす「経路」となる。このように熱エネルギー経路形成によりヒート・シンクの効果が改善され、したがってダイの最高温度が下がる。さらにアンダーフィル材料は、図6に図示された種類のフリップ・チップ組立体ですでに用いられているので、図1に図示された組立体20にアンダーフィル材料60を適用しても追加処理工程を必要としないであろう。必要になると思われる唯一の追加処理工程は空所50の形成だけであるが、これはフレックスPCB30の設計に入っている場合、最初に物理的に配置され、工程に追加的コストを加えない。これは、通常、PCBを機械的に実装する(例えば、読み取り/書き込みヘッド・アーマチュア、またはヒート・シンク材料、または他の何かデバイスへ)目的で、PCB30が、その中に形成されるべき他の開口や空所を必要とするからである。図2〜4を参照して以下により詳細に説明するように、PCB内の空になった領域は、ダイからヒート・シンク材料への経路の熱伝導度を改善するためにアンダーフィル材料以外の材料で満たされてよい。空所、または複数の空所の配置が、以下により詳細に説明するように、さらにヒート・シンクの効果を改善するために選択されることがある。
By removing the material having a low thermal conductivity to form the void 50 in the
本明細書で説明される実施形態の全てによって満たされるべき、本発明の主要目的の1つは、周辺高熱抵抗経路(つまり、PCB誘電体材料層)と並行して低熱抵抗経路(アンダーフィルで満たされた空所)を形成することによってダイからPCBベース(例えばヒート・シンク材料)への全熱抵抗を減少させることである。これは、合計の全実効抵抗の値が低抵抗体値に近くなるように、高い値の抵抗体と並行して低い値の抵抗体を配置することと似ている。 One of the main objectives of the present invention to be met by all of the embodiments described herein is that the low thermal resistance path (underfill) is parallel to the peripheral high thermal resistance path (ie, the PCB dielectric material layer). Reducing the total thermal resistance from the die to the PCB base (eg heat sink material) by forming a filled cavity. This is similar to placing low value resistors in parallel with high value resistors so that the total effective resistance value is close to the low resistor value.
図2は、他の実施形態による本発明のPCB組立体70の断面図を図示している。この実施形態によるPCB80は、図1に図示された種類のフレックス回路である。フレックス回路80は、ヒート・シンク材料81と、ヒート・シンク材料81の上に配置される接着性、電気的、熱的絶縁誘電体材料(例えばポリイミド)の層82と、層82の上面に配置される金属層83と、金属層83の上面に配置される電気的、熱的絶縁誘電体材料(例えばポリイミド)の層84とを含む。金属層83は、その中に形成された1つまたは複数の回路トレースを有する。ダイ90は、その上の電気的接触パッドをPCB80の回路トレースに相互接続する電気的相互接続86(例えば、はんだバンプ、鉛フリー・バンプ、ビアなど)を介して、PCB80の金属層83の回路トレースと電気的に接触して配置される。ヒート・シンク材料81は、PCB組立体70の一部であるか、あるいはPCB組立体70と別個であってよい。さらに、通常、より高い電気的、熱的伝導性材料で作られた補強材が、機械的安定性を与えるためにフレックスPCB組立体で用いられ、接着性、電気的、熱的絶縁誘電体材料の層82とヒート・シンク材料81の間に置かれることがある。図2に図示されたPCB組立体70を作製するのに用いられる材料は、図1に図示されたPCB組立体20を作製するのに用いられた材料と同一でよい。
FIG. 2 illustrates a cross-sectional view of the
図1によって表された実施形態のように、図2に図示された実施形態によるPCB80の一部分がPCB80内に空所100を形成するために除去されている。好ましくは、空所100は、PCB80の層82〜84の一部分を下にヒート・シンク材料81の上面88まで除去することによって形成される。ヒート・シンク材料81は、例えばアルミニウムまたはステンレス・スチールでよい。次いで、空所100は、好ましくは、PCB80の除去された部分より高い相対的熱伝導度を有するNamics8449−3アンダーフィル材料など、アンダーフィル材料110か、PCB80の除去された部分より高い熱伝導度を有する金属で満たされる。空所100は、誘電体材料を含めてPCBの除去された部分のそれより高い熱伝導度を有する任意の材料で満たされてよい。さらにこの例の実施形態によれば、ヒート・シンク材料81の上面88は、ヒート・シンク材料の上面88とダイ90の下面91の間隔を減少させるように高くなってよい。これは、例えば型押し工程などによって何らかの方法でヒート・シンク材料81を変形することによって果たすことができる。こうしてヒート・シンク材料81の上面88の一部分が、空所100の中に突出し、ヒート・シンク材料81の他の部分よりダイ90に近づく。ヒート・シンク材料81とダイ90のそれぞれの表面88と91の間の物理的間隔を減少させることによって、ダイ90とヒート・シンク材料81の間の経路の熱伝導度が改善され、それによってヒート・シンクの総合効果を改善する。
Like the embodiment represented by FIG. 1, a portion of the
好ましくは、アンダーフィル材料110は、PCB材料80の除去された部分のそれより高い相対的熱伝導度を有するが、これはこの実施形態に対して必要ない。ダイ90の下面91とヒート・シンク材料81の上面88の間の間隔が減少したので、アンダーフィル材料110がPCB80の除去された部分のそれより高い相対的熱伝導度を有することは必要ない。たとえ標準のアンダーフィル材料(例えば、Hysol(登録商標)FP5449)が、この実施形態で用いられたとしても、表面88と91の間の減少させた間隔が改善した熱放散をもたらす。
Preferably, the
図3は、他の実施形態による本発明のPCB組立体120の断面透視図を図示している。PCB組立体120は、PCB130とダイレクト・チップ・アタッチ配置、すなわちフリップ・チップ構成でPCB130上に実装されたダイ140とを含む。この実施形態によるPCB130は、図1および2に図示された種類のフレックス回路である。フレックス回路は、一般的に、ヒート・シンク材料131と、ヒート・シンク材料131の上に配置される接着性、電気的、熱的絶縁誘電体材料(例えばポリイミド)の第1層132と、層132の上面に配置される金属層133と、金属層133の上面に配置される電気的、熱的絶縁誘電体材料(例えばポリイミド)の層134とを含む。フリップ・チップ・ダイ140は、一般的にダイ140の周辺近くに置かれる電気的相互接続136(例えば、はんだバンプ、鉛フリー・バンプ、ビアなど)を介してPCB130の金属層133に形成された回路トレースと電気的に接触して配置される。導電性相互接続136は、ダイ140上の電気的接触パッドをPCB130の金属層133内に形成された回路トレースと相互接続する。図3に図示されたPCB組立体120を作製するのに用いられる材料は、図1および2に図示されたPCB組立体20および70を作製するのに用いられた材料と同一でよい。
FIG. 3 illustrates a cross-sectional perspective view of the
図1および2によって表された実施形態のように、この実施形態によるPCB130の一部分が、ダイ140の下面141とヒート・シンク材料131の上面138の間のPCB130内に空所150を形成するために除去されている。好ましくは、空所150は、PCB130の層132〜134の一部分を下にヒート・シンク材料131の上面138まで除去することによって形成される。次いで、空所150は、好ましくは、PCB130の除去された部分のそれより高い相対的熱伝導度を有するアンダーフィル材料160で満たされる。前述のNamics8449−3アンダーフィル材料は、この目的に適合し得る。さらにこの実施形態によれば、ヒート・シンク材料131の上面138は、空所150の中に突出し、ヒート・シンク材料131とダイ140の間の熱経路の長さを減少させる、その中に差し込まれた、例えば金属リベット、またはスラグなど、比較的高熱電伝導度の材料で作られたデバイス170を有する。伸張または突出170は、熱経路の長さを減少させることによって、組立体120の熱伝導度が改善され、それによりヒート・シンクの総合効果を改善する。
As in the embodiment represented by FIGS. 1 and 2, a portion of the
さらに、比較的、高熱伝導度(つまり、PCBの除去された部分の熱伝導度より高い)を有するデバイスで空所150の少なくとも一部を満たすことにより、ダイ140とヒート・シンク材料131の間の熱経路の熱伝導度が増大する。これは、デバイスまたは材料170が、たとえ部分的にしろ全体的にしろ空所150を満たしていれば、デバイスまたは材料170が、表面138と141の間の熱経路の長さを減少させるかどうかにかかわらず当てはまる。金属は完全な高熱伝導度を有するので金属リベットや金属スラグなどのデバイスはこの目的に適合する。したがって、そのようなデバイスを用いることにより、例えば、アルミニウムやステンレス・スチールでよいが、ダイ140とヒート・シンク材料131の間の熱経路の熱伝導度を著しく増大させることになる。しかし、そのデバイスがPCB130の除去された部分のそれより高い熱伝導度を有するなら、誘電体材料を含むデバイスが、空所150内の配置に適合し得ることも留意されたい。
Furthermore, by filling at least a portion of the void 150 with a device having a relatively high thermal conductivity (ie, higher than the thermal conductivity of the removed portion of the PCB), the space between the die 140 and the
熱経路の長さがデバイス170を用いることによって減少する場合、アンダーフィル材料160が、PCB130の除去された部分のそれより高い熱伝導度(例えば、Namics8449−3)を有することは必要ないということも留意されたい。たとえ標準のアンダーフィル材料(例えば、Hysol(登録商標)FP5449)が用いられたとしても、減少した経路長がより効果的なヒート・シンクをもたらす。
If the thermal path length is reduced by using
熱エネルギー放散の改善効果の結果は種々の要因によって決まる。例えば、改善効果の結果は、空所内および空所に隣接して配置される材料またはデバイスの熱伝導度に対する空所周辺のPCB材料の相対的熱伝導度の比率で決まる。この比率が増せば、改善効果の結果も増える。これは、図1を参照して前述したように、高い熱伝導度材料が、アンダーフィル材料であるか、特定のやり方で形作られたヒート・シンク材料の一部分などの他の何か材料またはデバイスであるか、図2および3を参照して前述したように金属リベットなどの他の何かデバイスであるかにかかわらず当てはまる。 The result of the improvement effect of thermal energy dissipation depends on various factors. For example, the outcome of the improvement effect is determined by the ratio of the relative thermal conductivity of the PCB material around the void to the thermal conductivity of the material or device placed in and adjacent to the void. If this ratio increases, the results of improvement will also increase. This is because, as described above with reference to FIG. 1, the high thermal conductivity material is either an underfill material or some other material or device such as a portion of a heat sink material shaped in a particular manner Or any other device such as a metal rivet as described above with reference to FIGS. 2 and 3.
熱エネルギー放散の改善効果の結果は、やはりダイの真下に置かれたPCB誘電体材料(つまり、ポリイミド)の面積(または体積)に対する高い熱伝導度の材料またはデバイスで満たされた空所の面積(または体積)の比率で決まる。この比率が増せば、改善効果の結果も増える。これは、図1を参照して前述したように、高い熱伝導度材料が、アンダーフィル材料であるか、特定のやり方で形作られたヒート・シンク材料の一部分などの他の何か材料またはデバイスであるか、図2および3を参照して前述したように例えば、金属リベットまたはスラグなどの他の何かデバイスであるかにかかわらず当てはまる。 The result of the improved thermal energy dissipation is that the area of the void filled with a high thermal conductivity material or device relative to the area (or volume) of the PCB dielectric material (ie, polyimide) also placed directly under the die (Or volume) ratio. If this ratio increases, the results of improvement will also increase. This is because, as described above with reference to FIG. 1, the high thermal conductivity material is either an underfill material or some other material or device such as a portion of a heat sink material shaped in a particular manner Or as described above with reference to FIGS. 2 and 3, for example, any other device such as a metal rivet or slug.
前述したように、空所は、ヒート・シンク材料の一部分、あるいは金属リベットまたは空所内に配置されたある種のデバイスだけでなく高熱伝導度アンダーフィルを有してよい。そのような場合、熱エネルギー放散の改善効果の結果は、空所内および空所に隣接して配置されるアンダーフィル材料の面積(または体積)に対する空所内に配置されるヒート・シンク材料あるいは他の材料またはデバイスの面積(または体積)の比率を増やすことで増大する。 As previously mentioned, the void may have a high thermal conductivity underfill as well as a portion of the heat sink material, or some type of device disposed within the metal rivet or void. In such a case, the result of the improved effect of thermal energy dissipation is that the heat sink material or other placed in the void relative to the area (or volume) of the underfill material disposed in and adjacent to the void. Increasing the ratio of material or device area (or volume) increases.
本発明が熱エネルギー放散の効果を改善させた程度は、やはりダイの「ホット・スポット」に対する空所の位置関係で決まる。すなわち、ダイは、その表面積にわたって熱エネルギーを一様に発生しない。むしろ、ダイの他の部分に比べて非常に大量の電力を消費するダイ回路の一部分がある場合、最も大きな量の電力を消費するダイのその部分が、最も高い温度を示すことになる。したがって、一般的にホット・スポットにできる限り近づいて空所を配置することにより、ヒート・シンク材料への最短の熱経路が与えられ、それにより熱エネルギー放散の総合効果が改善されることになる。 The degree to which the present invention improves the effectiveness of thermal energy dissipation is again determined by the location of the void relative to the “hot spot” of the die. That is, the die does not generate heat energy uniformly over its surface area. Rather, if there is a portion of the die circuit that consumes a very large amount of power compared to other portions of the die, that portion of the die that consumes the most amount of power will exhibit the highest temperature. Therefore, generally placing the void as close as possible to the hot spot provides the shortest thermal path to the heat sink material, thereby improving the overall effect of thermal energy dissipation. .
図4は他の実施形態による本発明のPCB組立体170の断面図を図示している。PCB組立体170は、PCB180と、ダイレクト・チップ・アタッチ配置、つまりフリップ・チップ構成でPCB180上に実装されたICダイ190とを含む。この実施形態によるPCB180は、図1、2および3に図示された種類のフレックス回路である。前述したように、フレックス回路は、一般的にヒート・シンク材料181と、ヒート・シンク材料181の上に配置される接着性、電気的、熱的絶縁誘電体材料(例えばポリイミド)の第1層182と、層182の上面に配置される金属層183と、金属層183の上面に配置される電気的、熱的絶縁誘電体材料(例えばポリイミド)の層184とを含む。ダイ190は、一般的にダイ190の周辺近くに置かれる電気的相互接続186(例えば、はんだバンプ、鉛フリー・バンプ、ビアなど)を介してPCB180の金属層183に形成された回路トレースと電気的に接触して配置される。相互接続186は、ダイ190上の接触パッドをPCB180内またはその上に形成されたトレース回路と相互接続する。図4に図示されたPCB組立体170の層を形成するのに用いられる材料は、図1、2および3にそれぞれ図示されたPCB組立体20、70および120の層を形成するのに用いられた材料と同一でよい。
FIG. 4 illustrates a cross-sectional view of a
図1、2および3によって表された実施形態のように、この実施形態によるPCB180の一部分が、ダイ190の下面191とヒート・シンク材料181の上面188の間のPCB180内に空所200を形成するために除去されている。好ましくは、空所200は、PCB180の層182〜184の一部分を下にヒート・シンク材料181の上面188まで除去することによって形成される。次いで、空所200は、好ましくは、PCB180の除去された部分のそれより高い熱伝導度を有するアンダーフィル材料210で満たされる。さらに、この実施形態によれば、ヒート・シンク材料181の上面188は、その中に差し込まれた、例えば、好ましくは少なくとも部分的に空所200の中に突出する金属デバイス(例えば金属リベットまたはスラグ)などのデバイス220を有する。さらに、この実施形態によれば、ダイ190の下面191が、その上またはそのごく近傍に配置された相対的に高熱伝導度の材料またはデバイス240を有する。材料またはデバイス240は、PCB180の除去された部分のそれより高い熱伝導度を有する。好ましくは、材料またはデバイス240は、金属で作られる。したがって、材料またはデバイス240は、例えば銅の金属プレートなどの金属プレートでよい。材料またはデバイス240は、ダイ190の下面191上にまたはそれに隣接して配置され、例えばめっき、蒸着、スパッタリング、など任意の適切な工程によって形成することができる。材料またはデバイス240は、例えば、はんだ250によってデバイス220の上面に取り付けることができる。
Like the embodiment represented by FIGS. 1, 2, and 3, a portion of the
図4から、ダイ190の下面191とヒート・シンク材料181の上面188の間の空所200の一部分が、完全にPCB180の除去された部分より高い熱伝導度の材料で満たされていることが分かる。例えば、デバイスあるいは材料220、240および250の全てが、部分的にまたは全体的に金属であってよい。したがって、ダイ190とヒート・シンク材料181の間の熱経路は、完全に高熱伝導度の材料で作り上げることができる。高熱伝導度である、ダイ190の下面191とヒート・シンク材料181の上面188の間の接続を提供することで、熱経路の熱伝導度が著しく増大する。
From FIG. 4, it can be seen that the portion of the
図5は、PCB組立体内のヒート・シンクの効果を改善する好ましい実施形態による本発明の方法のフロー・チャート図である。前述したように、PCBの一部分が、ブロック271によって表示されたように、PCB内に空所を設けるために除去される。ダイとヒート・シンク材料の間の熱経路の熱伝導度が、ブロック272によって表示されたように、熱経路の長さを減少させることによって、かつ/あるいは空所内および/またはヒート・シンク材料とダイ下面の間に配置された材料の熱伝導度を増大することによって改善される。
FIG. 5 is a flow chart diagram of the method of the present invention according to a preferred embodiment that improves the effect of heat sinking in the PCB assembly. As described above, a portion of the PCB is removed to provide a void in the PCB, as indicated by
本発明が、少ない例示の実施形態を参照して説明されたこと、また本発明がこれらの実施形態に限らないということに留意されたい。本明細書で説明された実施形態は、本発明の原理と概念を伝えることを意図しており、本発明を実施する排他的な実施形態を説明することを意図していない。例えば、それぞれの実施形態では、本発明は、PCB層の全ての一部分を下へヒート・シンク材料の上面まで除去することに関して説明された。空所を形成するためにPCB層の全てより少ない一部分を除去し、除去した部分より高い熱伝導度を有する材料またはデバイスで空所を満たすことで、特定の応用例に要求される熱放散に改善するのに十分であってよいことも留意されたい。本発明は、やはり、空所内に配置され、あるいはダイの底面に取り付けられる材料またはデバイスの種類に関して限定しない。さらに本発明は、任意の特定の種類のPCBに限定しない。例えば本発明は、多層PCBと同様に単層PCBに適用される。実施形態の全てが、PCBの下面に接してヒート・シンク材料を図示しているが、ヒート・シンク材料は別の位置でもよい。例えば、多層PCBでは、ヒート・シンク材料は、PCBの最も外側の層の間に置かれたグランド面でよい。他の変更形態が、本明細書で説明された実施形態に対しなされてよい、またそのような変更形態の全ては本発明の範囲内にある。 It should be noted that the present invention has been described with reference to a few exemplary embodiments, and that the present invention is not limited to these embodiments. The embodiments described herein are intended to convey the principles and concepts of the invention and are not intended to describe exclusive embodiments that implement the invention. For example, in each embodiment, the present invention has been described with respect to removing all portions of the PCB layer down to the top surface of the heat sink material. By removing less than all of the PCB layer to form a void and filling the void with a material or device having a higher thermal conductivity than the removed portion, the heat dissipation required for a particular application can be reduced. Note also that it may be sufficient to improve. The present invention is again not limited in terms of the type of material or device that is placed in the cavity or attached to the bottom surface of the die. Further, the present invention is not limited to any particular type of PCB. For example, the present invention applies to single layer PCBs as well as multilayer PCBs. Although all of the embodiments illustrate the heat sink material in contact with the bottom surface of the PCB, the heat sink material may be in another location. For example, in a multilayer PCB, the heat sink material may be a ground plane placed between the outermost layers of the PCB. Other modifications may be made to the embodiments described herein, and all such modifications are within the scope of the invention.
Claims (10)
少なくとも1つの回路トレースを含むPCBであって、前記PCBの一部分が除去された、空所がそこに形成されたPCBと、
前記PCBの側面に実装された集積回路(IC)ダイであって、前記ダイの上の電気的接触パッドを前記PCBの前記回路トレースの少なくとも1つに相互接続する少なくとも1つの電気的相互接続によって前記PCBに電気的に相互接続されるICダイと、
前記空所内に配置され、前記PCBの除去された部分の熱伝導度より高い熱伝導度を有する材料またはデバイスと
を備えるPCB組立体。 A printed circuit board (PCB) assembly comprising:
A PCB including at least one circuit trace, wherein a portion of said PCB has been removed and a void is formed therein;
An integrated circuit (IC) die mounted on a side of the PCB by at least one electrical interconnect interconnecting electrical contact pads on the die to at least one of the circuit traces of the PCB; An IC die electrically interconnected to the PCB;
A PCB assembly comprising a material or device disposed within the cavity and having a thermal conductivity higher than that of the removed portion of the PCB.
少なくとも1つの回路トレースを含むPCBであって、前記PCBの一部分が除去された、空所がそこに形成されたPCBと、
前記PCBの側面にダイレクト・チップ・アタッチ構成で実装された集積回路(IC)ダイであって、前記ダイの上の電気的接触パッドを前記PCBの前記回路トレースの少なくとも1つに相互接続する少なくとも1つの電気的相互接続によって前記PCBに電気的に相互接続されるICダイと、
前記空所または前記空所の中の突出に隣接する前記ダイに取り付けられ、前記ダイの前記除去された部分の熱伝導度より高い熱伝導度を有する材料またはデバイスとを備えるPCB組立体。 A printed circuit board (PCB) assembly comprising:
A PCB including at least one circuit trace, wherein a portion of said PCB has been removed and a void is formed therein;
An integrated circuit (IC) die mounted in a direct chip attach configuration on a side of the PCB, at least interconnecting electrical contact pads on the die to at least one of the circuit traces on the PCB An IC die electrically interconnected to the PCB by one electrical interconnect;
A PCB assembly comprising a material or device attached to the die adjacent to the cavity or a protrusion in the cavity and having a thermal conductivity higher than that of the removed portion of the die.
前記PCB組立体が、前記PCB上に実装された集積回路(IC)ダイを含み、
前記PCB内に空所を形成するために前記PCBの一部分を除去すること、
前記PCBの除去された部分の熱伝導度より高い熱伝導度を有するデバイスまたは材料を前記空所内に配置すること、
前記PCBの側面にダイレクト・チップ・アタッチメント構成で前記ダイを取り付けることによって前記PCB上に前記ダイを実装することを含む方法。 A method for improving heat dissipation in a printed circuit board (PCB) comprising:
The PCB assembly includes an integrated circuit (IC) die mounted on the PCB;
Removing a portion of the PCB to form a void in the PCB;
Placing a device or material in the cavity having a thermal conductivity higher than that of the removed portion of the PCB;
Mounting the die on the PCB by mounting the die in a direct chip attachment configuration on a side of the PCB.
前記絶縁誘電体材料の1つまたは複数の層の一部分を存在しないようにするか、またはそこから除去する工程であって、前記アンダーフィル材料に延在する空所をもたらし、したがって前記空所を前記ヒート・シンク材料の本体と接触させる工程を含み、前記ダイから前記ヒート・シンク材料の本体への熱伝達を増大させるために、前記アンダーフィル材料が、前記絶縁誘電体材料の存在しないまたは除去された部分のそれより大きな熱伝導度を有する少なくとも一部分を含むPCB組立体の方法。 One or more printed circuit board (PCB) and integrated circuit (IC) die assemblies, wherein the PCB and die are in spaced relationship and the PCB is made of an insulating dielectric material And having a substrate layer and having conductive circuit traces on or embedded in at least one substrate layer of the insulating dielectric material, the die having at least one conductor, on the die The conductor and the conductive circuit are electrically interconnected by at least one conductor placed between the PCB and an opposing portion of the die, and a body of underfill material spaced the die from the PCB In the space between the opposing parts, associated with a portion of the PCB layer, or a portion of the PCB layer, or associated with the body of the heat sink material, or A method for improving a body of click material,
Eliminating or removing a portion of one or more layers of the insulating dielectric material resulting in voids extending into the underfill material; Contacting the body of the heat sink material with the underfill material in the absence or removal of the insulating dielectric material to increase heat transfer from the die to the body of the heat sink material. A method of PCB assembly comprising at least a portion having a thermal conductivity greater than that of the portion of the substrate.
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