JP2009543360A - ボールグリッドアレイ接続システム及び関連方法及びボールソケット - Google Patents

Abstract

ボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）接続システムは、行列パターンに配置されるボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）を形成する複数の伝導性ボールを含む集積回路（ＩＣ）パッケージを含む。プリント回路板（ＰＣＢ）は、対応する行列パターンに配置される複数のボールソケットを含む。各ボールソケットは、ＰＣＢと係合する１つの側と、ＢＧＡの伝導性ボールを位置付けるために構成される反対の側とを含む。複数の突起が、ベースに固定され且つベースから延び、伝導性ボールをベースに接触して受容し且つ保持する。

Description

本発明は、集積回路（ＩＣ）パッケージに関し、より具体的には、ボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）ＩＣパッケージ及び関連接続システムに関する。

ボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）は、集積回路（ＩＣ）パッケージが、普通、行列（マトリックス）パターンで、ＰＧＡにおけるピン又はＢＧＡにおけるボールで覆われる或いは部分的に覆われる面を含むピングリッドアレイ（ＰＧＡ）に関連する。ピン及びボールは、ＩＣパッケージ内に位置付けられるＩＣからの電気信号を、プリント回路板（ＰＣＢ）、例えば、プリント配線板に伝達し、その上には、パッケージが配置される。ＢＧＡにおいて、ボールは、典型的には、はんだで形成され且つＩＣパッケージの底部に位置付けられる、伝導性ボールである。普通、ＰＣＢは、伝導性ボールによって形成される行列パターンと一致する行列パターンに銅パッドを支持する。一部の製造技法では、組立体はリフロー炉又は赤外線ヒータ内で加熱され、伝導性ボールをＰＣＢに固着させる。普通、はんだ合金の組成及びはんだ付け温度は、はんだが完全に溶解せず、半液体のままであり、各伝導性ボールがその隣接するものから分離させるよう選択される。

ＢＧＡ ＩＣパッケージは、普通、ＩＣによって生成されるあらゆる熱がＰＣＢにより容易に流れ、ＩＣチップが過熱することを防止するような、ＩＣパッケージとＰＣＢとの間のより低い熱抵抗を有する。また、ＢＧＡの伝導性ボールは電気伝導体としてのＰＧＡのピンよりも短いので、ボールはピンよりも低いインダクタンスを有し、高速電子回路内の信号の望ましくない歪みを防止する。しかしながら、ＢＧＡの１つの不利点は、伝導性ボールが、しばしば、ＰＧＡにおけるピンのように撓み得ないことである。ＰＣＢ内の如何なる屈曲及び熱膨張もＢＧＡ ＩＣパッケージに直接的に伝達され、高熱又は機械的応力の下ではんだ接着部を破損させる。一部の設計では、これはＰＣＢとＩＣパッケージとの間の熱膨張係数（ＣＴＥ）を一致させることによって克服されるが、そのような場合でさえ、一旦ＩＣパッケージがＰＣＢに固定されると、はんだ付け不良を検査することは困難である。

結果的に、ＢＧＡパッケージは、限定的な検査性、再加工性、及び、試験性を有し、ＩＣパッケージとＰＣＢとの間の不一致が大きいときには、信頼性の問題及び設計の制約を有する。異なるＰＣＢ製品の数多くの提案があるが、これらの製品は、パッケージフットプリント、高さ、重さ、及び、組立てステップを、所望よりも大きく増大する。

ボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）接続システムが、伝導性接点の行列パターンに配置されるボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）を形成する複数の伝導性ボールを含む集積回路（ＩＣ）パッケージを含む。プリント回路板（ＰＣＢ）が、ＰＣＢの上に対応する行列パターンに配置される複数のボールソケットを含む。１つの非限定的な実施例において、各ボールソケットは、ＰＣＢと係合する１つの側と、ＢＧＡの伝導性ボールを位置付けるために構成される反対の側とを有するベースを含む。複数の突起がベースに固定され且つベースから延び、共に協働して伝導性ボールをベースと接触して受容し且つ保持するよう構成される。

ボールソケットの各突起は、実質的に球形円弧に構成され、且つ、伝導性ボールの最大表面地域と係合する大きさとされるボール係合区画を含む。各ボールソケットは、１つの非限定的な実施例では「えくぼ」のようにベースの上に形成される圧痕を含み、それは伝導性ボールを１つの側に位置付ける。反対の側で、「えくぼ」の構造は、はんだをウィッキングするのを助け、板反りを補償する。各ボールソケットは、超小型電鋳部材として形成され得る。

さらに他の特徴において、各突起は、外向きに延びるタブを有する端部を含み、タブは、伝導性ボールをベースに向かって下向きに案内し、ボールソケットと係止関係にするのを助ける。柔軟性を付与し且つＰＣＢとＩＣパッケージとの間の熱不一致に適合するのを助けるために、各ボールソケットの突起は、ベースの幅よりも大きい高さであり得る。突起は、ベースから外向きに延びる実質的に矩形の脚部材として形成され得る。

さらに他の特徴において、集積回路（ＩＣ）パッケージをプリント回路板（ＰＣＢ）の上に取り付ける方法が示される。ボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）からの複数の伝導性ボールが、ＩＣパッケージ又はＰＣＢのうちの１つの上に行列パターンに配置され、その上にＢＧＡを有さないそれぞれの他のＰＣＢ又はＩＣパッケージの上に対応する行列パターンに配置されるそれぞれの複数のボールソケットと相互接続される。各ボールソケットは、ベースを含み、ベースは、それぞれのＩＣパッケージ又はＰＣＢと係合する側と、伝導性ボールを位置付けるために構成される反対の側とを有する。複数の突起が、ベースに固定され且つベースから延び、伝導性ボールをベースと接触して受容し且つ保持するよう構成される。ＩＣパッケージ、ＰＣＢ、伝導性ボール、及び、ボールソケットは、組立体として一体に接続され得る、例えば、本発明の１つの非限定的な実施例では、一体にリフローはんだ付けされ得る。

ボールソケットも詳細に説明される。

本発明の他の目的、機能、及び、利点は、添付の図面の観点から考慮されるとき、後続の本発明の詳細な説明から明らかになるであろう。

本発明の非限定的な実施例に従ったボールソケットを示す等角投影図であり、ボールを位置付ける圧痕に向かって内向きに見て、ベースから延びる突起を示している。 ボールソケットを示す他の等角投影図であり、図１に示されるのと逆方向から見て、ＰＣＢ又は類似表面と係合するベースの側を示している。 ＢＧＡ ＩＣパッケージと、ＢＧＡ ＩＣパッケージからのボールを受容するボールソケットを有するＰＣＢとを示す、断片的な断面図である。 図３と類似するが、ボールソケットがＩＣパッケージの上に固定され、ＢＧＡを形成するボールがＰＣＢの上に固定されるよう逆転された、ＢＧＡを形成するボール及びボールソケットの位置付けを示す、断片的な断面図である。

好適実施態様が示される添付の図面を参照して、異なる実施態様が今やより完全に記載される。多くの異なる形態が説明され得るし、記載される実施態様はここに示される実施態様を制限するものと解釈されるべきではない。むしろ、これらの実施態様は、この開示が網羅的で完全であり、範囲を当業者に十分に伝達するよう提供される。全体的に、同等の番号は同等の素子に言及している。

本発明の非限定的な実施例によれば、図１及び図２は、同様に行列パターンに配置されるＢＧＡのボールを受容し且つボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）を形成するよう、ＰＣＢのような表面の上に行列パターンに配置され得るボールソケット１０の等角投影図であり、ボールグリッドアレイは、集積回路（ＩＣ）パッケージ又は他の半導体デバイスのいずれかの上に位置付けられ、或いは、逆構成でＰＣＢの上に適用される。

ボールソケット１０は、非限定的な実施例によれば、一時的に或いは恒久的に一体に係止され得るソケット付きＢＧＡシステムを形成することによって、はんだ接着部検査、再加工、及び、問題解決を容易化する。温度及び水分感応ＢＧＡ ＩＣパッケージは、はんだリフロー温度、及び、許容可能なリフロー総数に関する制限を回避し得る。システムは、ＰＣＢ平坦性の変動を許容し、ピックアンドプレース互換システムにおいて使用され得る。例証されるようなボールソケットの使用は、従来的なボールソケットに類似する方法ではＢＧＡ ＩＣパッケージのフットプリントを増大しない。異なる材料の熱膨張係数（ＣＴＥ）は不一致であり得るし、ボールソケット及びＢＧＡ接続システムは、材料厚さ、テンパー(temper)、及び、突起(prong)幾何に基づいて適合され得る。例証されるようなボールソケットの構造は、如何なるＢＧＡはんだ又は類似材料アンダーフィル(underfill)の必要をも実質的に排除し、プリント配線板又は類似構造のような単一のＰＣＢの上の大量のボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）を可能にする。

記載されるような接続システムは、電気試験中の仕事を減少する直接検証可能なはんだ接続の故に、より大きな費用節約、品質、及び、設計上の制約の削減を可能にする。接続を推定するためにＸ線がしばしば使用されるので、直接検証可能なはんだ接続は、より大きな程度の品質保証ももたらす。従来的な遅い（手動の）ＢＧＡ加工手続きが最小限化されるので、専門技術者の仕事も削減される。ＣＴＥコンプライアンスは、ＢＧＡ接続のより大きな信頼性をもたらし得るし、例えば、ＲＦ−４板の上のセラミックモジュールのように、より大きなＣＴＥ不一致を許容することによって、より大きな種類のＢＧＡ基板を可能にし得る。ＢＧＡパッケージ数は、無制限であり得る。

図１及び図２は、ＢＧＡのはんだ又は他の伝導性ボールを接続するボールソケット１０を示している。ボールソケット１０は、実質的に円形に構成され、且つ、ＰＣＢを係合するために構成された「外」側１４（図２）と、ＢＧＡからの伝導性ボールを位置付けるために構成された「内」又は反対側１６（図１）とを有するベース１２を含む。例証されるように、縁１８がベース１２の外縁に形成され、ベースの中心部分は、「えくぼ」を形成する圧痕２２を含み、圧痕は、ボールに面する内側１６の上で、その側で伝導性ボールを位置付け且つ芯出しするよう働く。他の或いは「外」側１４は、板反り(board warpage)を補償するよう、その外側１４の上で、はんだをウィッキングする(wick)のを助ける、圧痕２２としての内向き「えくぼ」を形成している。例えば、もし大きな複数のボールソケット１０が反ったＰＣＢ上に行列パターンに配置されるならば、はんだは、如何なる「えくぼ付き」圧痕２２内にもウィッキングされ(wicked)得るし、板反りによって生成される異なる量の空間に充填し得るし、板反りを補償し得る。より厚いはんだ層がウィッキングされ得る、例えば、はんだが板反りによって生成される間隙に進行し充填するよう、ボールソケット１０とＰＣＢとの間に延び得る。

例証されるように、複数の突起(prong)３０がベース１２に固定され、ベースから上向きに延び、スナップ係止によってのように、ベースと接触して、より具体的には、中心「えくぼ」を形成する圧痕２０によって形成されるベースの地域内に、伝導性ボールを受容し且つ保持するよう構成される。４つの突起３０が例証され、縁１８の周りの９０度、１８０度、２７０度、及び３６０度位置にそれぞれ位置付けられ、この非限定的な実施例では、互いに平行にベース１２から外向き且つ上向きに延びる実質的に矩形の脚部材として形成されている。各突起３０は、実質的に球形円弧状に構成され且つ伝導性ボールの最大表面地域と係合する大きさとされたボール係止区画３２を含む。各突起３０は、外向きに延びるタブ３４を有する端部も含み、タブは、伝導性ボールをベース１２に向かって下向きに案内してボールソケット１０と係止関係にするのを助ける。図１及び図２に示される実施例において、ボールソケット１０は、ベースの幅と実質的に類似する高さであるよう例証されており、例えば、一部の実施例では、約２０〜約３０ミルの高さ、ベース１２で約２０〜３０ミルの直径である。しかしながら、他の実施例では、突起３０は、可撓性を付与し且つＰＣＢとＩＣパッケージとの間の熱不一致に適合するのを助けるよう、ベースの幅よりも大きい高さを備えて形成され得る。

動作中、伝導性ボールは、ベース１２で「えくぼ」を形成する圧痕２０に位置され、最大接触面積及び電気／熱伝導性のために突起３０と係合する。ベース１２の特殊な構成は、平坦で安定的な基準表面と、図２中に圧痕２２又は「えくぼ」によって示されるような適切なはんだ面取り(fillet)をもたらす。材料厚さ、テンパー、及び、ボールソケット幾何は、ＣＴＥ不一致緩和及び噛合い／噛外れ力(mate/demate force)のために最適化される。突起タブ３４は、ボールを表面３２に沿って下向きに案内しボールが芯出しされる圧痕２０と着座関係にすることによって、ボールを挿入するのを容易化する。ベース１２上のはんだ容積は、ボールが受けるウィッキング(wicking)の量を制御するよう、予備はんだ付けされ得る。例えば、ボールソケット上で塗工又は選択的めっきを使用することによる他のウィッキング制御機構も可能である。

ボールソケットを形成する１つの方法は、順送り型スタンピング、或いは、より小さなボールサイズ及びチップスケールパッケージ（ＣＳＰ）又はフリップチップ素子に典型的なピッチに適した特殊な超小型電鋳(microelectroforming)技術を通じてである。そのような製造技術は、その超小型電鋳能力でしばしば知られるＲｏｃｈｅｓｔｅｒ， Ｎｅｗ ＹｏｒｋのＮｉｃｏｆｏｒｍのような会社によって実施されている。また、ＨＴ Ｍｉｃｒｏａｎａｌｙｔｉｃａｌ， Ｉｎｃ．によって教示されるような金属ＭＥＭｓ技術も可能である。例えば、精密な構成を加工するリソグラフに基づく組のプロセスとしてＨＴ Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ（ＨＴＰＦ）によって商業的に知られるような多層プロセスが使用され得る。それはＬＩＧＡのようなプロセスであり、より多くの柔軟性をもたらす。

超小型電鋳は、異なる形状及び組織の複製を創成することができ、例えば、複製されるべき原物の上に厚い金属層を蒸着する。その部分は電気形成品(electroform)を形成し、原子スケールプロセスの上に電鋳することによって実施される。銅の代わりにニッケルが主要材料として使用され得る。ＮｉＣｏｌｏｙとして知られる電着ニッケルコバルト合金を使用することも可能である。また、燐銅を含めて、ベリリウム銅及び他の種類のスプリングテンパー形成可能材料も使用され得る。他の種類のニッケル混成物がボールソケットに適した材料として使用され得る。

図３及び図４は、ボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）接続システム５０及び関連方法を示している。関連方法においては、図３に示されるように、ＢＧＡ５０は、伝導性ボール５６の行列によってＩＣパッケージ５４の上に形成され得る。各伝導性ボール５６は、例証されるように保持部材５８によって取り付けられるはんだボールとして形成され得る。保持部材は、当業者に既知の異なる技術によって形成され得る。「ｎ」の数のボールが、例証されるような行列パターンにＢＧＡを形成する。ボールソケット１０は、リフローはんだ付けによってのように、例証されるようなＰＣＢ６０の上に固定され得るし、ＩＣパッケージ５４は、ボールソケット１０とスナップ嵌めされ或いは係合して係止される。代替的に、ボールソケット１０は、先ず、各ボール５６の上に挿入され得る。組立体全体はＰＣＢ６０の上に配置され、リフローはんだ付けされる。図３は、ボールソケット１０がＩＣパッケージのＢＧＡボール５６を受容する１つの種類のＢＧＡ接続システムを示している。ＢＧＡはピックアンドプレースされ、次に、１つの非限定的な実施例では、ＰＣＢにリフローはんだ付けされる。ＢＧＡはそのままにされ得るし、或いは、ソケット検査、再加工、及び、試験のために、一時的に取り外され得る。

同一に球状化されるピックアンドプレースキャリア工具として形成され、且つ、ＰＣＢとＣＴＥ一致される、ソケットキャリア工具（図示せず）を使用することも可能である。それは、その中に取り付けられる或いはＦＲ−４のような穿孔キャリアとして形成されるボールソケットを有し得る。ＦＲ−４は、穿孔内に挿入されるボールソケットを有し、ボールソケットのベースがそこから突出する。ボールソケットがＰＣＢにリフローはんだ付けされるや否や、キャリアは取り外されて、ボールソケットをＰＣＢの上に残し得る。ＢＧＡは、ＰＣＢに直接的に嵌められ得る。ベースの上のはんだペースト容積制御、パッドの形成、及び、ソケットベースの下面へのはんだの塗布によって、ソケット／ボール同平面性が反ったＰＷＢの上に維持され得る。普通、ＢＧＡ／キャリアは、ボール融点が起こり得る最大のリフロー温度の融点を超えることを必要とする。

図４は、ＢＧＡ５２がＰＣＢ６０の上に固定され、ボールソケット１０がＩＣパッケージ５４の上に固定される他の実施態様を示している。この実施態様は、図３に示される構造と比べて逆構造を示している。しかしながら、ボールソケット１０及びＢＧＡ５２構成は同じである。

Claims (8)

1. プリント回路板の上に集積回路パッケージを取り付けるための方法であって、
   集積回路パッケージ又はプリント回路板のうちの１つの上に行列パターンに配置されるボールグリッドアレイを形成する複数の伝導性ボールと、その上にボールグリッドアレイを有さないプリント回路板又は集積回路パッケージのそれぞれの他方の上に対応する行列パターンに配置されるそれぞれの複数のボールソケットとを提供するステップを含み、各ボールソケットは、それぞれの集積回路パッケージ又はプリント回路板と係合する側と、伝導性ボールを位置付けるために構成される反対の側とを含み、ベースに固定され且つベースから延び、前記伝導性ボールを前記ベースと接触して受容し且つ保持するよう構成される複数の突起を含み、
   １つの側に前記ボールを位置付け且つ板反りを補償するために他の側にはんだをウィッキングすることを助ける各ボールソケットの前記ベースの上に圧痕を形成するステップを含み、
   前記集積回路パッケージ、前記プリント回路板、前記伝導性ボール、及び、前記ボールソケットを組立体として一体に相互接続するステップを含む、
   方法。
2. 実質的に球形円弧に構成され且つ前記伝導性ボールの最大方面地域と係合するような大きさとされるボール係合区画を含むよう、各ボールソケットの突起を形成するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
3. 電鋳技法を使用して前記ボールソケットを形成するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
4. 伝導性接点の行列パターンに配置されるボールグリッドアレイを形成する複数の伝導性ボールを含む集積回路パッケージと、
   プリント回路板と、
   該プリント回路板の上に対応する行列パターンに配置される複数のボールソケットとを含み、
   各ボールソケットは、前記プリント回路板と係合する１つの側と伝導性ボールを位置付けるために構成される反対の側とを有するベースと、伝導性ボールを前記１つの側に位置付け且つ板反りを補償するために前記反対の側にはんだをウィッキングするのを助ける前記ベースの上に形成される圧痕とを含み、前記ベースに固定され且つ前記ベースから延び、前記伝導性ボールを前記ベースト接触して受容し且つ保持するよう構成される複数の突起を含む、
   ボールグリッドアレイ接続システム。
5. 前記ボールソケットの各突起は、実質的に球形円弧に構成され且つ前記伝導性ボールの最大表面地域と係合するような大きさとされるボール係合区画を含む、請求項４に記載のボールソケット及びボールグリッドアレイ接続システム。
6. 各ボールソケットは、超小型電鋳部材を含む、請求項４に記載のボールグリッドアレイ接続システム。
7. ボールグリッドアレイのボールを接続するために使用されるボールソケットであって、
   プリント回路板を係合するために構成される１つの側と、前記ボールグリッドアレイの伝導性ボールを位置付けるために構成される反対の側とを有するベースを含み、該ベースは、該ベースの上に形成される圧痕をさらに含み、該圧痕は、前記１つの側の上に伝導性ボールを位置付け、且つ、板反りを補償するために前記他の側の上にはんだをウィッキングするのを助け、
   前記ベースに固定され且つ前記ベースから延び、前記伝導性ボールを前記ベースと接触して受容し且つ保持するよう構成される複数の突起を含む、
   ボールソケット。
8. 各突起は、実質的に球形円弧に構成され、前記伝導性ボールの最大表面地域と係合する大きさとされるボール係合区画を含む、請求項７に記載のボールソケット。
   

Images