JP2014090170A - 低熱抵抗を有する低インダクタンスのフレックス・ボンド - Google Patents

低熱抵抗を有する低インダクタンスのフレックス・ボンド Download PDF

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Abstract

【課題】デバイス同士をワイヤ接続する際のインダクタンス成分を低減する。
【解決手段】デバイス606及び608を相互接続するためのフレックス回路604は、切り込み溝614により可撓性ブリッジが画成され、かつ、該可撓性ブリッジに沿って延びる導電トレース610を備えている。導電トレースの一方の端部は一方のデバイス606に接続され、他方の端部は、垂直ビアを介して他方のデバイス608に接続されている。可撓性ブリッジの裏面を流れるリターン電流の位置と導電トレースとが表裏の同一位置にあるようにすることにより、インダクタンス成分を低減させることができる。
【選択図】図11

Description

本発明は、ワイヤ・ボンディングの技術分野に関し、更に特定すれば、電子回路においてトランジスタおよび他のデバイスに低インダクタンスの接続部を設ける方法に関する。
従来技術
ワイヤ・ボンディングは、半導体デバイス製造中に集積回路(IC)と印刷回路基板(PCB)との間に相互接続を作成する方法である。インダクタンスは、導体の特性であり、この特性によって、この導体における電流変化が導体自体(自己インダクタンス)および近隣にある導体(相互インダクタンス)の双方に電圧を誘起する。ボンディング・ワイヤの自己インダクタンスおよびボンディング・ワイヤ間の相互インダクタンスにより、電子/集積回路の電気的性能が損なわれる可能性があることがわかっている。
上記した問題点に鑑み、ワイヤ・ボンディングの技術分野では、電子回路におけるトランジスタおよびその他のデバイスに低インダクタンスの接続部を設ける方法を提供することが求められており、本発明は、このような従来例の問題点を解決することができるようにすることである。
本発明の一実施形態は電子回路を対象とする。本発明の電子回路は、接地面と、フレックス(可撓性)回路(flex circuit)とを含む。フレックス回路は、全体的に接地面に面する第1表面と、第1表面の反対側にある第2表面とを有する。また、フレックス回路には可撓性ブリッジが画成されている。更に、この電子回路は、フレックス回路の第2表面に通信可能に結合されている第1電子デバイスと、フレックス回路の第2表面に通信可能に結合されている第2電子デバイスと、フレックス回路の第2表面上に画成され可撓性ブリッジに沿って延びる少なくとも1つの導電トレースとを含む。少なくとも1つの導電トレースの一端部は、第1電子デバイスからの出力電流を受けるように構成されており、少なくとも1つの導電トレースの他方の端部は、垂直な相互接続アクセス(ビア)を通じて、第2電子デバイスに通信可能に結合されている。
本発明の他の実施形態は、電子回路においてインダクタンスを低減する方法を対象とする。この方法は、フレックス回路の表面に第1電子デバイスを接続するステップと、フレックス回路の表面に第2電子デバイスを接続するステップと、フレックス回路の表面上に少なくとも1つの導電トレースを設けるステップであって、該少なくとも1つの導電トレースにより第1電子デバイスから第2電子デバイスに流出電流が流れるように構成し、少なくとも1つの導電トレースの一方の端部を、第1電子デバイスからの流出電流を受けるように構成し、少なくとも1つの導電トレースの他方の端部を、垂直相互接続アクセス(ビア)を通じて第2電子デバイスに通信可能に結合する、ステップと、フレックス回路の反対側の表面に導体の連続層を設け、少なくとも1つの導電トレースが、フレックス回路の反対側の表面上のリターン電流と同じ経路を辿らせるようにするステップとを含む。
本発明の更に他の実施形態は、電子回路の製造方法を対象とする。この方法は、フレックス回路の少なくとも一部を接地面に固定するステップであって、フレックス回路が、接地面に全体的に面する第1表面と、第1表面とは反対側の第2表面とを有し、フレックス回路が、当該フレックス回路の第2表面上に画成され可撓性ブリッジに沿って延びる少なくとも1つの導電トレースを含む、ステップと、接地面に固定されたフレックス回路の一部内において、第1電子デバイスをフレックス回路の第2表面に通信可能に結合するステップと、フレックス・ブリッジを第1電子デバイスに向けて引っ張り、少なくとも1つの導電トレースの一方の端部を第1電子デバイスに、垂直相互接続アクセス(ビア)を通じて通信可能に結合するステップと、フレックス回路の残りに部分を接地面に固定するステップと、第2電子デバイスをフレックス回路の第2表面に通信可能に結合するステップであって、少なくとも1つの導電トレースの他方の端部を、第2電子デバイスから流出電流を受けるように構成する、ステップとを含む。
尚、以上の概略的な説明、および以下の詳細な説明は、例示であり説明に使用するに過ぎず、特許請求の範囲に記載する発明を必ずしも限定するのではないことは言うまでもない。添付図面は、本明細書に組み込まれその一部を構成するが、本発明の実施形態を、概略的な説明と共に例示し、本発明の原理を説明する役割を果たすものである。また、本発明の多数の利点は、添付図面を参照することにより、当業者には一層深く理解することができよう。
図1は、従来のワイヤ・ボンド技術を示す図である。 図2は、変圧回路を示す回路図である。 図3は、従来の平行ワイヤ・ボンド構成における1対の平行ワイヤ間のインピーダンスと距離との間の関係を示す図である。 図4は、逆平行構成(antiparallel configuration)としたワイヤを示す回路図である。 図5は、逆平行構成とした1対の平行ワイヤ間におけるインピーダンスと距離との間の関係を示す図である。 図6は、本発明による電子回路の上面図である。 図7は、図6に示す電子回路の線7−7に沿った断面図である。 図8は、図6に示す電子回路の線8−8に沿った断面図である。 図9は、図6に示す電子回路を生産する方法を示すフロー図である。 図10は、弛緩した状態にある電子回路のフレックス回路を示す図である。 図11は、引き上げた状態にある電子回路のフレックス回路を示す図である。 図12Aは、本発明によるフレックス回路例の上面図である。 図12Bは、本発明によるフレックス回路例の上面図である。
以下に、現在における本発明の好ましい実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
インダクタンスを低下させる試みにおいて、従来のワイヤ・ボンド技術は多数のボンドを使用する。図1は、従来のワイヤ・ボンド技術を示す図である。ワイヤ・ボンドはインダクタンス成分を有し、このインダクタンス成分が多くの設計の帯域幅を狭める。インダクタンスを制限する手段はあるが、そのためには、同様のワイヤ・ボンドを配し、元の信号とは逆方向に電流を流す必要がある。この逆方向の電流を流すことは、図1に示すようにボンディングを多数含む場合に実用的ではない。更に、従来のワイヤ・ボンド技術にしたがって構成された平行なワイヤ・ボンド102間の相互インダクタンスの方が、逆方向電流を流してインダクタンスを打ち消す能力よりも大きいことが、研究によって示されている。即ち、平行なワイヤ・ボンド102間の相互インダクタンスのために、低減可能な総インダクタンスが制限されることになる。
インダクタンス低減に関する式を以下に示す。図2に示す変圧器回路の場合、以下のように変圧器の式が定義される。
=jLωi+jMωi
=jMωi+jLωi
ただし、M=k√(L
上の式において、Mは相互インダクタンスを表し、LおよびLは、それぞれ、導体の自己インダクタンスを表し、kは2つの導体間の距離を表す係数である。
従来の平行ワイヤ・ボンド構成では、L=Lであり、v=vはi=iを意味する。以下の式は、変圧器の式から導き出すことができる。すなわち、
=jLωi+jMωi
=jMωi+jLωi
から
=jL(1+k)ω
=jL(1+k)ω
が得られる。
上の式に基づいて、この回路の全インピーダンスは、Z//ZについてZeq=L/2(1+k)ωとして計算される。インピーダンスをkに関して表したグラフを図3に示す。このグラフが示すように、kが0に近づくと(即ち、2本の導体が離れると)、Z=Z=Lω、Zeq=Lω/2となる。しかしながら、kが1に近づくと(即ち、2本の導体が互いに非常に近接すると)、Z=Z=2Lω、Zeq=Lωとなる。この結果が明確に示すのは、平行なワイヤ・ボンド間の相互インダクタンスのために、低減可能な総インダクタンスが制限されるということである。即ち、従来の平行ワイヤ・ボンド構成は、インダクタンスを低減するには有効ではない。
本発明は、電子回路においてトランジスタおよびその他の電子コンポーネント/デバイスに低インダクタンスの接続部を設ける方法を対象とする。本発明によれば、ワイヤ/導体を逆平行に(antiparallel)に構成し、インダクタンスを低減するために逆電流を供給する。即ち、回路の一方側(例えば、上側)に位置する導体は、逆側(例えば、下側)を流れるリターン電流と同じ経路を辿る。つまり、i=−i及びL=Lとなる。これにより、以下の式を先の変圧器の式から導き出すことができる。すなわち、
=(jLω−jMω)i
=(jLω−jMω)i
が得られ、そして、
=jL(1−k)ω
=jL(1−k)ω
が得られる。
図4は、逆平行に構成された2本の導体が示されている。説明を簡素化するために、Z
と仮定すると、以下の式を導き出すことができる。
DD−vSS=v−v
in=i=−i
in=(v−v)/i
=v/i−v/i
=v/i+v/i
=2Z
=2jL(1−k)ω
ワイヤが逆平行に構成されているときのインピーダンスをkに関して表したグラフを図5に示す。図5に示すように、kが0に近づくと(即ち、2本の導体が離れると)、|Zin|=2Lωとなる。しかしながら、kが1に近づくに連れて(即ち、2本の導体が互いに非常に近接するに連れて)、|Zin|は0に近づく。即ち、逆平行に構成されたワイヤは、従来の平行ワイヤ・ボンド構成に伴う前述の限界がなく、更にインダクタンスを低減することができる。更に、Z
、Zin=2Z+Zとしてインピーダンスを計算することができる。この場合でも、2本の導体間の結合が増加する(即ち、互いに近づく)に連れて、|Zin|を低減することができることを示している。
本発明による方法および電子回路は、以上で説明したインダクタンス低減則を利用する。更に具体的には、本発明による方法および電子回路は、フレックス回路を用いて、信号平面と写像平面(image plane)との間の結合を強める。更に、本発明に従う方法でフレックス回路を使用することによって、フレックス回路の一方の表面(例えば、上面)上に位置する導体が、逆側の表面(下面)上におけるリターン電流と同じ経路を辿ることが可能になり、したがって、前述のようにインダクタンスを低減することができる。
フレックス回路(すなわち可撓性電子回路)は、ポリイミドまたは透明導電性ポリエステル・フィルム等のような、可撓性基板上に電子デバイスを実装することによって、電子回路を組み立てる技術のことを言う。フレックス回路は、剛性の印刷回路基板に用いられるコンポーネントを用いて製造することもでき、基板が所望の形状に沿うこと、またはその使用中に撓むことを可能にする。
これより図6〜図8を参照して、本発明による電子回路600を説明する。電子回路600は、連続接地面602(写像面と称することもできる)を含む。また、電子回路600は、接地面602の表面に固定されているフレックス回路604も含む。これらの図に例示する電子回路600では、フレックス回路604は第1デバイス606から第2デバイス608への電流を流すために利用されている。
一実施形態では、フレックス回路604の上面(図6において描かれている向き)は、第1デバイス606から第2デバイス608に電流を供給するための1つ以上の信号/導体トレース610を含んでいる。図7に示すように、各信号/導体トレース610の一方の端部は、第1デバイス606からの電流を受けるように構成されており、その信号/導体トレース610の他方の端部は、ブリッジに沿って延び、上面上のビア(垂直相互接続アクセス)612のパッドに通信可能に結合されている。底面上に位置するビア612の逆側パッドは、第2デバイス608に通信可能に結合されており、したがって、第1デバイス606から第2デバイス608に電流を供給する。
一方、フレックス回路例の上面604の底面は、接地面602に固定されている導体(例えば、銅等)の連続層を含む。このように上面側の導体トレース610を流れる電流が底面層上の写像面における電流と同じ経路を辿る限り、相互結合が直列インダクタンスを低減する。上面および底面間の距離を0にすることは不可能であるが、上面および底面間の距離dが十分に小さく両面が密接に結合されている場合、非常に大きなインダクタンス低減を達成することができる。
一実施形態では、上面および底面間の距離dが円形ワイヤ/導体の直径の2倍未満である場合、または所与の信号/導体トレースの幅以下である場合、dは十分に小さいと見なされる。あるいは、上面および底面間の距離dは、フレックス回路604の厚さが約1ミル(即ち、1インチの1/1000)以下である場合に、十分に小さいと見なされる。しかしながら、以上の定義は絶対的な要件ではない。本電子回路を実現するためには、本開示の主旨および範囲から逸脱することなく、実用上できるだけ薄いフレックス回路を利用すればよい。
前述の電子回路600を形成するためには、種々の技術を利用することができると考えられる。例えば、図9〜図11に、プルオーバー技法の一例900を示す。まず、ステップ902において、フレックス回路604の一方側を接地面602に取り付ける。図10に示されている向きでは、フレックス回路の右側604aを接地面602に最初に取り付ける。次いで、ステップ904において、トランジスタ等の能動デバイス608を、フレックス回路の固定された右側部分604aに取り付ける。ステップ906では、フレックス回路の左半分604bの一部を、右側のデバイス608の上面まで引き上げる。具体的には、フレックス回路604は、引き上げられたときにデバイス608の少なくとも一部と係合するための可撓性ブリッジを画成するための切り込み溝614を有する。続いて、ステップ908では、フレックス・ブリッジをデバイス608の接合部分と整列させ、フレックス・ブリッジをデバイス608の接合エリアと導通可能に固定する(例えば、熱圧縮接合等を適用する)。デバイス608の接合エリアに導通可能に固定されたフレックス・ブリッジを図11に示し、更に図7にその断面図を示している。
次いで、ステップ910において、フレックス回路604の残りの部分を接地面602に接着する。この例では、フレックス回路の左側部分604bを接地面602に接着する。次いで、ステップ912において、他のトランジスタ等の能動デバイス606をフレックス回路の固定された左半分604bに取り付ける。これにより、デバイス606はフレックス回路の上面上にある導電トレース610に通信可能に結合されたことになり、これによって、導電トレース610を介して、デバイス606および608間の通信を行うことができる。
尚、上述したプルオーバー技法にしたがって組み立てられた電子回路は、2つの固定された右側部分604aおよび左側部分604bの間に1つ以上のリップルすなわちひだを含む場合がある。これらは、図11において604cとして示されており、また図6および図8においても示されている。これらのリップルは接地面602に直接固定されないが、回路チップ上の小さな部分に及ぶだけであり、回路の動作には悪影響を及ぼさない。この実施態様の利点は、フレックス・エレメントを単一部品で製造できることである。例えば、フレックス回路を打ち抜いて、前述のフレックス回路と同様の所望の形状を作成することができる。回路の可撓性およびプルオーバー技法によって重なり合った状態を形成し、デバイス606および608間を容易に通信可能に結合することができる。
しかしながら、重なり合った状態を形成するために、プルオーバー技法を利用しなければならないという訳ではない。例えば、基板にフレックス回路を露出し(例えば、フレックス・ボンド・エリアの左半分を持ち上げる)、その露出エリアに第2の能動デバイスを配すると、同様の重複エリアが形成され、同じく低インダクタンスとなる。あるいは、図12に示すように、フレックス回路1200のブリッジ1202を、切り込み溝1204を超えてフレックス回路の右側に達するように形成する。このようにすることにより、プルオーバーすなわち引き上げを行う必要なく、したがって、リップルの形成を回避する必要なく、フレックス・ブリッジを、フレックス回路の右側に配されたデバイスの接合エリアと位置合わせすることができる。尚、本発明の技術思想及びその技術的範囲から逸脱することなく、前述のような重複条件を形成するためには、種々の他の技法も利用できることが考えられる。
上述の例で引用したデバイス606および608は、電子回路を生産するために用いられる種々のタイプの電子デバイス/コンポーネントを含んでもよいことを想定している。このようなデバイスには、フリップ・チップ、トランジスタ、およびその他の半導体デバイス等を含むことができるが、これらに限定されるのではない。更に、フレックス回路例604および1200の描画は、例示の目的で簡略化されていることは、言うまでもない。フレックス回路は、本発明の技術思想及び範囲から逸脱することなく、図示されている1つ以上の信号/導体トレース610に加えて、他の回路コンポーネントも含むことができる。
また、熱圧縮接合によって、特に高速回路のために、フレックス・ブリッジとデバイスの接合エリアとを導通可能に固定できることも評価されてもよいと考えている。本開示にしたがって生産される電子回路の他の利点は、回路のレイアウトが、低インダクタンスと両立する低い熱抵抗(例えば、ワット当たり0.5℃〜1℃の範囲(Tj))を維持することである。例えば、フレックス回路は、ヒート・パイプとして機能するために、1つ以上のビア(例えば、銅製のビア)をデバイス606および/または608の下に設けることができる。このような構成は、熱消散が向上し、種々の動作条件/環境において好適である。
以上で開示した方法におけるステップの具体的な順序または階層は、例示的な手法の例であることは言うまでもない。設計の優先順位に基づいて、本発明の範囲内に納まりつつも、方法における具体的な順序または階層を並び替えることができることは言うまでもない。添付する方法の請求項は、種々のステップのエレメントを見本の順序で提示するが、提示する具体的な順序や階層に限定されることを意図するのではない。
本発明およびそれに付帯する利点の多くが以上の説明によって理解されると確信する。また、本発明の技術的範囲および技術思想から逸脱することなく、またはその重要な利点の全てを犠牲にすることなく、コンポーネントの形態、構造、および配置に種々の変更を行ってもよいことが認められるであろうことも確信する。これまでに本明細書において記載した形態は、その説明に役立つ実施形態に過ぎず、以下の請求項はそのような変更を含むことを意図している。

Claims (20)

  1. 電子回路であって、
    接地面と、
    可撓性ブリッジを画成するフレックス回路であって、前記接地面に面する第1表面と、前記第1表面の反対側にある第2表面とを有するフレックス回路と、
    前記フレックス回路の前記第2表面に通信可能に結合されている第1電子デバイスと、
    前記フレックス回路の前記第2表面に通信可能に結合されている第2電子デバイスと、
    前記フレックス回路の前記第2表面上に画成されかつ前記可撓性ブリッジに沿って延びる少なくとも1つの導電トレースであって、該少なくとも1つの導電トレースの一方の端部が、前記第1電子デバイスからの流出電流を受けるように構成されており、前記少なくとも1つの導電トレースの他方の端部が、垂直相互接続アクセス(ビア)を介して、前記第2電子デバイスに通信可能に結合されている、導電トレースと、
    を備えていることを特徴とする電子回路。
  2. 請求項1記載の電子回路において、前記フレックス回路の第1および第2表面間の距離が円形ワイヤの直径の2倍未満であることを特徴とする電子回路。
  3. 請求項1記載の電子回路において、前記フレックス回路の第1および第2表面間の距離が前記少なくとも1つの導電トレースの幅以下であることを特徴とする電子回路。
  4. 請求項1記載の電子回路において、前記フレックス回路の第1および第2表面間の距離が約1ミル以下であることを特徴とする電子回路。
  5. 請求項1記載の電子回路において、前記フレックス回路の第1表面が導体の連続層を含むことを特徴とする電子回路。
  6. 請求項1記載の電子回路において、前記第1および第2デバイスが各々チップまたはトランジスタの内少なくとも1つを含むことを特徴とする電子回路。
  7. 請求項1記載の電子回路において、該電子回路は更に、
    前記フレックス回路内に画成され、ヒート・パイプとして機能する複数の銅製ビア
    を備えていることを特徴とする電子回路。
  8. 電子回路におけるインダクタンスを低減する方法であって、
    フレックス回路の表面に第1電子デバイスを接続するステップと、
    前記フレックス回路の前記表面に第2電子デバイスを接続するステップと、
    前記第1電子デバイスから前記第2電子デバイスに流出電流を流すようための少なくとも1つの導電トレースを前記フレックス回路の前記表面上に設けるステップであって、前記少なくとも1つの導電トレースの一方の端部を、前記第1電子デバイスからの前記流出電流を受けるように構成し、前記少なくとも1つの導電トレースの他方の端部を、垂直相互接続アクセス(ビア)を介して前記第2電子デバイスに通信可能に結合する、ステップと、
    前記フレックス回路の反対側の表面に導体の連続層を設け、前記少なくとも1つの導電トレースに、前記フレックス回路の反対側の表面上を流れるリターン電流と同じ経路を辿らせるステップと
    からなることを特徴とする方法。
  9. 請求項8記載の方法において、前記フレックス回路の両表面間の距離が円形ワイヤの直径の2倍未満であることを特徴とする方法。
  10. 請求項8記載の方法において、前記フレックス回路の両表面間の距離が前記少なくとも1つの導電トレースの幅以下であることを特徴とする方法。
  11. 請求項8記載の方法において、前記フレックス回路の両表面間の距離が約1ミル以下であることを特徴とする方法。
  12. 請求項8記載の方法において、前記第1および第2電子デバイスが各々チップまたはトランジスタの内少なくとも1つを含むことを特徴とする方法。
  13. 請求項8記載の方法において、該方法は更に、
    前記フレックス回路内に画成され、ヒート・パイプとして機能する複数の銅製ビアを設けるステップ
    を含んでいることを特徴とする方法。
  14. 電子回路の製造方法であって、
    フレックス回路の少なくとも一部を接地面に固定するステップであって、前記フレックス回路が、前記接地面に面する第1表面と該第1表面とは反対側の第2表面とを有し、前記フレックス回路が、該フレックス回路の前記第2表面上に画成され可撓性ブリッジに沿って延びる少なくとも1つの導電トレースを含む、ステップと、
    前記接地面に固定された前記フレックス回路の一部内において、第1電子デバイスを前記フレックス回路の前記第2表面に通信可能に結合するステップと、
    前記フレックス・ブリッジを前記第1電子デバイスに向けて引っ張り、前記少なくとも1つの導電トレースの一方の端部を前記第1電子デバイスに、垂直相互接続アクセス(ビア)を通じて通信可能に結合するステップと、
    前記フレックス回路の残りの部分を前記接地面に固定するステップと、
    第2電子デバイスを前記フレックス回路の前記第2表面に通信可能に結合するステップであって、前記少なくとも1つの導電トレースの他方の端部を、前記第1電子デバイスからの流出電流を受けるように構成する、ステップと
    からなることを特徴とする方法。
  15. 請求項14記載の方法において、前記フレックス回路の前記第1および第2表面間の距離が円形ワイヤの直径の2倍未満であることを特徴とする方法。
  16. 請求項14記載の方法において、前記フレックス回路の前記第1および第2表面間の距離が前記少なくとも1つの導電トレースの幅以下であることを特徴とする方法。
  17. 請求項14記載の方法において、前記フレックス回路の第1および第2表面間の距離が約1ミル以下であることを特徴とする方法。
  18. 請求項14記載の方法において、前記フレックス回路の第1表面が導体の連続層を含むことを特徴とする方法。
  19. 請求項14記載の方法において、前記第1および第2電子デバイスが各々チップまたはトランジスタの内少なくとも1つを含むことを特徴とする方法。
  20. 請求項14記載の方法において、該方法は更に、
    前記フレックス回路内に画成され、ヒート・パイプとして機能する複数の銅製ビアを設けるステップ
    を含んでいることを特徴とする方法。
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