JP4746283B2 - 回路組立体および集積回路デバイスに放熱器を接続する方法 - Google Patents

回路組立体および集積回路デバイスに放熱器を接続する方法 Download PDF

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Description

本発明は、半導体デバイスに関し、特にフリップチップデバイスをパッケージする方法とそのパッケージに関する。
フリップチップ技術は、ＩＣデバイスをパッケージ内の基板に接続する方法を提供する。このフリップチップ方法においては、複数の電気端末がＩＣデバイスの活性表面上に形成される。それぞれのはんだバンプが各電気端末の上に形成される。基板はＩＣデバイス上の端子に対応する複数の端子パッドを有する。このＩＣデバイスが「フリップ化」され、そのためＩＣデバイスの端末が基板の端末パッドに接触するようになる。熱が加えられてこのはんだバンプをリフローして基板とＩＣデバイスの活性表面上の間で電気的および機械的な接続が形成される。
このフリップチップパッケージは非常にコンパクトで、チップスケールのパッケージと称する。このフリップチップデバイスは、様々な設計上の変更が試みられているが、その理由はＩＣデバイスと基板との間の熱的な不整合により層間剥離を生じさせるからである。このような問題を解決する１つの方法は、ＩＣデバイスの裏面（非活性面）上に放熱器を設けることである。
米国特許第５，２８９，３３７号の図６は、熱が基板３に流れないようにする放熱器２６′を示している。この放熱器のプレートを接続リング２４′により固定している。そしてこの放熱器プレート２６′が伝熱性グリース７を介して基板３に接触している。このパッケージ全体を複数のリード線を有するセラミック製のパッケージ内に気密にシールしている。そしてこのパッケージをプリント回路基板（ＰＣＢ）にパッケージ用のリードを用いて搭載している。
特開平８−７８５８４号公報（図１）
本発明の目的は、フリップチップ技術において、従来の欠点を解決するような新たな熱制御が可能な構造を提供することである。
本発明は、放熱器を有するフリップチップ装置に関し、この放熱器はデバイスの不活性表面に接続される表面と、基板に接続される複数の脚部とを有する。本発明によれば、本発明の回路組立体は、請求項１に記載した特徴を有する。
本発明の第２の態様によれば、本発明はフリップチップ構造で基板に接続されているＩＣデバイスに放熱器を接続する方法を提供する。第１の伝熱性材料を用いて放熱器のプレートをＩＣデバイスの不活性側に接続している。この放熱器のプレートは、複数の脚部を有する。第２の伝熱性材料を用いてこの複数の脚部を基板に接続している。
本発明による構造体は、組み立てられた構造体内の熱を有効に拡散することにより熱抵抗を下げる。本発明による放熱器は、放熱器を脚部を有さない同様な大きさの放熱器に比較して熱的性能を改善することができる。本発明の構造体はダイまたは他のＩＣデバイスを物理的に保護することができる。
本発明の構造体は、冷却を必要とするような組立体に対し、ヒートシンクを取り付ける表面を提供できる。本発明は、シリコン／基板界面の信頼性を向上させることができる。冷却用流体の入口および出口を自由にすることにより気密構造あるいは疑似気密構造を回避することができる。これによりコストを低減することができ、信頼の問題を回避できる。
本発明によるパッケージおよびパッケージ方法は、容易に洗浄および乾燥が可能である。本発明は、ピンホールのないパッケージを開発するプロセスを削除でき、さらにまた従来技術のシールされたパッケージ内にピンホールを介して入ってくる廃液の問題を解決できる。
本発明の一実施例は、有機材料性基板を例に説明したが、セラミック製のフリップチップパッケージに本発明の放熱器あるいは放熱方法を適用できる。
図１、２は、本発明による回路基板組立体１００を示し、この回路基板組立体１００においては、ＩＣパッケージ１１０がマザーボードあるいは他のＰＣＢであるプリント回路基板１５０に接続される。
ＩＣパッケージ１１０は第１基板１２０を有する。この第１基板１２０は第１表面１２５と第２表面１２６とを有する。第１表面１２５は複数の端子パッド１２１を有し、第２表面１２６は複数の端子パッド１２７を有する。この実施例においては第１基板１２０は有機性基板、例えばガラス／エポキシ製の基板である。この基板は、複数のレベル（層）を有し、相互接続用貫通導体（バイア）１２２により与えられる層間の電気的パスを具備している。
ＩＣ素子１３０は、第１（活性）表面１３２と第２（非活性）表面１３３とを有する。第１（活性）表面１３２は、第１基板１２０の第１表面１２５の端子パッド１２１への複数の電気結合手段１３４を有する。この実施例においては、この電気結合手段１３４は、ＩＣ素子１３０と第１基板１２０との間の電気的および機械的結合を形成するためにリフローされるはんだバンプにより形成される。チップは、例えばＩＢＭにより開発されたＣ４プロセスあるいは他のはんだボールプロセスを用いて基板の上部にフリップ接続される。別の構成例として有機物質の接続をはんだバンプの代わりに用いることもできる。
従来の充填材１３６を用いて、ＩＣ素子１３０と第１基板１２０の第１表面１２５との間の空間を充填する。この充填材１３６は、熱的サイクルの間、機械的ストレスが電気的相互接続構造にかかるのを回避している。充填材１３６の材料は、エポキシあるいは他の公知の充填材である。
放熱装置１４０は、プレート部分１４５と複数の脚部１４１とを有する。ＩＣ素子１３０の第２活性表面１３３は、プレート部分１４５に第１伝熱材料１４２により接続される。各脚部１４１は、第１基板１２０の第１表面１２５に第２伝熱材料１４３により接続される。
放熱装置１４０を図２に示す。図２はスケール通り描いてはいない。各脚部１４１はそれぞれ幅Ｗを有する。２つの脚部１４１の間の最短距離Ｌは、複数の脚部の間の最大幅よりも大きい。放熱装置１４０の一般的形状は、テーブルのそれである。その結果、放熱装置１４０と第１基板１２０との間の空間は開放されており、洗浄用の溶剤（例えば水）を容易に吹き付けることができる。ＩＣパッケージ１１０用に気密性あるいはほぼ気密性あるいはピンホールのないシールを用いずに、パッケージを開放状態に保持しておくと、容易に洗浄することができる。使用される洗浄溶液は、パッケージから容易に流れ落ちるものである。脚部の長さは、例えば０．０５ｃｍ（２０ミル）である。
この実施例においては、放熱器は銅製である。銅は、熱伝導率が高いために、使用するのが有利である。高い熱伝導率を有し、熱膨張係数がほぼ等しい他の材料も使用することができる。熱膨張係数が異種材料（例えば、アルミ）を放熱器に使用することもできるが、前述した接続部に用いられる伝熱材料は、放熱器の膨張を収納できる程度に柔軟性があり、かつ熱をよく伝えるものでなければならない。
図２の脚部１４１は、長方形の断面を有しているが、脚部１４１の断面は楕円、環状、Ｌ字型等でもよい。長方形の断面が利点があるのは、放熱装置１４０が金属の一枚の平板から形成できるからである。例えば、プレート部分１４５と脚部１４１は打ち抜きで形成され、脚部はその場所で１回のステップで折り曲げて形成することができる。別法として、材料片をまず切断し、脚部をその場で別の行程で曲げてもよい。他の従来の製造技術モールド、ミリング等を用いることもできる。さらにまた脚部１４１は、別の材料板から形成し、それを従来技術、例えばはんだ、ブレージング、ウェルド、他の接着剤を用いてプレート部分１４５に結合することもできる。
図２の放熱装置１４０は、４本の脚部１４１を有し、これはアスペクト比が１に近い小さな放熱器に適したものである。異なる数の脚部を用いることもできる。高いアスペクト比を有する大きな拡散器は、５本以上の脚部、例えば６本または８本の脚部を有してもよい。非常に小型の放熱装置１４０は、プレート部分１４５の１個の対角線に取った対向する各部に２本の傾斜した脚部（図示せず）を有することもできる。この脚部がデバイスから熱を放散するために、ＩＣデバイスが大量の電力を消費する場合には、５本以上の脚部を用いるのがよい。
第１と第２の伝熱材料１４２と１４３は、例えば接着剤、伝熱性グリース、はんだ、相変化(phase change)材料からなるグループから選択されたものである。この第１と第２の伝熱材料１４２と１４３は同一材料、あるいは異種材料でもよい。好ましくは第２伝熱材料１４３は、伝熱性が良好が接着材である。この実施例においては、第１と第２の伝熱材料１４２と１４３は両方とも伝熱性の接着材で、例えば銀充填エポキシ材料製である。
この実施例には、１個のＩＣ素子１３０が放熱器に接続されているが、複数のＩＣデバイスをマルチチップモジュール構成で１個の放熱器に接続することもできる。５本以上の脚部を有するものは、大量のパワーを拡散することができ、これは複数のデバイスが１個の放熱器に接続されている場合である。
ＩＣパッケージ１１０は、第２の基板（プリント回路基板１５０）に接続されている。このプリント回路基板１５０は複数の端子パッド１５１を有する。第２の基板（プリント回路基板１５０）の端子パッド１５１は、第１基板１２０の第２表面１２６の端子パッド１２７に接続されている。この実施例においては、複数のはんだ用ボール１５２が第１基板１２０の端子パッド１２７上に形成されている。このはんだ用ボール１５２を加熱してはんだをリフローさせ、ＩＣパッケージ１１０とプリント回路基板１５０との間の電気的および機械的接続を形成する。
図３は、ダイレクトチップ接続プロセスに本発明を適用した例を示す。図３の組立体２００において、ＩＣ素子１３０はプリント回路基板１５０に直接接続され、パッケージ基板を介在させないものである。ＩＣには本来的にパッケージは存在しない。ＩＣ素子１３０と、電気の端末１３１と、第１（活性）表面１３２と、第２（非活性）表面１３３と、はんだバンプ１３４と、充填材１３６と、放熱装置１４０と、脚部１４１と、第１と第２の伝熱材料１４２と１４３は図１に示されたものと同じであり、これらに関する説明は割愛する。直接フリップ接続構造においては、放熱装置１４０はＩＣ素子１３０に対する物理的な保護と熱的制御機能を与える。
以上の説明から、放熱器をフリップチップ構造で基板に接続されるＩＣデバイスに接続する方法が理解できるであろう。
ＩＣ素子１３０は複数のはんだバンプ１３４により第１基板１２０（または１５０）に取り付けられている。このＩＣ素子１３０は、第１基板１２０の上に配置され、はんだバンプ１３４をリフローして基板上の端子パッドと電気的接続を構成し、フリップチップ構造を形成する。このフリップチップ電気的接続構成を構成する他の方法に置換できる。
プレート部分１４５と脚部１４１が形成される。このプレート部分１４５と脚部１４１は、１枚の金属製シートから形成される。例えば脚部１４１は、１枚の銅板から打ち抜きにより形成される。第１伝熱材料１４２を用いてプレート部分１４５をＩＣデバイスの不活性側に接続する。第２伝熱材料１４３を用いて各脚部１４１を基板１２０（またはＰＣ基板１５０）に接続する。
図４は、本発明による放熱装置２４０の斜視図である。この放熱装置２４０は４本の脚部２４１を有し、この脚部２４１はプレート部分２４２と一体に形成される（例えば、打ち抜きにより）。各脚部２４１は、放熱器のプレート部分２４２と平行な底部表面を有する。脚部２４１は、放熱装置２４０の全領域の一部を構成する断面領域を有する。この放熱装置２４０により、使用される材料に対し、非常に高い効率が得られる。この材料は例えば銅である。図４の放熱装置２４０は上記に記載した方法でＩＣ素子１３０と基板１２０に接続される。
図５は放熱装置３４０の第３の実施例の斜視図である。放熱装置３４０は、ほぼ平坦な上部表面３４２を有し、脚部は放熱器のプレートの底部表面３４４をミリング（加工）すること、あるいは底部表面３４４をモールドすることにより形成される。放熱装置３４０は銅製である。放熱装置３４０は上記の方法により取り付けられる。
本発明によるＩＣパッケージを具備する回路基板組立体の断面図。 図１に示した第１の放熱装置の斜視図。 本発明による方法と構造を用いた回路基板に直接取り付けられるＩＣデバイスを有する回路基板組立体の断面図。 本発明による第２の放熱装置の斜視図。 本発明による第３の放熱装置の斜視図。
符号の説明
１００ 回路基板組立体
１１０ ＩＣパッケージ
１２０ 第１基板
１２１，１２７，１５１ 端子パッド
１２２ 相互接続用貫通導体
１２５ 第１表面
１２６ 第２表面
１３０ ＩＣ素子
１３１ 電気の端末
１３２ 第１（活性）表面
１３３ 第２（非活性）表面
１３４ 電気結合器（はんだバンプ）
１３６ 充填材
１４０，２４０，３４０ 放熱装置
１４１，２４１，３４１，３４３ 脚部
１４２ 第１伝熱材料
１４３ 第２伝熱材料
１４５，２４２ プレート部分
１５０ プリント回路基板
１５２ はんだ用ボール
１５４ 貫通導体
３４２ 上部表面
３４４ 底部表面

Claims (12)

  1. フリップチップ構造で基板に接続された集積回路デバイスに放熱器を接続する方法において、
    （ａ）放熱器プレートおよび複数の脚部を有する放熱器を一枚の平らな金属シートから形成するステップであって、前記脚部が前記一枚の平らな金属シートの各々の角を矩形の脚部の一つの角とするように金属シートの各片に沿って折り曲げ、その際、隣接する各脚部の間は、折り曲げずに平坦のままとすることで、４つの脚部以外の金属シートを平坦な放熱器プレートとし、放熱器プレートと４つの脚部とからなる放熱器の全領域が矩形となるように形成され、前記４つの脚部は前記放熱器プレートに実質的に平行かつ前記放熱器プレートの角に形成される平坦プレート部分であるステップと、
    （ｂ）前記集積回路デバイスの非活性側に前記放熱器プレートを接続するために第１の伝熱材料を使用するステップと、
    （ｃ）前記放熱器プレートの角に形成される前記複数の脚部の各々を前記放熱器プレートの角の下の前記基板に接続するために第２の伝熱材料を使用するステップとを備え、
    前記放熱器は、複数の脚部のうちの各隣接する一対の脚部間においてそれぞれ接続部分を有しており、前記接続部分は前記放熱器プレートと同一平面上にあり、
    前記放熱器プレートの部分、脚部及び接続部分は合体して矩形を形成することを特徴とする方法。
  2. 前記ステップ（ａ）は、前記放熱器を一枚の平らな銅シートから打ち抜きで形成することを含む請求項１記載の方法。
  3. 前記ステップ（ａ）の前に、
    複数のはんだバンプを前記集積回路デバイスに設けるステップと、
    前記基板上に前記デバイスを配置するステップと、
    前記基板上の端子パッドと電気的接続を形成するためにはんだバンプをリフローしてフリップチップ構造を形成するステップとをさらに備える請求項１記載の方法。
  4. 前記第１および第２の伝熱材料の各々は、接着剤、伝熱性グリース、はんだ、および相変化材料からなる群から選択される請求項１記載の方法。
  5. 前記第１および第２の伝熱材料の各々は伝熱性接着剤である請求項１記載の方法。
  6. 前記ステップ（ｂ）の後に、前記伝熱材料を固化させるステップをさらに備える請求項５記載の方法。
  7. 前記４つの脚部の隣接する各脚部の間のそれぞれの最短距離は流体が自由に入出できるほど大きい請求項１記載の方法。
  8. 前記ステップ（ａ）は、前記放熱器を一枚の平らな銅シートから打ち抜きで形成することを含む請求項７記載の方法。
  9. 前記ステップ（ａ）の前に、
    複数のはんだバンプを前記集積回路デバイスに設けるステップと、
    前記基板上に前記デバイスを配置するステップと、
    前記基板上の端子パッドと電気的接続を形成するためにはんだバンプをリフローしてフリップチップ構造を形成するステップとをさらに備える請求項７記載の方法。
  10. 前記第１および第２の伝熱材料の各々は、接着剤、伝熱性グリース、はんだ、および相変化材料からなる群から選択される請求項７記載の方法。
  11. 前記第１および第２の伝熱材料の各々は伝熱性接着剤である請求項７記載の方法。
  12. 前記ステップ（ｂ）の後に、前記伝熱材料を固化させるステップをさらに備える請求項１１記載の方法。
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