JP6018385B2 - 半導体装置のプリント配線板への固定のための方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体装置パッケージ、および特に該パッケージのプリント配線板への固定のための方法に関する。

今日の複雑な製品はしばしば、製品を駆動するためのプロセッサーやマイクロコントローラー等の複合的装置を含んでいる。装置の数の増加および装置のサイズの縮小のため、プリント配線板を用いて装置密度が向上された。プリント配線板（ＰＷＢ）（またはプリント回路板（ＰＣＢ）と称する）は、基板の中で回路または配線によって連結された多数の半導体装置を有する。装置は様々な方法で基板に接続される。ボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）パッケージの基板上の導電性パッドへのはんだ付けは方法の１つである。

しかし、この現在の方法は不利を有する。例えば、ＰＷＢは平面とは限らない。ＢＧＡは緊密な許容範囲で製造されることで、基板への一体的接続を確実にする。加えて、高ピンカウント装置のために、ピンの間のピッチまたは距離はミリメートル単位になるであろう。よって、ＰＷＢが平面でない場合、ＢＧＡ取り付けでの基板への接続は不完全になりうる。最初のうちは、弱い接続はＰＷＢ上の他の装置との断続的な連通不全を起こしうる。時間が経つと、この接続は完全に断たれ、装置が使用不能になる。

反りの効果が別の例である。今日のＰＷＢの大半は様々な材料からなる複合的な層に組み込まれる。これらの材料は異なる熱膨張係数を有する。系の特定の温度に暴露した場合（例えば−４０℃から１４０℃へ）、層はそれぞれ異なる率で膨張および収縮し、これによって基板の反りが生じる。時間が経つと、基板が平面でなくなるとともに、ＢＧＡの剛直な接続およびＰＷＢへのはんだ付けはＰＷＢの反りに適応できなくなり、ＢＧＡとＰＷＢとの間の接続が断たれる。

上記の状況において、実地の技術者は基板を取り外し断接した部分の交換を試みうる。それにはＢＧＡを取り外す際に基板を損傷するリスクがある。また、ＢＧＡボールの再取り付けおよびＢＧＡの基板への再取り付けの際に、装置の寿命を縮める、あるいは装置が永続的に使用不能となるリスクもある。また、部品の入れ替えが不可能な適用が多く存するため、ＢＧＡの基板へのより強壮な接続が必要とされる。

本発明の特定の実施形態に従って、可撓性スプリングによる半導体装置のプリント配線板への固定のための方法が提供される。特定の実施形態においては、半導体装置パッケージはボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）からなる。ＢＧＡは、１つ以上の巻からなる複数の可撓性スプリングと結合され、ＢＧＡへの結合を形成する。スプリングの位置を整合するとともに分離するスペーサープレートが、ＢＧＡおよびスプリング組立品に取り付けられる。プリント配線板（ＰＷＢ）へのはんだ付けを調整するように形成されるはんだ補助材が、ＰＷＢに取り付けられる。ＢＧＡ、スプリングおよびスペーサープレート組立品が、プリント配線板（ＰＷＢ）上の導電性パッドに連結される。

本発明の１つ以上の実施形態の技術的利点には、ＢＧＡとＰＷＢとの間の接続におけるｘ、ｙおよびｚ軸での可撓性の向上が含まれうる。全方向での可撓性の向上によっていくつかの利点が得られる。第一に、スプリングによる可撓接続によって、ＢＧＡのＰＷＢへの複合的接続の損傷および短絡が最小化されうる。第二に、ＰＷＢが温度の極端さによる反りまたは収縮および膨張によって平面でなくなった場合、スプリングによって妥協することなくＢＧＡ、スプリングおよびＰＷＢの間の接続を調整することができる。

これらの利点はパッケージと基板との間の損傷および短絡を減少させ、それによって実地での修理の必要を減少させうる。加えて、修理の必要を減少させるために、この方法によって製品の信頼性を向上させうる。軍事や宇宙等の適用において、修理を要する可能性を最小限とすることは重要な利点となる。

他の技術的利点は、以下の図面、記述および請求項から当業者には容易に理解できるであろう。さらに、様々な実施形態が、上に列挙された特有の利点の全てまたは一部を含むか、あるいは含まない。

図１Ａは、プリント配線板（ＰＷＢ）に直接取り付けられたボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）との間の、ｘまたはｙ軸における移動による断接の例を示す図である。図１Ｂは、ＰＷＢに直接取り付けられたＢＧＡとの間の、ｚ軸における移動による断接の例を示す図である。 図２Ａは、本発明の実施形態の１つに係る、スプリングをＢＧＡに取り付ける組立工程を示す図である。図２Ｂは、本発明の実施形態の１つに係る、図２ＡのＢＧＡおよびスプリング組立品をＰＷＢに取り付ける組立工程を示す図である。 本発明の実施形態の１つに係る、ＢＧＡとＰＷＢとがスプリングを用いて接続される取り付けの完成を示す図である。 本発明の実施形態の１つに係る組立工程を示すフローチャートである。

図１Ａは、ボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）をプリント配線板（ＰＷＢ）等の基板上の導電性パッドに直接取り付ける例を示す図である。ＢＧＡ１００は半導体装置からなり、該装置はＰＷＢ１２０上の他の半導体装置と連通される。ＢＧＡは、ＰＷＢ１２０上の導電性パッド１４０に取り付けられるボール１３０を介して他の装置と連通される。ｘまたはｙ方向の移動がある場合、断接１１０が存在しうる。ＢＧＡ１００が基板上の導電性パッドに固定されていない場合、装置の運転は断続するか、あるいは完全に中断されうる。断接１１０は実地での製品不良を起こしうる。軍事や宇宙等の適用においては、基板の修理や再生は不可能である。修理が可能な場合には、装置の取り外しの間にプリント配線板（ＰＷＢ）１２０上の導電性パッド１４０を損傷する恐れがある。また、装置の基板からの取り外し、ＢＧＡボール１３０の再取り付けおよびＰＷＢ１２０への再取り付けの間に、装置を損傷するかあるいは寿命を縮める恐れもある。

図１Ｂは、ボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）１００をプリント配線板１２０上の導電性パッド１４０に直接取り付ける例を示す図である。温度の極端さによる反りまたは収縮および膨張によってｚ方向の運動が存する場合、断接１１０が存在しうる。ＢＧＡ１００が基板上の導電性パッド１４０から取り外される場合、装置の運転は完全に中断されうる。断接１１０は実地での製品不良を起こしうる。軍事や宇宙等の適用においては、基板の修理や再生は不可能である。修理が可能な場合には、装置の取り外しの間にプリント配線板（ＰＷＢ）１２０上の導電性パッド１４０を損傷する恐れがある。また、装置の基板からの取り外し、ＢＧＡボール１３０の再取り付けおよびＰＷＢへの再取り付けの間に、装置を損傷するかあるいは寿命を縮める恐れもある。

図２Ａは、本発明の実施形態の１つに係る、スプリングをＢＧＡに取り付ける組立工程を示す図である。ＢＧＡ２００は、ＢＧＡ内の回路部品を保護する、または組立品または最終製品に必要な温度に耐えるための、セラミック、プラスチックあるいはその他の材料からなりうる。ＢＧＡ２００は、ＢＧＡ２００とプリント配線板（ＰＷＢ）等の回路板との電気的結合に用いる複数のボール２２６を含む。ＢＧＡ２００のボールは、特定の温度での融解およびＰＷＢの導電性パッドへの取り付けに適した、スズや鉛等の合金からなりうる。組立工程を開始するために、ＢＧＡ２００は裏返され、それから第一スペーサープレート２０８がボール２２６とともにＢＧＡ２００上に整合される。第一スペーサープレート２０８は、リフローまたは組立工程の間に必要な温度に耐えるのに適した、デュラストーン（登録商標）やポリアミド等の材質からなりうる。第一スペーサープレート２０８は、スプリング２１６がその中を摺動しＢＧＡ２００上のボールと接触することが可能な充分な大きさの直径を有する孔２２０からなる。スプリング２１６は、リン青銅等の可撓ワイヤーからなるとともに、はんだ付けを促進する銀等の適した材料でめっきされる。いくつかの実施形態において、銀めっきリン青銅スプリングを用いうる。このような材料は、脆化の問題に対して用いうる。例えば、金めっきスプリングを用いると、脆化によって接続の品質が損なわれうる。金ははんだの中で粉塵となり、接続中に空隙を生じうる。銀めっきリン青銅スプリングにはこれらの問題は無い。特定の実施形態でこのような材料を用いることで、脆化問題を避けるための特定の要求を列記したジョイント・インダストリー・スタンダードＩＰＣ Ｊ−ＳＴＤ−００１Ｄ等の基準に適合しうる。これらの基準は、軍事や航空宇宙等の特定の適用においてしばしば要求される。第一スペーサープレート２０８の孔２０２の内側に嵌合するアライメントピン２１２を用いうる。アライメントピン２１２は、組立またはリフロー工程の間に必要な温度に耐えるのに適した、アルミニウムや鋼等の材料からなる。スプリング２１６およびアライメントピン２１２の配置後、第一スペーサープレート２０８と同様の第二スペーサープレート２２８が第一スペーサープレート２０８の上に配置され、スプリング２１６はスペーサープレート２０８・２２８の孔２２０を通るように配置される。いくつかの実施形態において、２つのスペーサープレート２０８・２２８を組み合わせた高さは、スプリング２１６の高さより小さい。アルミニウムプレート２２４をスプリング２１６の上に配置し、最終組立品を平らにする。組立工程のさらなる詳細は図４で述べる。

図２Ｂは、本発明の実施形態の１つに係る、図２ＡのＢＧＡおよびスプリング組立品をプリント配線板（ＰＷＢ）に取り付ける組立工程を示す図である。ＰＷＢ２３０は、図２Ａで組み立てられたＢＧＡ２００、ボール２２６およびスプリング２１６からなる組立品２４２とともに整合されるように形成される導電性パッド２３４を有する。ＰＷＢ２３０は、回路部品からなるとともにＰＷＢに取り付けられる複合的装置にはんだ付け技術で接続される多層ボードである。パッド２３４は、ボードが組立またはリフロー工程にある際にスプリングに付着できるはんだ等の材質からなる。図２Ａの例において作成された組立品２４２は、組立工程の洗浄手順の間に取り外されるスペーサープレート２０８・２２８を有する。これは図４でさらに説明する。組立品２４２のスプリング２１６はそれから、清浄なスペーサープレート２３８の孔２２０を通るように配置される。組立品２４２のスプリング２１６は、ＰＷＢ２３０の導電性パッド２３４上に配置される。はんだ補助材２３６を用いてＰＷＢ２３０とＢＧＡスプリング組立品２４２との整合を確保してもよい。それから防熱具２４６を組立品２４２上に配置し、組立品２４２をスプリングのパッド２３４への取り付けの間に必要となるリフロー熱から保護する。図４でさらに詳述するリフローの間、アルミニウムプレート２５０で重量を加えることで平面的接触を確保する。

図３は、本発明の実施形態の１つに係る、ＢＧＡとＰＷＢとがスプリングを用いて接続される取り付けの完成を示す図である。ＢＧＡ２００はスプリング２１６に取り付けられる。スプリング２１６はＰＷＢ２３０上の導電性パッド２３４に取り付けられる。スペーサープレート２３８がそうであるように、はんだ補助材２３６はボード上に残る。スプリング２１６はｘ、ｙおよびｚ方向での可撓性を促進する。この可撓性によって、修理や再生の必要を強いるという信頼性の問題が最小化されうる。加えて、軍事や宇宙等のストレスが高い適用において製品不良を起こすという信頼性の問題が最小化されうる。

図４は、本発明の実施形態の１つに係る、図２Ａ、図２Ｂおよび図３に示されるＢＧＡのＰＷＢへの取り付けのための組立工程を示すフローチャートである。手順４００において、ＢＧＡをその底側を上に向けて配置し、ボールを暴露する。手順４０２において、第一（または底部）のスペーサープレートをボール上に配置し、プレートとパッケージとを面一にする。手順４０４において、フラックスペーストをスペーサープレートに塗布する。手順４０６において、フラックスペーストにスキージをかけて、スペーサープレートの全ての孔をフラックスペーストで充填する。手順４０８において、アライメントピンをスペーサープレートの外側の孔に配置する。手順４１０において、第二（または頂部）のスペーサープレートをアライメントピン上に配置する。それから手順４１２において、第二（頂部）スペーサープレートを押圧して底部プレートと面一にする。手順４１４において、スプリングを個々のスペーサープレート孔に配置する。手順４０４で塗布したフラックスペーストによって、スプリングがＢＧＡのボールに対し位置を保持される。スプリングの高さは、ともに面一に配された２つのスペーサープレートの高さより大きくなりうる。手順４１６において、アルミニウムプレートをスプリングの頂部の上に配置する。アルミニウムプレートによってスプリングとＢＧＡボールとの間の良好な接触が確保される。さらに、スプリングとＰＷＢ上の導電性パッドとの接触面が平面に確保される。手順４１８において、上記の組立品をリフローする。リフローの間、組立品を赤外線対流または“ピザオーブン”内に配置しうる。例として、組立品をいくつかの加熱帯を通って低速で移動させ、はんだをゆっくり加熱および冷却しうる。ただ例として、他の実施形態とは異なりうるが、熱ショックを回避するための業界標準目標は４℃／秒である。リフロー工程の間、ＢＧＡはんだボールはフラックスペーストの補助によりスプリング上で融解する。はんだは部分的にのみ移動し、スプリングの１巻以上が覆われず、スプリングの可撓性を維持する。いくつかの実施形態において、２巻が覆われずに残り、しかしスプリングのより多いまたは少ない巻がＢＧＡボールからのはんだによって覆われずに残りうる。手順４２０において、アルミニウムプレート、第一（頂部）スペーサープレートおよび第二（底部）スペーサープレートを取り除き、フラックスペーストおよび他の存在しうる組立工程の副産物の洗浄および除去が可能となる。手順４２２において、ＢＧＡはんだ補助材をＰＷＢ上のはんだパッド領域に配置しうる。例えば、ＰＷＢ上のパッドのパターンに合うパターンでレーザー切削されたカプトン（登録商標）ＢＧＡはんだ補助材を用いうる。切除によってパッドがはんだ付けのために暴露される。カプトン（登録商標）補助材の厚さは変動しうるが、概してＰＷＢ暴露パッドの頂部に空洞を生成するのに充分な厚さとする。手順４２４において、はんだ付けペーストをＢＧＡはんだ補助材に加える。手順４２６において、ペーストを平滑化して空洞を充填する。手順４２８において、清浄なスペーサープレートをスプリング上に配置する。このスペーサープレートはＰＷＢやＢＧＡに取り付けない。この目的は、衛星の打上げ等の過度の振動の間にスプリングが短絡しないことを確実とすることである。手順４３０において、組み合わせたスペーサープレートおよびＢＧＡ組立品をはんだ補助材の上に配置する。手順４３４において、リフローまたは組立工程の熱に耐えるのに適した材料のテープをＢＧＡ組立品上に配置し、ＰＷＢへの配置を固定する。手順４３６において、防熱具をパッケージの頂部に配置し、次のリフロー工程からの熱が既に接続されたスプリングおよびＢＧＡに影響しないことを確実とする。手順４３８において、手順４１６で用いたアルミニウムプレートを手順４３６の防熱具上に配置する。手順４１６のように、アルミニウムプレートを組立品の頂部に配置し、該組立品をリフローを経て再配置する（手順４４０）。手順４４０でのリフローは手順４１８でのリフローと同様であるが、しかしこの場合ではスプリングはＰＷＢ上のパッドに取り付けられる。リフローの後で、スプリングとＰＷＢとの接続が完了し（手順４４２）、アルミニウムプレートおよび防熱具を組立品から取り除くことができる。

図４では半導体装置のプリント配線板への固定方法に関する特定の数の手順を開示しているが、図２から図４で描写されるより多いまたは少ない手順で実行してもよい。加えて、図４では半導体装置のプリント配線板への固定方法に関する手順の特定の順番を開示しているが、半導体装置のプリント配線板への固定方法からなる手順はどのような適当な順番でも完了することができる。

本発明を望ましい実施形態について述べてきたが、当業者には様々な変更および改良が示唆されうる。例のみとして、実施形態は異なる数のピンを有しうる。整合の形成、整合のピッチ、ボールの大きさ、スプリングの大きさ、および材質は異なりうる。本発明は添付の請求項の範囲内でこのような変更および改良を包括するものである。

Claims (6)

1. 複数のスプリングの、ボールグリッドアレイ上の複数のボールへの整合、
   スペーサープレートによるスプリングの分離、
   ボールグリッドアレイ上の個々のボールの、スプリングの１つへのはんだ付け、
   プリント配線板上のパッドへのスプリングの整合、および
   プリント配線板上のパッドへのスプリングの取り付けからなり、
   前記複数のスプリングの、ボールグリッドアレイ上の複数のボールへの整合は、
   １つ以上のスペーサープレートの、ボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）パッケージへの面一な整合、および
   １つ以上のスペーサープレートの位置を維持するように構成されたアライメントピンの配置からなる、
   ボールグリッドアレイをプリント配線板に固定するための方法。
2. 前記ボールグリッドアレイ上の複数のボールの複数のスプリングへの取り付けが、
   １つ以上のスプリングの位置を維持するように形成される１つ以上のスペーサープレートへの、フラックスペーストの塗布、および
   リフローによるボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）ボールのスプリングへの融解からなる、請求項１に記載の方法。
3. いくつかの加熱帯を含む対流オーブン内で前記リフローを行う、請求項２に記載の方法。
4. 前記プリント配線板上のパッドへのスプリングのはんだ補助材による整合が、
   はんだ補助材のプリント配線板への適用、
   はんだペーストのはんだ補助材への塗布、および
   はんだ補助材上に取り付けられるスプリングおよびスペーサープレートとともにＢＧＡを配置することからなる、請求項１に記載の方法。
5. 前記プリント配線板上のパッドへの１つ以上のスプリングの取り付けが、
   スプリングのボールへの取り付けの後で防熱具をＢＧＡへ配置することによる、リフロー工程におけるＢＧＡおよびスプリングの保護、
   防熱具の頂部にアルミニウムプレートを配置することによる平面的接触の確保、および
   リフローによるスプリングのプリント配線板への取り付けからなる、請求項１に記載の方法。
6. 前記リフローはいくつかの加熱帯を含む対流オーブンの使用からなるものとする、請求項５に記載の方法。
   

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