JPH0294545A - 集積回路実装体及びヒートシンク構造体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 Ａ、産業上の利用分野 本発明は、集積回路チップのパッケージ、より詳細に言
えば、新規な冷却手段を有する集積回路チップのパッケ
ージ（実装体）及びそれに適したシート・シンクに関す
る。

Ｂ、ｆ来の技術及び問題点 従来から、半導体チップ用の種々のパッケージ構成があ
る。最近になって、そのようなパッケージのコストは、
しばしばチップのコストを上回るようになった。このコ
ストの問題を解決するために、テープによりオートメ化
された結合（ＴａｐｅＡｕｔｏｍａｔｅｄ　Ｂｏｎｄｉ
ｎｇ−Ｔ　Ａ　Ｂ　）を用いたパッケージ方法が使用さ
れており、この方法は、低価格で、熱消散が小さい集積
回路に特に有利である。ＴＡＢのパッケージ方法は、チ
ップと外部回路との間の接続を与えるための導電性リー
ド線を担持するために、通常、担持用テープ、即ちキャ
リヤ・テープと呼ばれている成る種の材料の条帯を使用
している。キャリヤ・テープは、幾つかの処理ステーシ
ョンを通って歩進されるが、その処理ステーションの内
の１つは、チップをリード線の内側の結合部群の上に位
置付け、そして、リード線の内側の結合部の群は夫々、
チップ上の接続パッドに結合（ｂｏｎｄ　）される。次
に、リード線の内側の結合部を含むチップの活動面を、
パッシベート用材料で被覆するステーションへ、キャリ
ヤ・テープが歩進される。次に、キャリヤ・テープは、
キャリヤ・テープ上のリード線の外側の端部の群が切断
される次のステーションに移動される。キャリヤ・テー
プとチップの組合せは、次に、下側の回路基板面上に設
けられた導電パッドに整列された後、リード線の外側の
結合部の群が回路基板の導電パッドに結合される。その
後、回路基板とチップの組立体は、次の処理ステップに
向けられる。

ＴＡＢのパッケージ方法は、その性質上、低いコストで
実行することが出来る。ＴＡＢのパッケージ方法を使用
することは、ＴＡＢパッケージの構造にヒート・シンク
を取り付けることが大変難しいので、主として低い熱消
散回路に限られている。

ＴＡＢパッケージ方法の処理の下で行われるチップ及び
回路基板の間の主な（しばしば唯一の）物理的な相互結
合は、テープに担持されている外側のリード線と、下側
の回路基板の導電パッドの間の結合によって行われてい
る。ＴＡＢパッケージ中において、チップに対して突出
したヒート・シンクを装着することは、シート・シンク
の機械的な振動や、機械的な外力が加わったときに、チ
ップが回路基板から引張られ、その引張り力がリード線
の結合力、またはテープ自身の強度を超えることがあり
、それらを破壊することがあるので実用的ではない。

従来、ＴＡＢパッケージ方法に固有の問題である熱消散
素子を設けることに関する問題は、種々の方法で解決が
試みられてきた。米国特許第４４５９６０７号は、金属
材料上にチップを据付け、チップの表面を上向けに位置
付けることによって、この問題の解決を計っている。こ
の方法の１つの問題は、相対的に安価な単一の金属被覆
（ｍｅｔａｌｃｌａｄ）ではなく、２重の金属被覆を持
つプラスチックのキャリヤ・テープを使用しなければな
らないことである。更に、この特許は、回路基板上のヒ
ート・シンクに、より強力な熱消散能力を与えるために
、チップに設けられた金属の裏打が、下側の回路基板と
同一面にあるように、チップの金属の裏打を設けること
を提案している。この構造は、空気の対流による冷却を
始める前に、比較的長い熱伝導路が作られることになる
。これを換言すれば、若し、チップ内の半導体の接合が
オーバーヒートしたとすれば、この熱は、先ず、チップ
の下側にある金属ベースに伝導されねばならず、それか
ら、対流式の空気流か、または強制的な空気流を介して
、最後にその熱が消散される熱伝導性基体に伝導される
ということである。理想的に言えば、金属の熱消散素子
は、冷却目的のために、素子自身が対流する空気流に差
向けられるのが望ましい。

米国特許第４３９６９３６号において、複数個の放熱路
が形成されている基体上にフェース・ダウンのチップが
装着されている。熱伝導性の材料がその放熱路に詰め込
まれており、チップが発生した熱を発散させるための熱
消散路を与えている。

この技術も上述の特許と同じ問題（即ち、熱通路が長い
問題）を抱えている。

かなりの質量を持つアルミニウム、または銅の突出した
ヒート・シンクの使用を示した多数の従来技術があり、
また、他の従来技術は、ヒート・シンク構造として比較
的薄い銅、またはアルミニウムのシートを使用している
。そのような装置の１例が、米国特許第４６１１２３８
号に示されている。この特許は、パッケージの中に配列
されたチップを有する半導体のパッケージの上部に装着
されたヒート・シンクを示している。この装置の問題は
、上述と同様に、チップの構造から熱を取り出す前に、
長い熱的通路を必要とすることである。

ＴＡＢパッケージを使用してヒート・シンクを装着する
ことに関連する他の問題は、最適の熱消散特性を維持し
ながら、安価な方法で、如何にしてヒート・シンクを支
持するかの問題である。下側の回路基板とは別個のヒー
ト・シンクに対する物理的な相互の結合が、回路基板の
取り外しを困難にしている。回路基板自身とヒート・シ
ンクとを物理的に相互結合することは、難しい問題を起
している０例えば、回路基板が、エツジ・コネクタに挿
入され、またはエツジ・コネクタから抜かれる時に、回
路基板は、しばしば撓みを受け、この撓みは、ヒート・
シンクの非可撓性の物理的結合を破壊することになる。

上述のことは、従来の熱消散方法が、低い熱消散のＴＡ
Ｂパッケージに使用された時、従来の熱消散方法が、不
充分であることを意味するものではない、チップが、毎
チップ当りの発熱量が１ワツト以下の熱消散を行う限り
において、従来の技術は使用可能である。然しながら、
そのような現在のＴＡＢ構造が、１チップ当り２ワット
以上の熱消散を要するデザインに使用された場合、強制
的空気流を使用した構造、または冷却媒体を使用した構
造のものとは対照的に、下側のチップを冷却するような
デザインにおいては、特に不充分である。

従って、本発明の目的は、チップの熱消散が従来のもの
よりも秀れているＴＡＢにより装着するチップ用の空気
対流式の新規なヒート・シンクな提供することにある。

本発明の他の目的は、チップを冷却するための非常に短
い熱的通路を与え、ＴＡＢにより装着する空気対流式の
ヒート・シンクを提供することにある。

本発明の他の目的は、ヒート・シンクが急激な加速、ま
たは減速に向けられたとしても、回路パッケージの破損
を防止するために、最小限の質量を持つ新規な空気対流
式のヒート・シンクな提供することにある。

本発明の他の目的は、撓みを受けるような回路基板の使
用に、特に適する空気対流式のヒート・シンクを提供す
ることにある。

Ｃ２問題点を解決するための手段 本発明は、チップを冷却する新規な手段を組み込んだ集
積回路チップ・パッケージを提供する。

集積回路チップは、複数個の入力及び出力パッドを含む
活動面を持っている。チップは複数個の可撓性のビーム
・リード（条片状のリードｌ１ｌ）に結合され、ビーム
・リードの外側は、回路基板上に設けられた導電パッド
に結合されている６本発明に従った空気を対流する方式
のヒート・シンク手段が、熱伝導をするようチップの裏
面に装着され、そのヒート・シンク手段は、曲げられた
薄い金属シートから形成されている。このヒート・シン
ク手段は、必要最小限の質量と、最適の冷却効率とを持
っている。必要最小限の質量は材料費を節約してヒート
・シンク手段のコストを低め、そして、急激な速度変化
により惹起されるパッケージの損傷の可能性を最小限に
止める。本発明に従って、それ自身可撓性を持つヒート
・シンク手段は、弾力性を持つ結合手段によって、下側
の回路基板と物理的に結合される装着点を持っている。

Ｄ、実施例 第２図は、固着された薄い条片状のリード線、即ちビー
ム・リードを有するキャリヤ・テープの平面図を示して
いる。キャリヤ・テープ１０は、スプロケット孔１２ｔ
−有し、そしてテープの表面に複数個の導電性ビーム・
リード１４を持っている。キャリヤ・テープ１０は一定
の寸法を持つプラスチック・フィルムで構成されており
、スプロケット孔１２のスプロケット作用によって機械
的に位置付けられるようインデックス、即ち割出される
０通常、リード線１４には銅が用いられ、その結合部分
は薄い金の層で被われている。リード線１４の外側の結
合部分１５の下側の領域のプラスチック・フィルムは、
下側の回路基板に対して、次の工程で結合（ｂｏｎｄ　
）することが出来るように除去されている。

動作について説明すると、キャリヤ・テープ１０は、半
導体チップ１８に対して、キャリヤ・テープ１０を位置
付けることにより、半導体チップ１８の接続パッドを、
ビーム・リードの内側の結合部分１６と整列させるステ
ーションにインデックスされる。次に、結合用のヘッド
が降下して、ビーム・リードの内側の結合部分１６と、
半導体チップ１８上の入力／出力パッドとの間の結合を
行う。

次に、キャリヤ・テープ１０の外側セグメントが導体担
持部分から切断され、次に、下側にある回路基板の導体
パッドとリード線１４の外側の結合部分１５とを結合す
る。ここで、ビーム・リードとチップの構造体のための
物理的な支持は、リード線１４の外側の結合部分１５と
、回路基板上のパッドとの間に存在する結合部分によっ
ていることは注意を向ける必要がある。

第１図を参照すると、参照数字２２で示した位置におい
て、回路基板２６の導体パッド３０に結合されているリ
ード線、即ち導体１４の他端に接続されているチップ１
８の斜視図が示されている。

チップ１８を設置し、回路基板２６上の導体にチップＩ
Ｍ：接続した後、ヒート・シンクが定位置に置かれる。

ヒート・シンク３２は、質量及び熱的条件を満足する銅
、アルミニウム、または他の適当な材料の薄いシートで
作られるのが望ましい。

銅の薄いシートで作られた場合、その熱的性能を向上す
るために、黒色酸化物で被われていることが望ましい。

ヒート・シンク３２に関して考慮すべき重要な幾つかの
相互関係がある。それらは、（ａ）ヒート・シンクは最
適条件の熱消散容量を持つものでなければならないこと
、（ｂ）ヒート・シンクは、急激な加速度、または減速
度を受けても、パッケージに損傷を与えないものである
こと、（Ｃ）ヒート・シンクは下側の回路基板の撓みを
受は入れるものであること、（ｄ）ヒート・シンクの質
量はヒート・シンクのコストと重量を最小にするために
、可能な限り軽量であることである。

ヒート・シンクの材料を極度に薄くすることによって、
ヒート・シンクが脆弱になったり、または大きな熱的抵
抗を持ようになってはならない。

或は、ヒート・シンクの材料を、許容出来ないほどの重
さを持つヒート・シンクや、妥当な価格を越えるほど厚
いヒート・シンクを作ってはならない。第７図を参照す
ると、寸法が３．５センチメートル×７．０センチメー
トルの銅製の平板のヒート・シンクに関して、熱抵抗と
、熱伝導率にヒート・シンクの厚さを乗じた値との関係
を実験的にプロットしたグラフが示されている。熱抵抗
は縦軸に沿ってプロットされ、そして、ヒート・シンク
の温度から室温を差し引いた温度を、チップで消費され
る電力の大きさ（図示の例では２ワツト）で割った値で
ある。テストされたヒート・シンクは、厚さが約０．０
５ミリメートル（２ミル）から約１ミリメートル（４０
ミル）の間の銅板から作られたものである。テストの結
果は第７図の曲線１００で示されている。

曲線１００は、ヒート・シンクの熱抵抗が、ヒート・シ
ンクの厚さが約０．１３ミリメートルよりも薄い時、ヒ
ート・シンクの熱抵抗が急激に増加することを示してい
る０反対に、ヒート・シンクの厚さが約０．５ミリメー
トルを越えると、熱伝導率は余り増加しない。このデー
タは、厚さが約０．１３ミリメートル乃至０．６５ミリ
メートルの範囲の銅板を使用すると、最適の熱伝導率が
得られることを示している。

約０．１３ミリメートル乃至０．６５ミリメートルの範
囲（最適の厚さは、約０．５ミリメートル）の厚さを持
つ薄い銅板を用いることによって、下側のチップからの
２ワツトの熱量を消散することの出来るヒート・シンク
が製造されることが決定され、とのヒート・シンクは、
回路基板の撓みに対しても、急激な加速、または減速に
対しても破損することがないような、構造的な強度の点
でも、回路基板との相互接続についても、充分な強さと
、柔軟性を持っている。以下の実施例に示されるヒート
・シンクは、厚さが約０．５ミリメートルで縦、横の寸
法が３．５Ｘ７．０センチメートルで、重さが約１１．
４グラムの銅の平板で作られている。このようなヒート
・シンクは、２ワツトの熱量を対流空気による冷却で消
散することが出来、そして上述の苛酷な使用環境におけ
る機械的強度の要求を満たすことが出来る。

第３図と関連させて第１図を参照すると、ヒート・シン
ク３２は、平鍋状の窪みを付され、その長手方向に延び
る補強梁３６及び３８を有する薄い銅板で作られたヒー
ト・シンクが示されている。

他の平鍋状の窪み４０がヒート・シンクの主平坦面に形
成され、この窪みの面は、ヒート・シンク３２が装着さ
れた時、チップ１８の露出面に支えられるようになる。

平鍋状の領域４０の底部の大部分を通じて、チップの発
熱量の主要部分がヒート・シンク３２に伝導する。４枚
の曲げられたフィン４２．４４．４６及び４８は、ヒー
ト・シンク３２の主表面を打ち抜いて、下側の回路基板
２６を露出させる開口４３．４５．４７及び４９を設け
、これにより、下側の構造に対して対流する空気の流れ
路を作る。処理の間（チップとヒート・シンクな組立て
て、結合を行った後）、溶剤によって、この組立体を洗
浄することが、しばしば必要である。開口４３．４５．
４７及び４９は、開口がなければ隠されてしまうチップ
の部分及びそれに関連する導体部分を、溶剤で、より良
く洗浄することが出来る。

ヒート・シンク３２の両端の２つの主フィン５０及び５
２は、フィン４２．４４及び４６．４８と同じ角度で曲
げられることが望ましい。熱伝導アーム５４が、ヒート
・シンク３２の平坦面に設けられており、平鍋状部材４
０からフィン５０及び５２への伝導熱誘導路を与える。

ヒート・シンク８２の各隅部には、回路基板２６の開孔
６２と一致した開孔を含む耳片部６０が設けられている
。可撓性の固定片６４が耳片部６０の開孔と回路基板２
６の開孔６２に挿通され、そして、任意の手段によって
回路基板２６の他方の面で固定される。例えば、固定片
５４が熱可塑性ポリマである場合、固定片を開孔６２に
挿通した後、回路基板２６の裏側に突き出た固定片６０
の各部分に、加熱したアンビルを押当てて、固定片を押
広げ、基板の裏側と固定する（第４図に示したように）
、固定片６０は、回路基板２６が何等かの理由で撓めら
れた時、耳片部６０及びヒート・シンク３２に生じる撓
みを受は入れるのに充分な弾性を持っていることには注
意を向ける必要がある０例えば、回路基板２６は、その
エツジ・コンタクト７０が、エツジ・コネクタ（図示せ
ず）に挿入される時、成る程度の撓みを受ける。

ヒート・シンクの他の固定方法を説明する第５図におい
ては、少量の熱可塑性接着剤７２を耳片部６０と回路基
板２６とに付着した後、耳片部６０を回路基板上に置き
押付ける。接着剤は、耳片部６０と回路基板２ｆ３との
間で若干の動きを許容するために、固化した後も柔軟性
を持つものが好ましい。このような接着剤の１例として
、ゼネラル・エレクトリック社で製造されているＲＴＶ
シリコン・セメントがある。固定片６４の好ましい材料
は、ナイロンであるが、他の材料でも良い。

他の固定方法として、第６図に示したような押し込み式
固定片７６を使用する方法がある。

更に、フィン４２．４４及び５０がヒート・シンクの平
坦面に対して鋭角θの方向（第３図参照）に向けられて
おり、角度θは約７０″′であることには注意を払う必
要がある。同様に、フィン４６．４８及び５２は、同じ
角度だが鏡像関係で方向付けられている。これは、製造
工程中でヒート・シンクを重ね合わすことが出来、且つ
組立て装置のマガジンから自動的に送り出すことが出来
る。

ヒート・シンク３２がチップ１８の上に置がれる時、チ
ップの上面と平鍋状の部分４ｏの下面とが確実に接着す
るように、先ず、チップ１８の上面に熱伝導の良好なエ
ポキシ樹脂の薄い膜を塗布することが望ましい、エポキ
シ樹脂には、酸化亜鉛の充填物を混合するのが好ましい
、この目的に好適な市販のエポキシ樹脂の１例としては
、スリー・エム社のスコッチキャスト（５ｃｏｔｃｈｃ
ａｓｔ　）がある。更に、平鍋状部分４０は、ヒート・
シンクと、チップから放射状に設けられた下側の導体と
の間を離隔することによって、電気的な短絡を回避して
いることには注意を払う必要がある。

Ｅ０発明の効果 ヒート・シンク３２の質量は、ヒート・シンクが所望の
熱量を消散するように調節されており、そして、急激な
加速、または減速に差し向けられても、チップを下側の
基板に接続する導体を損傷させることがない。更に、ヒ
ート・シンク自身の柔軟性に加えて、ヒート・シンクの
隅部に可撓性の「支持部」を設けたことは、回路基板が
曲げられたときに、回路基板からヒート・シンクが飛び
出すことを防止する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例を分解した状態を示す斜視図、
第２図は半導体チップ及び下側の回路基板とに、次の工
程で結合される一組のビーム・リードを担持している従
来のキャリヤ・テープの平面図、第３図は第１図の実施
例の、ｔｇｉ３−３に沿って切断されたヒート・シンク
の断面図、第４図乃至第６図は本発明のシート・シンク
な下側の回路基板に固着するための方法を説明するため
の図、第７図はヒート・シンクの熱抵抗の値と、ヒート
・シンクの熱伝導率にヒート・シンクの材料の厚さを乗
じた値との関係を実験的にプロットしたグラフである。 １０・・・・キャリヤ・テープ、１４・・・・リード線
、１５・・・・リード線の外側の結合部分、１６・・・
・り一ド線の内側部分、１８・・・・半導体チップ、２
６・・・・回路基板、３０・・・・回路基板の導体パッ
ド、３２・・・・シート・シンク、３６・・・・補強梁
、４０・・・・平鍋収の窪み、４５．４４．４６．４８
・・・・フィン、５０．５２・・・・主フィン、５４・
・・・熱導電アーム、６０・・・・ヒート・シンクの耳
片部、６４・・・・固定片、７２・・・・熱可塑性接着
剤、７６・・・・押し込み式固定片。 出　願　人　　インターナショナル・ビジネス・マシー
ンズ・コーポレーション 復代理人

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）複数個の導電性パッドを有する可撓性基板と、複
   数個の導電性パッドを有する集積回路チップ素子と、 上記集積回路チップ素子上の導電性パッドを上記基板上
   の導電性パッドに接続するための導体手段と、 折り曲げた薄い金属シートで形成され且つ上記可撓性基
   板に接続される複数個の装着手段を有し、上記集積回路
   チップ素子に対して熱伝導的に装着される対流性ヒート
   ・シンクと、 を備えた集積回路実装体。
2. （２）折り曲げた薄い金属シートより成り、その金属シ
   ートの主平坦面の中央部に平鍋状の窪みが形成されて、
   その窪みが集積回路チップ素子の上面に載置されて熱伝
   導路を形成するようにしたことを特徴とする、集積回路
   実装体用のシート・ジンク。