JPH06204399A - ３次元電子デバイス・パッケージ構造及びその製造方法 - Google Patents

３次元電子デバイス・パッケージ構造及びその製造方法

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JPH06204399A
JPH06204399A JP5221457A JP22145793A JPH06204399A JP H06204399 A JPH06204399 A JP H06204399A JP 5221457 A JP5221457 A JP 5221457A JP 22145793 A JP22145793 A JP 22145793A JP H06204399 A JPH06204399 A JP H06204399A
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ファッド・エリアス・ドウニー
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Jr James L Hedrick
ジェームス・ラプトン・ヘドリック、ジュニア
Paul A Lauro
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 電気信号を水平方向にも垂直方向にも伝搬す
る、半導体チップなどの電子デバイスをパッケージング
するための３次元構造及びその製造方法を提供するこ
と。 【構成】 この構造は複数のアセンブリ４、６から形成
される。各アセンブリは、少なくとも一方の表面上に複
数の電子デバイス３６、３８が配置される基板を含む。
各アセンブリは隣接するアセンブリと積み重ねられて配
置される。隣接アセンブリ間には、エラストマからな
り、各アセンブリを電気的に相互接続する電気的相互接
続手段４９が設けられる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は電子デバイスの相互接続
のための３次元のパッケージング構造に関する。特に、
本発明は、各々が複数の電子デバイスを有してアセンブ
リを形成する、複数の基板を有する構造に関する。複数
のアセンブリが互いに重なり合って配置され、垂直方向
の相互配線接続構造が近接するアセンブリ間に配置され
る。更に詳細には、垂直方向の相互配線接続構造が、エ
ラストマ材料内に配置される複数の電気導体を含み、近
接するアセンブリ間に圧縮される。
【０００２】
【従来の技術】マイクロエレクトロニクス産業では、半
導体チップなどの集積回路がパッケージング基板上に実
装されて、モジュールを形成する。高性能コンピュータ
・アプリケーションでは、これらのモジュールは複数の
集積回路を含む。複数のモジュールは、プリント回路基
板或いはカードなどの第２のレベルのパッケージ上に実
装される。こうしたカードがフレーム内に挿入されて、
コンピュータを形成する。
【０００３】両面カードを除く従来のほとんど全ての相
互接続パッケージにおいて、パッケージ上のあるチップ
からの信号は２次元配線網を伝達されて、パッケージの
エッジに到達し、その後カードまたは基板を横断する
か、或いはケーブルに沿って伝達されて、宛先の集積回
路チップを含む次のパッケージに到達する。従って、信
号は１つのモジュールからボード上の配線、或いはケー
ブル配線を伝わり、第２のモジュールに至り、第２のモ
ジュールからそのモジュール内の宛先の集積回路チップ
に到達する。これは長いパッケージ時間遅延を生じ、２
次元配線配列の配線要求を増大させる。
【０００４】接近して配置されるチップ搭載面間の３次
元配線が達成されれば、チップ間伝搬時間の改良、及び
実チップ・パッケージ密度の増加が達成される。
【０００５】米国特許出願第５０９９３０９号は、複数
の積み重ねられたカードを含む３次元半導体チップ・パ
ッケージング構造を示す。各カードは、その両面にチッ
プを含むくぼみを有するように特有に製作される。カー
ドの各面には電気導体が配置され、これらはワイヤによ
り接着されて、チップ上のロケーションに接触する。電
気導体はカードを通じて各チップ領域間を横断し、カー
ドの各面上のロケーションに接触する。これらのコンタ
クト・ロケーションは、その表面上に、樹状要素を有す
る。これらのカードは積み重ねられて、隣接するカード
の隣接面上の樹状要素により覆われるコンタクト・ロケ
ーションが、隣接カード間の電気的な相互接続を提供す
るように相互に網目化される。この構造はその接続のた
めに、高精度な基板の平面性を要求する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、改良
された３次元集積回路パッケージング構造を提供するこ
とである。
【０００７】本発明の別の目的は、水平方向の電気的相
互接続及び垂直方向の電気的相互接続の両方を有する、
このようなパッケージング構造を提供することである。
【０００８】更に本発明の目的は、複数のサブアセンブ
リに組立及び分解可能なこのような構造を提供すること
である。
【０００９】更に本発明の目的は、高い熱消散能力を有
するこのような構造を提供することである。
【００１０】更に本発明の目的は、サブアセンブリ間の
固定の電気的相互接続を要求しないこのような構造を提
供することである。
【００１１】更に本発明の目的は、従来のパッケージン
グ基板を使用して製作可能なこうした構造を提供するこ
とである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】本発明は広い態様では、
複数のアセンブリを有する構造に関する。各アセンブリ
は、反対の第１及び第２の表面を有する基板から形成さ
れる。各アセンブリ基板の第１及び第２の表面の少なく
とも一方の上には、複数の電子デバイスが配置される。
複数のアセンブリの各々は、互いに隣接して配置され、
あるアセンブリの第１の表面が、隣接する他のアセンブ
リの第２の表面に隣接する。電気的相互接続手段が隣接
するアセンブリの第１の表面と第２の表面との間に配置
されて、隣接する表面上のコンタクト・ロケーション間
の電気的な相互接続を提供する。この電気的な相互接続
手段は、反対の第１及び第２の表面を有する絶縁材料、
及び各表面上の複数の電気コンタクト・ロケーションか
ら形成され、後者は電気的相互接続手段の第１の表面か
ら第２の表面に伸びる複数の電気導体により、電気的に
相互接続される。好ましくは、電気的相互接続手段の絶
縁材料はエラストマである。隣接するアセンブリ間で電
気的相互接続手段が圧縮されるように、アセンブリをプ
レスする手段を含んでもよい。
【００１３】本発明のより特定の態様によれば、アセン
ブリ基板がセラミック、ガラス・セラミック、ポリマ、
ガラス、金属、シリコン、ダイアモンドなどの熱伝導性
で高い熱消散能力を有する材料から形成される。
【００１４】本発明の別の特定の態様によれば、基板が
複数の絶縁層及び電気的導電層を有する。
【００１５】本発明の更に別の特定の態様によれば、ヒ
ート・シンク等の熱消散手段が構造内で生成される熱を
消散する。
【００１６】本発明の別の態様によれば、第１及び第２
のアセンブリと、電気的相互接続手段とを含む構造であ
って、上記第１アセンブリの第１表面が上記第２アセン
ブリの第２表面に隣接するように、上記第１アセンブリ
を上記第２アセンブリに隣接して配置し、各上記第１及
び第２のアセンブリが、複数の電気コンタクト・ロケー
ションを有する反対の第１及び第２の表面を有し、且つ
電気導体を含む基板と、上記第１の表面に配置される複
数の電気デバイスとを含み、上記電気的相互接続手段
が、反対の第１及び第２の表面を有し、該第１表面から
上記第２表面に伸びる複数のアパーチャを有するエラス
トマ材料層と、上記層の上記第１表面から上記第２表面
に伸びる複数の導体により電気的に相互接続される、上
記層の上記第１表面及び上記第２表面の複数の電気コン
タクト・ロケーションとを含み、第１アセンブリの上記
第１表面の上記電気デバイスが、上記電気的相互接続手
段内の上記アパーチャ内に配置されるように、上記電気
的相互接続手段を上記第１アセンブリの上記第１表面に
配置し、上記電気的相互接続手段の上記層の上記第２表
面の上記電気コンタクト・ロケーションが、上記第１ア
センブリの上記基板の上記第１表面の電気コンタクト・
ロケーションに電気的に相互接続され、上記電気的相互
接続手段の上記層の上記第１表面の上記電気コンタクト
・ロケーションが、上記第２アセンブリの上記基板の上
記第２表面の電気コンタクト・ロケーションに電気的に
相互接続される構造を提供する。
【００１７】電気的相互接続手段の複数の電気導体は、
該手段の第１及び第２表面に拡大された端部を有し、一
方は球状であり、他方は半球状であり突起を有する平坦
面を有することが好ましい。
【００１８】また、基板を提供する工程と、各々が第１
端部と第２端部を有する複数の細長の導体を提供する工
程と、各上記複数の導体の上記第１端部を、上記基板に
接着する工程と、上記複数の細長の導体の上記第２の端
部を上記基板から突き出させる工程と、上記基板をモー
ルド内に配置する工程と、上記モールドに液体材料を加
える工程と、内部に配置される上記複数の細長の導体を
有する固体とすべく、上記液体を硬化させる工程と、上
記モールドから上記固体を取出す工程と、上記固体から
上記細長の導体を残して、上記基板を取除く工程と、上
記細長の導体の上記第１及び第２の端部を上記固体の表
面に露出する工程とを含む方法も提供する。上記基板
は、固体内のくぼみに嵌合される突起を有してもよい。
【００１９】
【実施例】図１は本発明による構造２を示し、２つのサ
ブコンポーネント・アセンブリ４及び６を有する。構造
２は任意の数のサブコンポーネント・アセンブリを有す
ることが可能である。各サブコンポーネント・アセンブ
リは基板８から形成され、基板８はその上に多段配線構
造１２を有する表面１０を有する。多段配線構造１２
は、例えば酸化物、ガラス、ポリマ、及びセラミックな
どの絶縁材料から形成され、特にポリイミド・ポリマが
最も好適である。多段配線構造１２は、銅、アルミニウ
ム、及び金などの電気導体１４の少なくとも１つの層を
含み、その表面１６上には、複数のコンタクト・ロケー
ション１８を有する。図１に示される基板８は、表面１
０から表面２２に通じるバイア２０を有するように示さ
れている。表面２２は、多段配線構造１２と類似の多段
配線構造２４を有する。多段配線構造２４の表面２６
は、少なくとも１つの電気的導体層２８を含み、これは
好適には銅であり、絶縁材料は好適にはポリイミドであ
る。表面２６は複数の電気コンタクト・ロケーション３
０を有し、これらは好適には銅であり、その表面が金に
より被覆される。電気コンタクト層１８も、好適には、
その上面が金により被覆される銅で形成される。
【００２０】基板８は複数の電気導体またはガラス・セ
ラミックを含んで共通に使用される多段パッケージング
基板であり、好適には、合成ダイアモンド、窒化アルミ
・セラミック、シリコン、或いは電気的に絶縁コーティ
ングを施した金属（銅など）などの高熱伝導材料で構成
される。基板８は好適には電気的に導電性のスタッドも
しくはバイア２０またはスルー・ホールを有し、これら
のサイド壁は一般に知られるように、銅、パラジウム、
プラチナ、及び金などの電気導体によりめっきされる。
【００２１】基板８の表面１０上の多段構造１２内の電
気導体は、コンタクト・ロケーション３２に電気的に相
互接続され、コンタクト・ロケーション３２は基板８内
のバイアまたはスタッド２０に電気的に相互接続され
る。コンタクト・ロケーション３２及び３４は、好適に
は金で上面を覆われた銅により形成される。
【００２２】集積回路チップなどの複数の電子デバイス
３６及び３８が、多段配線構造１２の表面１６に実装さ
れる。
【００２３】電子デバイス３６はＣ４として知られるは
んだマウンド４０により、表面１６上にフリップ・チッ
プ構成に実装され、電子デバイス３６をコンタクト・ロ
ケーション１８に電気的に相互接続する。
【００２４】電子デバイス３８は活性面４２が上向き
に、その非活性面４４が多段構造１２の表面１６に接触
するように実装される。これとは別に、基板８への熱接
触を向上させるために、装置３８の非活性面４４が基板
８の表面１０に接触するように、装置８を直接実装する
ことも可能である。これは多段構造１２のあるセクショ
ンを除去することにより達成される。アルミニウム或い
は金により通常形成される配線４６は、コンタクト・ロ
ケーション１８と、電子デバイス３８の表面４２上のコ
ンタクト・ロケーション４７との間に接着される。配線
４６は周知のワイヤ・ボンディング技術、超音波ボンデ
ィング技術、レーザ・ボンディング技術などにより接着
される。
【００２５】電子デバイス３６と３８との間には、電気
的相互接続手段４９が配置され、これについては後述さ
れる。
【００２６】電気的相互接続手段４９は、コンタクト・
ロケーション５０を有する上面４８と、コンタクト・ロ
ケーション５４を有する下面５２とを有する。コンタク
ト・ロケーション５４は、チップ３６と３８との間のコ
ンタクト・ロケーション１８に電気的に相互接続され
る。コンタクト・ロケーション５０は、多段構造２４の
表面２６上のコンタクト・ロケーション３０に電気的に
相互接続される。
【００２７】図２は図１の構造の一部の斜視図を示し、
各基板８の右前面領域が部分的にカットされて、バイア
或いはスタッド２０が表されている。表面１６上には、
コンタクト・ロケーション１８及び電気導体６０が表さ
れており、後者はいくつかのコンタクト・ロケーション
１８に電気的に相互接続される。電気的相互接続手段４
９は複数の電気導体６２及び６４として、部分的に示さ
れているに過ぎない。この電気的相互接続手段について
は、後に更に詳述される。
【００２８】図３は図１のサブコンポーネント・アセン
ブリ４または６の１つの上面図を示し、複数のアパーチ
ャ６６を有する電気的相互接続手段４９を示す。アパー
チャ６６は複数の電子デバイス６８を受容するように適
応され、これらは図１の多段配線構造１２の表面１６上
に配置される。図１、図２及び図３の共通番号は、同一
のものを表す。
【００２９】図４は、図１に表される構造と熱消散手段
５１及び５３の斜視図を示す。図１、図２、図３及び図
４で使用される共通番号は、同一のものを示す。熱消散
手段５１及び５３は基板８と熱接触する。熱消散手段は
好適にはアルミニウムで製作される。基板８は熱消散手
段５１及び５３内の溝に保持されて、良好な熱接触、機
械的支持を保証し、隣接するアセンブリ間の相互接続手
段４９を押しつけて、後述されるように、これらの間の
電気的相互接続を提供する。熱消散手段５１及び５３
は、支持フレーム（図示せず）に保持される。
【００３０】図１の薄膜配線層１２及び２４は、好適に
は、少なくとも１対の配線平面（ＸＹ）と、電子デバイ
ス３６及び３８にパワー及びグランドを提供する２つの
基準面とを含む。電子デバイスがバイポーラ・チップの
場合、好適には２つの追加のパワー面が存在する。配線
の寸法及び基準面の厚みは、特定の応用例に依存し、ラ
イン幅８ミクロン、厚み５ミクロン、ピッチ２５ミクロ
ンから、ライン幅２５ミクロン、厚み２５ミクロン、ピ
ッチ７５ミクロン以上まで変化する。薄膜配線層１２及
び２４の絶縁層の厚みは、要求される伝送ライン・イン
ピーダンスを提供するように調整される。これは典型的
には４オーム乃至８０オームの範囲である。
【００３１】電気的相互接続手段４９は、図１乃至図４
に示されるチップ間の空間を占有するように形成され
る。図１の構造は、この構造の上部及び下部から圧縮さ
れ、隣接するアセンブリ間の電気的相互接続手段４９を
圧縮し、基板８上の電気的コンタクト・ロケーション３
０を電気的相互接続手段４９上の電気的コンタクト・ロ
ケーション５０に押し当て、電気的相互接続手段４９上
の電気的コンタクト・ロケーション５４を薄膜配線層１
２上の電気的コンタクト・ロケーション１８に押し当て
る。こうして、１つのチップからの信号が薄膜配線層内
を経由し、電気的相互接続配線手段４９を垂直方向に通
過して、多層基板８内のある薄膜配線面に至り、最短パ
スに沿って全体構造２内のいずれかのチップに至る。例
えば図３に示されるように、単一の面が、各々が１セン
チメートル平方の２５個のチップを含む場合、電気的相
互接続手段４６は各チップ間で１センチメートルの空間
を占有する。この設計のポイントは、基板８内のバイア
及び電気的相互接続手段４９における接続が、基板８上
において２０ミル（０．５ｍｍ）幅のパッド１８を有す
る３６ミル平方（０．０２２５ｍｍ2 ）のグリッド上で
形成される点である。１つの面上において、おおよそ６
６９４個の垂直方向の信号接続が可能である。グリッド
は必要に応じて、おおよそ２のファクタで縮小され、２
６０００個の垂直方向の接続が形成可能である。
【００３２】要求されるチップが散在する多くの絶縁プ
レートから総合的な高性能パッケージを構成することが
できる。熱は高熱伝導性を有する基板８のエッジに伝導
され、ここで熱は自然空冷式、水冷式或いはヒート・シ
ンクなどの周知の適切な方法により放散される。
【００３３】基板は好適には、市販のダイアモンド（例
えばNORTON社及びDiamonex社により製造される）から成
る高熱伝導性の絶縁材料から構成され、レーザ・ドリル
によりバイアが形成され、スルー・ホール接続用に金属
化される。これはダイオード・レーザによるダイアモン
ド加熱スプレッダなどの標準の処理を使用して実施され
る。ダイアモンドの極めて高い熱伝導性（１５００Ｗ／
ｍ0Ｋ ）は、この構造における最適な材料を意味し、単
位面当たり１００ワット以上の冷却を可能とする。もち
ろん他の材料も可能である。より低コストの材料として
は、市販されているＡｎＮセラミックがあり、これは固
体バイアが一緒に焼結される。或いはレーザ・ドリル加
工されたホール、または化学的にエッチングされたスル
ー・バイアを含むシリコン・ウエハなどがある。薄膜配
線層１２及び２４は、好適にはポリイミド絶縁層内に銅
配線を含み、標準の順次的な薄膜プロセスにより、直
接、基板８上に生成される。これについてはR．Tummala
及びE．Rymasizewski による"Microelectronics Packag
ing Handbook"（Van Nostrand、Rienhold、NY、1989、C
hapter 9）で記載されており、本発明においても参照さ
れる。薄膜配線構造は、シリアル／パラレル薄膜配線処
理により別々に生成され、基板８に結合される。これに
ついては米国特許出願第６９５３６８号（1991年5月3日
出願）に記載されており、本発明においても参照され
る。シリアル／パラレル処理において、薄膜配線構造は
別々のキャリア上に形成され、好適には熱圧縮ボンディ
ングにより、絶縁面に転送されてラミネートされる。電
気的相互接続手段４９は、好適にはエラストマ状のマト
リクスに僅かな角度で保持される金ワイヤを含む。別の
実施例では、大きな領域の位置整合接続子が機能する。
エラストマ状のマトリクスを用いる電気的相互接続手段
４９は、低抵抗、低接触力、ワイピング、及び低インダ
クタンスなどの望ましい特性を有し、本出願においては
特に有効である。電気的相互接続手段４９は、おおよそ
１ｍｍ厚で１０％の許容差で生成される。
【００３４】基板８は導電バイアを有するように生成さ
れる。上面及び下面のパッドは、上記Tiemmala等による
９章に記載される金属マスクを通過する金属蒸着などの
標準的な技術により付着される。電子デバイス３６及び
３８は、それらがテストされてバーン・インされた後
に、各薄膜配線層に結合される。電気的相互接続手段４
９は別々に生成されて、テストされる。最後に、電気的
相互接続手段４９がその上に配置され、且つ電子デバイ
スが実装された基板を有するアセンブリが積み重ねら
れ、位置整合させた後、相互接続を形成するために圧縮
力が加えられる。この力は好適には、１接触当たり１０
グラム乃至５０グラム、或いは全パッケージ当たり７０
キログラム乃至３００キログラムである。接続は分離可
能である。
【００３５】図５乃至図２１は図１の電気的相互接続手
段４９を製作する方法を示し、この電気的相互接続手段
の様々な実施例及び製作技術を示す。
【００３６】図５は、図１の電気的相互接続手段４９に
対応する電気的相互接続手段８０を示す。電気的相互接
続手段８０は、サイド８６からサイド８８に伸びる複数
の電気導体８４を有するエラストマ状の材料８２から形
成される。各導体８４は、好適には、サイド８６に一般
には球状の端部９０を有し、サイド８８には平坦な球状
の形状９２を有する。導体８４は好適には、金、金合
金、或いは銅合金である。エラストマ状材料８２の材料
特性と共に、ワイヤ８４のサイズ、形状及び間隔は、特
定の応用例に対して接続子を最適化するように変更され
る。
【００３７】図６は、その間に電気的相互接続手段８０
を挟む基板９４及び９６が、矢印９８及び１００により
示される方向に互いに押される様子を示す。エラストマ
８２はスプリングとして機能し、拡大された端部接触面
９０及び９２を、それぞれ基板９４及び９６上の結合コ
ンタクト１０４及び１０６に対して押しつける。基板９
４の表面１０２はコンタクト・ロケーション１０４を有
し、これは典型的には金属パッドである。基板９６はコ
ンタクト・ロケーション１０６を有し、これも典型的に
は金属パッドである。基板９４が基板９６の方向に押さ
れると、端部９０及び９２はコンタクト表面に対して横
方向に移動する。これは導体８４がコンタクト表面に対
して非直交的角度を保つからである。この横方向の移動
はワイピング動作を生じ、それによりコンタクト・ロケ
ーション１０４及び１０６の表面上の表面酸化物、及び
拡大された端部９０及び９２の表面上の表面酸化物が破
られる。ワイピング動作は、拡大された表面９０及び９
２と、それぞれコンタクト・ロケーション１０４及び１
０６との間の良好な電気接触を形成する。
【００３８】電気的相互接続手段８０の利点及び特徴
は、電気導体８４及びエラストマ材料の均一な間隔を提
供し、例えば単位コンタクト当たり単一のワイヤを使用
して、０．００８インチ（０．２ｍｍ）の最小ピッチを
提供する。拡大されたボール形状のコンタクト９０は、
相互接続手段８０の上面８６から突き出しており、一
方、平坦なコンタクト９２は一般に相互接続手段８０の
下面８８と同一平面である。なめらかでない、すなわち
隆起されたコンタクト表面がコンタクト９２の下面に形
成され、基板９６上の電気的コンタクト・ロケーション
との接触面を改善する。エラストマ材料８２内のワイヤ
８４は、小さなクラスタにグループ化され、各コンタク
ト・ロケーション１０４或いは１０６に対する冗長な接
続を提供する。クラスタ化されたワイヤが使用される場
合、図６の相互接続構造８０内のワイヤ９５は除去する
ことができる。
【００３９】図７は、図１の電気的相互接続手段４９に
対応する別の実施例１１０の断面図を示す。構造１１０
はグループ１１４にクラスタ化される電気導体１１２を
有する。各グループ間には、溝１１６が存在する。エラ
ストマ材料１１８は好適にはシリコン・エラストマであ
り、サイド１２２にはボール形状のコンタクト１２０を
有し、サイド１２６には隆起した表面１２８を有する平
坦なコンタクト１２４を有する。ワイヤの上部及び下部
の形状は、最適化すべく変更可能である。構造１１０の
位置整合溝は、Beamanによる米国特許第４９９８８８５
号に示されるレーザ、電子ビーム或いは他のセンシング
技術を使用して形成される。この特許は本発明において
も参照される。
【００４０】位置整合機構１１６はエラストマ材料内に
モールドすることができ、構造１１０内の導体１１２
と、図６に示される表面１０２及び１０５上のコンタク
ト・ロケーション１０４及び１０６との正確な位置整合
を可能とする。位置整合機構は、隣接する基板上のコン
タクトと間に挟まれる配線との正確な位置整合を改良す
るために好適である。モールドされた位置整合機構はま
た、エラストマ材料内のコンタクト・グリッドの収縮及
び歪みを制御するためにも使用される。エラストマ材料
内に機械的または熱的に誘導されるストレスは、内在物
を歪め、結合コンタクトとの位置整合問題を生じたりす
る。
【００４１】図５、図７及び図８に示される電気的相互
接続手段、及び図１の電気的相互接続手段４９は、本明
細書では"エラスティコン・インタポーザ"（ELASTICONi
nterposer）とも称される。エラスティコン・インタポ
ーザは、基板の下面から別の基板へ、信号及びパワー接
続を提供するように設計される。エラスティコン・イン
タポーザは、導体の全配列または導体のクラスタ化配列
を有するように製作される。導体（またはワイヤ）の全
配列を使用するインタポーザ接続子は、典型的には、そ
れが配置される基板上のコンタクト・ロケーションに対
する接続子の位置整合を必要としない。ワイヤのクラス
タを使用すれば、インタポーザの製作に必要なワイヤが
全体的に減少する。これは接続子のコスト、及びコンタ
クトの全ての結合を保証するために必要な圧力を低減す
るために有用である。ワイヤのクラスタ化配列を使用す
るインタポーザ・コンタクトは、好適には残りの上記コ
ンタクトとワイヤ・クラスタを位置整合する手段を有す
る。ワイヤの１組のクラスタを有するインタポーザは、
インタポーザの製作中に必要なワイヤ数を最小化し、接
続子アセンブリの許容差を改良する。エラストマ材料内
にモールド成形されたり刻まれる溝または他の機構は、
基板上の類似の機構にインタポーザ接続子を自己整合す
るために使用され、インタポーザ接続子は、図８に示さ
れるように、この類似の機構間に配置される。図８は基
板１２１上に配置されるインタポーザ１１９を示す。イ
ンタポーザ１１９は溝１２３を有し、この溝は基板１２
１上の突起１２５と嵌合する。それにより基板のパッド
１２７が、インタポーザのコンタクト・ロケーション１
２９に位置整合される。これらの位置整合機構は、円形
ポスト、矩形状隆起、或いは隆起グリッド・パターンな
どの種々の単純な幾何学的形状を使用して設計される。
図１０は、図１の電気的相互接続手段４９として有用な
エラスティコン・インタポーザの斜視図を示す。図１０
のエラスティコン・インタポーザ１３４は、複数の位置
整合溝１３６及びクラスタ化コンタクトを含む領域１３
８を有し、各領域は溝１４０により囲まれる。
【００４２】図９は図１０のインタポーザ１３４上の溝
に嵌合されて、基板のコンタクト・ロケーションをイン
タポーザのコンタクト・ロケーションに位置整合する位
置整合フレーム１４２を示す。例えば、位置整合フレー
ム１４２のバー１４４は、図１０の構造１３４の溝１４
６に嵌合し、フレーム１４２のバー１４８は図１０の構
造１３４の溝１５０に嵌合する。フレームはコンタクト
・ロケーションを有する基板上に配置され、このロケー
ションに対してインタポーザのコンタクト・ロケーショ
ンが位置整合される。
【００４３】図１の構造を製作するために、全体的な位
置整合手段が要望される。モジュールの各分離可能要素
は、好適にはモジュール内の他の要素に対する位置整合
手段を有する。インタポーザに対応して使用されたもの
と類似の別の位置整合フレームを、各基板に対して結合
することも可能である。
【００４４】図１１乃至図１９は本明細書で述べられる
エラスティコン・インタポーザの製作方法を示す。
【００４５】製作プロセスは擬制基板１６０から開始さ
れる。銅並びにモリブデン、アンバーの１以上の積層
物、これらとポリマーとの合成材等を用いる。好適には
銅、銅／アンバー／銅或いは銅／モリブデン／銅であ
る。銅以外の材料も使用可能であり、例えばアルミニウ
ム、ハード・プラスチックまたは鋼などが含まれる。基
板１６０は突起１６２を有するように製作され、これは
図７のエラスティコン・インタポーザ内の溝１１６を提
供する。突起１６２は様々な製作技術を用いて形成さ
れ、例えば表面１６４の機械加工、すなわち表面１６４
のスタンピングなどが含まれる。突起を有する基板が形
成されると、次に上面１６４がスパッタされるか、軟金
またはＮｉ／Ａｕでめっきされて、熱音波ボール・ボン
ディングに適切な表面が提供される。他のボンディング
技術も使用可能であり、例えば、熱圧縮ボンディング、
超音波ボンディング、レーザ・ボンディングなどが含ま
れる。一般に使用される自動ワイヤ・ボンダは、図１１
に示されるように、金、金合金、銅、銅合金、アルミニ
ウム、ニッケル、パラジウム、コバルト、クロム、銀、
白金及びこれらの合金などのワイヤ１６６を、基板表面
１６４にボール・ボンドするように変更される。ワイヤ
は好適には、直径０．００１インチ（０．０２５ｍｍ）
乃至０．００５インチ（０．１２５ｍｍ）を有する。Ａ
ｕ以外の金属が使用される場合、Ａｕ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｎ
ｉ或いはＰｄなどの薄い不活性化金属が、電気めっき、
無電解めっき、スパッタリング、電子ビーム蒸着、また
は他の周知のコーティング技術により、ワイヤに被覆さ
れる。図１１の構造１６８はボール・ボンディング・ヘ
ッドであり、ワイヤ１７０は従来のワイヤ・ボンディン
グ装置などのワイヤ貯蔵器から供給される。図１１は、
ロケーション１６９における、基板１６０の表面１６４
に接触するボール・ボンド・ヘッド１６８を示す。
【００４６】図１２は表面１６４から矢印１７１方向に
引き離されるボール・ボンディング・ヘッド１６８を示
し、ワイヤ１７０は基板１６４上に配置されるワイヤ１
６６を残して引き延ばされる。実施例では、ボンド・ヘ
ッド１６８は静止しており、基板１６０が矢印１６１で
示される方向に移動される。ボンド・ワイヤは好適には
垂直方向に対して５゜乃至６０゜の角度で維持され、図
１３に示されるようにナイフ・エッジ１７２により機械
的に切断される。ナイフ・エッジ１７２が動作し、ワイ
ヤ１７０が押しつけられ、ボンド・ヘッド１６８が持ち
上げられる。ワイヤ１７０が切断される時、基板１６０
の表面１６４上には、フライング・リード（flying lea
d ）１６６が残され、これはその一端が表面１６４に接
着され、もう一端は表面から外側に隔てて突き出た状態
となる。ワイヤの端部を溶かすために、レーザまたは電
気放電を使用して、ボールがワイヤ１６６の端部に形成
されるが、これは表面１６４には接着されない。この技
術は周知である。後述されるスプリット・ビーム・レー
ザ分散システムが、レーザ・エネルギを単一のワイヤに
局所化して、ボールを形成するために使用される。これ
により、近接するワイヤにより吸収されて、ワイヤの変
形を招くレーザ・エネルギが最小化される。ボールはワ
イヤのもう一方の端部には必要ない。この変形ワイヤ・
ボンディング処理は、基板上に角度付きワイヤの高密度
配列を形成するために繰返される。
【００４７】図１４はワイヤ１７０が切断されて、ワイ
ヤ１６６が基板１６０の表面１６４上に残される様子を
示す。ワイヤ・ボンド・ヘッド１６８は、矢印１７４に
より示されるように、上方に向けて引かれる。ワイヤ・
ボンド・ヘッド１６８は、ワイヤを切断するための刃に
対してワイヤが張られるように、ワイヤ１７０を掴みま
た解放する機構を有する。
【００４８】図１５はワイヤが切断された後に、ボンド
・ヘッドが"ホーム"ポジションに持ち上げられた状態を
示す。電子フレーム・オフ・ユニット（Hughes Wire Bo
nder、Modec III-2640の一部）の電極が、ボンド・ヘッ
ドの下方に配置され、電極からの電気放電がワイヤの毛
状の先端部分を溶かし、ボールを形成するために使用さ
れる。
【００４９】ワイヤ・ボンディング処理が完了後、基板
１６０は図１６に示されるキャスティング・モールド１
９０内に配置される。制御された容積の液体エラストマ
１９２がキャスティング・モールド内に供給され、図１
７に示すように、（表面のレベルに達するまでワイヤ間
を流れて）留まり、硬化される。エラストマが硬化する
と、図１８の矢印１９４により示すように、モールドか
ら基板が取出される。硬化したエラストマが、参照番号
１９６で示される。モールド１９０内の開口１６１は、
モールドから基板を取出すためのツール機構である。構
造１９８はモールド１９０から取出され、銅基板１６０
を溶解するために、図１９に示される硫酸及び硝酸バス
２００内に置かれる。硫酸及び硝酸の超音波洗浄は基板
のエッチングを促進し、銅基板の表面上の金めっきをエ
ラストマ材料１９６の表面２０２から剥離し、ボール・
ボンド２０４の表面を露出させる。
【００５０】これとは別な例では、基板が剥離可能な銅
から成り、固体基板に限界の粘着力で銅の薄膜を付着す
る。製作が完了すると、残りの薄膜銅をエッチングによ
り瞬時に除去する以前に、接続子を擬制基板から剥離す
る。
【００５１】この応用例において、高い許容差、高い熱
安定性を有するシロキサン（siloxane）エラストマ材料
が好適である。高温度シロキサン材料をキャストすなわ
ち注入し、他のエラストマ材料と同様に硬化する。収縮
を最小化するために、エラストマを好適には低い温度
（Ｔ≦６０℃）で硬化し、その後、高温度（Ｔ≧８０
℃）にて完全に硬化する。更に収縮を制御するために、
周辺にホールが予めドリル加工されるプラスチック・フ
レーム内に接続子をキャストする。エラストマがこのフ
レーム内に注がれると、エラストマのフレームへの物理
的ロックが発生し、これによりエラストマ及び接続子の
両方をフレームに保持し、収縮を最小化する。許容差を
改良し、エラストマ材料の絶縁定数を減らすために、泡
剤が１０％乃至６０％の範囲の比率で、市販のエラスト
マ材料内に混合される。泡はまた個別の層としても使用
される。
【００５２】ECCOSIL及びSYLGARDなどの市販される数多
くのエラストマの中で、ポリジメチルシロキサンを基本
とするゴムの使用は、材料要求、並びに処理要求の両方
を最も満足する。しかしながら、こうしたエラストマの
熱安定性は、２００℃以下の温度に制限され、１００℃
以上では著しいガス抜きが観測される。我々は、２５ｗ
ｔ％以上のジフェニルシロキサンの混合により、熱安定
性が著しく改良されることを見い出した（図１）。更に
熱安定性の改良は、樹脂（オリゴマ）の分子量を増加さ
せることにより、または架橋接合を最小化することによ
り説明される。エラストマのガス抜きは、第１に樹脂合
成において熱的な一時触媒を使用し、第２に低分子量の
副産物を除去するために樹脂を薄膜蒸留物にさらすこと
により、３００℃以下の温度において最小化される。我
々の実験によれば、２５ｗｔ％以上のジフェニルシロキ
サンが最適であり、要望される熱安定性と共に、ジフェ
ニルシロキサンの混合に関連する粘度の増加を調整する
ことが分かった。また、最大熱安定性に対応する樹脂の
最適な平均分子量は、１８０００ｇ／ｍｏｌ乃至３５０
００ｇ／ｍｏｌの間であった。より高い分子量では硬化
が困難であり、一度充填されると処理を施すためには粘
度が高すぎた。ネットワークの形成は、反応的なシリコ
ン・オイル・キャリア内において、妨害的なプラチナ触
媒を使用する、標準のヒドロシリル化重合により達成さ
れる。
【００５３】図１１において、ボンド・ヘッド１６８が
ワイヤ１７０を基板１６０の表面１６４に接着する時、
図１９において２０４で示される平坦な面を有する球状
の端部が形成される。図１１に示される基板上の突起１
６２は、図７に示される溝１１６などのような、エラス
トマ内の溝に嵌合される。これらの溝は位置整合機構を
形成する。銅基板１６０を形成するために用いられる設
計及び許容差は、好適には、図６に示される基板９４及
び９６上の位置整合機構を製作するために使用される設
計及び許容差に、注意深く適合される。これとは別に、
実質的に平坦な基板においては、図９に示されるような
位置整合フレームが、図６の９４及び９６などの基板の
表面上に配置され、溝を有するエラスティコン・インタ
ポーザがこの位置整合フレーム上に配置されて、図９及
び図１０に関連して上述されたように、インタポーザの
位置整合用の溝がフレーム・パターンに組合わされる。
【００５４】図２０を参照すると、各々の上にワイヤ・
グループ２１２を有する複数の基板２１０が示されてお
り、これらの基板は、上述された液体エラストマ２１６
が内部に配置され硬化される共通のモールド２１４内に
置かれる。硬化されたエラストマは、図２１に示すよう
に、これらの複数の基板を単一のインタポーザ２１８と
して結合させる。溝２１１は許容差要求または位置整合
要求に応じて設けられる。これとは別に、いくつかの小
さな接続子を同一基板上に単一のユニットとして製作
し、エラストマの硬化後に分離し、そして基板をエッチ
ングすることも可能である。
【００５５】また、金めっき及びワイヤ・ボンディング
前に銅の擬制基板の表面を粗化するかエンボス化して、
ボール・ボンドの下面になめらかでない、すなわち隆起
するコンタクト表面を提供する。図２１の完了されたイ
ンタポーザ２１８は、更にレーザにより、図７に示すよ
うに、エラストマ状材料内のボンド・ワイヤ間に、ボン
ド・ワイヤの角度に一致する角度でチャネルを刻む様に
変更される。十字形のチャネルは、金ワイヤを囲む独立
のエラストマの列（図１０の１３８で示される）を生成
する。これは個々のワイヤまたはワイヤのグループを独
立に圧縮することを可能とし、インタポーザは残りの表
面内の僅かな変化を補償する。一方、インタポーザ全体
を圧縮するために必要な総合圧力が低減される。パター
ン化接続子は、ワイヤ・ボンダを特定のパターンにプロ
グラムし、エラストマをモールドすることにより、容易
に製作される。これにより、周囲の他の電子コンポーネ
ントまたは機械コンポーネントに対応するホール或いは
オープン領域が、接続子内に提供される。
【００５６】許容差を改良し、ワイヤの変形を低減する
ために、好適にはエラストマの両方の接続子表面のＸ方
向及びＹ方向に、または円形幾何に従い、溝がモールド
成形される。溝の幅及び深さは、１００ミル（２．５ｍ
ｍ）厚のインタポーザでは、好適にはそれぞれ５ミル
（０．１２５ｍｍ）よりも広く、１０ミル（０．２５ｍ
ｍ）よりも深い。溝は好適には、角度付けされたワイヤ
に平行にモールド化される。
【００５７】溝は、レーザ、電子ビーム、金属マスク及
びブレードを有するスライシングにより製作される。ス
タンピング、注入モールド成形、及び目的の幾何を生成
するための他の周知の技術も使用できる。
【００５８】ワイヤ端部のコンタクト・ボールは、スプ
リット・ビーム・レーザ構成を使用して形成される。各
ワイヤの端部は融解され、２本のビームが交差するポイ
ントのみボールが形成される。図２２に表される設計
は、好適にはアルゴン・イオン・レーザである光源３０
０を含み、これは光ビーム３０２の源となり、光ビーム
３０２はミラー３０６により光ビーム３０４として反射
される。光ビーム３０４は光ビーム・エクスパンダ３０
８を通過して、拡大された光ビーム３１０を形成する。
拡大された光ビーム３１０はビーム・スプリッタ３１２
に向けられ、これはビーム３１０をビーム３１４と３１
６に分割する。ビーム３１６はミラー３２２で光ビーム
３２４として反射される。一方、ビーム３１４はミラー
３１８で光ビーム３２０として反射される。ビーム３２
０は集束レンズ３２８を通過して、ビーム３３０を形成
し、このビームはワイヤの端部に相当する加工品上のス
ポット３３２に焦点結合される。ビーム３２４は集束レ
ンズ３３４を通過して、ビーム３３６を形成し、このビ
ームも加工品上のスポット３３２に焦点結合される。加
工品はｘ−ｙテーブル３３８上に配置される。ビームは
目的のサイズのスポット３３２を獲得するために、焦点
を合わせる前に拡大される。
【００５９】図２３は図７の被線で示される円２３０で
囲まれる領域の拡大図を示す。要素１２４は導体１１２
の端部における平坦なボール状メンバを示す。平坦なボ
ール状メンバ１２４は、図１１に関連して述べられたよ
うに、導体１１２が擬制銅層にワイヤボンドされた時に
形成されたものである。擬制銅層は、ワイヤ１１２が接
着される表面領域内のピット配列により製作される。こ
れらのピットは、例えば、半球形状、矩形形状、ピラミ
ッド形状、或いはその他の形状を有する。こうしたピッ
ト配列が使用され、ワイヤがピット領域に接着される
と、図２３の１２８などの突起が、平坦なボールの表面
２３２に形成される。この突起は、平坦なボール１２４
により形成されるコンタクトに対して突き出し領域を提
供し、平坦なボールが電気的に接続されるコンタクト・
ロケーションの表面上をワイプする。
【００６０】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば改
良された３次元集積回路パッケージング構造を提供する
ことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による３次元電子デバイス・パッケージ
ング構造を示す図である。
【図２】図１の構造の部分的斜視図を示す。
【図３】図１の構造の電気的相互接続手段の上面図を表
す図である。
【図４】熱消散手段を含む図１の構造の斜視図である。
【図５】図１の構造の電気的相互接続手段の一部の断面
図である。
【図６】２つの近接する基板間に配置されて圧縮される
図５の構造を示す図である。
【図７】２つの反対表面上に溝を有する図５の構造の別
の実施例を示す図である。
【図８】基板及びインタポーザ（interposer）のコンタ
クト・ロケーションを位置整合するために、基板上の突
起と嵌合されるインタポーザ上の溝を示す図である。
【図９】図１０の構造で示されるような位置整合用の溝
と嵌合される位置整合用フレームを示す図である。
【図１０】図９のフレームと嵌合される溝を有する相互
接続構造を示す図である。
【図１１】図５などの電気的相互接続手段を形成するプ
ロセスを示す図である。
【図１２】図５などの電気的相互接続手段を形成するプ
ロセスを示す図である。
【図１３】図５などの電気的相互接続手段を形成するプ
ロセスを示す図である。
【図１４】図５などの電気的相互接続手段を形成するプ
ロセスを示す図である。
【図１５】図５などの電気的相互接続手段を形成するプ
ロセスを示す図である。
【図１６】図５などの電気的相互接続手段を形成するプ
ロセスを示す図である。
【図１７】図５などの電気的相互接続手段を形成するプ
ロセスを示す図である。
【図１８】図５などの電気的相互接続手段を形成するプ
ロセスを示す図である。
【図１９】図５などの電気的相互接続手段を形成するプ
ロセスを示す図である。
【図２０】電気的相互接続手段を製作する別の実施例の
工程を示す図である。
【図２１】電気的相互接続手段を製作する別の実施例の
工程を示す図である。
【図２２】図１５の配線導体の端部にボールを形成する
光学システムを示す図である。
【図２３】図７において破線で示される円２３０により
囲まれる領域の拡大図である。
【符号の説明】
４、６ サブコンポーネント・アセンブリ １２、２４ 多段配線構造 ３０ 電気コンタクト・ロケーション ３６、３８ 電子デバイス ４２ 活性面 ４４ 非活性面 ４６ 配線 ４９、８０ 電気的相互接続手段 １６２ 突起 １６８ ボール・ボンド・ヘッド １７２ ナイフ・エッジ １９０ キャスティング・モールド １９２ 液体エラストマ ２１２ ワイヤ・グループ ２１４ モールド ２１８ インタポーザ ３００ 光源 ３０２ 光ビーム ３０８ 光ビーム・エクスパンダ ３１２ ビーム・スプリッタ ３２８、３３４ 集束レンズ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.5 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０１Ｌ 23/52 (72)発明者 ファッド・エリアス・ドウニー アメリカ合衆国10536、ニューヨーク州カ トナ、シダー・ロード 125 (72)発明者 キース・エドワード・フォゲル アメリカ合衆国10954、ニューヨーク州バ ードニア、ブロードリン・コート ５ (72)発明者 ジェームス・ラプトン・ヘドリック、ジュ ニア アメリカ合衆国94611、カリフォルニア州 オークランド、チェルトン・ドライブ 6799 (72)発明者 ポール・アルフレッド・ラウロ アメリカ合衆国10954、ニューヨーク州ナ ヌエット、アパートメント ４、セントラ ル・ドライブ ８ (72)発明者 モーリス・ヒースコート・ノアコット アメリカ合衆国10989、ニューヨーク州バ レー・コテージ、シエラ・ビスト・レーン 429 (72)発明者 ジョン・ジェームズ・リスコ アメリカ合衆国10549、ニューヨーク州マ ウント・キソコ、ハイ・リッジ・ロード 70 (72)発明者 リーザン・シェイ アメリカ合衆国10598、ニューヨーク州ヨ ークタウン・ハイツ、オスロ・ドライブ 45 (72)発明者 ダーユアン・シェイ アメリカ合衆国12603、ニューヨーク州ポ キプシ、バーバレン・ドライブ 16 (72)発明者 ジョージ・エフ・ウォルカー アメリカ合衆国10028、ニューヨーク州ニ ューヨーク、アパートメント ナンバー11 ケイ、ヨーク・アベニュー 1540

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】複数のアセンブリと電気的相互接続手段と
    を含む３次元電子パッケージ構造であって、 各上記アセンブリが反対の第１及び第２の表面と、上記
    第１及び上記第２の表面の少なくとも一方上に配置され
    る複数の電子デバイスとを有し、 ある上記アセンブリの上記第１及び上記第２の表面の一
    方が、他の上記アセンブリの上記第１及び上記第２の表
    面の一方に隣接するように、各上記アセンブリを別の上
    記アセンブリに隣接して配置し、 上記電気的相互接続手段が、反対の第１及び第２の表面
    を有する絶縁材料と、上記電気的相互接続手段の上記第
    １表面から第２表面に伸びる複数の電気導体とを含み、 上記隣接するアセンブリ間に上記電気的相互接続手段を
    配置し、その間の電気的相互接続を提供する、 ３次元電子デバイス・パッケージ構造。
  2. 【請求項２】上記電気的相互接続手段の上記絶縁層がエ
    ラストマ材料から形成される、請求項１記載の構造。
  3. 【請求項３】上記電気的相互接続手段が、上記電気的相
    互接続手段の上記第１及び上記第２の表面に複数の電気
    コンタクト・ロケーションを有し、上記導体が上記複数
    の電気コンタクト・ロケーションと電気的に接続され
    る、請求項１記載の構造。
  4. 【請求項４】上記複数の電気コンタクト・ロケーション
    が、上記隣接するアセンブリ上の複数の電気コンタクト
    ・ロケーションと電気的に接続される、請求項３記載の
    構造。
  5. 【請求項５】第１及び第２のアセンブリと、電気的相互
    接続手段とを含む構造であって、 上記第１アセンブリの第１表面が上記第２アセンブリの
    第２表面に隣接するように、上記第１アセンブリを上記
    第２アセンブリに隣接して配置し、 各上記第１及び第２のアセンブリが、 複数の電気コンタクト・ロケーションを有する反対の第
    １及び第２の表面を有し、且つ電気導体を含む基板と、 上記第１の表面に配置される複数の電気デバイスとを含
    み、 上記電気的相互接続手段が、 反対の第１及び第２の表面を有し、該第１表面から上記
    第２表面に伸びる複数のアパーチャを有するエラストマ
    材料層と、 上記層の上記第１表面から上記第２表面に伸びる複数の
    導体により電気的に相互接続される、上記層の上記第１
    表面及び上記第２表面の複数の電気コンタクト・ロケー
    ションとを含み、 第１アセンブリの上記第１表面の上記電子デバイスが、
    上記電気的相互接続手段内の上記アパーチャ内に配置さ
    れるように、上記電気的相互接続手段を上記第１アセン
    ブリの上記第１表面に配置し、 上記電気的相互接続手段の上記層の上記第２表面の上記
    電気コンタクト・ロケーションが、上記第１アセンブリ
    の上記基板の上記第１表面の電気コンタクト・ロケーシ
    ョンに電気的に相互接続され、 上記電気的相互接続手段の上記層の上記第１表面の上記
    電気コンタクト・ロケーションが、上記第２アセンブリ
    の上記基板の上記第２表面の電気コンタクト・ロケーシ
    ョンに電気的に相互接続される、 構造。
  6. 【請求項６】各上記複数の電気導体が、上記電気的相互
    接続手段の上記第１及び上記第２の表面に拡大された端
    部を有する、請求項１記載の構造。
  7. 【請求項７】基板を提供する工程と、 各々が第１端部と第２端部を有する複数の細長の導体を
    提供する工程と、 各上記複数の導体の上記第１端部を、上記基板に接着す
    る工程と、 上記複数の細長の導体の上記第２の端部を上記基板から
    突き出させる工程と、 上記基板をモールド内に配置する工程と、 上記モールドに液体材料を加える工程と、 内部に配置される上記複数の細長の導体を有する固体と
    すべく、上記液体を硬化させる工程と、 上記モールドから上記固体を取出す工程と、 上記固体から上記細長の導体を残して、上記基板を取除
    く工程と、 上記細長の導体の上記第１及び上記第２の端部を上記固
    体の表面に露出する工程と、 を含む方法。
  8. 【請求項８】上記基板が上記固体内のくぼみに嵌合され
    る突起を有する、請求項７記載の方法。
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