JPH11345932A - 集積回路パッケ―ジ - Google Patents

集積回路パッケ―ジ

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JPH11345932A
JPH11345932A JP11139175A JP13917599A JPH11345932A JP H11345932 A JPH11345932 A JP H11345932A JP 11139175 A JP11139175 A JP 11139175A JP 13917599 A JP13917599 A JP 13917599A JP H11345932 A JPH11345932 A JP H11345932A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 相互接続パッケージの熱膨張の影響をなくし
たシリコン・オン・シリコンの相互接続パッケージを提
供すること。 【解決手段】 本発明によれば、主プリント回路基板2
4と、前記主プリント回路基板上に搭載された少なくと
も2個の中間のプリント回路基板15と、前記中間のプ
リント回路基板の1つにハンダ接合18されたシリコン
・オン・シリコンのマルチチップモジュール11,12
とを有する集積回路パッケージにおいて、前記シリコン
・オン・シリコンのマルチチップモジュールは、前記シ
リコン製の相互接続用基板14に接合されたシリコン製
の集積回路チップ13を有し、前記主プリント回路基板
24と前記中間プリント回路基板15の熱膨張係数は1
0ppm/℃以下であることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、マルチ・チップ・
モジュール(multi-chip-module=MCM)組立体にシ
リコン製の相互接続用基板を実装するパッケージに関す
る。
【0002】
【従来の技術】優れた相互接続組立体を構成するため
に、シリコン・オン・シリコンを用いることはますます
魅力的になっている。その理由はシリコン製のチップと
シリコン製の相互接続用基板の熱膨張係数(Coefficien
t of Thermal Expansion=CTE)が適合している為最
適な熱機械的な設計が可能となるためである。
【0003】極めて高い実装密度を提供する最新のシリ
コン・オン・シリコン・パッケージにおいては、シリコ
ン・オン・シリコンのマルチチップモジュール(MC
M)が中間の相互接続用基板に取り付けられ、そしてこ
の中間の相互接続用基板が次にマザーボードに搭載され
る。熱機械的設計の観点からすると、シリコン製の基板
およびマザーボードさらにはまた中間ボードを全てシリ
コンで構成することは理想的ではあるがコストが高くな
ってしまう。
【0004】そのためマルチボード組立体における中間
ボードとマザーボードの両方は、通常エポキシ/ガラス
の積層体構造である。このようなポリマー製の積層体構
造は、シリコン・オン・シリコンの相互接続組立体には
熱機械的には十分には適合しないものである。FR−4
(最も一般的に使用されるエポキシ積層体のプリント回
路基板(printed wiring board=PWB)の材料であ
る)の熱膨張係数は、16ppm/℃で、シリコンの熱
膨張係数は、2.6ppm/℃である。
【0005】シリコン・オン・シリコンの組立体と中間
基板(ボード)との間の熱機械的な不適合を低減する1
つのアプローチは、シリコンの熱膨張係数に適合するプ
ラスチック材料製の中間ボードを製造することである。
しかしこのアプローチの欠点は、中間ボードと従来のマ
ザーボードとの間の不適合が許容でない点である。
【0006】ハンダ接合によるレベル間の相互接続、即
ち相互接続用基板間のハンダ接合は塑性変形をし、ハン
ダ接合の熱疲労に起因する寿命限界は、相互接合部の歪
の二乗に比例して進行することが知られている。そのた
め比較的小さな熱膨張差を低減することは、複数の基板
の相互接続組立体の有効寿命に大きな影響を及ぼすと考
えられている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、上記
の相互接続パッケージの欠点を解消するシリコン・オン
・シリコンの相互接続パッケージを提供することであ
る。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明のパッケージにお
いては、中間の相互接続用基板とマザーボードの材料の
両方ともシリコンの熱膨張係数に極めて近い熱膨張係数
を有する。本発明の実施例のPCカードは、熱膨張係数
を変更させた中間の相互接続用基板とマザーボードとの
間の熱機械的な不適合の問題は解決される。この構成に
よりシリコン・オン・シリコンのマルチチップモジュー
ルとPCカードのプリント回路基板との間の熱機械的適
合性を最適にし、シリコンと従来のエポキシ積層基板と
の間の熱膨張係数の不適合の問題をなくす完全な設計の
自由が得られる。
【0009】隣合う基板レベルの材料間の熱膨張係数の
不適合に起因するハンダ相互接続の歪は、大幅に削減さ
れ、ハンダ相互接続の寿命は大幅に改善される。本発明
の組立体により、1個のシリコン製のフリップチップが
大きな熱膨張係数の不適合を有することなく中間基板レ
ベルに直接表面搭載可能となる利点がある。
【0010】
【発明の実施の形態】図1にはシリコン・オン・シリコ
ンのマルチチップモジュール(MCM)11と12が示
されている。このマルチチップモジュールは、シリコン
製相互接続用基板14にフリップチップ接合されたシリ
コン製ICチップ13あるいはシリコン製の「ファンア
ウト」基板にフリップチップ接合された1個のシリコン
チップ(1個のシリコンのピースの上にパターン化され
たチップの組み合わせ)にフリップチップ接合された1
個のシリコン製チップ(1個のシリコンのピースの上に
パターン化されたチップの組み合わせ)である。このシ
リコンチップは、エッジ配列のあるいは領域配列のハン
ダバンプでシリコン製の相互接続基板に接合されたIC
あるいはライブラリチップである。
【0011】本明細書においては、ハンダバンプはいか
なる形態のハンダによる相互接続を一般的に含むものと
する。シリコン製チップとシリコン製相互接続基板のハ
ンダ接合は18として示される。図1はこの相互接続組
立体の側面図である。シリコン・オン・シリコンのMC
Mの利点は、チップと基板の熱膨張係数が合っているこ
とである。
【0012】従来のパッケージにおいては、シリコン・
オン・シリコンのMCMは、積層構造のエポキシ製のプ
リント回路基板(PWB)に接合されている。プリント
回路は、シリコン製基板の下側およびプリント回路基板
に表面搭載されたシリコン製基板の下側に形成されてい
る。実施例の構成では、フリップチップモードでシリコ
ン・オン・シリコンのMCMを中間用のプリント回路基
板に搭載されている。
【0013】図1においては、プリント回路基板15は
開口16と17を有し、この中にシリコン製ICチップ
13が中間基板の表面の下から伸び、そしてパッケージ
の垂直方向の突出を低減させている。MCM11,12
は、ハンダバンプ21でもって中間の相互接続用基板に
ハンダ接合されている。この相互接続構成は、米国特許
第5,646,828号に開示されている。中間用のプ
リント回路基板は、その表面に搭載されたキャパシタ1
9,抵抗20のような他のハンダ接合された素子も有す
る。
【0014】プリント回路基板15は、通常エポキシ/
ガラス製であり、従来はFR−4の材料製である。この
材料の熱膨張係数は、16ppm/℃である。より高密
度の相互接続パッケージを行うためには、PWB15は
ハンダバンプ23により別のPWB24に搭載される。
このPWB24は通常マザーボードと称し、相互接続の
最下層のレベルである。PWB24はFR−4あるいは
従来公知の何種類かの材料の1つから構成され、10p
pm/℃以上の類似の熱膨張係数を有する。
【0015】類似の熱膨張係数即ち16ppm/℃に近
い熱膨張係数を有する積層基板用の材料を選択して上記
の熱膨張差の問題を解決するための研究開発がなされて
いる。プリント回路基板15,24の熱機械的特性は、
公称上適合しているとされている。しかし、PWB15
とMCM11,12の間の熱機械特性は必ずしも適合し
ていない。
【0016】シリコン・オン・シリコンのMCMと中間
のエポキシ/ガラス製の積層PWBの間の熱機械的な不
適合を解決するために、PWBの材料を変質させて基板
全体の熱膨張係数を10ppm/℃、好ましくは6pp
m/℃以下にすることである。これはガラスの添加剤あ
るいは他のファイバ強化材料、例えばアラミドあるいは
エポキシ/ガラスのPWBへの別の添加剤を調整するこ
とによりあるいはエポキシを適宜選択することにより達
成される。
【0017】エポキシと他のPWBの材料の熱機械特性
は公知である。本発明にとって有効な熱機械特性の材料
は、ポリイミド/ケブラー,エポキシ/ポリイミド/ケ
ブラー,エポキシ/グラファイトである。強化材料およ
び積層体中の強化材料の量は、熱膨張係数を低くするよ
う選択される。例えば、グラファイト製のファイバーの
熱膨張係数は0.5〜1ppm/℃であり、その結果積
層体中にグラファイト製のファイバの量を増加させるこ
とにより熱膨張係数を所望のレベルにまで低減させるこ
とができる。
【0018】PWB15の熱膨張係数は、シリコンのそ
れに対し±2ppm/℃以内に適合させるのが好まし
い。不適合が1ppm/℃以下の場合には、従来のフリ
ップチップ接合に通常用いられるエポキシの充填(unde
rfill) は不必要となる。マザーボード24を含む材料
は、MCMと中間のPWB15のそれに匹敵する熱膨張
係数、即ち10ppm/℃以下、好ましくは6ppm/
℃以下、あるいは±3あるいは±1ppm/℃の範囲内
である。
【0019】本発明により構成された、三段階のレベル
の相互接続組立体のそのレベル間での熱膨張の差は、意
外なほど小さく、それらを相互接続するハンダバンプの
有効寿命も大幅に増加している。
【0020】基板レベル間の熱膨張差を解決する別の方
法を図2に示す。シリコン・オン・シリコンのMCMは
同一であり、プリント回路基板15も同一である。しか
し、図2の構成はマザーボード24が取り除かれてお
り、中間の相互接続用基板を形成してプリント回路カー
ド(PCカード)として用いている。この実施例におい
ては、PCカードにはカードエッジコネクタ31を有
し、このカードエッジコネクタ31がスロット32内に
挿入されている。このスロット32はコンピュータの部
品である。
【0021】本発明を市販の相互接続製品に適用するた
めに、コンピュータ用のPCカードを例に以下説明す
る。しかし本発明はさまざまな種類の相互接続用製品、
通信製品例えばセルラ電話機あるいはワイアレス局の装
置,セルラ電話,交換装置等にも適用できるものであ
る。
【0022】コンピュータ技術が急速に進歩したことに
より、コンピュータ特にパソコン等を個人向けにあるい
はアップグレードし、あるいは新たなアクセサリー、あ
るいはシステムソフトウェアを向上させ付属させること
は、新たなプリント回路基板を既存のコンピュータにイ
ンストールすることにより行われている。
【0023】このようなオプションには、拡張ボード,
シングルインラインメモリモジュール(single in-line
memory modules =SIMM),マルチメディア,モデ
ム,プリンター,ファックス,ビデオ,DRAMチッ
プ,システムプロセッサのアップグレード等の外部周辺
機器を含む。プラグイン拡張ボードあるいはカードを使
用できるこの機能により、購入した際のコンピュータの
一部である、例えばハードディスクCD−ROMリーダ
ー,ディスクドライブ等のコンピュータの基本的な装置
の容易な組立と修理が可能となる。
【0024】通常の装置においては、PCカードは「ゴ
ールドフィンガー」として知られている接点の列に配置
される長辺を有する四角形をしており、標準化されたエ
ッジカードコネクタ内にこれは挿入される。このような
接点は、PCカードの短辺の一方あるいは両辺に沿って
配置されている。コンピュータのハウジングにはPCI
スロットあるいはISAスロットと称するプラグインサ
イトを有し、修理用あるいは拡張用のPCカードが搭載
できるようになっている。
【0025】これらのサイトは、矩形のスロットを有
し、カードを搭載するための2つの側あるいは3つの側
に沿ってチャネルを具備している。このスロットは、少
なくとも1つのソケットを有し、そのソケットには接点
の列が備えられている。スロットのソケット部分は、カ
ードの長辺に沿ってエッジカードコネクタを係合するよ
う配置され、垂直方向にカードの搭載ができるようにコ
ンピュータのハウジングのフロアに沿って配置され、あ
るいは水平方向にカードの搭載が可能なようにコンピュ
ータの側壁あるいはパーティッションに沿って配置され
ている。
【0026】このカードは、ソケットの線形の列に対応
した接点の線形の列を有し、そのためカードが搭載され
ると、カードの接点がソケットの線形の接点列に適合し
プラグインされる。ソケットとカードの両方の接点のサ
イズと間隔は、工業標準に適合したものである。カード
にはカードエッジコネクタとMCMを相互接続できる従
来のプリント回路を具備している。このPCカードは、
片面型あるいは両面型、即ちカードの一面上あるいは両
面上にMCMあるいは他の素子を含むものである。
【0027】図2の構成は、回路の上部表面に形成され
たプリント回路相互接続部分を有する一面型の基板であ
る。しかし、プリント回路相互接続は、PWB24の両
側に形成して相互接続容量を増加させることも可能であ
る。MCMは、開口16と17のいずれかの側、即ち開
口16の上面から搭載されるMCMおよび開口17の底
部から搭載されるMCMである。このようにしてカード
のランナーと回路容量を増加させることができる。
【0028】PCカードの一部を図3に示す。同図は、
矩形のプリント回路基板15を上から見た図である。カ
ードエッジコネクタ31がより明瞭に示されている。M
CM11,12とカードエッジコネクタ31との間の相
互接続は、標準のプリント回路を含む。
【0029】このコネクタ接続、即ちカードエッジのコ
ネクタによる接続方法により、中間のPWBとそれが搭
載されるべきホストシステムとの間のより適合性のある
相互接続が得られる。この種類の相互接続およびこの回
路レベルでの剛性のハンダ接続をその結果削除すること
により中間のPWBの熱膨張係数を中間のPWBと別の
基板レベルとの間の潜在的な熱機械的な不適合を考慮す
ることなく調整可能であり、これによりシリコンの熱膨
張係数まで高い熱膨張係数を有する相互接続基板への強
固な相互接続を回避する他の柔軟性のある相互接続方法
は、この点に関しカードエッジコネクタと等価である。
【0030】例えば、中間のPWBにハンダ接合される
フレキシブルな金属製リードを有するプラスチックモル
ードされたコネクタはこの目的にかなうものである。こ
のようなコネクタ構成は、本明細書においてはエッジコ
ネクタと称する。
【0031】上記に説明したように、開口付きの基板を
本発明の一実施例として使用することにより基板を大幅
に低減させることにより、特にMCMの下の基板の大き
さを大幅に低減させることによる熱膨張の問題を解決す
ることができる。そのためMCMと、MCMが搭載され
る基板との間の熱的不適合に起因するMCMモジュール
の相互接続の歪は必然的に小さくなる。開口付きの基板
と中間基板の熱膨張率とシリコンの熱膨張を適宜適合さ
せることにより非常に頑強で低い歪しか有しないパッケ
ージが可能となる。
【0032】
【発明の効果】本発明の構成の別の利点は、シリコン製
のICチップは、中間の相互接続用基板に直接フリップ
チップ接合できる点である。このことは積層されたPW
B15の熱膨張係数をシリコンのそれに適合させること
により可能となる。図4は、シリコン製のICチップ4
1をPWB15に直接フリップチップ接続した実施例を
示す。ICチップ41とPWB15との間のスペースを
充填するために、エポキシのアンダーヒルが用いられて
いる。しかし、前述したようにPWBとシリコン製チッ
プとの間の熱膨張係数のミスマッチが本発明により十分
小さくなると、あるいはチップが十分小さくなるとエポ
キシのアンダーヒルは不必要となる。
【0033】本明細書において中間の相互接続用基板が
マザーボードに搭載される組立体を規定している。中間
の相互接続基板が搭載されるPWBは、主PWBと称す
る。本発明による中間相互接続用基板は、図1,2,4
に示すように開口を有し、そのリセス内にMCMが搭載
され、その結果フリップチップが中間PWBの表面の下
に閉じ込められる。
【0034】この主PWBは、その上に中間PWBが表
面搭載された従来の基板として示されている。通常のパ
ッケージにおいては、複数の中間PWBが主PWBに搭
載される。この主PWBには開口が形成され、開口内に
伸びる中間PWBは、MCM/中間PWBの組み合わせ
に示したのと同様な方法で開口内に伸びる。しかし、上
記の説明から組み合わせた主PWBは、実施例から削除
されている。
【図面の簡単な説明】
【図1】基板に搭載された中間相互接続用基板に搭載さ
れたシリコン・オン・シリコン組立体を示すプリント回
路基板組立体の側面図
【図2】シリコン・オン・シリコンのMCMパッケージ
を省略した状態の基板間で熱機械的な適用が可能となっ
た本発明のPCカード組立体を表す側面図
【図3】本発明のPC回路を表す部分拡大図
【図4】本発明の利点を示す図2に類似したPCカード
組立体を表す側面図
【符号の説明】
11,12 シリコンオンシリコンのマルチチップモジ
ュール(MCM) 13 シリコン製ICチップ 14 シリコン製相互接続用基板 15,24 プリント回路基板(PWB) 16,17 開口 18 ハンダ相互接続部 19 キャパシタ 20 抵抗 21,23 ハンダバンプ 31 カードエッジコネクタ 32 スロット 33 カード収納装置 34 導体 41 ICチップ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 596077259 600 Mountain Avenue, Murray Hill, New Je rsey 07974−0636U.S.A. (72)発明者 トーマス ディクソン ダッデーラー アメリカ合衆国,07928 ニュージャージ ー,チャサム,スクール アベニュー 30 (72)発明者 キン リェン タイ アメリカ合衆国,07922 ニュージャージ ー,バークリー ハイツ,ハイランド サ ークル 95

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 (a) 主プリント回路基板(24)
    と、 (b) 前記主プリント回路基板上に搭載された少なく
    とも2個の中間のプリント回路基板(15)と、 (c) 前記中間のプリント回路基板の1つにハンダ接
    合(18)されたシリコン・オン・シリコンのマルチチ
    ップモジュール(11,12)と、を有する集積回路パ
    ッケージにおいて、 前記シリコン・オン・シリコンのマルチチップモジュー
    ルは、前記シリコン製の相互接続用基板(14)に接合
    されたシリコン製の集積回路チップ(13)を有し、 前記主プリント回路基板(24)と前記中間プリント回
    路基板(15)の熱膨張係数は10ppm/℃以下であ
    ることを特徴とする集積回路パッケージ。
  2. 【請求項2】 前記主プリント回路基板と中間プリント
    回路基板との熱膨張係数は、シリコンの熱膨張係数の±
    2ppm/℃の範囲内にあることを特徴とする請求項1
    記載のパッケージ。
  3. 【請求項3】 前記中間プリント回路基板(15)は、
    少なくとも1つの開口(16,17)を有し、 前記シリコン・オン・シリコンのマルチチップモジュー
    ル(11,12)は、前記シリコン製の相互接続基板
    (14)のシリコン製のICチップ(13)は前記開口
    内(16,17)に伸びるようフリップチップ構成で搭
    載され、ことを特徴とする請求項1記載のパッケージ。
  4. 【請求項4】 (a) 少なくともその一面にプリント
    回路を有するプリント回路基板(15)と、 (b) 前記プリント回路基板にハンダ接合されたシリ
    コン・オン・シリコンのマルチチップモジュール(1
    4)と、 前記シリコンオンシリコンのマルチチップモジュール
    は、シリコン製の相互接続基板に接合されるシリコン製
    のICチップ(13)を有し、 (c) 前記プリント回路基板(15)の一端に沿って
    伸びる複数のカードエッジコネクタ(31)と、を有す
    るPCカードにおいて、 前記カードエッジコネクタ(31)は、前記シリコン・
    オン・シリコンのマルチチップモジュール(11,1
    2)に前記プリント回路(15)を介して接続され、 前記プリント回路基板の熱膨張係数は、10ppm/℃
    以下であることを特徴とするPCカード。
  5. 【請求項5】 前記プリント回路基板の熱膨張係数は、
    6ppm/℃以下であることを特徴とする請求項4記載
    のPCカード。
  6. 【請求項6】 前記プリント回路基板の熱膨張係数は、
    シリコンの熱膨張係数の±2ppm/℃内にあることを
    特徴とする請求項4記載のPCカード。
  7. 【請求項7】 前記プリント回路基板は、少なくとも1
    つの開口(16,17)を有し、 前記シリコンオンシリコンのマルチチップモジュール
    (14)は、前記シリコン製の相互接続基板のシリコン
    製のICチップ(13)は、前記開口内に伸びるよう前
    記開口内にフリップチップ構成で搭載され、ことを特徴
    とする請求項4記載のPCカード。
  8. 【請求項8】 (a) 額縁構造の中間回路基板と、 (b) マルチチップモジュールとを有するICパッケ
    ージにおいて、 前記中間回路基板は、その中に開口と前記額縁構造の一
    側に中間プリント回路基板の相互接続サイトの第1列
    と、他側に中間回路基板の相互接続サイトの第2列とを
    有し、 前記マルチチップモジュールは、 i シリコン製のICチップに相互接続される基板の相
    互接続サイトの第1列を有するシリコン製の相互接続基
    板と、 ii 前記相互接続サイトの第1列と同一側にある前記
    シリコン製の相互接続基板上の第2列の基板相互接続サ
    イトと前記第2列の基板相互接続サイトは、中間回路基
    板相互接続サイトの前記第2アレイに相互接続され、 iii 回路側と下側とを有するシリコン製のICチッ
    プと、 前記シリコン製のICチップの回路側上のチップの相互
    接続サイトのアレイは、前記基板の相互接続サイトの第
    1アレイに接合され、 前記(b)のマルチチップモジュールは、前記(a)の
    中間回路基板の相互接続サイトの第2アレイに接合され
    た第2アレイの基板の相互接続サイトでもって相互接続
    され、 前記マルチチップモジュールは、前記中間回路基板内の
    開口内に含まれる少なくとも部分的に含まれ、前記中間
    回路基板の熱膨張係数は、10ppm/℃以下であるこ
    とを特徴とするICパッケージ。
  9. 【請求項9】 前記中間回路基板の熱膨張係数は、6p
    pm/℃以下であることを特徴とする請求項8記載のI
    Cパッケージ。
  10. 【請求項10】 前記中間回路基板の熱膨張係数は、マ
    ルチチップモジュールの熱膨張係数の±2ppm/℃内
    にあることを特徴とする請求項8記載のICパッケー
    ジ。
  11. 【請求項11】 前記中間回路基板の相互接続サイトの
    第1アレイは、カードエッジコネクタを含むことを特徴
    とする請求項8記載のICパッケージ。
  12. 【請求項12】 エッジカードコネクタスロットの列を
    有するコンピュータと共に使用され、前記中間回路基板
    のエッジカードコネクタは、前記エッジカードコネクタ
    のスロットに係合するコンピュータと共に使用される請
    求項11記載のICパッケージ。
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