JPS61188942A - Solder connection body and formation thereof - Google Patents

Solder connection body and formation thereof

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JPS61188942A
JPS61188942A JP20459685A JP20459685A JPS61188942A JP S61188942 A JPS61188942 A JP S61188942A JP 20459685 A JP20459685 A JP 20459685A JP 20459685 A JP20459685 A JP 20459685A JP S61188942 A JPS61188942 A JP S61188942A
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JP
Japan
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solder
chip
substrate
connection
connections
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JP20459685A
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Japanese (ja)
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ダツデレイ・オーガスタス・チヤンス
デイーン・エリツク・イーストマン
チユング・ウエン・ホウ
チモシイ・クラーク・レイリー
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
International Business Machines Corp
Original Assignee
International Business Machines Corp
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Publication date
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/10Bump connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/15Structure, shape, material or disposition of the bump connectors after the connecting process
    • H01L2224/16Structure, shape, material or disposition of the bump connectors after the connecting process of an individual bump connector
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/013Alloys
    • H01L2924/014Solder alloys

Landscapes

  • Wire Bonding (AREA)
  • Electric Connection Of Electric Components To Printed Circuits (AREA)

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。
(57) [Summary] This bulletin contains application data before electronic filing, so abstract data is not recorded.

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は微小電子チップとその保持基板との間の電気接
続体に関する。より具体的に言えば、本発明は、微小電
子チップの動作中に、チップが加熱されそして冷却する
サイクルの間で、接続体に許容された剪断ひずみの限界
を越えることなしに、より大きく且つより高密度のはん
だ接続体マトリックスを有する、より大きなサイズの微
小電子チップが使用出来るように構成された新規なはん
だ接続体及びそのようなはんだ接続体の製造方法に関す
る。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Field of Industrial Application] The present invention relates to an electrical connection between a microelectronic chip and its holding substrate. More specifically, the present invention provides the ability to increase the shear strain of a microelectronic chip during its heating and cooling cycles without exceeding the limits of shear strain allowed in the connections. The present invention relates to novel solder connections and methods of manufacturing such solder connections that are configured to allow use of larger sized microelectronic chips having higher density solder connection matrices.

(開示の概要) 本発明に従って、微小電子チップは基板の表面のはんだ
の堰堤(da−)即ちはんだダムで作られる延長された
はんだ柱によって基板へ電気的に接続される。はんだダ
ムは基板の表面上にある接続パッドのうちの少くとも一
部のパッドに設けられる。はんだ柱の長さの増加により
はんだ接続体の曲がりを大きくすることが出来るので、
剪断ひずみの許容限界を越えることなく、そのような延
長されたはんだ柱のマトリックスのサイズを相当に大き
くすることが出来る。
SUMMARY OF THE DISCLOSURE In accordance with the present invention, microelectronic chips are electrically connected to a substrate by elongated solder posts created with solder dams on the surface of the substrate. Solder dams are provided on at least some of the connection pads on the surface of the substrate. By increasing the length of the solder pillar, the bending of the solder connection body can be increased.
The size of such an extended solder post matrix can be increased considerably without exceeding the shear strain tolerance limits.

〔従来技術〕[Prior art]

集積回路装置の製造技術の過去20年間の長足の進歩は
、極めて多数の独立した回路素子を含む非常に複雑な回
路を1個のシリコンチップに設けることを可能とした。
BACKGROUND OF THE INVENTION Over the past two decades, rapid advances in integrated circuit device manufacturing technology have made it possible to implement very complex circuits on a single silicon chip, including a large number of independent circuit elements.

はんだ接続の代表的なチップは一辺が約6.4ミリの四
角形なので、データを送受し、又は動作電力を受は取る
ために、チップを外部回路へ電気的に接続するための接
続点、即ちはんだパッドは非常に小さくすることが必要
である。第4図はチップ10を基板へ装着するために一
般に使われている従来技術を説明するための拡大した斜
視図であり、第5図はその断面図である。通常、シリコ
ンチップは微小電子回路がその一方の側にのみ設けられ
ている。微小電子回路を接続するための下方へ突出した
はんだボール12のマトリックスが既に広く知られてい
る態様で接続されている。そのような微細なはんだボー
ルはチップ10に対して制御された崩壊接続体(con
trolled     ”coll&pse  co
nnection)を与え、これは通常、この分野でO
−4接続又はO−4と呼ばれている。O−4はんだボー
ルははんだ接続パッド16の対応マトリックスを有する
基板14と接触して置かれる。はんだ接続パッド16は
基板の上表面と実質的に同一平面にある。
A typical chip for solder connection is a square with a side of approximately 6.4 mm, so it is a connection point for electrically connecting the chip to external circuitry in order to send and receive data or receive and receive operating power. The solder pads need to be very small. FIG. 4 is an enlarged perspective view for explaining a conventional technique generally used for mounting the chip 10 on a substrate, and FIG. 5 is a cross-sectional view thereof. Typically, a silicon chip has microelectronic circuitry on only one side. A matrix of downwardly projecting solder balls 12 for connecting microelectronic circuits is connected in a manner already widely known. Such fine solder balls form controlled collapse connections to the chip 10.
trolled ”coll & pse co
nnection), which is usually O in this field.
-4 connection or O-4. The O-4 solder balls are placed in contact with a substrate 14 having a corresponding matrix of solder connection pads 16. Solder connection pads 16 are substantially coplanar with the top surface of the substrate.

基板14は米国特許第4,245,273号に記載され
ているタイプの多層セラミックス構造のものを可とする
。そ0ような基板は周辺接続パッド18、基板の下面に
ある入/出力及びパワーピン(図示せず)及び水平及び
垂直方向に延びる導電路20.24を含む。導電路20
.24はチップ10と接続パッド16とを相互接続する
ように、基板14の内部を通って、所定の如く種々の入
/出力及び電源へ延びている。そのような基板の例は、
1982年1月のIBMジャーナル・オプ・リサーチ・
アンド・デベロップメント(よりM  Journal
  ofResearch  and  Develo
pment)Tol、26、&1中の“熱伝導モジュー
ル:高能率多層セラミックパッケージ“(Therma
l  ConductionModule:A Hlg
h Performance  Multi−1aye
r  Oeramia  Package)と題するプ
ロジェット(Blodgett)及びバルバ(B!Lr
bour)の文献(第30頁〜第36頁)、及び198
2年4月のよりM  TDB(より M  Techn
icalDisclosure  Bulletin)
Vol、24、AIIA中の“配分されたECCバッド
計’ (SharedEOPad  Design)と
題するフバツチャ (Hubaaher)の文献(第5
554頁乃至第5557頁)にも記載されている。
Substrate 14 can be a multilayer ceramic structure of the type described in U.S. Pat. No. 4,245,273. Such a board includes peripheral connection pads 18, input/output and power pins (not shown) on the underside of the board, and conductive tracks 20, 24 extending horizontally and vertically. Conductive path 20
.. 24 extend through the interior of substrate 14 to interconnect chip 10 and connection pads 16 to various input/outputs and power supplies as desired. An example of such a board is
IBM Journal of Research, January 1982
and development (More M Journal
ofResearch and Developo
“Thermal Transfer Module: High Efficiency Multilayer Ceramic Package” (Therma) in Tol, 26, & 1
lConductionModule: A Hlg
h Performance Multi-1aye
Blodgett and Barba (B!Lr.
bour) literature (pages 30 to 36), and 198
From April 2019, MTDB (More M Techn
icalDisclosure Bulletin)
Hubaher's document entitled “Shared ECC Pad Design” in Vol. 24, AIIA (Vol. 5).
554 to 5557).

チップ10を基板14に接続するためには、は!4−J
−1−+−ル 1 リ 清(壬中名C)ぐ・ソ 1.”
4A  シ セ其傷山 1 1−署りれ、周囲の温度が
はんだの熔融温度まで上昇され、そしてはんだは第5図
に示されたように短い接続柱26の型を形成するように
リフロー(reflow)する。従来の技術の代表例と
して、そのような接続柱26の長さは0.025 ミリ
メートル及至0.10ミリメートルか、又は使われたは
んだボールの直径の約半分である。本明細書で使われる
術語“はんだ“は180℃乃至320°Cの熔融温度を
有し、主成分が鉛(40%乃至100%)及び錫(0%
乃至60%)から成る合金を意味する。
In order to connect the chip 10 to the substrate 14, ha! 4-J
-1-+-ru 1 ri Qing (jinchu name C)gu・so 1. ”
1-1-The ambient temperature is raised to the melting temperature of the solder, and the solder is reflowed to form the mold of the short connecting post 26 as shown in FIG. reflow). Typically in the prior art, the length of such a connecting post 26 is between 0.025 mm and 0.10 mm, or about half the diameter of the solder ball used. The term "solder" as used herein has a melting temperature of 180°C to 320°C, and the main components are lead (40% to 100%) and tin (0%
60%).

〔発明が解決しようとする問題点〕[Problem that the invention seeks to solve]

0−4はんだ接続体は第4図及び第5図に示された態様
でシリコン素子を基板へ接続するため広く使われて来た
が、このタイプの接続の適用範囲は、基板に限られた数
の接続のみを必要とするチップに使われる、より小さい
サイズの接続体のマトリックスに制限されていた。基板
14の熱膨張とチップ10の熱膨張との差異によってO
−4接続体中に生ずる剪断ひずみのため、このような制
限を受ける。室内温度と動作温度との間で生ずるチップ
の膨張と基板の膨張との間の差異ははんだ柱26の変形
によって調節されなければならない。
Although 0-4 solder connections have been widely used to connect silicon devices to substrates in the manner shown in Figures 4 and 5, the scope of application of this type of connection has been limited to substrates. They were limited to smaller sized matrices of connections used in chips that required only a few connections. Due to the difference between the thermal expansion of the substrate 14 and the thermal expansion of the chip 10, O
-4 This limitation is due to the shear strains that occur in the connections. The difference between chip expansion and substrate expansion that occurs between room and operating temperatures must be accommodated by the deformation of the solder posts 26.

許容される変形の範囲は接続体の所定の疲労サイタル寿
命により支配される。接続体の最大剪断変位置δは、チ
ップ及び基板が同じ温度である場合、以下の式によって
与えられる。    ′上式において、LはO−4接続
体マトリックスの最外部の寸法であり、α 及びα5は
シリコンデバイス及び基板の膨張係数であり、ΔTは室
内温度から動作温度への温度上昇である。加熱及び冷却
中の温度変化はまたチップ及び基板間の温度差を生ずる
ので、従ってα 及びα5が等しい場合であっても膨張
に差異を生ずる。はんだ柱26の高さhが高くなると、
剪断ひずみγは次式に従って減少することが、以前から
認識されている。
The range of allowable deformation is governed by the predetermined fatigue life of the connection. The maximum shear displacement position δ of the connection body is given by the following equation when the chip and substrate are at the same temperature. 'In the above equation, L is the outermost dimension of the O-4 connector matrix, α and α5 are the expansion coefficients of the silicon device and substrate, and ΔT is the temperature rise from room temperature to operating temperature. Temperature changes during heating and cooling also result in temperature differences between the chip and the substrate, thus resulting in differences in expansion even when α and α5 are equal. When the height h of the solder pillars 26 increases,
It has been previously recognized that the shear strain γ decreases according to the equation:

δ γ5− ここでδは問題のはんだ柱の剪断変位量である。δ γ5- Here, δ is the amount of shear displacement of the solder pillar in question.

0−4接続体の性能は、チップと基板を与えられた組み
合せで動作した時に、最も外側にあるC−4接続体が受
けれ最大剪断ひずみを参考にして決定される。従って、
与えられた許容最大剪断ひずみに対して、C−4接続体
の高さhを増加することは、C−4接続体のマトリック
ス全体のサイズをそれに従って大きくシ、且つシリコン
デバイスそれ自体の許容サイズをそれに付備して増大す
る。より大きいサイズのチップはチップ上でより多くの
機能を遂行し、集積度を増大させるから、動作速度の向
上及び製造効率の向上が達成出来る。
The performance of the 0-4 connector is determined by reference to the maximum shear strain that the outermost C-4 connector can sustain when operated with a given chip and substrate combination. Therefore,
For a given maximum allowable shear strain, increasing the height h of the C-4 connections will correspondingly increase the overall size of the C-4 connections matrix and reduce the allowable size of the silicon device itself. It increases by attaching it to it. Larger size chips perform more functions on the chip and increase the degree of integration, thereby achieving increased operating speed and manufacturing efficiency.

チップ及びその基板間の接続体の長さを増加する試みの
公知技術が米国特許第3,591,839号及び第4,
067,104号に開示されている。然し乍らO−4接
続体の高さを単純に増加することは付加的な間層を生じ
、より大きなチップを使用するのを困難にする。例えば
、接続体は温度サイクルの間でそり返るので、高密度に
実装されたa −4接続体の間で電気的なショートを起
す可能性が増加する。従って、接続体間に非常に小さい
スペースが必要な時に、0−4接続体が相互に接触する
傾向を回避することが必要である。
Known techniques that attempt to increase the length of connections between a chip and its substrate include U.S. Pat.
No. 067,104. However, simply increasing the height of the O-4 connection creates additional interlayers, making it difficult to use larger chips. For example, the potential for electrical shorts between densely packed A-4 connections increases as the connections warp during temperature cycling. It is therefore necessary to avoid the tendency of the 0-4 connections to touch each other when very little space between the connections is required.

本発明の主目的は新規なO−4接続体構造とそのような
接続体の製造方法を提供することにある。
The primary object of the present invention is to provide a new O-4 connector structure and method of manufacturing such a connector.

本発明において、C−4接続体マトリックスのサイズを
増加し、しかも動作中のひずみや、製造工程中のはんだ
のりフローにより、接続体間の電気的ショートが起きる
のを■止する延長されたa −4接続体構造が与えられ
る。
In the present invention, the size of the C-4 connector matrix is increased, and an extended a -4 connector structure is given.

本発明の他の目的は、チップを基板に装着する際に、は
んだを最初にリフローする場合か、又はチップの取り換
えを行うためリフローする場合の何れかにおいて、各接
続点が流れるはんだを堰止めるための手段を含む新規な
接続体構造を与えることにある。
Another object of the present invention is that each connection point dams flowing solder when the chip is attached to a board, either when the solder is first reflowed or when the solder is reflowed to replace the chip. The object of the present invention is to provide a new connector structure including means for.

本発明の他の目的は微小電子チップを保持し且つ電気的
に接続するための多層セラミック基板を製造する既知の
技術と共に使用することの出来る接続体及びその製造方
法を提供することにある。
Another object of the invention is to provide a connector and method of manufacturing the same that can be used with known techniques for manufacturing multilayer ceramic substrates for holding and electrically connecting microelectronic chips.

r閣国占を解烙才ふための手段) 本発明は、接続体間の間隔の増大を伴うことなく、また
より長い接続体が電気ショートを起す傾向を助長するこ
となしにO−4接続体の高さを増加する種々の技術を提
供する。
The present invention provides a method for increasing O-4 connections without increasing the spacing between the connections and without increasing the tendency of longer connections to create electrical shorts. Various techniques for increasing height are provided.

本発明の方法の1実施例に従って、接続体を取り囲むダ
ム手段を少くとも一部の接続体に設けることによって、
電気接続体マトリックスを有する基板上に、はんだ接続
体が形成される。上記のダム手段は電気接続体の対応マ
トリックスを有する電子チップを電子基板へ装着する際
か、又は電子チップを電子基板から除去する際に、熔融
はんだを貯えるために、中央に開放空間部を限定する。
According to one embodiment of the method of the invention, by providing at least some of the connections with dam means surrounding the connections,
Solder connections are formed on a substrate having an electrical connection matrix. The above dam means defines an open space in the center for storing molten solder during mounting of the electronic chip with a corresponding matrix of electrical connections onto the electronic board or during removal of the electronic chip from the electronic board. do.

次に、熔融はんだが開放空間部に導入され、そして露出
した接続体面を有する延長されたはんだ柱をダム手段の
中に形成するよう冷却される。基板とチップを結合する
ために、基板上のはんだ柱がチップの対応接続体と接触
するように、チップが基体上に置かれ、そして、このよ
うにして形成された集合体ははんだが融けるよう加熱さ
れて、はんだ柱が熔融してチップを基板へ電気的に接続
する。
Molten solder is then introduced into the open space and cooled to form an elongated solder column with exposed connector surfaces within the dam means. To join the substrate and chip, the chip is placed on the substrate such that the solder posts on the substrate are in contact with the corresponding connections of the chip, and the assembly thus formed is heated so that the solder melts. When heated, the solder posts melt and electrically connect the chip to the substrate.

本発明に従った構造は、電気接続体のマ) IJラック
ス有するタイプの電子基板に、これ等の電気接続体の少
くとも一部の接続体を取り囲んでダム手段が設けられて
おり、ダム手段は電気接続体の対応マトリックスを有す
る電子チップを電子基板へ装置する際か、又は電子チッ
プを電子基板から除去する際に、熔融はんだを貯えるた
めに、中心に開放空間部を限定している。チップ及び基
板が接触して配置されそして高温度でリフローされた時
、はんだ柱がチップと基板の対応接続点の間で電気接続
体を形成する。
In the structure according to the present invention, a dam means is provided on an electronic board of a type having an IJ rack for electrical connection bodies, surrounding at least a part of these electrical connection bodies, and the dam means defines an open space in the center for storing molten solder during installation of the electronic chip with a corresponding matrix of electrical connections onto the electronic board or during removal of the electronic chip from the electronic board. When the chip and substrate are placed in contact and reflowed at high temperatures, solder posts form electrical connections between corresponding connection points on the chip and the substrate.

本発明の方法に従って、基板の接続点を取り囲んで、基
板の表面上に電気絶縁体材料の層を設け、且つ上述の中
央開放空間部を限定するよう、上記の層を貫通する複数
個の開孔を設けることにより、熔融はんだを堰止めるた
めの手段が形成される。
In accordance with the method of the invention, a layer of electrically insulating material is provided on the surface of the substrate, surrounding the connection points of the substrate, and a plurality of openings are provided through said layer to define said central open space. By providing the holes, a means for damming the molten solder is formed.

他の案として、電気絶縁体材料層の一部を夫々の中央開
放空間部を取り巻く円形のはんだダムを限定するように
除去することが出来る。本発明の特に良好な方法の実施
例に従うと、電子装置は微小電子チップを保持する多層
セラミック基板であり、そしてダム手段は、開孔が所望
の中央開放空間部を限定するように、複数個の開孔を有
する単層のセラミック材料を準備し、焼結していない多
層セラミック基板へこの単層を積層し且つ焼結すること
によって形成される。はんだが冷却した時にダム手段を
形成する開孔がはんだ柱から少くとも部分的に分離する
ように、非セラミック絶縁体材料及びはんだの膨張係数
が選ばれているので、これにより膨張又は収縮中にはん
だ柱が動くことの出来る空隙を与える。この空隙ははん
だが固形化する時に起る縮みによっても与えられる。
Alternatively, a portion of the electrically insulating material layer may be removed to define a circular solder dam surrounding each central open space. According to a particularly advantageous method embodiment of the invention, the electronic device is a multilayer ceramic substrate carrying a microelectronic chip, and the dam means comprises a plurality of apertures, such that the apertures define a desired central open space. It is formed by preparing a single layer of ceramic material having apertures of , laminating the single layer onto an unsintered multilayer ceramic substrate, and sintering the single layer. The expansion coefficients of the non-ceramic insulator material and solder are chosen such that the apertures forming the dam means at least partially separate from the solder pillars when the solder cools, so that during expansion or contraction Provides an air gap in which the solder pillars can move. This void is also provided by shrinkage that occurs when the solder solidifies.

〔実施例〕〔Example〕

以下に本発明の良好な実施例について図面を参照して説
明する。図面の各図において、同じ参照数字は同じ要素
を表わしている。
Preferred embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. Like reference numbers represent like elements in each figure of the drawings.

第3図に示された接続体において、チップ10の下側は
感光重合体、又は感光誘導体エポキシの層28が与えら
れており、その層は約0.050 ミリメートル乃至0
.200 ミリメートルの厚さを有する。層28は所定
の位置に接着してもよいし、張り付け、即ちクランプし
てもよい。バイア(via)孔30はレーザ穿孔技術、
又は写真石版印刷技術を使って層28を貫通して穿孔さ
れる。カプトン(Kapton)という商標名で販売さ
れている重合体はこの目的に適当な材料であることが分
っている。従来技術で既に知られているよりも長い軸方
向寸法を有するはんだボール又ははんだ柱を与えるため
、はんだがバイア孔30の中にデポジットされる。
In the connection shown in FIG. 3, the underside of the chip 10 is provided with a layer 28 of photopolymer or photoderivative epoxy, the layer being approximately 0.050 mm to 0.0 mm thick.
.. It has a thickness of 200 mm. Layer 28 may be glued or clamped in place. The via holes 30 are formed using laser drilling technology;
Alternatively, holes may be drilled through layer 28 using photolithography techniques. A polymer sold under the tradename Kapton has been found to be a suitable material for this purpose. Solder is deposited into the via hole 30 to provide a solder ball or solder column having a longer axial dimension than is already known in the prior art.

バイア孔60中に付加的なはんだを追加することによっ
て、はんだボールの高さを増加することは勿論可能であ
る。このような態様で形成されたチップが第3図に示さ
れたように基板14へ結合された時、より長い接続体2
6が得られるから、より高密度に実装されたO−4を持
つより多い接続点のマトリックスを使用することが出来
る。また、層28はチップ10を基板14へ結合するり
フローの間、はんだの流れを少くとも部分的に堰止める
手段として機能するので、短絡路を惹起するはんだの拡
がりの可能性を減少する。
It is of course possible to increase the height of the solder ball by adding additional solder into the via hole 60. When a chip formed in this manner is bonded to a substrate 14 as shown in FIG.
6, we can use a matrix of more connection points with more densely packed O-4. Layer 28 also serves as a means to at least partially dam the flow of solder during bonding and flow of chip 10 to substrate 14, thereby reducing the possibility of solder spreading causing short circuits.

第1図及び第2図は電気絶縁体で且つ容易に変形しうる
リング32を基板14の各接続パッド16の囲りに設け
た実施例を示している。接続体とそれを取り巻くはんだ
ダムとの間の隙間が、熱的サイクルの間で接続体のそり
返りを極度に妨げるほど小さい場合には、この構造は有
用である。重合体、又は熱的に安定な感光エポキシ樹脂
の如き適当な材料の層からリング32を形成するために
1、通常の写真石版印刷技術を用いることが出来る。
1 and 2 show an embodiment in which an electrically insulating and easily deformable ring 32 is provided around each connection pad 16 of the substrate 14. FIGS. This structure is useful when the gap between the connection and the surrounding solder dam is small enough to severely impede warpage of the connection during thermal cycling. 1. Conventional photolithography techniques can be used to form ring 32 from a layer of a suitable material, such as a polymer or a thermally stable photosensitive epoxy resin.

リング32を形成した後、リングの中央開放空間部は、
その道の専門家により良く知られているはんだ浸漬技術
、又はウェーブはんだ付け(wavesolderin
g)技術によって、はんだで満たすことが出来る。かく
して、リングは上述したようにはんだダムとして機能す
る。
After forming the ring 32, the central open space of the ring is
The solder dipping technique, or wave soldering, is well known to experts in the field.
g) Depending on the technology, it can be filled with solder. The ring thus functions as a solder dam as described above.

第1図に示されたチップ10が室内温度と動作温度との
間を往復すると、接続体26は塑性的に変形され、リン
グ6ジは弾性破壊的に変形される。
When the chip 10 shown in FIG. 1 is reciprocated between room temperature and operating temperature, the connector 26 is plastically deformed and the ring 6 is elastically deformed.

高さhlが約0.064 ミリメートル、内径の半径r
lが約o、o 57 ミリメートル、外径の半径r2が
約0.0 ? 9 ミ’Jメートルの重合体リングであ
って、リングの中心間隔がrlの4倍である場合、リン
グ62とチップ10の下面との間にある接続体26の保
持されていない部分の剪断ひずみは約25%まで減少さ
れる。この状態において、厚さ約0.020ミリメート
ルのリング32は、第2図に示されるように接続体26
の下方部分を僅かばかり変形させる。O−4接続体のこ
の改良は、剪断強度の最高制限を破らないで、チップの
サイズを約25%増加させる。リングの厚さが厚くなる
と、与えられる剪断ひずみの変化は小さくなることが知
られている。以下に記載される計算は、リング及びはん
だの構造がリフロ一温度より低下された時、リング及び
はんだが収縮して相互に離れるという利点を考慮してい
ない。
Height hl is approximately 0.064 mm, inner radius r
l is approximately o, o 57 mm, and the outer radius r2 is approximately 0.0? The shear strain in the unretained portion of the connector 26 between the ring 62 and the underside of the tip 10 for a 9 mm J meter polymer ring with a center-to-center spacing of 4 times rl. is reduced to about 25%. In this state, the approximately 0.020 mm thick ring 32 is attached to the connecting body 26 as shown in FIG.
Slightly deform the lower part of. This modification of the O-4 connector increases the chip size by about 25% without violating the maximum shear strength limit. It is known that as the thickness of the ring increases, the change in applied shear strain decreases. The calculations described below do not take into account the advantage that the ring and solder shrink away from each other when the ring and solder structure is lowered below the reflow temperature.

以下の簡単な分析で示されるように、第1図及び第2図
に示された実施例により、約25%の改良を達成するこ
とが出来る。各リング62上面における剪断力のバラン
スは、 τoπr1−τ1πr1+τPπ(r2−rl) ・(
1)を必要とする。
As shown in the simple analysis below, an improvement of about 25% can be achieved with the embodiments shown in FIGS. 1 and 2. The balance of shear force on the top surface of each ring 62 is τoπr1−τ1πr1+τPπ(r2−rl)・(
1) is required.

上式において、τ。はO−4はんだ柱の保持されていな
い部分の剪断ひずみであり、一定値と仮定する。rlは
O−4はんだ柱の半径であり、円柱と仮定する。τ、は
リング62内のはんだ中の剪断ひずみであり、一定値と
仮定する。τ2はリング32中の剪断ひずみであり、一
定値と仮定する。r2はリング32の外径の半径である
In the above formula, τ. is the shear strain of the unretained portion of the O-4 solder pillar, which is assumed to be a constant value. rl is the radius of the O-4 solder pillar, which is assumed to be a cylinder. τ is the shear strain in the solder within the ring 62, and is assumed to be a constant value. τ2 is the shear strain in the ring 32 and is assumed to be a constant value. r2 is the radius of the outer diameter of the ring 32.

重合体は完全弾性体として取り扱いうるから、である。This is because polymers can be treated as perfectly elastic bodies.

上式において、μmは重合体の剪断係数であり、δ、は
リング32の上部の変位であり、そしてhlはリング3
2の高さである。
In the above equation, μm is the shear modulus of the polymer, δ is the displacement of the top of ring 32, and hl is the displacement of the top of ring 3
The height is 2.

接続体26内の当該部分のひずみは約1%であり、且つ
はんだ材料は加工硬化の塑性変形材料であると考えうる
から、 τ禦A+Bγ   ・ ・(3) である。上述において、ASB及びnは定数であり、γ
は剪断ひずみである。’ 5 / 95 S n / 
P bはんだ及び不純物を含むはんだの機械的特性“(
5/95Sn/Pb  5older  and  S
olderContaining  工mpuriti
es)と題する、ラソーレ(Rathore)、イウ(
ylh)及びエデンフエルド(Kdenfeld)によ
るIBM技術報告書(工 B  M   Techni
cal  Report)TR22ユ009(1970
年)に開示された情報に基づいて、AlB及びnの概略
値は、約1%のひずみに対してAは98 kg/cm 
、 Bは280 kg/cm 、 nは約0.5である
Since the strain in this part within the connecting body 26 is approximately 1%, and the solder material can be considered to be a plastically deformable material due to work hardening, τA+Bγ (3). In the above, ASB and n are constants, and γ
is the shear strain. '5/95 Sn/
Mechanical properties of Pb solder and solder containing impurities" (
5/95Sn/Pb 5older and S
Older Containing
es), Rathore, Iu (
ylh) and IBM Technical Report by Edenfeld (B M Techni)
cal Report) TR22 Yu009 (1970
Based on the information disclosed in 2007), approximate values for AlB and n are 98 kg/cm for A at approximately 1% strain.
, B is 280 kg/cm, and n is approximately 0.5.

式(1)、(2)及び(3)を組み合せると、が導かれ
る。
Combining equations (1), (2) and (3) leads to:

h  −h   δ−δ、+δ。とすると、0    
1ゝ となる。
h −h δ−δ, +δ. Then, 0
It becomes 1゜.

r が0.057ミリメードル、hlとhoが両方とも
0.064ミリメートル、μmが18.1XION /
 m2、Bが8.5 X I ON / m”、そして
現在使われでいるチップの代表的な最大変位、δが61
.9×10 ミリメートルである場合、種々のr2の値
に対するδ。及びδ、の値を以下に示す。
r is 0.057mm, hl and ho are both 0.064mm, μm is 18.1XION/
m2, B is 8.5 × I ON / m”, and the typical maximum displacement of chips currently in use, δ, is 61
.. δ for various values of r2 for 9 × 10 mm. The values of and δ are shown below.

0.095  53.lXl0   9.14XIOO
,860,12256,6XIO5,33XIOO,9
1中心間の距離が0.228 ミ’Jメートルの間隔を
有する接続体パッドのアレーに対して、0.114ミリ
メートルより大きい値のr2は意味がないことは注意を
要する。然し乍ら、この例は、0.114ミリメートル
の間隔で明けられた円筒状開孔を有する固体の重合体層
の剛性を表わすものとして使うことが出来る。
0.095 53. lXl0 9.14XIOO
,860,12256,6XIO5,33XIOO,9
It should be noted that for an array of connection pads having a center-to-center spacing of 0.228 mm, a value of r2 greater than 0.114 mm has no meaning. However, this example can be used to represent the stiffness of a solid polymer layer with cylindrical apertures spaced 0.114 millimeters apart.

δ。/δの値は第5図に示された標準的なタイプの接続
体26のひずみに対して、リング62により保持されて
いない、接続体26の非保持部分の剪断ひずみの減少の
程度を与える。壁の厚さが0.020 ミリメートルの
最も薄い重合体リングに対しては、剪断ひずみが約22
%減少される。標準の許容しうる最大剪断ひずみが付与
されるように、O−4のマトリックスの大きさを増加し
たとすると、新しい大きさは元の大きさより約25%増
加する。
δ. The value of /δ gives the degree of reduction in shear strain in the unretained portion of the connector 26 that is not retained by the ring 62 relative to the strain in the standard type connector 26 shown in FIG. . For the thinnest polymer ring with a wall thickness of 0.020 millimeters, the shear strain is approximately 22
% will be reduced. If the size of the O-4 matrix were increased to give the standard maximum allowable shear strain, the new size would be approximately 25% larger than the original size.

本発明の他の実施例を示す第6図乃至第15図を参照す
ると、はんだを堰止める手段が与えられている。はんだ
堰止め手段は動作温度においてはんだ柱から明らかに離
れており、従って、はんだ柱の下部に、より大きな移動
の自由を与え、そして剪断ひずみをより効果的に減少さ
せる。基板14の膨張係数よりも大きい膨張係数を有す
る電気絶縁体の層34が基板14の上面に与えられてい
る。
Referring to FIGS. 6-15, which illustrate another embodiment of the invention, means are provided for damming the solder. The solder damming means are clearly separated from the solder column at the operating temperature, thus giving the lower part of the solder column greater freedom of movement and reducing shear strains more effectively. A layer 34 of electrical insulator having a coefficient of expansion greater than that of the substrate 14 is provided on the top surface of the substrate 14.

例えば、0.05ミリメートル乃至0.125ミリメー
トルの範囲の厚さを有する重合体プラスチック層を与え
ることが出来る。そのような重合体プラスチック層は2
5X10/にの膨張係数α を有するのに反して、基板
14に92%のアルミナ(A1203)セラミックが使
われた場合、基板14の膨張係数α5は6.5XIO/
にである。第6図及び第7図に示されたような垂直で円
筒形のバイア孔66のアレーが上述の層64に設けられ
た場合、各バイア孔36の上部は、基板14及び接着層
34がはんだ付けの温度から常温に戻された時、バイア
孔の底部に対して、ひろがることになる(第8図参照)
。これは、層34と基板14とが良好に接着しているも
のとした場合、上部の層中の2方性(bi−axial
)の張力ひずみによって引き起される。
For example, a polymeric plastic layer can be provided having a thickness in the range of 0.05 mm to 0.125 mm. Such a polymeric plastic layer consists of 2
If a 92% alumina (A1203) ceramic was used for the substrate 14, the expansion coefficient α5 of the substrate 14 would be 6.5XIO/.
It is. When an array of vertical, cylindrical via holes 66 as shown in FIGS. 6 and 7 are provided in the layer 64 described above, the top of each via hole 36 is connected to the substrate 14 and the adhesive layer 34 with solder. When the temperature is returned to room temperature from the initial temperature, it will spread out against the bottom of the via hole (see Figure 8).
. This is due to the bi-axial nature in the upper layer, assuming good adhesion between layer 34 and substrate 14.
) caused by tensile strain.

そのような層34を有する基板が第9図に示されたよう
な態様でチップ10へ結合された時、室温において、は
んだ接続体26と各バイア孔36の内壁38との間に空
隙が存在する。この空隙は3つの要素で生じる。(1)
第1の要素ははんだの固形化時の収縮であり、(11)
第2の要素は基板に対して異なった収縮度で応答する電
気絶縁体材料中の孔の開口部であり、(111)第3の
要素ははんだの同様な異なった収縮度である。5%の錫
を含む鉛はんだの熱膨張係数は約25XIO/に’であ
る。従って、重合体壁38及びはんだの両者とも相互に
離れるよう移動する。
When a substrate with such layer 34 is bonded to chip 10 in the manner shown in FIG. do. This void is created by three elements. (1)
The first factor is shrinkage when the solder solidifies, (11)
The second element is the opening of a hole in the electrical insulator material that responds with a different shrinkage degree to the substrate, and the (111) third element is a similar different shrinkage degree of the solder. The coefficient of thermal expansion of lead solder containing 5% tin is approximately 25XIO/'. Accordingly, both the polymer wall 38 and the solder move away from each other.

第6図乃至第9図に示された構造は基板14の上表面に
大きな膨張係数を持つ電気絶縁体物質の層を付着するこ
とにより形成される。この層の中に、所望のO−4接続
体の寸法を有する開孔を設ける。開孔は、O−4接続体
を電気的に接続するはんだパッド16及び導電路20か
ら層の上面へ達して貫通する。従って、これ等の開孔は
既に述べたような態様ではんだダムとしての機能を果す
The structure shown in FIGS. 6-9 is formed by depositing on the upper surface of substrate 14 a layer of electrically insulating material having a large coefficient of expansion. Apertures with the desired O-4 connection dimensions are provided in this layer. Apertures extend through the top surface of the layer from the solder pads 16 and conductive tracks 20 that electrically connect the O-4 connections. These apertures therefore function as solder dams in the manner already described.

次に、これ等の開孔は、マスク蒸着はんだづけ技術、余
剰はんだの除去工程を含むブランク蒸着はl付/?1−
+仕傷 翼遺I今ツクづ?斗仕Z  ^〒−ゴ?→んだ
づけ技術、又は他の既知のはんだづけ技術によって熔融
はんだで満たされる。次に、通常のC−4はんだボール
が設けられているシリコンデバイスを基板の上に置き、
はんだがリフローされ、そして室温に低下された後、第
9図に示された構造を得る。
Next, these holes are formed using mask evaporation soldering techniques and blank evaporation including the process of removing excess solder. 1-
+Shiju Tsukuzu Tsukuzu I now? Doushi Z ^〒-Go? →Filled with molten solder by soldering technique or other known soldering techniques. Next, a silicon device provided with regular C-4 solder balls is placed on top of the substrate,
After the solder is reflowed and cooled to room temperature, the structure shown in FIG. 9 is obtained.

リフロ一温度から室温に冷却すると、チップ10のシリ
コンは基板14のセラミック材料よりも収縮が小さいの
で、はんだ接続体26は第10図乃至第15図に示され
たように、極端にゆがめられる。チップがその動作温度
へ上昇した時、極端にゆがめられたはんだ接続体、即ち
チップの周辺部にあるはんだ接続体は、室温のときに接
続子が対向している、バイア孔36の内壁38から離れ
る方向へ変形される。0−4はんだ柱がバイア孔36の
反対側の内壁に突き当る前に、層34の上表面のレベル
にあるO−4はんだ柱の点pが動く距離は2Δ′か、又
はΔ′のおよそ2倍である。この場合、Δ′はバイア孔
66の上部の伸縮性、C−4はんだ柱の収縮性及び固形
化時の縮み度を考慮して、チツブの中央部にあるはんだ
柱26について見積られる。
Upon cooling from reflow temperature to room temperature, the silicon of chip 10 shrinks less than the ceramic material of substrate 14, so that solder connections 26 are severely distorted, as shown in FIGS. 10-15. When the chip is brought up to its operating temperature, the severely distorted solder connections, ie the solder connections at the periphery of the chip, are removed from the inner wall 38 of the via hole 36, where the connectors are opposite at room temperature. Deformed in the direction of separation. The distance that point p of the O-4 solder post at the level of the top surface of layer 34 moves before it hits the inner wall on the opposite side of via hole 36 is 2Δ', or approximately Δ'. That's twice as much. In this case, Δ' is estimated for the solder pillar 26 in the center of the chip, taking into account the elasticity of the upper part of the via hole 66, the shrinkability of the C-4 solder pillar, and the degree of shrinkage upon solidification.

層34の重合体物質は塑性的に変形するはんだ材料に対
して剛性があるから、G−4柱が変形してバイア孔66
の内壁38と接触する事態を回避する必要がある。O−
’4はんだ柱がバイア孔の内壁と接触するようになった
時、実質的には、基板14に対する、チップ10の更に
の変位は、層34、即ち、はんだダムより上にあるO−
4柱の部分の変形によって調整されねばならない。半径
が0.057ミIJメートルのバイア孔であってその中
心間距離が0.229ミリメートルのバイア孔66のア
レーを有する厚さ0.127 ミリメートルの重合体層
64と、固化温度が300’Cである5%錫の鉛はんだ
とに対して、許容されうる最大剪断ひずみを越えること
なく且つすべてのO−4柱がそのバイア孔36の内壁6
8に接触することなしに、妥当なはんだダムの厚さによ
って140%のオーダでチップのサイズの増大を達成す
ることが出来るものと見積られている。ダムについての
上述の“妥当な“厚さとはバイア孔の直径にほぼ等しい
大きさの厚さである。
Because the polymeric material of layer 34 is rigid against the plastically deforming solder material, the G-4 post deforms and closes via hole 66.
It is necessary to avoid contact with the inner wall 38 of the O-
When the '4 solder post comes into contact with the inner wall of the via hole, substantially any further displacement of the chip 10 with respect to the substrate 14 is caused by layer 34, i.e., the O-
It must be adjusted by deformation of the four pillar sections. A 0.127 mm thick polymer layer 64 having an array of via holes 66 with a radius of 0.057 mm and a center-to-center spacing of 0.229 mm, and a solidification temperature of 300'C. for the 5% tin lead solder without exceeding the maximum allowable shear strain and that all O-4 pillars are on the inner wall 6 of the via hole 36
It has been estimated that an increase in chip size on the order of 140% can be achieved with reasonable solder dam thickness without contacting 8. The above-mentioned "reasonable" thickness for a dam is a thickness approximately equal to the diameter of the via hole.

はんだダムにより与えられるa−4柱の隔離と、どのO
−4柱もはんだダムに衝突することなく達成しつる効果
的な剪断ひずみとの観点から、O−4接続体のサイズ及
び間隔を減少することもまた本発明に従って可能である
。より小さく且つより近接して配列された開孔を層54
中に形成することは容易である。チップ10のはんだボ
ールは、○−4接続体の間隔が密になれば、それに伴っ
て小さく作られる。現在使われている代表的なチップに
対して、厚さ0.051 ミリメートルの重合体ダムは
(Lo 25ミリメートルのO−4柱の半径を可能とし
、約0.025ミリメートルのり。に対して0.100
 ミリメートルの中心間隔を可能とする。
The isolation of the a-4 column provided by the solder dam and which O
It is also possible according to the invention to reduce the size and spacing of the O-4 connections in view of the effective shear strain achieved without impinging on the solder dams. The layer 54 has smaller and more closely arranged apertures.
It is easy to form inside. The solder balls of the chip 10 are made smaller as the distance between the ○-4 connectors becomes closer. For typical chips currently in use, a 0.051 mm thick polymer dam allows for an O-4 pillar radius of 25 mm (Lo) and approximately 0.025 mm Glue. .100
Allows millimeter center spacing.

これはO−4接続体のサイズ及び間隔を約60%減少す
る。
This reduces the size and spacing of the O-4 connections by approximately 60%.

チップの動作温度T。において、第13図に示されたひ
ずみのないタイプの接続体における、バイア孔36の内
壁38及びO−4柱間の空隙Δは次式で見積ることが出
来る。
Chip operating temperature T. In the strain-free type connector shown in FIG. 13, the gap Δ between the inner wall 38 of the via hole 36 and the O-4 column can be estimated by the following equation.

Δ−(α、−α> < T 8T O> r 、+(α
8−αρ(’r、−’r0) r工Δ■ ]「°τ° 1 °゛(6) 上式において、α、は重合体の膨張係数であり、α5は
基板14の材料の膨張係数であり、α8ははんだの膨張
係数であり、で ははんだリフローの温度であり、r工
は第9図に見られるようにバイア孔3乙の下部の半径で
あり、4r工はバイア孔相互の間隔であり IV旦はは
んだが固化する際の体積縮み率である。
Δ−(α, −α>< T 8T O> r , +(α
8-αρ('r, -'r0) , α8 is the expansion coefficient of the solder, is the solder reflow temperature, r is the radius of the lower part of the via hole 3B as seen in Figure 9, and 4r is the radius between the via holes. IV is the volume shrinkage rate when solder solidifies.

この関係は、r工の大きさにほぼ等しい厚さの層34構
造における熱的ひずみが層34の上表面で完全に弛緩さ
れていることを前提としている。
This relationship assumes that the thermal strain in the layer 34 structure, which has a thickness approximately equal to the size of R, is completely relaxed at the upper surface of layer 34.

α 及びα8が25X10/K  であり、T がp 
                         
             B297°Cであり、T 
が85°Cであり且つrlが0.057ミリメードルで
ある場合、Δ′は46 XIOミリメートルである。
α and α8 are 25X10/K and T is p

B297°C and T
If is 85°C and rl is 0.057 millimeters, then Δ' is 46 XIO millimeters.

チップ10及び基板14の間の膨張係数の差異はチップ
の円辺蝋tこおいてO−4柱り、−γλずみかもたらし
、その態様は第1図に示されているように、0−4柱が
バイア孔66の一方の側に対して押し付けられている。
The difference in coefficient of expansion between the chip 10 and the substrate 14 results in an O-4 column, -γλ, in the chip's circumference, and the aspect is as shown in FIG. Four posts are pressed against one side of the via hole 66.

室温THにおいて、そのような0−4柱がバイア孔36
の他の側に達するため移動しなければならない距離は以
下の式に1゛つて定義される。
At room temperature TH, such 0-4 pillars are connected to the via hole 36.
The distance that must be traveled to reach the other side of is defined by the following equation:

チップの動作温度において、C−4柱が移動しなければ
ならない距離は第14図に示されたように2Δである。
At the operating temperature of the chip, the distance the C-4 pillar must travel is 2Δ, as shown in FIG.

従って、Toにおいて、チップ対基板の膨張の不整合か
ら生ずる変位δは、O−4柱がバイア孔36の内壁38
に接触するほど大きくなるべきではない。この関係は次
式によって表わされる。
Therefore, at To, the displacement δ resulting from the chip-to-board expansion mismatch is such that the O-4 pillar
should not be large enough to touch the This relationship is expressed by the following equation.

上式において、 δ−J”f L<α5−α。)(To−TR)・・(9
)であり、α。はチップ10膨張係数である。変位は約
1%の最大許容剪断ひずみγ。を越える剪断ひずみを生
じてはならないから、従って、である。
In the above formula, δ-J"f L<α5-α.)(To-TR)...(9
) and α. is the tip 10 expansion coefficient. The displacement is the maximum allowable shear strain γ of approximately 1%. Therefore, the shear strain must not occur in excess of .

0−4柱のマトリックスの最大外郭寸法、Lの値は、 2Δ冨γh  ・・ (11) にすることによって最大にすることが出来、これはhl
の値を0.267ミリメードルにする。h工のこの値に
対して、Lの値は18.3 ミリメートルになり、これ
は、若し0.267ミリメードルの完全なはんだダムが
使われたとすれば、現在許容されている最大のチップサ
イズを超えて350%の増加を示す。これはバイア孔の
ためのより大きな縦横比を必要とする。妥当な場合、若
し1対lの縦横比がバイア孔のために使われたとすると
、ダムの厚さは0.127ミリメードルであり、C−4
マトリツクスの許容しうるサイズの増加は約140%で
ある。
The maximum outer dimension of the matrix of 0-4 columns, the value of L, can be maximized by setting it to 2∆maxγh... (11), which is hl
Set the value to 0.267 millimeters. For this value of h, the value of L would be 18.3 mm, which is the largest chip size currently allowed if a full 0.267 mm solder dam were used. shows an increase of 350%. This requires a larger aspect ratio for the via holes. In a reasonable case, if a 1:1 aspect ratio was used for the via holes, the dam thickness would be 0.127 millimeters and C-4.
The allowable increase in size of the matrix is approximately 140%.

本発明の他の実施例を示す第16図乃至第22図を参照
すると、くぼんだはんだダム中に0−4柱を保持する独
特な構造を有する多層セラミック基板が示されている。
Referring to FIGS. 16-22, which illustrate another embodiment of the present invention, a multilayer ceramic substrate is shown having a unique structure that holds 0-4 pillars in recessed solder dams.

第16図に示された如く、多層セラミック基板は一体の
基板を与えるために組み立てられ且つ焼結された複数枚
の層14a乃至14eを含む。例えば上述した米国特許
第4245273号はこのような多層セラミック基板を
製造する従来の技術を開示している。第16図乃至第2
2図に示されている本発明の実施例に従って、焼結され
ていない新しいセラミックの最終層40は、パッド16
及び導電路20と一致して整置される複数個のバイア孔
66と、例えば導電路22及び接続パッド18と一致し
て整置される他のバイア孔42とを設けるために予めパ
ンチされる(第17図参照)。バイア孔36に合致する
開孔46を有するマスク44が与えられる。マスク44
はバイア孔42に相当する位置には開孔がない。バイア
孔36には、例えばテレフタル酸ペーストの如き可燃性
の物質が充填される(第18図参照)。次に、バイア孔
42に合致する開孔52を有する他のマスク50が与え
られる。マスク50はバイア孔66に相当する位置には
開孔がない。
As shown in FIG. 16, the multilayer ceramic substrate includes multiple layers 14a-14e that are assembled and sintered to provide a unitary substrate. For example, the above-mentioned US Pat. No. 4,245,273 discloses a conventional technique for manufacturing such multilayer ceramic substrates. Figures 16 to 2
In accordance with the embodiment of the invention shown in FIG.
and pre-punched to provide a plurality of via holes 66 aligned with the conductive paths 20 and other via holes 42 aligned with the conductive paths 22 and connection pads 18, for example. (See Figure 17). A mask 44 is provided having an aperture 46 that matches the via hole 36 . mask 44
There is no opening at the position corresponding to the via hole 42. Via hole 36 is filled with a flammable material, such as terephthalic acid paste (see FIG. 18). Next, another mask 50 is provided having an aperture 52 that matches the via hole 42 . Mask 50 has no apertures at positions corresponding to via holes 66 .

バイア孔42にはモリブデン・ペーストの如き導電性物
質が充填される。また、パッド18への接続路を与える
ために、公知の方法で導電路22が層40の表面上に設
けられる(第16図)。次に、層40は既に組み立てら
れた多層基板14a乃至14eへ積層され、そして第2
0図に示された構造となるよう焼結される。この際、可
燃性の物質48は熔融はんだを受は入れるための空間で
あるバイア孔36を残すよう焼失する。モリブデンの導
電路20の露出面を被覆するために、ニッケル又は金が
バイア孔36の底面にメッキされ、その後、はんだボー
ルがバイア孔66の中にセットされ、そして第21図に
示されたようにバイア孔66を充填するようリフローさ
れる。他の方法として、超音波により、はんだ浴に浸漬
することにより、はんだラミネーションにより、又はは
んだ蒸着によりバイア孔3乙にはんだを充填してリフロ
ーすることも可能である。はんだによる汚染を避けるた
めに、臨時の保護被覆を基板の他の面に施すことも出来
る。最後に、標準のO−4はんだボールを有するチップ
10上のボールの底面は基板14と接触して置かれるの
で、はんだボールはバイア孔66中のはんだと接触する
。かくして、はんだはリフローされ、そして第6図に示
されたような延長されたO−4柱が作られる。
Via holes 42 are filled with a conductive material such as molybdenum paste. A conductive path 22 is also provided on the surface of layer 40 in a known manner to provide a connection path to pad 18 (FIG. 16). Layer 40 is then laminated to the already assembled multilayer substrates 14a-14e and the second
The structure is sintered as shown in Figure 0. At this time, the combustible material 48 is burned away leaving a via hole 36 which is a space for receiving molten solder. Nickel or gold is plated on the bottom of the via hole 36 to cover the exposed surface of the molybdenum conductive track 20, and then a solder ball is set into the via hole 66 and as shown in FIG. is reflowed to fill via hole 66. Alternatively, it is also possible to fill the via holes 3 with solder and reflow by ultrasound, by immersion in a solder bath, by solder lamination, or by solder evaporation. Temporary protective coatings can also be applied to other sides of the board to avoid solder contamination. Finally, the bottom surface of the ball on chip 10 with a standard O-4 solder ball is placed in contact with substrate 14 so that the solder ball contacts the solder in via hole 66. The solder is then reflowed and an extended O-4 post as shown in FIG. 6 is created.

導電路20の上端面を適当なダイで下方に加圧すること
によって、0.025ミリメートル乃至0.125ミリ
メートルの深さを有する窪みを作るエンボス技術を使っ
て、上部層40にバイア孔66を形成することもまた本
発明の技術範囲に属する。成る応用例では、剪断ひずみ
が周辺部よりずっと小さい接続体マトリックスを中心部
は通常の接続体を用い、接続体マトリックスの周辺部の
みにはんだダムを有するO−4柱を用いる場合がある。
Via holes 66 are formed in the top layer 40 using an embossing technique that creates a depression having a depth of 0.025 mm to 0.125 mm by pressing the top surface of the conductive path 20 downward with a suitable die. It is also within the scope of the present invention to do so. In some applications, a connector matrix with a much smaller shear strain than the periphery may be used with regular connectors in the center and O-4 pillars with solder dams only at the periphery of the connector matrix.

現在用いられ信頼性のあるO−4のデザインにおいて、
約0.127ミリメードルのO−4ボールのl 7Xl
 7のマ) IJソックス中心間隔0.254ミリメー
トルに使用出来る。第16図に示された構造を泪いて、
O,127ミリメードルの深さの窪みのマトリックスが
、現在許容されている疲労ひずみレベルにおいて、42
X42のa−4柱のマトリックスをサポートするのに使
うことが出来る。
In the currently used and reliable O-4 design,
Approximately 0.127mm O-4 ball l 7Xl
7) Can be used for IJ socks with a center spacing of 0.254 mm. Looking at the structure shown in Figure 16,
A matrix of indentations with a depth of O, 127 millimeters at currently allowed fatigue strain levels of 42
Can be used to support an X42 A-4 column matrix.

若し、通常の0.127 ミリメートルのハンタポール
がバイア孔36中の0.127 ミリメートルのはんだ
柱へ第10図のように結合されたならば、約297℃の
りフロ一温度及び約85℃の動作温度の間におけるはん
だの体積収縮と異なった熱的収縮率とは約−0,015
6の異なった結合熱的収縮率(c o m b i n
 e d d i f f e r e n t i 
a l  shrinkageΔL / Lを生ずる。
If a conventional 0.127 mm hunter pole is bonded to a 0.127 mm solder post in via hole 36 as shown in FIG. The volumetric shrinkage of the solder during operating temperatures and the different thermal shrinkage rates are approximately -0,015
6 different bond thermal shrinkage coefficients (combin
e d d i f f e r e n t i
a l shrinkage ΔL/L.

直径が0.127 ミリメートルのバイア孔に対して、
この収縮率は、動作温度において、バイア孔及びO−4
柱の間に約99゜1×10″5ミリメートルの空隙Δ(
第15図)を生ずる。第12図に示されたように、外側
のO−4柱は室温において極端な位置にゆがめられ、そ
のバイア孔の反対側の内壁に実際上接触する。
For a via hole with a diameter of 0.127 mm,
This shrinkage rate is the same for via holes and O-4 at operating temperatures.
Approximately 99゜1 x 10'' 5mm air gap Δ(
(Fig. 15) occurs. As shown in FIG. 12, the outer O-4 post is warped to an extreme position at room temperature, effectively touching the inner wall opposite the via hole.

外側のO−4柱が過度の剪断ひずみを受けず、且つその
バイア孔の反対側の内壁に接触しないようにするために
、第16図の実施例においては等式(8)、(9)及び
(1o)の条件が満足されなければならない。そのよう
な場合、若しγ。が約0.01に−6。
In order to ensure that the outer O-4 pillar does not experience excessive shear strain and contact the inner wall opposite its via hole, equations (8) and (9) are used in the embodiment of FIG. and (1o) must be satisfied. In such a case, if γ. -6 to about 0.01.

等しく、α5が6.5XIO/K  に等しく、且つα
 が2.5XIO/に’に等しければ、O−4柱の最大
の横方向変位、δは約180 X 10  ミリメート
ルである。はんだ柱のマトリックスの一辺のはんだ柱の
最大数をnとし、はんだ柱の中心間の間隔をaとすると
、等式(10)における乙の値は(n−1) aに等し
いから、1つの辺上のはんだ柱の最大数は、従来技術が
17であるのに反し、本発明では約42にすることが出
来る。最外端にあるO−4柱はそのバイア孔の反対側の
内壁に接触するまでそり返らない。
equal, α5 is equal to 6.5XIO/K, and α
is equal to 2.5XIO/', the maximum lateral displacement of the O-4 column, δ, is approximately 180 x 10 mm. If the maximum number of solder pillars on one side of the solder pillar matrix is n, and the spacing between the centers of solder pillars is a, then the value of B in equation (10) is equal to (n-1) a, so one The maximum number of solder pillars on a side can be about 42 in the present invention, as opposed to 17 in the prior art. The outermost O-4 pillar does not deflect until it contacts the inner wall on the opposite side of its via hole.

第2z図は本発明の他の実施例の断面図を示し、基板1
4は第16図乃至第21図に示されたタイプのはんだ柱
のための窪みが設けられており、一方、チップ10にも
また第1図に示されたタイプのはんだ柱のための窪みが
設けられている。チップ10又は基板14の何れか一方
の接続点、或はチップ10及び基板14の両方の接続点
のすべての接続点、又は選ばれ接続点だけにこのような
窪みを設けることは本発明の技術範囲に属する。
FIG. 2z shows a cross-sectional view of another embodiment of the invention, in which the substrate 1
4 is provided with a recess for a solder post of the type shown in FIGS. 16 to 21, while the chip 10 is also provided with a recess for a solder post of the type shown in FIG. It is provided. It is a technique of the present invention to provide such depressions at the connection points of either the chip 10 or the substrate 14, or all the connection points of both the chip 10 and the substrate 14, or only selected connection points. belongs to the range.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

以上説明してきたように、本発明は従来のC−4接続体
に比べて、より秀れたはんだ接続体を与えるための新規
なO−4はんだ接続体の製造方法を提供することにより
、極めて高密度で、且つ大きなサイズの接続体マトリッ
クスを可能とし、接続体同志がショートする問題を回避
して、より大きなサイズで且つより高密度の電子チップ
に使用しうる改良したO−4接続体を得ることが出来る
ので、結果として集積度を増大させ、コンピュータ等の
動作速度を向上し、製造効率を教養することが出来る。
As described above, the present invention provides a novel method for manufacturing an O-4 solder connection that provides a solder connection that is superior to the conventional C-4 connection. An improved O-4 connector that allows for higher density and larger size connector matrices, avoids the problem of connectors shorting together, and can be used in larger size and higher density electronic chips. As a result, the degree of integration can be increased, the operating speed of computers, etc. can be improved, and manufacturing efficiency can be improved.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図は環状ダム手段が基板の上表面に与えられている
本発明の実施例の部分的断面図、第2図は異なった熱膨
張によって、第1図に示された構造が変形したことを説
明する部分的断面図、第3図はダム手段がチップの下面
に与えられている新規なO−4接続体の部分的断面図、
第4図は微小電子チップと基板が結合する前を説明する
ための拡大した斜視図、第5図は基板と微小電子チップ
との間の従来の接続体を説明するための部分的断面図、
第6図はダム手段が基板の上面の電気絶縁体物質の層に
より与えられている他の実施例の部分的断面図、第7図
及び第8図は第6図に示された構造の一部の断面図であ
って、異なった熱的膨張及び収縮によって電気絶縁材料
層を貫通する開孔がどのように変形するかを説明する図
、第9図は第6図の実施例の部分的断面図であって、動
作中の異なった熱的膨張による接続子の変形に対して、
ダム手段の内壁がどのようにしてはんだ接続体から離隔
するか・を説明する図、第10図乃至第15図は第6図
の実施例の部分的断面図であって、リフローの温度、室
温及び動作温度において、チップの周辺部及びチップの
中央部における接続体の異なったひずみを説明する図、
第16図ははんだを受は入れるため適当な開孔を有する
最終セラミック層を与えることによってダム手段が多層
セラミック基板に形成された他の実施例の構造を室温の
状態で示す部分的断面図、第17図乃至第21図は第1
6図に示したタイプの基板を準備するためのステップを
説明するための図、第22図はダム手段が基板及びチッ
プの両方に設けられている第16図に示した実施例の他
の変形を示す図である。 10・・・・チップ、12・・・・はんだボール、14
・・・・基板、16.18・・・・接続パッド、20.
24・・・・導電路、26・・・・接続体4.32・・
・・リング、30.36.42・・・・バイア孔。 出願人   インターナショナル・ビジネス・マシーン
ズ・コー示レーション復代理人 弁理士  篠   1
)  文   雄10° テツア 第2図 小発明
FIG. 1 is a partial cross-sectional view of an embodiment of the invention in which an annular dam means is provided on the upper surface of the substrate; FIG. 2 shows the deformation of the structure shown in FIG. 1 due to different thermal expansions; FIG. 3 is a partial cross-sectional view of a novel O-4 connection in which dam means are provided on the underside of the tip;
FIG. 4 is an enlarged perspective view for explaining the state before the microelectronic chip and the substrate are combined; FIG. 5 is a partial cross-sectional view for explaining the conventional connection body between the substrate and the microelectronic chip;
FIG. 6 is a partial cross-sectional view of another embodiment in which the dam means is provided by a layer of electrically insulating material on the top surface of the substrate; FIGS. 7 and 8 are views of the structure shown in FIG. FIG. 9 is a partial cross-sectional view of the embodiment of FIG. FIG. 3 is a cross-sectional view showing the deformation of the connector due to different thermal expansions during operation;
FIGS. 10 to 15 are partial cross-sectional views of the embodiment of FIG. 6, illustrating how the inner wall of the dam means is separated from the solder connection, and the reflow temperature, room temperature, and a diagram illustrating the different strains of the connections at the periphery of the chip and at the center of the chip at the operating temperature,
FIG. 16 is a partial cross-sectional view at room temperature of an alternative embodiment structure in which dam means are formed in a multilayer ceramic substrate by providing a final ceramic layer with suitable apertures for receiving solder; Figures 17 to 21 are
FIG. 22 is a diagram illustrating the steps for preparing a substrate of the type shown in FIG. 6; FIG. 22 shows another variant of the embodiment shown in FIG. FIG. 10... Chip, 12... Solder ball, 14
... Board, 16.18... Connection pad, 20.
24... Conductive path, 26... Connection body 4.32...
...Ring, 30.36.42...Via hole. Applicant International Business Machines Corporation Sub-Agent Patent Attorney Shino 1
) Written by Yu 10° Tetsua Figure 2 Small invention

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] (1)電気接続体(例えば16)のマトリックスを有す
る電子回路部品基板(例えば14)に於て、接続される
べき電子回路部品(例えばチップ10)側の接続体と位
置合わせしはんだボールを介在させて加熱したとき、熔
融したはんだを貯留することができる電気的絶縁材料製
の堰止め手段(例えばリング32、バイア孔36)を周
囲に設けたことを特徴とするはんだ接続体。
(1) In an electronic circuit component board (for example, 14) having a matrix of electrical connection bodies (for example, 16), interpose a solder ball in alignment with the connection body on the side of the electronic circuit component (for example, chip 10) to be connected. 1. A solder connection body characterized in that a damming means (for example, a ring 32, a via hole 36) made of an electrically insulating material is provided around the periphery, which can store molten solder when the solder is heated.
(2)電気接続体(例えば16)のマトリックスを有す
る電子回路部品基板(例えば14)上にはんだ接続体を
形成する方法において、 上記マトリックスに対応する電気接続体のマトリックス
を有する電子回路部品(例えばチップ10)を上記電子
基板に装着し加熱したとき、熔融はんだを貯えるために
、上記接続体の各々を取り囲み且つ中央の開放空間部を
限定するダム手段を、上記接続体の少くとも一部の接続
体に形成することと、 上記開放空間部の中に熔融はんだを導入することと、 上記一部の接続体に、露出面を有するはんだ柱を形成す
るよう上記熔融はんだを冷却させることとから成るはん
だ接続体の形成方法。
(2) A method of forming a solder connection on an electronic circuit component substrate (e.g. 14) having a matrix of electrical connections (e.g. 16), comprising: an electronic circuit component (e.g. When the chip 10) is mounted on the electronic board and heated, a dam means surrounding each of the connecting bodies and defining an open space in the center is installed in at least a portion of the connecting bodies to store molten solder. Introducing molten solder into the open space, and cooling the molten solder so as to form a solder column having an exposed surface in some of the connection bodies. A method of forming a solder connection body consisting of:
JP20459685A 1985-02-15 1985-09-18 Solder connection body and formation thereof Pending JPS61188942A (en)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5525402A (en) * 1993-02-02 1996-06-11 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Ceramic substrate and manufacturing method thereof

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5077862A (en) * 1973-11-14 1975-06-25
JPS5193162A (en) * 1975-02-12 1976-08-16

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