JPH02501178A - 集積回路チップをパッケージ化及び冷却する方法及び装置 - 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】 集積回路チップをパッケージ化及び冷却する方法及び装詮技術分野 本発明は一般に、テープ自動ボンディング（ＴＡＢ：タブ）形集積回路チップを パッケージ化及び冷却する方法及び装置に関する。

背景技術 集積回路（ＩＣ）チップからの熱の除去が、注意深いエンジニアリングを必要と する最新の高性能電子パッケージ化における中心の問題である。熱管理の周知つ まり標準的な方法は、他のパッケージエンジニアリングあるいは性能要求に対し て適合しないことがよくある。回路チップのモジュール内に熱消散構造を組み入 れると、機械的構造の複雑さ及びサイズが不都合に増大することが多い。代わり に組み入れない設計では、回路チップから熱を除去する効率が通例非常に悪い構 造となり、温度に関連した構造的及び電気的故障の可能性が大きくなる。

こうした問題を避けるため、数多くの異なる方式が提案されている。通例これら の方式の中には、チップモジュールのハウジングまたはパッケージをヒートシン クとして用いることが含まれる。

ハウジング内に収納されたチップの最大冷却を保証するため、チップはハウジン グつまりヒートシンクに対し、両者間で良好な熱伝導性が存在するような方法で 機械的に結合される。しかしこうすると、ハウジングと回路チップ間における剛 性の機械的結合が、損傷を引き起こす過剰な応力をチップに生じかねないため問 題がある。他方、剛性の低い機械的結合が使われると、チップからヒートシンク への熱伝達の効率が減少し、過剰な作動温度によるチップ動作不良の可能性がそ れに応じて高まる。

各回路チップを共通のヒートシンクつまりハウジングへ直結する必要によって生 じる別の問題は、マウント基板上におけるチップ毎の寸法公差のため、モジュー ル内のいずれのチップもがハウジングへ均一に連結されるのを保証するのが困難 なことである。

一部のチップが全くハウジングへ直結されない一方、他のチップには過剰な機械 的応力が加えられることさえある。

上記の問題に対して、数多くの解決策がこれまで提案されている。そのような一 つの解決策は、ＩＢＭにより同社製の熱伝導モジュールでＩＣをパッケージ化及 び冷却するのに使われており、チップの裏面側と接触して、機械的な形態特徴及 び公差の変化を許容する専用ピストンをヒートシンク内で用いている。しかし、 この方式は機械的に複雑で、そのためコスト高である。他の方式では、チップと ヒートシンク間の゛ギャップを埋めるため、はんだや揺動性（シキソトロビック ）熱化合物などの熱導電材料を用い着した機械的及び熱的接触を保証し、寸法公 差の変化を許容するのに必要なたわみ性（コンプライアンス）つまり弾力作用が ほとんどまたは全く存在しない。

発明の開示 本発明は、前記従来技術の欠点を解消しようとするものである。

従って本発明の目的は、過剰の機械的な応力を生じることなく、しかもヒートシ ンク及びチップ組体を厳密な寸法公差に従って構成する必要なく、チップが一体 状のヒートシンクと直接熱接触する状態に保たれるような、ＩＣチップをパッケ ージ化及び冷却する改良方法及び装置を提供することにある。

本発明の別の目的は、ヒートシンクがチップ用の保護密封閉じ込め（エンクロー ジャ）を形成するのも助ける、電気回路チップ用の効率的な冷却構造を提供する ことにある。

本発明のさらに別の目的は、熱管理の改善と機械的及び熱的応力の減少とを通じ て、チップの信頼性を改良可能な電気回路チップを冷却する方法及び装置を提供 することにある。

本発明の更なる目的は、チップのハウジングを基板に接合する必要なく、従って 交換または再加工のためチップの容易な除去を可能とするような、回路チップ用 の冷却及びパッケージ化構造を１是供することにある。

本発明の上記及びその他の目的は、回路両側を下向きにした複数のＴＡＢ形チッ プを支持するベースと、該ベースに取り付けられる保護閉じ込め体とを具備し、 該閉じ込め体がヒートシンクとして作用するのを可能とする複数の冷却フィンを その頂部側に具備した回路チップモジュールつまり組体を提供することによって 達成される。ヒートシンクが所定の位置にあるとき、ヒートシンクの内部頂面が ＩＣチップの裏面側と接触するように設計されている。あるいは、チップを別個 の中間ハウジング内に装着してもよいし、またはチップがヒートシンクと接触さ れる中間の熱拡散構造体を具備してもよい。

またヒートシンクがその下面に、弾力性ガスケットつまり０−リングを受け入れ るための周辺凹部を具備している。ヒートシンクがベース上に位置するとき、ガ スケットが密封リングきして作用すると共に、ヒートシンク及びベースと組み合 わされて、ＩＣチップを外部の水分、はこりなどへの露出から防ぐＩＣチップ用 の保護閉じ込めを形成する。

組体の寸法公差のばらつきを許容するため、複数の弾力性のあるエラストマー製 バッドつまりクッションが、それぞれ各ＩＣチップとベース間に配設される。こ れらのパッドは一般に各ＩＣチツブと対応した形状とされ、例えば円形または矩 形の形状とし得る。ＩＣチップはこれらの・パッド上に載置されるが、パッドに 接合はされない。代わりに、ＴＡＢチップの各辺からベース基板上のポンディン グパッドへと延びた可撓性の回路リードフレームがベースに接合されることによ って、チップをベースに固定させる。

ヒートシンクがベースに取り付けられた状態で、ヒートシンクの内部頂面がチッ プの裏面側またはチップ用ハウジングと当接し、チップ下側のクッションをわず かに圧縮させる。ＴＡＢ形の可撓性リードフレームが、この垂直向きの移動を可 能とする。この結果、過剰の応力を生じることなく、各チップ所定の位置にしっ かり保持される。また、クッションの圧縮によってチップとヒートシンク間に加 わる圧力が、各チップとヒートシンク間で密接な機械的接触を生じ、両者間での 熱伝達を高める。

チップとヒートシンク間での熱伝達をさらに高めるため、両者間の境界面が、ポ リフェニルエーテルや液体金属など非拡散性で、低蒸気圧の流体の非常に薄い膜 によって湿潤され、チップとヒートシンクの係合表面の凹凸接触のために生じて いるマイクロボイド（微小空隙）を満たす。あるいは、この目的のためギャップ を気体で充填してもよいが、不整合及び境界面圧のわずかな変化の影響を受けに くい点から液体を用いる方が好ましい。

各チップとヒートシンク間での分離可能な境界面の低応力が、チップの熱応力に よる割れ、あるいはミクロ割れを通じたパッシベーション湿度バリヤの破壊の可 能性を減少することによって、構造全体の信頼性を向上させる。また、チップと ヒートシンク境界面でスリップ自由なことが、組体の各種部品間における熱的不 一致によって熱サイクル疲労を誘起するＴＡＢフレームの傾向を減少させている 。この点が、境界面での優れた熱伝導特性及び閉じ込め体の密封性と組み合わさ れて、構造が比較的簡単で、熱及び機械的側応力並びに外部の条件に対する確実 な保護をチップに与えるＩＣチップ用の組体を提供する。

面を参照した好ましい実施例の以下の詳細な説明を検討することによって明かと なろう。尚、図中２ 第１図は複数のＩＣチップを収納する組体の分解斜視図；第２図はＴＡＢ形チッ プ、マウント基板、及びチップと基板間に配置された弾力性クッションの部分分 解斜視図２第３図は組体の部分断面図：及び ｉ４Ａ及び４Ｂ図は異なる種類のチップハウジングの構造を示す組体の部分断面 図である。

発明を実施するだめの最良の形態 次に本発明をより詳細に検討すると、複数のＴＡＢ形ＩＣチップ１２を収納する ための組体１０が示しである。各々のチップ１２は、通常の通りシリコンウェハ に埋め込まれるかまたはその上に配設された集積回路からなる。組体１０は、金 属または剛性プラスチックで構成されるのが好ましいベース支持プレート１４を 含む。プレート１４上に、電力と信号をＩＣチップ１２を供給する埋め込み回路 （図示せず）を含んだ通常のセラミック製フォーマット基板１６が配設されてい る。多層の薄膜基板１８がフォーマット基板１６の頂部上に配設されると共に、 薄膜基板１８の頂部上に配設された複数のポンディングパッド（図示せず）に基 板１６から電力及び信号を供給する複数の埋め込み導体を含む。

通常の通り、各々のＴＡＢ形ＩＣチップ１２はフレキシブルな回路リードフレー ム２０を含み、該リードフレーム２０は薄層のキャリヤフィルム上に形成され、 チップの全側辺から延びている。

リードフレーム２０は薄膜基板１８上のボンディングバッドニ接合され、各々の チップ１２を薄膜基板１８へ電気的に接続すると共に機械的に固定する。

マット基板１６の底縁にはんだ付けによって取り付けられている。

これらのコネクタ２２がフォーマット基板１６、薄膜基板１８及びリードフレー ム２０を介して、回路チップ１２に電力及び信号を供給する。

ヒートシンク及び保護カバー２８が、ヒートシンク２８の複数の穴（図示せず） と基板１６、ベース支持プレート１４及びコネクタ２２の複数の穴３２に挿通さ れた複数のネジ３０で、フォーマット基板１６とベース支持プレート１４に固定 される。ヒートシンク２８はその頂部に設けられた複数の熱伝導フィン３３を具 備し、良好な熱伝導性を持つ金属で形成されるのが好ましく、同時にチップ１２ 用の電磁シールド手段としても作用する。０−リングまたは弾力性のガスケット ３４がヒートシンク２８とフォーマット基板１６０間に配設され、回路チップ１ ２を外部のほこり、水、腐食性気体などに対して密封する。

次に第２図を参照すると、ＩＣチップ１２を含む一つのＴＡＢ形回路４０が示し てあり、ＩＣチップ１２は回路面側を下に向け、裏面側４１がフィルム形リード フレーム２０上で上向きに配設されている。リードフレーム２０は、一端でＩＣ チップ１２に接続された複数の回路リード４２を具備する。回路リード４２の他 端は、回路４０が多層の薄膜基板１８上の所定位置にあるとき、薄膜基板１８上 の複数のポンディングパッド４３へ接合されるように位置している。

弾力性のクッションつまりパッド４４が、薄膜基板１８とチップ１２の間に配設 される。このクッション４４は、第２図に円形の形状で示しであるが、チップ１ ２のサイズ及び形状とほぼ対応する任意の形状とし得る。以下水されるように、 ヒートシンク２８が組体に取り付けられ、回路チップ１２の裏面側と接触してい るとき、クッション４４は圧縮状態下に置かれるように設計されている。従って 、クッション４４はシリコンゴムをヴイトン（Ｖｉｔｏｎ）など、チップ１２に 高い応力が加わるのを避けるように低い弾性率を持ち、且つ組体、クリーニング 及びテストの各工程と適合する材料で形成されるべきである。クッション４４の 厚さは、約２５％の圧縮率以下となるようにすべきである。一つの実験では、０ ．０１フインチの厚さのクッションを用いて、好首尾の結果が得られた。

組み立てた状態の組体１０の部分断面が、第３図に示しである。

図示のように、ヒートシンク２８は、下向きチップ１２の裏面側と係合するよう に位置した内部頂面４６を有する。しかし、ヒートシンク２８をベース支持プレ ート１４とフォーマット基板１６へ固定する前に、非拡散で低蒸気圧の誘電性流 体５０の薄膜がチップ１２の裏面側に施される。この流体膜が、ヒートシンクと チップ両係合面の凹凸接触によって生じたミクロボイドを満たすことによって、 両者間における熱伝達を高める。５及び６環式のポリフェニルエーテル（ＰＰＥ ）を流体５０として使用テストした結果、非常に良好に機能することに認められ た。あるいは、流体５０の薄層を、液体金属または組体内に含まれた気体で置き 換えることもできる。

ヒートシンク２８の内部頂面４６は、標準的な加工法による滑らかな表面を備え 、チップとヒートシンク間で低い熱接触抵抗が実現されることをさらに保証して いる。通常、各チップ１２の裏側表面はそれだけで適切な滑らかさを有している 。一般に、チップとヒートシンクの非凹凸な接触表面の間隔は０．５〜２．０ミ クロンの間で、これが流体膜５０の必要な厚さに対応する。

第３図に示すようにヒートシンク２８がベース支持プレート１４とフォーマット 基板１６に組み付けられたとき、内部頂面４６がテップ１２の裏面側と下向きに 当接し、クッション４４をわずかに圧縮させる。この移動は、ＴＡＢ形リードフ レーム２０に固有の垂直方向のたわみ性によって可能となる。このようにして、 低応力だが効率的な熱境界面が、ヒートシンク２８と回路チップ１２の間で達成 される。クッション４４の圧縮可能性が、組体内に存在するかもしれないわずか な寸法のばらつきを補償し、各々チのツブ１２とヒートシンク２８の間で密接な 機械的及び熱的接触が維持されることを補償する。第３図中、ヒートシンク２８ の底の周辺凹部５２に配設して示した弾力性ガスケット３４が、ベース支持プレ ート１４にヒートシンク２８が組み付けられた状態で、チップ１２用の密封閉じ 込め５４を形成する役割を果たす。前述したように、ガスケット３４はチップ１ ２を外部の水分、はこり、気体などに対して保護する。

次に第４Ａ及び４Ｂ図を参照すると、本発明の２つの代替実施例が示してあり、 回路チップ１２が中間ハウジングまたは構造に接合されるかあるいはその内部に 含まれている。すなわち第４Ａ図では、回路チップ１２が外殻（タラムシエル） ハウジング６０に含まれた状態で示してあり、ハウジング６０は高熱伝導性のセ ラミックで形成されるのが好ましく、下半部６２と上半部６４を具備する。これ ら２つの半部の係合表面間にシール手段６６と６８が配設され、これらのシール 手段を貫いてチップ１２のＴＡＢリードフレーム２０が延びている。つまり、外 殻ハウジング６０がチップ１２のための密封閉じ込めを与える。

外殻ハウジング６０の下半部６２の下側に弾力性クッション４４が配設され、ク ッション４４は多層の薄膜基板１８とフォーマット基板１６上に載置されている 。外殻ハウジング６０の上手部６４はヒートシンク２８の内部頂面４６と密接な 接触状態に保たれ、第３図と同様、これら２つの要素間に流体層５０が設けられ 両者間での熱伝達を嵩めている。これが、上手部６４の内面にチップ１２が接合 されている事実と組み合わされて、チップ１２とヒートシンク２８間に良好な熱 通路を与える。

第４Ｂ図に示した実施例も同様だが、外殻ハウジング６０の代わりに熱拡散要素 ７０が使われている。熱拡散要素７０がチップ１２に接合され、該要素の頂面が ヒートシンク２８の内部頂面と接触する状態に保たれる。前記の実施例と同じく 、ヒートシンク２８と熱拡散要素７０の間に流体層５０が設けられている。

２種類の弾力性クッション４４ａと４４ｂが設けられている：後者はチップの下 側に配設され、前者が熱拡散要素７０の垂下脚７２と７４の下側に配設されてい る。

第４Ａ及び４Ｂ図に示した実施例は第３図に示した実施例と同じ機能を果たすが 、チップ１２のための追加の密封及び熱消散手段もさらに与える。

以上本発明を好ましい実施例に関連して例示したが、以下の請求の範囲に述べる 発明概念の真の精神及び範囲を逸脱せずに、数多くの変形及び変更が当業者にと って可能なことはもちろんである。

Ｆ５ヨ）Ｒ １０７テＲり １際調査報告

Claims (20)

【特許請求の範囲】
1. １．回路チップをパッケージ化及び冷却するための組体において：少なくとも第 １の回路チップを受け入れるベース；前記ベースと回路チップの第１面側間に配 置される弾力性手段；及び 前記ベースと係合されるヒートシンクで、回路チップの第２面側と接触して前記 弾力性手段を圧縮させると共に、ヒートシンクか前記ベースと係合している状態 で、ヒートシンクと回路チップの第２面側間の接触圧を増大させる手段を含むヒ ートシンク；を備えた組体。
2. ２．回路チップの第２面側と接触する前記手段が前記ヒートシンクの内部頂面か らなる請求の範囲第１項記載の組体。
3. ３．前記ヒートシンクと前記ベース間に配設され、組体内に受け入れられた回路 チップを外部の周囲条件から保護するシール手段をさらに具備した請求の範囲第 １項記載の組体。
4. ４．回路チップをパッケージ化及び冷却するための組体において：ベース； 前記ベース上に配設された弾力性手段；第１面側方が前記弾力性手段上に置かれ 、第２面側が上方を向いている少なくとも第１の回路チップ：及び前記ペースと 係合されるヒートシンクで、前記回路チップの第２面側と接触し、接触手段と前 記回路チップの第２面側間の接触圧ひいては熱伝導度が増大するように前記弾力 性手段を圧縮させる接触手段を含むヒートシンク；を備えた組体。
5. ５．前記回路チップの第２面側と前記接触手段間に流体の薄膜が設けられ、両者 間の熱伝導度をさらに増大せしめた請求の範囲第４項記載の組体。
6. ６．前記流体が液体である請求の範囲第５項記載の組体。
7. ７．前記液体がポリフェニルエーテルである請求の範囲第６項記載の組体。
8. ８．前記液体が液体金属である請求の範囲第６項記載の組体。
9. ９．前記流体が気体である請求の範囲第５項記載の組体。
10. １０．前記ヒートシンクと前記ベース間に配設され、前記回路チップを外部の周 囲条件から保護するチップ用の密封閉じ込めを形成するシール手段をさらに具備 した請求の範囲第４項記載の組体。
11. １１．前記接触手段が前記ヒートシンクの内部頂面からなる請求の範囲第４項記 載の組体。
12. １２．可撓性の回路リードフレームが第１面側で前記回路チップを機械的及び電 気的に取り付けられ、第２面側で前記ベース上に配設された複数のボンディング パッドに取り付けられた請求の範囲第４項記載の組体。
13. １３．前記弾力性手段が、前記回路チップとほぼ対応したサイズで、前記可撓性 の回路リードフレーム手段によって前記回路チップと前記ベース間の所定箇所に 保持される薄いエラストマー製クッションからなり、該クッションに前記ヒート シンクの接触手段によって前記チップを介して圧力が加えられる請求の範囲第１ ２項記載の組体。
14. １４．前記回路チップと前記回路リードフレームがテープ自動ボンディング（Ｔ ＡＢ）形集積回路を形成する請求の範囲第１２項記載の組体。
15. １５．前記回路チップの第２面側に接合され、前記ヒートシンクの接触手段と係 合する中間構造体をさらに具備した請求の範囲第４項記載の組体。
16. １６．前記ヒートシンクが前記回路チップ用の電磁的シールドとして作用する金 属で形成されている請求の範囲第４項記載の組体。
17. １７．回路チップをパッケージ化及び冷却する方法において：弾力性手段をベー ス上に配置する段階；少なくとも第１の回路チップを前記弾力性手段上に、第１ 面側を下に向け、第２面側を上に向けてゆるく配置する段階；及び 前記回路チップの第２面側と密接に係合する接触手段を有するヒートシンクに前 記ペースを係合し、前記弾力性手段を圧縮させることによって前記回路チップを 所定位置にしっかり保持すると同時に、前記回路チップの第２面側と前記ヒート シンク間に高い熱伝導度の機械的境界面を与える段階；を含む方法。
18. １８．前記ヒートシンクをベースに係合させる前に、前記回路チップの第２面側 に流体の薄層を被覆し、チップとヒートシンク問での熱伝達特性を一層高める段 階をさらに含む請求の範囲第１７項記載の方法。
19. １９．前記ヒートシンクがベースと係合される前に、可撓性の回路リードフレー ムを第１端で前記回路チップに、第２端で前記ベース上に配設された複数のボン ディングパッドにそれぞれ接合する段階をさらに含む請求の範囲第１７項記載の 方法。
20. ２０．前記ヒートシンクをベースに係合させる前に、前記ヒートシンクとベース 間にシール手段を配設し、前記回路チップ用の密封閉じ込めを形成する段階をさ らに含む請求の範囲第１７項記載の方法。