JPH0682766B2

JPH0682766B2 - 集積回路実装体及びヒートシンク構造体

Info

Publication number: JPH0682766B2
Application number: JP1175774A
Authority: JP
Inventors: ブライアン・ダツドレイ・アールデツト; ピーター・ヘンリー・ブルーン; エム・ローレンス・ブレー; ピーター・ゲラード・レツダマン; ステフアン・ダレ・リナム; バーバラ・ジエーン・マツクネリス; ローレンス・シヤングウエイ・モク; ポール・アンドリユー・モスコビツツ
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1988-09-21
Filing date: 1989-07-10
Publication date: 1994-10-19
Anticipated expiration: 2009-10-19
Also published as: DE68918380T2; DE68918380D1; JPH0294545A; EP0359928B1; EP0359928A2; US4970579A; EP0359928A3

Description

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

B.従来の技術及び問題点従来から、半導体チツプ用の種々のパツケージ構成があ
る。最近になつて、そのようなパツケージのコストは、
しばしばチツプのコストを上回るようになつた。このコ
ストの問題を解決するために、テープによりオートメ化
された結合（Tape Automated Bonding-TAB）を用いたパ
ツケージ方法が使用されており、この方法は、低価格
で、熱消散が小さい集積回路に特に有利である。TABの
パツケージ方法は、チツプと外部回路との間の接続を与
えるための導電性リード線を担持するために、通常、担
持用テープ、即ちキヤリヤ・テープと呼ばれている或る
種の材料の条帯を使用している。キヤリヤ・テープは、
幾つかの処理ステーシヨンを通つて歩進されるが、その
処理ステーシヨンの内の１つは、チツプをリード線の内
側の結合部群の上に位置付け、そして、リード線の内側
の結合部の群は夫々、チツプ上の接続パツドに結合（bo
nd）される。次に、リード線の内側の結合部を含むチツ
プの活動面を、パツシベート用材料で被覆するステーシ
ヨンへ、キヤリヤ・テープが歩進される。次に、キヤリ
ヤ・テープは、キヤリヤ・テープ上のリード線の外側の
端部の群が切断される次のステーシヨンに移動される。
キヤリヤ・テープとチツプの組合せは、次に、下側の回
路基板面上に設けられた導電パツドに整列された後、リ
ード線の外側の結合部の群が回路基板の導電パツドに結
合される。その後、回路基板とチツプの組立体は、次の
処理ステツプに向けられる。

TABのパツケージ方法は、その性質上、低いコストで実
行することが出来る。TABのパツケージ方法を使用する
ことは、TABパツケージの構造にヒート・シンクを取り
付けることが大変難しいので、主として低い熱消散回路
に限られている。TABパツケージ方法の処理の下で行わ
れるチツプ及び回路基板の間の主な（しばしば唯一の）
物理的な相互結合は、テープに担持されている外側のリ
ード線と、下側の回路基板の導電パツドの間の結合によ
つて行われている。TABパツケージ中において、チツプ
に対して突出したヒート・シンクを装着することは、シ
ート・シンクの機械的な振動や、機械的な外力が加わつ
たときに、チツプが回路基板から引張られ、その引張り
力がリード線の結合力、またはテープ自身の強度を超え
ることがあり、それらを破壊することがあるので実用的
ではない。

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

米国特許第4396936号において、複数個の放熱路が形成
されている基体上にフエース・ダウンのチツプが装着さ
れている。熱伝導性の材料がその放熱路に詰め込まれて
おり、チツプが発生した熱を発散させるための熱消散路
を与えている。この技術も上述の特許と同じ問題（即
ち、熱通路が長い問題）を抱えている。

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

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

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

従つて、本発明の目的は、チツプの熱消散が従来のもの
よりも秀れているTABにより装着するチツプ用の空気対
流式の新規なヒート・シンクを提供することにある。

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

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

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

C.問題点を解決するための手段本発明は、チツプを冷却する新規な手段を組み込んだ集
積回路チツプ・パツケージを提供する。集積回路チツプ
は、複数個の入力及び出力パツドを含む活動面を持つて
いる。チツプは複数個の可撓性のビーム・リード（条片
状のリード線）に結合され、ビーム・リードの外側は、
回路基板上に設けられた導電パツドに結合されている。
本発明に従つた空気を対流する方式のヒート・シンク手
段が、熱伝導をするようチツプの裏面に装着され、その
ヒート・シンク手段は、曲げられた薄い金属シートから
形成されている。このヒート・シンク手段は、必要最小
限の質量と、最適の冷却効率とを持つている。必要最小
限の質量は材料費を節約してヒート・シンク手段のコス
トを低め、そして、急激な速度変化により惹起されるパ
ツケージの損傷の可能性を最小限に止める。本発明に従
つて、それ自身可撓性を持つヒート・シンク手段は、弾
力性を持つ結合手段によつて、下側の回路基板と物理的
に結合される装着点を持つている。

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

動作について説明すると、キヤリヤ・テープ10は、半導
体チツプ18に対して、キヤリヤ・テープ10を位置付ける
ことにより、半導体チツプ18の接続パツドを、ビーム・
リードの内側の結合部分16と整列させるステーシヨンに
インデツクスされる。次に、結合用のヘツドが降下し
て、ビーム・リードの内側の結合部分16と、半導体チツ
プ18上の入力／出力パツドとの間の結合を行う。次に、
キヤリヤ・テープ10の外側セグメントが導体担持部分か
ら切断され、次に、下側にある回路基板の導体パツドと
リード線14の外側の結合部分15とを結合する。ここで、
ビーム・リードとチツプの構造体のための物理的な支持
は、リード線14の外側の結合部分15と、回路基板上のパ
ツドとの間に存在する結合部分によつていることは注意
を向ける必要がある。

第１図を参照すると、参照数字22で示した位置におい
て、回路基板26の導体パツド30に結合されているリード
線、即ち導体14の他端に接続されているチツプ18の斜視
図が示されている。

チツプ18を設置し、回路基板26上の導体にチツプを接続
した後、ヒート・シンクが定位置に置かれる。ヒート・
シンク32は、質量及び熱的条件を満足する銅、アルミニ
ウム、または他の適当な材料の薄いシートで作られるの
が望ましい。銅の薄いシートで作られた場合、その熱的
性能を向上するために、黒色酸化物で被われていること
が望ましい。

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

ヒート・シンクの材料を極度に薄くすることによつて、
ヒート・シンクが脆弱になつたり、または大きな熱的抵
抗を持つようになつてはならない。或は、ヒート・シン
クの材料を、許容出来ないほどの重さを持つヒート・シ
ンクや、妥当な価格を越えるほど厚いヒート・シンクを
作つてはならない。第７図を参照すると、寸法が3.5セ
ンチメートル×7.0センチメートルの銅製の平板のヒー
ト・シンクに関して、熱抵抗と、熱伝導率にヒート・シ
ンクの厚さを乗じた値との関係を実験的にプロツトした
グラフが示されている。熱抵抗は縦軸に沿つてプロツト
され、そして、ヒート・シンクの温度から室温を差し引
いた温度を、チツプで消費される電力の大きさ（図示の
例では２ワツト）で割つた値である。テストされたヒー
ト・シンクは、厚さが約0.05ミリメートル（２ミリ）か
ら約１ミリメートル（40ミル）の間の銅板から作られた
ものである。テストの結果は第７図の曲線100で示され
ている。

曲線100は、ヒート・シンクの熱抵抗が、ヒート・シン
クの厚さが約0.13ミリメートルよりも薄い時、ヒート・
シンクの熱抵抗が急激に増加することを示している。反
対に、ヒート・シンクの厚さが約0.5ミリメートルを越
えると、熱伝導率は余り増加しない。このデータは、厚
さが約0.13ミリメートル乃至0.65ミリメートルの範囲の
銅板を使用すると、最適の熱伝導率が得られることを示
している。

約0.13ミリメートル乃至0.65ミリメートルの範囲（最適
の厚さは、約0.5ミリメートル）の厚さを持つ薄い銅板
を用いることによつて、下側のチツプからの２ワツトの
熱量を消散することの出来るヒート・シンクが製造され
ることが決定され、このヒート・シンクは、回路基板の
撓みに対しても、急激な加速、または減速に対しても破
損することがないような、構造的な強度の点でも、回路
基板との相互接続についても、充分な強さと、柔軟性を
持つている。以下の実施例に示されるヒート・シンク
は、厚さが約0.5ミリメートルで縦、横の寸法が3.5×7.
0センチメートルで、重さが約11.4グラムの銅の平板で
作られている。このようなヒート・シンクは、２ワツト
の熱量を対流空気による冷却で消散することが出来、そ
して上述の苛酷な使用環境における機械的強度の要求を
満たすことが出来る。

第３図と関連させて第１図を参照すると、ヒート・シン
ク32は、平鍋状の窪みを付され、その長手方向に延びる
補強梁36及び38を有する薄い銅板で作られたヒート・シ
ンクが示されている。他の平鍋状の窪み40がヒート・シ
ンクの主平坦面に形成され、この窪みの面は、ヒート・
シンク32が装着された時、チツプ18の露出面に支えられ
るようになる。平鍋状の領域40の底部の大部分を通じ
て、チツプの発熱量の主要部分がヒート・シンク32に伝
導する。４枚の曲げられたフイン42、44、46及び48は、
ヒート・シンク32の主表面を打ち抜いて、下側の回路基
板26を露出させる開口43、45、47及び49を設け、これに
より、下側の構造に対して対流する空気の流れ路を作
る。処理の間（チツプとヒート・シンクを組立てて、結
合を行つた後）、溶剤によつて、この組立体を洗浄する
ことが、しばしば必要である。開口43、45、47及び49
は、開口がなければ隠されてしまうチツプの部分及びそ
れに関連する導体部分を、溶剤で、より良く洗浄するこ
とが出来る。

ヒート・シンク32の両端の２つの主フイン50及び52は、
フイン42、44及び46、48と同じ角度で曲げられることが
望ましい。熱伝導アーム54が、ヒート・シンク32の平坦
面に設けられており、平鍋状部材40からフイン50及び52
への伝導熱誘導路を与える。

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

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

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

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

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

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

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例を分解した状態を示す斜視図、
第２図は半導体チツプ及び下側の回路基板とに、次の工
程で結合される一組のビーム・リードを担持している従
来のキヤリヤ・テープの平面図、第３図は第１図の実施
例の線３−３に沿つて切断されたヒート・シンクの断面
図、第４図乃至第６図は本発明のシート・ヒンクを下側
の回路基板に固着するための方法を説明するための図、
第７図はヒート・シンクの熱抵抗の値と、ヒート・シン
クの熱伝導率にヒート・シンクの材料の厚さを乗じた値
との関係を実験的にプロツトしたグラフである。 10……キヤリヤ・テープ、14……リード線、15……リー
ド線の外側の結合部分、16……リード線の内側部分、18
……半導体チツプ、26……回路基板、30……回路基板の
導体パツド、32……シート・シンク、36……補強梁、40
……平鍋状の窪み、45、44、46、48……フイン、50、52
……主フイン、54……熱導電アーム、60……ヒート・シ
ンクの耳片部、64……固定片、72……熱可塑性接着剤、
76……押し込み式固定片。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者ピーター・ゲラード・レツダマンアメリカ合衆国ニユーヨーク州プレザントビル、ベツトフオード・ロード224番地 (72)発明者ステフアン・ダレ・リナムアメリカ合衆国テキサス州ラウンド・ロツク、ロツクストン・ウエイ1303番地 (72)発明者バーバラ・ジエーン・マツクネリスアメリカ合衆国テキサス州オースチン、ニユーベリー・ドライブ9505番地 (72)発明者ローレンス・シヤングウエイ・モクアメリカ合衆国ニユーヨーク州ヨークタウン・ハイツ、アプト1408、フオント・ストリート1766番地 (72)発明者ポール・アンドリユー・モスコビツツアメリカ合衆国ニユーヨーク州ヨークタウン・ハイツ、ハンターブローク・ロード、ボツクス343、アールデイ１番地

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数個の導電性パッドを有する可撓性基板
と、複数個の導電性パッドを有する集積回路チップ素子と、上記集積回路チップ素子上の導電性パッドを上記基板上
の導電性パッドに接続するための導体手段と、薄い金属シートで形成され、かつ、上記可撓性基板に接
続される複数個の装着部分を有し、上記集積回路チップ
素子に対して熱伝導的に装着される対流性ヒートシンク
と、を備え、上記装着部分が弾力性を有する部材をもって上記可撓性
基板と上記ヒートシンクを結合することによって上記可
撓性基板が撓んだときに上記結合する部分で損傷を生じ
ないことを特徴とする、集積回路実装体。
【請求項２】前記ヒートシンクが、上記集積回路チップ
とその一面において接しており、その他面において対流
できる空気と接しているくぼみと、上記くぼみに熱良導
体を介して連結されたフィンと、を具備する請求項１の
集積回路実装体。
【請求項３】前記フィンは、上記金属シートを打ち抜
き、作出された自由端を上方に折り曲げることによって
形成され、打ち抜かれた部分に接して位置する上記可撓
性基板の部分が露出する、請求項２の集積回路実装体。
【請求項４】薄い金属シートで形成され、集積回路チッ
プが実装される可撓性基板と接続される、集積回路チッ
プ素子を冷却するヒートシンク構造体であって、上記集積回路チップとその一面において接しており、そ
の他面において対流できる空気と接しているくぼみと、上記くぼみに熱良導体を介して連結され、空気対流によ
って冷却を受けるフィンと、上記可撓性基板に接続するための、ヒートシンク構造体
の本体部から突出した複数個の装着部分と、を有し、上記装着部分が弾力性を有する部材をもって上記可撓性
基板と上記ヒートシンク構造体を結合することによって
上記可撓性基板が撓んだときに上記結合する部分で損傷
を生じないことを特徴とする、ヒートシンク。