JPH0763084B2 - パツケ−ジ構造体 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 A.産業上の利用分野 本発明は、多層セラミック・カードを用いた集積回路パ
ッケージ構造体に関する。

B.従来技術 VLSIが高密度になるにつれ、最新技術のVLSIデバイスの
密度と速度の利点を十分に利用できる半導体パッケージ
構造体が当技術で求められてきている。現在のセラミッ
ク製モジュールは、多層セラミック・モジュールが代表
的なものだが、カードまたはボード上に装着され、その
カードまたはボードが組み合わさって、コンピュータの
中央演算処理装置（CPU）を形成している。多層セラミ
ック（MLC）モジュールは通常、半田バンプなど他の装
着手段をもつ多層セラミック・モジュールの場合でさ
え、頂面にVLSIチップが装着され、通常は底面にピンを
備えている。カードまたはボード上にモジュールを備え
たパッケージ方式は、VLSIチップのある２次元平面、す
なわちMLCモジュールの頂面のXY直角座標を使う。第３
の次元であるＺ直角座標は利用されない。この第３の次
元を利用する、すなわちパッケージ密度と機械速度を高
めるパッケージ・コンセプトが、端部接続セラミック・
カードである。端部コネクタをもつセラミック・カード
は、主に２つの理由からより高密度のパッケージを実現
することができる。第１に、Ｘ、Ｙ及びＺ方向がVLSIデ
バイスで占められているので、３次元パッケージが作成
でき、第２に、チップが直接セラミック・カードに装着
されているので、１つの実装レベル（すなわち、MLCモ
ジュール）が不要になる。セラミック・カードは、次の
実装レベル、通常はボードに端部接続される。高密度応
用例に使用されるセラミック・カードは、ドルラー（Do
rler）等の論文「セラミック・カード・コンセプト（A
Ceramic Card Concept）」、IEEE、1982年４月、に記載
されている。

端部接続セラミック・カードを使って、チップをカード
の両面に装着し、さらに密度を高めることもできる。す
なわち、両面チップ装着、１つの実装レベルの削除、マ
ザー・ボードのXY次元及びマザー・ボードと隣接構造体
との間のＺ次元を利用した３次元パッケージにより、理
論的にはセラミック・カードは標準の２次元多層セラミ
ック・パッケージに代わる非常に有望な代用品になる。
本発明が世に出るまで、セラミック・カードは、電力分
配、コスト、性能、冷却など様々な基本的な問題のため
産業上実現しなかった。冷却は、VLSIデバイスが多量の
電力を放散させる高性能バイポーラ・パッケージでは特
に問題であった。たとえば、今日のVLSIバイポーラ・チ
ップは、チップ当たり20ワットを超える電力が必要であ
る。この必要電力は今後10年以内に少なくとも２倍にな
ると予想される。この種の電気出力には水冷が必要であ
る。水冷の２つの方法が、フェドーシュ（Fedoush）等
の論文「平坦セラミック・カード冷却パッケージ（Low
−Profile Ceramic−Card Cooling Package）」、IBMテ
クニカル・ディスクロージャ・ブルテン、1985年10月、
及びジャルベラ（Jarvela）等の論文「３次元MLC基板集
積回路支持パッケージ（Three−Dimensional MLC Subst
rate Integrated Circuit Support Package）」、IBMテ
クニカル・ディスクロージャ・ブルテン、1978年４月、
に記載されている。

セラミック・カードが実用化されなかった主な理由は、
それに本来付随する電力分配上の問題である。そのた
め、最終的に、パッケージのスイッチング機能が不十分
になり、後で性能が低下する。したがって、そのパッケ
ージは、現在のコンピュータ・システムでは電気的に受
け入れることができない。より高電力のチップが使用さ
れるにつれて、上記の刊行物に記載された型式の水冷が
必要になり、電力分配システムに対する物理的制約が生
じる。上記論文に記載されたセラミック・カードの電力
分配上の問題は、第2A〜第2D図を参照すれば最も容易に
理解できる。問題は、基本的にセラミック・カード２の
構造に関連する。カード２には、その後の実装レベルと
セラミック・カードとの間で電力をやり取りするため
に、端部コネクタ上に限られた数の入出力位置があり、
カード上に限られた数の入出力パット３がある。さら
に、セラミック・カードに必要な高い配線密度とそのた
めに使用されるメタライゼーションが電力分配上の問題
を引き起こす。第2A図と第2D図には、最新技術のセラミ
ック・カードの電流経路が示してある。端部コネクタか
ら入出力パッド３を経て内部MLC配線層を通りセラミッ
ク・カード表面上の各チップ４に至る電流経路は、電力
に利用できる入出力パット３が限られた数しかなく、チ
ップ４の近傍に給電点がないために電流が密集するの
で、高い電流密度が必要である。第2B図と第2D図におい
て、現在のセラミック・カード・パッケージの金属電力
面９は比較的高い抵抗をもつ。すなわち、モリブデンで
は１平方インチ当たり約5.5ミリオーム、銅では１平方
インチ当たり約２ミリオームである。これは、部分的に
は、電力面のメタライゼーションがスクリーニングまた
は他の手段によって金属ペーストを塗布することによっ
て行なわれ、その結果、高抵抗導体が形成されるとい
う、現在のセラミック・カードを製造する際の加工上の
制限による。それが高い電流密度と結びつくと、セラミ
ック・カード・パッケージの電力面９上で、多層セラミ
ック・モジュール（すなわち、米国特許第3993123号に
記載されているTCM）など最新技術のパッケージ構造に
比べて、極めて大きな直流電圧の下降をもたらす。第2B
図に示す電力面上での電流増倍作用（current multiply
ing）によっても高い電流密度が生じる。各チップ４が
その電流を引き出すとき、引き出された電流が、そのチ
ップとセラミック・カード２の入口点入出力パッド３に
直列な電流に加えられ、その結果、コネクタと反対側の
カード端にあるチップ上のデバイスに大きな直流電圧降
下が生じる。電力分配システムの高い直流抵抗に加え
て、セラミック・カード・パッケージの実効インダクタ
ンスも高い。インダクタンスが高いのも、端部コネクタ
からセラミック・カードに電力を運ぶ高インダクタンス
経路の数が限られているのと、内部セラミック・カード
電力面上をチップまで行くのに必要な距離が長いためで
ある。さらに、同時切換えを向上させるためにチップの
近くに配置された減結合コンデンサが作用するのに、さ
れに応じた長い時間がかかる。というのは、LC定数、す
なわち、時定数がそれに応じて高いからである。セラミ
ック・カードの端部の入出力パットがそこに置かれてい
るのは、多層セラミック・モジュールを実装するのに使
用されたピン及び表面装着技術では、セラミック・カー
ドによってもたらされた３次元パッケージを利用するこ
とができず、またチップの両面装着は端部コネクタ・シ
ステムなしでは不可能だからである。このため、電流は
電力面上を長い距離だけ移動し、高抵抗（すなわち、直
流電圧降下）と（同時スイッチングに悪い影響を与え
る）高インダクタンスをもたらす。

システム・レベルでは、セラミック・カードには、より
高密度な回路パッケージをもたらす多くの潜在的な応用
分野がある（たとえば、ドルラー等のIEEE論文を参照）
が、メモリの応用分野に最も広く使われている。たとえ
ば、第３図を参照すると、ハイエンド・システムでは、
マザー・ボード32は、通常、論理回路モジュールまたは
論理回路とメモリの結合モジュール34（すなわち、米国
特許第3993123号に記載された熱伝導モジュールTCM）用
の領域と、メモリ・カード38用の領域をもつ。メモリ・
カードは、通常、複数の密封実装メモリ・チップ（すな
わち、デュアル・イン・ライン・パッケージ（DIP））
とデータをアドレスして移動させるための少なくとも１
つの論理支持チップとを有する端部接続カードである。
第３図は、本発明のセラミック・カード組立体を組み込
むことができる通常のボード32を表わす。ボードは通
常、集積回路チップ・モジュール34と回路カード38を有
し、それらには、通常有機誘電層が組み込まれている。
大多数の応用分野では、回路カード38は、単一チップ・
モジュール、通常はDIPから構成されるメモリ・パッケ
ージ36を実装するのに使用される。しかし、メモリの応
用分野でも、アドレッシング、データ転送など用に何個
かの論理支持モジュール37が必要である。これらの論理
支持モジュール37は、比較的高い電力を有し、高い入出
力信号と電力が必要であり、したがって比較的複雑で高
価なセラミック・モジュール・パッケージに実装されて
いる。それらのパッケージでは通常、論理チップがそれ
らの回路の大半を使用する（回路密度が増加するにつれ
てそれが必要になる）場合、チップとセラミック・モジ
ュールのセラミック・キャップとの間に熱特性改善手段
が必要になる。たとえば、今日の論理支持チップは、最
大の回路が利用されるとき20ワット以上の電力を放散
し、この値は、回路密度が増大するにつれてチップ当た
り50ワットに近づくと予想される。コストと信頼性の両
面から、セラミック・パッケージ37をなくし、セラミッ
ク・カード上に論理支持チップと必要な内部熱特性改善
手段を直接実装することが有益である。これを実行する
には、一体式電力分配手段と熱管理手段が必要である。
セラミック・カードをこれらのメモリ・カードの代わり
に使用できるなら、１つの実装レベルが不要となる（す
なわち、DIPと論理支持チップ・モジュールがもはや不
要になる。というのは、メモリ・チップと論理支持チッ
プは直接セラミック・カード上に装着され、グループと
して気密密封されるからである）。さらに、中間パッケ
ージが除去されるので、回路がセラミック・カード上に
互いに密接して実装されるため、システムの密度と性能
が増加する。また冷却能力の改善により電力要件が緩和
されれば、支持チップ上でより多数の回路が利用できる
ため、電力分配及び電力放散能力が改善されたセラミッ
ク・カード・パッケージでは、論理支持チップの数を減
らすことができる（現在のメモリ・カードは空冷式であ
ることに注意されたい）。

システム密度と性能は、電力分配及び電力放散能力が改
善されたセラミック・カード・パッケージを利用するこ
とによって向上するが、セラミック・カードが今日のハ
イエンド・システムと互換性をもち、大きな設計上の変
更を行なわずにシステムをより高い性能レベルに拡張で
きることも重要である。すなわち、第３図に示したよう
なシステム・マザー・ボードで、セラミック・カードを
使ってそのメモリを拡張させる場合、これまでのカード
を引き抜いてセラミック・カード・パッケージを差し込
むだけでよいことが望ましい。この拡張性は、システム
・マザー・ボードが非常に複雑で高価であることから特
に重要であり、システム・レベルの再設計努力をするの
ではなく、この実証済みの高性能技術の使用を拡張する
何らかの借置を取るべきである。

集積度が高まるにつれて、チップ・レベル及びパッケー
ジ・レベルでの入出力に対する要求も増大する。すなわ
ち、セラミック・カード・パッケージは、セラミック・
カードとチップの間で、チップ及び関連するパッケージ
・モジュール（すなわち、DIPなど）が取り付けられて
いる最新技術のカードとチップの間で可能なよりも多数
の入出力を提供すべきである。

要約すると、従来技術ではセラミック・カードを使用し
て、それに本来付随する高密度の３次元パッケージ密度
を利用しようと試みたが、従来技術では電力分配及び熱
管理の問題を克服できなかったためにうまく実用化され
なかった。具体的に言うと、電源（すなわち、多層セラ
ミック・カードに組み込まれた電力面）と電力を必要と
するデバイスの間の経路の抵抗とインダクタンスが比較
的高いので、同時切換え及びそれに対応する性能が限ら
れている。電力分配上の問題に主に寄与しているのは、
セラミック・カード自体及びデバイスに直接接続された
電力の入出力接続の位置とその数が限られていることに
よる、高い電流密度及び電力面上での電流の密集ならび
にパッケージ中での電流の増倍作用である。他の理由
は、標準の多層セラミック・カードで使用されるメタラ
イゼーション（すなわち、通常はスクリーン印刷された
金属ペースト）であった。

さらに、セラミック・カード・パッケージは、大電力
（すわなち、20〜50ワット）論理チップの熱管理を行な
いながら、これらの電力分配上の問題を同時に解決し、
コンピュータ・システムの中央演算処理装置を含む後の
実装レベルと適合性をもつことができなければならな
い。

すなわち、セラミック・カード基板の片面または両面に
高密度チップをもち、インダクタンスと直流電力降下の
小さい有効な電力分配システムをもつセラミック・カー
ドが求められている。すなわち、この構造体は、パッケ
ージで高い同時スイッチング能力と低いノイズ・レベル
をもたらすことができなければならない。

このシステムがチップ当たり20ワット以上を冷却する能
力をもつことも必要である。低ノイズ、高い同時スイッ
チング能力ならびに十分な熱管理を実現することによ
り、高密度３次元セラミック・カード・パッケージに高
密度、大電力、高入出力VLSIチップを実装することが可
能になる。

さらに、基本システムを設計し直さずにシステムのメモ
リの密度とメモリへのアクセスを向上させ、現在のVLSI
システムをより大容量のスーパーコンピュータの応用分
野に拡張することも必要である。

C.発明が解決しようとする問題点 本発明の一目的は、高密度３次元セラミック・カード・
パッケージに高密度、大電力、高入出力VLSIチップを実
装することである。

本発明の他の目的は、インダクタンスが低く、同時スイ
ッチング能力が高い電力分配システムをもつセラミック
・カード・パッケージを実現することである。

本発明のさらに他の目的は、電力分配構造体の抵抗を低
くすること、すなわち、直流電力降下を小さくすること
である。

本発明のさらに他の目的は、電力面上での電流増倍作用
を減少させ、セラミック・カードへの給電点をチップ位
置に一致させることである。

他の目的は、３次元セラミック・カードの両面にチップ
を装着することである。

他の目的は、セラミック・カード・パッケージに減結合
コンデンサを組み込み、これらのコンデンサの性能を改
善することである。

さらに他の目的は、大電力VLSIチップがパッケージに組
み込めるように熱管理を行なうことである。

さらに他の目的は、ハイエンド・コンピュータ・システ
ムのシステム・レベルでのメモリ能力を増大させ、必要
な論理支持チップとモジュールの数を減らすことであ
る。

さらに他の目的は、本システムをスーパーコンピュータ
の領域まで拡張させることである。

D.問題点を解決するための手段 本発明のセラミック・カード・パッケージは、現在の技
術を拡張して増大する密度と性能上の需要を満たし、本
技術をスーパーコンピュータの領域にまで拡張すること
ができる。従来技術の制限は、３次元（すなわち、標準
多層セラミック・モジュールの頂面のXY直角座標とマザ
ー・ボードの表面から次の構造体に対して垂直に延びる
Ｚ直角座標）を利用して、高密度に実装された回路を提
供する本発明によって克服される。本発明は、一般に、
改善された熱管理能力を組み込んだセラミック・カード
・パッケージと柔軟性のある（フレキシブルな）電力分
配パッケージの組合せを含んでいる。この組合せは、従
来技術の制限を克服し、上述の目的を実現する。本発明
は従来のようにセラミック・カードの一端部からセラミ
ック・カードの電力面を介して各チップに給電するので
はなく、セラミック・カード上に、このカードの一端部
から最遠のチップ位置までの距離よりも短い距離で各チ
ップ位置からアクセスできるように、たとえばチップ位
置を取り囲む周囲領域に、複数の電力接点を設け、導電
層と絶縁層との複合層よりなる電力分配構造体によって
電力接点に給電する。

E.概要 第１図、第４図及び第５図を見ると最もよくわかるよう
に、柔軟性のある（フレキシブルな）電力分配構造体
が、セラミック・カード・パッケージに組み込まれてい
る。セラミック・カードと柔軟電力分配パッケージの組
合せにより、セラミック・カード・パッケージ構造の上
述の欠点が除去され、セラミック・カードを高密度、大
電力VLSIパッケージに利用することが可能になる。各柔
軟電力分配構造体16は、たとえば銅の電力面25、26、27
を組み込んだ、通常ポリイミドからなる柔軟材料30から
構成される。これらの銅面は、通常１ないし３オンス
（約28ないし85g）の銅である（すなわち、銅の層の１
オンス当たりの厚みは約1.4ミルである）が、それに限
られるものではなく、また最新技術のセラミック・カー
ドで使用されるMLC型電力面よりも抵抗がすっと小さ
い。通常、抵抗の差は、かなりの大きさであるが、それ
は、MLC技術で使用されるスクリーン印刷された金属
が、本発明で使用する１ないし３オンスの銅面ほど厚く
または密に形成できないからである。この程度の直流抵
抗の低下により、改良型セラミック・カード・パッケー
ジの電力面での電流拡散が改良され、電流密集の問題も
飛躍的に減少する。柔軟電力分配構造体には導電性接続
部25A、26A及び27Aが多数組み込まれている。導電性接
続部は、電力面25、26、27から柔軟電力分配構造体の外
面へと延びる付属部や柔軟電力分配構造体のめっきした
貫通孔に取り付けた半田ボール（第６図参照）など多く
の形状を取ることができる。これらの接続部の目的は、
柔軟電力分配構造体とセラミック・カードのインターフ
ェース上に広がっているパッド24に直接電力を供給し
て、各チップ12に局在電源を提供することである。柔軟
電力分配構造体をセラミック・カードに設けると、端部
からではなくセラミック・カードの表面に複数の電力入
力点を与えることができ、電流増倍作用が減少し、した
がって、セラミック・カード・パッケージの実効抵抗と
インダクタンスの主要部分が減少する。電流増倍作用の
減少によって電流が小さくなることと低インダクタンス
によって、現在のセラミック・カード・パッケージより
もはるかに高い同時スイッチング能力がもたらされる。
その上、減結合コンデンサを使用すると、時定数が減少
するので、現在セラミック・カード・パッケージで使う
とより効果的である。柔軟電力分配構造体16は、第5B図
に示すように端部コネクタ20に組み込むのが好ましい
が、柔軟性があるため様々な種類の接続に使用できる。
柔軟電力分配構造体16を使用すると、電力をセラミック
・カード10の両面に供給でき、したがって、上述のよう
に電力分配の改善によりカードの両面にチップを装着す
ることが可能となり、かつ第１レベルと第２レベルのパ
ッケージの間に多くの接続オプションが行なえる。柔軟
電力分配構造体は、また冷却板を熱負荷に接近させ、好
ましくはキャップと接触させることにより、必要な冷却
も容易にする。要約すると、これまでの多層セラミック
・カード（第２図参照）の提案は、固有の電力分配の問
題と冷却の問題があり、そのため、こうした提案は応用
分野が非常に限られていた。本発明は、セラミック・カ
ード・パッケージを一体式柔軟電力分配構造体と組み合
わせて、セラミック・カードが現実的なパッケージ代替
品になるほどまで電力分配を改善する。さらに、この技
術を拡張するため、熱管理が行なわれる。本発明を用い
ると、セラミック・カード10に埋設された電力面上の電
流密度は、少なくとも2/5に減少する。こうなるのは、
主に、セラミック・カード上の電力負荷（すなわち、チ
ップ12）の周囲にある柔軟電力分配構造体の導電性が高
くインダクタンスが小さいために、電流が複数の方向か
らチップに流入するからである。各チップへの電流量
は、対応する電力負荷（すなわち、チップ）に密接した
電力接点によって供給される。高い電流密度が少しでも
存在する場合、それは柔軟電力分配構造体中にあり、し
たがって有害な電気的影響なしで、こうした高密度に対
処できる。さらに、任意の電力面すら電力消費デバイス
までの距離が、通常、少なくとも1/2に減少する。すな
わち、現在のセラミック・カード／柔軟電力分配構造体
組合せパッケージは、最新技術の高速大電力デバイスを
十分にサポートできる低ノイズと低実装インダクタンス
をもつ電力分配システムを提供すると同時に、XYZ次元
パッケージ空間を利用するセラミック・カード・コンセ
プトに付随する高密度をもたらす。またセラミック・カ
ードを用いると、１つの実装レベルが不要になり、その
機械的特性により、冷却でき、容易に組立てまたは修理
できる組立体が実現される。実装密度が増大し、VLSIチ
ップ速度、寸法及び電力が増大している現在、こうした
チップ全体の性能とVLSIシステムの対応する性能を向上
させる電力分配及び冷却能力をもつ、本明細書に記載す
るセラミック・カードを使用することは、当技術分野で
の明確な進歩である。

本発明の上記及びその他の目的と特徴は、以下の説明及
び添付の図面から明らかになる。

F.実施例 第４図は、本発明の８個のセラミック・カード組立体11
からなる通常の現場交換可能ユニット（FRU）40を表わ
す。FRU40の各組立体11は、セラミック・カードの幾何
形状及び次の実装レベルへの接続に合致するようになっ
たセラミック・カード10及び関連する柔軟電力分配構造
体16を含んでいる。柔軟電力分配構造体16とセラミック
・カード10の組合せでセラミック・カード組立体11を形
成し、複数のカード組立体11と冷却板42でFRUを形成す
る。FRUは、第３図に示す有機カード38の代わりに使用
できるが、本発明のセラミック・カード組立体11が多く
のシステム応用分野及びボード構成で使用できることは
明らかである。左側から、FRU40は、冷却板42、第１の
柔軟電力分配構造体16（以下で詳細に説明）、キャップ
18、セラミック・カード10、オプションの第２のキャッ
プ18及び（チップが両面に接合される場合に使用され
る）第２の柔軟電力分配構造体16を含んでいる。キャッ
プ18は、冷却板42に接触させて、セラミック・カード上
のデバイスによって発生された熱が、冷却板42に伝わる
ようにするのが好ましい。セラミック・カード10には、
チップが直接取り付けられている。この構造が、他の冷
却板42から順にまた繰り返している。第４図に示した端
部コネクタ20は、その部分のセラミック・カード組立体
11を次の実装レベルに接続するのに使用できる多くの手
段のうちの１つである。柔軟電力分配構造体の使用によ
り、次の実装レベルで多様な接続が可能となり、同時
に、セラミック・カード10上に装着されたチップ上のデ
バイスへの電力分配が改善される。たとえば、第４図
で、柔軟電力分配構造体16は、従来技術の電力分配上の
問題（詳細は以下で述べる）を解決するような形でセラ
ミック・カードに電力を提供する一方で、柔軟電力分配
構造体の、次の実装レベル（すなわち、ボード）とイン
ターフェースをとる部分17が湾曲して、端部コネクタ20
に嵌合する。以下に示す例で説明するように、この柔軟
性は、この湾曲部やその他の必要な種類の湾曲を形成す
るのに必要である。

第１図は、本発明の単一セラミック・カード組立体11の
好ましい実施例の一部分を表わす。柔軟電力分配構造体
16は、高い誘電率をもつ、好ましくはポリイミドの柔軟
性誘電体材料30の複数の層から構成される。柔軟性誘電
体材料層の間には、導電体層25、26、27がある。これら
の導電体層は、セラミック・カード10上に装着されたチ
ップの半導体デバイスに必要な電力を供給する。本実施
例では、セラミック・カード上に装着されたバイポーラ
・デバイスに３つの電力レベルが設けられている。導電
体層25、26、27は固体金属、好ましくは１ないし３オン
スの銅でもよい。これは、標準の多層セラミック（ML
C）パッケージでスクリーン印刷したどんな種類の金属
がもたらすよりもずっと低い直流電力降下を電力面上で
もたらす。直流抵抗の差は、通常かなり大きいが、それ
は、MLC基板で使用されるスクリーン印刷された金属
が、柔軟電力分配構造体の金属ほど厚くも、高密度で
も、高導電性でもなく、したがって抵抗がより大きいか
らである。電力面でのこの改良をセラミック・カードと
組み合わせると、セラミック・カード・パッケージの電
力面での電流拡散が改善され、また従来技術のセラミッ
ク・カードの提案に固有の電流密集の問題も軽減され
る。メモリの応用分野では、柔軟電力分配構造体16によ
ってもたらされる３つの電力レベルを必要とするデバイ
スは、通常、必要なデータ転送アドレッシングなどを行
なう論理支持チップである。セラミック・カード10の表
面上に入出力パッド24が組み込まれており、チップ12上
の半導体デバイスに局在電源を提供する。すなわち、パ
ッド24は、セラミック・カードの１端部ではなく、電力
を必要とするデバイスの近くに位置する複数の電力入力
点となる。上記の電力分配上の問題は、一部には、複数
の電力入力点が電流増倍作用と実効インダクタンスを減
少させるという理由で軽減される。層25、26、27上で使
用される金属が、上述のように、比較的低い直流降下と
低いインダクタンスをもたらすので、電力分配がさらに
改善される。電力面25、26、27からパッド24を介してチ
ップ12上の給電デバイスに至る経路で直流電圧降下とイ
ンダクタンスが減少するので、電力分配の電気損失が低
くなる。第１図で、電力面25、26、27からの付属部25
A、26A、27Aが、それぞれこの接続を形成する。柔軟電
力分配構造体16とセラミック基板の間の熱膨張率が大き
く、セラミックと柔軟電力分配構造体の間の温度差が大
きい応用例では、材料間の熱膨張率が一致せず温度差が
大きいために、パッド24と付属部25A、26A、27Aの間の
半田接合にかかる応力が最小になるように、これらの付
属部25A、26A、27AをＵ字形にするのが好ましい。イン
ダクタンスを下げることが熱膨張率を一致させることよ
り重要である様々な応用例では、他の好ましい接続手段
を使用することができる。

このパッケージがもたらす電気的な利点により、同じチ
ップ技術で、今日のセラミック・カードよりも同時スイ
ッチング能力がずっと高くなる（すなわち、いくつかの
回路、通常はオフチップ・ドライバのスイッチングが同
時に可能になる。たとえば、パッケージ上の各ドライバ
の必要スイッチング電流が10mAで、10個のドライバを同
時にスイッチングさせる場合、スイッチング電流は200m
Aになる）。柔軟電力分配構造体に減結合コンデンサを
組み込む場合、スイッチング電流の一部分がコンデンサ
から供給されるため、スイッチング能力をさらに大きく
でき、パッケージの実効インダクタンスがさらに減少す
る。

セラミック・カード組立体に柔軟電力分配構造体16を使
用することのもう一つの利点として、セラミック・カー
ドの両面に電力を与えるのに十分な柔軟性を保ちなが
ら、固体銅電力面25、26、27を電力を必要とするデバイ
スに近づけることができる。柔軟電力分配構造体の他の
端部17は、第４図に示すコネクタ20で合体させ、また後
で詳細に説明する様々な種類の実装技術方針向きの別の
接続手段につなぐことができる。

ポリイミド層30と金属層25、26、27の厚みを変え、また
は補強材（通常、アリミド繊維とポリイミド基質または
銅／アンバー／銅の複合体）を添付することにより、柔
軟電力分配構造体16の熱膨張率をセラミック・カード10
の製造に使用されるセラミック材料の熱膨張率とほぼ一
致させることができる。したがって、温度差が大きくて
も、高い熱応力は発生しない。このため、付属部25A、2
6A、27Aを異なる形状にすることも、またそれらを取り
除くこともできる。

第４図を再び参照すると、現場交換可能ユニットFRU40
は、多くの応用例で必要な多数の冷却板42をもつ。熱が
チップ12から冷却板42に伝わるには、冷却板42とキャッ
プ18の間に熱抵抗の低い経路が必要である。それを行な
うための手段としては、セラミック・キャップと冷却板
を密に接触させたり、キャップと冷却板の間に熱伝導率
の高い弾性物質を設けるなど、様々なものが存在する。
冷却板は、冷却空気、冷却水、冷却剤など多くの手段を
使って冷却できる。

複数のセラミック・カード組立体11からなるFRU40は、
これまで従来のセラミック・カードの提案を高性能VLSI
システムに使用する際に障害となっていた、電力分配及
び冷却上の問題を共に解決する。セラミック・カードと
集積柔軟電力分配構造体の組合せにより、電力面25、2
6、27上の電流密度が少なくとも2/5に減少し、パッド24
の位置のため、セラミック・カードに埋設された電力面
からセラミック・カード上に電力消費デバイスに至る距
離が少なくとも1/2に減少するほどまで、電力分配が改
善される。本発明は、現在及び将来のVLSIシステムに必
要な高速デバイスをサポートする低ノイズ、低インダク
タンス及び高い同時スイッチング能力をもたらし、同時
に以下の例で説明するように、前例のない高い密度をも
たらす。すなわち、３次元FRU40は、単一パッケージの
高性能電力分配と熱管理と共に高密度をもたらす。また
このため、本発明では複数のチップが直接セラミック・
カードに取り付けられ、気密封止されるため、第３図に
示すような、最新技術のシステムで、半田手段などによ
って有機カード38に装着されたモジュール36は不要なの
で、パッケージの複雑さが軽減され、コストも下がる。
モジュール36の大半は、DIPであるが、一部は、比較的
高価な論理支持モジュール37である。これらの論理モジ
ュールを削除すれば、システム・レベルでコスト及び信
頼性が大きく軽減される。さらに、このパッケージが高
い回路利用から生じる大きな熱負荷を冷却できるため、
各チップがこれまでより多数の回路を利用できるので、
論理チップの数を減らすことができる。本発明が生まれ
るまで、従来のセラミック・カード・パッケージに本来
付随する電力分配及び熱管理上の問題のため、セラミッ
ク・カードを使って可能な高い密度、信頼性及びコスト
の節減を利用することは現実には不可能であった。こう
した問題を解決することは、チップ・パッケージ密度と
同時スイッチングの要件が増大し、それに伴ってそれぞ
れ熱管理と電力分配上の要件も増大するにつれて、ます
ます重要になってきている。

多数の冷却オプションと次の実装レベルへの接続オプシ
ョンが本発明によって可能となるので、本発明のセラミ
ック・カード組立体は、多くのシステムに適用できる。
上述のように、セラミック・カード上の柔軟電力分配手
段16とパッド24の間の接続は、応用例に応じて様々な手
段で行なうことができる。たとえば、柔軟電力分配シス
テムとセラミック・カード基板の間の熱膨張率の差が大
きい場合、第１図に示した接続、すなわち、付属部25
A、26B、27Cが使用できる。セラミック・カードの対向
面と柔軟電力分配構造体の間の熱膨張率及び温度の差が
比較的小さい場合、すなわち補強材など熱膨張率の差を
補償する手段を使用する場合は、パッド24と柔軟電力分
配手段のめっき貫通孔との間に、半田ボール（第６図参
照）などの電気効率のよい低インダクタンス接続を取り
付ける。以下に示す例は、様々な応用例に使用できる。
セラミック・カードと柔軟電力分配構造体の好ましい応
用例は、各例に記載されている。

例1:チップの両面装着−第１図、第５図 例１は、第１図に部分的に示されている例である。第5A
図ないし第5D図に、チップ12が両面に装着されたセラミ
ック・カード10をより詳細に示す。チップの両面装着を
容易にするため、チップの周縁のセラミック・カードの
両面にパッド24が取り付けられている。付属部25A、26
A、27Aはパッド24と接触して、電力面25、26、27への接
続を形成すると共に、チップの両側装着を可能にする。
セラミック・カード組立体11は、第４図に示すようにFR
U40に組み立てられ、第３図に示したボード32の有機カ
ード38の代わりに使われる。第３図に示したボードに組
み込むため、セラミック・カード10の寸法は、幅127.5m
m、長さ127.5mmとすることが好ましい。セラミック・カ
ードの厚みは、使用する層の数に応じて変わる。この例
では、セラミック・カード10の各面に72個の４メガビッ
ト・メモリ・チップと３個の論理支持チップがある。各
柔軟電力分配構造体16には、セラミック・カード10の各
面で入出力パッド24と接触させるため、268個の付属部2
5A、26A、27Aを設けることが好ましい。この柔軟電力分
配構造体の各ポリイミド層30は、厚さ約0.025ないし0.0
76mmであり、各銅層25、26、27は、厚さ約0.035ないし
0.11mmである。チップの両面装着を容易にするために、
柔軟電力分配構造体に、セラミック・カード10のキャッ
プ18が嵌合する１つまたは複数の切欠き部分を設けて、
チップ12とキャップ18を収容する「窓」ができるように
する。「窓」の外側には、セラミック・カード上のパッ
ド24、及び柔軟電力分配構造体16上の対応する接点25
A、26A、27Aがある。

チップ12をセラミック・カード10上に装着した後、好ま
しくはセラミック製のキャップ18で気密密封する。次
に、付属部25A、26A、27A、または第６図に示すような
柔軟電力分配構造体のメッキ貫通孔に取り付けられた直
径約12.7mmの半田ボールなど他の接続手段からパッド24
への接続を形成し、柔軟電力分配構造体の２つの端部の
コネクタ20で合体させて、次の実装レベルに接続させ
る。同時スイッチング能力をさらに高めるために、必要
なら減結合コンデンサ15（第5A図参照）を組み込むこと
もできる。

上記に指定したチップとカードの寸法を用いる場合、各
セラミック・カード10は、64メガバイトのメモリ及び関
連するサポート論理回路をもたらす。メモリ・チップと
転送データを適切にアドレスするには、６つの論理支持
チップが必要である（これは有機カード上で必要な11個
の類似の論理モジュールに対比されるものであることに
注意されたい。というのは、主として冷却上の制限のた
めにそれらのモジュールはその回路のすべてを利用する
ことはできないからである）。本発明のセラミック・カ
ード組立体を使うと、標準のパッケージ、すなわち、第
３図に示した有機カードに必要な論理支持モジュール3
7、ならびにDIP36が不要となる。モジュールが不要とな
り密度が増大する他に、モジュールのピンが不要とな
り、すなわち、ピンに関連するインダクタンスと抵抗の
降下がなくなり、かつメモリ・チップと論理チップ間で
の電気信号の交換が、通常遅延をかなり増加させるパッ
ケージ間の不連続部を通過せずに、より短い直接的な経
路によって行なわれるため、電気的性能も向上する。同
時スイッチング能力をさらに改善しなければならない応
用例では、減結合コンデンサをセラミック・カードに組
み込むことができる。セラミック・カードの埋設電力面
上の電流密度が減少して、ノイズのレベルとインダクタ
ンスが下がり、したがって、同時スイッチング能力が向
上するので、本例のセラミック・カード組立体の全体的
な電気性能が向上する。

他のバージョンでは、窓枠の周りではなくチップの間に
柔軟電力分配ストラップを散在させて、電力を必要に応
じてチップの近くで供給させることができることに注意
されたい。

例2:チップの片面装着 この例は、セラミック・カード10の一方の面だけにチッ
プを装着するもので、柔軟電力分配構造体を、セラミッ
ク・カード10の裏面全体に装着する。セラミック・カー
ド10及び柔軟電力分配構造体16の寸法は、例１と大体同
じである。例１と同じチップを使うと、各セラミック・
カードは32メガバイトのメモリをもたらす。本実施例を
使用するのは、柔軟電力分配構造体から、特定の電力を
必要とするチップ電力入出力部に近接する位置にあるセ
ラミック・カード上のタブに直接電力を供給するのが危
険なときである。この例のセラミック・カード組立体の
密度は、例１のそれの約半分であるが、柔軟電力分配構
造体から電力負荷のごく近くに電力を直接もってくるの
で電力配分は改善されることもある。

例3:セラミック・インライン・パッケージを備えたセラ
ミック・カード この実施例は、第７図ないし第９図を見ると最もよくわ
かる。カード上に装着したSIPS（チップまたはモジュー
ルを取り付けたサブアセンブリである直列または単一イ
ンライン・パッケージ、このサブアセンブリは後でカー
ドに取り付ける）を利用して、実装密度を高めることは
当技術分野では周知である。モジュールまたはチップ
は、通常SIPSに半田付けし、SIPSは通常カードに半田付
けする（米国特許第4656605号参照）。この例では、直
接チップ取付技術を使ってチップをセラミック・サブア
センブリに取り付け、次にセラミック・サブアセンブリ
をセラミック・カードに取り付けるので、密度が高ま
る。セラミック・カードに接続するための端部接続タブ
56（第８図）をもつセラミック・サブアセンブリと直接
取り付けたチップの組合せを、本明細書ではセラミック
・インライン・パッケージと呼ぶ。

セラミック・インライン・パッケージ（CIP）50を、第
７図及び第８図に示すように、セラミック・カード10に
取り付ける。CIPは、セラミック・ストリップ51に直接
取り付けられたチップ12をもち、CIP入出力タブ56はセ
ラミック・カード10とCIP50のインターフェースで各CIP
に接続する。この実施例は、本発明のコンセプトがシス
テムの実装密度をいかに飛躍的に増大させるかを実証し
ている。例１及び例２と同様に、柔軟電力分配構造体16
によって柔軟性がもたらされるため、次の実装レベルと
一緒に使用することができる。セラミック・インライン
・パッケージ（CIP）をセラミック・カード組立体に組
み込むことにより、この実施例では、各セラミック・カ
ード組立体の密度が、例１と比べてカード当たり少なく
とも４倍になる。しかし、システム・レベル、すなわ
ち、FRUでは、この実施例のFRUがスペースを占めるた
め、密度は、カード・レベルの密度の約半分になる。各
セラミック・カード10は、複数のCIPを組み込んで、実
装密度を増大させる。第８図に示すように、CIPは、好
ましくは半田ボール56によってセラミック・カード10に
接着する。各CIPには、好ましくは半田ボール54によっ
てチップを直接装着する。チップ12の冷却能力を改善す
るため、熱グリースなどの内部熱特性改善手段57を、チ
ップの端部とセラミック・キャップの間に塗布すること
ができる。セラミック・キャップを冷却板42に接触させ
てチップから冷却板に至る熱経路を作る。CIPの両面装
着を容易にするための例１と同じ柔軟電力分配構造体と
同じメモリ・チップ及び論理支持チップとを使うと、各
セラミック・カード組立体のメモリ密度が４倍になる。
CIP当たり12個のチップをもつCIPを使う場合、セラミッ
ク・カード10の各面に288個の４メガバイト・メモリ・
チップと６個の論理支持チップが得られる。

チップ12をCIP50に装着した後、第８図に示すようにそ
れをセラミック・カード10に取り付け、気密密封する。
セラミック・カード組立体11Aは、CIP50が標準チップよ
り横方向に長く延びているので、例１及び２のセラミッ
ク・カード組立体11より横方向に広いスペースが必要で
ある。柔軟電力分配構造体16の柔軟性は、セラミック・
カード組立体11Aの既存のコンピュータ・システムに組
み込むのに不可欠である。たとえば、本明細書に記載さ
れた、第９図に示されているように構成された、４枚の
セラミック・カード組立体11Aを、それぞれ第３図に示
した８枚の有機カード38によって占められているボード
32の領域に置くことができる。各柔軟電力分配構造体16
は、ボード32上の端部コネクタ20の方に曲げられる。こ
の柔軟性のため、この設計を他の構成のボードにも組み
込むことができる。

第９図は、キャップを取り除いた本例のセラミック・カ
ード組立体11Aの平面図である。１面当たり６個の論理
支持チップ13、24個のコンデンサ15、24個のCIP50及び2
88個のメモリ・チップ12がある。電力タブ24は、気密密
封される領域の周囲にある。各セラミック・カード10
は、256メガバイトのメモリをもたらし、12個の論理支
持チップが必要である。第３図に示した最新技術の有機
カード手法では、同じ数のメモリ・カードに44の論理支
持モジュールが必要なことに注意されたい。すなわち、
個々のメモリ・モジュール及び論理支持モジュールが不
要となる上に、必要な論理支持チップの数が減る。この
理由は、メモリ・チップが高密度で詰め込まれているた
め、及び一部には論理支持チップ13が現在のシステムよ
り多数の回路を利用できるためである。論理支持チップ
は、そのチップ電力が高くなりすぎ、チップ接合温度が
限界を超えて、システムを故障させるため、現在その回
路を十分に利用できない。このセラミック・カード組立
体は、十分な冷却能力をもっているので、論理支持チッ
プはより効率的に使用できる。第９図に示し本明細書に
記載したセラミック・カード組立体11Aのうちの４つ
は、１ギガバイトのメモリを備えている。これは、同じ
システム領域の現在の有機カード手法で可能な値の４倍
である。

例4:スーパーコンピュータ 大半のスーパーコンピュータは、高い性能（MIPS、高速
サイクル時間など）が要求されるため、最新技術のシス
テム・アーキテクチャより低いチップ接合温度（Tj）が
必要である。CIPを使ってスーパーコンピュータを作る
ことができる。CIP50を、第７図ないし第９図に示した
のと同じ方式でセラミック・カード10に取り付け、柔軟
電力分配構造体で、以前の何れかの例と同様に、セラミ
ック・カードの表面上のタブに電力を供給させる。この
柔軟性のため、チップ12とCIP50を備えた、キャップを
外したセラミック・カードをスーパーコンピュータの応
用例で必要な冷却剤、液体窒素または他の低温液体を含
むキャリア中に置きながら、同時に各セラミック・カー
ド組立体をシステムの次の実装レベルに接続することが
できる。スーパーコンピュータCPU中に高密度メモリを
設けるために、第８図に示したセラミック・カード組立
体を使用することができる。具体的にいうと、２ギガバ
イトのメモリを作成する場合、各組立体11Aに、セラミ
ック・カード10の各面に装着されたCIP当たり18個の４
メガバイト・メモリ・チップをもつ８個のCIPを組込
み、合計144個の４メガバイト・メモリ・チップ32個の
論理支持チップをもたらす。これらのメモリ・チップに
必要な接合温度は、従来のシステムの同様のチップに必
要な接合温度より大幅に低い（少なくとも30〜60℃低
い）。これを達成するために、セラミック・カード組立
体を冷却剤または液体窒素中に置く。たとえば、例１で
使用した４メガバイト・チップの通常の動作接合温度
は、約80℃から100℃の間である。スーパーコンピュー
タの応用例では、同じチップの好ましい動作接合温度
は、約30℃から40℃の間である。本発明は、このような
低温スーパーコンピュータの応用例を可能にする柔軟性
と密度をもたらす。

本発明のいくつかの実施様態を用いた例は、特にメモリ
の応用例向けの、より高密度で、電気的に優れており、
信頼性のより高いパッケージを提供する。すべての例
は、現在の半導体技術を使って設計されたもので、指定
した性能は、使用した特定のチップ技術に対応する。当
産業の傾向として、半導体回路の密度とチップ電力が増
大し、その構成が複雑になるにつれ、高密度の３次元パ
ッケージに対する本発明の一体式熱管理、効率のよい電
力分配及び柔軟性は、ますます重要さを増すはずであ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、セラミック・カードと柔軟電力分配構造体の
一部分の組合せを示す詳細図である。 第2A図ないし第2D図は、現在のセラミック・カード・パ
ッケージに関連する電力分配上の問題を概略的に示す図
である。 第３図は、差込み式モジュールと端部接続カードを含む
ボード演算処理装置上のカードを示す図である。 第４図は、本発明の８個のセラミック・カード組立体の
現場交換可能ユニットの正面図である。 第5A図ないし第5D図は、両面チップ装着セラミック・カ
ード組立体の、平面図、正面図、詳細切取正面図及び詳
細切取平面図である。 第６図は、セラミック・カード上の電力接点と柔軟電力
分配構造体中の導電性電力面の間の好ましい接続の正面
図である。 第７図は、セラミック・インライン・パッケージのセラ
ミック・カードへの接続を示す正面図である。 第８図は、セラミック・インライン・パッケージを組み
込んだセラミック・カード組立体の正面図である。 第９図は、セラミック・インライン・パッケージを組み
込んだ、キャップを外したセラミック・カード組立体の
平面図である。 10……セラミック・カード、11……セラミック・カード
組立体、12……チップ、16……柔軟電力分配構造体、18
……キャップ、19……半田ボール、20……端部コネク
タ、24……接触パッド、25、26、27……電力面、25A、2
6A、27A……付属部、30……ポリイミド層、36……DIP、
37……論理支持モジュール、38……有機カード、40……
FRU（現場交換可能ユニット）、42……冷却板。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 エリツク・ブラース・ハルツマーク アメリカ合衆国ニユーヨーク州ワツピンガ ーズ・フオールズ、クオリイー・ドライブ 18番地 (72)発明者 フランク・パトリツク・プレステイ アメリカ合衆国ニユーヨーク州ホープウエ ル・ジヤンクシヨン、パインウツド・ロー ド、ロード７番地 (72)発明者 レイモンド・リツチ アメリカ合衆国ニユーヨーク州ワツピンガ ーズ・フオールズ、ワイルドウツド・ドラ イブ42番地 (72)発明者 ロジヤー・アレン・リツペンズ アメリカ合衆国ニユーヨーク州ソルト・ポ イント、テインカータウン・ロード254番 地 (56)参考文献 特開 昭62−119951（ＪＰ，Ａ) 実開 昭56−40674（ＪＰ，Ｕ)

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】表面に複数のチツプが取付けられており且
   つこれらのチツプに電力を供給するための複数の電力接
   点が上記チツプに隣接した表面位置に設けられている、
   次の実装レベルのマザー・ボードの表面に垂直に取付け
   られた多層セラミツク・カードと、 絶縁層と金属層の複合層よりなり、上記電力接点が設け
   られている上記カードの表面上に設けられ且つ上記チツ
   プを露出させる窓を有する電力分配構造体と、 上記窓から露出した上記チツプに隣接して設けられた冷
   却手段とを有し、 上記電力接点は上記電力分配構造体の上記金属層に接続
   されており、上記電力分配構造体の上記金属層は上記電
   力分配構造体の端において上記マザー・ボードに接続さ
   れて給電されることを特徴とするパツケージ構造体。