JPH08340061A - ボール・グリッド・アレイ・パッケージ - Google Patents

ボール・グリッド・アレイ・パッケージ

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JPH08340061A
JPH08340061A JP8132935A JP13293596A JPH08340061A JP H08340061 A JPH08340061 A JP H08340061A JP 8132935 A JP8132935 A JP 8132935A JP 13293596 A JP13293596 A JP 13293596A JP H08340061 A JPH08340061 A JP H08340061A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 熱性能を向上させ、はんだボール疲労を減少
させる、回路付きセラミック・チップ・キャリヤを有す
るボール・グリッド・アレイ・パッケージを提供する。 【解決手段】 パッケージ３０は、ヒート・シンク３４
と、ヒート・シンク３４にボンディングされた複数のセ
ラミック構成部品キャリヤ３６とを有する。セラミック
構成部品キャリヤ相互間のヒート・シンク領域には、集
積回路チップまたはその他の電子構成部品３２もボンデ
ィングする。電子構成部品は、セラミック構成部品キャ
リヤ内の導電経路に電気的に接続される。導電経路は、
はんだボールまたは可溶導体３８と、セラミック構成部
品キャリヤの少なくとも１つの面上で電気的に接触して
いる。このようなボール・グリッド・アレイ・パッケー
ジによって、熱性能が向上し、はんだボール疲労が減少
し、セラミック構成部品キャリヤと金属ヒート・シンク
の間の応力が減少する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、集積回路（ＩＣ）
チップまたはダイ用の改良型ボール・グリッド・アレイ
（ＢＧＡ）パッケージと、それらのパッケージの製造方
法に関する。詳細には、本発明は熱性能を向上させ、は
んだボール疲労を減少させる、回路付きセラミック・チ
ップ・キャリヤを有するボール・グリッド・アレイ・パ
ッケージに係わる。
【０００２】
【従来の技術】当技術分野では、はんだボール、ワイヤ
・ボンド、または同様のものによってセラミック・チッ
プ・キャリヤに電気的に接続されたＩＣチップを備え、
セラミック・チップ・キャリヤがさらに他のはんだボー
ルによってプリント回路基板アセンブリなどの別の電子
構成部品に電気的に接続されている電子パッケージまた
は構成部品が知られている。このタイプのパッケージは
しばしば「ボール・グリッド・アレイ」または「ＢＧ
Ａ」と呼ばれる。
【０００３】従来の技術のＢＧＡパッケージでは、チッ
プおよびセラミック・チップ・キャリヤは銅またはその
他の金属製のシンクまたはスプレッダにボンディングさ
れることが多い。これによってダイから熱を除去し、ダ
イをできる限り低温に維持する。この形態のコネクタの
典型的な例は、米国特許第５３５５２８３号、米国特許
第５２９７００６号、米国特許第５２９１０６２号、米
国特許第５１９１５１１号、および米国特許第４９９３
１４８号で開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、集積
回路チップおよびその他の半導体素子などの電子構成部
品用の熱強化パッケージを提供することと、そのような
パッケージを製造する信頼性の高い経済的な方法を提供
することである。
【０００５】他の目的は、はんだボール疲労を減少させ
るボール・グリッド・アレイ・パッケージを提供するこ
とである。
【０００６】他の目的は、キャリヤとヒート・シンクと
の界面の応力を減少させる、金属製ヒート・シンクにボ
ンディングされたセラミック製構成部品キャリヤを備え
る固体電子構成部品用のパッケージを提供することであ
る。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記の目的は、ヒート・
シンクとして働く熱伝導部材と、このヒート・シンクに
ボンディングされた複数のセラミック構成部品キャリヤ
とを有するパッケージによって達成される。セラミック
構成部品キャリヤ相互間のヒート・シンク領域には、集
積回路チップまたはその他の電子構成部品がボンディン
グされる。電子構成部品は、セラミック構成部品キャリ
ヤ内の導電経路に電気的に接続される。導電経路ははん
だボールまたは可溶導体と、セラミック構成部品キャリ
ヤの少なくとも１つの面上で電気的に接触している。通
例の通り、はんだボールはパッケージをプリント回路基
板またはその他の構成部品に電気的に接続する機能を果
たす。
【０００８】ヒート・シンクは熱性能を強化する。ヒー
ト・シンクがセラミック構成部品導体にボンディングさ
れているため、セラミック構成部品キャリヤと、通常は
セラミック構成部品キャリヤよりも金属製ヒート・シン
クの方に近い熱膨張率を有するプリント基板との間の膨
張差が縮められる。これによってはんだボール疲労が減
少する。複数の同様のセラミック部品を使用することに
よって、ＢＧＡはんだボールにかかる応力も減少し、そ
れによってそれらのはんだボールの疲労が減少する。
【０００９】
【発明の実施の形態】図１および図２は、典型的な従来
の技術のボール・グリッド・アレイまたはフリップチッ
プ・パッケージを示す略図である。図１に示すように、
パッケージ１０は、ＩＣチップ１２のアクティブ面上に
はんだボール１４が形成またはその他の方法で付着させ
てある集積回路ＩＣチップ１２を含む。はんだボール１
４を有するチップ１２をセラミック構成部品キャリヤ１
６に接続するためにひっくり返す（すなわちフリップさ
せる）。したがって、「フリップチップ」と呼ばれる。
【００１０】セラミック・チップ・キャリヤ１６には、
チップ１２上のはんだボール１４をセラミック・キャリ
ヤ１６の底面のはんだボール１８に接続するいくつかの
導電経路（図示せず）が含まれている。これらのキャリ
ヤは、しばしば「回路付きセラミック・チップ・キャリ
ヤ」と呼ばれる。
【００１１】セラミック・キャリヤ１６上のはんだボー
ル１８を溶融させて、２４として略図を示すプリント回
路基板（ＰＣＢ）上の導電接点２２にボンディングす
る。図１に示すように、セラミック・キャリヤ１６をＰ
ＣＢ２４に接続するはんだボール１８は、ＩＣチップ１
２をセラミック・キャリヤ１６に接続するボール１４よ
りも大きく、間隔が広くとられている。一般に、ボール
１４は直径が約０．０７６ｍｍ（３ミル）と０．１２７
ｍｍ（５ミル）の間であり、間隔は約０．２３〜０．２
５ｍｍ（９〜１０ミル）である。それに対してボール１
８は通常、直径が約０．７６〜０．８９ｍｍ（３０〜３
５ミル）の間であり、間隔は約１〜１．３ｍｍ（４０〜
５０ミル）である。キャリヤ１６上のボール１８の大き
さと間隔はチップ上のボール１４と同じにすることが望
ましいのであろうが、セラミック・キャリヤ１６が接続
されている構成部品とそれらの製造許容誤差のために、
キャリヤ１６上のボール１８の大きさと間隔をより大き
くしなければならなくなる傾向がある。
【００１２】どのような電子システムでも動作中は通常
のことであるが、チップ１２、セラミック・キャリヤ１
６、およびプリント回路基板２４は使用中にかなりの熱
を発生／吸収する。たとえば、チップは摂氏１００度以
上の温度に達することがある。このような温度は、シス
テムの動作（活動状態の構成部品は付加的な熱を発生す
る）、周囲条件、およびその他の要因に応じて変動す
る。この周期的な加熱と冷却によって、周期的な熱膨張
と収縮が生じる。様々な構成部品およびその他の部品が
様々に加熱され、冷却され、しかも一般には熱膨張率が
異なる。１６などのセラミック・キャリヤは約６×１０
-6〜８×１０-6ｃｍ／ｃｍ℃の熱膨張率を有する傾向が
あるが、プリント回路基板は一般にＦＲ４と呼ばれるガ
ラス充填エポキシ・ファイバグラスで作られ、１６×１
０-6〜２１×１０-6ｃｍ／ｃｍ℃の範囲の熱膨張率を有
する傾向がある。
【００１３】変動する加熱と冷却によって起こる膨張と
収縮の変化、熱膨張率の相違、およびその他の要因によ
って、特定の相互接続部品間に繰返し応力が生ずる傾向
がある。たとえば、セラミック・キャリヤ１６の熱膨張
率はプリント回路基板２４よりも低く、ＩＣチップ１２
に近いため、より急激に加熱される傾向がある。したが
って、セラミック・キャリヤ１６は、プリント回路基板
２４とは異なる膨張率で膨張することになる。この膨張
差による応力は、セラミック・キャリヤ上のはんだボー
ル１８とプリント回路基板上の接点２２との間の接続部
によって吸収される。この繰返し応力の結果、「はんだ
ボール疲労」と呼ばれる状態を生じ接続部の最終的な障
害に至る。
【００１４】膨張量と、その結果としての応力およびひ
ずみは、それぞれの構成部品の寸法に応じて変わる。最
大の応力は通常、相接する構成部品の中立点から最も遠
い接続部で発生する。本明細書では「中立点」とは、２
つの隣接する構成部品間の相対的膨張がない点、言い換
えると、それら構成部品間の接続部で膨張により誘発さ
れる応力がない点を意味する。たとえば、セラミック・
キャリヤ１６とプリント回路基板２４の間のはんだボー
ル接続の場合、中立点は図２の中央のボール１８ｎに発
生する。その他がすべて等しいとすると、最大の応力が
かかるのはキャリヤ１６の四隅にあるボール１８ｃ、す
なわち中立点から最も遠いボールである。中立点から最
も遠いはんだボール１８ｃにかかる応力を許容限界内に
維持するために、セラミック・チップ・キャリヤ１６の
寸法を制限しなければならない。典型的な材料では、中
立点から最も遠い１つまたは複数のはんだボールまでの
距離は、約４５ｍｍ以下でなければならず、約３５ｍｍ
以下であることが好ましい。はんだボールとはんだボー
ルが接続されている構成部品の寸法と間隔により、一般
にボールの配列は３６０ないし６００個以下に制限され
る。
【００１５】図３に、他の従来の技術のボール・グリッ
ド・アレイ・パッケージを示す。これについては、米国
特許第５３５５２８３号で詳細に述べられている。この
アレイ５００では、中心穴５０９を備えた基板５０２
が、銅または許容可能な高さの熱伝導率を有するその他
の材料で形成することができるヒート・シンク５１０
に、エポキシ接着材などの接着材５１１によってボンデ
ィングされている。ヒート・シンク５１０には中心穴５
０９内の接着材５１２によって集積回路チップ５０１も
ボンディングされている。中心穴５０９には後でカプセ
ル封じ材５０３が充填される。
【００１６】基板５０２は、経済性と製造上の理由で熱
硬化性または熱可塑性樹脂などの有機材製とすることが
できるが、ガラスまたはセラミックなどの無機材製とす
ることもできる。この積層構造によって、はんだボール
疲労問題が大幅に軽減される。典型的なパッケージで
は、図３のアセンブリがボンディングされるプリント回
路基板またはその他の構成部品の熱膨張率は、セラミッ
ク・キャリヤ５０２の熱膨張率よりも金属製ヒート・シ
ンク５１０の熱膨張率に近い。これは、図３のボンド構
造では、セラミック基板５０２の全膨張はそれが接続さ
れているＰＣＢの全熱膨張に近い。したがって、膨張差
が少なく、はんだボール疲労が少ない。
【００１７】残念なことに、１つの問題を軽減させると
別の問題が生じる。金属ヒート・シンク５１０とセラミ
ック基板５０２との熱膨張率の差によって、接着材層５
１１に応力が生ずる。これは、加熱と冷却の速度の差に
よって大きくなる。金属ヒート・シンクは接着パッチ５
１２の比較的広い面積を伝わる伝導によって直接加熱さ
れる。セラミック基板５０２は金属ヒート・シンク５１
０とカプセル封じ材５０３とを伝わる伝導によって直接
的に加熱される度合いがより少ない。したがって、周期
的な温度差が存在する可能性が高く、その温度差によっ
て熱膨張率の差による膨張の差が大きくなる。
【００１８】図１および図２に示す構造の場合と同様
に、これによって図３に示すパッケージの寸法に事実上
の制限が加えられる。パッケージが対称であって、金属
ヒート・シンクとセラミック・キャリヤ５０２の間のボ
ンディングのために中立点がヒート・シンク５１０とＩ
Ｃチップ５０１の間の界面の中心になると仮定すると、
この中立点から接着層５１１内の最も遠い隅までの距離
は、この接着層内の許容応力の限界によって制約され
る。この距離が大き過ぎ、パッケージが動作中に通常の
周期的な膨張と収縮を受けると、接着材の障害が起こる
可能性が高い。
【００１９】図４および図５に、図１および図２のパッ
ケージ１０のはんだボール疲労問題と図３のパッケージ
５００のヒート・シンク／セラミック・キャリヤ膨張差
問題の両方に対処する本発明を実施するパッケージ３０
を示す。パッケージ３０には、パッケージ５００のよう
に、熱伝導接着材の層３３によって集積回路チップ３２
が金属板すなわちヒート・シンク３４にボンディングさ
れている。ヒート・シンク３４はパッケージ３０全体に
熱を分散させる役割を果たすため、ヒート・スプレッダ
と呼ぶことがある。ヒート・シンク３４は銅製であるこ
とが好ましく、接着材は米国カリフォルニア州ランチョ
・ドミンゲスのAblestick Laboratories社製の９６５Ｉ
Ｌエポキシなどのエポキシであることが好ましい。
【００２０】チップ３２がワイヤ・ボンド３５によって
４個の台形の回路付きセラミック・チップ・キャリヤ３
６内の導電経路（図示せず）に接続されている。これら
のチップ・キャリヤ３６のそれぞれは、接着材３７によ
って金属ヒート・シンクにボンディングされている。接
着材３７は接着材３３と同じであることが好ましい。チ
ップ・キャリヤ３６内の導電経路とワイヤ・ボンド３５
によって集積回路チップ３２に接続された可溶導体とし
てのはんだボール３８は、プリント回路基板４４または
その他の構成部品上の金属接点４２にも接続されてい
る。
【００２１】前述のパッケージ５００の場合のように、
金属ヒート・シンク３４がセラミック・チップ・キャリ
ヤ３６の膨張を制御し、典型的な実装例では、プリント
回路基板４４の膨張特性により近い。金属ヒート・シン
ク３４とプリント回路基板は両方とも、１６×１０-6〜
２１×１０-6ｃｍ／ｃｍ℃の範囲の膨張率を有する傾向
がある。前述のように、セラミック・キャリヤ３６は約
６×１０-6〜８×１０-6ｃｍ／ｃｍ℃の膨張率を有する
傾向がある。
【００２２】ヒート・シンク／セラミック・キャリヤ積
層体の膨張は、主として金属ヒート・シンク３４の膨張
によって決まる。金属ヒート・シンク３４（積層ヒート
・シンク／セラミック・キャリヤ構造体の膨張を制御す
る）とプリント回路基板４４の熱膨張率が同様であるこ
とにより、はんだボール疲労が最小になる。さらに、複
数のセラミック・チップ・キャリヤ３６の使用によっ
て、金属ヒート・シンクとセラミック・キャリヤの間の
膨張の不一致によって起こる問題が少なくなる。図５に
示すように、中立点（Ｎｐ）は、セラミック・チップ・
キャリヤ３６と金属ヒート・シンク３４の間のボンディ
ングのために、チップ・キャリヤの幾何学的中心または
その付近にある。この中立点からチップ・キャリヤの底
部またはチップ・キャリヤの外縁に沿った任意の隅まで
の距離は、同等の大きさの場合、パッケージ５００から
接着材層５１１の任意の隅までの距離よりもかなり短
い。したがって、所与の大きさのパッケージの場合、パ
ッケージ３０内の接着材層３７の応力は、パッケージ５
００内の接着材層５１１よりも少なくなる。これは、図
４および図５に示すような本発明の構造によって、パッ
ケージをより広くすることができ、ＰＣＢ４４との接点
を追加する余地ができることを意味する。あるいは、は
んだボール３８とＰＣＢ接点４２をより大きな間隔で配
置することができ、それによって信頼性または製造歩留
まり、あるいはその両方を向上させることができる。
【００２３】図７および図８に本発明を実施する他のパ
ッケージ５６を示す。この場合も、ＩＣチップ５２が接
着材５３によって金属ヒート・シンク５４にボンディン
グされている。チップは、回路付きセラミック・チップ
・キャリヤ５６、５７内の導電経路（図示せず）を通し
てワイヤ・ボンド５５によってチップ・キャリヤ５６お
よび５７上のはんだボール５８に電気的に接続されてい
る。さらに、はんだボールはプリント回路基板（図示せ
ず）またはその他の構成部品との電気的接続を行う。チ
ップ・キャリヤ５６および５７は、接着材５９によって
ヒート・シンク５４にボンディングされている。
【００２４】図７に示すように、パッケージ５０は２種
類の異なる形状のセラミック・チップ・キャリヤを使用
する。２つのチップ・キャリヤ５６は、金属ヒート・シ
ンク５４のほぼ全幅にわたって延びる長い矩形である。
他方のチップ・キャリヤ５７は、それより短く、長いチ
ップ・キャリヤ５６の両端の間に配置されている。
【００２５】長い方のチップ・キャリヤ５６の両方の中
立点（Ｎｐｌ）からそれらのキャリヤの１つの隅までの
距離は、短い方のチップ・キャリヤ５７の両方の中立点
（Ｎｐｓ）からその隅のうちの１つまでの距離よりもか
なり長い。しかし、いずれかの長いチップ・キャリヤ５
６の中立点からその隅までの距離は、それでも図３の従
来の技術のパッケージ５００の中立点からそのパッケー
ジのセラミック基板５０２を金属ヒート・シンク５１０
にボンディングする接着材層５１１内の最も遠い点まで
の距離よりもかなり短い。したがって、長い方のチップ
・キャリヤ５６をヒート・シンク５４にボンディングす
る接着材層５９における応力は、パッケージ５００にお
ける応力よりもかなり小さい。多くの場合、図７および
図８に示す構造は、他の構成ほど応力を減少させない
が、応力を許容可能なレベル内に維持する。それと同時
に、この構造によってかなりの製造上の経済性を実現す
ることができる。それ以上の応力軽減を希望する場合
は、長いチップ・キャリヤ５６を、たとえばパッケージ
の水平中心線に沿って細分することができる。当業者に
は他の様々な代替案が容易にわかるであろう。
【００２６】本発明の方法では、チップ・キャリヤは、
典型的には１枚の回路付きセラミック・シートを形成し
てからそのシートを所望の構成のチップ・キャリヤに切
断することによって、従来の工程で形成する。図６に示
すように、１枚の回路付きセラミック・キャリヤ材料の
ストリップ４５を、互い違いの４５度の切れ目４７によ
って一連の台形のブランク４６に切断することができ
る。切断の前または後に、台形ブランク４７の表面には
んだボールを形成またはその他の方法で付着させて、チ
ップ・キャリヤ３６を製造する。
【００２７】次に、金属ヒート・シンクに集積回路チッ
プおよび所望の数と構成のセラミック・チップ・キャリ
ヤを接着ボンディングする。典型的には、チップをチッ
プ・キャリヤ内の導電経路にワイヤ・ボンディングしや
すいように、チップは図４、図５、図７、および図８に
示すようにパッケージの中央に配置される。これでパッ
ケージをプリント回路基板またはその他の個性部品に配
置して加熱し、信頼性の高い接続を形成することができ
る。
【００２８】したがって、本発明は集積回路チップとＰ
Ｃ基板またはその他の構成部品との間の信頼性の高いボ
ール・グリッド・アレイ接続を形成する方法と装置を提
供する。セラミック・チップ・キャリヤと金属ヒート・
シンクの間のはんだボール疲労と応力が大幅に減少す
る。これによって、設計者はより大型のパッケージまた
はより信頼性の高い接続、あるいはその両方を作製する
ことができる。当業者なら、本発明によって特定のパッ
ケージにおける特別な考慮すべき問題を扱うための高い
柔軟性が得られることが容易に理解されよう。上記で開
示されている実施例には、特許請求の範囲で規定されて
いる本発明の範囲内で多くの変更を加えることができ
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】典型的な従来の技術のボール・グリッド・アレ
イまたはフリップチップ・パッケージの略立面断面図で
ある。
【図２】図１に示すセラミック・キャリヤの底面平面図
である。
【図３】従来の技術の技術のＢＧＡパッケージの立面図
である。
【図４】本発明を実施するＢＧＡパッケージの立面断面
図である。
【図５】図４に示すＩＣチップ、セラミック・キャリヤ
部、およびヒート・シンク底面平面図である。
【図６】図４および図５に示すパッケージ用のセラミッ
ク構成部品キャリヤの製造におけるステップを示す図で
ある。
【図７】本発明の他の実施例の立面断面図である。
【図８】図７に示す実施例の底面平面図である。
【符号の説明】
１０ パッケージ １２ ＩＣチップ １４ はんだボール １６ セラミック構成部品キャリヤ １８ はんだボール ２２ 接点 ２４ プリント回路基板 ５００ アレイ ５０１ 集積回路チップ ５０２ セラミック基板 ５０３ カプセル封じ材 ５０９ 中心穴 ５１０ ヒート・シンク ５１１ 接着材 ５１２ 接着材 ３０ パッケージ ３２ 集積回路チップ ３３ 接着材 ３４ ヒート・シンク ３５ ワイヤ・ボンド ３６ チップ・キャリヤ ３７ 接着材 ３８ はんだボール ４２ 接点 ４４ プリント回路基板 ４６ ブランク ４７ ブランク ５０ パッケージ ５２ ＩＣチップ ５３ 接着材 ５４ ヒート・シンク ５６ チップ・キャリヤ ５７ チップ・キャリヤ ５８ はんだボール ５９ 接着材
フロントページの続き (72)発明者 ステファン・ロバート・エングル アメリカ合衆国13905 ニューヨーク州ビ ンガムトン クレストモント・ロード 57 (72)発明者 スコット・プレストン・ムーア アメリカ合衆国13732 ニューヨーク州ア パラチンスプリングトリー・ブールバード 20

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】熱伝導部材と、 前記熱伝導部材にボンディングされた第１の電子構成部
    品と、 前記熱伝導部材にボンディングされた複数の構成部品キ
    ャリヤとを含み、 前記構成部品キャリヤが、 前記熱伝導部材の熱膨張率とは異なる熱膨張率と、 少なくとも１つの面上の複数の可溶導体と、 複数の導電経路とを有し、 前記電子構成部品が、前記導電経路に電気的に接続さ
    れ、前記経路を介して前記可溶導体に電気的に接続され
    ている、熱強化された電子パッケージ。
  2. 【請求項２】少なくとも１つの面上に導電接点を有する
    第２の電子構成部品をさらに含み、前記可溶導体が前記
    導電接点に結合されている、請求項１に記載のパッケー
    ジ。
  3. 【請求項３】前記可溶導体がはんだボールよりなり、前
    記第２の電子構成部品がプリント回路基板よりなり、前
    記第１の電子構成部品が集積回路チップよりなり、前記
    集積回路チップがワイヤ・ボンドによって前記導電経路
    に接続され、前記チップが前記ワイヤ・ボンドと前記導
    電経路と前記はんだボールとによって前記プリント回路
    基板に接続されていることを特徴とする、請求項２に記
    載のパッケージ。
  4. 【請求項４】前記熱伝導部材が銅からなり、前記構成部
    品キャリアがセラミック・キャリアであり、前記構成部
    品キャリヤが前記熱伝導部材に熱伝導接着材によってボ
    ンディングされていることを特徴とする、請求項１また
    は３に記載のパッケージ。
  5. 【請求項５】４個の前記構成部品キャリヤを有し、前記
    構成部品キャリアのそれぞれが台形形状と、第１の縁と
    第２の縁とを有し、前記第２の縁が前記第１の縁と平行
    であって前記第１の縁よりも短く、前記電子構成部品に
    隣接して配置されている、請求項１に記載のパッケー
    ジ。
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