JPS5928989B2 - 回路パツケ−ジ及びその製造方法 - Google Patents

回路パツケ−ジ及びその製造方法

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JPS5928989B2
JPS5928989B2 JP52092272A JP9227277A JPS5928989B2 JP S5928989 B2 JPS5928989 B2 JP S5928989B2 JP 52092272 A JP52092272 A JP 52092272A JP 9227277 A JP9227277 A JP 9227277A JP S5928989 B2 JPS5928989 B2 JP S5928989B2
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は超小型の集積回路チップのような回路パッケー
ジの製造方法に係り、特にチップによつて発生する熱の
放散を行う回路パッケージの製造方法に係る。
半導体チップからの熱の放散はこの分野で重要な問題と
されている。
トランジスターや別の装置がますます多く半導体チップ
内に組み込まれるにつれ、チップの電気的動作によつて
発生する熱量は比例的に増加する。半導体設計者は以前
から熱を取り除く必要性に気づき、多数の方法を提案し
てきている・。
一般的に、この技法は空気冷却と液体冷却の２つの基本
的手段に分けることができる。通常、液体冷却法ではた
とえばフルオロカーボン液のような低沸点液の浴槽にチ
ップ・パッケージを入れる。この方法は非常に効果的で
あるが、液体による装置の汚染及び破滅的な機能停止を
引き起す容器からの液体の漏れに関する問題を起し且つ
製造コストも上昇する。通常、半導体チップの１つ以上
の表面を銅のよＪ ラな良好な熱伝導性素子を接触させ
る空気冷却法は液体冷却方法より安＜、より清潔で且つ
前述した破滅的な機能停止問題を起さない。
しかしながら、ただ単に熱伝導性素子をチツプヘ直接接
触させる空気冷却は接触の不完全性によ一 つてチップ
から熱を効率よく伝導しない。
更にこの冷却法は熱膨張、収縮、機械的応力等によつて
生じる力の直接伝達によりチップ内部及びチップの相互
接続用結合体に応力を課す。通常、空気冷却されるアツ
センブリ一ではチツプを密封する為に使用される熱伝導
性キヤツプに半導体チツプを接着している。
この形式のバツケージは、たとえばＢＭＴＤＢ，ｌ９７
Ｏ年３月１６６５頁並びにＩＢＭＴＤＢ，ｌ９７Ｏ年７
月４４２頁で説明されている。これらの構造はチツプか
ら熱を効果的に取り除くけれども、このような構造はヒ
ート・シンクと導電性の密封用キャツプ間、及びヒート
・シンクと半導体チツプ間に金属接着を用いている。こ
のような構造はチツプが電気的に動作している時、熱膨
張並びに収縮の際にチツプ及びチツプ結合体に過度応力
を与える。更に、多数のチツプが１枚の基板に配置され
、１つのキヤツプで囲まれているパツケージの場合には
、再処理能力（ＲｅｗＯｒｋａｂｉｌｉｔｙ）が特に重
要となる。
多数のチツプ中の１つの欠陥チツプをとり換えたり、基
板上の配線の修理がしばしば必要となる。しかしながら
接着した連結部は再処便又は修理をする為に分解するこ
とができない。他のパツケージの設計では機械的応力を
吸収する能力並びに高い熱伝導率の両方を備える必要性
を認識している。
たとえば、ＩＢＭ，ＴＤＢ，ｌ９７２年２月２６８９頁
を参照されたい。この文献はチツブとヒート・シンク・
カバーの空間を埋める為に、キユアしない又は完全に硬
化しない熱伝導性分散材のパツドを用いることを提案し
ている。しかしながら、このような材料は実用的でない
かなり高い熱抵抗をひき起す。従つて、本発明の主目的
は半導体チツブ及び高出力トランジスター、抵抗等のよ
うな他の電気回路素子の冷却を改良することである。
さらに本発明の目的はチツブの動作中にチツプ・リード
に過度応力をかけることなくチツプへ良好 ｊな熱伝導
性通路を設けることである。
さらに別の目的は良好な熱伝導性通路を設け且つ複数の
チツプを包含している半導体パツケージの再処理を可能
にし、又良好な熱伝導性通路も備えていることである。
本発明の別の目的は現在の半導体製造ラインで簡単に実
施できる回路パツケージの組立て方法を提供することで
ある。
本発明のさらに具体的な目的はハンダ接点によなフ つて支持基板に接続されている半導体フリツプーチツプ
の冷却を改良することである。
本発明のこれらの及び他の目的や利点は半導体チツプ又
は他の熱発生装置とヒート・シンクの間に熱伝導用パツ
ドを設けることによつて達成される。
この熱伝導用パツドは分離できるように付着されている
が一方の接触面では冶金的に非接着状態であり、他方の
接触面では冶金的に接着されている。ある良好な実施例
ではインジウムのように容易に変形できるハンダがヒー
ト・シンク囲繞体の内面に冶金的に接着されている。
この金属は機械的な変形によつて半導体チツブの形状に
合わせて付着される。従つてこの金属はチツプとハンダ
・パツドの接触面で冶金的に非接着状態であり、分離可
能な付着となる。このパツドは低い熱抵抗を与え、再処
理の為にチツプの分離又は囲繞体とチツプの分離を可能
にし、且つ熱膨張及び収縮による過度応力をチツブ又は
チツプ結合体にかけない。本発明は米国特許第３４２９
０４０号で記述しているようなチツプ内の能動装置から
支持基板上の導電性ランドへの電気接続がチツプの前面
に設けたハンダ接点でなされる゛フリツプーチツプ″゛
パツケージに有効である。第１Ａ図及び第１Ｂ図を参照
すると、回路パツケージはアルミナのようなセラミツク
基板４の上に取り付けた半導体チツブ２を有する。
導電性ランド７はセラミツク４上に配置されハンダ接点
６によつてチツプ２と相互接続される。熱伝導性キヤツ
プ８は基板４と共にチツプ２を密封するように囲む。導
電ピン（図示していない）はランド７を外部のプリント
回路板（図示していない）へ電気的に相互接続する為に
基板４を通し設けられる。本発明は何千もの回路素子を
包含している半導体チツプに有利であるのはもちろん高
出力トランジスター、抵抗等のような熱を発生する他の
電気的及び電子的装置も本発明を利用すれば放熱するこ
とができる。今まで述べてきたことは半導体パツケージ
の分野ではかなり以前から周知のことであり、本発明以
外のことである。
このような構造のパツケージは前述の米国特許第３４２
９０４０号に含まれている技術に準じるものである。本
発明はチツブ２とキヤツプ８の内面間に熱伝導用パツド
１０を設けることにある。一番重要なことに、冶金的結
合がパツド１０とキヤツプ８又はチツプ２との間のどち
らか一方でなされ且つ図にシける分離可能な接触面と称
される非冶金的結合部が他方でなされる。第１Ａ図で示
すようにパツド１０がチツプ２へ隣接して置かれる前に
、最初パツド１０は薄いフィルム９によつてキヤツブ８
へ冶金的に接着される。
それから好ましくはインジウムであるパツド１０が銅の
フイルム１０に対してフローされる。インジウムは銅に
ろう着するので、冶金的結合部がインジウム・パツド１
０とヒート・シンク・キヤツプ８の間の接触面でできあ
がる。使用できる別のフイルム９はニツケル、金、Ｃｒ
｛ｕ−Ａｕ等である。パツドをキヤツプに冶金的に接着
する為に別の技法を使用してもよい。
たとえば、キヤツプ８が銅又は真鍮である場合、インジ
ウム１０は・・ンダ性の接触面金属９を要することなく
冶金的に結合される。しかしながら、チツプ２の上方の
キヤツプ８の適切な所定位置に一・ンダ１０を拘束する
ように、又ハンダがキヤツプ８の内面全体に流れるのを
防ぐ為に、中央の所定位置の周囲にクロームのような非
ハンダ性のストツプオフを設けることが必要となる。実
際には、クロームはキヤツプ８の内面に蒸着される。
チツブが配置される位置の上方の中央位置でクロムに開
口がミリング又は食刻により設けられ、次いでクロムの
ストツブオフによつて取り囲まれた銅又は真鍮の領域に
インジウムがレフロ一される。第１Ａ図で示すように接
着したパツド１０はチツブ２の上部主表面に隣接して配
置される。
それから第１Ｂ図で示すような構造にする為に圧力がチ
ツプ２とキヤツプ８との間に容易に変形しやすい金属１
０を圧縮するようにかけられる。構造体を上下逆さまに
して卦いて基板４の裏側に重力をかけてもよいし、構造
体を上向きにしてシいてキヤツプ８の上面に重力をかけ
てもよい。熱伝導用パツド１０を圧縮する為に使用され
る多数の方法がある。
しかしながら結合体６の降伏応力を越えないように注意
深く重力を選定し且つ制御することが重要となる。パツ
ド１０としてインジクムのような簡単に変形できる金属
及び結合フ体６として鉛／錫又は鉛／インジウムのハン
ダを使用する時、このことは容易に卦こなえる。
たとえば２４０個以上のハンダ結合体をもつている４．
６ｍ１１平方程度のチツプに卦いてパツド１０により囲
まれた面積は結合体６によつて囲まれた面積の約６倍で
ある。しかしながら常温でのハンダ結合体の降伏応力（
Ｋｑ／Ｃｄ）はパツド１０の降伏応力の１３倍である。
それゆえ、パツド１０が最初に降伏する。所望ならば、
常温以上で圧縮作業を実施することによつて安全率を増
加させることもできる。
このことは鉛と錫又は鉛とインジウムのハンダの降伏応
力より以上にインジウムの降伏応力が減少するというこ
とを示している。たとえば、６０℃でインジウムのハン
ダに対する鉛と錫のハンダの降伏応力の比は２０倍以上
で、これは最低限度の６倍よりかなり大きい。もしポリ
イミド−アミド（ＰＯｌｙｉｍｉｄｅ−Ａｍｌｉｄｅ）
−のようなかたいカプセル材が結合体の間にシーラ一と
して使用されるならば、このことはさらに結合体を強く
する。若干劣るが他の代案としてはチツプ直下にある・
・ンダ結合体６の有効質量を増加させる為にダミーの結
合体を追加したり、又パツド１０の量を減少することで
ある。
後者の代案はパツケージの熱放散能力を減少させるとい
う欠点を有する。第１Ａ図及び第１Ｂ図で説明した技法
を使用し組み立てられているパツケージ装置で、チツプ
から空気への熱抵抗を２．５ーＣ／ワツトにしている。
インジウム・パツド１０がない場合、熱抵抗は１４。Ｃ
／ワツトである。チツプ２の回路とキヤツプ８の間に電
気絶縁体を設けることが必要な場合がある。
絶縁を確実にする為に多数の方法があり、これらは半導
体バツケージ分野で提案されている。たとえぱ、薄いフ
イルム絶縁体がキヤツプ８の内面と薄いフィルム９の間
に設けてもよい。代案として、チツプ２にパツド１０を
押しつける前に２酸化シリコン、窒化シリコン等のよう
な薄いフイルム絶縁体がチツプ２の上面に設けられても
よい。シリコン半導体チツプの場合、通常半導体装置製
造時に２酸化シリコンが自然にチツプの一部分として生
じる。キヤツプ８は酸化ベリリウムのような電気的絶縁
性の熱伝導性材でできている。本発明は・・ンダ接合さ
れた結合部に良好に応用されるが、電気リードがチツプ
と導電性ランド７との間で熱圧着接合又は超音波接合さ
れるような他の結合技法にも応用される。
チツプ２とパツド１０の間の熱抵抗をさらに減少させる
為に接触面はシリコーン・オイルのような熱伝導用媒体
で被覆してもよい。
第２図に戻り、非接着面すなわち分離可能な接触面がハ
ンダ・パツド１『と金属キヤツブ８′の間にあり且つ冶
金的結合部が薄いフイルム１Ｖによつてパツド１『とチ
ツプ２′の間にあるモジユールが示されている。
代表的なものとして、フイルム１１′はインジウムがろ
う着でき且つシリコン叉は２酸化シリコン及び窒化シリ
コンのような絶縁体にうまく固着するＣｒ７−Ｃｕ−Ａ
ｕの合成層である。インジウムがろう着でき且つシリコ
ンに接着できる他の適当なフイルムはＣｒ−Ｃｕ，Ｃｒ
−Ｎｉ及びＴｉ−Ｐｄ−Ａｕである。第２図の組み立て
工程は第１Ａ図及び第１Ｂ図で記述した工程に類似して
いる。
一番の利点はチツプ２′の上部表面上に薄いフィルム１
１′が蒸着又は付着等の技法によつて冶金的に接着され
ることである。インジウム・ハンダ・パツド１『はフィ
ルム１１′の上に置かれ、それから冶金的に結合するよ
うにインジウム・ハンダ・パツドの融点以上でレフロ一
される。パツドが固まると、非接着面すなわち分解可能
な接触面を形成する為に基板−チツブーハンダ構成部が
キヤツプ８の内面中央領域に押しつけられる。第３図で
示す実施例で、ダミー・チツブ１４がパツド１０〃と熱
を発生する能動チツプ２〃との間に配置されている。
ダミー・チツプの主目的はチツプ２〃と熱伝導用パツド
１０〃の間で完全に表面積を一致させることである。ダ
ミー・チツプはチツプからヒート・シンクへの短絡を防
ぐ為の良好な電気絶縁体を提供する為に、使用される。
マルチーチツプ・モジユールに卦いてこのダミー・チツ
プは熱伝導用通路の熱伝導劣化がなくチツプからチツブ
への短絡を防ぐ。ダミー・チツプは２酸化シリコン及び
窒化シリコンのような絶縁体で両表面が被覆されている
シリコンでできているのが好ましい。
ダミー・チツプは陽極酸化されたアルミニウム叉はベリ
リウムで作られてもよい。ベリリウムは良好な電気絶縁
体であり又高い熱伝導率を有する。しかしながら、ベリ
リウムは鋳造前の粉末状では非常に有害である。しかる
に絶縁されたシリコン・チツプは今日の半導体製造環境
に卦いて非常に有益であるとされている。ダミー・チツ
ブ１４は銅のような薄いフイルム材でもよい。
この薄いフイルムは純粋なインジウムに生じるパツド１
０〃の表面腐食を防ぐ。さらに、フイルムはチツプ２〃
にくつつくインジウムの傾向をなくする。第３図で説明
するように、一・ンダ・パツド１０〃はキヤツブ８〃及
びダミー・チツプ１４両方に冶金的に接着される。
チツプ２〃と１４との間の接触面は非接着である。これ
らのチツブは熱を発生するチツプ２〃からキヤツプ８〃
への最適な熱伝導用通路を設けるように圧縮工程で可能
なかぎり接触される。第３図で拡張したダミー・チツプ
１４の使用は１個のハンダ・パツド１０〃のかわりに多
数のハンダ・パツドの配列を使用する代案を導き出す。
多数のハンダ・バツドは大容量のハンダ１０Ｉを変形す
ることに関する問題をさける為に望ましいとされている
。通常・・ンダ１０〃を横切る熱抵抗が非接着接触面を
横切る熱抵抗に比べて低いのでこれらのハンダ・パツド
は熱放散に関して問題を提起しない。マルチ−ハンダ・
パツドは非常に大きい、たとえば１３ＴＬｍ立方程度の
チツプに一番有効である。
第４図では本発明を実施しているマルチーチツプ・モジ
ユールを説明している。数百の半導体集積回路チツプを
内蔵しているこのモジユールは過去に提案されているが
これまで知られているかぎりに卦いていづれも商業的に
成功していない。通常これらはチツブを包含しているチ
ヤンバ一内の沸騰液によつて冷却されるがこの冷却を前
述したような問題を起している。このパツケージで、そ
れぞれのチツブ１０２はハンダパツド１１０によつてヒ
ート・シンク・カバー１０８に熱がつたわるように結合
される。
冶金的に結合した接触面及び非接着面すなわち分離可能
な接触面をもつている前述の実施例のどれでも応用でき
る。キヤツプ１０８は相互結合用ピン１３５を備えてい
るアルミナ基板１２４と合うように低い熱膨張係数のＭ
Ｏ又はＢｅＯでつくられるのが好ましい。他の利点は同
一バツケージ内で異なる熱発生特性をもつチツプを自由
に選択して使用できることである。それぞれのチツプが
同一温度で動作するようにパツドが作られる。さらに、
キヤツプ１０８は種々の素子に適合できるように支柱や
、吸熱パツド用の凹部をもつこともできる。本発明によ
れば、半導体装置又は熱発生する別の装置からパツケー
ジの箱又はカバーへの良好な熱伝導通路を有するパツケ
ージが提供される。さらに、本発明は、装置の電気的動
作中に装置又はその接合部の一体性を破壊する恐れのあ
る機械的応力を防ぐ。
【図面の簡単な説明】
第１Ａ図及び第１Ｂ図はヒート・シンク・カバーにろう
着されている熱伝導用パツドが機械的変形によつて、分
離できるようにチツブに接触している集積回路パツケー
ジの断面図である。 第２図はパツドがチツプにろう着され且つ分離できるよ
うにヒート・シンクに接触しているパツケージの断面図
である。第３図は第１図のバツケージと類似し、パツド
と機能用の熱発生チツプとの間にダミー・チツプを用い
ているパツケージの断面図である。第４図はそれぞれの
チツプがそれぞれのヒート・シンク・パツドを用いてい
るマルチーチツプ・モジユールの断面図である。２・・
・・・・チツプ、４・・・・・・基板、６・・・・・・
結合体、７・・・・・・ランド、８・・・・・・キヤツ
プ、９・・・・・゜フイルム、１０・・・・・・バツド
。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ 熱発生素子がヒート・シンク素子への熱伝導によつ
    て冷却されるようにした回路パッケージの製造方法にお
    いて、上記素子の一方の素子の主表面に変形可能な金属
    塊を冶金的に接着し、上記金属塊と上記他方の素子表面
    との間に非接着で且つ分離可能な接触面を形成するよう
    に上記他方の素子の主表面に対して上記金属塊を相対的
    に押しつけることを特徴とする回路パッケージの製造方
    法。 ２ 変形可能な金属塊がインジウム及びインジウム合金
    からなる群から選択されることを特徴とする特許請求の
    範囲第１項記載の回路パッケージの製造方法。
JP52092272A 1976-09-03 1977-08-02 回路パツケ−ジ及びその製造方法 Expired JPS5928989B2 (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US000000720471 1976-09-03
US05/720,471 US4034469A (en) 1976-09-03 1976-09-03 Method of making conduction-cooled circuit package

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPS5331968A JPS5331968A (en) 1978-03-25
JPS5928989B2 true JPS5928989B2 (ja) 1984-07-17

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ID=24894127

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP52092272A Expired JPS5928989B2 (ja) 1976-09-03 1977-08-02 回路パツケ−ジ及びその製造方法

Country Status (9)

Country Link
US (2) US4034469A (ja)
JP (1) JPS5928989B2 (ja)
AR (1) AR219299A1 (ja)
BE (1) BE857399A (ja)
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GB (1) GB1569453A (ja)
IT (1) IT1114116B (ja)
SE (1) SE435126B (ja)

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