JP4528246B2 - マルチチップ集積回路パッケージ - Google Patents

Description

本発明は、集積回路パッケージに関する。

集積回路の絶えず増大する接続（ピンカウント）の数により、プリント回路基板に集積回路を接続するボール・グリッド・アレイ・パッケージの使用が増加している。これは、プリント回路基板（ＰＣＢ）へのアタッチメントに対する、非常に大きなピッチのボール・グリッド・アレイに、かなり細かいピッチの、集積回路のフリップ・チップ・バンプ・アレイの再分布を容易にする。

キャリヤは、介在物（ｉｎｔｅｒｐｏｓｅｒ）としてしばしば呼ばれ、ビスメールイミド・トリアジン（ｂｉｓｍａｌｅｉｍｉｄｅ ｔｒｉａｚｉｎｅ）（ＢＴ）等のプラスチック材料又はセラミック等の異なる材料から製造することができる。

キャリヤも、熱伝導によって集積回路から熱エネルギーを除去することによってヒートシンクとして機能する。従って、キャリヤは熱のひずみにさらされる。

更に、集積回路、キャリヤ及びＰＣＢを含む電子パッケージ組立体は、異なる機械的性質を有する多くの異なる材料を備えている。複雑な熱応力が、非均一な温度分布、幾何学的形状、材料構成と熱膨張ミスマッチによって、動作中のパッケージの中で起こる可能性がある。

一般的に、今日集積回路は、金又ははんだバンプのボール・グリッド・アレイによって、キャリヤに電気的に接続される。同じように、キャリヤははんだボールの更なる、より大きなボール・グリッド・アレイによって、ＰＣＢに電気的に接続される。熱機械ストレスは、ＰＣＢとキャリヤとの間のはんだボール接合点で一般的に最も厳しい。これは、はんだボール接続のせん断で終わる可能性がある。ＰＣＢとキャリヤとの間の熱ひずみの差の増加によるキャリヤのエッジ長さの増加によって問題が増幅される。キャリヤのエッジ長さでの増加は、集積回路接続とはんだボールの数の増加と一般的に関連する。

電流ボール・グリッド・アレイ設計は、現在、代表的な集積回路ピンカウントに対する信頼性の限界にある。

一般的に、はんだボールは、約０．０８％のピーク弾性せん断ひずみ値を備えている。５００ミクロンの厚さの固体シリコンキャリヤ、１ミリメートルのピッチの５００ミクロン直径はんだボール、７００ミクロンの厚さのＰＣＢ及び側面の１６ミリメートルのシリコンチップを使用して、出願人によってなされた計算の実験は、はんだボールの可塑性の生産値よりはるかに高い、パッケージの最外部のボールにおける１．４７６％のピークのせん断ひずみ値を示した。

パッケージの最外部のエッジのボールが平行せん断の最大量を経験するとき、この結果が予想されることになっている。

半導体のためのインターナショナル・テクノロジー・ロードマップのアセンブリとパッケージング・セクションの刊行物の１９９９年編集（本明細書を提出する時点で市販されている最近の版）の２１７ページの表５９ａに示されるように、高性能集積回路のピンカウントは１８００オーダのピンを備える。近い期間、すなわち２００５年までの技術の要求は、高性能な集積回路に対して、３，０００を超えるピンカウントが必要とされることを示すが、表が示すようにそれに対して現在までに知られた解法は存在しない。同じように、刊行物の表５９ｂの２１９ページで、より長い期間の約２０１４年まで、９，０００オーダの高性能な集積回路パッケージに対するピンカウントが必要とされる。再び、表で示すように、この種のパッケージに対する知られた解法はない。

これらの見地が本発明の焦点である。

本発明に従うと、
複数の収容エリアであって、各々の収容エリアが電気的な接触部を含み、各々の収容エリアが１つ以上の集積回路を収容するように構成されている当該複数の収容エリアと、
各々の収容エリアを中心として配置される複数のアイランドであって、少なくとも１つのアイランドが、関連した収容エリアの前記接触部のうち１つに電気的に接続された電気的な端子を備えた当該複数のアイランドと、
各アイランドを、当該アイランドの近傍のアイランドの各々に接続する接続部材であって、当該接続部材が、ジクザグの形状を有している、当該接続部材と、
を含む集積回路パッケージが提供される。

一定の収容エリアが、ウェーハの表面上に境界を定められる。いくらかの他の収容エリアがウェーハで形成される凹部によって境界を定められるだろう。更に他の収容エリアが、ウェーハを通して延びる通路によって境界を定められ、電気的なコンタクトが、通路を中心としてウェーハに配置される。

該パッケージと集積回路との間の熱のミスマッチを低減するために、ウェーハが、各々の集積回路とほぼ接近している熱膨張率を有する集積回路と同じ材料だろう。

アイランドと接続部材は、ウェーハをエッチングすることによって形成されるだろう。

収容エリアが凹部または通路である場合には、それらはまた、ウェーハでエッチングされるだろう。

関連する収容エリアに接するアイランドの各々は、第２の接続部材によって、収容エリアに接続されるだろう。

本発明を、添付図面と関連して、一例として説明する。

図面を参照し、本発明に従う集積回路パッケージを、参照符号１０によって全体的に示す。集積回路パッケージを、図２で更に詳細に示す。

集積回路パッケージ１０は、チップ１４（図７）又は集積回路を収容するための、収容エリア１２を備えている。

複数のアイランド画定部分又はアイランド１６は、収容エリア１２を囲んでいる。各々のアイランド１６は、上にはんだボール２０が取り付けられ、又はリフローされる電気的な端子１８を有する。

各々のアイランド１６は、接続部材２２の形の剛性を低減する構成によって、その近傍のアイランド又はアイランド１６に接続される。これは、図１で概念的に更に詳細に示される。図１で示すように、各々の接続部材２２は、ばねのような機能として役立ち、各々のアイランド１６は近傍のアイランド１６に関して運動の自由度を備える。従って、プリント回路基板２４（図７〜９）と集積回路パッケージ１０との間の膨張の差は、関連した接続部材２２の伸張又は収縮によって補正される。その結果、アイランド１６上ではんだボール２０に与えられるせん断ひずみはかなり低減され、はんだボール２０の疲労破壊はそれに対応して低減される。

集積回路パッケージ１０の種々の実施形態を、図３〜６に関して説明する。図３で集積回路パッケージ１０は単一の、カーブしたアーム２６を備える接続部材２２によって、その近傍のアイランド１６に接続される各々のアイランド１６を備えている。

図４で示す発明の実施形態で、各々の接続部材２２は、直角のブリッジング部分３０により相互接続する一対の並列のアーム２８によって、その近傍のアイランド１６に１つのアイランド１６を接続する。

図５で示す実施形態の各々の接続部材２２は、互いに平行に延びた３つのアーム３４を備えた構成によって、その近傍のアイランド１６に１つのアイランド１６を接続する。隣接アーム３４は、直角のブリッジング部分３２によって一体に接続されている。

図６で示す実施形態で、１つのアイランド１６をその近傍のアイランド１６に接続する各々の接続部材２２は、直角のブリッジング部分３８によって接続された隣接アーム３６を有する５つの並列したアーム３６を備えている。

説明の容易さのために、図３〜図６に示す実施形態は、以下で、各々、１つのアーム２６接続部材２２、２つのアーム２８接続部材２２、３つのアーム３４接続部材２２及び５つのアーム３６の接続部材２２として述べる。

図７〜９において、より明らかに示すように、収容エリア１２を囲むアイランド１６は、ジクザグの素子４０の形の剛性低減構成によって、収容エリアに接続され、はんだボール２０に与えられるひずみを低減することを更に補助する。

また、図７〜９に示すように、集積回路１４は、はんだバンプ４４によって収容エリア１２で電気的なコンタクト４２（図２）に、電気的に接続される。

集積回路パッケージ１０は、集積回路１４と同じ材料から形成される。従って、集積回路パッケージ１０は二酸化けい素の絶縁層を備えるシリコンで形成される。絶縁層も、更に詳細に下で説明するように、接続部材２２にエッチングするための硬いマスクとして役立つ。

集積回路パッケージ１０の製造で、シリコンウェーハ４６が提供される。ウェーハ４６は、単結晶シリコン又は多結晶シリコンであることができる。

図１０に示す集積回路パッケージ１０の変形では、図７で示すように、収容エリア１２が、パッド１８と、集積回路パッケージ１０の同じ側にあることに注意をされたい。図８で示すように、収容エリア１２が集積回路パッケージ１０の反対の表面の上にある所で、回路層がウェーハ４６の両側に加えられる。これは、図９でより少ないスケールの上で示される。本実施形態において、各々の軌道５２は、ウェーハ４６を通して延びるめっきした貫通穴５８によって、その関連したパッド１８に電気的に接続される。

次に図１１と図１２を参照して、集積回路パッケージ１０の２つの更なる実施形態を説明する。前の図面に関して、特に明記しない限り、同じような参照符号は同じような部分である。

図示する例では、集積回路パッケージ１０の表面上で境界を定められる代わりに、収容エリア１２は、集積回路パッケージ１０を通して定められる通路６０である。集積回路パッケージ１０の１つの表面に結合される金属のふた６２の形で、集積回路１４はマウンティング手段又は保持手段に取り付けられる。集積回路１４の反対の表面は、集積回路パッケージ１０に集積回路を電気的に接続するためのボンド・パッドを備えている。いうまでもなく、この実施形態で、電気的なコンタクトは、通路６０を囲む集積回路パッケージ１０の部分に配置される。図１１で示される実施形態で、相互接続はワイヤ・ボンド６４である。ボール又はウェッジボンドの何れも使用されることができる。図１２で示される実施形態で、相互接続は、ビーム・リード等のテープ・オートメーテッド・ボンド（ＴＡＢ）フィルム６６又は他のプレーナ接続である。

図１３を参照し、集積回路パッケージの展開図を、参照符号７０によって全般的に示す。前の図面に関連し、特に明記しない限り、同じような参照符号は同じような部分を示す。

本発明のこの実施形態で、集積回路パッケージ７０は、図１３の７２、７４と７６で示されるような、複数の集積回路又はチップを指示しているチップ・モジュール基板７０である。チップ７２、７４と７６は、図１０と１１に関して上で説明したように、集積回路パッケージ７０の表面で支えられるか、図１４で示されるように集積回路パッケージ７０で奥まった所に置かれる。

上で示すように、接続部材２２は、１つのアーム２６の構造、２つのアーム２８の構造、３つのアーム３４の構造又は５つのアーム３６の構造等の異なる構造を備えているだろう。４つのアーム又は６つ以上のアーム構造等の他の構造も、有限要素解析を使用して可能であり、異なる形の接続部材２２を備えた異なるパッケージ実現、及び異なるボール・アレイを有する結果マトリックスが発生される。下で設定されるマトリックスは、１〜２４のボールのロー、固体のシリコンのパッケージ、固体のＡｌ_２Ｏ_３、固体のＢＴ、１つのアーム２６の接続部材２２、２つのアーム２８の接続部材２２、３つのアーム３４の接続部材２２、５つのアーム３６の接続部材、備えたボール・グリッド・アレイに対する結果を含む。

上で示すように、はんだに対する弾性ひずみ限界はおよそ０．０８％である。収容エリア１２のエッジから集積回路パッケージ１０のエッジまでと、はんだボールのローは定められる。

その結果、ＰＣＢ２４と集積回路パッケージ１０との間の熱機械ひずみの蓄積効果によって、固体の集積回路パッケージに対するピークのはんだボールひずみ値が特定の点まで増加するはんだボール２０によって増加されることを示す。はんだボールひずみは、１００個のボールの実施（おそらく固体のシリコンキャリヤのたわみ形での変化による）のために実際に下がる。キャリヤとＰＣＢとの間の差膨張が最小にされて低減するものの、ピークひずみは最外部のボールにおいてまだ発生する。また、ＢＴキャリヤとは別に、固体のキャリヤのピークのひずみ値は、まだはんだのための弾性ひずみ限界をはるかに上回る。

接続部材２２の実現は、はんだボールの増加によるピークはんだボールひずみの減少を示す。これは、熱のひずみミスマッチが、多くのはんだボール２０の上に分配されるという事実によるものであり、厳しい勾配が少ない曲がった形という結果になる。ロー内により少しのボールを有する、より少ないボール・グリッド・アレイは、最も奥の部分又は最も外部のはんだボール２０の上で集中荷重を引き起こすより厳しいたわみ勾配を示す。

従って、増加するはんだボール２０によるピークひずみの減少により、集積回路ピン接続の量に熱機械限界がないことは、本発明の特別な利点である。収容エリア１２の全てのサイドの１００のボールのラインは、４０，０００ボール以上のボール・グリッドに匹敵し、２０１４×９，０００ボールの期待された要件を良好に上回る。有限要素計算は、ピークはんだボールひずみが、８つ以上のボールのローを有する、３つ以上のアーム接続部材を有するキャリヤに対するはんだの弾性限界より少ないことを示す。収容エリアがシリコンであるので、従って、シリコン集積回路と同じ熱膨張率を備え、集積回路１４から集積回路パッケージ１０へのバンプ接続に対するひずみは最小にされる。これは、本明細書で説明したエッチングされた対応領域を有するシリコンＢＧＡが、ボール・グリッド・アレイを使用して、チップとＰＣＢとの間に作成可能な接続の数を現在制限している熱サイクリングからの不良の問題に対して、一定の解法を提供することができることを示す。また、先に述べたように、接続部材２２の準備によって、更に、集積回路パッケージ１０のヒートシンク能力が高められるように、エッチ５０によって高めるより大きな表面領域が提供される。これも、アレイを構成することができるはんだボール２０の数が増加することを援助する。

特定の実施形態で示したように、広く説明された本発明の精神と範囲から離れることなく多数の変化及び／又は修正が本発明になされうることは、当該技術に熟練する人によって認識される。故に、本実施形態は、あらゆる点において、解説的なものであって限定的なものでないとみなされる。

概念上の集積回路パッケージの部分の概略平面図を示す。 本発明に従った、集積回路パッケージの部分の平面図を示す。 集積回路パッケージの一実施形態の部分の斜視断面図を示す。 集積回路パッケージの第２の実施形態の部分の斜視断面図を示す。 集積回路パッケージの第３の実施形態の部分の斜視断面図を示す。 集積回路パッケージの第４の実施形態の部分の斜視断面図を示す。 使用中の集積回路パッケージの一実施形態の側断面図を示す。 使用中の集積回路パッケージの他の実施形態の側断面図を示す。 図８の丸で囲んだ部分「Ａ」の拡大図である。 更に拡大した集積回路パッケージの部分の側断面である。 集積回路パッケージの更なる実施形態の側面図を示す。 集積回路パッケージの更なる実施形態の側断面図を示す。 集積回路パッケージに基づくマルチチップ・モジュールを示す。 集積回路パッケージに基づくマルチチップ・モジュールの側断面図を示す。

Claims (8)

1. シリコンウェーハにより構成される複数の収容エリアであって、各々の収容エリアが、シリコンチップにより構成される１つ以上の集積回路、を収容するように構成されている、当該複数の収容エリアと、
   各々の収容エリアを中心として配置される複数のアイランドと、
   各アイランドを、当該アイランドの近傍のアイランドの各々に接続する複数の接続部材であって、各接続部材はジクザグの形状を有し、前記複数のアイランドの各々が当該アイランドの近傍のアイランドに対し運動の自由度を備えるように、各接続部材はばねとして機能する構成とされた、当該複数の接続部材と、
   を含み、
   各々の収容エリアが、前記アイランドとの電気的な接触を行うための電気的な接触部を含み、
   少なくとも１つのアイランドが、関連した収容エリアの前記接触部のうち１つに電気的に接続された電気的な端子を備えた、集積回路パッケージ。
2. 前記集積回路パッケージが非導電材料のウェーハから製造される請求項１に記載のパッケージ。
3. 前記収容エリアが、前記ウェーハの表面上で境界を定められる請求項２に記載のパッケージ。
4. 前記収容エリアが、前記ウェーハの中に形成された凹部によって境界が定められる請求項２に記載のパッケージ。
5. 前記収容エリアが、前記ウェーハを通して延びた通路によって境界が定められており、電気的なコンタクトが通路を中心として前記ウェーハに配置されている請求項２に記載のパッケージ。
6. 前記ウェーハが前記集積回路のそれに接近している熱膨張率を有する前記集積回路と同じ材料である請求項２に記載のパッケージ。
7. 前記アイランドと前記接続部材が、前記ウェーハをエッチングすることによって形成される請求項２に記載のパッケージ。
8. 前記収容エリアが、前記ウェーハでエッチングされる請求項１に記載のパッケージ。

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