JPS6159660B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、例えば大電流で動作するバイポーラ
集積回路（IC）をそなえた高速論理回路等を構
成するのに好適なICモジユールに関し、特に集
積回路装置を可撓性リードボンデイングにより配
線基板上に並置すると共に各々の集積回路装置の
背面側に放熱体を熱的に結合させることにより、
実装密度及び放熱効果を共に向上させうるように
したものである。

従来、ICチツプからの放熱を考慮したICモジ
ユールとしては、アルミナセラミツクス製の厚膜
多層配線基板上に複数のバイポーラLSIチツプを
ダイボンドすると共にテープキヤリヤ技術により
各LSIチツプ上の電極を配線基板上の配線層に適
宜接続する構成にし、各LSIチツプの熱を配線基
板を介して放散させるようにしたものが提案され
ていた（例えば、日経エレクトロニクス誌、1977
年４月18日、第100頁〜第119頁参照）。

しかしながら、この種のICモジユールは、配
線基板が厚膜多層配線構造になつているため実装
密度をあまり高くできない欠点を有する。実装密
度を高めるためには、蒸着ないしエツチングプロ
セスを取り入れた薄膜多層配線構造を採用すれば
よいが、この場合には、層間絶縁膜の材料として
SiO₂やAl₂O₃等の熱伝導性のよくない材料が用い
られるため、基板材料がアルミナセラミツクスで
あることを相俟つて各ICチツプからの熱放散が
十分期待できない不都合がある。

従つて、本発明の目的は、実装密度の向上と放
熱の促進とを両立させうる新規なICモジユール
を提供することにある。

本発明によるICモジユールは、配線基板上に
可撓性リードを介してボンドした集積回路装置の
背面側に放熱体の一主面を熱的に結合させるよう
にしたことを特徴とするもので、以下、添付図面
に示す実施例について詳述する。

第１図は、本発明の一実施例によるICモジユ
ールを示すもので、１は大電流で動作する高速論
理用バイポーラLSIを含む複数のSi製のICチツ
プ、２はアルミナ質セラミツクスからなり、各
ICチツプ１が取付けられた多層配線基板、３は
放熱フイン３Ａを有し、各ICチツプ１の背面に
ろう材を介して固着されたAl製の放熱体（ヒー
トシンク）、４は配線基板２及び放熱体３を相互
に固定し且つICチツプ１を基板２−放熱体３間
の空間に封止するためのフランジ、５は一端が
ICチツプ１上の電極に且つ他端が配線基板２上
の配線層にそれぞれボンドされた可撓性リード、
６は配線基板２の一方の主面に配設された配線層
の端子部を反対側の主面に導出すべく設けられた
端子ピン、７は放熱体３をフランジ４に固定する
ボルトである。

各ICチツプ１は、放熱体３と配線基板２とを
相互に固定する以前の状態では、可撓性リード５
の延伸位置に対応して図中２点鎖線で示す位置に
存在しているが、放熱体３と配線基板２とをフラ
ンジ４で相互に固定した場合には、可撓性リード
５の屈撓のため２点鎖線の位置より配線基板２に
近い実線で示す位置にくると共に、可撓性リード
５のスプリングバツク圧力により放熱体３に押圧
されるようにして放熱体３に固着されるものであ
る。このため、各ICチツプ１の背面は放熱体３
の一面に密に熱的結合するようになり、良好な放
熱効果が得られる。この時、放熱体、ろう材およ
びICチツプ等がICチツプの動作時の発熱によつ
て熱膨張しても、可撓性リードが余分な熱応力を
吸収することとなるので、動作時におけるICチ
ツプのクラツク発生を低減することができるとと
もに、配線基板とICチツプ間の電気的接続不良
の発生を防止することができる。また、各ICチ
ツプ１と放熱体３とは単なる加圧接触の状態にお
くこともでき、そのようにした場合には、ろう材
等で固着した場合のように熱膨張係数の差に基づ
く熱応力でICチツプ１にクリツクが入るといつ
た事態を招くことが少なく、信頼性の点でも良好
な結果が得られる。その上、各ICチツプ１の背
面側から放熱させて各ICチツプ１を配線基板２
に密着させなくてよいようになつているため、配
線基板２としては、厚膜多層配線構造のみなら
ず、薄膜多層配線構造をも採用しうるようにな
り、実装密度の大幅な向上が可能になる。

次に、上記したICモジユールの各構成要素の
詳細を製法との関連で説明する。

第２図及び第３図ａ〜ｄは、多層配線基板２に
取付けられるべきチツプ・アセンブリの製造過程
を示すものである。ここで、チツプ・アセンブリ
とはICチツプ１に可撓性リード５を図着したも
のをいう。まず第２図に示すように、送り孔Ａが
形成されたポリイミド樹脂からなるフイルム９に
Cu箔を耐熱性接着材で貼付した後、そのCu箔を
ホトエツチングで加工することにより、「く」の
字状屈曲部を有する可撓性リード５に成形する。
次にポリイミド・フイルム９をホトエツチングで
加工して窓Ｂを形成し、リード支持部８に残すよ
うにする。この後、ボンダビリテイを良くするた
めに可撓性リード５に順次に無電解Niめつき及
び無電解Auめつきを施す。

一方、ICチツプ１は、通常の方法にしたがつ
てSiウエハにLSI構成用の各種の回路素子を形成
し、Al等の金属でそれら回路素子間に所要の配
線を形成した後、ウエハ状態のままインナー・リ
ード・ボンデイングのための電極形成処理を施
し、しかる後ウエハを複数のペレツトにダイシン
グで分割することによつて得られる。ここで、イ
ンナー・リード・ボンデイングのための電極形成
処理としては、Al配線処理を終了したSiウエハ上
に全面的にSiO₂をスパツタリングで被着し、こ
のSiO₂層にホトエツチングでコンタクト孔を設
けた後、Cr−Cu−Auをこの順序でマスク蒸着し
てから、このCr−Cu−Au積層電極部に重ねてそ
れよりやや大きな面積で半田をマスク蒸着する。
つづいて、ウエハ裏面にはAuを蒸着する。そし
て、ウエハ上面の半田電極部を加熱溶融させて半
球状に成形する。この後、通常のウエハ検査、ダ
イシング、ペレツト選別の各工程を経てICチツ
プ１を完成させる。

インナー・リード・ボンデイングは、第２図に
示すようなテープ９で担持されたリード５の内方
端に、上記した電極形成処理を経たICチツプ１
の半田電極を対応的にボンドする過程である。す
なわち、ICチツプ１はその上面を下にしてリー
ド・パターン上に載置され、各半田電極は対応す
るリード５の内方先端部に接触するように配置さ
れる。そして、このような配置状態において、ヒ
ータ・チツプで半田電極を加熱・溶融させた後、
固化させることによりインナー・リード・ボンデ
イングを完了する。この後は、リード５の外方端
にプロープを接触させて行なう通常の電気的特性
検査を経て、リード切断を行ない、第３図ａに示
すようなチツプ・アセンブリを得る。第３図ａに
おいて、８はポリイミド樹脂からなるリード支持
部、１０はリード５とチツプ１とを接続する半田
電極層である。

次に、第３図ｂに示すように、凸状の下型LD
の上に第３図ａのチツプ・アセンブリを載置し、
下型LDの凸部上のICチツプ１にはゴム等の柔軟
性ある物質SFを重ねる。そして、上型UD₁で柔
軟物質SFを介してICチツプ１をおさえると同時
に上型UD₂でリード５の外方端部を下型LDに押
付けることによつて図示のように内方端近傍及び
外方端近傍にそれぞれ互いに逆向きの直角状屈曲
部を形成する。この場合、高密度実装を実現する
ためには、できるだけ直角に近い角度でリード５
を折り曲げ成形するのがよい。このような成形処
理により第３図ｃに示すようなチツプ・アセンブ
リが得られる。

この後は、ポリイミド樹脂からなるリード支持
部８を適当な化学エツチング等の手段で除去し、
第３図ｄに示すようなチツプ・アセンブリを得
る。なお、このリード支持部８の除去処理は、後
述のアウター・リード・ボンデイングの後に行な
うのが好ましく、そうすることによつて取扱い中
に生じうるリード５の屈曲を最小限にすることが
できる。

第４図ａ及びｂ並びに第５図は、上記したよう
にして構成されたチツプ・アセンブリを多層配線
基板２に取付ける過程を示すものであり、この取
付けはアウター・リード・ボンデイングによつて
達成される。すなわち、配線基板２上の配線層１
１上に半田等のろう材を介してリード５の外方端
を重ね、その状態でヒーター・チツプを用いてろ
う材を加熱・溶融させた後、固化させることによ
りアウター・リード・ボンデイングを行ない、チ
ツプ・アセンブリの配線基板２への取付けを完了
することができる。

第６図乃至第８図は、上記チツプ・アセンブリ
において使用可能な種々の形状の可撓性リードを
示すものであり、これらのリードは、必要とする
スプリングバツク圧力を得るために前述のリード
５に代えて適宜使用することができる。第６図の
リード５ａは「く」の字状屈曲部においてそれ以
外の部分におけるより幅を狭くしたもので、これ
により前述のリード５に比べてリード５ａの伸縮
を一層容易にさせることができる。また、第７図
のリード５ｂもチツプ側根元部、中央屈曲部及び
基板側根元部にそれぞれ切欠部Ｐ，Ｑ及びＲを設
けて伸縮を一層容易にさせるようにしたものであ
る。さらに、第８図に示したリード５ｄは、前述
のリード５，５ａ，５ｂがいずれもチツプ１の端
面にほぼ平行な平面内において屈曲を設けること
を基本にして伸縮性を得るようにしていたのに対
し、チツプ１の端面にほぼ直交する平面内におい
て屈曲を設けて伸縮性を得るようにしたものであ
る。リード５ｃは屈曲を階段状に形成したもので
あるが、破線５ｄに示すように突起状に形成する
など適宜変形しうることは勿論である。

ここで、多層配線基板２の具体例を説明する。
配線基板２の材料としては、例えばSiO₂ガラ
ス、ポリイミド樹脂、フツ素樹脂、アルミナ質セ
ラミツクス等を適宜採用できるが、一例としてア
ルミナ質セラミツクスを用いた場合を以下説明す
る。アルミナ粉末及び副原料粉末をバインダと共
に混合して泥漿となし、次いでシート状にキヤス
トし、乾燥し、加工基材（グリーン・シート）を
作る。この加工基材の上にパワー・ライン、グラ
ンド・ライン、信号ライン等の配線層を多重印刷
方式（厚膜多層方式）又は積層方式（薄膜多層方
式）で形成し、スルーホールも併せ形成する。こ
こで、メタライズ・ペーストは、耐熱金属、例え
ばＷ又はMoの単層、Ｗ及びMoをこの順序で積層
したもの、あるいはMo及びMnをこの順序で積層
したもの等を使用する。次に、加工基材を仕上げ
切断した後、焼成し、一体化した後、表面メタラ
イズ層にNiめつきを施す。

次に、第９図に示すように、フランジ４及び端
子ピン６を銀ろう付け等の方法により取付ける。
第９図では、Ag−Cu共晶銀ろうからなるろう材
層１２で配線基板２の裏面のメタライズ層１１Ａ
とフランジ４とを結合している。つづいて、フラ
ンジ４及びピン６を取付けた配線基板２の露出し
た金属面全体に無電解Niめつき及び無電解Auめ
つきをこの順序で施し、半田付け性を確保する。
この後、フランジ４にのみ通電して電気的にAu
めつきを施し、Auめつき層１４を形成する。こ
のAuめつき層１４はフランジ４と放熱体３とを
封着する際に良好な接着性を得るためのものであ
る。

この後、配線基板２の表面側の配線層１１のボ
ンド予定部に半田をマスク蒸着してから、その上
にリード５を対応的に配置し、前述のアウター・
リード・ボンデイングを実施する。これは、具体
的には、インナー・リード・ボンデイングの場合
と同様にヒーター・チツプでボンデイング部をお
さえつけ、基板側の半田を溶融させることにより
達成される。この場合、先に実施したインナー・
リード・ボンデイング部の半田が再溶融しないよ
う工夫する必要があるが、このための１つの解決
策は、アウター・リード・ボンデイング部に使用
する半田材料としてインナー・リード・ボンデイ
ング部に使用する半田材料より融点が低いものを
選定することである。

ところで、第９図において、放熱体３は、
Al，Cu，Mo等の熱伝導性のよい材料で構成され
るが、一例としてAlで構成した場合には、その
全面にNiめつきを施した後、ICチツプ１との接
合面以外の面に切削加工により放熱フイン３Ａを
形成する。そして、この切削加工により露出した
Al面を陽極酸化して耐蝕性をもたせるようにす
る。この後、熱応力を緩和し且つ封止性をよくす
るために、放熱体３のICチツプ１との接合面に
Inめつきなどにより軟金属層１５を形成する。こ
のときの状態を拡大して示したのが第１０図であ
つて、同図において、１７は軟金属層１５の下の
Niめつき層、２０はICチツプ１の裏面のAu蒸着
層をそれぞれ示している。なお、Inめつきの代り
に、Sn，Pb，Bi等の軟金属めつきを用いること
もできる。また、放熱体３には、この後必要に応
じてボルト７を係合させるべきねじ孔を設ける。

放熱体３を配線基板２に固定するにあたつて
は、ボルト７を用いてフランジ４に放熱体３を取
付ける。ここで、フランジ４には前もつて直径
0.2〜２mm程度の小孔を設けておくものとする。
ボルト７を締付けるにつれて、ICチツプ１は２
点鎖線で示す初期位置から矢印に示す方向に実線
の位置へ移動する。これはリード５が可撓性又は
伸縮性を有するために可能となるものである。次
に、モジユール全体を約160℃に加熱すると、In
からなる軟金属層１５とAuめつき層１４とは互
いに溶融しあつてIn−Au接合部１３を形成し、
この部分が気密的に封止される。これと同時にチ
ツプ裏面のAu蒸着層２０も放熱体３のIn層１５
と共に溶融し、そこに強固な接合を形成する。こ
の後、先にフランジ４に設けておいた小孔を介し
て配線基板２と放熱体３との間の空間の空気を乾
燥空気に置換し、しかる後その小孔を半田付け等
の方法で封止し、ICモジユールを完成させる。
なお、このようにして完成したICモジユールを
修理する場合は、全体を約160℃に加熱すると共
にボルト７をはずすことにより接合部１３におい
てフランジ４から放熱体３を分離させると共にチ
ツプ−放熱体間のIn−Au接合を解除させるよう
にすればよく、このようにすることによつてIC
チツプ１又はリード５が損傷を受けることは殆ど
ない。特にリード５は、160℃近辺の温度で溶融
しないPb−Sn系半田を用いてICチツプ１ないし
配線基板２にボンドしておくことにより修理の際
の加熱によつてはずれたり、ずれたりしないよう
にすることができるものである。

第１１図は、チツプ−放熱体接合構造の他の例
を示すものであり、この構造はICチツプ１の寸
法が大きく、放熱体３とICチツプ１との熱膨張
係数差による熱応力でICチツプ１にクラツクが
入るのを防止するのに好適なものである。すなわ
ち、Al製の放熱体３とICチツプ１との間に、Si
と熱膨張係数が近似したMo板１６を適当な軟金
属層１５を介して配置し、それによつて熱応力を
緩和するようにしたものであり、その接合部の詳
細は第１２図に示すようになつている。第１２図
において、第１０図におけると同様な部分には同
様な符号を付して示し、１７ａ，１７ｂはMo板
１６の両面に被着したNiめつき層、１８ａ，１
８ｂはNiめつき層１７ａ，１７ｂ上にそれぞれ
被着したAuめつき層、１９ａ，１９ｂはAuめつ
き層１８ａ，１８ｂ上に被着したIn等の軟金属め
つき層をそれぞれ示す。このような構成にすれ
ば、第１０図の場合と同様な作用効果が得られる
他に、Mo板１６を介挿したことにより熱応力が
緩和されてICチツプ１のクラツク発生が防止さ
れるという作用効果が得られるものである。

なお、第１１図の例では、各ICチツプ１毎に
別々にMo板１６を配置したが、これはMo板１６
とAl製放熱体３との接合部に気泡が入るのを最
小限におさえるためにしたものであつて、適当な
脱気法を用いることを前提にすれば、放熱体３の
チツプ１に対向した面全体に１枚のMo板を配置
することも可能である。

また、上記実施例では、放熱体３に各ICチツ
プ１の裏面をろう材を介して接合させて密な熱的
結合が得られるようにしたが、熱的結合度を多少
犠性にすることが許される場合には放熱体３に各
ICチツプ１を単に加圧接触させるだけでもよ
く、この場合には熱応力によるチツプ・クラツク
の発生は殆どなくすことができる。

さらに、放熱体としては、放熱フインを形成し
た前述のものの他に種々のものを使用できる。例
えば第１３図に示すようなラジエータ構造のもの
は特に大電力用のICモジユールに好適である。
すなわち、第１３図の放熱体３０は、その本体内
の流路３１に入口３２から液体冷媒を注入して流
通させ、出口３３から流出させるようにしたもの
で、その冷却・放熱作用は前述の放熱体３よりは
るかに大きいものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例によるICモジユ
ールの概略断面図、第２図及び第３図ａ〜ｄは、
上記ICモジユールに用いられるチツプ・アセン
ブリの製造過程を示すもので、第２図が上面図、
第３図ａ〜ｄが断面図、第４図ａ及びｂ並びに第
５図は、上記チツプ・アセンブリの配線基板への
取付構造を示すそれぞれ断面図及び側面図並びに
斜視図、第６図、第７図及び第８図は、上記チツ
プ・アセンブリにおいて使用可能な種々の形状の
可撓性リードを示すもので、第６図及び第７図が
側面図、第８図が断面図、第９図は、上記ICモ
ジユールにおける放熱体の取付構造を示す断面
図、第１０図は、第９図の構造におけるチツプ−
放熱体接合部の詳細を示す断面図、第１１図は、
チツプ−放熱体接合構造の他の例を示す断面図、
第１２図は、第１１図の接合構造の詳細を示す断
面図、第１３図は、放熱体の他の例を示す断面図
である。 １……ICチツプ、２……配線基板、３……放
熱体、４……固定・封止用フランジ、５……可撓
性リード、６……端子ピン。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 一方の主面に所望の配線層が形成された配線
   基板と、前記配線基板の主面に対向して、かつ前
   記配線基板と一定の間隔をもつて配置された放熱
   体と、前記配線基板と前記放熱体との間に配置さ
   れて、前記配線基板の前記一方の主面に面する一
   方の主面と前記放熱体に面する他方の主面とを有
   する集積回路装置と、前記集積回路装置の前記一
   方の主面にある複数の電極と対応する前記配線基
   板の配線層との間を電気的接続するとともに、前
   記集積回路装置の前記他方の主面が前記放熱体に
   押圧するように弾力的に変形可能に形成された複
   数のリードとをそなえたことを特徴とする集積回
   路モジユール。 ２ 前記放熱体は前記集積回路装置の他方の主面
   にろう材を介して接合されてなることを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項に記載された集積回路モ
   ジユール。