JPH11509372A - 金属ボール・グリッド電子パッケージ - Google Patents
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Abstract
(57)【要約】
金属ベース12有するボール・グリッド・アレー電子パッケージ40の曲りを減少し、パッケージベース12が周期的に加熱および冷却されたときに、最内列のはんだボール36に加わる応力を最小にする。はんだボール36に加わる応力を減少することは、はんだボール36の破損が装置20の故障を生ずる前の熱サイクル数を増す。この曲げモーメントを減少するために開示した手段の中には、バイメタル44,46複合ベース、一体の補剛材72、中央には位置され、外部構造体30に接着されたカバー52および応力対応くぼみ部64を備えたパッケージベース12がある。
Description
【発明の詳細な説明】
金属ボール・グリッド電子パッケージ
本発明は、ボール・グリッド・アレー電子パッケージ用金属部品に関する。更
に詳しくは、その部品の曲りを減少してはんだボールの疲労による破損を最小に
するのである。
ボール・グリッド・アレー電子パッケージは、シリコンベースの半導体チップ
のような集積回路装置を一つ以上収容するために使用される。これらのパッケー
ジは、複数の金属化した回路トレースを備えたベース部品を有する。半導体装置
をこのベース部品の中央部に接着し、回路トレースの内端と電気的に相互接続す
る。これらの回路トレースの反対の外端は、アレーを形成する。はんだボールは
アレーのこれらの点に圧着される。これらのはんだボールは、プリント回路板の
ような、外部構造体にも圧着される。カバーがこのベースの中央部、半導体装置
および回路トレースの内端をカプセル封止する。
典型的には、ベース部品は、ミューレンIII氏外の米国特許第5,421,1
33号に開示されているように、プラスチックで作られるか、または1996年
2月1日発行のPCT国際公開パンフレットWO96/02942に開示されて
いるように金属で作られる。
もし、電子パッケージと外部構造体の熱膨張係数が異なると、はんだボールの
疲労に関係する破損が起ることがある。半導体装置が動作中に熱を発生する結果
による種々の部品の加熱が、それらの種々の部品の膨張に差を生じ、はんだボー
ルに応力を生ずる結果となる。この応力の周期的な繰返しがはんだボール全体に
亀裂を拡げる。亀裂がはんだボールの直径全体に拡がると、パッケージが破損す
る。
はんだボールの疲労が、ボール・グリッド・アレー・パッケージ用のプラスチ
ックおよびセラミックのベース部品で研究されている。セラミックパッケージで
は、はんだボールに加わる応力がベース部品の圧着面に平行であり、ベースの外
周に最も近い列のはんだボールが最初に破損する。パッケージの中心から外側の
列まで距離が大きいことが、パッケージベースの動きを熱的に誘起して、はんだ
ボールに加わる応力を増す。
セラミックベース部品ではんだボールの疲労を軽減するための一つの機構がガ
ーナ氏の米国特許第4,581,680号に開示されている。このガーナ氏の特
許は、外側の列のはんだボールの高さを増すことによって、はんだ継手の弾性限
度が増すことを開示している。
ガーナ氏の解決策は、ボール・グリッド・アレー・パッケージの金属ベース部
品には適用できない。金属ベースでは、はんだボールの破損が、最内列のはんだ
ボールで起ると予測されるのである。
プラスチックパッケージでは、半導体装置の周辺の下にあるはんだボールの列
が、典型的には最初に破損する。
従って、金属の熱伝導性の利点を維持しながら、はんだボールの疲労に抗する
、金属ボール・グリッド・アレー・パッケージ部品を開発する必要がある。
それ故、本発明の目的は、はんだボールに加わる応力を減じ、はんだボールの
疲労および破損を減ずる、金属ボール・グリッド・アレー電子パッケージを提供
することである。
本発明の特徴は、ボール・グリッド・アレー・パッケージのベースの曲りを下
記の一つ以上によって減ずることである:
(1) ベースに一体の補強材を作ること;
(2) 外部構造体にカバー部品を結合すること;または
(3) ベースに応力緩和くぼみ部を作ること。
本発明の利点は、曲げモーメントを減じ、はんだボールに加わる応力を減ずる
ことである。これは、はんだボールの疲労およびはんだボールの破損を減じ、そ
れによって装置の故障を減ずる。
本発明によれば、電子パッケージ用部品が提供される。その部品は、第1水平
部およびこの第1部に一体の第2水平部を有する。第1水平部は、複数の金属化
した回路トレースを含む。第2水平部の熱膨張係数は、第1水平部のそれより小
さい。
本発明の一実施例では、ベース部品が、中央部に接着され、金属化した回路ト
レースの内端と電気的に相互接続した半導体装置を有する。はんだボールが金属
化した回路トレースの外端に圧着され、カバー部品が半導体装置および回路トレ
ースの内部をカプセル封止する。このカバーは、外部構造体に結合されている。
本発明のもう一つの実施例では、ボール・グリッド・アレー・パッケージのベ
ースが周辺部と中央部を有し、それらの間にくぼみ部が配置されている。
上記の目的、特徴および利点は、以下の説明および図面から更に明白となろう
。
図1は、従来技術から知られるボール・グリッド・アレー電子パッケージを断
面図で示す。
図2は、金属ボール・グリッド・アレー電子パッケージのベースの曲りを断面
図で示す。
図3は、本発明の第1実施例による、パッケージのベースの曲げモーメントを
減少するための構造を断面図で示す。
図4は、本発明の第2実施例による、パッケージのベースの曲げモーメントを
減少するための構造を断面図で示す。
図5は、本発明の第3実施例による、パッケージのベースの曲げモーメントを
減少するための構造を断面図で示す。
図6は、本発明の第4実施例による、パッケージのベースの曲げモーメントを
減少するための構造を断面図で示す。
図1は、従来技術から知られるボール・グリッド・アレー電子パッケージ10
を断面図で示す。パッケージ10は、普通、銅、アルミニウムまたはそれらの合
金で作る金属ベース12を有する。金属ベース12を囲むのは、誘電体層14で
ある。金属ベース12がアルミニウム合金であるとき、好適な誘電体層は、厚さ
約5ミクロンないし約50ミクロンのアノード膜である。
金属ベース12の中央部16は、図1に示すように、くぼんでいて周辺部18
によって囲まれているのが好ましい。半導体装置20が、ポリマー接着剤のよう
な適当なダイ接着剤22によって、中央部16に接着される。
金属化した回路トレース24がこの中央部16から周辺部18へ伸びている。
半導体装置20は、中央部16に隣接する金属化した回路トレースの内端と電気
的に相互接続される。電気的相互接続は、ワイアボンディング、テープ自動ボン
ディングで利用するような銅箔の薄いストリップのような従来の手段の何れかを
使って、またはフリップチップボンディングの場合のように半導体装置の入/出
力パッドに直接取付けることによって行う。
次に、ポリマー樹脂または接着剤で接合した別の部品であってもよいカバー2
6が、半導体装置20および金属化した回路トレース24の内端をカプセル封止
する。
パッケージ10は、プリント回路板30のような外部構造体に結合される。プ
リント回路板30には、セラミックまたはガラス充填エポキシ樹脂から作った誘
電体基板32がある。金属化した回路トレース34が、金属化した回路トレース
24の外端が作るアレーパターンと整列したアレーパターンを作る。はんだボー
ル36、典型的には鉛/錫合金が、二つのアレーの結合と電気的相互接続の両方
を行う。
電子信号が半導体装置20を通るとき、電気エネルギーの一部が熱に変換され
る。この熱が金属ベース12に入り込み、そこから他のパッケージ部品へ流れて
、全ての部品を異なる量で膨張させる。
図2は、金属ベース12の代替位置を断面図で示す。破線は、室温(20℃)
での金属ベース12を示す。実線は、加熱したとき金属ベース12が如何に変形
するかを誇張して示す。熱膨張係数がプリント回路板30とほぼ等しいプラスチ
ックベースと違って、アルミニウムは曲る。この歪みの結果、はんだボールの最
内列38がZ(金属化した回路トレース24の面に垂直)方向に伸される。はん
だボール36の最内列38から次第に外側の各列は、次第に少ない程度でZ方向
に応力が加えられる。
最内列38に応力を加える結果、アルミニウム合金ベースのボール・グリッド
・アレー電子パッケージで、最内列が約2,600熱サイクル後に破損する計算
になる。最外列は、約56,000熱サイクルまで生き延びてから破損するだろ
う。曲りを減らすことによって、図2の二つの比較形状における中央部16の位
置の間の距離“D”と、はんだボール36の最内列38のZ方向応力とが共に減
る。図3ないし図6は、この結果をもたらす電子パッケージ構造を示す。
図3は、本発明の第1実施例による金属ボール・グリッド・アレー電子パッケ
ージ40を断面図で示す。金属ボール・グリッド・アレー電子パッケージ40の
構造の多くは、図1のパッケージ10のそれに類似し、同じ参照番号で示す。こ
のパッケージ40のベース部品42は、第1水平部44と一体の第2水平部46
とを有する複合材料である。第1水平部44と第2水平部46の間の取付は、接
着(即ち、ろう付け、はんだ付け、ポリマー接着剤または張合せ)によっても、
化学相互作用(即ち、化学蒸着または化成処理)によってもよい。
金属化した回路トレース24は、第1水平部44上に、間に誘電体層14を配
置して作られる。曲りを減らすために、第2水平部46は、動作中に半導体装置
20の発熱によってベース42が到達する温度で熱膨張係数が小さい。典型的に
は、この温度は約90℃である。バイメタル的ベース構造は、加熱されると、図
2に示すベースの曲り方向と反対方向に曲る。
第2部は、第1部より弾性率が高く、剛いのが好ましい。
一つの実施例では、第2水平部46が銅または銅合金で、第1水平部44がア
ルミニウムまたはアルミニウム合金である。第1水平部44は、第2水平部の厚
さに比べたとき、比較的薄い。第1水平部44の最大厚さと第2水平部46の最
大厚さ比は、約1:5ないし1:10で、約1:6ないし約1:8が好ましい。
これら二つの部分は、張合せのような方法で一緒に接合される。
その代りに、第1水平部をプラズマ蒸気蒸着またはジェット蒸気蒸着のような
蒸着プロセスによって付けてもよい。典型的には、第2水平部が銅または銅合金
で、この実施例では、第1水平部がアルミニウムまたは、酸化アルミニウム、炭
化アルミニウム、窒化アルミニウム、炭化珪素、窒化珪素またはダイヤモンド状
皮膜のようなセラミックである。この実施例では、第1水平部の厚さが第2水平
部46のそれより遥かに小さい。第1水平部44の厚さと第2水平部46の厚さ
比は、約1:100ないし1:1000で、約1:200ないし約1:400が
好ましい。
第1水平部44がセラミック、ガラスまたはその他の絶縁性層であるとき、誘
電体層14を設ける必要はない。また、セラミックおよびガラスは、大抵の金属
より剛いので、本実施例では、第2水平部46の弾性率が第1水平部44のそれ
より高い必要はない。
図4に示す第2実施例では、金属ボール・グリッド・アレー電子パッケージ5
0が、この半導体装置20および金属化した回路トレース24の内端をカプセル
封止するカバー部品52を有する。曲げモーメントを減少するために、カバー部
品52がプリント回路板30のような外部構造体に接着されている。外部構造体
30へのカバー部品52の接着は、ポリマー接着剤54、またははんだ、または
ろうのような普通の手段のどれによってもよい。
ポリマー接着剤54、または代替接着手段は、カバー52の全表面積に拡がる
必要はなく、このカバーを中央部、周辺部、またはその組合せで固定するだけで
よい。
図5は、本発明の第3実施例を断面図で示す。金属ボール・グリッド・アレー
電子パッケージ60の金属ベース62が、中央部16と周辺部18の間に配置さ
れたくぼみ部64を含む。くぼみ部64は、このパッケージの中央からはんだボ
ール36に伝達される力の量を減らすための応力緩和堀として機能する。くぼみ
部64は、成形用樹脂で充填するのが好ましく、典型的には、この充填材がカバ
ー部品66の一部である。
その代りに、連続堀ではなく、中央部の周囲でベースの中へ貫入する一連の穴
またはスロットが応力緩和をする。
ガラス封止電子パッケージ用応力緩和堀は、オ’ドネリー氏外の米国特許第5
,315,155号に開示されていて、ダイ接着剤がリードフレームの内リード
線に接触するのを防ぐための堀は、ホフマン氏外の米国特許第5,239,13
1号に開示されている。
図6に断面図で示す実施例では、金属ボール・グリッド・アレー電子パッケー
ジ70に熱拡散器72がある。金属ベース12は、その第1側74と一体の、複
数の回路トレース24を有する。一つ以上の半導体装置20も、第1側74に接
着されている。熱拡散器72は、金属ベース12の対向する第2側76に接着さ
れている。熱拡散器72は、少なくとも半導体装置20が接着されている中央部
16の反対の第2側76の部分をカバーする。しかし、熱拡散器72は、対向す
る第2側76全体に拡がってもよく、好適実施例では、金属ベース12の側壁7
8に拡がり下がって、例えば接着剤80によって、プリント回路板30のような
外部構造体30に接着されている。
先の実施例は、カバー部品としてプラスチック成形用樹脂を開示するが、何か
適当なプラスチック、金属、セラミック、またはその合成若しくは複合の別個の
カバー81を含み、金属ベース12に接着82して半導体装置20および金属化
した回路トレース24の内端をカプセル封止することは、何れかの実施例に対す
る本発明の範囲内にある。
本発明をボール・グリッド・アレー電子パッケージに関して説明したが、それ
は、パッド・グリッド・アレー・パッケージおよびピン・グリッド・アレー・パ
ッケージのような他のリードレス電子パッケージにも等しく適用可能である。
本発明の利点は、以下の例からより明白となろう。この例は、例示であって、
本発明の範囲を限定することを意図しない。
例
はんだボールに破損を生ずるに必要な熱サイクル数を、パッケージ部品および
外部構造体であるガラス充填エポキシのプリント回路板の熱膨張係数およびその
他の物理的特性を考慮して、有限要素モデルを使って計算した。鉛/錫はんだの
降伏強さおよび歪み硬化特性も考慮した。ボール・グリッド・アレー電子パッケ
ージに於けるはんだボールの破損を計算するための有限要素モデルについての更
なる詳細は、1995年に刊行されたジョン・エッチ・ロー氏によるボール・グ リッド・アレー技術
の第13章に書いてある。評価した四つのパッケージは、次
の通りである:パッケージA
− このパッケージは、図1に示した金属ボール・グリッド・アレ
ー電子パッケージ10と同じで、アルミニウム合金5086(称呼成分、重量で
、4.0%マグネシウム、0.4%マンガン、0.15%クロームおよび残りア
ルミニウム)で作った厚さ1.02mm(0.040″)のベースを有する。金
属ベースの中央部は、深さ0.71mm(0.028″)の空洞の形をしていた
。この金属ベースは、正方形で、長さおよび幅が13.5mm(0.5315″
)であった。中央部を形成する空洞も正方形で、長さおよび幅が5.74mm(
0.2259″)であった。
周辺部に、中央部に最も近く、列1と称する最内列から、金属ベースの側壁に
最も近く、列4と称する最外列まで拡がる4列のはんだボールを配置した。パッケージB
− このパッケージは、金属ベース12をアルミニウム合金ではな
く銅で作ったことを除いて、パッケージAと同じであった。パッケージC
− このパッケージは、図3に示した金属ボール・グリッド・アレ
ー電子パッケージ40と同じであった。第1水平部44は、厚さ0.13mm(
0.005″)のアルミニウムで、第2水平部46は、厚さ0.89mm(0.
035″)の銅であった。他のパッケージ寸法は、パッケージAと同じであった
。パッケージD
− このパッケージは、図4に示したように、成形プラスチックカ
バーをガラス充填エポキシ樹脂のプリント回路板に接着したことを除いて、パッ
ケージAと同じであった。
各モデルに対して、これらのパッケージに以下のサイクルを含む熱サイクルを
かけた:
● パッケージを5分間で100℃まで加熱すること;
● パッケージを5分間、100℃に維持すること;
● パッケージを5分間で0℃に冷却すること;および
● パッケージを5分間、0℃に維持すること。
このサイクルを繰返し、予想破損に対するサイクル数を有限要素モデルの結果
から計算した。各パッケージに対し、以下の計算をした:特性寿命
− はんだボールの直径に等しい亀裂を生ずるために必要なサイクル数
。無故障寿命
− 特性寿命の半分。列信頼性
− 列当りのはんだボール数を説明する、与えられた列のはんだボール
が破損する前のサイクル数推定値。部品信頼性
− 4列の信頼度の最低値。
表1に示すように、パッケージCとパッケージDの両方が列1のはんだボール
の特性寿命を延した。最も劇的な改善は、パッケージDに関してであった。
本発明によれば、先に示した目的、特徴および利点を完全に満足する、はんだ
継手の信頼性が改善された金属ベースを有するボール・グリッド・アレー電子パ
ッケージが提供されたことは明白である。本発明をその特定の実施態様および例
と組合わせて説明したが、前記の説明に照らせば、多くの代替案、修正形および
変形が当業者に明白であろうことは明らかである。従って、そのような代替案、
修正形および変形を全て添付の請求項の精神および広い範囲内に入るものとして
包含することを意図する。
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(81)指定国 EP(AT,BE,CH,DE,
DK,ES,FI,FR,GB,GR,IE,IT,L
U,MC,NL,PT,SE),OA(BF,BJ,CF
,CG,CI,CM,GA,GN,ML,MR,NE,
SN,TD,TG),UA(AM,AZ,BY,KG,K
Z,MD,RU,TJ,TM),AL,AM,AT,A
U,AZ,BB,BG,BR,BY,CA,CH,CN
,CZ,DE,DK,EE,ES,FI,GB,GE,
HU,IL,IS,JP,KE,KG,KP,KR,K
Z,LK,LR,LS,LT,LU,LV,MD,MG
,MK,MN,MW,MX,NO,NZ,PL,PT,
RO,RU,SD,SE,SG,SI,SK,TJ,T
M,TR,TT,UA,UG,UZ,VN
(72)発明者 ホフマン,ポール アール.
アメリカ合衆国 95336 カリフォルニア
州 モデスト,アメリカン アベニュー
5542
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 1. 電子パッケージ(40)用部品であって: 第1水平部(44)を有するバイメタル基板(42);および 上記第1水平部(44)と一体の第2水平部(46)を組合わせて含み、上記 第1水平部(44)が複数の金属化した回路トレース(24)を含み、上記第2 水平部(46)の熱膨張係数は、上記第1水平部(44)のそれより小さいこと を特徴とする部品。 2. 請求項1の部品に於いて、上記第1水平部(44)の最大厚さと上記第 2水平部(46)の最大厚さ比が約1:5ないし1:10であることを特徴とす る部品。 3. 請求項2の部品に於いて、上記第1水平部品(44)がアルミニウムま たはアルミニウム合金であり、上記第2水平部品(46)が銅または銅合金であ ることを特徴とする部品。 4. 請求項1から請求項3の何れか一項の部品に於いて、上記第1水平部品 (44)が上記第2水平部品(46)に張合わされていることを特徴とする部品 。 5. 電子パッケージ(40)用部品であって: 窒化アルミニウム、炭化アルミニウム、窒化珪素、炭化珪素、およびダイヤモ ンド状皮膜から成るグループから選択したセラミックの第1水平部(44);お よび 上記第1水平部(44)と一体の金属の第2水平部(46)を組合わせて含み 、上記第1水平部(44)が複数の金属化した回路トレース(24)を含むこと を特徴とする部品。 6. 請求項5の部品に於いて、上記第2水平部(46)がアルミニウムまた はアルミニウム合金であることを特徴とする部品。 7. 電子パッケージ(40)用部品であって: 酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、炭化アルミニウム、窒化珪素、炭化珪 素、およびダイヤモンド状皮膜から成るグループから選択したセラミックの第1 水平部(44);および 上記第1水平部と一体の銅または銅合金の第2水平部(46)を組合わせて含 み、上記第1水平部(44)が複数の金属化した回路トレース(24)を含むこ とを特徴とする部品。 8. 請求項6または請求項7のどちらかの部品に於いて、上記第1水平部( 44)の厚さと上記第2水平部(46)の厚さ比が約1:100ないし1:10 00であることを特徴とする部品。 9. ボール・グリッド・アレー電子パッケージ(40)であって: 第2水平部(46)と一体の第1水平部(44)を有するベース部品(42) で、上記第1水平部(44)が上記ベース(44)の周辺部(18)からその中 央部(16)まで伸びる複数の金属化した回路トレース(24)を含み、上記第 2水平部(46)の熱膨張係数が上記第1水平部(44)のそれより小さいベー ス部品; 上記ベース(42)の周辺部(18)で上記金属化した回路トレース(24) に接着された、複数のはんだボール(36); 上記金属化した回路トレース(24)と電気的に相互接続され、上記ベース( 44)の中央部(16)に接着された半導体装置(20);並びに 上記半導体装置(20)および上記回路トレース(24)に一部をカプセル封 止し、更に外部構造体(30)に接着されているカバー部品(26); を組合わせて含むことを特徴とする電子パッケージ。 10. 請求項9の電子パッケージ(40)に於いて、上記第1水平部(44 )の最大厚さと上記第2水平部(46)の最大厚さ比が約1:5ないし1:10 であることを特徴とする電子パッケージ。 11. 請求項10の電子パッケージ(40)に於いて、上記第1水平部(4 4)がアルミニウムまたはアルミニウム合金であり、上記第2水平部(46)が 銅または銅合金であることを特徴とする電子パッケージ。 12. 請求項9の電子パッケージ(40)に於いて、上記第1水平部(44 )がセラミックであり、上記第2水平部(46)が金属または金属合金であるこ とを特徴とする電子パッケージ。 13. ボール・グリッド・アレー電子パッケージ(60)であって: 周辺部(18)と中央部(16)を有し、それらの間にくぼみ部(64)が配 置されているベース部品(62); 周辺端と内端を有し、前記内端が上記くぼみ部(64)に隣接する、複数の回 路トレース(24); 上記ベース部品(62)の中央部(16)に接着され、上記回路トレース(2 4)の内端と電気的に相互接続された半導体装置(20); 上記回路トレース(24)の上記周辺端に接着された、複数のはんだボール( 36);並びに 上記中央部(16)および上記ベース(62)の上記くぼみ部(64)および 上記回路トレース(24)の上記内端をカプセル封止するカバー部品(26); を組合わせて含むことを特徴とする電子パッケージ。 14. 請求項13の電子パッケージ(60)に於いて、上記カバー(26) がポリマー樹脂であることを特徴とする電子パッケージ。 15. 請求項14の電子パッケージ(60)に於いて、上記ポリマー樹脂が 上記くぼみ部(64)に貫入することを特徴とする電子パッケージ。 16. ボール・グリッド・アレー電子パッケージ(70)であって: 周辺部(18)と中央部(16)を有するベース部品(12); 周辺端と内端を有し、上記ベース部品(12)の第1側(74)と一体の、複 数の回路トレース(24); 上記ベース部品(12)の中央部(16)に接着され、上記回路トレース(2 4)の内端と電気的に相互接続された半導体装置(20); 上記回路トレース(24)の周辺端に接着された、複数のはんだボール(36 ); 上記ベース部品(12)の中央部(16)、上記半導体装置(20)および上 記回路トレース(24)の上記内端をカプセル封止するカバー(26);並びに 上記ベース部品(12)の対向する第2側(76)と一体の補剛材(72); を組合わせて含むことを特徴とする電子パッケージ。 17. 請求項16の電子パッケージ(70)に於いて、上記補剛材(72) が上記ベース部品(12)の第2側(76)全体に拡がることを特徴とする電子 パッケージ。 18. 請求項17の電子パッケージ(70)に於いて、上記補剛材(72) が上記ベース部品(12)の側壁(78)に沿って拡がり、外部構造体(30) に接着されていることを特徴とする電子パッケージ。 19. 請求項16から請求項18の何れか一項の電子パッケージ(70)に 於いて、上記補剛材(72)が熱拡散器であることを特徴とする電子パッケージ 。 20. 請求項16から請求項18の何れか一項の電子パッケージ(70)に 於いて、上記カバー(26)が上記外部構造体(30)にも接着されていること を特徴とする電子パッケージ。
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