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JP2005026650A - 電子デバイスパッケージ組立体 - Google Patents

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Abstract

【課題】大きな速度範囲で作動できる電子デバイスパッケージ組立体を提供する。
【解決手段】電子デバイスパッケージ組立体(10)は、最小の寄生損失を伴ってDCから50GHzまでの速度で作動できるように、ボールグリッド列及び特殊化された構成を含む。パッケージ組立体(10)は薄いベースプレート(14)を有する。パワーバイア(48)、信号バイア(26)及び接地バイア(46)はベースプレート(14)を通して形成され、パッケージ組立体(10)内のトレース、回路素子及び(又は)デバイス(12)に結合される。インピーダンス整合補償ネットワーク(28)はデバイス(12)と信号バイア(26)との間にインピーダンス整合を提供する。ボールグリッド列はベースプレート(14)を貫通して延びる適当なバイアに電気的に結合された複数のはんだボールを有する。
【選択図】 図1

Description

本発明は一般に電子デバイスボールグリッド列(BGA)パッケージ組立体に関し、特に、最小の寄生損失を伴ってDCから50GHzまでの速度で作動するように設計された、薄いラミネートベースプレートを有する電子デバイスBGAパッケージ組立体に関する。
チップスケールパッケージは、電子チップデバイス及び関連する回路をパッケージ組立体内で環境的に保護し、形を整える既知の技術である。パッケージを通して電子デバイス及び関連する回路を種々の信号ライン、パワーライン及び接地ラインに電気的に結合するために、特殊化したリードフレーム及び回路接続が必要である。既存の電子パッケージ組立体は時には、高速を提供するために高価で大型の高周波数コネクタを必要とする高速入力/出力(I/O)ポートを含む。
ボールグリッド列(BGA)はこれらの欠点を少なくとも幾分克服し、かつ高速電気接続を提供する1つの既知のI/O装置である。BGAはパッケージ組立体のベースプレートの裏側に装着されたはんだボールの列を使用する回路接続装置である。はんだボールは組立体のベースプレートを貫通する電気バイアによりパッケージ組立体内で電子デバイス及び関連する回路に電気的に結合される。BGAは寄生キャパシタンス及びインダクタンスを減少させるのに必要なコンパクトな寸法で短いコネクタ長さを与え、溜め(ヒートシンク)熱の目的でパッケージ組立体に対する良好な熱接触を与える。あるBGAは、デバイスパッケージを密封シールする必要があるため、セラミックで構成される。しかし、セラミックの厚さが増大すると、パッケージ組立体の熱性能が低下してしまう。
既知のBGAはある信号速度の下ではその性能が現実的に制限されてしまう。デバイスパッケージからの寄生キャパシタンス及びインダクタンスはこのような信号速度以上で既知のパッケージ組立体に対するデバイス性能にかなり影響を与える。事実、大半のBGAはその構成のため6GHz以下で作動できるだけである。米国特許第6,194,669号明細書は約28GHzまで作動できるBGAを開示している。
米国特許第6,194,669号明細書
低価格のランドグリッド列(LGA)及びリード無しチップキャリヤ(LCC)もまた高周波数で作動することを意図する周知の電子パッケージ構成方法である。しかし、LGA及びLCCは熱サイクル問題という欠点を有する。更に、LCCはパッケージと回路盤との間の材料の熱膨張係数(CTE)の差に依存するある寸法よりも大きなものに対して使用できない。
別の形の電子パッケージ構成方法は低周波数(10GHz以下)応用に頻繁に利用されるリード付き平坦パックである。高周波数に対しては、環境的な極限に適応させるために使用される電気リードは、典型的には、適応させるのが困難な増大したインダクタンス及び信号放射を生じさせる。
本発明の教示に従えば、最小の寄生損失を伴ってDCから50GHZまでの速度で作動できるようにBGA及び特殊化された構成を含む電子デバイスパッケージ組立体が開示される。パッケージ組立体はロジャーズ4003(Rogers 4003) 、液晶ポリマー回路盤材料又は他の適当な薄い有機ラミネートの如き特殊化された材料で作った薄いベースプレートを有する。電子デバイスはベースプレートの頂表面に装着される。パワーバイア、信号バイア及び接地バイアはベースプレートを通して形成され、パッケージ組立体内のトレース、回路素子及び(又は)デバイスに結合される。カバーはベースプレートに形成されて、その中の素子をシールする。
ベースプレート上でパターン化された特殊に形状づけられたインピーダンス整合補償ネットワークは各信号バイアに結合される。リボンボンドは補償ネットワーク及びデバイスに結合されて、それに対するインピーダンス整合(インピーダンスマッチング)を提供する。補償ネットワークは寄生誘導性及び容量性損失を減少させるためにインダクタンススタブ及びキャパシタンススタブを有する。ボールはバイアへの高速電気接続を提供するためにベースプレートの裏面(底表面)に装着される。BGA内のはんだボールは高周波数応用に適するある寸法及びピッチを有する。信号接続に使用されるはんだボールは同軸構造を形成するために列内の他のはんだボールから分離される。
ボールグリッド列を含む電子デバイスのための高速デバイスパッケージ組立体に係る本発明の実施の形態の以下の説明は本質的に単なる例示であり、本発明又はその応用又は使用を限定する意図のものではない。
図1は増幅器、フィルタ、RAM等の如き高速電子デバイス12を包むためのパッケージ組立体10の斜視図である。組立体10は図示のようにデバイス12を装着したベースプレート14を含む。ベースプレート14は、例えば、ロジャーズ4003の如き繊維と樹脂との混合物である特殊なラミネート材料、液晶ポリマー(LCP)回路盤材料又は他の適当な薄い有機ラミネートで作られ、剛直な支持体を提供する。このような形式の材料を使用することにより、ベースプレート14は極めて薄く作ることができ、後述するバイア及び相互接続部の長さを減少させる。さもなければ、高信号速度での寄生インダクタンス及びキャパシタンスに由来する重大な欠点を生じるであろう。本発明の1つの実施の形態によれば、ベースプレート14は約0.005インチ(約0.127mm)−0.008インチ(約0.203mm)の厚さを有する。
カバー16(図1に破断して示す)は、デバイス12が密封的に又は他の方法でその中にシールされるように、適当なエポキシ等によりベースプレート14に装着される。カバー16はプラスチック、金属、セラミック等の如きここで述べる目的に適した任意の材料で作ることができる。ベースプレート14及びカバー16は、当業者なら十分理解できるように、熱溜め(ヒートシンク)の目的で所望の熱伝導特性を有するように設計される。
ベースプレート14は、図示のように、その外周においてベースプレート14の頂表面24上に付着され、形成された接地金属化リング層20を有する。別の実施の形態においては、リング層20は省略することができる。ベースプレート14はまた接地面22を有する。1つの実施の形態においては、金属化層20及び(又は)接地面22はここで説明する適当な電気接続を提供するためにニッケル層及び金層をその上に付着した銅層の如き一連の層である。しかし、これは非限定的な例であって、金属化層20又は接地面22はパターン化できるここで説明する目的にとって適する任意の導電性材料とすることができる。デバイス12は適当な接着剤又ははんだにより、リング20内でベースプレート14の頂表面24上に形成された接地面22上に装着される。デバイス12はリボン又はワイヤボンドを使用して後述するパッケージトレース及び他の素子に相互接続される。
当業者なら認識できるように、組立体10の頂表面24は金属層で最初にメッキされ、リング層20及び接地面22を含むここで説明する種々の導電性トレース等はパターン化処理により形成される。代わりに、パターン化処理は削減処理とすることができる。
デバイス12及びパッケージ組立体10内に含まれる種々の他の回路に対する信号接続、パワー接続及び接地接続を提供するために必要な後述の種々の電気バイアを収容するための穴を、ベースプレート14を通してドリル加工する。バイアは電気メッキ処理により作ることができ、この場合、バイアは銀エポキシ又は他の適当な材料の如き導電性材料で満たされ、バイアを外側の環境から完全にシールするためにメッキされる。
高速信号バイア26はデバイス12への高周波信号接続のためにベースプレート14を通して形成される。本発明によれば、複数の補償ネットワーク28がデバイス12へ信号を結合するためにデバイス12の近くでベースプレート14の頂表面24上でパターン化される。補償ネットワーク28は信号損失を最小化するためにバイア26とデバイス12との間のインピーダンス整合を提供する。特に、補償ネットワーク28は信号トレース32及びワイヤ又はリボンボンド36に結合される。他の実施の形態においては、他のリボンボンドをリボンボンド36と組み合わせて使用することができる。大半の応用においては、信号トレース32は外部の電気接続のインピーダンスと両立できるような50オームのトレースである。信号トレース32はバイア26に結合され、リボンボンド36はデバイス12に結合される。補償ネットワーク28はデバイス12とバイア26との間の容量性整合及び誘導性整合を提供するために容量性スタブ(キャパシタンススタブ)40及び誘導性スタブ(インダクタンススタブ)42を有する。換言すれば、容量性スタブ40及び誘導性スタブ42は信号トレース32とワイヤ又はリボンボンド36との間の所望のインピーダンス整合を提供してこれらの間の反射を最小化し、寄生損失を減少させるように、寸法決めされ、形状づけられる。
複数の接地バイア46はベースプレート14を通して形成され、デバイス12の裏面金属を接地部に結合するために接地面22に電気的に結合される。一対の随意の結合解除(ディカップリング)コンデンサ44は接地層22に装着され、パワートレース54に電気的に結合されたワイヤ又はリボンボンド50に電気的に結合される。パワートレース54はパワーバイア48に電気的に結合される。結合解除コンデンサ44はまたワイヤ又はリボンボンド52によりデバイス12に電気的に結合される。それ故、デバイス12に適用されたDCパワー信号におけるスパイクは結合解除コンデンサ44により濾波される。
図2はパッケージ組立体10の底部斜視図である。BGA60はここで説明する目的にとって適する任意の技術によりベースプレート14の底表面62に装着される。金属化接地面64は底表面62上でパターン化される。上述の種々のバイアはデバイス12への電気接続を提供するためにBGA60に関連する特定のはんだボール68に電気的に結合される。BGA60内の種々のはんだボール68は接地はんだボール72、信号はんだボール74及びパワーはんだボール76を含む。はんだボール68はまたデバイス12の特定の応用に応じて外部コネクタに結合される。BGA60はベースプレート14に取り付けられ、電気パッドがはんだボール68と特定のバイアとの間に提供される。信号ボール74及びパワーボール76は接地面64内のエッチングされたリング70により接地面64から電気的に隔離される。
はんだボール68の配列は高速応用に適したあるピッチ即ちボール間隔を有する。1つの実施の形態においては、ピッチは0.03インチ(約0.76mm)である。しかし、これは単なる非限定的な例であって、他のはんだボール間隔を他の応用に適用できる。また、はんだボール68は、ボール68を一層小さくし、寄生損失を減少させるために、高周波数応用に適するある直径を有する。1つの実施の形態においては、はんだボール直径は約0.018インチ(約0.457mm)である。
高速信号はんだボール74のまわりのはんだボールは除去される。特に、ボールピッチを満足させるために通常含まれるものである信号はんだボールのまわりのはんだボール68の4個が除去された。これはデバイスの性能を増大させるように作用する信号はんだボール74のための同軸接続を提供する。信号はんだボール74のまわりのはんだボール68を削減又は除去することにより、金属化接地面64は信号はんだボール74のまわりでの外側同軸を提供し、信号はんだボール74のまわりのエッチングされたリング70はそれらの間に誘電体を提供する。ボールグリッド列のためのこの形式の構成の説明は2001年2月27日に発行された本出願人に係る上記米国特許第6,194,669号明細書内に見られる。
以上の説明は本発明の単なる例示的な実施の形態を開示し、述べたものである。当業者なら、このような説明から並びに添付図面及び特許請求の範囲の記載から、特許請求の範囲で規定されるような本発明の要旨を逸脱することなく、種々の変更、修正及び変形が可能であることを容易に認識できよう。
本発明の実施の形態に係る、BGAを使用する高速デバイスパッケージ組立体の部分破断頂部斜視図である。 BGAを示す、図1に示すパッケージ組立体の底部斜視図である。
符号の説明
10 パッケージ組立体
12 電子デバイス
14 ベースプレート
20 リング層
22 接地面
24 頂表面
26、46、48 バイア
28 ネットワーク
32、54 トレース
36 リボンボンド
40、42 スタブ
50、52 リボンボンド
60 ボールグリッド列
62 底表面
68 はんだボール
72、74、76 はんだボール

Claims (10)

  1. 電子デバイスを包むための電子デバイスパッケージ組立体において、
    上記電子デバイスを装着する頂表面と、底表面とを有するベースプレート;
    上記ベースプレートを通って延びる複数のバイア;
    上記ベースプレートの上記頂表面上でパターン化され、選択的な方法で上記バイアと電気的に接触し、接地トレース、信号トレース及びパワートレースを有する電気トレースであって、上記信号トレースがインピーダンス整合補償ネットワークを有し、上記デバイスが同デバイスと当該信号トレースとの間にインピーダンス整合を提供するように上記補償ネットワークに電気的に結合されるような電気トレース;及び
    上記ベースプレートの上記底表面に装着され、上記デバイスへの電気接続を提供するように選択的な方法で上記バイアに電気的に結合された複数のボールを有するボールグリッド列;
    を有することを特徴とする組立体。
  2. 上記ベースプレートが繊維と樹脂との混合物を含むラミネート材料で作られることを特徴とする請求項1に記載の組立体。
  3. 上記ベースプレートがロジャーズ4003及び結晶ポリマー回路盤材料からなるグループから選択された材料で作られることを特徴とする請求項1に記載の組立体。
  4. 上記ベースプレートが約0.005インチ(約0.127mm)から0.008インチ(約0.203mm)までの範囲の厚さを有することを特徴とする請求項1に記載の組立体。
  5. 上記ボールグリッド列が接地ボール、信号ボール及びパワーボールを有することを特徴とする請求項1に記載の組立体。
  6. 上記ボールグリッド列の上記ボールが所定のボールピッチを有し、上記ボールピッチを満たすことになる上記信号ボールのまわりのボールのいくつかが、上記ベースプレートの上記底表面上でパターン化された接地面に対して当該信号ボールを同軸にさせるように、減らされることを特徴とする請求項5に記載の組立体。
  7. 上記ボールピッチが0.030インチ(約0.762mm)であることを特徴とする請求項6に記載の組立体。
  8. 上記ボールが約0.18インチ(約4.572mm)のボール直径を有することを特徴とする請求項1に記載の組立体。
  9. 上記補償ネットワークが寄生損失を減少させる容量性及び誘導性インピーダンス整合を提供するように容量性スタブ及び誘導性スタブを有することを特徴とする請求項1に記載の組立体。
  10. 上記デバイスがDCから50GHzまでの速度で作動することを特徴とする請求項1に記載の組立体。
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