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発明の名称 マルチチップモジュールとそれを組み込んだ電子装置
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開平6−132431
公開日 平成6年(1994)5月13日
出願番号 特願平4−282905
出願日 平成4年(1992)10月21日
代理人 【弁理士】
【氏名又は名称】薄田 利幸
発明者 森田 守 / 栗原 啓輔 / 橋本 悟 / 関野 茂司 / 仲山 浩偉 / 戸内 孝治 / 高橋 行人
要約 目的
通信機器等の小型化、高速化に対処可能な空冷構造のマルチチップモジュールを高信頼性を維持しながら経済的に構成することにある。

構成
LSIチップ3を簡略な気密封止を用いて空冷するためにキャップ穴9のあるキャップ4を用い、ロー材5の飛び出しを防止すると共に、キャップ穴9を介して伝熱材6により冷却フィン7に伝熱する構造とした。また、終端抵抗10をI/Oピン8に隣接して配置し、モジュールの完成後にトリミングできるベース基板構成とした。また、高速伝送と冷却のために薄膜配線の伝熱機能を有するビアホール配線14の寸法を各層ごとに階段上に変えてセラミック基板の配線と整合をとるベース基板構成とした。
特許請求の範囲
【請求項1】セラミック基板と、その上に積層された薄膜配線と、前記薄膜配線に搭載接続された複数のLSIチップと、キャップ穴を有するLSIチップ封止用キャップと、前記キャップ上に配設された冷却フィンと、前記LSIチップの背面と冷却フィンとを前記キャップ穴を介して熱的に接続する伝熱材と、前記セラミック基板に植設された入出力ピンとを有して成るマルチチップモジュール。
【請求項2】上記伝熱材をはんだ、もしくは熱伝導率の高い樹脂で構成して成る請求項1記載のマルチチップモジュール。
【請求項3】上記LSIチップをフリップチップ方式で上記薄膜配線に搭載実装して成る請求項1記載のマルチチップモジュール。
【請求項4】上記LSIチップの背面にAuめっきを形成し、上記伝熱材をはんだで構成して成る請求項1乃至3何れか記載のマルチチップモジュール。
【請求項5】上記入出力ピンに隣接して終端抵抗を設け、その一端がピンに、他端が上記セラミック基板のビアホールにそれぞれ電極を介して接続されて成る請求項1乃至4何れか記載のマルチチップモジュール。
【請求項6】上記終端抵抗を、薄膜、もしくは厚膜抵抗体で構成すると共に、少なくともこの終端抵抗上を覆う絶縁保護膜を上記セラミック基板に形成して成る請求項5記載のマルチチップモジュール。
【請求項7】上記終端抵抗の形状を環状、もしくは帯状として成る請求項5もしくは6記載のマルチチップモジュール。
【請求項8】上記環状の終端抵抗を上記入出力ピンの外周に隣接して配設して成る請求項5もしくは6記載のマルチチップモジュール。
【請求項9】上記絶縁保護膜を透光性絶縁膜で構成し、レーザビームを前記絶縁膜を介して上記終端抵抗に照射してトリミング可能な構成として成る請求項5乃至8何れか記載のマルチチップモジュール。
【請求項10】多層セラミック基板と、その上に積層された多層薄膜配線と、前記多層薄膜配線に搭載接続された複数のLSIと、前記セラミック基板上に伝熱材を介して配設された冷却フィンとを有して成るマルチチップモジュールであって、前記多層薄膜配線のLSIが搭載された当接面及びその投影面と多層セラミック基板におけるその投影面のそれぞれに、伝熱機能を有するビアホールを配設すると共に、前記多層薄膜配線の各層に配設されたビアホールを、最上層から多層セラミック基板面方向に向かって段階的に広がった形状に配設して成り、これにより高速伝送配線での高周波反射防止を可能として成るマルチチップモジュール。
【請求項11】請求項1乃至10何れか記載のマルチチップモジュールをユニットに配設し、前記ユニットをキャビネットに収納して成る電子装置。
発明の詳細な説明
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、多数個のLSIを実装するマルチチップモジュールに関し、特に高速動作で、LSIの放熱構造を簡略にする実装構造、終端抵抗を精度良く安価に形成する実装基板及び高周波回路装置に好適な実装基板の構造に関する。
【0002】
【従来の技術】近年はLSIの機能も高度化し多ピン化の傾向にあり、高密度実装に対処するためプリント板に搭載されるLSIパッケージのピンもそれに対応して狹ピッチ化が進められている。一方、コンピュータやワークステーションでは小型化、高機能化に対応した高密度実装の手段として多数個のLSIを一つのプリント基板上に実装し、それを一つのパッケージングとしたマルチチップモジュールが用いられている。なお、これに関連するものとしては、例えば雑誌「日経マイクロデバイス」(1990年11月号、第145〜148頁)が挙げられる。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】上記従来技術は、高信頼性を確保する気密封止とLSIの冷却に対して簡略に構成することについては配慮されておらず、例えば図8にモジュールの要部断面図を示すように、ワイヤボンディング23による実装に対しては良いがマルチチップモジュールに有益であるフリップチップ、TABによる実装に対しては冷却構造が複雑になるという問題があった。
【0004】すなわち、同図のモジュール構成を説明すると、セラミック基板1の一方の面には、LSIチップ3をワイヤボンディング23により接続、搭載した薄膜配線2が接続されており、さらにその上部をキャップ4で覆い、ロー材5で封じている。8は入出力のI/Oピンであり、10は基板面に予め形成された回路の終端抵抗体である。また、LSIチップ3の背面の薄膜配線2にはチップの熱を外部に伝える伝熱材6が埋設されている。セラミック基板1の他方の面には、伝熱材6を介して冷却フィン7が接続されている。図示のようにこの構成でLSIチップ3の熱を外部に放散するには、LSIチップ3背面の伝熱材6、セラミック基板1、伝熱材6、冷却フィン7を通して行うため、その経路が長く複雑で伝熱効率が十分でない。
【0005】また、回路基板1の終端抵抗10は、予め実装時に設定してしまうので、後で修正する場合には、キャップ4及びLSIチップ3を取り外さねばならず実用的でないという問題があった。また、上記図示した冷却構造では、回路基板に高速伝送配線を形成した場合の高周波の反射ロスについては何ら配慮されていなかった。
【0006】したがって、本発明の目的は上記従来の問題を解消することにあり、第1の目的は効率の良い冷却構造とし従来のプリント基板にパッケージングしたLSI搭載方法と同価格レベルの実装構成としたマルチチップモジュールを提供することにある。また、第2の目的は実装後においても終端抵抗の調整を可能とする改良されたマルチチップモジュールを提供することにある。また、第3の目的は高速伝送配線を形成した場合にも高周波の反射ロスの少ない構造の改良されたマルチチップモジュールを提供することにある。そして、第4の目的はこれらのマルチチップモジュールを組み込んだ電子装置を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】上記第1の目的は、セラミック基板と、その上に積層された薄膜配線と、前記薄膜配線に搭載接続された複数のLSIチップと、キャップ穴を有するLSIチップ封止用キャップと、前記キャップ上に配設された冷却フィンと、前記LSIチップの背面と冷却フィンとを前記キャップ穴を介して熱的に接続する伝熱材と、前記セラミック基板に植設された入出力ピンとを有して成るマルチチップモジュールにより、達成される。
【0008】上記伝熱材としては、はんだ、もしくは例えばCuやAlの如き良導体粉末を分散させた熱伝導率の高い樹脂で構成することができる。また、LSIチップはフリップチップ方式で上記薄膜配線に搭載実装することが望ましい。また、上記伝熱材をはんだで構成した場合には、LSIチップの背面にAuめっきを形成することが好ましく、接続を一層容易とする。
【0009】また、上記第2の目的は、上記セラミック基板上に設けた入出力ピンに隣接して終端抵抗を設け、その一端をピンに、他端を上記セラミック基板のビアホールにそれぞれ電極を介して接続して成るマルチチップモジュールにより、達成される。これにより、外部からの終端抵抗のトリミングが容易となる。終端抵抗は、周知の抵抗材料からなる薄膜、もしくは厚膜抵抗体で構成することができ、その形状を環状、もしくは帯状とする。環状とする場合には、終端抵抗の中心に入出力ピンを配設し、その外周に隣接して終端抵抗を配設する。
【0010】また、この終端抵抗をセラミック基板上に露出させることなく、表面保護のために少なくともこの終端抵抗上を覆って絶縁保護膜を形成することが望ましい。抵抗値調整のためのトリミングは、外部からレーザビームを抵抗体に照射して溝を形成するなど、パターン形状を変更することにより抵抗値を容易に、しかも高精度に設定することができる。このような理由から上記絶縁保護膜は、透光性絶縁膜で構成することが望ましく、レーザビームをこの絶縁膜を介して終端抵抗に照射すれば容易にトリミングできる。
【0011】上記第3の目的は、多層セラミック基板と、その上に積層された多層薄膜配線と、前記多層薄膜配線に搭載接続された複数のLSIと、前記セラミック基板上に伝熱材を介して配設された冷却フィンとを有して成るマルチチップモジュールであって、前記多層薄膜配線のLSIが搭載された当接面及びその投影面と多層セラミック基板におけるその投影面のそれぞれに、伝熱機能を有するビアホールを配設すると共に、前記多層薄膜配線の各層に配設されたビアホールを、最上層から多層セラミック基板面方向に向かって段階的に広がった形状に配設して成り、これにより高速伝送配線での高周波反射防止を可能として成るマルチチップモジュールにより、達成される。上記ビアホールは、予め層間絶縁層に設けたスルーホール内を、配線パターンの形成と同一の例えばCuめっきで埋め込むことにより容易に形成できる。また、多層薄膜配線上に搭載されたLSIを保護するために、保護キャップを設けることが望ましい。
【0012】上記第4の目的は、上記何れかのマルチチップモジュールを所定のユニットに配設し、このユニットをキャビネットに収納して成る電子装置により、達成される。
【0013】
【作用】上記第1の目的達成手段によれば、伝熱材料はキャップの穴の気密封止の役割を行う。また、キャップ接続時に穴がキャップの内圧と外圧を同じ状態とし圧力差によるロー材の飛び出しを防止することができ気密封止を確実に行うことができる。
【0014】上記第2の目的達成手段によれば、モジュール組立後においても外部からのトリミングが容易なため、終端抵抗を精度良く所定値に調整し、最適条件のモジュールを実現することができる。
【0015】上記第3の目的達成手段によれば、多層薄膜配線の伝熱機能を有するビアホールの構造が、セラミック基板方向に向かって段階的に幅広く拡張されているので高速伝送配線での高周波の反射防止を可能とし、電力ロスを低減することができる。また、熱が伝達される方向に伝熱機能を有するビアホールの幅が広く拡張されているために、このビアホールの構造は伝熱効率を高める上からも好ましい。
【0016】上記第4の目的達成手段によれば、信頼性が高く、しかも小型化されたモジュールを組み込むことにより、長期使用に耐え得る信頼性の高い小型化された電子装置が実現可能となる。
【0017】
【実施例】以下、本発明の一実施例を図面にしたがって説明する。
〈実施例1〉以下、マルチチップモジュールの一構成例について説明する。図1は、モジュールの外観斜視図で、冷却フィンを接続する前の状態を示している。また、図2はキャップ封止をし、冷却フィンを接続した後における図1のA−A´断面図を示す。
【0018】図2に示すように、セラミックを用いたベースとなる多層配線基板1の上に、さらに層間絶縁膜15としてポリイミド、配線材料22としてAl、またはCuを用いた薄膜配線を行った薄膜配線層2を周知の多層配線形成方法により形成した後、LSIチップ3を搭載する。本実施例では、LSIチップ3をはんだ20を用いたフリップチップ方式で接続しているが、TABを用いた接続でもよい。はんだを用いた場合は、後の工程の熱履歴を考慮して例えば95Pb/Snの高融点はんだを用いる。
【0019】その後、配線材料22と膨張係数の近いコバールまたは42Ni−Feアロイよりなるメタルキャップ4をIn系はんだなどのロー材5で接続する。しかる後、前もってLSI搭載部に相当する個所に開けられた穴9(キャップ穴)より伝熱材6としてはんだを充填し、LSIチップ3の裏面と接触させる。この時キャップ4の穴部9は伝熱材6により封止され、キャップ4は気密封止状態となる。LSIチップ3は、裏面側にAuめっきを行うことにより、より接続性が良好となる。また、伝熱材6としては、熱伝導率の高い樹脂、例えばAlやCuの如き熱伝導の良好な金属粉末を充填したポリイミド樹脂等を用いることも可能であり、この時は、キャップ4の穴9の気密封止のため樹脂充填後に穴9をはんだ等で封止する。封止は窒素雰囲気中で行えばLSI接続部の信頼性をさらに向上することができる。
【0020】最後に、例えばAl合金、もしくはCu合金から成る冷却フィン7を、キャップ4上にはんだ、もしくは熱伝導率の良好な接着剤を介して熱伝材6に接続すると共に、入出力端子を構成するI/Oピン8をベース基板1に取付けてモジュールを完成する。このように本実施例のモジュールの冷却機構は、LSIチップ3の背面に接続した熱伝材6とそれに熱的に接続した冷却フィン7から成り、発熱部から冷却フィン7までの経路が短く、構造が単純であるため、放熱効果が良好で信頼性の高いマルチチップモジュールが実現できる。
【0021】〈実施例2〉次に、入出力端子となるI/Oピン8に隣接して終端抵抗をベース基板1に形成する例を図3、図4、図5により説明する。図3は、ベース基板1上に終端抵抗10とI/Oピン8とを形成した後の断面図を示している。終端抵抗10は、周知の成膜方法により基板1上に例えばCr−Si系、Ta系の薄膜又は酸化ルテニウム系の厚膜で形成し、その後その両端に電極11を形成する。ピン8は、ビアホール12´に接続された電極11上に、はんだ19により固定、植設される。なお、同図の22´は層間絶縁層15´上に形成された配線導体であり、ビアホール12´を介して隣接する層間絶縁層上の配線層に接続されている。
【0022】図4は、ベース基板1の表面にピン8を植設する際のピン8と電極11と抵抗体10との関係を図示したものである。図示のように抵抗体10の形状は、入出力ピン8の周りに環状に形成し、その一端は一方の電極11を介してピン8に接続し、他端はもう一方の電極11を介して基板1のビアホール12´に接続する。なお、抵抗体10は、抵抗値調整のトリミングを行うため環状の一部21をカットした形状とした。図5は、抵抗体10の形状を図4とは異なる帯状のパターンとしたものである。何れの場合においても電極11の形成は、周知のリソグラフィーによるパターン形成技術、もしくは導体インクの印刷等により容易に行うことができる。
【0023】上記図4、図5何れの構成においても抵抗体10の保護のために、図3に示したように保護膜13を形成することが可能である。この時、保護膜13としてガラス質系の透光性の絶縁材料を用いれば、抵抗値調整のトリミングは保護膜13の上よりレーザビームを照射して抵抗体の一部を除去するか、もしくはパターンに例えば溝を入れて形状を変える等により容易に行うことができる。終端抵抗10の形成は、LSI搭載側の配線形成前に行う方が配線への影響を少なくでき有利である。また、抵抗トリミングは、実装後に行う方が熱履歴による抵抗体の安定化が図られ有利であり、構造的に本実施例ではこれが容易となる。すなわち、本実施例ではベース基板1上のI/Oピン8に隣接して抵抗体10が設けられていることから、外部からの抵抗値調整のトリミングが容易である。
【0024】〈実施例3〉図6は、放熱フィン7の接続個所を実施例1の場合とは異なる側に配設し、ベース基板1側で冷却を行う構成としたものであり、高速伝送に用いる基板配線形状としたモジュールの要部断面図を示したものである。放熱フィン7の接続個所が、LSIチップ3の搭載側とは反対側のベース基板上にあるという点では、一見図8の従来例に近い構造であるが、以下に説明するように薄膜配線2に形成した伝熱材として機能するビアホールの形状に独特の特徴があり、伝熱効率を高めることを兼ねて高周波の反射防止が可能な構造としたものである。
【0025】実施例1と同様に多層セラミック基板1の上に薄膜多層配線2を形成する。薄膜多層配線の配線パターンは、通常、特性インピーダンスと層間絶縁膜15の関係から20〜30μmである。しかるに下層の多層セラミックベース基板1は厚膜にて形成するため200μm程度の配線となる。そこで図示の如く薄膜を15a〜15bの3層で形成する場合には、最上層のビアホールの直径を25μm、第2層のそれを50μm、第3層のそれを100μmで形成することにより、薄膜多層配線2の最上層から厚膜基板1の表面に至る下層まで階段状(末広がり)に、ビアホール14が形成される。なお、ビアホール14の形成は、層間絶縁膜15に設けたスルーホール内を、例えば他の配線層形成工程と同一工程で銅メッキ等の導体を充填することにより行われる。薄膜多層配線2に配設された伝熱機能を有する最下層のビアホール14に当接するベース基板1の領域にも、同様の伝熱機能を有するビアホール14´が設けられる。ただし、ベース基板1のビアホール14´は、薄膜多層配線2のビアホール14のように階段状とする必要はないが、伝熱効果を考慮して薄膜多層配線2の最下層のビアホール14と同等の断面積とするか、それよりも大きな断面積とすることが望ましい。最後に伝熱材6を介して冷却フィン7が固定される。
【0026】薄膜多層配線2に配設された伝熱材として機能するビアホール14を、図示のように階段状(末広がり)とすることにより、LSIチップ3で発生する熱が外部に逃げ易くなると共に、高速伝送配線での高周波の反射防止も効果的に行うことができる。このモジュールの構成は、特にGHz(ギガヘルツ)級の高周波に有効である。
【0027】〈実施例4〉図7は、実施例1〜3で得られたマルチチップモジュール18を所定の筐体に組み込んだ電子装置の構成例を示したものである。同図(a)はユニットを、同図(b)は異なるユニットを、そして同図(c)はこれらのユニットを組み込んだキャビネットを、それぞれ示している。図示したように、キャビネット16は、ユニット17から構成されており、各ユニットの中にマルチチップモジュール18を搭載したプリント基板1が実装されている。
【0028】
【発明の効果】以上詳述したように、本発明により所期の目的を達成することができた。すなわち、気密封止を必要とするマルチチップモジュールを歩留まり良く簡略な工程で製造できること、また、終端抵抗も精度良く、かつ高歩留まりで製造できるので、情報通信機器等低価格の高密度実装を必要とする分野に適用できること、また、高速伝送配線での反射防止効果があり、高周波の電力ロスを低減することができる。




 

 


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