집적 회로 및 회로 기판의 직접 칩 실장 결합 구성에서의 열에너지 분산을 개선하기 위한 방법 및 장치 document_id A220623066675

전형적인 IC 패키지는 통상적으로 내부 리드 프레임, 본딩 와이어 및 다이를 구비한 봉입 및/또는 캡슐화된 플라스틱 하우징, 뿐만 아니라 외부에 다이를 전기적으로 접속하기 위한 외부 전기 리드를 포함한다. 보다 높은 열 분산 다이를 수용하는 IC 패키지는 패키지 내에 형성된 부가적인 내부 히트 싱크(heat sink)를 가지며, 패키지는 IC 기판에 접속된다. 히트 싱크는 전형적으로 금속층을 포함한다. 다이는 통상 이러한 금속층에 장착되며, 이 때, 다이의 전기 접촉 패드가 위로 향하고, 본딩 와이어는 IC 패키지의 내부 리드 프레임에 다이의 전기 접촉 패드를 접속한다. 리드 프레임은 다이와 본딩 와이어로부터 IC 패키지의 외부 전기 리드까지의 기계적으로 견고한 전기 경로를 제공한다. 리드 프레임은 통상 내부 리드 프레임과 외부 리드 사이의 전기 접속을 가교하기(bridge) 위하여 플라스틱 하우징 내에서 부분적으로 몰딩된다. 전기 리드는 패키지로부터 패키지가 장착되는 회로 기판(CB)으로의 전기 접속을 만든다. 고전력 열분산 IC가 회로 기판(CB) 상에 장착될 때, IC 패키지 바로 밑에 위치된 회로 기판(CB) 상의 히트스프레더(heat spreader) 디바이스는 IC 패키지의 히트 싱크로, 그런 다음 회로 기판(CB)의 층들 내의 접지 평면으로 열 접속되고, 회로 기판(CB)의 층들은 전형적으로 인쇄회로 기판(PCB) 층들이다. 히트스프레더 디바이스는 IC에 의해 발생된 열을 회로 기판(CB) 접지 평면 자체로 분산시킨다. IC에 의해 발생된 열은 또한 IC 패키지로부터 주위 대기로 멀리 대류하여 이동된다. 그러나, IC 패키지의 사용이 작은 물리적 위치로 제한될 때 및/또는 다른 다이에 대해 물리적으로 작을 때, 패키지 주위의 공기의 순환은 통상 매우 빈약하고, 그러므로, 대류에 의한 열의 제거는 매우 작다. IC에 의해 발생된 모든 열은 그런 다음 IC 패키지 히트 싱크를 통해 회로 기판(CB)의 히트스프레더 디바이스 내로 대부분 하향 분산되어야만 한다. 직접 칩 실장 구성에 있어서, IC 패키지는 제거되고, 다이는 다이 상의 전기 접촉 패드가 회로 기판(CB) 상의 직면 회로 도형(confronting circuit trace)들을 향해 하향하도록 역전된 위치에서 회로 기판(CB)에 직접 장착되고, 회로 기판(CB) 상의 회로 도형에 다이의 접촉 패드를 연결하는 전기적 상호 접속부예를 들어 솔더 범프(solder bump)에 의해 전기적으로 접속된다. 직접 칩 실장 구성에서 사용된 회로 기판(CB)은 통상 물리적으로 가요성 PCB이며, 플렉스(flex) 회로 기판(CB) 또는 플렉스 회로로서 공지된다. 이러한 가요성때문에, 플렉스 회로 기판(CB)은 작은 물리적 영역으로 형상화될 수 있는 한편, 여전히 회로 기판(CB)과 다이 사이의 전기 접촉을 유지한다. 이러한 형태의 회로들은 종종 하드 디스크 드라이브(HDD) 내의 하드드라이브 자기 기록 매체로부터 데이터를 읽거나 데이터를 쓰는 읽기/쓰기(read/write) 헤드와 같이 회로 기판(CB)을 장착하는데 이용할 수 있는 공간이 매우 작은 상황에서 사용된다. 이러한 읽기/쓰기 헤드들은 전형적으로 그 위에 장착된 플렉스 회로 기판(CB)을 구비한 스테인리스강 아마추어(armature)에 안치된다. 플렉스 회로 기판(CB)의 전기 접촉부는 전형적으로 읽기/쓰기 헤드들을 전치증폭기(preamplifier) IC의 전기 접촉부에 접속한다. 이러한 전체적인 조립체는 그런 다음 자기 기록 매체 바로 위에서 공기 역학적으로 부양된다. 도 1은 전형적인 직접 칩 실장 조립체(11)의 사시도이며, 이것은 다양한 층(12)들과 플렉스 회로 기판(CB)(12) 상에 장착된 IC 다이(13)를 포함한다. IC 다이(13) 상의 전기 접촉 패드(도시되지 않음)들이 플렉스 회로 기판(CB)(12) 상의 회로 도형(도시되지 않음)에 전기 상호 접속부(예를 들어, 솔더 범프)에 의해 용이하게 접속되도록 배치되기 위해, IC 다이(13)는 직면하는 위치에서 플렉스 회로 기판(CB)(12)에 장착된다. 플렉스 회로 기판(CB)(12)는 다이(13)와 마주하는 회로 기판(CB)(12)의 측부와 접촉하는 히트 싱크 재료(14), 히트 싱크 재료(14) 상에 배치된 접착 및 단열 유전체 재료(예를 들어, 폴리이미드)의 층(15), 층(15) 상에 배치된 금속층(16), 및 금속층(16) 상에 배치된 단열 유전체 재료(예를 들어, 폴리이미드)의 층(17)을 포함할 수 있다. 상기된 회로 도형들은 플렉스 회로 기판(CB)(12)의 금속층(16)의 부분들에 의해 형성되고, 금속층 부분들은 전형적으로 구리로 만들어진다. 히트 싱크 재료(14)는 열분산기로서 기능하고, 열 경로는 다이(13)로부터 히트 싱크 재료(14)로 향하는 화살표(23, 24)로 지시된 바와 같이, 다이(13)로부터 히트 싱크 재료(14)로 향하는 방향이다. 일부의 경우에, 플렉스 회로 기판(CB)은 히트 싱크 재료(14)와 폴리이미드 및 접착제의 층(15) 사이에 위치된 알루미늄 보강재(도시되지 않음, stiffener)와 같은 안정화 디바이스를 포함한다. 보강재는 플렉스 회로 기판(CB)(12)에 기계적인 안정성을 제공한다. 플렉스 회로 기판(CB)들에서, 보강재는 히트 싱크 및 안정화 디바이스로서 기능할 수 있으며, 이 경우에, 히트 싱크 재료(14)는 생략될 수 있다. 히트 싱크 재료(14)는 회로 기판(CB)(12)의 부분일 필요는 없지만, 대신 회로 기판(CB)(12)이 배치되는 별개의 디바이스일 수 있다. 보강재가 사용되면, 이 보강재는 히트 싱크 재료(14)로 및 궁극적으로 아마추어와 디스크 드라이브의 하우징으로 향하는 열분산 경로를 제공한다. 전형적으로, 금속층(16)에 형성된 회로 도형과 다이(13)의 접촉 패드를 접속하는 전기적 상호 접속부(19)들은 솔더 범프 또는 무연(lead-free) 범프들이며, 이것들은 다이(13)의 바닥면 상에 위치된 전기 접촉 패드(도시되지 않음) 상에 배치되어 가열되고, 플렉스 회로 기판(CB)(12) 상의 회로 도형과 접촉 배치된다. 범프들이 냉각되고 경화될 때, 범프들은 다이(13)의 바닥면 상의 패드들과 플렉스 회로 기판(CB)(12)의 금속층(16)에 형성된 회로 도형들 사이의 견고한 전기 접속을 형성한다. 전기 접속들이 다이(13) 상의 패드들과 플렉스 회로 기판(CB)(12)의 회로 도형 사이에 만들어졌으면, 다이(13)의 표면과 회로 기판(CB)(12)의 표면 사이에 약간의 공간이 존재한다. 전형적으로 25 내지 76 마이크로미터(0.001 내지 0.003 인치)의 범위에 있는 이러한 공간의 물리적인 기하학적 형태로 인하여, 다이(13)와 플렉스 회로 기판(CB)(12) 사이의 공간은 전형적으로 언더필(underfill) 재료(21)가 충전되어, 기계적인 안정성을 제공한다. 이러한 것은 전기 접속이 실패하도록 유발할 수 있는 과도한 기계적 응력이 다이(13)와 상호 접속부들에 발휘되는 것을 방지할 의도로 되어 있다. 언더필 재료(21)는 통상 다이(13)의 패드들이 플렉스 회로 기판(CB)(12) 상의 회로 도형들과 상호 접속된 후에 적용된다. 언더필 재료(21)는 전형적으로 모세관 흐름을 사용하여 적용된다. 언더필 재료(21)는 그런 다음 고체의 물리적 상태로 재료를 경화시키기 위하여 가열된다. 현재 이러한 목적으로 사용되는 언더필 재료(21)는 빈약한 열전도성을 가지며, 전형적으로 독일, 뒤셀도르프에 소재한 Henkel Loctite Corporation에 의해 제조되는 Hysol®FP4549이다. 이러한 특정 언더필 재료는 집적 회로 패시베이션 재료들에 대한 개선된 접착성을 위해 설계된 고순도 저응력의 액상 에폭시이다. 도 1에 도시된 바와 같은 플렉스 회로 기판(CB) 조립체가 디스크 드라이브의 읽기/쓰기 헤드 상에서 사용될 때, 플렉스 회로 기판(CB) 조립체는 통상적으로 읽기 및 쓰기 작업이 실행될 수 있도록 많은 양의 전류 및/또는 전압을 사용한다. 이러한 형태의 신호들은 전형적으로 매우 빠른 상승 시간, 일부는 200피코초(ps), 극히 큰 순간 전류 및/또는 전압을 만드는 나노초(ns)당 700 밀리암페어(mA)를 초과하는 큰 슬루율(slew rate)을 보인다. 이러한 큰 순간 전류 및/또는 전압은 분산될 필요가 있는 많은 양의 열에너지를 만든다. 플렉스 회로 상의 구리 도형 영역을 증가시키는 것, 플렉스 회로 상에서의 구리 도형 두께를 증가시키는 것, 다중 "더미(dummy)" 범프들의 필요한 위치와 같은 고밀도 열전도성 상호 접속부를 사용하는 것, 보다 높은 열전도성 언더필을 사용하는 것, 및 다이/CB 인터페이스의 물리적 구조를 통하여 이미 발생한 전도성 냉각에 부가하여 주위 공기로 대류 냉각을 개선하는 것을 돕도록 회로 기판(CB)에 마주한 플립-칩(flip-chip)의 측부에 히트 싱크를 부가하는 것을 포함하는 다수의 시도들이 회로 기판(CB) 조립체의 히트 싱크의 효율성을 개선하도록 만들어졌었다. 현재까지, 개별적으로 또는 함께 사용되는 이러한 기술들 중에서 열저항을 상당히 감소시키고 또한 효과적인 저비용(또는 돈이 들지 않는) 해결 수단을 제공하는데 있어서 완전하게 효과적인 것으로 판명된 것은 없었다. 플렉스 회로 기판(CB) 조립체가 예를 들어 공간 및 비용 제약을 중시하는 디스크 드라이브의 읽기/쓰기 헤드 상에서와 같이 물리적으로 매우 작은 환경에서 사용될 때, 열저항을 감소시키기 위한 전형적인 접근은 부적절 및/또는 비현실적이다. 부가하여, 플렉스 회로 기판(CB) 조립체는 전형적으로 단층(즉, 도형이 형성되는 금속층(16))을 사용한다. 이 경우에, 공간 및 비용 제약이 중요하지 않은 다층 회로 기판(CB)을 사용하는 것이 가능하고, 실제의 경우에, 간단한 다층 도금된 스루홀(through-hole) 기술들이 발생된 열을 분산시키기 위하여 회로 기판(CB)을 통한 하향 열전도성 열 경로를 제공하도록 사용될 수 있다. 그러나, 다층 회로 기판(CB)들은 통상 단층 회로 기판(CB)보다 상당히 비용이 많이 든다. 그러므로, 다층 전도체 회로 기판(CB)을 사용하는 것은 일부의 경우에 비용이 터무니없이 들 수 있다. 또한, 디스크 드라이브 적용에서의 헤드 아마추어의 공기 역학으로 인하여, 디스크 드라이브의 아마추어 상에 배치된 다층 회로 기판(CB)들은 통상 아마추어 상의 추가의 질량이 보다 느린 읽기 및 쓰기 속도를 초래할 수 있기 때문에 부적절하다. 따라서, 회로 기판(CB) 조립체에서, 특히 직접 칩 실장 조립체에서 열에너지를 더욱 효과적으로 분산시키기 위한 방법 및 장치에 대한 필요성이 존재한다.