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Die
Erfindung betrifft einen Halbleiterchip, im Folgenden als Chip bezeichnet,
der auf einer seiner Oberflächen,
die als aktive Seite bezeichnet sein soll, ein-, zwei- oder mehrreihig
angeordnete, zentrale Kontaktflächen
zur elektrischen Kontaktierung des Chips aufweist. Sie betrifft
ebenso ein Halbleiterbauelement mit einem solchen, zentrale Bond-Pads
aufweisenden Chip, der mit seiner aktiven Seite derart auf einem
steifen Substrat angeordnet ist, dass die zentralen Bond-Pads gegenüber einer
zentralen Öffnung
des Substrats, dem Bondkanal, liegen und mittels Drahtbrücken durch
den Bondkanal hindurch mit einer Leitbahnstruktur elektrisch verbunden
sind, welche auf der dem Chip abgewandten Oberfläche des Substrats ausgebildet
ist.
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Halbleiterchips
mit derartiger, als so genannte „Center-Row"-Anordnung der für die Außenkontaktierung des Chips
erforderlichen Bondpads, z. B. bekannt aus der
DE 10 2004 029 765 A1 ,
werden häufig
als Halbleiterspeicher realisiert. Die Halbleiterspeicher weisen
eine Vielzahl von Speicherzellen auf, die jeweils einen Datenwert
speichern und mit einer Datenleitung über eine Schaltvorrichtung
verbunden werden, wobei die Schaltvorrichtung über ein Steuersignal gesteuert
wird. Für
jede Lese- oder Schreiboperation ist ein Steuersignal auf einem
definierten Spannungspegel erforderlich.
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Aus
technologischen Gründen
sind bei Halbleiterspeichern die einzelnen, im Wesentlichen aus Kondensatoren
bestehenden Speicherzellen in einer rechteckförmigen Matrix angeordnet, in
einer Vielzahl von Reihen und Spalten nebeneinander liegend. Um eine
entsprechend hohe Gesamtspeicherkapazität zu erzielen und/oder um eine
möglichst
hohe Lese- und Schreibgeschwindigkeit zu erzielen, können in einem
einzelnen Speicherelement statt einer einzigen Matrix mehrere Einzelmatrizen
vorgesehen sein. Solch ein Speicherelement wird beispielsweise in
der
DE 10 2004
004 785 A1 beschrieben. Solche Speicherelemente mit hoher
Speicherkapazität
weisen eine Größe auf,
für die
die Stromversorgung des Chips über
die zentral angeordneten, der Außenkontaktierung dienenden
Bond-Pads ein Problem darstellt. Um das Spannungsniveau bis zu den
Randstrukturen des Chips konstant zu halten, werden besonders breite
Versorgungsleitungen erforderlich, die Chipfläche kosten, was sich sowohl
in den Kosten als auch in der Performance des Bauelements nachteilig auswirkt.
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Zur
Montage werden diese, zentrale Bond-Pads aufweisenden Chips unter
Zwischenlage eines Klebematerials auf einem Trägersubstrat montiert. Die Montage
auf dem Substrat erfolgt mit der Seite des Chips, welche die Bond-Pads
aufweist und regelmäßig als
aktive Seite bezeichnet wird. Dazu weist das Substrat einen mittleren,
die zentralen Bond-Pads frei lassenden Bondkanal auf. Zum Schutz
und zur Versteifung können
die Rückseite
des Chips oder auch die Kanten des Bauelements mit einem Moldcompound
umhüllt
werden. Bei dem Substrat handelt es sich um ein steifes, plattenförmiges Material,
meist um faserverstärkten
Kunststoff, der eine gute Handhabbarkeit sowohl während der
Fertigung als auch bei der folgenden Verwendung des Bauelements
ermöglicht.
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Die
elektrische Außenkontaktierung
des Chips erfolgt durch Drahtbrücken,
die durch den Bondkanal des Substrats zwischen den Bond-Pads und
einer Leitbahnstruktur hergestellt werden, die auf der dem Chip
abgewandten Seite des Substrats ausgebildet ist. Diese Leitbahnstruktur
auf dem Substrat besitzt Kontakt-Pads, auf denen meist matrixartig
angeordnete Zwischenverbindungselemente, wie Kontaktbälle (Solder
Balls) o. dgl. angeordnet sind, mit denen die Baugruppe dann mit
einer Leiterplatte (PCB) verbunden werden kann. Derartige Bauelemente
weisen in ihrem endmontierten Zustand, in welchem die Verbindung
mit der PCB erfolgt, Ausdehnungen auf, die nur geringfügig größer sind,
als die des Chips an sich. Ein Beispiel für eine solche Anordnung geht
aus der
DE 102 61
410 A1 hervor.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, einen Halbleiterchip und ein Halbleiterbauelement
unter Verwendung eines solchen Chips anzugeben, bei dem die Breite
der Versorgungsleitungen auf dem Chip reduziert werden kann, ohne
dass selbst bei größeren Chips
das Niveau der Versorgungsspannung in den Schaltungsstrukturen in
dessen Randbereich deutlich absinkt.
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Diese
Aufgabe wird durch einen Halbleiterchip mit den Merkmalen des Anspruchs
1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Ansprüchen 2 bis 9 zu entnehmen.
Zur Lösung
der Aufgabe wird des weiteren ein Halbleiterbauelement mit den Merkmalen
gemäß Anspruch
10 angegeben, zu dem sinnvolle Ausgestaltungen in den Ansprüchen 11
bis 13 angeführt
sind.
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Durch
die Anordnung von Power-Pads in dem Bereich des Chips, der außerhalb
der zentralen Bond-Pad-Reihen liegt, d. h. in jenem Randbereich des
Chips zwischen dem zentralen Bond-Pad-Areal und dem Chiprand, können die
Längen
der Versorgungsleitbahnen auf dem Chip zwischen einem Power-Pad
und der zu versorgender Schaltungskomponente deutlich reduziert
werden, so dass auch bei geringerer Breite der Versorgungsleitbahnen
die Versorgung in allen Chipbereichen mit dem erforderlichen Niveau
gewährleistet
ist.
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Ob
diese Power-Pads zusätzlich
zu denen angeordnet sind, die nach dem bisherigen Design in den
zentralen Bond-Pad-Reihen bereits vorhanden sind oder anstelle im
zentralen Bereich des Chips im Randbereich angeordnet werden, hängt vor
allem von der Chipgröße und -gestalt
ab und der mit den Versorgungslei terbahnen zu überbrückenden Distanzen. Während bei
großen
Chips regelmäßig die
Power-Pads zusätzlich
angeordnet sein werden, um die erforderliche Reduzierung der Leitungsbreite
zu erzielen, kann in anderen Fällen
mit der Anordnung der Power-Pads
im Randbereich anstelle im zentralen Bereich eine Reduzierung der
Leitbahnlängen
auf z. B. zwei Drittel ausreichend sein.
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Die
Größe eines
Chips hängt
bei der oben beschriebenen Außenkontaktierung
mittels Zwischenverbindungselementen von deren herstellbaren Mindestabstand
zueinander ab, so dass derzeit eine Chipausdehnung mit den oben
dargestellten Nachteilen dann als „groß" angesehen wird, wenn eine Ausdehnung
größer als
10 mm ist. Diese Größe ist bedingt
durch die Standardisierung der Solder-Ball-Anordnungen zum Zeitpunkt
der Erfindung, wird sich jedoch mit der Weiterentwicklung der Bauelemente,
die auch eine weitere Reduzierung der Breiten der auf dem Chip angeordneten
Leitbahnen erwarten lässt,
weiter verringern. Unter diesem Aspekt ist es selbstverständlich,
dass auch bei deutlich kleineren Chips zur Reduzierung der Leitbahnbreiten
die Verschiebung der Power-Pads in Richtung der entferntesten Schaltungsstrukturen
oder zusätzliche
Power-Pads anwendbar sind.
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Um
diese außerhalb
des Areals, in welchem die zentralen Bond-Pads angeordnet sind, vorhandenen Power-Pads
elektrisch zu kontaktieren, sind im Substrat, auf welchem der Chip
anzuordnen ist, korrespondierend zur Lage der Power-Pads eine oder mehrere
Ausnehmung vorhanden. Jede dieser Ausnehmungen weist einen Abstand
zum Bond-Kanal auf und ist derart dimensioniert und angeordnet,
dass durch sie hindurch die Power-Pads mittels weiterer Drahtbrücken mit
der Leitbahnstruktur des Substrats, d. h. mit dessen Power- oder
Groundflächen
elektrisch verbunden werden können.
Als Ausnehmung soll hier jeder Ausschnitt im Substrat verstanden
werden, der eingebracht wird und damit einen Abschnitt der Chipfläche freilässt, wie
es auch beim Bondkanal erfolgt. Die Ausnehmung kann sowohl eine Öffnung sein,
d. h. sie ist vollumfänglich
von Substratmaterial umgeben, oder sich ebenso steglos an den Rand oder
den Bondkanal anschließen.
Ist es jedoch erforderlich, dass die Leitbahnen der Leitbahnstruktur
des Substrats dessen Mitte kreuzen können. Z. B. können die
Ausnehmungen auch so gestaltet sein, dass an einem oder an beiden
Enden des Bondkanals Stege des Substrats verbleiben, die so breit
sind, dass die die Substratmitte kreuzenden Leitbahnen den insbesondere
elektrisch erforderlichen Abstand zueinander aufweisen.
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Die
Form und Größe der Ausnehmung
oder der Ausnehmungen ist einerseits bestimmt durch die Lage der
Power-Pads zueinander und zum Rand sowie zum Bondkanal und durch
die Anzahl der Power-Pads. Andererseits muss die Festigkeit des
Substrats gewährleistet
sein und die erforderlichen Leitbahnstrukturen sowie Zwischenverbindungselemente
aufbringbar sein.
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Mit
der erfindungsgemäßen Gestaltung
des Halbleiterbauelements sind die obigen Vorteile des erfindungsgemäßen Chips
mit den bekannten und erprobten Materialien und Fertigungstechnologien
zu erzielen. Insbesondere die weitere Nutzung des in der Fertigung
und weiteren Verwendung des Bauelements gut zu handhabenden und
darüber
hinaus sehr kostengünstigen
Substrats stellt sich als Vorteil dar, um die Effektivität der Fertigung
selbst bei der geänderten
Gestaltung des Substrats zu gewährleisten.
Insbesondere sind wegen der Steifigkeit des Substrats auch Stege
zum Rand hin und/oder zum Bondkanal hin zu realisieren, indem die
Ausnehmung als Öffnung
gestaltet ist, die einen Abstand zum Rand des Substrats aufweist.
Diese können
entsprechend der geometrischen Anforderungen z. B. durch die Leitbahnstruktur
oder die Zwischenverbindungselemente, auch schmal sein, ohne dass
die Handhabbarkeit des Substrats deutlich verschlechtert wird.
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Sofern
entsprechend einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Chips
jedes der Power-Pads einen geringeren Abstand zum Rand des Chips
aufweisen als jedes zentrale Bond-Pad, ist in jedem Fall eine Reduzierung
der Leitbahnlänge
möglich,
abhängig
von den geometrischen Verhältnissen zwischen
Bond-Pad-Areal und der Chip-Größe. Darüber hinaus
bleibt wegen der oben beschriebenen geometrischen Verhältnisse
parallel zu den oder der zentralen Bond-Pad-Reihe ein Bereich von
den Power-Pads frei, der für
die Herstellung der Drahtbrücken
mit dem Substrat und für
die Anordnung der Zwischenverbindungselemente auf dem Substrat erforderlich
ist. Dies ist besonders dann der Fall, wenn es sich bei den Zwischenverbindungselementen
um standartisierte Solder-Ball-Anordnungen handelt, in deren Bereich
sich aufgrund der Standardisierung keine Ausnehmung befinden kann.
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In
Abhängigkeit
von der Schaltungsstruktur und insbesondere bei der Anordnung zusätzlicher Power-Pads
erweist es sich als günstig,
wenn die Power-Pads am Rand des Chips angeordnet sind. Sind die
Power-Pads zusätzlich
zur Stromversorgung über
die zentralen Bond-Pads vorhanden, kann die Leitbahnlänge halbiert
werden.
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Darüber hinaus
können
auf diese Weise besonders günstig
Einrichtungen zur Bereitstellung eines internen Spannungspegels
(Generatoren), die auf dem Chip außerhalb des Areals der zentralen Bond-Pads
integriert sind, und Power-Pads in unmittelbarer Nähe zueinander
angeordnet werden, wobei dies sowohl für zusätzliche als auch für verschobene Power-Pads
zutrifft. Denn ein Teil dieser Generatoren ist bereits im Randbereich
des Chips vorgesehen oder kann bei dem Schaltungsdesign dort auf
einfache Weise berücksichtig
werden. Bei der Anordnung zusätzlicher
Power-Pads an den beiden Rändern
des Chips, die parallel zur zentralen Bond-Pad-Reihe verlaufen,
ist der beste Effekt zur Optimierung zwischen einem weitestgehend
gleichmäßi gem Spannungsniveau
und der Reduzierung der Leitbahnbreite bei gleichzeitig minimalem
Abstand zwischen Generatoren und Power-Pads mit einem Größenverhältnis zwischen den beiden Kantenlängen eines
rechteckigen Chips von 2 : 1 zu erzielen, wobei die zusätzlichen
Power-Pads am längeren
Rand angeordnet sind.
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Insbesondere
für Speicherchips
erweist es sich ebenfalls als Vorteil, wenn die Power-Pads auf einem
streifenförmigen
Bereich des Chips angeordnet sind, der zu den zentralen Bond-Pads einen Abstand
aufweist. Mit dieser Anordnung korrespondiert die Verteilung der
Power-Pads mit der symmetrischen Schaltungsstruktur des Chips.
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Außerdem ist
es mit dieser Anordnung möglich,
die erfinderische Ausnehmung im Substrat längserstreckt zu gestalten,
so dass durch sie hindurch mehrere Power-Pads kontaktierbar sind.
Entsprechend einer Ausgestaltung ist es so möglich, dass die Ausnehmung
sich parallel oder senkrecht zum Bondkanal erstreckt.
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Sofern
der Chip eine solche Architektur aufweist, dass er in matrizenartig
angeordnete rechteckförmige
Felder gleicher Funktion unterteilt ist, können entsprechend einer weiteren
Gestaltung der Erfindung die Power-Pads in solchen streifenförmigen Bereichen
angeordnet sein, welche die Funktionsfelder voneinander trennen.
Damit können
kurze und vor allem auch ähnliche
Leitbahnlängen
in die einzelnen Funktionsfelder realisiert werden. Dies wird auch
erzielt, wenn die Power-Pads in Kreuzungsbereichen der senkrechten
und waagerechten streifenförmigen Bereiche
angeordnet sind. In diesem Fall sind die Power-Pads deutlich näher zum
Bond-Kanal angeordnet als bei einer Anordnung am Chiprand.
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Obwohl
die Erfindung unter Bezug auf Halbleiterspeicher beschrieben worden
ist, ist es für
den Fachmann selbstverständlich,
dass die Erfindung auch für
andere Halbleiterchips und Halbleiterbauelemente anwendbar ist,
bei denen das anfangs beschriebene Problem der Leitungsdimensionierung
für die
Stromversorgungsleitungen auf dem Chip besteht. Daher soll die Erfindung
nicht auf die Anwendung für
Halbleiterspeicher beschränkt
werden, sondern soll auch andere, unter die Patentansprüche fallenden
Ausführungsformen
umfassen.
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Die
Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden.
In der zugehörigen
Zeichnung zeigt
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1 Einen
Chip mit einer zentralen Bond-Pad-Reihe und Generatoren sowie zusätzlichen
Power-Pads im Randbereich;
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2 einen
Chip mit einer zentralen Bond-Pad-Reihe und zusätzlichen Power-Pads auf streifenförmigen Bereichen
und
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3 die
Ansicht eines Halbleiterbauelements vonseiten des Substrats ohne
Drahtverbindungen.
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1 zeigt
die aktive Seite 3 eines Chips 1 mit einem Kantenlängenverhältnis von
zwei zu eins, der in Richtung seiner größeren Ausdehnung eine zentrale
Reihe mit acht Bond-Pads 2 aufweist. Die zentrale Bond-Pad-Reihe 2 hat
zu allen vier Chipaußenkanten 4 ungefähr den gleichen
Abstand. Die Richtung, in der diese zentrale Bond-Pad-Reihe 2 liegt,
soll für
die nachfolgenden Darlegungen als Bezugsrichtung 5 bezeichnet
werden.
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Nach
der herkömmlichen
Architektur eines solchen Chips 1 würden die Generatoren 6 zur
Einstellung chipinterner Spannungsniveaus mittig an den kurzen Chipaußenkanten 4,
wie angedeutet angeordnet sein. Erfindungsgemäß sind anstelle der zwei herkömmlichen
Generatoren 6 sechs angeordnet und zwar gleichmäßig verteilt
entlang der beiden langen Chipaußenkanten 4 und mit einem
gleichmäßigen Abstand
zur Kante. Jeweils drei Generatoren 6 sind an jeder langen
Chipaußenkante 4 angeordnet und
zwar spiegelbildlich zur mit der Bezugsrichtung 5 übereinstimmenden
Mittelachse des Chips 1.
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Jedes
spiegelbildliche Paar von Generatoren 6 bildet einen virtuellen
streifenförmigen
Abschnitt 7 der Chipoberfläche, welcher senkrecht zur
Bezugsrichtung 5 steht. Die äußeren Generatorenpaare 6 haben
jeweils den gleichen Abstand zur benachbarten kurzen Chipaußenkante 4 und
ebenso jeweils den gleichen Abstand zum mittleren Generatorenpaar 6,
das auf der senkrecht zur Bezugsrichtung 5 stehenden Mittelachse
des Chips 1 liegt. Die beiden äußeren Generatorenpaare 6 sind
so weit von der kurzen Chipaußenkante 4 beabstandet,
dass beide Streifen noch einen Abstand zur zentralen Bond-Pad-Reihe 2 aufweist.
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Auf
jedem der streifenförmigen
Abschnitte 7 sind zwischen dem Generator 6 und
der Chipaußenkante 4 und
ebenfalls spiegelbildlich zur selben Mittelachse jeweils zwei zusätzliche
Power-Pads 8 in Streifenrichtung hintereinander angeordnet,
wobei das äußere Power-Pad 8 an
die lange Chipaußenkante 4 grenzt.
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Aufgrund
der speziell bei Speicherchips vorhandenen, in Bezug auf die zentralen
Bond-Pad-Reihen 2 teilweise symmetrischen Schaltungsstrukturen des
Chips 1 erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Power-Pads 8 symmetrisch
zu jener mittleren Achse der aktiven Seite 3 des Chips 1 angeordnet
sind, die parallel zur zentralen Bond-Pad-Reihe 2 verläuft. Auf diese
Weise werden die meist größten Leitbahnlängen um
bis zu 50% reduziert, da das zentrale Bond-Pad-Areal meist ein länglichere
Form aufweist, als der Chip 1 und somit der Abstand zischen
diesem Areal und dem parallel zu den Bond-Pad-Reihen liegenden Chipaußenkante 4 meist
der größere ist.
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2 zeigt
einen Chip 1, ebenfalls mit dem Kantenverhältnis von
2 : 1, welcher eine so genannte Donut-Architektur aufweist. Danach
weist der Chip 1 ein zentrales Feld 11 auf, in
welchem die zentrale Bond-Pad-Reihe 2 angeordnet ist, sowie
acht äußere Funktionsfelder 10.
Die einzelnen Funktionsfelder 10 sind durch streifenförmige Abschnitte 7 voneinander getrennt,
zwei zur Bezugsrichtung 5 parallele und zwei dazu senkrechte.
In den streifenförmigen
Abschnitten 7 können
z. B. solche Schaltungskomponenten angeordnet sein, die von beiden
benachbarten Funktionsfeldern 10 verwendet werden, z. B.
Leseverstärker.
Auf den Kreuzungsflächen 12 von
zwei streifenförmigen
Abschnitten 7 sind jeweils zwei zusätzliche Power-Pads 8 angeordnet.
Alternativ oder zusätzlich
können
die Power-Pads 8 auch auf jenen Teilen der streifenförmigen Abschnitte 7 angeordnet werden,
welche die Funktionsfelder 10 voneinander trennen.
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Generatoren 6 sind
in dieser Architektur auf den streifenförmigen Abschnitten 7 in
unmittelbarer Nachbarschaft zu den Kreuzungsflächen 12 anzuordnen,
auf denen sich die zusätzlichen
Power-Pads 8 befinden. Im dargestellten Ausführungsbeispiel
ist je ein Generator 6 benachbart zu jeweils einer Kreuzungsfläche 12 auf
den streifenförmigen
Abschnitt 7 angeordnet, die parallel zur Bezugsrichtung 5 verlaufen
und nicht an das zentrale Feld 11 grenzen.
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Die
Darstellung in 3 zeigt ein erfindungsgemäßes Halbleiterbauelement 20 in
Form eines BGA-(Ball-Grid-Aray-) Bauelements von der Seite des Substrats 21 mit
einer transparenten Darstellung des Substrats 21, so dass
die Strukturen der aktiven Seite 3 des Chips 1 sichtbar
sind.
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In
dem in 3 dargestellten Halbleiterbauelement 20 ist
ein erfindungsgemäßer Chip 1 auf
einem Substrat 21 montiert, welches nur geringfügig größer ist,
als der Chip 1 selbst. Die grundlegende Architektur ist
symmetrisch zu den zwei Mittelachsen, die parallel und senkrecht
zur Bezugsrichtung 5 verlaufen. Der Chip 1 weist
zweireihig angeordnete zentrale Bond-Pads 2 auf. Jeder
zentralen Bond-Pad-Reihe 2 zugeordnet und unmittelbar benachbart
dazu ist jeweils ein Generator 6 zur Einstellung eines
internen Spannungsniveaus angeordnet. Die zwei äußeren Bond-Pads jeder zentralen Bond-Pad-Reihe 2 dienen
der Stromversorgung des Chips 1 und sind mit On-Chip-Versorgungsleitbahnen 9 verbunden.
Diese vier On-Chip-Versorgungsleitbahnen 9 verlaufen
senkrecht zur Bezugsrichtung 5 zu den langen Chipaußenkanten 4.
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Zusätzliche
Generatoren 6 sind an den kurzen Chipaußenkanten 4 und mit
einem Abstand zu den Kanten angeordnet, an jeder Kante zwei, so
dass die Kante gewissermaßen
gedrittelt wird. Die vier zusätzlichen
Generatoren 6 sind zur senkrecht zur Bezugsrichtung 5 verlaufenden
Mittelachse symmetrisch angeordnet. Unmittelbar neben jedem zusätzlichen
Generator 6 an der Chipaußenkante 4 ist ein zusätzliches
Power-Pad 8 angeordnet und mit einer entlang der kurzen
Chipaußenkanten 4 verlaufenden On-Chip-Versorgungsleitbahn
verbunden.
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Das
Substrat 21 weist einen rechteckförmigen Bondkanal 22 auf,
der alle zentralen Bond-Pads 2 vonseiten des Substrats 21 frei
zugänglich
lässt. Durch
den Bondkanal 22 sind die zentralen Bond-Pads 2 mittels
nicht dargestellter Drahtbrücken mit
einer ebenfalls nicht dargestellten Leitbahnstruktur auf der dem
Chip 1 abgewandten Seite des Substrats 21 verbunden.
Auf dieser Substratseite ist ein den Bondkanal 22 umgebendes
quadratisches Areal (Ballout-Area 23) definiert, auf welchem
rasterartig die Solder-Balls (nicht dargestellt) zur Integration
des BGA-Bauelements in eine PCB angeordnet sind.
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Korrespondierend
zu den zusätzlichen
Power-Pads 8 sind weitere Öffnungen 24 im Randbereich
der kurzen Substrataußenkanten 25 angeordnet,
durch welche die zusätzlichen
Power-Pads 8 mittels weiterer Drahtbrücken (nicht dargestellt) mit
der Leitbahnstruktur verbunden sind.
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- 1
- Chip
- 2
- zentrale
Bond-Pads, Bond-Pad-Reihe
- 3
- aktive
Seite
- 4
- Chipaußenkante
- 5
- Bezugsrichtung
- 6
- Generator
- 7
- streifenförmiger Abschnitt
- 8
- Power-Pads
- 9
- On-Chip-Versorgungsleitbahn
- 10
- Funktionsfeld
- 11
- zentrales
Feld
- 12
- Kreuzungsfläche
- 20
- Halbleiterbauelement
- 21
- Substrat
- 22
- Bondkanal
- 23
- Ballout-Area
- 24
- Ausnehmung, Öffnung
- 25
- Substrataußenkante