DE10355921A1 - Elektrische Schaltungsanordnung - Google Patents

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Abstract

Es wird eine elektrische Schaltungsanordnung (1) vorgeschlagen, die einen mit einem Chip (3) bestückten Schaltungsträger (2) aufweist. Der Schaltungsträger (2) enthält ein Trägersubstrat (4), in dem eine seitlich ringsum geschlossene Aufnahmevertiefung (5) ausgebildet ist, an deren Grund sich mit Leiterbahnen (6) verbundene erste Kontaktpads befinden. Diese sind unter Zwischenschaltung eines anisotrop elektrisch leitenden, zugleich elastisch verformbaren kontaktierungselementes (24) mit zweiten Kontaktpads (17) des darüber angeordneten Chips (3) elektrisch verbunden. Eine am Trägersubstrat (4) fixierte Beaufschlagungsstruktur (34) beaufschlagt den Chip (3) an seiner Oberseite, um die für die elektrische Kontaktierung gewünschte Anpresskraft zu erhalten.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine elektrische Schaltungsanordnung, die einen mit einem elektronischen Chip bestückten Schaltungsträger aufweist, der über ein Trägersubstrat verfügt, an dem Leiterbahnen vorgesehen sind, die zu an einer ersten Kontaktierungsfläche angeordneten ersten Kontaktpads führen, wobei der Chip an einer der ersten Kontaktierungsfläche zugewandten zweiten Kontaktierungsfläche über zweite Kontaktpads verfügt, die unter Zwischenschaltung anisotrop elektrisch leitender Kontaktmittel mit den ersten Kontaktpads elektrisch kontaktiert sind.
  • Bei einer aus der DE 102 17 698 A1 bekannten Schaltungsanordnung dieser Art ist ein elektronischer Chip auf einem als dreidimensionales MID-Teil (MID = Moulded Interconnect Device) konzipierten spritzgegossenen Schaltungsträger angeordnet. Der Schaltungsträger besitzt ein Trägersubstrat mit mehreren vorstehenden Kontaktierungshöckern, wobei die Kontaktierungshöcker mit Leiterbahnen verbundene erste Kontaktpads tragen, die mit zugeordneten zweiten Kontaktpads des in Flip- Chip-Technologie aufgesetzten Chips unter Zwischenschaltung eines anisotrop elektrisch leitenden Klebstoffes kontaktiert sind. Die Klebeverbindung sorgt gleichzeitig für die mechanische Befestigung des Chips an dem Schaltungsträger. Neben der Kontaktierungsfunktion übernimmt der Klebstoff auch noch die Funktion eines Underfillers, der den Zwischenraum zwischen dem Chip und dem Schaltungsträger ausfüllt.
  • Die bekannte Art der Flip-Chip-Technik ermöglicht zwar die elektrische Verbindung von Bauteilen bei geringem Platzbedarf. Nachteile besitzt diese Technik jedoch bezüglich der komplexen Handhabung der erforderlichen Aufbau- und Verbindungstechnik und bezüglich der Betriebseinflüsse auf den elektronischen Verbund. Vor allem die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Schaltungsträger und in der Regel aus Silizium bestehendem Chip sind komplex und machen die Technik riskant und teuer. Speziell bei der MID-Technik ist der Unterschied in den Ausdehnungskoeffizienten äußerst groß, so dass die Einsatztemperaturen für die elektrische Schaltungsanordnung stark eingeschränkt werden. Auch der zwischen den Bauteilen vorgesehene Underfiller ist nicht in der Lage, die sich ergebenden mechanischen Spannungen abzupuffern.
    •
  • Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine elektrische Schaltungsanordnung zu schaffen, die bei einfacherer Herstellung weniger gegen Temperaturschwankungen anfällig ist und zugleich auch einen guten mechanischen Schutz des elektronischen Chips gewährleistet.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe ist vorgesehen,
    • – dass sich die erste Kontaktierungsfläche am Grund einer seitlich ringsum geschlossenen Aufnahmevertiefung des Trägersubstrats befindet, in der die Kontaktmittel und der Chip vollständig aufgenommen sind,
    • – dass die Kontaktmittel aus mindestens einem zwischen den beiden Kontaktierungsflächen plazierten, in Richtung der Hochachse der Aufnahmevertiefung elastisch verformbaren Kontaktierungselement bestehen, das einen gummielastischen Grundkörper mit einander entgegengesetzten, den beiden Kontaktierungsflächen zugewandten ersten und zweiten Gegenkontaktierungsflächen sowie eine Vielzahl von den Grundkörper unter gegenseitiger Isolierung durchziehenden, an den Gegenkontaktflächen mit Leitflächen endenden, elastisch verformbaren Leitkörpern aufweist,
    • – und dass eine am Trägersubstrat fixierte Beaufschlagungsstruktur vorhanden, die den Chip an der dem Grund der Aufnahmevertiefung entgegengesetzten Oberseite beaufschlagt, so dass das Kontaktierungselement zwischen dem Trägersubstrat und dem Chip eingespannt ist und die ersten und zwei ten Kontaktpads an die ihnen jeweils gegenüberliegenden Leitflächen des Kontaktierungselements angepresst werden.
  • Bei dieser Schaltungsanordnung ist für die elektrische Kontaktierung von Chip und Schaltungsträger eine durch Stoffschluss hergestellte, mechanisch feste Verbindung zwischen den einander zugeordneten Kontaktierungsflächen nicht mehr erforderlich. Allein durch das Verpressen des elastisch verformbaren Kontaktierungselementes ergibt sich der gewünschte zuverlässig elektrische Kontakt zwischen den beiderseitigen Kontaktierungsflächen. Durch die Elastizität des Kontaktierungselementes ergibt sich dabei eine flexible Verbindung, die in der Lage ist, unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten des Chips und des Trägersubstrates selbsttätig auszugleichen, so dass auch bei großen Temperaturschwankungen und bei stark unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten wie in der MID-Technologie stets eine sichere elektrische Verbindung gewährleistet ist. Zugleich wird auch der Chip stets sicher mechanisch fixiert, wobei sich durch das Kontaktierungselement zumindest in der Höhenrichtung der Aufnahmevertiefung eine Art schwimmende Lagerung einstellt, die Relativbewegungen zwischen den genannten Komponenten zulässt. Da der Chip versenkt in der Aufnahmevertiefung untergebracht ist, wird überdies eine exponierte Lage vermieden, was den Chip vor mechanischen Beeinträchtigungen schützt.
  • Die Vorteile ergeben sich sowohl bei ungehäusten als bei gehäusten Chips. Unter dem Begriff "Chip" seien daher sowohl Bauformen ohne den Chip umgebendes Gehäuse verstanden, als auch Bauformen, bei denen der Chip in einem Gehäuse sitzt, wobei die zweiten Kontaktpads am Chip selbst oder am Gehäuse vorgesehen sein können.
  • Vorteilhaft bei der elektrischen Schaltungsanordnung ist auch, dass bei ihr auf einen Underfiller verzichtet werden kann. Auch erspart man sich das Applizieren von flüssigem Klebstoff im Fügebereich zwischen Chip und Schaltungsträger. Gegenüber der Flip-Chip-Technik auf Lötbasis erspart man sich außerdem das Anbringen der zur Kontaktierung der Kontaktpads erforderlichen Lotbumps.
  • Elastisch verformbare Kontaktierungselemente, die sich für den Einsatz in der elektrischen Schaltungsanordnung eignen, sind als solches zwar bereits bekannt. So offenbart die US 5,617,898 ein Kontaktierungselement, das sich aus gestapelten Schichten leitfähigen und nicht leitfähigen Elastikmaterials zusammensetzt. Ferner vertreibt die Firma Shin-Etsu Polymer Europe B.V., 5928 NS Venlo, Niederlande, unter der Typenbezeichnung "GX4" ein Verbindungsstück, bei dem eine Matrix aus mit Gold beschichteten Metalldrähten in einer Silikongummischicht eingebettet sind. Die geschützte Unterbringung eines Chips zusammen mit einem elastisch verformbaren Kontaktierungselement in einer seitlich ringsum geschlossenen Aufnah mevertiefung eines Trägersubstrates ist dort aber ebenso wenig vorgesehen wie die erfindungsgemäße Fixierung mittels zwischen dem Trägersubstrat und dem Chip wirkenden Beaufschlagungsmitteln zum Erzeugen der gewünschten Vorspannung im Bereich der kontaktierten Flächen.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
  • Besonders zweckmäßig ist der Einsatz eines elastisch verformbaren Kontaktierungselementes, bei dem die einzelnen Leitflächen jeweils eine geringere Flächenausdehnung haben als die Kontaktpads an Chip und Schaltungsträger, wobei die Leitflächen an den Gegenkontaktierungsflächen in einer feinen, matrixartigen Verteilung zu einer oder mehreren Leitflächengruppen zusammengefasst sind. Beispielsweise können die beiden Gegenkontaktierungsflächen jeweils ganzflächig von einer Leitflächengruppe belegt sein, so dass bei der Herstellung auf die Position der Kontaktpads keine Rücksicht genommen werden muss, weil im zusammengebauten Zustand automatisch diejenigen Leitkörper für die elektrische Verbindung sorgen, deren Leitflächen von den Kontaktpads beaufschlagt werden. Es besteht jedoch durchaus die Möglichkeit, eine oder mehrere Leitflächengruppen vorzusehen, deren Ausdehnung wesentlich geringer ist als diejenige der zugeordneten Gegenkontaktfläche. Man kann auf diese Weise beispielsweise mehrere punkt- oder streifenförmig gestaltete Leitflächengruppen realisieren.
  • Zweckmäßigerweise verfügt die Beaufschlagungsstruktur für den Chip über einen den Chip übergreifenden, am Trägersubstrat fixierten Deckel. Ein optimaler Schutz für den Chip ergibt sich dabei, wenn der Deckel keinerlei Durchbrechungen aufweist und die Öffnung der Aufnahmevertiefung von ihm vollständig verschlossen wird. Die Verbindung zwischen dem Deckel und der Trägerstruktur wird vorzugsweise durch eine stoffschlüssige Verbindung realisiert, insbesondere durch eine Klebeverbindung, wobei sich der Einsatz eines durch W-Strahlung aushärtenden Klebstoffes empfiehlt. Hier ist keine Erhitzung notwendig und die Zeitdauer zur mechanischen Fixierung des Chips bis zum Aushärten der Klebeverbindung ist äußerst gering.
  • Grundsätzlich kann der Deckel komplett außerhalb der Aufnahmevertiefung liegen oder auch nur teilweise in die Aufnahmevertiefung hineinragen. Besonders zweckmäßig wird jedoch eine Ausführungsform eingeschätzt, bei der der Deckel vollständig im Innern der Aufnahmevertiefung sitzt.
  • Bei Bedarf kann der Deckel als Träger für mindestens ein weiteres Elektronikbauteil fungieren. Auch besteht die Möglichkeit, als Deckel unmittelbar selbst ein weiteres Elektronik bauteil einzusetzen, beispielsweise ein sogenanntes SMD-Bauteil (SMD = Surface Mounted Device).
  • Alternativ zu einer unlösbaren Fixierung des Chips kann mittels einer entsprechend gestalteten Beaufschlagungsstruktur auch eine lösbar Fixierung realisiert werden. Beispielsweise kann die Beaufschlagungsstruktur mit an der Trägerstruktur angeordneten Rasthaken ausgestattet sein, die entweder den Chip unmittelbar oder einen über dem Chip liegenden Deckel übergreifen und in Richtung des Grundes der Aufnahmevertiefung drücken. Ist der Chip defekt, kann er durch Verformen der Rasthaken aus der Aufnahmevertiefung herausgenommen und durch einen neuen Chip ersetzt werden.
  • Ist eine Kühlung des Chips erforderlich, kann der Deckel unmittelbar mit Kühlrippen versehen werden, so dass kein gesondertes Kühlelement benötigt wird.
    •
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigen:
  • 1 in stark vergrößerter und schematischer Darstellung eine bevorzugte erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrischen Schaltungsanordnung in einer perspektivischen Explosionsdarstellung,
  • 2 einen Längsschnitt durch die Anordnung aus 1 gemäß Schnittlinie II-II im zusammengebauten Zustand, wobei das Kontaktierungselement gemäß Schnittlinie IIa-IIa der 5 quer geschnitten ist,
  • 3 eine Einzeldarstellung des Schaltungsträgers aus 1 und 2 in einer Draufsicht auf die die Aufnahmevertiefung aufweisende Seite,
  • 4 eine Einzeldarstellung des bei der Anordnung gemäß 1 und 2 eingesetzten Chips in einer Unteransicht,
  • 5 eine Einzeldarstellung des bei der Anordnung gemäß 1 und 2 eingesetzten Kontaktierungselements in einer perspektivischen Darstellung,
  • 6 das Kontaktierungselement aus 5 im Längsschnitt gemäß Schnittlinie VI-VI,
  • 7 eine alternative Bauform eines Kontaktierungselements in perspektivischer Darstellung,
  • 8 eine Seitenansicht des Kontaktierungselements aus 7, wobei die den Grundkörper durchsetzenden Leitkörper strichpunktiert angedeutet sind,
  • 9 erneut eine weitere alternative Bauform des Kontaktierungselements in perspektivischer Darstellung,
  • 10 eine Seitenansicht des Kontaktierungselements aus 9, wobei die Leitkörper wiederum strichpunktiert angedeutet sind,
  • 11 eine modifizierte Bauform der elektrischen Schaltungsanordnung in perspektivischer Darstellung, mit einer im Vergleich zur 1 abweichenden Bauform des Deckels,
  • 12 den bei der Schaltungsanordnung aus 1 zum Einsatz kommenden Deckel in einer perspektivischen Einzeldarstellung,
  • 13 eine modifizierte Bauform der Schaltungsanordnung mit am Deckel angeordneten rippenartigen Kühlkörpern,
  • 14 eine abgewandelte Bauform der Schaltungsanordnung, bei der der Deckel mit weiteren Elektronikbauteilen bestückt ist,
  • 15 eine weitere Ausführungsform der elektrischen Schaltungsanordnung, bei der Rastmittel zur lösbaren Fixierung des Chips vorgesehen sind,
  • 16 eine in Verbindung mit einer Multilayer-Leiterplatte realisierte Bauform der Schaltungsanordnung, wobei ein die Ausnahmevertiefung verschließender Deckel lediglich strichpunktiert angedeutet ist, und
  • 17 eine Seitenansicht der Schaltungsanordnung aus 16, wobei der eingekreiste Bereich im Längsschnitt gemäß Schnittlinie XVII dargestellt ist.
  • Die Zeichnung zeigt mehrere Ausführungsbeispiele einer allgemein mit Bezugsziffer 1 bezeichneten elektrischen Schaltungsanordnung, die einen Schaltungsträger 2 aufweist, der mit mindestens einem elektronischen Chip 3 bestückt ist. Eine mögliche Ausführungsform eines solchen Chips 3 ist in 4 schematisch in einer perspektivischen Unteransicht gezeigt.
  • Bei den Bauformen der 1 bis 3, 11 und 13 bis 15 ist der Schaltungsträger 2 als dreidimensionales MID-Teil konzipiert. Er enthält ein aus spritzgießfähigem, vorzugsweise thermoplastischem Kunststoffmaterial bestehendes Trägersubstrat 4, das an einer oder mehreren Seiten mit Leiterbahnen 6 versehen ist, die zur Übertragung elektrischer Signale zwischen bedarfsgemäß plazierten Anschlußstellen und dem Chip 3 sowie eventueller weiterer vorhandener Elektronikkomponenten 49 dienen. Die Ausführungsbeispiele zeigen Anordnungen, bei denen mehrere Leiterbahnen 6 gleichzeitig mit einem in einer Aufnahmevertiefung 5 des Trägersubstrats 4 plazierten Chip 3 elektrisch kontaktiert sind.
  • Die vorgenannten Ausführungen gelten entsprechend für die Bauform der 16 und 17, jedoch mit der Abweichung, dass dort der Schaltungsträger 2 als Multilayer-Leiterplatte ausgebildet ist, dessen Trägersubstrat sich aus mehreren sandwichartig aufeinandergeschichteten Platinen 7 zusammensetzt, die miteinander verklebt sind.
  • Die grubenähnlich aus dem Trägersubstrat 4 ausgenommene Aufnahmevertiefung 5 hat eine Hochachse 8, die sich beim Ausführungsbeispiel rechtwinkelig zur Hauptausdehnungsebene des beispielhaft plattenförmigen Schaltungsträgers 2 erstreckt. Die Aufnahmevertiefung 5 hat unten einen Grund 12 und oben eine zur Außenfläche 13 des Trägersubstrats 4 ausmündende Öffnung 14. Seitlich ist die Aufnahmevertiefung 5 zwischen dem Grund 12 und der Öffnung 14 ringsum geschlossen und wird von einer ringsum laufenden seitlichen Wandfläche 15 begrenzt, die durch das Trägersubstrat 4 definiert wird.
  • Die Leiterbahnen 6 verlaufen ausgehend von der Außenfläche 13 in die Aufnahmevertiefung 5 hinein, bis sie in erste Kontaktpads 16 übergehen, welche an einer vom Grund 12 der Aufnahmevertiefung definierten ersten Kontaktierungsfläche 18 des Trägersubstrats 4 angeordnet sind. Das Verteilungsmuster der ersten Kontaktpads 16 entspricht den spezifischen technischen Anforderungen, wobei beim Ausführungsbeispiel zwei Gruppen zu je vier in einer Reihe nebeneinanderliegenden ersten Kontaktpads 16 vorgesehen sind.
  • Die erste Kontaktierungsfläche 18 ist zweckmäßigerweise eben ausgebildet, so dass auch sämtliche ersten Kontaktpads 16 in einer gemeinsamen Ebene liegen, wobei sie in Richtung der Hochachse 8 der Öffnung 14 zugewandt sind.
  • Bei den Ausführungsbeispielen der 1 bis 3, 11 und 13 bis 15 verlaufen die Leiterbahnen 6 beim Übergang zwischen der Außenfläche 13 und dem Grund 12 entlang der seitlichen Wandfläche 15 der Aufnahmevertiefung 5. Der entsprechende Wandbereich 22 hat dabei zweckmäßigerweise einen schrägen Verlauf, so dass sich der Querschnitt der Aufnahmevertiefung 5 ausgehend vom Grund 12 zur Öffnung 14 hin erweitert. Die Leiterbahnen 6 sind hier vorzugsweise in MID-Technologie hergestellt, beispielsweise nach dem Verfahren der sogenannten Laser-Direkt-Strukturierung. Ausgangspunkt ist hierbei beispielsweise ein für MID-Einsätze optimierter PBT-Kunststoff (Polybutylen-Therephtalat), wobei das Kunststoffmaterial mit eingebetteten Metallpartikeln bzw. Metallkeimen versehen ist. Nach der Spritzgußfertigung des Trägersubstrates 4 wird durch lokale Aktivierung der Substrat-Oberfläche mittels Laserstrahl das gewünschte Schaltungslayout erzeugt. Hierbei wird ein Laserstrahl über die Oberfläche des Trägersubstrates 4 hinweggeführt, wobei in den bestrahlten Oberflächenbereichen eine lokale Materialaktivierung stattfindet. Zum einen werden aus speziellen, nichtleitenden Wirksubstanzen Metallkeime abgespalten. Gleichzeitig erzeugen weitere Füllstoffe des Kunststoffmaterials eine ausgeprägte Rauhigkeit auf der bestrahlten Oberfläche. Bei einem sich anschließenden galvanischen Metallisierungsprozess erfolgt im Bereich der abgespaltenen und teilweise freigelegten Metallkeime eine lokale, der Laserspur folgende Kupfermetallisierung, wobei durch die Rauhigkeit eine sehr gute Haftung für die im Galvanikbad entstehende Metallschicht gewährleistet wird. Auf diese Weise ergeben sich die Leiterbahnen 6 ausschließlich und exakt in denjenigen Oberflächenbereichen des Trägersubstrates 4, die vorausgehend der geschilderten Laserstrahlaktivierung ausgesetzt worden sind. Auf die gleiche Weise werden die ersten Kontaktpads realisiert, die zweckmäßigerweise von eine etwas größere Fläche aufweisenden Endabschnitten der Leiterbahnen gebildet werden.
  • Die Aufnahmevertiefung 5 wird bei der MID-Herstellung beim Spritzgießen des Trägersubstrates 4 ausgeformt.
  • Bei dem Ausführungsbeispiel der 15 und 16 ergibt sich die Aufnahmevertiefung 5 durch Aussparungen in einigen der von den Platinen 7 gebildeten Leiterplattenschichten. Die ausgesparten Platinen 7 definieren die seitliche Wandfläche 15, während der Grund 12 von einer nicht ausgesparten Platine 7 definiert wird. Um die Leiterbahnen 4 zum Grund 12 der Aus nahmevertiefung 5 zu führen, bedient man sich sogenannter Durchkontaktierungen bzw. Vias 23, die verschiedene der Platinen 7 durchsetzen, um einen elektrisch leitenden Übergang zwischen den an der Außenfläche 13 und den am Grund 12 verlaufenden Leiterbahnabschnitten zu erhalten.
  • Bei allen Ausführungsformen ist der Chip 3 zusammen mit einem zu dessen elektrischer Kontaktierung dienenden, elastisch verformbaren Kontaktierungselement 24 komplett in der Aufnahmevertiefung 5 aufgenommen. Das Kontaktierungselement 24 liegt dabei in Richtung der Hochachse 8 zwischen dem Chip 3 und dem Grund 12 der Aufnahmevertiefung 5.
  • Die dem Grund 12 zugewandte Unterseite des Chips 3 bildet eine zweite Kontaktierungsfläche 19, an der eine Mehrzahl zweiter Kontaktpads 17 vorgesehen ist, die mit der im Chip 3 integrierten Schaltung verbunden sind. Diese zweiten Kontaktpads 17 sind so verteilt, dass sie jeweils einem der am Trägersubstrat 4 vorgesehenen ersten Kontaktpads 16 in der Richtung der Hochachse 8 gegenüberliegen (4). Durch das zwischengeschaltete Kontaktierungselement 24 sind die auf diese Weise einander paarweise zugeordneten ersten und zweiten Kontaktpads 16, 17 elektrisch miteinander verbunden.
  • Bei dem Chip 3 kann es sich um einen gehäusten oder um einen ungehäusten Chip handeln. Verfügt der Chip 3 über ein Gehäu se, befinden sich die mit dem Kontaktierungselement 24 kooperierenden zweiten Kontaktpads 17 in der Regel am Chipgehäuse.
  • Das Kontaktierungselement 24 verfügt über eine anisotrope elektrische Leitfähigkeit, wobei die Leitfähigkeitsrichtung mit dem Verlauf der Hochachse 8 zusammenfällt. Die 5 und 6 zeigen das bei der Bauform gemäß 1 bis 3 verwendete Kontaktierungselement 24 in jeweils einer Einzeldarstellung.
  • Das Kontaktierungselement 24 ist insgesamt in Richtung der Hochachse 8 elastisch verformbar. Es verfügt über einen insbesondere aus Silikongummi bestehenden gummielastischen Grundkörper 25, der an einander entgegensetzten Seiten über eine erste bzw. zweite Gegenkontaktierungsfläche 20, 21 verfügt. Bevorzugt ist der Grundkörper 25 plattenartig ausgeführt und so in der Aufnahmevertiefung 5 plaziert, dass die Plattenebene rechtwinkelig zur Hochachse 8 verläuft. Die Gegenkontaktierungsflächen 20, 21 sind dann von den beiden zum einen zum Grund 12 und zum anderen zur Öffnung 14 weisenden größeren Außenflächen des Grundkörpers 25 gebildet.
  • Der Grundkörper 25 ist in Richtung der Hochachse 8 von einer Mehrzahl unter gegenseitiger Isolierung in das Grundkörpermaterial eingebetteter Leitkörper 26 durchzogen. Diese Leitkörper 26 enden jeweils an beiden Gegenkontaktierungsflächen 20, 21 mit von außen zugänglichen ersten bzw. zweiten Leitflächen 27, 28. Sie sind derart elastisch verformbar, dass sie eine Veränderung des Abstandes ihrer jeweils zugeordneten ersten und zweiten Leitflächen 27, 28 zulassen.
  • Wird also das Kontaktierungselement 24 im Bereich seiner Gegenkontaktierungsflächen 20, 21 zwischen zwei Bauteilen verspannt, lässt sich der Grundkörper 25 in Richtung der Hochachse 8 zusammendrücken, wobei sich gleichzeitig die beaufschlagten ersten und zweiten Leitflächen 27, 28 der einzelnen Leitkörper 26 aneinander annähern. Bei gegenseitiger Annäherung der beiden Leitfläche 27, 28 eines Leitkörpers 26 kann dieser beispielsweise seitwärts ausknicken oder ausbiegen, wie dies in Figur strichpunktiert bei 32 angedeutet ist.
  • Als besonders zweckmäßig hat sich eine Bauform erwiesen, bei der die Leitkörper 26 aus elastisch biegbaren Metalldrähten bestehen, deren Stirnflächen unmittelbar die ersten und zweiten Leitflächen 27, 28 bilden. Dabei haben die Leitflächen 27, 28 quer zur Hochachse 8 jeweils eine wesentlich geringere Flächenausdehnung als die zu kontaktierenden Kontaktpads 16, 17. Sie durchziehen den Grundkörper 25 in zueinander paralleler Ausrichtung und bevorzugt in einer matrixähnlichen Verteilung eng benachbart zueinander.
  • Von Fall zu Fall kann der Gründkörper 25 komplett oder nur bereichsweise von den Leitkörpern 26 durchsetzt sein. Auf diese Weise sind die Leitflächen 27, 28 an den Gegenkontak tierungsflächen 20, 21 in feiner matrixartiger Verteilung zu einer oder mehreren Leitflächengruppen 33 zusammengefasst.
  • Beim Ausführungsbeispiel der 5 und 6 sind die Leitkörper 26 so plaziert, dass sich an jeder Gegenkontaktierungsfläche 20, 21 eine der Anzahl der zu kontaktierenden Kontaktpads 16 bzw. 17 entsprechende Anzahl von Leitflächengruppen 33 ergibt, die so angeordnet sind, dass sie jeweils einem zu kontaktierenden ersten und zweiten Kontaktpad 16, 17 gegenüberliegen. Man erreicht auf diese Weise eine punktartige Gestaltung bzw. Verteilung der Leitflächengruppen 33.
  • Mittels einer am Trägersubstrat 4 fixierten Beaufschlagungsstruktur 34 wird der Chip 3 an der dem Grund 12 der Aufnahmevertiefung 5 entgegengesetzten Oberseite beaufschlagt, so dass er gegen das Kontaktierungselement 24 vorgespannt wird, das seinerseits an die erste Kontaktierungsfläche 18 angedrückt wird. Das Kontaktierungselement 24 wird somit in Richtung der Hochachse 8 zwischen dem Trägersubstrat 4 und dem Chip 3 eingespannt. Dabei werden die ersten und zweiten Kontaktpads 16, 17 an die ihnen jeweils gegenüberliegenden, zugewandten Leitflächen 27, 28 angepresst. Auf diese Weise ergibt sich eine elektrische Verbindung zwischen den sich gegenüberliegenden ersten und zweiten Kontaktpads 16, 17 über die dazwischen angeordnete Anzahl von Leitkörpern 26, die gleichzeitig von diesen Kontaktpads 16, 17 beaufschlagt werden. Das Kontaktierungselement 24 baut dabei aufgrund seiner Elastizi tät einen Gegendruck auf, der eine sichere elektrische Verbindung zwischen einem jeweiligen Kontaktpad und den daran anliegenden Leitkörpern 26 allein durch den Anpressdruck gewährleistet, so dass auf weitere verbindende Maßnahmen, beispielsweise Verlöten oder Kleben mittels Leitkleber, zu Gunsten einer vereinfachten Montage verzichtet werden kann.
  • Das Kontaktierungselement 24 der 5 und 6 ist hinsichtlich der Ausgestaltung und Verteilung der Leitflächengruppen 33 speziell an die Verteilung der Kontaktpads 16, 17 angepasst. Wesentlich vorteilhafter ist jedoch eine Bauform, die einen Einsatz unabhängig von der Kontaktpadverteilung ermöglicht. Eine derartige Ausgestaltung offenbaren die 9 und 10, wobei hier an den beiden Gegenkontaktierungsflächen 20, 21 jeweils nur eine Leitflächengruppe 33 vorgesehen ist, die sich jedoch jeweils über die gesamte Fläche der betreffenden Gegenkontaktierungsflächen 20, 21 erstreckt. Auf diese Weise ist eine elektrische Verbindung zwischen an entgegengesetzten Seiten des Kontaktierungselements 24 anliegenden Kontaktpads unabhängig davon möglich, an welcher Stelle der Grundfläche des Kontaktierungselementes 24 sie sich gegenüberliegen und an das Kontaktierungselement 24 angedrückt werden.
  • Eine weitere mögliche Alternativbauform des Kontaktierungselements 24 ist in 7 und 8 dargestellt. Dort sind die Leitkörper 26 so angeordnet, dass sie an den beiden Gegenkon taktierungsflächen 20, 21 mehrere streifenartige Leitflächengruppen 33 bilden.
  • Durch die elastische Nachgiebigkeit des Kontaktierungselements 24 werden selbsttätig unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten des Trägersubstrats 4 und des Chips 3 kompensiert, bei gleichzeitiger ständiger Aufrechterhaltung einer sicheren elektrischen Verbindung.
  • Abgesehen vom Ausführungsbeispiel der 15 enthält die Beaufschlagungsstruktur 34 bei allen Ausführungsbeispielen einen den Chip 3 an der dem Grund 12 der Aufnahmevertiefung 5 entgegengesetzten Oberseite übergreifenden Deckel 35. Dieser ist zweckmäßigerweise im Bereich der Öffnung 14 so in die Aufnahmevertiefung 5 eingesetzt, dass er vollständig im Innern der Aufnahmevertiefung 5 zu liegen kommt. Zweckmäßig ist eine Anordnung, bei der die in Richtung der Hochachse 8 vom Grund 12 wegweisende Außenfläche 36 des Deckels 35 bündig mit dem die Öffnung 14 umschließenden Randbereich der Außenfläche 13 des Trägersubstrats 4 verläuft.
  • Der Deckel 35 ist bei allen Ausführungsbeispielen stoffschlüssig mit dem Trägersubstrat verbunden. Es kommt insbesondere eine Klebeverbindung zum Einsatz, wobei ein geeigneter Klebstoff bei 37 angedeutet ist. Zweckmäßigerweise wird ein UV-aushärtender Klebstoff 37 verwendet, der seine Festig keit auch ohne Wärmeintrag erreicht, was eine Schonung für den Chip bedeutet.
  • Bei der Montage der Schaltungsanordnung 1 wird der Deckel 35 mittels eines geeigneten Werkzeuges an den Chip 3 angedrückt, bis der Klebstoff 37 ausgehärtet ist. Auf diese Weise wird erreicht, dass die Kombination aus Chip 3 und Kontaktierungselement 34 mit der gewünschten Vorspannung zwischen dem Deckel 35 und dem Grund 12 der Aufnahmevertiefung 5 kraftschlüssig eingespannt ist.
  • Der Klebstoff 37 wird zweckmäßigerweise im flüssigen Zustand aufgrund Kapillarwirkung in einem schmalen Spalt 38 appliziert, der sich um den Deckel 35 herum zwischen diesem und dem Trägersubstrat 4 erstreckt. Dieser Spalt 38 steht mit einer oder mehreren topfartigen Ausnehmungen 42 in Verbindung, die in der Außenfläche 13 des Trägersubstrats 4 ausgebildet sind. Beim Ausführungsbeispiel hat die Öffnung 14 einen rechteckigen Umriss, wobei in jedem der vier Eckbereiche eine der erwähnten topfartigen Ausnehmungen 42 plaziert ist. Zum Festkleben des Deckels 35 wird der Klebstoff in die topfartigen Ausnehmungen 42 eingespeist, von wo aus er aufgrund der Kapillarwirkung in den Spalt 38 hineingezogen wird, bis schließlich der gesamte Spalt 38 mit Klebstoff 37 gefüllt ist.
  • Bei der in 11 und 12 gezeigten modifizierten Ausführungsform befindet sich eine topfartige Ausnehmung 42, insbesondere an zentraler Stelle, in der Außenfläche 36 des Deckels 35. Von dieser gehen mehrere nutartige Vertiefungen 43 ab, die zum Rand des Deckels 35 ausmünden. Bei der abgebildeten rechteckigen Grundrissform des Deckels 35 sind zweckmäßigerweise vier solcher nutartigen Vertiefungen 43 vorgesehen, die jeweils zu einer Randmitte des Deckels 35 führen.
  • Hier wird bei der Montage der Schaltungsanordnung 1 der Klebstoff 37 in die topfartige Ausnehmung 42 des Deckels 35 eingespeist, von wo aus er über die nutartigen Vertiefungen 43 in den Spalt 38 gelangt, um sich dort wiederum durch Kapillarwirkung zu verbreiten.
  • Um eine verschmutzungs- und feuchtigkeitsdichte Kapselung des Chips 3 und der elektrischen Verbindungsmaßnahmen innerhalb der Aufnahmevertiefung 5 zu erzielen, ist vorgesehen, dass der Deckel 35 die Öffnung 14 der Aufnahmevertiefung 5 vollständig verschließt. Für die Abdichtung des Fügebereiches sorgt der Klebstoff 37.
  • Ist eine besondere Abdichtung nicht erforderlich, kann auch ein Deckel verwendet werden, der abweichend von der beschriebenen Bauform nicht durchgängig geschlossen ist, sondern über eine oder mehrere Durchbrechungen verfügt. Auch kann der Deckel dann beispielsweise so ausgebildet sein, dass er nur ei nen Teil der Öffnung 14 der Aufnahmevertiefung 5 überspannt, beispielsweise in einer stegartigen Gestaltung.
  • Wie aus 14 hervorgeht, kann der Deckel 35 an seiner Außenfläche 36 mit einer elektrischen Leiterstruktur 44 versehen sein, die die elektrische Kontaktierung eines oder mehrerer Elektronikbauteile 49 ermöglicht. Exemplarisch zeigt die 14 zwei SMD-Bauteile, die teilweise auf dem Deckel 35 sitzen und die zum einen mit der elektrischen Leiterstruktur 44 des Deckels 35 und zum anderen mit einer auf der Außenfläche 13 des Trägersubstrats 4 angeordneten weiteren elektrischen Leiterstruktur 45 kontaktiert sind.
  • Insbesondere wenn der Deckel 35 flächenbündig mit der Außenfläche 13 des Trägersubstrats 4 in die Aufnahmevertiefung 5 eingesetzt ist, kann somit die Außenfläche 36 des Deckels 35 wie die Außenfläche 13 des Trägersubstrats 4 als Bestückungsfläche für weitere Elektronikkomponenten herangezogen werden. Dies ermöglicht eine äußerst platzsparende Installation elektrischer Schaltungen.
  • Aus 13 geht die Möglichkeit hervor, den Deckel 35 als Träger für Kühlkörper 46 einzusetzen, wenn der Chip 3 im bestimmungsgemäßen Einsatz einer Kühlung bedarf. Die Kühlkörper 46 sind insbesondere rippenartig ausgebildet und können einstückig an den Deckel 35 angeformt sein.
  • Bei der in 15 gezeigten Schaltungsanordnung 1 ist die Beaufschlagungsstruktur 34 so ausgeführt, dass sie eine lösbare Fixierung des Chips 3 ermöglicht. Sie verfügt zu diesem Zweck vorzugsweise über Rastmittel, die zweckmäßigerweise einstückig mit dem Trägersubstrat 4 ausgeführt sind.
  • Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel bestehen die Rastmittel aus gemäß Doppelpfeilen 47 quer zur Hochachse 8 elastisch biegbaren Rasthaken 48, die die Öffnung 14 ein Stück weit überragen. Beim Einsetzen des Chips 3 werden die Rasthaken 48 vorrübergehend auseinandergespreizt, um nach dem Hindurchführen des Chips 3 in Richtung ihrer Ausgangsstellung zurückzufedern, so dass sie zum einen den Chip 3 an seiner Oberseite übergreifen und zum anderen gleichzeitig eine in Richtung des Grundes 12 wirkende Druckkraft auf die Oberseite des Chips 3 ausüben, so dass er gegen das Kontaktierungselement 24 gepresst wird. Im Defektfalle eines Chips 3 können die Rasthaken 48 manuell oder mittels eines geeigneten Werkzeuges auseinandergespreizt werden, so dass sich der an dem Kontaktierungselement 24 lediglich anliegende und nicht fest mit diesem Kontaktierungselement 24 verbundene Chip 3 problemlos entnehmen lässt.
  • Während beim Ausführungsbeispiel der 15 die Rastmittel bzw. Rasthaken 48 unmittelbar mit dem Chip 3 zusammenwirken, wäre auch eine Bauform möglich, bei der der Chip 3 mittels eines Deckels oder eines sonstigen Kraftübertragungselementes abgedeckt ist, wobei die Rastmittel auf diesen Deckel bzw. das Kraftübertragungselement einwirken.
  • Um eine kompakte Schichtung mehrerer Schaltungsanordnungen 1 in Richtung der Hochachse 8 zu ermöglichen, ist es bei allen Ausführungsbeispielen von Vorteil, wenn die Beaufschlagungsstruktur 34 nicht über die Außenfläche des Trägersubstrats 4 vorsteht, zu der die Öffnung 14 ausmündet. Bei den Ausführungsbeispielen der 1 bis 3, 11 und 13 bis 15 wird dies durch eine versenkte Anordnung des Deckels 35 erreicht. Im Falle der 15 befinden sich zu diesem Zweck die Rastmittel bzw. Rasthaken 48 komplett innerhalb der Aufnahmevertiefung 5. Um die Querbeweglichkeit der Rasthaken 48 zu garantieren, kann die seitliche Wandfläche 15 in ihrem Bereich jeweils eine den Querschnitt der Aufnahmevertiefung 5 vergrößernde Aussparung 52 aufweisen.
  • Anstelle der Verwendung von lediglich einem Kontaktierungselement 24 als Kontaktmittel zur elektrischen Verbindung von Chip 3 und Schaltungsträger 2 könnten auch mehrere nebeneinander angeordnete Kontaktierungselemente 24 vorgesehen sein. Zur Stabilisierung kann bzw. können das bzw. die Kontaktie rungselemente 24 von einer gesonderten Haltestruktur gehalten bzw. stabilisiert werden.
  • Die Innenkontur der Aufnahmevertiefung 5 kann so ausgeführt werden, dass das an Ort und Stelle plazierte mindestens eine Kontaktierungselement 24 durch die Wandung der Aufnahmevertiefung 5 formschlüssig quer zur Hochachse 8 fixiert wird. Eine solche Bauform bietet sich insbesondere dann an, wenn die Leitflächengruppen 33 ein speziell auf die Verteilung der Kontaktpads 16, 17 abgestimmtes Verteilungsmuster aufweisen.
  • Anstelle des bei den Ausführungsbeispielen eingesetzten Kontaktierungselements 24 könnte auch ein Kontaktierungselement 24 mit anderem Aufbau eingesetzt werden, das über die erforderliche Gummielastizität verfügt und zugleich ausschließlich in Richtung der Hochachse 8 durchgehend anisotrop leitfähig ist.
  • Entsprechend dem gewählten Aufbau kann die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung einen oder mehrere der nachstehenden Vorteile aufweisen. Beim Zusammenbau ergibt sich ein nur geringer wärmebedingter Stress für den Chip und der Montageprozess ist insgesamt sehr einfach. Die bei üblichen Flip-Chip-Technologien auftretende Ausdehnungskoeffizienten-Problematik wird entschärft. Über der Schaltungsanordnung 1 kann zusätzlicher Bauraum für weitere Schaltungsanordnungen und/oder Elektronikkomponenten bereitgestellt werden. Durch entspre chende Ausgestaltung der Beaufschlagungsstruktur lässt sich ein Chipaustausch realisieren. Ohne Einschränkung können für die Schaltungsanordnung solche Chips 2 eingesetzt werden, die auch bei üblichen Flip-Chip-Technologien eingesetzt werden und beispielsweise für eine Kontaktierung durch Bonden ausgelegt sind. Eine effiziente Chipkühlung ist möglich. Mehrere Chips können übereinander installiert werden.

Claims (19)

  1. Elektrische Schaltungsanordnung, die einen mit einem elektronischen Chip (3) bestückten Schaltungsträger (2) aufweist, der über ein Trägersubstrat (4) verfügt, an dem Leiterbahnen (6) vorgesehen sind, die zu an einer ersten Kontaktierungsfläche (18) angeordneten ersten Kontaktpads (16) führen, wobei der Chip (3) an einer der ersten Kontaktierungsfläche (18) zugewandten zweiten Kontaktierungsfläche (19) über zweite Kontaktpads (17) verfügt, die unter Zwischenschaltung anisotrop elektrisch leitender Kontaktmittel mit den ersten Kontaktpads (16) elektrisch kontaktiert sind, dadurch gekennzeichnet, – dass sich die erste Kontaktierungsfläche (18) am Grund einer seitlich ringsum geschlossenen Aufnahmevertiefung (5) des Trägersubstrats (4) befindet, in der die Kontaktmittel und der Chip (3) vollständig aufgenommen sind, – dass die Kontaktmittel aus mindestens einem zwischen den beiden Kontaktierungsflächen (18, 19) plazierten, in Richtung der Hochachse (8) der Aufnahmevertiefung (5) elastisch verformbaren Kontaktierungselement (24) bestehen, das einen gummielastischen Grundkörper (25) mit einander entgegengesetzten, den beiden Kontaktierungsflächen (18, 19) zugewandten ersten und zweiten Gegenkontaktierungsflächen (20, 21) sowie eine Vielzahl von den Grundkörper (25) unter gegenseitiger Isolierung durchziehenden, an den Gegenkontaktierungsflächen (20, 21) mit Leitflächen (27, 28) endenden, elastisch verformbaren Leitkörpern (26) aufweist, – und dass eine am Trägersubstrat (4) fixierte Beaufschlagungsstruktur (34) vorhanden ist, die den Chip (3) an der dem Grund (12) der Aufnahmevertiefung (5) entgegengesetzten Oberseite beaufschlagt, so dass das Kontaktierungselement (24) zwischen dem Trägersubstrat (4) und dem Chip (3) eingespannt ist und die ersten und zweiten Kontaktpads (16, 17) an die ihnen jeweils gegenüberliegenden Leitflächen (27, 28) des Kontaktierungselements (24) angepresst werden.
  2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (25) plattenartig ausgebildet ist, wobei die beiden größeren Außenflächen die Gegenkontaktierungsflächen (20, 21) bilden.
  3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der gummielastische Grundkörper (25) aus Silikongummi besteht.
  4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitkörper (26) aus elastisch biegbaren Metalldrähten bestehen, deren Stirnflächen die Leitflächen (27, 28) bilden.
  5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Leitflächen (27, 28) jeweils eine geringere Flächenausdehnung haben als die Kontaktpads (16, 17) und an den Gegenkontaktierungsflächen (20,21) in feiner matrixartiger Verteilung zu einer oder mehreren Leitflächengruppen (33) zusammengefasst sind.
  6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Gegenkontaktierungsflächen (20, 21) jeweils ganzflächig von einer Leitflächengruppe (33) belegt sind.
  7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch punkt- und/oder streifenförmig gestaltete Leitflächengruppen (33), die jeweils nur eine Teilfläche der Gegenkontaktierungsflächen (20, 21) einnehmen.
  8. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktpads (16, 17) und Leitflächen (27, 28) allein durch den von der Beaufschlagungsstruktur (34) aufgebrachten Anpressdruck miteinander kontaktiert sind.
  9. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Beaufschlagungsstruktur (34) einen den Chip (3) übergreifenden, am Trägersubstrat (4) fixierten Deckel (35) aufweist.
  10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Deckel (35) mit dem Trägersubstrat (4) stoffschlüssig verbunden ist, insbesondere mittels einer Klebeverbindung.
  11. Schaltungsanordnung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Deckel (35) ebenfalls vollständig in der Aufnahmevertiefung (5) aufgenommen ist, wobei er zweckmäßigerweise bündig mit dem die Öffnung (14) der Aufnahmevertiefung (5) umschließenden Randbereich der Außenfläche (13) des Trägersubstrates (4) abschließen kann.
  12. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Deckel (35) die Öffnung (14) der Aufnahmevertiefung (5) vollständig verschließt.
  13. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Deckel (35) an der dem Chip (3) entgegengesetzten Außenseite als Träger für mindestens ein weiteres Elektronikbauteil (49) ausgebildet ist.
  14. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Deckel (35) an der dem Chip (3) entgegengesetzten Außenseite mit vorzugsweise rippenartig gestalteten Kühlkörpern (46) versehen ist.
  15. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Beaufschlagungsstruktur (34) für eine lösbare Fixierung des Chips (3) ausgebildet ist.
  16. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Beaufschlagungsstruktur (35) über an dem Trägersubstrat (4) angeordnete, insbesondere als Rasthaken (48) ausgebildete Rastmittel zur lösbaren Fixierung des Chips (3) verfügt .
  17. Schaltungsanordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Rastmittel innerhalb der Aufnahmevertiefung (5) angeordnet sind.
  18. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltungsträger (2) als MID-Teil (MID = Moulded Interconnect Device) ausgebildet ist, wobei die Leiterbahnen (6) entlang der seitlichen Wandfläche (15) der Aufnahmevertiefung (5) von außen her zu den zweiten Kontaktpads (17) am Grund (12) der Aufnahmevertiefung (5) geführt sind.
  19. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltungsträger (2) als Multilayer-Leiterplatte ausgebildet ist, wobei die Aufnahmevertiefung (5) durch Aussparungen in einer oder mehreren Lei terplattenschichten gebildet ist und die Leiterbahnen (6) über Durchkontaktierungen (23) auf die Ebene des Grundes (12) der Aufnahmevertiefung (5) geführt sind.
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