DE1591199C2 - - Google Patents

Description

3 4

schaltungsplättchens eine Vielzahl von Halbleiter- ordentlich gute Raumausnutzung und eine große chips treten, die auf einem gemeinsamen Substrat Packungsdichte erreicht wird. Die gemeinsame Kühbefestigt sind. Die elektrische Verbindung dieses lungsplatte hält die Halbleiterschaltungseinheiten auf Substrats mit der Trägerplatte erfolgt — wie bei den im wesentlichen gleicher Temperatur, und die durch beiden anderen genannten Ausführungsformen — 5 die räumliche Trennung der Leistungs- und Signalmittels auf der Substratfläche verteilten Kontakt- Stromkreise erzielte Entkopplung dieser Stromkreise stücken, die den Abstand zwischen der Schaltungs- verhindert, daß sich die dichtgepackten Halbleiterträgerplatte und dem Substrat bestimmen. Das Sub- Schaltungseinheiten gegenseitig störend beeinflussen, strat enthält keine Leiterbahnen, und die darauf be- Aus dem DT-Gbm 16 98910 ist eine Anordnung

festigten Chips sind nicht als integrierte Halbleiter- io bekannt, bei welcher in die öffnung einer Trägerschaltungseinheiten ausgebildet. platte ein einziges Halbleiterelement eingebettet ist,

Mit diesen bekannten Anordnungen läßt sich zwar dessen Anschlußverdrahtung auf die Trägerplatte schon eine beträchtliche Packungsdichte erreichen, aufgebracht ist. Eine Kühleinrichtung für das HaIbjedoch ist zur Erhöhung der Signalausbreitungsge- leiterelement ist nicht vorgesehen. Wegen der unzuschwindigkeit eine noch größere Packungsdichte er- 15 reichenden Kühlung und wegen der Tatsache, daß es wünscht und eine noch bessere Abführung der Ver- sich nur um ein einziges Halbleiterelement und nicht lustwärme erforderlich. um eine in integrierter Technik hergestellte Schal-

Es ist ferner eine Schaltungsanordnung bekannt tungseinheit handelt, ist diese bekannte Anordnung (Tagungsbeitrag von L. St ei pe, Symposium IFAC/ nicht zum Aufbau von Schaltungen mit großer IFIP 1965, S. 4 bis 6; US-PS 31 48 310), bei der im 20 Packungsdichte geeignet.

bestimmten Abstand zu einer Schaltungsträgerplatte Aus der DT-AS 11 39 894 ist es zwar bekannt,

eine weitere, ebenfalls äußere Anschlußleitungen ent- gedruckte Schaltungsplatten in einem Halterahmen haltende Schaltungsträgerplatte angeordnet ist, die parallel zueinander mit geringem Abstand anzuordmittels den Abstand bestimmender und die elektri- nen und durch Steckerleisten miteinander zu verbinschen Verbindungen herstellender Kontaktstücke mit 25 den, jedoch handelt es sich bei den auf den Schalder erstgenannten Schaltungsträgerplatte verbunden tungsplatten angeordneten Bauelementen um diskrete ist. Eine Entkopplung von Stromkreisen soll beim Widerstände, Kondensatoren usw., wobei die Pak-Bekannten durch diese räumliche Trennung äugen- kungsdichte also sehr gering ist, und eine besondere scheinlich nicht erreicht werden. Kühleinrichtung ist nicht vorgesehen.

Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst wer- 3° Aus der US-PS 31 57 828 ist es ferner bekannt, den, bei einer Schaltungsanordnung der eingangs dar- zwischen zwei Schaltungsplatten diskrete Bauelemente gelegten allgemeinen Art, bei welcher eine große anzuordnen und mit Wärmeableitungsvorrichtungen Dichte der Schaltungseinheiten und der zugehörigen zu versehen. Aber auch diese Anordnung weist nur Verbindungen erreicht ist, die Packungsdichte bei zu- eine sehr kleine Packungsdichte auf. Schließlich ist verlässiger Abführung der Verlustwärme und Ent- 35 aus dem DT-Gbm 17 78 242 eine gedruckte Schalkopplung der Leistungs- und Signalstromkreise und tungsplatte bekannt, auf deren den Leiterbahnen abdie Signal-Ausbreitungsgeschwindigkeit noch zu er- gewandter Seite ein metallischer, wärmeableitender höhen. Überzug aufgebracht ist. Auch hier handelt es sich

Im Sinne der Lösung dieser Aufgabe ist eine solche lediglich um eine übliche, mit einzelnen Bauelemen-Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung durch die 4° ten bestückte Leiterplatte, die keinen Bezug zu einer Kombination folgender Merkmale gekennzeichnet: Schaltungsanordnung mit großer Packungsdichte der

eingangs dargelegten Art haben kann.

a) in bestimmtem Abstand zur genannten Schal- Bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbilduntungsträgerplatte ist eine weitere, ebenfalls gen der Erfindung sind Gegenstand der Unteranäußere Anschlußleitungen der Halbleiterschal- 45 Sprüche.

tungseinheiten enthaltende Schaltungsträger- Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung

platte angeordnet, die mittels den Abstand be- wird nachstehend mit Bezug auf die Zeichnungen

stimmender und die elektrischen Verbindungen beispielsweise beschrieben. In den Zeichnungen stel-

herstellender Kontaktstücke mit der erstgenann- len dar
ten Schaltungsträgerplatte verbunden ist; 50 F i g. 1 A eine perspektivische Ansicht einer Schal-

b) die erstgenannte Schaltungsträgerplatte enthält tungsanordnung, deren Oberteil nach oben geklappt das der Verteilung der Speisespannungen die- ist,

nende Leitungssystem, und die weitere Schal- F i g. 1 B die Schaltungsanordnung im zusammen-

tungsträgerplatte enthält das der Verteilung von gesetzten Zustand,

Signalspannungen dienende Leitungssystem; 55 Fig. 2 einen Schnitt durch die in Fig. IB darge-

c) die Kühleinrichtung ist durch eine Platte hoher stellte vollständige Schaltungsanordnung und
Temperaturleitfähigkeit gebildet, die mit der F i g. 3 eine perspektivische Ansicht einer Gruppe Rückseite sämtlicher in Durchbrüchen der von Schaltungsanordnungen mit einer zugehörigen Schaltungsträgerplatte angeordneten Halbleiter- Kühlvorrichtung.

Schaltungseinheiten in Verbindung steht und an 60 Gemäß Fig. IA weist die Schaltungsanordnung der von der weiteren Schaltungsträgerplatte ab- 10 zwei Teile auf, nämlich den zur Halterung der gewandten Seite der erstgenannten Schaltungs- einzelnen Halbleiterschaltungseinheiten und zur Verträgerplatte angeordnet ist. teilung der Leistung dienenden Teil 12 und den die

Signalverbindungsleitungen und die Anschlußstifte

Die Erfindung weist den Vorteil auf, daß infolge 65 tragenden Teil 14. Der Teil 12 ist zur besseren Sicht-

der Wärmeableitung in der einen Richtung von den barkeit des inneren Aufbaus der Schaltungsanord-

Halbleiterschaltungseinheiten aus und der Signal- nung nach oben geklappt. Dieser Teil 12 besteht

weiterleitung in der anderen Richtung eine außer- seinerseits wiederum aus zwei Hauptteilen, nämlich

einer metallischen Kühlplatte 16 und einer mit Durchbrüchen versehenen, aus mehreren Schichten aufgebauten Schaltungsplatte 18. Die Kühlplatte 16 ist mit einer Anzahl von Vorsprüngen 20 versehen, die jeweils eine in integrierter Technik aufgebaute, monolithische Halbleiterschaltungseinheit tragen. In Fig. IA sind lediglich die Halbleiterschaltungseinheiten 22 und 24 im einzelnen dargestellt, während die übrigen Halbleiterschaltungseinheiten, beispielsweise 26 und 28, nur strichpunktiert angedeutet sind.

Die Vorsprünge 20 der Kühlplatte 16 und die daran angeordneten integrierten Halbleiterschaltungseinheiten 22, 24 usw. finden jeweils in den Durchbrüchen der aus mehreren aufeinander geschichteten gedruckten Schaltungen aufgebauten Schaltungsplatte 18 Aufnahme. Die Unterseite der Halbleiterschaltungseinheiten ist dabei mit der Unterseite der Schaltungsplatte 18 im wesentlichen bündig. An der Unterseite der Schaltungsplatte 18 ist eine Anzahl von Kontaktbuchsen 30, 32, 34 angeordnet, die über Verbindungsleitungen 36 mit dem jeweiligen Halbleiterschaltungselement in Verbindung stehen. Die Kontaktbuchsen bilden die Anschlüsse für die Signalleitungen der Halbleiterschaltungselemente. Weitere Verbindungsleitungen 38 verbinden die Halbleiterschaltungselemente mit der Schaltungsplatte 18. Längs der Kanten der Schaltungsplatte 18 sind weitere Kontaktbuchsen 40 vorgesehen, die dem Anschluß der Speisespannungen dienen.

Der untere Teil 14 der Schaltungsanordnung 10 enthält die Signalleitungsverbindungen zwischen den einzelnen Halbleiterschaltungseinheiten 22, 24 usw. des Teils 12. Der Teil 14 besteht im wesentlichen aus drei Hauptteilen, nämlich einer aus mehreren Schichten aufgebauten Schaltungsplatte 42, einer Stützplatte 44 und einer Anzahl von Anschlußstiften 46. Die Oberseite der Schaltungsplatte 42 weist eine Anzahl von Kontaktstiften 48, die mit den Buchsen 30, 32, 34 zusammenwirken und der Signalleitung dienen, und von Kontaktstiften auf, welch letztere mit den Buchsen 40 zusammenwirken und dem Anschluß der Speisespannungen dienen. Die Höhe der Kontaktstifte 48 und SO ist so gewählt, daß der Teil 12 einen bestimmten Abstand vom Teil 14 hat, so daß die beiden Teile nicht aneinander anliegen und eine gegenseitige Beeinflussung zwischen dem Leitungssystem für die Spannungsverteilung und dem Signalleitungssystem vermieden wird.

Die Schaltungsplatte 42 weist zwei Signalverbindungsleitungen enthaltende Schichten 52 und 54 auf, wobei die Leiterbahnen auf der Schicht 52 in AT-Rich- tung und die Leiterbahnen auf der Schicht 54 in y-Richtung verlaufen. Zwischen den beiden Schichten 52 und 54 ist ein Abschirmungsbelag 56 vorgesehen, und die elektrischen Verbindungen zwischen den beiden Schichten 52 und 54 erfolgen mittels durch Löcher geführter Verbindungsleiter 58.

Die Stützplatte 44 verleiht der Schaltungsplatte 42 mechanische Festigkeit und dient gleichzeitig zur Halterung der Kontaktstifte 46, von denen jeder mit einem der Leiter der Schicht 54 verbunden ist.

Die vollständige, zusammengesetzte Schaltungsanordnung ist in F i g. IB dargestellt. Wie aus F i g. 1B ersichtlich ist, weist die Kühlplatte 16 an ihrer Oberseite einen Flächenvorsprung 60 auf, welcher das Einsetzen der Schaltungsanordnung in eine Kühlvorrichtung ermöglicht, die in F i g. 3 dargestellt ist.

Der nähere Aufbau der Schaltungsanordnung und ihre Wirkungsweise werden nachstehend mit Bezug auf die Fig. IA und 2 beschrieben. Die Kühlplatte 16 besteht aus einem Werkstoff, dessen Wärmedehnungskoeffizient etwa gleich demjenigen des Werk-Stoffs der Halbleiterschaltungseinheiten ist. Außerdem muß der Werkstoff der Kühlplatte eine hohe Temperaturleitfähigkeit besitzen.

Die Halbleiterschaltungseinheiten 22, 22' usw. sind so an den Ansätzen 20 der Kühlplatte 16 befestigt,

ίο daß ein maximaler Wärmeübergang erzielt wird. Dazu wird vorzugsweise ein Verfahren angewendet, bei welchem zunächst eine dünne Goldschicht auf die Rückseiten der Halbleiterschaltungseinheiten 20 aufgebracht wird und danach die vergoldeten Rückseiten der Halbleiterschaltungseinheiten und die Ansätze 20 anein andergelegt und so erhitzt werden, daß eine Legierungsverbindung zwischen den Ansätzen 20 und den Halbleiterschaltungseinheiten zustande kommt. Diese Verbindung gewährleistet einen guten Wärmeso übergang und ausgezeichnete mechanische Eigenschaften.

Soll die Kühlplatte 16 von einer Kühlvorrichtung, wie sie beispielsweise in F i g. 3 dargestellt ist, elektrisch isoliert werden, so wird zwischen der eigentliehen Kühlplatte 16 und dem Flächenvorsprung 60 eine in den Zeichnungen nicht dargestellte, wärmeleitende, jedoch elektrisch isolierende Schicht angeordnet. Dazu kann beispielsweise eine dünne Aluminiumoxydscheibe dienen, deren Oberflächen vorher metallisiert worden sind.

Die Schaltungsplatte 18 des oberen Teils 12 der Schaltungsanordnung weist eine Schicht aus keramischem Material 66 und metallisierte Schichten 68, 70 und 72 auf. Die keramische Schicht 66 besteht aus einem Werkstoff hoher Dielektrizitätskonstante, beispielsweise Bariumtitanat. Die metallisierten Schichten 68 und 72 bilden die Speisespannungsverteilungsschaltung zwischen den verschiedenen Halbleiterschaltungseinheiten und den Kontaktbuchsen 40. Die Kontaktbuchsen 40 sind jeweils über leitende Durchführungen, beispielsweise 74, mit einer der beiden Schichten 68 und 72 verbunden. Aus F i g. 2 ist ersichtlich, wie beispielsweise die Halbleiterschaltungseinheit 22' über einen Kontakt 76, eine Verbindungsleitung 38 und eine Durchführung 78 mit der Schicht 68 verbunden ist.

Die metallisierte Schicht 70 ist mit einer ein Bezugspotential liefernden Spannungsquelle verbunden und bildet die Ausgangsebene für die der Spannungsverteilung dienenden Schichten 68 und 72. Diese Anordnung ergibt eine große Kapazität und gleichzeitig eine Entkopplungsschaltung für die der Spannungsverteilung dienenden Schichten 68 und 72. Bewirkt beispielsweise eines der einzelnen Schaltungselemente innerhalb der integrierten Halbleiterschaltungseinheit 22 eine Störung hinsichtlich des Spannungspegels an der metallisierten Schicht 72, so wird eine derartige Störung wegen der hohen Kapazität zwischen der metallisierten Schicht 72 und der Ausgangsebene 70 absorbiert.

Zur Vermeidung kapazitiver Verluste zwischen den Signalanschlüssen 30, 32 usw. und der darüberliegenden metallisierten Schicht 72 ist eine keramische Zwischenschicht 66' vorgesehen, die aus einem Werkstoff mit niedriger Dielektrizitätskonstante besteht.

Ebenso müssen die Isolationen zwischen den Schichten der Schaltungsplatte 42 des unteren Teils 14 der Schaltungsanordnung aus einem Werkstoff mit

außerordentlich niedriger Dielektrizitätskonstante bestehen, damit der Wert der längs der Signalleitungen verteilten Kapazitäten möglichst niedrig bleibt. Dazu eignet sich beispielsweise Erdalkaliporzellan, das eine Dielektrizitätskonstante von etwa 5 hat.

Die elektrischen Verbindungen zwischen der die Signalleitungen in der .Y-Richtung enthaltenden Schicht 52 der Schaltungsplatte 42 und der die Signalleitungen in der Y-Richtung enthaltenden Schicht 54 werden durch Durchführungen hergestellt, wie sie bei 58 angedeutet sind, während ähnliche Durchführungen 84 die Verbindungen zwischen bestimmten Punkten des Leitungssystems und den Kontaktstiften 48 herstellen. Die zwischen den Schichten 52 und 54 angeordnete Abschirmungsschicht 56 legt die charakteristische Impedanz dieser beiden Schichten fest. Insbesondere ist die Dicke der Dielektrikumsschicht 80 ganz genau bestimmt, so daß sich eine gewünschte Impedanz der Schichten 52 und 54 ergibt und eine gegenseitige Beeinflussung der Signalleitungen untereinander vermieden wird.

Speisespannungsanschlüsse zu den Kontaktstiften 50 sind beispielsweise in der bei 90 angedeuteten Weise über Durchführungen von der Schicht 54 her zugeführt, die ihrerseits in einer in der Zeichnung nicht sichtbaren Weise mit den Anschlußstiften 46 in Verbindung steht.

Gemäß F i g. 3 ist eine Anzahl von Schaltungsanordnungen 10 in eine aus mehreren Schichten aufgebaute Schaltungsplatte 100 eingesteckt. Ein im

ίο oberen Teil der Zeichnung geschnitten dargestellter Kühlwasserverteiler 102 ist unmittelbar über die einzelnen Schaltungsanordnungen gezogen und weist öffnungen auf, in welchen die Flächenvorsprünge 60 der Kühlplatten 16 der Schaltungsanordnungen 10 Aufnahme finden. Diese Flächenvorsprünge 60 sind jeweils von einem Dichtungsring 104 umgeben. Über den Einlaß 106 gelangt Kühlflüssigkeit in die Kühlvorrichtung hinein, strömt über die Oberseiten der Flächenvorsprünge 60 hinweg und durch den Auslaß 108 ab, wobei sie die frei werdende Verlustwärme abführt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

1 2 Sprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß auf Patentansprüche: der, der erstgenannten Schaltungsträgerplatte (18) abgewandten Seite der weiteren Schaltungsträger-

1. Schaltungsanordnung mit großer Packungs- platte (42) Verbindungselemente (46) zur Weiterdichte für monolithische integrierte Halbleiter- 5 gäbe von Signalen angeordnet sind.
Schaltungseinheiten, die in Aussparungen einer 7. Schaltungsanordnung nach einem der Anäußere Anschlußleitungen dieser Halbleiterschal- spräche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß auf tungseinheiten enthaltenden Schaltungsträgerplatte der, der weiteren Schaltungsträgerplatte (42) zuangeordnet und mit einer Kühleinrichtung ver- gewandten Seite der erstgenannten Schaltungssehen sind, gekennzeichnet durch dieio trägerplatte (18) eine Schicht (66') aus einem Kombination folgender Merkmale: Isolierwerkstoff niedriger Dielektrizitätskonstante

angeordnet ist, auf welcher sich ein Teil der ge-

a) in bestimmtem Abstand zur genannten Schal- nannten Anschlußleitungen (30,32, 34) befindet, tungsträgerplatte (18) ist eine weitere, ebenfalls äußere Anschlußleitungen der Halb- 15

leiterschaltungseinheiten (22) enthaltende

Schaltungsträgerplatte (42) angeordnet, die

mittels den Abstand bestimmender und die

elektrischen Verbindungen herstellender Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung

Kontaktstücke (48,50) mit der erstgenannten 20 mit großer Packungsdichte für monolithische inte-

Schaltungsträgerplatte verbunden ist; grierte Halbleiterschaltungseinheiten, die in Aus-

b) die erstgenannte Schaltungsträgerplatte (18) sparungen einer äußere Anschlußleitungen dieser enthält das der Verteilung der Speisespan- Halbleiterschaltungseinheiten enthaltenden Schalnungen dienende Leitungssystem (68, 72), tungsträgerplatte angeordnet und mit einer Kühlein- und die weitere Schaltungsträgerplatte (42) 25 richtung versehen sind.

enthält das der Verteilung von Signalspan- Im Datenverarbeitungswesen wird großer Wert auf

nungen dienende Leitungssystem (52, 54); die Arbeitsgeschwindigkeit einer Maschine gelegt.

und Dazu ist es notwendig, daß die Signalverzögerung

c) die Kühleinrichtung ist durch eine Platte zwischen einzelnen Schaltungseinheiten möglichst (16) hoher Temperaturleitfähigkeit gebildet, 30 klein gehalten wird. Diese Forderung bedingt eine die mit der Rückseite sämtlicher in Durch- Beschränkung der Länge der Verbindungen zwischen brächen der Schaltungsträgerplatte (18) an- diesen Schaltungseinheiten auf eine Länge von geordneten Halbleiterschaltungseinheiten (22) wenigen Millimetern. Dazu ist notwendigerweise eine in Verbindung steht und an der von der sehr große Packungsdichte erforderlich, was wegen weiteren Schaltungsträgerplatte (42) abge- 35 der Konzentration der umgesetzten elektrischen Leiwandten Seite der erstgenannten Schaltungs- stung in den einzelnen Schaltungseinheiten große trägerplatte (18) angeordnet ist. Kühlprobleme mit sich bringt. Außerdem muß verhindert werden, daß von den einzelnen dichtgepackten

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, da- Schaltungseinheiten ausgehende Störeinflüsse sich in durch gekennzeichnet, daß die Kühlplatte (16) 40 benachbarte Schaltungseinheiten hinein ausbreiten eine Anzahl von Flächenvorsprüngen (20) auf- können.

weist, die jeweils in einen der Durchbrüche der Eine Schaltungsanordnung der eingangs dargelegerstgenannten Schaltungsträgerplatte (18) hinein- ten Art ist aus der US-PS 32 39 719 bekannt. Diese ragen und jeweils eines der Halbleiterschaltungs- bekannte Anordnung weist eine im Querschnitt elemente (22) haltern. 45 U-förmige Trägerplatte und eine als Halbleiterplätt-

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 chen ausgebildete Halbleiterschaltungseinheit auf, oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erst- welch letztere in der von den beiden U-Schenkeln genannte Schaltungsträgerplatte (18) eine Isola- begrenzten Aussparung der Trägerplatte angeordnet tion aus einem Werkstoff hoher Dielektrizitäts- ist. Die Trägerplatte weist die Anschlußverdrahtung konstante enthält und daß die weitere Schaltungs- 50 für das Halbleiterschaltungsplättchen und in den trägerplatte (42) eine Isolation aus einem Werk- U-Schenkeln angeordnete Anschlußbuchsen auf. stoff niedriger Dielektrizitätskonstante aufweist. Mehrere dieser Schaltungsanordnungen sind aufein-

4. Schaltungsanordnung nach einem der An- ander stapelbar, wobei die Länge der U-Schenkel der spräche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerplatten so gewählt ist, daß jeweils zum Zwecke erstgenannte Schaltungsträgerplatte (18) eine An- 55 der Kühlmittelzirkulation zwischen der Rückseite zahl von jeweils Leiterbahnen enthaltenden eines Halbleiterschaltungsplättchens der einen AnSchichten (68,72) zur Speisespannungsverteilung Ordnung und der Außenseite der Trägerplatte der sowie jeweils zwischen diesen Schichten ange- benachbarten Schaltungsanordnung ein Zwischenordnete weitere Schichten (70) enthält, an welche raum verbleibt.

Bezugspotentiale anlegbar sind. 60 Bei einer anderen Ausführungsform der Schal-

5. Schaltungsanordnung nach einem der An- tungsanordnung ist die Rückseite des Halbleiterschalsprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die tungsplättchens an einer gut wärmeabführenden Meweitere Schaltungsträgerplatte (42) eine Anzahl tallplatte befestigt. Jedoch ist das Halbleiterplättchen von zur Signalverteilung dienenden jeweils Leiter- dabei in einer Ausnehmung einer Tragplatte, die bahnen aufweisenden Schichten (52,54) aufweist, 65 keine Schaltung aufweist, nicht aber in einem Durchzwischen denen jeweils an Bezugspotentiale an- bruch einer Schaltungsträgerplatte angeordnet,
legbare Schichten (56) angeordnet sind. Gemäß einer weiteren Ausführung der bekannten

6. Schaltungsanordnung nach einem der An- Schaltungsanordnung kann an Stelle des Halbleiter-