DE19530577A1 - Gehäuse für Bauelemente der Mikroelektronik und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Gehäuse für Bauelemente der Mikroelektronik und Verfahren zu seiner Herstellung

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Description

Die Erfindung betrifft ein Gehäuse für Bauelemente der Mikroelektronik, wie monolithisch integrierte Schaltkreise, Multichip-Module und Hybride nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zu seiner Herstellung.
Multichipmodule beispielsweise werden zur Montage und Kontaktierung der äußeren Anschlüsse auf einen sogenannten Leiterrahmen (lead frame) gebondet und anschließend in ein Gehäuse eingeschlossen. Insbe­ sondere für SMD-Bauelemente oder Module mit mehr als 100 Anschlüssen bereitet die Kapselung der Bauelemente große Schwierigkeiten, vor allen Dingen im Zusammenhang mit den oft vorhandenen Kühlproblemen.
Normalerweise wird ein sogenannter IC, auf dem in integrierter Form eine Vielzahl von Funktionen realisiert ist, auf einem Basiselement fi­ xiert, welches zum IC hin bzgl. Anordnung und Zahl der Anschlüsse ent­ sprechende Kontakte aufweist, welche zur Peripherie hin mit Anschlüs­ sen auf dem Substrat verbunden werden.
Die Anschlüsse auf den Bauelementen mit den entsprechenden Kontakt­ zungen des Leiterrahmens werden, wie im Falle eines einzelnen IC, in der Regel durch feine Drähte hergestellt, welche sowohl an den Bauele­ menten als auch an den Kontaktzungen durch Verschweißen befestigt werden. Beim Verschweißen müssen die Kontaktzungen des Leiterrahmens einen gewissen Druck aushalten. Die ganze Anordnung wird anschließend verschlossen bzw. mit Kunststoff umspritzt oder getaucht, damit Um­ welteinflüsse sich auf die Schaltung nicht negativ bemerkbar machen können. Zum Schluß werden die Kontaktstifte auf ihre endgültige Form gebracht, d. h. die zungenförmigen Kontakte werden auf eine bestimmte Länge gebracht und für ein bestimmtes Sockelmaß zurechtgebogen.
Als gängige Verfahren zur Umhüllung bekannt sind die Vollumkapselung der Bauelemente mit Duroplast-Moldmassen, die sich durch Hineinpressen in ein Werkzeug formen und in der Form aushärten lassen, der Einbau in keramische Gehäuse und der Einbau in Metallgehäuse.
Der Einbau in Keramik- oder Metallgehäuse gewährleistet eine beinahe hermetische Kapselung, verteuert jedoch die Komponenten so, daß die Anwendung für einen Massenmarkt nicht in Frage kommt.
Bei Metallgehäusen kommt hinzu, daß wohl die Wärmeableitung der ge­ kapselten Elemente sehr gut, die elektrische Isolierung jedoch sehr pro­ blematisch ist. Bei Keramikgehäusen hingegen ergibt sich speziell bei hochpoligen Elementen die Schwierigkeit, die Durchkontaktierung sehr filigraner Anschlußkämme durch das Gehäuse zu realisieren, wobei die Abstände zwischen den Anschlußzungen lediglich z. B. 300 µm betragen können, bei Metallgehäusen sind die Abstände typischerweise ca. 2,5 mm.
Als preiswerteste Variante für kleinflächige Elemente und daher für große Stückzahlen geeignet ist zur Zeit lediglich die Vollumkapselung mit duroplastischen Werkstoffen. Die elektrischen Isoliereigenschaften sind hierbei naturgemäß sehr gut, die Wärmeableitung jedoch oft unge­ nügend.
Eine weitere Schwierigkeit bei der Verwendung von Duroplasten liegt darin, daß die Hermetizität der Kapselung für hochwertige und langle­ bige Bauelemente nicht ausreichend ist. Zusätzlich führt auch der hohe Grad an Wasseraufnahme in der Moldmasse zu Korrosionsproblemen. Dar­ über hinaus werden den Moldmassen, um die Flammwidrigkeit zu gewährleisten, üblicherweise z. B. bromhaltige Additive oder Monomere beigefügt mit den üblichen bei der Herstellung und Entsorgung auftre­ tenden Sicherheits- und Umweltproblemen.
Es kommt hier noch hinzu, daß die Moldmassen nicht hochtempera­ turgeeignet und so auf Anwendungen unterhalb von typischerweise 125-150°C beschränkt sind, was einen etwaigen Einsatz bei Hochleistungselektronik beschränkt oder ihn bei hohen Temperaturen sogar ausschließt. Solche Einsatzgebiete sind jedoch z. B. bei hochinte­ grierter motornaher Elektronik und Sensorik vorgesehen.
Weiterhin ist der Einsatz von Duroplasten für großflächige Strukturen begrenzt, da die Werkstoffkosten hierbei wegen des großen auszu­ füllenden Volumens sehr hoch liegen.
Speziell bei großflächigen Strukturen ist bereits der Einsatz von spe­ ziellen Thermoplastgehäusen bekannt, die nicht mit einem reaktiven Transfer-Moldverfahren, sondern mittels Spritzguß gefertigt werden, insbesondere für Hybrid-Module. Diese sind jedoch nur mit wenigen An­ schlußpolen realisiert, z. b. aus einem Konstruktionswerkstoff wie Poly­ butylenterephtalat (PBT) mit integrierten Steckern. Das Gehäuse wird hierbei üblicherweise mit separat aufgeklebten Deckeln verschlossen und ist, wie alle Gegenstände aus Duroplastmassen, nicht hochtemperatur­ geeignet.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Gehäuse und ein Kapselverfahren anzugeben, das die Kapselung für großflächige und hochpolige Strukturen verbessert und insbesondere für hohe Ar­ beitstemperaturen geeignet ist.
Der Erfindung liegt weiter die Aufgabe zugrunde, ein hochintegriertes Bauelement mit einer Vielzahl von Anschlüssen mit einer Wärmesenke in gut wärmeleitenden Kontakt zu bringen und die Anschlüsse sicher zu kontaktieren, so daß ein hohes Maß von Zuverlässigkeit garantiert ist.
Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 aufge­ führten Merkmale gelöst.
Die Erfindung eignet sich für Wärmesenken aus Metall oder Keramik, welche mit einem Schaltungsträger, z. B. einem Silizium-Substrat oder einem Hybrid-Substrat verbunden werden, und wobei der Schaltungsträ­ ger so gekapselt wird, daß Umwelteinflüsse minimiert werden.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert.
Dabei zeigt:
Fig. 1 Draufsicht auf ein Viertel eines bereits vorumspritzten Leiter­ rahmens (lead frame) mit integrierter Wärmesenke und angedeute­ ter Bestückung;
Fig. 2 Schnitt durch das Gehäuse und die Kontaktstelle des Lead frames vor dem etwaigen Verschließen und
Fig. 3 Schnitt durch das Gehäuse nach dem Verschließen.
Speziell von ihren etwaigen Einsatztemperaturen geeignete Werkstoffe für die Kapselung sind dabei Polyphtalamid (PPA), Polyethersulfon (PES), Polyetherimid (PEI), Polyphenylensulfid (PPS), LC-Polymer (Polyester, LCP), Polyetherketon (PEEK) und Polybenzimidazol (PBI). Module, die mit diesen Thermoplasten gehäust sind, erlauben prinzipiell einen Einsatz bei Temperaturen von oberhalb 120°C, insbesondere von 120-260°C.
Das Kapselverfahren mit Thermoplasten, insbesondere Hochtemperatur­ thermoplasten, ist im Gegensatz zum Moldverfahren von Duroplasten, ein Spritzgußverfahren. Dies bedingt eine unterschiedliche Konstruktion des Bauteils und der notwendigen Werkzeuge. Neu ist hierbei auch, daß nach Ausführen der Kapselung ein innerer Hohlraum gebildet ist, in dem sich die elektronischen Bauteilkomponenten befinden. Vorzugsweise werden neben keramischen Kühlkörpern metallische Kühlkörper verwendet.
Es wird zuerst ein Rahmen gespritzt, der anschließend mit einem Deckel verschlossen wird.
Wie in Fig. 1 und 2 dargestellt, ist der sogenannte lead frame zunächst mit einer isolierenden Schicht 2 versehen. Das Ganze wurde in eine Form eingelegt, in der sich bereits die Wärmesenke 3 befand. Diese Anordnung wurde mit einem Kunststoffrahmen 4 umspritzt.
Der Vorteil der Erfindung besteht darin, eine hochpolige Anordnung mit Anschlußkämmen zu kapseln und damit insbesondere auf Leiterplatten montierbar zu machen.
Ein wesentlicher Vorzug der Erfindung besteht darin, daß der Leiterrahmen direkt auf einer harten Unterlage aufliegt, so daß die anschließende Verschweißung der einzelnen Kontaktzungen des Anschlußkamms mit dem Bauelement ohne Schwierigkeiten erfolgen kann. Das bedeutet, daß an der Stelle 5 ein Gold- oder Aluminiumdrähtchen auf die Kontaktzunge 6 aufgesetzt und mit Druck mit dieser verschweißt werden kann, ohne daß diese nachgibt (s. Fig. 6). Das Bonddrähtchen wird auf der anderen Seite mit elektrischen Anschlüssen auf dem Bauelement 7 verbunden. Anschließend wird der Deckel 9 aufgesetzt und mit dem Rahmen 4 verschweißt. Es gelingt so eine dichte Kapselung, obwohl nur ein schmaler gespritzter Rahmen auf dem Leiterrahmen vorhanden ist.
Das kunststoff-Spritzgußgehäuse besteht erfindungsgemäß aus einem Hochtemperatur-Thermoplast, vorzugsweise PPS (Polyphenylensulfid). Dieses Material soll hochrein verarbeitet werden und hat dann eine Dauergebrauchstemperatur von ca. 220°C. Der Leiterrahmen hat eine große Anzahl von Anschlüssen, welche hier als Kontaktzungen bezeichnet werden. Diese Kontaktzungen 6 haben eine Stärke von < 0,8 mm.
Es können Leiterrahmen mit einer großen Anzahl von Anschlüssen ver­ arbeitet werden mit Kontaktzungen, die Abstände bis hinunter zu etwa 300 µm Zwischenraum mit einer Zungenbreite von typischerweise 300 µm aufweisen (pitch z. B. 635 µm).
Das Gehäuse 4 wird durch gleichzeitiges Umspritzen der Wärmesenke 3 hergestellt. Die Wärmesenke besteht aus Metall oder Keramik und hat eine Montagemöglichkeit für Kühlkörper. Wenn die Wärmesenke aus Metall besteht, muß sie an der Oberfläche dort isoliert werden, wo die Kontakt­ zungen nach innen aus dem Gehäuse herausragen. Dafür ist eine isolie­ rende Schicht 2 vorgesehen, welche durch Auflaminieren oder ein an­ deres Verfahren wie CVD, PVD, Eloxieren etc. hergestellt wird. Wenn die isolierende Schicht 2 als Folie vorgesehen ist, kann diese mit einem Kle­ ber an den Kontaktzungen befestigt werden.
Eine derart auf den Leiterrahmen aufgebrachte Folie hat den Vorteil, sich der Kontur des Rahmens anzupassen, so daß beim Spritzguß des Gehäuses 4 ein Materialaustritt durch die Zwischenräume des Anschluß­ kamms weitgehend vermieden wird. Gleichzeitig wird der Anschlußkamm durch die Folie stabilisiert.
Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird eine Folie aus bei­ spielsweise PPS in Form eines quadratischen Rahmens auf die Unterseite des Leiterrahmens gelegt und unter Einwirkung von Wärme in einer Art Schmelzkleberprozeß mit diesem verbunden.
Der Deckel 9 wird zum Schluß mit dem Rahmen mit Hilfe von geeigneten Fügetechniken verbunden. Als Fügetechniken kommen vor allen Dingen das Reibschweißen, das Laserschweißen das Ultraschallschweißen oder das Kleben in Frage.

Claims (15)

1. Gehäuse für Bauelemente der Mikroelektronik mit einem Gehäuse­ boden, bei welchem die Anschlüsse für die Bauelemente in Form eines Leiterrahmens mit Kunststoff umspritzt sind und einem Deckel, welcher nach dem Einbringen der Bauelemente und der Herstellung der elektrischen Verbindung der Bauelemente mit den Anschlüssen mit dem Gehäuseboden verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse aus einem Hochtemperatur-Thermoplast besteht, welcher eine Dauergebrauchstemperatur von mindestens 120°C aufweist, daß das Gehäuse einen gut wärmeleitenden Boden (3) aufweist, daß auf diesem Boden (3) eine Isolationsschicht (2) an­ gebracht ist, daß zwischen dem Boden (3) (welcher zum überwie­ genden Teil aus einer Scheibe (3) aus gut wärmeleitendem Material besteht, welche von dem Kunststoff des Untergehäuses (4) um­ spritzt ist) und den zungenförmigen Anschlüssen (1) des Leiter­ rahmens eine Isolationsschicht (2) angeordnet ist, derart, daß die Enden der zungenförmigen Anschlüsse (1) auf dem Boden (3) des Untergehäuses (4) direkt aufliegend angeordnet sind.
2. Gehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Untergehäuse (4) und/oder der Deckel (9) überwiegend aus einem Thermoplast besteht.
3. Gehäuse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß es überwiegend aus Polyphtalamid (PPA) besteht.
4. Gehäuse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß es überwiegend aus Polyethersulfon (PES) besteht.
5. Gehäuse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß es überwiegend aus Polyetherimid (PEI) besteht.
6. Gehäuse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß es überwiegend aus Polyphenylensulfid (PPS) besteht.
7. Gehäuse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß es überwiegend aus LC-Polymer (Polyester, LCP) besteht.
8. Gehäuse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß es überwiegend aus Polyetherketon (PEEK) besteht.
9. Gehäuse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß es überwiegend aus Polybenzimidazol (PBI) besteht.
10. Gehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Isolationsschicht (2) zwischen den Anschlüssen und dem Gehäuseboden (3) aus einem Kunststoffband besteht.
11. Gehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Isolationsschicht (2) zwischen den Anschlüssen und dem Gehäuseboden (3) aus einem Kunststoffband besteht.
12. Gehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Isolationsschicht (2) aus einer Kunststoffmasse hergestellt ist.
13. Gehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß Boden (3) und Deckel (9) aus dem gleichen Material gefertigt sind.
14. Gehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Boden (3) des Gehäuses zum überwiegenden Teil aus einer Scheibe (3) aus gut wärmeleitendem Material besteht, welche vom Kunststoff des Untergehäuses (4) umspritzt ist.
15. Verfahren zum Herstellen eines Gehäuses für elektrische Bauele­ mente der Mikroelektronik mit einem Gehäuseboden, bei welchem die Anschlüsse für die Bauelemente in Form eines Leiterrahmens mit Kunststoff umspritzt sind und einem Deckel, welcher nach dem Einbringen der Bauelemente und der Herstellung der elektrischen Verbindung der Bauelemente mit den Anschlüssen mit dem Gehäu­ seboden verbunden wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein Leiterrahmen, welcher zungenförmige Anschlüsse für elektrische Kontakte aufweist, an der Stelle, an der die Anschlüsse (1) durch die Wand des Untergehäuses hindurchtreten, mit einer rechteckförmigen schmalen Bahn (2) aus einem elektrisch isolie­ renden Material bedeckt wird, daß diese Anschlüsse, welche noch einen sogenannten Leiterrahmen (lead frame) bilden mit der elek­ trisch isolierenden Unterseite auf einen rechteckigen Boden (3) ausgerichtet aufgelegt werden, und daß in einer Spritzform anschließend der Boden (3) und die Anschlüsse (1) von Kunststoff derart umspritzt werden, daß ein Rahmen für das Untergehäuse (4) entsteht, aus dem nach außen die Anschlüsse (1) ragen, daß die Anschlüsse außen durch Stanzen vereinzelt und auf die vor­ gesehene Länge gebracht werden und daß nach Montage der auf einem Substrat befindlichen Bauelemente und deren Verbindung mit den Anschlüssen (1) der Gehäusedeckel aufgelegt und mit dem Gehäuseunterteil verbunden wird.
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