DE19624631C2 - Card-Anordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Card-Anordnung mit einer von einem Gehäuse umgebenen Schaltungsanordnung und einem oder mehreren mit dem Gehäuse mechanisch verbundenen Steckverbindern, die in­ nerhalb des Gehäuses mit der Schaltungsanordnung verbunden sind und mit einem die Schaltungsanordnung zumindest teilweise ent­ haltenden Halbleiterchip, der von dem Gehäuse umhüllt ist.

Es ist aus der elektronischen Gerätetechnik bekannt, modulare Baugruppen einzusetzen. Diese Baugruppen bestehen oft aus einem Board, welches eine genormte Schnittstelle aufweist. Im Compu­ terbereich sind derartige Schnittstellen z. B. als PCI, im Steu­ erungsbereich als VME und bei Industriecomputern als PC/104 be­ kannt.

Aus der WO 95/30 207 A1 ist ein sogenanntes PC Card Interface bekannt, welches es gestattet, sehr kompakte Baugruppen mit ho­ her Leistungsfähigkeit einzusetzen. Dieses PC Card Interface ist nach dem PC Card Standard genormt, der den Aufbau der Schnittstelle zwischen Host-Rechnern und Erweiterungskarten z. B. in Notebooks und PCs angibt. PC Cards stehen für eine gro­ ße Zahl von Anwendungen zur Verfügung, z. B. als Speicherkarten, I/O-Karten, Modem-/ISDN-Karten oder LAN-Karten. Insbesondere ist in dieser Druckschrift ein Gehäuse beschrieben, welches dem Einsatz bei der On-board-Technik dient. Da bei dieser Technik die Chips ohne ein eigenes Gehäuse eingesetzt werden, müssen sie besonders geschützt werden. Diesem Schutz dient die beson­ ders dichte Gestaltung des Gehäuses, in welchem ein Steckverb­ inder zur äußeren Kontaktierung eingesetzt ist. Das Gehäuse ist ein mehrteiliges Gehäuse, wobei das Gehäuse aus Rahmen, Boden, Deckel sowie einer an einer Rahmenseite eingesetzten Stecker­ leiste besteht. Derartige Gehäuse sind seit einigen Jahren un­ ter der technischen Bezeichnung PCMCIA-Karten auf dem Markt.

Für CPU-Karten existieren Lösungen, wie eine in der Zeitschrift Elektronik Information Nr. 7-1995 Card-386 der Firma Epson be­ schrieben ist, die in ihren Abmessungen ebenfalls den PC Cards entsprechen und über ein spezielles Interface verfügen.

Für andere Applikationen, wie z. B. als Datenspeicher in digi­ talen Kameras, sind modifizierte Kartentypen vorgesehen, die kleinere Kartenabmessungen aufweisen bzw. mit anderen Inter­ faces versehen sind. Diese Karten sind bekannt als "Miniatur- Card", wie in der Zeitschrift Markt & Technik Nr. 5/1995 be­ schrieben, als "PC Card ATA" oder als "CompactFlash" wie in ScanDisk Application Note, 'Differences between PC Card ATA and CompactFlash', ScanDisk Cooperation 1996 oder in der Firmen­ schrift der Integrated Circuit Engineering Cooperation, MEMORY 1996, beschrieben.

Bei der Vielfalt der genannten Karten besteht die Möglichkeit des Einsatzes sowohl einfacher als auch hochintegrierter und leistungsfähiger Module für unterschiedliche Funktionen. Dieses modulare System gestattet damit eine optimale Konfiguration und Erweiterung der entsprechenden Geräte je nach Aufgabenstellung.

PC Cards und vergleichbare andere Cards besitzen standardi­ sierte Gehäuse, welche starre oder flexible Leitermaterialien enthalten, auf denen die erforderlichen Bauelemente (z. B. als SMD oder Bare Die) montiert sind. Häufig eingesetzte Montage­ technologien sind die SMD-Montage sowie für Bare Dies das Drahtbonden und das Flip-Chip-Verfahren. Möglich sind auch For­ men des 3D-Packagings, insbesondere wenn hohe Integrations­ dichten zur erreichen sind. Derartige Karten sind aus der be­ reits vorstehend beschriebenen WO 95/30 207 A1 und als Du­ raFlash-Serie der Firma SCM wie in der Zeitschrift Elektronik Information Nr. 5-1995 Seite 91 beschrieben, bekannt.

Die genannten Montagetechnologien gestatten die Herstellung leistungsfähiger Cards, erfordern jedoch auch einen entspre­ chend hohen Montageaufwand durch Mehrfachverbindungen bei­ spielsweise von den Halbleiterchips über Bonddrähte auf Trä­ gerstreifen in den Bauelementen, von den Trägerstreifen/Pins auf Leiterplatten und von den Leiterplatten zu den Steckver­ bindern. Mit der separaten Montage verschiedener Bauelemente ergibt sich eine Begrenzung der Integrationsdichte durch erforderliche Abstände der Chips oder der Bauelemente. Die große Anzahl von Verbindungen zwischen den Bauelementen, den Träger­ materialien und Steckverbindern führt darüber hinaus zu einer Einschränkung der Zuverlässigkeit der Gesamtschaltung.

Neben den genannten Card-Typen sind sogenannte Smart Cards be­ kannt, welche in vielen Bereichen (beispielsweise als Tele­ fonkarten) anzutreffen sind und große Verbreitung gefunden ha­ ben. Bei diesen Smart Cards erfolgt die Integration der kompletten Schaltung zumeist auf einem Chip, welcher beispiels­ weise einen Prozessor, einen Speicher sowie das Interface zu einem Hostsystem enthält. Vertreter dieser Typen sind in der DE-OS 22 20 721, in der DE 42 34 158 und in der DE-OS 20 16 485 beschrieben, wie sie nachfolgend im einzelnen dargestellt wer­ den.

Mit diesen Smart Cards können einfach aufgebaute und kosten­ günstige Systemlösungen erreicht werden, jedoch ist die mögli­ che Chipfläche insbesondere aus mechanischen Gründen begrenzt, wodurch auch die Funktionalität dieser Karten eingeschränkt wird. Mögliche Multichiplösungen, bei denen mehrere Chips auf der Kartenfläche angeordnet werden, schaffen eine Erhöhung der Funktionalität, erfordern aber erheblich höhere Montagekosten, so daß einer der wesentlichen Vorteile von Smart Cards nicht genutzt werden kann.

In der DE-OS 22 20 721 werden Datenkarten durch den Anschluß eines integrierten Halbleiterspeichers, beispielsweise mittels Lötverbindungen, mit Leiterbahnen auf einer gedruckten Karte hergestellt, welche wiederum mit zwei weiteren Schichten ver­ bunden ist, wobei die mittlere Schicht eine Aussparung für den Halbleiterspeicher erhält.

Die Leiterplatte, auf der die Leiterbahnen angeordnet sind, ist als Zunge über die Deckschichten hinausgeführt, so daß die Lei­ terbahnen der Leiterplatte zur äußeren Kontaktierung verwendet werden können.

Bei dieser Anordnung wird eine sogenannte direkte Kontaktierung realisiert, bei der die Leiterbahnen der Trägerleiterplatte zugleich als Kontakte dienen. Diese direkte Kontaktierung ist zwar eine übliche Form des Anschlusses von internen oder exter­ nen Karten. Allerdings erfordert die direkte Kontaktierung eine besondere Form von Einsteckschlitzen, in die die Karten ein­ steckbar und kontaktierbar sind. Diese Einsteckschlitze stellen eine besondere Form dar, die nicht die Anforderungen eines Steckverbinders, wie er beispielsweise an PCMCIA-Schnittstellen eingesetzt wird, erfüllen würden.

Bei Steckverbindern, die der indirekten Kontaktierung dienen, da regelmäßig ein Stecker und eine Buchse vorhanden sind und an diese die übrige Schaltung angeschlossen ist, werden beispiels­ weise die Kontakte/Buchsen mehrreihig angeordnet und weisen ei­ nen geringen Abstand zueinander auf. Eine Kontaktierung über direkt kontaktierende Einsteckschlitze wäre allerdings nur ein­ reihig und mit einem größeren Abstand möglich. Dies ist jedoch mit der zunehmenden Geräteminiaturisierung nicht vereinbar.

Eine derartige Card-Gestaltung ist darüber hinaus an die Ver­ wendung von Leiterplattenträgermaterial für die Gehäusegestal­ tung gebunden. Dieses Material besitzt jedoch eine relativ schlechte Wärmeleitfähigkeit, so daß im Falle des Erfordernis­ ses einer Wärmeableitung von dem Card-Chip dieses Gehäuse nicht den Anforderungen entsprechen würde.

Weiterhin ist durch den Schichtenaufbau einer derartigen Karte ein aufwendiges Herstellungsverfahren erkennbar.

Schließlich zeigt das angegebene Leiterplattenmaterial auch in dem Schichtaufbau üblicherweise eine relativ hohe Flexibilität, was zu einer Unterbrechung der elektrischen Verbindung zwischen dem Chip und den Leitbahnen oder zur Zerstörung des Chips bei großer Chipfläche führen kann. Damit sind dem Einsatz groß­ flächiger Chips Grenzen gesetzt.

In der DE 42 34 158 A1 ist eine Datenträgerkarte beschrieben, auf der ein Chip und ein Magnetstreifen integriert sind. Das Chip ist äußerlich kontaktierbar. Eine zusätzliche Anordnung von Kontakten ist an der Karte nicht vorgesehen.

In der DE-OS 20 16 485 ist eine Kundenkarte dargestellt, die mit äußeren elektrischen Kontakten und einer inneren Schaltung versehen ist. Mit dieser inneren Schaltung kann beispielsweise eine Identitätskennung erzeugt werden. Diese Schaltung ist mit diskreten Bauelementen im Inneren realisiert. Der direkte Einsatz eines Halbleiterchips ist nicht vorgesehen. Diese Karte besteht aus zwei Kunststoffträgerplatten, zwischen denen die elektrische Schaltung eingebettet ist.

Weiterhin ist in der DE 42 41 333 C2 ein Halbleiterbauelement beschrieben, welches ausdrücklich für Halbleitersensoreinrich­ tungen geeignet und vorgesehen ist.

In der DE 195 42 262 A1 erfolgt auf einer Karte eine allgemeine Trennung in einen Datenübertragungs- oder Kontaktierbereich, der durch ein äußerlich kontaktierbares Chip dargestellt wird, und in eine Kontaktzone, die an einem Rand der Karte angeordnet ist. Die Verbindung zwischen dem Kontaktierbereich und der Kontaktzone erfolgt über elektrische Verbindungen, die im wei­ teren als Leiterbahnen auf einer Leiterplatte ausgeführt sind. Damit stellt diese Anordnung ebenfalls die herkömmliche Art des Anschlusses von Chips an äußere Kontakte dar.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung für Cards anzugeben, die mit einem geringen Aufwand herstellbar sind und bei einer geringen Baugröße eine hohe Funktionalität aufweisen.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Halbleiterchip (CardChip) mit dem Steckverbinder über Bonddräh­ te, Kontakt-Bumps und/oder Trägerstreifen direkt verbunden ist.

Durch eine derartige Lösung wird erreicht, daß das sonst übli­ che Mehrfachhousing, die Mehrfachverbindungen und separaten Leiterplatten in Cards entfallen. Dies bewirkt eine weitgehende Verringerung des Fertigungsaufwandes und gestattet bei entspre­ chender Chipauslegung eine Erhöhung der Integrationsdichte von Cards durch verringerten Raumbedarf der Schaltungsanordnung.

Weiterhin wird durch eine erfindungsgemäße Anordnung ein Hou­ sing für besonders große Chips, wie sie z. B. für leistungs­ fähige Prozessoren, Speicherchips mit großem Speichervolumen und Systeme mit monolithischer Waferintegration hergestellt werden, unterstützt.

Der Schutz des CardChips vor äußeren Einwirkungen, die elek­ trische und mechanische Verbindung mit äußeren Komponenten, die Funktion der Wärmeableitung und die Kennzeichnung wird von dem Card-Gehäuse direkt übernommen.

Für hohe mechanische Anforderungen können besonders stabile Metallgehäuse verwendet werden, welche sehr robust sind und darüber hinaus eine optimale Ableitung der entstehenden Ver­ lustwärme unterstützen.

In einer Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, daß der Halbleiterchip (CardChip) von dem Gehäuse unmittelbar umhüllt wird. Damit ist es möglich, auf zusätzliche Gehäuse, wie Schaltkreisgehäuse, zu verzichten.

Eine weitere Ausführungsform sieht vor, daß der Innenraum des Gehäuses zumindest teilweise mit einem Vergußmaterial ausge­ füllt wird, wodurch eine höhere mechanische Stabilität der Card-Anordnung und ein verbesserter Schutz der inneren An­ ordnung beispielsweise vor Korrosion und Feuchtigkeit erreicht wird.

Eine besonders günstige Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß das Gehäuse aus einem mittels einer Gießform gegosse­ nen Vergußmaterial besteht, welches den CardChip umhüllt. Dabei kann zum Verguß der Card-Anordnung eine geeignete Form verwendet werden, welche mehrfach genutzt werden kann. Nach Fertigstellung der Karte dient die Vergußmasse selbst als Kartengehäuse. Separate Gehäuse sind somit nicht erforderlich.

Bei entsprechenden mechanischen Anforderungen können in die Vergußmasse Stege oder ein Rahmen eingebettet werden, so daß eine höhere Stabilität der Anordnung, z. B. gegen Biegung und Torsion, erreicht werden kann.

Falls erforderlich, kann in die Vergußmasse auch ein geeigne­ ter Wärmeverteiler (z. B. ein Metallkörper) eingebettet werden, so daß bei hoher thermischer Belastung eine Verbesserung der Wärmeabfuhr erreicht werden kann.

Eine Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß der Halblei­ terchip auf einen Trägerstreifen gebondet und mit diesem elek­ trisch verbunden ist. Der Trägerstreifen wiederum ist mit dem Steckverbinder elektrisch verbunden.

Eine weitere Ausführung der Erfindung ist dadurch gekenn­ zeichnet, daß der CardChip auf den Trägerstreifen gebondet und mit diesem mechanisch und mit dem Steckverbinder elektrisch verbunden ist.

In einer besonders günstigen Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß der Trägerstreifen so ausgeführt wird, daß er ein Teil des Steckverbinders ist oder zumindest mit dem Steck­ verbinder elektrisch und/oder mechanisch verbunden ist. Hier­ durch kann ein zusätzlicher Fertigungsschritt - die Verbindung des Trägerstreifens mit dem Steckverbinder - vermieden werden. Besonders zweckmäßig ist hierbei, wenn der CardChip über den Trägerstreifen mit dem Steckverbinder mechanisch fest verbun­ den ist. Ein derartiger Trägerstreifen dient bereits der mechanischen Fixierung des CardChips und kann damit den Her­ stellungsprozeß erleichtern.

In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, daß weitere Steckverbinder (z. B. bei I/O-Karten) direkt oder mittelbar mit dem Trägerstreifen verbunden sind.

Weiterhin ist es möglich, daß zusätzliche Bauelemente oder Chips mit dem Trägerstreifen elektrisch und/oder mechanisch verbunden werden.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgese­ hen, daß der CardChip ohne Trägerstreifen mechanisch mit dem Card-Gehäuse verbunden bzw. von diesem umgeben wird. Hierzu ist es beispielsweise möglich, den Halbleiterchip direkt in die Gehäuseinnenseite einzukleben bzw. zu bonden. Die elek­ trische Verbindung zwischen Chip und Steckverbinder erfolgt hierbei beispielsweise durch Drahtbonden oder Kontakt-Bumps am entsprechend gestalteten Steckverbinder.

In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, daß Zusatz­ halbleiterchips und/oder Bauelemente direkt mit dem CardChip elektrisch verbunden sind.

Derartige Zusatzhalbleiterchips können in Form von Dies oder SMD-Bauelementen montiert sein. Die Montage dieser zusätzli­ chen Dies oder SMD-Bauelemente kann über Kontaktierungsfelder und/oder Bondinseln direkt auf dom CardChip erfolgen. Für höhere Integrationsanforderungen kann unter Berücksichtigung der insgesamt zur Verfügung stehenden Bauhöhe ein Aufbau von Stacked-Chips erfolgen, welche aus mehreren Chips bestehen, die übereinander angeordnet sind und elektrisch z. B. durch Drahtbonden oder Flip-Chip-Verfahren miteinander, mit dem Trägerstreifen und/oder dem Steckverbinder verbunden sind.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand zweier Ausführungsbei­ spiele näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigt

Fig. 1 eine Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Card mit Trägerstreifen, zusätzlichem SMD-Bauelement und einem mit einer Vergußmasse ausgefüllten Gehäuse,

Fig. 2 eine Draufsicht auf das Innere einer erfindungsgemäßen Card mit Trägerstreifen und SMD-Bauelementen und

Fig. 3 eine Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Card ohne Trägerstreifen mit mehreren Chips übereinander angeordnet.

In einem standardgerechten Gehäuse 1, ausgefüllt mit einer Harz-Vergußmasse 10, welche die innere Anordnung vollständig umgibt, ist ein Steckverbinder 2 befestigt. Die inneren Anschlüsse des Steckverbinders 2 sind so gestaltet, daß sie als Trägerstreifen 3 dienen. Auf dem Trägerstreifen 3 ist mit einem Chipkleber 4 ein Halbleiterchip 5 befestigt, welcher durch ein Chipbondverfahren auf den Trägerstreifen 3 montiert wird. Die elektrische Verbindung des Halbleiterchips 5 mit dem Trägerstreifen 3 und damit mit dem Steckverbinder 2 wird über Bonddrähte 6 hergestellt. Zur Funktionsergänzung sind zusätzlich zum Halbleiterchip 5 SMD-Bauelemente (Kondensato­ ren) 7 mit ihren Kontaktflächen 8 am Trägerstreifen 3 befe­ stigt. Die mechanische und elektrische Verbindung der SMD- Bauelemente 7 mit dem Trägerstreifen 3 erfolgt hierbei durch Lötverbindungen.

Gemäß Fig. 3 ist in einem standardgerechten Gehäuse 1 ein Steckverbinder 2 eingebracht, der das Gehäuse 1 an einer Stirnseite verschließt. Innerhalb des Gehäuses 1 ist ein groß­ flächiger Halbleiterchip 5, ein sogenannter CardChip befe­ stigt. Dabei ist zwischen den Halbleiterchip 5 und das Gehäu­ se 1 ein Chipkleber 4 eingebracht, mit dem die Unterseite des Halbleiterchips 5 an der mechanisch besonders stabilen Unter­ seite des Gehäuses 1 verklebt ist. Somit entsteht eine feste Verbindung zwischen dem Halbleiterchip 5 und dem Gehäuse 1. Zur Ergänzung der Funktionen des Halbleiterchips 5 ist auf diesem ein weiterer Halbleiterchip 9 befestigt. Zur mecha­ nischen Verbindung des Halbleiterchips 9 am Halbleiterchip 5 und gleichzeitiger elektrischer Isolierung der Oberflächen der Halbleiterchips 5 und 9 untereinander dient als Zwischenlage ein Chipkleber 4. Die elektrische Verbindung zwischen den Halbleiterchips 5 und 9 untereinander und mit dem Steckverbin­ der 2 erfolgt über Drahtbrücken, die z. B. als Teil des Steck­ verbinders 2 oder als Bonddrähte 6 ausgeführt sind und auf den Halbleiterchips 5 und 9 auf entsprechenden Bondpads angebon­ det sind. Die Schaltungsanordnung wird mit einem Vergußmateri­ al 10 überdeckt, so daß ein dauerhafter Schutz der Halbleiter­ chips und der übrigen Schaltungsbestandteile erreicht wird.

Bezugszeichenliste

1

Gehäuse

2

Steckverbinder

3

Trägerstreifen

4

Chipkleber

5

Halbleiterchip

6

Bonddraht

7

SMD-Bauelement

8

Kontaktflächen

9

Zusatzchip

10

Vergußmaterial

Claims (11)

1. Card-Anordnung mit einer von einem Gehäuse umgebenen Schaltungsanordnung und einem oder mehreren mit dem Gehäu­ se mechanisch verbundenen Steckverbindern, die innerhalb des Gehäuses mit der Schaltungsanordnung verbunden sind und mit einem die Schaltungsanordnung zumindest teilweise enthaltenden Halbleiterchip, der von dem Gehäuse umhüllt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterchip (CardChip) (5) mit dem Steckverbinder (2) über Bonddrähte (6), Kontakt-Bumps und/oder Trägerstreifen (3) direkt verbunden ist.

2. Card-Anordnung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Halbleiterchip (CardChip) von dem Gehäuse unmittelbar umhüllt wird.

3. Card-Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenraum des Gehäu­ ses (1) zumindest teilweise mit einem Vergußmaterial (10) ausgefüllt wird.

4. Card-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (1) aus einem mittels einer Gießform gegossenen Vergußma­ terial (10) besteht, welches den CardChip (5) umhüllt.

5. Card-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß der CardChip (5) auf einen Trägerstreifen (3) gebondet und mit diesem elektrisch verbunden ist und daß der Trägerstreifen (3) mit dem Steckverbinder (2) elektrisch verbunden ist.

6. Card-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß der CardChip (5) auf den Trägerstreifen (3) gebondet und mit diesem mechanisch und mit dem Steckverbinder (2) elektrisch ver­ bunden ist.

7. Card-Anordnung nach Anspruch 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Trägerstreifen (3) ein Teil des Steckverbinders (2) ist oder zumindest mit dem Steckverbinder (2) elektrisch und mechanisch fest ver­ bunden ist.

8. Card-Anordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß weitere Steckverbinder (2) direkt oder mittelbar mit dem Trägerstreifen (3) ver­ bunden sind.

9. Card-Anordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, daß zusätzliche Bauelemente (7) oder Chips (9) mit dem Trägerstreifen (3) elektrisch und/oder mechanisch verbunden werden.

10. Card-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, da­ durch gekennzeichnet, daß der CardChip (5) direkt in die Gehäuseinnenseite eingeklebt oder einge­ bondet ist und daß die elektrische Verbindung zwischen CardChip (5) und Steckverbinder (2) durch Drahtbonden oder Kontakt-Bumps am Steckverbinder (2) erfolgt.

11. Card-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, da­ durch gekennzeichnet, daß Zusatzhalb­ leiterchips (9) und/oder Bauelemente direkt mit dem Card- Chip (5) elektrisch verbunden sind.