DE19639181A1 - Zuleitungsrahmen für ein mikroelektronisches Bauelement - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Zuleitungsrahmen für ein mikro­ elektronisches Bauelement mit einem integrierten Schaltkreis, der einen Inselbereich zur Aufnahme des integrierten Schalt­ kreises aufweist.

Oberflächenmontierte elektronische Bauelemente, auch SMD-Bau­ elemente genannt, werden üblicherweise in ein Gehäuse aus ei­ ner Kunststoffpreßmasse eingebettet, aus dem die elektroni­ schen Anschlüsse herausgeführt werden. Je nach Anzahl der be­ nötigten Anschlüsse entsprechen diese Gehäuse einer Norm mit festgelegten Abmessungen, um so eine standardisierte Herstel­ lung und automatische Bestückung von Platinen zu ermöglichen. Die Abmessungen dieser Gehäuse sind in deutschen und interna­ tionalen Normen festgelegt. Die Zuleitungsrahmen (Leadframes), die zur exakt positionierten Einbettung der elektrischen Anschlüsse verwendet werden, können in ihrer Mitte Inseln aufweisen, auf denen die integrierten Schalt­ kreise befestigt werden. Zuleitungsrahmen und integrierter Schaltkreis werden dann zusammen in dem Gehäuse aus Preßmasse eingepreßt.

Bei solchen Bauelementen treten zwei miteinander verknüpfte Probleme auf. Zum einen steigt mit zunehmender Integrations­ dichte der integrierten Schaltungen die Verlustleistung pro Bauelement (oder Chip), und die Abfuhr der Verlustwärme der integrierten Schaltkreise in den Plastikgehäusen wird zu ei­ nem technischen Problem. Bei unzureichender Wärmeabfuhr kann es zu unzulässig hohen Chiptemperaturen kommen, durch die die Zuverlässigkeit und Lebensdauer der integrierten Schaltung verringert werden oder das Bauteil sogar zerstört wird.

Zum anderen muß die durch unterschiedliche thermische Ausdeh­ nungskoeffizienten α von Chip- und Inselmaterial verursachte Gehäuseverbiegung in vertretbaren Grenzen gehalten werden. Das ist besonders bei dünnen Gehäusen mit großen Chips ein Problem. Chip und Insel werden bei hoher Temperatur zusammen­ gefügt (Klebung 180 - 200° C, Lötung < 200° C, Legierung < 300° C). Auch die Umhüllung dieses Verbundes mit Kunststoff findet bei ca. 180° C statt. Kühlt das Bauteil auf Raumtempe­ ratur oder noch tiefer ab, zieht sich das Inselmaterial stär­ ker zusammen als der Halbleiterchip, so daß sich der Chip/Inselverbund aufwölbt. Dieser Bimaterialeffekt wird zwar durch den umgebenden Kunststoff des Gehäuses behindert, aber bei dünnen Gehäusen viel weniger als bei dicken.

Üblich und wegen ihrer guten Wärmeleitfähigkeiten λ von λ = 150 bis 380 W/mK sehr günstig sind Cu-Legierungen, deren thermische Dehnung α = 17 ppm/K allerdings relativ hoch im Vergleich zu Halbleitermaterialien wie beispielsweise Sili­ zium mit α = 3 ppm/K ist. In dünnen Gehäusen muß deshalb bei Anschlußrahmen mit Insel nahezu zwangsläufig zu Materialien mit geringerer thermischer Dehnung wie NiFe-Legierungen mit α < 10 ppm/K übergangen werden, deren Wärmeleitung allerdings um eine Größenordnung schlechter ist als die der Cu-Legierun­ gen, z. B. λ = 15 W/mK beim am häufigsten benutzten NiFe42 (Alloy42).

Zusammenfassend erfordert also die Zunahme der Verlustlei­ stung aufgrund zunehmender Chipgröße und Integrationsdichte eine verbesserte Wärmeabfuhr, während gleichzeitig der Trend zu raum- und gewichtssparenden dünnen Gehäusen aufgrund des Bimaterial­ effektes des Chip/Inselverbundes genau das Gegenteil bewirkt, weil schlecht wärmeleitende Materialien für Anschlußrahmen und Insel verwendet werden müssen, um die Gehäuseverbiegung zu verringern.

Anzustreben ist eine möglichst gute Wärmeleitung entlang der Pfade, über die die Verlustwärme vom integrierten Schaltkreis zu einer Leiterplatte und von dort an die Umgebung abgeführt wird. Der bei Standardgehäusen wichtigste Pfad führt vom in­ tegrierten Schaltkreis über einen Klebstoff, mit dem der in­ tegrierte Schaltkreis auf der Leadframe-Insel befestigt ist, in die metallische Leadframe-Insel und von deren Rändern durch einen Preßmassenbereich über die metallischen An­ schlüsse zur Leiterplatte. Die Preßmasse ist elektrisch und auch thermisch isolierend. Bekannte Materialien für den Zu­ leitungsrahmen sind Kupfer- und Nickeleisenlegierungen.

Wegen ihrer hohen Wärmeleitfähigkeit wären Kupferlegierungen für eine gute Wärmeabfuhr am besten geeignet. Allerdings zeigt der Verbund integrierter Schaltkreis/Insel bei Kup­ ferinseln aufgrund der unterschiedlichen thermischen Ausdeh­ nungskoeffizienten einen Bimaterialeffekt, der dünne Gehäuse zu stark verbiegt. Im Bereich der technologisch besonders wichtigen SMT-Montage (Surface Mount Technology) werden jedoch immer dünnere Gehäuse mit möglichst kleinem "stand-off" (Abstand der Gehäuseunterseite zur Leiterplatte) benötigt. Hinreichend dünne Gehäuse müssen daher nahezu zwangsläufig mit Nickeleisen-Leadframes aufgebaut werden, wodurch die Wärmeabfuhr erheblich verschlechtert wird.

Man hat bereits versucht, bei Standardgehäusen während des Umpreßvorgangs zur Gehäuseherstellung zusätzliche Wärmever­ teiler lose einzulegen. Dieser Fertigungsprozeß ist zwar preisgünstig, jedoch unzuverlässig. Die Wärmeabfuhr von der Insel in den Wärmeverteiler hängt davon ab, wie gut und re­ produzierbar der Kontakt hergestellt wurde. Eine andere Mög­ lichkeit besteht darin, einen zusätzlichen Wärmeverteiler vorher auf die Inselrückseite aufzukleben oder aufzulöten. Dieser Fertigungsprozeß ist jedoch sehr aufwendig und kosten­ intensiv.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Zuleitungs­ rahmen der eingangs genannten Art zu schaffen, welcher auf konstruktiv einfache Weise eine gute Wärmeabfuhr erreicht und gleichzeitig die Gehäusedurchbiegung minimiert.

Zur Lösung der Aufgabe weist der zentrale Inselbereich einen Inselrand und einen gegenüber dem Inselrand abgesenkten In­ nenteil auf, der Inselrand und der abgesenkte Innenteil sind wärmeleitend miteinander verbunden, der Inselrand ist zur Aufnahme eines integrierten Schaltkreises ausgebildet, und der abgesenkte Innenteil bildet einen Wärmeleiter zu einer Wärmesenke.

Durch diese Maßnahmen wird ein Zuleitungsrahmen geschaffen, welcher für dünne SMT-Bauformen geeignet ist und nur kleine Abweichungen zu einem herkömmlichen Zuleitungsrahmen auf­ weist, so daß er einfach hergestellt werden kann.

Der Inselrand und der abgesenkte Innenteil der Insel sind be­ vorzugt durch Stege miteinander verbunden, die aus dem glei­ chen Material wie Inselrand und abgesenkter Innenteil beste­ hen und eine Wärmeleitung ermöglichen. In einer günstigen Ausführungsform sind acht Stege, in einer anderen zwölf Stege vorgesehen.

In einer speziellen Ausführungsform ist der abgesenkte Innen­ teil der Insel, der als innerer Wärmeleiter dient, dicht am Grund des Gehäuses positioniert, so daß er gerade noch von Preßmasse bedeckt ist. Diese Ausführungsform kann man als "full pack" bezeichnen, der sich äußerlich nicht von einem Standardgehäuse unterscheidet. In einer alternativen, bevor-
zugten Ausführungsform ist der abgesenkte Innenteil so weit abgesenkt, daß er offen am Grund des Gehäuses positioniert ist und dort eine direkte Kontaktfläche zu Kühlflächen oder Kühlkörpern bildet und gegebenenfalls zum Auflöten oder Auf­ kleben auf die Leiterplatte frei zugänglich ist (in engli­ scher Literatur als "Heat Slug" bezeichnet).

Der gesamte Zuleitungsrahmen ist günstigerweise einstückig ausgebildet, wobei die Trennung von Inselrand und Innenteil durch Stanz- und Prägetechniken erzeugt wird. Anzahl, Größe und Anordnung der Inselrand und Innenteil verbindenden Stege werden zweckmäßig so gewählt, daß einerseits eine hinreichend stabile Verbindung und ein ausreichender Wärmetransfer zwi­ schen beiden Teilen gewährleistet ist und andererseits bei der Gehäuseherstellung der Preßmassenfluß in gewünschter Weise stattfinden kann. Es ist sogar möglich, durch Ausge­ staltung und Anordnung der Stege den Preßmassenfluß gezielt zu steuern.

Um hinreichend Wärme in den Innenteil abzuführen, kann die Gesamtbreite aller Stege beispielsweise 50% des inneren Um­ fangs des Inselrandes betragen. Die maximale Gesamtbreite der Stegverbindungen wird in der Regel davon bestimmt, ob noch ein gleichmäßiger Preßmassenfluß im Gehäusehohlraum möglich ist.

Weiterhin ist es günstig, den Zuleitungsrahmen aus einer Kup­ ferlegierung auszubilden, da Kupferlegierungen besonders wär­ meleitfähig sind und das Problem der Gehäuseverbiegung bei der erfindungsgemäßen Ausbildung des Zuleitungsrahmens nur eine untergeordnete Rolle spielt, da nur in einem kleinen Be­ reich ein Kontakt zwischen Inselrand und integriertem Schalt­ kreis vorhanden ist. Der schmale Überlappungsbereich von in­ tegriertem Schaltkreis und Inselrand kann günstigerweise durch ausgestanzte Löcher oder Kerben im Inselrand noch nach­ giebiger gestaltet werden, so daß der Bimaterialeffekt noch weiter reduziert wird. Auch der abgesenkte Innenteil kann durch Trennungen und Schlitze flexibler gestaltet werden, so daß auch im Innenteil die thermische Längenausdehnung nur zu geringen Effekten führt.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist der abgesenkte In­ nenteil quadratisch und gegenüber der Auflagefläche für den integrierten Schaltkreis gedreht. Insbesondere ist es dabei vorteilhaft, den abgesenkten Innenteil gegenüber dem Zulei­ tungsrahmen und gegenüber dem integrierten Schaltkreis um 45° gedreht oder winkelversetzt anzuordnen. Die versetzte Anord­ nung erlaubt es, ein und denselben Zuleitungsrahmen für Halb­ leiterchips unterschiedlicher Größe zu verwenden. Die Ecken des integrierten Schaltkreises werden dabei auf die stehenge­ bliebenen Eckbereiche des Inselrandes aufgesetzt. Die Abmes­ sungen werden dabei günstigerweise so gewählt, daß der inte­ grierte Schaltkreis mit einer möglichst kleinen Auflagefläche auf den Eckbereichen des Inselrandes aufliegt. Dadurch wird der Bimaterialeffekt bei der Gesamtanordnung weiter verrin­ gert.

In einer anderen Weiterbildung der Erfindung weist der Insel­ rand einen Außenrand auf, der geometrisch so ausgebildet ist, daß er zu Anschlußfingern des Zuleitungsrahmen möglichst nahe benachbart ist. Der Außenrand des Inselringes folgt dabei entsprechend der notwendigen Stanzlücke von ca. 0,2 mm den Spitzen der gegenüberliegenden Anschlußfinger. Insbesondere bei PQFP-Bauformen (plastic quad flat package) ist dabei eine achteckige Außenkontur des Inselrands günstig. Diese Anord­ nung verbessert den Wärmeabfluß in die Anschlußfinger.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von drei Ausführungs­ beispielen weiter erläutert. Im einzelnen zeigen die schema­ tischen Darstellungen in

Fig. 1 eine Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Zuleitungsrahmen;

Fig. 2 einen Querschnitt durch ein elektronisches Bauelement mit dem Zuleitungsrahmen gemäß Fig. 1;

Fig. 3 einen Querschnitt durch ein zweites Ausfüh­ rungsbeispiel eines erfindungsgemäßen elektro­ nischen Bauelements und

Fig. 4 eine Draufsicht auf ein drittes Ausführungs­ beispiel eines erfindungsgemäßen elektroni­ schen Bauelement s.

In Fig. 1 ist eine Draufsicht auf einen erfindungsgemaßen Zu­ leitungsrahmen dargestellt, der in einem elektronischen Bau­ element verwendbar ist. Der Inselbereich ist unterteilt in einen Inselrand 1 und einen Innenteil 2, der gegenüber dem Inselrand 1 abgesenkt ist. Über insgesamt zwölf Stegverbin­ dungen 3, die entlang der Seitenflächen des Innenteils ange­ ordnet sind, ist der Innenteil 2 mit dem Inselrand 1 verbun­ den. Die Stegverbindungen 3 bewirken zum einen eine mechani­ sche Verbindung und zum anderen eine thermische Verbindung zwischen Inselrand 1 und Innenteil 2. Ein integrierter Schaltkreis 6, auch Chip genannt, wird zum Beispiel durch eine Klebung auf dem Inselrand 1 fixiert und ist thermisch mit diesem gekoppelt. Die Wärme wird über die Stegverbindun­ gen 3 zum Innenteil 2 geführt, das als Wärmeleiter zu einer nicht gezeigten Wärmesenke (Leiterplatte, Kühlkörper) wirkt. Dadurch wird eine bessere Wärmeableitung möglich und ein elektronisches Bauelement mit einem niedrigerem Wärmewider­ stand erzeugt. Gleichzeitig neigt dieses Gehäuse deutlich we­ niger zu Verbiegungen, da nur in einem kleineren Bereich ein Bimaterialeffekt zwischen Zuleitungsrahmen und integriertem Schaltkreis 6 zum Tragen kommt. Der Inselbereich ist mit vier an den Ecken befindlichen Inselaufhängungen 5 im Zuleitungs­ rahmen gehalten. Weiterhin sind Anschlußfinger 4 vorgesehen, die bis nahe zur Insel herangeführt sind und zur Kontaktie­ rung des integrierten Schalkreises dienen, z. B. durch Draht­ bonden.

In den Fig. 2 und 3 sind Querschnitte durch zwei verschie­ dene Ausführungsformen eines elektronischen Bauelements dar­ gestellt. Dabei ist ein integrierter Schaltkreis 6 in Preß­ masse 7 eingebettet. Weiterhin wird ein Zuleitungsrahmen ge­ mäß Fig. 1 verwendet, wobei der integrierte Schaltkreis 6 auf dem gesamten Innenumfang des Inselrandes 1 aufliegt. Die An­ schlußfinger 4 bilden die elektrischen Anschlüsse zur Kontak­ tierung des integrierten Schaltkreises 6 mit Bonddrähten (nicht gezeigt). Die Anschlußfinger 4 liegen bezüglich des Inselrandes 1 höher, d. h. etwa auf halber Höhe des elektroni­ schen Bauelements 6. Über die Stegverbindungen 3 wird der In­ nenteil 2 des Inselbereichs als Wärmeleiter unterhalb ge­ führt.

In der Ausführungsform gemäß Fig. 2 liegt der Innenteil 2 an der Unterseite des elektronischen Bauelements frei. Er kann bündig abschließen oder gegebenenfalls über die Unterseite überstehen. Er kann dort auf eine gedruckte Leiterplatte (nicht dargestellt) aufgelötet oder aufgeklebt werden oder mit Kühlflächen oder Kühlkörpern versehen werden.

Der Zuleitungsrahmen weist drei versetzt zueinander ausgebil­ dete parallele Ebenen auf, wobei die oberste Ebene von den Anschlußfingern 4, die mittlere Ebene vom Inselrand 1 und die untere Ebene vom abgesenkten Innenteil 2 gebildet wird.

In der Ausführungsform gemäß Fig. 3 ist der Innenteil 2 der Insel nicht ganz bis an den Boden geführt und wird von einer dünnen Preßmassenschicht 8 bedeckt, die somit unterhalb des als Wärmeleiter und Wärmeverteiler wirkenden Innenteils 2 liegt.

In Fig. 4 ist in einer Draufsicht eine weitere Ausführungs­ form dargestellt. Dabei sind die Preßmasse 7 und der inte­ grierte Schaltkreis 6 "durchsichtig" und nur durch die Außen­ abmessungen dargestellt. Dadurch wird die Lage des Insel­ randes 1 und des Innenteils 2 im Verhältnis zum integrierten Schaltkreis 6 bei dieser Ausführungsform besonders deutlich. Die geometrische Ausrichtung des Innenteils 2 ist gegenüber dem Inselrand 1 und dem integrierten Schaltkreis 6 um 45° ge­ dreht, wobei die Spitzen des Innenteils 2 über die Seitenkan­ ten des integrierten Schaltkreises 6 hinausragen. Der inte­ grierte Schaltkreis 6 liegt nur in Eckbereichen auf dem In­ selrand 1 auf. Der Innenteil 2 ist über acht Stegverbindungen mit dem Inselrand 1 verbunden, die alle im Bereich unterhalb des integrierten Schaltkreises 6 liegen.

Alternativ zur gezeigten Ausführungsform können beispiels­ weise auch vier breitere Stegverbindungen jeweils in der Mitte der seitlichen Kanten des Innenteils 2 angeordnet sein.

Durch die winkelversetzte Anordnung des Innenteils 2 gegen­ über dem Inselrand 1 ist der Inselrand im Bereich oberhalb der Ecken des Innenteils sehr schmal. Diese Bereiche sind po­ tentielle Trennstellen 9 für den Inselrand 1, an denen die Insel nach der Chipmontage getrennt und in vier separate Be­ reiche unterteilt werden kann, um so die Gesamtinsel nachgie­ biger und flexibler zu gestalten und die Bimaterialeffekte weiter zu verringern. Dadurch wird die Gefahr von Verbiegun­ gen des Gehäuses weiter vermindert. Die Trennung im Bereich der Trennstellen 9 kann durch Stanzen oder mit Hilfe eines Lasers erfolgen und wird zweckmäßig vor dem Kontaktieren von Chip und Anschlußfingern durchgeführt.

Um die Anschlußfinger 4 möglichst in geringem Abstand zu dem Inselbereich führen zu können, ist der Inselrand 1 der Geome­ trie der Anschlußfinger 4 angepaßt und mit einer achteckigen Außenkontur ausgestaltet. Dabei laufen die vier Ecken des in­ tegrierten Schaltkreises 6 auf vier Ecken des Inselrands zu, und die vier Ecken des abgesenkten Innenteils laufen auf die anderen vier Ecken des Außenrands des Inselrands 1 zu.

Die beschriebene Erfindung eignet sich in besonderem Maße für Zuleitungsrahmen für Bauelemente mit großem Chip und flachem Gehäuse.

Bei allen Ausführungsformen eines IC-Gehäuses mit erfindungs­ gemäßem Zuleitungsrahmen kann durch entsprechende Biegung der Außenanschlüsse "oben" und "unten" vertauscht werden, d. h. es ist eine "face down"-Montage des Chips möglich.

Bezugszeichenliste

1 Inselrand
2 Innenteil
3 Stegverbindung
4 Anschlußfinger
5 Inselaufhängung
6 Integrierter Schaltkreis
7 Preßmasse
8 Preßmasse unter Innenteil

Claims (17)

1. Zuleitungsrahmen für ein elektronisches Bauelement mit einem integrierten Schaltkreis (6), der einen Inselbereich zur Auf­ nahme des integrierten Schaltkreises (6) aufweist, dadurch gekennzeichnet,
daß der Inselbereich einen Inselrand (1) und einen gegenüber dem Inselrand (1) abgesenkten Innenteil (2) aufweist,
daß der Inselrand (1) und der abgesenkte Innenteil (2) wärme­ leitend miteinander verbunden sind,
daß der Inselrand (1) zur Aufnahme des integrierten Schalt­ kreises (6) ausgebildet ist und
daß der abgesenkte Innenteil (2) einen Wärmeleiter zu einer Wärmesenke bildet.

2. Zuleitungsrahmen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Inselrand (1) und der abgesenkte Innenteil (2) durch Stege (3) miteinander verbunden sind.

3. Zuleitungsrahmen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Inselrand (1), abgesenkter Innenteil (2) und Stegverbin­ dungen (3) einstückig ausgebildet sind.

4. Zuleitungsrahmen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Zuleitungsrahmen aus einer Kupferlegierung besteht.

5. Zuleitungsrahmen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Inselrand (1) Kerben oder Löcher vorgesehen sind.

6. Zuleitungsrahmen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im abgesenkten Innenteil (2) des Inselbereichs Schlitze vorgesehen sind.

7. Zuleitungsrahmen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der abgesenkte Innenteil (2) quadratisch ist.

8. Zuleitungsrahmen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der abgesenkte Innenteil (2) gegenüber dem Zuleitungsrah­ men gedreht ist.

9. Zuleitungsrahmen nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der abgesenkte Innenteil (2) des Inselbereichs gegenüber dem Zuleitungsrahmen um 45° gedreht ist.

10. Zuleitungsrahmen nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der integrierte Schaltkreis (6) nur in Eckbereichen mit dem Inselrand (1) in Kontakt ist.

11. Zuleitungsrahmen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Inselrand (1) einen Außenrand aufweist, der geome­ trisch so ausgebildet ist, daß er zu Anschlußfingern (4) des Zuleitungsrahmens möglichst nahe benachbart ist.

12. Zuleitungsrahmen nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenrand des Inselrands (1) achteckig ist.

13. Zuleitungsrahmen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Inselrand (1) an mindestens zwei Stellen auf schmale Stege reduziert ist, die potentielle Trennstellen (9) bilden.

14. Elektronisches Bauelement mit einem integrierten Schalt­ kreis (6) und einem Gehäuse aus Gieß- oder Preßmasse (7), in welches der integrierte Schaltreis (6) eingebettet ist, mit einem Zuleitungsrahmen nach einem der Ansprüche 1 bis 13.

15. Elektronisches Bauelement nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der abgesenkte Innenteil (2) bis dicht zum Grund des Ge­ häuses herabgeführt ist.

16. Elektronisches Bauelement nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der abgesenkte Innenteil (2) offen am Grund des Gehäuses positioniert ist.

17. Elektronisches Bauelement gemäß einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Inselrand (1) durch Entfernen der Trennstellen (9) in mehrere Einzelbereiche geteilt ist.