DE2326861A1

DE2326861A1 - Verfahren zum gegenseitigen verbinden von elektronischen mikrobausteinen und nach einem solchen verfahren hergestellte verbindungssubstrate und hybridschaltungen

Info

Publication number: DE2326861A1
Application number: DE2326861A
Authority: DE
Inventors: Gerard Nicolas
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1972-05-25
Filing date: 1973-05-25
Publication date: 1973-12-06
Also published as: IT986355B; BE822420A; DE2326861C2; FR2185915A1; FR2185915B1; GB1427588A

Description

Patentanwälte DIpK-Ing. FJ. ΒΓ'.ΕΤΖ ·βη»
PSCHT

"Dr.-!-.-. u. EJ -: ε: τ ζ Jr.
Manchen 22, Sieinsdorfitr. 1t

• 410-20.799P 25. 5. 1973

Commissariat a l^fEnergie Atomique, Paris (Frankreich)

Verfahren zum gegenseitigen Verbinden von elektronischen Mikrobausteinen und nach einem solchen Verfahren hergestellte Verbindungssubstrate und Hybridschaltungen

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum gegenseitigen Verbinden von elektronischen Mikrobausteinen sowie auf nach einem solchen Verfahren hergestellte Verbindungssubstrate und Hybridschaltungen,,

Das Anwendungsgebiet der Erfindung ist also das Gebiet der Mikroelektronik»

Die laufenden Bemühungen hinsichtlich der Miniaturisierung von elektronischen Bausteinen haben bekanntlich zu der Möglichkeit geführt, integrierte Schaltungen mit sehr kleinen Abmessungen und relativ niedrigen Gestehungskosten herzustellen.

!©©§48/1

Diese Miniaturisierungsbestrebungen treffen jedoch heute auf Grenzen, die nicht so sehr in den Mikrobausteinen selbst, als vielmehr in den dazwischen zu schaffenden, elektrischen Verbindungen begründet sind. Die meisten Mikrobausteine und insbesondere die integrierten Schaltungen sind nämlich bisher in getrennten Gehäusen untergebracht, deren Platzbedarf erheblich größer ist als der der Schaltungen, die darin Aufnahme finden. Es herrscht daher ein Mißverhältnis zwischen dem geringen Volumen, "das von dem Trägerplättchen mit dem Mikrobaustein eingenommen wird, einerseits und dem Innenraum des zugehörigen Gehäuses andererseits, von dem ein großer Teil durch die Ausgangsanschlüsse beansprucht wird. Da im Zuge der Entwicklung die Komplexität der Mikrobausteine ständig wächst und damit auch die Anzahl der Ausgangsanschlüsse zunimmt, zeigt dieses Mißverhältnis eine Tendenz zu immer stärkerer Ausprägung. Außerdem müssen für bestimmte Schaltungen die Betriebszeiten häufig unterhalb des Nanosekundenbereichs liegen, so daß die Laufzeiten der Signale in den Verbindungsschaltungen zu unerwünschten Grenzen werden können, wenn die Länge der Verbindungsleitungen zwischen den verschiedenen Gehäusen mit den einzelnen Mikrobausteinen Werte von einigen 10 cm annimmt. Sfhließlich macht auch der Preis für die Gehäuse für sich genommen einen erheblichen Anteil der Kosten für die integrierte Schaltung aus, die darin Aufnahme finden soll. Aus allen diesen Gründen geht heute das Bestreben dahin, die Mikrobausteine unmittelbar auf einem Verbindungssubstrat zu montieren, das in der bisherigen Technik in Form von mehrschichtigen Schaltungen ausgebildet wird.

Die bisher bekannten mehrschichtigen Verbindungssubstrate stellen eine Art von gedruckter Schaltung dar_s auf der die von ihren üblichen Gehäusen befreiten Mikrobausteine montiert werden. Eine solche Schaltung soll im folgenden in dem Sinne mit dem Ausdruck "Hybridschaltung" bezeichnet werden, als sie

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eine Vereinigung von Mikrobausteinen auf einem Verbindungssubstrat darstellt. Dabei wird heute je nachdem, ob die Trägerunterlagen dick oder dünn sind, zwischen zwei Typen von mehrschichtigen Schaltungen unterschieden. In beiden Fällen ist die Technologie für die Herstellung dieser Schaltungen sehr komplex und verlangt einen erheblichen Aufwand an Fertigungshilfsmitteln. Zur näheren Veranschaulichung der damit entstehenden Schwierigkeiten und auch der durch die vorliegende Erfindung erzielbaren Vorteile und fer'tigungsmäßigen Vereinfachungen soll im folgenden kurz auf die Technologie für die Herstellung von mehrschichtigen Schaltungen bisheriger Art eingegangen werden.

Die dicken Schichten werden im allgemeinen unter Anwendung der Technik der Serigraphie auf einer Trägerunterlage aus Keramik abgeschieden. Die Schichten sind dabei entweder isolierend oder elektrisch leitend, und sie werden mit hoher Temperatur gebrannt. Übergänge zwischen verschiedenen Schichten werden · durch Einbringen von Fenstern in die isolierenden Schichten im Augenblick ihrer Abscheidung erhalten. Die leitenden Schichten auf verschiedener Höhe werden nach Maßgabe des Stapelungsfortschritts miteinander verbunden. Was nun die dünnen Schichten anbelangt, so werden sie im allgemeinen durch Aufdampfen im Vakuum abgeschieden, worauf sich nach der Abscheidung eine Gravierung.und eine Bestrahlung eines photoempfindlichen Harzes anschließt. In bestimmten Fällen kann auch mit einem Aufdampfen im Vakuum durch eine Maske hindurch gearbeitet werden. Die obigen Darlegungen zeigen, daß diese bekannte Technik für die Herstellung von mehrschichtigen Schaltungen sich zwar ohne weiteres, zur Herstellung von Verbindungssubstraten in großen Serien eignet, für ihre Realisierung jedoch einen erheblichen Aufwand an Fertigungseinrichtungen verlangt, und daher für die Herstellung solcher Verbindungssubstrate in kleinen oder mittleren Stückzahlen nicht brauchbar ist.

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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Weg aufzuzeigen, auf dem sich unter Vermeidung der oben aufgezeigten Mangel der bisher bekannten Verfahrensweisen bei geringstem Aufwand an Fertigungseinrichtungen und Per— tigungshilfsmitteln elektronische Mikrobausteine in einer Weise miteinander verbinden lassen, die allen in der Mikroelektronik gestellten Anforderungen wie hohe Packungsdichte, gute Zuverlässigkeit, leichte Reparierbarkeit, niedrige Gestehungskosten usw. genügt.

In Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß ein Verfahren zum gegenseitigen Verbinden von elektronischen Mikrobausteinen vorgesehlagen, das sich dadurch kennzeichnet, daß auf einer Trägerunterlage an für die Anordnung der Anschlüsse der miteinander zu verbindenden Mikrobausteine passenden Stellen leitende Kontaktstücke befestigt und über eine Verbindungsschaltung aus auf die Trägerunterlage aufgebrachten isolierten Drähten miteinander verbunden werden, daß auf die Kontaktstücke Mikrobausteinplättchen mit ihren Anschlüssen aufgelegt werden und daß die Anschlüsse der Mikrobausteinplättchen mit den jeweiligen Kontaktstücken verlötet werden.

Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird für die Herstellung der Verbindungen zwischen den einzelnen Mikrobausteinen ein isolierter Draht von geringem Querschnitt verwendet, der sich insbesondere thermisch klebfähig machen läßt; die Isolierung zwischen den leitenden Teilen wird auf diese Weise ohne Komplizierung des Netzwerkes und ohne Begrenzung durch technologische Schwierigkeiten bei der Übereinanderstapelung von Schichten gewährleistet. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sieh in hervorragendem Maße zur Automatisierung und ermöglicht dank seiner Einfachheit einen Einsatz auch für die Herstellung kleiner und mittlerer Stückzahlen von Hybridschaltungen.

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Gemäß einer ersten AusführungsVariante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zur Herstellung der Verbindungssehaltung in der Weise vorgegangen, daß die leitenden Kontaktstücke an passenden Stellen auf der Trägerunterlage aufgebracht werden, die Verbindungsschaltung unter Aufteilung in Teilschaltungen, die sich durch einen ununterbrochenen Draht realisieren lassen, der unter Anbringen auf der Trägerunterlage und Hinwegführen über die Kontaktstücke abgex^iekelt wird* verkabelt wird, die verschiedenen Teilschaltungen einander zur Bildung der gesamten Verbindungsschaltung überlagert werden^ der isolierte Draht auf der Höhe jedes der Kontaktstücke entisoliert wird, die freigelegten Drahtstücke mit den entsprechenden Kontaktstücken verlötet werden und die nicht zur endgültigen Verbindungsschaltung gehörigen Drahtabschnitte abgeschnitten werden.

Bei einer zweiten Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Herstellung der Verbindungsschaltung in der Weise, daß Isoliergehäuse mit zur Aufnahme jeweils eines der miteinander zu verbindenden Mikrobausteinplättchen geeig-' /geformt, an ihrem Umfang mit Nuten versehen und' auf die Träger-^{11 en} unterlage aufgesetzt werden, daß die Verbindungsschaltung unter Aufteilung in Teilschaltungen, die sich durch einen ununterbrochenen Draht realisieren lassen, der durch die Randnu_vten der Isoliergehäuse hindurchgelegt wird, verkabelt wird₉ daß die verschiedenen Teilschaltungen einander zur Bildung der gesamten, Verbindungsschaltung überlagert werden, daß der isolierte Draht auf der Höhe jedes der Kontaktstücke entisoliert wird, daß die Kontaktstücke auf die Trägerunterlage durch eine elektrolytische Abscheidung aufgebracht werden, in deren Verlauf die ununterbrochenen Drähte jeder Teilschaltung auf passenden Potentialen gehalten werden, und daß die nicht zur endgültigen Verbindungsschaltung gehörigen Drahtabschnitte abgeschnitten werden.

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Diese zweite Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens kann entweder in der Weise ausgestaltet werden, daß die Kontaktstücke in den Nuten der Isoliergehäuse geschaffen werden, daß anschließend die zentralen Teile der Isoliergehäuse auf der Höhe der inneren Seitenwände der Isoliergehäuse entfernt werden und daß die Mikrobausteinplättchen unter Einlegen von oben her in ihre jeweiligen Isoliergehäuse eingesetzt werden, oder es wird so. gearbeitet,, daß die Kontaktstücke im Inneren der Isoliergehäuse geschaffen werden, daß anschließend die zentralen Teile der Isoliergehäuse unter Stehenlassen der von den Kontaktstücken gebildeten Pinger am Innenrand der Seitenwände der Isoliergehäuse entfernt werden, daß in gleicher V/eise der innerhalb der Isoliergehäuse liegende Teil der Trägerunt-erlage entfernt wird, daß die Mikrobausteinplättchen unter Einführen von unten her in ihre jeweiligen Isoliergehäuse eingesetzt werden und daß die Unterseiten der Mikrobausteinplättchen auf einer zweiten starren Trägerunterlage befestigt werden. Bei beiden Ausgestaltungen wird der zentrale Teil der Isoliergehäuse bevorzugt durch Stanzen entfernt.

Die elektrische Prüfung der Verbindungsschaltung erfolgt bei den beiden oben gestellten Ausführungsvarianten für das erfindungsgemäße Verfahren bevorzugt in der Weise, daß alle Teilschaltungen auf Unterbrechungsfreiheit geprüft werden, solange sie noch aus einem ununterbrochenen Draht bestehen.

Eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht auch darin, daß zur Herstellung der Verbindungsschaltung ein Draht mit einer thermisch klebfähig zu machenden Isolierung verwendet wird, der durch einen feststehenden Speisekopf hindurch abgewickelt wird, der eine endseitig abgerundete und mit einem Heizorgan zum Aufheizen des Drahtes versehene Kapillare

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aufweist, während die isolierende Trägerunterlage fest mit einem in seiner Ebene beweglichen Tisch verbunden ist, dessen Bewegung den Verlauf der Verbindungsschaltung bestimmt. Bevorzugt wird dabei die Bewegung des die isolierende Trägerunterlage tragenden Tisches durch eine automatische Programmsteuerung gesteuert.

Gegenstand der Erfindung ist weiter ein Verbindungssubstrat für elektronische Mikrobausteine, das sich mit Hilfe der erfindungsgemäßen Verfahren erhalten läßt.

Ein nach der ersten AusführungεVariante des erfindungsgemäßen Verfahrens erhältliches Verbindungssubstrat ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß es eine Trägerunterlage aufweist, auf der leitende Kontaktstücke aufgebracht sind, die durch eine mittels isolierten Drahtes realisierte Verbindungsschaltung miteinander verbunden sind.

Ein nach der zweiten AusführungsVariante des erfindungsgemäßen Verfahrens herstellbares Verbindungssubstrat ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß es- auf einer Trägerunterlage angeordnete Isoliergehäuse mit zur Aufnahme jeweils eines der miteinander zu verbindenden Mikrobausteinplättchen geeigneten Abmessungen und eine Verbindungsschaltung aufweist, die aus isolierten Drahtstücken besteht, die auf der Trägerunterlage haften und auf der Höhe der Isoliergehäuse mit ' leitenden Kontaktstücken verbunden-sind.

In beiden oben geschilderten Fällen besteht die Isolierhülle für die isolierten Drähte bevorzugt aus thermisch klebfähig zu machendem Material, ymd außerdem kann die Trägerunterlage mit einem Überzug aus einem thermisch klebfähig zu machenden Material versehen sein. Die Trägerunterlage selbst besteht bevorzugt aus elektrisch isolierendem Material wie beispiels-

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weise einem Polyimid. Soweit auf einer solchen Trägerunterlage Isoliergehäuse aufgebracht sind, bestehen diese bevorzugt aus Keramik, während als Material für die leitendenKontaktstücke Kupfer bevorzugt ist. Der isolierte Draht weist zweckmäßig eine Metallseele mit einem Durchmesser von einigen 10 Mikrometern auf.

Eine Hybridschaltung in erfindungsgemäßer Ausbildung ist dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Mehrzahl von durch ein Verbindungssubstrat der oben gekennzeichneten Art miteinander verbundenen elektronischen Mikrobausteinen umfaßt, wobei bevorzugt mindestens einer dieser Mikrobausteine eine integrierte Schaltung ist, die zweckmäßig so auf die Trägerunterlage aufgesetzt ist, daß die inaktive Basis des Plättchens mit der Trägerunterlage in Berührung steht.

PUr die weitere Erläuterung der Erfindung wird nunmehr auf die Zeichnung Bezug genommen, in der einige bevorzugte Ausführungsbeispiele für die Erfindung veranschaulicht sind; dabei zeigen in der Zeichnung:

Fig. 1 ein nach der ersten AusfuhrungsVariante des erfindungsgemäßen Verfahrens erhältliches Verbindungssubstrat in perspektivischer Darstellung und in verschiedenen Stadien seiner Herstellung,

Fig. 2 ein im Rahmen der zweiten AusführungsVariante für das erfindungsgemäße Verfahren verwendbares Isoliergehäuse in perspektivischer Darstellung,

Fig. 3 iⁿ schematischer Darstellung den Ablauf der Verkabelung der Verbindungsschaltung bei der zweiten AusführungsVariante des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 4 eine AusführungsVariante für die Ausbildung der Kontaktstücke,

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Pig. 5 eine stark vergrößerte Detailansicht der in die Isoliergehäuse eingearbeiteten Nuten zur Veranschaulichung der Verankerung des entisolierten Drahtes an den leitenden Kontaktstücken,

Fig. 6 eine schematisch gehaltene Darstellung des Speisekopfes für den isolierten Draht,

Pig. 7 ein Illustrationsbeispiel für die Befestigung eines Mikrobausteins in seinem Isoliergehäuse und

Fig. 8 eine zweite Ausführungsmöglichkeit für die Befestigung der Mikrobausteine.

In Fig. 1 ist eine erste Ausführungsvariante für ein erfindungsgemäß ausgebildetes Verbindungssubstrat dargestellt, wobei gleichzeitig die wesentlichen Phasen seiner Herstellung veranschaulicht sind (Fig. la, Ib und Ie). In der Darstellung in Fig. la werden auf einer Trägerunterlage 60 leitende Kontaktstücke 62 an geeigneten Stellen aufgebracht, die den Anschlüssen der Mikrobausteine entsprechen, die damit in Kontakt gebracht werden sollen. In einer zweiten Verfahrensphase (Fig.Ib) wird ein isolierter Draht 64 aufgebracht, um die Verbindungsschaltung zu verkabeln, indem diese Schaltung in Teilsehaltungen zerlegt wird, die sich mit Hilfe eines ununterbrochenen Drahtes realisieren lassen. Anschließend werden diese Teilschaltungen zur Gewinnung der gesamten Verbindungsschaltung überlagert. Sodann wird der isolierte Draht 64 auf der Höhe jedes der Kontakt stücke 62 entisoliert, und die so freigelegten Drahtabschnitte werden mit den entsprechenden Kontaktstücken 62 verlötet; in einem letzten Verfahrensschritt werden dann die Abschnitte des Drahtes 64 abgeschnitten, die keinen Teil der Verbindungssehaltung bilden, und auf diese Weise wird ein Verbindungssubstrat erhalten, wie es in Fig. ic veranschaulicht ist.

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Sodann werden die Mikrobausteinplättchen auf die verschiedenen Kontaktstücke 62 aufgesetzt, und. es ist dann nur noch erforderlieh,' die Anschlüsse dieser Mikrobausteine auf die Kontaktstücke 62 aufzulöten. Die verschiedenen oben kurz erwähnten Arbeitsgänge werden unten in Verbindung mit der zweiten Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens noch näher erläutert.

Damit die Verbindung zwischen dem isolierten Draht und den Unterlagplättchen der elektronischen Mikrobausteine den zu stellenden Bedingungen in Lage, mechanischem Halt, ebener Ausführung und Reparierbarkeit genügt, kann man sich einer speziellen Hilfskonstruktion bedienen. Ein Ausführun^sbeispiel für eine solche Hilfskonstruktion ist in Fig. 2 dargestellt. Dabei zeigt Fig. 2 in perspektivischer Darstellung ein Isoliergehäuse 2, das die Herstellung der Verbindung zwischen dem isolierten Draht und dem Unterlagplättchen eines in dieses Isoliergehäuse 2 einsetzbaren Mikrobausteins ermöglicht. Das Isoliergehäuse 2 kann an seinen Seitenwänden so bearbeitet sein, daß eine Mehrzahl von Nuten 4 entsteht, deren Lage entweder in Abhängigkeit von der Plazierung der Anschlüsse eines in dieses spezielle Gehäuse einzusetzenden Mikrobausteins oder nach einer genormten Schrittweite bestimmt wird. Das Isoliergehäuse 2 selbst kann entweder aus Keramik oder aus Aluminiumoxyd hergestellt werden.

Die gewünschte Verbindungsschaltung selbst wird dann in der Weise geschaffen, wie dies in Fig. 3a und 3b veranschaulicht ist. In diesen Figuren sind als Beispiel drei Isoliergehäuse 10, 12 und 14 dargestellt, die zur Aufnahme dreier miteinander zu verbindender elektronischer Mikrobausteine bestimmt sind. Die Verbindungsschaltung wird mit Hilfe eines isolierten Drahtes gewonnen, der die Nuten 4 der verschiedenen Isoliergehäuse 10,

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12 und l4 entsprechend dem gewünschten Verbindungsplan miteinander verbindet. Nach einer VerfahrensVariante wird -die gesamte Verbindungsschaltung bevorzugt in Teilschaltungen zerlegt, die sich mit Hilfe eines ununterbrochenen Drahtes wie 2.B. des Drahtes 16 realisieren lassen, der in den verschiedenen Isoliergehäusen 10, 12 und 14 in geeignete Nuten 4 eingelegt wird. In Fig.. 3a ist eine solche Teilschaltung dargestellt, die sich mit Hilfe eines ununterbrochenen isolierten Drahtes 16 realisieren läßt, dessen Enden durch die Bezugszeichen E₁ und S. bezeichnet sind; weitere, in Pig. 3 nicht näher dargestellte Teilschaltungen werden in gleicher Weise geschaffen, und anschließend werden alle diese Teilschaltungen einander zur Bildung der gesamten Verbindungsschaltung überlagert.

Wie Fig. 3a zeigt, läuft, der ununterbrochene Draht 16 jeweils über den zentralen Teil der einzelnen Isoliergehäuse 10, 12 und 14 hinweg. Dies ermöglicht die Erzeugung der zur Befestigung an den Verbindungsdraht bestimmten leitenden Kontaktstücke mit Hilfe eines sehr einfachen elektrolytischen Verfahrens. Es ist nämlich bei dieser Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens möglich, solange der Verbindungsdraht noch nicht zerschnitten ist, die jeweilige Teilschaltung unter Spannung zu setzen und im Bereich der von dem Verbindungsdraht durchlaufenen Nuten nach Entfernung der Drahtisolierung an den entsprechenden Stellen die leitenden Kontaktstücke durch elektrolytische Abscheidung aufzubringen. Nach diesem Elelctrolysevorgang, der zur Bildung von metallischen Kontaktstücken führt, die mit den verschiedenen Abschnitten des Verbindungsdrahtes verankert sind, werden die zentralen Teile der Isoliergehäuse insbesondere durch mechanisches Ausstanzen entfernt, wodurch ein Verbindungssubstrat entsteht, wie es in Fig. 3^D veranschaulicht ist, die sich von der Darstellung in Fig. 3a nur dadurch unterscheidet, daß die zentralen Teile der Isoliergehäuse 10, 12 und 14 entfernt sind.

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Natürlich kann man, anstatt die Kontaktstücke in den Nuten 4 selbst zu schaffen, diese Kontaktstücke auch ein wenig innerhalb der Isoliergehäuse in Form von in diese hineinragenden Fingern entstehen lassen. Diese Ausführungsvariante ist in Fig. 4 veranschaulicht. In Fig. 4 ist ein Isoliergehäuse 2 dargestellt, das beispielsweise vier Anschlüsse 10?, 102, 103 und 104 aufnimmt, die an vier entsprechenden Fingern 111, 112, 113 und 1J4 enden. In diesem Falle werden die Anschlüsse in den zentralen Teilen der Isoliergehäuse auf der Höhe von deren Seitenwänden nicht wie bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. yo entfernt. Natürlich lassen sich die beiden Ausführungsvarianten nach Fig. 3 und 4 auch miteinander kombinieren.

Das Verfahren zur Herstellung der "Verbindungsschaltung ermöglicht eine sehr einfache elektrische Überprüfung dieser Schaltung durch Messung des ohmschen Widerstandes entlang des für die Erstellung der Verbindungen verwendeten isolierten Drahtes zwischen seinen beiden Enden wie beispielsweise den Stellen E^ und S₁ für die in Fig. 3a veranschaulichte Teilschaltung; die entsprechenden Prüfungen können mit Stromunterbrechung oder mit Kurzschluß, vorgenommen werden.

Die Verbindung des Drahtes mit den Isoliergehäusen ist in der Darstellung in Fig. 5 erkennbar, die eine stark vergrößerte Detailansicht ist und die Verankerung des Drahtes an den metallischen Kontaktstücken in den Isoliergehäusen zeigt. Dabei ist in-Fig. 5a ein Schnitt durch ein Isoliergehäuse 2 dargestellt, in das Nuten 4 eingearbeitet sind; das Isoliergehäuse 2 ist mindestens im Inneren der Nuten 4 mit einer dünnen Metallschicht 20 überzogen, die sieh beispielsweise durch chemische Verkupferung erhalten läßt; der Verbindungsdraht wird im Bereich der Nuten 4 von seiner Isolierung befreit, so daß seine Metallseele 22 freiliegt. Diese Entisolie-

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rung des Drahtes kann beispielsweise durch thermisches Verflüchtigen oder durch chemischen Angriff mit Hilfe eines Lösungsmittels auf die Isolierschicht über die entsprechende Drahtlänge erfolgen. Nach Einlegen des entisolierten Drahtes in die Rinnen 4 werden diese durch elektrolytische Verkupferung in einem Bad aus Kupfersulfat bei Schaltung des Drahtes als Kathode gegen eine losliche Anode aus Kupfer gefüllt, so daß die Metallseele 22 des Drahtes in einem Kontaktstück 24 eingeschlossen wird, wie dies in Fig. 5t> veranschaulicht ist. Der abschließende Arbeitsgang besteht dann in einer elektrischen Isolierung der verschiedenen metallischen Kontaktstücke 24 voneinander, die entweder durch Polieren oder durch chemische Behandlung der" Oberseite des Isoliergehäuses 2 erfolgen kann, so daß sich ein Endzustand ergibt _s wie er in Pig« 5c veranschaulicht ist.

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Die Nuten 4 in den Isoliergehäusen können beispielsweise eine Länge und eine Höhe in der Größenordnung von 50 Mikron aufweisen, und die Metallseelen 22 der isolierten Drähte können einen Durchmesser von einigen zehn Mikron wie beispielsweise 30 Mikron aufweisen. Es ergibt sich dann eine gut haftende Verbindung zwischen der Metallseele 22 des Drahtes einerseits und dem leitenden Kontaktstück 24 andererseits, da es sich bei dieser Verbindung um eine Verankerung in der Masse handelt. Bei den bisher bekannten Schaltungen v/erden die Verbindungen als Lötverbindungen auf dünnen Schichten mit einer Dicke von etwa 1 Mikron oder auf dicken Schichten mit einer Dicke von etwa 15 Mikron vorgenommen, wobei sich eine erheblich verminderte Zuverlässigkeit der Lötverbindung und große Schwierigkeiten bei Reparaturversuchen ergeben.

Bei einer bevorzugten'Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Befestigung des isolierten Drahtes auf

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der Trägerunterlage durch thermisches Verkleben. Bei dieser AusführungsVariante geschieht die Aufbringung des Drahtes in der in Fig. 6 veranschaulichten Weise. In Fig. 6 ist eine isolierende Trägerunterlage 30, die insbesondere aus einem Polyimid bestehen kann, an ihrer Oberseite mit einer Schicht 32 aus einem thermisch erweichbaren und damit klebfähig werdenden Material überzogen, auf die ein Speisekopf 34 den isolierenden Verbindungsdraht 36 aufdrückt. Der Speisekopf enthält dazu ein Kapillarrohr 38, durch das der isolierte Draht 36 hindurchgeht, und eine Heizspule 40, die zum Aufheizen der Isolierung des Drahtes J>6 bis zu deren Erweichen bestimmt ist; das Kapillarrohr 38 endet in einem gekrümmten Abschnitt 42, der zur Formgebung für den Draht unabhängig von der Richtung seines Auslaufens bestimmt ist; der Speisekopf 34 ist seinerseits an einem in der Zeichnung nicht dargestellten Träger montiert, der die Ausübung eines gewissen Druckes auf den Draht 36 ermöglicht, wie er zu dessen Einbetten in die thermisch erweichbare Schicht 32 erforderlich ist.

Bei einer speziellen Ausführung steht der Speisekopf fest, und die Trägerunterlage 30 ist fest mit einem in seiner Ebene beweglichen Tisch 44 verbunden, dessen Bewegung durch eine automatisch programmierbare Einrichtung gesteuert werden kann. Bei- dieser Verfahrensweise können die Verbindungsdrähte 36 sehr nahe nebeneinander angebracht werden, und es lassen sich auch Überkreuzungen dieser Verbindungsdrähte erreichen, wobei sie an den Kreuzungspunkten durch thermische Erweichung ihrer Isolierhüllen an den entsprechenden Stellen miteinander verklebt werden können. Ein Beispiel für eine solche Kreuzungsstelle zwischen zwei Verbindungsdrähten ist in Fig. 6 veranschaulicht, wo ein Verbindungsdraht 36 über einen zuvor aufgebrachten Verbindungsdraht 46 hinwegläuft. Auf diese Weise läßt

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sich eine hohe Packungsdichte für die Verbindungen erreichen, ohne daß spezielle Vorkehrungen zur Vermeidung von Kurzschlüssen zwischen den einzelnen Verbindungsdrähten getroffen werden müssen.

Anstelle von Verbindungsdrähten mit thermisch erweichbarer Isolierhülle können auch Drähte verwendet werden, die mit einer Hülle überzogen sind, die sich durch Einwirkung eines geeigneten chemischen Bades in klebfähigem Zustand überführen läßt. Dabei' kann eine einzige klebfähige Schicht entweder an dem isolierten Draht oder an der Trägerunterlage für die feste Verbindungdazwischen vollkommen genügen.

Nach Aufbringen des isolierten Drahtes auf der Trägerunterlage 30 für die Erstellung der gewünschten Verbindungsschaltung und Verbinden dieses Drahtes mit den leitenden Kontaktstücken erhält man ein Verbindungssubstrat, das zur Aufnahme der verschiedenen elektronischen Mikrobausteine bereit ist, für die es gedacht ist. Zur Gewinnung der kompletten Hydridschaltung brauchen dann nur noch die Mikrobausteine selbst an den entsprechenden Stellen eingesetzt und die Verbindungen zwischen den Ausgangsanschlüssen dieser Mikrobausteine und den verschiedenen Kontaktstücken hergestellt zu werden. Das Ergebnis dieses Arbeitsganges ist für zwei Ausführungsvarianten in Fig. 7 und 8 veranschaulicht.

Fig. 7 zeigt einen Schnitt durch ein"Isoliergehäuse 2, das mit metallischen Kontaktstücken· 25 und 25' versehen ist. Dieses Tsoliergehäuse 2 ruht auf einer Trägerunterlage 30. Ein in das Isoliergehäuse 2 eingesetzter elektronischer Mikrobaustein 50 weist Ausgangsansehlüsse 52 und 5^ auf, die mit den entsprechenden Kontaktstücken 25 und 25' verlötet sind. Diese Lötverbindungen können mit Vorteil für alle Anschlüsse der Hybridschaltung gemeinsam und auf einmal hergestellt werden, wozu man sich einer Thermokompression oder Ultraschall usw. bedienen

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kann. Pig. 7 zeigt weiter Verbindungsdrähte 36 und 36', die in den Kontaktstücken 25 bzw. 25' verankert sind.

Das Isoliergehäuse 2 weist mit Vorteil die gleiche Höhe auf wie das Plättchen mit dem elektronischen Mikrobaustein 50, so daS die gesamte inaktive Oberfläche 56 dieses Plättchens in inniger Berührung mit ,der Trägerunterlage 30 steht. Beispielsweise durch Verlöten oder Verkleben kann auf diese Weise sowohl eine gute Abführung der im Verlaufe des Betriebes in dem Mikrobaustein 50 entwickelten Wärme und ein guter mechanischer Zusammenhalt, des Gebildes aus Mikrobaustein ^O und Trägerunterlage JO'erhalten werden. Sollte die mechanische Festigkeit ungenügend sein, so kann das Gesamtgebilde auf eine zweite starre Trägerunterlage .31 aufgesetzt werden, die aus Metall bestehen oder isolierend sein kann.

Eine nach der AusführungsVariante gemäß Fig. 4 erhältliche Hybridschaltung ist in Fig. 8 schematisch veranschaulicht. In der Darstellung in Fig. 8 sind Bauteile, die auch in Fig. 7 dargestellt sind, mit den gleichen Bezugszahlen wie dort bezeichnet, es gibt also wiederum eine Trägerunterlage J>ö_f ein Isoliergehäuse 2, einen elektronischen Mikrobaustein 50 und Verbindungsdrähte 36 und 36'. Die Kontaktstücke sind bei der Ausführungsvariante nach Fig. 8 als Finger 120 und 122 ausgebildet, die mit den entsprechenden Anschlüssen ]24 und 126 am Mikrobaustein 50 in Berührung stehen. Das Plättchen mit dem Mikrobaustein 50 muß bei dieser AusführungsVariante nach Entfernen der Trägerunterlage 30 in dem innerhalb des Isoliergehäuses 2 liegenden Bereich von unten her in das Isoliergehäuse 2 eingesetzt werden. Anschließend wird der Mikrobaustein 50 mit der inaktiven Oberfläche 56 seines Plättchens fest auf einer zweiten TrägerunterIa^e 3] befestigt, die bei starrer mechanischer Ausführung elektrisch leitend oder isolierend sein kann und eine gute Wärmeabfuhr und eine Versteifung der gesamten

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Hybridschaltung gewährleistet.

Das tfiit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens erhältliche und in Fig. 3, 4 und 7 dargestellte Verbindungssubstrat eignet sich ganz besonders für elektronische Mikrobausteine, deren Ausgangsanschlüsse zu der in der angelsächsischen Literatur mit den Begriffen "Beam-lead" oder "Mini-mod" bezeichneten Bauart gehören. Diese Techniken bestehen bekanntlich darin, daß die zur Verbindung dienenden Kontaktstücke des Trägerplättchens der elektronischen Mikrobausteine durch ausgangsseitige Mikrostifte aus Metall verlängert werden. Diese Mikrostifte können im Augenblick der Herstellung der integrierten Schaltung ("Beam-lead"-Technik) oder durch Anlöten von in einem Isolierkreis eingravierten metallischen taschen ("Mini-mod"-Technik) gewonnen werden=, Bei beiden Techniken wird dann das Plättchen mit dem Mikrobaustein mit der aktiven Seite nach oben in das Isoliergehäuse eingesetzt, so daß die Lage und der Zustand der Lötstellen in jedem Augenblick sichtbar bleibt.

Die in Fig. 1, 4 und 8 dargestellten Ausführungsvarianten der Erfindung eignen sich besser für elektronische Mlkrobausteine, deren Ausgangsanschlüsse zu der in der angelsächsischen Literatur mit dem Begriff "flip-chip" bezeichneten Bauart gehören. Diese Technik besteht bekanntlich darin, daß auf das Plättchen mit dem Mikrobaustein Verbindungsanschlüsse in Form von halbkugelförmigen Vorsprüngen aufgewachsen werden, wie sie beispielsweise in Fig. 8 für die Anschlüsse 124 und 126 dargestellt sind. In diesem Falle, der einem Verbindungssubstrat nach Fig. Ic entspricht, liegt das Plättchen mit dem Mikrobaustein naturgemäß verkehrt, so daß die als Anschlüsse -dienenden Vorsprünge mit den entsprechenden Kontaktstücken 62 in Berührung kommen.

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Angemerkt sei schließlich, daß die in Fig. 6, J und dargestellte Trägerunterlage ^O nicht notwendigerweise elektrisch isolierend sein muß, sondern daß die elektrische Isolierung auch durch den isolierten Draht gewährleistet werden kann. Es kann im Gegenteil sogar von Vorteil sein, die Trägerunterlage 30 aus elektrisch leitendem Material herzustellen ,und 'ihr dann die Aufgabe einer Mas se verbindung für die gesamte Schaltung zu übertragen, Eine metallische Ausführung der Trägerunterlage 30 bietet beispielsweise den zusätzlichen Vorteil, daß sie eine besonders wirksame Abführung der in den Mikrobausteihen entstehenden Wärme bewirken kann.

Die vorstehende Beschreibung zeigte daß das erfindungsgeraäß.e Verfahren zum Verbinden von elektronischen Mikrobausteinen zahlreiche Vorteile aufweist, von denen im folgenden nur die wichtigsten nochmals hervorgehoben werden sollen:

Einfachheit der benötigten Fertigungseinrichtungenj Möglichkeit zu leichter Abwandlung der Verbindungen; große zulässige Packungsdichte für die Verbindungen; unbegrenzte Anzahl von einander Überlagerbaren Schichten;

beliebige physikalische oder mechanische Diskontinuität zwischen zwei miteinander zu verbindenden Schaltungsstellen;

große Freiheit in der Wahl der Wege für die Verbindungsleitungen mit der Möglichkeit von deren gegenseitiger Berührung;

elektrische Überprüfbarkeit durch einfache Widerstandsmessung;

Programm!erbarkeit der Verbindungsausführung;

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Möglichkeit zum Einbau integrierter Schaltung¹/mit ihrer aktiven Seite nach oben und eines Aufklebens ihrer Basis auf die Trägerunterlage;

große Zuverlässigkeit auf der Höhe der Lötverbindungen.

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Claims

Patentansprüche

Ο - —

Mikrobausteinen, dadurch gekennzeichnet, daß auf einer Trägerunterlage an für die Anordnung der Anschlüsse der miteinander zu verbindenden Mikrobausteine passenden Stellen leitende Kontaktstücke befestigt und über eine Verbindungsschaltung aus auf die Trägerunterlage aufgebrachten isolierten Drähten miteinander verbunden werden, daß auf die Kontaktstücke Mikrobausteinplättchen mit ihren Anschlüssen aufgelegt werden und daß die Anschlüsse der Mikrobausteinplättchen mit den jeweiligen Kontaktstücken verlötet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung der Verbindungs schaltung in der V/eise vorgegangen wird, daß die leitenden Kontaktstücke an passenden Stellen auf der Trägerunterlage aufgebracht werden, die Verbindungsschaltung unter Aufteilung in Teilschaltungen, die sich durch einen ununterbrochenen Draht realisieren lassen, der unter Anbringen auf der Trägerunterlage und Hinwegführen über die Kontaktstücke abgewickelt wird, verkabelt wird, die verschiedenen Teilschaltungen einander zur Bildung der gesamten Verbindungsschaltung überlagert werden, der isolierte Draht auf der Höhe jedes der Kontaktstücke entisoliert wird, die freigelegten Drahtstücke mit den entsprechenden Kontaktstücken verlötet werden und die nicht zur endgültigen Verbindungsschaltung gehörigen Drahtabschnitte abgeschnitten werden.

j5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung der Verbindungsschaltung in der Weise vorgegangen wird, daß Isoliergehäuse mit zur Aufnahme jeweils eines der miteinander zu verbindenden Mikrobausteinplättchen geeigneten

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Abmessungen geformt, an ihrem Umfang mit Nuten versehen und auf die Trägerunterlage aufgesetzt werden, daß die Verbindungsschaltung unter Aufteilung in Teilschaltungen, die sich durch einen ununterbrochenen Draht realisieren lassen, der durch die Randnu..ten der I soli er gehäuse hindurchgelegt wird, verkabelt wird, daß die verschiedenen Teilschaltungen einander zur Bildung der gesamten Verbindungsschaltung überlagert werden, daß der isolierte Draht auf der Höhe jedes der Kontaktstücke entisoliert wird, daß die Kontaktstücke auf die Trägerunterlage durch eine elektrolytische Abscheidung aufgebracht werden, in deren Verlauf die ununterbrochenen Drähte Jeder Teilschaltung auf passenden Potentialen gehalten werden, und.daß die nicht zur endgültigen Verbindungsschaltung gehörigen Drahtabschnitte abgeschnitten werden. " .

4. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktstücke in den Nuten der Isoliergehäuse geschaffen werden, daß anschließend die zentralen Teile der Isoliergehäuse auf der Höhe der inneren Seitenwand® der Isoliergehäuse entfernt werden und daß die Mikrobausteinplättohen unter Einlegen von oben her in ihre jeweiligen Isoliergehäuse'eingesetzt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 3_B dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktstücke im Inneren der Isoliergehäuse geschaffen werden, daß anschließend die zentralen Teile der Isoliergehäuse unter Stehenlassen der von den Kontaktstücken gebildeten Pinger am Innenrand der Seitenwand© der Isoliergehäuse entfernt werden, daß in gleicher Weise der innerhalb der Isoliergehäuse liegende Teil der Trägerunterläge entfernt wird, daß die Mikrobausteinplättchen unter Einführen von unten her in ihre jeweiligen Isoliergehäuse eingesetzt werden und daß die Unterseiten der

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Mikrobausteinplättchen auf einer zweiten starren Trägerunterlage .befestigt werden.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5* dadurch gekennzeichnet, daß die zentralen Teile der 'Isoliergehäuse durch Stanzen entfernt werden.

7. Verfahren nach-Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsschaltung elektrisch dadurch geprüft wird,, daß alle Teil schaltungen auf Unterbrechuiigsfreiheit geprüft werden, solange sie noch aus einem ununterbrochenen Draht bestehen.

8. Verfahren nach Anspruch*1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung der Verbindungsschaltung ein Draht mit einer thermisch klebfähig zu machenden Isolierung verwendet wird, der durch einen feststehenden Speisekopf hindurch abgewickelt wird, der eine endseitig abgerundete und mit einem Heizorgan zum Aufheizen des Drahtes versehene Kapillare aufweist* während die isolierende Trägerunterlage fest mit einem in seiner Ebene beweglichen Tisch verbunden ist^, dessen Bewegung den Verlauf der Verbindungsschaltung bestimmt.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet _a daß die Bewegung des die isolierende Trägerunterlage tragenden Tisches durch eine automatische Programmsteuerung gesteuert wird«

10. Verbindungssubstrat zum Verbinden von Mikrobausteinen mit Herstellung gemäß dem Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Trägerunterlage aufweist, auf der leitende Kontaktstücke aufgebracht sind, die durch eine mittels isolierten Drahtes realisierte Verbindungsschaltung miteinander verbunden sind.

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11. Verbindungssubstrat nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß es auf einer Trägerunterlage angeordnete I'SOliergehäuse mit zur Aufnahme jeweils eines der miteinander zu verbindenden Mikrobausteinplättchen geeigneten Abmessungen und eine Verbindungsschaltung aufweist, die aus isolierten Drahtstücken besteht, die auf der Trägerunterlage haften und auf der Höhe der Isoliergehäuse mit leitenden Kontaktstücken verbunden sind.

12. Verbindungssubstrat nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierhüllen für die isolierten Drähte aus thermisch klebfähig zu machendem Material bestehen.

13· Verbindungssubstrat nach einem der Ansprüohe 3 0 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerunterlsge mit einem Überzug aus einem thermisch klebfähig zu machenden Material versehen ist.

14. Verbindungssubstrat nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerunterlage aus elektrisch isolierendem Material besteht.

15. Verbindungssubstrat nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerunterlage aus einem Polyimid besteht.

16. Verbindungssubstrat nach Anspruch Ik, dadurch gekennzeichnet, daß die Isoliergehäuse aus Keramik bestehen.

17. Verbindungssubstrat nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die leitenden Kontaktstüeke aus Kupfer bestehen.

ü8. Verbindungssubstrat nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der isolierte Draht eine Metallseele mit einem Durch-

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messer von einigen -ehn Mikrometern besitzt.

19· Hybridschaltung, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine riehr~ahl von durch ein Yercindungssubstrat nach einem der Ansprüche 10 bis l8 miteinander verbundenen elektronischen Mikrobausteirf" umfaßt.

20. Hybridschaltung nach Anspruch 19,'dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der Mikrobausteine eine integrierte Schaltung ist,

21. Hybridschaltung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die inaktive Basis des Plättchens mit der integrierten Schaltung mit der Trägerunterlage in Berührung steht.

22. Hynridsehaltung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlüsse der integrierten Schaltung vom Beamlead -Tyo sind.

23- Hybridschaltung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlüsse der integrierten S-haltung vom Mini-mod-Typ sind.

2-I-. Hybridschaltung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlüsse der integrierten Schaltung vom Flip-chip-Typ sind.

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