DE2329052A1 - Verfahren zur herstellung von schaltungsmoduln - Google Patents

Description

Böblingen, den 4. Juni 1973 bt-mi

Anmelderin: International Business Machines

Corporation, Armonk, N.Y. 10504

Amtliches Aktenzeichen: Neuanmeldung Aktenzeichen der Anmelderin: FI 971 090

Verfahren zur Herstellung von Schaltungsmoduln

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Moduln, insbesondere zur Aufnahme integrierter Halbleiterschaltungen. Solche Moduln, die zum Teil auch als Substrate bezeichnet werden, enthalten auf einem isolierenden Trägermaterial eine elektrische Schaltung, die oftmals so ausgelegt ist, daß sie aktive Elemente wie Transistoren, integrierte Halbleiterschaltungen usw. aufnehmen kann. Das vorliegende Verfahren ist geeignet zur Herstellung besonders kleiner Moduln derartiger Schaltungen sowie zur Einkapselung empfindlicher Halbleiterschaltungen.

Ein bekanntes Verfahren benützt aus einem Rahmen ausgestanzte Leitungsverbindungen, auf welchen eine integrierte Halbleiter-Vorrichtung angebracht und elektrisch mit ihnen verbunden wird. Mit der stetigen Verkleinerung der Abmessungen elektronischer Elemente zeigt dieses Verfahren

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Nachteile infolge der durch das mechanische Stanzen bedingten Toleranzen. Auch müssen die gestanzten Leitungsverbindungen eine gewisse Dicke aufweisen, um genügende mechanische Stabilität zu gewährleisten. Ein geätztes Leitungsmuster oder ein Muster, das durch Metallniederschlag aus der Dampfphase zustande kam, kann mit wesentlich kleineren Abmessungen hergestellt werden; die dazu benötigten Verfahren sind aber nicht wirtschaftlich. Zudem entstehen Nachteile, weil durch das Einbrinsen von Vergussmassen häufig Leitungsverbindungen verschoben und dabei unterbrochen werden.

Bei einem bekannten Herstellungsverfahren für Schaltungsmoduln werden Leitungsverbindungen aufgebracht, ausgeätzt und darauf mit Kunststoffmasse vergossen. Die Kunststoffmasse wird durch maschinelle Verarbeitung teilweise entfernt, so dass die Anschlussenden der Leitungen zum Vorschein kommen. Bedingt durch die Toleranzen des Vergiessens, Aetzens und der maschinellen Bearbeitungen ist auch dieses Verfahren auf die Herstellung von Moduln einer gewissen Grosse beschränkt.

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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Vereinfachung der Herstellung von Schaltungsmoduln insbesondere mit in Isolierstoff gelagerten Anschluß-Stiften. Dabei sollen Moduln hergestellt werden können, in die verschiedenste Halbleiterbauelemente mit verschiedenen Verfahren elektrisch verbunden werden können.

Diese Aufgabe wird gelöst von einem Verfahren zur Herstellung von Moduln (Substraten), insbesondere zur Aufnahme integrierter Halbleiterschaltungen, welche sich dadurch auszeichnen, daß auf einer Haltevorrichtung selektiv ein dünnschichtiges, metallisches Leitungsmuster so aufgebracht wird, daß zwischen Haltevorrichtung und Leitungsmuster eine erste Verbindung erzeugt wird, daß auf diesem Leitungsmuster zur Bildung des Moduls ein formbares Material so aufgebracht wird, daß zwischen Leitungsmuster und Material eine zweite, die erste an Festigkeit übertreffende Verbindung erzielt wird und daß die Haltevorrichtung entfernt wird, wobei das Leitungsmuster am Modul verbleibt.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung besteht darin, daß das formbare Material durch Einpressen eines fließfähigen Polymers in eine Preßform aufgebracht wird ,und weiter dadurch, daß zur Erzielung einer besseren Haftung des formbaren Materials auf dem Leitungsmuster die Preßform nach Einbringung des Polymers rasch abgekühlt wird.

Eine andere Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß in der Preßform ein Kühlelement so angeordnet ist, daß dieses nach dem Preßvorgang einen Bestandteil des Moduls bildet.

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Ausführungsbeispiele der Erfindung sollen nachfolgend anhand der Zeichnungen beschrieben werden. In den Zeichnungen ist dargestellt:

Fig. 1 die einzelnen Grundschritte des Verfahrens;

Fig. 2 ein Querschnitt durch eine Gußform für Schaltungsmoduln;

Fig. 3 ein Querschnitt durch ein fertiggestelltes Modul;

Fig. 4 eine Reihe von Verfahrensschritten für ein weiteres Ausführungsbeispiel;

Fig. 5 graphische Darstellung der Wirksamkeit von Kühlelementen.

Fig. 1 zeigt schematisch die Verfahrensschritte zur Herstellung eines vergossenen und mit Anschluß-Stiften versehenen Moduls, der eine integrierte Halbleiterschaltung enthält. Ausgegangen wird von einer Platte IO aus rostfreiem Stahl, die eine Anzahl von Löchern aufweist. Die Löcher sind so angebracht, daß sie der gewünschten Anordnung der Anschluß-Stifte, beispielsweise der eines "Dual-in-line"-Moduls entsprechen. Auf der Platte wird ein isolierender überzug 11 angebracht. Dazu eignen sich Materialien wie polymerisiertes Tetrafluoräthyien, Polyimide oder Silizium-Nitride. Das gewünschte Muster der elektrischen Verbindungen wird mittels geeigneter Maskier- und Ätzverfahren hergestellt. Anschluß-Stifte werden eingesetzt und mittels einer geeigneten nicht dargestellten Vorrichtung ausgerichtet. .

Im nun erreichten Zustand wird auf der Platte das Muster der metallischen Verbindungen dort niederaoschi igen, wo die Plat tr nic von der isolierenden i.clnchL 11, bedeckt :i:;t,

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weil durch das Maskierverfahren die Unterlage 10 freigelegt worden war. Dazu kann ein normales Bad zum Niederschlag von Kupfer verwendet werden, wie beispielsweise eine wässrige Lösung, die pro Liter 200 g CuSO. · 5Ii₂O, 50 g H₂SO₄, 0,1 ml HCl und 0,5 ml eines geeigneten Aufhellers enthält. Natürlich können andere Plattierungsbäder, z.B. solche zum Niederschlag von Nickel oder Silber etc., benützt werden. Es ist zu bemerken, dass der niedergeschlagene dünne Metallfilm 16 in unmittelbarem Kontakt mit dem oberen Teil des Anschluss-Stiftes 14 steht, wodurch eine gute elektrische und mechanische Verbindung zustande kommt.

Die Trägerplatte 10 wird als nächstes in eine Giessform eingesetzt, und ein geeignetes Polymer wird auf die Oberfläche des isolierenden Ueberzugs 11 aufgebracht, wodurch der Modulkörper 18 entsteht. Viele kommerziell erhältliche Materialien sind dafür geeignet. Beispielsweise Polymere mit epoxilierten Novolaken mit Novolakharz gehärtet, haben sowohl dielektrisch als auch ausdehnungsmässig brauchbare Eigenschaften. In einer Ausführung wird der Körper 18 mittels einer Injektionspresse hergesteWt, wozu das Polymer-Pulver

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tablettiert und dann für eine genügende Zeit aufgeheizt wird. Die Tablette wird in die Presse eingeführt und das Material mit geeigneter Geschwindigkeit in die Form gepresst. Anschliessend wird der Körper gekühlt. Um beste Stabilität und genügende Haftung des Polymers zu erreichen, kann eine weitere Wärmebehandlung vorteilhaft sein. Die rechte Zeichnung in Fig. 1 zeigt durchschnitten das der Presse entnommene Modul.

Es ist zu bemerken, dass zunächst die Unterseite 19 des Metallfilms 16 auf der Oberfläche der Trägerplatte 10 haftet Während des Pressens entsteht eine Haftung zwischen der oberen Oberfläche 20 des Metallfilms 16 und der unteren Fläche 21 des Polymerkörpers 18. Diese letztere Haftung ist wesentlich stärker als die erste, weshalb die dielektrische Schicht 11 und die Trägerplatte 10 beim Auswerfen des gepressten Moduls sich von diesem ohne weiteres ablösen, so dass der Anschluss-Stift 14 und das Muster der elektrischen Verbindungen 16 als Bestandteil des Moduls bestehen bleiben.

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Normale Polymer-Vergussmassen sind im allgemeinen so zusammengesetzt, dass sie leicht von der Oberfläche der Gussformen zu lösen sind. Metallstcaratc, Wachse und bisweilen reaktive organische Verbindungen werden den Polymeren zur Erreichung dieser Eigenschaften zugesetzt. Im vorliegenden Verfahren ist es aber notwendig, eine genügende Haftfestigkeit zwischen der Unterfläche 21, des Körpers 18 und der oberen Fläche 20 der metallisierten Leitungen 16 herzustellen. Dazu wird ein Haftungsmittel beispielsweise eine hydrolisierte Organo-Silan Mischung auf die Oberfläche der metallischen Leitungen 16 aufgebracht. Im vorliegenden wurde mit gutem Erfolg eine Mischung von 1 g Aminoethyl-Aminopropyltrimethoxy—Si lan, 20 g Isopropyl Alkohol und 80 g ILO in einstündiger Hydrolyse zur Wirkung gebracht.

Fig. 2 zeigt eine Ausführung des Verfahrens, nach welcher ein Modul hergestellt wird, der mit einem Kühlelement für eine Halbleitervorrichtung ausgerüstet ist. Das Modul soll einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, der eine direkte Lötverbindung mittels Anschlusskugeln eines

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Halbleiterelcmentes zulässt. Dazu werden cine obere Form 26 sowie eine untere Form 2 7 benützt, wobei die letztere die Trägerplatte 28 aufnimmt. In den in Verbindung mit Fig. 1 beschriebenen Schritten werden Anschluss-Stifte 30 und 32 eingesetzt und ein metallisches Leitungsmuster 34 auf der Platte 10 erzeugt. Wie beschrieben, wird das Leitungsmuster überall dort niedergeschlagen, wo die Platte 28 nicht von der isolierenden Schicht 36 bedeckt ist.

Eine direkte Lötverbindung zwischen metallischem Lot und den Anschlussleitungen einer SiIizium-Halblcitervorrichtun« hat einen Ausdehnungskoeffizienten von etwa 2,4 · 10 /⁰C. Ein für die Modul-Herstellung geeignetes Polymer dagegen hat einen Ausdehnungskoeffizienten zwischen 20 und 30 · 10 / ⁰C. Es entsteht daher eine thermische Fehlanpassung, die die Ursache zum Versagen der Leitungsverbindungen infolge wiederholter Erwärmung und Abkühlung sein kann. Das Problem kann dadurch gelöst werden, dass ein Kühlelement mit geringem Ausdehnungskoeffizienten einen Teil des Moduls bildet. Im vorliegenden Beispiel wird eine metallische "NI 36"-Legierung verwendet, die einen Ausdehnungskoeffizienten von

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1,7 · 10 /⁰C aufweist. Durch die Zusanmcnwirkung dieses Kühlelementes 40 mit geringem Expansionskoef f i zienten mit dem Polymer, das einen höheren Expansionskoeffizienten aufweist, entsteht eine Anschlussflache für die Lötverbindungen, die selbst einen wesentlich geringeren Koeffizienten aufweist als das Polymer allein. Die tatsächliche Kärmeausdchnung der Vorrichtung ist für zwei geringfügig verschiedene Polymere dargestellt in Fig. 5. Die Dicke der Polymerschicht ist entlang der Abszisse aufgetragen. Sie entspricht dem Abstand zwischen der unteren Fläche des Kühlelementes 40 und der oberen Fläche der Verbindungsleitungsebenc 34, der in Fig. 2 mit Z bezeichnet ist. Es ist klar, dass durch richtige Bemessung des Kühlelementes 40, des Abstandes Z und der Lötverbindungen die Ausdehnungskoeffizienten gegenseitig angepasst werden können. Fig. 5 stellt für zwei leicht verschiedene Polymere die zu verschiedenen Schichtdicken Z passenden Ausdehnungskoeffizienten an den Verbindungsstellen des Halbleiterelementes, d.h. an den Anschlüssen des Chips, dar.

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Vox· dem Vergiessen mit dein erwärmten Polymer-Material wird das Kühlelemcnt 40 in vorgegebenem Abstand Z über der Oberfläche der metallischen Verbindungsleitungen 34 in der Form angeordnet. Dazu dient die Schraube 42, die das Kühlelement am Oberteil 26 der Form festhalt. Nachdem die Form geschlossen ist, wird das fliessfahigc Polymer durch die Oeffnung 46 eingepresst, wodurch der Modul-Körper 50 entsteht.

Fig. 3 zeigt ein fertiggestelltes und mit Halbleitervorrichtungen bestücktes Modul, wobei auch die Halbleitervorrichtungen eingekapselt sind. IVie schon erwähnt, können dazu verschiedene Anschluss- und Verbindungsverfahren benützt werden. Eine Halbleitervorrichtung ist in Form des Chips 52 dargestellt, der mittels der Lötkugeln 56 und 58 mit den metallischen Verbindungsleitungen 34 verbunden ist. Viele brauchbare Verfahren sind bekannt zur Herstellung der Abdeckung 60. Beispielsweise kann diese in einer weiteren Vergussoperation oder aber durch Verkleben einer passenden Abdeckplatte, die eine Aussparung 62 für das Halbleiterchip 52 aufweist, aufgebracht werden.

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Fig. 4C stellt schliesslich eine weitere Ausführungsform des Verfahrens dar. Hier wird ein llalbleiterchip während der Herstellung des Moduls eingebaut. IVie zuvor beschrieben, wird eine Trägerplatte aus Stahl 70 verwendet, auf die eine isolierende Schicht 72 aufgebracht wird. Oeffnungen 74 und 76 dienen zur Aufnahme der Anschluss-Stifte. Mittels geeigneter Maskier- und Aetzvcrfahrcn wird das Anschlussleitungsmustcr 80 festgelegt. Abweichend von der zuvor beschriebenen Ausführung werden jetzt ein oder mehrere Halbleiterchips 82 mit den Anschlussleitungen verbunden. Nach der Darstellung geschieht dies wieder durch die bekannten Lötkugeln 84 und 86, es können aber auch andere Anschlussvcrfahrcn verwendet werden. Schliesslich wird der Modul-Körper 90 durch Vergiessen einer Pressmasse hergestellt, wie dies schon zuvor beschrieben wurde. Die Trägerplatte 70 wird abgelöst, und das Modul ist fertiggestellt, wie in der letzten Zeichnung der Fig. 4 gezeigt ist.

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PATENTAK S P RUCH

1./Verfahren zur Herstellung von Moduln (Sub.-traten) ,insbesondorc zur /aufnahme integrierter Halblei terschaltungen, dadurch gekennzeichnet ,

daß auf einer Haltevorrichtung (Trägerplatte 10) selektiv ein dünnschichtiges, metallisiertes Leitungslauster (16) so aufgebracht wird, daß zwischen Haltevorrichtung (Trägerplatte 10) und Leitungsmuster (16) eine erste Verbindung erzeugt wird, daß auf diesem Leitungsmuster (16) zur Bildung des Moduls (Substrats) ein formbares Material (18) so aufgebracht wird, daß zwischen Leitungsmuster (16) und Material (18) eine zweite, die erste an Festigkeit übertreffende Verbindung erzielt wird und

daß die Haltevorrichtung (Trägerplatte 10) entfernt wird, wobei das Leitungsmuster (16) am Modul (Substrat) verbleibt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf oder in der Haltevorrichtung (Trägerplatte 10) Kontaktelemente (14) vorgesehen sind, mit welchen das Leitungsmuster (16) elektrisch und mechanisch verbunden wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung einer größeren Haftung zwischen Leitungsmuster (16) und formbarem Material (18) ein Haftmittel auf das Leitungsmuster (16) aufgebracht wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das

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formbare Material (18) durch Einpressen eines fließfähigen Polymers in eine Preßform aufgebracht wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung einer besseren Haftung des formbaren Materials (18) auf dem Leitungsmuster (16) die Preßform nach Einbringung des Polymers rasch abgekühlt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in der Preßform ein Kühlelement (40) so angeordnet ist, daß dieses nach dem Preßvorgang einen Bestandteil des Moduls (Substrats) bildet.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zwischen dem Kühlelement (40) und der anzubringenden Halbleiterschaltung verbleibende Polymerschicht eine Dicke (Z in Fig. 2) aufweist, die eine vorbestimmte Wärmeausdehnung, gegeben durch die Wärmeausdehnungskoeffizienten des Kühlelementes, des Polymers und durch die Schichtdicke an der Anschlußfläche für die Halbleiterschaltung sicherstellt.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Aufbringung des formbaren Materials (18) auf dem Leitungsmuster (16) eine Halbleiterschaltung (82) angebracht wird.

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9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Leitungsinuster (16) mindestens eine integrierte Halbleiterschaltung (52) angebracht wird und

daß Leitungsmuster (16) und Halbleiterschaltung (52) mit einora elektrisch isolierenden Material (60) abgedeckt v/erden.

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L e e r s e i t e