DE2329052B2 - Verfahren zur herstellung von schaltungsmoduln - Google Patents
Verfahren zur herstellung von schaltungsmodulnInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren für Moduln zur Aufnahme integrierter Halbleiterschaltungen, bei dem auf eine metallische Trägerplatte, die ein
das aufzubringende Leitermaterial nicht annehmendes Negativ des herzustellenden Leitungsmusters trägt, ein
Leitermaterial aufgebracht wird, das entstandene Leitungsmuster mit einem Substratmaterial verbunden
und von der Trägerplatte abgenommen wird. Das Verfahren ist geeignet zur Herstellung besonders
kleiner Moduln mit derartigen Schaltungen sowie zur Einkapselung empfindlicher Halbleiterschaltungea
Bekannte Herstellungsverfahren für Schaltmoduln sind kostspielig und schwierig durchzuführen, besonders
dann, wenn die Abmessungen immer mehr verkleinert und die stromführenden Leitungen immer mehr
verfeinert werden sollen. Auch ist. bedingt durch den
Aufbau des Moduls, die Anzahl der Schaltungen, die mit
dem Modul verbunden werden können, begrenzt
Ein durch die Zeitschrift »Electronics«, 16. September
1968, Seiten 58 u. 60, bekanntes Verfahren mit der Bezeichnung »Spider Approach« benutzt aus einem
Rahmen ausgestanzte Leitungsverbindungen, auf welche eine integrierte Halbleiterschaltung aufgebracht
und elektrisch mit ihnen verbunden wird Mit der stetigen Verkleinerung der Abmessungen elektronischer Elemente zeigt dieses Verfahren jedoch Nachteile
infolge der durch das mechanische Stanzen bedingten Toleranzen. Auch müssen die gestanzten Leitungsverbindurgen eine gewisse Dicke aufweisen, um genügende
mechanische Stabilität zu gewährleisten. Zwar können durch ein Ätzverfahren oder durch Aufdampfen
hergestellte Leitungsmuster mit wesentlich kleineren Abmessungen hergestellt werden, die dazu benötigten
Verfahren sind jedoch nicht wirtschaftlich. Schwierigkeiten entstehen weiterhin dadurch, daß beim Einbringen von Vergußmassen häufig Leitungsverbindungen
verschoben und unterbrochen werdea
Bei einem anderen bekannten Herstellungsverfahren für Schaltungsmoduln, das in der Zeitschrift »Solid State
Technology«, August 1968, Seiten 37 bis 42 unter dem
Titel »Manufacturing the Plastic Dual in-LJne Integrated Circuit« beschrieben ist, 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, des Ätzens und der maschinellen Bearbeitung ist auch dieses
Verfahren auf die Herstellung von Moduln einer gewissen Größe beschränkt
Bei einem weiteren, durch die DT-AS 11 01 550
bekannten Verfahren wird auf eine metallische Trägerplatte ein Negativ des gewünschten Stromkreisverlaufs
in Form eines fest haftenden, filmartigen Überzugs aufgebracht, aus einem Material, welches das Leitermaterial nicht annimmt Danch wird an den freigelegten
Stellen galvanisch das Leitermaterial ohne feste Bindung aufgetragen. Anschließend wird das aufgebrachte Stromkreismuster mit einem Träger aus
Isolierstoff verklebt Die auf diese Weise hergestellte.
gedruckte Schaltungsplatte weist jedoch keine mit den Leiterzügen verbundenen Anschluß-Stifte auf. Auch
sind mit den Leiterzügen keine, in das Isoliermateria! eingebettete Schaltungsplättchen verbunden.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein vereinfachtes Verfahren zur Herstellung von Schaltungsmoduln mit in
Isolierstoff gelagerten Anschluß-Stiften anzugeben. Die Moduln, die mit diesem Verfahren hergestellt werden,
sollen auch integrierte Schaltungen aufnehmen, die mit verschiedenen Verfahren mit den Leiterzügen elektrisch
verbunden werden können.
Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst,
daß auf oder an der Trägerplatte vor dem Aufbringen des Leitermaterials metallische Anschlußelemente angebracht
werden, daß daraufhin das Leitermaterial auch zumindest auf Teilen der Anschlußelemente aufgebracht
wird, daß das entstandene Leitungsmuster und die Anschlußelemente mit -einem Substratmaterial
verbunden und von der Trägerplatte abgenommen werden.
Ein vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens besteht darin, daß als Substratmaterial ein fließfähiger
Kunststoff, insbesondere ein Polymer, verwendet wird, der in eine Form eingepreßt wird, und daß die Form
nach dem Einbringen des Substratmaterials rasch abgekühlt wird. Eine weitere vorteilhafte Ausbildung
des Verfahrens besteht darin, daß auf das hergestellte Leitungsmuster ein Haftmittel aufgetragen und erst
danach das Subtratmaterial aufgebracht wird.
Zum Ausgleich der verschiedenen thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Substratmaterials und
der integrierten Halbleiterschaltungen ist es bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorteilhaft, daß beim
Aufbringen des Substratmaterials ein Kühlelement in das Modul integriert wird. Dabei ist es vorteilhaft, daß
das Kühlelement derart in der Form gehalten wird, daß es vom eingebrachten Substratmaterial zumindest
teilweise umschlossen wird.
Eine weitere vorteilhafte Ausbildung des Verfahrens besteht darin, daß das Leitungsmuster mit Anschlußstellen
versehen wird, an die mindestens eine integrierte Halbleiterschaltung angeschlossen wird. Vorteilhaft ist
es dabei, daß die integrierte Halbleiterschaltung auf der der Trägerplatte abgewandten Seite des Leitungsmusters
angebracht und von dem Substratmaterial mit umschlossen wird. Dabei wird die integrierte Halbleiterschaltung
auf dem Leitungsmuster nach dessen Ablösung von der Trägerplatte auf der der letzteren
zugewandten Seite befestigt.
Vorteilhaft ist es ferner, daß die Schichtdicke des zwischen dem Kühlelement und der Halbleiterschaltung
verbleibenden Substratmaterials so bemessen wird, daß eine vorgebbare Wärmeausdehnung des Leitungsmusters
in der Umgebung der Halbleiterschaltung, insbesondere die der Halbleiterschaltung selbst, erzielt
wird. Das Leitungsmuster und/oder die integrierte Halbleiterschaltung werden dabei mit einem Isoliermaterial
abgedeckt
Die Erfindung wird anhand von durch die Zeichnungen erläuterten Ausführungsbeispielen beschrieben. Es
zeigen:
Fig. 1 eine schaubildliche Darstellung zur Erläuterung der wesentlichen Verfahrensschritte,
F i g. 2 im Querschnitt, eine Gußform zur Herstellung eines Moduls,
F i g. 3 ein fertiggestellter Modul, im Querschnitt,
Fig.4 in einer Reihe von Querschnittsdarstellungen
Verfahrensschritte für ein weiteres Ausführungsbeispiel und
F i g. 5 eine graphische Darstellung des von Kühlelementen beeinflußten thermischen Ausdehnungskoeffizienten
in Abhängigkeit von der Dicke der polymeren Schicht
F i g. 1 zeigt schematisch die Verfahrensschritte zur Herstellung eines vergossenen und mit Anschlußstiften
versehenen Moduls zur Aufnahme einer integrierten Schaltung. Ausgegangen wird von einer Trägerplatte 10
aus rostfreiem Stahl, die eine Anzahl von Öffnungen aufweist Die Öffnungen sind so angebracht, daß sie der
gewünschten Anordnung der Anschlußstifte, beispielsweise der eines »Dual in-Line«-Moduls entsprechen.
Auf der Platte wird ein isolierender Oberzug 11 aufgebracht Dazu eignen sich Materialien wie polymerisiertes
Tetrafluoräthylen, Polyimide oder Silicium-Nitride. Sodann wird das gewünschte Muster der
elektrischen Verbindungen mittels geeigneter Maskierungs- und Ätzverfahren hergestellt Dann werden die
Anschlußstifte, von denen einer mit 14 bezeichnet ist mittels einer (nicht dargestellten) Vorrichtung eingesetzt
und ausgerichtet.
Nun werden auf der Trägerplatte 10 in einem Plattierungsbad die metallischen Verbindungen 16 an
den Stellen niedergeschlagen, an denen die Trägerplatte 10 durch das Maskierungs- und Ätzverfahren nicht mit
der isolierenden Schicht 11 bedeckt ist. Dazu kann ein standardisiertes Bad zum Niederschlagen von Kupfer
verwendet werden, wie beispielsweise eine wäßrige Lösung, die pro Liter 200 g CuSO4, 5H2O, 50 g H2SO4,
0,1 ml CHl und 0,5 ml eines geeigneten Aufhellers enthält. Es können auch andere Plattierungsbäder, z. B.
solche zum Niederschlagen von Nickel oder Silber usw., benutzt werden. Es ist zu bemerken, daß die in Form
eines dünnen Metallfilms niedergeschlagenen Verbindungen 16 in unmittelbarem Kontakt mit dem oberen
Teil der Anschlußstifte 14 stehen und mit diesen gute elektrische und mechanische Verbindungen bilden.
Die Trägerplatte 10 wird als nächstes in eine Gießform eingesetzt, und ein geeignetes Polymer wird
auf die Oberfläche des isolierenden Überzuges 11 aufgebracht, wodurch ein Modulkörper 18 entsteht.
Dafür sind viele handelsübliche Materialien geeignet. Beispielsweise haben Polymere, die epoxilierte Novolake
enthalten und mit Novolakharz gehärtet sind, sowohl dielektrisch als auch ausdehnungsmäßig brauchbare
Eigenschaften. In einer Ausführungsform wird der Modulkörper 18 mittels einer Injektionspresse hergestellt.
Hierbei wird das Polymer-Pulver tablettiert und dann für eine genügende Zeit aufgeheizt. Nach dem
Einführen der Tablette in die Presse wird das Material mit geeigneter Geschwindigkeit in die Form gepreßt.
Nach dem Ausstoßen aus der Form wird der Modulkörper gekühlt. Um beste Stabilität und genügende
Haftung des Polymers zu erreichen, kann eine weitere Wärmebehandlung vorteilhaft sein. Die rechte
Zeichnung in F i g. 1 soll das Ausstoßen des Modulkörpers aus der Presse veranschaulichen.
Es ist zu bemerken, daß zunächst die Unterseite 19 der metallischen Verbindung 16 auf der Oberfläche der
Trägerplatte 10 haftet. Während des Pressens entsteht eine Haftung zwischen der oberen Oberfläche der
Verbindung 16 und der unteren Fläche 21 des aus dem Polymer bestehenden Modulkörpers 18. Diese letztere
Haftung ist wesentlich stärker als die erste, weshalb der isolierende Überzug 11 und die Trägerplatte 10 beim
Auswerfen des gepreßten Modulkörpers sich von
diesem ohne weiteres ablösen, so daß die AnschluDstifte 14 und die Verbindungen 16 als Bestandteil des
Modulkörpers 18 bestehen bleiben.
Normale Polymer-Vergußmassen sind im allgemeinen so zusammengesetzt, daß sie leicht von der
Oberfläche der Gußform zu lösen sind. Metallstearate, 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 unteren Oberfläche 21 des Modulkörpers 18 und der oberen Oberfläche 20 der Leitungen 15
herzustellen. Dazu wird ein Haftmittel, beispielsweise eine hydrolysierte Orgaao-Silan-Mischung auf die
Oberfläche 20 der metallischen Leitungen 16 aufgebracht Das in diesem Ausführungsbeispiel verwendete
Haftungsmittel bestand aus einer Mischung von 1 g Aminoäthyl-Aminopropyltrimethoxy-Silan, 20 g Isopropyl-Alkohol, 80 g H2O und einstündiger Hydrolyse.
Fig.2 zeigt eine Ausführung des Verfahrens, nach
welcher ein Modul hergestellt wird, der mit einem Kühlelement für eine Halbleitervorrichtung ausgerüstet
ist Der Modul soll einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, der eine direkte Lötverbindung
der Anschlußstifte mit einer integrierten Schaltung ermöglicht in einer Löttechnik, bei der Lötzinnkügelchen der integrierten Schaltung wieder verflüssigt
werden. Dazu werden eine obere Form 26 und eine untere Form 27 benutzt wobei die letztere eine
Trägerplatte 28 aufnimmt In den L Verbindung mit F i g. 1 beschriebenen Schritten werden Anschlußstifte
30 und 32 eingesetzt und ein Muster metallischer Verbindungen 34 auf der Trägerplatte erzeugt Wie
beschrieben, werden die Verbindungen überall dort niedergeschlagen, wo die Trägerplatte 28 nicht von
einer isolierenden Schicht 36 bedeckt ist
Eine typische, durch Wiederschmelzen hergestellte Lötverbindung zwischen metallischem Lot und den
Anschlußleitungen eines Silicium-Halbleiterplättchens hat einen Ausdehnungskoeffizienten von etwa
2,4 · 10-6/cC Ein für die Modul-Herstellung geeignejes
Polymer dagegen hat einen Ausdehnungskoeffizienten zwischen 20 und 30 · 10-6/°C Es entsteht daher eine
thermische Fehlanpassung, weiche die Ursache zum Versagen der Leitungsverbindungen infolge wiederholter Erwärmung und Abkühlung sein kann. Das Problem
kann dadurch gelöst werden, daß ein Kühlelement 40 mit geringem Ausdehnungskoeffizienten einen Teil des
Modulkörpers bildet im vorliegenden Beispiel wurde eine Nickellegierung mit 36% Nickel verwendet, die
einen Ausdehnungskoeffizienten von 1,7 · 10-6Z0C
aufweist. Durch das Zusammenwirken des Kühlelementes 40 mit geringem Aasdehnungskoeffizienten mit dem
Polymer, das einen höheren Ausdehnungskoeffizienten
aufweist, entsteht eine Anschlußfläche für die Lötverbindungen, die einen wesentlich geringeren Ausdehnungskoeffizienten aufweist als das Polymer allein. Die
tatsächlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten des Mo-
S duls sind in F i g. 5 für zwei geringfügig verschiedene
Polymere dargestellt Die Dicke der polymeren Schicht ist entlang der Abszisse aufgetragen. Sie entspricht dem
Abstand zwischen der unteren Fläche des Kühlelements 40 und der oberen Fläche der Ebene der Verbindungen
to 34, die in F i g. 2 mit Z bezeichnet ist Durch geeignete
Bemessung des Kühlelementes 40, des Abstandes Zund der Wahl der Lötverbindungen können die
Ausdehnungskoeffizienten gegenseitig angepaßt werden.
IS Vor dem Vergießen mit dem erwärmten polymeren
Material wird das Kühlelement 40 in vorgegebenem Abstand Z über die Oberfläche der metallischen
Verbindungen 34 in der Form angeordnet Dazu dient eine Schraube 42. die das Kühlelement am Oberteil 26
der Form festhält Nachdem die Form geschlossen ist wird das fließfähige Polymer durch eine öffnung 46
eingepreßt, wodurch ein Modulkörper 50 entsteht
F i g. 3 zeigt einen fertiggestellten und mit integrierten Schaltungen bestückten Modul wobei auch die
2s integrierten Schaltungen eingekapselt sind. Wie schon
erwähnt können dazu verschiedene Anschluß- und Verbindungsverfahren benutzt werden. Eine integrierte
Schaltung ist in Form eines Chips 52 dargestellt das mittels Lötkugelchen 56 und 58 mit den metallischen
Verbindungen 34 verbunden ist Zur Herstellung einer Abdeckung 60 sind viele brauchbare Verfahren bekannt
Diese kann beispielsweise in einer weiteren Vergußoperation oder aber durch Verkleben einer passenden
Abdeckplatte, die eine Aussparung 62 für das Halblei
terchip 52 aufweist aufgebracht werden.
Eine weitere Ausführungsform des Verfah«-ens ist in
F i g. 4 dargestellt Hier wird ein Halbleiterchip während der Herstellung des Moduls eingebaut Wie zuvor
beschrieben, wird eine Trägerplatte 70 aus Stahl
verwendet auf die eine isolierende Schicht 72
aufgebracht wird. Öffnungen 74 und 76 dienen zur Aufnahme der Anschlußstifte. Mittels geeigneter Maskierungs- und Ätzverfahren wird das Muster der
Anschlußleitungen 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 bekannte Lötkügelchen 84 und 86. Es können auch andere Anschlußverfahren verwendet werden
so Schließlich wird ein Modulkörper 90 durch Gießer
hergestellt wie dies schon zuvor beschrieben wurde. Dk
Trägerplatte 70 wird abgelöst, and der Modul ist fertiggestellt wie in der letzten Zeichnung der Fig.4
dargestellt ist
Claims (11)
1. Herstellungsverfahren für Moduln zur Aufnahme integrierter Halbleiterschaltungen, bei dem auf
eine metallische Trägerplatte, die ein das aufzubringende Leitermaterial nicht annehmendes Negativ
des herzustellenden Leitungsmusters trägt, ein Leitermaterial aufgebracht wird, das entstandene
Leitungsmuster mit einem Substratmaterial verbunden und von der Trägerplatte abgenommen wird,
dadurch gekennzeichnet, daß auf oder an der Trägerplatte (10,28,70) vor dem Aufbringen des
Leitermaterials metallische Anschlußelemente (14, 30, 32) angebracht werden, daß daraufhin das
Leitermaterial auch zumindest auf Teilen der Anschlußefemente (14,30,32) aufgebracht wird, daß
das entstandene Leitungsmuster (16,34,80) und die Anschlußelemente (14, 30, 32) mit einem Substratmaterial (18, 50, 90) verbunden und von der
Trägerplatte (10,28,70) abgenommen werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Substratmaterial (18, 50, 90) ein
fließfähiger Kunststoff, insbesondere ein Polymer, verwendet wird, der in eine Form (26) eingepreßt
wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2. dadurch gekennzeichnet, daß die Form (26) nach dem Einbringen des
Substratmaterials (18,50,90) rasch abgekühlt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf das hergestellte Leitungsmuster
(16, 34, 80) ein Haftmittel aufgetragen und erst danach das Substratmaterial (18,50,90) aufgebracht
wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß beim Aufbringen des Substratmaterials
(50) ein Kühlelement (40) in da» Modul integriert wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet daß das Kühielement (40) derart in der
Form (26) gehalten wird, daß es vom eingebrachten Substratmaterial (50) zumindest teilweise umschlossen wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß das Leitungsmuster (34, 80) mit
Anschlußstellen versehen wird, an die mindestens eine integrierte Halbleiterschaltung (52, 82) angeschlossen wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7. dadurch gekennzeichnet daß die integrierte Halbleiterschaltung (82)
auf der der Trägerplatte (70) abgewandten Seite des Leitungsmusters (80) angebracht und von dem
Substratmaterial (90) mit umschlossen wird.
9. Verfahren nach Anspruch 7. dadurch gekennzeichnet daß die integrierte Halbleiterschaltung (52) 5s
auf dem Leitungsmustor (36) nach dessen Ablösung von der Trägerplatte (28) auf der der letzteren
zugewandten Seite befestigt wird.
10. Verfahren nach den Ansprüchen 6 und 9, dadurch gekennzeichnet daß die Schichtdicke (Z in
F i g. 2) des zwischen dem Kühlelement (40) und der Halbleiterschaltung (52) verbleibenden Substratmaterials (50) so bemessen wird, daß eine vorgebbare
Wärmeausdehnung des Leitungsmusters (34) in der Umgebung der Halbleiterschaltung (52), insbesondere die der Halbleiterschaltung (52) selbst erzielt
wird.
11. Verfahren nach mindestens einem der
Anspräche 1,8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß
Leitungsmuster (16, 34, 80) und/oder integrierte Halbleiterschaltung (52) mit einem Isoliermaterial
(60) abgedeckt werden.
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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IT981607B (it) | 1974-10-10 |
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Legal Events
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C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) | ||
E77 | Valid patent as to the heymanns-index 1977 | ||
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