DE2329052C3 - Verfahren zur Herstellung von Schaltungsmoduln - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren für Moduln zur Aufnahme integrierter Halble.terschaltungen bei dem auf eine metallische Trägerplatte d,e ein das aufzubringende Leitermaterial nicht annehmendes Negativ des herzustellenden Le.tungsmusters tragt ein Leitermaterial aufgebracht wird, das entstandene Leitungsmuster mit einem Substratmater.al verbunden und von der Trägerplatte abgenommen wird. Das Verfahren ist eeeignet zur Herstellung besonders kleiner Moduln mit derartigen Schaltungen sowie zur Einkapselung empfindlicher Halbleiterschaltungen.

Bekannte Herstellungsverfahren iur 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.

E^;n di-rch 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 Leitungsverhmdungen 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 werden.

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-Line 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 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 Isoliermaterial 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,

F i g. 4 in einer Reihe von Querschnittsdarstellungen Verfahrensschritte für ein weiteres Ausführungsbeispiel und

F i g. 5 eine graphische Darstellung des von itühlelementen 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 Überzug 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 dit 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 i0 beim Auswerfen des gepreßten Modulkörpers sich von

diesem ohne weiteres ablösen, so daß die Anschlußstifte 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 16 herzustellen. Dazu wird ein Haftmittel, beispielsweise eine hydrolysierte Organo-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 lsopropyl-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 in 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/°C. Ein für die Modul-Herstellung geeignetes Polymer dagegen hat einen Ausdehnungskoeffizienten zwischen 20 und 30 · 10-⁶/°C. Es entsteht daher eine thermische Fehlanpassung, welche 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 · 10-⁶/°C aufweist. Durch das Zusammenwirken des Kühlelementes 40 mit geringem Ausdehnungskoeffizienten 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 Moduls sind in Fig.5 für zwei geringfügigiverschiedene Polymere dargesteUt. 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 34, die in Fi g. 2 mit Z bezeichnet ist. Durch geeignete Bemessung des Kühlelementes 40, des Abistandes Z und der Wahl der Lötverbindungen können die Ausdehnungskoeffizienten gegenseitig angepaßt werden.

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 aim 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 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 Lötkügelchen 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 Halbleiterchip 52 aufweist, aufgebracht werden.

Eine weitere Ausführungsform des Verfahrens 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. Schließlich wird ein Modulkörper 90 durch Gießen hergestellt, wie dies schon zuvor beschrieben wurde. Die Trägerplatte 70 wird abgelöst, und der Modul ist fertiggestellt, wie in der letzten Zeichnung der F i g. 4 dargestellt ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (10)

Patentansprüche:

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 AnschlußeJemente (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 (2b) 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 Substratmateria! (18,50,90) aufgebracht wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Aufbringen des Substratmaterials (50) ein Kühlelement (40) in das Modul integriert wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlelement (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 Leitungsrnusters (80) angebracht und von dem Substratmaterial (90) mit umschlossen wird.

9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die integrierte Halbleiterschaltung (52) auf dem Leitungsmuster (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.

ti. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1,8 oder 9, dadurch gekennzeichnet daß LehSngsmuster (16, 34. 80) und/oder integrierte Halbleiterschaltung (52) m.t e.nem Isoliermaterial (60) abgedeckt werden.