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Halbleiter-Halterung und Verfahren zur Herstellung derselben.
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Die Erfindung betrifft das Gebiet der Halbleiter-Bauelemente, insbesondere
die sogenannten Mehrfachleiter-Kunst stoff-Pl achpacks für integrierte Schaltungen
u.dgl.
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In den letzten Jahren sind integrierte Schaltungen von zunehmender
Komplexität in großen Mengen käuflich erhältlich geworden, wobei die Kosten solcher
Schaltungen in Form des ungehalterten Chip niedriger und niedriger wurden. Die Fortschritte
der Technologie haben einerseits zur Erhöhung der Komplexität des Sialtungsaufbaus
und zur Verminderung der Kosten solcher Bauelemente geführt, jedoch werden die Kosten
auch von der Tatsache beeinflusst, daß viele solcher integrierten Schaltungen gleichzeitig
auf einem einzigen Halbleiterscheibchen hergestellt werden, auf dem sie vor dem
Zerschneiden des Scheibchens in einzelne integrierte Schaltungen getestet werden
können. Eine einzige Reihe von Verfahrensschritten führt also zur gleichzeitigen
Herstellung einer Vielzahl von integrierten Schaltungen auf einem einzigen Halbleiterscheibchen.
Das Testen der Schaltungen vor dem Zerschneiden ermöglicht es, daß eine Vielzahl
von Bauelementen durch eine einzige Übertragung des Halbleiterscheibchens untere
sucht wird,
Die Kontage von Halbleiter-Bauelementen in Halterungen
erfordert dann die Handhabung und Bearbeitung der einzelnen integrierten Schaltungen
nach deren Zerschneiden. Jede Schaltung muß daher einzeln gehandhabt werden, wobei
sie relativ zur Halterung genau ausgerichtet und die erforderlichen Anschlüsse und
Verbindungen zwischen dem Schaltungs-Chip und den Leitern der Halterung hergestellt
werden müssen. Außerdem muß die Halterung gegen Eindringen von Feuchtigkeit und
anderen Verunreinigun#gen in hinreichender Weise abgedichtet werden. Daher ist es
durchaus üblich, daß die Kosten einer solchen Halterung in der Größenordnung der
Kosten des zu halternden Halbleiter-Bauelements selbst liegen, wobei sie in vielen
Fällen sogar höher als die Kosten des zu halternden Bauelements sind.
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Wegen der hohen Bedeutung und dem Einfluß auf die Kosten solcher Halterungen
haben sich die üblicherweise als Kunststoff-Flachpack bezeichneten Halterungen,
insbesondere in wirtschaftlichen Anwendungsfällen weitgehend durchgesetzt. Solche
Halterungen zeichnen sich durch einen im wesentlichen rechteckigen, relativ dünnen
Kunststoffkörper mit einer Vielzahl von aus jeder Seite austretenden Leitern aus,
die dann abwärts umgebogen sind, so daß das Bauelement entweder in einen ftir das
Bauelement komplementär ausgebildeten Sockel eingesteckt oder direkt auf eine zur
Aufnahme des Bauelements geeignet ausgebildete Schaltungskarte aufgelötet werden
kann. Bei den bekannten Kunststoff-Halterungen liegt die Oberseite des Halbleiter-Chips
unterhalb der Ebene der Oberseite des Leitersterns, so daß die Halbleiteroberfläche
und das Leitermuster nicht gleichzeitig unter einem Mikroskop scharf eingestellt
werden können und die Anschlußdrähte länger als erforderlich sind. Darüber hinaus
ist die Herstellung und Montage schwieriger und zeitraubender als erforderlich,
so daß Verbesserungen solcher Halterungen und von Halterungstechniken einen wesentlichen
vorteilhaften Einfluß auf die
Kosten des Endprodukts und die Zuverlässigkeit
des gehaltertenv integrierten-Schaltungs-Bauelements haben können. Solche Verbesserungen
sollten in der Richtung wirken, daß einer der Hauptgründe für Zuverlässigkeits probleme
ausgeschlossen wird, der darin liegt, daß Epo4d-Material mit dem Halbleiter in Berührung
kommt.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Halterung für
elektronische Bauelemente zu schaffen, bei welcher die vorstehend geschilderten
Nachteile vermieden sind, und die im Vergleich zu den bekannten Halterungen kostengünstiger
herstellbar ist.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch einen Halterungskörper
mit einer ihn durchsitzenden Öffnung und einer Vielzahl von Leitern zum Anschluß
des elektronischen Bauelements, wobei die Leiter derart in der Öffnung im Halterungskörper
angeordnet sind, daß jeweils eine ihrer Oberflächen im wesentlichen in einer Ebene
liegt und die Öffnung im Halterungskörper unterhalb und parallel zu der von den
Leitern gebildeten Ebene eine Befestigungefläche aufweist; durch ein Befestigungselement
für das elektronische Bauelement mit einer ersten, an der Befestigungsfläche des
Halterungskörpers zur Anlage bringbaren Fläche und einer parallel und versetzt zur
ersten Fläche verlaufenden zweiten Fläche, auf welcher das elektronische Bauelement
befestigt ist, wobei die Versetzung zwischen der ersten und zweiten Fläche eine
vorbestimmte Größe derart hat, daß eine Oberfläche des elektrischen Bauelements
eine vorbestimmte Lage relativ zu der von den Leitern gebildeten Ebene hat; und
durch Einrichtungen zum Verschließen der Öffnung im Halterungskörper.
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Bei der erfindungsgemäßen Halbleiter-Halterung und deren Herstellung
wird zunächst ein Rahmen oder Muster von metallischen Leitern gebildet. Dieser Rahmen
von Leitern besteht aus einer Kupferlegierung, obgleich auch Kovar
oder
andere Legierungen oder Metalle verwendet werden können. Kupfer hat den Vorteil
guter Wärmeleitung und einen günstigen Ausdehnungs-Koeffizienten im Vergleich zum
verwendeten Kunststoff, wodurch eine Druckabdichtung um die Leiter gebildet und
dadurch eine hervorragende hermetische Kapselung des Bauelements erzielt wird.
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Ein mit einer Durchgangsöffnung zur Aufnahme und Halterung des Halbleiter-Bauelements
versehenes Gehäuse wird im Spritzgußverfahren um die Leiter herumgespritzt. Ein
inneres Stabilisierungsglied in Form eines Rings verbindet sämtliche Leiter des
Leiterrahmens und stellt so deren ebene Lage sicher und verstärkt sie. Der Ring
dient nicht nur dazu, die Leiter (Anschlüsse) an der vorgesehenen Stelle zu halten,
sondern er verhindert auch das Auftreten eines Gußgraten. Der Ring wird dann ausgestanzt,
so daß die inneren Abschnitte der Leiter des Leiterrahmens voneinander getrennt
werden. Das Halbleiter-Bauelement wird dann relativ zu einer Ecke eines stufenförmigen
Basisbauteils genau ausgerichtet und auf ihm aufgeklebt. Diese Baugruppe wird dann
relativ zur spritzgegossenen Halterung ausgerichtet und mit ihr so verklebt, daß
die Oberfläche des Halbleiter-Bauelements etwa koplanar mit der Oberfläche des Leitersterns
liegt. Die Verbindung der Leiteranschlußstellen des Halbleiter-Bauelements mit den
Leitern des Beitersterns erfolgt dann in übltiher Weise. Die Bodenöffnung der Halterung
wird dann dicht verschlossen und auch die Oberseite kann mit oder ohne ein Zwischenglied
zur Verhinderung desvVordringens von Vergußmasse zum Halbleiter-Bauelement selbit-
verschlossen werden. Alternativ können Eunststoffeinsätze in die Halterung eingeklebt
werden, um die Halbleiterzone abzuschließen. Bei der so hergestellter Halterung
ist also ein Hohlraum vorgesehen, welcher die Montage in der Form, den Anschluß
von Drähten und die Abdichtung erlaubt.
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Die Erfindung ist nachstehend anhand der Beschreibung zweier Ausführungsbeispiele
in Verbindung mit der Zeichnung
näher erläutert, und zwar zeigt:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer typischen, in der erfindungsgemäßen Weise
hergstellten Flachpack-Halterung; Fig. 2 eine schematische Darstellung der Form
des in Verbindung mit der in Fig. 1 gezeigten Halterung verwendeten Leitersterns;
Fig. 3 eine Schnittansicht der Kunststoff-Halterung nach dem Umspritzen des in Fig.
2 gezeigten Leitersterns mit iidem Halterungsgrundkörper; Fig. 4 eine Draufsicht
auf die in Fig. 3 gezeigte Halterung nach dem Abscheren des inneren Halteelemte5
des Leitersterns; Fig. 5 eine perspektische Ansicht eines in der erfindungsgemäßen
Halterung verwendeten gestuften Befestigungselements; Fig. 6 eine Schnittansicht
durch eine erfindungsgemäße Halterung entlang der Linie 6 - 6 in Fig. 1; und Fig.
7 eine Schnittansicht einer der Ausführungsform gemäß Fig. 6 ähnlichen, alternativen
Ausführungsform der e rfindungsgemäß en Halterung.
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Zunächst wird auf Fig. 1 Bezug genommen, in der eine perspektivische
Ansicht einer typischen integrierten Schaltungs-Halterung gezeigt ist, die in der
erfindungsgemäßen Weise hergestellt werden kann (Die Erfindung ist zwar nachstehend
in Verbindung mit der Halterung von integrierten Schaltungen beschriben, jedoch
ist klar, daß sie ganz allgemein für die Halterung auch von anderen elektronischens
Bauelementen, beispielsweise Widerstandsnetzwerken auf einem Keramiksubstrat verwendbar
ist.) Die Halterung ist gekennzeichnet durch einen relativ dünnen, im wesentlichen
rechteckigen, aus Kunststoff bestehenden Körper 20 mit einer Vielzahl von Leitern
22, die an jeder Seite des rechteckigen Körpers im wesentlichen etwa in halber Höhe
vorstehen und nach unten umgebogen sind,
wobei sie einstückig in
schmalere, stiftartige Anschlüsse 24 übergehen. Die Leiter werden nachstehend zusammen
mit den stiftartigen Anschlüssen als Leiter oder Stifte bezeichnet, zumal die allgemeine
Ausgestaltung für von dem Kunststoff-Flachpack vorstehende Leiter ganz all gemein
standardisiert und im Stand der Technik bekannt ist.
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An einem Ende des Flachpacks ist mittig eine im wesentlichen halbkreisförmige
Bezugsmarke 24' und außerdem eine kreisförmige oder zylindris#che Vertiefung 26
vorgesehen, die beide zu Bezugszwecken dienen. Etwa mittig in der Oberseite (und
ebenso in der in der Fig. nicht gezeigten Unterseite) ist eine rechteckige Fläche
28 angeordnet, innerhalb derer das Halbleiter-Bauelement gehaltert ist.
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Bezüglich der in Fig. 1 dargestellten sichtbaren Einzelheiten ist
die allgemeine Ausgestaltung, d.h. die Leiter usw., in üblicher bekannter Weise
getroffen.
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Nachstehend wird auf Fig. 2 Bezug genommen, in der einer der zur Herstellung
der erfindungsgemäßen Halterung verwendeten Einzelbauteile gezeigt ist. In dieser
Figur ist die Art und Weise dargestellt, in-der eine Vielzahl von Leitorstarn-Platten
30 entweder durch Stanzen oder mittels Ätzverfahren hergestellt sind. Jede Leiterstern-Platte
30 ist durch einen Umriß aufbau, beispielsweise den Umrißstreifen 32 gekennzeichnet,
der einstückig mit den äußeren Abschnitten der später die stiftartigen Anschlüsse
24 darstellenden Leiter verbunden ist, wobei die Stifte ihrerseits durch integrale
Elemente 34 miteinander und den äußeren Umrißstreifen 32 verbunden sind. Innerhalb
der Elemente 34 verlaufen die Leiter 22 parallel zueinander, bis innerhalb der äußeren
Begrenzung der in Fig. 1 gezeigten Kunststoffhalterung, worauf sie dann schräg nach
innen verlaufen und an ihren inneren Enden durch ein kleines Halteelement 36 miteinander
verbunden sind, welches die Leiter während der Herste-6 LtMgdes eitungsmusters und
während des Ums#rtzens ralt.
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Der nächste Schritt bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Halterung
ist der Fig. 3 zu entnehmen, (während Fig. 4 eine weitere Herstellungsstufe zeigt,
obwohl ihr auch in Verbindung mit Fig. 3 beschriebene Einzelheiten zu entnehmen
sind). Bei diesem Verfahrensschritt wird der Körper 20 der Kunststoff-Halterung
im Spritzgußverfahren auf die Leiterstern-Platte 30 aufgebracht, wobei die Spritzgußformen
an der Ober- und Unterseite des rechteckigen Halteelements 36 und dem inneren Abschnitt
der Leiter 22 anliegen, so daß im Körper 20 in diesem Bereich ein Hohlraum gebildet
wird und die Oberfläche des Elements 36 und der Leiter 22 vom Spritzgußmaterial
frei bleibt, obwohl es zur Ausfüllung der Zwischenräume zwischen ihnen zwischen
die Leiter fließt. Der Hohlraum ist zusätzlich zu dem nach innen vorspringenden
rechteckigen Halteelement 36 und einem Abschnitt der Leiter 22 durch einen kurzen,
nach unten vorstehenden, in eine Fläche 42 auslaufenden Abschnitt 40 gekennzeichnet,
wobei Wände 44 die zur Fläche 42 verlaufende Öffnung begrenzen.
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Im oberen Abschnitt des Kunststoff-Körpers 20 sind ähnlicht Flächen
und Bereiche 46, 48 und So vorgesehen, wobei die Fläche 48 im wesentlichen höher
oberhalb der ebenen Oberseite der Leiter 22 liegt, als die Fläche 42 unterhalb der
unteren Fläche der Leiter angeordnet ist.
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Die Leiterstern##'#latten 30 sind mit Bezugsbohrungen 50' und Schlitzen
52 versehen, so daß sie auf Ausrichtstiften im Formenhohlraum der Spritzgußmaschinen
so aufgesetzt und ausgerichtet werden können, daß die Anordnung des Leitersterns
und insbesondere die inneren Abschnitte der Leiter bezüglich des Hohlraums der gespritzten
Kunststoff-Halterung genau ausgefluchtet sind.
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In der nachstehend beschriebenen Fig. 5 ist eine perspektivische Ansicht
eines Halbleiter-Befestigungselements 60 gezeigt. Das Befestigungselement zeichnet
sich durch eine erste rechteckige Zone oder Fläche 62 und eine demgegenüber erhöhte
oder abgestufte mithere Zone oder Fläche 64 aus, auf welcher das Halbleiter-Bauelement
später befestigt wird. Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel ist dieses Element aus
Kovar hergestellt, wobei die Höhe der Fläche 64 oberhalb der Fläche 62 in der nachstehend
näher beschriebenen Weise so gewählt ist, daß die Oberseite des auf ihm zu befestigenden
Halbleiter-Bauelements etwa die gleiche Höhe wie die Oberseite der benachbarten
Leiter in der gespritzten Kunststoff-Halterung#hat.( Die Oberseite dieses Bauelements
kann, wenn erforderlich, auch oberhalb oder unterhalb der Oberfläche der Leiter
angeordnet werden, wobei die Möglichkeit, diese Höhe einzustellen, ein grundlegendes
Merkmal der Erfindung ist.) Nachdem nunmehr die grundlegenden Einzelteile der Erfindung
beschrieben sind, wird nachstehend die Art und Weise des Zusammenbaus der Halterung
erläutert.
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Nach dem Spritzgießen der Halterung in der in Fig. 3 gezeigten Weise,
wird die Halterung in ein Stanzgesenk eingelegt und das Halteelement (der Ring)
36 wird abgeschert, wodurch die einzelnen Leiter voneinander getrennt werden, so
daß jeder Leiter einen separaten Schaltungsanschluß für ze mittig in der Halterung
anzuordnende integrierte Schaltung bilden kann. (Bei diesem Arbeitsgang werden auch
die Elemente 34 abgeschert, um die aus dem Umriß der Halterung vortretenden Leiter
voneinander zu trennen, worauf die Leiter anschließend in ihre in Fig. 1 gezeigte
Endstellung nach unten umgebogen werden.) Die integrierte Schaltung selbst wird
relativ zu zwei Seiten des Befestigungselements 60 (Fig. 5) ausgerichtet angeordnet
und an der erforderlichen Stille der Oberfläche der mittleren
Fläche
64 festgeklebt. Danach wird das Befestigungselement 60 zusammen mit dem auf ihm
befestigten Halbleiter-Bauelement 66 in geeignete Ausrichtung und Anordnung relativ
zu den beiden Seiten des Befestigungselements 60 in dem Kunststoff-Körper 20 (Fig.
6) eingeklebt, wo daß das Halbleiter-Bauelement relativ zu den Leitern in der erforderlichen
Weise ausgerichtet ist. Bei dieser Unter-Baugruppe liegt die Oberseite des Halbleiter-Bauelements
66 im wesentlichen in einer Ebene mit der Oberseite der Bester 22, so daß die Verbindungsdrähte
68 relativ kurz sein und im wesentlichen horizontalen Verlauf haben können, wodurch
ein erhöhter Widerstand gegen Bruch und Fehler erreicht wird, die sonst infolge
der Länge der Drähte und/oder der erforderlichen Umbiegungen bei der Überbrückung
verschiedener Höhenstufen zwischen ihren Enden auftreten könnten. Die koplanare
Anordnung der Oberseite des Halbleiter-Bauelements 66 und der Leiter 22 hat weiter
den Vorteil, daß der Arbeitsvorgang bei Betrachtung unter einem Mikroskop beobachtet
werden kann, wobei sowohl die Leiter wie auch die Anschlüsse am Halbleiter-Bauelement
gleichzeitig scharf eingestellt sind, so daß der zur Herstellung der Anschlüsse
erforderliche Aufwand verringert und die Überprüfung und Qualitätssicherung sowohl
während der Herstellung der Verbindung, als auch nach Abschluß der Arbeiten unterstützt
werden. Im Vergleich hierzu wurden bei den bekannten Halterungen die Halbleiter-Bauelemente
auf einer ebenen Oberfläche angeordnet, was dazu führte, daß die Oberseite des Halbleiter-Bauelements
entweder ober- oder unterhalb der Ebene der Leiter lag, wobei Schwierigkeiten bei
der gleichzeitigen Scharfeinstellung der Leiter und der Oberfläche des Halbleiter-Bauelements
auftraten und längere und stärker geklliiimmte Verbindungedrähte zur Verbindung
der Halbleiter-Anschlüsse mit den Leitern erforderlich wurden.
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Die in Fig. 6 gezeigte Baugruppe kann auf verschiedene Weise fertiggestellt
werden. Der unterhalb der Befestigungsplatte 60 verbleibende Hohlraum kann mit einem
.Epoxyd-Harz 72 vergossen werden. Jedes geeignete Vergußharz kann verwendet werden,
wobei die Haftung am Kunststoffmaterial des Körpers 20 und die Widerstandsfähigkeit
gegen Umgebungseinflüsse, wie Feuchtigkeit o.dgl., die an das Harz zu stellende
Qualitätsanforderungen bestimmen.
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In ähnlicher Weise kann der an der Oberseite befindliche Hohlraum
ebenfalls mit dem Epoxyd-Harz 72 vergossen werden, obgleich diese obere Zone von
dem das Halbleiter-Bauelement enthaltenden Hohlraum getrennt werden sollte, beispielsweise
durch eine der gezeigten Metallplatte 74 entsprechende Platte, so daß das Halbleiter-Bauelement
nicht den von der unterschiedlichen Ausdehnung des Epoxyd-Harzes und des Halbleiter-Bauelements
herrührenden Drücken und Beanspruchungen ausgesetzt ist.
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Alternativ zur vorstehend beschriebenen Yerfahrensweise kann eine
separate Kunststoff-Kappe 80, die etwa die gleiche Dicke wie der zu ihrer Befestigung
vorgesehene Hohlraum hat, entlang ihrer Ränder 82 mit dem Kunststoff-Körper 20 verklebt
werden, so daß die Oberseite der Halterung abgeschlossen und abgedichtet ist. An
der Unterseite der Halterung kann eine ähnliche Kunststoff-Kappe für den gleichen
Zweck verwendet werden.
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Das Vergießen der Ober- und Unterseite der Kunststoff-Halterung, vorzugsweise
mit einem thixotropen Harz, wird jedoch bevorzugt, da die Verwendung getrennter
Deckel entfällt, wobei sich herausgestellt hat, daß die Montagezeit auf eine Dauer
in der Größenordnung von 1/2 Minute pro Halterung verringert wird, da die Verwendung
von Klemmen oder anderen Halteeinrichtungen zur Festlegung der Kunststoff-Deckel
in ihrer Stellung vermieden wird.
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Außerdem wird die hermetische-Abdichtung und Stabilität der Halterung
infolge der größeren effektiven Verbindungsfläche verbessert. Außerdem hat sich
gezeigt, daß das äußere Aussehen der Halterung verbessert ist und daß die Halterung
leicht in automatischen Maschinen verarbeitbar ist.
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Im Vorstehenden ist also eine Kunststoff-Halterung für Halbleiter-Bauelemente
u.dgl. beschrieben, die eine erhöhte Zuverlässigkeit hinsichtlich der physikalischen
Unversehrtheit, der hermetischen Abdichtung und dem Widerstand gegen Bruch der gebondeten
Drähte hat. Die Halterung verringert auch die Montagezeit erheblich, in-dem die
zur Herstellung von Drahtverbindungen erforderliche Geschwindigkeit erhöht und die
zur Abdichtung der Halterung erforderliche Zeit verringert wird. Die Verbindung
mit dem Kovar-Befestigungselement (Element 60) kann in bekannter Weise durch Formbonden
erfolgen, so daß die Kunststoff-Halterung 1500C übersteigenden Temperaturen nicht
ausgesetzt ist. Weder mit den Anschlußdrahtverbindungen, noch mit dem befestigten
Halbleiter-Bauelement kommt Kunststoff in Berührung. Die Ausbeute und Zuverlässigkeit
wird infolge der geringeren Neigung zu plötzlichen Drahtbrüchen, sei es, daß diese
durch Fehler des Arbeiters oder wegen der Länge der Drahte auftraten, erhöht, und
zwar wegen der geringeren Drahtlän#n und der im wesentlichen koplanaren Anordnung
der Leiter und der Anschlußstellen auf dem Halbleiter-Bauelement, wodurch beide
Anschlußpunkte für den Arbeiter gleichzeitig scharf eingestellt sind. Diese Vorteile
werden bei Halbleitern unterschiedlicher Größe oder anderen Bauelementen, insbesondere
auch bei größeren Bauelementen, in jedem Hohlraum einer vorgegebenen Halterung erreicht,
da die Höhe der Oberseite des Halbleiter-Bauelements auf die erforderliche Höhe
mit den Anschlüssen
eingestellt werden kann, indem das Befestigungselement
für das Bauelement entsprechend abgeändert wird, so daß kein getrennter Raum für
das Werkzeug zum Drahtbonden vorgesehen werden muß. Das in Fig.5 gezeigte Befestigungselement
mit erhabenem Mittelabschnitt ist zwar teurer als ein entsprechendes, als flahe
Platte ausgebildetes Befestigungselement, jedoch kann die erhöhte Halterung leicht
und kostengünstig dadurch hergestellt werden, daß ein Pressverfahren angewandt wird,
so daß der Kostenanstieg im Vergleich zu einer ebenen Platte vernachlässigbar und
insbesondere unter Berücksichtigung der im übrigen erzielten Vorteile unwesentlich
ist.
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Im Vorstehenden ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung
im einzelnen beschrieben, jedoch ist ersichtlich, daß eine Reihe von Abänderungen
in der Form und den Einzelheiten im Rahmen des Erfindungsgedankens getroffen werden
können.