DE60026978T2 - Mehrchipgehäuse mit integrierten rf-fähigkeiten - Google Patents

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Description

  • Deutschsprachige Übersetzung der Beschreibung der europäischen Patentanmeldung Nr. 00 911 648.4-2222 des europäischen Patents Nr. 1 153 419
  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf Mehrchipgehäuse bzw. Mehrchipmodule (MCM), die für Hochfrequenz- und Zwischenfrequenz-Anwendungen eingesetzt werden. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf MCM-Merkmale, die eine Herstellung von Modulen bei geringen Kosten und mit einem hohen Volumen ermöglichen, wobei die Module die Funktionalitäten von verschiedenen aktiven Schaltungsbausteinen integrieren.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Mehrchipmodule (MCMs) sind ausgeprägte elektronische Baugruppen, die eine Anzahl von bloßen und/oder gehäusten integrierten Schaltungsbausteinen (IC) und eine Anzahl von diskreten Bauteilen (z.B. Widerstände, Kondensatoren und Spulen) enthalten können, welche mit einem Verbindungssubstrat gekoppelt sind. Herkömmliche MCMs bestehen aus einem sehr komplexen Mehrschicht-Verbindungssubstrat mit mehreren bloßen Halbleiterplättchen und anderen Bauteilen. Jeder herkömmliche MCM besitzt eine kundenspezifische Größe und muss nicht notwendigerweise in ein Standard-„Gehäuse"-Format passen, wie es im Allgemeinen aus der IC-Gehäuseindustrie bekannt ist.
  • Mit anderen Worten wird jedes herkömmliche MCM-Substrat (im Vergleich zu einem MCM-Gehäuse) typisch entworfen, gehandhabt und auf unterschiedliche Art und Weise getestet. MCMs werden oft in einer Vielzahl von elektronischen Anwendungen benutzt, wie beispielsweise PCs, Großrechner, in der Telekommunikation und in Telefonsystemen, die eine Vielzahl von Bauteilen mit ähnlichen elektrischen Eigenschaften oder mit ähnlichen elektrischen Pfaden in einem einzigen Gehäuse in Gruppen zu sammengefasst werden. Obwohl der Basis MCM-Entwurf und die Herstellungstechnologien relativ gut bekannt sind, konnten derartige herkömmliche Technologien ein Herstellungsverfahren mit geringen Kosten und einem hohen Volumen nicht ermöglichen. Viele MCM-Gehäusetechnologien bringen lediglich blanke Halbleiterplättchen unter und einige bringen sowohl blanke Halbleiterplättchen als auch diskrete Bauteile unter. Herkömmliche MCM-Gehäuse mit blanken und gehäusten Halbleiterplättchen und diskreten Bauteilen werden jedoch für Multi-GHz-Anwendungen verwendet. Darüber hinaus wurden herkömmliche MCM-Verfahren nicht auf Hochfrequenz-Anwendungen (HF) erweitert, wie beispielsweise Anwendungen mit Schaltungen, die bei Frequenzen größer ca. 800 MHz arbeiten, und zwischen Frequenz-Anwendungen (IF), wie beispielsweise Anwendungen mit Schaltungen, die bei Frequenzen zwischen ca. 200 und 800 MHz betrieben werden.
  • Der wachsende Bedarf für eine weiter gesteigerte Schaltungsintegration, verringerte Herstellungskosten, vereinfachte Aktualisierungsmöglichkeiten und verkleinerte Bauteilgrößen ist im Zusammenhang mit HF- und IF-Anwendungen sehr schwer zu erfüllen. Diese Schwierigkeit hängt mit einer Vielzahl von praktischen Gründen zusammen. Beispielsweise begrenzt eine Abschirmung und Signalisolierung zwischen verschiedenen HF- und/oder IF-Schaltungs-Bauteilen üblicherweise die Anzahl der aktiven Bauteile, die in einem einzigen MCM beinhaltet sein können. Zusätzlich können behördliche Grenzen hinsichtlich elektromagnetischer Interferenzen (EMI) und Abstrahlungen die mit den herkömmlichen HF/IF-Modulen einhergehenden Designparameter weiter beschränken. Ferner können thermische Verluste von einigen HF-Schaltungsbausteinen weitere Auflagen beim herkömmlichen Modulentwurf darstellen.
  • Auf Grund der vorstehend genannten Nachteile von herkömmlichen Entwürfen sind herkömmliche HF-/IF-Gehäuse üblicherweise für hochvolumige Anwendungsfälle begrenzt. Herkömmliche HF/IF-MCMs funktionieren auf einer Bauteil-Ebene (unterhalb der Subsystemebene) am besten; eine Anzahl physikalisch diskreter MCMs werden üblicherweise zur Realisierung eines funktionsfähigen Subsystems oder eines Systems in Verbindung mit einer Hauptplatine verwendet, welche als Verbindungsstruktur dient. Jedes der einzelnen MCMs kann entsprechend abgeschirmt werden, um HF-Interferenzen untereinander zu verhindern und um den Betrag der damit verbundenen EMI-Emissionen zu reduzieren. Unglücklicherweise erhöht die Verwendung von einzelnen MCMs die Entwurfs- und Herstellungskosten, da zwischen den verschiedenen MCMs einzelne Aufteilungs-, Abgleich- und Isolationsnetzwerke benötigt werden.
  • Zusätzlich zu den genannten Problemen können herkömmliche MCMs nicht ausreichend flexibel sein, um mit einer Vielzahl von Designalternativen in Einklang gebracht zu werden. Beispielsweise kann es nicht möglich oder wirtschaftlich sein Oberflächenmontage- und Draht-Bond-Verfahren in einem einzigen herkömmlichen MCM zu kombinieren, und es kann unmöglich sein, verschiedene Typen von aktiven ICs (z.B. CMOS, GaAs, Bipolar) auf einem herkömmlichen MCM-Substrat zu realisieren. Ferner können herkömmliche MCMs nicht die Flexibilität aufweisen, um unterschiedliche Typen von Vias oder von thermischen Senken nutzbar zu machen und zu Zwecken einer HF-Erdung oder der Flexibilität, um unterschiedliche Typen von Abschlüssen von einer Anwendung zu einer anderen Anwendung zu realisieren.
  • Die europäische Patentanmeldung Nr. 0491161 (Ball Corporation, 24. Juni 1992) offenbart ein Verbindungsgehäuse, welches eine Vielzahl von Verbindungssubstraten verwendet. Die Druckschrift „Mixed L.F./R.F MCM" Proceedings of the Electronic Components and Technology Conference, US, New York, NY: IEEE, 18. Mai 1997, Seiten 497 bis 501, offenbart ein Keramikmodul mit hoher Dichte, bei dem die HF-Signale nicht in den keramischen Mehrfachschichten des Substrats eingebettet sind.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung ermöglicht ein Mehrchipmodul (MCM) gemäß dem Patentanspruch 1. Erfindungsgemäß kann ein einziges HF-/IF-MCM eine Vielzahl von aktiven Schaltungsbausteinen und eine Vielzahl von diskreten Bauteilen aufweisen, die mit einem Verbindungssubstrat gekoppelt sind. Das MCM kann derart konfiguriert werden, dass es eine Vielzahl von unterschiedlichen HF-/IF-Funktionen durchführt, so dass es als unabhängiges Subsystem arbeitet. Ein Hoher Grad an Integration, die Verwendung von HF-Isolationstechniken und die Verwendung von Wärmesenken-Techniken ermöglichen es dem MCM in gleicher Weise zu funktionieren wie eine Vielzahl von getrennten herkömmlichen Modulen ohne die zugehörigen Entwurfs- und Herstellungskosten. Darüber hinaus kann ein HF-/IF-MCM auf flexible Art und Weise derart entworfen werden, dass verschiedene herstellungsbedingte, elektrische, umweltbedingte und testbedingte Parameter in Betracht gezogen werden können.
  • Die genannten und weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung können auf einmal durch ein MCM realisiert werden, das ein Verbindungssubstrat, eine Anzahl von oberflächenmontierten passiven Bauteilen, welche mit dem Verbindungssubstrat gekoppelt sind, und zumindest einer aktiven Schaltungsvorrichtung durchgeführt werden, die ebenfalls mit dem Verbindungssubstrat gekoppelt ist. Die zumindest eine aktive Schaltungsvorrichtung wird derart konfiguriert, dass sie eine Vielzahl von HF-Funktionen durchführt, so dass das MCM als integrales Gehäuse arbeitet.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen.
  • Ein verbessertes Verständnis der vorliegenden Erfindung erhält man unter Bezugnahme auf die detaillierte Beschreibung und die Patentansprüche, unter Berücksichtigung der Figuren, wobei gleiche Bezugszeichen innerhalb der Figuren gleiche Elemente bezeichnen, wobei:
  • 1 eine perspektivische Explosionsansicht eines MCM darstellt;
  • 2 eine schematische Draufsicht eines MCMs darstellt, die eine beispielhafte Anordnung von aktiven Bausteinen und diskreten Bauteilen zeigt;
  • 3 eine schematische Draufsicht eines beispielhaften Substrats darstellt, das mit dem MCM gemäß 2 verwendet werden kann;
  • 4 eine Draufsicht eines Detailabschnitts von einem beispielhaften Substrat darstellt, das mit einem MCM verwendet werden kann;
  • 5 eine schematische Bodenansicht eines MCMs darstellt;
  • 6–7 schematische Schnittansichten von beispielhaften MCMs darstellen;
  • 8 eine schematische Schnittansicht eines Abschnitts eines MCMs darstellt;
  • 9–10 jeweils schematische Draufsichten eines entsprechenden Abschnitts eines MCM-Substrats mit einem darauf montierten aktiven Schaltungsbaustein darstellen; und
  • 11–12 jeweils eine schematische Draufsicht eines gedruckten Spulenbauteils darstellen, das in einem MCM verwendet werden kann.
  • Detaillierte Beschreibung von bevorzugten beispielhaften Ausführungsformen
  • Die nachfolgende Beschreibung kann sich auf HF-Bauteile, auf HF-Schaltungen und auf HF-Signale im Zusammenhang mit einer Vielzahl der bevorzugten beispielhaften MCM-Ausführungsformen beziehen. Gemäß dem herkömmlichen Fachwortschatz und der derzeitigen Technologie bedeutet „HF" Frequenzen oberhalb von 800 MHz. Gleichwohl können die Verfahren der vorliegenden Erfindung für die Verwendung von IF-Frequenzen innerhalb eines Bereichs von ca. 200 MHz bis 800 MHz erweitert werden. Ferner sollen die Begriffe „HF" und „IF" keine Begrenzungen oder Einschränkungen der vorliegenden Erfindung bedeuten.
  • Herkömmliche Techniken und Elemente, die im Zusammenhang mit dem Entwurf und der Herstellung auf der Ebene eines Schaltungsbausteins, eines Substrats und des MCMs stehen, können in einer praxisnahen Vorrichtung verwendet werden, die erfindungsgemäß konfiguriert ist. Derartige herkömmliche Techniken, welche im Allgemeinen dem Fachmann bekannt sind, werden nachfolgend nicht näher beschrieben. Beispielsweise können grundsätzliche Techniken im Zusammenhang mit der Herstellung von keramischen und/oder laminierten Substraten, einer Gold- oder Kupfer-Plattierung, einem Löten, einer HF-Signalisolierung und dergleichen in einer tatsächlichen Vorrichtung angewandt werden.
  • Mit Bezug auf 1 umfasst ein HF-MCM 100 üblicherweise ein Substrat 102, eine Anzahl von aktiven Schaltungsbausteinen 104 und eine Anzahl von diskreten Bauteilen 106. In einer angewandten Ausführungsform kann das MCM 100 die Abmessungen von etwa 36 mm2 bis 375 mm2 aufweisen. Obwohl jede Anzahl von Vorrichtungen verwendet werden kann, besitzt das MCM 100 vorzugsweise zwei oder drei aktive Vorrichtungen und zwischen 10 und 100 passiven Bauteilen.
  • Die aktiven Schaltungsbausteine 104 können derart konfiguriert sein, dass sie eine Vielzahl von geeigneten Funktionen durchführen. Die genauen Funktionen der aktiven Schaltungsbausteine 104 können von Anwendung zu Anwendung variieren. Beispielsweise kann ein einziger aktiver Schaltungsbaustein 104 in geeigneter Weise zur Realisierung eines HF-Senders, eines HF-Empfängers, eines HF-Sende-Empfangsgeräts, eines rauscharmen Verstärkers (LNA, low noise amplifier), eines Verstärkers mit variabler Verstärkung (VGA, variable gain amplifier) oder dergleichen entworfen sein. Wie nachfolgend beschrieben wird, ist das MCM 100 insbesondere für die Verwendung mit aktiven Multifunktions-Schaltungsbausteinen 104 geeignet, d.h. einem einzigen Baustein, der zwei oder mehrere unterschiedliche elektronische Funktionen durchführt, oder einem einzigen Baustein, der Merkmale aufweist, die üblicherweise einer Vielzahl von getrennten und einzelnen Bausteinen zugeordnet sind.
  • In einer angewandten Ausführungsform ist das MCM 100 zur Verwendung in einem schnurlosen Telefonsystem konfiguriert. Im Gegensatz zu herkömmlichen Systemen, welche getrennte HF- und Basisbandgehäuse benötigen, kann das MCM 100 integriert realisiert sein, wobei es z.B. einen 45 MHz Basisband-Abschnitt und einen 900 MHz HF-Abschnitt aufweist. Weitere geeignete Anwendungen für das MCM 100 weisen einen Multiband-HF-Verstärker auf, der gleichzeitig bei 800 MHz, 1800 MHz und 2,4 GHz arbeiten kann.
  • Das MCM 100 wird derart konfiguriert, dass es die Verwendung von unterschiedlichen Typen von aktiven Schaltungsbausteinen 104 aufnehmen kann. Beispielsweise können die aktiven Schaltungsbausteine 104 auf einer CMOS-, einer Bipolar-, einer GaAs- oder anderen geeigneten Technologien aufgebaut sein. Das Substrat 102 kann in geeigneter Weise derart entworfen sein, dass eine Montage von Silizium-, GaAs- und/oder anderen Halbleitersubstratmaterialien vereinfacht ist. Die aktiven Schaltungsbausteine 104 können blanke Halbleiterplättchen oder gehäuste Baugruppen darstellen. Blanke HF-Bausteine und die zugehörigen Drahtbonds können mit einem geeigneten Epoxidharz oder einem anderen Einkapselungs-Material strukturell verstärkt und elektrisch isoliert werden. Die blanken Halbleiterplättchen 104 können mit dem Substrat 102 mittels Drahtbond-, "tape-automated"-Bond- oder einem "flip-chip"-Verfahren verbunden werden. Das letztere Verfahren ist dem Fachmann allgemein bekannt und wird daher nicht näher beschrieben.
  • Die diskreten Bauteile 106, die im Allgemeinen mittels Oberflächenmontage-Verfahren auf dem Substrat 102 montiert sind, können Widerstände, Kondensatoren, Spulen, Transistorgehäuse usw. aufweisen. In der bevorzugten Ausführungsform werden die oberflächenmontierten diskreten Bauteile 106 entsprechend den bekannten Gehäusenormen dimensioniert. Die diskreten Bauteile 106 sind üblicherweise 0402- oder 0603-Größen. Passive Bauteile können alternativ oder zusätzlich auf den aktiven Bausteinen angeordnet werden. Die Anzahl und die Anordnung der Vorrichtungen auf den Modulen kann von elektrischen Eigenschaftskriterien, einem Kühlverhalten, einer mechanischen Zuverlässigkeit und/oder von Fertigungsbetrachtungen abhängig sein.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform, bei der eine HF-Isolierung oder eine EMI-Abstrahlung im Entwurf berücksichtigt wird, weist das MCM 100 einen Metalldeckel 108 auf. Gemäß einer alternativen Ausführungsform können beim MCM 100 herkömmliche Plastik-Überguss-Verfahren zur Bereitstellung einer geeigneten Abdeckung über dem Substrat 102 verwendet werden. Überguss-Verfahren können für Anwendungen eingesetzt werden, die eine größere HF-Interferenz erlauben und/oder für Anwendungen, die weniger strenge EMI-Anforderungen aufweisen. Derartige Überguss-Verfahren und -Materialien sind allgemein bekannt und werden nachher nicht im Detail beschrieben.
  • Das Substrat 102 kann ein laminiertes (organisches) Material oder ein keramisches (anorganisches) Basismaterial aufweisen. In vielen derzeitigen Anwendungsfällen wird auf Grund der einfachen Verarbeitbarkeit und der elektrischen, thermischen sowie mechanischen Eigenschaften, die mit einem laminierten Material einhergehen, ein laminiertes Substratmaterial bevorzugt. Wie in den 6–8 (und gestrichelt in 1) dargestellt ist, kann das Substrat 102 eine beliebige Anzahl von Metallschichten mit dazwischen liegenden dielektrischen Schichten aufweisen. Zur Herstellung des Substrats 102 kann jedes geeignete Material verwendet werden; bekannte glasbasierte Polymere wie z.B. BT, FR4 oder PTFE können als dielektrisches Material und jedes geeignete leitende Metall, wie beispielsweise Kupfer, kann für die Metallschichten verwendet werden. Ein beispielhaftes angewandtes Substrat 102 könnte ein bis acht Metallschichten aufweisen; die bevorzugte Ausführungsform weist zwei bis vier Metallschichten auf. Wie bei herkömmlichen Substratentwürfen sind die obere und untere Metallschicht ungeschützt, während eine interne oder eingebettete Metallschicht zwischen zumindest zwei dielektrischen Schichten angeordnet ist. Das Ausbilden des Substrats 102 mit dem Ausbilden der elektrisch leitenden Metallleitungen und der Anschlussflächen geht über den Inhalt der vorliegenden Beschreibung hinaus.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform stellt die erste oder oberste Metallschicht eine Schaltungsschicht und die darunter liegende Metallschicht eine Masse-Schicht dar. Die Masse-Schicht isoliert die Schaltungs-Leitbahnen in der oberen Schicht von den Schaltungs-Leitbahnen in anderen Schichten wie z.B. der Bodenschicht in geeigneter Weise. Die Masse-Schicht kann ebenso zum Festelegen der Impedanz der HF-Leitbahnen in der oberen Schicht dienen. In HF-Anwendungen kann die Dicke der dielektrischen Schicht zwischen der Schaltungsschicht und der Masse-Schicht während der Entwurfsphase derart eingestellt werden, dass eine gewünschte Impedanz der oberen Schicht-Leitbahnen erhalten wird. Die Impedanz wird ebenfalls durch die Breite der Schaltungs-Leitbahnen und durch die Nähe von irgendwelchen anderen Leitbahnen festgelegt.
  • Die ungeschützte obere Oberfläche 110 des Substrats 102 weist eine Vielzahl von (von der ersten Metallisierungsschicht (M1) verbliebenen) metallischen Bereichen auf, die durch dielektrisches Material voneinander getrennt sind. Beispielswei se kann ein metallisches Halbleiterplättchen-Befestigungspad 112 einem entsprechenden aktiven Schaltungsbaustein 104 zugeordnet sein. Die besondere Konfiguration des Halbleiterplättchen-Befestigungspads 112, seine Anordnung auf dem Substrat 102 und/oder seine Beziehung zu anderen Elementen des MCM 100 kann von den gewünschten elektrischen Eigenschaften des MCM 100, dem Layout und der Routing-Dichte innerhalb des MCM 100 sowie von Betrachtungen hinsichtlich des Leistungsverbrauchs (power management) abhängen. Der aktive Schaltungsbaustein 104 kann entsprechend einer Vielzahl von geeigneten Verfahren auf dem Halbleiterplättchen-Befestigungspad 112 befestigt werden, wie beispielsweise einem leitenden Epoxydharz, einem Lötmittel oder dergleichen. Selbstverständlich können in Abhängigkeit von der Zusammensetzung des Substrats 102 und/oder des für das Halbleiterplättchen-Befestigungspad 112 verwendeten Materials alternative Befestigungsverfahren verwendet werden. Wie nachfolgend im Detail beschrieben wird, kann das Halbleiterplättchen-Befestigungspad 112 auch als Masse-Anschlusspad und/oder als Wärme-Senke-Bereich dienen.
  • Die obere Oberfläche 110 kann ferner eine Anzahl von Kontaktpads 114 aufweisen, die den passiven Bauteilen 106 zugeordnet sind. Wie die Befestigungspads 112 werden auch die Kontaktpads 114 vorzugsweise aus der M1-Schicht herausgebildet. Die Kontaktpads 114 können in Abhängigkeit von herkömmlichen Verfahren ausgebildet, plattiert und behandelt werden, um eine Oberflächenmontage von passiven Bauteilen 106 zu erleichtern. Die passiven Bauteile 106 werden vorzugsweise unter Verwendung eines vergleichsweise Hochtemperatur-Lötmittels auf den Kontaktpads 114 befestigt. Das Hochtemperatur-Lötmittel bleibt unversehrt, wenn das MCM 100 nachfolgend auf einer gedruckten (PWD, printed wiring board) Hauptplatine unter Verwendung eines Reflow-Lötverfahrens befestigt wird. Bestimmte Bereiche an der oberen Oberfläche 110 können von einem Lötmittel-Maskenmaterial bedeckt sein, welches das Fließen des Lötmittels in bestimmte Bereiche verhindert. Die Lötmittel-Maskenbereiche 402 sind in 4 für ein beispielhaftes Substrat 400 dargestellt. Die Lötmittel-Maskenbereiche 402 sind üblicherweise in der Nähe der Abschnitte des Substrats 102 angeordnet, bei denen oberflächenmontierte Bauteile gelötet werden.
  • Eine Anzahl von Bondpads 116, die vorzugsweise aus der M1-Schicht herausgebildet wird, kann ebenfalls an der oberen Oberfläche 110 angeordnet werden. Die Bondpads 116 können in geeigneter Weise mit Palladium (Pd) oder Weichgold plattiert sein, um einen elektrisch und physikalisch widerstandsfähigen Drahtbond zu ermöglichen. Die Bondpads 116 können elektrisch mit Leitbahnen, Gehäuseanschlüssen, leitenden Vias oder dergleichen elektrisch verbunden sein, um die elektrische Funktionalität des MCM 100 (siehe 4) herzustellen. In Abhängigkeit von herkömmlichen Draht-Bond-Verfahren dient ein dünner Golddraht als elektrische Verbindung zwischen den Bondpads 116 und einem geeigneten Bereich auf dem aktiven Schaltungs-Baustein 104 (wie nachfolgend im Einzelnen beschrieben wird). Die vorliegende Erfindung verwendet insbesondere konfigurierte Halbleiterplättchen-Befestigungspads 112, Bondpads 116 und andere Merkmale des MCM 100, um die elektrischen Leistungsmerkmale des Moduls zu verbessern.
  • Die inneren Metallschichten des Substrats 102 können in beliebiger Weise eine Anzahl von Leitbahnen, gedruckten Bauteilen (z.B. Spulen, Übertrager, Kondensatoren und Widerstände), Masse-Gebieten, Abschlüssen oder dergleichen festlegen. Eingebettete Bauteile (z.B. Spulen, Übertrager, Kondensatoren und Widerstände) können ebenfalls innerhalb des Substrats 102 ausgebildet sein. In bevorzugten Ausführungsformen wirken plattierte oder gefüllte Vias 118 als thermische und/oder elektrische Pfade zwischen den Schichten des Substrats 102.
  • Das MCM 100 weist eine Vielzahl von Entwurfselementen und -merkmalen auf, die eine Integration einer Vielzahl von Basisband-, HF-, IF- und/oder anderen aktiven elektronischen Bausteinen auf einem einzigen Substrat 102 ermöglichen. In besonderem Maße müssen die verschiedenen aktiven Bausteine, welche im MCM 100 enthalten sind, nicht hinsichtlich ihrer elektrischen Eigenschaften oder Funktionen zusammengefasst bzw. gruppiert werden. Im Gegensatz zu herkömmlichen MCM-Verfahren kann das MCM 100 die Anwesenheit einer Vielzahl von HF-Funktionen dadurch unterbringen, dass eine ausreichende HF-Isolierung zwischen den verschiedenen HF-Bauteilen vorgesehen wird, selbst wenn die tatsächliche MCM-Größe relativ gering ist (herkömmliche Anwendungen wie z.B. zellulare Telefone können Isolierverfahren verwenden, wobei jedoch das Substrat relativ groß ist und die Funktionalitäten auf ihren jeweiligen Substraten verteilt sind). Die verschiedenen aktiven Schaltungen können jeweilige Partitionierungs-, Isolations- und/oder Abgleich-Netzwerke integriert aufweisen, die auf dem Substrat 102 integriert sind. Auf diese Weise entfällt beim MCM 100 die Notwendigkeit, externe Abgleich- und Isolations-Schaltungen zwischen zwei getrennten Gehäusemodulen zu entwerfen und zu implementieren.
  • Das MCM 100 ist in geeigneter Weise derart konfiguriert, dass die Integration einer Vielzahl von aktiven Gerätetechnologien ermöglicht ist, während die Entwurfsanforderungen für die HF-Leistungsfähigkeit, eine Isolation, eine Abschirmung, eine Testbarkeit, eine Kühlfähigkeit, eine Zuverlässigkeit und eine physikalische Handhabung des Moduls erfüllt werden. Darüber hinaus ermöglicht die Konfiguration des MCM 100 eine hochvolumige Herstellung bei relativ geringen Kosten. Die Teilaspekte des MCM 100, welche die zu erfüllenden Entwurfsziele ermöglichen, werden nachfolgend im Detail beschrieben.
  • Wärmesenke und HF-Erdung
  • Aktive Schaltungsbausteine und insbesondere HF-Bausteine besitzen üblicherweise eine hohe Leistungsdichte. Ein kleiner HF-Baustein kann zwischen 0,1 bis 5 Watt Wärmeleistung erzeugen; die durch derartige Bausteine erzeugte Wärme wird üblicherweise in eine geeignete Wärmesenke geleitet, um eine Überhitzung des aktiven Bausteins und/oder des Moduls selbst zu verhindern. Zur Förderung einer ausreichenden Wärmeübertragungsrate können die aktiven Vorrichtungen 104 an den Halbleiterplättchen-Befestigungspads 112 befestigt werden, welche aus einem Material mit geringem thermischen und elektrischen Widerstand ausgebildet sind. Gemäß einem bevorzugten Teilaspekt der vorliegenden Erfindung verwendet das MCM 100 gefüllte Vias als Wärme-Vias, wodurch Wärme von den aktiven Schaltungsbausteinen zu einem geeigneten Wärmeverteilungselement oder leitenden Pad geleitet wird. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann das Wärmeverteilungselement auch als HF-Masseplatte dienen.
  • Eine Schnittansicht eines Abschnitts eines beispielhaften MCM 600 ist schematisch in 6 dargestellt. Das MCM 600 weist vorzugsweise einen aktiven Schaltungsbaustein 602 auf, der in geeigneter Weise an einem ungeschützten Halbleiterplättchen-Befestigungspad 604 befestigt ist. Eine Anzahl von Durchgangsvias 606 ist innerhalb eines Substrats 608 ausgebildet; die Durchgangsvias 606 erstrecken sich von dem Halbleiterplättchen-Befestigungspad 604 bis zumindest einem elektrisch leitenden Pad 610, welches an der unteren Oberfläche des Substrats 608 ausgebildet ist. Die Vias 606 können gemäß einer der Vielzahl von herkömmlichen Techniken hergestellt werden. Gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel werden die Vias 606 anfangs plattiert, anschließend mit einem geeigneten Material, welches elektrisch und thermisch leitend ist (z.B. Kupferpaste, leitendes Epoxydharz, Prepreg) oder dergleichen aufgefüllt.
  • In den bevorzugten Ausführungsformen werden die als Wärmevias verwendeten Vias mit einem thermisch leitenden Material in geeigneter Weise aufgefüllt. Das Füllmaterial verhindert ein verfließen des Halbleiterplättchen-Befestigungsmaterials durch die noch offenen plattierten Durchgangsvias. Das Füllmaterial verhindert ebenfalls ein Hochwandern des Lötmaterials durch das Via auf Grund der Dochtwirkung, sobald das MCM- Gehäuse auf eine übergeordnete Leiterplatte oder Baugruppe gelötet wird.
  • Die gefüllten Vias 606 sind derart konfiguriert, dass sie sowohl als Wärmevias als auch als elektrische Leiter zur HF-Erdung wirken. Bei der Installation des MCM 600 auf einer Hauptplatine können die leitenden Pads 610 über das Halbleiterplättchen-Befestigungspad 604 als Massepotential für den aktiven Schaltungsbaustein 602 dienen. Zur Realisierung einer Erdung für den aktiven Schaltungsbaustein 602 können Drahtbonds 612 an einem Ende direkt mit dem Halbleiterplättchen-Befestigungspad 604 und am anderen Ende direkt mit einer geeigneten Stelle des aktiven Schaltungsbausteins 602 verbunden werden. Auf diese Weise schaffen die Vias 606 einen thermischen Pfad vom aktiven Schaltungsbaustein 602 bis hin zur Hauptplatine sowie einen direkten und niederohmigen Massepfad vom aktiven Schaltungsbaustein 602 zur Hauptplatine und/oder zu einer internen Masseschicht.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung kann der Ort der HF-Masseplatte, die Konfiguration der Vias und der leitenden Pfade von den aktiven Schaltungsbausteinen zur HF-Masse entsprechend einer jeweiligen Anwendung variieren. Beispielsweise zeigt 7 eine Schnittansicht eines Abschnitts eines weiteren beispielhaften MCM 700. Das MCM 700 weist ein Blindvia 702 (das Blindvia 702 kann entweder plattiert oder plattiert und gefüllt sein) auf, welches einen ersten aktiven Baustein 704 mit einer inneren Masseplatte 706 thermisch und elektrisch koppelt. Obwohl nicht dargestellt, kann die innere Masseplatte 706 ihrerseits mit einem geeigneten Masseanschluss und/oder einer geeigneten Wärmesenke verbunden sein. Das MCM 700 weist ferner ein plattiertes Durchgangsvia 708 auf, welches einen zweiten aktiven Baustein 710 an eine innere Masseplatte 712 und eine ungeschützte leitende Anschlussplatte bzw. ein Pad 714 elektrisch und thermisch koppelt. Die inneren Masseplatten 706 und 712 können in besonderem Maße in unterschiedlichen (nicht dargestellten) Metallschichten oder in der gleichen Metallschicht ausgebildet sein. Wie vorstehend anhand der 6 beschrieben wurde, kann das leitende Pad 713 gelötet oder auf andere Weise elektrisch leitend auf einer Hauptplatine befestigt werden, welches eine gute HF-Erdung bereitstellt. Ein weiteres gefülltes/plattiertes Blindvia 716 durchstößt oder überspannt drei Metallschichten, wodurch der zweite aktive Baustein 710 mit der inneren Masseplatte 712 verbunden wird.
  • Aufgeteilte Masseplatten
  • Gemäß 1 und 5 bis 7 werden vorzugsweise aufgeteilte Masseplatten in der gleichen oder in unterschiedlichen Metallschichten eines Substrats verwendet, um eine HF-Isolierung zwischen einer Vielzahl von aktiven Schaltungsbausteinen und/oder zwischen verschiedenen Funktionsabschnitten auf einem einzigen aktiven Schaltungsbaustein zu erhalten. Gemäß 1 kann das MCM 100 zwei funktionell verschiedene Abschnitte (jeder Abschnitt ist einem der beiden aktiven Bausteine 104 zugeordnet) auf einem einzigen Substrat 102 enthalten. Zur Verringerung einer unerwünschten HF-Interferenz zwischen dem beiden Abschnitten weist das MCM 100 vorzugsweise eine erste Masseplatte 122 und eine getrennte zweite Masseplatte 124 auf. Im Zusammenhang mit 1 werden somit erste und zweite Masseplatten 122 und 124 aus der gleichen inneren Metallschicht herausgebildet. Wie nachfolgend im Einzelnen beschrieben ist, kann das MCM 100 Vias 118 zum Herstellen einer elektrischen Verbindung zwischen den Masseplatten und den zugehörigen Halbleiterplättchen-Befestigungspads 112 verwenden. Die Masseplatten 122 und 124 können in geeigneter Weise mit einer Masse gekoppelt sein, die auf einer Hauptplatinen-Baugruppe oder einem (in 1 nicht dargestellten) geeigneten Anschluss auf dem MCM 100 vorgesehen ist.
  • Vorzugsweise kann die bestimmte Größe und Form der Masseplatten 122 und 124 in Abhängigkeit von einem vorgegebenen Ent wurf variieren. Beispielsweise zeigt 7 einen ersten aktiven Schaltungsbaustein 704 mit einer zugehörigen inneren Masseplatte 706. Die Drahtbonds 720 stellen einen direkten elektrisch leitenden Pfad zwischen einem Halbleiterplättchen-Befestigungspad 722 und dem Schaltungsbaustein 704 dar. Somit sind für HF-Zwecke der Schaltungsbaustein 704 und die Masseplatte 706 operativ und funktionell einander zugehörig. Ein zweiter aktiver Schaltungsbaustein 710 weist jedoch eine HF-Masseplatte 712 auf, die in einer zur Masseplatte 706 unterschiedlichen Ebene angeordnet ist. Darüber hinaus kann dem Schaltungsbaustein 710 eine elektrisch leitende Masseplatte 714 zugeordnet sein, die auch als Befestigungsfläche zwischen dem MCM 700 und der nächsten Baugruppenstufe dient, z.B. einer Hauptplatine. Bonddrähte 730 dienen der Herstellung einer HF-Erdung des Schaltungsbausteins 710 über das Halbleiterplättchen-Befestigungspad 732.
  • Wie in den 5 und 6 dargestellt ist, ist das Merkmal einer aufgeteilten Masseplatte nicht auf die inneren Metallschichten begrenzt. Gemäß 6 ist ein erstes elektrisch leitendes Massepad 610a von einem zweiten elektrisch leitenden Massepad 610b getrennt; die getrennten Massepads können zur Isolierung von unterschiedlichen Funktionsbereichen auf dem einzigen aktiven Schaltungsbaustein 602 verwendet werden. 5 zeigt eine Bodenansicht eines alternativen MCM 500, bei dem zwei (nicht dargestellte) aktive Schaltungsbausteine montiert werden können. Das MCM 500 weist ein erstes elektrisch leitendes Massepad 502, welches einem ersten aktiven Schaltungsbaustein zugeordnet ist, und eine Vielzahl von elektrisch leitenden Massepads 504 auf, die einem zweiten aktiven Schaltungsbaustein zugeordnet sind. Durchgangsvias 506 bedeuten, dass die entsprechenden Massepads elektrisch und/oder thermisch mit einem aktiven Baustein oder einem Abschnitt eines aktiven Bausteins gekoppelt sind. Ferner können auch Blindvias eingesetzt werden, um eine innere Masseschicht mit einem oder mehreren elektrisch leitenden Massepads elektrisch zu koppeln.
  • Insbesondere sind die elektrisch leitenden Massepads 504 zur Erleichterung einer lokalen HF-Isolierung für einen einzigen aktiven Schaltungsbaustein aufgeteilt. Beispielsweise kann der Abschnitt des aktiven Bausteins oberhalb des Pads 504c eine andere Funktion oder andere elektrische Eigenschaften aufweisen als der Abschnitt des aktiven Bausteins oberhalb des Pads 504a oder 504b. Darüber hinaus kann aus den verschiedensten Entwurfsgründen der oberhalb des Pads 504a angeordnete Abschnitt des aktiven Bausteines eine diesem zugeordnete innere Masseplatte aufweisen oder er benötigt keine getrennte HF-Masse.
  • Die Entwurfskriterien für die besondere Anordnung und Konfiguration der Masseplatten können von den elektrischen Anforderungen, den gewünschten Impedanzen für die aktiven Leitbahnen, die aktive Leitbahndichte sowie anderen Faktoren abhängen. Gemäß der bevorzugten Ausführungsform erhält man die Verwendung von aktiven Schaltungsbausteinen mit einer Vielzahl von isolierten HF-Funktionalitäten auf einem einzigen dielektrischen Substrat in einem praktischen und herstellbaren Produkt unter Verwendung der beschriebenen Techniken zum Aufteilen der Masseplatten.
  • Faradayscher Käfig
  • Gemäß 1 bis 3 kann durch die Verwendung eines metallischen Deckels 108 und geeigneter Masseverbindungen, die einen Faradayschen Käfig um bestimmte Bauteile im MCM 100 erzeugen, eine HF-Isolierung und EMI-Abschirmung für das MCM 100 realisiert werden. Selbstverständlich können einige MCM-Entwürfe eine HF- oder EMI-Interferenz auch tolerieren; derartige Gehäuse benötigen keinen Metalldeckel 108 und können demgegenüber auf herkömmlichen Übergießverfahren beruhen.
  • Wie am besten den 1 und 3 zu entnehmen ist, sind eine Vielzahl von elektrisch leitenden Vias vorzugsweise in einem Randbereich des Substrats 102 ausgebildet. Die genaue Anzahl und Anordnung dieser Vias kann durch die Masseplatten-Konfiguration und die Anzahl sowie den Typ der Bauteile festgelegt werden, welche durch den Faradayschen Käfig geschützt werden sollen. Beispielsweise ist der Abstand zwischen den Randvias vorzugsweise derart ausgewählt, dass das MCM 100 in geeigneter Weise vor einer HF-Interferenz für eine oder mehrere bestimmte Frequenzen geschützt ist. Im Allgemeinen sind die Randvias mit einem Abstand versehen, der kleiner ist als 1/20 der Wellenlänge des unerwünschten Signals.
  • Ein elektrisch leitender Ring 200 (siehe 2) wird am Umfang des Substrats 102 und vorzugsweise oberhalb der Randvias ausgebildet. In der Praxis kann der elektrisch leitende Ring 200 zu Beginn ausgebildet werden, wobei nachfolgend die Randvias in oder in der Nähe des elektrisch leitenden Rings 200 ausgebildet werden. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der elektrisch leitende Ring 200 entweder auf das Substrat plattiert oder in das Substrat 102 hinein geätzt. Der Metalldeckel 108 wird unter Verwendung bekannter Lötverfahren oder mittels elektrisch leitender Epoxy-Befestigungsverfahren derart auf dem elektrisch leitenden Ring 200 befestigt, dass der Metalldeckel 108 und zumindest ein Abschnitt des elektrisch leitenden Rings 200 elektrisch miteinander gekoppelt sind.
  • Die Randvias sind vorzugsweise derart aufgebaut, dass sie elektrisch mit einer metallischen Masseplatte innerhalb des Substrats 102 elektrisch gekoppelt sind. 1 zeigt beispielsweise Randvias 130 und 132, die jeweils mit Masseplatten 122 und 124 gekoppelt sind. Auf diese Weise wirken der Metalldeckel, der elektrisch leitende Ring 200 und eine oder mehrere Masseplatten als Isolier- und Abschirmabschnitte der aktiven Schaltung auf dem Substrat 102. Der Faradaysche Käfig schützt das MCM 100 vor äußeren HF- und EMI-Interferenzen, und der Faradaysche Käfig kann in geeigneter Weise derart aufgebaut sein, dass er verschiedene Abschnitte innerhalb des MCM 100 voreinander schützt und isoliert. Ein Faradayscher Käfig kann in bestimmten Anwendungen, z.B. schnurlose und zellulare Telefone, wünschenswert sein, in denen HF- oder EMI-Abstrahlungen und Interferenzen behördlich reguliert sind.
  • Wünschenswerterweise muss der elektrisch leitende Ring 200 nicht durchgehend und der Metalldeckel 108 nicht als physikalische Abdichtung entlang des Umfangs des Substrats 102 ausgebildet sein. Beispielsweise kann der elektrisch leitende Ring 200 nur für einen Abschnitt des MCM (z.B. Empfangsabschnitt) durchgehend sein. Diskontinuitäten können absichtlich erzeugt werden, um nur einen bestimmten Abschnitt der MCM-Schaltung (z.B. nur eines HF-Sendeabschnitts) zu isolieren und abzuschirmen. Herkömmliche Isolierungstechniken können getrennte Metalldeckel oder einen Metalldeckel mit physikalischen Unterteilungen oder Wänden verwenden, wodurch der Deckel in einzelne Teile aufgespalten wird.
  • Zur Verbesserung der Abschirm- und Isolationseffekte des Faradayschen Käfigs kann das MCM 100 zumindest einen ungeschützten elektrisch leitenden Streifen 140 (siehe 1) aufweisen, der auf dem Substrat 102 ausgebildet ist. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird der elektrisch leitende Streifen 140 als Kupferschlitz ausgebildet, der sich über das gesamte Substrat 102 erstreckt. Der elektrisch leitende Streifen 140 ist elektrisch mit einer oder mehreren Masseplatten über die Randvias gekoppelt. Zusätzlich kann der Metalldeckel 108 elektrisch leitend (mit einem Lötmittel oder einem anderen geeigneten Material) auf dem elektrisch leitenden Streifen 140 befestigt werden. Die Verwendung des elektrisch leitenden Streifens 140 kann in Verbindung mit den aufgeteilten Masseplatten 122 und 124 auf wirkungsvolle Weise einen geteilten Faradayschen Käfig erzeugen, ohne dabei zusätzliche Masseverbindungen mit dem Metalldeckel 108 ausbilden zu müssen.
  • Aufbau der Vias
  • Gemäß 3 bis 10 verwendet ein MCM gemäß einem bevorzugten Merkmal der vorliegenden Erfindung Vias, die derart aufgebaut und angeordnet sind, dass die elektrischen und thermischen Eigenschaften des MCMs verbessert sind. Wie vorstehend beschrieben wurde, können die Vias entweder plattierte Vias oder gefüllte plattierte Vias darstellen, abhängig von der gewünschten Funktion des jeweiligen Vias (z.B. für eine thermische Ableitung und/oder eine HF-Erdung.
  • Gemäß 8 und wie nachfolgend im Detail beschrieben wird, kann ein beispielhafter MCM 800 eine beliebige Kombination von Durchgangsvias 804, Blindvias 806 und vergrabenen Vias 808 in einem einzigen dielektrischen Substrat 802 aufweisen, welches zum Beherbergen einer Vielzahl von aktiven Schaltungs-Bausteinen oder einem einzigen aktiven Schaltungsbaustein mit einer Vielzahl von Funktionen entworfen wurde. Die besondere Anordnung der Durchgangsvias 804, Blindvias 806 und vergrabenen Vias 808 sowie anderer Elemente des MCM 800 (wie sie nachfolgend beschrieben werden) kann durch die gewünschten elektrischen Leistungskriterien, die physikalischen Anforderungen und die mit dem MCM 800 verbundenen Herstellungsfragen vorgegeben sein. Die Blindvias 806 können dazu verwendet werden, ein HF-Signal über seinen kürzesten Weg zu einer inneren Schicht zu leiten oder um einen eingebetteten Übertrager auszubilden. Wenn ein plattiertes Durchgangsloch/Via an dessen Stelle verwendet wird, kann es auf das ungeschützte Boden-Massepad treffen. Da das Massepad auf einem anderen Potential liegt, müsste ein Anti-Pad-Isolationsbereich vom Rest des Massemerkmals auf der Bodenschicht benötigt werden. Ferner würde das Durchgangsvia eine Abdeckung mit einer Lötmittel-Maske benötigen, um zu verhindern, dass das Montage-Lötmittel für das MCM-Gehäuse das Via nicht mit den benachbarten Masse-Merkmalen kurzschließt. Folglich können die Blindvias einen Signalweg abkürzen und ermöglichen eine einfachere Oberflächenmontage für das endgültig fertiggestellte Gehäuse.
  • Die besondere Anordnung der Vias relativ zu einem Halbleiterplättchen-Befestigungspad und/oder einem aktiven Schaltungsbaustein kann auch einer Verbesserung der elektrischen und thermischen Eigenschaften des MCM dienen. Wie am besten in 9 dargestellt ist, kann beispielsweise ein beispielhafter aktiver Schaltungsbaustein 902 einem entsprechenden Halbleiterplättchen-Befestigungspad 904 zugeordnet und damit in geeigneter Weise gekoppelt werden. Eine Vielzahl von Vias 906 bis 922 (gestrichelt dargestellt) werden vorzugsweise derart aufgebaut, dass sie eine elektrische Verbindung mit dem Befestigungspad 904 darstellen. Zur Realisierung einer wirkungsvollen Wärmesenke überlappt der aktive Schaltungsbaustein alle thermischen Vias. 4 zeigt ein ähnliches Befestigungspad 112 und weitere ungeschützte Metallelemente auf einem beispielhaften Substrat 400. Wie nachfolgend beschrieben ist, können derartige Vias durch eine beliebige Kombination von plattierten und/oder gefüllten Durchgangsvias oder Blindvias (vergrabene Vias sind nicht mit einem der ungeschützten Metallschichten gekoppelt) darstellen. Wie vorstehend beschrieben wurde, werden Durchgangslöcher-Vias, die mit einer Masseplatte einer ungeschützten Schicht kurzgeschlossen sind, gefüllt, um Probleme während einer nachfolgenden Montage des MCM-Gehäuses zu vermeiden.
  • In der beispielhaften Ausführungsform gemäß 9 können die Vias 906 bis 916 einem Abschnitt des aktiven Schaltungsbausteins 902 zugeordnet sein und die Vias 918 bis 922 können einem anderen Abschnitt des aktiven Schaltungsbausteins 902 zugeordnet sein. In diesem Zusammenhang können die unterschiedlichen Abschnitte des aktiven Schaltungsbausteins 902 Funktionselemente aufweisen, die in entsprechenden Bereichen des Schaltungsbausteins 902 angeordnet sind. Die relative Trennung der Vias 906 bis 916 von den Vias 918 bis 922 kann den Wunsch widerspiegeln, die beiden Abschnitte des Schal tungsbausteins 902 elektrisch oder thermisch zu isolieren. Eine HF-Isolierung der aktiven Schaltung ermöglicht es dem MCM eine Vielzahl von HF-Funktionen auf einem einzigen dielektrischen Substrat zu integrieren. Die elektrische Isolierung kann ferner durch die Verwendung von geteilten Masseplatten verbessert werden, die jeweils mit verschiedenen Gruppen von Vias gekoppelt sind, wie in den 6 und 7 dargestellt ist und nachfolgend im Einzelnen beschrieben wird.
  • Zur weiteren Verbesserung einer Qualität einer HF-Erdung können die Vias 906 bis 922 derart angeordnet werden, dass zumindest ein Via in unmittelbarer Nähe einer Abwärts-Bondstelle angeordnet ist. Abwärts-Bonds (Drahtbonds) werden üblicherweise zur Realisierung einer Erdung für die aktiven Schaltungsbausteine mittels des Halbleiterplättchen-Befestigungspads ausgebildet. Die 9 zeigt einen Abwärts-Bond (downbond) 924, der den aktiven Baustein 902 mit dem Befestigungspad 904 verbindet. Gemäß der Darstellung bildet der Abwärts-Bond 924 eine elektrische Verbindung zwischen einer Abwärts-Bondstelle 926 auf dem Halbleiterplättchen-Befestigungspad 904 und einer Abwärts-Bondstelle 928 auf dem aktiven Schaltungsbaustein 902. In besonderem Maße sind die Vias 906 und 908 beide relativ nahe an der Abwärts-Bondstelle 928 gelegen. Diese Nähe verbessert die Qualität der HF-Erdung für den aktiven Schaltungsbaustein 902 (idealerweise sollte die Länge des Massepfades so kurz wie möglich sein, um parasitäre Induktivitäten zu verringern).
  • Aufbau der Halbleiterplättchen-Befestigungspads
  • Gemäß einem weiteren bevorzugten Teilaspekt der vorliegenden Erfindung sind die Halbleiterplättchen-Befestigungspads auf dem MCM-Substrat derart aufgebaut, dass sie die elektrischen mechanischen und/oder thermischen Eigenschaften des MCMs verbessern. Das bestimmte Layout der Halbleiterplättchen-Befestigungspads kann von einer Vielzahl von Entwurfsparame tern abhängen, z.B. dem Typ der verwendeten aktiven Schaltungsbausteine, ob die aktiven Bausteine Mehrfachfunktionen durchführen, das Ausmaß einer Notwendigkeit zum Abwärts-Bonden, der Anzahl von den aktiven Bausteinen zugehörigen Signalanschlüssen, dem gewünschten Wert für eine HF-Isolierung zwischen aktiven Bauelementen und dergleichen.
  • Wieder bezugnehmend auf 9 kann das Halbleiterplättchen-Befestigungspad 904 in geeigneter Weise derart geformt sein, dass eine Vielzahl von Abwärts-Bondstellen 932 und 934 sowie eine Vielzahl von elektrisch leitenden Pads 936 bis 940 enthalten sind. Zur Verringerung von parasitären Effekten werden die Abwärts-Bondstellen wie z.B. die Stellen 932 und 934 derart angeordnet, dass die Längen der Drahtbonds 942 und 944 so kurz wie möglich gehalten werden. Gemäß einer praktischen Ausführungsform befinden sich die Abwärts-Bondstellen 932 und 934 auf jeweiligen Vorsprüngen oder hervorstehenden Abschnitten des Halbleiterplättchen-Befestigungspads 904. Die Verwendung derartiger Vorsprünge kann in Anwendungen wünschenswert sein, bei denen eine Liniendichte oder eine Gehäusegröße einen entscheidenden Faktor für den Gesamtentwurf des MCMs darstellt.
  • Die elektrisch leitenden Pads 936 bis 940 können für die Führung der Eingangs- oder Ausgangssignale verwendet werden. Zur Reduzierung einer parasitären und HF-Interferenz wird der Abstand zwischen dem aktiven Schaltungsbaustein 902 und den elektrisch leitenden Pads 936 bis 940 vorzugsweise auf ein zweckmäßiges Minimum gebracht. Demzufolge kann das Halbleiterplättchen-Befestigungspad 904 in geeigneter Weise derart aufgebaut sein, dass die elektrisch leitenden Pads 936 bis 940 in der Nähe der entsprechenden Befestigungspunkte auf dem aktiven Schaltungsbaustein 902 angeordnet sein können. Auf diese Weise kann die Gesamtform des Halbleiterplättchen-Befestigungspads 904 eine beliebige Anzahl von elektrisch leitenden Pads und Abwärts-Bonds beinhalten, während auf der Oberfläche des Substrats Platz gespart wird.
  • 10 zeigt eine schematische Draufsicht eines beispielhaften multifunktionellen aktiven Schaltungsbausteins 1002, der auf ein MCM-Substrat 1004 montiert ist. Der Schaltungsbaustein 1002 kann derart aufgebaut sein, dass er eine Vielzahl von unterschiedlichen HF-Funktionen durchführt, denen eine oder mehrere Betriebsfrequenzen zugeordnet sind. Für die Zwecke einer Darstellung wird der aktive Baustein 1002 mit einem LNA-Abschnitt 1006, einem VGA-Abschnitt 1008, einem ersten zusätzlichen HF-Abschnitt 1010 (z.B. ein HF-Eingangsabschnitt) und mit einem zweiten zusätzlichen HF-Abschnitt 1012 (z.B. ein HF-Ausgangsabschnitt) dargestellt.
  • Das Substrat 1004 weist vorzugsweise eine Vielzahl von getrennten Halbleiterplättchen-Befestigungspads auf, die dem aktiven Baustein 1002 zugeordnet sind. Ein erstes Halbleiterplättchen-Befestigungspad 1014 kann in erster Linie dem LNA-Abschnitt 1006, ein zweites Halbleiterplättchen-Befestigungspad 1016 kann in erster Linie dem VGA-Abschnitt 1008, ein drittes Halbleiterplättchen-Befestigungspad 1018 kann in erster Linie einem HF-Abschnitt 1010 und ein viertes Halbleiterplättchen-Befestigungspad 1020 kann in erster Linie einem HF-Abschnitt 1012 zugeordnet sein. Zwischen den verschiedenen Halbleiterplättchen-Befestigungspads 1014 bis 1020 können Isolierbereiche festgelegt sein. Die getrennten Halbleiterplättchen-Befestigungspads 1014 bis 1020 können zur Adressierung der Problemkreise einer HF-Isolierung, einer EMI-Interferenz und/oder eines thermischen Verlustes in geeigneter Weise aufgebaut sein. Beispielsweise können eine Vielzahl von (gestrichelt dargestellten) Vias dafür verwendet werden, elektrische und thermische Verbindungen zu einer oder mehreren Masseplatten herzustellen. Wie nachfolgend im Einzelnen beschrieben wird, kann das MCM aufgeteilte HF-Masseplatten verwenden, welche in zwischengeordneten Metallschichten oder an der untersten ungeschützten Metallschicht angeordnet sind, um eine effektive HF-Erdung und eine Isolierung zwischen unter schiedlichen HF-Bausteinen oder unterschiedlichen Abschnitten innerhalb eines einzigen HF-Bausteins zu begünstigen.
  • Unterschiedliche Arten von aktiven Bausteinen in einem MCM
  • Wie vorstehend kurz beschrieben wurde, kann das MCM 100 eine beliebige Kombination von verschiedenen Arten von aktiven Schaltungsbausteinen 104, z.B. CMOS, Bipolar, GaAs oder andere geeignete Halbleiterplättchen-Technologien aufweisen. Die Fähigkeit einer Kombination einer Vielzahl von Baustein-Technologien, welche auf ein einziges Substrat 102 montiert werden, erhöht die dem MCM 100 zugeordnete Entwurfsflexibilität. Demzufolge kann das MCM 100 jeden beliebigen Typ von aktiven Schaltungsbausteinen 104 in einer Art und Weise verwenden, die die Herstellungskosten, eine elektrische Leistungsfähigkeit und weitere Entwurfsfaktoren optimieren.
  • Die Verwendung von verschiedenen Typen von aktiven Bausteinen kann zu einem wandlungsfähigeren Entwurf für das Substrat 102 führen. Wie vorstehend in Verbindung mit den 1 bis 3 beschrieben wurde, werden beispielsweise GaAs-Bausteine üblicherweise auf einem ungeschützten Halbleiterplättchen-Befestigungspad 112 montiert, wodurch man eine Wärmesenke für eine Masseplatte oder eine Hauptplatine erhält, an dem das MCM 100 befestigt ist. Demgegenüber können Silizium-basierte Bausteine auf einem Bereich befestigt werden, der mit einer Lötmaske (oder jeder weiteren geeigneten isolierenden Fläche) bedeckt ist. Auf diese Weise können metallische Leitbahnen direkt unterhalb des Silizium-Bausteins geführt werden, oder es können Vias zu anderen Metallschichten ausgebildet werden, ohne sich nachteilig mit den HF-Signalen gegenseitig zu beeinflussen, die dem aktiven Silizium-Baustein zugeordnet sind. Die Lötmaskenschicht isoliert die metallische Leitbahn wirkungsvoll vom Silizium-Baustein. Folglich kann die Dichte der im MCM 100 enthaltenen metallischen Leitbahnen erhöht werden, wenn siliziumbasierte aktive Bausteine (oder andere geeignete Bau steintypen) über einem Bereich einer Lötmaske montiert werden.
  • Oberflächenmontage- und Drahtbond-Technik
  • Wie vorstehend in Verbindung mit den 1 bis 3 beschrieben wurde, weist das MCM 100 vorzugsweise eine Vielzahl von oberflächenmontierten diskreten Bauteilen 106 und eine Vielzahl von aktiven Schaltungsbausteinen 104 auf, die zugehörige drahtgebondete elektrische Verbindungen aufweisen. Die Verwendung einer „Reflow"-Oberflächenmontage-Technik in Verbindung mit der Drahtbond-Technik ist für ein einzelnes MCM-Gehäuse wünschenswert, um die Herstellungskosten zu verringern und das Produktionsvolumen zu erhöhen, während weiterhin die elektrischen Leistungsfähigkeiten und die Gehäuseziele erreicht werden. Die 6, 7 und 9 zeigen Drahtbonds 612, 620, 622, 720 und 924, welche von den aktiven Schaltungsbausteinen zu einer Vielzahl von Kontaktpunkten führen, welche sich auf den entsprechenden Substraten befinden. 6 zeigt Drahtbonds 620 und 622, welche Punkte auf dem Schaltungsbaustein 602 mit entsprechenden Kontaktpads 630 und 632 auf dem Substrat 608 verbinden. Wiederum können die Kontaktpads mit Vias elektrisch gekoppelt sein, die eine elektrische Verbindung zu anderen metallischen Leitbahnen herstellen, welche sich im Substrat 608 befinden.
  • Die vorliegende Erfindung löst die mit dem Plattieren und Säubern von Lötpads und Drahtbond-Pads einhergehenden Schwierigkeiten sowie den Problemen, die mit dem Lötmittelfluss einhergehen (Kurzschlüsse können auf Grund der physikalischen Nähe von diskreten Bauteilen 106 zu den aktiven Bauelementen 104 und zu benachbarten elektrischen Kontaktstellen auftreten). Beispielsweise können die Eigenschaften des Plattiermaterials (z.B. Gold), welches für die Drahtbond-Pads verwendet wird, von den Eigenschaften des Plattiermaterials, welches für die Lötpads verwendet wird, verschieden sein. Darüber hinaus sind elektrolytische Plattierprozesse, die ansonsten in herkömmlichen MCMs verwendet werden, ungeeignet für HF-Anwendungen, da die verbleibenden metallischen Stäbe oder Stutzen die HF-Schaltung dramatisch abändern können. Durch die Adressierung dieser Hindernisse können im MCM 100 oberflächenmontierte diskrete Bauteile mit drahtgebondeten aktiven Schaltungsbausteinen auf einem einzigen dielektrischen Substrat kombiniert werden.
  • Rückseiten-Anschlüsse
  • Der Stand der Technik ist übersättigt mit Verfahren zum Herstellen von Anschlussverbindungen zwischen einem integrierten Schaltungsgehäuse, z.B. einem MCM, und der nächsten Baugruppenebene, z.B. einer Hauptplatine. Beispielsweise kann ein herkömmliches MCM eine Kugel-Gitter-Anordnung (BGA, ball grid array), eine Stift-Gitter-Anordnung (PGA, point grid array), eine Land-Gitter-Anordnung (LGA, land grid array), eine Kronen-Gitter-Anordnung oder dergleichen verwenden. Jedoch sind die herkömmlichen MCMs oftmals auf ein einziges Anschlussschema beschränkt, weshalb das MCM-Substrat mit dem Anschlussschema als begrenzenden Faktor entworfen werden muss.
  • Im Gegensatz zu herkömmlichen MCMs kann ein erfindungsgemäßes MCM ein oder mehrere freiliegende Befestigungspads (z.B. Massepads) mit einer Vielzahl von Rand-Kontaktpads kombinieren. Die 5 zeigt die Bodenansicht eines beispielhaften MCM 500, der eine Vielzahl von relativ großen Massepads 502 und 504 und eine Anzahl von äußeren Land-Gitter-Pads 510 einsetzt. In einer alternativen Ausführungsform können Lötkugeln als Anschlusselemente verwendet werden. Ein LGA wird in HF-Anwendungen bevorzugt, da der mit den Lötkugeln einhergehende höhere Abstand üblicherweise unerwünschte Störeffekte hervorruft. Die 3 zeigt die Verwendung von Kronen 140 (plattierte Halb-Zylinder) als Anschlüsse. Die Kronen 140 können in bestimmten Anwendungen erwünscht sein, bei denen eine visuelle Inspektion der Unversehrtheit der gelöteten Verbindungen zwischen den Kronen und der Hauptplatine notwendig ist.
  • Erfindungsgemäß kann ein MCM eine beliebige Kombination von Anschlussschemas in einem einzigen Gehäuse verwenden. Die vielseitige und flexible Eigenart eines derartigen Anschlussschemas erlaubt es dem MCM die Vorteile der verschiedenen Arten von Anschlüssen auszunutzen, um elektrische und herstellungsbedingte Probleme ins Auge zu fassen.
  • Einstellbare gedruckte Passiv-Bauteile
  • Wie in 3 dargestellt ist, kann ein MCM gedruckte passive Bauteile wie beispielsweise eine gedruckte Spule 150 aufweisen; derartige gedruckte Bauteile können mit den aktiven Schaltungsbausteinen, elektrisch leitenden Pads, Anschlüssen, diskreten Bauteilen oder dergleichen verbunden sein. Gedruckte Widerstände, Kondensatoren, Spulen und Übertrager können zum Zwecke eines Abstimmens, Abgleichens, einer Überbrückung oder Isolierung verwendet werden. Herkömmliche MCM-Substrate können hinsichtlich der Einstellbarkeit von derartigen gedruckten Bauteilen beschränkt sein; üblicherweise sind die elektrischen Eigenschaften von gedruckten Bauteilen mit dem Entwurf des Substrats fest vorgegeben.
  • Gemäß 11 und 12 kann ein MCM-Substrat 1100 eine beliebige Anzahl von einstellbaren gedruckten Bauteilen aufweisen. Die 11 ist eine schematische Darstellung einer beispielhaften gedruckten Spiralspule 1110 und 12 zeigt eine schematische Darstellung einer beispielhaften gedruckten Hufeisenspule 1210. Gemäß herkömmlicher Verfahren sind derartige gedruckte Bauteile in der ersten Metallschicht des Substrats 1100 ausgebildet. Ein geeignetes Isoliermaterial, wie z.B. eine Lötmaske kann auf die Abschnitte der Spulen 1110 und 1210 aufgebracht werden, welche nicht frei liegen sollen. Die Spulen 1110 und 1210 sind beide vorzugsweise derart aufgebaut, dass ihre entsprechenden Induktivitäten wenn nötig abgeändert werden können, nachdem das Substrat 1100 hergestellt wurde.
  • Die Spiralspule 1100 kann an einem Ende mit einem elektrisch leitenden Via 1112 oder einem beliebigen geeigneten elektrisch leitenden Übergang verbunden sein. Ein erstes Ende eines Drahtbonds 1116 kann mit einem elektrisch leitenden Pad 1114 unter Verwendung herkömmlicher Drahtbond-Verfahren elektrisch verbunden werden. Ein zweites Ende des Drahtbonds 1116 ist elektrisch verbunden mit einer Stelle 1118 dargestellt, welche in der Nähe des äußeren Endes der Spiralspule 1100 liegt. Die Stelle 1118 kann durch Entfernen eines geeigneten Abschnitts des Lötmaskenmaterials freigelegt sein. Gemäß dieser beispielhaften Ausführungsform kann jede beliebige Anzahl von zweiten Stellen 1120 als Kontaktpunkt für den Drahtbond 1116 verwendet werden. Diese zweiten Stellen 1120 können zum Abstimmen der Induktivität der Spiralspule 1100 auf einen gewünschten Wert verwendet werden.
  • Die Hufeisenspule 1210 kann an beiden Enden mit jeweiligen elektrisch leitenden Vias oder elektrisch leitenden Pads 1212 elektrisch verbunden sein. An sich kann die Hufeisenspule 1210 eine bestimmte Induktivität aufweisen, die annähernd einem bestimmten Entwurfswert entspricht. Auf Grund von Herstellungstoleranzen und Wechselwirkungen mit anderen Bauteilen, die dem MCM zugehören, kann die Hufeisenspule 1210 eine nicht optimierte Induktivität aufweisen. Demzufolge kann eine beliebige Anzahl von zweiten Spulen 1214 in der Nähe der Hufeisenspule 1210 aufgedruckt sein. Die zweiten Spulen 1214 sollen eine Einstellung der mit der Hufeisenspule 1210 einhergehenden Induktivität erleichtern. Wie in 12 dargestellt ist, kann die zweite Spule 1214 parallel zur Hufeisenspule 1210 drahtgebondet werden, wodurch eine zwischen den Vias 1212 gemessene Gesamtinduktivität wirkungsvoll verringert werden kann. Die Gesamtinduktivität kann in geeigneter Weise in Abhängigkeit von den den unterschiedlichen zweiten Spulen 1214 zugehörigen Induktivitäten eingestellt werden. Obwohl in 12 nur zwei zweite Spulen 1214 dargestellt sind, kann auf dem Substrat 1100 jede beliebige Anzahl aufge druckt werden. Darüber hinaus kann jede beliebige Anzahl von zweiten Spulen durch Drahtbonden miteinander verbunden werden, um eine vielseitige Einstellbarkeit der Induktivität zu ermöglichen. Ferner kann ein Tröpfchen oder Klümpchen eines Lötmittels verwendet werden, um den Pfad zwischen den Spulenwicklungen kurzzuschließen.
  • Diese und andere Verfahren können zum Einstellen der ohmschen und kapazitiven Elemente verwendet werden, die sich auf dem Substrat 1100 befinden. Es wäre willkommen, wenn diese Einstellverfahren auch im Zusammenhang mit dreidimensionalen Bauteilen angewendet werden können.
  • Zusammenfassend kann ein vielseitiges MCM-Modul gemäß der vorliegenden Erfindung eine Vielzahl von Merkmalen realisieren, wodurch die Integration von unterschiedlichen HF-Funktionen auf einem einzigen Substratgehäuse ermöglicht wird. Eine HF-Isolierung, ein EMI-Schutz, eine elektrische Leistungsfähigkeit, eine thermische Ableitung, eine hochvolumige Herstellbarkeit, ein Leistungsverbrauch-Management und eine Herstellung bei geringen Kosten sind wesentliche Parameter, die während des Entwurfs des MCM berücksichtigt werden. Die flexible Natur der MCM-Elemente erlaubt es, diese und weitere Entwurfsparameter bei der Produktion von praxisnahen MCM-Gehäusen zu berücksichtigen.
  • Die vorliegende Erfindung wurde anhand einer bevorzugten Ausführungsform beschrieben. Der Fachmann wird jedoch erkennen, dass Änderungen und Modifikationen an der bevorzugten Ausführungsform durchgeführt werden können, ohne dabei vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Beispielsweise sind die hierin beschriebenen Layoute der Substrate und besonderen Bauteile lediglich beispielhaft. Darüber hinaus wird die bestimmte Funktionalität eines vorgegebenen MCM-Gehäuses von Anwendung zu Anwendung variieren. Diese und weitere Änderungen oder Modifikationen sollen innerhalb des Umfangs der vor liegenden Erfindung enthalten sein, wie sie in den nachfolgenden Ansprüchen ausgedrückt sind.

Claims (8)

  1. Mehrchipmodul (100) mit integrierten HF-Fähigkeiten mit einem Verbindungssubstrat (102), welches derart entworfen ist, dass es dem Mehrchipmodul (100) eine Integration einer Vielzahl von HF- und IF-Funktionen ermöglicht, wobei das eine Verbindungssubstrat (102) ein elektrisches Anschlussschema aufweist, welches aus der Gruppe bestehend aus einem Kugelgitter-Anordnungsschema, einem Stiftgitter-Anordnungsschema, einem Landgitter-Anordnungsschema und einem Kronen-Anordnungsschema ausgewählt ist, wobei das Mehrchipmodul ferner einen ersten aktiven Schaltungsbaustein (104) mit einem ersten Abschnitt zum Durchführen einer ersten HF- und IF-Funktion und einen zweiten Abschnitt zum Durchführen einer zweiten HF- und IF-Funktion aufweist, wobei der erste aktive Schaltungsbaustein (104) mit dem einen Verbindungssubstrat (102) gekoppelt ist, wobei das Mehrchipmodul ferner einen zweiten aktiven Schaltungsbaustein (104) mit einem ersten Abschnitt zum Durchführen einer ersten HF- und IF-Funktion und einem zweiten Abschnitt zum Durchführen einer zweiten HF- und IF-Funktion aufweist, wobei der zweite aktive Schaltungsbaustein (104) mit dem einen Verbindungssubstrat (102) gekoppelt ist, und wobei das Mehrchipmodul ferner zumindest ein passives Bauteil (106) aufweist, das mit dem einen Verbindungssubstrat (102) gekoppelt ist, wobei das Mehrchipmodul (100) gekennzeichnet ist durch: den ersten aktiven Schaltungsbaustein (104) einschließlich eines ersten LNA-Abschnitts und eines zweiten VGA-Abschnitts; den zweiten aktiven Schaltungsbaustein (104) einschließlich eines zweiten LNA-Abschnitts und eines zweiten VGA-Abschnitts; eine erste Masseplatte (122) einschließlich des ersten aktiven Schaltungsbausteins (104); eine zweite Masseplatte (124) einschließlich des zweiten aktiven Schaltungsbausteins (104), wobei die erste Masseplatte (122) und die zweite Masseplatte (124) derart entworfen sind, dass sie eine HF-Interferenz zwischen dem ersten und zweiten aktiven Schaltungsbaustein (104) verringern; zumindest ein Abgleich-Netzwerk, welches in das eine Verbindungssubstrat (102) integriert ist, wobei das zumindest eine Abgleich-Netzwerk mit zumindest einem der ersten und zweiten aktiven Schaltungsbausteine (104) verbunden ist; und gefüllte Vias (606), die derart entworfen sind, dass sie sowohl als thermische Vias als auch als elektrische Leiter für die HF-Erdung wirken.
  2. Mehrchipmodul (100) nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste aktive Schaltungsbaustein (104) einen HF-Eingangsabschnitt aufweist.
  3. Mehrchipmodul (100) nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste aktive Schaltungsbaustein (104) einen HF-Ausgangsabschnitt aufweist.
  4. Mehrchipmodul (100) nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite aktive Schaltungsbaustein (104) zum ersten aktiven Schaltungsbaustein (104) verschiedene elektrische Eigenschaften aufweist.
  5. Mehrchipmodul (100) nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und zweiten aktiven Schaltungsbausteine (104) bei unterschiedlichen HF- und IF-Frequenzen arbeiten.
  6. Mehrchipmodul (100) nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste aktive Schaltungsbaustein (104) einer ersten Halbleiterplättchen-Technologie und der zweite aktive Schaltungsbaustein (104) einer zweiten Halbleiterplättchen-Technologie entspricht.
  7. Mehrchipmodul (100) nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vias derart angeordnet sind, dass zumindest ein Via in der Nähe einer Abwärts-Bondstelle angeordnet ist.
  8. Mehrchipmodul (100) nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das nur eine Verbindungssubstrat (102) eine äußere Oberfläche mit darauf liegenden Bond-Kontaktpunkten aufweist, und der erste aktive Schaltungsbaustein (104) und der zweite aktive Schaltungsbaustein (104) mit Drahtbonds an die Drahtbond-Kontaktpunkte gekoppelt sind.
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