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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein aufgeformtes IC-Gehäuse (Integrated
Circuit – integrierte Schaltung).
Sie liegt im Bereich der CSP-Gehäuse, eine
Abkürzung
aus dem englischen Sprachbereich für „Chip Scale packaging", und betrifft insbesondere BGA-Gehäuse, englischsprachige.
Abkürzung
für „Ball Grid
Array".
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Sie
betrifft insbesondere ein aufgeformtes IC-Gehäuse, das es erlaubt, die von
der integrierten Schaltung abgegebene Leistung über die ihn aufnehmende Karte
abzugeben.
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Der
Ausdruck „Chip" wird verwendet,
um die integrierte Schaltung zu bezeichnen.
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Der
Ausdruck „Band" wird verwendet,
um ein Substrat zu bezeichnen, üblicherweise
in der Form eines Bandes, biegsam (flexibel), auf welchem der Chip
durch eine Technologie, die unter dem angelsächsischen Ausdruck TAB, Abkürzung für „Tape Automated
Bonding" bekannt
ist, verbunden ist.
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Die Überformung
von Chips wird in weitem Maße
von den Herstellern von Chipgehäusen
verwendet und insbesondere für
die BGA-Gehäuse.
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Der
Vorgang der Überformung
wird im allgemeinen verwendet, um den Chip gegenüber seiner äußeren Umgebung zu schützen und
gleichzeitig eine Ableitung der vom Chip abgegebenen Kalorien zu
erlauben.
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Das
Dokument
EP 0 684 641
A beschreibt eine Technik, die zwei aufeinanderfolgende Überformungsvorgänge verwendet,
um das unter dem angelsächsischen
Begriff „bending" bekannte Phänomen zu
vermeiden, das während
der unter Druck erfolgenden Einspritzung des Harzes in das Innere
der Form auftritt und Beanspruchungen und sogar Zerstörungen der
Verbindungen zwischen dem Chip und den auf dem Band aufgebrachten
Kupferleitungen nach sich zieht.
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Das
in diesem Dokument beschriebene Verfahren besteht darin, eine erste Überformung
des Chips so dicht wie möglich
am Chip durchzuführen, um
damit den Effekt des „bending" zu vermeiden, und dann
eine zweite Überformung
durchzuführen,
die die erste einschließt
und das Oberteil des Gehäuses bildet.
Der Chip und seine Aufformung sind in Richtung des Gehäuseäußeren orientiert.
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Für Chips,
die mehr Leistung abgeben, ist vorgesehen, einen Kühlkörper auf
dem Chip anzuordnen. Die erste Aufformung umfaßt damit den Chip und den Kühlkörper ohne
dabei jedoch das externe Teil des Kühlkörpers zu bedecken, um eine
gute Abführung
der Hitze aus dem Gehäuse
heraus zu erlauben. Ebenso umschließt die zweite Aufformung die erste
ohne dabei jedoch ihren externen Teil zu bedecken.
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Diese
Lösung
wird auf Chips angewendet, die in die äußere Umgebung des Gehäuses Wärme abführen.
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In
gewissen Anwendungen ist es jedoch nicht immer möglich, die vom Chip abgegebenen
Kalorien nach außen
abzuführen.
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Im übrigen erlaubt
diese Lösung
der Verpackung nicht, ausgehend von einer vorgegebenen Gehäusegröße, Chips
verschiedener Größen und
Stärken
aufzunehmen.
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Das
Dokument
US 6 023 096 beschreibt
ein Gehäuse
für eine
integrierte Schaltung umfassend ein Halbleiterelement, Leiterbahnen
auf der Oberfläche
eines Leiterfilms, Elektroden, die mit den Bahnen verbunden sind
und eine Harzschicht, die es erlaubt, die Elemente des Gehäuses einzugießen. Das
Harz ist von einem metallischen Blatt bedeckt, das das Harz abdichtet,
um zu vermeiden, daß es
auf lange Sicht Risse bekommt.
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Ein
Nachteil dieses Gehäuses
ist, daß das Harz,
wenn es eingebracht wird, das Halbleiterelement abheben kann, was
zu einem bending-Effekt führt.
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Die
Erfindung hat insbesondere die Aufgabe, diese Nachteile zu überwinden.
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Das
erfindungsgemäße Gehäuse wird
damit Anwendungen, bei denen es notwendig ist, über die Karte, auf der der
Chip aufgebaut ist, Wärme
abzuleiten, und insbesondere Anwendungen im Automobilbereich, gerecht.
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Die
Erfindung hat insbesondere den Vorteil, den Effekt des „bending" während der Überformung zu
vermeiden und das gleiche Aufformungswerkzeug für eine vorgegebene Gehäusegröße und für verschiedene
für dieses
Gehäuse
zugelassene Chipgrößen zu verwenden.
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Gegenstand
der Erfindung ist ein aufgeformtes Gehäuse umfassend eine integrierte
Schaltung (1), Leiterbahnen, die auf einer ersten Oberfläche eines
zwei Oberflächen
umfassenden, biegsamen, isolierenden Substrats angeordnet sind,
wobei die Leiterbahnen verbunden sind mit Ausgängen des Gehäuses des
Substrats und mit einer Oberfläche
der integrierten Schaltung, die der zweiten Substratoberfläche gegenüberliegend
angeordnet ist, und ferner umfassend eine elektrisch isolierende Überformung, die
die genannte Oberfläche
der integrierten Schaltung überdeckt
und auf die zweite Oberfläche
des Substrats überragt,
wobei die Verbindung zwischen den Leiterbahnen und der Oberfläche der
integrierten Schaltung gemäß der TAB-Technologie
(Tape Automated Bonding) realisiert sein kann, dadurch gekennzeichnet,
daß es
ferner eine elektrisch isolierende Verstärkungsplatte umfaßt, die
in der Überformung
eingeschlossen und flach gegenüber
der genannten ersten Oberfläche
der integrierten Schaltung angeordnet ist und die auf beiden Seiten
der genannten Oberfläche
der integrierten Schaltung übersteht, um
einen Teil des Substrats und der entsprechenden Bahnen zu überdecken,
dergestalt, daß der
Raum zwischen der integrierten Schaltung und dem Substrat vollständig und
abdichtend blockiert ist.
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Die
Erfindung hat auch ein Verfahren zum Gegenstand zum Aufformen eines
Gehäuses,
das eine integrierte Schaltung und Leiterbahnen umfaßt, die
von einem biegsamen, isolierenden Substrat getragen sind und verbunden
sind mit einer Oberfläche der
integrierten Schaltung gemäß der TAB-Technologie
und mit Ausgängen
des Gehäuses,
die auf einer Oberfläche
des Substrats angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß es aus
folgenden Schritten besteht:
- – Anordnen
der aus dem Substrat und der integrierten Schaltung gebildeten Einheit
relativ zu einem ersten Teil einer Form, das ausgestattet ist mit
einer Kavität,
die die integrierte Schaltung enthält, und mit Seitenrändern, die
die genannte Oberfläche
des Substrats auf beiden Seiten der integrierten Schaltung tragen;
- – Anordnen
einer elektrisch isolierenden Verstärkungsplatte flach gegenüber der
genannten Oberfläche
der integrierten Schaltung und auf beiden Seiten der genannten Oberfläche der
integrierten Schaltung überragend,
um einen Teil des Substrats und der entsprechenden Bahnen zu bedecken,
dergestalt, daß der
Raum zwischen der integrierten Schaltung und dem Substrat vollständig und
abdichtend blockiert wird;
- – Anordnen
eines zweiten Teils der Form, das ausgestattet ist mit Seitenrändern und
einer Wanne, die gegenüber
der genannten Kavität
plaziert ist, auf der aus dem Substrat und der integrierten Schaltung
gebildeten Einheit, dergestalt, daß die Seitenränder der
zwei Teile der Form Teile des Substrates, die an die integrierte
Schaltung angrenzen, abdichtend einklemmen; und
- – Einspritzen
eines Überformharzes
in die Wanne, um die Überformung
für das
Gehäuse
zu bilden.
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Es
folgt daraus, daß die
Erfindung als Folgegegenstand eine Karte hat, die wenigstens ein
Gehäuse
trägt,
das eine integrierte Schaltung, Leiterbahnen, die von einem biegsamen,
isolierenden Substrat getragen sind und verbunden sind mit einer Oberfläche der
integrierten Schaltung gemäß der TAB-Technologie
und mit Ausgängen
des Gehäuses, die
auf einer Oberfläche
des Substrats angeordnet sind, und eine elektrisch isolierende Überformung enthält, die
die genannte Oberfläche
der integrierten Schaltung bedeckt und auf die der genannten Substratoberfläche gegenüberliegenden
Oberfläche überragt,
dadurch gekennzeichnet, daß das
Gehäuse
das zuvor definierte ist.
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Weitere
Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden durch die
Lektüre
der Beschreibung deutlich, die mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen
abgefaßt
ist, in denen:
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1 ein
schematisches Schnittbild eines Beispiels für eine Anfangsstruktur eines
mit Kugeln ausgestatteten Gehäuses
ist;
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2 ein
schematisches Schnittbild eines Beispiels für ein Aufformungswerkzeug ist;
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3 ein
schematisches Schnittbild eines Beispiels der Struktur eines erfindungsgemäßen Gehäuses mit
einer Verstärkungsplatte
und einer optionalen Kühlplatte
im Fall eines großen
Chips ist;
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4 ein
schematisches Schnittbild eines erfindungsgemäßen Aufformungswerkzeuges angepaßt an die
Struktur der 3 ist;
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5 ein
schematisches Schnittbild eines Beispiels der Struktur eines erfindungsgemäßen Gehäuses mit
Verstärkungsplatte
und optionaler Kühlplatte
im Fall eines kleinen Chips ist;
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6 ein
schematisches Schnittbild des erfindungsgemäßen Aufformungswerkzeuges angepaßt an die
Struktur der 5 ist; und
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7 eine
Variante einer Ausführungsform eines
auf einer Karte aufgebauten Gehäuses
ist, bei dem der Chip direkt Wärme über die
Karte ableitet.
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In
den Figuren sind die Maßstäbe nicht
eingehalten und die gleichen Elemente sind mit dem gleichen Bezugszeichen
versehen.
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1 illustriert
schematisch die Grundstruktur eines aufgeformten BGA-Gehäuses ausgestattet mit
Kugeln, gemäß einem
Schnittbild.
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Diese
Struktur umfaßt
einen Chip 1, der entsprechend der TAB-Technologie auf
einem isolierenden biegsamen Band 2, z. B. aus Polyimid,
aufgebaut ist, das Leiterbahnen 3 trägt, die gewöhnlich aus Kupfer sind. Die
aktive Seite 4 des Chips, auf dem die Verbindungsstellen 5i aufgebracht
sind, entspricht der Oberseite des Chips 1.
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Unter
Oberseite 4 ist die Seite zu verstehen, die derjenigen
gegenüberliegt,
die gegenüber
der Karte C, die vorgesehen ist, das Gehäuse aufzunehmen, angeordnet
ist und die die von der Unterseite des Chips 1 abgegebenen
Kalorien ableiten kann. Diese Anordnung entspricht der Tatsache,
daß die Gehäuseausgänge auf
einer Substratseite angeordnet sind, die gegenüber der Seite liegt, die die Überformung
trägt.
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Der
Anschluß des
Chips 1 auf dem Band 2 ist in bekannter Weise
gemäß der Technologie „bumpless" realisiert, gemäß der die
freien Enden 3e der Kupferleiterbahnen 3 mit den
entsprechenden Aluminiumverbindungsstellen 5i des Chips 1 per
Thermosonie verbunden werden. Eine Anschlußtechnik mit „bump" ist ebenfalls zu
der Grundstruktur des erfindungsgemäßen Gehäuses kompatibel.
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Die
so gebildeten Gehäuseausgänge sind dazu
vorgesehen, auf einer Karte C über
Lötkugeln 6i verbunden
zu werden.
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In
dem dargestellten Beispiel ist der obere Teil der Struktur 1, 2 und 3 vollständig umhüllt von
einem elektrisch isolierenden Schutzharz 7.
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Dieser
Vorgang ist erreicht durch Überformen.
Die Überformung
des Gehäuses
bewirkt zusätzlich
zur Schutzfunktion für
den Chip 1 auch eine Versteifung der Struktur des Bandes 2 und
garantiert damit eine gute Koplanarität der Kugeln 6i während der
Montage auf der Karte C.
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Die 2 zeigt
schematisch die Form eines Werkzeuges, das für den Überformungsvorgang benutzt
wird und das sich auf die Chip-Bandstruktur der 1 bezieht.
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Das Überformungswerkzeug
umfaßt
eine Form 8 aus zwei Teilen: Ein oberes Teil 8s,
dessen Innenprofil 9 eine allgemeine Form einer umgedrehten
Wanne im Sinn der Figur aufweist, und ein unteres Teil 8i,
das dem ersten gegenüberliegt
und eine Kavität 10 umfaßt, die
gegenüber
der Wanne 9 angeordnet ist.
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Die
Seitenränder 11 und 12 der
respektiven zwei Teile 8s und 8i der Form sind
so angeordnet, daß sie
die Teile 13 des Bandes 2, die angrenzend sind
an den Chip, einklemmen.
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Das
innere Profil des Oberteils 8s der Form 8 definiert
die äußere Form
der Überformung 7 und das
innere Profil des Unterteils 8i der Form 8 definiert die
Kavität 10,
die dafür
bestimmt ist, den Chip 1 zu enthalten. Das Unterteil 8i der
Form 8 trägt
auch die Chip-Bandstruktur während
des Vorgangs der Überformung.
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Die
Seitenränder 11 des
Oberteils 8s stützen sich
auf beiden Seiten des Chips 1 auf das Band 2 und
die Leiterbahnen 3. Das Oberteil 8s bedeckt in abdichtender
Form die aktive Seite 4 des Chips 1 und die TAB-Verbindungen,
die die leitenden Kontaktflächen 5i des
Chips 1 mit den Enden 3e der Leiterbahnen 3,
die auf dem Band 2 liegen, verbinden.
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Die Überformung
wird durch Einspritzen des Harzes 7 ins Innere des Oberteils 8s der
Form 8 realisiert.
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Das
Unterteil 8i der Form 8 sollte kein Harz 7 empfangen.
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Jedoch
dringt während
des Einspritzens des Harzes 7 in das Oberteil 8s der
Form 8 das Harz 7 zwischen den Enden 3e der
Leiterbahnen 3, die mit dem Chip 1 verbunden sind,
durch und dringt in das Innere der Kavität 10 des Unterteils 8i der
Form 8 ein und übt
dabei einen Druck auf den Chip 1 aus, der sich abhebt und
aufs Neue den zuvor bereits definierten „bending"-Effekt produziert.
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Die 3 bis 7 zeigen
Ausführungsbeispiele
der Erfindung, in denen eine Verstärkungsplatte 14, elektrisch
isolierend, auf dem oberen Teil des Bandes 2 und den Enden
der Leiterbahnen vor der Überformung
des Gehäuses
angeordnet ist.
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Diese
Platte 14 hat den Vorteil, daß sie die Steifigkeit der Gehäusestruktur
verstärkt
und die Funktion den Raum zwischen dem Chip 1 und dem Band 2 vollständig und
abdichtend zu versperren und damit den Durchgang des Harzes 7 ins
Innere der Kavität 10 des
Unterteils 8i der Form 8 zu verhindern.
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Die
Verstärkungsplatte 14 ist
flach auf dem Band 2 angeordnet und erstreckt sich von
einer Seite des Chips 1 zur anderen, wobei sie auf das
Band 2 in einer Art und Weise übersteht, die die Oberseite 4 des
Chips 1 sowie die Enden 3e der Leiterbahnen 3, die
mit dem Chip 1 verbunden sind, vollständig und abdichtend abdeckt.
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Ein
erfindungsgemäßes Verfahren
zum Aufformen enthält
also die folgenden Schritte, bestehend aus:
- – Anordnen
der aus dem Band und dem Chip gebildeten Einheit im Inneren eines
ersten Teils einer Form umfassend eine Kavität, die den Chip enthält, und
Seitenrändern,
die das Band auf beiden Seiten des Chips stützen;
- – Anordnen
einer elektrisch isolierenden Verstärkungsplatte, die flach gegenüber dem
Chip, auf der Oberfläche
des biegsamen Bandes gegenüber
der Oberfläche,
die den Chip aufnimmt, angeordnet ist und auf beiden Seiten des Chips
auf das Band überragt,
so daß die
aus dem auf dem Band aufgebauten Chip gebildete Einheit versteift
und der Raum zwischen dem Chip und dem Band vollständig und
abdichtend versperrt wird;
- – Anordnen
eines zweiten Teils der Form auf der durch das Band und den Chip
gebildeten Einheit, wobei diese bedeckt werden und gestützt auf
dem Band auf beiden Seiten des Chips, um das Band abdichtend zwischen
den beiden Teilen der Form einzuklemmen; und
- – Einspritzen
eines Überformharzes
in das Innere des zweiten Teils der Form, um ein Aufformteil des Gehäuses zu
bilden.
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Die
Verstärkungsplatte 14 kann
aus Epoxid mit einer Dicke von 250 μm sein. Ihre Größe wird
in Abhängigkeit
von der maximal zulässigen
Größe des Chips
für ein
bestimmtes Gehäuse
bestimmt.
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Die
Größe der Kavität 10 in
dem Unterteil 8i der Form 8 muß im wesentlichen in der gleichen
Größenordnung
liegen wie die Verstärkungsplatte 14. Sie
wird ebenfalls in Abhängigkeit
von der maximal zulässigen
Größe des Chips
für das
gleiche Gehäuse bestimmt.
Diese Konfiguration wird in den 3 und 4 illustriert.
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Als
nicht einschränkendes
Beispiel ist für
ein Gehäuse
von 20 mm Seitenlänge,
das einen Chip von etwa 15 mm Seitenlänge und einer Dicke von 525 μm mit 300
Ausgängen
aufnimmt, die Größe der Platte
in einer Größenordnung
von 17 mm Seitenlänge.
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Für kleinere
Chips 1, wie in den 5 und 6 gezeigt,
deren Abmessungen beispielsweise in der Größenordnung von 8 mm Seitenlänge und 350 μm Dicke liegen,
hat die Verstärkungsplatte 14 die
gleiche Größe wie die
für den
Chip mit 15 mm Seitenlänge
verwendete Platte. Ebenso hat das Unterteil 8i der Form 8 die
gleiche Größe unabhängig davon, wie
groß der
zulässige
Chip für
das Gehäuse
ist.
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Man
versteht somit besser die Vorteile, die eine derartige erfindungsgemäße Struktur
mit sich bringt.
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Neben
dem Zulassen verschiedener Chipgrößen, kann die erfindungsgemäße Struktur
optional auch die Montage eines thermischen Ableiters oder Kühlkörpers 15 erlauben,
der beispielsweise aus einer metallischen Platte gebildet ist, die
als thermischer Ableiter dient, und abhängig von der vom Chip und seiner
Anwendung abgegebenen Leistung mehr oder weniger dick ist.
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In
diesem Fall sind die Abmessungen der Kugeln 6i zur Verbindung
mit der Karte C angepaßt, um
die Gesamtdicke des durch den Chip 1 und den Kühlkörper 15 gebildeten
Stapels zu berücksichtigen.
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Ebenso
werden die anderen Abmessungen des Kühlkörpers 15 an die Abmessungen
des Chips 1 angepaßt.
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In
den Figuren ist der Kühlkörper 15 den Chip
leicht überragend
dargestellt. Der Kühlkörper 15 ist
entweder auf die untere Oberfläche
des Chips 1 geklebt oder gelötet.
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7 zeigt
als Variante eine Ausführungsform
eines auf der Karte C montierten Gehäuses, bei dem der Chip 1 Wärme direkt
auf die Karte C ableitet. Die untere Oberfläche des Chips kann beispielsweise
mit einer Leiteranordnung ausgestattet sein, welche auf einen leitenden
Bereich gelötet
oder geklebt sein kann, der auf der Oberfläche der Karte C dem Chip 1 gegenüberliegend
angeordnet ist.
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In
diesem Fall werden die Abmessungen der Verbindungskugeln 6i angepaßt, um die
Dicke des Chips 1 und des Lots oder des Klebers zu berücksichtigen.
- 1. Zusammenfassend hat die Erfindung insbesondere
die folgenden optionalen Merkmale. Im Gehäuse ist die Platte 14 in
Abhängigkeit
von der vorgegebenen maximalen Größe der integrierten Schaltung 1,
die für
die Abmessungen des Gehäuses
zulässig
ist, dimensioniert. Des weiteren kann ein thermischer Ableiter 15 auf
der Seite angeordnet sein, die der Seite der integrierten Schaltung 1 gegenüberliegt,
zu seiner aktiven Seite und eine Größe aufweisen, die angepaßt ist an
die Größe der integrierten
Schaltung. Für
das Verfahren wird die Größe der Kavität 10 des
ersten Teils 8i der Form 8 abhängig von der maximalen Größe der integrierten
Schaltung 1, die für
das Gehäuse
zulässig
ist, bestimmt. Andererseits ist die Platte 14 in Abhängigkeit
von der maximalen Größe der Schaltung 1,
die für
die Abmessungen des Gehäuses
zulässig
ist, dimensioniert. Schließlich,
was die Karte C betrifft, ist die Seite, die der aktiven Seite der
integrierten Schaltung gegenüberliegt,
gegenüber
der Karte plaziert und kann entweder einen thermischen Verbraucher 15 in
thermischem Kontakt mit der Karte aufweisen, oder seine thermische
Energie direkt in die Karte abgeben.