DE69322832T2

DE69322832T2 - Verfahren zur Herstellung einer Verbindungsstruktur für eine elektronische Packungsstruktur

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Publication number: DE69322832T2
Application number: DE69322832T
Authority: DE
Inventors: Brian Samuel Hyde Park N.Y. 12538 Beaman; Fuad Elias Katonah N.Y. 10536 Doany; Keith Edward Bardonia N.Y. 10954 Fogel; James Lupton Oakland Ca 94611 Hedrick Jr.; Paul Alfred Nanuet N.Y. 10954 Lauro; Maurice Heathcote Valley Cottage N.Y. 10989 Norcott; John James Mount Kisco N.Y. 10549 Ritsko; Leathen Yorktown Heights N.Y. 10598 Shi; Da-Yuan Poughkeepsie N.Y. 12603 Shih; George Frederick New York N.Y. 10028 Walker
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1992-10-19
Filing date: 1993-10-04
Publication date: 1999-08-05
Anticipated expiration: 2013-10-05
Also published as: US7538565B1; US20020014004A1; US5531022A; US5821763A; US6300780B1; JP2514305B2; US6334247B1; US20080106291A1; US5635846A; EP0593966B1; EP0593966A1; JPH06204399A; US20090128176A1; US20070271781A9; US20080121879A1; DE69322832D1; US5371654A

Description

Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit Packungsstrukturen, um elektronische Einheiten in einer dreidimensionalen Struktur zu verbinden. Die vorliegende Erfindung befaßt sich insbesondere mit einer Struktur, die eine Vielzahl von Substraten hat, wobei jedes Substrat eine Vielzahl von elektronischen Einheiten enthält, die eine Baugruppe bilden. Es gibt eine Vielzahl von Baugruppen, von denen eine über der anderen angeordnet ist, wobei eine vertikale Drahtverbindungsstruktur zwischen benachbarten Baugruppen angeordnet ist. Die vertikale Drahtverbindungsstruktur enthält insbesondere eine Vielzahl von elektronischen Leitern, die in einem Elastomermaterial untergebracht und zwischen benachbarten Baugruppen eingepreßt sind.
In der Mikroelektronikindustrie werden integrierte Schaltkreise, zum Beispiel Halbleiterchips auf Packungssubstrate montiert, um Module zu bilden. In Hochleistungs-Computeranwendungen enthalten diese Module eine Vielzahl von integrierten Schaltungen. Eine Vielzahl von Modulen wird auf eine zweite Ebene der Packungen montiert wie zum Beispiel gedruckte Leiterplatten oder gedruckte Schaltkarten. Die Karten werden in einen Rahmen gesteckt, um einen Computer zu bilden.
In nahezu allen konventionellen Verbindungspackungen, ausgenommen beidseitige Karten, wandern Signale von einem Chip, der zur Packung in einem zweidimensionalen Verdrahtungsnetz gehört, zum Rand der Packung und dann über eine Karte oder eine Platte oder sogar entlang von Kabeln, bevor sie die nächste Packung erreichen, die den Zielchip enthält. Deshalb müssen sich die Signale von einem Modul in der Verdrahtung auf einer Platte oder in der Verdrahtung in einem Kabel zu einem zweiten Modul und von dem zweiten Modul zum Zielchip auf dem Modul fort bewegen. Dies führt zu langen Packungszeitverzögerungen und erhöht die Anforderung nach Verdrahtbarkeit der zweidimensionalen Verdrahtungsflächen.
Eine Verbesserung in der Interchip-Laufzeit und eine Erhöhung der tatsächlichen Chip-Packungsdichte kann erreicht werden, wenn die dreidimensionale Verdrahtung zwischen dicht beieinander liegenden Chipflächen durchgeführt werden könnte.
Die US Patentanmeldung 5,099,309 beschreibt eine dreidimensionale Halbleiterchip-Packungsstruktur, die eine Vielzahl von übereinander angeordneten Karten enthält. Jede Karte ist so ausgelegt, daß sie auf beiden Seiten Aussparungen hat, welche die Chips enthalten. Auf jeder Fläche der Karte gibt es elektrische Leiter, die über Drähte mit den Kontaktstellen auf den Chips verbunden sind. Die elektrischen Leiter erstrecken sich durch die Karten zwischen den Bereichen, welche die Chips enthalten und zu den Kontaktstellen auf jeder Seite der Karte. Diese Kontaktstellen haben auf der Oberfläche Dendriten. Die Karten sind so übereinander angeordnet, daß die mit Dendriten bedeckten Kontaktflächen auf den Seiten, welche an die benachbarten Karten angrenzen, ineinandergreifen, um für die elektrische Verbindung zwischen benachbarten Karten zu sorgen. Für diese Struktur muß die Platte sehr flach sein, damit die Anschlüsse zueinander passen.
In EP-A-0472 451 wird eine ähnliche Chippackung beschrieben, wobei Karten durch Interposer miteinander verbunden sind, die zwischen zwei benachbarten Karten angeschlossen sind. Die Interposer enthalten Leiter, die sich zwischen zwei benachbarten Karten erstrecken und mit diesen elektrisch verbunden sind. Das oben genannte Problem der Flachheit, damit der nötige Kontakt erreicht wird, wird überwunden, da die Karten aus Polymermaterial sind, das auf ein starres Trägermaterial aufgetragen worden ist. Das starre Trägermaterial wird nach Montage entfernt. Somit sind die Karten flexibel genug, um den Kontakt zu dem In terposer korrekt herzustellen. Der Interposer muß nicht stark elastisch sein.
Gemäß ÜS-A-4 998 885 sind Elastomer-Interposer bekannt, um einen Kontakt zwischen zwei Platten herzustellen. Die elastischen Eigenschaften vermeiden einen hohen Grad an Ebenheit, wenn Druck ausgeübt wird, um den Kontakt zwischen diesen Platten herzustellen. Gemäß der Einleitung dieser Spezifikation ist diese Art der Verbindung bereits seit langer Zeit bekannt. Es wird jedoch darauf hingewiesen, daß ein Problem mit diesen Elastomer-Interposern in großen Verbindungsflächen entstehen kann, da die elastischen Eigenschaften keine Ausrichtung zwischen allen Kontakten erlauben, wenn das Elastomermaterial zusammengepreßt wird. Zu diesem Zweck werden in die Flächen der Interposer Laserritzen eingesetzt, um eine bessere Ausrichtung der Kontakte von den Interposern bezogen auf den Kontakt auf der Karte zu ermöglichen. Außerdem ist der Interposer auf einer der Platten ausgeformt und aufgezogen.
Die Erfindung stellt ein Verfahren bereit, um Interposer gemäß Anspruch 1 herzustellen und dreidimensionale Packungsstrukturen gemäß Anspruch 14. Die so entstandenen Packungsstrukturen enthalten sowohl horizontale als auch kompliante vertikale Interposer. Die Vorteile, die durch die Erfindung erreicht werden, liegen darin, daß diese Strukturen in einer Vielzahl von Unterbaugruppen montiert und demontiert werden können, daß sie eine hohe Wärmeabgabefähigkeit bereitstellen, keine starre elektrische Verbindung zwischen Unterbaugruppen erforderlich machen, und daß sie mittels konventioneller Packungssubstrate hergestellt werden können. Ein breiter Aspekt der vorliegenden Erfindung ist es, eine Struktur mit einer Vielzahl von Baugruppen bereitzustellen. Jede Baugruppe wird aus einem Substrat gebildet, das eine erste und zweite gegenüberliegende Fläche hat. Es gibt eine Vielzahl von elektronischen Einheiten, die auf mindestens einer der ersten und zweiten Fläche des Substrats von jeder Baugruppe angeordnet sind. Jede der vielen Baugruppen ist in unmittelbarer Nähe einer anderen Vielzahl von Baugruppen angeordnet, so daß die erste Fläche von einer der benachbarten Baugruppen in der Nähe von der zweiten Fläche der anderen benachbarten Baugruppe liegt. Zwischen der ersten und zweiten Fläche der benachbarten Baugruppen werden elektrische Verbindungsstrukturen angeordnet, die für die elektrische Verbindung zwischen den Kontaktstellen auf den benachbarten Flächen sorgen. Die elektrischen Verbindungsstrukturen werden aus einem dielektrischen Elastomermaterial gebildet, das erste und zweite gegenüberliegende Flächen und eine Vielzahl von elektrischen Kontaktstellen auf jeder Fläche hat, die elektrisch mit einer Vielzahl von elektrischen Leitern verbunden ist, die sich von der ersten zur zweiten Fläche der elektrischen Verbindungsstrukturen erstrecken.
In einem besonderen Aspekt der vorliegenden Erfindung werden die Substrate der Baugruppen aus einem diamantähnlichen Material gebildet, daß eine hohe Wärmeabgabefähigkeit besitzt.
In einem anderen besonderen Aspekt der vorliegenden Erfindung bestehen die Substrate aus einer Vielzahl von dielektrisch und elektrisch leitenden Schichten.
In einem weiteren besonderen Aspekt der vorliegenden Erfindung geben die Wärmeabgabemittel Wärme ab, die in der Struktur erzeugt wurde.
Diese und weitere Gegenstände, Einrichtungen und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nach weiterer Betrachtung der folgenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung verständlich, wenn diese in Verbindung mit den Figuren gelesen werden, in denen
Fig. 1 eine Seitenansicht der dreidimensionalen elektronischen Packungsstruktur zeigt, die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde.
Fig. 2 eine teilweise perspektivische Ansicht der Struktur von Fig. 1 zeigt.
Fig. 3 eine Draufsicht der elektrischen Verbindungsstrukturen der Struktur von Fig. 1 zeigt.
Fig. 4 eine perspektivische Ansicht der Strukturen von Fig. 1 einschließlich Wärmeabgabemittel zeigt.
Fig. 5 einen Querschnitt von einem Abschnitt der elektrischen Verbindungsstrukturen der Struktur von Fig. 1 zeigt.
Fig. 6 die Struktur aus Fig. 5 zeigt, die unter Druck zwischen zwei benachbarten Substraten aufgetragen wird.
Fig. 7 ein anderes Ausführungsbeispiel der Struktur von Fig. 5 zeigt, die Nuten auf den beiden gegenüberliegenden Flächen hat.
Fig. 8 Nuten in einem Interposer zeigt, der Vorsprünge in einem Substrat hat, damit Substrat und Kontaktstellen der Interposer ausgerichtet werden können.
Fig. 9 einen Ausrichtungsrahmen zeigt, der zu den Ausrichtungsnuten paßt, wie diese in der Struktur von Fig. 10 abgebildet sind.
Fig. 10 eine Verbindungsstruktur mit Nuten zeigt, die in den Rahmen von Fig. 9 passen.
Die Fig. 11-19 den Prozeß zeigen, um die elektrischen Verbindungsstrukturen herzustellen, zum Beispiel aus Fig. 5.
Die Fig. 20 und 21 ein alternierendes Ausführungsbeispiel von einem der Verfahrensschritte zeigen, um elektrische Verbindungsstrukturen herzustellen.
Fig. 22 schematisch ein optisches System zeigt, um Kugeln am Ende der Drahtleiter in Fig. 15 zu bilden.
Fig. 23 eine vergrößerte Ansicht von dem Bereich aus Fig. 7 zeigt, der in einem gestrichelten Kreis 230 enthalten ist.
Fig. 1 zeigt Struktur 2, die gemäß der vorliegenden Erfindung mit zwei Teilkomponentenmontagen 4 und 6 hergestellt wurde. Struktur 2 kann eine Reihe Teilkomponentenmontagen haben. Jede Teilkomponentenmontage wird aus einem Substrat 8 gebildet, das eine Oberfläche 10 hat, auf der eine mehrstufige Verdrahtungsstruktur 12 gebildet wird. Die mehrstufige Verdrahtungsstruktur 12 besteht aus einem dielektrischen Material, zum Beispiel Oxid, Glas, Polymer und Keramik, vorzugsweise Polyimid-Polymer. Die mehrstufige Verdrahtungsstruktur 12 enthält mindestens eine Schicht mit elektrischen Leitern 14, zum Beispiel Kupfer, Aluminium und Gold und besitzt auf der Oberfläche 16 eine Vielzahl von Kontaktstellen 18. Das Substrat 8 ist in Fig. 1 mit 20 Durchgängen abgebildet, die sich von der Oberfläche 10 bis Oberfläche 22 erstrecken. Die Oberfläche 22 hat eine Mehrlagen- Verdrahtungsstruktur 24, die ähnlich der Mehrlagen-Verdrahtungsstruktur 12 ist. Die Oberfläche 26 der Mehrlagen-Verdrahtungsstruktur 24 enthält mindestens eine elektrisch leitende Schicht 28, vorzugsweise Kupfer, als dielektrisches Material wird Polyimid bevorzugt. Die Oberfläche 26 hat eine Vielzahl von elektrischen Kontaktstellen 30, vorzugsweise mit Gold beschichtetes Kupfer. Die elektrischen Kontaktschichten 18 bestehen ebenfalls vorzugsweise aus Kupfer mit einer Oberflächenbeschichtung aus Gold.
Das Substrat 8 kann ein allgemein bekanntes Mehrlagen-Packungssubstrat sein, das eine Vielzahl von elektrischen Leitern oder Glaskeramik enthält und vorzugsweise aus einem stark wärmeleitenden Material besteht, zum Beispiel synthetischer Diamant, Aluminiumnitrid-Keramik, Silizium, ein Metall (zum Beispiel Kupfer) mit einer elektrischen Isolierschicht. Das Substrat 8 hat vorzugsweise elektrisch leitende Bolzen oder Durchgänge 20 oder Durchgangsbohrungen, deren eine Seitenwand mit einem elektrischen Leiter beschichtet ist, zum Beispiel Kupfer, Palladium, Platin und Gold wie dies im Stand der Technik allgemein bekannt ist.
Die elektrischen Leiter in der Mehrlagenstruktur 12 auf der Oberfläche 10 des Substrats 8 sind mit den Kontaktstellen 32 elektrisch verbunden, die mit dem Durchgang oder Bolzen 20 in dem Substrat 8 verbunden sind. Die elektrischen Leiter 28 in der Mehrlagenstruktur 24 auf der Oberfläche 22 des Substrats 8 sind mit den Kontaktstellen 34 elektrisch verbunden, die mit den Durchgängen oder Bolzen 20 in dem Substrat 8 verbunden sind. Die Kontaktstellen 32 und 34 bestehen vorzugsweise aus Kupfer mit einer Oberflächenbeschichtung aus Gold.
Eine Vielzahl von elektronischen Einheiten 36 und 38, zum Beispiel Chips mit integriertem Schaltkreis, vorzugsweise Halbleiterchips, sind auf der Oberfläche 16 der Mehrlagen-Verdrahtungsstruktur 12 montiert.
Die elektronische Einheit 36 wird in einer Flip-Chip-Konfiguration auf der Oberfläche 16 mittels Lötkegel 40 montiert, allgemein als C4's bekannt, welche die elektronische Einheit 36 mit den Kontaktstellen 18 verbinden.
Die elektronische Einheit 38 wird mit der aktiven Fläche 42, die nach oben zeigt, und ihrer nicht aktiven Fläche 44, die auf der Oberfläche 16 der Mehrlagenstruktur 12 aufliegt, montiert. Alternativ kann die Einheit 38 mit ihrer nicht aktiven Fläche 44 für einen besseren Wärmekontakt mit Substrat 8 so montiert werden, daß die Fläche 44 auf der Oberfläche 10 von Substrat 8 aufliegt. Dies wird erreicht, indem ein Abschnitt der Mehrlagenstruktur 12 entfernt wird. Die Drähte 46, die im allgemeinen aus Aluminium oder Gold sind, werden zwischen der Kontaktstelle 18 und der Kontaktstelle 47 auf der Oberfläche 42 der elektronischen Einheit 38 angeschlossen. Die Drähte 46 werden mittels allgemein bekannter Drahtbondverfahren, Ultraschall-Verbindungstechniken, Laserverbindungstechniken u. ä. angeschlossen.
Zwischen den elektronischen Einheiten 36 und 38 ist eine elektrische Verbindungsstruktur 49 angeordnet, die im einzelnen nachstehend beschrieben werden wird.
Die elektrische Verbindungsstruktur 49 hat eine Oberseite 48 mit Kontaktstellen 50 und eine Unterseite 52 mit Kontaktstellen 54. Die Kontaktstellen 54 sind mit den Kontaktstellen 18 zwischen den Chips 36 und 38 elektrisch verbunden. Die Kontaktstellen 50 sind mit den Kontaktstellen 30 auf der Oberfläche 26 der Mehrlagenstruktur 24 elektrisch verbunden.
Fig. 2 zeigt eine Teilansicht der Struktur von Fig. 1 und eine perspektivische Ansicht von einem Bereich der vordersten rechten Ecke von jedem Substrat 8, das teilweise geschnitten ist, um die Durchgänge oder Bolzen 20 zu zeigen. Auf der Oberfläche 16 sind die Kontaktstellen 18 und die elektrischen Leiter 60 zu sehen, die elektrisch mit einigen der Kontaktstellen 18 verbunden sind. Die elektrische Verbindungsstruktur 49 ist nur teilweise als eine Vielzahl von elektrischen Leitern 62 und 64 abgebildet. Die elektrische Verbindungsstruktur wird nachstehend detaillierter beschrieben werden.
Fig. 3 zeigt eine Draufsicht von einer der Montagen mit Unterbaugruppen 4 oder 6 von Fig. 1, die die elektrische Verbindungsstruktur 49 mit einer Vielzahl von Öffnungen 66 zeigt. Die Öffnungen 66 sind so ausgelegt, daß sie eine Vielzahl von elek tronischen Einheiten 68 aufnehmen können, die auf der Oberfläche 16 der mehrstufigen Verdrahtungsstruktur 12 von Fig. 1 angeordnet sind. Gleiche Zahlen zwischen den Fig. 1, 2 und 3 stellen gleiche Dinge dar.
Fig. 4 zeigt eine perspektivische Ansicht der Struktur, die in Fig. 1 abgebildet ist, sowie die Wärmeabgabemittel 51 und 53. Gleiche Zahlen zwischen den Fig. 1, 2 und 3 stellen gleiche Dinge dar. Die Wärmeabgabemittel 51 und 53 stehen mit den Substraten 8 in Wärmekontakt. Das Wärmeabgabemittel besteht vorzugsweise aus Aluminium. Das Substrat 8 hat in den Wärmeabgabemitteln 51 und 53 Nuten, um für einen guten Wärmekontakt und mechanischen Halt zu sorgen und drückt die Verbindungsstruktur 49 zwischen den benachbarten Baugruppen zusammen, um zwischen diesen eine elektrische Verbindung bereitzustellen, was nachstehend beschrieben werden wird. Die Wärmeabgabemittel 51 und 53 sind in einem Stützrahmen untergebracht (ohne Abbildung).
Die Dünnschicht-Verdrahtungsschichten 12 und 14 von Fig. 1 enthalten vorzugsweise ein blankes Paar (XY) Drähte und zwei Referenzflächen, welche für die elektronischen Einheiten 36 und 38 Leistung und Erde bereitstellen. Wenn es sich bei den elektronischen Einheiten um bipolare Chips handelt, gibt es vorzugsweise zwei Leistungsflächen. Die Abmessungen der Drähte und die Dicke der Referenzflächen hängt, von der spezifischen Anwendung ab, und kann zwischen 8 um breiten Leitungen, 5 um dick, in einem Rastermaß von 25 um bis zu 25 um breiten Leitungen, 25 um dick, in einem Rastermaß von 75 um oder mehr schwanken. Die Dicke der Isolierung in den Dünnschicht-Verdrahtungsschichten 12 und 24 ist ausgelegt, um die erforderliche Leitungsimpedanz bereitzustellen, die normalerweise zwischen 4 und 80 Ohm liegt.
Die elektrische Verbindungsstruktur 49 dient dazu, den Platz zwischen den Chips auszufüllen, wie dies in den Fig. 1-4 dargestellt ist. Die Struktur von Fig. 1 wird von oben und von unten von der Struktur zusammengedrückt, um die elektrische Verbindungsstruktur 49 zwischen den benachbarten Baugruppen zusammenzupressen, indem die elektrischen Kontaktstellen 30 auf dem Substrat 8 auf die elektrischen Kontaktstellen 50 auf der elektrischen Verbindungsstruktur 49 gepreßt werden, und die elektrischen Kontaktstellen 54 auf der elektrischen Verbindungsstruktur 49 auf die elektrischen Kontaktflächen 18 auf der Oberfläche der Dünnschicht-Verdrahtungsschicht 12 gepreßt werden. Dadurch wird ein Signal von irgendeinem Chip in die Dünnschicht-Verdrahtungsschicht wandern und von dort aus vertikal durch die elektrische Verbindungsstruktur 49 zu einer Dünnschicht-Verdrahtungsfläche in den übereinander angeordneten Substraten 8 und somit entlang des kürzesten Pfades zu einem Chip in der kompletten Struktur 2. Wenn eine einzelne Fläche 25 Chips enthielte, wie dies zum Beispiel in Fig. 3 dargestellt ist, von denen jeder 1 Quadratzentimeter ist, dann würde die elektrische Verbindungsstruktur 49 den Platz von 1 cm zwischen jedem Chip belegen. Bei diesem Design könnten die Durchgänge in dem Substrat 8 und die Anschlüsse in der elektrischen Verbindungsstruktur 49 in einem 0,9 mm (36 mil) quadratischen Gitter mit 0,5 mm (20 mil) breiten Pads 18 auf dem Substrat 8 angeordnet werden. Auf einer Fläche wären ca. 6.694 vertikale Signalanschlüsse möglich. Das Gitter könnte ggf. um einen Faktor von ca. 2 reduziert werden, und es könnten 26.000 vertikale Anschlüsse ausgeführt werden.
Die gesamte Hochleistungspackung kann aus so vielen von Chips belegten Isolierplatten bestehen, wie benötigt werden. Die Wärme würde zu den Rändern der stark wärmeleitenden Substraten 8 geleitet, wo diese von luft- oder wassergekühlten Kühlkörpern o. ä., wie diese notwendig und im Stand der Technik bekannt sind, abgeführt wird.
Die Substrate bestehen vorzugsweise aus einem stark wärmeleitenden Isoliermaterial, das aus handelsüblichen Diamanten hergestellt ist (wie es beispielsweise von NORTON Inc. und Dia monex Inc. hergestellt wird), das mittels Laser gebohrt werden kann, um Durchgänge zu bilden und für Durchgangsanschlüsse mittels Standardbearbeitung metallisiert werden kann, zum Beispiel der Prozeß, der bei Diamant-Wärmeverteilern für Diodenlaser benutzt wird. Die sehr hohe Wärmeleitfähigkeit des Diamanten (1500 W/mºK) macht ihn zu dem Material, das für diese Struktur am besten geeignet ist, und würde das Kühlen von mehr als 100 Watt pro Fläche ermöglichen. Andere Materialien sind brauchbar. Eine billige Alternative wäre AnN Keramik mit ko-gesinterten festen Durchgängen, die im Handel erhältlich ist oder Silizium- Wafer, die lasergebohrte Löcher oder chemisch geätzte Durchgangslöcher enthalten können. Die Dünnschicht-Verdrahtungsschicht 12 und 24 enthält vorzugsweise Kupferverdrahtung in einem Polyimid-Dielektrikum und kann durch sequentielle Standard- Dünnschichtverfahren direkt auf das Substrat 8 aufgebracht werden, wie dies in R. Tummala und E. Rymasizewski, Microelectronics Packaging Handbook, Van Nostrand, Rienhold, NY, 1989 Chapter 9 beschrieben ist. Die Dünnschicht-Verdrahtungsstruktur kann separat durch den seriellen/parallelen Dünnschicht-Verdrahtungsprozeß hergestellt werden und auf das Substrat 8 aufgebracht werden, wie dies in der US Patentanmeldung US-A- 5258236, die am 3. Mai 1991 eingereicht wurde, beschrieben ist. In den seriellen/parallelen Prozessen werden die Dünnschicht- Verdrahtungsstrukturen auf separaten Trägern hergestellt, dann auf Isolierplatten übertragen und laminiert, was vorzugsweise durch Thermokompressionsbondung geschieht. Die elektrische Verbindungsstruktur 49 enthält vorzugsweise Golddrähte, die in einem leichten Winkel in einer Elastomer-Matrix gehalten werden. Andere Ausführungsbeispiele der großflächigen Matrix-Steckverbinder können auch funktionieren. Die elektrische Verbindungsstruktur 49, die eine Elastomer-Matrix benutzt, hat wünschenswerte Eigenschaften, wie beispielsweise einen niedrigeren Widerstand, geringe Kontaktkraft, geringen Schleifkontakt und geringe Induktivität, durch die es für diese Anwendung besonders geeignet ist. Die elektrische Verbindungsstruktur 49 kann so hergestellt werden, daß sie ca. 1 Millimeter dick ist und eine Komplianz von 10 Prozent hat.
Die Substrate 8 werden mit leitenden Durchgängen hergestellt. Die oberen und unteren Oberflächenpads werden mittels Standardtechniken aufgetragen, zum Beispiel durch das Aufdampfen von Metallen durch eine Metallmaske, wie dies von Tiemmala et al. in Kapitel 9 beschrieben worden ist. Die elektronischen Einheiten 36 und 38 werden zu jeder Dünnschicht-Verdrahtungsschicht hinzugefügt, nachdem die elektronischen Einheiten geprüft und eingebrannt sind. Die elektrische Verbindungsstruktur 49 wird separat hergestellt und geprüft. Schließlich werden die übereinander angeordneten Baugruppen mit den auf den Substraten montierten elektronischen Einheiten und der darauf angeordneten elektrischen Verbindungsstruktur 49 ausgerichtet, und eine Druckkraft wird ausgeübt, um die Verbindungen herzustellen. Die Kraft liegt vorzugsweise zwischen 10 und 50 g pro Kontakt oder zwischen 70 und 300 kg für die komplette Packung. Die Verbindung ist trennbar.
Die Fig. 5-21 zeigen das Verfahren zum Herstellen der elektrischen Verbindungsstruktur 49 von Fig. 1 und verschiedene Ausführungsbeispiele und Fertigungstechniken von dieser elektrischen Verbindungsstruktur.
Fig. 5 zeigt die elektrische Verbindungsstruktur 80, die der elektrischen Verbindungsstruktur 49 von Fig. 1 entspricht. Die elektrische Verbindungsstruktur 80 besteht aus einem Elastomermaterial 82, das eine Vielzahl von elektrischen Leitern 84 hat, die sich von Seite 86 zu Seite 88 erstrecken. Im allgemeinen hat jeder Leiter 84 vorzugsweise ein kugelförmiges Ende 90 auf Seite 86 und eine abgeflachte Kugelform 92 auf Seite 88. Die Leiter sind vorzugsweise aus Gold, Gold- oder Kupferlegierung. Größe, Form und Abstand der Drähte 84 zusammen mit den Materialeigenschaften des Elastomermaterials 82 können geändert werden, um den Steckverbinder für eine bestimmte Anwendung zu optimieren.
Fig. 6 zeigt die Substrate 94 und 96, die gegeneinander gedrückt werden, was durch die Pfeile 98 und 100 dargestellt ist, mit Interposer 80. Das Elastomer 82 wirkt wie eine Feder, um das verbreiterte Ende der Kontaktflächen 90 und 92 gegen die Gegenkontakte 104 und 106 auf den Substraten 94 bzw. 96 zu drücken. Die Oberfläche 102 des Substrats 94 hat Kontaktstellen 104, bei denen es sich normalerweise um ein metallisiertes Pad handelt. Das Substrat 96 hat Kontaktstellen 106, die normalerweise auch metallisierte Pads sind. Wenn das Substrat 94 gegen das Substrat 96 gedrückt wird, dann bewegen sich die Enden 90 und 92 bezogen auf die Kontaktfläche in lateraler Richtung, da die Leiter 84 in Bezug dazu in einem nicht orthogonalen Winkel verlaufen. Diese laterale Bewegung führt zu einer Selbstreinigungswirkung, die ein Oberflächenoxid bricht, das sich auf der Fläche der Kontaktstellen 104 und 106 sowie auf der Fläche der verbreiterten Enden 90 und 92 befindet. Die Selbstreinigungswirkung sorgt für einen guten elektrischen Kontakt zwischen der verbreiterten Fläche 90 und 92 und den Kontaktflächen 104 bzw. 106.
Die Vorteile und einzigartigen Einrichtungen der elektrischen Verbindungsstruktur 80 liegen darin, daß sie für einen gleichmäßigen Abstand der elektrischen Leiter 84 und dem Elastomermaterial in einem Rastermaß von beispielsweise mindestens 0,2 mm (0.008 Zoll) sorgt, was mittels eines einzelnen Drahtes pro Kontakt geschieht. Die verbreiterten, kugelförmigen Kontakte 90 stehen auf der Oberseite 86 der Verbindungsstruktur 80 hervor, während die verbreiterten, abgeflachten Kontakte 92 im allgemeinen bündig zur Unterseite 88 der Verbindungsstruktur 80 sind. Die strukturierte oder erhabene Kontaktfläche kann auf der Unterseite des Kontakts 92 gebildet werden, um die Kontaktverbindung zu einer elektrischen Kontaktstelle auf dem Substrat 96 zu verbessern. Die Drähte 84 in dem Elastomermaterial 82 können in kleine Gruppen aufgeteilt werden, um redundante Verbindungen für jede Kontaktstelle 104 oder 106 bereitzustellen. Wenn gebündelte Drähte benutzt werden, dann würden die Drähte 95 in der Verbindungsstruktur 80 von Fig. 6 entfallen.
Fig. 7 zeigt einen Querschnitt von einem weiteren Ausführungsbeispiel 110, das der elektrischen Verbindungsstruktur 49 von Fig. 1 entspricht. Die Struktur 110 hat elektrische Leiter 112, die in Gruppen 114 zusammengefaßt werden. Zwischen jeder Gruppe gibt es Nuten 116. Das Elastomermaterial 118 ist vorzugsweise ein Silikon-Elastomer, und es gibt kugelförmige Kontakte 120 auf Seite 122 und einen flachen Kontakt 124 auf Seite 126, die eine erhabene Fläche 128 hat. Die oberen und unteren Drahtformen können zwecks Optimierung verändert werden. Die Ausrichtungsnuten 116 der Struktur 110 können mittels eines Lasers, eines Elektronenstrahls oder anderen Abtasttechniken gebildet werden, wie dies in der US Patentschrift 4,998,885 von Beaman beschrieben wurde, auf deren Lehre hier Bezug genommen wird.
Die Ausrichtungsnuten 116 können in dem Elastomermaterial ausgeformt werden, um die genaue Ausrichtung der Leiter 112 in der Struktur 110 zu den Kontaktstellen 104 und 106 auf den Flächen 102 bzw. 105 zu ermöglichen, wie dies in Fig. 6 abgebildet ist. Eine Ausrichtungsvorrichtung wird bevorzugt, um die genaue Positionierung der zum Interposer gehörenden Drähte zu den Kontakten auf den benachbarten Substraten zu verbessern. Die ausgeformten Ausrichtungsvorrichtungen können auch benutzt werden, um die Schrumpfung und die Verformung des Kontaktgitters in dem Elastomermaterial zu kontrollieren. Mechanisch oder thermisch induzierte Spannung in dem Elastomermaterial kann dazu führen, daß sich der Interposer verformt, was Probleme bei der Ausrichtung zu den Gegenkontakten verursacht.
Die elektrische Verbindungsstruktur, die in den Fig. 5, 7 und 8 abgebildet ist, und die elektrische Verbindungsstruktur 49 von Fig. 1 wird hier auch als ELASTICON Interposer bezeichnet. Der ELASTICON Interposer wurde entwickelt, um die Signal- und Leistungsanschlüsse von der unteren Fläche eines Substrats zu einem anderen Substrat bereitzustellen. Der ELASTICON Interposer kann so hergestellt werden, daß er eine komplette Matrix mit Leitern oder eine gebündelte Matrix mit Leitern enthält. Der Steckverbinder des Interposers, der eine komplette Matrix mit Leitern (oder Drähten) benutzt, würde normalerweise keine Ausrichtung des Steckverbinders zu den Kontaktstellen auf den Substraten erfordern, zwischen denen er angeordnet ist. Durch Einsatz von Drahtbündeln werden insgesamt weniger Drähte bei der Herstellung des Interposers benutzt. Dies ist nützlich, um die Kosten des Steckverbinders und den Druck zu reduzieren, der notwendig ist, um den kompletten Eingriff der Kontakte sicherzustellen. Interposer-Kontakte, die eine gebündelte Drahtmatrix benutzen, besitzen vorzugsweise Mittel, um die Drahtbündel zu den verbleibenden Kontakten auszurichten. Ein Interposer, der einen Satz Drahtbündel enthält, reduziert die Anzahl Drähte, die während der Interposer-Herstellung notwendig sind und verbessert die Komplianz der kompletten Steckverbindung. Die ausgeformten oder vorgezeichneten Nuten oder die anderen Einrichtungen in dem Elastomermaterial können benutzt werden, um dem Interposer-Steckverbinder die Selbstausrichtung zu ähnlichen Einrichtungen auf den Substraten zu ermöglichen, zwischen denen er angeordnet ist, wie dies in Fig. 8 dargestellt ist. Fig. 8 zeigt den Interposer 119, der auf dem Substrat 121 angeordnet ist. Der Interposer 199 hat Nuten 123, die zu den Vorsprüngen 125 auf dem Substrat 121 passen, mit denen die Substratpads 127 zu den Kontaktstellen 129 des Interposers ausgerichtet werden. Diese Ausrichtungshilfen können mittels einer Vielzahl von geometrischen Formen konzipiert werden, wie beispielsweise runden Bolzen, rechteckigen Stegen oder einem erhabenen Gittermuster. Fig. 10 zeigt eine perspektivische Ansicht eines ELASTICON Interposers, der so nützlich wie die Verbindungsstruktur 49 von Fig. 1 ist. Der ELASTICON Interposer 134 von Fig. 10 hat eine Vielzahl von Ausrichtungsnuten 136 und Bereichen 138, die ge bündelte Kontakte enthalten, wobei jeder Bereich von Nuten 140 umgeben ist.
Fig. 9 zeigt einen Ausrichtungsrahmen 142, der zum Eingriff der Nuten im Interposer 134 von Fig. 10 bestimmt ist, und die Aufgabe hat, die Kontaktstellen des Substrats zu den Kontaktstellen des Interposers auszurichten. So greift beispielsweise der Steg 144 im Ausrichtungsrahmen 142 in die Nut 146 der Struktur 134 von Fig. 10 ein, und Steg 148 des Rahmens 142 greift in die Nut 150 der Struktur 134 von Fig. 10 ein. Der Rahmen wird auf einem Substrat angeordnet, das Kontaktstellen hat, zu denen die Kontaktstellen des Interposers ausgerichtet werden.
Ein komplettes Ausrichtungsschema wird zur Herstellung der Struktur von Fig. 1 benutzt. Jedes trennbare Element des Moduls hat vorzugsweise Mittel, mit deren Hilfe es zu den anderen Elementen des Moduls ausgerichtet wird. Ein separater Ausrichtungsrahmen, der ähnlich dem ist, der für den Interposer benutzt wird, könnte mit jedem Substrat verbunden werden.
Die Fig. 11-19 zeigen ein Verfahren zur Herstellung der hier beschriebenen ELASTICON Interposern.
Das Herstellungsverfahren beginnt mit einem Opfersubstrat 160, das vorzugsweise aus Kupfer, Kupfer/Invar/Kupfer oder Kupfer/Molybdän-Kupfer besteht. Anstatt des Kupfers können andere Materialien wie Aluminium, Hartkunststoff oder Stahl benutzt werden. Das Substrat 160 kann mit Protuberanzen 162 hergestellt werden, welche die Nuten 116 in den ELASTICON-Interposern von Fig. 7 bereitstellen. Die Protuberanzen 162 können durch verschiedene Herstellungstechniken entstehen, einschließlich durch Bearbeitung der Oberfläche 164 oder durch Stanzen der Oberfläche 164. Nachdem das Substrat mit Protuberanzen hergestellt wurde, wird die Oberfläche 164 mit Weichgold oder Ni/Au gesputtert oder beschichtet, um eine geeignete Fläche für die thermo sonische Kugelverbindung bereitzustellen. Es können andere Bondungsverfahren benutzt werden, wie beispielsweise Thermokompressionsbondung, Ultraschall-Verbindung, Laser-Bondung u. ä. Ein allgemein benutzter automatischer Drahtbonder wird durch einen Kugelverbindungsdraht 166 aus Gold, Goldlegierung, Kupfer, Kupferlegierung, Aluminium, Nickel oder Palladium auf der Substratoberfläche 164 ersetzt, wie Fig. 11 zeigt. Der Draht hat vorzugsweise einen Durchmesser von 25-130 um (0.001 bis 0.005 Zoll). Wenn ein anderes Metall als Au benutzt wird, dann kann ein dünnes Passivierungsmetall wie Au, Cr, Co, Ni oder Pd mittels Galvanisieren oder stromloser Plattierung, Sputtern, Elektronenstrahlverdampfung oder einer anderen Beschichtungstechnik, die in der Industrie bekannt ist, aufgetragen werden. Die Struktur 168 von Fig. 11 ist der Kugelverbindungskopf mit einem Draht 170, der aus einem Drahtmagazin wie in einer konventionellen Drahtbondungsvorrichtung zugeführt wird. Fig. 11 zeigt den Kugelverbindungskopf 168, der Kontakt mit der Stelle 169 auf der Oberfläche 164 von Substrat 160 hat.
Fig. 12 zeigt den Kugelverbindungskopf 168, der sich in der durch den Pfeil 171 angegebenen Richtung von der Oberfläche 164 zurückzieht, und den Draht 170, der herausgezogen wird, um auf der Oberfläche 164 von Draht 166 angeordnet zu werden. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Verbindungskopf 168 fest, und das Substrat 160 bewegt sich in Richtung des Pfeils 161. Der Verbindungsdraht wird in einem Winkel positioniert, der vorzugsweise zwischen 5 und 60º in vertikaler Richtung liegt und wird dann von der Schneide 172 mechanisch durchtrennt, wie dies in Fig. 13 dargestellt ist. Die Schneide 172 wird betätigt, der Draht 170 wird festgeklemmt, und der Verbindungskopf 168 fährt hoch. Wenn der Draht 170 durchtrennt wird, verbleibt auf der Oberfläche 164 des Substrats 160 eine freie Zuleitung 166, die auf der Oberfläche 164 an einem Ende angeschlossen wird, während das andere Ende aus der Oberfläche herausragt. An dem Ende des Drahts 166, das nicht mit der Oberfläche 164 verbunden ist, kann mittels eines Lasers oder einer elektrischen Entladung eine Kugel geformt werden, indem das Drahtende geschmolzen wird. Die entsprechenden Techniken sind im allgemeinen im Stand der Technik bekannt. Ein Doppelstrahl- Lasersystem, das nachstehend beschrieben werden wird, dient dazu, die Laserenergie zum Formen der Kugel in einem einzelnen Draht zu lokalisieren. Dadurch verringert sich die Laserenergie, die durch angrenzende Drähte absorbiert wird, durch die sich die Drähte verformen könnten. Am Ende des Drahts ist keine Kugel erforderlich. Dieser geänderte Drahtbondungsprozeß wird wiederholt, um eine dichte Matrix mit abgewinkelten Drähten auf dem Substrat zu bilden.
Fig. 14 zeigt den Draht 170, der durchtrennt wurde, um den Draht 166 auf der Oberfläche 164 des Substrats 160 anordnen zu können. Der Drahtverbindungskopf 168 wird nach oben gezogen, wie dies durch den Pfeil 174 angezeigt ist. Der Drahtverbindungskopf 168 hat eine Vorrichtung, um den Draht 170 zu ergreifen oder loszulassen, so daß der Draht 170 gegen das Scherblatt gespannt werden kann, um den Draht zu durchtrennen.
Fig. 15 zeigt, daß nachdem der Draht durchtrennt wurde, der Verbindungskopf in eine "Endstellung" nach oben fährt. Eine elektronische Flame-Off-Elektrode (Teil von Hughes Wire Bonder, Model III-2640) wird unter dem Verbindungskopf positioniert, und eine elektrische Entladung von der Elektrode dient dazu, den Draht in der Kapillarspitze zu schmelzen, um eine Kugel zu formen.
Nachdem der Drahtbondungsprozeß abgeschlossen ist, wird das Substrat 160 in eine Gießform 190 gelegt, wie diese in Fig. 16 abgebildet ist. Eine kontrollierte Menge an flüssigem Elastomer 192 wird in die Gießform eingelassen und ermöglicht die Ausbreitung (Fluß zwischen den Drähten, bis die Fläche plan ist) vor dem Aushärten, wie dies in Fig. 17 gezeigt wird. Sobald das Elastomer ausgehärtet ist, wird das Substrat in Richtung des Pfeils 194 aus der Form herausgenommen (siehe Fig. 18).
Das gehärtete Elastomer ist durch die Referenzregel 196 dargestellt. Die Öffnung 161 in der Form 190 ist eine Werkzeugeinrichtung, mit der das Substrat aus der Form herausgenommen wird. Die Struktur 198 wird aus der Form 190 herausgenommen und in ein Schwefel- und Salpetersäurebad 200 gelegt, wie dies in Fig. 19 abgebildet ist, um das Kupfersubstrat 160 aufzulösen. Das Ultraschall-Rühren der Schwefel- und Salpetersäure hilft, das Ätzen des Kupfersubstrats zu erleichtern, und führt dazu, daß die Vergoldung auf der Oberfläche des Kupfersubstrats von der Oberfläche 202 des Elastomermaterials 196 abblättert und die Oberfläche der Kugelverbindung 204 frei läßt.
Alternativ kann das Substrat aus Peel-Apart-Kupfer hergestellt werden, wobei eine dünne Kupferschicht auf ein festes Substrat mit einer Randadhäsionsfestigkeit aufgetragen wird. Nachdem die Herstellung beendet ist, kann der Steckverbinder aus dem Opfersubstrat herausgezogen werden, bevor der Rest an dünner Kupferschicht durch Blitzätzung entfernt wird.
Bei dieser Anwendung wird ein hochkompliantes Siloxan-Elastomer mit hoher Wärmefestigkeit bevorzugt. Das für hohe Temperaturen geeignete Siloxan-Material wird gegossen oder eingespritzt und ähnlich wie die anderen Elastomer-Materialien gehärtet. Um die Schrumpfung auf ein Minimum zu beschränken, wird das Elastomer vorzugsweise bei niedrigeren Temperaturen (T ≤ 60º) gehärtet, gefolgt von einer kompletten Härtung bei höheren Temperaturen (T ≥ 80º). Um die Schrumpfung weiter zu kontrollieren, wird der Steckverbinder in einen Kunststoffrahmen gegossen, der über seinen Umfang vorgebohrte Löcher aufweist. Wenn das Elastomer in diesen Rahmen gegossen wird, erfolgt eine physische Blockierung des Elastomers im Rahmen, die sowohl das Elastomer/den Steckverbinder im Rahmen hält als auch die Schrumpfung minimiert. Um die Komplianz zu verbessern und die dielektrische Konstante des Elastomermaterials zu reduzieren, kann ein Schaumregulierungsmittel dem im Handel erhältlichen Elastomermaterial in einem Verhältnis von 10 zu 60% beigemischt werden.
Der Schaum kann ebenfalls als Unterscheidungsschicht benutzt werden.
Unter den vielen im Handel erhältlichen Elastomeren wie ECCOSIL und SYLGARD sorgt der Einsatz von Gummi, das auf Polydimethylsiloxan basiert, sowohl von den Material- als auch den Verarbeitungsanforderungen, für höchst zufriedenstellende Ergebnisse. Die Wärmefestigkeit dieser Elastomere ist jedoch auf Temperaturen unter 200ºC begrenzt, und eine signifikante Entgasung wird bei über 100ºC beobachtet. Wir haben herausgefunden, daß die Wärmefestigkeit durch die Beimischung von 25 Gewichtsprozenten oder mehr an Diphenylsiloxan (Fig. 1) deutlich verbessert werden kann. Des weiteren hat sich eine Verbesserung der Wärmefestigkeit gezeigt, wenn das Molekulargewicht von Harzen (Oligomere) erhöht oder die Quervernetzungsverbindung minimiert wird. Die Entgasung der Elastomere kann bei Temperaturen unter 300ºC minimiert werden, indem erstens ein thermisch transienter Katalysator in der Harzsynthese benutzt wird und zweitens das Harz einer Dünnschicht-Destillation unterzogen wird, um die Nebenprodukte mit einem niedrigen Molekulargewicht zu entfernen. Bei unseren Experimenten haben wir herausgefunden, daß 25 Gewichtsprozente Diphenylsiloxan optimal sind, welche die gewünschte Wärmefestigkeit bei verbesserter Viskosität, die zu der Beimischung des Diphenylsiloxans gehört, ausgleicht. Das optimale, durchschnittliche Molekulargewicht des Harzes bei einer maximalen Wärmefestigkeit konnte zwischen 18.000 und 35.000 g/mol festgestellt werden. Höhere Molekulargewichte waren schwierig zu härten und - sobald sie eingefüllt waren - zur Verarbeitung zu viskös. Die Netzwerkbildung wurde durch eine Standard-Hydrosilylierungs-Polymerisation mittels eines gestörten Platinkatalysators in einem reaktionsfreudigen Siliziumölträger erreicht.
In Fig. 11 wird, wenn der Verbindungskopf 168 den Draht 170 an der Oberfläche 164 des Substrats 160 anschließt, ein abgeflachtes, kugelförmiges Ende - wie dies in Fig. 19 bei 204 abgebil det ist - geformt. Die Protuberanzen 162 auf dem Substrat 160 - wie in Fig. 11 abgebildet - verursachen Nuten in dem Elastomer, zum Beispiel zu Nuten 116, die in Fig. 7 abgebildet sind. Diese Nuten dienen zur Ausrichtung. Die Konzeption und die Toleranzen, die zur Bildung des Kupfersubstrats 160 benutzt werden, passen vorzugsweise zu der Konzeption und den Toleranzen, die zur Herstellung der Ausrichtungsvorrichtungen auf den Substraten 94 und 96 benutzt werden, siehe Abbildung in Fig. 6. Alternativ kann auf einem im wesentlichen flachen Substrat ein Ausrichtungsrahmen, wie dieser beispielsweise in Fig. 9 abgebildet ist, auf der Oberfläche eines Substrats, beispielsweise 94 und 96 von Fig. 6, angeordnet werden, und der Elasticon-Interposer mit Nuten kann auf diesem Ausrichtungsrahmen angeordnet werden, so daß die Ausrichtungsnuten des Interposers in das Rahmenmuster eingreifen, wie dieses oben mit Bezug auf die Fig. 9 und 10 beschrieben wurde.
Es wird nun auf Fig. 20 Bezug genommen. Es können mehrere Substrate 210, von denen jedes eine Gruppe mit Drähten hat, in eine gemeinsame Form 214 eingelegt werden, in der das flüssige Elastomer 216 wie oben beschrieben, eingefüllt und gehärtet wird. Das gehärtete Elastomer verbindet die Substrate zu einem einzelnen Interposer 218 (siehe Fig. 21). Die Nuten 211 sind für Komplianz- oder Ausrichtungsanforderungen bestimmt. Alternativ können mehrere kleinere Steckverbinder auf dem gleichen Substrat als einzelne Einheit hergestellt werden und getrennt werden, nachdem das Elastomer hart geworden ist, und das Substrat durch Ätzen entfernt worden ist.
Auch kann die Oberfläche des Opfersubstrats aus Kupfer vor Vergoldung und vor der Drahtbondung strukturiert oder geprägt werden, um eine strukturierte oder erhabene Kontaktfläche auf der Unterseite der Kugelverbindungen bereitzustellen. Der ergänzte Interposer 218 von Fig. 21 kann außerdem geändert werden, indem ein Laser zum Einritzen der Kanäle in dem Elastomer-Material zwischen den Verbindungsdrähten in einem Winkel benutzt wird, der zu dem Winkel der Verbindungsdrähte (siehe Abbildung in Fig. 7) paßt. Die Criss-Crossing-Kanäle erzeugen unabhängige Elastomer-Spalten (siehe 138 in Fig. 10), welche die Golddrähte umgeben. Dies würde erlauben, einzelne Drähte oder Drahtgruppen unabhängig zusammenzupressen, und es dem Interposer ermöglichen, leichte Schwankungen in den verbleibenden Flächen zu kompensieren, während der gesamte Druck, der zum Zusammendrücken des gesamten Interposers erforderlich ist, reduziert wird. Strukturierte Steckverbinder können einfach hergestellt werden, indem der Drahtbonder in einem bestimmten Muster programmiert wird und indem das Elastomer geformt wird, um Löcher oder offene Bereiche in dem Steckverbinder bereitzustellen, welche den anderen elektronischen oder mechanischen Komponenten entsprechen, die den Steckverbinder umgeben.
Um die Komplianz zu verbessern und die Drahtverformung zu reduzieren, werden vorzugsweise auf beiden Seiten der Steckverbinderflächen sowohl in X- als auch in Y-Richtung oder in einer kreisförmigen Geometrie Nuten in das Elastomer geformt. Breite und Tiefe der Nut sind in einem Interposer von 2,54 mm (100 mils) Dicke vorzugsweise größer als 0,13 mm (5 mils) bzw. 0,254 mm (10 mils). Die Nuten sind vorzugsweise in einer Richtung abgeformt, die parallel zu dem abgewinkelten Draht verläuft.
Die Nuten wurden mittels Laser, Elektronenstrahl, Metallmaske und Zerschneiden mit einer Klinge erzeugt. Andere Techniken wie Stanzen, Spritzgießen und weitere bekannte Techniken, die zur Herstellung der gewünschten Geometrie eingesetzt werden, sind ebenfalls geeignet.
Die Kontaktkugeln am Ende der Drähte werden mittels einer Doppelstrahl-Laserkonfiguration geformt. Das Ende von jedem Draht wird geschmolzen und bilden die Kugel nur dort, wo der Schnittpunkt von zwei Strahlen verläuft. Die Konstruktion ist in Fig. 22 abgebildet, die eine Lichtquelle 300 zeigt, vorzugsweise ein Argon-Ionen-Laser, der die Quelle des Lichtstrahls 302 ist, der von dem Spiegel 306 als Lichtstrahl 304 reflektiert wird. Der Lichtstrahl 304 wird durch den Lichtstrahlexpander 308 geleitet, um den erweiterten Lichtstrahl 310 zu bilden. Der erweiterte Lichtstrahl 310 ist auf den Strahlenteiler 312 gerichtet, der den Strahl 310 in die Strahlen 314 und 316 zerteilt. Der Strahl 316 wird von dem Spiegel 322 als Lichtstrahl 324 reflektiert. Der Strahl 314 wird von dem Spiegel 318 als Lichtstrahl 320 reflektiert. Der Strahl 320 wird durch die Fokussierungslinse 328 geführt, um die gebündelten Strahlen 330 zu bilden, die auf den Punkt 332 auf dem Werkstück gerichtet sind, welches das Ende eines Drahts darstellt. Der Strahl 324 wird durch die Fokussierungslinse 334 geführt, um den gebündelten Strahl 336 zu bilden, der auf den Punkt 332 auf dem Werkstück gerichtet ist. Das Werkstück ist auf dem x-y-Tisch 338 angeordnet. Der Strahl wird vor Fokussierung erweitert, um die gewünschte Größe des Punkts 332 zu erreichen.
Fig. 22 zeigt eine vergrößerte Ansicht des Bereichs von Fig. 7, der in dem gestrichelten Kreis 230 enthalten ist. Das Element 124 ist ein abgeflachtes, kugelförmiges Glied am Ende des Leiters 112. Das abgeflachte, kugelförmige Glied 124 wurde gebildet, als der Leiter 112 an die Opferschicht aus Kupfer angeschlossen wurde, wie dies mit Bezug auf Fig. 11 beschrieben worden ist. Die Opferschicht aus Kupfer kann aus einer Matrix mit Grübchen in der Oberfläche in den Bereichen hergestellt werden, in denen die Drähte 112 angeschlossen werden. Diese Grübchen können beispielsweise eine Halbkugel-, eine Rechteck-, eine Pyramidenform oder eine andere Form haben. Wenn eine solche Matrix mit Grübchen benutzt wird, und der Draht im Bereich des Grübchens angeschlossen wird, bildet sich auf der Oberfläche 232 der abgeflachten Kugel eine Protuberanz - wie 128 in Fig. 22. Diese Protuberanz liefert einen vorstehenden Bereich an dem Kontakt, der durch die abgeflachte Kugel 124 gebildet wird, die auf der Oberfläche der Kontaktstelle, mit der die abgeflachte Kugel elektrisch verbunden werden muß, eine Selbstreinigungswirkung hat.

Claims

1. Ein Verfahren zur Herstellung einer Verbindungsstruktur (49) für eine elektronische Packungsstruktur, das Schritte enthält, um

ein Substrat (160) bereitzustellen;

eine Vielzahl von gestreckten Leitern (166) bereitzustellen, von denen jeder ein erstes und ein zweites Ende hat;

das erste Ende von jedem der vielen Leiter (166) mit dem Substrat (160) zu verbinden; wobei die zweiten Enden von diesen vielen gestreckten Leitern (166) aus dem Substrat (160) hervorstehen;

das Substrat (160) in eine Form (190) zu legen;

diese Form (190) mit einem flüssigen Material (192) auszugießen;

dieses flüssige Material (192) zu einem festen Elastomer- Gehäuse (196) zu härten, das eine Vielzahl von gestreckten Leitern(166) enthält, die dort angeordnet sind;

das feste Gehäuse (196) aus der Form (190) zu entfernen;

wobei das Verfahren durch weitere Schritte gekennzeichnet wird, um

das Substrat (160) aus dem festen Gehäuse zu entfernen, so daß das solide Gehäuse (196) mit den gestreckten Steckverbindern (166), die aus diesem herausragen, übrigbleibt und um

die ersten und zweiten Enden der gestreckten Leiter (166) auf der Oberfläche von diesem festen Gehäuse (196) freizulegen.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (160) ein laminiertes Substrat (160) ist, das aus einem Material gebildet wird, das aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Cu besteht und mit einem oder mehreren Molybdän-, Invaranteilen und einer Zusammensetzung davon mit einer Polymerschicht laminiert wird.

3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (160) Vorsprünge hat, die zu Hohlräumen in diesem festen Gehäuse (196) führen.

4. Verfahren gemäß Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, daß die Vorsprünge gebildet werden, indem das Substrat (160) gestanzt wird.

5. Verfahren gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt zum Herausnehmen des Substrats (160) das Ätzen des Substrats (160) ist.

6. Das Verfahren gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, daß an dem ersten und/oder zweiten Ende des gestreckten Leiters eine Verbreiterung (90, 92) gebildet wird.

7. Das Verfahren gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, daß dieses Substrat (160) aus Peel-Apart-Kupfer gebildet wird, wobei eine dünne Kupferschicht auf ein Opfersubstrat (160) mit einer Randadhäsionsfestigkeit aufgetragen wird, und wobei die Kupferschicht von dem Opfersubstrat (160) abblättert.

8. Das Verfahren gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (160) Grübchen hat, die aus den Vorsprüngen auf dem festen Gehäuse (196) resultieren und an die das erste Ende von mindestens einem Teil der vielen Leiter (166) angeschlossen wird.

9. Das Verfahren gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, daß der gestreckte Leiter aus einem Material gebildet wird, das aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Au, Cu, Al, Ag, Ni und den zugehörigen Legierungen besteht.

10. Verfahren gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 9 dadurch gekennzeichnet, daß der gestreckte Leiter eine dünne Oberflächenschicht aus einem Material hat, das aus der Gruppe ausgewählt wurde, die aus Au, Cr, Co, Ni, Pd und Pt besteht, wobei die Oberflächenschicht durch ein Verfahren aufgetragen wird, das aus der Gruppe ausgewählt wurde, die aus Galvanisieren, stromloser Plattierung, Sputtern und Elektronenstrahlverdampfung besteht.

11. Verfahren gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 10 dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt zum Härten ein erstes Härten bei einer Temperatur unter 60ºC und ein zweites Härten bei einer Temperatur von über 80ºC enthält.

12. Verfahren gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 11 dadurch gekennzeichnet, daß ein Rahmen in der Form (190) eingesetzt wird, um die Schrumpfung während des Härtens zu minimieren.

13. Verfahren gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 12 dadurch gekennzeichnet, daß diese Flüssigkeit ein Schaumregulierungsmittel enthält.

14. Ein Verfahren zur Herstellung einer dreidimensionalen Packungsstruktur, das Schritte enthält, um

Verbindungsstrukturen bereitzustellen, die mit dem Verfahren gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 13 hergestellt wurden, und um eine Vielzahl dieser Verbindungsstrukturen zwischen einer Vielzahl von Baugruppen (4, 6) zu positionieren,

wobei

jede der vielen Baugruppen (4, 6) ein Substrat (8) enthält, das eine erste und zweite gegenüberliegende Fläche und eine Vielzahl von elektronischen Einheiten (36, 38) hat, die auf mindestens einer der ersten und zweiten Flächen angeordnet sind; und

jede der vielen Baugruppen (4, 6) in unmittelbarer Nähe einer anderen Vielzahl von Baugruppen (4, 6) angeordnet ist, so daß eine der ersten und der zweiten einander gegenüberliegenden Flächen von einer der benachbarten Baugruppen (4, 6) an eine der ersten und zweiten einander gegenüberliegenden Flächen der anderen benachbarten Baugruppen (4, 6) angrenzt;

und eine Vielzahl der elektrischen Verbindungsstrukturen (49) zwischen den benachbarten Baugruppen (4, 6) angeordnet ist;

und um ein Mittel bereitzustellen, um die Vielzahl von Baugruppen (4, 6) zusammenzupressen und die elektrische Verbindungsstruktur (49) zwischen diesen benachbarten Baugruppen (4, 6) zu halten.

15. Verfahren gemäß Anspruch 14 dadurch gekennzeichnet, daß ein Kühlkörper (51) in thermischer Kommunikation mit den Substraten (8) von jeder der vielen Baugruppen (4, 6) steht.

16. Verfahren gemäß Anspruch 14 oder 15 dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (8) aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus einem Keramiksubstrat, einem Glaskeramiksubstrat, einem Diamantsubstrat oder einem diamantähnlichen Substrat, einem Polymer-Substrat, einem Glassubstrat und einem Metallsubstrat und einem Siliziumsubstrat besteht.

17. Verfahren gemäß Anspruch 16 dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (8) wärmeleitend ist.

18. Verfahren gemäß irgendeinem der Ansprüche 14 bis 17 dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Verbindungsstruktur (49) eine Schicht aus Elastomer-Material mit einer Vielzahl von Öffnungen (66) enthält, die sich von der ersten Fläche zur zweiten Fläche dieser Schicht erstrecken, wobei die elektrische Verbindungsstruktur (49) auf der ersten Fläche des ersten Substrats (8) angeordnet ist, so daß die elektronischen Einheiten (36, 38) auf der ersten Fläche von dem ersten Substrat (8) in den Öffnungen (66) in der elektrischen Verbindungsstruktur (49) angeordnet werden, so daß die elektrischen Kontaktstellen auf der zweiten Fläche der Schicht von der elektrischen Verbindungsstruktur (49) mit den elektrischen Kontaktstellen auf der ersten Fläche des Substrats (8) von der ersten Baugruppe (4, 6) elektrisch verbunden ist, und die elektrischen Kontaktstellen auf der ersten Seite der Schicht von dieser elektrischen Verbindungsstruktur (49) mit den elektrischen Kontaktstellen auf der zweiten Fläche des Substrats (8) von der zweiten Baugruppe (4, 6) elektrisch verbunden ist.

19. Verfahren gemäß irgendeinem der Ansprüche 14 bis 18 dadurch gekennzeichnet, daß ein wärmeableitendes Mittel (51, 53) in thermischem Kontakt mit der Struktur (2) steht.

20. Verfahren gemäß irgendeinem der Ansprüche 14 bis 19 dadurch gekennzeichnet, daß jeder der vielen elektrischen Leiter (166) ein verbreitertes Ende in den Öffnungen der ersten und zweiten Fläche der elektrischen Verbindungsstruktur (49) hat.

21. Verfahren gemäß Anspruch 20 dadurch gekennzeichnet, daß das verbreiterte Ende in einer der Öffnungen der ersten und zweiten einander gegenüberliegenden Flächen von dieser elektrischen Verbindungsstruktur (49) kugelförmig ist.

22. Verfahren gemäß den Ansprüchen 20 oder 21 dadurch gekennzeichnet, daß das verbreiterte Ende auf der anderen Seite der ersten und zweiten einander gegenüberliegenden Flächen der elektrischen Verbindungsstruktur (49) halbkugelförmig ist, mit einer abgeflachten Seite mit einem Vorsprung auf der abgeflachten Seite.

23. Verfahren gemäß irgendeinem der Ansprüche 14 bis 22 dadurch gekennzeichnet, daß das Elastomer-Material Bereiche hat, die Schaum und feste Materialien enthalten.

24. Verfahren gemäß Anspruch 23 dadurch gekennzeichnet, daß die Bereiche aus einer Schaummischung und festem Material bestehen.