DE69433952T2 - Verpackung eines BGA-integrierten Schaltkreises mit hoher thermischer Leitfähigkeit - Google Patents

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen Gehäuse für integrierte Halbleiterschaltungs-Bauelemente und insbesondere Techniken, die die Wärmeleitfähigkeit betreffen.
  • Diese Anmeldung bezieht sich auf die Europäische Patentanmeldung Nr. 94308577.9, deren Inhalte hierin durch diesen Querverweis eingeschlossen sind.
  • Bei der Herstellung von elektronischen Festkörperbauelementen gibt es fortlaufend Fortschritte, die zu einer erhöhten Funktionalität, Dichte und Leistungsfähigkeit der integrierten Schaltkreise führen. Die erzeugte Wärmemenge und entsprechend die Menge an benötigter Leistung, die abgeführt werden sollen, erhöhen sich bei modernen integrierten Schaltungen im Allgemeinen mit der Erhöhung der Dichte und der Geschwindigkeit der Schaltkreise. Das Abführen von der durch die integrierten Schaltkreise erzeugten Wärme ist daher weiterhin ein bedeutsames Anliegen von Designern moderner Gehäuse für integrierte Schaltkreise und Systemen, die den Verlust von Leistungsfähigkeit und die Degradation der Zuverlässigkeit von integrierten Schaltkreisen, wenn sie bei erhöhten Temperaturen betrieben werden, in Betracht ziehen.
  • Zusätzlich setzt sich der Trend zu kompakteren elektronischen Systemen ebenfalls fort und erschwert dadurch das thermische Problem, das durch die hohe Komplexität und hohe Leistungsfähigkeit integrierter Schaltkreise erzeugt wird. Z. B. sind Laptops oder Computer in der Größe eines Notizbuches plötzlich sehr populär geworden, wobei der Marktdruck sich sogar zu kleineren Computersystemen wie beispielsweise zu persönlichen digitalen Assistenten (PDAs) fortsetzt. Jedoch verschwinden durch diese kleinen Systeme viele der herkömmlichen Techniken für die Wärmeabführung, die für baulich große Computersysteme verfügbar sind, wie beispielsweise die Verwendung von Lüftern zum Konvektionskühlen der integrierten Schaltkreise. Viele mo derne Systeme verwenden die Wärmeleitung als den Hauptfall der Wärmeabführung von integrierten Schaltkreisen in dem System.
  • Gehäuse für integrierte Schaltungen vom Typ des Ball-Grid-Array (BGA) sind in diesem Bereich kürzlich bekannt geworden. Herkömmliche BGA-Gehäuse gleichen in Layout und Anordnung den Pin-Grid-Array-Gehäusen (PGA) dadurch, dass sie eine rechtwinklige oder quadratische Anordnung von Anschlüssen auf der Unterseite des Gehäuses der integrierten Schaltung zur Verfügung stellen. Anstelle der Stift-Anschlüsse, die in PGA-Gehäusen verwendet werden, verwenden die BGA-Gehäuse jedoch jeweils eine Lötperle, die an den Anschlusspositionen angeordnet sind. Wie aus dem Stand der Technik bekannt, wird das BGA-Gehäuse auf eine Leiterplatte aufgebracht, in dem die Lötperlen wieder verflüssigt werden, um die Verbindung zu Leitern auf der Oberfläche der Leiterplatte herzustellen. Das BGA-Gehäuse bietet den wichtigen Vorteil, dass es selbst ausrichtend ist, da die Oberflächenspannung des Lots das BGA-Gehäuse in eine richtige Ausrichtung zu den entsprechenden Leitern auf der Leiterplatte zieht.
  • Als weiterer Stand der Technik sind BGR-Gehäuse für integrierte Schaltkreise in mehreren Arten bekannt, einschließlich jener, bei denen der Chip auf der Gehäuseoberseite liegt, und jener, bei denen der Chip auf der Gehäuseunterseite liegt. Herkömmliche BGA-Gehäuse, bei denen der Chip auf der Gehäuseoberseite liegt, halten den Chip mit der nach oben gerichteten integrierten Schaltung in einer Ausnehmung (oder auf der Oberfläche) des Gehäusesubstrates, weisen Drahtverbindungen auf, die zwischen dem Gehäuse und der Oberseite des Chips angeordnet sind, und werden dann durch Pressspritzen oder durch ein anders geartetes Aufbringen von Kunststoff auf dem Chip und auf die Drahtverbindungen mit einem Schutz des Chips und der Drähte vor Umwelteinflüssen versehen. Die Lötperlen werden auf der Seite des Substrats angeordnet, die dem Chip gegenüber liegt, und der eingehäuste Chip wird dann auf der Leiterplatte des Systems befestigt. Es ist bekannt, durchkontaktierte Durchgangsöffnungen durch das Substrat an Stellen unterhalb des Chips vorzusehen, die jedoch von Leitern auf der Leiterplatte, auf die der eingehäuste Chip befestigt wird, getrennt sind, um eine Wärmeleitung von dem Chip zu seiner äußeren Umgebung zur Verfügung zu stellen.
  • Herkömmliche Gehäuse, bei denen der Chip auf der Gehäuseunterseite liegt, halten den Chip mit der integrierten Schaltung in der Ausnehmung oder auf der Oberfläche des Gehäusesubstrates, wobei anschließend Drahtverbindungen damit verbunden werden und ein Pressspritzen oder ein sonstiges Aufbringen von Kunststoff um den Chip durchgeführt wird. Bei diesem Gehäusetyp werden die Lötperlen auf der gleichen Seite des Substrats wie der Chip angeordnet, so dass der Chip mit der Oberseite nach unten oder mit dem Schaltkreis der integrierten Schaltung nach unten nach dem Befestigen des eingehäusten Chips auf der Leiterplatte angeordnet ist. Es ist bekannt, den Chip auf einen wärmeleitenden Block zu befestigen, der in dem Substrat eines Gehäuses, bei dem der Chip auf der Gehäuseunterseite liegt, angeordnet ist, wobei der Block auf der gegenüberliegenden Seite des Chips nach dem Befestigen frei liegt. Eine Wärmesenke kann auf der freiliegenden Oberseite des Blocks befestigt werden, so dass die Wärmesenke sich nach oben erstreckt und das Konvektionskühlen erleichtert. Diese Anordnung ist nicht besonders geeignet für moderne, kleine Rechnersysteme wie beispielsweise Laptop-, Notebook- oder in der Hand tragbare Computer, da diese Systeme keinen Lüfter beinhalten können und tatsächlich so gestaltet sind, um wenig oder keinen Luftbewegung innerhalb des Gehäuses zu haben („Zero-Air-Flow") und sich statt dessen auf die Wärmeübertragung durch Wärmeleitung und natürliche Konvektion zu verlassen.
  • US-515748 offenbart ein eingehäustes Halbleiterbauelement. Das Gehäuse umfasst einen Chip mit einem integrierten Schaltkreis auf einem Substrat, der in einem Gehäusekörper eingefaßt ist. Lötperlen sind angebracht, um das Gehäuse des Halbleiterbauelementes zu bilden. Das Gehäuse wird auf einer Leiterplatte befestigt, in dem eine Öffnung in der Leiterplatte vorgesehen wird, wobei sich eine Kühlplatte durch die Öffnung erstreckt und dort in dieser Position gehalten wird. Ein Aufschmelzprozess wird dann ausgeführt, der dazu führt, dass das Gehäuse auf der Platte schrumpft.
  • US-A-5285352 beschreibt ein Gehäuse, das ein Substrat mit einer Öffnung, die mit einem Wärmeleiter aufgefüllt ist, und einen Chip mit einer integrierten Schaltung umfasst, der auf dem Wärmeleiter befestigt ist. Dieser ist eingehäust und Lötperlen sind vorgesehen, um ein Halbleiterbauelement zu bilden. Das Gehäuse wird auf einer Leiterplatte mit Hilfe eines Aufschmelzprozesses befestigt.
  • FR-A-2609841 beschreibt ein eingehäustes integriertes Bauelement, das ein Substrat mit einer Öffnung mit einer gemeinsamen Masseelektrode, die sich dadurch erstreckt, umfasst. Ein integrierter Chip ist in dem Gehäuse befestigt.
  • Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Gehäuse für eine integrierte Schaltung mit einer verbesserten Wärmeleitung von dem eingehäusten Chip an die Leiterplatte des Systems, auf der es befestigt ist, zur Verfügung zu stellen.
  • Es ist weiterhin eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Gehäuse für eine integrierte Schaltung mit einer verbesserten Wärmeleitung von dem eingehäusten Chip an die Leiterplatte des Systems, auf der es befestigt ist, zur Verfügung zu stellen.
  • Es ist weiterhin eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Gehäuse zur Verfügung zu stellen, bei dem der Chip auf der Gehäuseoberseite liegt.
  • Es ist weiterhin eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Gehäuse eines Typs des Ball-Grid-Arrays (BGA-Typ) zur Verfügung zu stellen.
  • Es ist weiterhin Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Gehäuse zur Verfügung zu stellen, das die Notwendigkeit für ein Konvektionskühlen reduziert.
  • Demgemäß stellt die vorliegende Erfindung eine eingehäuste integrierte Schaltung zur Verfügung, die auf einer Oberseite einer Leiterplatte befestigt ist, wobei die eingehäuste integrierte Schaltung ein Substrat mit einer durchgehenden Öffnung umfasst und mehrere elektrische Leiter, einen Block, der mit dem Substrat verbunden ist und mit einem wärmeleitenden Material gebildet ist, einen Chip mit einem integrierten Schaltkreis, der auf einer Oberseite des Blocks befestigt ist, der in der Öffnung in dem Substrat frei liegt und elektrisch mit den Leitern des Substrats verbunden ist, und mehrere Lötperlen aufweist, die mit einer Unterseite des Substrats in elektrischer Verbindung mit den Leitern des Substrats angeordnet sind und mit der Leiterplatte durch einen Aufschmelzprozess verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass eine Unterseite des Blocks die Oberseite der Leiterplatte kontaktiert und ein Abschnitt der Oberseite des Blocks mit der Unterseite des Substrats in Kontakt steht, wobei ein Abschnitt des Blocks zwischen dem Substrat und der Leiterplatte einen Abstand zwischen der Oberseite der Leiterplatte und der Unterseite des Substrats definiert, wobei der Abstand, der durch den Block bestimmt ist, einen Kollapsabstand für die Lötperlen während des Aufschmelzens bestimmt, um eine effektive Wärmeleitung durch den Block zwischen dem Chip und der Leiterplatte zur Verfügung zu stellen.
  • Die vorliegende Erfindung stellt auch ein Verfahren zum Befestigen eines eingehäusten integrierten Schaltkreises auf einer Oberseite einer Leiterplatte zur Verfügung, das die Schritte umfasst: Aufbringen eines wärmeleitenden Blocks auf einem Substrat, wobei das Substrat eine durchgehende Öffnung und mehrere elektrische Leiter aufweist; Befestigen eines Chips mit einer integrierten Schaltung auf einer Oberseite des Blocks, der in der Öffnung des Substrats frei liegt und elektrisch den Chip mit der integrierten Schaltung mit den mehreren elektrischen Leitern verbindet; Einhäusen des Chips mit der integrierten Schaltung; Aufbringen von mehreren Lötperlen auf eine Unterseite des Substrats in elektrischer Verbindung mit den Leitern des Substrats, wobei die eingehäuste integrierte Schaltung den wärmeleitenden Block, das Substrat, den Chip mit der integrierten Schaltung und die Lötperlen umschließt; Anordnen der eingehäusten integrierten Schaltung auf einer Oberseite der Leiterplatte, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren weiterhin die Schritte umfasst: Aufbringen des leitenden Blocks auf die Unterseite des Substrats, wobei eine Unterseite des Blocks unterhalb der Ebene der Unterseite des Substrats liegt; und Durchführen eines Aufschmelzens, so dass die Unterseite des wärmeleitenden Blocks die Oberseite der Leiterplatte kontaktiert und ein Abschnitt der Oberseite des Blocks die Unterseite des Substrats kontaktiert, wobei ein Abschnitt des Blocks zwischen dem Substrat und der Leiterplatte dadurch einen Abstand zwischen der Oberseite der Leiterplatte und der Unterseite des Substrats definiert, wobei der Abstand, der durch den Block bestimmt ist, einen Kollapsabstand für die Lötperlen während des Aufschmelzens bestimmt, wodurch eine effektive Wärmeleitung durch den Block zwischen dem Chip und der Leiterplatte zur Verfügung gestellt wird.
  • Andere Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind für einen Fachmann offensichtlich, der auf die nachfolgende Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen Bezug nimmt.
  • Die Erfindung kann in einem Ball-Grid-Array-Gehäuse (BGA) mit einem Chip, der auf der Gehäuseoberseite angeordnet ist, ausgeführt werden. Ein wärmeleitender Block, z. B. aus Kupfer, ist auf einem Gehäusesubstrat mit einer durchgehenden Öffnung angeordnet, das Substrat selbst kann aus einer Leiterplatte oder aus einem Keramiksubstrat gebildet sein. Eine erste Oberfläche des Blocks liegt unterhalb der Ebene einer ersten Seite oder Unterseite des Substrats. Ein Abschnitt einer zweiten Oberfläche des Blocks ist an der Unterseite des Substrats befestigt. Der Chip mit der integrierten Schaltung ist an dem Block in der Öffnung angebracht, und es sind Verbindungen zwischen den Anschlußflächen des Chips und den Gehäuseleitern hergestellt, und anschließend wird eine Verkapselung des Chips durch Pressspritzen oder Aufbringen eines Kunststoffs durchgeführt. Lötperlen werden auf der Unterseite des Gehäusesubstrats um den Block an Stellen angeordnet, die den Anschlüssen des Gehäuses entsprechen. Beim Aufbringen auf die Leiterplatte des Systems wird eine thermische oder elektrische Verbindung zwischen dem Block und der Leiterplatte gemeinsam mit der elektrischen Verbindung der Lötperlenanschlüsse mit den entsprechenden Anschlüssen der Leiterplatte hergestellt. Der Block bietet somit eine direkte Wärmeleitung zwischen dem Chip und der Leiterplatte und nutzt den Vorteil der Wärmeleitung der Leiterplatte durch Ableiten der Wärme aus dem Chip.
  • Die neuen für die Erfindung charakteristischen Merkmale sind den beigefügten Ansprüchen zu entnehmen. Die Erfindung selbst, ebenso wie die bevorzugte Ausführungsform und weitere Aufgaben und Vorteile werden jedoch am besten mit Bezug auf die nachfolgende ausführliche Beschreibung von darstellenden Ausfüh rungsformen verstanden, wenn sie in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen gelesen wird, wobei:
  • 1A, 2A und 2B Querschnittsdarstellungen des Gehäuses mit einer integrierten Schaltung gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen.
  • 1B eine Draufsicht auf ein Gehäuse mit der integrierten Schaltung gemäß 1A mit einem herausgeschnittenen Abschnitt zeigt.
  • 3 bis 4 Querschnittsdarstellungen eines Gehäuses mit einer integrierten Schaltung gemäß einer alternativen bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen.
  • In Bezug auf die 1A–1B und 2A–2B wird nun eine eingehäuste integrierte Schaltung 10 gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ausführlich beschrieben. Während die nachfolgende Beschreibung mit dem Beispiel eines Gehäuses mit einem einzelnen Chip mit einer integrierten Schaltung dargestellt wird, ist es natürlich selbstverständlich, dass die vorliegende Erfindung auch auf das Einhäusen oder Befestigen von mehreren Chips mit integrierten Schaltkreisen auf eine Leiterplatte anwendbar ist, z. B. in einem hybriden integrierten Schaltkreis oder in einem Multi-Chip-Modul.
  • Das aktive Element der eingehäusten integrierten Schaltung 10 ist der Halbleiterchip 12, der ein Festkörperbauelement mit einer integrierten Schaltung wie beispielsweise einem Mikroprozessor, einem Speicher, einem Logikbauelement, einem analogen Bauelement oder der einem Bauelement mit einer andere elektronischen Funktion umfasst, die in einem Einzelchip mit einer integrierten Schaltung gemäß dem Stand der Technik realisiert ist. Gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung ist der Chip 12 mit seiner Unterseite (inaktiven Seite) an einem leitenden Block 14 angebracht, und innerhalb und unter der Ebene des Substrats 16 befestigt.
  • Das Substrat 16 kann ein Keramiksubstrat, eine Leiterplatte oder ein ähnliches Substrat mit Leitern 17 auf oder innerhalb dem Substrat (siehe 1B) sein, um elektrische Signale zu dem Chip 12 und von dem Chip 12 zu leiten, und das eine Öffnung oder eine Aufnehmung aufweist, in der der leitende Block 14 befestigt ist. Verbindungsdrähte 18 verbinden die Leiter 17 mit Verbindungsanschlüssen auf dem Chip 12 in der herkömmlichen Weise. Durchkontaktierte Öffnungen 22 verbinden die Leiter 17 auf der Oberseite des Substrats 16 und den Lötperlen 24 auf der Unterseite des Substrats 16. Gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung sind die Lötperlen 24 in der herkömmlichen Weise eines Ball-Grid-Arrays um den leitenden Block 14 angeordnet und entsprechen den Kontaktstellen oder anderen Oberflächenleitern 23 (siehe 1D) auf der Oberseite der Leiterplatte 28 des Systems (siehe 2A), auf der die eingehäuste integrierte Schaltung 10 befestigt werden soll. Ein Einschlußmittel 20, das aus einer Kunststoffspritzverbindung, einem Epoxydharz, einer gießfähige Verbindung oder einem anderen herkömmlichen Einschlußmittel für integrierte Schaltungen gebildet ist, bedeckt den Chip 12 und die Drähte 18, um einen Schutz gegen Umwelteinflüsse und einen mechanischen Schutz zur Verfügung zu stellen.
  • Der leitfähige Block 14 ist vorzugsweise aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit gebildet, so dass Wärme von dem Chip 12 in einfacher Weise hindurchgeleitet werden kann. Zusätzlich ist der leitende Block 14 vorzugsweise auch elektrisch leitend, wenn eine elektrische Verbindung zu dem Chip 12 hergestellt werden soll. Als bevorzugtes Material für den leitenden Block 14 wird Kupfer angenommen, aber auch andere Materialien, von denen aus dem Stand der Technik bekannt ist, dass sie thermisch leiten und – wenn notwendig –, elektrisch leitend sind, können alternativ für den Block 14 benutzt werden.
  • Die Lötperlen 24 können auch in einer feldartigen Anordnung unter dem Substrat 16 angeordnet sein und mit diesem in Kontakt stehen. Der Block 14 und die Lötperlen 24 sind in der Lage, Wärme von dem Chip 12 wegzuleiten. Der Block 14 kann mit einer Masseebene auf der Leiterplatte 28 des Systems (siehe 2A) verbunden sein. Die Masseebene kann auf Masse oder auf eine andere Vorspannung vorgespannt sein, so dass der Block 14 für den Chip 12 ebenfalls eine korrekte Erdung ermöglicht. Während die eingehäuste integrierte Schaltung 10 gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung in 2A in mit der Leiterplatte 28 des Systems verbundenen Weise gezeigt ist, ist es für den Fachmann selbstverständlich, dass eingehäuste integrierte Schaltungen 10 oft individuell hergestellt und verkauft werden, wobei der Käufer den Einbau der eingehäusten integrierten Schaltung 10 auf die Leiterplatte 28 des Systems in einem Computer oder einer anderen Endanwendung vornimmt.
  • Die Herstellung der eingehäusten integrierten Schaltung 10 beginnt mit dem Einlegen des Blocks 14 in die entsprechende Ausnehmung des Substrats 16; der Block 14 ist vorzugsweise in dieser Ausnehmung mit Epoxydharz verklebt, um mechanische Integrität zu schaffen. Der Chip 12 wird dann auf der Oberseite des Blocks 14 mit herkömmlichen Verbindungstechniken für Chips befestigt, wie beispielsweise mit einem leitenden Epoxydharz oder mit einer eutektischen Verbindung. Verbindungsdrähte 18 werden dann zwischen dem Substrat 16 und dem Chip 12 durch herkömmliche Techniken aufgebracht, wie z. B. mit Hilfe eines Thermokompressions- oder eines Ultraschall-Bond-Verfahrens. Nach dem Beenden des Drahtverbindungsprozesses wird ein Einkapselungsmittel 20 über dem Chip 12 und den Drähten 18 auf herkömmliche Weise aufgebracht. In dem Beispiel der 1A wird das Einkapselungsmittel 20 durch herkömmliches Spritz pressen gebildet; alternativ kann das Einkapselungsmittel 20 über den Chip 12 und das Substrat 16 durch Aufbringen und Ausheilen in der herkömmlichen Weise aufgebracht werden. Lötperlen 24 werden auf der Unterseite des Substrats 24 auf die herkömmliche Weise hergestellt, z. B. mit Hilfe einer Lötmaske (nicht gezeigt) auf der Unterseite des Substrats 16.
  • Nach dem Beenden der Herstellung der eingehäusten integrierten Schaltung 10 und des notwendige elektrischen Testens in der eingehäusten Form, ist die eingehäuste integrierte Schaltung 10 bereit zum Befestigen auf die Leiterplatte 28 des Systems (siehe 2A). Das Befestigen der eingehäusten integrierten Schaltung 10 wird vorzugsweise mit Hilfe eines IR-Aufschmelzverfahrens oder einer anderen konventionellen Technik zum Befestigen von BGA-Gehäusen auf der Oberfläche von Leiterplatten durchgeführt. Zusätzlich kann der leitende Block 14 auf der Unterseite der Schnittstelle 29 zwischen dem Block 14 und der Leiterplatte 28 metallisiert sein. Das Metallisieren des Blocks 14 bildet eine benetzbare Oberfläche während des Aufschmelzens, die sich mit der Leiterplatte 28 des Systems verbindet und so die Fläche der Wärmeleitung von dem Chip 12 zur Leiterplatte 28 des Systems maximiert. Der Wärmeleitungspfad ermöglicht es, dass die Leiterplatte 28 des Systems als Wärmesenke wirkt. Der leitende Block 14 kann mit herkömmlichen Materialien wie Zinn oder Nickel oder anderen geeigneten Metallisierungsmaterialien beschichtet sein. Alternativ kann aufgrund von Prozeßabweichungen während des Aufschmelzens ein kleiner Luftspalt oder -bereich zwischen dem Block 14 und der Leiterplatte 28 verbleiben, ohne die Fähigkeit des Blocks 14, einen wärmeleitenden Pfad von dem Chip 12 zur Leiterplatte 28 zur Verfügung zu stellen, wesentlich zu beeinträchtigen.
  • Der leitende Block 14 dient als Abstand während des Aufschmelzens des Lots der Lötperlen 24. Wie in 1A dargestellt ist, wird der bestimmte Kollapsabstand 26 der Lötperlen durch die Höhe des leitenden Blocks 14 unter der Ebene des Substrats 16 bestimmt. Die Form der Lötperlen 24 nach dem Aufschmelzen wird durch das Anfangsvolumen des Lots und den Kollapsabstand 26 bestimmt. Die Form der Lötperlen 24 nach dem Aufschmelzen kann beispielsweise im Wesentlichen kreisförmig (siehe 2A) bleiben oder kann zu einer Sanduhrform (siehe 2B) führen. Die Sanduhrform kann wünschenswerter sein und kann gemäß dem bestimmten Kollapsabstand 26 und dem Anfangsvolumen des Lots optimiert sein.
  • Die 3 und 4 stellen in einer Querschnittsdarstellung eine eingehäuste integrierte Schaltung 30 gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung dar. Gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung umfasst die eingehäuste integrierte Schaltung 30 einen Chip 32, der auf einem wärmeleitenden Block 34 befestigt ist. Der Block 34 liegt unterhalb der Ebene eines Substrats 36 und ist mit der Unterseite des Substrats 36 an Stellen 35 verbunden und stellt so eine laterale Oberfläche des Substrats 36 dar, auf die der Block 34 mit Hilfe von Epoxydharz geklebt oder auf andere Weise sicher befestigt werden kann. Bei dieser Anordnung ist eine Öffnung durch das Substrat 36 vorgesehen, in die der Chip 32 befestigt ist. Dieser Aufbau ermöglicht eine reduzierte Höhe des gesamten Gehäuses und stellt für die maximale Fläche der Anordnung der Anschlußstellen für den Verbindungsdraht auf dem Substrat 36 die minimale Drahtlänge zur Verfügung, während die Oberfläche der Wärmeleitung auf der Unterseite maximiert wird.
  • Die Drahtverbindungen 38 verbinden die Leiter (nicht gezeigt) in dem Substrat 36 mit Anschlußflächen auf der Oberseite des Chips 32 elektrisch. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung wird ein Einkapselungsmittel 40 auf die Ausnehmung des Substrats 36 aufgebracht und somit über den Chip 32 und die Drähte 38. Das Einkapselungsmittel 40 gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung wird mit Hilfe einer Spritze oder einem anderen Flüssigkeitsspender und dann auf herkömmliche Weise für einen sog. Chip-auf-Leiterplatte-Aufbau auf herkömmliche Weise ausgeheilt.
  • Lötperlen 42 werden an Anschlußflächen auf der Unterseite des Substrats 36 um den wärmeleitenden Block 34 angebracht. Durchgangsöffnungen (nicht gezeigt) werden innerhalb des Substrats 36 vorgesehen, um eine elektrische Verbindung mit den Leitern in dem Substrat zur Verfügung zu stellen. Eine Lötmaske (nicht gezeigt) kann auf der Unterseite des Substrats 36 bereit gestellt werden, um zu helfen, die Stellen der Lötperlen 42 zu definieren, während diese auf herkömmliche Weise verbunden werden.
  • Wie bezüglich der ersten Ausführungsform oben beschrieben wurde, ist die eingehäuste integrierte Schaltung 30 mit der Leiterplatte 46 (siehe 4) mit Hilfe eines Infrarot(IR)-Lotaufschmelzens oder anderen Oberflächenbefestigungstechniken verbunden. Die Lötperlen 42 und der Block 34 können mit einem Wärmeleiter in der Leiterplatte 46 des Systems verbunden sein, wodurch ein Pfad mit einem relativ geringen Wärmewiderstand zwischen dem Chip 32 und der Leiterplatte 46 des Systems gebildet wird.
  • Wie oben mit Bezug auf die bevorzugte Ausführungsform beschrieben wurde, dient der leitfähige Block 34 als Abstandshalter während des Aufschmelzens des Lots der Lötperlen 42. Die Form der Lötperlen nach dem Aufschmelzen wird durch das Volumen des Lots vor dem Aufschmelzen und dem spezifischen Kollapsabstand 44 (siehe 3) bestimmt. Zusätzlich kann die Unterseite des Blocks 34 beschichtet sein, um eine benetzbare Oberfläche während des Aufschmelzens der Verbindungsstelle 45 zwischen dem Block 34 und der Leiterplatte 46 zu bilden, um eine starke Verbindung herzustellen und die Wärmeleitung von dem Chip 32 zur Leiterplatte 46 des Systems zu verbessern.
  • Während die Erfindung mit Bezug auf die bevorzugte Ausführungsform beschrieben worden ist, ist es natürlich selbstverständlich, dass Abweichungen von diesen Ausführungsformen und Alternativen hierzu möglich sind, wobei solche Modifikationen und Alternativen, die die Vorteile und den Nutzen dieser Erfindung aufweisen, einem Fachmann mit Bezug auf diese Beschreibung und die Zeichnungen offensichtlich sind. Es ist klar, dass solche Modifikationen und Alternativen innerhalb des Bereichs dieser Erfindung liegen, wie nachfolgend beschrieben.

Claims (15)

  1. Eingehäuste integrierte Schaltung (10, 30), die auf einer Oberseite einer Leiterplatte (28, 46) befestigt ist, wobei die eingehäuste integrierte Schaltung umfasst: ein Substrat (16, 36) mit einer durchgehenden Öffnung und mit mehreren elektrischen Leitern; einen Block (14, 34), der mit dem Substrat verbunden ist und ein wärmeleitendes Material aufweist; einen Chip mit einer integrierten Schaltung (12, 32), der auf einer Oberseite des Blocks, der in der Öffnung des Substrats freiliegt und elektrisch mit den Leitern des Substrats verbunden ist, befestigt ist; und mehrere Lötperlen (24, 32), die mit einer Unterseite des Substrats in elektrischer Verbindung mit den Leitern des Substrats verbunden ist und mit der Leiterplatte durch ein Aufschmelzverfahren verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Unterseite des Blocks die Oberseite der Leiterplatte kontaktiert, und dass ein Abschnitt der Oberseite des Blocks die Unterseite des Substrats kontaktiert, wobei dadurch ein Abschnitt des Blocks zwischen dem Substrat und der Leiterplatte einen Abstand zwischen der Oberseite der Leiterplatte und der Unterseite des Substrats definiert, wobei der Abstand, der durch den Block bestimmt ist, einen Kollapsabstand für die Lötperlen während des Aufschmelzens bestimmt, wodurch eine effektive Wärmeleitung durch den Block zwischen dem Chip und der Leiterplatte zur Verfügung gestellt wird.
  2. Eingehäuste integrierte Schaltung nach Anspruch 1, wobei die Oberseite des Blocks (14, 32) eine erste und eine zweite Ebene aufweist, wobei ein Abschnitt des Blocks sich durch die Öffnung erstreckt, wobei die zweite Ebene der O berseite des Blocks im Wesentlichen eben zu der zweiten Oberseite des Substrats (16, 36) ist.
  3. Eingehäuste integrierte Schaltung nach Anspruch 1, die weiterhin umfasst: ein Einkapselungsmittel (20, 40), das auf dem Chip mit der integrierten Schaltung (12, 32), auf einem Abschnitt der zweiten Oberfläche des Substrats und auf einem Abschnitt der Oberseite des Blocks aufgebracht ist.
  4. Eingehäuste integrierte Schaltung nach Anspruch 3, wobei das Einkapselungsmittel einen spritzgußfähigen Kunststoff umfasst.
  5. Eingehäuste integrierte Schaltung nach Anspruch 1, wobei das Substrat entweder eine Leiterplatte oder ein Keramiksubstrat umfasst.
  6. Eingehäuste integrierte Schaltung nach Anspruch 1, wobei der Block Kupfer enthält.
  7. Eingehäuste integrierte Schaltung nach Anspruch 1, wobei die veränderte Form jedes der mehreren Lötperlen nach dem Aufschmelzen entweder im Wesentlichen rund oder im wesentlichen sanduhrförmig ist.
  8. Eingehäuste integrierte Schaltung nach Anspruch 1, die weiterhin umfasst: einen metallisierten Bereich der ersten Oberfläche des leitenden Blockes.
  9. Verfahren zum Befestigen einer eingehäusten integrierten Schaltung (10, 30) auf einer Oberseite einer Leiterplatte (28, 46), mit folgenden Schritten: Anordnen eines wärmeleitenden Blockes (14, 34) auf einem Substrat (16, 36), wobei das Substrat eine durchgehende Öffnung und mehrere elektrische Leiter aufweist; Befestigen eines Chips (12, 32) mit einer integrierten Schaltung auf einer Oberseite des Blocks, der in der Öffnung in dem Substrat freiliegt und elektrisch den Chip mit der integrierten Schaltung mit den mehreren elektrischen Leitern verbindet; Einkapseln des Chips mit der integrierten Schaltung; Anordnen von mehreren Lötperlen (24, 42) auf eine Unterseite des Substrats in elektrischer Verbindung mit den Leitern des Substrats; wobei die eingehäuste integrierte Schaltung (10, 30), den wärmeleitenden Block, das Substrat, den Chip mit der integrierten Schaltung und die Lötperlen umfasst; Anordnen der eingehäusten integrierten Schaltung auf einer Oberseite der Leiterplatte; dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die weiteren Schritte umfasst: Verbinden des leitenden Blockes mit der Unterseite des Substrats, wobei eine Unterseite des Blocks unter der Ebene der Unterseite des Substrats liegt; und Durchführen eines Aufschmelzverfahrens, so dass die Unterseite des wärmeleitenden Blocks (14, 34) die Oberseite der Leiterplatte kontaktiert, und so dass ein Abschnitt der Oberseite des Blocks die Unterseite des Substrats kontaktiert, wodurch ein Abschnitt des Blocks zwischen dem Substrat und der Leiterplatte einen Abstand zwischen der Oberseite der Leiterplatte und der Unterseite des Substrats definiert, wobei der Abstand, der durch den Block bestimmt ist, einen Kollapsabstand für die Lötperlen während des Aufschmelzens bestimmt, wodurch eine effektive Wärmeleitung durch den Block zwischen dem Chip und der Leiterplatte zur Verfügung gestellt wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Oberseite des wärmeleitenden Blocks (14, 34) eine erste und eine zweite Ebene umfasst, wobei der Schritt des Befestigen des wärmeleitenden Blockes an der Oberseite des Substrats (16, 36) weiterhin den Schritt umfasst: Einfügen des wärmeleitenden Blockes in das Substrat, wobei die erste Ebene der Oberseite mit der ersten Oberfläche des Substrats verbunden ist und wobei die zweite Ebene der Oberseite im Wesentlichen eben zu der zweiten Oberfläche des Substrats ist.
  11. Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Schritt des Einkapselns weiterhin umfasst: Spritzgießen einer Kunststoffverbindung über den Chip mit der integrierten Schaltung.
  12. Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Schritt des Einkapselns weiterhin die Schritte umfasst: Aufbringen eines Kunststoffs auf den Chip mit der integrierten Schaltung; und Ausheilen des aufgebrachten Kunststoffs.
  13. Verfahren nach Anspruch 9, das weiterhin den Schritt umfasst: Metallisieren der Unterseite des wärmeleitenden Blocks.
  14. Verfahren nach Anspruch 9, das weiterhin den Schritt umfasst: Verbinden von mehreren Drahtverbindungen (18, 38) mit einer Oberseite des Chips mit der integrierten Schaltung und der Oberseite des Substrats.
  15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei der Schritt des Verbindens entweder ein Ultraschallverbinden oder ein Thermokompressionsverbinden umfasst.
DE69433952T 1994-04-08 1994-12-16 Verpackung eines BGA-integrierten Schaltkreises mit hoher thermischer Leitfähigkeit Expired - Lifetime DE69433952T2 (de)

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