DE69523025T2 - Träger für integrierten Schaltkreis zur Kontaktierung eines anderen Trägers mittels Kontaktkugeln - Google Patents

Träger für integrierten Schaltkreis zur Kontaktierung eines anderen Trägers mittels Kontaktkugeln

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DE69523025T2
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Description

    Technisches Gebiet
  • Die Erfindung bezieht sich auf einen Träger zum Anschluß einer integrierten Schaltung an einen anderen Träger über Kugeln. Sie hat insbesondere einen Anschlußträger für integrierte Schaltungen zum Gegenstand mit einem Isolierfilm, wovon eine Fläche Leiter trägt und die andere Fläche Kugeln trägt, die über Durchführungen, die in dem Film ausgebildet sind, mit den jeweiligen Leitern verbunden sind. Die Erfindung hat außerdem ein Gehäuse für integrierte Schaltung zum Gegenstand. Die Erfindung ist in der Kugelgitter- Verbindungstechnik, die gewöhnlich als BGA-Technik (BGA = Ball Grid Array) bezeichnet wird, und insbesondere in der Band-BGA-Technik oder TBGA- Technik (TBGA = Tape BGA) vorteilhaft anwendbar.
    • Stand der Technik
  • In dem bisher gewöhnlich verwendeten Anschlußträger sind die im Film ausgebildeten Durchführungen metallisiert und weisen auf derjenigen Fläche des Films, die jener, die die Leiter trägt, gegenüberliegt, jeweils einen metallisierte Kranz auf. Auf dem Kranz ist eine Anschlußkugel befestigt. Damit die Kugel auf dem Kranz gut aufliegt, besitzt die Durchführung einen etwas kleineren Querschnitt als die Kugel. Diese Verbindung hat den Nachteil, daß die Durchführungen metallisiert werden müssen, was mehrere Behandlungen erfordert und die Herstellungskosten des Trägers stark erhöht. Zum anderen führt der geringe Querschnitt der metallisierten Durchführungen zu einer relativ hohen Selbstinduktion für die Signale und zu einem nicht vernachlässigbaren Widerstand gegen den Durchgang der Versorgungsströme.
  • Zum anderen trägt die Fläche, die die Kugeln eines herkömmlichen Trägers trägt, häufig eine leitende metallische Platte, die als Masseplatte dient. Diese Platte ist mit den metallisierten Rändern derjenigen Durchführungen verbunden, die für die von der anderen Fläche des Trägers getragenen Masseleiter bestimmt sind. Selbstverständlich ist die Platte durch Löcher, die die metallisierten Ränder der anderen Durchführungen umgeben, durchbrochen, so daß sie von diesen und von den jeweiligen Kugeln elektrisch isoliert ist. Jedoch muß verhindert werden, daß sich das Lötmittel dieser Kugeln, beispielsweise durch Verlaufen, bis zu den Rändern der Löcher der Masseplatte erstreckt. Eine solche Ausbreitung könnte einen schwer zu reparierenden Kurzschluß hervorrufen, was ein Eliminieren des Trägers oder gar des Gehäuses erzwingen würde, die sehr teuer sind. Ferner muß ebenso verhindert werden, daß sich das Lötmittel in die Nähe der Ränder der Plattenlöcher erstreckt, um jegliche Gefahr eines Kurzschlusses zu beseitigen. Um diese Bedingungen zu erfüllen, sind die Kugeln aus einem Werkstoff hergestellt, der weder beim Aufbringen auf den Film noch beim Anbringen auf der Karte aufschmilzt. Dadurch bewahren die Kugeln nach dem Verschweißen im wesentlich ihre Abmessungen. Auch aus anderen Gründe werden häufig nicht aufschmelzbare Kugeln verwendet.
  • Jedoch bringt die Verwendung nicht aufschmelzbarer Kugeln andere Nachteile mit sich. Tatsächlich dienen diese Kugeln zur Befestigung des Anschlußträgers der integrierten Schaltung an einem anderen Anschlußträger wie etwa einer gedruckten Schaltung zur Verbindung mehrerer gedruckter Schaltungen. Die Kugeln sind folglich mit Anschlußbereichen verbunden, die gemäß einer gewöhnlich als CMS (composants montés en surface = oberflächenmontierte Komponenten) oder SMT (Surface Mount Technology) bezeichneten Montagetechnik auf einer Fläche der Karte koplanar angeordnet sind. Die Verwendung von nicht aufschmelzbaren Kugeln erfordert folglich Anschlußbereiche, die praktisch alle in einer selben Ebene liegen, um einen wirksamen und zuverlässigen Kontakt mit den jeweiligen Kugeln sicherzustellen. Mit anderen Worten, die Verwendung von aufschmelzbaren Kugeln erfordert die Verwendung von Karten mit sehr engen Toleranzbereichen bezüglich der Planheit. Zu dieser Einschränkung der Anwendung herkömmlicher Träger für solche Karten kommt noch der Nachteil der wesentlich höheren Kosten dieser Karten hinzu. Überdies müssen die Kugeln sehr genaue Abmessungen besitzen und werden auf einen Film aufgebracht, der normalerweise keine gute Planheit aufweist. Dies führt dazu, daß die Scheitelpunkte der Kugeln nur schwerlich innerhalb der Planheitsbereiche liegen, die für eine wirksame und zuverlässige Verbindung der Kugeln mit der Karte erforderlich sind. Dies hat zur Folge, daß der Wirkungsgrad der Montage des Trägers an der Karte herabgesetzt wird.
  • Das Dokument IBM Technical Disclosure Bulletin Bd. 31, Nr. 6, November 1988, S. 335-336: "Improved method for C-4 chip join" beschreibt einen Anschlußträger für integrierte Schaltung mit einem Isolierfilm aus Polyimid, wovon eine Fläche Leiter trägt und die andere Fläche Kugeln trägt, die über Durchführungen mit den jeweiligen Leitern verbunden sind. Die Kugeln sind direkt in den Durchführungen befestigt, deren Boden durch die jeweiligen Leiter gebildet wird.
  • Das Dokument US5045921A beschreibt ebenfalls einen solchen Träger und beschreibt ferner die Verbindung zweier Träger durch Aufschmelzen der Kugeln. Das Dokument US5127570A beschreibt den Anschluß eines Schaltungsträgers an einen zweiten Träger, wobei die Kugeln am zweiten Träger befestigt sind. Gemäß diesem Dokument erleichtern die am zweiten Träger befestigten Kugeln die Ausrichtung mit dem ersten Träger.
    • Die Erfindung
  • Eines der Ziele der Erfindung ist, ohne die Metallisierung der Durchführungen des Isolierfilms des Anschlußträgers auszukommen.
  • Ein weiteres Ziel ist, ohne die Verwendung von nicht aufschmelzbaren Kugel auszukommen.
  • Ein weiteres Ziel ist auch, die Probleme der Planheit zwischen dem Träger und der Anschlußkarte zu minimieren.
  • Ein weiteres Ziel ist noch, die Herstellungskosten eines Anschlußträgers zu senken.
  • Ein weiteres Ziel ist, das Anschlußverfahren zwischen zwei Trägern über Kugeln zu flexibilisieren, indem eine Wahl unter mehreren Ausführungsvarianten angeboten wird, wodurch eine gute Anpassung des Verfahrens an jeden Fall ermöglicht wird.
  • Ein weiteres Ziel ist schließlich, die Kugeln an eine Leiterebene, beispielsweise eine Masseebene, anschließen zu können, die auf dem Film auf seiner Fläche, die die Kugeln trägt, befestigt ist.
  • Die Erfindung hat einen Anschlußträger für integrierte Schaltung nach Anspruch 1 zum Gegenstand.
  • Die Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung hervor, die anhand eines Beispiels und mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung gegeben wird.
  • In der Zeichnung:
  • - ist Fig. 1 eine das Anschlußverfahren veranschaulichende schematische, axiale und an der Mittelachse begrenzte Schnittansicht eines Gehäuses für integrierte Schaltung, das an einem Anschlußträger befestigt ist;
  • - ist Fig. 2 eine Teilschnittansicht, die jener von Fig. 1 ähnlich ist und eine erste Ausführungsvariante eines Anschlußträgers des Gehäuses zeigt;
  • - ist Fig. 3 eine schematische Teilschnittansicht, die jener von Fig. 3 ähnlich ist und eine zweite Ausführungsvariante eines Anschlußträgers zeigt; und
  • - ist Fig. 4 eine schematische Teilschnittansicht, die jener von Fig. 1 ähnlich ist und eine Ausführungsvariante eines Anschlußträgers des Gehäuses sowie eine Variante des Verfahrens zur Verbindung zweier Anschlußträger über Kugeln zeigt.
  • In Fig. 1 ist ein Gehäuse 10 für eine integrierte Schaltung 11 gezeigt. Die Abmessungen der integrierten Schaltung mit den Elementen des Gehäuses sind absichtlich verändert, um diese deutlicher hervortreten zu lassen. Die integrierte Schaltung 11 ist auf einen Anschlußträger 12 montiert. Der gezeigte Träger 12 ist ein herkömmlicher Band-TAB-Träger (TAB = Tape-Automated Bonding) und enthält einen Isolierfilm 13, beispielsweise aus Polyimid, wovon eine Fläche eine Gruppe von Leitern 14 trägt und die andere Fläche Kugeln 15 trägt. Die Leiter 14 bilden einen Strahl, der zu der in der Figur angegebenen Mittelachse A konvergiert. Die Kugeln 15 sind direkt in Durchführungen 16 befestigt, die im Film 13, dessen Boden durch die jeweiligen Leiter 14 gebildet wird, ausgebildet sind. Im gezeigten Beispiel ist der Träger 13 vom Typ mit drei Schichten, nämlich einer Schicht, die den Film 13 aus Polyimid bildet und gewöhnlich eine Dicke besitzt, die zwischen 75 und 125 um liegt, einer aus Leitern 14 zusammengesetzte leitende Schicht, die gewöhnlich eine Dicke von etwa 20 bis 35 um besitzt, und einer Haftschicht 17 mit einer Dicke von etwa 25 um. Jedoch war der Träger 13 in dem von den Erfindern verwirklichten Beispiel vom herkömmlichen Typ mit zwei Schichten, wobei die Haftschicht 17 entfiel, was die Verwendung eines dünneren Films 13, üblicherweise von etwa 50 um, ermöglichte. Die Kugeln 15 haben gewöhnlich einen Durchmesser von etwa 600 bis 700 um und weisen folglich einen Wert auf, der die Dicke des Films 13 um etwa das Zehnfache übertrifft. Die Kugeln können aus einem nicht aufschmelzbaren Werkstoff hergestellt sein, weshalb für ihre Befestigung an den Leitern 14 das Zusetzen eines Lötmittels mit niedrigerem Schmelzpunkt (beispielsweise Zinnlot) erforderlich ist. Vorzugsweise sind sie aus einem Werkstoff hergestellt, der ein Verschweißen durch Aufschmelzen ermöglicht. In der Praxis, in dem gezeigten Beispiel, sind die Kugeln 15 aus aufschmelzbarem Zinnblei hergestellt. Unter Berücksichtigung der Proportionen von Kugeln und Film können die Durchführungen 16 einen Querschnitt haben, der kleiner als der Durchmesser der Kugeln ist. Wenn sie jedoch aus einem aufschmelzbaren Werkstoff hergestellt sind, können sie eine nahezu vergleichbare Abmessung haben, da das Aufschmelzen die Kugeln in den Durchführungen leicht "quetscht". Diese Tatsache garantiert einen guten Kontakt des Lötmittels auf praktisch der gesamten Oberfläche der Leiter 14, derart, daß die Durchführungen 16 zugeschmiert werden. Neben diesem Vorteil können die Kugeln mit einer Leiterebene 18, beispielsweise mit Masse, verbunden werden, die, wie angeführt wurde, auf dem Film 13 auf seiner Fläche, die die Kugeln trägt, befestigt ist. Das Lötmittel und/oder die Kugel selbst können mit dem Rand der Ebene 18 auf Höhe der Durchführung 1b in Kontakt gelangen. Um jedoch die Ausbreitung des Lötmittels auf der Leiterebene 18 zu verhindern, kann auf dieser beispielsweise eine gegenüber dem Lötmittel resistente Maske angeordnet werden. Das Ablagern dieser Maske kann durch Siebdruck erfolgen, was keinen teueren Vorgang darstellt. Vor allem dann, wenn die Kugeln aus einem nicht aufschmelzbaren Werkstoff hergestellt sind, können die Ränder der Ebene, die mit den Kugeln verbunden werden müssen, optional in die entsprechenden Durchführungen hinein verlängert sein. Um zu verhindern, daß die Kugeln 15 mit der Leiterebene 18 in Kontakt kommen, reicht es folglich aus, die Ränder der Ebene 18 um diese Kugeln etwas zu spreizen.
  • Der erfindungsgemäße Träger läßt sich ohne weiteres an verschiedene Typen von Filmen und an jeden Isolierwerkstoff für seine Bildung anpassen. Wenn beispielsweise ein dickerer Film 13 von etwa 200 um verwendet wird, bieten die Durchführungen auch den Vorteil, daß sie als Führung für die Anordnung der Kugeln in den Durchführungen dienen und somit eine Selbstanordnungsfiinktion haben. Diese Funktion ist auch für das Auftragen des Lötmittels für die nicht aufschmelzbaren Kugeln 15 nützlich.
  • Im Gehäuse 10 sind die Leiter 14 an den Eingang-/Ausgangsklemmen 19 der integrierten Schaltung 11 befestigt. Obwohl die gezeigten Klemmen 19 am Rand der integrierten Schaltung angeordnet sind, könnte auch die unter dem Namen "flip-chip" bekannte Verbindungsweise angewandt werden, die Klemmen 19 verwendet, die über die gesamte Fläche der integrieren Schaltung verteilt sind und direkt mit den Leitern 14 verbunden sind. Selbstverständlich können von der Erfindung auch andere Techniken angewandt werden. Beispielsweise kann die Befestigung der Leiter 14 an den Klemmen 19 nach der unter dem Namen "wire bonding" bekannten Technik über Verbindungsdraht erfolgen. Im gezeigten Gehäuse 10 wird die gegenüberliegende Fläche der integrierten Schaltung 11 mit einer Wärmediffusionsplatte 20, die von einem die integrierte Schaltung 11 umgebenden Isolierrahmen 21 gehalten wird, in thermischen Kontakt gebracht. Im gezeigten Beispiel wird der Rahmen 21 befestigt, indem er mit seiner Fläche, die die Drähte 14 trägt, auf den Film 13 aufgeklebt wird.
  • In Fig. 1 wird das Gehäuse 10 über Kugeln 15 an einer Anschlußkarte 22 befestigt. Diese Kugeln werden auf die jeweiligen Verbindungsbereiche 23 einer Fläche der Karte 22 aufgeschweißt. Wenn aufschmelzbare Kugeln verwendet werden, bietet das Aufschmelzen der Kugeln eine größere Planheitstoleranz der Scheitelpunkte der Kugeln und erhöht unter dem Gewicht des Gehäuses den Anbringungswirkungsgrad an der Karte.
  • Allgemein hat die Erfindung folglich einen Anschlußträger 12 für integrierte Schaltung 11 zum Gegenstand mit einem Isoliert. Im 13, wovon eine Fläche Leiter 14 trägt und die andere Fläche Kugeln 15 trägt, die direkt in Durchführungen 16 des Films 13, dessen Boden aus den jeweiligen Leitern, d. h. aus den Leitern selbst oder ihren Verlängerungen oder Verbreiterungen, gebildet ist, befestigt sind. Die Leiter können die jeweiligen Durchführungen teilweise verschließen. Die Fläche, die die Kugeln trägt, trägt eine Leiterebene, die mit wenigstens einer der Kugeln verbunden ist.
  • Obwohl die Kugeln nicht aufschmelzbare Kugeln sein könnten, sind sie vorzugsweise aus einem Werkstoff hergestellt, der das Verschweißen durch Aufschmelzen ermöglicht. Wenn beispielsweise Kugeln aus Zinnblei mit einer nahezu eutektischen Zusammensetzung verwendet werden, ermöglicht das Aufschmelzen deren Befestigung an den Leitern sowie an den Verbindungsbereichen einer Karte und eine Anpassung an alle handelsüblichen Karten.
  • In dem in Fig. 1 gezeigten Beispiel sind die Kugeln durch Aufschweißen auf die Leiter befestigt. Jedoch könnten sie durch eine Haftsubstanz an den Leitern 14 oder an dem Träger 12 befestigt sein. Die Fig. 2 und 3 zeigen zwei Beispiele für die Befestigung durch Aufkleben, in denen diejenigen Elemente, die mit jenen von Fig. 1 identisch sind, mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind. In Fig. 2 ist der Leiter des Bodens jeder Durchführung 16 mit einer Haftsubstanz 24 in Form einer Schicht oder eines Tropfens versehen. Jede Kugel wird anschließend zu ihrer Befestigung an dem Haftmittel 24 angeordnet. Nachdem die Kugeln auf den Bereichen 23 der Karte 22 angeordnet sind, findet das Aufschmelzen der Kugeln von beiden Seiten statt, wodurch diese durch Verschweißen mit den Leitern 14 des Trägers 12 und mit den Bereichen 23 der Karte 22 befestigt werden können. Das Haftmittel 24 ist in diesem Fall ein leitendes, schweißgeeignetes Haftmittel. Jedoch könnten die Kugeln auch wie in Fig. 3 angegeben, die eine Variante von Fig. 2 ist, befestigt werden. In Fig. 3 wird jede Kugel zuerst in den Durchführungen 16 angeordnet und danach durch ein auf die Außenfläche des Trägers 12 aufgetragenes Haftmittel 24 befestigt. Da die Fig. 2 und 3 nur als Hinweise gegeben sind, enthält der Träger 12 keine Leiterebene 18. Jedoch könnte diese ohne weiteres hinzugefügt werden. Wenn die Kugeln nahe genug beieinander liegen, wirkt das Haftmittel 24 isolierend. Jedoch dürfte dieses leitend sein, wenn die Kugeln so weit voneinander entfernt sind, daß kein Kurzschluß erzeugt wird, oder wenn bestimmte von ihnen miteinander oder mit einer Leiterebene 18 verbunden werden sollen. Zusammenfassend, in den in den Fig. 2 und 3 gezeigten Beispielen sind die Kugeln aus einem Werkstoff hergestellt, der das Verschweißen durch Aufschmelzen ermöglicht, und werden durch eine Haftsubstanz befestigt. In Fig. 2 sind die Kugeln mit den Leitern befestigt, während sie in Fig. 3 an der anderen Fläche des Trägers befestigt sind.
  • Gemäß einem anderen, in Fig. 4 gezeigten Beispiel werden die Kugeln 15 zuerst durch Aufschweißen oder durch Aufkleben auf die Bereiche 23 der Karte 22 befestigt. Der Träger 12, mit oder ohne Leiterebene 18, ist lediglich mit Durchführungen 16 versehen. Zur Verbindung des Anschlußträgers 12 mit der Anschlußkarte 22 über Kugeln 15 reicht es aus, die aufschmelzbaren Kugeln 15 in den jeweiligen Durchführungen anzuordnen und die Kugeln zu ihrer Befestigung auf die Leiter 14 oder auf die Bereiche 23 aufzuschmelzen.
  • In Fig. 4 werden die Kugeln zuerst an den Anschlußbereichen des anderen Trägers 22 befestigt.
  • Die Erfindung hat somit als logisch folgenden Gegenstand einen Anschlußträger 22 wie etwa eine gedruckte Schaltung mit einer Fläche, die Anschlußbereiche 23 trägt, auf denen Kugeln aus einem aufschmelzbaren Werkstoff befestigt sind. Die Befestigung der Kugeln an den Bereichen 23 kann, wie in Fig. 2 oder 3 angegeben, durch eine Haftsubstanz 24 erfolgen. In diesem Fall können mit Kugeln 15 versehene Anschlußkarten 22 geschaffen werden, wobei das Aufschmelzen der Kugeln nachträglich bei der Montage des Trägers 12 oder des Gehäuses 10 erfolgen kann.
  • In den Fig. 1 bis 3 werden die Kugeln zuerst auf dem oben definierten Träger 12 befestigt. Im Fall von Fig. 1 war zu sehen, daß die Kugeln aus einem nicht aufschmelzbaren Werkstoff hergestellt waren. Die Erfindung hat somit als logisch folgenden Gegenstand auch einen Träger, der ein Gehäuse für integrierte Schaltung bildet und Eingangs-/Ausgangsklemmen in Form von Kugeln aufweist, die direkt in Durchführungen eines Films befestigt sind, wobei der Boden der Durchführungen durch die jeweiligen Leiter des Gehäuses gebildet wird.

Claims (10)

1. Anschlußträger (12) für integrierte Schaltung (11), mit einem Isolierfilm (13), wovon eine erste Fläche Leiter (14) trägt, Durchführungen (16), die im Film ausgebildet sind, durch den Film verlaufen, in die zweite Fläche des Films, die der ersten Fläche gegenüberliegt, münden und als Boden die jeweiligen Leiter besitzen, sowie Kugeln (15) in den Durchführungen, die an den Leitern befestigt sind, um als Anschluß an einen zweiten Träger (22) zu dienen, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Fläche des Films eine Leiterebene (18) trägt, die an wenigstens eine der Kugeln angeschlossen ist.
2. Träger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kugeln aus einem Werkstoff hergestellt sind, der ihr Verschweißen durch Aufschmelzen auf die Leiter (14) und auf die Leiterebene (18) ermöglicht.
3. Träger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kugeln aus einem Werkstoff hergestellt sind, der das Verschweißen durch Aufschmelzen ermöglicht, und daß sie durch eine Klebstoffsubstanz (24) an den Leitern (14) und an der Leiterebene (18) befestigt sind.
4. Träger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kugeln aus einem Werkstoff hergestellt sind, der das Verschweißen durch Aufschmelzen nicht ermöglicht, und daß sie durch Lötmittel an den Leitern (14) und an der Leiterebene (18) befestigt sind.
5. Träger nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterebene(18) mit einer gegenüber dem Lötmittel resistenten Maske (25) versehen sind.
6. Träger nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Anschluß der Leiterebene (18) an wenigstens eine der Kugeln (15) durch Herstellen eines Kontakts zwischen der Kugel oder dem Lötmittel der Kugel und dem Rand der Leiterebene auf Höhe der entsprechenden Durchführung (16) ausgebildet ist.
7. Träger nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Rand der Leiterebene (18) in die Durchführung (16) hinein verlängert ist.
8. Träger nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ränder der Leiterebene (18) um die nicht an die Leiterebene angeschlossenen Kugeln (15) entfernt sind.
9. Träger nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiter (14) an die Anschlüsse (19) der integrierten Schaltung (11) angeschlossen sind.
10. Gehäuse für integrierte Schaltung, dadurch gekennzeichnet, daß die integrierte Schaltung (11) an einem Anschlußträger, wie er in einem der vorhergehenden Ansprüche definiert ist, befestigt ist.
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