DE69735157T2 - Kugelmatrixmodul - Google Patents

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft Laminatsubstrate und insbesondere Laminatsubstrate, die bei der Herstellung von Kugelmatrixmodulen (Ball Grid Array, BGA) eingesetzt werden.
  • Eine technologische Entwicklung aus jüngster Zeit hat zum Einsatz von Leiterplatten-Laminaten (PCB-Laminaten) als Substrat für die Herstellung von elektronischen Modulen geführt, bei denen es sich um Single-Chip- (SCM) oder Multi-Chip-Module (MCM) handeln kann. Diese Module sind mit einer Vielzahl leitfähiger Kontaktstellen für den Anschluss elektronischer Schaltungen (wie Motherboards, Rückwandplatinen oder anwendungsspezifische Platinen) versehen. Der elektrische Anschluss geschieht mithilfe kleiner, kugelförmiger Portionen einer Lötlegierung, die dieser Art elektronischer Module den Namen Kugelmatrixmodul gaben. Üblicherweise werden bei diesen Modulen aus organischem Material hergestellte PCB-Laminate verwendet. Diese Module werden im Allgemeinen als Kunststoff-Kugelmatrixmodule (Plastic Ball Grid Array, PBGA) bezeichnet. Die Definition „Kunststoff" zeigt dabei den organischen Charakter des PCB im Gegensatz zu einem Keramiksubstrat an. Ein weiteres Beispiel eines Kugelmatrixmoduls ist das Tape-BGA (TBGA), bei dem anstelle des Laminats ein Band aus organischem Material als Substrat verwendet wird.
  • 1 stellt als Beispiel einen Teil eines Kugelmatrixmoduls des SCM-Typs dar. An der Unterseite des Laminats 101 befindet sich eine Vielzahl leitfähiger Kontaktstellen 103, wobei jede Kontaktstelle mit einer Lötkugel 105 versehen ist, die mit einer elektronischen Schaltung in Kontakt gebracht und verflüssigt wird, wodurch die elektrische Verbindung realisiert wird. Auf der Oberseite des Moduls befindet sich das aktive Element 107, das zum Schutz mit einer Kunstharzkappe 109 abgedeckt ist. Bei der Herstellung elektronischer Module ist es üblich, die Substrate mit metallisierten Durchgangslöchern zu versehen, um die verschiedenen leitfähigen Schichten des Substrats miteinander elektrisch zu verbinden. Das Substrat kann vom Typ NIP (No Internal Plane) sein und nur zwei an den Außenseiten des Substrats befindliche leitfähige Schichten besitzen, oder es kann sich um ein Mehrschichtsubstrat handeln, das auch eine oder mehrere leitfähige Zwischenschichten besitzen kann.
  • Ein alternatives PBGA-Modul besteht wie in 2 dargestellt aus einer Cavity-Down-Anordnung. Der Hauptunterschied zwischen dem Cavity-Down-Modul und dem oben unter Bezug auf 1 beschriebenen Chip-Up-Modul besteht darin, dass das aktive Element 207 auf der Unterseite des Moduls, d. h auf derselben Seite wie die Lötpunkte 205, angebracht ist und sich in einer Art Vertiefung des organischen Substrats 201 befindet, die das aktive Element 207 vollständig umgibt. Diese Anordnung bietet gegenüber dem Chip-Up-PBGA-Modul einige Vorteile. Ein Vorteil besteht in der geringeren Dicke des sich ergebenden Pakets, da der Chip „im Substrat enthalten" ist. Weiterhin bieten diese Module eine bessere Wärmeableitung, weil das aktive Element gewöhnlich an einer metallenen Versteifung angebracht ist, welche die Oberseite des Moduls bildet und gleichzeitig als Wärmeableitung fungiert.
  • Die BGA-Technologie bietet gegenüber herkömmlichen Technologien wie den Pin-Grid-Arrays einige Vorteile, z. B. hinsichtlich der Zuverlässigkeit, Robustheit und der Herstellungskosten. Im Bereich der BGA-Technologie stellt die Kunststoff-BGA-Technologie eine viel preisgünstigere Lösung dar als die Verwendung anderer Substrate (z. B. Keramiksubstrate). Jedoch sind die dem Stand der Technik entsprechenden Kunststoff-BGA-Module nicht für alle Anwendungsfälle geeignet.
  • Ein Beispiel hierfür ist der Einsatz von PBGA-Modulen in Hochfrequenzanwendungen. Diese Art von Vorrichtungen erfordert eine Abschirmung gegenüber elektromagnetischer Interferenz, um störende Hintergrundinterferenz mit der Arbeitsfrequenz des Produkts zu vermeiden. Je höher die Frequenz ist, umso kürzer ist die entsprechende Wellenlänge. Ist die Wellenlänge klein genug, können die Wellen zwischen den Molekülen durch die atomaren Strukturen hindurchgelangen und das Signal kann die normalerweise zur Herstellung elektronischer Gehäuse verwendeten Materialien durchdringen. Wenn dies geschieht, können die Interferenz- bzw. Störeinflüsse die aktive Schaltung auf dem Chip erreichen und auf die eigentlichen Arbeitssignale gekoppelt werden, wodurch die Schaltungen in völlig willkürlicher Weise gesperrt oder entsperrt werden, die Chipfunktionen nicht mehr erkennbar oder unbrauchbar werden und in einigen Fällen die Anwendung sogar physikalisch beschädigt wird. In einer normalen Umgebung gibt es mehrere Möglichkeiten für Zufallssignale mit Hoch- bzw. Funkfrequenzeigenschaften, wie z. B. elektrische Impulsspitzen, Störsignale im Haushalt, in der Atmosphäre vorhandene kurzwellige Strahlen (Röntgenstrahlen) und viele andere. Zur Vermeidung dieses großen Problems muss die HF-Anwendung mit einer Art Kasten geschützt werden, der aus einem Material mit einer sehr dichten Molekülstruktur wie z. B. einem Metall besteht, welches von den HF-Interferenzen nicht durchdrungen werden kann, sondern diese reflektiert. Dieser Metallkasten fungiert als Faradayscher Käfig und schützt die Funktionalität der Anwendung.
  • Bei der Herstellung von Vorrichtungen für HF-Anwendungen ist die Verwendung eines ganz aus Metall bestehenden und einen Hohlraum bildenden Gehäuses zur Unterbringung der elektronischen Schaltung allgemein bekannt. In mikroelektronischen Hybridschaltungen ist das Substrat (gewöhnlich Keramik), das die Siliciumchips und passiven Bauelemente trägt, mit der Unterseite des Metallgehäuses verklebt oder hart verlötet. Dann werden mittels Drahtbonden Verbindungen zwischen Substrat und Gehäuseleitungen hergestellt. Danach wird das ganze Modul verschlossen, indem an der offenen Seite des Hohlraums mittels Hartlöten oder Schweißen ein Deckel angebracht wird, um so ein ganz aus Metall und aus einem Stück bestehendes Gehäuse zu erhalten. Die Abschirmung gegenüber elektromagnetischen Interferenzen erreicht man durch Erdung des Metallgehäuses über interne Verbindungen.
  • Diese Lösung ist jedoch mit beträchtlichen Kosten verbunden. Ein Einsatz von kostengünstigen organischen Gehäusen wäre sehr wünschenswert, aber die PBGA-Module nach dem Stand der Technik erfüllen die mit der Abschirmung gegenüber elektromagnetischen Interferenzen verbundenen Anforderungen nicht.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Technik bereitzustellen, welche die oben genannten Nachteile reduziert.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Laminatsubstrat für die Herstellung von elektronischen Kugelmatrixmodulen bereitgestellt, wobei das Substrat elektrisch mit einem aktiven Element verbunden werden kann und auf einer ersten Oberfläche eine erste Vielzahl von leitfähigen Kontaktstellen besitzt, die zur Aufnahme einer ersten Vielzahl von Portionen einer Lötlegierung für die Verbindung mit den Ein- und Ausgängen aktiven Elements dienen, und das Substrat des Weiteren Folgendes umfasst:
    • – eine zweite Vielzahl leitfähiger Kontaktstellen, die zur Aufnahme einer zweiten Vielzahl von Portionen einer Lötlegierung dienen und die – außerhalb der ersten Vielzahl leitfähiger Kontaktstellen – auf der ersten Oberfläche des Substrats entlang seines gesamten Umfangs platziert werden;
    • – eine Vielzahl metallisierter Durchgangslöcher im Substrat, wobei die Vielzahl von Durchgangslöchern entlang des gesamten Substratumfangs und außerhalb der ersten Vielzahl leitfähiger Kontaktstellen platziert ist;
    wobei die zweite Vielzahl leitfähiger Kontaktstellen, die auf der ersten Oberfläche mit der Vielzahl von Durchgangslöchern elektrisch verbunden ist und die elektrische Verbindung zwischen der zweiten Vielzahl leitfähiger Kontaktstellen und der Vielzahl von Durchgangslöchern auf der ersten Oberfläche kontinuierlich entlang des Substratumfangs verläuft, wodurch die zweite Vielzahl leitfähiger Kontaktstellen und die Vielzahl von Durchgangslöchern als seitliche Abschirmung gegenüber elektromagnetischer Interferenz wirken.
  • Des Weiteren wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein Kunststoff-Kugelmatrixmodul bereitgestellt, welches das oben erwähnte Substrat umfasst.
  • Außerdem wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein System bereitgestellt, das eine Hauptplatine und ein oben beschriebenes Cavity-Down-BGA-Modul umfasst, welches auf der Hauptplatine angeordnet ist, wobei das Modul so angepasst ist, dass es ein oder mehrere diskrete aktive Elemente enthalten kann.
  • Auf diese Weise erlaubt die vorliegende Erfindung den Einsatz von kostengünstigem, allgemein erhältlichem organischem Grundmaterial bei der Herstellung von HF-Vorrichtungen. Die vorliegende Erfindung stellt eine wirksame Abschirmung gegenüber elektromagnetischer Interferenz (EMI) bereit. Diese Abschirmung wird durch eine Art vollständigen Faradyschen Käfig erreicht, der die aktive Vorrichtung vor in der Atmosphäre vorkommender, natürlicher elektromagnetischer Strahlung im Funkfrequenzbereich oder vor Störeinflüssen schützt, die von Funkanlagen verursacht werden.
  • Die oben genannten und andere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden Figuren leichter verständlich; hierbei ist:
  • 1 eine schematische Darstellung eines BGA-Moduls des Chip-Up-Typs nach dem Stand der Technik;
  • 2 eine schematische Darstellung eines BGA-Moduls des Cavity-Down-Typs nach dem Stand der Technik;
  • 3 eine Draufsicht einer Leiterplatte aus organischem Material gemäß einer bevorzugten Ausführungsart der vorliegenden Erfindung; und
  • 4 eine Querschnittsdarstellung einer bevorzugten Ausführungsart der vorliegenden Erfindung.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsart der vorliegenden Erfindung wird ein BGA-Modul des Cavity-Down-Typs mit organischem Substrat wie das in 2 dargestellte Modul verwendet, jedoch könnte die Erfindung auch mit anderen Modularten (z. B. BGA-Module des Chip-Up-Typs) ausgeführt werden.
  • Wie bereits oben erwähnt, ist eine vollständige Abschirmung gegenüber elektromagnetischer Interferenz erforderlich, um das elektronische Modul in Hochfrequenzanwendungen einsetzen zu können. Andernfalls könnten äußere kurzwellige Störungen die Materialien durchdringen, die aktive Schaltung auf dem Chip erreichen und die Funktionen des aktiven Elements verändern oder das Element beschädigen. Aus diesem Grund haben die bei HF-Anwendungen eingesetzten Materialien eine sehr dichte Molekülstruktur. In einem typischen HF-Anwendungspaket ist das aktive Siliciumelement, das auf einem Keramiksubstrat angebracht ist, durch eine Metallabdeckung geschützt. Das Keramikmaterial selbst ist ein Material, das die HF-Wellen nicht durchlässt.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsart der vorliegenden Erfindung wird durch die Verwendung eines organischen Substrats eine vollständige Abschirmung eines Moduls realisiert. Die organischen Materialien stellen für HF-Wellen kein Hindernis dar. Aus diesem Grund wird durch eine Kombination von zum Beispiel in Zick-Zack-Form miteinander verbundenen Lötkugeln und metallisierten Durchgangslöchern entlang der Seiten des Substrats ein „Metallzaun" gebildet. Wie in der Draufsicht in 3 schematisch dargestellt, wechseln sich entlang der vier Seiten des organischen Substrats die metallisierten Durchgangslöcher 301 mit den Lötkugeln 303 ab, sind miteinander verbunden und bilden einen „Zaun", der das ganze Modul umgibt. Dieser „Zaun" bildet eine Abschirmung, die sich als sehr wirksamer Schutz vor hochfrequenten elektromagnetischen Wellen erwiesen hat. Labortests haben gezeigt, dass eine Abschirmung wie die oben beschriebene zum Schutz vor HF-Strahlung von über 1 GHz eingesetzt werden kann. In einer bevorzugten Ausführungsart gleichen diese metallisierten Durchgangslöcher und die Lötkugeln den metallisierten Durchgangslöchern und den Lötkugeln, die üblicherweise zur Herstellung von BGA-Modulen verwendet werden, haben jedoch keine Verbindung mit den aktiven Schaltungen. Sie sind zur Realisierung der HF-Abschirmung mit Masse verbunden. In 3 sind als Beispiel einige der Lötkugeln 305 dargestellt, welche die Signalverbindungen zwischen dem aktiven Bauelement und der Hauptplatine realisieren, auf der das Modul angebracht wird.
  • Wie oben erwähnt, ist in einer bevorzugten Ausführungsart der vorliegenden Erfindung das Substrat organischer Natur und vom Cavity-Down-Typ. Das bedeutet, dass das aktive Element im Substrat enthalten ist und der „Metallzaun" aus den metallisierten Durchgangslöchern und Lötkugeln eine vollständige seitliche Abschirmung bildet. Beim Chip-Up-Typ würde der oben beschriebene „Zaun" eine Abschirmung für das Substrat bilden, jedoch wäre zur Vervollständigung des Schutzes für das aktive Element eine weitere seitliche Abschirmung notwendig.
  • In 4 ist der mit einer bevorzugten Ausführungsart der vorliegenden Erfindung realisierte vollständige Faradaysche Käfig detailliert dargestellt. Der Faradaysche Käfig muss das aktive Element 401 vollständig umgeben, um das Element gegenüber elektromagnetischen HF-Wellen abzuschirmen. Wie oben erläutert, werden die Seiten des Käfigs durch die metallisierten Durchgangslöcher 301 und den mit ihnen verbundenen Lötkugeln 303 gebildet. Die metallisierten Durchgangslöcher 301 sorgen für eine Abschirmung innerhalb des Substrats (das gemäß der bevorzugten Ausführungsart der vorliegenden Erfindung aus einem organischen Laminat besteht), während die Lötkugeln einen seitlichen Schutz zwischen dem Substrat und der Hauptplatine gewährleisten (wenn das Modul zum Abschluss auf die Hauptplatine montiert wird). Die fest mit den Lötkugeln 303 verbundene Masseebene 403 in der Hauptplatine bildet die Unterseite des Faradayschen Käfigs, während gemäß der bevorzugten Ausführungsart die Oberseite des Faradayschen Käfigs durch die Verbindung der oberen Metallplatte 405 – die gewöhnlich die Oberseite eines Cavity-Down-Moduls bildet – mit den metallisierten Durchgangslöchern 301 realisiert wird.
  • Wie oben erwähnt, können die metallisierten Durchgangslöcher und die Lötkugeln, die zusammen den Faradayschen Käfig bilden, identisch mit den aktiven sein. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsart beträgt der Abstand zwischen diesen zusätzlichen Lötkugeln 1,27 mm und entspricht damit dem Abstand, der vom JEDEC (Joint Electron Device Engineering Council) als Industriestandard für die Herstellung von PBGA-Modulen festgelegt wurde, jedoch könnten auch andere Maße verwendet werden.

Claims (8)

  1. Laminatsubstrat für den Einsatz bei der Herstellung von elektronischen Kugelmatrixmodulen (Ball Grid Array), wobei das Substrat mit einem aktiven Element (401) elektrisch verbunden werden kann und auf einer ersten Oberfläche eine erste Vielzahl leitfähiger Kontaktstellen (305) besitzt, die zur Aufnahme einer ersten Vielzahl von Portionen einer Lötlegierung für die Verbindung mit den Ein- und Ausgängen des aktiven Elements dienen, und das Substrat des Weiteren Folgendes umfasst: – eine zweite Vielzahl leitfähiger Kontaktstellen (303) zur Aufnahme einer zweiten Vielzahl von Portionen einer Lötlegierung auf der ersten Oberfläche des Substrats, die außerhalb der ersten Vielzahl leitfähiger Kontaktstellen (305) entlang des gesamten Substratumfangs platziert ist; – eine Vielzahl metallisierter Durchgangslöcher (301) im Substrat, wobei die Vielzahl von Durchgangslöchern außerhalb der ersten Vielzahl leitfähiger Kontaktstellen (305) entlang des gesamten Substratumfangs angeordnet ist; und wobei die zweite Vielzahl leitfähiger Kontaktstellen (303) auf der ersten Oberfläche mit der Vielzahl von Durchgangslöchern (301) elektrisch verbunden ist und die elektrische Verbindung zwischen der zweiten Vielzahl leitfähiger Kontaktstellen und der Vielzahl von Durchgangslöchern auf der ersten Oberfläche kontinuierlich entlang des Substratumfangs verläuft, wodurch die zweite Vielzahl leitfähiger Kontaktstellen und die Vielzahl von Durchgangslöchern zusammen als seitliche Abschirmung gegenüber elektromagnetischen Interferenzen wirken.
  2. Laminatsubstrat nach Anspruch 1, bei dem die Vielzahl metallisierter Durchgangslöcher (301) und die zweite Vielzahl leitfähiger Kontaktstellen (303) abwechseln und in Zick-Zack-Form verbunden sind.
  3. Kugelmatrixmodul (BGA-Modul), welches das Substrat nach Anspruch 1 oder 2 umfasst.
  4. BGA-Modul nach Anspruch 3, bei dem das Substrat eine Leiterplatte (Printed Circuit Board, PCB) aus organischem Material ist.
  5. BGA-Modul nach Anspruch 3 oder 4, bei dem es sich um ein BGA-Modul des Cavity-Down-Typs handelt.
  6. Cavity-Down-BGA-Modul nach Anspruch 5, welches des Weiteren eine obere Metallplatte (405) umfasst, die auf derjenigen Leiterplattenoberfläche angebracht ist, welche der ersten Oberfläche gegenüberliegt, wobei die obere Metallplatte mit der Vielzahl von Durchgangslöchern (301) elektrisch verbunden ist.
  7. Cavity-Down-BGA-Modul nach Anspruch 6 für den Einsatz in einer HF-Anwendung.
  8. System, das eine Hauptplatine und ein auf die Hauptplatine montiertes Cavity-Down-BGA-Modul nach Anspruch 6 oder 7 umfasst, wobei das Modul so angepasst ist, dass es ein oder mehrere diskrete aktive Elemente enthalten kann.
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