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Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein System zur Herstellung von Kunststoffverpackungen
für Halbleiter,
wie zum Beispiel Verpackungen für
eine bestimmte Gehäuseform
von integrierten Schaltkreisen, bei der die Anschlüsse (kleine
Bälle aus
Lötzinn) als
Feld (array) angeordnet sind (ball grid array, BGA) durch ein Spritzpressverfahren
(transfer molding). Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere
das Einkapseln von auf einem Substrat vorhandenen integrierten Schaltkreisen
in einer Kunststoffverpackung.
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Stand der
Technik
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BGA
Verpackungen versprechen die Nachteile von konventionellen Verpackungen,
wie zum Beispiel "quad
flat packs" (QFP),
was die Kosten, die Energieableitung, die Geschwindigkeit und die
Zahl der input/output (I/O) Anschlussstifte betrifft, zu beheben.
Entscheidend für
die Einhaltung dieser Vorteile ist die Fähigkeit der Elektronikindustrie,
BGA-Verpackung zuverlässig
und ökonomisch
mit bestehenden Surface-Mount-Technologien und Vorrichtungen durch
ein Spritzpressverfahren herzustellen. Meistens sind BGA-Verpackungen
in ihren physikalischen Abmessungen kleiner und dünner als
konventionelle Verpackungen mit vergleichbarer Geschwindigkeit und
Anschlussstiftzahl. Gelegentlich können bei konventionellen Verpackungen
nicht auftretende Probleme, wie zum Beispiel Drahtverwehungen (wire sweep),
bedeutend werden, wenn BGA-Verpackungen für Anwendungen verwendet werden,
die höhere Geschwindigkeiten
und Anschlussstiftzahlen benötigen.
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Darüber hinaus
geht der Trend zunehmend zur Herstellung von miteinander verbundenen
Systemen, wie so genannte „Multichipmodules" (MCM). MCM bezieht
sich auf eine Verpackung, die mehr als einen Chip enthält und bis
zu über
hundert integrierte Hochleistungs-Silikon-Schaltkreise mit einer
kundenspezifisch gestalteten Substratstruktur kombiniert. BGA Verpackungen
arbeiten deshalb mit MCM, weil die Elektronikindustrie Erfahrung
damit hat, standardmäßige Einzel-Chip-Module auf Leiterplatten
mit einer hohen Ausbeute und niedrigen Kosten zusammenzufügen. Dennoch
beeinträchtigt
die vorherrschende Praxis die so genannte "glob topp" Einkapselung für MCMs, die Ausbeute und die
finanziellen Vorteile von Surface-Mount-Technologien.
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Zusätzlich offenbart
die
US 4,857,483 , ausgestellt
an Steffen, unter anderem, wie ein duroplastisches Harz auf das Äußere der
Trennebene einer Transferform gespritzt werden kann, um die auf
die dielektrischen Endlosstreifen montierten integrierten Schaltkreise
einzukapseln. Der Schutz der Schaltkreise wird dadurch verbessert,
während
die Möglichkeit,
die Streifen zu testen, erhalten bleibt.
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Die
EP 0 688 650 von Citizen
Watch Co. Limited erklärt,
wie ein integrierter Schaltkreis auf einer Leiterplatte durch ein
Harz versiegelt werden kann, indem man die Leiterplatte über den
Hohlraum einer metallischen Unterform befestigt und anschließend ein
geschmolzenes Harz durch einen Gießkanal und einen Punktanschnitt
(pinpoint gate) an der Unterseite des Hohlraums presst. Dabei wird
das Harz auf die Leiterplatte gepresst, um die integrierten Schaltkreise
auf der Leiterplatte zu umschließen.
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Die
US 5,286,426 , ausgestellt
an Rano, Jr u.a., beschreibt ein Verfahren zum Zusammenbau eines
Befestigungsrahmens zwischen zwei Hohlraumplatten, bei dem der Befestigungsrahmen
an der Unterseite der Hohlraumplatte angebracht ist. Führungsstifte
dienen dazu, den Befestigungsrahmen akkurat zu positionieren, da
eine ungenaue Positionierung der Befestigungsrahmen einen Lichteingang durch
Vorbohrungen im Befestigungsrahmen ermöglicht. Ein solcher Lichteingang
wird von einem Fotodetektor registriert und löst ein Warnsignal aus.
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Die
JP A 61 155 513 von
Polyplastics Co. beschreibt eine Verpackung für integrierte Schaltkreise, bei
der ein geschmolzenes Harz durch Trennwände zurückgehalten oder zugelassen
werden kann. Die Trennwände
werden zurückgezogen,
damit das geschmolzene Harz zu den integrierten Schaltkreisen fließen kann,
sobald das geschmolzene Harz den Hohlraum einer Form, die eine Einspritzmündung aufweist,
durch die das geschmolzene Harz eingespritzt wird, nahezu ausfüllt.
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Aufgabe der
Erfindung
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Kunststoffverpackungen
für Halbleiter
zuverlässig
und ökonomisch
durch ein Spritzpressverfahren herzustellen.
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Es
ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, integrierte Schaltkreise
zuverlässig
auf einem Substrat in eine Kunststoffverpackung einzukapseln, wobei Probleme
mit Kabelverwehungen innerhalb der Kunststoffverpackung minimiert
werden.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung umfasst eine Oberform, eine Hohlraumplatte
und eine Unterform zur Herstellung von verschiedenen BGA-Verpackungen
durch ein Spritzpressverfahren. Die Oberform weist ein Netzwerk
von Gießkanälen auf,
das an mindestens einen Gießtrichter
angeschlossen ist. Die Hohlraumplatte umfasst auf der der Unterform
zugewandten Seite mindestens einen Hohlraum zur Bildung einer Gießform über einem
Substrat, welches zwischen Unterform und Hohlraumplatte eingespannt
ist.
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Auf
der der Oberform zugewandten Seite befindet sich mindestens ein
konischer Kanal, der das Harz aus dem Gießkanal aufnimmt. Die Spitze
des konischen Kanals endet in einem eintauchenden Einguss, der in
der Mitte des Hohlraums angebracht ist und den Zugang des Harzes
in den Hohlraum ermöglicht,
wobei Kabelverwehungen minimiert werden. Das Netzwerk aus Gießkanälen und
die Kombination von konischen Kanälen kapselt BGA-Strukturen
in verschiedene Matrizen zuverlässig
und ökonomisch ein.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1A ist
eine Darstellung eines Querschnitts einer Ausführung einer BGA-Verpackung
mit einem unten liegenden Hohlraum, in der das spritzgepresste oder
einkapselnde Harz durch die gestrichelten Linien markiert ist.
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1B ist
eine Darstellung eines Querschnitts einer Ausführung einer BGA-Verpackung
mit einem oben liegenden Hohlraum, in der das überstehende formgepresste Harz
durch die gestrichelten Linien markiert ist.
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2 ist
eine Darstellung eines aus dem Stand der Technik bekannten Spritzpressverfahrens zur
Herstellung von einkapselnden Kunststoffverpackungen unter Verwendung
einer Eingussplatte.
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3 ist
eine Darstellung eines weiteren aus dem Stand der Technik bekannten
Spritzpressverfahrens zur Herstellung von einkapselnden Kunststoffverpackungen,
in dem eine entfernbare Hohlraumplatte zum Einsatz kommt.
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4 ist
eine Darstellung eines anderen aus dem Stand der Technik bekannten
Verfahrens zur Herstellung von Kunststoffverpackungen, bei dem Kleckse
eines gepressten Harzes verwendet werden (globbing method).
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5 veranschaulicht
die Wölbung
eines Matrix-BGA-Substrates, das durch das Klecksverfahren hergestellt
wurde. Das anschließende
Zerschneiden des Substrats in Plättchen
mit der richtigen Größe ist nahezu
unmöglich.
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6 ist
eine Ansicht der Oberseite der vorliegenden Erfindung (aus einem
erhöhten
Blickwinkel), in der das BGA-Matrix Substrat durch ein Spritzpressverfahren
unter Verwendung eines einzigartigen Systems aus Gießkanälen und
konischen Kanälen
hergestellt wird, um überragende
Resultate zu erreichen.
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7 ist
eine Darstellung eines Querschnitts der vorliegenden Erfindung aus
einem entfernten Blickwinkel gemäß der Linie
A-A in 6.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
der Erfindung
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Ein
System zur Herstellung von einkapselnden BGA-Verpackungen wird hiernach
beschrieben. In der nachfolgenden Beschreibung sind viele spezifische
Details, wie Gießtrichter,
Gießkanäle und Formpressplatte
usw. dargelegt, um das genaue Verständnis der vorliegenden Erfindung
zu ermöglichen. Es
ist für
einen Fachmann offensichtlich, dass die vorliegende Erfindung auch
ohne diese Details angewendet werden kann. In anderen Fällen werden wohlbekannte
Teile, die zum Erhitzen des Harzes und zum Transfer des Harzes dienen,
sowie der Einspannvorgang einer Spritzpressform (transfer mold) nicht
gezeigt, um die vorliegende Erfindung nicht zu verschleiern.
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Die
Abbildungen 1A und 1B sind vereinfachte
Darstellungen eines Querschnitts der zwei üblichsten Formen von BGA-Verpackungen.
In 1A ist eine BGA-Verpackung in einer Ausführung dargestellt,
in der der Hohlraum unten liegt. Typisch für diese Kategorie der BGA-Verpackungen
ist die im U.S. Pat. N° 5,583,378
beschriebene BGA-Verpackung. Die BGA-Verpackung 1 umfasst einen
integrierten Chip (IC) 2, der an einem Kühlkörper 4 befestigt
ist. In 1A werden die Details der Verbindung
des Chips 2 mit dem Substrat 6 nicht gezeigt.
Dem Fachmann sollte klar sein, dass der Chip entweder durch Drähte mit
dem Substrat verbunden oder durch ein TAB- Verfahren (Tape Automated Bonding) mit
dem Substrat verlötet
wird. Eine Anordnung von Lötmetallbällen 8 wird
an der Unterseite der BGA-Verpackung 1 angebracht. Der
Bereich zwischen der gestrichelten Linie und dem Chip 2 stellt ein
Volumen 10 dar, das mit Harz eingekapselt werden soll,
und ist der Bereich, der in der vorliegenden Erfindung von Belang
ist. Die vorherrschende industrielle Praxis ist ein Verfahren, bei
dem ein eingedämmter
Bereich zum Einkapseln aufgefüllt
wird, um den Chip zu schützen.
Zunächst
wird ein rechteckiger Damm optional um den Rohchip dank eines dickflüssigen einkapselnden
Stoffes gelegt. Dann gibt eine Kreiselpumpe eine spiralförmige Füllung eines
dünnflüssigen einkapselnden
Stoffes in das Innere des Damms. Siehe dazu zum Beispiel CAM/ALOT-Systeme
zur Verteilung von Flüssigkeiten.
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In 1B ist
die BGA-Verpackung 11 in einer Ausführung mit einem oben liegenden
Hohlraum dargestellt. Die Verpackung 11 enthält einen
IC 12, der an der Oberseite des Substrats 16 befestigt
ist. Dabei ist die Anordnung der Lötmetallbälle an der Unterseite des Substrats 16 angebracht.
Wie bereits für
die BGA-Verpackung 1 aus 1A, wurden
auch hier die Details der Verbindung des IC mit dem Substrat nicht
abgebildet. Ein Volumen 20 stellt das einkapselnde Harz
dar. Die Verpackung 11 ist beispielhaft für eine breite
Gruppe von Kunststoff-BGA Strukturen, die erstmals durch Motorola
und Citizen hergestellt und "Over
Molded Plastic Pad Array Carrier" genannt
wurden.
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Die
Abbildungen 2 bis 4 stellen Spritzpressverfahren
aus dem Stand der Technik graphisch dar, die zum Einkapseln von
BGA-Strukturen in Kunststoff benutzt wurden.
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In 2 wird
ein Spritzpressverfahren zur Herstellung von einkapselnden Kunststoffverpackungen
unter Verwendung einer Eingussplatte dargestellt. Die Verpackung 20 wird
durch ein seitliches Spritzpressen durch einen Einguss 22 in
einen damit verbundenen Hohlraum 21 (nicht dargestellt)
hergestellt. Diese Vorgehensweise wird ausführlich im US Pat.
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N° 4,442,05.6,
ausgestellt auf Dusan Stepcevic, beschrieben. 3 stellt
ein Spritzpressverfahren dar, bei dem eine Hohlraumplatte 30,
die mindestens einen Hohlraum 21 enthält, und ebenfalls ein seitlicher
Einguss verwendet werden. Dieses Verfahren zur Herstellung einkapselnder
Kunststoffverpackungen ist im US Pat. N° 4,335,537, ebenfalls ausgestellt
auf Dusan Stepcevic, beschrieben. Schließlich stellt 4 das
populärste
Verfahren zur Herstellung von BGA-Verpackungen, das so genannte "glob top" Verfahren, dar.
Siehe dazu auch beispielsweise 6 des US
Pat. N° 5,358,283,
ausgestellt auf Marrs u.a. Bei der "glob top" Einkapselung wird der BGA-Rohchip durch das
Auftragen von Schichten eines Epoxidharzes gefüllt, damit der Einschluss von Luftblasen
im Inneren des Harzes verhindert wird.
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Die
Verfahren zur Herstellung von einkapselnden Kunststoffverpackungen,
die aus dem Stand der Technik bekannt sind, bedingen eine Reihe
von Beschränkungen,
die mit bestehenden Surface-Mount-Technologien nicht einfach umgangen werden
können.
Erstens verursacht das seitliche Einführen des einkapselnden Stoffes
in den Hohlraum oftmals Drahtverwehungsprobleme bei BGA-Verpackungen
mit einer hohen Anzahl an I/O Anschlussstiften. Zweitens kann die
Zuverlässigkeit
der hoch entwickelten BGA-Verpackungen im Rahmen der Herstellung
von MCMs, bei der Standards für
Testverfahren fehlen, durch elektrische Probleme beeinträchtigt werden,
die von den Draht verwehungen verursacht wurden. Drittens ist das "glob top" Verfahren zeitaufwendig
und anfällig
für Probleme
bei der Qualitätssicherung.
Das Ergebnis der Einkapselung eines BGA-Matrix Substrates durch ein "glob top" Verfahren ist in 5 dargestellt,
in der die Wölbung 42 des Substrates
beträchtlich
ist, da die Koeffizienten für die
thermische Expansion des Substrates und des einkapselnden Stoffes
unausgeglichen sind. Dadurch wird das anschließende Zerschneiden des Substrats
in BGA-Plättchen
mit der richtigen Größe erschwert
oder nahezu unmöglich
gemacht.
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Die
Abbildungen 6 und 7 sind Darstellungen
einer Ansicht der Oberseite und einer Seitenansicht der vorliegenden
Erfindung zur Herstellung von einkapselnden Kunststoffverpackungen
aus einem entfernten Blickwinkel. Die vorliegende Erfindung kombiniert
das Know-how des Anmelders im Bereich des "gang-pot"-Spritzpressverfahrens mit einem Spritzpressverfahren,
bei dem eine Hohlraumplatte zum Einsatz kommt. Der Fachmann sollte
verstehen, dass Spritzpressverfahren sich von Spritzgussverfahren
unterscheiden, insbesondere hinsichtlich der Duroplastharze und
der einkapselnden Stoffe, die beim Spritzpressverfahren zum Einkapseln der
Halbleiterbausteine benutzt werden. Im Gegensatz dazu eignen sich
Spritzgussanlagen zur Arbeit mit thermoplastischen Materialien.
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Mit
Bezug auf die Abbildungen 6 und 7 umfasst
die vorliegende Erfindung 50 eine Oberform 53,
eine entfernbare Hohlraumplatte 55 und eine Unterform 57 zur
Dämpfung
eines Substrats 66, die eine Matrix-BGA-Struktur aufweist.
Der Fachmann sollte verstehen, dass Einbaufassungen für die Oberform 51 und
für die
Unterform 59 normalerweise erforderlich sind, um mit der
vorliegenden Erfindung zu arbeiten. Die Einbaufassungen 51 und 59 dienen dazu,
die Hitze, die durch den Kolben zum Erwärmen des Harzgranulates oder
der Harzstreifen (in den Abbildungen nicht dargestellt) erzeugt
wird, zurückzuhalten.
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In 6 ist
ebenfalls ersichtlich, dass die Oberform 53 der vorliegenden
Erfindung an ihrer Unterseite mindestens einen Gießtrichter 54 oder
einen Angussstutzen zum Aufnehmen und zum Weiterleiten des erhitzten
Harzes, das von einem Kolben 52 zusammengedrückt wird,
aufweist. Bezüglich
des Substrates 66, welches eine Matrix-BGA Struktur 60 aufweist,
ist eine Form mit mehreren Kolben, auch "gang-pot"-Form genannt, wie in der vorliegenden
Erfindung 50 vorhanden, empfehlenswert. In bevorzugten
Ausführungsformen
der Erfindung ist der Gießtrichter 54 mit
einem Netzwerk von Gießkanälen 56 verbunden,
die über
die zentralen Teile der BGA-Strukturen verlaufen. Da die Gießkanäle 56 miteinander
verbunden sind, sollte der Fluss des Harzes ausgeglichen sein.
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In 7 wird
der Querschnitt der zwischen die Oberform 53 und die Unterform 57 eingeschobenen,
entfernbaren Hohlraumplatte 55 dargestellt. An der der
Oberform gegenüberliegenden
Oberfläche befindet
sich mindestens ein konischer Kanal 58, der den Harzfluss
von den Gießkanälen aufnimmt.
Das enge Ende des konischen Kanals 58 endet in einem eintauchenden
Einguss, der mit mindestens einem Hohlraum 60 für die BGA-Struktur
verbunden ist.
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In 7 wird
ebenfalls das Substrat 66, eingespannt zwischen der Hohlraumplatte
und der Unterform, dargestellt. Die Positionierung des konischen
Kanals im Bezug auf den Hohlraum ist ein erfinderisches Merkmal
der vorliegenden Erfindung. Das Einführen des Harzes vom zentralen
Teil des Hohlraums aus ermöglicht
es im Gegensatz zu einem seitlichen Einführen, dass der Fluss des Harzes
innerhalb des Hohlraums gleichmäßig ist.
Der Fluss des Harzes, der eigentlich in die gleiche Richtung geht
wie die Abschlussfächer
der Verbindungsdrähte oder
der TAB-Anschlüsse,
führt dazu,
dass Drahtverwehungen höchst
unwahrscheinlich werden. Darüber hinaus
wird auch das gleichzeitig auftretende Problem, welches mit dem
Anstieg der Viskosität
des Harzflusses innerhalb des Hohlraums zusammenhängt, minimiert.
Insgesamt bietet die vorliegende Erfindung der Elektronikindustrie
die Vorzüge
des Spritzpressverfahrens, ohne die Nachteile der herkömmlichen
Hohlraumabformung oder der Formung dank einer Platte.
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Das
Verfahren zum Einkapseln des BGA-Substrats läuft folgendermaßen ab:
Der
Kolben 52 in 7 bewegt sich im Zylinder 62 aufwärts und
zwingt das erwärmte
Harz in den Gießtrichter 54 und
durch die Gießkanäle 56 sowie
die konischen Kanäle 58 in
die Hohlräume 60.
Ein vom Zylinder 52 registrierter Gegendruck zeigt an,
dass das Harz die Hohlräume
vollständig
ausfüllt.
Der Einspannvorgang der vorliegenden Erfindung endet, wenn die für den einkapselnden
Stoff adäquate
Aushärtezeit
verstrichen ist. Die Ausgestaltung der entfernbaren Hohlraumplatte 55 erleichtert
einen glatten Bruch zwischen Gießkanal und Hohlraum. Dadurch wird
die für
einen Zyklus zur Einkapselung der BGA-Substrate benötigte Zeit
reduziert.
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Obwohl
die Abbildungen 6 und 7 die Einkapselung
eines Matrix-BGA Substrates darstellen, kann die vorliegende Erfindung
bequem auch dazu genutzt werden, kundenspezifische MCM BGA-Substrate,
bei denen die Anordnung der BGA-Strukturen wahllos sein kann, einzukapseln. Demzufolge
ist die vorlie gende Erfindung ausreichend flexibel, um die Verwendung
einer ganzen Bandbreite von Substraten zu ermöglichen.
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Obwohl
die vorliegende Erfindung vorzugsweise mit Bezug auf die Abbildungen 1 bis 7, mit Betonung
auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von einkapselnden
Kunststoffverpackungen, insbesondere von BGA-Verpackungen dargestellt
worden ist, dienen die Abbildungen nur der Veranschaulichung und
sollen die Erfindung keinesfalls begrenzen. Des Weiteren können das
erfindungsgemäße Verfahren
und die erfindungsgemäße Vorrichtung
offensichtlich in vielen Anwendungen nützlich sein, in denen die Verpackung von
Halbleiterbausteinen erforderlich ist. Es ist vorgesehen, dass ein
Fachmann viele Änderungen
und Modifikationen vornehmen kann, ohne den Bereich der vorliegenden
Erfindung, so wie sie in den anhängigen
Ansprüchen
offenbart wird, zu verlassen.
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Beispielsweise
kann die vorliegende Erfindung direkt in Verbindung mit anderen
Substraten wie Keramiken, TAB, usw. angewendet werden.