WO2002049101A2 - Zwischenträger für ein halbleitermodul sowie anordnung eines mit einem solchen zwischenträger gebildeten moduls auf einem schaltungsträger - Google Patents

Zwischenträger für ein halbleitermodul sowie anordnung eines mit einem solchen zwischenträger gebildeten moduls auf einem schaltungsträger Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to an intermediate carrier for a semiconductor module with a flat carrier body made of plastic, which has internal connections for contacting the connection elements of at least one semiconductor component and at least on one side external connections in the form of molded plastic bumps which are connected to the internal connections via integrated conductor tracks.
  • the intermediate carrier or interposer with which one or more chips are connected to form a module, which plays a key role in the contacting of semiconductor chips, is then contacted on the circuit carrier.
  • an intermediate carrier is provided on its underside with solder bumps, which enable surface mounting on a circuit board.
  • the solder bumps serve on the one hand as electrical connections and on the other hand as spacers for the expansion compensation between the different materials, namely the intermediate carrier and the printed circuit board.
  • the semiconductor chip can be fastened on the top of the intermediate carrier and can be contacted, for example, with bond wires.
  • an injection-molded, three-dimensional substrate made of an electrically insulating polymer is used as the intermediate carrier, on the underside of which polymer bumps formed during injection molding are arranged in a flat manner (EP 0 782 765 B1); this corresponds to the prior art mentioned at the beginning.
  • other manufacturing methods can also be considered, such as hot stamping a plastic film or structuring the cusps using a laser.
  • the polymer bumps are provided with a solderable end surface and thus form external connections which are connected via integrated conductor tracks to internal connections for a semiconductor component arranged on the substrate.
  • the polymer bumps serve as spacers between the module and a printed circuit board and are thus able to compensate for different dimensions between the printed circuit board and the intermediate carrier.
  • the semiconductor component can be on top of the
  • a single-chip module is also known, in which the injection-molded, three-dimensional substrate made of an electrically insulating polymer carries molded polymer bumps on the underside, which are arranged in one or more rows along the circumference of the substrate. A chip is placed on top of the substrate; it is contacted via fine bond wires and conductor tracks, which in turn are then connected via plated-through holes to the external connections formed on the bumps on the underside.
  • the intermediate carrier has a relatively large expansion in this design. G enerell applies that for modules with the polymer stools thermo- mechanical reliability depends greatly on the geometry from ⁇ h, namely, the size of the module, the Great terchips of semiconductor, the type and number of solder joints, etc. In large module dimensions and strong Fluctuations in temperature are particularly subject to the polymer stools in the edge area and in the corners, which are very dangerous.
  • Object of the present invention is, therefore, rule carrier for a semiconductor module of the type mentioned in a simple and inexpensive manner using the technologies used to design a Zvi ⁇ so that the thermal o-mechanical reliability is substantially improved.
  • the support body has additional support stools in the plane of the contact stool, which are formed from the material of the support body, have approximately the same height as the contact stool and their longitudinal extension in a direction parallel to the side of the support body carrying them is a multiple of the diameter of a contact stool.
  • the additional support stools provided according to the invention are formed in one step with the contact stools in the production process of the intermediate carrier, so that almost no additional effort is required.
  • the total thickness of the module does not have to be increased, but with these additional support stools it is easily possible to increase and optimize the thermomechanical reliability, since the number and design of these support stools can be selected depending on the geometry of the entire module.
  • the support stools are preferably arranged as longitudinal webs or angular webs or in a curved shape on the side or corner regions of the intermediate carrier.
  • the connection to the printed circuit board is carried out in the same process as that of the contact stool, that is, as a rule, by means of reflow solder; but a gluing process is also conceivable.
  • the stool can also be a additional function to fulfill, for example, as PLEASE CONTACT ⁇ tion of ground terminals.
  • Figure 1 shows a detail of an intermediate carrier, in per ⁇ spectral tivi shear view of the underside
  • FIG. 2 shows a sectional view of the intermediate carrier shown in FIG. 1, but with an attached semiconductor chip and mounted on a printed circuit board,
  • FIG. 3 shows a schematic illustration of the hump configuration of the intermediate carrier of FIG. 1
  • FIGS. 4 and 5 show two embodiments of the connection configuration of such an intermediate carrier which are modified compared to FIG.
  • the intermediate carrier 2 shown in FIGS. 1 to 3, which serves to contact a semiconductor chip 1 shown in FIG. 2 on a printed circuit board 3, consists of a flat carrier body 21 made of a thermoplastic material, the coefficient of thermal expansion of which, if possible, is not very different from the semiconductor body of the Chips should be 1.
  • Contact bumps 22 are formed in a known manner on the underside of the carrier body 21 and are distributed in a surface grid over the underside. These contact bumps are produced, for example, by injection molding the entire carrier body. It is also possible to hot stamp a film, which can consist of LCP (Liquid Chrystal Polymer) or another plastic with comparable properties. Design using laser structuring is also possible.
  • the individual contact bumps 22 are at least partially provided with a conductive surface for forming external contacts 23, which are connected via conductive connections 24 (only indicated schematically in FIG. 1) to internal contacts 25 on the upper side, which in turn are used to contact the semiconductor connections 11 of the chip 1 serve.
  • the conductive connections between the underside and the upper side of the support body 21 can play at ⁇ example the metallized through-holes (not ge ⁇ shows) take place.
  • the support stools 26, which are preferably arranged at all corners of the support body and, if necessary, also additionally in intermediate areas, protect particularly the outer ones
  • the stool can also be partially rounded, as the stool 28 in FIG. 4 shows. Further modifications are possible both in the arrangement and in the form, for example a support stool 29 m can be included in the grid of the contact stools and thereby take up the space of three contact sticks 22b (FIG. 5).

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Abstract

Der Zwischenträger besitzt an seiner Unterseite einstückig aus Kunststoff angeformte Kontakthöcker (22) zur Kontaktierung auf einer Leiterplatte. Zur mechanischen Entlastung der Kontakthöcker sind vorzugsweise in Seiten- und Eckbereichen stegförmige Stützhöcker (26) angeordnet, die in gleicher Weise wie die Kontakthöcker auf der Leiterplatte verlötet werden. Dadurch wird die thermisch-mechanische Zuverlässigkeit des Halbleitermoduls wesentlich verbessert.

Description

Beschreibung
Zwischenträger für ein Halbleitermodul sowie Anordnung eines mit einem solchen Zwischenträger gebildeten Moduls auf einem Schaltungsträger
Die Erfindung betrifft einen Zwischenträger für ein Halbleitermodul mit einem flachen Trägerkörper aus Kunststoff, der Innenanschlüsse für die Kontaktierung der Anschlußelemente mindestens einer Halbleiterkomponente und zumindest auf einer Seite Außenanschlüsse in Form von aus Kunststoff angeformten Kontakthöckern aufweist, die über integrierte Leiterbahnen mit den Innenanschlüssen verbunden sind.
Durch die zunehmende Miniaturisierung integrierter Schaltkreise besteht das Problem, immer mehr elektrische Verbindungen zwischen dem eigentlichen Halbleiter und einem Schaltungsträger, also einer Leiterplatte, auf engstem Raum unterzubringen. Je feiner aber die Strukturen des Halbleiterchips und der Verbindungsleiter sind, um so mehr sind sie durch unterschiedliche Ausdehnungen der beteiligten Materialien, insbesondere des Halbleiterkörpers einerseits und der aus Kunststoff bestehenden Leiterplatte andererseits, gefährdet.
Eine wesentliche Rolle bei der Kontaktierung von Halbleiterchips spielt der Zwischenträger oder Interposer, mit dem ein oder mehrere Chips zu einem Modul verbunden werden, das dann auf dem Schaltungsträger kontaktiert wird.
Bei der sogenannten BGA (Ball Grid Array) -Technik wird ein Zwischenträger an seiner Unterseite flächig mit Lothöckern versehen, die eine Oberflächenmontage auf einer Leiterplatte ermöglichen. Die Lothöcker dienen dabei einerseits als elektrische Anschlüsse und andererseits als Abstandshalter für den Ausdehnungsausgleich zwischen den verschiedenen Materialien, nämlich dem Zwischenträger und der Leiterplatte. Auf der Oberseite des Zwischenträgers kann der Halbleiterchip be¬ festigt und beispielsweise mit Bonddrähten kontaktiert sein.
Bei der sogenannten PSGA (Polymer Stud Grid Array) - Technologie wird als Zwischenträger ein spritzgegossenes, dreidimensionales Substrat aus einem elektrisch isolierenden Polymer verwendet, auf dessen Unterseite beim Spritzgießen mitgeformte Polymerhöcker flächig angeordnet sind (EP 0 782 765 Bl); dieser entspricht dem eingangs genannten Stand der Technik. Neben dem Spritzgießen kommen aber auch andere Fertigungsmethoden in Betracht, etwa das Heißprägen einer Kunststoffolie oder die Strukturierung der Höcker mittels Laser. Die Polymerhöcker sind mit einer lötbaren Endoberfläche versehen und bilden so Außenanschlüsse, die über integrierte Leiterzüge mit Innenanschlüssen für eine auf dem Substrat angeordnete Halbleiterkomponente verbunden sind. Die Polymerhöcker dienen als Abstandshalter des Moduls gegenüber einer Leiterplatte und sind so in der Lage, unterschiedliche Ausdehnungen zwischen Leiterplatte und Zwischenträger auszuglei- chen. Die Halbleiterkomponente kann auf der Oberseite des
Zwischenträgers über Bonddrähte kontaktiert sein; möglich ist aber auch eine Kontaktierung, bei der die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten analog über Polymerhöcker auf der Oberseite des Zwischenträgers ausgeglichen werden.
Aus der US 50 69 626 A ist ferner ein Single-Chip-Modul bekannt, bei welchem das spritzgegossene, dreidimensionale Substrat aus einem elektrisch isolierenden Polymer auf der Unterseite angeformte Polymerhöcker trägt, die in einer oder mehreren Reihen entlang dem Umfang des Substrats angeordnet sind. Ein Chip ist auf der Oberseite des Substrats angeordnet; seine Kontaktierung erfolgt über feine Bonddrähte und Leiterbahnen, die dann ihrerseits über Durchkontaktierungen mit den auf den unterseitigen Höckern ausgebildeten Außenan- Schlüssen verbunden sind. Der Zwischenträger besitzt bei dieser Gestaltung eine verhältnismäßig große Ausdehnung. Generell gilt, daß bei Modulen mit Polymerhockern die thermo- mechanische Zuverlässigkeit sehr stark von der Geometrie ab¬ hangt, nämlich der Große des Moduls, der Große des Halblei- terchips, der Art und Anzahl der Lotverbindungen usw. Bei großen Modulabmessungen und starken Temperaturschwankungen sind vor allem die Polymerhocker im Randbereich und in den Ecken sehr großen Spannungen unterworfen und dadurch stark gefährdet .
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, einen Zwi¬ schenträger für ein Halbleitermodul der eingangs genannten Art auf einfache und kostengünstige Weise unter Verwendung der angewandten Technologien so auszugestalten, daß die ther- o-mechanische Zuverlässigkeit wesentlich verbessert wird.
Erfmdungsgemäß wird dieses Ziel dadurch erreicht, daß der Tragerkorper in der Ebene der Kontakthocker zusätzliche Stutzhocker aufweist, die aus dem Material des Tragerkorpers angeformt sind, etwa die gleiche Hohe wie die Kontakthocker aufweisen und deren Langsausdehnung in einer zu der sie tragenden Seite des Tragerkorpers parallelen Richtung ein Mehrfaches des Durchmessers eines Kontakthockers betragt. Die er- fmdungsgemaß vorgesehenen zusätzlichen Stutzhocker werden im Herstellungsablauf des Zwischenträgers in einem Schritt mit den Kontakthockern gebildet, so daß nahezu kein zusatzlicher Aufwand erforderlich ist. Die Gesamtdicke des Moduls muß nicht erhöht werden, trotzdem ist mit diesen zusätzlichen Stutzhockern eine Steigerung und Optimierung der thermo- mechamschen Zuverlässigkeit leicht möglich, da die Anzahl und Gestaltung dieser Stutzhocker in Abhängigkeit von der Geometrie des gesamten Moduls gewählt werden können. Die Stutzhocker werden vorzugsweise als Langsstege oder Winkelstege bzw. m gekrümmter Form an den Seiten- bzw. Eckenbereichen des Zwischenträgers angeordnet. Die Verbindung mit der Leiterplatte erfolgt im gleichen Arbeitsgang wie die der Kontakthocker, also in der Regel über Reflow-Loten; denkbar ist aber auch ein Klebevorgang. Die Stutzhocker können auch eine zusätzliche Funktion erfüllen, beispielsweise als Kontaktie¬ rung von Masseanschlüssen.
Die Erfindung wird nachfolgend an Ausführungsbeispielen an- hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen
Figur 1 einen Ausschnitt aus einem Zwischenträger, in per¬ spektivischer Ansicht auf die Unterseite,
Figur 2 eine Schnittansicht auf den in Figur 1 gezeigten Zwischenträger, allerdings mit einem aufgesetzten Halbleiterchip und auf einer Leiterplatte montiert,
Figur 3 eine schematische Darstellung der Höcker- Konfiguration des Zwischenträgers von Figur 1, Figur 4 und 5 zwei gegenüber Figur 3 abgewandelte Ausführungsformen der Anschlußkonfiguraton eines derartigen Zwi- schenträgers .
Der in den Figuren 1 bis 3 gezeigte Zwischenträger 2, der zur Kontaktierung eines in Figur 2 gezeigten Halbleiterchips 1 auf einer Leiterplatte 3 dient, besteht aus einem flachen Trägerkörper 21 aus einem thermoplastischem Kunststoff, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient nach Möglichkeit nicht allzu sehr unterschiedlich von dem Halbleiterkörper des Chips 1 sein sollte. Auf der Unterseite des Trägerkörpers 21 sind Kontakthöcker 22 in bekannter Weise angeformt, die in einem Flächenraster über die Unterseite verteilt sind. Die Herstellung dieser Kontakthöcker erfolgt beispielsweise durch Spritzgießen des gesamten Trägerkörpers. Möglich ist aber auch das Heißprägen einer Folie, die aus LCP (Liquid Chrystal Polymer) oder einem anderen Kunststoff mit vergleichbaren Ei- genschaften bestehen kann. Auch die Gestaltung mittels Laser- strukturierung ist möglich. Die einzelnen Kontakthöcker 22 sind zumindest teilweise mit einer leitenden Oberfläche zur Bildung von Außenkontakten 23 versehen, welche über leitende Verbindungen 24 (in Figur 1 nur schematisch angedeutet), mit Innenkontakten 25 auf der Oberseite verbunden sind, die ihrerseits zur Kontaktierung der Halbleiteranschlüsse 11 des Chips 1 dienen. Die leitenden Verbindungen zwischen der Un- terseite und der Oberseite des Tragerkorpers 21 kann bei¬ spielsweise über metallisierte Durchgangslocher (nicht ge¬ zeigt) erfolgen.
Erfmdungsgemaß sind, wie anhand von Figur 1 und 2 beispiel¬ halber gezeigt, an den Ecken des Tragerkorpers zusatzliche Stutzhocker 26 im gleichen Herstellungsprozeß wie die Kon¬ takthocker 22 angeformt, die im gezeigten Beispiel als Winkelstege ausgehend von einer Ecke parallel zu zwei Langssei- ten des Tragerkorpers 21 verlaufen. In diesem Beispiel liegt der Winkelsteg 26 außerhalb des Rasterfeldes der Kontakthok- ker 22. Die Stutzhocker besitzen die gleiche Hohe wie die Kontakthocker 22 und werden beim Verlöten des Moduls auf einer Leiterplatte 3 in gleicher Weise wie diese über eine Me- tallisierung 26a und eine Lotschicht 27 auf der Leiterplatte verlotet .
Die Stutzhocker 26, die vorzugsweise jeweils an allen Ecken des Tragerkorpers und bei Bedarf auch zusatzlich in Zwischen- bereichen angeordnet werden, schützen besonders die äußeren
Kontakthocker vor mechanischer Überlastung. So ist beispielsweise m der schematischen Konfiguration von Figur 3 der äußerste Kontakthocker 22a am stärksten gefährdet. Er wird bei diesem Ausfuhrungsbeispiel gemäß Figur 3 durch den winkelfor- igen Stutzhocker 26 vor Überlastung geschützt.
Anstelle der winkelförmigen Gestalt kann der Stutzhocker aber auch teilweise abgerundet sein, wie der Stutzhocker 28 in Figur 4 zeigt. Weitere Abwandlungen sowohl m der Anordnung als auch in der Form sind möglich, beispielsweise kann ein Stutzhocker 29 m das Rasterfeld der Kontakthocker einbezogen werden und dabei beispielsweise den Platz von drei Kontakthok- kern 22b einnehmen (Fig. 5) .

Claims

Patentansprüche
1. Zwischenträger für ein Halbleitermodul mit einem flachen Tragerkorper (21) aus Kunststoff, der Innenanschlusse (25) für die Kontaktierung der Anschlußelemente (11) mindestens einer Halbleiterkomponente (1) und zumindest auf einer Seite Außenanschlusse in Form von aus Kunststoff angeformten Kontakthockern (22) aufweist, die über integrierte Leiterbahnen (24) mit den Innenanschlussen (25) verbunden sind, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Trager¬ korper (21) in der Ebene der Kontakthocker (22) zusätzliche Stutzhocker (26; 28; 29) aufweist, die aus dem Material des Tragerkorpers (21) angeformt sind, annähernd die gleiche Hohe wie die Kontakthocker (22) aufweisen und deren Langsausdeh- nung m einer zu der sie tragenden Seite des Tragerkorpers
(21) parallelen Richtung ein Mehrfaches des Durchmessers eines Kontakthockers (22) betragt.
2. Zwischenträger nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Endflachen der Stutzhocker (26;28;29) mit einer lotbaren Oberfla- chenschicht versehen sind.
3. Zwischenträger nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Stutzhocker (26) als Langsstege jeweils entlang einer Seitenkante des Tragerkorpers (21) verlaufen.
4. Zwischenträger nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Stutzhocker (26) als Winkelstege in einem Eckbereich des Tragerkorpers (21) angeordnet sind.
5. Zwischenträger nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Stutzhocker (28) jeweils m Form eines gekrümmten Steges m einem Eckbereich des Tragerkorpers (21) angeordnet sind.
6. Zwischenträger nach einem der Ansprüche 2 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Stutz¬ hocker (26;28;29) als Masseanschlüsse kontaktiert sind.
7. Anordnung eines Halbleitermoduls mit einem Zwischenträger (2) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 auf einem Schaltungs- trager (3), wobei die Kontakthocker (22) auf dem Schaltungs- trager kontaktiert sind, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Stutz- hocker (26) fest mit der Oberflache des Schaltungstragers (3) verbunden sind.
8. Anordnung nach Anspruch 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Stutz- hocker mit der Oberflache des Schaltungstragers (3) verlotet sind.
9. Anordnung nach Anspruch 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Stutz- hocker mit der Oberflache des Schaltungstragers (3) verklebt sind.
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