WO2005053366A1 - Elektrische schaltungsanordnung - Google Patents

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WO2005053366A1
WO2005053366A1 PCT/EP2004/012607 EP2004012607W WO2005053366A1 WO 2005053366 A1 WO2005053366 A1 WO 2005053366A1 EP 2004012607 W EP2004012607 W EP 2004012607W WO 2005053366 A1 WO2005053366 A1 WO 2005053366A1
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contact
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Stephan Schauz
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Festo Ag & Co
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Definitions

  • the invention relates to an electrical circuit arrangement which has a circuit carrier equipped with an electronic chip, which has a carrier substrate on which conductor tracks are provided which lead to first contact pads arranged on a first contact area, the chip being connected to one of the first contact areas che facing second contact surface has second contact pads, which are electrically contacted with the interposition of anisotropically electrically conductive contact means with the first contact pads.
  • the circuit carrier has a carrier substrate with a plurality of protruding contact bumps, the contact bumps carrying first contact pads connected to conductor tracks, which are contacted with assigned second contact pads of the chip set up in flip-chip technology with the interposition of an anisotropically electrically conductive adhesive.
  • the adhesive connection also ensures the mechanical attachment of the chip to the circuit carrier.
  • the adhesive also takes on the function of an underfiller, which fills the space between the chip and the circuit carrier. Circuit arrangements of a similar type are also apparent from DE 10163799 AI, US 6,555,759 and EP 0782765 B1.
  • Manufacturing is less susceptible to temperature fluctuations and at the same time also ensures good mechanical protection of the electronic chip.
  • the first contacting puddle is located at the bottom of a receiving recess of the carrier substrate which is closed laterally all round, in which the contact means and the chip are completely received,
  • the contact means from at least one placed between the two contact surfaces, elastically deformable in the direction of the vertical axis of the recess Contacting element exist, which has a rubber-elastic base body with mutually opposite, the two contact surfaces facing first and second counter-contact surfaces as well as a large number of elastically deformable guide bodies which pull through the base body with mutual insulation and end on the counter-contact surfaces with guide surfaces,
  • a mechanically fixed connection between the contacting areas assigned to one another is no longer required for the electrical contacting of the chip and circuit carrier.
  • the desired reliable electrical contact between the contact surfaces on both sides results solely from the pressing of the elastically deformable contact element.
  • the elasticity of the contacting element results in a flexible connection that is able to automatically compensate for different expansion coefficients of the chip and the carrier substrate, so that even with large temperature fluctuations and with widely differing expansion coefficients, as in MID technology, it is always secure electrical connection is guaranteed.
  • the chip is also always fixed mechanically, with the contacting element at least in the height direction of the receiving recess creating a type of floating mounting that allows relative movements between the components mentioned. Since the chip is sunk in the recess, this avoids an exposed location, which protects the chip from mechanical damage.
  • chip is therefore understood to mean both designs without a housing surrounding the chip and designs in which the chip is located in a housing, the second contact pads being able to be provided on the chip itself or on the housing.
  • Another advantage of the electrical circuit arrangement is that it does not require an underfiller. There is also no need to apply liquid adhesive in the joining area between the chip and the circuit board. Compared to the flip-chip technology based on soldering, there is also no need to attach the solder pads required for contacting the contact pads.
  • WO 96/15551 AI already describes the assembly of electronic components on a printed circuit board, a large number of flexible contact means being used between a semiconductor package and a carrier substrate. However, these contact means are arranged individually free-standing and firmly anchored at one end to the carrier substrate.
  • Elastically deformable contacting elements that are suitable for use in the electrical circuit arrangement are already known as such.
  • No. 5,617,898 discloses a contacting element which is composed of stacked layers of conductive and non-conductive elastic material.
  • the company Shin-Etsu Polymer Europe BV, 5928 NS Venlo, the Netherlands sells a connector under the type designation "GX4", in which a matrix of gold-coated metal wires are embedded in a silicone rubber layer.
  • GX4 type designation
  • a similarly constructed contacting element is also described in US Pat. No. 4,209,481.
  • an elastically deformable contacting element in which the individual guide surfaces each have a smaller surface area than the contact pads on the chip and circuit carrier, the guide surfaces on the countercontacting surfaces being combined in a fine, matrix-like distribution to form one or more guide surface groups are.
  • the two mating contact surfaces can each be occupied over the entire surface by a guide surface group, so that no attention has to be paid to the position of the contact pads during manufacture, because in the assembled state those guide bodies automatically ensure the electrical connection, the guide surfaces of which are acted upon by the contact pads.
  • the loading structure for the chip expediently has a cover which overlaps the chip and is fixed to the carrier substrate. Optimal protection for the chip is obtained if the lid has no openings and the opening of the receiving recess is completely closed by it.
  • the connection between the cover and the support structure is preferably made of a material conclusive connection realized, in particular by an adhesive connection, the use of an adhesive curing by UV radiation is recommended. No heating is necessary here and the time required to mechanically fix the chip until the adhesive bond cures is extremely short.
  • the cover can lie completely outside the receiving recess or can also only partially protrude into the receiving recess.
  • an embodiment is particularly expedient in which the cover sits completely inside the receiving recess.
  • SMD Surf ce Mounted Device
  • WO 01/95486 A1 describes a method for producing individual microelectronic devices, a multiplicity of spaced-apart recesses being formed in a non-conductive material, in each of which a component based on piezoelectric principles is seated, the recesses being closed at the top by tightly inserted lids are. Contacting the component by means of elastic contact means is not provided, however.
  • a detachable fixation can also be achieved by means of an appropriately designed impact structure.
  • the loading structure can be equipped with latching hooks arranged on the support structure, which either overlap the chip directly or over a cover located above the chip and press in the direction of the base of the receiving recess. If the chip is defective, it can be deformed the locking hook is removed from the recess and replaced with a new chip.
  • the cover can be provided with cooling fins immediately, so that no special cooling element is required.
  • FIG. 1 shows, in a greatly enlarged and schematic illustration, a preferred first embodiment of the electrical circuit arrangement according to the invention in a perspective exploded illustration
  • FIG. 2 shows a longitudinal section through the arrangement from FIG. 1 according to section line II-II in the assembled state, the contacting element being cut transversely according to section line Ila-IIa of FIG. 5,
  • FIG. 3 shows an individual illustration of the circuit carrier from FIGS. 1 and 2 in a plan view of the side having the receiving recess
  • FIG. 4 shows an individual illustration of the chip used in the arrangement according to FIGS. 1 and 2 in a bottom view
  • FIG. 5 shows an individual illustration of the contacting element used in the arrangement according to FIGS. 1 and 2 in a perspective illustration
  • FIG. 6 shows the contacting element from FIG. 5 in longitudinal section according to section line VT-VT
  • FIG. 7 shows an alternative design of a contacting element in a perspective view
  • FIG. 8 shows a side view of the contacting element from FIG. 7, the guide bodies passing through the base body being indicated by dash-dotted lines,
  • FIG. 9 again shows a further alternative design of the contacting element in a perspective view
  • FIG. 10 shows a side view of the contacting element from FIG. 9, the guide bodies again being indicated by dash-dotted lines,
  • FIG. 11 shows a modified design of the electrical circuit arrangement in perspective, with a different design of the cover compared to FIG. 1,
  • FIG. 12 shows the cover used in the circuit arrangement from FIG. 1 in a perspective individual illustration
  • FIG. 13 shows a modified design of the circuit arrangement with rib-like heat sinks arranged on the cover
  • FIG. 14 shows a modified design of the circuit arrangement in which the cover is equipped with further electronic components
  • FIG. 15 shows a further embodiment of the electrical circuit arrangement, in which latching means are provided for releasably fixing the chip
  • FIG. 16 shows a design of the circuit arrangement realized in connection with a multilayer printed circuit board, with one closing the exception recess Lid is only indicated by dash-dotted lines, and
  • FIG. 17 shows a side view of the circuit arrangement from FIG. 16, the circled area being shown in longitudinal section along section line XVII.
  • the drawing shows several exemplary embodiments of an electrical circuit arrangement, generally designated by reference number 1, which has a circuit carrier 2 which is equipped with at least one electronic chip 3.
  • a possible embodiment of such a chip 3 is shown schematically in FIG. 4 in a perspective bottom view.
  • the circuit carrier 2 is designed as a three-dimensional MID part. It contains a carrier substrate 4 made of injection-moldable, preferably thermoplastic, plastic material, which is provided on one or more sides with conductor tracks 6, which are used for the transmission of electrical signals between the appropriate placed connection points and the chip 3 and any other existing electronic components 49.
  • the exemplary embodiments show arrangements in which a plurality of conductor tracks 6 are electrically contacted at the same time with a chip 3 placed in a receiving recess 5 of the carrier substrate 4.
  • circuit carrier 2 is designed as a multilayer printed circuit board, the carrier substrate of which is composed of a plurality of sandwich-like printed circuit boards 7 which are glued to one another.
  • the receiving recess 5, which is recessed like a pit from the carrier substrate 4, has a vertical axis 8 which, in the exemplary embodiment, is at right angles to the main plane of expansion of the extends, for example, plate-shaped circuit carrier 2.
  • the receiving recess 5 has a bottom 12 at the bottom and an opening 1 opening at the top to the outer surface 13 of the carrier substrate 4. Laterally, the receiving recess 5 between the base 12 and the opening 14 is closed all around and is delimited by an all-round side wall surface 15, which is defined by the carrier substrate 4.
  • the conductor tracks 6 extend from the outer surface 13 into the receiving recess 5 until they merge into first contact pads 16, which are arranged on a first contacting surface 18 of the carrier substrate 4 defined by the base 12 of the receiving recess.
  • the distribution pattern of the first contact pads 16 corresponds to the specific technical requirements, with two groups of four first contact pads 16 lying next to each other in a row being provided in the exemplary embodiment.
  • the first contacting surface 18 is expediently flat, so that all the first contact pads 16 also lie in a common plane, wherein they face the opening 14 in the direction of the vertical axis 8.
  • the conductor tracks 6 run at the transition between the outer surface 13 and the base 12 along the side wall surface 15 of the receiving recess 5.
  • the corresponding wall region 22 expediently has an oblique shape
  • the conductor tracks 6 are here preferably produced using MID technology, for example using the so-called laser direct structuring method.
  • the starting point here is, for example, a PBT plastic (polybutylene terephthalate) optimized for MID applications, the plastic material being provided with embedded metal particles or metal nuclei.
  • a laser beam is guided over the surface of the carrier substrate 4, with local material activation taking place in the irradiated surface areas.
  • metal nuclei are split off from special, non-conductive active substances.
  • the receiving recess 5 is formed in the MID production during the injection molding of the carrier substrate 4.
  • the receiving recess 5 results from cutouts in some of the circuit board layers formed by the circuit boards 7.
  • the recessed boards 7 define the side wall surface 15, while the base 12 is defined by a board 7 which has not been left open.
  • vias 23 are used which penetrate different ones of the circuit boards 7 to provide an electrically conductive transition between the conductor track sections running on the outer surface 13 and the base 12 to obtain.
  • the chip 3 is completely accommodated in the receiving recess 5 together with an elastically deformable contacting element 24 which serves to make electrical contact with it.
  • the contacting element 24 lies in the direction of the vertical axis 8 between the chip 3 and the base 12 of the receiving recess 5.
  • the bottom side of the chip 3 facing the base 12 forms a second contact area 19 on which a plurality of second contact pads 17 are provided, which are connected to the circuit integrated in the chip 3.
  • These second contact pads 17 are distributed such that they are each opposite one of the first contact pads 16 provided on the carrier substrate 4 in the direction of the vertical axis 8 (FIG. 4).
  • the interposed contacting element 24 electrically connects the first and second contact pads 16, 17, which are assigned to one another in pairs in this way.
  • the chip 3 can be a housed or an unhoused chip. If the chip 3 has a housing, the second contact pads 17 cooperating with the contacting element 24 are generally located on the chip housing.
  • the contacting element 24 has an anisotropic electrical conductivity, the direction of conductivity coinciding with the course of the vertical axis 8.
  • FIGS. 5 and 6 each show the contacting element 24 used in the design according to FIGS. 1 to 3 in an individual representation.
  • the contacting element 24 is elastically deformable overall in the direction of the vertical axis 8. It has a rubber-elastic base body 25, in particular made of silicone rubber, which has a first or second mating contact surface 20, 21 on opposite sides.
  • the base body 25 is preferably of plate-like design and placed in the receiving recess 5 such that the Plate plane is perpendicular to the vertical axis 8.
  • the mating contact surfaces 20, 21 are then formed by the two larger outer surfaces of the base body 25, which face the base 12 and the opening 14.
  • the base body 25 is traversed in the direction of the vertical axis 8 by a plurality of guide bodies 26 embedded in the base body material with mutual insulation. These guide bodies 26 each end on both mating contact surfaces 20, 21 with first or second guide surfaces 27, 28 accessible from the outside. They are elastically deformable in such a way that they permit a change in the distance between their respectively assigned first and second guide surfaces 27, 28.
  • the base body 25 can be compressed in the direction of the vertical axis 8, the acted upon first and second guide surfaces 27, 28 of the individual guide bodies 26 simultaneously approaching one another.
  • the two guide surfaces 27, 28 of a guide body 26 approach each other, the latter can, for example, buckle or bend sideways, as is indicated by a dot-dash line at 32 in FIG.
  • the guide bodies 26 consist of elastically bendable metal wires, the end faces of which directly form the first and second guide surfaces 27, 28.
  • the base body 25 can be completely or only partially penetrated by the guide bodies 26.
  • the guide surfaces 27, 28 on the mating contacts tion surfaces 20, 21 combined in a fine matrix-like distribution to form one or more guide surface groups 33.
  • the guide bodies 26 are placed in such a way that a number of guide surface groups 33 corresponding to the number of contact pads 16 and 17 to be contacted is obtained on each mating contact surface 20, 21, which groups are arranged such that they are each opposite a first and second contact pad 16, 17 to be contacted. In this way, a punctiform design or distribution of the guide surface groups 33 is achieved.
  • the chip 3 is loaded on the upper side opposite the base 12 of the receiving recess 5, so that it is biased against the contacting element 24, which in turn is pressed onto the first contacting surface 18.
  • the contacting element 24 is thus clamped in the direction of the vertical axis 8 between the carrier substrate 4 and the chip 3.
  • the first and second contact pads 16, 17 are pressed onto the respective facing Lei surfaces 27, 28. In this way, there is an electrical connection between the opposing first and second contact pads 16, 17 via the number of guide bodies 26 arranged between them, which are simultaneously acted upon by these contact pads 16, 17.
  • the contacting element 24 builds up a counterpressure which ensures a secure electrical connection between a respective contact pad and the guide bodies 26 resting thereon solely by the contact pressure, so that further connecting measures, for example soldering or gluing by means of conductive adhesive, are in the offing Can be dispensed with in favor of simplified assembly.
  • the contacting element 24 of FIGS. 5 and 6 is specific to the distribution of the contact pads 16, 17 with regard to the configuration and distribution of the guide surface groups 33 customized.
  • a design that enables use independent of the contact pad distribution is significantly more advantageous.
  • Such an embodiment is shown in FIGS. 9 and 10, in which case only one guide surface group 33 is provided on each of the two mating contact surfaces 20, 21, but which in each case extends over the entire surface of the mating contact surfaces 20, 21 in question. In this way, an electrical connection between contact pads lying on opposite sides of the contacting element 24 is possible irrespective of the point at which the
  • FIGS. 7 and 8 Another possible alternative design of the contacting element 24 is shown in FIGS. 7 and 8.
  • the guide bodies 26 are arranged there in such a way that they form a plurality of strip-like guide surface groups 33 on the two mating contact surfaces 20, 21.
  • the loading structure 34 in all exemplary embodiments includes a cover 35 which overlaps the chip 3 on the upper side opposite the base 12 of the receiving recess 5.
  • This cover is expediently inserted into the receiving recess 5 in the region of the opening 14 in such a way that it is complete comes to rest in the interior of the recess 5.
  • An arrangement is expedient in which the outer surface 36 of the cover 35 which points away from the base 12 in the direction of the vertical axis 8 runs flush with the edge region of the outer surface 13 of the carrier substrate 4 which surrounds the opening 14.
  • the cover 35 is integrally connected to the carrier substrate.
  • an adhesive connection is used, a suitable adhesive being indicated at 37.
  • a UV-curing adhesive 37 is expediently used, which achieves its strength even without the introduction of heat, which means protection for the chip.
  • the cover 35 When assembling the circuit arrangement 1, the cover 35 is pressed onto the chip 3 by means of a suitable tool until the adhesive 37 has hardened. In this way it is achieved that the combination of chip 3 and contacting element 34 is clamped non-positively between cover 35 and base 12 of receiving recess 5 with the desired pretension.
  • the adhesive 37 is expediently applied in the liquid state due to capillary action in a narrow gap 38 which extends around the cover 35 between the latter and the carrier substrate 4.
  • This gap 38 is connected to one or more pot-like recesses 42, which are formed in the outer surface 13 of the carrier substrate 4.
  • the opening 14 has a rectangular outline, one of the mentioned pot-like recesses 42 being placed in each of the four corner regions.
  • the adhesive is fed into the pot-like recesses 42, from where it is drawn into the gap 38 due to the capillary action until the entire gap 38 is finally filled with adhesive 37.
  • FIGS. 11 and 12 there is a pot-like recess 42, in particular at a central point, in the outer surface 36 of the cover 35.
  • a pot-like recess 42 in particular at a central point, in the outer surface 36 of the cover 35.
  • four such groove-like depressions 43 are provided, each of which lead to an edge center of the cover 35.
  • the adhesive 37 is fed into the pot-like recess 42 of the cover 35, from where it reaches the gap 38 via the groove-like depressions 43, in order to spread there again by capillary action.
  • the cover 35 completely closes the opening 14 of the receiving recess 5.
  • Adhesive 37 ensures the sealing of the joint area.
  • a cover can also be used which, in contrast to the design described, is not continuously closed, but has one or more openings.
  • the cover can then also be designed, for example, in such a way that it spans only part of the opening 14 of the receiving recess 5, for example in a web-like configuration.
  • the cover 35 can be provided on its outer surface 36 with an electrical conductor structure 44, which enables the electrical contacting of one or more electronic components 49.
  • FIG. 14 shows two SMD components, some of which are seated on the cover 35 and which are in contact with the electrical conductor structure 44 of the cover 35 and with another electrical conductor structure 45 arranged on the outer surface 13 of the carrier substrate 4.
  • the outer surface 36 of the cover 35 can thus be used as a mounting surface for further electronic components. This enables extremely space-saving installation of electrical circuits.
  • FIG. 13 shows the possibility of using the cover 35 as a carrier for the heat sink 46 if the chip 3 requires cooling in the intended use.
  • the heat sinks 46 are in particular rib-shaped and can be integrally formed on the cover 35.
  • the loading structure 34 is designed in such a way that it enables the chip 3 to be fixed releasably.
  • it preferably has latching means, which are expediently made in one piece with the carrier substrate 4.
  • the latching means consist of latching hooks 48 which can be elastically bent transversely to the vertical axis 8 according to double arrows 47 and which protrude slightly beyond the opening 14.
  • the latching hooks 48 are temporarily spread apart in order to spring back in the direction of its starting position after the chip 3 has been passed through, so that on the one hand it overlaps the chip 3 on its upper side and on the other hand it exerts a compressive force acting in the direction of the base 12 exert the top of the chip 3 so that it is pressed against the contacting element 24.
  • the latching hooks 48 can be spread apart manually or by means of a suitable tool, so that the chip 3 which is only in contact with the contacting element 24 and is not firmly connected to this contacting element 24 can be removed without problems.
  • latching means or latching hooks 48 interact directly with the chip 3 in the exemplary embodiment in FIG. 15, a design would also be possible in which the chip 3 is covered by a cover or another force transmission element, the latching means acting on this cover or the force transmission element.
  • the loading structure 34 does not protrude beyond the outer surface of the carrier substrate 4, to which the opening 14 opens. In the exemplary embodiments in FIGS. 1 to 3, 11 and 13 to 15, this is achieved by a recessed arrangement of the cover 35.
  • the latching means or latching hooks 48 are located completely within the recess 5 for this purpose.
  • the lateral wall surface 15 can in each case have a cross section of the recessed area 5 have enlarging recess 52.
  • a plurality of contacting elements 24 arranged next to one another could also be provided.
  • the contacting element or elements 24 can be held or stabilized by a separate holding structure.
  • the inner contour of the receiving recess 5 can be designed such that the at least one contacting element 24 placed in place is positively fixed transversely to the vertical axis 8 by the wall of the receiving recess 5. Such a design is particularly useful when the guide surface groups 33 have a distribution pattern that is specially adapted to the distribution of the contact pads 16, 17.
  • a contacting element 24 can be used with a different structure that has the required rubber elasticity and at the same time is exclusively anisotropically conductive in the direction of the vertical axis 8.
  • the circuit arrangement according to the invention can have one or more of the following advantages.
  • the expansion coefficient problem encountered with conventional flip-chip technologies is alleviated.
  • Additional installation space for further circuit arrangements and / or electronic components can be provided via the circuit arrangement 1.
  • a chip exchange can be implemented by appropriately designing the loading structure.
  • chips 2 can be used for the circuit arrangement that are also used in conventional flip-chip technologies and are designed, for example, for contacting by bonding. Efficient chip cooling is possible.
  • Several chips can be installed one above the other.

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Abstract

Es wird eine elektrische Schaltungsanordnung (1) vorgeschlagen, die einen mit einem Chip (3) bestÜckten Schaltungsträger (2) aufweist. Der Schaltungsträger (2) enthält ein Trägersubstrat (4), in dem eine seitlich ringsum geschlossene Aufnähmevertiefung (5) ausgebildet ist, an deren Grund sich mit Leiterbahnen (6) verbundene erste Kontaktpads befinden. Diese sind unter Zwischenschaltung eines anisotrop elektrisch leitenden, zugleich elastisch verformbaren Kontaktierungselementes (24) mit zweiten Kontaktpads (17) des darÜber angeordneten Chips (3) elektrisch verbunden. Eine am Trägersubstrat (4) fixierte Beaufschlagungsstruktur (34) beaufschlagt den Chip (3) an seiner Oberseite, um die fÜr die elektrische Kontaktierung gewünschte Anpresskraft zu erhalten.

Description

Elektrische Schaltungsanordnung
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine elektrische Schaltungsanordnung, die einen mit einem elektronischen Chip bestückten Schaltungsträger aufweist, der über ein Trägersubstrat verfügt, an dem Leiterbahnen vorgesehen sind, die zu an einer ersten Kon- taktierungsflache angeordneten ersten Kontaktpads führen, wobei der Chip an einer der ersten Kontaktierungsfl che zuge- wandten zweiten Kontaktierungsflache über zweite Kontaktpads verfügt, die unter Zwischenschaltung anisotrop elektrisch leitender Kontaktmittel mit den ersten Kontaktpads elektrisch kontaktiert sind.
Bei einer aus der DE 102 17 698 AI bekannten Schaltungsanord- nung dieser Art ist ein elektronischer Chip auf einem als dreidimensionales MID-Teil (MID = Moulded Interconnect Device) konzipierten spritzgegossenen Schaltungsträger angeordnet . Der Schaltungsträger besitzt ein Trägersubstrat mit mehreren vorstehenden Kontaktierungshöckern, wobei die Kontak- tierungshöcker mit Leiterbahnen verbundene erste Kontaktpads tragen, die mit zugeordneten zweiten Kontaktpads des in Flip- Chip-Technologie aufgesetzten Chips unter Zwischenschaltung eines anisotrop elektrisch leitenden Klebstoffes kontaktiert sind. Die Klebeverbindung sorgt gleichzeitig für die mechani- sehe Befestigung des Chips an dem Schaltungstr ger. Neben der Kontaktierungsfunktion übernimmt der Klebstoff auch noch die Funktion eines Underfillers, der den Zwischenraum zwischen dem Chip und dem Schaltungsträger ausfüllt. Schaltungsanordnungen vergleichbarer Art gehen auch aus der DE 10163799 AI, der US 6,555,759 und der EP 0782765 Bl hervor.
Die bekannte Art der Flip-Chip-Technik ermöglicht zwar die elektrische Verbindung von Bauteilen bei geringem Platzbedarf. Nachteile besitzt diese Technik jedoch bezüglich der komplexen Handhabung der erforderlichen Aufbau- und Verbindungstechnik und bezüglich der Betriebseinflüsse auf den e- lek ronischen Verbund. Vor allem die unterschiedlichen ther- mischen Ausdehnungskoeffizienten von Schaltungsträger und in der Regel aus Silizium bestehendem Chip sind komplex und machen die Technik riskant und teuer. Speziell bei der MID- Technik ist der Unterschied in den Ausdehnungskoeffizienten äußerst groß, so dass die Einsatztemperaturen für die elekt- rische Schaltungsanordnung stark eingeschränkt werden. Auch der zwischen den Bauteilen vorgesehene Underfiller ist nicht in der Lage, die sich ergebenden mechanischen Spannungen ab- zupuffern.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine elektri- sehe Schaltungsanordnung zu schaffen, die bei einfacherer
Herstellung weniger gegen Temperaturschwankungen anfällig ist und zugleich auch einen guten mechanischen Schutz des elektronischen Chips gewährleistet .
Zur Lösung dieser Aufgabe ist vorgesehen,
- dass sich die erste Kontaktierungs lache am Grund einer seitlich ringsum geschlossenen Aufnahmevertiefung des Trägersubstrats befindet, in der die Kontaktmittel und der Chip vollständig aufgenommen sind,
- dass die Kontaktmittel aus mindestens einem zwischen den beiden Kontaktierungsflächen plazierten, in Richtung der Hochachse der Auf ahmevertiefung elastisch verformbaren Kontaktierungselement bestehen, das einen gummielastischen Grundkörper mit einander entgegengesetzten, den beiden Kon- taktierungsflachen zugewandten ersten und zweiten Gegenkon- taktierungsflachen sowie eine Vielzahl von den Grundkörper unter gegenseitiger Isolierung durchziehenden, an den Ge- genkontaktflachen mit Leitflächen endenden, elastisch verformbaren Leitkδrpern aufweist,
- und dass eine am Trägersubstrat fixierte Beaufschlagungsstruktur vorhanden, die den Chip an der dem Grund der Auf- nahmevertiefung entgegengesetzten Oberseite beaufschlagt, so dass das Kontaktierungselement zwischen dem Trägersubstrat und dem Chip eingespannt ist und die ersten und zweiten Kontaktpads an die ihnen jeweils gegenüberliegenden Leitflächen des Kontaktierungselements angepresst werden.
Bei dieser Schaltungsanordnung ist für die elektrische Kontaktierung von Chip und Schaltungsträger eine durch Stoff- schluss hergestellte, mechanisch feste Verbindung zwischen den einander zugeordneten Kontaktierungsflächen nicht mehr erforderlich. Allein durch das Verpressen des elastisch ver- formbaren Kontaktierungselementes ergibt sich der gewünschte zuverlässig elektrische Kontakt zwischen den beiderseitigen Kontaktierungsflächen. Durch die Elastizität des Kontaktierungselementes ergibt sich dabei eine flexible Verbindung, die in der Lage ist, unterschiedliche Ausdehnungskoeffizien- ten des Chips und des Trägersubstrates selbsttätig auszugleichen, so dass auch bei großen Temperaturschwankungen und bei stark unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten wie in der MID-Technologie stets eine sichere elektrische Verbindung gewährleistet ist. Zugleich wird auch der Chip stets sicher e- chanisch fixiert, wobei sich durch das Kontaktierungselement zumindest in der Höhenrichtung der Aufnahmevertiefung eine Art schwimmende Lagerung einstellt, die Relativbewegungen zwischen den genannten Komponenten zulässt . Da der Chip versenkt in der Aufnahmevertiefung untergebracht ist, wird über- dies eine exponierte Lage vermieden, was den Chip vor mechanischen Beeinträchtigungen schützt.
Die Vorteile ergeben sich sowohl bei ungenausten als bei geausten Chips. Unter dem Begriff "Chip" seien daher sowohl Bauformen ohne den Chip umgebendes Gehäuse verstanden, als auch Bauformen, bei denen der Chip in einem Gehäuse sitzt, wobei die zweiten Kontaktpads am Chip selbst oder am Gehäuse vorgesehen sein können.
Vorteilhaft bei der elektrischen Schaltungsanordnung ist auch, dass bei ihr auf einen Underfiller verzichtet werden kann. Auch erspart man sich das Applizieren von flüssigem Klebstoff im Fügebereich zwischen Chip und Schaltungsträger. Gegenüber der Flip-Chip-Technik auf Lötbasis erspart man sich außerdem das Anbringen der zur Kontaktierung der Kontaktpads erforderlichen Lotbu ps.
In der WO 96/15551 AI wird zwar bereits die Montage elektronischer Komponenten auf einer Leiterplatte beschrieben, wobei zwischen einem Halbleiterpaket und einem Trägersubstrat eine Vielzahl von nachgiebigen Kontaktmitteln zum Einsatz kommt. Diese Kontaktmittel sind allerdings einzeln frei stehend angeordnet und einenends an dem Trägersubstrat fest verankert .
Elastisch verformbare Kontaktierungselemente, die sich für den Einsatz in der elektrischen Schaltungsanordnung eignen, sind als solches zwar bereits bekannt. So offenbart die US 5,617,898 ein Kontaktierungselement, das sich aus gestapelten Schichten leitfähigen und nicht leitfähigen Elastikmaterials zusammensetzt. Ferner vertreibt die Firma Shin-Etsu Polymer Europe B.V., 5928 NS Venlo, Niederlande, unter der Typenbezeichnung "GX4" ein Verbindungsstück, bei dem eine Matrix aus mit Gold beschichteten Metalldrähten in einer Silikongummischicht eingebettet sind. Ein vergleichbar aufgebautes Kontaktierungselement beschreibt auch die US 4,209,481. Die geschützte Unterbringung eines Chips zusammen mit einem elas- tisch verformbaren Kontaktierungselement in einer seitlich ringsum geschlossenen Aufnahmevertiefung eines Trägersubstrates ist dort aber ebenso wenig vorgesehen wie die erfindungs- gemäße Fixierung mittels zwischen dem Trägersubstrat und dem Chip wirkenden Beaufschlagungsmitteln zum Erzeugen der gewünschten Vorspannung im Bereich der kontaktierten Flächen.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
Besonders zweckmäßig ist der Einsatz eines elastisch verform- baren Kontaktierungselementes, bei dem die einzelnen Leitflächen jeweils eine geringere Flächenausdehnung haben als die Kontaktpads an Chip und Schaltungsträger, wobei die Leitflächen an den Gegenkontaktierungsflächen in einer feinen, matrixartigen Verteilung zu einer oder mehreren Leitflächengrup- pen zusammengefasst sind. Beispielsweise können die beiden Gegenkontaktierungsflächen jeweils ganzflächig von einer Leitflächengruppe belegt sein, so dass bei der Herstellung auf die Position der Kontaktpads keine Rücksicht genommen werden muss, weil im zusammengebauten Zustand automatisch diejenigen Leitkörper für die elektrische Verbindung sorgen, deren Leitflächen von den Kontaktpads beaufschlagt werden. Es besteht jedoch durchaus die Möglichkeit, eine oder mehrere Leitflächengruppen vorzusehen, deren Ausdehnung wesentlich geringer ist als diejenige der zugeordneten Gegenkontaktflä- ehe. Man kann auf diese Weise beispielsweise mehrere punkt- oder streifenförmig gestaltete Leitflächengruppen realisieren.
Zweckmäßigerweise verfügt die Beaufschlagungsstruktur für den Chip über einen den Chip übergreifenden, am Trägersubstrat fixierten Deckel. Ein optimaler Schutz für den Chip ergibt sich dabei, wenn der Deckel keinerlei Durchbrechungen aufweist und die Öffnung der Aufnahmevertiefung von ihm vollständig verschlossen wird. Die Verbindung zwischen dem Deckel und der Trägerstruktur wird vorzugsweise durch eine stoff- schlüssige Verbindung realisiert, insbesondere durch eine Klebeverbindung, wobei sich der Einsatz eines durch UV- Strahlung aushärtenden Klebstoffes empfiehlt. Hier ist keine Erhitzung notwendig und die Zeitdauer zur mechanischen Fixie- rung des Chips bis zum Aushärten der Klebeverbindung ist äußerst gering.
Grundsätzlich kann der Deckel komplett außerhalb der Aufnahmevertiefung liegen oder auch nur teilweise in die Aufnahmevertiefung hineinragen. Besonders zweckmäßig wird jedoch eine Ausfuhrungsform eingeschätzt, bei der der Deckel vollständig im Innern der Aufnahmevertiefung sitzt.
Bei Bedarf kann der Deckel als Träger für mindestens ein weiteres Elektronikbauteil fungieren. Auch besteht die Möglichkeit, als Deckel unmittelbar selbst ein weiteres Elektronik- bauteil einzusetzen, beispielsweise ein sogenanntes SMD- Bauteil (SMD = Surf ce Mounted Device) .
Die WO 01/95486 AI beschreibt ein Verfahren zur Herstellung individueller mikroelektronischer Vorrichtungen, wobei in einem nichtleitenden Material eine Vielzahl zueinander beab- standeter Ausnehmungen ausgebildet ist, in denen jeweils eine auf piezoelektrischen Prinzipien aufbauende Komponente sitzt, wobei die Ausnehmungen oben durch dicht eingesetzte Deckel verschlossen sind. Eine Kontaktierung der Komponente mittels elastischer Kontaktmittel ist allerdings nicht vorgesehen.
Alternativ zu einer unlösbaren Fixierung des Chips kann mittels einer entsprechend gestalteten Beau schlagungsstruktur auch eine lösbar Fixierung realisiert werden. Beispielsweise kann die Beaufschlagungsstruktur mit an der Trägerstruktur angeordneten Rasthaken ausgestattet sein, die entweder den Chip unmittelbar oder einen über dem Chip liegenden Deckel übergreifen und in Richtung des Grundes der Aufnahmevertie- fung drücken. Ist der Chip defekt, kann er durch Verformen der Rasthaken aus der Aufnahmevertiefung herausgenommen und durch einen neuen Chip ersetzt werden.
Ist eine Kühlung des Chips erforderlich, kann der Deckel unmittelbar mit Kühlrippen versehen werden, so dass kein geson- dertes Kühlelement benötigt wird.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigen:
Figur 1 in stark vergrößerter und schematischer Darstellung eine bevorzugte erste Ausfuhrungsform der erfin- dungsgemäße elektrischen Schaltungsanordnung in einer perspektivischen Explosionsdarstellung,
Figur 2 einen Längsschnitt durch die Anordnung aus Figur 1 gemäß Schnittlinie II-II im zusammengebauten Zustand, wobei das Kontaktierungselement gemäß Schnittlinie Ila-IIa der Figur 5 quer geschnitten ist,
Figur 3 eine Einzeldarstellung des Schaltungsträgers aus Figuren 1 und 2 in einer Draufsicht auf die die Aufnahmevertiefung aufweisende Seite,
Figur 4 eine Einzeldarstellung des bei der Anordnung gemäß Figuren 1 und 2 eingesetzten Chips in einer Unteransicht,
Figur 5 eine Einzeldarstellung des bei der Anordnung gemäß Figuren 1 und 2 eingesetzten Kontaktierungselements in einer perspektivischen Darstellung,
Figur 6 das Kontaktierungselement aus Figur 5 im Längsschnitt gemäß Schnittlinie VT-VT, Figur 7 eine alternative Bauform eines Kontaktierungselements in perspektivischer Darstellung,
Figur 8 eine Seitenansicht des Kontaktierungselements aus Figur 7, wobei die den Grundkδrper durchsetzenden Leitkörper strichpunktiert angedeutet sind,
Figur 9 erneut eine weitere alternative Bauform des Kontaktierungselements in perspektivischer Darstellung,
Figur 10 eine Seitenansicht des Kontaktierungselements aus Figur 9, wobei die Leitkδrper wiederum strichpunktiert angedeutet sind,
Figur 11 eine modifizierte Bauform der elektrischen Schaltungsanordnung in perspektivischer Darstellung, mit einer im Vergleich zur Figur 1 abweichenden Bauform des Deckels,
Figur 12 den bei der Schaltungsanordnung aus Figur 1 zum Einsatz kommenden Deckel in einer perspektivischen Einzeldarstellung,
Figur 13 eine modifizierte Bauform der Schaltungsanordnung mit am Deckel angeordneten rippenartigen Kühlkörpern,
Figur 14 eine abgewandelte Bauform der Schaltungsanordnung, bei der der Deckel mit weiteren Elektronikbauteilen bestückt ist,
Figur 15 eine weitere Ausführungsform der elektrischen Schaltungsanordnung, bei der Rastmittel zur lösbaren Fixierung des Chips vorgesehen sind,
Figur 16 eine in Verbindung mit einer Multilayer-Leiter- platte realisierte Bauform der Schaltungsanordnung, wobei ein die Ausnahmevertiefung verschließender Deckel lediglich strichpunktiert angedeutet ist, und
Figur 17 eine Seitenansicht der Schaltungsanordnung aus Figur 16, wobei der eingekreiste Bereich im Längs- schnitt gemäß Schnittlinie XVII dargestellt ist.
Die Zeichnung zeigt mehrere Ausführungsbeispiele einer allgemein mit Bezugsziffer 1 bezeichneten elektrischen Schaltungsanordnung, die einen Schaltungsträger 2 aufweist, der mit mindestens einem elektronischen Chip 3 bestückt ist. Eine mögliche Ausfuhrungsform eines solchen Chips 3 ist in Figur 4 schematisch in einer perspektivischen Unteransicht gezeigt.
Bei den Bauformen der Figuren 1 bis 3, 11 und 13 bis 15 ist der Schaltungsträger 2 als dreidimensionales MID-Teil konzipiert. Er enthält ein aus spritzgießfähigem, vorzugsweise thermoplastischem Kunststoffmaterial bestehendes Trägersubstrat 4, das an einer oder mehreren Seiten mit Leiterbahnen 6 versehen ist, die zur Übertragung elektrischer Signale zwischen bedarfsgemäß plazierten Anschlußstellen und dem Chip 3 sowie eventueller weiterer vorhandener Elektronikkomponenten 49 dienen. Die Ausführungsbeispiele zeigen Anordnungen, bei denen mehrere Leiterbahnen 6 gleichzeitig mit einem in einer Aufnahmevertiefung 5 des Trägersubstrats 4 plazierten Chip 3 elektrisch kontaktiert sind.
Die vorgenannten Ausführungen gelten entsprechend für die Bauform der Figuren 16 und 17, jedoch mit der Abweichung, dass dort der Schaltungsträger 2 als Multilayer-Leiterplatte ausgebildet ist, dessen Trägersubstrat sich aus mehreren sandwichartig aufeinandergeschichteten Platinen 7 zusammensetzt, die miteinander verklebt sind.
Die grubenähnlich aus dem Trägersubstrat 4 ausgenommene Aufnahmevertiefung 5 hat eine Hochachse 8, die sich beim Ausführungsbeispiel rechtwinkelig zur Hauptausdehnungsebene des beispielhaft plattenförmigen Schaltungsträgers 2 erstreckt. Die Aufnahmevertiefung 5 hat unten einen Grund 12 und oben eine zur Außenfläche 13 des Trägersubstrats 4 ausmündende Öffnung 1 . Seitlich ist die Aufnahmevertiefung 5 zwischen dem Grund 12 und der Öffnung 14 ringsum geschlossen und wird von einer ringsum laufenden seitlichen Wandfläche 15 begrenzt, die durch das Trägersubstrat 4 definiert wird.
Die Leiterbahnen 6 verlaufen ausgehend von der Außenfläche 13 in die Aufnahmevertiefung 5 hinein, bis sie in erste Kontakt- pads 16 übergehen, welche an einer vom Grund 12 der Aufnahmevertiefung definierten ersten Kontaktierungsflache 18 des Trägersubstrats 4 angeordnet sind. Das Verteilungsmuster der ersten Kontaktpads 16 entspricht den spezifischen technischen Anforderungen, wobei beim Ausführungsbeispiel zwei Gruppen zu je vier in einer Reihe nebeneinanderliegenden ersten Kontaktpads 16 vorgesehen sind.
Die erste Kontaktierungsfläche 18 ist zweckmäßigerweise eben ausgebildet, so dass auch sämtliche ersten Kontaktpads 16 in einer gemeinsamen Ebene liegen, wobei sie in Richtung der Hochachse 8 der Öffnung 14 zugewandt sind.
Bei den Ausführungsbeispielen der Figuren 1 bis 3, 11 und 13 bis 15 verlaufen die Leiterbahnen 6 beim Übergang zwischen der Außenfläche 13 und dem Grund 12 entlang der seitlichen Wandfläche 15 der Aufnahmever iefung 5. Der entsprechende Wandbereich 22 hat dabei zweckmäßigerweise einen schrägen
Verlauf, so dass sich der Querschnitt der Aufnahmevertiefung , 5 ausgehend vom Grund 12 zur Öffnung 14 hin erweitert . Die Leiterbahnen 6 sind hier vorzugsweise in MID-Technologie hergestellt, beispielsweise nach dem Verfahren der sogenannten Laser-Direkt-Strukturierung. Ausgangspunkt ist hierbei beispielsweise ein für MID-Einsätze optimierter PBT-Kunststoff (Polybutylen-Therephthalat) , wobei das Kunststoffmaterial mit eingebetteten Metallpartikeln bzw. Metallkeimen versehen ist. Nach der Spritzgußfertigung des Trägersubstrates 4 wird durch lokale Aktivierung der Substrat-Oberfläche mittels Laserstrahl das gewünschte Schaltungslayout erzeugt. Hierbei wird ein Laserstrahl über die Oberfläche des Trägersubstrates 4 hinweggeführt, wobei in den bestrahlten Oberflächenbereichen eine lokale Materialaktivierung stattfindet . Zum einen werden aus speziellen, nichtleitenden Wirksubstanzen Metallkeime abgespalten. Gleichzeitig erzeugen weitere Füllstoffe des Kunststoffmaterials eine ausgeprägte Rauhigkeit auf der bestrahlten Oberfläche. Bei einem sich anschließenden galvani- sehen Metallisierungsprozess erfolgt im Bereich der abgespaltenen und teilweise freigelegten Metallkeime eine lokale, der Laserspur folgende Kupfermetallisierung, wobei durch die Rauhigkeit eine sehr gute Haftung für die im Galvanikbad entstehende Metallschicht gewährleistet wird. Auf diese Weise ergeben sich die Leiterbahnen 6 ausschließlich und exakt in denjenigen Oberflächenbereichen des Trägersubstrates 4, die vorausgehend der geschilderten Laserstrahlaktivierung ausgesetzt worden sind. Auf die gleiche Weise werden die ersten Kontaktpads realisiert, die zweckmäßigerweise von eine etwas größere Fläche aufweisenden Endabschnitten der Leiterbahnen gebildet werden.
Die Aufnahmevertiefung 5 wird bei der MID-Herstellung beim Spritzgießen des Trägersubstrates 4 ausgeformt.
Bei dem Ausführungsbeispiel der Figuren 15 und 16 ergibt sich die Aufnahmevertiefung 5 durch Aussparungen in einigen der von den Platinen 7 gebildeten Leiterplattenschichten. Die ausgesparten Platinen 7 definieren die seitliche Wandfläche 15, während der Grund 12 von einer nicht ausgesparten Platine 7 definiert wird. Um die Leiterbahnen 6 zum Grund 12 der Aus- nahmevertiefung 5 zu führen, bedient man sich sogenannter Durchkontaktierungen bzw. Vias 23, die verschiedene der Platinen 7 durchsetzen, um einen elektrisch leitenden Übergang zwischen den an der Außenfläche 13 und den am Grund 12 verlaufenden Leiterbahnabschnitten zu erhalten. Bei allen Ausfuhrungsformen ist der Chip 3 zusammen mit einem zu dessen elektrischer Kontaktierung dienenden, elastisch verformbaren Kontaktierungselement 24 komplett in der Aufnahmevertiefung 5 aufgenommen. Das Kontaktierungselement 24 liegt dabei in Richtung der Hochachse 8 zwischen dem Chip 3 und dem Grund 12 der Aufnahmevertiefung 5.
Die dem Grund 12 zugewandte Unterseite des Chips 3 bildet eine zweite Kontaktierungsflache 19, an der eine Mehrzahl zweiter Kontaktpads 17 vorgesehen ist, die mit der im Chip 3 in- tegrierten Schaltung verbunden sind. Diese zweiten Kontaktpads 17 sind so verteilt, dass sie jeweils einem der am Trägersubstrat 4 vorgesehenen ersten Kontaktpads 16 in der Richtung der Hochachse 8 gegenüberliegen (Figur 4) . Durch das zwischengeschaltete Kontaktierungselement 24 sind die auf diese Weise einander paarweise zugeordneten ersten und zweiten Kontaktpads 16, 17 elektrisch miteinander verbunden.
Bei dem Chip 3 kann es sich um einen gehäusten oder um einen ungehäusten Chip handeln. Verfügt der Chip 3 über ein Gehäuse, befinden sich die mit dem Kontaktierungselement 24 koope- rierenden zweiten Kontaktpads 17 in der Regel am Chipgehäuse.
Das Kontaktierungselement 24 verfügt über eine anisotrope elektrische Leitfähigkeit, wobei die Leitfähigkeitsrichtung mit dem Verlauf der Hochachse 8 zusammenfällt . Die Figuren 5 und 6 zeigen das bei der Bauform gemäß Figuren 1 bis 3 ver- wendete Kontaktierungselement 24 in jeweils einer Einzeldarstellung.
Das Kontaktierungselement 24 ist insgesamt in Richtung der Hochachse 8 elastisch verformbar. Es verfügt über einen insbesondere aus Silikongummi bestehenden gummielastischen Grundkörper 25, der an einander entgegensetzten Seiten über eine erste bzw. zweite Gegenkontaktierungsflache 20, 21 verfügt. Bevorzugt ist der Grundkörper 25 plattenartig ausgeführt und so in der Aufnahmevertiefung 5 plaziert, dass die Plattenebene rechtwinkelig zur Hochachse 8 verläuft. Die Gegenkontaktierungsflächen 20, 21 sind dann von den beiden zum einen zum Grund 12 und zum anderen zur Öffnung 14 weisenden größeren Außenflächen des Grundkδrpers 25 gebildet.
Der Grundkörper 25 ist in Richtung der Hochachse 8 von einer Mehrzahl unter gegenseitiger Isolierung in das Grundkδrperma- terial eingebetteter Leitkδrper 26 durchzogen. Diese Leitkörper 26 enden jeweils an beiden Gegenkontaktierungsflächen 20, 21 mit von außen zugänglichen ersten bzw. zweiten Leitflächen 27, 28. Sie sind derart elastisch verformbar, dass sie eine Veränderung des Abstandes ihrer jeweils zugeordneten ersten und zweiten Leitflächen 27, 28 zulassen.
Wird also das Kontaktierungselement 24 im Bereich seiner Gegenkontaktierungsflächen 20, 21 zwischen zwei Bauteilen ver- spannt, lässt sich der Grundkörper 25 in Richtung der Hochachse 8 zusammendrücken, wobei sich gleichzeitig die beaufschlagten ersten und zweiten Leitflächen 27, 28 der einzelnen Leitkδrper 26 aneinander annähern. Bei gegenseitiger Annäherung der beiden Leitflächen 27, 28 eines Leitkδrpers 26 kann dieser beispielsweise seitwärts ausknicken oder ausbiegen, wie dies in Figur 6 strichpunktiert bei 32 angedeutet ist.
Als besonders zweckmäßig hat sich eine Bauform erwiesen, bei der die Leitkörper 26 aus elastisch biegbaren Metalldrähten bestehen, deren Stirnflächen unmittelbar die ersten und zwei- ten Leitflächen 27, 28 bilden. Dabei haben die Leitflächen
27, 28 quer zur Hochachse 8 jeweils eine wesentlich geringere Flächenausdehnung als die zu kontaktierenden Kontaktpads 16, 17. Sie durchziehen den Grundkörper 25 in zueinander paralleler Ausrichtung und bevorzugt in einer matrixähnlichen Ver- teilung eng benachbart zueinander.
Von Fall zu Fall kann der Gründkörper 25 komplett oder nur bereichsweise von den Leitkörpern 26 durchsetzt sein. Auf diese Weise sind die Leitflächen 27, 28 an den Gegenkontak- tierungsflachen 20, 21 in feiner matrixartiger Verteilung zu einer oder mehreren Leitflächengruppen 33 zusammengefasst .
Beim Ausführungsbeispiel der Figuren 5 und 6 sind die Leitkδrper 26 so plaziert, dass sich an jeder Gegenkontaktie- rungsfl che 20, 21 eine der Anzahl der zu kontaktierenden Kontaktpads 16 bzw. 17 entsprechende Anzahl von Leitflächengruppen 33 ergibt, die so angeordnet sind, dass sie jeweils einem zu kontaktierenden ersten und zweiten Kontaktpad 16, 17 gegenüberliegen. Man erreicht auf diese Weise eine punktarti- ge Gestaltung bzw. Verteilung der Leitflächengruppen 33.
Mittels einer am Trägersubstrat 4 fixierten Beaufschlagungs- struktur 34 wird der Chip 3 an der dem Grund 12 der Aufnahme- Vertiefung 5 entgegengesetzten Oberseite beaufschlagt, so dass er gegen das Kontaktierungselement 24 vorgespannt wird, das seinerseits an die erste Kontaktierungsflache 18 angedrückt wird. Das Kontaktierungselement 24 wird somit in Richtung der Hochachse 8 zwischen dem Trägersubstrat 4 und dem Chip 3 eingespannt . Dabei werden die ersten und zweiten Kontaktpads 16, 17 an die ihnen jeweils gegenüberliegenden, zu- gewandten Lei flächen 27, 28 angepresst. Auf diese Weise ergibt sich eine elektrische Verbindung zwischen den sich gegenüberliegenden ersten und zweiten Kontaktpads 16, 17 über die dazwischen angeordnete Anzahl von Leitkörpern 26, die gleichzeitig von diesen Kontaktpads 16, 17 beaufschlagt werden. Das Kontaktierungselement 24 baut dabei aufgrund seiner Elastizität einen Gegendruck auf, der eine sichere elektrische Verbindung zwischen einem jeweiligen Kontaktpad und den daran anliegenden Leitkörpern 26 allein durch den Anpressdruck gewährleistet, so dass auf weitere verbindende Maßnahmen, bei- spielsweise Verlöten oder Kleben mittels Leitkleber, zu Gunsten einer vereinfachten Montage verzichtet werden kann.
Das Kontaktierungselement 24 der Figuren 5 und 6 ist hinsichtlich der Ausgestaltung und Verteilung der Leitflächengruppen 33 speziell an die Verteilung der Kontaktpads 16, 17 angepasst. Wesentlich vorteilhafter ist jedoch eine Bauform, die einen Einsatz unabhängig von der Kontaktpadverteilung ermöglicht . Eine derartige Ausgestaltung offenbaren die Figuren 9 und 10, wobei hier an den beiden Gegenkontaktierungsflächen 20, 21 jeweils nur eine Leitflächengruppe 33 vorgesehen ist, die sich jedoch jeweils über die gesamte Fläche der betreffenden Gegenkontaktierungsflächen 20, 21 erstreckt. Auf diese Weise ist eine elektrische Verbindung zwischen an entgegengesetzten Seiten des Kontaktierungselements 24 anliegenden Kon- taktpads unabhängig davon möglich, an welcher Stelle der
Grundfläche des Kontaktierungselementes 24 sie sich gegenüberliegen und an das Kontaktierungselement 24 angedrückt werden.
Eine weitere mögliche Alternativbauform des Kontaktierungs- elements 24 ist in Figuren 7 und 8 dargestellt. Dort sind die Leitkörper 26 so angeordnet, dass sie an den beiden Gegenkontaktierungsflächen 20, 21 mehrere streifenartige Leitflächen- gruppen 33 bilden.
Durch die elastische Nachgiebigkeit des Kontaktierungsele- ments 24 werden selbsttätig unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten des Trägersubstrats 4 und des Chips 3 kompensiert, bei gleichzeitiger ständiger Aufrechterhaltung einer sicheren elektrischen Verbindung.
Abgesehen vom Ausführungsbeispiel der Figur 15 enthält die Beaufschlagungsstruktur 34 bei allen Ausführungsbeispielen einen den Chip 3 an der dem Grund 12 der Auf ahmevertiefung 5 entgegengesetzten Oberseite übergreifenden Deckel 35. Dieser ist zweckmäßigerweise im Bereich der Öffnung 14 so in die Aufnahmevertiefung 5 eingesetzt, dass er vollständig im In- nern der Aufnahmevertiefung 5 zu liegen kommt. Zweckmäßig ist eine Anordnung, bei der die in Richtung der Hochachse 8 vom Grund 12 wegweisende Außenfläche 36 des Deckels 35 bündig mit dem die Öffnung 14 umschließenden Randbereich der Außenfläche 13 des Trägersubstrats 4 verläuft. Der Deckel 35 ist bei allen Ausführungsbeispielen stoffschlüssig mit dem Trägersubstrat verbunden. Es kommt insbesondere eine Klebeverbindung zum Einsatz, wobei ein geeigneter Klebstoff bei 37 angedeutet ist. Zweckmäßigerweise wird ein UV-aushärtender Klebstoff 37 verwendet, der seine Festigkeit auch ohne Wärmeintrag erreicht, was eine Schonung für den Chip bedeutet .
Bei der Montage der Schaltungsanordnung 1 wird der Deckel 35 mittels eines geeigneten Werkzeuges an den Chip 3 angedrückt, bis der Klebstoff 37 ausgehärtet ist. Auf diese Weise wird erreicht, dass die Kombination aus Chip 3 und Kontaktierungselement 34 mit der gewünschten Vorspannung zwischen dem Deckel 35 und dem Grund 12 der Aufnahmevertiefung 5 kraft- schlüssig eingespannt ist .
Der Klebstoff 37 wird zweckmäßigerweise im flüssigen Zustand aufgrund Kapillarwirkung in einem schmalen Spalt 38 appli- ziert, der sich um den Deckel 35 herum zwischen diesem und dem Trägersubstrat 4 erstreckt. Dieser Spalt 38 steht mit einer oder mehreren topfartigen Ausnehmungen 42 in Verbindung, die in der Außenfläche 13 des Trägersubstrats 4 ausgebildet sind. Beim Ausführungsbeispiel hat die Öffnung 14 einen rechteckigen Umriss, wobei in jedem der vier Eckbereiche eine der erwähnten topfartigen Ausnehmungen 42 plaziert ist. Zum Festkleben des Deckels 35 wird der Klebstoff in die topfarti- gen Ausnehmungen 42 eingespeist, von wo aus er aufgrund der Kapillarwirkung in den Spalt 38 hineingezogen wird, bis schließlich der gesamte Spalt 38 mit Klebstoff 37 gefüllt ist.
Bei der in Figuren 11 und 12 gezeigten modifizierten Ausfüh- rungsform befindet sich eine topfartige Ausnehmung 42, insbesondere an zentraler Stelle, in der Außenfläche 36 des Deckels 35. Von dieser gehen mehrere nutartige Vertiefungen 43 ab, die zum Rand des Deckels 35 ausmünden. Bei der abgebildeten rechteckigen Grundrissform des Deckels 35 sind zweckmäßi- gerweise vier solcher nutartigen Vertiefungen 43 vorgesehen, die jeweils zu einer Randmitte des Deckels 35 führen.
Hier wird bei der Montage der Schaltungsanordnung 1 der Klebstoff 37 in die topfartige Ausnehmung 42 des Deckels 35 ein- gespeist, von wo aus er über die nutartigen Vertiefungen 43 in den Spalt 38 gelangt, um sich dort wiederum durch Kapillarwirkung zu verbreiten.
Um eine verschmutzungs- und feuchtigkeitsdichte Kapselung des Chips 3 und der elektrischen Verbindungsmaßnahmen innerhalb der Aufnahmevertiefung 5 zu erzielen, ist vorgesehen, dass der Deckel 35 die Öffnung 14 der Aufnahmevertiefung 5 vollständig verschließt. Für die Abdichtung des Fügebereiches sorgt der Klebstoff 37.
Ist eine besondere Abdichtung nicht erforderlich, kann auch ein Deckel verwendet werden, der abweichend von der beschriebenen Bauform nicht durchgängig geschlossen ist, sondern über eine oder mehrere Durchbrechungen verfügt. Auch kann der Deckel dann beispielsweise so ausgebildet sein, dass er nur einen Teil der Öffnung 14 der Aufnahmevertiefung 5 überspannt, beispielsweise in einer stegartigen Gestaltung.
Wie aus Figur 14 hervorgeht, kann der Deckel 35 an seiner Außenfläche 36 mit einer elektrischen Leiterstruktur 44 versehen sein, die die elektrische Kontaktierung eines oder mehrerer Elektronikbauteile 49 ermöglicht. Exemplarisch zeigt die Figur 14 zwei SMD-Bauteile, die teilweise auf dem Deckel 35 sitzen und die zum einen mit der elektrischen Leiterstruktur 44 des Deckels 35 und zum anderen mit einer auf der Außenfläche 13 des Trägersubstrats 4 angeordneten weiteren elektrischen Leiterstruktur 45 kontaktiert sind.
Insbesondere wenn der Deckel 35 flächenbündig mit der Außenfläche 13 des Trägersubstrats 4 in die Aufnahmevertiefung 5 eingesetzt ist, kann somit die Außenfläche 36 des Deckels 35 wie die Außenfläche 13 des Trägersubstrats 4 als Bestückungs- flache für weitere Elektronikkomponenten herangezogen werden. Dies ermöglicht eine äußerst platzsparende Installation elektrischer Schaltungen.
Aus Figur 13 geht die Möglichkeit hervor, den Deckel 35 als Träger für Kühlkörper 46 einzusetzen, wenn der Chip 3 im bestimmungsgemäßen Einsatz einer Kühlung bedarf. Die Kühlkörper 46 sind insbesondere rippenartig ausgebildet und können einstückig an den Deckel 35 angeformt sein.
Bei der in Figur 15 gezeigten Schaltungsanordnung 1 ist die Beaufschlagungsstruktur 34 so ausgeführt, dass sie eine lösbare Fixierung des Chips 3 ermöglicht. Sie verfügt zu diesem Zweck vorzugsweise über Rastmittel, die zweckmäßigerweise einstückig mit dem Trägersubstrat 4 ausgeführt sind.
Bei dem gezeigten Ausfuhrungsbeispiel bestehen die Rastmittel aus gemäß Doppelpfeilen 47 quer zur Hochachse 8 elastisch biegbaren Rasthaken 48, die die Öffnung 14 ein Stück weit überragen. Beim Einsetzen des Chips 3 werden die Rasthaken 48 vorrübergehend auseinandergespreizt, um nach dem Hindurchführen des Chips 3 in Richtung ihrer Ausgangsstellung zurückzufedern, so dass sie zum einen den Chip 3 an seiner Oberseite übergreifen und zum anderen gleichzeitig eine in Richtung des Grundes 12 wirkende Druckkraft auf die Oberseite des Chips 3 ausüben, so dass er gegen das Kontaktierungselement 24 ge- presst wird. Im Defektfalle eines Chips 3 können die Rasthaken 48 manuell oder mittels eines geeigneten Werkzeuges auseinandergespreizt werden, so dass sich der an dem Kontaktierungselement 24 lediglich anliegende und nicht fest mit die- sem Kontaktierungselement 24 verbundene Chip 3 problemlos entnehmen lässt .
Während beim Ausführungsbeispiel der Figur 15 die Rastmittel bzw. Rasthaken 48 unmittelbar mit dem Chip 3 zusammenwirken, wäre auch eine Bauform möglich, bei der der Chip 3 mittels eines Deckels oder eines sonstigen Kraftübertragungselementes abgedeckt ist, wobei die Rastmittel auf diesen Deckel bzw. das Kraftübertragungselement einwirken.
Um eine kompakte Schichtung mehrerer Schaltungsanordnungen 1 in Richtung der Hochachse 8 zu ermöglichen, ist es bei allen Ausführungsbeispielen von Vorteil, wenn die Beaufschlagungs- struktur 34 nicht über die Außenfläche des Trägersubstrats 4 vorsteht, zu der die Öffnung 14 ausmündet. Bei den Ausfüh- rungsbeispielen der Figuren 1 bis 3, 11 und 13 bis 15 wird dies durch eine versenkte Anordnung des Deckels 35 erreicht. Im Falle der Figur 15 befinden sich zu diesem Zweck die Rastmittel bzw. Rasthaken 48 komplett innerhalb der Aufnahmever- tiefung 5. Um die Querbeweglichkeit der Rasthaken 48 zu ga- rantieren, kann die seitliche Wandfläche 15 in ihrem Bereich jeweils eine den Querschnitt der Aufnahmevertief ng 5 vergrößernde Aussparung 52 aufweisen.
Anstelle der Verwendung von lediglich einem Kontaktierungselement 24 als Kontaktmittel zur elektrischen Verbindung von Chip 3 und Schaltungstr ger 2 könnten auch mehrere nebeneinander angeordnete Kontaktierungselemente 24 vorgesehen sein. Zur Stabilisierung kann bzw. können das bzw. die Kontaktierungselemente 24 von einer gesonderten Haltestruktur gehalten bzw. stabilisiert werden.
Die Innenkontur der Aufnahmevertiefung 5 kann so ausgeführt werden, dass das an Ort und Stelle plazierte mindestens eine Kontaktierungselement 24 durch die Wandung der Aufnahmevertiefung 5 formschlüssig quer zur Hochachse 8 fixiert wird. Eine solche Bauform bietet sich insbesondere dann an, wenn die Leitflächengruppen 33 ein speziell auf die Verteilung der Kontaktpads 16, 17 abgestimmtes Verteilungsmuster aufweisen.
Anstelle des bei den Ausführungsbeispielen eingesetzten Kontaktierungselements 24 könnte auch ein Kontaktierungselement 24 mit anderem Aufbau eingesetzt werden, das über die erforderliche Gummielastizität verfügt und zugleich ausschließlich in Richtung der Hochachse 8 durchgehend anisotrop leitfähig ist.
Entsprechend dem gewählten Aufbau kann die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung einen oder mehrere der nachstehenden Vorteile aufweisen. Beim Zusammenbau ergibt sich ein nur geringer wärmebedingter Stress für den Chip und der Montageprozess ist insgesamt sehr einfach. Die bei üblichen Flip-Chip- Technologien auftretende Ausdehnungskoeffizienten-Problematik wird entschärft. Über der Schaltungsanordnung 1 kann zusätzlicher Bauraum für weitere Schaltungsanordnungen und/oder Elektronikkomponenten bereitgestellt werden. Durch entsprechende Ausgestaltung der Beaufschlagungsstruktur lässt sich ein Chipaustausch realisieren. Ohne Einschränkung können für die Schaltungsanordnung solche Chips 2 eingesetzt werden, die auch bei üblichen Flip-Chip-Technologien eingesetzt werden und beispielsweise für eine Kontaktierung durch Bonden ausgelegt sind. Eine effiziente Chipkühlung ist möglich. Mehrere Chips können übereinander installiert werden.

Claims

Ansprüche
1. Elektrische Schaltungsanordnung, die einen mit einem elektronischen Chip (3) bestückten Schaltungsträger (2) aufweist, der über ein Trägersubstrat (4) verfügt, an dem Leiterbahnen (6) vorgesehen sind, die zu an einer ersten Kontak- tierungsflache (18) angeordneten ersten Kontaktpads (16) führen, wobei der Chip (3) an einer der ersten Kontaktierungs- fläche (18) zugewandten zweiten Kontaktierungsflache (19) über zweite Kontaktpads (17) verfügt, die unter Zwischenschaltung anisotrop elektrisch leitender Kontaktmittel mit den ersten Kontaktpads (16) elektrisch kontaktiert sind, dadurch gekennzeichnet, - dass sich die erste Kontaktierungsflache (18) am Grund einer seitlich ringsum geschlossenen Aufnahmevertiefung (5) des Trägersubstrats (4) befindet, in der die Kontaktmittel und der Chip (3) vollständig aufgenommen sind, - dass die Kontaktmittel aus mindestens einem zwischen den beiden Kontaktierungsflächen (18, 19) plazierten, in Richtung der Hochachse (8) der Aufnahmevertiefung (5) elastisch verformbaren Kontaktierungselement (24) bestehen, das einen gummielastischen Grundkörper (25) mit einander entgegengesetzten, den beiden Kontaktierungsflächen (18, 19) zugewandten ersten und zweiten Gegenkontaktierungsflächen (20, 21) sowie eine Vielzahl von den Grundkδrper (25) unter gegenseitiger Isolierung durchziehenden, an den Gegenkontaktierungsflächen (20, 21) mit Leitflächen (27, 28) endenden, elastisch verformbaren Leitkörpern (26) aufweist, - und dass eine am Trägersubstrat (4) fixierte Beaufschlagungsstruktur (34) vorhanden ist, die den Chip (3) an der dem Grund (12) der Aufnahmeve tiefung (5) entgegengesetzten Oberseite beaufschlagt, so dass das Kontaktierungselement (24) zwischen dem Trägersubstrat (4) und dem Chip (3) eingespannt ist und die ersten und zweiten Kontaktpads (16, 17) an die ihnen jeweils gegenüberliegenden Leitflächen (27, 28) des Kontaktierungselements (24) angepresst werden.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (25) plattenartig ausgebildet ist, wobei die beiden größeren Außenflächen die Gegenkontaktierungsflächen (20, 21) bilden.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der gummielastische Grundkörper (25) aus Silikongummi besteht .
4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitkörper (26) aus elas- tisch biegbaren Metalldrähten bestehen, deren Stirnflächen die Leitflächen (27, 28) bilden.
5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Leitflächen (27, 28) jeweils eine geringere Flächenausdehnung haben als die Kontaktpads (16, 17) und an den Gegenkontaktierungsflächen
(20,21) in feiner matrixartiger Verteilung zu einer oder mehreren Leitflächengruppen (33) zusammengefasst sind.
6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Gegenkontaktierungsflächen (20, 21) jeweils ganzflächig von einer Leitflächengruppe (33) belegt sind.
7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch punkt- und/oder streifenfδrmig gestaltete Leitflächengruppen (33) , die jeweils nur eine Teilfläche der Gegenkon- taktierungsflachen (20, 21) einnehmen.
8. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktpads (16, 17) und Leitflächen (27, 28) allein durch den von der Beaufschlagungsstruktur (34) aufgebrachten Anpressdruck miteinander kontaktiert sind.
9. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die BeaufschlagungsStruktur (34) einen den Chip (3) übergreifenden, am Trägersubstrat (4) fixierten Deckel (35) aufweist.
10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Deckel (35) mit dem Trägersubstrat (4) stoffschlüssig verbunden ist, insbesondere mittels einer Klebeverbindung .
11. Schaltungsanordnung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Deckel (35) ebenfalls vollständig in der Aufnahmevertiefung (5) aufgenommen ist, wobei er zweck ä- ßigerweise bündig mit dem die Öffnung (14) der Aufnahmevertiefung (5) umschließenden Randbereich der Außenfläche (13) des Trägersubstrates (4) abschließen kann.
12. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Deckel (35) die Öffnung (14) der Aufnahmevertiefung (5) vollständig verschließt.
13. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Deckel (35) an der dem Chip (3) entgegengesetzten Außenseite als Träger für mindestens ein weiteres Elektronikbauteil (49) ausgebildet ist.
14. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 13 , dadurch gekennzeichnet, dass der Deckel (35) an der dem Chip (3) entgegengesetzten Außenseite mit vorzugsweise rippenartig gestalteten Kühlkörpern (46) versehen ist.
15. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Beaufschlagungsstruktur (34) für eine lösbare Fixierung des Chips (3) ausgebildet ist.
16. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Beaufschlagungsstruktur (35) über an dem Trägersubstrat (4) angeordnete, insbesondere als Rasthaken (48) ausgebildete Rastmittel zur lösbaren Fixierung des Chips (3) verfügt.
17. Schaltungsanordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Rastmittel innerhalb der Aufnahmevertie- fung (5) angeordnet sind.
18. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltungsträger (2) als
MID-Teil (MID = Moulded Interconnect Device) ausgebildet ist, wobei die Leiterbahnen (6) entlang der seitlichen Wandfläche (15) der Aufnahmevertiefung (5) von außen her zu den zweiten Kontaktpads (17) am Grund (12) der Aufnahmevertiefung (5) ge- führt sind.
19. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltungsträger (2) als Multilayer-Leiterplatte ausgebildet ist, wobei die Aufnahmevertiefung (5) durch Aussparungen in einer oder mehreren Lei- terplattenschichten gebildet ist und die Leiterbahnen (6) über Durchkontaktierungen (23) auf die Ebene des Grundes (12) der Aufnahmevertiefung (5) geführt sind.
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