DE19648492A1 - Multi-Chip-Modul - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Multi-Chip-Modul nach dem Ober­ begriff des Anspruchs 1.

Ein derartiges Multi-Chip-Modul (MCM) ist beispielsweise aus dem Aufsatz "Speicher der 3. Dimension" von Henning Wriedt, veröffentlicht in "elektronik industrie" 10-1995, Seiten 100 und 102, bekannt. Unter der 3. Dimension wird dort das Über­ einanderstapeln von unversiegelten Speicherchips, deren Schaltungsteile jeweils im wesentlichen zweidimensional nebeneinander angeordnet sind, verstanden. Diese Technik ist insbesondere dann interessant, wenn eine Elektronikschaltung nur wenig Platz beanspruchen soll. Beispielsweise werden vier Speicherchips in einer Ebene und vier Ebenen übereinander in einem 3D-Modul angeordnet. Hinzu kommen je Ebene zwei Gold- und drei Isolationsschichten. Die elektrischen Verbindungen zwischen den einzelnen Ebenen erfolgen jeweils entlang der Schichtkanten. Nachteilig bei diesem Stapelaufbau ist, daß je Chip eine Zwischenschicht mit Isolier- und Goldlagen erfor­ derlich ist. Dies wirkt sich negativ auf die Bauhöhe des Multi-Chip-Moduls aus.

Aus der DE 44 22 669 A1 ist eine Mehrlagen-Leiterplatte, die mit integrierten Schaltkreisen bestückbar ist, bekannt. Diese Mehrlagen-Leiterplatte weist eine Verdrahtungsschicht mit mehreren Verdrahtungslagen auf, die jeweils durch eine rage aus isolierendem Material getrennt sind. Die isolierende Lage ist mit Aussparungen zur Verbindung bestimmter Leitungen der Verdrahtungslagen versehen. Zwei im wesentlichen flächenhaft ausgebildete Lagen aus elektrisch leitendem Material sind durch eine dünne dielektrische Schicht voneinander getrennt und wirken als Stützkondensator für die Versorgungsspannun­ gen. In die Verdrahtungsschicht werden siebgedruckte Wider­ stände integriert. Damit ist eine Fertigung von Flachbau­ gruppen mit hoher Packungsdichte möglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Multi-Chip-Modul zu schaffen, bei welchem eine weitere Erhöhung der Packungsdichte erreicht wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe weist das neue Multi-Chip-Modul der eingangs genannten Art die im kennzeichnenden Teil des An­ spruchs 1 genannten Merkmale auf. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen des Multi-Chip-Moduls beschrie­ ben.

Die Erfindung hat den Vorteil, daß für zwei Halbleiterbau­ elemente nur noch eine Zwischenlage zur Herstellung der elektrischen Verbindungen zwischen den Anschlüssen der Halb­ leiterbauelemente und den Anschlüssen des Multi-Chip-Moduls erforderlich ist. Die Zahl der Zwischenlagen wird gegenüber dem bekannten Stapelaufbau, bei welchem für jede Lage von Halbleiterbauelementen eine Zwischenlage vorgesehen werden mußte, halbiert. In vorteilhafter Weise wird somit die Bau­ höhe des Multi-Chip-Moduls verringert. Durch eine Mehrlagen-Ober­ flächenverdrahtung der Leiterplatte, bei der eine Ver­ drahtungsschicht aus zumindest zwei Verdrahtungslagen und einer Lage aus isolierendem Material besteht, welche die beiden Verdrahtungslagen voneinander trennt und nur an den Stellen Aussparungen aufweist, an welchen Verbindungen zwi­ schen Leitungen der Verdrahtungslagen herzustellen sind, wird zudem in besonders vorteilhafter Weise ein dünner Aufbau der internen Leiterplatte ermöglicht. Für den Fall, daß eine hohe Verlustleistung der Halbleiterbauelemente abgeführt werden muß, kann in der Leiterplatte eine Lage aus gut wärmeleiten­ dem Material vorgesehen werden. Dabei kann vorteilhaft auf durchgehende Kontaktierungen verzichtet werden, wenn An­ schlußelemente, die zur elektrischen Verbindung von Leitungen der internen Leiterplatte mit Anschlußflächen auf der exter­ nen Leiterplatte erforderlich sind, an der Kante der internen Leiterplatte angeordnet und derart ausgebildet sind, daß sie diese umgreifen und eine elektrische Verbindung zwischen Leitungen der Ober- und Unterseite der internen Leiterplatte herstellen. Durch diese Anschlußelemente kann die Abwärme zum einen in die Umgebung abgestrahlt und zum anderen in die externe Leiterplatte, auf welche das Multi-Chip-Modul be­ stückt ist, abgeleitet werden. Dabei unterliegt die Form der Anschlußelemente und die Art ihrer Verbindung mit den An­ schlußflächen der externen Leiterplatte keinerlei Beschrän­ kungen. Durch die Verwendung einer internen Leiterplatte mit Mehrlagen-Oberflächenverdrahtung sind auch Leitungsabstände beherrschbar, wie sie bei Anschlußelementen von Halbleiter­ bauelementen üblich sind. Passive Bauelemente, wie z. B. Entkopplungskondensatoren und Widerstände, können in die Leiterplatte integriert werden.

Anhand der Zeichnungen, in denen Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind, werden im folgenden die Erfindung sowie Ausgestaltungen und Vorteile näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine interne Leiterplatte mit Anschlußelementen,

Fig. 2 ein Multi-Chip-Modul mit einer beidseitig mit Halb­ leiterbauelementen bestückten internen Leiterplatte und

Fig. 3 ein Multi-Chip-Modul mit zwei beidseitig mit Halb­ leiterbauelementen bestückten internen Leiterplatten in Explosionsdarstellung.

In einer Schnittdarstellung nach Fig. 1 ist der Schicht­ aufbau einer internen Leiterplatte gut erkennbar. Diese be­ steht im wesentlichen aus einem Trägersubstrat 1, auf dessen Ober- und Unterseite jeweils eine Verdrahtungsschicht auf­ gebracht ist. Die Verdrahtungsschicht auf der Oberseite bei­ spielsweise ist mit drei Verdrahtungslagen 2, 3 und 4 auf­ gebaut, die durch zwei Lagen aus einem elektrisch isolie­ renden Dielektrikum 5 bzw. 6 voneinander getrennt sind. An den Stellen, an denen Verbindungen zwischen Leitungen ver­ schiedener Verdrahtungslagen, beispielsweise eine Verbindung 7 zwischen einer Leitung der Verdrahtungslage 3 und einer Leitung der Verdrahtungslage 4, hergestellt werden sollen, sind Aussparungen in dem jeweiligen Dielektrikum vorgesehen. Eine derartige Verdrahtungsschicht kann sehr dünn und mit feinen Strukturen hergestellt werden. Weitere Einzelheiten zum Herstellungsverfahren sind der eingangs genannten DE 44 22 669 A1 zu entnehmen. Die Oberseite der Verdrahtungs­ schicht ist mit Lötstopplack 8 abgedeckt, der an den An­ schlußflächen für die Anschlußelemente eines zu bestückenden Halbleiterbauelements Öffnungen 9 aufweist. Diese Öffnungen 9 dienen auch als Lotdepot, d. h. als Raum, in den ein Lot ein­ gebracht werden kann. Durchkontaktierungen 10 in dem Träger­ substrat 1 dienen sowohl zur elektrischen Verbindung von Lei­ tungen der oberen und unteren Verdrahtungsschicht als auch zur Wärmekopplung zwischen dem auf der Oberseite und dem auf der Unterseite zu bestückenden Halbleiterbauelement. An den Kanten der internen Leiterplatte sind Anschlußelemente 11 und 12 angeordnet, welche die Kanten umgreifen und eine elektri­ sche Verbindung zwischen Anschlußflächen 13 bzw. 14 der Ober­ seite und Anschlußflächen 15 bzw. 16 der Unterseite herstel­ len. Dadurch kann die Zahl der erforderlichen Durchkontaktie­ rungen 10 im Trägersubstrat 1 reduziert werden. Eine weitere Funktion der Anschlußelemente 11 und 12 ist die Ableitung der in dem Multi-Chip-Modul entstehenden Abwärme über Pins 17 bzw. 18, die hier J-förmig ausgeführt sind, in die externe Leiterplatte, auf welche das Multi-Chip-Modul montiert wird. Gleichzeitig dienen die Anschlußelemente 11 und 12 mit ihren Pins 17 bzw. 18 selbst als Kühlkörper.

Es wird darauf hingewiesen, daß Fig. 1 nicht maßstabsgetreu gezeichnet ist. Lediglich zur besseren Anschaulichkeit ist die Dicke der einzelnen Lagen im Verhältnis zur Breite erheb­ lich vergrößert.

Funktionen des Trägersubstrats 1 sind im wesentlichen eine Erhöhung der Stabilität der internen Leiterplatte sowie eine Verbesserung der Wärmeableitung zu den Anschlußelementen 11 und 12. Werden durch die verwendeten Verfahren zur Fertigung des Multi-Chip-Moduls oder durch dessen Handhabung geringere Anforderungen an die Stabilität gestellt, so kann auch auf ein Trägersubstrat verzichtet werden. Das Trägersubstrat kann auch durch eine Lage aus gut wärmeleitendem Material, bei­ spielsweise Metall, ersetzt werden. Dies wirkt sich vorteil­ haft auf die Dicke der internen Leiterplatte und somit auf die Bauhöhe des Multi-Chip-Moduls mit einer derartigen Leiterplatte aus.

Wie in dem Schnittbild nach Fig. 2 dargestellt, wird eine interne Leiterplatte 19 sowohl auf ihrer Oberseite als auch auf ihrer Unterseite mit einem Halbleiterbauelement 20 bzw. 21 bestückt. Die elektrischen Verbindungen zwischen Anschluß­ flächen der Halbleiterbauelemente und Anschlußflächen auf der internen Leiterplatte 19 sind durch Bonden mit Bond-Drähten 22 hergestellt. Das Multi-Chip-Modul ist in einem Gehäuse 23 aus einer Vergußmasse, beispielsweise aus Plastik, gegen mechanische und chemische Beanspruchungen geschützt. Aus dem Gehäuse 23 ragen Pins 24 und 25 heraus, die durch Lot elek­ trisch mit einer externen Leiterplatte 26 verbunden sind, auf welcher das Multi-Chip-Modul montiert ist. Werden nur geringe Anforderungen an den Schutz vor Umwelteinflüssen gestellt, so kann das Gehäuse auch offen ausgeführt werden und beispiels­ weise als Trägerrahmen dienen oder ganz entfallen.

Alternativ zur in Fig. 2 gezeigten Bond-Verdrahtung können Anschlußflächen von Halbleiterbauelementen auch als Metalli­ sierung ausgeführt werden, die sich auf den Kanten oder auf der Unterseite des Halbleiterbauelements, die der internen Leiterplatte im bestückten Zustand zugewandt ist, befinden und direkt mit Anschlußflächen der internen Leiterplatte verlötet werden. Diese Ausführungsform zeichnet sich durch eine geringere Bauhöhe aus, da kein Raum für die Bond-Ver­ drahtung benötigt wird.

In der Explosionsdarstellung nach Fig. 3 sind zwei interne Leiterplatten 27 und 28, die mit Halbleiterbauelementen 29, 30 bzw. 31, 32 beidseitig bestückt sind, übereinander ange­ ordnet. Darunter befindet sich eine Leiterplatte 33, auf welche das fertigmontierte Multi-Chip-Modul bestückt werden kann. Die Halbleiterbauelemente 29 . . . 32 sind hier mit An­ schlußelementen versehen, die als Metallisierung des Halb­ leitermaterials ausgeführt sind. In Fig. 3 sind davon ledig­ lich einige Anschlußelemente der Halbleiterbauelemente 29 und 31, beispielsweise ein Anschlußelement 34, sichtbar. Die internen Leiterplatten 27 und 28 besitzen hierzu korrespon­ dierende Anschlußflächen 35, die mit Lot gefüllt sind, damit die Halbleiterbauelemente 29 . . . 32 direkt mit den internen Leiterplatten 27 und 28 verlötet werden können. Durchkontak­ tierungen 36 dienen zur Wärmekopplung der Halbleiterbau­ elemente 29 . . . 32 über die internen Leiterplatten 27 und 28 hinweg, so daß eine in einem der Halbleiterbauelemente 29, 30, 31 oder 32 entstehende Abwärme sich gleichmäßig auf den Bauelementestapel verteilt und nicht zu einer punktuellen Erhitzung führt. Die Leiterplatten 27 und 28 sind mit inter­ nen Metallagen zur Entwärmung versehen und liefern so beide einen Beitrag zur Entwärmung des Bauelementestapels. Für eine weitere Verbesserung der Wärmekopplung können die Durch­ kontaktierungen 36 auch mit einem Wärmeleiter, insbesondere einer Wärmeleitpaste, ausgefüllt werden. Für eine elektrische und wärmeleitende Verbindung ist die interne Leiterplatte 28 mit Anschlußelementen 37 versehen, die mit zu diesen korre­ spondierenden Anschlußflächen 38 auf der internen Leiter­ platte 27 verlötet werden. Ebenso sind entlang der Kanten der internen Leiterplatte 27 Anschlußelemente 39 angeordnet, die mit Anschlußflächen 40 der externen Leiterplatte 33 verlötet werden.

In einer anderen, in den Figuren nicht dargestellten Ausfüh­ rungsform können die Anschlußelemente von übereinander an­ geordneten internen Leiterplatten auch vertikal fluchtend plaziert werden, so daß die Anschlußelemente benachbarter interner Leiterplatten direkt miteinander verlötet werden. Diese Bauform bietet sich insbesondere dann an, wenn gleiche Halbleiterbauelemente gestapelt werden, da auf diese Weise gleiche interne Leiterplatten für die verschiedenen Ebenen verwendet werden können.

Alternativ zu dem in Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiel kann anstelle der Durchkontaktierungen zur Wärmekopplung auch jeweils eine Aussparung in den internen Leiterplatten vorge­ sehen werden, welche im wesentlichen den Raum zwischen den Anschlußflächen 35 einnimmt und mit einem gut wärmeleitenden Material, beispielsweise einer Metallplatte, ausgefüllt wird.

Der neue Stapelaufbau eines Multi-Chip-Moduls erlaubt in vorteilhafter Weise auch, auf der Oberseite des Multi-Chip-Moduls einen Kühlkörper anzuordnen, der thermisch mit dem Bauelementestapel gekoppelt wird.

Vorteilhaft auf die Wärmeableitung über die Anschlußelemente des Multi-Chip-Moduls zur externen Leiterplatte hin wirkt sich auch die geringe Dicke der Verdrahtungsschicht aus, welche die Anschlußelemente von den innerhalb der internen Leiterplatte eingebetteten Metallagen elektrisch isoliert. Die Verdrahtungsschichten mit einer geringeren Wärmeleit­ fähigkeit stellen somit einen nur vergleichsweise kurzen Weg für die Abwärme dar und verringern kaum den über die An­ schlußelemente übertragbaren Wärmestrom.

In einer weiteren von Fig. 3 abweichenden Bauform können obere interne Leiterplatten auch größer als untere ausgeführt und mit längeren Anschlußelementen versehen werden, welche die unteren internen Leiterplatten seitlich überragen und direkt mit der externen Leiterplatte verlötet werden. Die Anordnung der Anschlußflächen auf einer externen Leiterplatte ähnelt dann einem Rasterfeld mit mehreren Anschlußreihen.

Für die beidseitige Bestückbarkeit der internen Leiterplatten sollten diese mehrlagig ausgeführt werden, damit bei gleichen Halbleiterbauelementen die spiegelbildliche Anordnung der Bauelementeanschlüsse auf ein gemeinsames Anschlußschema für das Multi-Chip-Modul zurückgeführt werden kann.

Das neue Multi-Chip-Modul ist aufgrund seiner hohen Packungs­ dichte beispielsweise in den folgenden Anwendungen mit Vor­ teil einsetzbar:

• - Ton- und/oder Bildträger mit Halbleiterspeichern,
• - Arbeitsspeicher für Personal Computer oder
• - Speicher auf PCMCIA-Karten.

Claims (9)

1. Multi-Chip-Modul, das zur Montage auf einer Leiterplatte ausgebildet ist, gekennzeichnet durch zumindest eine interne, beidseitig mit Halbleiterbauelementen (20, 21) be­ stückte Leiterplatte (19).

2. Multi-Chip-Modul nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Halbleiterbauelemente (20, 21) durch Bond-Draht (22) mit Anschlußflächen auf der internen Leiter­ platte (19) verbunden sind.

3. Multi-Chip-Modul nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Halbleiterbauelemente (29 . . . 32) mit Anschlußelementen (34) versehen sind, die als Metallisierung des Halbleitermaterials ausgeführt und direkt mit Anschluß­ flächen (35) auf der internen Leiterplatte (27, 28) verlötet sind.

4. Multi-Chip-Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Anschlußelemente (11, 12) zur elektrischen Verbindung von Leitungen der internen Leiterplatte mit Anschlußflächen auf der externen Leiter­ platte an der Kante der internen Leiterplatte angeordnet und derart ausgebildet sind, daß sie diese umgreifen und durch die Anschlußelemente elektrische Verbindungen zwischen Lei­ tungen der Ober- und Unterseite der internen Leiterplatte herstellbar sind.

5. Multi-Chip-Modul nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die interne Leiterplatte zumindest eine Lage aus gut wärmeleitendem Material aufweist, die sich im wesent­ lichen über die Fläche der internen Leiterplatte erstreckt.

6. Multi-Chip-Modul nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die interne Leiterplatte (27, 28) mit Durch­ kontaktierungen (36) zur Erzeugung einer gut wärmeleitenden Verbindung zwischen den Halbleiterbauelementen (29 . . . 32) und der Lage aus gut wärmeleitendem Material versehen ist.

7. Multi-Chip-Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Gehäuse ober­ und/oder unterhalb der ersten internen Leiterplatte (27) weitere, mit Halbleiterbauelementen (31, 32) bestückte Lei­ terplatten (28) angeordnet sind.

8. Multi-Chip-Modul nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß Anschlußelemente (37) zur elektrischen Ver­ bindung von Leitungen der weiteren internen Leiterplatten (28) mit Anschlußflächen (38) auf der ersten internen Leiter­ platte (27) im Gehäuse angeordnet sind.

9. Multi-Chip-Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die interne Leiterplatte eine Verdrahtungsschicht mit mehreren Verdrahtungslagen (2, 3, 4) aufweist, die jeweils durch eine Lage (5, 6) aus isolierendem Material voneinander getrennt sind, wobei die isolierende Lage (5, 6) mit Aussparungen (7) zur Verbindung bestimmter Leitungen der Verdrahtungslagen (2, 3, 4) versehen ist.