DE2554965C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine elektrische Kompaktschaltungsanord
nung mit integrierte Schaltungen enthaltenden Halbleiterplätt
chen und mit einer Steckerstifte in standardisierter Anordnung
aufweisenden Trägerplatte aus einem organischen Gießharz, wobei
die integrierten Schaltungen durch Lötung mit der Trägerplatte
verbunden sind. Eine derartige Anordnung ist in der
US-PS 37 77 220 beschrieben.
Elektrische Kompaktschaltungsanordnungen sind empfindlich
gegenüber Verschiedenheiten der thermischen Ausdehnungskoeffi
zienten der Trägerplatte und der darauf befestigten Halb
leiterbauelemente, und bezüglich der Zuverlässigkeit im Hin
blick darauf, daß mehr als 100 gelötete Verbindungen
zwischen einem Bauelement und der Trägerplatte vorhanden sind,
und daß zur Verbindung der integrierten Schaltungen jeweils
bestimmte Leitungen auf der Träger
platte angeordnet werden müssen, um Verbindungen zu den Stecker
stiften herzustellen. Eine bekannte Lösung des Problems der
thermischen Ausdehnungskoeffizienten besteht darin, für die
Trägerplatte Materialien auszuwählen, die im wesentlichen den
selben thermischen Ausdehnungskoeffizienten wie die darauf ange
ordneten Halbleiterbauelemente besitzen. Das Problem der Zuver
lässigkeit der gelöteten Anschlüsse könnte dadurch gelöst wer
den, daß die Anzahl der integrierten Halbleiterbauelemente in
einer Baueinheit vergrößert wird, und daß die Anzahl der An
schlüsse für jede Baueinheit auf weniger als 100 Anschlüsse be
grenzt wird. Dies würde jedoch ein neues Problem dadurch schaf
fen, daß eine große Anzahl von Trägerplatten
erforderlich wäre, um die verschiedenen Kombinationen der inte
grierten Schaltungen handhaben zu können. Eine bekannte Lösung dieses
Problems
besteht darin, daß zwischen den integrierten Bau
elementen und der Trägerplatte eine Schaltungsplatte angeordnet
wird. Bei einer durch die US-Patentschrift 35 88 616 bekannten
Anordnung dieser Art besteht eine solche Schaltungsplatte aus
Siliziumdioxyd, und bei einer anderen, durch die US-Patent
schrift 37 80 352 bekannten Anordnung besteht eine solche
Schaltungsplatte aus einer flexiblen, isolierenden Folie. Aus
der US-Patentschrift 37 77 220 ist eine Trägerplatte bekannt,
bei der besondere Einsätze an denjenigen Stellen vorgesehen
sind, wo Bauelemente angeordnet sind. Diese Einsätze sind in
die aus Epoxidharz bestehende Trägerplatte eingebracht und
können aus einem entsprechenden Werkstoff wie Kovar oder Titan
bestehen, so daß eine geringe Wärmeausdehnung entsprechend der
jenigen der Chips erreicht wird. Zwischen den Einsätzen und der Trägerplatte besteht weiterhin eine unterschiedliche Wärmeausdehnung, was zur Beschädigung der Leiterbahnen führen kann. Die bekannten Schaltungsplat
ten sind jedoch nicht so ausgebildet, daß sie einen Ausgleich
zwischen den verschiedenen Wärmeausdehnungskoeffizienten der
Trägerplatte und der Halbleiterbauelemente ermöglichen. Auch
wird das Problem der Zuverlässigkeit der Anschlüsse durch
diese Schaltungsplatten nur vergrößert oder auf die Schal
tungsplatten übertragen.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine elektrische Kompaktschal
tung anzugeben, bei welcher mit Hilfe von Schaltungsplatten
einerseits mechanische Spannungen, bedingt durch die verschie
denen Wärmeausdehnungskoeffizienten der Trägerplatte und der
Halbleiterbauelemente, vermieden werden, und andererseits die
durch verschiedene Kombinationen von integrierten Schaltkreisen
notwendige Ausbildung der Schaltkreise vereinfacht und
zuverlässiger gemacht wird. Dabei soll eine dichtere Packung
der Bauelemente und gleichzeitig
auch eine erhöhte Zuverlässigkeit der gelöteten Anschlüsse ermöglicht werden.
Mit der Lösung dieser Aufgabe ist zu erwarten, daß die Vorteile
der integrierten Schaltungen bei der Anwendung in Datenverarbei
tungsanlagen weiter ausgenutzt werden können.
Gemäß der Erfindung wird die genannte Aufgabe bei einer Kom
paktschaltungsanordnung der eingangs genannten Art dadurch ge
löst, daß die Trägerplatte ein in das Gießharz eingebettetes
metallisches Gewebe mit einem thermischen Ausdehnungskoeffi
zienten enthält, der um soviel niedriger als der des Halblei
termaterials ist, daß der resultierende thermische Ausdehnungs
koeffizient der Trägerplatte dem des Halbleitermaterials an
genähert ist.
Eine Weiterbildung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
daß die Halbleiterplättchen über eine Schaltungsplatte aus
Halbleitermaterial, die auf ihrer mit einer elektrisch iso
lierenden Schicht versehenen Oberseite Leiterzüge trägt und in
ihrem Inneren aktive und passive Bauelemente aufweist, deren
Anschlüsse sich durch Öffnungen in der elektrisch isolierenden
Schicht auf der Unterseite der Schaltungsplatte erstrecken, mit
der Trägerplatte durch Lötung verbunden sind.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist da
durch charakterisiert, daß mehrere übereinandergestapelte Halb
leiterplättchen elektrisch miteinander und mit der Schaltungs
platte verbunden sind.
Die Erfindung wird anhand von in den Zeichnungen erläuterten
Ausführungsbeispielen beschrieben. Es zeigt
Fig. 1A die elektrische Kompaktschaltungsanordnung in
schaubildlicher Darstellung,
Fig. 1B einen Querschnitt durch die in Fig. 1A darge
stellte Kompaktschaltungsanordnung unter Ver
wendung einer Trägerplatte mit Metalleinlage,
Fig. 2A im Querschnitt, eine der Darstellung in Fig. 1B
ähnliche Ausführungsform mit gestapelten inte
grierten Schaltungen,
Fig. 2B im Querschnitt, eine weitere Ausführungsform
mit einer Trägerplatte mit Metalleinlage,
Fig. 3 ein Flußdiagramm für das Verfahren zur Her
stellung der Kompaktschaltungsanordnung.
In Fig. 1A ist mit 20 eine elektrische Kompaktschaltung be
zeichnet, die innerhalb eines Gewebes 26 Steckerstifte 24
aufweist (siehe auch Fig. 1B). Ein organisches Gießharz 28
umschließt das Gewebe 26 und einen Teil der Steckerstifte 24
und bildet damit eine Trägerplatte 29. Die Steckerstifte
sind aus Metall, zum Beispiel aus Kupfer, das durch Lötzinn
leicht benetzbar ist. Die freien Enden der Steckerstifte 24
sind so ausgebildet, daß sie mit den üblichen Steckverbindungen
für gedruckte Schaltungen zusammenpassen. Die anderen Enden
der Steckerstifte sind so ausgebildet, daß darauf eine Halb
leiterscheibe befestigt werden kann. Normalerweise enden die
Steckerstifte dicht über der Oberfläche der Schicht 28, um
das Anbringen von Lötverbindungen 32 zu erleichtern.
Das metallische Gewebe ist aus einem Material hergestellt,
das einen sehr niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizien
ten besitzt. Vorzugsweise ist der thermische Ausdehnungs
koeffizient viel niedriger als derjenige des Halbleiter
materials. Das Gewebe hat geeignete Öffnungen und besitzt
eine Dicke von ungefähr 762 µm. Die Anordnung der Stecker
stifte in der Trägerplatte ist standardisiert, so daß eine
große Anzahl von verschiedenen Halbleiterbauelementen 36
über ein einheitliches Muster angeschlossen werden kann.
Das organische Gießharz 28 hält das Gewebe und die Anschluß
stifte in ihrer jeweiligen Lage fest. Durch das Gießharz wird
auch eine elektrische Isolation zwischen den Steckerstiften
und dem Gewebe hergestellt. Geeignete Gießharze sind Epoxyd-
Harze und Nowolak-Materialien. Es kann gezeigt werden, daß
durch das Gewebe 26 der thermische Ausdehnungskoeffizient
des Gießharzes erniedrigt wird und demjenigen des Halbleiter
materials ähnlich gemacht werden kann.
Mit den Steckerstiften 24 ist durch geeignete Verbindungen 32, vorzugsweise
Lötverbindungen, eine Schaltungsplatte 30 verbunden. Die Schaltungsplatte 30
besteht aus Halbleitermaterial und enthält eindiffundierte und/oder aufgebrachte
Leiterzüge 34, um die auf ihr befestigten, integrierten Bauelemente 36 mit den
standardisiert angeordneten Steckerstiften 24 zu verbinden.
Die Leiterzüge auf der oberen Oberfläche der Schaltungsplatte sind durch leitende
Durchgangslöcher 38 ( Fig. 1B) mit Leiterzügen auf der unteren Oberfläche der
Schaltungsplatte verbunden, wo sich die Verbindungen 32 zu den Steckerstiften
24 befinden.
Die Leiterzüge 34 der Schaltungsplatte sind in bekannter Weise durch Aufdampfen
oder durch Diffusion hergestellt. Die Oberflächen der Schaltungsplatte 30 werden
durch eine Isolierschicht 40 (Fig. 1B) geschützt, die gewöhnlich aus einem auf ge
wachsenen, niedergeschlagenen oder anderweitig gebildeten Halbleiteroxyd be
steht. Die Durchgangsverbindungen 38 werden in bekannter Weise durch Ätzver
fahren, Isolier- und Metallisierungsverfahren hergestellt. Die Durchgangsver
bindungen können in der Weise genau hergestellt werden, daß die Halbleiter
scheibe von beiden Seiten geätzt und oxydiert wird, und daß danach zur Bildung
einer durchgehenden Verbindung von der oberen zu der unteren Oberfläche
Metall von beiden Seiten aufgebracht wird. Jede Durchgangsverbindung 38 ent
hält, wie in Fig. 1B dargestellt, eine Metallisierung 41, die gewöhnlich aus
Aluminium oder einem ähnlichen Metall besteht. Die Metallisierung 41 kann zur
Aufnahme und Kontaktierung der Lötverbindungen 32 dienen. Dazu sind in der
Isolierschicht 40 auf der unteren Oberfläche Öffnungen eingebracht. Ähnliche
Öffnungen befinden sich in der Isolierschicht 40 auf der oberen Fläche der Schal
tungsplatte, um die diffundierten Leiterzüge 34 mit Anschlüssen 42 der Halbleiter
bauelemente 36 zu kontaktieren. Die Metallisierung wird in den oberen und unteren
Öffnungen vor der Bildung der Lötverbindungen aufgebracht. Beispielsweise be
stehen die metallisierten Bereiche aus Schichten aus Chrom, Kupfer und Gold und
die Lötverbindungen 32 und 42 bestehen zu 90% aus Blei und 10% aus Zinn.
Die Halbleiterbauelemente 36 enthalten ebenfalls Metallisierungen und Lötverbin
dungen, wie sie im Zusammenhang mit der Schaltungsplatte 30 beschrieben wurden.
Die Anzahl der Anschlüsse 42 kann größer als 100 sein bei guter Zuverlässigkeit
der Verbindungen, da die thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Schaltungs
platte, der Trägerplatte und der Halbleiterbauelemente nahezu gleich sind. Aus
den Fig. 1A und 1B ist zu ersehen, daß eine große Anzahl von Halbleiterbauele
menten 36 auf der Schaltungsplatte angeordnet und über die Leiterzüge und Durch
gangsverbindungen mit den standardisierten Steckerstiften 24 verbunden werden
kann. Die erforderliche Flexibilität zur Personalisierung der Konfiguration der
Anschlüsse der Halbleiterbauelemente in bezug auf die Standardanordnung der
Steckerstifte 24 wird durch die Schaltungsplatte 30 gewährleistet. Der Zusammen
bau und die Belieferung mit den elektrischen Kompaktschaltungsanordnungen 20
wird dadurch erleichtert, daß die Schaltungsplatte den Erfordernissen eines Kunden
angepaßt werden kann und danach mit den Halbleiterbauelementen und der Träger
platte verbunden werden kann, die im Vorrat hergestellt und gelagert werden.
Mit Hilfe der Schaltungsplatte 30 können die integrierten Halbleiterbauelemente auch
übereinander gestapelt werden (Fig. 2A). Die Schaltungsplatte 30 enthält aktive
Bauelemente 45, von denen ein Anschluß 50 durch den Leiterzug 52 auf der Ober
fläche der Isolierschicht 40 mit einem Anschluß 54 des passiven Bauelementes 56
verbunden ist. Durch den Leiterzug 52 wird das passive Bauelement 46 auch mit der
Durchgangsverbindung 38 kontaktiert, die eine Verbindung zu Leiterzügen 58 auf
der oberen Fläche der Schaltungsplatte herstellt. Die integrierten Halbleiterbau
elemente 36, 36′ und 36′′ sind gestapelt angeordnet. Zur Vereinfachung der Dar
stellung sind die aktiven und passiven Bauelemente der integrierten Schaltungen 36,
36′ und 36′′ nicht dargestellt. Durch die Schaltungsanordnung der Fig. 2A wird
die Anzahl der Lötverbindungen reduziert und dadurch die Zuverlässigkeit er
höht, die diffundierten Leiterzüge entsprechend der Darstellung in Fig. 1A durch
aufgebrachte, metallische Leiterzüge 52 ersetzt, und die dichte Packung der
Schaltungen und eine verbesserte elektrische Funktionsweise dadurch erreicht,
daß aktive und/oder passive Bauelemente auf der Schaltungsplatte angeordnet
sind. Durch die höhere Dichte der Anordnung der Schaltungen wird eine erhöhte
Arbeitsgeschwindigkeit bei Ausführung logischer Operationen bewirkt, die Not
wendigkeit, zusätzliche Treiberschaltungen für die logischen Funktionen außer
halb vorzusehen, eliminiert und die Leitungskapazität reduziert.
In einer anderen Ausführungsform entsprechend der Darstellung der Fig. 2B
werden eine oder mehrere Halbleiterscheiben 48, die (nicht dargestellte) aktive
und passive Bauelemente enthalten, direkt auf den standardisierten Steckerstiften
angeordnet mit Hilfe von metallisierten Anschlüssen 42, die mit den im Zusammen
hang mit Fig. 1A beschriebenen Anschlüssen der Halbleiterplättchen identisch sind.
Die aktiven und passiven Bauelemente können auf beiden Seiten der Halbleiter
scheiben 48 angeordnet sein. Die Trägerplatte 29 hat denselben thermischen Aus
dehnungskoeffizienten wie die Halbleiterscheiben 48. Dadurch werden mechanische
Spannungen an den Anschlüssen 42 auf ein Minimum reduziert. Die Verbindungen
zwischen den Anschlüssen 42 und den Steckerstiften 24 können direkt sein oder
über auf der Trägerplatte aufgebrachte Leiterzüge 49 erfolgen.
Die Herstellung der Kompaktschaltung erfolgt in den in Fig. 3 dargestellten
Verfahrensschritten. Im Arbeitsgang 70 wird ein metallisches Gewebe 26 durch
Stanzen oder Prägen hergestellt. Das Gewebe hat eine Dicke von ungefähr 762 µm.
Im Arbeitsgang 72 wird eine Reihe von Steckerstiften 24 hergestellt, entweder
durch Ausstanzen aus einer Materialbahn oder durch Extrudieren und Zurecht
schneiden. Im Arbeitsgang 74 werden mit Hilfe von bekannten Vorrichtungen die
in Reihen angeordneten Steckerstifte 24 in Öffnungen des Gewebes 26 eingesetzt.
Danach werden im Arbeitsgang 76 die Steckerstifte und das Gewebe durch Um
gießen eingekapselt. Die Stifte können auch schon automatisch durch das Gieß
harz in ihrer Position befestigt werden, bevor das Umgießen erfolgt. Teile der
Steckerstifte 24 bleiben beim Umgießen frei. Danach werden die Enden der Stecker
stifte 24, die mit der Schaltungsplatte in Eingriff kommen, geläppt, um eine zur
oberen Oberfläche der Trägerplatte parallele Ebene zu erzielen. Die Trägerplatte
kann auch, wie im Vorhergehenden beschrieben, aus einem anorganischen Material
bestehen. In diesem Falle werden die Steckerstifte in das Material hineingepreßt.
Die Trägerplatte ist nunmehr fertig, um mit der Schaltungsplatte 30 verbunden
zu werden.
Im Arbeitsgang 78 wird eine Halbleiterscheibe als Schaltungsplatte vorbereitet.
Die Scheibe wird den üblichen Reinigungs-, Polier- und Ätzprozessen unterworfen
zur Herstellung von Oberflächen, in welche durch Diffusion und/oder Auf
dampfen Leiter, aktive oder passive Bauelemente gebildet werden können. Im
Arbeitsgang 80 wird auf die Halbleiterscheibe eine Isolierschicht 40 aufgebracht.
Danach werden die üblichen Planarprozesse verwendet, um diffundierte Leitungen,
aktive und passive Bauelemente zu bilden. Ebenso werden die Durchgangsver
bindungen hergestellt. Im Arbeitsgang 82 findet die Personalisierung der diffun
dierten oder aufgedampften Leitungen auf der Halbleiterscheibe entsprechend der
ausgewählten Kombination der Halbleiterbauelemente statt. Im Arbeitsgang 84
werden die Anschlußleitungen auf der Schaltungsplatte gebildet. Dazu werden
Kupfer und Gold in den Öffnungen der Isolierschicht aufgebracht, um Anschlüsse
zu den diffundierten Leitungen und anderen Bauelementen der Halbleiterscheibe
herzustellen. Schließlich werden hier auch bei den Durchgangsverbindungen,
den diffundierten oder aufgedampften Leitungen und den Bauelementen in Abhängig
keit von der elektrischen Funktion die Lötanschlüsse hergestellt.
Die Schaltungsplatte ist jetzt soweit vorbereitet, daß die integrierten Halbleiter
bauelemente 36 vor dem Zusammenbau mit der Trägerplatte aufgebracht werden
können. Die integrierten Halbleiterbauelemente werden durch die üblichen Ver
fahren im Arbeitsgang 86 hergestellt. Die Bauelemente können FET- und/oder
bipolare aktive Elemente enthalten. Ebenso können in den integrierten Bau
elementen Widerstände, Kondensatoren und andere Elemente gebildet werden.
Im Arbeitsgang 88 werden die integrierten Bauelemente mit der Schaltungsplatte
verbunden unter Verwendung bekannter Lötverfahren.
Die Trägerplatte und die Schaltungsplatte mit den aufgebrachten integrierten
Bauelementen werden im Arbeitsgang 90 zusammengesetzt durch Verfahren, die
auch im Arbeitsgang 88 verwendet wurden. Schließlich wird die Trägerplatte
mit einem Metallgehäuse umgeben, damit die Schaltungsplatte und die darauf
angeordneten integrierten Halbleiterbauelemente geschützt sind. Nach dem Testen
über die Steckerstifte 24 ist die elektrische Kompaktschaltungsanordnung fertig für
den Gebrauch in einem elektronischen Gerät. Durch die dichte Packung der Schal
tungen in der Anordnung kann eine besondere interne Kühlung, zum Beispiel eine
Flüssigkeitskühlung mit Fluorkohlenwasserstoffen, erforderlich sein.
Claims (3)
1. Elektrische Kompaktschaltungsanordnung mit integrierte
Schaltungen enthaltenden Halbleiterplättchen (36) und
mit einer Steckerstifte (24) in standardisierter An
ordnung aufweisenden Trägerplatte (29) aus einem or
ganischen Gießharz (28), wobei die integrierten Schal
tungen durch Lötung mit der Trägerplatte verbunden
sind,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Trägerplatte ein in das Gießharz eingebettetes
metallisches Gewebe (26) mit einem thermischen Ausdeh
nungskoeffizienten enthält, der um soviel niedriger als
der des Halbleitermaterials ist, daß der resultierende
thermische Ausdehnungskoeffizient der Trägerplatte dem
des Halbleitermaterials angenähert ist.
2. Elektrische Kompaktschaltungsanordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Halbleiterplättchen über eine Schaltungsplatte
(30) aus Halbleitermaterial, die auf ihrer mit einer
elektrisch isolierenden Schicht (40) versehenen Ober
seite Leiterzüge (52) trägt und in ihrem Inneren aktive
(45) und passive (56) Bauelemente aufweist, deren An
schlüsse (50, 54) sich durch Öffnungen in der elektrisch
isolierenden Schicht auf der Unterseite der Schaltungs
platte erstrecken, mit der Trägerplatte durch Lötung ver
bunden sind.
3. Elektrische Kompaktschaltungsanordnung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß mehrere übereinandergestapelte Halbleiterplättchen
elektrisch miteinander und mit der Schaltungsplatte (30)
verbunden sind.
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