Способ изготовления трехмерного многокристального микромодуля

Изобретение относится к области создания малогабаритных надежных микроэлектронных модулей, содержащих большое количество ИС. Сущность изобретения: в способе изготовления объемного гибридного интегрального микромодуля изготавливают гибкую плату в виде ленты с системой проводников для соединения с контактными площадками ИС и контактными площадками на одном конце ленты, служащими выводами модуля, и расположенными в шахматном порядке с двух краев ленты выступами с посадочными местами для монтажа ИС, загибают выступы с расположенными на них ИС на ленту с радиусом перегиба не менее толщины проводников, складывают ленту в такой последовательности и зигзагом таким образом, чтобы ИС находились соосно друг над другом и исключались короткие замыкания выводов ИС, а конец ленты с выводами модуля оставался свободным, и приклеивают выступы к ленте и сложенные участки ленты при толщине клеевого шва не менее толщины указанных проводников. Техническим результатом изобретения является увеличение надежности, повышение плотности упаковки, увеличение производительности и улучшение теплоотвода. 2 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к области создания малогабаритных надежных микроэлектронных модулей, содержащих большое количество ИС, например полупроводниковых запоминающих устройств сверхбольшой емкости, сигнальных процессоров, многопроцессорных плат и аналогичных устройств.

1. Известны технические решения, позволяющие создавать подобные микроэлектронные модули. Например, известна конструкция и способ изготовления микроэлектронного прибора с высокой плотностью размещения компонентов [патент США, МПК H01L 23/28, №66376769]. Прибор содержит гибкую клеевую подложку с низким модулем упругости, к которой прикреплены полупроводниковые приборы. На одной стороне подложки сформированы металлические проводники нужной конфигурации, которые через сквозные металлизированные отверстия соединяются с проводниками на другой стороне подложки и контактными площадками для монтажа ИС. Прибор может быть закрыт крышкой или слоем герметика и размещаться в общем корпусе с другими такими приборами. Недостатком предложенной конструкции является невысокая плотность монтажа, низкая надежность из-за необходимости введения дополнительных контактов для формирования вертикальных электрических связей и значительная трудоемкость изготовления прибора с большим количеством ИС.

2. Конструкция многокристального модуля, в которой используется общая подложка с углублениями для размещения кристаллов ИС, предложена в патенте США, МПК H01L 23/12, №6492723. Одну поверхность подложки покрывают диэлектрическим слоем, толщина которого достаточна для планаризации мест размещения кристаллов. На диэлектрический слой наносят проводники разводки, соединяемые через отверстия с выводами ИС или с контактными площадками на второй подложке, служащей для формирования второго слоя металлизации. В этом случае сложность конструкции модуля и наличие нескольких подложек также увеличивают трудоемкость изготовления и не позволяют автоматизировать процесс сборки, кроме того, недостатками являются низкая надежность из-за необходимости введения дополнительных контактов для формирования вертикальных электрических связей и низкая ремонтопригодность.

3. Наиболее близким техническим решением является предложенный в патенте РФ, МПК H01L 255/04, №2221312 способ изготовления трехмерного электронного модуля. Способ предусматривает изготовление электронных компонентов, защищенных от внешних воздействий, размещение их в модуле параллельно друг другу и электрическое соединение по торцевым и лицевым поверхностям, изготовление средства теплоотвода и внешних выводов. Способ отличается тем, что все компоненты размещают ориентированно относительно друг друга с созданием единой плоскости по лицевым поверхностям и предварительно закрепляют их в таком положении при помощи легко удаляемого физическими или химическими средствами состава, одновременно изолирующего незащищенные зоны на поверхности компонентов. В результате таких операций получают групповую микроплату, на лицевую и, в случае необходимости, обратную сторону которой затем наносят методом вакуумного напыления проводники, формируют металлизированные переходные отверстия, наращивают проводники до толщины, обеспечивающей необходимую электропроводность и механическую прочность микроплат после удаления фиксирующего состава. Групповые микроплаты проверяют, вырезают годные экземпляры, помещают их в тару, склеивают в пакет с взаимной ориентацией по расположенным на их торцевых поверхностях проводникам, наносят на боковые грани пакета внешние проводники, размещают пакет в оболочке и заполняют ее теплопроводной электроизолирующей пудрой с последующим уплотнением виброметодом.

Такой способ также отличается большой сложностью, не позволяет исключить ручные операции и требует использования специальной оснастки, различной для разного типа компонент и вида их соединений, также получается низкая надежность из-за необходимости введения дополнительных контактов для формирования вертикальных электрических связей.

Для увеличения надежности, повышения плотности упаковки и увеличения производительности при изготовлении модулей и улучшения теплоотвода предлагается использовать групповую технологию и автоматизированные методы монтажа ИС на гибких печатных платах. Для этого методами фотолитографии создают гибкую печатную плату на полиимидной основе с соединительными проводниками и посадочными местами для ИС, снабженными соответствующими контактными площадками, монтируют кристаллы ИС и формируют модуль путем изгибания платы на участках между ИС. Способ отличается тем, что гибкая печатная плата имеет вид ленты с расположенными вдоль нее соединительными проводниками. Соединительные проводники на концах ленты имеют контактные площадки, служащие выводами модуля. На краях ленты в шахматном порядке расположены выступы из полиимидной пленки, на которых сформированы посадочные места для кристаллов ИС с контактными площадками, подключаемыми к выводам кристалла и соединенными с соответствующими проводниками на ленте. После монтажа ИС, который может производиться с использованием автоматизированного сборочного оборудования, боковые выступы загибают на центральную часть поверхности ленты с нанесенным защитным покрытием так, чтобы кристаллы ИС размещались параллельно друг другу с зазором, равным двойной толщине соединительных проводников, и приклеивают загнутые участки к ленте. При этом толщина клеевого шва должна быть не менее толщины указанных проводников. Потом ленту складывают в такой последовательности и зигзагом таким образом, чтобы кристаллы ИС размещались соосно друг над другом и исключались короткие замыкания выводов ИС, а по меньшей мере один конец ленты с выводами модуля оставался свободным, и также склеивают участки ленты друг с другом. При этом создается конструкция высоко интегрированного многокристального микромодуля в трехмерном исполнении без использования каких-либо дополнительных контактов для формирования вертикальных электрических связей, что существенно повышает надежность трехмерного микромодуля. Слой клея служит первичной защитой модуля и его компонентов, а для основной защиты на модуле формируют оболочку из полимерного компаунда достаточной толщины или помещают его в корпус.

Если модуль содержит много ИС или теплонапряженные, целесообразно принимать дополнительные меры для отвода тепла. Для этого между кристаллами ИС при складывании ленты размещают вставки или полоску из материала с высокой теплопроводностью, например меди или поликристаллического алмаза. Для предотвращения электрического контакта предварительно на свободные поверхности кристаллов наносят тонкий слой теплопроводного диэлектрического вещества. Полоску также приклеивают к ленте, а ее один или два конца загибают на верхнюю или нижнюю сторону получившегося модуля для создания теплового контакта с миниатюрным радиатором для рассеивания тепла или с системой охлаждения устройства, в котором используются модули.

В случае если тепловыделение ИС велико, в полоске формируют продольные микроминиатюрные тепловые трубки. Для этого в толще материала полоски по ее длине создают закрытые на торцах микроканалы, проходящие от одного края полоски до другого. Каналы заполняют соответствующим теплоносителем с низкой температурой кипения и высокой теплотой парообразования. Благодаря процессу испарения/конденсации, автоматически начинающемуся при появлении достаточно большого градиента температуры, эффективность процесса отвода тепла от внутренних областей модуля увеличивается по меньшей мере на порядок.

Пример 1.

Гибкую плату с двухсторонней системой проводников, коммутируемых между собой в необходимых местах через переходные отверстия в плате, изготавливают на основе ленты из полиимидной пленки ПИ-40 толщиной 40 мкм. Проводники и переходы изготовлены тонкопленочной металлизацией в вакууме слоями хром - медь с последующим гальваническим наращиванием меди и облуживанием до толщины 20 мкм. На одном конце ленты расположены контактные площадки, служащие выводами модуля. С двух краев по длине платы (ленты) расположены выступы в шахматном порядке с посадочными местами, топологически соединенными с системой проводников для монтажа четырех ИС статической памяти 537РУ30 размером 9,1×9,3 мм с малой рассеиваемой мощностью каждого кристалла (не более 200 мВт) и одной ИС дешифратора 5514БЦ1Т2 с размерами 4,2×6,3 мм. После монтажа ИС выступы загибают на центральную часть ленты с радиусом 60 мкм и складывают ленту в последовательности и зигзагом так, чтобы ИС находились соосно друг над другом и исключали короткие замыкания выводов ИС. При этом первая ИС памяти, считая концы ленты выводами модуля, будет находиться над второй ИС, а третья - над четвертой. Пятая ИС - дешифратор соосна с первыми двумя складками ИС памяти и находится между ними. Конец ленты с выводами модуля оставлен свободным для бескорпусного поверхностного монтажа в аппаратуру, а выступы и сложенные участки ленты склеены между собой клеем МК-400 с толщиной клеевого шва 25 мкм.

Пример 2.

Четырехмегабитный модуль памяти на основе кристаллов ИС статической памяти серии 1637РУ с повышенной рассеиваемой мощностью (до 700 мВт) без дешифратора изготавливают аналогично приведенному в примере 1 модулю, за исключением того, что при складывании ленты под ней и выступами платы с ИС размещают вставки-теплорастекатели из анодированного алюминия толщиной 0,5 мм, имеющего коэффициент теплопроводности 180 Вт/м·К. Для дополнительного улучшения эффективности отвода тепла от кристаллов ИС в этом случае используется клей Ирпол, коэффициент теплопроводности которого (5 Вт/м·К) в 16 раз выше, чем у МК-400. Такой модуль может вставляться в корпус 1210.29 таким образом, чтобы вставки имели хороший тепловой контакт с ним.

Предложенный способ позволяет создавать электронные модули с очень высокой плотностью размещения компонентов для систем памяти сверхбольшой емкости, миниатюрные многопроцессорные системы и системы обработки потоковой информации в реальном масштабе времени.

1. Способ изготовления трехмерного гибридного интегрального микромодуля, содержащего гибкую плату и смонтированные на ней кристаллы бескорпусных ИС, отличающийся тем, что изготавливают гибкую плату в виде ленты с системой проводников для соединения с контактными площадками ИС и контактными площадками на одном конце ленты, служащими выводами модуля, и расположенными в шахматном порядке с двух краев ленты выступами с посадочными местами для монтажа ИС, загибают выступы с расположенными на них ИС на ленту с радиусом перегиба не менее толщины проводников, складывают ленту в такой последовательности и зигзагом таким образом, чтобы ИС находились соосно друг над другом и исключались короткие замыкания выводов ИС, а конец ленты с выводами модуля оставался свободным, и приклеивают выступы к ленте и сложенные участки ленты при толщине клеевого шва не менее толщины указанных проводников.

2. Способ изготовления микромодуля по п.1, отличающийся тем, что при складывании ленты под ней или между выступами платы с ИС размещают вставки или полоску теплопроводного материала, служащего для отвода тепла от кристаллов ИС и контактирующего, в случае необходимости, с системой охлаждения устройства, в котором используются такие модули.

3. Способ изготовления микромодуля по п.2, отличающийся тем, что во вставках или в полоске теплопроводного материала формируют продольные закрытые микроканалы и заполняют их теплоносителем таким образом, чтобы создать тепловые трубки, обеспечивающие быструю передачу тепла от более нагретого конца полоски к менее нагретому.