Трехмерный электронный модуль с шариковыми выводами

Изобретение относится к области конструирования микроэлектронной аппаратуры с высокой плотностью упаковки и обеспечением высоких показателей надежности электронной аппаратуры. Сущность изобретения: размеры электронного модуля определяются размерами формообразующего электронного компонента наибольших размеров в сочетании с другими компонентами, заключенными в микроплаты. При этом используются обе стороны и объем компонентов и микроплат для размещения электроники, выполненной по полупроводниковой, тонкопленочной и толстопленочной технологиям. При ориентированной склейке всех отдельных компонентов и микроплат в пакет на их торцевые поверхности, образующие общую плоскость, наносят проводники, соединяющие их между собой и формирующие контактные площадки, на которые наносят шариковые внешние выводы. Конструкция модуля герметизируется механически прочной электроизоляционной оболочкой. Все внутренние и внешние межсоединения реализуются высоконадежным методом вакуумного напыления. Данная конструкция позволяет получить технологически предельную плотность упаковки трехмерных электронных модулей. 4 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Область техники

Данное изобретение относится к области конструирования микроэлектронной аппаратуры с высокой плотностью упаковки, а конкретно к конструкции трехмерного электронного модуля с шариковыми выводами.

Уровень техники

Известно техническое решение по патенту RU 2133523 С1 от 30.07.99 г. H01L 25/03 "Трехмерный электронный модуль".

Данное изобретение используется при создании трехмерных модулей с бескорпусными объемными и пленочными электронными компонентами. Сущность изобретения: между самостоятельными электронными компонентами, выполненными на базе кристаллов ИС, и микроплатами, содержащими активные и пассивные электронные компоненты, размещены промежуточные платы многофункционального назначения. Все составные части модуля выполнены преимущественно из теплопроводящих материалов и совместно с элементами внутримодульного теплоотвода составляют эффективную теплоотводящую систему. Предложены варианты экономически эффективной сборки модуля путем капиллярной пайки или с применением эластичных элементов. Техническим результатом изобретения является повышение плотности упаковки модуля, сокращение объема и массы электронной аппаратуры, увеличение ее надежности и помехозащищенности, а также обеспечение ее работоспособности в жестких условиях эксплуатации без значительного увеличения трудоемкости ее изготовления. К недостаткам данного изобретения можно отнести наличие теплоотводящей гребенки и громоздких внешних выводов, что значительно снижает плотность упаковки.

Известно также техническое решение по патенту RU 2193260 от 20.11.2002 г. H01L 25/04 "Способ изготовления многокомпонентного трехмерного электронного модуля".

Данное изобретение используется в технологии изготовления трехмерных электронных модулей с бескорпусными электронными компонентами. Сущность изобретения: бескорпусные компоненты размещают в окнах групповой керамической заготовки с ориентацией по контуру и с соблюдением единой плоскости расположения активных зон компонентов и лицевой поверхности заготовки. Компоненты фиксируют в таком положении и изолируют электрически незащищенные зоны компонентов по их лицевой стороне. Далее наносят преимущественно методом вакуумного напыления проводники на лицевую и обратную стороны заготовки и компонентов, одновременно формируя разъем и соединительные проводники, необходимые для электротермотренировки и контроля. Годные микроплаты вырезают из групповой заготовки и собирают в пакет, соединяя их между собой капиллярной пайкой. К одной из граней пакета припаивают теплорастекатель с внешними выводами и герметизируют изготовленный модуль. Техническим результатом является получение трехмерных модулей с высокой плотностью упаковки, с эффективным теплоотводом и низкой себестоимостью. К недостаткам данного изобретения можно отнести наличие теплорастекателя с внешними выводами, что снижает плотность упаковки, а также использование капиллярной пайки для соединения микроплат, что снижает показатели надежности.

В статье В.Григорьева "Матричные корпуса ИС" (журнал "Электронные компоненты", 1997, № 5-6, с.20...23) даны основные размеры и конструкции матричных корпусов PBGA (пластмассовые корпуса с матрицей шариковых выводов); CBGA (керамические корпуса с матрицей шариковых выводов); CCGA (керамические корпуса с матрицей столбиковых выводов); TBGA (матричные ТАВ-корпуса); CSP (корпуса с размерами кристалла). Статья дает лишь общие понятия о конструкциях без каких-либо данных о способах изготовления и технико-экономических характеристиках.

В рекламном материале фирмы Amcor Technology от июля 2003 года приведены основные размеры и характеристики материалов, применяемые в США конструкций корпусов ИС с шариковыми выводами. Также показаны способы контактирования шариковых выводов с разводкой на кристалле.

В материале фирмы AMD ("AMD′s Packages and Packing Methodologies Handbook", №2 6/10/03) показаны конструкции корпусов с шариковыми выводами, содержащими как один кристалл в корпусе, так и два кристалла, расположенные один над другим. При этом во всех случаях кристаллы соединены с разводкой на подложке, содержащей шариковые выводы, при помощи сварки соединительной проволокой. Все это делает конструкции малонадежными и с низкой плотностью упаковки.

Наиболее близким аналогом предлагаемому решению является патент RU 2193260.

Основной задачей данного изобретения является получение конструкции трехмерного электронного модуля с предельно возможными показателями надежности и плотности упаковки.

Сущность изобретения

Поставленная задача решается тем, что трехмерный электронный модуль с шариковыми выводами, состоящий из отдельных бескорпусных электронных компонентов и микроплат, содержащих компоненты, при этом отдельные бескорпусные компоненты и/или микроплаты расположены параллельно относительно друг друга и имеют между собой электрическое и механическое соединение, а модуль защищен герметизирующей оболочкой и имеет внешние выводы, согласно изобретению модуль содержит, по меньшей мере, один формообразующий для данного модуля отдельный бескорпусной электронный компонент наибольших в плане размеров; а остальные бескорпусные электронные компоненты расположены в окнах подложек микроплат, имеющих размеры в плане, равные размерам отдельного бескорпусного электронного компонента максимальных размеров.

При этом точность выполнения размеров в плане отдельных компонентов, а также микроплат должна обеспечить последующую их ориентированную склейку в пакет.

Подложка отдельного компонента выполнена преимущественно из полупроводникового материала и содержит как активные, так и пассивные компоненты, изготовленные по полупроводниковой, и/или тонкопленочной, и/или толстопленочной технологиям. Подложка же микроплаты выполнена преимущественно из электроизоляционного теплопроводного материала типа керамики и также может содержать пленочные компоненты, изготовленные по тонкопленочной и/или толстопленочной технологиям.

В случае, если подложка отдельного компонента или микроплаты выполнена из полупроводникового или электропроводного материала, вся поверхность отдельного компонента или микроплаты за исключением контактных площадок компонентов имеет изоляционное покрытие.

Все компоненты, входящие в состав микроплат и отдельных компонентов, соединены между собой проводниками, выполненными преимущественно методом вакуумного напыления. При этом проводники расположены на лицевых, торцевых и обратных поверхностях микроплат и отдельных компонентов, причем проводники, выходящие на торцевые поверхности микроплат и отдельных компонентов, служат как для соединения компонентов, находящихся на лицевых и обратных сторонах микроплат и отдельных компонентов, так и для последующего соединения их между собой.

Склеенные по периметру между собой в пакет микроплаты и/или отдельные компоненты ориентированы на проводники, расположенные на их торцевых поверхностях, и образуют своими торцевыми поверхностями, по меньшей мере, одну общую плоскость для последующего формирования внешних выводов.

По поверхностям пакета размещены проводники, соединяющие электрически микроплаты и/или отдельные компоненты и по одной из поверхностей одновременно образуют контактные площадки для последующего формирования внешних шариковых выводов, при этом проводники выполнены преимущественно методом вакуумного напыления.

Герметизирующая оболочка обладает необходимыми механическими и электроизоляционными свойствами и имеет неизолированные окна в местах последующего формирования внешних выводов. При этом герметизирующая оболочка имеет минимальную толщину и состоит из механически прочного теплопроводного материала.

На поверхности пакета, образованной торцами микроплат и/или отдельных компонентов в окнах герметизирующей оболочки размещены шариковые внешние выводы, сформированные или закрепленные стандартными методами.

Теплоотвод от модуля осуществляют путем теплового контакта шариковых выводов с теплопроводной коммутационной платой, при этом количество шариковых выводов должно быть максимальным. Теплоотвод от модуля можно осуществить также путем теплового контакта с внешним теплорассеивателем через герметизирующую оболочку по граням модуля.

Перечень фигур чертежей

В дальнейшем предлагаемое изобретение поясняется конкретными примерами его выполнения и прилагаемыми чертежами, на которых:

фиг.1 изображает технологический маршрут изготовления трехмерного электронного модуля с шариковыми выводами;

фиг.2а, 2b и 2с изображают отдельный бескорпусной электронный компонент с пленочными компонентами;

фиг.3а, 3b и 3с изображают микроплату с объемными и пленочными компонентами;

фиг.4 изображает разводку проводников на поверхности пакета, предназначенной для последующего формирования внешних шариковых выводов;

фиг.5 изображает разрез готового модуля.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

Рассматривается пример осуществления конструкции трехмерного электронного модуля с шариковыми выводами (далее - модуля), выполненного с применением отдельного бескорпусного объемного электронного компонента (далее - отдельного компонента) наибольших габаритных размеров в плане в виде кристалла интегральной микросхемы, а также других бескорпусных объемных компонентов меньших размеров (далее - объемных компонентов), помещенных в окна керамической подложки с образованием микроплаты.

Технологический маршрут изготовления модуля выполнен с учетом технических решений по патенту RU 2193260 с некоторыми изменениями и показан на фиг.1. Подготовку отдельного компонента к сборке осуществляют по операциям 01a...01d, а активных объемных компонентов - по операциям 01a...01с, после чего они поступают на установку в окна заготовки микроплаты (опер.12d). Пассивные объемные компоненты проходят 100%-ный контроль (опер.12с) и также поступают на установку в окна заготовки микроплаты.

На фиг.2а, 2b и 2с показаны проекции отдельного компонента 1, выполненного в виде полупроводникового кристалла ИС с полупроводниковой структурой 2, занимающей всю внешнюю поверхность отдельного компонента 1. Также полупроводниковая структура 2 меньших размеров сформирована на обратной стороне отдельного компонента 1 (фиг.2с).

Отдельный компонент 1 имеет изоляционное покрытие 3 (фиг.2b) на всех своих поверхностях за исключением контактных площадок 4 полупроводниковых структур 2. В качестве изоляционного покрытия 3 можно применить фоторезист с последующим термозадубливанием или нитрид кремния, нанесенный методом пиролитического осаждения. На фиг.2а и 2с изоляционное покрытие 3 условно не показано. На всех поверхностях отдельного компонента 1 поверх изоляционного покрытия 3 имеются проводники 5, выполненные преимущественно методом вакуумного напыления (опер.02 на фиг.1) и предназначенные для электрического соединения компонентов, расположенных на противоположных поверхностях отдельного компонента 1 между собой, а также для осуществления дальнейших соединений в модуле. Кроме этого, на лицевой и обратной стороне отдельного компонента 1 могут быть размещены поверх изоляционного покрытия 3 пленочные компоненты 6, выполненные по тонкопленочной или толстопленочной технологиям.

На фиг.3а, 3b и 3с показаны проекции микроплаты 7, выполненной на керамической подложке 8. Объемный активный компонент 9 и объемный пассивный компонент 10 размещены в окнах керамической подложки 8 и закреплены в ней фиксирующим составом 11 (опер.12d на фиг.1). Кроме этого, объемный активный компонент 9, имеющий сколы после сквозной прецизионной резки пластины (опер.01b на фиг.1) изолируют по периметру изоляционным составом 12 (фиг.3b) с одновременным заполнением зазоров между окнами в керамической подложке 8 и объемными компонентами 9 и 10 (опер.12е на фиг.1).

На всех поверхностях микроплаты 7 также имеются проводники 5 для осуществления электрических соединений между компонентами, а также для осуществления дальнейших соединений в модуле, выполненные преимущественно методом вакуумного напыления (опер.02 на фиг.1). На лицевой и обратной поверхностях микроплаты 7 размещены также пленочные компоненты 6, выполненные по тонкопленочной или толстопленочной технологиям. Для обеспечения хорошего теплового контакта между объемными активными компонентами 9 и керамической подложкой 8 нанесены дополнительные проводники 13.

При склейке отдельных компонентов 1 и микроплат 7 в пакет (опер. 05 на фиг.1) ориентируются на проводники 5, расположенные на торцевых поверхностях отдельных компонентов 1 и микроплат 7. При этом обеспечивают плоскостность этих торцевых поверхностей в зоне будущего расположения внешних выводов. Склейку производят теплопроводным электроизоляционным клеем 16 (фиг.5).

При нанесении проводников 5 на грани пакета (опер.07 на фиг.1) кроме осуществления функции межсоединений отдельных компонентов 1 и микроплат 7 одновременно наносят контактные поля 14 (фиг.4) для дальнейшего размещения на них внешних выводов.

При герметизации пакета (опер.08 на фиг.1) на его поверхности, предназначенной для размещения внешних выводов, оставляют неизолированными контактные поля 14, после чего на них формируют шариковые выводы 15 (опер.09 на фиг.1) стандартными методами. В качестве герметизирующей оболочки 17 применяют полипараксилен или дихлорполипараксилен.

Полученная таким образом конструкция модуля показана на фиг.5 и содержит как отдельные компоненты 1, так и микроплаты 7. Пленочные компоненты 6 и изоляционное покрытие 3 на фиг.5 условно не показаны.

Пример промышленного применения. Если в состав модуля входят только отдельные компоненты, например, при конструировании модуля памяти, то можно получить следующие результаты. При использовании в качестве базового кристалла микросхемы Am29BL162C фирмы AMD размерами 6,85×7,72×0,5 мм и при сборке в модуль 32 таких кристаллов, можно получить размеры такого модуля 6,9×7,8×16,6 мм. В этом случае плотность упаковки составит 0,943 (т.е. модуль на 94,3% будет состоять из кремния), что является технологическим пределом для трехмерных конструкций такого типа.

Таким образом, внедрение данного изобретения позволит получить предельную плотность упаковки при высоких показателях надежности из-за выполнения всех внутренних соединений методом вакуумного напыления проводников, а также низкое тепловое сопротивление конструкции модуля благодаря применению теплопроводных материалов.

1. Трехмерный электронный модуль с шариковыми выводами, состоящий из отдельных бескорпусных электронных компонентов и/или микроплат, содержащих компоненты, при этом отдельные бескорпусные компоненты и/или микроплаты расположены параллельно относительно друг друга и имеют между собой электрическое и механическое соединение, а модуль защищен герметизирующей оболочкой и имеет внешние выводы, отличающийся тем, что содержит, по меньшей мере, один формообразующий для данного модуля отдельный бескорпусной электронный компонент наибольших в плане размеров, а остальные бескорпусные электронные компоненты расположены в окнах подложек микроплат, имеющих размеры в плане, равные размерам отдельного бескорпусного электронного компонента максимальных размеров, при этом точность выполнения размеров в плане отдельных компонентов, а также микроплат должна обеспечить последующую их ориентированную склейку в пакет, все компоненты, входящие в состав микроплат и отдельных компонентов, соединены между собой проводниками, выполненными преимущественно методом вакуумного напыления, проводники расположены на лицевых, торцевых и обратных поверхностях микроплат и отдельных компонентов, причем проводники, выходящие на торцевые поверхности микроплат и отдельных компонентов, служат как для соединения компонентов, находящихся на лицевых и обратных сторонах микроплат и отдельных компонентов, так и для последующего соединения их между собой, склеенные по периметру между собой в пакет микроплаты и/или отдельные компоненты ориентированы на проводники, расположенные на их торцевых поверхностях, и образуют своими торцевыми поверхностями, по меньшей мере, одну общую плоскость для последующего формирования внешних выводов, по поверхностям пакета размещены проводники, соединяющие электрически микроплаты и/или отдельные компоненты, и по одной из поверхностей одновременно образуют контактные площадки для последующего формирования внешних шариковых выводов, при этом проводники выполнены преимущественно методом вакуумного напыления, герметизирующая оболочка обладает необходимыми механическими и электроизоляционными свойствами и имеет неизолированные окна в местах последующего формирования внешних выводов, на поверхности пакета, образованной торцами микроплат и/или отдельных компонентов, в окнах герметизирующей оболочки размещены шариковые внешние выводы, сформированные или закрепленные стандартными методами.

2. Трехмерный электронный модуль по п.1, отличающийся тем, что подложка микроплаты выполнена преимущественно из электроизоляционного теплопроводного материала типа керамики и содержит пленочные компоненты, изготовленные по тонкопленочной и/или толстопленочной технологиям.

3. Трехмерный электронный модуль по п.1, отличающийся тем, что подложка отдельного компонента выполнена преимущественно из полупроводникового материала и содержит как активные, так и пассивные компоненты, изготовленные по полупроводниковой, и/или тонкопленочной, и/или толстопленочной технологиям.

4. Трехмерный электронный модуль по п.1, отличающийся тем, что в случае, если подложка отдельного компонента или микроплаты выполнена из полупроводникового или электропроводного материала, вся поверхность отдельного компонента или микроплаты, за исключением контактных площадок компонентов, имеет изоляционное покрытие.

5. Трехмерный электронный модуль по п.1, отличающийся тем, что герметизирующая оболочка имеет минимальную толщину и состоит из механически прочного теплопроводного материала.