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Die Erfindung betrifft ein elektronisches Bauteil, das ein Substrat aufweist. Auf mindestens einer Oberfläche des Substrates sind Kontaktbereiche ausgebildet, mittels derer das elektronische Bauteil in einfacher Weise mit beispielsweise einem Schaltungsträger kontaktiert werden kann.
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Stand der Technik
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Derartige Bauteile sind beispielsweise in der
DE 4324479 A1 beschrieben. Elektronische Bauteile der eingangs genannten Bauweise weisen typischerweise ein ein- oder mehrlagiges Substrat auf, auf dessen Bodenfläche Kontaktbereiche zum Kontaktieren des Bauteils auf einem Schaltungsträger ausgebildet sind. Die Kontaktbereiche sind beispielsweise als flache metallisierte Flächen ausgebildet („Lands”) und/oder können Lotkugeln („Balls”) aufweisen. Auf der der Bodenfläche gegenüberliegenden Fläche des Substrats können ein oder mehrere Halbleiterbauelemente angeordnet sein, die über Durchkontaktierungen in dem Substrat mit den Kontaktbereichen auf der Bodenfläche des Substrats elektrisch verbunden sind. Üblicherweise werden die Halbleiterbauelemente mit einer Moldmasse umgossen oder durch einen Deckel abgedeckt. Derartige Bauteile sind auch als sogenannte LGA („Land-Grid-Array”) oder BGA (”Ball Grid Array”) Gehäuse bekannt. Die Vorteile eines solchen elektronischen Bauteils liegen in seiner geringen Größe und niedrigen Herstellungskosten. Außerdem kann es platzsparend auf einem Schaltungsträger kontaktiert werden, da keine seitlichen Anschlussbeine benötigt werden. Zur Kontaktierung kann das elektronische Bauteil in einfacher Weise auf einen Schaltungsträger aufgesetzt werden. Der elektrische Kontakt zwischen dem elektronischen Bauteil und dem Schaltungsträger wird über zwischen den Kontaktbereichen des Substrats und den entsprechenden Gegenkontakten auf dem Schaltungsträger beispielsweise durch Löten oder Kleben hergestellt.
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Die Materialien, aus denen das Substrat des elektronischen Bauteils und der Schaltungsträger auf den das elektronische Bauelement kontaktiert ist bestehen, weisen in der Regel unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten auf. Dadurch ergibt sich das Problem, dass bei thermischer Belastung mechanische Spannungen, wie Zug- oder Scherbelastungen, an den Kontaktstellen zwischen den Kontaktbereichen des Substrats und den entsprechenden Gegenkontakten auf dem Schaltungsträger auftreten. Im Extremfall kann dies zur Zerrüttung der Kontaktstellen führen. Weiterhin wirken die entstehenden mechanischen Spannungen über das Substrat auf die Halbleiterbauelemente im Inneren des elektronischen Bauteils und können deren Betrieb beeinträchtigen; durch die temperaturabhängigen mechanischen Belastungen können sich beispielsweise Kennlinien der Halbleiterbauelemente verschieben.
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Offenbarung der Erfindung
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Es wird ein elektronisches Bauteil mit einem Substrat vorgeschlagen, bei dem mindestens ein auf einer Oberfläche des Substrates angeordneter Kontaktbereich mit mindestens einem Federelement verbunden ist. Erfindungsgemäß ist das mindestens eine Federelement in dem Substrat ausgebildet.
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Die Anbindung des Kontaktbereichs an das Substrat über ein Federelement bewirkt, dass mechanische Spannungen, die beispielsweise durch die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten des Substrats und eines Schaltungsträgers auf dem das elektronische Bauteil kontaktiert ist, verursacht werden, durch das Federelement kompensiert werden. Eine Zerrüttung der jeweiligen Kontaktstelle sowie mechanische Belastungen des elektronischen Bauteils werden somit vermieden.
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Das Federelement ist erfindungsgemäß in dem Substrat ausgebildet, und ist relativ zu dem Substrat beweglich. Die Federkonstante und damit die auf den Kontaktbereich wirkenden Kräfte hängen vom Substratmaterial sowie der Geometrie des Federelements ab.
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Das Federelement ist bevorzugt als frei beweglicher Steg in dem Substrat ausgebildet. Der Kontaktbereich kann dabei auf dem Federelement ausgebildet sein. Dazu weist das Federelement, bevorzugt an einem freien Ende, einen Bereich auf, der mit einer metallischen Beschichtung, einer Lötkugel, oder ähnlichem versehen ist, und damit den Kontaktbereich ausbildet.
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In einer alternativen Ausführung ist ein Kontaktbereich mit mehreren Federelementen verbunden.
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In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist mindestens ein Federelement mäanderförmig ausgebildet. Scherkräfte bewirken in dieser Ausführung eine Dehnung bzw. Kompression des Federelements. Damit wird eine optimale Entlastung des Kontaktbereichs gewährleistet.
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Bevorzugt ist auf mindestens einem Federelement eine Leiterbahn angeordnet, wobei die Leiterbahn mit dem Kontaktbereich elektrisch leitend verbunden ist. Die Leiterbahn verbindet den Kontaktbereich bevorzugt mit einer Durchkontaktierung des Substrats und stellt damit einen elektrischen Kontakt zu einem oder mehreren Halbleiterbauelementen im Inneren des elektronischen Bauteils her.
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In einer besonders bevorzugten Ausführung der Erfindung ist mindestens eine Ausnehmung in dem Substrat ausgebildet. Die Ausnehmung umgibt einen oder mehrere Kontaktbereiche. Der Kontaktbereich ist auf oder in Verbindung mit mindestens einem im Substrat ausgebildeten Steg angeordnet. Der Steg verbindet den Kontaktbereich mit einem Bereich des Substrats, der die Ausnehmung begrenzt und wirkt als Federelement. Die Kontur des Stegs ist durch die Form der Ausnehmung bestimmt. Die Ausnehmung bildet einen Freiraum um den jeweiligen Kontaktbereich und um das mit dem Kontaktbereich verbundene Federelement, so dass der Kontaktbereich relativ zu dem Substrat frei beweglich ist. Das Federelement kann somit Kräfte kompensieren, die auf den Kontaktbereich wirken. Der Steg hat bevorzugt eine mittlere Breite, die klein ist im Vergleich zur Ausdehnung der Ausnehmung. Dadurch ergibt sich eine kleine Federkonstante und damit eine hohe relative Beweglichkeit von Kontaktbereich und Substrat.
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Die Ausnehmung ist bevorzugt so ausgeführt, dass sie vollständig von dem Substrat umgeben ist, also insbesondere nicht als Einschnitt am Rand des Substrats ausgebildet ist. Damit bleibt die mechanische Stabilität des Substrats erhalten. Die Ausnehmung kann beispielsweise durch Bearbeitung mit einem Laser, durch Fräsen oder durch Stanzen in das Substrat eingebracht werden.
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In einer alternativen Ausführung der Erfindung sind zwei oder mehr, insbesondere schlitz- oder rillenartige Ausnehmungen in der Umgebung eines Kontaktbereichs in dem Substrat ausgebildet. Die Ausnehmungen sind so angeordnet, dass jeweils zwei der Ausnehmungen durch mindestens einen Steg, der frei beweglich im Substrat ausgebildet ist, voneinander getrennt sind. Der Steg wirkt als erfindungsgemäßes Federelement und steht in Verbindung mit mindestens einem Kontaktbereich auf dem Substrat. Der Steg besitzt eine Breite, die im Wesentlichen durch den Abstand der jeweiligen Ausnehmungen bestimmt ist. Der Vorteil dieser Ausführung liegt darin, dass die rillen- bzw. spaltartigen Ausnehmungen einfach geformt sind und deshalb mit geringem Herstellungsaufwand gebildet werden können.
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Das Substrat des elektronischen Bauteils kann mehrlagig aufgebaut sein. Typischerweise besteht es aus zwei bis vier Lagen. Die Kontaktbereiche sind bevorzugt auf der untersten Lage (Bodenfläche des elektronischen Bauteils) gebildet. Die anderen Lagen enthalten beispielsweise Durchkontaktierungen und/oder Leiterbahnen. Auf der obersten Lage sind ein oder mehrere Halbleiterbauelemente angeordnet. Das erfindungsgemäße Federelement ist bevorzugt in der untersten Lage des Substrats ausgebildet. Die beschriebene Ausnehmung kann ebenfalls nur in der untersten Lage des Substrats ausgebildet sein. Ebenso ist es denkbar, das Federelement bzw. die Ausnehmung in mehreren oder allen Lagen des Substrats auszubilden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1a zeigt schematisch einen Schnitt durch ein elektronisches Bauteil nach dem Stand der Technik;
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1b zeigt in Draufsicht die Oberfläche eines Substrats eines elektronischen Bauteils nach dem Stand der Technik;
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2 zeigt eine perspektivische Ansicht einen Ausschnitt eines elektronischen Bauteils nach einer ersten Ausführung der Erfindung;
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3 zeigt in Draufsicht die Oberfläche des Substrats eines elektronischen Bauteils nach einer zweiten Ausführung der Erfindung;
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4 zeigt in Draufsicht einen Ausschnitt der Oberfläche eines Substrats eines elektronischen Bauteils nach einer dritten Ausführung der Erfindung;
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5 zeigt in Draufsicht einen Ausschnitt der Oberfläche eines Substrats eines elektronischen Bauteils nach einer dritten Ausführung der Erfindung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In 1 ist ein herkömmliches elektronisches Bauteil 1 in LGA-Bauweise dargestellt. 1a zeigt schematisch einen Schnitt durch das Bauteil 1. Das Bauteil weist ein Substrat 10 auf, auf dessen Oberfläche 20 mehrere Kontaktbereiche 30 angeordnet sind. Die Kontaktbereiche 30 sind als elektrisch leitfähige Flächen ausgebildet, die geeignet sind, beispielsweise durch Löten kontaktiert zu werden. In diesem Beispiel sind die Kontaktbereiche 30 kreisförmig ausgeführt. Ebenso sind jedoch auch ovale, rechteckige, oder andere Ausgestaltungen der Kontaktbereiche 30 denkbar. Ebenso ist eine Ausführung in BGA-Bauweise denkbar, bei der die Kontaktbereiche 30 mit Lotkugeln versehen werden.
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Die Kontaktbereiche 30 sind über Leiterbahnen 40 mit Durchkontaktierungen 50 verbunden. Die Durchkontaktierungen 50 verlaufen im Wesentlichen vertikal durch das Substrat 10. Auf der der Oberfläche 20 gegenüberliegenden Fläche 24 sind ein oder mehrere Halbleiterbauelemente 100, wie beispielsweise ein Halbleiter-Chip, kontaktiert und stehen in Verbindung mit den Durchkontaktierungen 50. Um die Schaltung auf der Fläche 24 vor Umwelteinflüssen zu schützen, ist die Fläche 24 mit einer Abdeckung, beispielsweise einer Moldmasse 110 bedeckt. Die Moldmasse 110 umhüllt das Halbleiterbauelement 100 auf der Fläche 24. Alternativ oder zusätzlich kann beispielsweise auch ein vorgeformter Deckel aus Metall oder Kunststoff als Abdeckung verwendet werden. Zusätzlich kann die Abdeckung genutzt werden um den Chip elektromagnetisch abzuschirmen, beispielsweise indem auf die Oberfläche der Moldmasse 110 bzw. eines Deckels eine elektrisch leitfähige Beschichtung aufgebracht wird.
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In 1b ist die Oberfläche 20 (Bodenfläche) des Substrats 10 in Draufsicht dargestellt. Mit den Kontaktbereichen 30 auf der Oberfläche 20 des Substrats 10 kann das elektronische Bauteil 1 auf einem externen Schaltungsträger, beispielsweise einer Leiterplatte, kontaktiert werden.
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In 2 ist ein erfindungsgemäßes elektronisches Bauteil 1 nach einer Ausführung der Erfindung perspektivisch dargestellt. Der Aufbau entspricht im Wesentlichen dem in 1 dargestellten Bauteil. Gleiche Elemente sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Im Unterschied zur herkömmlichen Bauweise, weist das erfindungsgemäße Bauteil 1 ein Substrat 10 auf, in dem Federelemente 35 ausgebildet sind, die Kräfte, die auf die Kontaktbereiche 30 wirken, kompensieren können. Zur Verdeutlichung sind hier nur zwei Kontaktbereiche 30 dargestellt. Die Federelemente 35 sind in dem Substrat 10, genauer gesagt in der Oberfläche 20 des Substrats 10, ausgebildet. Dazu weist das Substrat 10 zwei Ausnehmungen 22 auf. Jede der Ausnehmungen 22 umgibt jeweils einen Kontaktbereich 30. Die Ausnehmungen 22 sind vollständig von dem Substrat 10 umgeben. Die Ausnehmungen 22 können beispielsweise durch Fräsen. Ätzen oder Bearbeitung mit einem Laser in dem Substrat 10 gebildet werden. Jeweils ein Steg 33, der aus dem Substrat gebildet ist und an dessen freiem, verbreitertem Ende jeweils ein Kontaktbereich 30 ausgebildet ist, ragt in jede der Ausnehmungen 22 hinein. Der Steg 33 ist beweglich und wirkt als erfindungsgemäßes Federelement 35. Er ermöglicht, dass mechanische Spannungen ausgeglichen werden, die beispielsweise durch die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Substrats 10 und des nicht dargestellten Schaltungsträgers, auf dem das elektronische Bauteil 1 kontaktiert ist, im Bereich des Kontaktbereichs 30 entstehen können.
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Auf jedem der Stege 33 sind Leiterbahnen 40 ausgebildet, die den jeweiligen Kontaktbereich 30 mit einer zugeordneten Durchkontaktierung 50 verbinden.
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Wenn das Substrat 10 aus mehreren Lagen aufgebaut ist, ist es möglich, die Ausnehmungen 22 und damit die Stege 33 nur in einigen bzw. nur in einer, die Oberfläche 20 bildenden, Lage des Substrats 10 auszubilden.
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Die Stege 33 können bündig mit der Oberfläche 20 des Substrats ausgebildet sein, oder vertieft oder erhöht relativ zu dieser Fläche verlaufen.
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Das erfindungsgemäße elektronische Bauteil 1 kann in bekannter Weise durch Auflöten der Kontaktbereiche 30 auf einem nicht dargestellten Schaltungsträger kontaktiert werden. Zur Bildung der Lötstellen können beispielsweise Lotkugeln auf den Kontaktbereichen 30 vorgesehen sein. Das elektronische Bauteil 1 kann auf den Schaltungsträger aufgesetzt werden. Die Kontaktierung findet dann beispielsweise in einem Reflow-Lötprozess statt. Auch andere Kontaktierungsverfahren, wie zum Beispiel die Verwendung eines elektrisch leitenden Klebstoffs, sind denkbar.
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Mechanische Spannungen, die durch die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten des elektronischen Bauteils 1 und dem Schaltungsträger verursacht werden, wie beispielsweise Zug- und Scherbelastungen an den Lötstellen, die durch wechselnde Umgebungstemperaturen verursacht werden, können durch entsprechende elastische Verformung der Federelemente 35 kompensiert werden.
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In 3 ist ein elektronisches Bauteil 1 nach einer zweiten Ausführung der Erfindung in Draufsicht dargestellt. Der Aufbau entspricht im Wesentlichen dem in 2 dargestellten Bauteil. Gleiche Elemente sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen. In diesem Beispiel weist das Substrat 10 ebenfalls zwei Ausnehmungen 22 auf. Die Ausnehmungen 22 sind vollständig von dem Substrat 10 umgeben bzw. eingerahmt. Jede der Ausnehmungen 22 umgibt eine Gruppe von vier Kontaktbereichen 30. Eine derartige Ausbildung ist besonders vorteilhaft, wenn viele, eng benachbarte Kontaktbereiche vorliegen.
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Die frei beweglichen Stege 33, die in die Ausnehmungen 22 hineinragen, sind in diesem Ausführungsbeispiel mäanderförmig ausgebildet und wirken als Federelemente 35. Die Stege weisen jeweils an ihrem freien Ende einen verbreiterten, im Wesentlichen kreisförmigen Bereich auf, auf dem jeweils ein Kontaktbereich 30 in Form einer metallisierten Fläche oder einer Lötkugel angeordnet ist.
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Die Mäanderstruktur des Federelements 35 in diesem Ausführungsbeispiel erlaubt eine Beweglichkeit des Kontaktbereichs 30 sowohl in der Ebene parallel zur Oberfläche 20 des Substrats 10 als auch in begrenztem Maße senkrecht zur Ebene des Substrats 10. Dadurch ergibt sich eine effektive mechanische Entkopplung des Kontaktbereichs 30 vom Substrat 10. Kräfte, die durch die unterschiedlichen thermische Ausdehnungskoeffizienten des elektronischen Bauteils 1 und einem Schaltungsträger auf dem das Bauteil kontaktiert ist, entstehen können, bewirken eine Kompression bzw. Dehnung der mäanderförmigen Federelemente 35 und können damit kompensiert werden.
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4 zeigt schematisch ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen elektronischen Bauteils 1 in Draufsicht. Auf der Oberfläche 20 eines Substrats 10 sind zwei Kontaktbereiche 30 ausgebildet. Seitlich jedes Kontaktbereichs 30 sind jeweils zwei in Draufsicht im Wesentlichen U-förmige Ausnehmungen 125 und 125' in dem Substrat ausgebildet. Die Ausnehmungen 125 und 125' sind schlitzartig, also schmal im Vergleich zur Ausdehnung des Kontaktbereichs 30, ausgeführt.
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Die Ausnehmungen 125 und 125' sind so angeordnet, dass ihre jeweiligen Schenkel einander zugewandt sind und durch zwei Stege 133 und 133' in dem Substrat voneinander getrennt sind. Die Ausnehmungen 125 und 125' können durchgehend ausgebildet sein, oder im Fall, dass das Substrat 10 mehrere Lagen aufweist, nur in einer oder einigen Lagen des Substrats ausgeführt sein.
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Durch die Ausnehmungen 125 und 125' wird eine gewisse Beweglichkeit des von den Ausnehmungen 125 und 125' eingefassten Bereichs 138 des Substrats 10 relativ zum Substrat 10 erreicht. Die Stege 133 und 133' wirken dabei zusammen mit dem Bereich 138 als Federelement 135. Mechanische Spannungen, die auf den Kontaktbereich 30 wirken, bewirken eine elastische Verformung der Stege 133, 133' und können so bis zu einem gewissen Grad ausgeglichen werden. Eine Leiterbahn 40 verläuft auf einem der Stege 133 und stellt eine elektrische Verbindung zwischen dem Kontaktbereich 30 und einer Durchkontaktierung 50 her.
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Der Vorteil dieser Ausführung liegt in der einfachen Ausgestaltung der Ausnehmungen 125 und 125', die als Rillen oder Schlitze in das Substrat 10 eingebracht werden können. Da die Ausnehmungen 125 und 125' eine geringe Breite im Vergleich zu den Abmessungen des Substrats 10 aufweisen, wird die mechanische Stabilität des Substrates 10 bzw. der Lagen des Substrats in denen die Ausnehmungen 125 und 125' ausgebildet sind, nicht beeinträchtigt.
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In 5 ist eine der in 4 dargestellten Ausführung sehr ähnliche Anordnung dargestellt. In diesem Beispiel wird jeweils ein Kontaktbereich 30 von drei im Verhältnis zu den Ausdehnungen des Kontaktbereichs 30 schmalen, als geradlinig verlaufende Schlitze oder Spalte ausgebildeten Ausnehmungen 225, 225' und 225'' umgeben. Die Ausnehmungen 225, 225' und 225'' sind so angeordnet, dass sie im Wesentlichen ein Dreieck um den Kontaktbereich 30 ausbilden. An den jeweiligen Ecken sind Stege 233, 233' und 233'' im Substrat gebildet. Zusammen mit dem von den Ausnehmungen 225, 225' und 225'' umgebenen Bereich 238 wird somit ein Federelemente 235 gebildet. Durch die symmetrische Anordnung der Ausnehmungen 225, 225' und 225'' kann eine gleichmäßige Kompensation von Scherkräften parallel zur Oberfläche 20 erfolgen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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