DE2345149A1

DE2345149A1 - Elektronisches hybrid-bauteil mit halbleiter-chips

Info

Publication number: DE2345149A1
Application number: DE19732345149
Authority: DE
Inventors: Earl Thomas Hausman
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1972-12-12
Filing date: 1973-09-07
Publication date: 1974-06-20
Also published as: FR2217907A1; FR2217907B1; JPS4989161A; IT993178B; CA994922A; GB1396259A; US3805117A; JPS529827B2

Description

Dipl.-lng. H. Sauenland · Dr.-lng, R. König · Dipl-.-lng. K. Bergen

Patentanwälte · 4qdd Düsseldorf 3O · Ceeilienallee 7B · Telefon 433732

5. September 1973 28 756 B

RCA Corporation, 30 Rockefeller Plaza,

New York, N.Y. 10020 (V.St.A.)

"Elektronisches Hvbrid-Bauteil mit Halbleiter-Chips"

Die Erfindung bezieht sich auf elektronische Bauteile, insbesondere auf Hybrid-Bauteile, die innerhalb einer Kapsel eine Anzahl miteinander verbundener elektronischer Komponenten, wie diskrete Komponenten und integrierte Schaltungen, vereinigen,

Hybrid-Bauteile sind in der elektronischen Industrie bekannt und besitzen die Vorteile niedriger Kosten, kompakter Bauweise und Unempfindlichkeit. Obwohl eine große Anzahl von Anordnungen zum Zusammenbau verschiedener elektronischer Komponenten in einer Kapsel bekannt sind, besteht, ein starker Bedarf an einer Verbesserung der Art, in der verschiedene Untergruppen derartiger Bauteile hergestellt, getestet und schließlich im fertigen Bauteil zusammengesetzt werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Vorschlag zur Verbesserung der Herstellung von Hybrid-Bauteilen, bei denen Halbleiter-Chips auf einer Untergruppe montiert werden, vorzuschlagen,-wobei Beschädigungen an den empfindlichen Chips vermieden und das Testen der Untergruppe vor ihrem Einbau in die Kapsel erleichtert

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wird. Diese Aufgabe wird verfahrensmäßig dadurch gelöst, daß zum Aufbau der Untergruppe verschiedene elektrische Komponenten in Öffnungen mindestens eines isolierenden Bauelements untergebracht, Leitungsdrähte der Komponenten durch Öffnungen in Schaltungskarten geführt werden, die Leitungswege aufweisen, durch die sich die öffnungen erstrecken, daß die Schaltungskarten sodann gegen das Bauelement gedrückt, die Drähte mit den Leitungswegen verlötet und danach Halbleiter-Chips auf mindestens einer der Karten befestigt werden, daß sodann die Chips mit den entsprechenden Leitungswegen elektrisch verbunden und an den Leitungswegen Außenanschlüsse unter Verwendung von einen Lötvorgang nicht erforderlich machenden Verbindungsarten angebracht werden.

Anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein erfindungsgemäßes Hybrid-Bauteil, in perspektivischer Sprengbilddarstellung; und

Fig. 2 eine Untergruppe des in Fig. 1 dargestellten Bauteils, ebenfalls in perspektivischer Sprengbilddarstellung .

Gemäß Fig. 1 weist ein erfindungsgemäßes Hybrid-Bauteil 10 ein bekanntes Kopfteil 12 auf, das aus einem becherförmigen Metallstück, z.B« aus Stahl, mit einer flachen Bodenplatte 14 und nach oben verlaufender Seitenwand 16 besteht. Durch die Bodenplatte 14 ragen mehrere Anschlußleitungen 18, die hermetisch dicht in die Bodenplatte eingesetzt und gegenüber dieser mittels Glasösen 20 elektrisch isoliert sind.

Obwohl für die vorliegende Erfindung nicht unbedingt er-

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forderlich, können innerhalb des Kopfteils auf der Bodenplatte 14 verschiedene Elemente befestigt sein. So ist im dargestellten Ausführungsbeispiel auf der Bodenplatte ein Isolator 22, z.B. aus Tonerdekeramik befestigt, auf welchem sich mehrere diskrete Komponenten 24, z.B. Leistungstransistoren befinden. Da die Mittel zum Anbringen dieser oder anderer Komponenten bekannt sind, erübrigt sich diesbezüglich eine nähere Beschreibung.

An den Anschlußleitungen 18 ist mit Abstand zu den Komponenten 24 eine Untergruppe 26 befestigt, die in Fig. 2 dargestellt ist und aus einem massiven Bauelement 30 mit mehreren öffnungen 32 besteht, in denen sich verschiedene Komponenten 34 befinden, wobei zwei gedruckte Schaltungskarten 36 und 38 auf gegenüberliegenden Seiten des Bauelements 30 befestigt sind. Die Komponenten- 34 können verschiedene elektronische Bauteile sein, wie Widerstände, Kondensatoren, Induktoren, Transformatoren u.dgl., deren Einsatz von der Art des jeweils herzustellenden Hybrid-Bauteils abhängt.

Jede Karte 36 und 38 weist zumindest auf einer Seite eine gedruckte Dickfilm-Schaltung auf, d.h. ein Muster von Leitungswegen 40, die gewünschtenfalls Dickfilm-Komponenten, wie Widerstände und Kondensatoren einschließend können. Die Schaltungskarten können konventioneller Art sein, wie sie beispielsweise von Fernsehempfängern her bekannt sind, und können aus Tonerdekeramik-Substraten bestehen, auf deren Oberfläche die Leitungswege 40 aus Platin Gold,Palladium Silber, oder anderem Dickfilm-Leitermaterial mittels bekannter fotolithografischer Techniken aufgebracht sind.

Jede Karte 36 und 38 weist eine Anzahl von öffnungen 42

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auf, die sich im Bereich verschiedener Leitungswege 40 durch die Karte erstrecken. Leitungsdrähte 44 von den verschiedenen Komponenten 34 im Bauelement 30 führen aus den Öffnungen 32 in die Kartenöffnungen 42, wo sie elektrisch durch noch zu beschreibendes Löten mit verschiedenen Leitungswegen 40 der Karten verbunden sind.

Zusätzlich zu den Komponenten 34 im Bauelement 30 sind mehrere Halbleiter-Chips 48, von denen im dargestellten Ausführungsbeispiel nur eins gezeigt ist und deren Art von dem Verwendungszweck des herzustellenden Bauteils abhängt, auf einer oder beiden nach außen weisenden Oberflächen der Kai'ten 36 und 38 der Untergruppe befestigt. Die Halbleiter-Chips 48 sind vorzugsweise an der gewünschten Stelle aufgeklebt, z.B. mit geeignetem Epoxy-Kleber. Zur Kontaktierung der verschiedenen Anschlußbereiche der Halbleiter-Chips 48 mit den jeweiligen Leitungswegen der Schaltungskarten 36 und 38 werden feine Drähte 50 verwendet.

Um sowohl die Karten 36 und 38 fest mit dem Bauelement 30 zu verbinden als auch Mittel vorzusehen, um die Untergruppe 26 an den Anschlußleitungen 18 des Kopfteils 12 zu montieren, wird eine Anzahl von Federklemmen verwendet, die z.B. r-us Nickel, Federstahl, Federkupfer od.dgl. bestehen könner.. Wie der Darstellung zu entnehmen ist, besitzen die K'Jemmen 52 im wesentlichen U-Form und eine derartige Größe, daß sie eine Andrückkraft auf die Karten 36 und 38 ausüben, wenn sie in der gewünschten Position an die Ui:Vjrgruppe 26 geklemmt werden. Die Klemmen 52 v/erden mit auf den Karten 36 und 3P vorgesehenen metallischen Außenei Schlüssen 54 verlöte, die ihrerseits mit entsprechenden Loitungswegen 40 verburden sind. Um das Piloten der Klemmer, an die Außenansohliisse 54 zu erleichtern,

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werden die aus demselben Material wie die Leitungswege 40 bestehenden Außenanschlüsse 54 vorzugsweise mit einer dünnen Goldschicht überzogen.

Außerdem ist jede Klemme 52 mit einem Paar rückwärtiger Laschen 56 versehen, die um die verschiedenen Leitungen 18 greifen und mit diesen verschweißt sind, so daß Anschlüsse für die verschiedenen Schaltungen und Komponenten der Untergruppe 26 vorgesehen sind. Eine Abdeckung 28, beispielsweise aus Stahl, ist am oberen Ende der Seitenwand 16 befestigt, wodurch die Verkapselung des Bauteils 10 vervollständigt wird.

Der Zusammenbau des Bauteils 10 wird folgendermaßen vorgenommen. Das Bauelement 30 wird zunächst auf die Schaltungskarte 36 in genauer Ausrichtung gelegt, wobei nicht dargestellte, geeignete Einspannvorrichtungen verwendet werden. Sodann werden verschiedene Komponenten 34 in die für sie vorgesehenen Öffnungen32 des Bauelements 30 eingesetzt und die Drähte 44 der Komponenten in die jeweiligen Öffnungen 43 der Karte eingeführt. Danach wird die andere Karte 38 in der gewünschten Position befestigt, wobei sie mit weiteren Drähten 44 der im Bauteil 30 befindlichen Komponenten 34 ausgerichtet wird und diese Drähte 44 in die zugehörigen Öffnungen 42 dieser Karte eingeführt werden.

Die beiden Karten 36 und 38 werden sodann in dieser Position gegen die obere bzw. untere Oberfläche des Bauteils 30 fest angedrückt, wodurch die verschiedenen Komponenten 34 vollständig zwischen diesen Oberflächen innerhalb des Bauelements 30 liegen, wonach die Klemmen 52 in der gewünschten Position über die Kanten der Untergruppe 26 geklemmt werden.

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Unter Verwendung bekannter Löttechniken, z.B. eines einfachen Lötkolbens und Lötmetall, wird jeder Draht 44 mit dem zugehörigen Leitungsweg 40, der mit einer den Draht aufnehmenden Öffnung 42 versehen ist, verlötet. Die Passung der Drähte 44 in den Kartenbohrungen 42 ist relativ eng, so daß leicht eine gute Kontaktierung des Lötmetalls mit den Drähten 44 in den Bohrungen 42 und mit dem die Bohrungen 42 umgebenden Material der Leitungswege 40 erreicht wird. Auch werden die verschiedenen Klemmen 52 mit den Außenanschlüssen 54 der Schaltungskarten verlötet.

Der Lötvorgang kann unter Verwendung bekannter Techniken auch derart durchgeführt werden, daß Plattierungen oder Überzüge aus Lötmetall auf den Klemmen 52, den Anschlüssen 54, den Drähten 44 und den die Öffnungen 42 umgebenden Bereichen der Leitungswege 40 vorgesehen werden. Die Untergruppe 26 wird sodann in einen Ofen gebracht, um die Lötüberzüge zu schmelzen und dadurch die verschiedenen Lötverbindungen gleichzeitig herzustellen.

Danach wird d^:e Untergruppe von allen beim Lötvorgang angefallenen Rückständen gereinigt. Während des Lötens werden nämlich bekannterweise verschiedene Flußmittel verwendet, um die Benetzung der verschiedenen durch Löten zu verbindenden Stellen zu beschleunigen. Diese Flußmittel sowie verschiedene aufgrund der erhöhten Temperaturen während des Lötprozesses entstehende Oxyde müssen von der Untergruppe entfernt werden. Flußmittel sind z.B. chemisch korrosiv und würden die empfindlichen Halbleiter-Chips, die später der Untergruppe zugefügt werden, nachteilig beeinflussen. Oxydüberzüge beeinträchtigen spätere Anschlußoperationen.

Der ReinigungsVorgang kann durch aufeinanderfolgendes Be-

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handeln in Bädern aus Trichloräthylen und Methanol und nachfolgendes Erhitzen der Untergruppe zum Entfernen des Methanols durchgeführt werden. Vorzugsweise werden die Bäder mittels Ultraschall vibriert, um den Reinigungswirkungsgrad zu verbessern.

Die besondere Bedeutung der Erfindung liegt in der Tatsache, daß zu diesem Zeitpunkt der Fabrikation des Bauteils wegen der Abwesenheit jeglicher Halbleiter-Chips der Lötprozeß keine nachteiligen Einflüsse auf die Untergruppe hat. Bei den verschiedenen bekannten Verfahren zum Zusammenbau von Hybrid-Bauteilen, die Halbleiter-Chipn aufweisen, werden verschiedene Untergruppen einschließlich der Halbleiter-Chips in der gewünschten Endposition verlötet und sodann dem Reinigungsprozeß unterzogen» Es hat sich jedoch im Rahmen der Erfindung herausgestellt, daß die Lctvorgänge sich sehr nachteilig auf die Halbleiter-Chips auswirken können, und zwar wegen der hochkorrosiven Eigenschaft der verwendeten Flußmittel sowie wegen der Notwendigkeit, während des nachfolgenden Reinigungsvorgangs starke Chemikalien verwenden zu müssen.

Erfindungsgemäß werden jedoch sowohl der Lot- als auch der Reinigungsvorgang vor der Anbringung der Halbleiter-Chips 48 an der Untergruppe 26 durchgeführt, so daß die Chips diesen Behandlungsschritten nicht unterworfen werden.

Die Chips hQ werden vorzugsweise durch Kleben auf den Karten 36 und 38 befestigt, wob«J beispielsweise bekannte Epoxy-Kleber verwendet werden, da e bei relativ niedrigen Temperaturen, Z₀B. 135⁰C aushärten. Das Anbringen von Halbleiter-Chips auf Tragplatten nittels KU eben ist be-

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kannt. Sodann werden die verschiedenen Verbindungsdrahte 50 angebracht, wobei bekannte Verbindungstechniken, z.B. Thermokompressions-Verbinden, angewandt werden.

Nunmehr liegt eine feste, selbsttragende Untergruppe vor, die leicht gehandhabt und getestet werden kann, ohne beschädigt oder sonstwie nachteilig beeinflußt zu werden.

Danach wird die Untergruppe 26 im Kopfteil 12 untergebracht, indem die Anschlußleitungen 18 jeweils durch das ihnen zugeordnete Laschenpaar 56 der Klemmen 52 gefädelt werden, wie dies in Fig. 1 dargestellt ist. Der Abstand zwischen jeweils zwei Laschen eines Laschenpaars ist vorzugsweise genau gleich dem Durchmesser der Drähte 18, so daß die Untergruppe 26 reibschlüssig auf die Drähte 18 gepaßt wird und mit Abstand über der Bodenplatte 14 und ohne Kontakt zu den auf der Bodenplatte befindlichen Komponenten gehalten werden kann. Danach werden die Laschen 56 mit den Leitungen 18 verschweißt, wobei z.B. bekannte sogenannte Pinzetten-Schweißgeräte benutzt werden. Schließlich wird die Abdeckung 58 auf das obere Ende der Seitenwand 16 aufgesetzt und beispielsweise durch Schweißen dicht verschlossen.

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Claims

RCA Corporation, 30 Rockefeller Plaza,

New York, N.Y. 10020 (V.St.A.)

Patentansprüche:

4, Elektronisches Hybrid-Bauteil, bei dem mindestens auf einer Untergruppe mindestens ein Halbleiter-Chips befestigt ist, gekennzeichnet durch mindestens ein Bauelement (30) aus isolierendem Material mit mit Abstand voneinander angeordneten durchgehenden Öffnungen (32), in denen sich elektronische Komponenten (34) befinden, die sich über die Oberflächen des Bauelements (30) hinaus erstreckende Leitungsdrähte (44) aufweisen, durch zwei Schaltungskarten (36, 38), von denen mindestens eine auf einer Oberfläche ein Muster von Leitungswegen (40) sowie im Bereich zumindest einiger Leitungswege vorgesehene durchgehende Öffnungen (42) aufweist, wobei je eine Schaltungskarte (36 bzw. 38) auf einer Oberfläche des Bauelements (30) befestigt ist und die Leitungsdrähte (44) sich in die Kartenöffnungen (42) erstrecken und elektrisch mit den jeweils zugehörigen Leitungswegerf verbunden sind, durch Federklemmen (52), die die Schaltungskarten (36, 38) gegen das Bauelement (30) drücken und elektrisch mit verschiedenen Leitungswegen (40) verbunden sind, und durch Anschlußdrähte für das Bauteil, die mit zumindest einigen der Laschen (56) verbunden sind.
2. Verfahren zum Herstellen eines elektronischen Hybrid-Bauteils gemäß Anspruch 1, dadurch geken nz ei c h η e t , daß zum Aufbau der Untergruppe (26) verschiedene elektrische Kompnenten (34) in Öffnungen

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(32) mindestens eines isolierenden Bauelements (30) untergebracht, Leitungsdrähte (44) der Komponenten (34) durch Öffnungen (42) in Schaltungskarten (36, 38) geführt werden, die Leitungswege (40) aufweisen, durch die sich die öffnungen {42) erstrecken, daß die Schaltungskarten (36, 38) sodann gegen das Bauelement (30) gedrückt, die Drähte (44) mit den Leitungswegen (40) verlötet und danach Halbleiter-Chips (48) auf mindestens einer der Karten (36, 38) befestigt werden, daß sodann die Chips (48) mit den entsprechenden Leitungswegen (40) elektrisch verbunden und an den Leitungswegen (40) Außenanschlüsse (54) unter Verwendung von einen Lötvorgang nicht erforderlich machenden Verbindungsarten angebracht werden.

3· Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Andrücken der Schaltungskarten (36, 38) an das Bauelement (JO) mit Hilfe von Federklemmen (52) geschieht, die über die Außenkanten der Karten (36, 38) geschoben werden, daß das elektrische Verbinden der Chips (48) durch Schweißen feiner Drähte (50) zwischen die Chips (48) und die Leitungswege (40) durchgeführt wird, und daß die Außenanschlüsse durch Anschweißen von Anschlüssen an verschiedene Klemmen (52) vorgesehen werden.

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