DE68923512T2

DE68923512T2 - Gitterartige Steckerstift-Anordnung für einen paketförmigen integrierten Schaltkreis.

Info

Publication number: DE68923512T2
Application number: DE68923512T
Authority: DE
Inventors: James L Hayward; John Hunter; Paul J Sokolovsky
Original assignee: Advanced Micro Devices Inc
Current assignee: Advanced Micro Devices Inc
Priority date: 1988-09-19
Filing date: 1989-09-12
Publication date: 1996-03-07
Anticipated expiration: 2009-09-13
Also published as: ATE125395T1; US4916523A; JPH02122557A; EP0360485B1; EP0360485A2; JP2711263B2; EP0360485A3; DE68923512D1

Description

Die Erfindung betrifft im allgemeinen das Packen integrierter Halbleiterschaltungen und insbesondere eine integrierte Pinmatrix-Schaltungspackung mit einer verbesserten elektrischen Anschlußeinrichtung zur Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen Anschlußpads an den äußeren Enden einer auf einer Kunststoffolienschaltung ausgebildeten metallisierten Leiterzugstruktur und auf einem Packungssubstrat befindlichen Anschlußpinenden.
Aufgrund des zunehmenden kommerziellen Bedarfs an hochdichten Packungen für Großintegrationen (LSI-Vorrichtungen) wurde in der Industrie eine allgemeine Anordnung entwickelt, die in Fachkreisen als integrierte Pinmatrix(PGA)-Schaltungspackung bezeichnet wird. Die integrierte PGA-Schaltungspackung weist im allgemeinen ein Packungssubstrat mit rechteckiger oder quadratischer Form auf. Mehrere metallische Anschlußpins erstrecken sich von der Unterseite des Packungssubstrats nach außen und können geringfügig über die Oberseite derselben hinausragen. Die Größe der integrierten Schaltungpackung variiert in Abhängigkeit von der Zahl der Anschlußpins, die zwischen 68 und 410 betragen kann. Die mehreren Anschlußpins sind in Reihen und Spalten zu einer Matrixanordnung angeordnet.
Zur Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen dem Halbleiterchip und Anschlußpins des Packungssubstrats weist die integrierte PGA-Schaltungspackung typischerweise ferner eine Kunststoffolienschaltung auf, deren Unterseite mit einer metallisierten Leiterzugstruktur versehen ist. Die metallisierte Leiterzugstruutur besteht aus mehreren voneinander beabstandeten leitfähigen Pfaden, die an ihren äußeren Enden in voneinander beabstandeten metallischen Anschlußpads enden. Die Anschlußpads befinden sich in Ausrichtung oder Übereinstimmung mit den geringfügig vorstehenden Anschlußpinenden des Packungssubstrats. Die permanente mechanische Verbindung wurde bisher in automatischen Vorrichtungen durch eine Vielzahl herkömmlicher metallurgischer Verbondungsverfahren erreicht, beispielsweise durch Laserschweißen, Ultrasehallschweißen oder dergleichen.
Mit zunehmender Zahl der Anschlußpins in der integrierten PGA-Schaltungspackung steigen auch die Kosten für die automatischen Vorrichtungen, die zum Durchführen solcher metallurgischer Verbondungsverfahren erforderlich sind. Um zuverlässige Verbondungen zu schaffen, ist eine genaue Ausrichtung der Anschlußpads auf die entsprechenden geringfügig vorstehenden Anschlußpinenden erforderlich. Angesichts der großen Zahl von zu verbondenden Anschlußpads besteht eine erhöhte Wahrscheinlichkeit, daß wenigstens eine oder mehrere der Verbondungen schadhaft ist, wodurch die montierte PGA-Packung unbrauchbar wird. Wenn die schadhaften Verbondungen repariert werden sollen, so ist hierzu ein erheblicher Bearbeitungsaulwand erforderlich, der zusätzliche Arbeitskosten und damit erhöhte Herstellungskosten erfordert.
Es besteht daher Bedarf an einer integrierten Pinmatrix-Schaltungspackung mit einer verbesserten elektrischen Verbindungseinrichtung zum Herstellen der elektrischen Verbindung zwischen den Anschlußpads und den Anschlußpinenden.
EP-A-0 272 390 offenbart eine Packung für einen Halbleiterchip, bei der die Anschlußpins mit einer auf einem Verdrahtungssubstrat ausgebildeten Verdrahtungsschicht durch Lötmaterial oder ein ähnliches Verbindungsmaterial verbunden sind.
Das IBM Technical Disclosure Bulletin Vol. 30, No. 9, S. 353 und 354, offenbart eine undirektionale elektrisch leitende Schicht zum Verbinden der Anschlußpads eines VLSI- Chips mit den Pinenden auf dem den Chip tragenden Substrat.
Die zu beschreibende integrierte PGA-Schaltungspackung weist eine verbesserte elektrische Verbindungseinrichtung auf, die relativ einfach und wirtschaftlich herzustellen und zu montieren ist und dennoch die Nachteile der bekannten PGA-Packungen überwindet.
Insbesondere wird im folgenden eine verbesserte elektrische Verbindungseinrichtung zum Herstellen einer elektrischen Verbindung zwischen Anschlußpads an den äußeren Enden einer auf einer Kunststoffolienschicht ausgebildeten metallisierten Leiterzugstruktur und auf einem Packungssubstart befindlichen Anschlußpinenden beschrieben.
Dies eliminiert vorteilhafterweise die Notwendigkeit der präzisen Ausrichtung der Anschlußpads und der Anschlußpinenden.
Ferner ist die Reparatur und/oder das Ersetzen von Komponenten vereinfacht.
Die Packung weist ein unidirektional elektrisch leitendes Elastomermaterial auf, das eine elektrische Verbindung zwischen den Anschlußpads und den entsprechenden Anschlußpinenden herstellt.
Es wird eine integrierte Pinmatrix-Schaltungspackung beschrieben, mit: einem Packungssubstrat von im wesentlichen rechteckiger Form mit einer Ober- und einer Unterseite; mehreren metallischen Aiischlußpins, die sich von der Unterseite des Packungssubstrats aus erstrecken und zur Bildung von Anschlußpinenden geringfügig über die Oberseite ragen; einer Kunststoffolienschicht mit einem mittig angeordneten Halbleiterchip, wobei die Folienschicht und der Chip über dem Packungssubstrat angeordnet sind, und wobei die Folienschicht eine auf ihrer Unterseite aufgebrachte metallisierte Leiterzugstruktur aufweist, die an ihren äußeren Enden in voneinander beabstandeten Anschlußpads aus Metall endet, welche im wesentlichen vertikal mit den jeweiligen Anschlußpinenden ausgerichtet sind; gekennzeichnet durch eine zwischen dem Substrat und der Kunststoffolienschicht angeordnete unidirektional elektrisch leitende Elastomerschicht zur Verbindung mit den Anschlußpinenden und den metallischen Anschlußpads, wobei das die Schicht bildende Elastomermaterial nur im komprimierten Zustand leitend ist, und durch eine Einrichtung zum Zusammendrücken der Elastomerschicht wischen den Anschlußpinenden uud den metallischen Anschlußpads, um infolge des Drucks elektrisch leitende Pfade nur in vertikaler Richtung zwischen den Anschlußpinenden und den Anschlußpads zu bilden.
Vorzugweise weist die Unterseite jedes Anschlußpins einen Ansatz zum Erzeugen einer druckbeaufschlagten Kontaktstelle in der Elastomerschicht auf. Vorteilhafterweise weist die Elastomerschicht eine Bahn aus einem Elastomermaterial mit elektrisch leitenden Metallpartikeln auf. Die Zusammendrückeinrichtung weist eine über der Folienschicht und dem Halbleiterchip angeordnete Isolierschicht und ein Abdeckteil von im wesentlichen rechtwinkliger Form auf, das über der Isolierschicht angeordnet ist. Das Packungssubstrat kann aus einem thermoplastischen Material bestehen, in das die Anschlußpins vergossen sind. Vorzugsweise besteht das Abdeckteil aus thermoplastischem Material und ist mit dem Kunststoffsubstrat verbunden.
Während der Herstellung werden die Isolierschicht und das Abdeckteil zum Drücken der Anschlußpads und der Elastomerschicht an die Anschlußpinenden verwendet, um so die elektrische Verbindung zwischen den Anschlußpads und den jeweiligen Anschlußpinenden durch die Elastomerschicht zu bewirken.
Die zugehörigen Zeichnungen zeigen als Beispiel:
Figur 1 - eine Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen integrierten PGA- Schaltungspackung;
Figur 2 - eine Draufsicht auf die PGA-Packung von Figur 1 entlang der Linie 2-2, wobei die Anschlußpadstruktur der Folienschaltung dargestellt ist; und
Figur 3 - eine vergrößerte Darstellung des eingekreisten Bereichs A der Figur 1.
Figur 1 zeigt eine Schnittdarstellung einer integrierten Pinmatrix(PGA)- Schaltungspackung 10. Die integrierte PGA-Schaltungspackung 10 weist eine Basiseinheit 12, eine elektrisch leitende Schicht 14, eine Kunststoffolienschaltung 16, einen integrierten Halbleiterschaltungschip 18, eine Isolierschicht 20 und ein Abdeck- oder Deckelteil 22 auf.
Die Basiseinheit 12 bildet ein Packungssubstrat mit im wesentlichen rechteckiger oder quadratischer Form und besteht vorzugsweise aus thermoplastischem Material, um beim Gießen, beispielsweise mittels herkömmlicher Spritzgießvorrichtungen, mehrere metallische Anschlußpins 24 aufzunehmen. Die Aiischlußstifte 24 erstrecken sich von der Unterseite 26 des Packungssubstrats 12 aus und ragen geringfügig über die Oberseite 28 des Substrats vor, um Anschlußpinenden oder -stellen 30 zu schaffen. Die Abmessungen der vier Seiten des Packungssubstrats 12 variieren je nach Zahl der Anschlußpins 24, die zwischen 68 und 410 betragen kann. Die mehreren Anschlußpins 24 sind auf allen vier Seiten des rechtwinkligen Packungssubstrats 12 in Form von Reihen und Spalten zur Bildung einer Matrixanordnung vorgesehen.
Die elektrisch leitende Schicht 14 ist konform mit dem Packungssubstrat 12 ausgebildet, so daß die leitende Schicht 14 über die Anschlußpinenden 30 paßt, die innerhalb der vier Seiten des Substrats 12 geringfügig über dessen Oberseite 28 hinausragen. Die elektrisch leitende Schicht 14 weist eine flache Bahn aus einem Elastomermaterial auf, die elektrisch leitende Partikel enthält. Die Leiterpfade des in der Erfindung verwendeten elektrisch leitenden Elastomers 14 werden durch Zusammendrücken des Elastomers gebildet, um so eine unidirektionale Leitfähigkeit zu erreichen. In dem vorliegenden Beispiel verläuft die gewünschte Leitfähigkeit in Z-Richtung quer zur x-y-Ebene der elektrisch leitenden Elastomerschicht 14. Solche unidirektional elektrisch leitenden Bahnen sind von Chomerics, Woburn, Massachussetts, unter der Teilenummer Chonector 171C erhältlich.
Die Folienschaltung 16 weist eine Kunststoffolienschicht mit einer auf der Unterseite der Kunststoffschicht aufgebrachten metallisierten Leiterzugstruktur auf. Die Außenenden der metallisierten Leiterzugstruktur enden an voneinander beabstandeten metallisierten Anschlußpads 32 (Figuren 2 und 3). Die Anschlußpadstruktur der Folienschaltung 16 ist am besten aus der Figur 2 der Zeichnungen ersichtlich. Wie in Figur 3 dargestellt, sind die Anschlußpads 32 derart angeordnet, daß sie sich in im wesentlichen vertikaler Ausrichtung oder Deckung über den entsprechenden geringfügig aus dem Packungssubstrat 12 ragenden Anschlußpinenden 30 befinden. Die metallisierte Leiterzugstruktur weist mehrere (nicht dargestellte) Kupferleiterzüge oder -leitungen auf, die sich von den Anschlußpads 30 nach innen zu einem äußeren Leitungsverbondungsbereich eines Leiterverbondungsrahmens erstrecken, um eine elektrische Verbindung mit dem Chip 16 herzustellen.
Die Kunststoffolienschaltung 16 weist eine Mittelöffnung 34 zur Aufnahme des Halbleiterchips 18 auf. Die metallischen Anschlußpads 32 sind auf der Unterseite vorzugsweise mit einer Erhebung oder einem Vorsprung 36 versehen. Der Vorsprung 36 begrenzt eine relativ kleine Druckkontaktfläche zum Bewirken einer Konzentration von Kraft auf die undirektional elektrisch leitende Elastomerschicht 14 während der Montage.
Die Isolierschicht 20 dient als Abstandhalter zwischen der Kunststoffolienschaltung 16 und dem Abdeckteil 22. Die Isolierschicht 20 weist ebenfalls eine Miffelöffnung 38 zur Aufnahme des Chips 18 auf. Das Abdeckteil oder der Deckel 22 ist entsprechend der Ausbildung des Packungssubstrats 12 im wesentlichen rechtwinklig. Das Abdeckteil 22 kann vorteilhafterweise ebenfalls aus einem thermoplastischen Material gebildet sein und weist Seitenflansche 40 auf, die hermetisch versiegelt oder mit dem Packungssubstrat 12 verbondet werden können, um gegen die Umgebung abzuschließen. Das Verbonden des Abdeckteils 22 mit dem Packungssubstrat 12 kann durch eine beliebige Zahl herkömmlicher Verfahren erfolgen, beispielsweise durch Wärmeverbondung, Ultraschailschweißen oder Klebeverbondung mittels eines Epoxy-Klebers.
Bei der Montage kann der Halbleiterchip 18 zunächst durch ein bekanntes automatisches Folienverbondungsverfahren an der Kunststoffolienschaltung 16 angebracht werden, um die elektrische Verbindung zwischen dem die elektrischen Schaltungen aufweisenden Chip und den Anschlußpads 32 der metallisierten Leiterzugstruktur herzustellen. Die elektrisch leitende Elastomerschicht 14 wird auf die Oberseite des Packungssubstrats 12 gelegt und liegt direkt auf den in dem Substrat ausgebildeten, geringfügig vorstehenden Anschlußpinenden 30. Die Elastomerschicht 13 enthält die elektrisch leitenden Metallpartikel, die in Z-Richtung vertikal ausgerichtet sind.
Die zusammengefügten Chip und Folienschaltung werden anschließend auf der Oberseite der Elastomerschicht l 4 angeordnet. Danach wird die Isolierschicht 20 über der Folienschaltung 16 angeordnet und umgibt den Umfangsrand des Chips 18. Das Abdeckteil 22 wird anschließend über der Isolierschicht 20 angeordnet und in Richtung des Pfeils A nach unten gedrückt. Infolgedessen wird die elektrisch leitende Elastomerschicht 14 zusammengedrückt, um druckbeaufschlagte Kontaktbereiche oder - stellen zu schaffen, wodurch eine elektrische Verbindung zwischen jedem der Anschlußpads 32 der metaliisierten Leiterzugstruktur und den entsprechenden Anschlußpinenden 30 des Packungssubstrats 12 hergestellt wird. Schließlich werden die unteren Enden der Flansche 40 des Abdeckteils 22 in dem Bereich B in geeigneter Weise mit dem Substrat verbondet.
Aus der vorhergehenden Beschreibung ergibt sich somit, daß das zuvor beschriebene Ausführungsbeispiel eine integrierte PGA-Schaltungspackung, die leicht herstellbar und montierbar ist, und eine verbesserte elektrische Verbindung zwischen den Anschlußpads der metallisierten Leiterzugstruktur und den Anschlußpinenden des Packungssubstrats schafft. Daher entfällt der bekannte Prozeß zur permanenten mechanischen Verbondung (d. h. metallurgisches Verbonden) zur Herstellung der elektrischen Verbindung zwischen den Anschlußpads und den Anschlußpinenden. Diese Verbesserung geschieht durch die Verwendung der unidirektional (Z-Richtung) elektrisch leitenden Elastomerschicht, die zwischen den Anschlußpads und den Anschlußpinenden angeordnet ist. Bei der Montage werden die Anschlußpads, die Elastomerschicht und die Anschlußpinenden zusammengedrückt, wodurch die elektrische Verbindung zwischen den Anschlußpads und den entsprechenden Anschlußpinenden über die Elastomerschicht erfolgt.
Wie am besten aus der Figur 3, die die zusammengesetzte PGA-Chippackung zeigt, ersichtlich, bestehen aufgrund der während des Zusammenfügens erzeugten, mit erhöhtem Druck beaufschlagten Kontaktstellen nur in vertikaler Richtung zwischen jedem der Anschlußpads und den jeweiligen vertikal dazu ausgerichteten Anschlußpinenden Leiterpfade. Infolgedessen ist die Leitfähigkeit zwischen benachbarten Anschlußpinenden im wesentlichen null. Angesichts dessen besteht eine geringere Notwendigkeit für eine genaue Ausrichtung zwischen den Anschlußpads und den Anschlußpinenden, wodurch die Wahrscheinlichkeit eines korrekten elektrischen Kontakts erhöht ist.
Wenn ein Chip oder eine Folienschaltung schadhaft ist, kann das Abdeckteil 22 durch herkömmliche Einrichtungen von dem Packungssubstrat 12 entfernt werden und der Chip und die Folienschaltung können abgehoben werden und durch einen neuen Chip oder eine neue Folienschaltung ersetzt werden. Schließlich wird das Ab'deckteil 22 wieder mit dem Packungssubstrat verbondet. Somit ist der Reparaturvorgang erheblich vereinfacht und die Kosten werden durch die Tatsache verringert, daß die Anschlußpads nicht permanent mit den Anschlußpinenden verbondet sind.
Im Vorangehenden wurde das gegenwärtig als bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung erachtete Ausführungsbeispiel beschrieben, jedoch ist für den Fachmann ersichtlich, daß zahlreiche Veränderungen und Modifikationen vorgenommen und Elemente der Erfindung durch Äquivalente ersetzt werden können, ohne den Rahmen der Ansprüche zu verlassen. Darüber hinaus können zahlreiche Modifikationen vorgenommen werden, um eine besondere Situation oder ein Material an die Lehren der Erfindung anzupassen, ohne den Rahmen der Ansprüche zu verlassen. Es ist daher beabsichtigt, daß die Erfindung nicht als auf das besondere als beste Art der Ausführung der Erfindung angesehene Beispiels beschränkt zu verstehen ist, sondern sämtliche in den Rahmen der beigefügten Ansprüche fallenden Ausführungsbeispiele einschließt.

Claims

1. Integrierte Pinmatrix-Schaltungspackung mit:

- einem Packungssubstrat (12) von im wesentlichen rechteckiger Form mit einer Ober- und einer Unterseite;

- mehreren metallischen Anschlußpins (24), die sich von der Unterseite des Packungssubstrats (12) aus erstrecken und zur Bildung von Anschlußpinenden (30) geringfügig über die Oberseite ragen;

- einer Kunststoffolienschicht (16) mit einem mittig angeordneten Halbleiterchip (18), wobei die Folienschicht und der Chip über dem Packungssubstrat (12) angeordnet sind, und wobei die Folienschicht (16) eine auf ihrer Unterseite aufgebrachte metallisierte Leiterzugstruktur aufweist, die an ihren äußeren Enden in voneinander beabstandeten Anschlußpads (32) aus Metall endet, welche im wesentlichen vertikal mit den jeweiligen Anschlußpinenden (30) ausgerichtet sind;

gekennzeichnet durch eine zwischen dem Substrat (12) und der Kunststoffolienschicht (16) angeordnete unidirektional elektrisch leitende Elastomerschicht (14) zur Verbindung mit den Anschlußpinenden (30) und den metallischen Anschlußpads (32), wobei das die Schicht (14) bildende Elastomermaterial nur im komprimierten Zustand leitend ist, und durch eine Einrichtung (20, 22) zum Zusammendrücken der Elastomerschicht (14) zwischen den Anschlußpinenden (30) und den metallischen Anschlußpads (32), um infolge des Drucks elektrisch leitende Pfade nur in vertikaler Richtung zwischen den Anschlußpinenden (30) und den Anschlußpads (32) zu bilden.

2. Chippackung nach Anspruch 1, bei der die Unterseite jedes Anschlußpads (32) einen Ansatz (36) zum Erzeugen einer druckbeaufschlagten Kontaktstelle in der Elastomerschicht (14) aufweist.

3. Chippackung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Elastomerschicht (14) eine ebene Bahn aus einem Elastomermaterial mit elektrisch leitenden Metallpartikeln aufweist.

4. Chippackung nach den Ansprüchen 1, 2 oder 3, bei der die Zusammendrückeinrichtung eine über der Folienschicht (16) und dem Halbleiterchip (18) angeordnete Isolierschicht (20) und ein Abdeckteil (22) von im wesentlichen rechtwinkliger Form aufweist, das über der Isolierschicht (20) angeordnet ist.

5. Chippackung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der das Packungssubstrat (12) aus einem thermoplastischen Material besteht, in das die Anschlußstifte (24) vergossen sind.

6. Chippackung nach Anspruch 4, bei der das Abdeckteil (22) aus thermoplastischem Material besteht und mit dem Kunststoffsubstrat (12) verbunden ist.