Карта со встроенным кристаллом ис и полупроводниковый кристалл ис для применения в карте

 

Изобретение относится к карте со встроенным кристаллом ИС, с телом карты и множеством изготовленных из электрически проводящего материала контактных площадок, которые электрически соединены с контактными выводами, которые приданы в соответствие электронной схеме, выполненной на полупроводниковой подложке полупроводникового кристалла ИС. Контактные площадки изготовлены в форме структурированного покрытия на обращенной к электронной схеме поверхности полупроводникового кристалла ИС, причем изготовленный вместе с контактными площадками полупроводниковый кристалл ИС вставлен и закреплен в приемном отверстии тела карты так, что контактные площадки проходят в основном заподлицо с внешней поверхностью тела карты. Для обеспечения достаточно высокой механической гибкости толщина кремниевой подложки составляет предпочтительно меньше порядка 100 мкм. Технический результат - предложенное безмодульное изготовление карты со встроенным кристаллом ИС позволяет упростить конструкцию и одновременно обеспечить устойчивость к изгибным нагрузкам. 2 с. и 8 з.п.ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к карте со встроенным кристаллом ИС согласно ограничительной части пункта 1 формулы изобретения и к полупроводниковому кристаллу ИС, в частности, для применения в карте со встроенным кристаллом ИС согласно ограничительной части пункта 5 формулы изобретения.

Подобные карты со встроенным кристаллом ИС, а также полупроводниковые кристаллы ИС для применения в карте со встроенным кристаллом ИС известны, например, из книги "Справочник по картам со встроенными кристаллами ИС", Вольфганг Ранкль, Вольфганг Эффинг, издательство Карл Ханзер, Мюнхен, Вена, 1995. Согласно этому справочнику при изготовлении карт со встроенными кристаллами ИС вначале изготавливают так называемые модули кристалла ИС, представляющие собой промежуточные изделия, которые производятся как технологически законченные единицы и могут независимо перерабатываться дальше в конечные изделия. Под модулем кристалла ИС при этом понимается устройство, в котором на или в электрически изолирующем носителе расположена одна или несколько интегральных полупроводниковых схем в виде кристаллов ИС или интегральных схем, которые соединены через соединительные выводы с системой токопроводящих дорожек, предусмотренной на одной стороне или на обеих сторонах носителя, причем носитель представляет собой, как правило, гибкую пленку, на которой монтируется собственно кристалл ИС и на которой находятся в большинстве случаев позолоченные контактные площадки карты со встроенным кристаллом ИС.

При изготовлении такого модуля ИС в основном применяются две различные техники упаковки полупроводникового кристалла ИС на гибком ленточном носителе: а именно так называемая АСНЛ (автоматизированная сборка ИС на гибком ленточном носителе в виде пленки), а также техника присоединения проволочных выводов. В технике АСНЛ вначале на выводные площадки (Pads) кристалла ИС гальванически наносят металлические столбиковые выводы (Bumps), на которые затем припаивают токопроводящие дорожки гибкого ленточного носителя в виде пленки. Это паяное соединение выдерживает такую механическую нагрузку, что сам кристалл ИС больше не должен закрепляться, а только висит на токопроводящих дорожках. Преимущество способа АСНЛ лежит в способности выводов кристалла ИС выдерживать высокую механическую нагрузку и в малой конструктивной высоте модуля. Это преимущество должно, однако, покупаться более высокой ценой по сравнению с модулем с присоединением проволочных выводов.

В этом способе в качестве материала носителя опять-таки предусмотрена пластмассовая пленка, на передней стороне которой гальванически нанесены снабженные золотым покрытием контактные площадки. Для приема кристаллов ИС и проволочных соединений в ленточном носителе в виде пленки выштамповывают дырки. Кристалл ИС закрепляют затем в предусмотренной выштамповке с обратной стороны на токопроводящей дорожке (монтаж кристаллов ИС). Затем выводы кристаллов ИС соединяют тонкими проволочками (несколько микрон) с обратной стороной контактов. В заключение кристалл ИС и проволочные выводы защищают заливочной массой от воздействий окружающей среды. Преимущество этого способа лежит в том, что он приближается в значительной степени к обычному в полупроводниковой промышленности способу упаковки кристаллов ИС в стандартные корпуса и поэтому является более экономичным. Недостаток его заключается в том, что как конструктивная высота, так также длина и ширина модуля являются значительно большими, чем в модуле АСНЛ, поскольку не только кристалл ИС, но также и проволочные выводы должны защищаться заливочной массой. За счет этого, однако, увеличиваются проблемы при встраивании модулей кристаллов ИС в карты.

ЕР 0207852 А1 показывает модуль, который выполнен подобно модулю АСНЛ (модуль, смонтированный на гибком ленточном носителе в виде пленки). Полупроводниковый кристалл ИС там также содержит паяные столбиковые выводы, которые соединены с токопроводящими дорожками на гибком ленточном носителе в виде пленки. Во всяком случае токопроводящие дорожки там печатают посредством пуансона по типу способа глубокой вытяжки через выемки в гибком ленточном носителе, чтобы затем их можно было соединить с паяными столбиковыми выводами. Этот способ является, однако, очень сложным. Кроме того, паяные столбиковые выводы должны быть очень точно позиционированы, чтобы гарантировать чистое соединение с токопроводящими дорожками.

Из готового смонтированного пленочного носителя в виде пленки затем выштамповывают отдельные модули кристаллов ИС и встраивают в карту. В этом методе не имеет места непосредственное крепление полупроводникового кристалла ИС в карте, что имеет преимуществом, что силы изгиба, которые возникают при механической нагрузке карты, в значительной степени не доходят до полупроводникового кристалла ИС. Для всех до сих пор известных техник конструирования модулей или, соответственно, технологий корпусирования в секторе карт со встроенным кристаллом ИС является общей цель защитить интегральную схему от механической нагрузки вследствие изгибов или скручивания, которая вследствие хрупкости материала интегральной схемы может приводить к ее разрушению. Стандартная толщина интегральных схем или, соответственно, кристаллов ИС, применяемых в картах, составляет в настоящее время порядка 200 мкм. Модуль упругости кремния при этом имеет порядок величины 190•10³ Н/мм², поведение материала кремниевого кристалла таким образом является чрезвычайно хрупким. Защита корпусом чувствительного полупроводникового кристалла ИС вследствие необходимых при этом затрат на монтаж и материалы является интенсивной с точки зрения расходов и вследствие подлежащих выполнению только после изготовления интегральной схемы производственных и монтажных операций требует больших затрат времени.

В основе настоящего изобретения лежит задача предоставления в распоряжение более простого по сравнению с до сих пор известными модулями кристаллов ИС устройства с полупроводниковой интегральной схемой, которое является пригодным для применения в карте со встроенным кристаллом ИС и, в частности, удовлетворяет заданным для карт со встроенным кристаллом ИС изгибным нагрузкам.

Эта задача решается за счет карты со встроенным кристаллом ИС согласно п. 1 формулы изобретения и за счет полупроводникового кристалла ИС, в частности, для применения в карте со встроенным кристаллом ИС согласно пункту 5 формулы изобретения.

Согласно изобретению предусмотрено, что контактные площадки изготовлены в виде структурированного покрытия на обращенной к электронной схеме главной поверхности полупроводникового кристалла ИС и изготовленный вместе с контактными площадками полупроводниковый кристалл ИС вставлен и закреплен в приемном отверстии тела карты таким образом, что контактные площадки в основном проходят заподлицо с внешней поверхностью тела карты.

В основе изобретения при этом прежде всего замысел полностью отойти от изготавливаемого до сих пор всегда в виде промежуточного изделия модуля кристалла ИС и предложить безмодульное изготовление карты со встроенным кристаллом ИС, в которой полупроводниковый кристалл ИС непосредственно снабжен необходимыми контактными площадками, и имплантировать изготовленный вместе с контактными площадками полупроводниковый кристалл ИС непосредственно, то есть без каких-либо несущих или защитных пленок или тому подобных мер, защищающих полупроводниковый кристалл ИС от механической нагрузки, в тело карты. Относительно внешних размеров контактные площадки, предпочтительно изготовленные согласно существующим стандартам Международной организации по стандартизации ИСО, таким образом, полностью опираются полупроводниковой подложкой кристалла ИС или, соответственно, интегральной схемы; подложка обладает для этого в соответствии с исходящими из стандартов ИСО контактными площадками необходимой основной площадью, которая является значительно большей по сравнению с применяемыми до сих пор полупроводниковыми кристаллами ИС.

Этот недостаток, однако, более чем компенсируется следующими преимуществами, которые предлагает соответствующее изобретению решение. Во-первых, открывается возможность вместо требующего до сих пор больших затрат и времени монтажа изготавливать контактные площадки непосредственно после изготовления электронных схем, на ранней стадии изготовления, еще в матричной ИС неразделенных друг от друга полупроводниковых кристаллов ИС, предпочтительно способами нанесения покрытий, обычно применяемыми для осаждения и структурирования металлических слоев в технологии полупроводников. После распиливания или, соответственно, механического разделения отдельных полупроводниковых кристаллов ИС с соответствующим растром снабженный контактными площадками полупроводниковый кристалл ИС соединяют с телом карты посредством подходящих техник соединения, предпочтительно прочно закрепляют посредством клеящего или адгезионного материала внутри приемного отверстия тела карты. Для этого в принципе являются пригодными все известные в настоящее время техники имплатации, то есть, например, техника монтажа "горячим оплавлением", монтаж посредством цианакрилатного клея, монтаж посредством чувствительной к давлению клеящей пленки или другая физическая техника соединения.

Предпочтительно для выполнения приемного отверстия в готовых телах карт фрезеруют отверстие, в которое затем вклеивают снабженный контактными площадками полупроводниковый кристалл ИС. Изобретение, однако, является также применимым в картах, изготовленных способом ламинирования, при котором карты изготавливают посредством ламинирования различных пленок, защитных пленок и вводимых пленок, причем перед ламинированием в пленках выштамповывают подходящие отверстия и затем устанавливают полупроводниковый кристалл ИС и прочно сваривают полупроводниковый кристалл ИС с телом карты. Кроме того, соответствующее изобретению решение является пригодным для тел карт, которые изготавливают способом литья под давлением. Для этого все тело карты, включая гнездо для полупроводникового кристалла ИС, изготавливают в виде литой под давлением детали и вклеивают в нее полупроводниковый кристалл ИС.

Боковые размеры приемного отверстия тела карты, принимающего примерно с посадкой полупроводниковый кристалл ИС, определены требующейся функциональностью интегральной схемы или, соответственно, полупроводникового кристалла ИС и желательными или, соответственно, требуемыми согласно стандарту ИСО размерами контактных площадок. Особенно предпочтительная форма выполнения изобретения базируется на полупроводниковом материале кремнии, в частности кристаллическом кремнии. Кроме того, по причинам стоимости можно использовать другой экономичный полупроводниковый материал, который изготавливается идеальным образом с диаметром полупроводниковых пластин больше шести дюймов (примерно 150,6 мм).

В особенно предпочтительной форме выполнения изобретения предусмотрено, что толщина предпочтительно выполненной из кремния полупроводниковой подложки значительно меньше 200 мкм, предпочтительно порядка 150 мкм или меньше, в частности, предпочтительно порядка 100 мкм или меньше. Идеальным образом общая толщина кремниевой подложки составляет порядка 50-100 мкм. По сравнению с этим стандартная толщина имплантируемых до сих пор в карты полупроводниковых кристаллов ИС составляет в настоящее время порядка 200 мкм. При этом модуль упругости кремния имеет порядок величины 190•10³ Н/мм², поведение материала кремниевого кристалла таким образом является чрезвычайно хрупким. С уменьшением толщины кристалла ИС, однако, гибкость кремниевого кристалла ИС относительно изгиба увеличивается. Этот эффект еще более усиливается за счет способа утоньшения с обратной стороны после шлифования кремниевой полупроводниковой пластины, например, травлением повреждений. Вызванные шлифованием обратной стороны атомные дефекты полупроводникового кристалла ИС (дислокации и тому подобное), которые при изгибных нагрузках при известных обстоятельствах резко усиливают вероятность разрушения кристалла, практически исключаются за счет последующего травления обратной стороны кристалла ИС на примерно 4-7 мкм.

В другой предпочтительной форме выполнения изобретения может быть предусмотрено, что на несущей электронную схему главной поверхности полупроводниковой подложки нанесен тонкий изолирующий слой, на котором осаждены контактные площадки в виде структурированного покрытия. При этом общая толщина электрически проводящего покрытия для контактных площадок предпочтительно составляет порядка 30-50 мкм.

Таким образом, предпочтительная конструкция снабженного контактными площадками полупроводникового кристалла ИС для применения в карте со встроенным кристаллом ИС отличается тем, что непосредственно на полупроводниковой подложке со структурированной поверхностью с компонентами для электронной схемы и металлизацией контактных выводов нанесен тонкий слой из материала с диэлектрическими свойствами, в котором выпущены площадки контактных выводов. По выбору можно также наносить стойкий промежуточный слой. Выше диэлектрика наносят электрически проводящий слой, контактные площадки которого соединены с площадками контактных выводов и которые электрически изолированы относительно друг друга в простейшем случае воздушными промежутками. Контактные площадки при этом удовлетворяют соответствующему стандарту ИСО (инструкция ИСО 7810-2). По выбору электрически проводящий слой, однослойный или многослойный, может состоять из благородного металла, например золота, AuCo, NiP/Au, твердого никеля/золота или других подходящих материалов, причем внешний слой может выбираться со стороны материала в смысле хороших трибологических свойств и улучшенной коррозионной стойкости, например тонкий, примерно толщиной 2 мкм электрически проводящий карбоновый лак с хорошими механическими прочностными свойствами.

Дальнейшие признаки, преимущества и целесообразные формы выполнения изобретения следуют из описания примера выполнения с помощью чертежей, на которых показано: Фигура 1 - схематический вид в сечении карты со встроенным кристаллом ИС, с телом карты и с закрепленным в приемном отверстии тела карты, снабженным контактными площадками полупроводниковым кристаллом ИС согласно примеру выполнения изобретения и Фигура 2 - зависимость напряжения изгиба от радиуса изгиба основного кремниевого материала при некоторых выбранных толщинах кремниевого материала.

Выполненное не в масштабе схематичное представление согласно Фигуре 1 показывает вырез карты со встроенным кристаллом ИС с телом карты 1 с обычно употребляемыми размерами 85 мм•54 мм•1 мм и изготовленным фрезерованием приемным отверстием 2, в котором снабженный контактными площадками 3 полупроводниковый кристалл ИС 4 посредством клея 5 прочно закреплен таким образом, что внешние поверхности 6 контактных площадок 3 в основном проходят заподлицо с внешней поверхностью 7 тела карты 1.

Полупроводниковый кристалл ИС 4 содержит кремниевую подложку толщиной 40 мкм, на которой посредством операций обычно употребляемой технологии полупроводников изготовлены необходимые для выполнения электронной схемы компоненты или, соответственно, структуры, причем эти компоненты имеют конструктивную высоту порядка 10 мкм. Обычно компоненты или, соответственно, структуры для выполнения электронной схемы покрыты защитным слоем Si₃N₄ толщиной порядка 3 мкм. На Фигуре 1 названные структуры и слой Si₃N₄ для простоты схематично представлены только в виде одного слоя и снабжены ссылочной позицией 8. После выполнения металлизации для изготовления контактных выводов 11 (Pads) осаждают тонкий изолирующий слой 9 из диэлектрического материала толщиной 20 мкм, в котором оставлены пропуски в местах контактных выводов 11. На выполненной таким образом поверхности осаждено тонкое металлическое покрытие 12, которое структурируют известным из технологии полупроводников способом литографии для изготовления взаимно электрически изолированных контактных площадок 3. Таким образом, каждая контактная площадка 3 электрически соединена с соответствующим контактным выводом 11 электронной схемы.

Фигура 2 показывает зависимость напряжения изгиба σ_B от радиуса изгиба r_в при некоторых выбранных толщинах кремниевого основного материала. Можно видеть, что при толщинах подложки полупроводникового кристалла ИС меньше, чем 100 мкм, кристалл ИС уже является настолько гибким относительно изгиба и скручивания, что он может выдерживать механические требования ИСО без дополнительной защиты корпусом. Исследования изобретателей показали, что также при таких малых толщинах кристалла ИС можно изготавливать интегральные схемы с достаточным выходом годных изделий.

В заключение можно сказать, что с помощью решения, соответствующего изобретению, удалось создать простую в изготовлении безмодульную интегральную схему для применения в обычно употребляемой карте со встроенным кристаллом ИС, причем не требуются никакие сложные операции процесса в так называемой конечной стадии изготовления; одновременно можно сэкономить связанные, как правило, с большими расходами разработки особых корпусов или, соответственно, средств упаковки для желаемого применения, и при этом имеет место высокая экономичность при значительном снижении необходимых затрат на логистику на стороне изготовителя карт с встроенными кристаллами ИС.

Формула изобретения

1. Карта со встроенным кристаллом ИС, с телом карты и множеством выполненных из электрически проводящего материала контактных площадок, которые электрически соединены с контактными выводами, которые приданы в соответствие электронной схеме, выполненной на полупроводниковой подложке полупроводникового кристалла ИС, отличающаяся тем, что контактные площадки изготовлены в виде структурированного покрытия на обращенной к электронной схеме поверхности полупроводникового кристалла ИС так, что контактные площадки полностью опираются на полупроводниковую подложку полупроводникового кристалла ИС, а изготовленный вместе с контактными площадками полупроводниковый кристалл ИС вставлен в приемное отверстие тела карты и закреплен так, что контактные площадки проходят в основном заподлицо с внешней поверхностью тела карты.

2. Карта со встроенным кристаллом ИС по п. 1, отличающаяся тем, что несущий на своей поверхности контактные площадки кристалл ИС прочно закреплен посредством клеящего или адгезионного материала внутри приемного отверстия тела карты.

3. Карта со встроенным кристаллом ИС по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что толщина состоящей предпочтительно из кремния полупроводниковой подложки для повышения гибкости значительно меньше 200 мкм, предпочтительно порядка 150 мкм или меньше, в частности предпочтительно порядка 100 мкм или меньше.

4. Карта со встроенным кристаллом ИС по любому из пп. 1-3, отличающаяся тем, что на несущую электронную схему поверхность полупроводниковой подложки нанесен тонкий изолирующий слой, на котором осаждены контактные площадки в форме структурированного покрытия.

5. Полупроводниковый кристалл ИС с контактными выводами, которые приданы в соответствие электронной схеме, выполненной на полупроводниковой подложке полупроводникового кристалла ИС, отличающийся тем, что электрически соединенные с контактными выводами контактные площадки изготовлены в форме структурированного покрытия на обращенной к электронной схеме поверхности полупроводникового кристалла ИС так, что контактные площадки полностью опираются на полупроводниковую подложку полупроводникового кристалла ИС.

6. Полупроводниковый кристалл ИС по п. 5, отличающийся тем, что на несущую электронную схему поверхность полупроводниковой подложки нанесен тонкий изолирующий слой, на котором осаждены контактные площадки в форме структурированного покрытия.

7. Полупроводниковый кристалл ИС по п. 5 или 6, отличающийся тем, что толщина предпочтительно состоящей из кремния полупроводниковой подложки для повышения гибкости составляет значительно меньше 200 мкм, предпочтительно порядка 150 мкм или меньше, в частности предпочтительно порядка 100 мкм или меньше.

8. Полупроводниковый кристалл ИС по п. 7, отличающийся тем, что толщина предпочтительно состоящей из кремния полупроводниковой подложки составляет порядка 50-100 мкм.

9. Полупроводниковый кристалл ИС по любому из пп. 5-8, отличающийся тем, что общая толщина электрически проводящего покрытия для контактных площадок составляет порядка 30-50 мкм.

10. Полупроводниковый кристалл ИС по любому из пп. 5-9, отличающийся тем, что электрически проводящее покрытие для контактных площадок состоит из множества электрически проводящих слоев.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2