Корпус для монтажа кристалла интегральной схемы и способ ее монтажа

 

Изобретения относятся к области монтажа в корпус кристаллов интегральных схем. Корпус включает в себя кристаллодержатель, который имеет металлическую подложку, включающую в себя первую и вторую противоположные лицевые поверхности. По крайней мере, на одной из лицевых поверхностей предусмотрено диэлектрическое покрытие, на котором расположены электрические схемы, включающие в себя монтажные площадки кристалла, контактные площадки и схемные дорожки, соединяющие монтажные площадки кристалла с контактными площадками. На лицевой поверхности металлической подложки, на которой имеется диэлектрическое покрытие, путем монтажа методом перевернутого кристалла или монтажа проволочных выводов, или монтажа путем приклеивания смонтирован кристалл ИС. В любом случае кристалл ИС электрически соединен с монтажными площадками кристалла либо с помощью капель припоя, либо с помощью проволочных соединений. Из контактных площадок на кристаллодержателе выходят электрические выводы и соединяются с соответствующими площадками на схемной плате или на чем-либо подобном для выдачи сигналов ввода-вывода для кристалла ИС. Техническим результатом изобретений являются улучшенные свойства теплопередачи и хорошие электрические свойства кристаллодержателя, включая плавающую плоскость заземления. 2 с. и 10 з.п. ф-лы, 6 ил.

Область техники, к которой относится изобретение Изобретение относится, в основном, к монтажу в корпус кристаллов интегральных схем (ИС) на кристаллодержателях для монтажа на схемных платах, а более конкретно - к способу получения опор кристаллов и держателей для так называемой конфигурации плоского корпуса с планарными выводами.

Предпосылки к созданию изобретения Известен держатель для монтажа кристаллов, который применяется в течение многих лет, - это металлизированная керамическая конструкция плоского корпуса с планарными выводами. Хотя керамика обладает многими полезными особенностями, при ее использовании имеются определенные недостатки. Например, у керамики, в частности, недостаточно хорошие свойства удельной теплопроводности, и поэтому она часто требует применения новых способов для отвода тепла. Кроме того, керамика требует аккуратного обращения, особенно перед обжигом, чтобы предотвратить поломку. Более того, керамика требует проведения нескольких операций для формования необходимого керамического держателя, что приводит к довольно высокой стоимости.

Были предприняты попытки заменить керамические держатели органическим держателем, например, из эпоксидной смолы со стеклянным наполнителем, и этот держатель имеет характеристики, аналогичные характеристикам схемной платы, т. е. тот же материал. Хотя некоторые из недостатков керамического держателя и преодолены, все же у таких держателей остаются определенные недостатки, например относительно низкая удельная электропроводность и некоторые технологические проблемы при формировании требуемых схем из элементов уменьшенных размеров на поверхности держателя для соединения с расположенным на нем кристаллом и передачи сигналов на схемную плату и от нее.

Поэтому принципиальная задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы разработать корпус для монтажа кристалла интегральной схемы на схемную плату, который включает в себя кристаллодержатель, имеющий улучшенные свойства теплопередачи и хорошие электрические свойства, включая плавающую плоскость заземления.

Сущность изобретения Согласно настоящему изобретению разработан корпус для монтажа кристалла интегральной схемы на схемную плату или что-либо подобное. Корпус включает в себя кристаллодержатель, который имеет металлическую подложку, включающую в себя первую и вторую противоположные лицевые поверхности. Металлическая подложка предпочтительно выполнена из медного материала, плакированного хромом с одной или обеих ее сторон. По меньшей мере на одной из лицевых поверхностей предусмотрено диэлектрическое покрытие, которое предпочтительно является полиимидом. Диэлектрическое покрытие имеет толщину предпочтительно менее чем около 20 микрон и предпочтительно имеет диэлектрическую проницаемость от около 3,5 до около 4,0. На диэлектрическом покрытии расположены электрические схемы, включающие в себя монтажные площадки кристалла, контактные площадки и схемные дорожки, соединяющие монтажные площадки кристалла с контактными площадками.

Кристалл ИС монтируют на лицевой поверхности металлической подложки, на которой имеется диэлектрическое покрытие. Этот монтаж можно осуществлять либо методом перевернутого кристалла с помощью припоя для механического и электрического межсоединения, либо методом приклеивания кристалла к плате и использования проволочных электрических соединений. В любом случае кристалл ИС электрически соединен с монтажными площадками кристалла посредством либо капли припоя, либо проволочных соединений. Электрические выводы, отходящие от контактных площадок на кристаллодержателе, соединены с соответствующими площадками на схемной плате или на чем-либо подобном для обеспечения сигналов ввода-вывода для кристалла ИС. В некоторых конкретных вариантах осуществления к кристаллодержателю могут быть прикреплены дополнительные теплоотводы, кроме того, в некоторых конкретных вариантах осуществления кристаллы могут быть смонтированы на обеих сторонах кристаллодержателя, чтобы увеличить вместимость кристаллодержателя.

Краткое описание чертежей Сущность иллюстрируется ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых: фиг. 1 - несколько схематический вид снизу, на котором некоторые части срезаны для ясности, участка корпуса кристалла интегральной схемы и кристаллодержателя, фиг. 2 - продольный разрез кристалла и кристаллодержателя, показанных на фиг.1, изображающий корпус, установленный на схемную плату, фиг. 3 - продольный разрез еще одного конкретного варианта осуществления корпуса, соответствующего настоящему изобретению, установленного на схемную плату, фиг. 4 - продольный разрез еще одного конкретного варианта осуществления настоящего изобретения, в котором используется дополнительный теплоотвод, фиг.5 - продольный разрез еще одного конкретного варианта осуществления, соответствующего настоящему изобретению, в котором также используется дополнительный теплоотвод, но другой конфигурации, и
фиг. 6 - продольный разрез конкретного варианта осуществления настоящего изобретения, в котором используются кристаллы на обеих сторонах держателя, а также используется дополнительный теплоотвод.

Описание предпочтительных конкретных вариантов осуществления
На фиг. 1 и 2 изображен один конкретный вариант осуществления корпуса кристалла интегральной схемы (ИС), установленного на схемную плату в соответствии с настоящим изобретением.

Корпус включает в себя кристаллодержатель, обозначенный как единое целое позицией 10, который включает в себя металлическую подложку 12. Металлическая подложка предпочтительно является медным сердечником 14, имеющим хром 16 и 18, нанесенный на его противоположные лицевые поверхности. Однако, как будет описано, можно использовать и другие металлы, например чистую медь, инвар, медь-инвар-медь (М-И-М) и другие такие материалы. Например, предпочтительным материалом является медь, плакированная хромом, поскольку этот материал является исключительно хорошим электрическим проводником и обладает хорошими свойствами теплопроводности, так что может работать как теплоотвод. Обычно подложка 12 имеет толщину около 0,025 дюйма (0,635 мм), хотя толщина может находиться в диапазоне от 0,010 дюйма (0,254 мм) до 0,040 дюйма (1,016 мм). При толщине подложки менее 0,010 дюйма (0,254 мм) эффективность подложки как распространителя тепла значительно снижается, а подложка толщиной более 0,040 дюйма (1,016 мм) делает корпус громоздким и тяжелым и не обеспечивает сколько-нибудь значительное дополнительное рассеяние тепла.

На одну лицевую поверхность подложки 10 поверх находящегося на ней хрома 16 нанесен тонкий слой диэлектрического материала 20, причем диэлектрик предпочтительно имеет диэлектрическую постоянную между 3,5 и 4,0. Предпочтительным диэлектриком является полиимид. Полиимид предпочтительно наносят распылением, которое позволяет получить однородное тонкое наносимое покрытие. Однако полиимид можно наносить методом центрифугирования. Можно использовать и другие диэлектрики, например эпоксидные смолы, политетрафторэтилен и т.д.; однако полиимид предпочтителен, поскольку его легко наносить, он дает однородное покрытие и его можно поддерживать на поверхности без существенных дефектов при снижении толщины до около 6 микрон, что является предпочтительной толщиной. Тем не менее, можно использовать толщину до 20 микрон. Чем тоньше покрытие, тем лучше, потому что сердечник служит в качестве плавающей заземляющей плоскости, и чем тоньше диэлектрик, тем выше эффективность металлической подложки 12. В самом деле, при толщине полиимида около 6 микрон эффективность подложки 12 составляет около 95% теоретической эффективности, тогда как при толщине 20 микрон полиимида 20 эффективность падает до 50% теоретической. Таким образом, толщина около 20 микрон является желательной максимальной толщиной диэлектрического материала 20, тогда как толщина около 6 микрон или менее является предпочтительной.

На поверхности диэлектрического материала 20 выполнены электрические схемы, которые включают в себя крепежные площадки 22 кристалла, контактные площадки 24 и схемные дорожки 26. Схемы предпочтительно выполняют по фоторезистной технологии с использованием металла, осажденного распылением, и способов селективного травления, как известно в данной области техники. Обычно металл осаждают распылением до толщины около 6 микрон; однако толщина металла может находиться в диапазоне от около 4 микрон до около 8 микрон. Металл тоньше 4 микрон может привести к разрывам цепей, а металл толще 8 микрон препятствует получению особенностей схем с элементами уменьшенных размеров.

Предусмотрен кристалл ИС 30, который крепится к поверхности подложки 12 посредством электропроводной эпоксидной смолы 32. Кристалл ИС 30 имеет множество контактов 34 ввода-вывода, которые соединены с крепежными площадками 22 кристалла посредством соединительных выводов 36. Контактные площадки 24 снабжены электрическими выводами 38. После формирования площадок 22 и 24 и дорожек 26 наносят защитное покрытие 42, которым может быть полиимид. Однако имеется много других покрытий, например эпоксидные смолы, которые можно использовать. Покрытие может быть нанесено путем формирования рисунка, трафаретной печати или, если используются фоточувствительные покрытия, можно применять фотолитографический способ для формирования рисунка. Поверх схемных дорожек 26 наносят защитное покрытие 42, оставляя крепежные площадки 22 кристалла и контактные площадки 24 раскрытыми для соединения.

Проволочные соединения 36 крепят к их соответствующим контактам 34 и крепежным площадкам 22 кристалла предпочтительно путем термоультразвуковой сварки. Электрические выводы 38 крепят к их соответствующим крепежным площадкам 24 предпочтительно посредством паяных соединений (не показаны). Как известно в данной области техники, можно использовать и другие типы соединений, например с помощью электропроводной эпоксидной смолы.

После того, как кристалл ИС 30 прикреплен к подложке 12 с помощью эпоксидной смолы 32 и прикреплены электрические выводы 38, всю поверхность подложки 12 покрывают эпоксидным герметизирующим материалом 44.

Чтобы установить корпус с кристаллом и кристаллодержателем на схемную плату, электрические выводы 38 прикрепляют к контактам 46 на схемной плате 48.

Использование металлической подложки 12 обеспечивает несколько преимуществ над металлизированной керамической подложкой. Одним из них является относительная гибкость металлической подложки 12, приводящая к снижению подверженности к трещинообразованию либо в результате нагрева, либо в результате механической обработки, по сравнению с керамическим держателем, особенно сразу же после формирования. Еще одним важным преимуществом являются превосходные свойства теплопроводности металлической подложки 12, что позволяет рассеивать тепло гораздо более эффективно, чем в случае керамической подложки. Более того, металлическая подложка обеспечивает плавающую заземляющую плоскость для контактов и схем, что особенно эффективно при тонком слое диэлектрика порядка 6 микрон.

Кроме того, фактором, который следует учесть, является значительная разница в температурных коэффициентах расширения между кристаллом ИС 30 и держателем 10 ввиду наличия подложки 12. Кристалл ИС, выполненный из кремния, имеет температурный коэффициент расширения (ТКР) в диапазоне около 3-4 частей на миллион на ^oС, тогда как медь имеет температурный коэффициент расширения порядка 18 частей на миллион ^oС. Чтобы уменьшить риск отказа из-за циклических колебаний температуры, необходимо гарантировать, что кристаллы будут очень тонкими, увеличивая таким образом их гибкость. В самом деле, важно, чтобы кристаллы не были толще, чем примерно 20 милс (508 мкм), а предпочтительно - имели толщину менее 18 милс (457,2 мкм). Если кристаллы тоньше указанных пределов, гибкость предполагается обеспечиваемой путем монтажа кристаллов с помощью электропроводной смолы, которая сама по себе достаточно гибкая. Это уменьшает подверженность повреждению вследствие циклического изменения температуры. Конечно, выбор другого материала подложки 12, например материала медь-инвар-медь или инвара, может уменьшить рассогласование ТКР кристалла 30 и подложки 12.

На фиг. 3 показан еще один конкретный вариант осуществления настоящего изобретения, в котором можно использовать монтаж методом перевернутого кристалла для формирования корпуса держателя и кристалла. На фиг.3 показан кристалл ИС 52, который монтируют на крепежные площадки 32 кристалла посредством капель 54 припоя. Как обычно, при этом типе монтажа методом перевернутого кристалла армирующую эпоксидную смолу 56 располагают между кристаллом 52 и держателем 12 в окружении капель 54 припоя. Эта армирующая смола способствует предотвращению повреждения из-за температурных колебаний. В этом конкретном варианте осуществления вокруг конца подложки 12 и на противоположной поверхности подложки 12 предусмотрен изолирующий материал 58, так что вывод 60 электрически изолирован от подложки 12. В этом случае выводы 60 соединяют контактные площадки 24 с контактами 46 на схемной плате 48. Если необходимо дополнительное рассеяние тепла, можно использовать конкретный вариант осуществления, показанный на фиг.4, в котором дополнительный теплоотвод 62 крепится к стороне подложки 12, противоположной той, на которой крепятся кристаллы. Теплоотвод 62 можно крепить электропроводной эпоксидной смолой 63 известным способом. На фиг.4 также показано, как можно монтировать перевернутый кристалл 52 на ту же сторону держателя, что и кристалл 30 с проволочными выводами.

На фиг. 5 показан еще один конкретный вариант осуществления, в котором выполнен дополнительный теплоотвод, но в этом случае теплоотвод крепится электропроводной эпоксидной смолой 63 сверху эпоксидной смолы 44, герметизирующей кристалл.

На фиг. 6 показан конкретный вариант осуществления, в котором кристаллы можно выполнить на обеих сторонах кристаллодержателя 10. Этот вариант изображен для случая использования технологии перевернутого кристалла, показанной на фиг.3, для кристаллов на обеих сторонах подложки. Конечно, можно использовать проволочный монтаж для кристаллов на обеих сторонах или на одной стороне можно использовать технологию проволочного монтажа, а на другой стороне - технологию монтажа перевернутого кристалла. В этом случае теплоотвод необязательно крепится к одной стороне, хотя, если позволяет пространство, можно предусмотреть теплоотводы на обеих сторонах.

Следовательно, описаны предпочтительные конкретные варианты осуществления настоящего изобретения. Однако, имея в виду вышеуказанное описание, понятно, что это описание приводится только в качестве примера, что изобретение не сводится к конкретным вариантам осуществления, описанным здесь, и что можно осуществлять различные перекомпоновки, модификации и замены, не выходя за рамки объема притязаний изобретения, изложенных в формуле изобретения.

Формула изобретения

1. Корпус для монтажа кристалла интегральной схемы на схемную плату или что-либо подобное, включающий кристаллодержатель, содержащий металлическую подложку и имеющий первую и вторую противоположные лицевые поверхности, отличающийся тем, что содержит диэлектрическое покрытие, по крайней мере, на одной из лицевых поверхностей толщиной менее чем около 20 мкм, электрические схемы, расположенные на диэлектрическом покрытии, имеющие монтажные площадки кристалла, контактные площадки и схемные дорожки, соединяющие монтажные площадки кристалла с контактными площадками, кристалл интегральной схемы, смонтированный на одной лицевой поверхности подложки, причем кристалл интегральной схемы имеет контакты ввода-вывода, электрические соединения, соединяющие контакты ввода-вывода на интегральной схеме с монтажными площадками кристалла, и электрические выводы, отходящие от контактных площадок для выдачи сигналов ввода-вывода на кристалл интегральной схемы и из него.

2. Корпус по п. 1, отличающийся тем, что материалом диэлектрического покрытия является полиимид.

3. Корпус по п. 1 или 2, отличающийся тем, что кристалл интегральной схемы соединен с монтажными площадками кристалла проволочными соединениями или межсоединениями, полученными путем монтажа методом перевернутого кристалла.

4. Корпус по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что металлическая подложка включает в себя слой меди, а кристалл интегральной схемы имеет толщину не более чем около 20 милс (508 мкм).

5. Корпус по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что диэлектрик имеет диэлектрическую постоянную от около 3,5 до около 4,0.

6. Корпус по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что толщина слоя диэлектрика не превышает около 6 мкм.

7. Корпус по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что металлическая подложка выполнена из меди, плакированной хромом.

8. Корпус по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что диэлектрик нанесен на обеих лицевых поверхностях подложки, а электрические схемы выполнены на обеих лицевых поверхностях подложки, и на обеих лицевых поверхностях подложки смонтирован кристалл интегральной схемы.

9. Корпус по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что к кристаллодержателю прикреплен теплоотвод.

10. Корпус по п.9, отличающийся тем, что теплоотвод прикреплен к поверхности подложки, на которой прикреплен кристалл.

11. Корпус по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что к электрическим выводам прикреплена схемная плата или что-либо подобное.

12. Способ монтажа кристалла интегральной схемы, заключающийся в том, что обеспечивают наличие кристаллодержателя, включающего в себя металлическую подложку и имеющего первую и вторую противоположные поверхности, отличающийся тем, что наносят диэлектрическое покрытие, по крайней мере, на одну из лицевых поверхностей толщиной менее чем около 20 мкм, обеспечивают наличие электрических схем на диэлектрическом покрытии, имеющих монтажные площадки кристалла, контактные площадки и схемные дорожки, соединяющие монтажные площадки кристалла с контактными площадками, обеспечивают наличие кристалла интегральной схемы, имеющего контакты ввода-вывода, монтируют кристалл интегральной схемы на одной лицевой поверхности с электрическими соединениями, соединяющими контакты ввода-вывода с монтажными площадками кристалла, соединяют электрические выводы из контактных площадок для выдачи сигналов ввода-вывода на кристалл интегральной схемы и из него.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6