NO801801L - Chip pakke med hoey kapasitet. - Google Patents

Abstract

Kretsmodul for VLSI-kretser med svært høy tett-het og svært liten størrelse er konstruert på et substrat(22) gjennom hvilket antall åpninger(23) har blitt freset. I hver åpning (23) er en stabel med flere kapasitivt koplet, isolerte strømtilførselsplater (11) for å tilføre strøm til de integrerte kretser (18) fra samleskinne-ledningene (30) og en skjermet bandleder (24) er satt inn. Strømtilførselsplatene (11) er anordnet fortrinnsvis perpendikulært på substratet. (22). De øvre kantene til strmtilfrselsplaten (11) anordnet glatt med topp overflate (18) til substratet (22) slik at selve kantene danner landområder på hvilket en integrert krets forbindelse kan bli festet. Et innbyrdes forbindelsesjikt (12) kan alternativt bli plassert mellom toppkantene til strømtilførselsplatene såvel som til over-

Description

Foreliggende oppfinnelse angår integrert kretspakke med høy kapasitet og mer spesielt en slik anordning' " »s som har parallelle krafttilførselsledere for tilførsel av strøm til de elektriske forbindelsene i VLSI-kretsene.

I en US-patentsøknad nr til "Miersch and Romankiw" med tittelen "Thin Film Metal Package for LSI Chips" er beskrevet en integrert kretspakke-anordning som : har flere parallelle strømtilførsels-bærerplater stablet parallellt i forhold til overflaten på hvilke integrerte kretsterminaler er forbundet elektrisk med kontaktbryteren.

Planene er områdemessig vidt utstrakte og et dielektrisk materiale er anbragt i mellomrommene mellom platene. En

t

høy kapasitet er således oppnådd med en slik-i anordning. Det er imidlertid komplisert å føre et stort antall forbindelser fra platen til de integrerte kretsene på grunn av et uttall forbindelser må bli utført gjennom de parallelle platene som er av metall til forbindelseskontakt-putene på toppoverflaten til pakkebæreren.

US-patent nr. 3 562 592 beskriver plassering av integrerte kretser 45° relativt til tynnfilmlederbaner, og da adskilt fra lederbærerplatene.

Hensikten med foreliggende oppfinnelse er å frembringe en effektiv pakkeanordning for VLSI-kretser ved tettpakket anvendelse hvor elektrisk støy fra samtidig bryting av et stort antall kretser må bli undertrykket da så mye som mulig ved å gi en høy kapasitet mellom strømtil-førsel slederne til de integrerte kretsene så tett som mulig mot de integrerte kretsene, og flere strømforsyningsledere må bli forbundet til hver integrert krets.

En annen hensikt med foreliggende oppfinnelse

er å frembringe en enkel fremstillbar og praktisk kretsanordning som hindrer støy i høyhastighetsdatamaskiner.

Ovenfornevnte oopgave løses ifølge foreliggende oppfinnelse ved hjelp av en kretsmodul, hvis seregne egen-skaper fremgår av kravene.

Oppfinnelsen skal nå beskrives nærmere ved

hjelp av henvisning til tegningene, hvor:

Fig. 1 viser et perspektivriss av en modul som ' <• innbefatter en kretsanordning for et stort antall rekker med^VLSI-kretser,

Fig. 2A viser en av strømtilførselsplatene vist

på Fig. 1,

Fig. 2B viser et bunnriss av substratet som

tjener som en strømtilførselsplate vist på Fig. 2A,

-t Fig. 3 viser et topp-perspektivriss av substratet til kretsanordningen vist på Fig.' 1, Fig. k viser et toppriss av substratet, de'integrerte kretsene og strømtilførselsplatelag-konstruksjonen vist på Fig. 1, Fig. 5 viser et delsnitt av strømtilførsels-platen, dielektrikumet og ribbelederne vist Fig.. 1 og h langs linjen 5-5 på Fig. 7»

Fig. 6 viser et frontriss av anordningen vist

på Fig. 1, og

Fig. 7 viser et delriss langs linjen 7-7 på

Fig. h og 5 av det øvre laget med innbyrdes forbindelser og de øvre endene av strømtilførselsplatene vist mer de-taljert og ved en foretrukket utførel sesform i hvilket de øvre overflatene til strømtilførselsplatene grenser indir-

ekte opp til de integrerte kretsene gjennom dette øvre laget.

Ved anbringelse av høyhastighets, VLSI-kretser .

8 på en bærermodul 7 på Fig. 1 er det nødvendig for pakke-kretsen å besitte en svært lav induktantsverdi i dens strøm-tilf ør sel sbaner for å tilfredsstille maksimale bryterstrøm-krav til de integrerte kretsene 8. Med den integrerte kretsbærermodulen 7-varIanten vist på Fig. 1 er et substrat 22 den mekaniske bærerbasisen på hvilket modulanordningen 7

er anbragt. Substratet 22 kan videre utføre den viktige elektriske funksjonen ved å utgjøre et jordingsplan. Substratet 22 er vist ved perspektivriss på Fig. 3 og derav kari man se at ti åpninger 23 har blitt freset inn i substratet 22. Inn i hver åpning 23 er satt en stabel 10 med strømtil-førselsplater 11 laminert sammen med dielektrisk isolerende lag 13 og en skjermet båndkabel 2h (som vist på Fig. 5)'Hver stabel 10 omfatter tolv strømtilførselsplater 11

stablet oppover hverandre pluss ot skjermet båndkabellag 2k, idet stabelen strekker seg gjennom åpningen 23. Hver strøm-*, tilførselsplate 11 vist på Fig. 2A og B innbefatter en forbindelse sf lik 21 for forbindelse med like strøms-samleskinne-stengene 30, idet kun en av disse er vist for enkelhetens skyld, og forbindelsesfliker 15 for a\4copling av kondensa-torer 3? ( vist på Fig. 6).. Strømtilførselsplater 11 er forbundet til forskjellige samleskinnestenger 30 ved hjelp av fortannede forbindelsesfliker 21 (hvor kun noen få av dem er vist for enkelhetens skyld) . Stablene 10 er forseglet i sub-stråtet 22 i stiv mekanisk kontakt- dermed, men elektrisk isolert fra likestrøms-strømmen. De store parallelle overflatene til platene 11 gir svært store kapasitetsver&ier, som med-

fører minimale induksjonsverdier til koplingen derimellom. Stabelen 10 er individuelt forbundet til forskjellige samleskinne-stenger 30 som nødyendig ved de integrerte kretsene 8.

For den plane øvre metailoverflaten 18 på topp-, en av substratet 22, hvilket er. maskinert flatt, er fortrinnsvis tynnfilm, innbyrdes forbindelseslédninger kl anbragt i flere lag, som vist i nærmere detaljer med henvisning til"

Fig. 7.

Substratet 22 på Fig. 3 er fremstilt av en me-tallplate på omkring 90mm 2 og I2mm tykkelse i hvilket 10 åpninger 22 er anbragt ved fre sing. Hver åpning 23 inn- v befatter to overflater som er nøyaktig plassert til innen-

for 0,025mm fra et referansepunkt. Åpningene 23 er omkring 3,8lmm brede méd 7>62mm senteravstander.

De integrerte kretsene 8 anordnet i rekker på

10 ganger 10 ipå toppen av substratet 22, med i det to rekker med integrerte kretser vist for enkelhetens skyld på tegningene og antall rekker redusert, mehmer representativ på Fig.

k. Som vist på Fig. 5 er båndkabelen 2h forbundet med hjørnet l6 ved hjelp av de to nøyaktig fresede overflatene,som så-

ledes plasserer signal1ederne med en 0,025mm nøyaktighet. Strømtilførselsplatene 11 er omkring 0,25mm tykke med isolasjonen 13 på omkring 0,0l2mm tykkelse. Loddekulene ( C- k)

som utgjør de innbyrdes integrerte kretsforbindelses-kontakt-flater ( k2 på Fig. 7) vil ha en. avstand fra deres senter på

0,19mm på den integrerte kretsen 8, for eksempel, men dersom den integrerte kretsen er dreiet med en vinkel på 45°, er-omtrent halvparten av C- k kontaktplatene sentrert nøyaktig over strømtilførselsplatene 11, slik at en direkte forbindelse med C- k loddeball-kontaktflåtene til de øvre overflat-

ene 31 til platene 11 kan bli benyttet dersom ønskelig. Båndkabelen 2h forbindes med tynnfilmssjiktene vist på Fig.7 med fleire hundredels millimeter innretningstoleranse.

Fig. 5 viser et riss av ene hjørnet til en åpning 23, som inneholder de to nøyaktige maskinerte flat-

ene til den åpningen, mot hvilken en stabel 10 bli regi-strert og bundet til. Dette plasserer signal1 ederen 27 nøyaktig nok for Forbindelse med de innbyrdes forbundne sjiktene 12. Båndkabelen 2h inneholder signalledere 27

mellom skjermingselementet 25 og 28 med isolasjon 26. Noen eller alle av strømtilførselsplatene må bli isolert fra substratet 22 ved hjelp av sjiktet lk såvel som fra hverandre ved hjelp av sjiktene 13. En slik båndkabel 2k og fremgangs-måte for å forbinde dem med andre kabler og koplingsanord-ninger er velkjente.

Stabler 10 kan være glasserte eller sammen-bundet med substratet 22. Fig. 6 viser båndkabelen 33 forbundet med bånd-1eder-kabelen 2h ved ene enden og med et signalfordelings- v bord 35 (med forbindelses-stifter 36 på dens nedre overflate). Båndkablene 33 kan være stive eller fleksible. Metallene kan være kopper eller et utvidelses-koeffisient-tilpasset materiale som beskrevet nedenfor.

Fig. 2A og B viser strømtilførselsplatene 11

idet de har forbindelsesfliker 21 for forbindelse med like-strøms saml-e skinne- s tengene 30 og kan ha ytterligere forbindelsesfliker 15 for festing av frakoplingskondensatorene på nedre overflate av platene. Fortrinnsvis er der et sett med fire plater 11 som veksler som V til V. på Fig. 5>slik at hver av typene med platen 11 ville ha sine fliker 15 og 21 i en bestemt posisjon. Båndlederkabelen 2h ville bli forbundet bak med en loddeforbindelse til en fleksibel bånd-

kabel av vanlig type, eller dersom tilstrekkelig fleksibel

kunne bøyes 90° og bli forbundet med et trykket kretskort som på Fig. 6.

Med denne konstruksjonen er det omkring 20cm<2>

med overflate pr. integrert krets pr. samleskinne 30. Dette tillater bruken av 10-25 mikron, isolasjon (o,012mm-0,025mm), som er lett å fremstille, mens dette gir en tilstrekkelig

høy innbyrdes plankapasitet for å undertrykke uønskede høye elektrifeke frekvenstransienter ved strømtilførsel-forbindel-sespunktene ved de integrerte kretsene 8. I tillegg har strømtilførselsplatene 11 forbehandlede overflater, slik at stifthull i isolasjonen 13 ikke nødvendigvis forårsaker en .' 1 kortslutning som de ville gjøre dersom anordningen var brukt opp ved avsetting av ledende lag og isolerende lag i veks-lende forhold oppå hverandre, for eksempel ved valcuumfor-damping. Frakoplingskapasitetene 32 kommer i tillegg til en yF eller der omkring til kapasiteten innebygget i strøm-tilførselsplatene 11 og dielektrikumét 13, og de er primært for lave frekvenstransienter. De gir også noe demping ved høyere frekvenser. For å oppnå l60 til 200 signalføringer

i pr. båndkabel 33 er lederne plassert med.en avstand på 0,5mm fra senter til senter, som lett tillater forbindelse ved hjelp av slik som tilbake strømnings!odding.

Den integrerte kretbærermodul 7 skulle være termisk tilpasset de integrerte kretsene 8. Av denne grunn har bruken av molybden blitt sett som brukbar i substratet 22. Dette under antagelsen at bæreren når den samme temperaturen som silikon, som er virkelig kun for lave termiske ledere. På Fig. 6 er et kjølerør kO vist i substratet 22. Kjølepassasjene er blitt maskinert gjennom substratet 22. Temperaturhevingen kan bli styrt ved å til-late bruken av høyekspansjonsmetaller, slik som kopper eller messing i substratet 22, som er lettere å arbeide med. Alternativt kan metallblokken bli opprettholdt kald for nærmest null ekspansjon. Enhver forbindelse med den integrerte kretsen 8 kan bli ført gjennom tynnfilm-lederne kl, etc.

Dersom hver av disse lederne blir ført med minst en 90° bøyning, så kan den termiske ekspansjonen til silikonet (på omkring 1 mikron) bli lett absorbert ved bøyning av kopperledningen og den organiske isolasjonen. Der vil ikke være noen spenning i C-4 sammenføyningen og ingen utmatningsTproblemer.

Fig. 7 viser en konstruksjon av en aktuell overføringsledningskonstruksjon for bruk i en innbyrdes indre forbindelseslag 12 vist på Fig. 6, som kan være av-

satt på en plan metalloverflate 18. Den integrerte kretsen

8 hviler på laget 12 utvendig forbundet og båret ved hjelp av C-4 loddede baller 42, forbundet med loddeballer 43 på overgangspartier 44 og 45. Overgang spartiene 44 og 45 er anordnet i kjegleformede fordypninger i sjiktets 12 overflate. Overgangspartiet 4-5 forbindes ved hjelp av V-form-ede ledere ned til en øvre overføringsledning 46. Overfør-ingsl edningen 46 er i sin lengderetning utformet med et overgangsparti 47, bak den høyere kanten på tegningen til en eller flere andre integrerte kretser forbundet med overgangspartier lignende den til overgangspartiet 44. En over-føringsledning 48 under ledningen 46 er også forbundet med et overgangsparti 47. Ledningen har blitt vist umiddelbart under ledningen 46 på grunn av fremstillingen på tegningen,

men ledningen 48 ville fortrinnsvis strekke seg inn i tegn-ingsplanet, da ledningen 50 forbundet med overgangspartiet 49 med ledningen 48 under 46 fortrinnsvis, men ikke nød-vendigvis, ville forløpe parallelt med ledningen 46 som vist. Denne anordningen ville være egnet for et xy y rett-linjet koordinat kartsystem med linjer i x-retningen på ledningens 48 nivå, og ledningene i y-retningen til led-ningsnivået 50, og toppnivået (innbefattende 1edningen . 46)

som gir et prøve- og kretsforandringssjikt gjennom åpningen

66 (hvor kun et er vist for enkelhetens skyld), og hvor en" laser kan kutte forbindelsen etc., på vanlig måte. Over-føringsledningen 56, 58 og 60 og overgangspartiene 57>59

og 6l gir forbindelser med C-4 loddeballene 43 til strøm-tilførsel sårken V (li).

På Fig. 7 er enkelte sjikt inneholdende innbyrdes forbindelsessjikt 12 vist med stor vertikal forstør-relse for tydelighetens skyld. I virkeligheten kan det være mulig å fremstille overgangspartiet 44 direkte i kon takt med lederplaten V^ll). Også loddeballene 42 og 43 er vist når de begynner å smelte. Etter tilbakestrømningen av'\ loddingen, vil de tilsynekomme som en enkel, stor ball.

!;<•■'Ledningene 46, 48 og 50, såvel som 56, 58 og

6o er kapslet inn i dielektrikumet 55 sammensatt av fortrinnsvis polymid, plast eller glass som isolerer og holder dem.fast. Den nederste ledningen 50 er elektrisk forbundet via overgangspartiet 51 med ledere 27 med båndlederen 29

(se Fig. 5). Ledningene 46, 48 og 50 kombinert med jordingsplanet 22, etc. , innbefatter individuelle strimler overføringsledninger som er konstruert til å føre høyhast-ighets-signalpulser som på den andre siden demper reflek-sjoner..

Strømtilførselsplaten V^, koplet over den øvre overflaten til substratet 22, tilfører strøm med en minimal pakkeinduktans til ledningene 56, 48 og 60 etc. og gir inn-gangs- og utgangssignalbaner for denne pakken.

Med denne konstruksjonen er det mulig å oppnå høyere ledningstetthet 46, 48, 50 siden ledningene 56, 58

og 60 kan ligge svært tett og ledningenes tynnfilmegen-

skap tillater strømtilførsel gjennom substratet 22 og ledningene til den integrerte kretsen 8 med en minimal ytterligere induktans.

Det skal bemerkes at ledningene 46, 48 og 50, v etc., og jordingsplanet frembragt ved hjelp av substratet 22 som vist på Fig. 7>danner tynnfilmsstrimmel-overførings-ledninger. Dette er et bad fremstilt mønster som blir fremstilt ved kjent tynnfilm-avsetningsteknikk med fotoresistent fotolitografisk maskering benyttet ved å fremstille VLSI-kretser, vakuumavsetning ved slik teknikk som fordampning og forstøving, elektroplettering og lignende, som i høy grad forenkler fremstillingen av en modul 7.

Metalliseringen og overgangspartiene er bygget

opp i påfølgende sjikt for å danne konstruksjonen på Fig. 7>et nivå hver gang ved bad frems.tillingsmodusen. Metalliser-ingsledningene 50 i x-retningen blir således avsatt på et sjikt med dielektrikum 55■gjennom hvilke et overgangsparti-hull har blitt åpnet ved hjelp av et bad behandlingstrinn.

Neste gang blir metalliseringen 50 dekket med mer dielektrikum 55 og så blir metalliseringen 48 avleiret i y-re tningaris;. forløp, og så videre.

Skjønt de viste utførelsesformene på figurane viser kun homogenisert metallpakkede substrater 22 og bånd-kabler 24 er det klart at en metallbelagt insulator kan be-nyttes som et substrat 22, og at det er mulig å gjørekon-struksjonen mer fleksibel ved de innbyrdes forbundnéisjiktene 12 ved bruk av vanlige stiftforbindelser.

Foreliggende oppfinnelse er tilpasset til. å bli brukt i VLSI-pakkekretser, ekstremt kompakt og ekstremt.hurt-ige datamaskinersystemer, som anvender VLSI-kretser til hver av de integrerte kretsene.

Claims (7)

1. Integrert' kretsmodul for integrerte kretser innbefattende et planar substrat som har motsatte overflater, flere stablede strømfordelingsledningssjikt, flere landområder på et nivå tilliggende til den til ene overflaten til substratet for montering av innbyrdes forbindelser med de integrerte kretsene, idet de stablede strømfordelingssjikt-ene er sammensatt av flere parallelle; flate ledende metall-, iske plater, som har store parallelle overflater med dielektrisk materiale mellom platene og med høy elektrisk kapasitet mellom metallplatene og minimal induktiv kopling t der imellom, karakterisert ved : at det er anordnet minst en åpning gjennom substratet mellom motsatte overflater, idet åpningen inneholder en stabel med metallplatene som forlø per der igjennom med deres flatevoverflater forløpende gjennom åpningen og med idet minste noen av platene isolert elektrisk fra substratet.

2. Modul ifølge krav 1, karakterisert ved at platestablene strekker seg i det vesentlige bak substratet på overflaten til substratet motsatt i forhold til de integrerte kretsenes plassering.

3. Modul ifølge krav 2, karakterisert ved forbindelsesfliker anordnet for hver enkel av platene for forbindelse med strømtilførselskildene.

4.. Modul ifølge krav 2, karakterisert ved at forbindelsesfliker er anordnet for hvert et av platene for forbindelse med avkoplingskondensatorer.

5. Modul ifølge krav 1, karakterisert ved at substratet er sammsatt av metall med flere åpninger maskinert parallelt gjennom substratet, som inneholder flere dielektriske sjikt og plater laminert sammen med båndleder-sjiktene for å forbinde laveffekt-vekselstrømsignaler gjennom substratet i hver av åpningene.

6. Modul ifølge krav 1, 2,3,4 eller 5, karakterisert ved at arkene har overflater sidestilt med nivået tilliggende til ene overflaten for elektrisk kopling med innbyrdes forbindelse med de inte- : grerte kretsene for å tilføre elektrisk strømtilførsel til de integrerte kretsene gjennom platene. --^

7. Modul ifølge krav 1, 2,3,4 eller 5, karakterisert ved at platene har overflater elektrisk forbundet gjennom innbyrdes forbindende metall-sjikt med de integrerte kretsene.