DE19622650A1 - Gehäuse für digitalen Hochleistungs-IC, welcher ein BGA(Kugelgitterarray)-Ein/Ausgabe-Format verwendet sowie keramisches Einschicht-Substrat mit Bimetall gefüllter Durchgangstechnologie - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Ein- und Mehrchip-Gehäuse für digitale integrierte Schaltungen (IC). Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein keramisches Einschicht-Substrat, welches eine Vielzahl von Bimetall- oder Trimetalldurchgängen aufweist, die mit einem Kugelgitterarray (BGA, Ball Grid Array) verbunden sind, wo­ durch eine größere Anzahl von Verbindungen auf einer klei­ nen Einheitsfläche geschaffen wird.

Die zur Zeit erfolgreichste Gehäuseart für Einzel- und Mehrfach-IC-Chips verwendet das BGA(Kugelgitterarray)-Ein- /Ausgabe-Format im Gegensatz zum LGA (Landgitterarray) oder Verdrahtungsgehäusearten. Dies liegt daran, weil das BGA- Format für höhere Ein-/Ausgabeinhalte geeigneter ist als gewöhnliche Drahtführungsgehäuse der gleichen Größe und da es auf einfache Weise auf einer gedruckten Leiterplatte (PCB) installiert werden kann, insbesondere wenn Lötkugeln für das BGA verwendet werden. Dem steht das LGA-Gehäuse ge­ genüber, welches die gleiche Ein-/Ausgabedichte aufweist, jedoch eine Sockelung benötigt, da andererseits die Quali­ tät der Lötverbindungen nur sehr schwierig sichergestellt werden kann, oder sogar unmöglich ist, wenn das Gehäuse an der Unterseite der gedruckten Leiterplatte (PCB) montiert ist.

Unter den derzeit bekannten BGA-Gehäusen gibt es eine Anzahl von Konstruktionsbauweisen mit Vorteilen und Nach­ teilen, wie sie im folgenden dargestellt sind:
BGA-Gehäuse mit keramischem Aufbau verwenden eine ein­ gebrannte Mehrschichtenstruktur. Eine Mehrschichtenstruktur wird benötigt, da der dem Prozeß inhärente Schrumpfvorgang zusätzlich zu den Nachteilen der "feuerfest metalleitenden Dickfilm-Siebdruck-Pasten" die physikalische Größe (Zeilenbreite und Abstand, Durchgangsöffnungs-Anschluß­ durchmesser, usw.) der benötigten Verbindungsschaltung be­ schränkt, mit der die Signale von der gedruckten Leiter­ platte zum IC-Chip und umgekehrt gebracht werden. Eine ein­ zelne keramische Schicht besitzt keine ausreichend große Oberfläche, um die große Anzahl von benötigten Leitungen und Anschlüssen zum vollständigen Verbinden der gewünschten IC′s räumlich unterzubringen. Zur Verbesserung dieser Si­ tuation verwenden herkömmliche Konstruktionen einen Mehr­ schichtenaufbau. Die bei diesem Verfahren beobachteten Nachteile liegen darin, daß mit steigender Anzahl von Ein- /Ausgabeanschlüssen auch die Anzahl der Schichten ansteigt, wenn die Gehäusegröße so klein wie möglich bleiben soll.

Die erhöhte Anzahl von Schichten (und vergrößerte Ge­ häusegröße) verschlimmert das Problem der elektrischen Pa­ rasitäten, die die Leistung der Halbleitervorrichtung nega­ tiv beeinflussen.

Darüberhinaus entstehen durch die erhöhte Anzahl von Schichten Probleme bei der Ausrichtung und der Paßgenauig­ keit zwischen den Schichten, was durch das Schrumpfen der Struktur während des Sintervorgangs noch verschlimmert wird. Die Ausbeute dieser Gehäuse wird dadurch negativ be­ einflußt, und die mit der Produktion der Gehäuse verbunde­ nen Kosten erhöhen sich. Im allgemeinen gilt, daß einge­ brannte Mehrschichten-Keramikgehäuse teurer sind als andere Alternativen.

Ein weiterer Konstruktionstyp, der Glas und Keramikma­ terialien verwendet, erleichtert das durch die Schrumpfung hervorgerufene Problem beträchtlich, da das Glas-keramische Material zur Minimierung des Schrumpfvorgangs entworfen wurde. Da jedoch die Schaltung immer noch im Siebdruckver­ fahren hergestellt wird und das Siebdruckverfahren ein Ver­ fahren mit begrenzter Auflösung darstellt, kann nur eine begrenzte Anzahl von Linien bzw. Leitungen und Anschlüssen auf einer einzelnen Schicht untergebracht werden. Es be­ steht daher immer noch die Notwendigkeit für einen Mehr­ schichtenaufbau, wie bei den vorherstehend beschriebenen Beispielen. Wie bereits erwähnt, ergeben sich daraus höhere Kosten im Vergleich zu den anderen Alternativen.

In einer weiteren herkömmlichen Konfiguration wird eine Epoxy-Glasfaserleiterplatte auf einer Seite mit einem Array bzw. Feld von Lötkugeln gemustert, während die gegenüber­ liegende Oberfläche (oder Schichten) mit dem Schaltungsmu­ ster versehen werden, wobei plattierte Durchgangslöcher für die Verbindung zwischen den Schichten verwendet werden. Zum Erhalten von Linienbreiten und Abständen in der Nähe von 0,003 Inch bis 0,004 Inch (75-100 µm) werden verbesserte Photoresist-Ätztechnologien verwendet. Diese sind als Pla­ tikkugel-Gitterarraykonstruktion (plastic ball grid array) bekannt. Bei diesem Konstruktionstyp ergeben sich zwei si­ gnifikante Probleme: (1) mit dem Anwachsen der Anzahl der Ein-/Ausgabeanschlüsse werden die Gehäusekosten uner­ schwinglich, insbesondere wenn die Gehäusegröße möglichst klein gehalten werden soll; (2) mit dem Anwachsen der An­ zahl von Ein-/Ausgabeanschlüssen erhöht sich (im allgemei­ nen) auch die durch den IC-Chip verbrauchte Leistung. Auf­ grund der fehlenden Fähigkeit dieser Gehäuse, die im IC- Chip erzeugte Wärme in geeigneter Weise abzugeben, unter­ liegen diese Chips oft einem frühen Ausfall. Aus diesem Grunde müssen allgemein bekannte kommerzielle Geräte wie beispielsweise Intel′s Pentium Prozessor, der in PGA-kera­ mischen Gehäusen untergebracht ist, Lüfter verwenden, die direkt an der Oberfläche des Gehäuses angeordnet sind und die Wärme abführen.

Ein größeres Problem mit keramischen Mehrfachschicht-, glaskeramischen und Plastikkugel-Gitterarraykonstruktionen liegt in der Schwierigkeit, die zwei großen Oberflächen des Gehäuses flach auszubilden, was für eine Koplanarität des Kugelarrays oder für die Flip-Chip-Montage der Halbleiter­ vorrichtung notwendig ist. Eingebrannte keramische Mehr­ fachschicht-Strukturen und PCB-Laminate besitzen inhärente Kammerprobleme.

Ein weiteres Problem mit eingebrannten keramischen Mehrschicht-BGA-Gehäusen liegt in der geringen Koplanarität der Kugeln, sobald diese am Gehäuse befestigt sind, weshalb die Verarbeitung des IC-Gehäuses schwierig ist. Die nomi­ nelle bzw. Mann-Koplanarität der keramischen Mehrschicht- BGA-Gehäuse beträgt lediglich 0,006 Inch, was von der Indu­ strie als übertrieben angesehen wird. Beim erfindungsgemä­ ßen Gehäuse kann die Koplanarität bzw. die Lage in einer Ebene eng bzw. straff gesteuert werden.

Das erfindungsgemäße Gehäuse erleichtert bzw. verrin­ gert wesentlich die Probleme und Beschränkungen der her­ kömmlichen BGA-Gehäuse.

In den Patentschriften US 5,089,881 von Panicker und US 4,942,216 sind weitere Pingitterarray-Konfigurationen offenbart. Ein beispielhaftes Mehrschicht-BGA-Gehäuse ist in Fig. 1 dargestellt.

Darüberhinaus wird von Amkor ein Plastik-BGA-Gehäuse hergestellt, welches zur Ausbildung von Schaltungslinien und Seite-zu-Seite-Verbindungen PCB-Technologien verwendet.

Gemäß der vorliegenden Erfindung werden die vorherste­ hend genannten und weitere Nachteile des Standes der Tech­ nik mit dem Kugelgitter-Array-IC-Gehäuse behoben.

Die vorliegende Erfindung verwendet eine vollständig gesinterte Keramik, ein Einschicht-Substrat oder andere Ma­ terialien mit ähnlichen Charakteristika. Nachfolgend werden Durchgänge an einer Vielzahl von Stellen mit einem allge­ mein gleichmäßigen Muster mittels eines Lasers für sowohl thermische Durchgänge als auch Si­ gnal/Spannungsversorgungsdurchgänge gebohrt. Die Durchgänge werden mit Bimetall- oder Trimetall-Verbundmaterialien ge­ füllt. Daraufhin wird das gesamte Substrat mittels einer Vielzahl von unterschiedlichen Verfahren und Metallen be­ stehend aus Dünnschichttitan, -chrom, -molybdän, -wolfram oder einer Kombination davon sowie mit Kupfer und Nickel metallisiert. Die Anschlüsse können ebenso aus dem Kupfer­ dickfilm bestehen. Die Kugeln für das BGA bestehen übli­ cherweise aus einer Blei/Zinnlegierung und werden auf der Kugelseite des Substrats hartgelötet.

Zur wirkungsvolleren Verteilung bzw. Ausbreitung der Wärme von den thermischen Durchgängen wird ein Wärmeaus­ breitungsanschluß über den thermischen Durchgängen mit den wie vorherstehend beschriebenen verschiedenen Verfahren me­ tallisiert. Außerhalb des Wärmeverteilers sind weiterhin Anschlüsse zur Verbindung mit dem Bonddraht oder Flip-Chip­ anschlüssen vorgesehen. Diese Anschlüsse sind mit den dazu­ gehörigen Durchgängen über Linien von ca. 0,002 Inch Breite und einem Abstand von 0,002 Inch verbunden.

Die Metallisierung der Trägerplättchen-Befestigungs­ seite des Substrats wird wie folgt durchgeführt: 1.) Bonden des Adhäsionspromotors auf das Substrat; 2.) stromführendes Material auf Adhäsionspromotor bonden; 3.) Puffermaterial auf stromführendes Material bonden; 4.) Schutzschicht auf Puffer bonden.

Die Vervollständigung des Gehäuses wird auf eine von drei bevorzugten Arten durchgeführt, bestehend aus dem An­ ordnen eines metallischen oder metallplattierten Deckels über dem Trägerplättchen und dem Bonden der Anschlüsse, wo­ bei jedoch die Schutzschicht freibleibt; dem Anordnen eines ähnlichen Deckels oder eines keramischen Deckels zum Abdec­ ken des gesamten Substrats; oder dem Anwenden eines "Blob" oder "Kleckses" eines Epoxidharzes über dem Trägerplättchen und den Drahtbondstellen.

Mit der Erfindung wird ein Gehäuse von kleinsten Abmes­ sungen geschaffen, bei dem die Nachteile von mehreren Schichten vermieden werden und die Kosten weiterhin gering bleiben.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungs­ beispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher be­ schrieben.

Fig. 1 zeigt eine Schnittansicht eines herkömmlichen Mehrschicht-Substrats und eines Kugelgitter-Arrays;

Fig. 2 zeigt eine perspektivische Explosionsdarstellung eines ersten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels;

Fig. 3 zeigt eine perspektivische Explosionsdarstellung eines zweiten erfindungsgeinäßen Ausführungsbeispiels;

Fig. 4 zeigt eine perspektivische Explosionsdarstellung eines dritten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels;

Fig. 5 zeigt eine Schnittansicht entlang Schnittlinien 5-5 gemäß Fig. 2;

Fig. 6 zeigt eine Schnittansicht entlang Linien 6-6 ge­ mäß Fig. 3;

Fig. 7 zeigt eine Schnittansicht entlang Linien 7-7 ge­ mäß Fig. 4;

Fig. 8 zeigt eine beispielhafte Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels, welches ein Flip-Chip-Verfahren ver­ wendet;

Fig. 9 zeigt eine Draufsicht eines Substrats mit ge­ bohrten Durchgängen, wobei die Durchgänge ein regelmäßiges Muster aufweisen;

Fig. 10 zeigt eine Draufsicht eines Substrats mit ge­ bohrten Durchgängen, wobei die Durchgänge ein interstitiel­ les Muster aufweisen;

Fig. 11 zeigt eine schematische Ansicht eines Substrats der Erfindung, die die Metallisierungsschichten sowohl an der Trägerplättchen-Befestigungsseite als auch an der BGA- Seite darstellen;

Fig. 12 ist eine Draufsicht der Trägerplättchen-Befe­ stigungsseite des Substrats, welches die Leitermuster des Gehäuses zeigt; und

Fig. 13 zeigt eine Schnittansicht eines Gehäuses mit einer größenangepaßten keramischen Abdeckung.

Gemäß Fig. 1 ist ein herkömmliches Mehrschicht-Kugel­ gitterarray (BGA) in einer Schnittansicht dargestellt. Wie für den Fachmann leicht ersichtlich ist, sind zum Erhalten einer ausreichenden Anzahl von Kugeln 1 für das Array eine Vielzahl von Schichten 2 des Substrats notwendig, die je­ weils die beim vorherstehend beschriebenen Stand der Tech­ nik diskutierten Nachteile aufweisen. Die vorliegende Er­ findung löst unter anderem diese Nachteile, indem eine ein­ zelne Substratschicht beibehalten wird, während eine große Anzahl von Verbindungsstellen in der Form von Kugeln in ei­ nem Kugelgitterarray (BGA) geschaffen werden.

Es sei darauf hingewiesen, daß das Grundprinzip der vorliegenden Erfindung für die folgende Beschreibung durch­ gehend ähnlich ist und daß die bevorzugten Ausführungsbei­ spiele lediglich Modifikationen bzw. Änderungen dieses Kon­ zepts darstellen. Für die nachfolgende Diskussion kann auf jede Zeichnung allgemein Bezug genommen werden.

Gemäß der allgemeinsten Beschreibung verwendet die Er­ findung eine einzelne Substratschicht 10 mit einem voll­ ständig gesinterten keramischen Material. Bevorzugte Mate­ rialien sind beispielsweise Aluminiumoxid (Al₂O₃), Alumini­ umnitrid (AlN), Berylliumoxyd (BeO), Bornitrid (BN), Sili­ ziumcarbid (SiC), usw., sie sind jedoch darauf nicht be­ schränkt. Zum Ausbilden "dieses Substratmaterials werden be­ kannte Sinterverfahren verwendet. Bevorzugte Startdicken für das Substrat 10, wie sie in der vorliegenden Erfindung verwendet werden, betragen ca. 0,040 Inch.

Nach der vollständigen Vorbereitung des Substrats 10 werden Durchgänge 22 und 25 in einem vorbestimmten Muster gebohrt. Vorzugsweise werden die Durchgänge 22 und 25 mit jedem geeigneten Verfahren gebohrt, wobei jedoch die Anwen­ dung eines computergesteuerten Lasers zum besonders genauen Bohren der Durchgänge an den vorbestimmten Positionen be­ vorzugt wird.

Vorzugsweise wird eine große Anzahl von thermischen Durchgängen 25 in einem zentralen Bereich des Substrats 10 angeordnet, wobei dieser Bereich dem Bereich des Träger­ plättchens 30 entspricht, das an dieser Stelle plaziert wird. Die thermischen Durchgänge 25 können somit Wärme vom Trägerplättchen 30 abführen und mit den nachfolgend be­ schriebenen Strukturen zusammenarbeiten, um die gesammelte Wärme zu verteilen bzw. abzuführen. Spannungszuführ- und Signaldurchgänge 22 befinden sich entlang des Randbereichs des Substrats 10. Abwechselnd können Spannungsversorgung- und Masse-Durchgänge unter dem Chip angeordnet werden, ins­ besondere wenn die Anwendung der Flip-Chip-Trägerplättchen­ befestigung beabsichtigt ist. Im allgemeinen sind alle Durchgänge voneinander spalten- oder zeilenweise mit einem Abstand von 0,050 Inch beabstandet. Bei einer regelmäßigen Beabstandung gemäß Fig. 9 besteht nur dieser vorherstehend genannte Abstand zwischen den Durchgängen. Bei Anwendung einer interstitiellen Anordnung gemäß Fig. 10 sind die Zei­ len und Spalten weiterhin mit ca. 0,050 Inch zwischen den Durchgängen beabstandet, da jedoch die Zeilen versetzt sind, beträgt der Abstand zwischen einem jeweiligen Spal­ tendurchgang in benachbarten Zeilen lediglich ca. 0,025 Inch. Dadurch erhält man eine größere Anzahl von Durchgän­ gen pro Einheitsfläche ohne den 0,050 Inch-Zwischenraum zwischen den Durchgängen einer jeden Spalte oder Zeile zu verlieren. Beide sind somit voll funktionsfähig. Bei Ver­ wendung von Flip-Chip-Bauweisen werden kleine und unregel­ mäßige Durchgangsmuster oftmals eingesetzt, um das An­ schluß-Layout des IC-Trägerplättchens unterzubringen.

Die Durchgänge 22 und 25 werden vorzugsweise mit einem Bimetall- oder Trimetall-Verbundmaterial wie beispielsweise W-Cu oder W-CuAg (wobei CuAg eine eutektische CuAg-Legie­ rung ist) gefüllt. Die Durchgänge können mit diesen Mate­ rialien auf bereits bekannte Weise gefüllt werden.

Nach dem Füllen der Durchgänge wird die endgültige Dicke des Substrats durch Läppen sowohl der Träger­ plättchen-Befestigungsoberfläche 11 als auch der Kugel-Be­ festigungsoberfläche 13 eingestellt und die Rauhigkeit durch eine Finish-Behandlung auf weniger als 2,0 Mikroinch Ra eingestellt.

Unter Bezugnahme auf Fig. 11 kann die Metallisierung der Oberflächen des Substrates 10 richtig beurteilt werden. Die Trägerplättchen-Befestigungsoberfläche 11 ist in der Figur an der Oberseite des Substrats 10 dargestellt, wäh­ rend die Kugel-Befestigungsoberfläche 13 an der unteren Oberfläche des Substrats 10 dargestellt ist.

Die Trägerplättchen-Befestigungsoberfläche 11 besitzt einen Adhäsionspromotor 6, der direkt auf das keramische Substrat 10 gebonded bzw. aufgebracht wird. Vorzugsweise besteht der Promotor 6 zumeist aus einer dünnen Chrom­ schicht, einer dünnen Titanschicht oder einer dünnen Ti­ tan/Wolfram-Schicht, sowie einer ca. 500-2000 Å dicken Ti­ tan/Molybdän-Schicht, wobei jedoch der Promotor 6 aus jedem beliebigen Material bestehen kann, das eine ausreichende Adhäsion bzw. Haftfähigkeit gegenüber dem für das Substrat verwendeten keramischen Material als auch gegenüber der stromführenden Schicht 7 aufweist, die auf den Promotor 6 gebondet bzw. befestigt wird. Die Stromführungsschicht 7 besteht vorzugsweise aus Kupfer mit einer Dicke von ca. 5- 10 µm, da dieses Material hervorragende elektri­ sche/Leitfähigkeits-Eigenschaften aufweist. Der Führungs­ schicht 7 folgt eine darauf aufgebrachte Pufferschicht 8, wobei die Pufferschicht 8 normalerweise aus einer dünnen Nickelschicht von ca. 1-3,5 µm Dicke besteht. Die Puffer­ schicht 8 soll eine Diffusion von Kupfer in die letzte Schutz-Abschlußschicht verhindern. Schließlich wird die Schutz-Abschlußschicht 9 hinzugefügt, wobei Gold als bevor­ zugtes Material mit einer Dicke von ca. 2-3,5 µm verwendet wird. Es sei darauf hingewiesen, daß alle Metallisierungs­ schichten, die sich an der Trägerplättchen-Befestigungs­ oberfläche 11 sowie an der Kugel-Befestigungsoberfläche 13 befinden, durch irgendwelche herkömmlichen Abscheideverfah­ ren ausgebildet werden können. Derartige Verfahren sind beispielsweise ein Sputter-Verfahren, ein verbessertes Io­ nen-Plattierverfahren, ein Niedrigtemperatur-Lichtbogen- Dampfabscheidungsverfahren, usw., wobei die Erfindung nicht auf diese Verfahren beschränkt ist.

Bei Verwendung eines Flip-Chip-Verfahrens ist es manch­ mal wünschenswert, eine wechselweise Metallisierung wie folgt durchzuführen: Promotor von ca. 500-2000 Å; Stromfüh­ rung von ca. 5-1 µm; und eine Chromschicht von ca. 300- 1000 Å. Die Kugel-Befestigungsoberfläche (siehe Fig. 11) kann die ersten drei Metallisierungsschichten der Träger­ plättchen-Oberfläche oder alle vier Schichten verwenden.

Die erste Schicht stellt den Adhäsionspromotor 14 dar, der vorzugsweise aus dem gleichen Material wie der Promotor 6 besteht bzw. ausgewählt wird. In ähnlicher Weise wie vor­ herstehend beschrieben, wird eine Stromführungsschicht 15, vorzugsweise Kupfer, anschließend auf den Promotor 14 auf­ gebracht und eine dritte Metallschicht 16, die vorzugsweise aus Nickel besteht, zum Schaffen einer guten Oberfläche für das Bonden einer AgCu-eutektischen Legierung aufgebracht, die für das Befestigen der Kugeln 17 an dem Gehäuse verwen­ det wird; daraufhin kann" eine Gold-Schutzschicht hinzuge­ fügt werden. Die Schichtdicken für die Kugel-Befestigungs­ oberfläche liegen in folgenden Bereichen: Adhäsionpromotor 500-2000 Å; Stromführung 3-5 µm; Puffer 2-5 µm und Gold 300-2000 Å. Die Kugeln 17 können aus Kupfer bestehen, wobei jedoch in den meisten Fällen die Kugeln 17 aus einem Lot mit einem hohen Schmelzpunkt bestehen, wie beispielsweise aus 95% Pb 5% Sn oder 90% Pb 10% Sn. In diesem Fall kann das Metall 16 weggelassen werden und die Kugeln können di­ rekt an der Kupferschicht 15 befestigt werden, wodurch man eine gute Bondfähigkeit mit den aus Lot gemachten Kugeln 17 erhält.

Aufnahmeanschlußstellen 18 werden an beiden Oberflächen des Substrats 10 in elektrischen Kontakt mit den Durchgän­ gen 22 angeordnet. Es sei darauf hingewiesen, daß im Gegen­ satz zu den einzelnen Durchgängen, die im allgemeinen einen Durchmesser von 0,006 Inch aufweisen, die Aufnahmeanschlüs­ se 18 einen Bereich von 0,010 Inch Durchmesser schaffen, an dem die Linien, Kugeln usw. befestigt werden können, wo­ durch die Arbeit sehr stark vereinfacht wird. Die Aufnahme­ anschlüsse 18 können vorzugsweise mittels eines Photore­ sist-Ätzverfahrens, durch physikalisches Maskieren, durch einen Lift-Off-Prozeß oder mittels einer Kupfer-Dickfilmpa­ ste wie beispielsweise DuPont 9922 Nitrogen Fireable Copper Paste ausgebildet werden.

Die Trägerplättchen-Befestigungsoberfläche 11 besitzt darüberhinaus einen Trägerplättchen-Befestigungsbereich 12, der unmittelbar von einer Vielzahl von Drahtbondanschlüssen 19 für die elektrische Befestigung des Trägerplättchens 30 über die Bonddrähte 20 oder Flip-Chip-Befestigungsanschlüs­ se um den Randbereich oder an der (nicht dargestellten) Un­ terseite des Trägerplättchens liegen.

An der BGA-Oberfläche 13 des Substrats 10 wird ein Wär­ meverteilungsanschluß 21 unter Verwendung ähnlicher Metal­ lisierungsmöglichkeiten wie bereits hinsichtlich der BGA- Oberfläche 13 beschrieben, metallisiert. Mit Bezug auf Fig. 2 und 5 wird nunmehr ein erstes Ausführungsbeispiel des Ge­ häuses beschrieben, welches eine passive isolierende Schutzschicht 31 zum schützenden Abdecken der Vielzahl von Schaltungslinien 5 (siehe Fig. 12) im perimetrischen bzw. Umfangsbereich des Substrats 10 aufweist, welcher nicht durch den Deckel 32 abgedeckt ist. Die Schicht 31 besteht vorzugsweise aus Glas, Epoxid- oder Polyimidharz, wobei sie auch aus jedem anderen geeigneten Material bestehen kann.

Die Schicht 31 muß sich nicht unbedingt vollständig über das gesamte Substrat erstrecken, sondern kann vielmehr eine Öffnung in dessen Zentrum definieren, die groß genug ist, um das Trägerplättchen 30 und die Drahtbondanschlüsse 19 oder die Flip-Chip-Kontaktanschlüsse freizulegen. Zum Bonden eines Deckels wird ein Dichtungsring 33 an der Ober­ fläche der Schicht 31 unmittelbar perimetrisch benachbart zur von den Drahtbondanschlüssen 19 definierten geometri­ schen Form vorgesehen. Der Dichtungsring 33 wird im allge­ meinen aus dem gleichen Material aufgebaut wie die Leitun­ gen bzw. Linien 5, die vorzugsweise aus Gold bestehen.

Der Deckel 32 besteht vorzugsweise aus Nickel oder Ko­ var und wird normalerweise tiefgezogen. Selbstverständlich können auch andere Verfahren verwendet werden, mit denen Deckel auf gleiche wirkungsvolle Art ausgebildet werden können. Für bestimmte Anwendungen wird auf dem Deckel 32 eine Goldplattierung bevorzugt.

Die Befestigung des Deckels 32 erfolgt bei einem bevor­ zugten Ausführungsbeispiel der Fig. 2 und 5 mittels eines leitfähigen Epoxidmaterials, eines Lotes (Pb/Sn), eines Au- Ge-Hartlot-Legierungsmaterials, wobei der Deckel 32 in der Bondzone 32a auf den Dichtungsring 33 gebondet bzw. befe­ stigt wird. Dem Fachmann ist hierbei klar, daß weitere Ver­ bindung möglich sind und daß die aufgelisteten Materialien lediglich die bevorzugten Materialien darstellen.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die Schicht 31 nicht benötigt, da der Deckel 34 das gesamte Substrat 10 abdeckt (siehe Fig. 3 und 6). In diesem Fall befindet sich der Dichtungsring 35 am äußeren Umfang des Substrats 10 und außerhalb eines Bereiches, der durch die äußersten Zeilen der Durchgänge 22 definiert ist. In weiterer Hinsicht entspricht der Deckel 34 und die Zone 34a dem Deckel 32 und der Befestigungs- bzw. Bandzone 32a.

Gemäß dem in den Fig. 4 und 7 dargestellten dritten Ausführungsbeispiel wird eine passive isolierende Schutz­ schicht 31 in nahezu der gleichen Weise wie beim Ausfüh­ rungsbeispiel gemäß Fig. 2 und 5 verwendet. Dieses Ausfüh­ rungsbeispiel unterscheidet sich jedoch darin, daß anstelle des Anhaftens eines Dichtungsringes 33 und des Deckels ein "Blob" bzw. "Klecks" eines Epoxidmaterials über dem Träger­ plättchen und den Bonddrähten plaziert wird, wodurch diese geschützt werden.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist in Fig. 13 in Schnittansicht dargestellt, wobei ein kerami­ scher Deckel 36 zum Abdecken des gesamten Gehäuses verwen­ det wird. Die bevorzugten Materialien zum Erzeugen des Dec­ kels 36 sind die gleichen wie für das Substrat, wobei der Deckel vorzugsweise auf zumindest einer oder sogar beiden Oberflächen metallisiert wird. Der Deckel 36 wird an dem Substrat 10 mittels eines adhäsiven Epoxidrahmens bei einem Bondbereich 37 befestigt.

Die Erfindung gemäß der jeweiligen Ausführungsbeispiele liefert ein hohes Eingabe/Ausgabe(I/O)-Verhältnis in Bezug auf die Gesamtgröße des Gehäuses, ohne dabei die Klarheit des Signals zu opfern oder die Herstellung zu erschweren (und damit die Kosten zu erhöhen).

Das offenbarte Gehäuse für eine digitale integrierte Schaltung zeigt eine hohe Leistung und eine große Ein­ gabe/Ausgabe(I/O)-Fähigkeit, während kleine Abmessungen für den Sockel beibehalten werden. Das Gehäuse verwendet ein Kugelgitterarray(BGA)-Format sowie ein keramisches Ein­ schicht-Substrat mit Bimetallfüllung und genau positionier­ ten Durchgängen.

Claims (58)

1. Gehäuse für eine digitale integrierte Schaltung mit:

• a) einem Einschicht-Substrat mit einem vorausgewählten Muster von Durchgängen (22, 25);
• b) einer Vielzahl von Linien, die sich von einer Viel­ zahl von zumindest einem Bondverdrahtungsanschluß und Flip-Chip-Befestigungsanschluß zu einer Viel­ zahl von Durchgängen (22) erstrecken, wodurch zwi­ schen ihnen ein elektrischer Kontakt hergestellt wird, wobei alle Linien auf dem Einschicht-Substrat liegen;
• c) zumindest einer Schutzstruktur, die derart angeord­ net ist, daß die Durchgänge (22, 25), die Linien (5), die Drahtbondanschlüsse, zumindest ein Bond­ draht und zumindest ein Trägerplättchen (30) vor dem Einfluß der Umgebung geschützt sind;
• d) einer Vielzahl von elektrisch leitenden Kugeln (17), die auf einer zweiten Oberfläche des Substrats angeordnet sind, wobei diese Oberfläche (13) einer ersten Substratoberfläche (11) gegen­ überliegt, auf der das zumindest eine Träger­ plättchen (30) liegt.

2. Gehäuse für eine digitale integrierte Schaltung nach Patentanspruch 1, wobei die einzelne Schicht aus einem vollständig gesinterten keramischen Material besteht.

3. Gehäuse für eine digitale integrierte Schaltung nach Patentanspruch 2, wobei das keramische Material aus ei­ nem Aluminiumoxid(Al₂O₃)-Material besteht.

4. Gehäuse für eine digitale integrierte Schaltung nach Patentanspruch 2, wobei das keramische Material aus ei­ nem Aluminiumnitrid(AlN)-Material besteht.

5. Gehäuse für eine digitale integrierte Schaltung nach Patentanspruch 1, wobei das Muster für die Durchgänge (22, 25) einen geschlossen gemusterten Zentralbereich für die thermische Leitung und einen äußeren Randmu­ sterbereich für die Signale/Spannungsversorgung auf­ weist.

6. Gehäuse für eine digitale integrierte Schaltung nach Patentanspruch 5, wobei die Si­ gnal/Spannungsversorgungs-Durchgänge einen spaltenmäßi­ gen und zeilenmäßigen Abstand zwischen jedem Durchgang (22, 25) in einem Bereich von ca. 0,050-0,025 Inch auf­ weisen.

7. Gehäuse für eine digitale integrierte Schaltung nach Patentanspruch 5, wobei die Si­ gnal/Spannungsversorgungs-Durchgänge spalten- und zei­ lenförmige Abstände zwischen jedem Durchgang (22, 25) von ca. 0,050 Inch aufweisen und der Spalte-zu-Spalte interstitielle Abstand ungefähr 0,025 Inch beträgt.

8. Gehäuse für eine digitale integrierte Schaltung nach Patentanspruch 1, wobei die Linien aus einer geschich­ teten Metallisierung mit einem Adhäsionspromotor (6), einer Stromführung (7), einem Puffer (8) und einer Schutzschicht (9) bestehen.

9. Gehäuse für eine digitale integrierte Schaltung nach Patentanspruch 8, wobei die Linien ca. 0,002 Inch breit sind.

10. Gehäuse für eine digitale integrierte Schaltung nach Patentanspruch 1, wobei die Drahtbondanschlüsse eine geschichtete Metallisierung mit einem Adhäsionspromotor (6), einer Stromführung (7), einem Puffer (8) und einer Schutzschicht (9) aufweisen.

11. Gehäuse für eine digitale integrierte Schaltung nach Patentanspruch 1, wobei die Durchgänge mit einer Bime­ tallverbindung gefüllt sind.

12. Gehäuse für eine digitale integrierte Schaltung nach Patentanspruch 11, wobei die Bimetallverbindung aus Kupfer/Wolfram besteht.

13. Gehäuse für eine digitale integrierte Schaltung nach Patentanspruch 1, wobei die Durchgänge mit einer Trime­ tallverbindung gefüllt sind.

14. Gehäuse für eine digitale integrierte Schaltung nach Patentanspruch 11, wobei die Trimetallverbindung aus Kupfer/Silber/Wolfram besteht.

15. Gehäuse für eine digitale integrierte Schaltung nach Patentanspruch 1, wobei die Linien voneinander um min­ destens 0,002 Inch beabstandet sind.

16. Gehäuse für eine digitale integrierte Schaltung nach Patentanspruch 1, wobei die Schutzstruktur eine Schutz­ schicht aufweist, die sich von einem peripheren Bereich des Substrats in der Nähe der Drahtbondanschlüsse er­ steckt und eine Abdeckung an die Schutzschicht gebondet ist und über die Drahtbondanschlüsse, die Bonddrähte und das zumindest eine Trägerplättchen (30) hinaus­ reicht.

17. Gehäuse für eine digitale integrierte Schaltung nach Patentanspruch 1, wobei die Schutzstruktur aus einem Deckel besteht, der am äußeren Randbereich des Substrats befestigt wird, wobei sich der Deckel über das gesamte Gehäuse erstreckt.

18. Gehäuse für eine digitale integrierte Schaltung nach Patentanspruch 1, wobei die Schutzstruktur aus einer Schutzschicht besteht, die sich von einem äußeren Rand­ bereich des Substrats zu der Nähe der Bonddrahtan­ schlüsse erstreckt und wobei ein "Blob" eines Epoxid­ harzes dem Gehäuseschutzteil der Schutzschicht und den Bonddrahtanschlüssen, den Bonddrähten und dem zumindest einen Trägerplättchen zugeführt wird.

19. Gehäuse für eine digitale integrierte Schaltung nach Patentanspruch 16, wobei der Deckel aus einer Gruppe bestehend aus Metall und Kovar ausgewählt wird.

20. Gehäuse für eine digitale integrierte Schaltung nach Patentanspruch 19, wobei der Deckel mit einem leitenden Metall plattiert ist.

21. Gehäuse für eine digitale integrierte Schaltung nach Patentanspruch 20, wobei das leitende Metall Gold ist.

22. Gehäuse für eine digitale integrierte Schaltung nach Patentanspruch 17, wobei der Deckel aus einem kerami­ schen Material besteht.

23. Gehäuse für eine digitale integrierte Schaltung nach Patentanspruch 22, wobei das keramische Material Al₂O₃ ist.

24. Gehäuse für eine digitale integrierte Schaltung nach Patentanspruch 22, wobei das keramische Material AlN ist.

25. Gehäuse für eine digitale integrierte Schaltung nach Patentanspruch 17, wobei der Deckel aus einer Gruppe bestehend aus Metall und Kovar ausgewählt wird.

26. Gehäuse für eine digitale integrierte Schaltung nach Patentanspruch 25, wobei der Deckel mit einem leitfähi­ gen Metall plattiert wird.

27. Gehäuse für eine digitale integrierte Schaltung nach Patentanspruch 26, wobei das leitende Metall Gold ist.

28. Gehäuse für eine digitale integrierte Schaltung nach Patentanspruch 16, wobei die Schutzschicht aus Glas be­ steht.

29. Gehäuse für eine digitale integrierte Schaltung nach Patentanspruch 16, wobei die Schutzschicht ein Polyimid oder Epoxidharz ist.

30. Gehäuse für eine digitale integrierte Schaltung nach Patentanspruch 16, wobei die Schutzschicht aus einem isolierenden Material besteht.

31. Gehäuse für eine digitale integrierte Schaltung nach Patentanspruch 18, wobei die Schutzschicht aus Glas be­ steht.

32. Gehäuse für eine digitale integrierte Schaltung nach Patentanspruch 18, wobei die Schutzschicht aus Polyimid besteht.

33. Gehäuse für eine digitale integrierte Schaltung nach Patentanspruch 18, wobei die Schutzschicht ein isolie­ rendes Material ist.

34. Gehäuse für eine digitale integrierte Schaltung nach Patentanspruch 1, wobei die erste Oberfläche eine Reihe von Metallisierungen trägt, bestehend aus einem Adhä­ sionspromotor (6), einer Stromführung (7), einem Puffer (8) und einer schützenden Abschlußschicht (9).

35. Gehäuse für eine digitale integrierte Schaltung nach Patentanspruch 34, wobei der Promotor (6) aus einer Gruppe bestehend aus Titan, Chrom, einer Legierung von Titan/Wolfram und einer Legierung von Titan/Molybdän ausgewählt wird.

36. Gehäuse für eine digitale integrierte Schaltung nach Patentanspruch 35, wobei der Promotor (6) eine Dicke von ca. 500 bis ca. 2000 Å aufweist.

37. Gehäuse für eine digitale integrierte Schaltung nach Patentanspruch 34, wobei die Stromführung (7) aus Kup­ fer besteht.

38. Gehäuse für eine digitale integrierte Schaltung nach Patentanspruch 37, wobei das Kupfer eine Dicke von ca. 5 bis ca. 10 µm aufweist.

39. Gehäuse für eine digitale integrierte Schaltung nach Patentanspruch 34, wobei der Puffer (8) aus Nickel be­ steht.

40. Gehäuse für eine digitale integrierte Schaltung nach Patentanspruch 39, wobei das Nickel eine Dicke von ca. 1 bis ca. 3,5 µm aufweist.

41. Gehäuse für eine digitale integrierte Schaltung nach Patentanspruch 34, wobei die schützende Abschlußschicht (9) aus Gold besteht.

42. Gehäuse für eine digitale integrierte Schaltung nach Patentanspruch 41, wobei das Gold eine Dicke von ca. 2 bis ca. 3,5 µm aufweist.

43. Gehäuse für eine digitale integrierte Schaltung nach Patentanspruch 1, wobei die zweite Oberfläche eine Reihe von Metallisierungen aufweist bestehend aus einem Adhäsionspromotor (14), einer Stromführung (15) und ei­ ner schützenden Schicht (16).

44. Gehäuse für eine digitale integrierte Schaltung nach Patentanspruch 43, wobei der Adhäsionspromotor (14) aus einer Gruppe bestehend aus Titan, Chrom, einer Legie­ rung von Titan/Wolfram und einer Legierung von Ti­ tan/Molybdän ausgewählt wird.

45. Gehäuse für eine digitale integrierte Schaltung nach Patentanspruch 44, wobei der Promotor (14) eine Dicke von ca. 500 bis ca. 2000 Å aufweist.

46. Gehäuse für eine digitale integrierte Schaltung nach Patentanspruch 43, wobei die Stromführung (15) aus Kup­ fer besteht.

47. Gehäuse für eine digitale integrierte Schaltung nach Patentanspruch 46, wobei das Kupfer eine Dicke von ca. 3-5 µm aufweist.

48. Gehäuse für eine digitale integrierte Schaltung nach Patentanspruch 39, wobei der Puffer aus Nickel besteht.

49. Gehäuse für eine digitale integrierte Schaltung nach Patentanspruch 48, wobei das Nickel eine Dicke von ca. 2,0-5 µm aufweist.

50. Gehäuse für eine digitale integrierte Schaltung nach Patentanspruch 43, wobei die schützende Abschlußschicht (16) aus Gold besteht.

51. Gehäuse für eine digitale integrierte Schaltung nach Patentanspruch 50, wobei das Gold eine Dicke von ca. 300-2000 Å aufweist.

52. Gehäuse für eine digitale integrierte Schaltung nach Patentanspruch 1, wobei die erste Oberfläche eine Reihe von Metallisierungen bestehend aus einem Adhäsionspro­ motor, einer Stromführung und einer oberen Metallisie­ rung besteht.

53. Gehäuse für eine digitale integrierte Schaltung nach Patentanspruch 52, wobei der Promotor aus einer Gruppe bestehend aus Titan, Chrom, einer Legierung von Ti­ tan/Wolfram und einer Legierung von Titan/Molybdän aus­ gewählt wird.

54. Gehäuse für eine digitale integrierte Schaltung nach Patentanspruch 53, wobei der Promotor eine Dicke von ca. 500 bis ca. 2000 Å aufweist.

55. Gehäuse für eine digitale integrierte Schaltung nach Patentanspruch 52, wobei die Stromführung aus Kupfer besteht.

56. Gehäuse für eine digitale integrierte Schaltung nach Patentanspruch 55, wobei das Kupfer eine Dicke von ca. 5 bis ca. 10 µm aufweist.

57. Gehäuse für eine digitale integrierte Schaltung nach Patentanspruch 52, wobei die obere Metallisierung aus Chrom besteht.

58. Gehäuse für eine digitale integrierte Schaltung nach Patentanspruch 57, wobei das Chrom eine Dicke von ca. 300-1000 Å aufweist.