WO2000057474A1

WO2000057474A1 - Multi-chip-modul

Info

Publication number: WO2000057474A1
Application number: PCT/EP2000/002404
Authority: WO
Inventors: Philippe Steiert; Gerhard Staufert
Original assignee: Elfo AG Sachseln; elfo AG; Elmicron AG
Current assignee: Elfo AG Sachseln; elfo AG; Elmicron AG
Priority date: 1999-03-19
Filing date: 2000-03-17
Publication date: 2000-09-28
Anticipated expiration: 2001-09-19
Also published as: DE19912441A1; US6788546B1; EP1166355A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Multi-Chip-Modul und ein Verfahren zu dessen Herstellung. Das Modul weist einen Basisträger, auf dem zumindest bereichsweise mindestens einlagig angeordnete Signalleiterbahnen und Signalkontaktflächen angeordnet sind, und mit mindestens einem mit Signalleiterbahnen und Signalkontaktflächen verbundenen, im Signalbereich arbeitenden Halbleiterbaustein auf. Es soll eine hohe Integration bei einem derartigen Multi-Chip-Modul erzielt werden. Hierzu sind zusätzlich auf den Basisträger zumindest bereichsweise mindestens einlagig angeordnete Leistungsleiterbahnen und Leistungskontaktflächen angeordnet. Des Weiteren ist mindestens ein im Leistungsbereich arbeitender Leistungselektronikbaustein vorgesehen, der mit mindestens einer Leistungsleiterbahn, mindestens einer Leistungskontaktfläche und mindestens einer Signalleiterbahn verbunden ist. Die Leistungsleiterbahnen weisen einen grösseren Querschnitt als die Signalleiterbahnen zumindest aufgrund grösserer Dickenmasse auf.

Description

Multi-Chip-Modul

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Multi-Chip-Modul mit einem Basisträger, auf dem zumindest bereichs eise mindestens einlagig angeordnete Signalleiterbahnen und Signalkontakflächen angeordnet sind, und mit mindestens einem mit Signalleiterbahnen und Signalkontaktflächen verbundenen, im Signalbereich arbeitenden Halbleiterbaustein.

Multi-Chip-Module (MCM) dienen im Stand der Technik für das hochintegrierte Anordnen von im Signalbereich betriebenen Halbleiterbausteinen (d.h. Rechnerbausteine, Speicherbausteine, I-O-Bausteine usw.). Solche MCM weisen sehr feine Strukturen von Leiterbahnen und Kontaktflächen auf, wobei meist in Form un- gehäuster Chips vorliegende Halbleiterbausteine mit den Kontakflächen in Verbindung stehen. Mehrere dieser Halbleiterbausteine sind auf einem gemeinsamen Basisträger angeordnet. Es gibt in der Technik eine Reihe unterschiedlicher Ausgestaltungen solcher MCM, als Beispiel werden lediglich die EP 0871222 A2, WO 97/22138, WO 97/20273 und EP 0856888 A2 genannt. Derartige Multi-Chip- Module werden z.B. auf Leiterplatten angeordnet und über entsprechende Versorgungsleitungen der Leiterplatte kontaktiert. Allen bekannten MCM ist jedoch gemeinsam, daß sie sich ausschließlich auf die Kombination von digitalen und/oder analogen Halbleiterbausteiπen beziehen, die mit elektrischen Leistungen im Signalbereich betrieben werden und in aller Regel zur Abgabe von Steuersignalen Verwendung finden. Die Leiterbahnen und Kontakflächen weisen einen kleinen Querschnitt auf und können einlagig oder mehrlagig auf einem geeigneten Trägermaterial angeordnet sein, so daß je nach Anwendungsfall ein Aufbau im Sinne eines MCM-L, eines MCM-C oder eines MCM-D vorhanden ist. Diese in der Fachliteratur sogenannten Typen unterscheiden sich durch das Trägermaterial und die laterale Dichte der elektrisch leitenden Struktur voneinander. Mit diesen Leiterbahnen und Kontaktflächen kleinen Querschnitts können die gewünschten Signalhalbleiterbausteine, die als ungehäuste Chips oder als „chip-packed- devices" oder als SM D-Baustein usw. vorliegen können, kontaktiert werden. Solche MCM werden auch zum Steuern von Halbleiterbausteinen mit elektrischen Leistungen von einigen Watt bis einigen Kilowatt verwendet, indem an entsprechende Eingange dieser Halbleiterbausteine elektrische Steuersignale mit niedriger Leistung angelegt werden Auf Gebieten der gesteuerten Versorgung mit elektrischer Energie mittlerer bis hoher Leistung, z B bei elektrischen Kleinmotoren, elektropneumatischen Modulen, Motoren für Werkzeugmaschinen, Motoren für Automobile bis hin zu Lokomotivmotoren, muß keine vollständige galvanische Trennung von Signalkreislauf und Leistungskreislauf vorhanden sein

Auf anderen Anwendungsgebieten, z B der Telekommunikation, wird eine strikte galvanische Trennung des ansteuernden Pπmarkreislaufs von dem die elektrische Leistung fuhrenden Sekundarkreislauf gefordert In solch einem Fall werden elektronische Bauelemente wie Schaltreiais, Read-Relais usw eingesetzt, die aufgrund neuerer Entwicklungen in ihren Abmessungen immer kleiner werden

Insbesondere auf dem Gebiet kleiner automatischer Einheiten (Kleinroboter, automatische Montageeinheiten usw ) aber auch auf dem Gebiet der Telekommunikation hat sich als störend herausgestellt, daß die zum Betrieb der Einheit notwendigen elektronischen Aufbauten immer noch ein störend großes Volumen beanspruchen und andererseits die Betriebssicherheit durch die verwendeten Klemmen, Stecker und anderen Vorrichtungen zur Erzeugung elektrischen Kontakts zwischen zwei baulich unabhängigen Komponenten, eingeschränkt ist

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine hochintegrierte Schaltungsanordnung bei einem MCM der eingangs genannten Art bereitzustellen

Diese Aufgabe wird bei einem eingangs erwähnten Multi-Chip-Modul dadurch gelost, daß zusätzlich auf dem Basisträger zumindest bereichsweise mindestens einlagig angeordnete Leistungsleiterbahnen und Leistungskontaktflachen angeordnet sind, mindestens ein im Leistungsbereich arbeitender Leistungselektronik- baustein vorgesehen ist der mit mindestens einer Leistungsleiterbahπ, mindestens einer Leistungskontaktflache und mindestens einer Signalleiterbahn verbunden ist, und die Leistungsleiterbahnen einen größeren Querschnitt als die Signalleiterbahnen zumindest aufgrund größerer Dickenmaße aufweisen Der Querschnittsvergleich soll bevorzugt nicht auf den Gesamtquerschnitt aller Leiterbahnen bezogen werden, sondern stellt auf den Einzelquerschnitt der jeweiligen Leiterbahn ab

Zwar ist es aus der Leiterplattentechnik bekannt, einen Basisträger mit einer leitenden Schicht zu versehen und anschließend mittels Photolitographie eine Leiterbahnstruktur auf diesem Trager zu erzeugen, wobei Leitungen unterschiedlichen Querschnitts durch unterschiedliche Leiterbahnbreiten erzeugt werden können Jedoch laßt sich dieses Verfahren auf die Herstellung von sehr viel kleineren und aus diesen Gründen sehr viel feiner strukturierten MCM nicht übertragen Durch eine übermäßige Verbreiterung von Leiterbahnen zur Erzielung eines geeigneten Querschnitts wurde die hohe Integration auf einem MCM nicht durchfuhrbar sein

Im Gegensatz hierzu wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, mittlerweile ebenfalls im Kleinformat vorliegende Leistungselektronikbausteine, die mit viel höherer Leistung als die Signalhalbleiterbausteine betrieben werden, auf ein und demselben Basisträger wie die Signalsteuerung anzuordnen Dies geschieht durch in ihrer Dicke größere Leistungsleiterbahnen im Gegensatz zu den entsprechend dünneren Signalleiterbahnen Hierdurch lassen sich die Leistungsleiterbahnen ebenfalls sehr eng aneinander anordnen, wodurch die hohe Integration auf dem gemeinsamen Basisträger erfolgen kann Zusätzlich bietet die Integration von ansteuernder Elektronik und Leistungselektronik auf einem MCM die Chance, den Anwendern „intelligente Leistungselektronikbausteine" anzubieten Demnach sind auf demselben Trager zusätzlich zu den Leitungen kleinen Querschnitts Leitungen und Kontaktflachen mit großem Querschnitt vorhanden, mittels denen die gewünschten Leistungselektronikbausteine (Leistungshalbleiter, Relais, ) kon- taktiert werden können Von der Zone mit Leitungen kleinen Querschnitts fuhren spezielle Leitungen in die Zone mit Leitungen großen Querschnitts, die entsprechende Steuersignale zwischen den Signalhalbleiterπ und den Leistungshalblei- tern übertragen können Somit ist auf engstem Raum und ohne storungsanfallige Verbindungselemente eine Ansteuerung der Leistungselektronikbausteine durch Signalhalbleiter realisiert

Des weiteren besteht die Möglichkeit, daß die mindestens eine zu einem Lei- stungselektronikbaustem fuhrende Signalleiterbahn in eine Leistungsleiterbahn und/oder Leistungskoπtaktflache im wesentlichen nahtlos übergeht Werden für die Leistungsleiterbahnen und die Signalleiterbahnen die gleichen Materialien verwendet, so entsteht aufgrund geeigneter Herstellungsverfahren ein inniger Verbund dieser Leiterbahnen, der sämtliche sonstigen Kontaktierungen in den Schatten stellt Die Steuersignale können daher mit äußerster Präzision und störungsfrei auf die Leistungselektronikbausteine übertragen werden Storungsanfallige Verbindungselemente sowie Lotstellen sind somit überflüssig

Bislang beherrschbare Verfahren haben gezeigt, daß das Verhältnis von der Hohe einer Leistungsleiterbahn und/oder Leistungskontaktflachen zu der Hohe einer Signalleiterbahn und/oder Signalkontaktflache im Bereich von 2 bis 300, bevorzugt einer 20 bis 180, liegt Aufgrund eines solch bedeutsamen Unterschiedes ist es möglich, durch die Leistungsleiterbahnen viel höhere Leistungen durchzusetzen, als durch die Signalleiterbahnen, ohne daß ein zu großer seitlicher Platz für verschiedene Leistungsleiterbahnen oder Leistungskontaktflachen benotigt wird

Bevorzugt kann in diesem Zusammenhang das Verhältnis von Leitungsquerschnitt einer Leistungsleiterbahn und/oder Leistungskontaktflache zu dem Leitungsquerschnitt einer Signalleiterbahn 2 bis 1000, bevorzugt 80 bis 400, betragen Auch hier wird deutlich, daß aufgrund des enorm vergrößerten Querschnitts die Leistungsunterschiede der Leiterbahnen im Signalbereich und im Leistungsbereich beträchtlich sein können Ein ebenfalls bevorzugtes Verhältnis von Hohe zu Breite einer Leistungsleiterbahn und/oder Leistungskontaktflache liegt bei einer Ausfuhrungsform im Bereich von 0,1 bis 10, bevorzugt 1 bis 4 Durch eine Kombination von Verbreiterung und Erhöhung der Leistungsleiterbahn im Verhältnis zu den Signalleiterbahnen wird ein Kompromiß erreicht, der entscheidend zu der hohen Integration auf einem gemeinsamen Basisträger beitragt

In den meisten Fallen kann vorgesehen sein, daß mindestens eine Leistungsleiterbahn in mehrere Leistungskontakflachen zum gemeinsamen Kontaktieren eines Leistungselektronikbausteins mundet Das bedeutet, daß diese Leiterbahn entsprechend der Anzahl der Kontakflachen Abzweigungen aufweist Verteilt sich die Leistung auf die einzelnen Kontaktflachen, können diese einen entsprechend geringeren Querschnitt aufweisen

Damit das MCM nach außen hin elektrisch verbunden werden kann, sind gemäß einer weiteren Ausfuhrungsform Signalanschlußkontaktflachen und Leistungsan- schlußkontakflachen für einen zugehörigen externen Anschluß vorgesehen, wobei die Signalanschlußkontaktflachen und die Leistungsanschlußkontaktflachen eine im wesentlichen gleiche Hohe aufweisen Durch die gleiche Hohe dieser Kontaktflachen erleichtert sich das Anordnen des MCM, da die Kontaktflachen zusaastz- lich zur Positionierung herangezogen werden können Bei entsprechend hohen Anschlußkontakflachen, laßt sich das MCM auch kopfüber einbauen, so daß die auf dem Basisträger angeordneten Bauelemente automatisch geschützt werden

Eine andere Vorgehensweise zum Ausgleich der unterschiedlichen Hohen von Signalleiterbahnen und Leistungsleiterbahnen besteht dann, daß die Signalan- schlußkontaktflachen und Leistungsanschlußkontaktflachen auf der den Halbleiterbausteinen und Leistungselektronikbausteinen abgewandten Seite (Ruckseite) des Basistragers angeordnet sind, wobei die Anschlußkontaktflachen mittels den Basisträger durchdringenden Leiterbahnabschnitten mit der gegenüberliegenden Seite (Vorderseite) elektrisch in Verbindung stehen Auf der Ruckseite des Ba- sistragers können dann die Anschlußflachen unabhängig von der Hohe der auf der Vorderseite angeordneten Leiterbahnen eine relativ niedrige Hohe aufweisen, wobei die Leistungsanschlußkontaktflachen entsprechend großer ausgebildet werden Dies spielt allerdings auf der Ruckseite aufgrund der hier vorhandenen Platzverhaltnisse keine nachteilige Rolle

Ein ausreichender Schutz für die Leistungselektronikbausteine, sowie eine relativ flache Bauhohe kann dadurch erzielt werden, daß das Maß, das sich aus der Hohe einer Leistungsleiterbahn abzüglich der Hohe einer mit dieser Leistungsleiterbahn in elektrischer Verbindung stehender Leistungskontaktflache ergibt, gleich groß oder großer ist als die Hohe des diese Leistungskontaktflache kontaktieren- den Leistungselektronikbaustems Das bedeutet, daß die Leistungsleiterbahnen die Elektronikbausteme schützend umgeben und, weil sie diese überragen, einen Stoßschutz bereitstellen

Ein weiterer wichtiger Aspekt, der bei einer Integration von Signalkreisen und Leistungskreisen auf einem MCM wichtig ist, besteht in der ausreichenden Waremab- fuhr Hierzu kann vorgesehen sein, daß am Basisträger mindestens ein Warmelei- terelement angeordnet ist, das mit einem Leistungselektronikbaustein thermisch leitend in Verbindung steht Dieses Warmeleitelement leitet dann die überschüssige Warme vom Leistungselektronikbaustein ab und kann dann in jeglich geeigneter Form durch dieses abgeführt werden

Gunstigerweise kann hierzu zusätzlich vorgesehen sein, daß das mindestens eine Warmeleitelement mit einer Warmetauschereinπchtung verbunden ist Die War- metauschereinπchtung sorgt dann für die entsprechende Abfuhr der Warme in Abhängigkeit der Leistung des Elektronikbausteins Als Warmetauschereinπch- tung kommen sämtliche hierzu geeigneten Mittel in Miniaturform in Frage, unabhängig davon, ob eine Zwangskuhlung oder ähnliches bereitgestellt wird Um die Vorderseite des MCM auch mit den Warmetauschereinπchtungen nicht übermäßig zu belasten, so daß eine hohe Integration nicht beeinträchtigt wird, kann diese auf der Ruckseite des Basistragers angeordnet sein, wobei das Warmeleitelement den Basisträger durchdringt Das Warmeleitelement leitet somit die Warme durch den Basisträger zu der auf der Unterseite angeordneten Warme- tauschereinπchtung Das hat insbesondere Vorteile bei kopfüber eingebauten MCM, da die unter Umstanden beengten Einbauverhaltnisse nicht zu einem Wärmestau fuhren, da die Warme in Bereiche abgeführt wird, wo für einen ausreichenden Wärmeaustausch gesorgt werden kann

Bei einer Variante des Wärmetauschers ist vorgesehen, daß dieser feine Kuhlrippen mit einem Verhältnis von Hohe zur Breite von 0,1 bis 10, bevorzugt 1 bis 4, aufweist Derartige Kuhlrippen sind in ähnlicher Weise herstellbar, wie die Leiterbahnen und weisen daher ein relativ großes Verhältnis von Hohe zu Breite auf Dies ermöglicht mit relativ kleinen Strukturen sehr große Warmetauschraten bereitzustellen

Eine weitere Variante besteht dann, daß eine Warmetauschereinπchtung thermisch leitend unmittelbar mit einem Leistungselektronikbaustein verbunden ist Eine solche Kuhlstruktur kann durch entsprechend geeignete Verbindungsmittel, z.B. einem thermisch leitenden Klebstoff, direkt auf die Leistungselektronikbausteine aufgesetzt werden

Um eine Standardisierung gewährleisten zu können, ist gemäß einer Ausfuhrungsform vorgesehen, daß die Signalanschlußkontaktflachen und die Leistungsan- schlußkontatkfiachen derart am Basisträger gruppiert angeordnet sind, daß das Modul in einen standardisierten Sockel einsetzbar ist Hier besteht auch die Möglichkeit, die Anschlußkontaktflachen so zu gruppieren, daß bereits vorhandene Sockel verwendet werden können Diese müssen dann lediglich an entsprechender stelle geeignete Kontakte für den Anschluß der Leistungskreise haben Des weiteren bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Herstellen eines Mulit-Chip-Moduls Das Verfahren umfaßt die folgenden Schritte

Bereitstellen eines Basistragers mit Signalleiterbahnen und Signalkontaktflachen, Aufbringen einer Strukturschicht, durch die zumindest die Signalleiterbahnen und Signalkontaktflachen im wesentlichen bis auf Verbindungsstellen abgedeckt sind und die eine Negativstruktur der Leistungsleiterbahen und/oder Leistungskontaktflachen aufweist,

Auffüllen der Negativstrukturen mittels eines Metallisierungsvorgangs zum Erzeugen der Leistungsleiterbahn und/oder Leistungskontaktflachen, wobei an den Verbindungsstellen ein Kontaktiereπ der Signalleiterbahnen und/oder Signalkon- takflachen und der Leistungsleiterbahnen und/oder der Leistungskontaktflachen erfolgt

Durch das getrennte Herstellen von Signalleiterbahnen und Leistungsleiterbahnen lassen sich die unterschiedlich hohen Strukturen durch relativ einfache Verfahrensschritte erzeugen Die bereits vorhandenen Signalleiterbahnen werden abgedeckt und bis auf geeignete Kontaktstellen zum Schutz vor den folgenden Verfahrensschritten versiegelt Der verwendete Grundstoff laßt sich durch die unterschiedlichsten Verfahren mit einer Negativstruktur versehen, die den Verlauf der Leistungsleiterbahnen vorgibt Bevorzugt geht diese Struktur bis auf den Basisträger durch, so daß dann eine Beschichtung des Basistragers im Bereich der Negativstruktur erfolgen kann Für die erfolgende Metallisierung können auch unterschiedliche Verfahren angewendet werden Die Strukturschicht gibt die durch die Metallisierung erzeugbare Form der Leistungsleiterbahnen und entsprechende Kontaktflachen vor Demnach schützt die Strukturschicht die entsprechenden Bahnen- und Kontaktstrukturen wahrend des Herstellungsvorgangs

Bevorzugt kann auf dem Basisträger im Bereich der Negativstruktur eine leitfahige Haftschicht aufgebracht werden, die als Basis für den Metallisierungsvorgang dient. Es ist wichtig, daß eine ausreichende Verbindung zwischen dem Basisträger und den Leiterbahnstrukturen hergestellt wird Dies kann bevorzugt durch eine teurere und die Verankerung besser bewirkende Haftschicht durchgeführt werden Die weitere Anhaftung ist dann durch einfache Metallisierungsvorgange erzielbar, da die Haftschicht entsprechende Leitfähigkeit besitzt

Gunstigerweise kann die Strukturschicht durch einen photolithografischen Vorgang aufgebracht werden Sehr feine und im Verhältnis Hohe zur Breite sehr vorteilhafte Strukturen sind durch ein solches Verfahren herstellbar Die Ausgestaltung von Leiterbahnen und Kontakflachen in beliebiger Form wird hierdurch erreicht

Gemäß einer Verfahrensvariante kann der Metallisierungsvorgang durcn galvanisches Abscheiden von Metall erfolgen Insbesondere im Zusammenhang mit einer leitfahigen Haftschicht, laßt sich dann auf dieser die gewünschte Struktur erzeugen

In den meisten Anwendungsfallen wird es gewünscht sein, wenn gemäß einer Variante nach dem Metallisierungsvorgang die Strukturschicht entfernt wird

Im folgenden werden Ausfuhrungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand von Zeichnungen naher erläutert Es zeigen

Fig 1 Eine erste Ausfuhrungsform eines MCM in perspektivischer Ansicht,

Fig 2 eine zweite Ausfuhrungsform eines MCM in einer Seitenansicht,

Fig 3 eine dritte Ausfuhrungsform eines MCM in einer perspektivischen Darstellung und

Fig 4 eine vierte Ausfuhrungsform eines MCM in einer perspektivischen Darstellung Die in Fig 1 dargestellte Ausfuhrungsform eines MCM umfaßt im wesentlichen einen durchgehenden, plattenformigen Basisträger 1 , auf dem sehr fein strukturierte elektrisch leitende Signalleiterbahnen 2 sowie im Querschnitt größere Leistungsleiterbahnen 5 angeordnet sind Die Signalleiterbahnen 3 fuhren jeweils zu einer am Rande des Basistragers 1 angeordneten Signalanschlußkontaktflache 3, mit denen der Signalbereich des MCM nach außen hin in Kontakt tritt Ausgehend von den Signalanschlußkontaktflachen 3 fuhren die Signalleiterbahnen 2 zu Signalkon- takflachen 4, die zur Kontaktierung von Signalhalbieiterbausteinen 1 1 dienen Diese Signalhalbleiterbausteine 1 1 können gehauste oder ungehauste Chips sein In der Fig 1 ist lediglich ein einziger Signalhalbleiterbaustein 11 dargestellt Selbstverständlich kann der Signalbereich beliebig kompliziert und entsprechend den Anwendungszwecken erforderlichen Anzahlen von Leiterbahnen 2 und Signalhalbieiterbausteinen 11 versehen werden Die Kontaktierung der Signalhalbleiterbausteine 11 und das Aufbringen der Signalleiterbahnen 2 und der Kontaktflachen 3 und 4 ist bestens bekannt Von dem Signalhalbleiterbaustein 11 fuhren zusätzliche Signalleiterbahnen oder Steuerleitungen 8 zum Leistungsbereich des MCM. Diese Steuerleitungen 8 stehen mit entsprechenden Leistungskontaktflachen 7 unmittelbar in Verbindung Diese Leistungskontaktflachen 7 sind galvanisch getrennt von mit den Leistungsleiterbahnen 5 verbundenen Leistungskontaktflachen 7a angeordnet Die Leistungsleiterbahnen 5 fuhren am Rand des Basistragers 1 zu Leistungsanschlußkontaktflachen 6

Das Material des Basistragers 1 kann je nach Anwendungsfall aus glasfaserverstärktem Kunststoff (Aufbau im Sinne eines MCM-L), aus Keramik (Aufbau im Sinne eines MCM-C), aus Silicium (Aufbau im Sinne eines MCM-D) oder aus einem anderen geeigneten Material (z B einem elektrisch isolierten Metall) bestehen In der dargestellten Ausfuhrungsform sind die Leiterbahnen 2, 8 und 5 jeweils einlagig angeordnet Eine mehrlagige Anordnung kann vorgesehen werden Die Anschlußkontaktflachen 3 und 6 dienen zur elektrischen Verbindung des gesamten MCM mit der Umgebung (z B anzusteuernde Motoren, übergeordnete Rechner, Sensor , etc )

Im dargestellten Ausfuhrungsbeispiel sind die Signalleiterbahnen 2 ca 5 bis 10 Mikrometer und die Leistungsleiterbahnen ca 0,6 bis 0 7 mm dick Auch die Breite der Leistungsleiterbahnen ist ein Vielfaches der Breite der Signalleiterbahnen 2 Im dargestellten Ausfuhrungsbeispiel weisen die Kontaktflachen 7, 7a und 6 die gleiche Hohe auf, wie die Leistungsleiterbahnen 5 Auf die Kontaktflachen wird ein Leistungselektronikbaustein 12 aufgesetzt

Da eine große Anzahl von Signalhalbleiterbausteinen 11 und/oder nur einzelne Leistungselektronikbausteine 12 relativ hohe Temperaturen erzeugen, kommt einer guten Wärmeableitung eine große Bedeutung zu Zu diesem Zweck können die von den Leiterbahnen 2, 5 und den Kontaktflachen 3, 4, 6, 7, 7a freien Gebiete, jedoch mindestens im Leistungsbereich, Warmeleitelemente 9 vorgesehen sein Das in der Fig 1 dargestellte Warmeleitelement 9 ist zwischen den Leistungskontaktflachen 7, 7a angeordnet und steht in wärmeleitendem Kontakt mit der Unterseite des Leistungselektronikbausteins 12 Hierzu ist der Basisträger 1 so durchbrochen, daß das Warmeleitelement 9 den Basisträger 1 durchdringt und so eine gute Wärmeableitung zur Ruckseite des Basistragers 1 ermöglicht Die Abfuhrung der Warme kann dann auf unterschiedlichste Weise erfolgen

Die Steuerleitungen 8 bestehen bevorzugt aus dem gleichen Material, wie die Leistungskontaktflachen 7, so daß eine innige Verbindung ohne störende Schnittstellen oder Verbindungen erzeugt ist Hierdurch wird eine störungsfreie Steuersignaiubertragung erzielt Die hohe Integrationsdichte, die durch die Anordnung auf einem Basisträger 1 erzielbar ist, laßt ungeahnte Möglichkeiten der MCM-Technik zu Bevorzugt erfolgt die Herstellung dieser Strukturen durch photolithografische Verfahren kombiniert mit galvanischer Abscheidung in mehreren Stufen, so daß unabhängig voneinander der Signalbereich und der Leistungsbereich hergestellt wird An den Schnittstellen erfolgt dann jedoch der störungsfreie Übergang

Im folgenden wird anhand der Fig 2 eine zweite Ausfuhrungsform eines MCM naher erläutert Im folgenden wird nur auf die wesentlichen Unterschiede zum vorangegangenen Ausfuhrungsbeispiel eingegangen Gleiche Bezugsziffern bezeichnen daher gleiche oder äquivalente Bauelemente Eine entsprechende Beschreibung ist übertragbar

Die zweite Ausfuhrungsform gemäß Fig 2 weist im wesentlichen zwei große Unterschiede auf Die Kontaktflachen 3 und 6 stehen mit der Ruckseite des Basistragers 1 in Verbindung, in dem nicht naher dargestellte Leiterbahnabschnitte den Basisträger 1 an dieser Stelle durchdringen Hierdurch werden auf der Ruckseite Kontakterhohungen 10 erzeugt, die entsprechend die Aufgabe der Anschlußkontaktflachen 3 und 6 übernehmen Durch das Anordnen der Kontakterhohung 10 auf der Ruckseite des Basistragers 1 können diese mit gleicher Hohe, jedoch unterschiedlicher Flache ausgestaltet werden, wodurch sich das Kontaktieren des MCM sehr stark vereinfacht Die Kontakterhohungen 10 können z B durch sogenannte Lotbumps (d h mit kugelabschnittartigen Erhöhungen aus Lotzinn) versehen sein Auf diese Weise wird sichergestellt, daß das gesamte MCM in einem Arbeitsgang gleichzeitig auf eine entsprechende Unterlage befestigt und von dieser elektrisch kontaktiert werden kann

Der zweite Unterschied besteht dann, daß auf dem Leistungselektronikbaustein 12 ein Kühlkörper 13 angeordnet ist, der für eine entsprechende Warmeabfuhrung sorgt Damit dieser Kühlkörper 13 das Volumen des gesamten Aufbaus nicht zu stark vergrößert, handelt es sich vorzugsweise um einen Korper, dessen Kühlstrukturen aus geometrischen Formen (Wanden, Säulen, Pyramiden etc ) mit hohem Aspektverhältnis, d h einem großen Verhältnis von Strukturhόhe zur Strukturbreite bestehen Auf diese Weise wird sichergestellt, daß der Kühlkörper 13 bei einer sehr kleinen Bauhohe (z B 0,5 mm) eine sehr große Kuhlflache (z B bei einer Ausbildung der Kuhlstrukturen als 0,4 mm hohe Säulen 25 cm² Kuhlflache por 1 cm² Grundflache) aufweist

Bei solchen Aufbauten von MCM besteht darüber hinaus noch die Möglichkeit, die Signalhalbleiterbausteine 11 und insbesondere die Leistungselektronikbausteine 12 von mechanischer Einwirkung von außen zu schützen, z B indem Gehäuse vorgesehen werden oder ein Vergießen der Elemente stattfindet

Auch bei dem nachfolgend erläuterten Ausfuhrungsbeispiel gemäß der Fig 3 wird nur auf die wesentlichen Unterschiede eingegangen, weshalb ergänzend auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird

Hier weisen die Leistungsanschlußkontaktflachen 6 die gleiche Hohe auf, wie die Signalanschlußkontaktflachen 3 Hierzu sind die Signalanschlußkontaktflachen 3 als Säulen ausgestaltet Auch diese können mit Kontakterhohungen 10 versehen werden, so daß sich eine gleichmäßige Hohe ergibt Die Leistungsleiterbahnen 5 weisen dabei faßt die gleiche Hohe auf, wie die Leistungsanschlußkontaktflachen 6, wohingegen die Leistungskontaktflachen 7 und 7a von geringerer Dicke sind Dabei ist jedoch sichergestellt, daß der Gesamtquerschnitt der Leistungskontaktflachen 7a ausreichend zur Leistungsubertragung ist Auch das Warmeleitelement 9 ist entsprechend der Hohe der Leistungskontaktflachen 7, 7a angepaßt Der Unterschied der Hohe der Leistungskontaktflachen 7, 7a und der Leistungsleiterbahnen 5 ist so bemessen, daß eine versenkte Anordnung der Leistungselektronikbausteine 12 vorgenommen werden kann Der gesamte Aufbau des MCM gewahrt neben der versenkten Montage der Leistungselektronikbausteine auch die Möglichkeit, daß dieses mit der Oberseite nach unten eingebaut werden kann Hierbei erleichtert wiederum die gleich hohe Anordnung der Anschlußkontaktflachen 3, 6 die Kontaktierung Durch diese Art der Montage des gesamten MCM ergibt sich ein vollständiger Schutz der Halbleiterbausteine 11 , 12 gegen mecha- nische Beschädigung, so daß diese allenfalls nur noch mit einer dünnen Passivie- rungsschicht gegen Feuchtigkeit und schädliche Chemikalien geschützt werden müssen

Die Warmeleitelemente 9 durchdringen wiederum den Basiskorper 1 und stehen mit einem auf der Ruckseite des Basistragers 1 angebrachten Kühlkörper 13 in Verbindung Der Kühlkörper 13 weist bevorzugt wieder Kuhlstrukturen vorzugsweise aus geometrischen Formen (Wanden, Säulen, Pyramiden etc ) mit hohem Aspektverhaltnis auf Da diese Art von Kühlkörper 13 eine extrem große Kuhlflache bereitstellt, stellt die Montage mit der Oberseite nach unten keine Gefahr der Uberhitzung dar, selbst wenn diese Bauelemente dann in abgeschlossenen Einheiten integriert sind, da die Warme ausreichend nach außen abgeführt wird

Auch bei dem Ausfuhrungsbeispiel gemäß der Fig 4 wird nur auf die wesentlichen Unterschiede zu den vorangegangenen Ausfuhrungsbeispielen eingegangen, weshalb auch hier auf die obige Beschreibung bezuglich baugleicher Elemente verwiesen wird Bei diesem Ausfuhrungsbeispiel sind sämtliche Signalanschlußkontaktflachen 3 und Leistungskontaktflachen 6 am Rand des Basistragers 1 als Saulenkontakte ausgestaltet Diese Anordnung entspricht einer Standardisierung, so daß das MCM als „intelligentes Leistungsmodul" in am Markt als Standardbauelemente erhältliche Sockel eingesteckt werden kann

In der Fig 4 ist auch sehr gut zu erkennen, daß die Fuhrung der Leistungsleiterbahnen 5 beliebig ausgestaltet werden kann, damit die vorgegebenen Positionen der Anschlußkontaktflachen 6 erreicht werden können Der Basisträger 1 und die für die Kontaktierung des gesamten MCM notwendigen Anschlußkontaktflachen 3, 6 können so aufgebaut und geformt sein, daß die gewünschte Standardgeometrie gegeben ist Die Ausfuhrungsform gemäß Fig 4 entspricht beispielsweise einem sogenannten „Chιp-Camer"-Modul (PLCC-Modul) mit 15 Kontaktstellen an der Umrandung Auf ähnliche Art können problemlos PLCC mit 20, 28, 84 Polen oder PGA-kompatible Aufbauten oder beliebige andere Standardaufbauten zur Verfugung gestellt werden In Fallen bei denen die Querschnitte der einzelnen Standardkontakte nicht ausreicht, um die notwendige Leistung zu den Leistungse- lektronikbausteinen 12 zu überfuhren, können mehrere Leistungsleiterbahnen für ein und dieselben Leistungskontaktflachen 7a auf mehrere als Standardkontakte ausgebildete Leistungsanschlußkontaktflachen 6 aufgeteilt werden, so daß ein insgesamt genügend großer Leitungsquerschnitt erhalten wird

Claims

Patentansprüche

1 Multi-Chip-Modul mit einem Basisträger (1 ), auf dem zumindest bereichsweise mindestens einlagig angeordnete Signalleiterbahnen (2,8) und Signalkontaktflachen (4) angeordnet sind, und mit mindestens einem mit Signalleiterbahnen (2) und Signalkontaktflachen (4) verbundenen, im Signalbereich arbeitenden Halblei- terbaustein (12), dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich auf dem Basisträger

(1 ) zumindest bereichsweise mindestens einlagig angeordnete Leistungsleiterbahnen (5) und Leistungskontaktflachen (7,7a) angeordnet sind, mindestens ein im Leistungsbereich arbeitender Leistungselektronikbaustein (12) vorgesehen ist, der mit mindestens einer Leistungsleiterbahn (5), mindestens einer Leistungskon- takflache (7,7a) und mindestens einer Signalleiterbahn (2,8) verbunden ist und die Leistungsleiterbahnen (5) einen größeren Querschnitt als die Signalleiterbahnen

(2) zumindest aufgrund größerer Dickenmaße aufweisen

2 Multi-Chip-Modul nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine zu einem Leistungselektronikbaustein (12) fuhrende Signalleiterbahn (2,8) in eine Leistungsleiterbahn (5) und/oder Leistungskontaktflache (7) im wesentlichen nahtlos übergeht

3 Multi-Chip-Modul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von Hohe einer Leistungsleiterbahn (5) und/oder Leistungskontaktflache (7,7a) zu der Signalleiterbahn (2,8) und/oder Signalkontakflache (4) im Bereich von 2 bis 300, bevorzugt 120 bis 130, liegt

4 Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis vom Leitungsquerschnitt einer Leistungsleiterbahn (5) und/oder Leistungskontaktflache (67,7a) zu dem Leitungsquerschnitt einer Signalleiterbahn (2,8) 2 bis 1000, bevorzugt 80 bis 400, betragt

5. Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von Höhe zur Breite einer Leistungsleiterbahn (5) und/oder Leistungskontaktfläche (7,7a) im Bereich 0,1 bis 10, bevorzugt 1 bis 4, liegt.

6. Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Leistungsleiterbahn (5) in mehrere Leistungskontaktflachen (7a) zum gemeinsamen Kontaktieren eines Leistungselektronikbausteins (12) mündet.

7. Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß Signalanschlußkontaktflächen (3) und Leistungsanschlußkontaktflächen (6) für einen zugehörigen externen Anschluß vorgesehen sind, wobei die Signalanschluß- koπtaktflächen (3) und die Leistungsanschlußkontaktflächen (6) eine im wesentlichen gleiche Höhe aufweisen.

8. Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß Signalanschlußkontaktflächen (3) und Leistungsanschlußkontaktflächen (6) auf der den Halbleiterbausteinen (11 ) und Leistungselektronikbausteinen (12) abgewandten Seite (Rückseite) des Basisträgers (1 ) angeordnet sind, wobei die Anschlußkontaktflächen (3,6) mittels den Basisträger (1) durchdringenden Leiterbahnabschnitten mit der gegenüberliegenden Seite (Vorderseite) elektrisch in Verbindung stehen.

9. Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Maß, das sich aus der Höhe einer Leistungsleiterbahn (5) abzüglich der Höhe einer mit dieser Leistungsleiterbahn (5) in elektrisch Verbindung stehender Leistungskontaktfläche (7a) ergibt, gleich groß oder größer ist als die Höhe des diese Leistungskontaktfläche (7a) kontaktierenden Leistungselektronikbausteins (12).

10. Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß am Basisträger (1) mindestens ein Wärmeleitelement mit angeordnet ist, das mit einem Leistungselektronikbaustein (12) thermisch leitend in Verbindung steht.

1 1 Modul nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das mindestens eine Warmeleitelement (9) mit einer Warmetauschereinπchtung (13) verbunden ist

12 Modul nach Anspruch 11 dadurch gekennzeichnet, daß die Warmetau- schereinπchtung (13) auf der Ruckseite des Basistragers (1) angeordnet ist und das Warmeleitelement (9) den Basisträger (1 ) durchdringt

13 Modul nach Anspruch 1 1 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Warme- tauschereinπchtung (13) feine Kuhlrippen mit einem Verhältnis von Hohe zur Breite von 0,1 bis 10, bevorzugt 1 bis 4, aufweist

14 Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß eine Warmetauschereinπchtung (13) thermisch leitend unmittelbar mit einem Leistungselektronikbaustein (12) verbunden ist

15 Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalanschlußkontaktflachen (3) und Leistungsanschlußkontaktflachen (6) derart am Basisträger (1) gruppiert und angeordnet sind, daß das Modul in einen standardisierten Sockel einsetzbar ist

16 Verfahren zum Herstellen eins Multi-Chip-Moduls mit folgenden Schritten

Bereitstellen eines Basistragers (1 ) mit Signalleiterbahnen (2,8) und Signalkontaktflachen (4),

Aufbringen einer Strukturschicht, durch die zumindest die Signalleiterbahnen (2) und Signalkontaktfiachen (4) im wesentlichen bis auf Verbindungsstellen abgedeckt sind und die eine Negativstruktur der Leistungsleiterbahnen (5) und/oder Leistungskontaktflachen (7,7a) aufweist, Auffüllen der Negativstruktur mittels eines Metallisierungsvorgangs zum Erzeugen der Leistungsleiterbahnen (5) und/oder Leistungskontaktflachen (7), wobei an den Verbindungsstellen ein Kontaktieren der Signalleiterbahnen (2,8) und/oder Signalkontaktflächen (4) und der Leistungsleiterbahnen (5) und/oder der Leistungskontaktflachen (7) erfolgt.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Basisträger im Bereich der Negativstruktur eine leitfähige Haftschicht aufgebracht wird, die als Basis für den Metallisierungsvorgang dient.

18. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Strukturschicht durch einen photolithografischen Vorgang aufgebracht wird.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallisierungsvorgang durch galvanisches Abscheiden von Metall erfolgt.

20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Metallisierungsvorgang die Strukturschicht entfernt wird.