Pobierz dokument

R Z E C Z P O S P O L IT A
PO LSK A
(12) OPIS PATENTOWY (19)PL (11)183923
(21 ) Numer zgłoszenia:
(22) Data zgłoszenia:
326074
26.04.1997
(86) Data i num er zgłoszenia międzynarodowego:
Urząd Patentowy
Rzeczypospolitej Polskiej
26.04.1997, PCT/DE97/00856
(87) Data i numer publikacji zgłoszenia
międzynarodowego:
(13) B1
(51) IntCl7
H01L 25/16
H01L 23/538
19.02.1998, W098/07193,
PCT Gazette nr 07/98
Moduł multichipowy
(54)
(30) Pierwszeństwo:
(73) Uprawniony z patentu:
09.08.1996,DE,19632200.6-33
(43)
Zgłoszenie ogłoszono:
ROBERT BOSCH GMBH, Stuttgart, DE
(72) Twórcy wynalazku:
17.08.1998 BUP 17/98
(45)
O udzieleniu patentu ogłoszono:
30.08.2002 WUP 08/02
PL 183923
B1
(5 7 )
1. M oduł m ultichipow y zaw ierający płytę nośną, n a k tórej pow ierzchni m ontażowej um ieszczony jest co najm niej jed en
obw ód scalony i inne elem enty elektroniczne, połączone ze sobą
za p o m o cą przew odzących elektrycznie połączeń, przy czym z
pow ierzchni m ontażowej na dolną pow ierzchnię płyty nośnej są
przeprow adzone styki przelotow e, połączone z um ieszczonym i
na dolnej pow ierzchni stykami lutow anym i do elektrycznego
połączenia m odułu m ultichipow ego z nośnikiem podzespołów ,
oraz z um ieszczonym na płycie nośnej, dodatkow ym elem entem
nośnym , zaopatrzonym w ścieżki przew odzące i/lub elem enty,
przy czym pow ierzchnia podstaw y dodatkow ego elem entu
nośnego je s t w iększa niż pow ierzchnia podstaw y co najm niej
jednego obw odu scalonego, zaś na nie objętej przez obw ód
scalony, górnej pow ierzchni dodatkow ego elem entu nośnego
znajd u ją się pierw sze i drugie pow ierzchnie przyłączeniow e,
przy czym pierw sze pow ierzchnie przyłączeniow e s ą poprzez
druty m ikrom ontażow e połączone elektrycznie z obw odem
scalonym , natom iast drogie pow ierzchnie przyłączeniow e są
poprzez inne druty m ikrom ontażow e połączone z przyłączam i na
pow ierzchni m ontażow ej płyty nośnej, znam ienny tym , że na
górnej pow ierzchni (25 ) dodatkow ego elem entu nośnego (20 )
znajdują się elem enty elektryczne ( 24 ) do elim inow ania elektrycznych sygnałów zakłócających, m ające postać dyskretnych
elem entów oporow ych, połączonych elektrycznie z pierw szym i 1
drugim i pow ierzchniam i przyłączeniow ym i (21, 22).
Dieter Napierała, Hildesheim, DE
(74)
Pełnomocnik:
Szlagowska-Kiszko Teresa, POLSERVICE
Moduł multichipowy
Zastrzeżenia patentowe
1. Moduł multichipowy zawierający płytę nośną, na której powierzchni montażowej
umieszczony jest co najmniej jeden obwód scalony i inne elementy elektroniczne, połączone
ze sobą za pomocą przewodzących elektrycznie połączeń, przy czym z powierzchni montażowej na dolną powierzchnię płyty nośnej są przeprowadzone styki przelotowe, połączone
z umieszczonymi na dolnej powierzchni stykami lutowanymi do elektrycznego połączenia
modułu, multichipowego z nośnikiem podzespołów, oraz z umieszczonym na płycie nośnej,
dodatkowym elementem nośnym, zaopatrzonym w ścieżki przewodzące i/lub elementy, przy
czym powierzchnia podstawy dodatkowego elementu nośnego jest większa niż powierzchnia
podstawy co najmniej jednego obwodu scalonego, zaś na nie objętej przez obwód scalony,
górnej powierzchni dodatkowego elementu nośnego znajdują się pierwsze i drugie powierzchnie przyłączeniowe, przy czym pierwsze powierzchnie przyłączeniowe są poprzez
druty mikromontażowe połączone elektrycznie z obwodem scalonym, natomiast drugie powierzchnie przyłączeniowe są poprzez inne druty mikromontażowe połączone z przyłączami
na powierzchni montażowej płyty nośnej, znamienny tym, że na górnej powierzchni (25)
dodatkowego elementu nośnego (20) znajdują się elementy elektryczne (24) do eliminowania
elektrycznych sygnałów zakłócających, mające postać dyskretnych elementów oporowych,
połączonych elektrycznie z pierwszymi i drugimi powierzchniami przyłączeniowymi (21,22).
2. Moduł według zastrz. 1, znamienny tym, że dodatkowy element nośny (20) stanowi
podłoże krzemowe.
3. Moduł według zastrz. 1, znamienny tym, że dodatkowy element nośny (20) stanowi
podłoże ceramiczne.
4. Moduł według zastrz. 3, znamienny tym, że dodatkowy element nośny (20) stanowi
ceramiczne podłoże wielowarstwowe, w którym ścieżki przewodzące i elementy (24, 27, 28)
są rozmieszczone w kilku warstwach, oddzielonych od siebie izolacyjnymi warstwami ceramicznymi i połączonych elektrycznie za pomocą styków przelotowych.
5. Moduł według zastrz. 4, znamienny tym, że elementy (24) w postaci elementów
oporowych i ścieżki przewodzące są cienko- lub grubowarstwowe.
6. Moduł według zastrz. 5, znamienny tym, że na górnej powierzchni (25) lub jednej z wewnętrznych warstw dodatkowego elementu nośnego (20) w postaci ceramicznego podłoża wielowarstwowego umieszczone są elementy indukcyjne (27) i/lub elementy pojemnościowe (28).
7. Moduł według zastrz. 1 albo 2, albo 3, albo 4, albo 5, albo 6, znamienny tym, że dodatkowy element nośny (20) jest naklejony na płytę nośną (2).
8. Moduł według zastrz. 7, znamienny tym, że dodatkowy element nośny (20) jest naklejony na płytę nośną (2) za pomocą kleju (11), przewodzącego ciepło.
* * *
Przedmiotem wynalazku jest moduł multichipowy.
Moduły multichipowe składają się z płyty nośnej, na której umieszczonych jest kilka,
pozbawionych obudowy, obwodów scalonych oraz innych elementów elektronicznych, jak na
przykład elementy typu SMD. W celu zabezpieczenia wrażliwych elementów przed wpływem
czynników atmosferycznych na płytę nośną nakłada się pokrywę lub kołpak. Płytę nośną stanowi z reguły wielowarstwowa płyta okablowana lub wielowarstwowy element ceramiczny,
w związku z czym obwody scalone i inne elementy elektroniczne można połączyć ze sobą za
pomocą kilku warstw płyty nośnej. Elektryczne przyłącza modułu multichipowego są poprzez
styki przelotowe połączone ze znajdującymi się na spodzie płyty nośnej stykami lutowanymi,
mającymi korzystnie postać lutowanych wypukłości, tak zwanych „solder bumps”, i służą do
183 923
3
mechanicznego i elektrycznego połączenia modułu multichipowego z odpowiednio ustawionymi plamkami stykowymi nośnika podzespołów. Umieszczone na górnej powierzchni modułu multichipowego, będącej powierzchnią zbrojoną, obwody scalone mają wiele przyłączy,
które są podłączane do ścieżek przewodzących na górnej powierzchni modułu multichipowego. W tym celu obwody scalone są przyklejane lub mocowane w inny sposób do górnej powierzchni modułu i poprzez druty mikromontażowe łączone z przyłączami, wbudowanymi
w ścieżki przewodzące. Dla wyeliminowania transmisji elektrycznych sygnałów zakłócających znane jest rozwiązanie, polegające na podłączaniu dyskretnych elementów oporowych
do pojedynczych ścieżek przewodzących obwodu scalonego, połączonych z drutami mikromontażowymi. Te elementy oporowe muszą być umieszczone na module multichipowym
poza powierzchnią, potrzebną do zamocowania danego obwodu scalonego. Niekorzystną cechę rozwiązań znanych ze stanu techniki stanowi fakt, że powierzchnia modułu multichipowego, potrzebna do umieszczenia obwodu scalonego, jest większa niż powierzchnia podstawy
danego obwodu scalonego, aby uniknąć uszkodzenia części obwodu i poszczególnych elementów na górnej powierzchni modułu podczas mocowania obwodu scalonego. Ponieważ na
tej powierzchni nie mogą być umieszczone ścieżki przewodzące i elementy obwodu, na przykład oporniki, powierzchnię modułu multichipowego należy odpowiednio zwiększyć, aby
zmieścić na niej wszystkie niezbędne elementy i ścieżki przewodzące. W przypadku modułu
multichipowego z kilkoma obwodami scalonymi, z których każdy ma liczne pojedyncze
przyłącza, które należy połączyć z opornikami przeciwzakłóceniowymi, wymagana górna
powierzchnia modułu multichipowego ulega znacznemu zwiększeniu. Ma to niekorzystny
wpływ na koszty wytwarzania i wielkość modułu. Ponadto niekorzystny jest fakt, że przeznaczone do eliminacji sygnałów zakłócających dyskretne elementy oporowe i ich połączenia
elektryczne zajmują stosunkowo wiele miejsca na powierzchni montażowej modułu multichipowego. Szczególnie niekorzystne jest to, że duża ilość elektrycznych połączeń obwodu scalonego wraz z opornikami przeciwzakłóceniowymi czyni koniecznym zwiększenie ilości
warstw płyty nośnej. To z kolei utrudnia projektowanie układu ścieżek przewodzących
i zwiększa koszty wytwarzania.
Moduły multichipowe, znane przykładowo z europejskiego opisu patentowego
nr EP 0675539, zawierają jednostkę mikroelektroniczną, złożoną z wielu elementów na bazie
układów scalonych, w której pomiędzy wspomnianymi elementami i wielowarstwową płytą
nośną umieszczona jest płyta pośrednia. Część obwodów scalonych jest za pomocą drutów
mikromontażowych połączona z powierzchniami przyłączeniowymi na płycie pośredniej.
Pozostałe powierzchnie przyłączeniowe na płycie pośredniej są za pomocą drutów mikromontażowych połączone z płytą nośną modułu multichipowego. Powierzchnia płyty pośredniej jest większa niż powierzchnia podstawy układów scalonych. Konstrukcja pozwala
zmniejszyć wymiary jednostki.
Moduł multichipowy zawierający płytę nośną na której powierzchni montażowej
umieszczony jest co najmniej jeden obwód scalony i inne elementy elektroniczne, połączone
ze sobą za pomocą przewodzących elektrycznie połączeń, przy czym z powierzchni montażowej na dolną powierzchnię płyty nośnej są przeprowadzone styki przelotowe, połączone
z umieszczonymi na dolnej powierzchni stykami lutowanymi do elektrycznego połączenia
modułu multichipowego z nośnikiem podzespołów, oraz z umieszczonym na płycie nośnej,
dodatkowym elementem nośnym, zaopatrzonym w ścieżki przewodzące i/lub elementy, przy
czym powierzchnia podstawy dodatkowego elementu nośnego jest większa niż powierzchnia
podstawy co najmniej jednego obwodu scalonego, zaś na nie objętej przez obwód scalony,
górnej powierzchni dodatkowego elementu nośnego znajdują się pierwsze i drugie powierzchnie przyłączeniowe, przy czym pierwsze powierzchnie przyłączeniowe są poprzez dnity
mikromontażowe połączone elektrycznie z obwodem scalonym, natomiast drugie powierzchnie
przyłączeniowe są poprzez inne druty mikromontażowe połączone z przyłączami na powierzchni montażowej płyty nośnej, według wynalazku charakteryzuje się tym, że na górnej powierzchni dodatkowego elementu nośnego znajdują się elementy elektryczne do eliminowania elektrycznych sygnałów zakłócających, mające postać dyskretnych elementów oporowych, połączonych elektrycznie z pierwszymi i drugimi powierzchniami przyłączeniowymi.
4
183 923
Korzystnie dodatkowy element nośny stanowi podłoże krzemowe lub podłoże ceramiczne.
Korzystnie dodatkowy element nośny stanowi ceramiczne podłoże wielowarstwowe,
w którym ścieżki przewodzące i elementy są rozmieszczone w kilku warstwach, oddzielonych
od siebie izolacyjnymi warstwami ceramicznymi i połączonych elektrycznie za pomocą styków przelotowych.
Korzystnie elementy w postaci elementów oporowych i ścieżki przewodzące są cienkolub grubowarstwowe.
Korzystnie na górnej powierzchni lub jednej z wewnętrznych warstw dodatkowego
elementu nośnego w postaci ceramicznego podłoża wielowarstwowego umieszczone są elementy indukcyjne i/lub elementy pojemnościowe.
Korzystnie dodatkowy element nośny jest naklejony na płytę nośną, zwłaszcza za pomocą kleju, przewodzącego ciepło.
Moduł multichipowy według wynalazku ma tę zaletę, że pomiędzy każdym z obwodów
scalonych i płytą nośną umieszczony jest dodatkowy element nośny, na którym można umieścić elementy i części okablowania ścieżek przewodzących. Ponieważ dodatkowy element
nośny można wykonać niezależnie od techniki wykonania płyty nośnej , dzięki doborowi odpowiednich metod wytwarzania na elemencie nośnym można umieścić drobniejsze struktury
ścieżek przewodzących i mniejsze elementy. Pozwala to na zmniejszenie zarówno górnej powierzchni płyty nośnej, jak też liczby wymaganych warstw płyty nośnej, co z kolei umożliwia
obniżenie kosztów wytwarzania modułu.
Jeżeli powierzchnia podstawy dodatkowego elementu nośnego jest większa niż powierzchnia podstawy odpowiedniego obwodu scalonego, wówczas na części dodatkowego
elementu nośnego, nie objętej przez obwód scalony, można umieścić, w sposób zajmujący
mało miejsca, pierwsze i drugie powierzchnie przyłączeniowe dla przewidzianych na dodatkowym elemencie nośnym elementów i ścieżek przewodzących, oraz połączyć je poprzez
druty mikromontażowe z obwodem scalonym i przyłączami na powierzchni montażowej płyty
nośnej. Ponieważ dodatkowy element nośny wraz z obwodem scalonym można tak zamocować na powierzchni montażowej płyty nośnej, że znajduje się on w małym odstępie od przyłączeniowych ścieżek przewodzących, wykorzystana tu jest powierzchnia pomiędzy przyłączeniowymi ścieżkami przewodzącymi i obwodem scalonym, co nie ma miejsca w stanie
techniki.
Istotna zaleta polega na tym, że potrzebne do eliminowania elektrycznych sygnałów zakłócających, dyskretne elementy oporowe można umieścić na górnej powierzchni dodatkowego elementu nośnego. Ponieważ elektryczne połączenie elementów oporowych następuje
na dodatkowym elemencie nośnym, na płycie nośnej modułu nie jest potrzebne dodatkowe
miejsce na elementy oporowe i ich okablowanie.
Wykonanie dodatkowego elementu nośnego w postaci podłoża krzemowego pozwala
z dużą precyzją wykonać ścieżki przewodzące i elementy oporowe. Wykonanie dodatkowego
elementu nośnego w postaci podłoża ceramicznego, zwłaszcza ceramicznego podłoża wielowarstwowego, pozwala z kolei na stosunkowo łatwe umieszczenie połączeń ścieżek przewodzących i pojedynczych elementów na różnych warstwach dodatkowego elementu nośnego.
Można wówczas zmniejszyć gęstość ścieżek przewodzących i ilość warstw okablowania na
płycie nośnej.
Jeżeli przeciwzakłóceniowe elementy oporowe są wykonane na ceramicznym elemencie
nośnym za pomocą techniki cienkich lub grubych warstw, wówczas można znacznie zmniejszyć ilość miejsca, potrzebną do umieszczenia elementów oporowych, ponieważ tego typu
struktury mogą być bardzo małe.
W ceramicznym podłożu wielowarstwowym można umieścić elementy indukcyjne lub
elementy pojemnościowe, wbudowane w znany sposób w podłoże ceramiczne.
Jeżeli dodatkowy element nośny jest naklejony na płytę nośną modułu, wówczas dla
lepszego odprowadzania ciepła, wytwarzanego przez obwód scalony, można wykorzystać klej
przewodzący ciepło.
183 923
5
Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładzie wykonania na rysunku, który
przedstawia moduł multichipowy z naklejonym dodatkowym elementem nośnym i pojedynczym obwodem scalonym w silnie uproszczonym, nie zachowującym proporcji, przekroju
poprzecznym.
W ukazanym tu przykładzie wykonania płytę nośną 2 modułu multichipowego 1 stanowi wielowarstwowa płyta okablowana. Na górnej powierzchni 3 modułu 1, stanowiącej jej
powierzchnię montażową, znajdują się różne elementy 7, połączone ze sobą w znany sposób
za pomocą ścieżek przewodzących 9 na górnej powierzchni, wewnętrznych warstw płyty okablowanej 2 oraz styków przelotowych. Elektryczne przyłącza obwodu, umieszczonego na
module multichipowym, są poprzez styki przelotowe 6 przeprowadzone na dolną powierzchnię 4 płyty okablowanej 2 i tam połączone ze stykami lutowanymi 5 w postaci „solder
bumps”. Moduł multichipowy 1 jest nasadzony stykami lutowanymi 5 w postaci „solder
bumps” na odpowiednio rozmieszczone plamki stykowe nie przedstawionego nośnika podzespołów i zlutowany z nimi metodą „reflow”.
Poza elementami 7 na górnej powierzchni 3 wielowarstwowej płyty okablowanej 2
umieszczonych jest kilka obwodów scalonych 30, z których celem uproszczenia na fig. 1
przedstawiony jest tylko jeden. Obwód scalony 30 jest umieszczony na płytowym dodatkowym elemencie nośnym 20 techniką „chip-on-board”. Dodatkowy element nośny 20 jest
z kolei nasadzony na górną powierzchnię 3 płyty okablowanej 2. Płytowy dodatkowy element
nośny 20 ma w ukazanym przykładzie wykonania postać ceramicznego podłoża wielowarstwowego i składa się z kilku izolacyjnych warstw ceramicznych, pomiędzy którymi znajdują
się ścieżki przewodzące, połączone ze sobą za pomocą styków przelotowych (vias). Wielkości
strukturalne ścieżek przewodzących i styków przelotowych na ceramicznym podłożu wielowarstwowym są zazwyczaj mniejsze niż odpowiednie wielkości strukturalne na płycie okablowanej 2. Jako dodatkowy element nośny można również zastosować inne podłoża nośne,
jak na przykład podłoże krzemowe lub zwykłą płytę ceramiczną. Obwód scalony 30 jest poprzez warstwę 31 kleju połączony z ceramicznym wielowarstwowym dodatkowym elementem nośnym 20, który z kolei poprzez warstwę 11 kleju w postaci kleju przewodzącego ciepło, jest połączony z płytą okablowaną 2. Powierzchnia podstawy ceramicznego wielowarstwowego dodatkowego elementu nośnego 20 jest z jednej strony większa niż powierzchnia
podstawy obwodu scalonego, z drugiej jednak strony na tyle mała, że dodatkowy element
nośny 20 może być naklejony na płytę okablowaną 2 pomiędzy przyłączami 10 ścieżek przewodzących 9, w obszarze przeznaczonym do umieszczenia obwodu scalonego. Na nie objętej
przez obwód scalony 30, części powierzchni 25 ceramicznego wielowarstwowego dodatkowego elementu nośnego 20 znajdują się powierzchnie przyłączeniowe 21 i 22 w postaci ścieżek
mikromontażowych. Powierzchnie przyłączeniowe 21 są poprzez druty mikromontażowe 23
połączone z przyłączami obwodu scalonego 30. Powierzchnie przyłączeniowe 22 są z kolei poprzez inne druty mikromontażowe 12 połączone z przyłączami 10 ścieżek przewodzących 9.
Ponadto na powierzchni 25 pomiędzy pierwszymi powierzchniami przyłączeniowymi 21
i drugimi powierzchniami przyłączeniowymi 22 znajdują się, wykonane techniką cienkich
warstw, dyskretne elementy oporowe 24 do eliminowania elektrycznych sygnałów zakłócających. Elementy oporowe 24 są bezpośrednio lub poprzez inne, znajdujące się na górnej powierzchni 25, ścieżki przewodzące połączone z powierzchniami przyłączeniowymi 21 i 22.
Ścieżki przewodzące i elementy oporowe można wykonać alternatywnie również techniką
grubych warstw. Ponadto ścieżki przewodzące i elementy oporowe można umieścić na górnej
powierzchni 25 również poniżej obwodu scalonego. Jest to korzystne zwłaszcza wówczas,
gdy jako dodatkowy element nośny 20 zastosowana jest jednowarstwowa płyta ceramiczna.
Obwód scalony jest wówczas nasadzany oddzielnie, za pomocą izolującego elektrycznie kleju, na górną powierzchnię 25 ze ścieżkami przewodzącymi i elementami oporowymi. Jeżeli
dodatkowym elementem nośnym 20 jest ceramiczny element wielowarstwowy, jak w przykładzie ukazanym na fig. 1, wówczas także na wewnętrznych warstwach ceramicznego wielowarstwowego dodatkowego elementu nośnego 20 znajdują się ścieżki przewodzące, które
poprzez styki przelotowe (vias) są połączone ze ścieżkami przewodzącymi i powierzchniami
przyłączeniowymi 21, 22 na górnej powierzchni 25. Na górnej powierzchni 25 i wewnętrznych
6
183 923
warstwach ceramicznego wielowarstwowego dodatkowego elementu nośnego 20 znajduje się
zatem większa część połączeń elektrycznych pomiędzy elementem scalonym 30 i elementami
oporowymi 24. Na płycie okablowanej 2 można zatem zmniejszyć gęstość ścieżek przewodzących i ilość warstw. Poza ścieżkami przewodzącymi i dyskretnymi elementami oporowymi 24, na górnej powierzchni 25 lub jednej z wewnętrznych warstw dodatkowego elementu
nośnego 20 znajdują się inne elementy pojemnościowe 28 i elementy indukcyjne 27. Elementy pojemnościowe 28, jak na przykład kondensatory, mogą być przy tym wykonane
w znany sposób z umieszczonych płasko na poszczególnych warstwach, służących jako elektrody, ścieżek przewodzących, oddzielonych dielektrycznymi warstwami pośrednimi. Elementy indukcyjne, na przykład cewki, mogą być wykonane z poszczególnych ścieżek przewodzących o odpowiedniej długości i kształcie.
Dzięki mającym drobną strukturę ścieżkom przewodzącym, elementom oporowym 24
oraz elementom pojemnościowym 28 i elementom indukcyjnym 27 na górnej powierzchni 25
i wewnętrznych warstwach ceramicznego elementu wielowarstwowego, stanowiącego dodatkowy element nośny 20, a także dzięki umieszczeniu powierzchni przyłączeniowych 21, 22
na nie objętej przez obwód scalony 30 części górnej powierzchni 25 moduł multichipowy
może być mniejszy i tańszy do wykonania niż moduły znane dotychczas.
183 923
183 923
Departament W ydawnictw UP RP. Nakład 50 egz.
Cena 2,00 zł.