PROCESS FOR THE MANUFACTURE OF MECHANICALLY SEPARABLE MULTICONNECTORS FOR THE ELECTRICAL CONNECTION OF MICRO-ELECTRONIC COMPONENTS, AND MULTICONNECTORS MANUFACTURED BY THIS PROCESS

Abstract: The invention relates to a process for the manufacture of mechanically separable multiple connections for the electrical connection of micro-electronic components. The invention is based on the object of manufacturing mechanically separable multiple connections for an electrical connection of micro-electronic components, which saves space in comparison with known techniques. The achievement of this object is characterised in that plate-like shapes are manufactured from a plate-like electrically insulating material, whose properties can be changed by high-energy radiation, by partial irradiation and partial removal of this material making use of the different material properties produced by the irradiation, which shapes contain structures of connecting elements at predetermined positions, the height of which structures is a multiple of their smallest lateral dimensions, and in that the structures are galvanically filled with a metal, by which means metallic connecting elements are produced, and in that thereafter parts of the plate-like shape are removed by renewed partial irradiation making use of the different material properties produced by the irradiation.

Description: Beschreibung: In modernen elektronischen Grossgeräten ist eine Unter teilung in mechanisch trennbare Funktionsgruppen not wendig, um einfache Wartung, leichte Austauschbarkeit der Gruppen und bequeme Erweiterung zu gewährleisten (A.Keil, W.A.Merl, E.Vinaricky, Elektrische Kontakte und ihre Werkstoffe, Springer Verlag, 1984, S. 317 ff). Die mechanische Trennbarkeit wird durch Vielfach-Steck oder Druckverbindungen erreicht. Wenn die mechanische Trennbarkeit auch beim Einbau einzelner integrierter Schaltkreise, den sogen. Chips, gegeben sein soll, müssen beim heutigen Stand der Technik erhebliche Zugeständnisse an die Integrationsdichte gemacht werden, da die herkömmlichen, mit mechanisch trennbaren Verbindungselementen versehenen Chipträger, zusammen mit den dazugehörigen Kontaktsokkein, ein Vielfaches der Chipfläche beanspruchen. Die Verbindungselemente des Chipträgers werden dabei mit am Chip angebrachten Kontaktstellen über relativ lange Leitungen(z.B. nach dem Draht-Bonding-Verfahren), verbunden (Kästner, Halbleiter-Technologie, Vogel-Verlag Würzburg, 1980, Seiten 88/89). Dabei können die Anschlusselektroden auf dem Chipträger einen wesentlich grösseren gegenseitigen Abstand haben als die Kontaktstellen des Chips; nur auf diese Weise sind die Vielfach-Verbindungen für den elektrischen Anschluss mikroelektronischer Bauelemente mechanisch steck- und trennbar. Wenn besonders hohe Integrationsdichten angestrebt werden, wie dies z.B. beim Bau besonders schneller und leistungsfähiger Rechenanlagen der Fall ist, muss man daher nach dem heutigen Stand der Technik auf die mechanische Trennbarkeit der Chipanschlüsse verzichten. Bei einem speziellen Einbauverfahren für hohe Integrationsdichten werden mehrere Chips, bei denen die Kontaktstellen über die gesamte Chipfläche verteilt sind, mit diesen Kontaktstellen direkt auf ein gemeinsames Keramiksubstrat aufgelötet, das die erforderlichen Verbindungsleitungen in mehreren Lagen enthält ("Flip-Chip bonding, vgl. z.B. L.S.Goldman, P.A. Trotta, Solid State Technology, Band 26, Heft 6, 1983, S. 91 - 973. Die für Wartungszwecke oder zur nachträglichen Funktionsänderung unerlässliche Auswechselbarkeit einzelner Chips wird bei dieser Technik durch Bereitstellung einer mit einem heissen Gasstrahl arbeitenden speziellen Löteinrichtung ermöglicht (vgl. z.B. K.I.Puttlitz, Solid State Technology, Nov. 1980, S. 48 - 50). Die sichere Vermeidung unzulässiger Temperaturspannungen im Substrat und die notwendige Glättung der alten Lötstellen erfordern dabei einen nicht unbeträchtlichen apparativen und zeitlichen Aufwand. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, mechanisch trennbare Vielfach-Verbindungen für einen gegenüber bekannten Techniken platzsparenden elektrischen Anschluss mikroelektronischer Bauelemente herzustellen. Zur Lösung dieser Aufgabe werden erfindungsgemäss die im Kennzeichen der Patentansprüche enthaltenen Massnahmen vorgeschlagen. Das erfindungsgemässe Verfahren gestattet es, die bei einem platzsparenden Einbau erforderlichen ungewöhnlich geringen Toleranzen in den Abmessungen und in den gegenseitigen Positionen der Verbindungselemente mit wirtschaftlich vertretbarem Aufwand einzuhalten. Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert: Die Figuren Ia, b, IIa, b, lila, b veranschaulichen die wesentlichen Herstellungsschritte für einen Vielfach-Stecker und eine Vielfach-Kupplung; die Figur IV zeigt die Montage eines Chips auf einer Substratplatte mit Vielfach-Stecker und Vielfach-Kupplung, hergestellt nach den in Figur I bis III dargestellten Schritten; die Figur V zeigt eine Variante der in Figur IV dargestellten Vielfach-Verbindung; die Figur VI zeigt einen Schnitt entlang der Linie VI - VI von Figur V; die Figur VII zeigt eine weitere Variante der in Figur IV dargestellten Vielfach-Verbindung, die Figur VIII zeigt einen Schnitt entlang der Linie VIII - VIII von Figur VII. Das in Fig. I bis IV dargestellte Ausführungsbeispiel betrifft eine mechanisch trennbare, aus Vielfach Stecker und Vielfach-Kupplung bestehende Vielfach Verbindung für die Montage eines Chips auf einer Substratplatte, wobei zahlreiche Kontaktstellen des Chips über die Chipfläche verteilt sind. Die Figuren Ia und Ib zeigen schematisch zwei Querschnitte plattenförmiger, elektrisch isolierender Materialien aus Polymethylmetacrylat (PP92),im folgenden als Resistplatten 1 und 4 nezeichnet. Die Resistplatten 1 und 4 habeneine Dicke von ca. 0,5 mm. Die Resistplatte 1 wird über eine Röntgenmaske (nicht dargestellt) mit energiereicher Röntgenstrahlung eines Synchrotons partiell durchstrahlt in der Weise, dass zylindrische Bereiche la mit einem Durchmesser von ca. 30 um in einem vorgegebenen Rasterabstand r entstehen, deren Löslichkeitg#y-enüber den unbestrahlten Bereichen der Resistplatte 1 stark erhöht ist. Sodann erfolgt eine weitere partielle Bestrahlung der Resistplatte 1 von einer Seite her im selben Raster r, wobei die Eindringtiefe der Strahlung jedoch geringer ist als die Resistplattenstärke und der Durchmesser der bestrahlten Bereiche ca. 70/um beträgt, so dass ein dickerer und kürzerer zylindrischer bestrahlter Bereich lb entsteht. Die derart bestrahlten und löslich gemachten Bereiche la, lb werden mit dem, in der DE-OS 30 39110 beschriebenen flüssigen Entwickler entfernt. Dadurch entsteht eine Form mit säulenförmigen Strukturen 2 von Vielfach-Steckerelementen, die einen dünneren und einen dickeren Abschnitt 2a, 2b aufweisen (Fig. IIa). In entsprechender Weise wird die Resistplatte 4 gemäss Fig. Ib partiell durchstrahlt, wobei die im selben Rasterabstand r durchstrahlten Bereiche eine dreieckförmige Grundform 4c aufweisen, so dass nach dem Herauslösen der bestrahlten Bereiche eine Form mit dreieckigen Strukturen 3 von Vielfach-Kupplungselementen entsteht. Die Strukturen 3 passen zu den dickeren Abschnitten 2D der Strukturen 2 der Vielfach-Steckerelemente (Fig. IIb). Das bedeutet in diesem Beispiel, dass die Strukturen 3 die Gestalt von dreieckigen Hohlprismen haben, deren innerer Berührungskreis einen etwas geringeren Durchmesser aufweist als der Durchmesser des dickeren Abschnitts 2b der Struktur 2. Die Struktur 3 hat entlang einer Kante eine Unterbrechung 4a, so dass nach den Herauslösen des bestrahlten Bereichs das Kernmaterial 4b mit dem übrigen Material- der Resistplatte 4 verbunden bleibt. Nun werden die Strukturen 2, 3 galvanisch mit Nickel aufgefüllt. Wie aus Fig. IIIa zu ersehen ist, entstehen dadurch im Rasterabstand r parallel nebeneinander angeordnete säulenförmige Steckerelemente 5 mit dickeren Abschnitten 5a, dünneren Abschnitten 5b und durch Übergalvanisieren über die Oberfläche der Resistplatte 1 (strichpunktierte Linien) erzeugte linsenförmige Anlötköpfe 5c. Sodann wird die Resistplatte 1 von beiden Seiten her mit Elektronenstrahlung vorgegebener Eindringtiefe in der Weise bestrahlt, dass in der mittleren Zone der Resistplatte 1 ein unbestrahlter, plattenförmiger Bereich lc verbleibt. Durch diesen unbestrahlten Bereich 1c der Resistplatte 1 (Steckerplatte) werden die Steckerelemente 5 fixiert und gegeneinander elektrisch isoliert, nalluem die bestrahlten Bereiche durch Herauslösen mit dem oben erwähnten flüssigen Entwickler entfernt wurden. 7 mit den daran angelöteten und durch die Steckerplatte lc fixierten Steckerelementen 5. Der Spalt zwischen Chip 7 und Steckerplatte 1c kann sowohl während des Lötens als auch im Betrieb zur Durchleitung eines Kühlgases benutzt werden. Zur leichteren Einführung der Steckerelemente in die Kupplungselemente wurden die den Kupplungen zugewandten Enden der Steckerelemente durch teilweisen galvanischen Abtrag abgerundet. Zusätzlich wurden die den Steckern zugewandten Enden der Kupplungselemente mit einem entsprechenden Vielfachwerkzeug gemeinsam aufgeweitet. Darüber hinaus wurden an den Rändern der Stecker- und Kupplungsplatten nicht gezeichnete miteinander korrespondierende Führungsteile vorgesehen. Das in den Figuren V und VI dargestellte Ausführungsbeispiel betrifft eine mechanisch trennbare, aus Vielfach-Stecker und Vielfach-Kupplung bestehende Vielfach-Verbindung für die Montage eines Chips auf einer Substratplatte, wobei die Kontaktstellen des Chips entlang einem Rand des Chips liegen. Die schneidenförmigen Steckerelemente 10 und die klammerförmigen Kupplungselernente 11 werden durch partielles Bestrahlen (Bestrahlungsrichtung siehe Pfeil A in Fig. VI) und Entfernen von Material je einer PMMA-Resistplatte und anschliessendes galvanisches Auffüllen der so erzeugten Strukturen mit einem Metall hergestellt. Hierbei werden gleichzeitig auch metallische Führungsteile 14 und 15 erzeugt, die das Zusammenfügen der Vielfach Verbindung erleichtern (Fügerichtung siehe Pfeil B). Die Steckerelemente 10, die klammerförmigen Kupplungselemente 11 und die Führungsteile 14 und 15 sind zur Verankerung in den Resistplatten mit Verzahnungen loa, lla, 14a und 15a versehen. Durch erneutes partielles Bestrahlen und Entfernen von Material der Resistplatte werden die für die mechanisch trennbare Verbindung und die Führung vorgesehenen Bereiche der Elemente 10, 11, 14 und 15 freigelegt, so dass eine Steckerplatte 12 und eine Kupplungsplatte 13 verbleiben. In diesen Platten 12 und 13 sind sowohl die Elemente 10, 11 in vorgesehenem Rasterabstand r als auch die Führungsteile 14, 15 fixiert und elektrisch voneinander isoliert. Will man an Stelle von PMMA ein anderes Isoliermaterial, z.B. das temperaturbeständigere Polyimid, für die Steckerund Kupplungsplatten verwenden, so werden nach dem Galvanisieren zunächst die für die Stecker- und Kupplungsplatten vorgesehenen Bereiche der PMMA-Resistplatten bestrahlt, herausgelöst und durch das andere Isoliermaterial ersetzt. Anschliessend wird das restliche PMMA-Material der Resistplatten durch Auflösen entfernt. Der Chip 16 wird mit seinen am Rand gelegenen Kontaktstellen 16a mit den in der Steckerplatte 12 fixierten, schneidenförmigen Steckerelementen 10 verlötet. Zusätzlich wird die Steckerplatte 12 mit dem Chip 16 verklebt (Klebestelle 12a). Die Kupplungsplatte 13 trägt auf der dem Chip 16 abgewandten Seite eine Anschlagplatte 17 aus einem elektrisch isolierenden Material, die im Kontaktierungsbereich eine Aussparung 17a aufweist. Die Kupplungselemente 11 sind mit ihren federnden Anschluss fahnen llc mit den Leiterbahnen 18a der Substratplatte 18 verlötet. Die Führungsteile 15 dienen hierbei gleichzeitig als Anschläge auf der Substratplatte 18 und werden mit dieser durch Kleben verbunden. Die federnden Anschlussfahnen llc gleichen etwaige Unebenheiten der Leiterbahnen 18a der Substratplatte 18 aus. Der Vielfach-Stecker 10, 12, 14 wird entlang der Anschlagplatte 17 von oben (Pfeil B) in die Vielfach-Kupplung 11, 13, 15 eingeführt, wobei die Enden lib der klammerförmigen Kupplungselemente 11 den erforderlichen Kontaktdruck sicherstellen. Die Steckerplatte 12 wird zusätzlich durch einen aufsteckbaren Bügel 19 an der Anschlagplatte 17 gehalten. Durch die senkrechte Anordnung des Chips 16 zur Substratplatte 18 lässt sich eine besonders hohe Integrationsdichte erreichen. Das in Figur VII und VIII dargestellte Ausführungsbeispiel betrifft eine mechanisch trennbare Vielfach-Verbindung für die Montage eines Chips auf einer Substratplatte, wobei die Kontaktstellen des Chips entlang einander gegenüberliegender Ränder des Chips angeordnet sind. Die starren Verbindungselemente 20 mit quaderförmiger Grundform und die federnden Verbindungselemente 21 werden durch partielles Bestrahlen und Entfernen von Material je einer Resistplatte und anschliessendes galvanisches Auffüllen der so erzeugten Strukturen mit einem Metall hergestellt. Sodann werden die für die Fixierung der Elemente 20 und 21 vorgesehenen Bereiche der Resistplatten bestrahlt, herausgelöst und das herausgelöste Resistmaterial durch einen anderen elektrisch isolierenden Stoff wie Epoxidharz ersetzt. Sodann wird das restliche Resistmaterial entfernt, so dass die für die Kontaktgebung vorgesehenen Bereiche der Verbindungselemente 20, 21 freigelegt werden. Auf diese Weise entstehen eine Chip-Trägerplatte 22 und ein diese umschliessender Rahmen 23 aus Epoxidharz, in die die Verbindungselemente 20, 21 in vorgegebenem Rasterabstand r eingebettet sind. Dabei kann das Epoxidharz des Rahmens 23, wie aus Figur VIII ersichtlich, die Elemente 21 einseitig überdecken (Überdeckung 23a). Die Elemente 20, 21 sind mit Verzahnungen 20a, 21a versehen. Der Chip 24 wird mit seinen einander gegenüberliegenden Reihen von Kontaktstellen 24a mit den starren Verbindungselementen 20 der Chip-Trägerplatte 22 verlötet. Die federnden Verbindungselemente 21 im Rahmen 23 werden mit den Leiterbahnen 25a der Substratplatte 25 verlötet. Die federnden Verbindungselemente 21 haben einen Bereich 21b, der im Epoxidharz des Rahmens 23 eingebettet ist, an den sich der zur Kontaktierung dienende Bereich 21c anschliesst. Der Bereich 21c hat die Gestalt einer offenen Acht, wodurch eine Federwirkung in Richtung des Pfeiles C erzielt wird. Der Chip 24 wird zusammen mit der Chip-Trägerplatte 22 von oben in den Rahmen 23 geschoben, womit die Federrichtung (Pfeil C) senkrecht zur Fügerichtung (Pfeil D) verläuft. Dabei drücken die Elemente 21 mit ihren freien federnden Enden 21c gegen die Kontaktierungsflächen der starren Verbindungselemente 20. Zum Schutze des Chips beim Ein- und Ausbau kann die Chip Trägerplatte mit einem den Chip umgebenden, als Handhabe dienenden Rahmen versehen werden; dieser kann zusätzlich mit einem den Chip einbettenden Kunststoff aufgefüllt werden. Bei einer Realisierung des Verfahrens nach Anspruch 2 werden die galvanisch hergestellten Verbindungselemente auf einer gemeinsamen Halteplatte fixiert, die durch Galvanisieren über die Höhe der Resistplatte hinaus gebildet wird. Nach dem Entfernen des Resistmaterials erhält man ein aus Verbindungselementen und Halteplatte -bestehendes#utterwer zeug, zur, das wiederholt mit einem Giessharz auf ##Iba.crylatbasis abgeformt wird. Die so erzeugten Strukturen in dem erstarrten plattenartigen Abformmaterial werden sodann in der vorbeschriebenen Weise galvanisch aufgefüllt, worauf diejenigen Teile dieser sekundären Formen, die in den für die Kontaktgebung vorgesehenen Bereichen der Verbindungselemente liegen, durch erneutes partielles Bestrahlen und Auflösen von Abforminaterial entfernt werden. Selbstverständlich ist es auch in diesen Fällen möglich, das zur gegenseitigen Fixierung der Verbindungselemente verbleibende Abformmaterial (Steckerplatte bzw. Kupplungsplatte) in der oben beschriebenen Weise durch ein anderes Isoliermaterial, z.B. Polyimid, zu ersetzen. Die hier beschriebenen, mechanisch trennbaren Vielfachverbindungen lassen sich vorteilhaft nicht nur für den Anschluss von Chips, sondern gleichermassen für den Anschluss anderer mikroelektronischer Bauelemente, wie z.B. Sensor-Arrays oder Flüssigkristallanzeigen, einsetzen.

Claims: Method of producing a multiconnector for the electrical connection of micro-electronic components (16, 18), wherein moulds are produced from a radiation-sensitive material (12, 13) by a partial irradiation and a partial removal of this material, which moulds contain, at prescribed positions, structures of connection elements (10, 11), the height of which amounts to a multiple of their minimum lateral dimensions, and which structures are galvanically filled with a metal, metallic connection elements (10, 11) resulting therefrom, characterised by the following steps: a) connection elements (10, 11) are produced by a partial irradiation and removal of material of each resist plate (12, 13), formed from polymethyl methacrylate (PMMA), with the utilisation of energy-rich X-radiation of a synchrotron and by a subsequent galvanic filling of the structures, thus produced, with a metal; b1) the regions of the connection elements (10, 11), which are provided for the mechanically separable connection or for the contact-making, are then exposed by a fresh, partial irradiation and removal of material of the resist plates (12, 13); or b2) the regions of the resist plates (12, 13), which are provided for the securement of the connection elements (10, 11), are irradiated and eliminated, and the eliminated resist material is replaced by a different, electrically insulating substance such as epoxy resin, whereupon the remaining resist material is removed. Method according to claim 1, characterised in that c) the galvanically produced connection elements are secured on a common retaining plate, which is formed beyond the height of the resist plates by galvanisation; d) the resist material is removed, and the mother tool, thus obtained, is repeatedly shaped with the utilisation of a casting resin based on methacrylate as the shaping material; whereupon e) the structures thus produced in the shaping material are galvanically filled; and f) those portions of the shaping material, which are situated in the regions provided for the contact-making, are removed by a fresh irradiation and an elimination of shaping material.

Inventors: BECKER, ERWIN WILLY, PROF. DR., EHRFELD, WOLFGANG, DR., HAGMANN, PETER, DR., MUENCHMEYER, DIETRICH, DR., Münchmeyer, Dietrich, Dr.
Applicants: KERNFORSCHUNGSZENTRUM KARLSRUHE GMBH
Application year: 1985
Main classification: H01R43
IPC codes: H05K7, H01L23, H01R13, H01R43, H01L21