УСТРОЙСТВО СЕМЕЙСТВА КОРПУСОВ ПО РАЗМЕРАМ КРИСТАЛЛА ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ

Изобретение относится к микроэлектронике, а именно, к интегральным микросхемам и полупроводниковым приборам в корпусах для поверхностного монтажа с минимальными размерами.
Известна конструкция корпуса полупроводникового прибора, включающая основание в виде кристалла из полупроводникового материала первого типа проводимости со сформированной на его лицевой стороне микросхемой, крышки из полупроводникового материала с полостью и сквозных проводящих каналов из того же полупроводникового материала второго типа проводимости, соединяющих лицевую и обратную стороны полупроводникового кристалла, причем контактные площадки сквозных проводящих каналов планарны обратной стороне полупроводникового кристалла, и на них сформированы металлические шариковые выводы. [А.С. СССР №1393249, кл. H01L 21/56].
Одним из недостатков известной конструкции является недостаточная герметичность корпуса, поскольку сварное соединение крышки с основанием проходит по периметру основания. По тому же периметру проходит линия реза пластины. необходимая для разделения ее на отдельные микросхемы в процессе производства. В результате трещин и сколов, сопровождающих эту операцию, возникает разгерметизация отдельных корпусов, что снижает процент выхода и надежность готовых микросхем. Увеличение же ширины сварного шва приводит к увеличению габаритов корпуса, а следовательно, к повышению его материалоемкости и себестоимости.
Наличие полости в крышке из полупроводникового материала в известной конструкции предполагает обязательное проведение сборочных операций в атмосфере инертного газа, что увеличивает стоимость данного корпуса.
Другим недостатком известной конструкции корпуса микросхемы является то, что изоляция сквозных проводящих каналов от материала полупроводникового кристалла обеспечивается р-п переходом. Эта изоляция имеет известные недостатки. такие как большой ток утечки, большая паразитная емкость, низкое пробивное напряжение.
К недостаткам известной конструкции следует также отнести отсутствие механической защиты и электрического экранирования микросхемы с обратной стороны полупроводникового кристалла.
Известны конструкции матричных корпусов типа BGA (Ball Grid Array -«матрица шариковых выводов»):
- PBGA ("Plastic Ball Grid Array″) - пластмассовые корпуса с матрицей шариковых выводов фирмы «Моторола»;
- CBGA - ("Ceramik B.G.A.″) - керамические корпуса с матрицей шариковых выводов;
- CCGA - ("Ceramik Column Ball Grid Array″) - керамические корпуса с матрицей столбиковых выводов;
- TBGA - ("Таре Bold Grid Array″) - матричные TAB корпуса («Матричные корпуса ИС», журнал «Электронные компоненты» 5-6, 1997, стр 20-23)
Все перечисленные корпуса обладают рядом одинаковых конструктивных особенностей:
- имеют миниатюрную печатную плату (из различных материалов для каждого типа корпуса),
- матрицу шариковых или столбиковых выводов из припойного материала,
- контактные площадки платы соединяются с контактными площадками кристалла ИС с помощью термокомпрессионной разварки золотой проволокой или методом перевернутого кристалла ("Flip Chip″),
- выводы корпуса соединяются с контактными площадками платы с помощью сквозных интерметаллических соединений.
Корпуса BGA являются новинкой технологии поверхностного монтажа, но и обладают рядом серьезных недостатков:
- большие габаритные размеры,
- плохая копланарность выводов (шарики припоя),
- наличие большого числа составных компонентов корпуса из материалов с различным ТКЛР (кремний, стекло, компаунд,
герметик, адгезив, полиимид, стеклопластик и т.п.),
- наличие интерметаллических соединений, что в купе с плохой влагонепроницаемотью предопределяет электрокоррозионные процессы,
- низкая защита от механических, климатических и электрических воздействий,
- ограничения по количеству, форме и шагу выводов,
- проволочная разварка, длинные межсоединения, высокая индуктивность выводов,
- высокая стоимость.
Известна конструкция корпуса типа CSP (Chip Scale Package - корпус по размерам кристалла), который разработала фирма "Chip Scale Inc.(и назвала "Micro SMT(("MSMT″). Корпус изготавливается после формирования кристаллов микросхем с помощью ряда технологических операций в составе полупроводниковой пластины и включает: утоненную кремниевую пластину со сформированной микросхемой. приклеенную к ее лицевой стороне, утоненную стеклянную пластину-крышку с протравленными сквозными каналами к областям контактных площадок микросхемы. нанесенным в них металлическим покрытием и заполненных полимерным материалом. столбиковые вывода, сформированные на внешней стороне пластины-крышки. электрически соединенные с металлизацией каналов.
Более простой вариант подобного корпуса заключается в следующем: после приклейки стеклянной пластины-корпуса, утоняется кремниевая пластина, локально травятся в кремнии каналы в областях под контактными площадками и в местах будущего разделения пластины на кристаллы, до появления металлизированных контактных площадок микросхемы, каналы заполняются полимером, локально травятся до повторного появления металлизированных контактных площадок. наносится слой металлизации, каналы снова заполняются полимером и локально травится металлизация, формируя контакты корпуса. (WWW.Chipscale.Com, 1998 Chip Scale REVIEW Design)
Недостатком данной конструкции является невозможность реализации матричной структуры выводов.
На фиг.1 схематично изображен разрез части предлагаемого корпуса по размерам кристалла интегральных микросхем.
Корпус по размерам кристалла интегральной микросхемы состоит из утоненного кремниевого кристалла интегральной микросхемы 1, который с обратной стороны механически защищен и электрически экранирован слоем 2 высоколегированного поликремния, изолированного от кристалла микросхемы и от окружающей среды слоем диэлектрика 3. К лицевой стороне кристалла 1 с помощью тонкого слоя низкотемпературного соединительного материала 4 приклеена
кремниевая или стеклянная пластина-крышка 5. В кристалле 1 имеются сквозные низкоомные каналы 6, соединяющие лицевую и обратную стороны кристалла 1 и выполненные из высоколегированного поликремния, изолированного от кремниевого кристалла слоем диэлектрика 7. На обратной стороне кристалла 1 в местах выхода локальных областей поликремния 6 сформированы столбиковые вывода 8 корпуса с металлизированным слоем 9, позволяющим пайку на печатные платы, которые через поликремниевый канал 6 контактируют с соответствующими шинами 10 металлизированной разводки на лицевой стороне кристалла микросхемы 1. По боковой периферии кристалл 1 и экран 2 защищены от внешней среды слоем поликремния 11, изолированного от кристалла 1 и экрана 2 диэлектрической пленкой 12. Столбиковый вывод 13 не имеет электрического контакта с кристаллом микросхемы и является теплоотводом. Столбиковый вывод 14 электрически соединен с защитным экраном 2 и служит для подачи соответствующего экранирующего потенциала.
Столбиковые выводы могут формироваться из высоколегированного поликремния, тогда копланарность таких выводов составит доли микрона, или из гальванически выращенной меди или припойного материала.
Предлагаемое техническое решение - это конструкция семейства корпусов:
- корпус с периферийным расположением выводов для стандартных логических и аналоговых микросхем;
- мощный корпус для тепловыделяющих микросхем и полупроводниковых приборов;
- корпус с минимальными значениями паразитных емкостей и индуктивностей для высокочастотных полупроводниковых приборов и микросхем;
- многовыводной матричный корпус для СБИС, имеющий к тому же хорошую возможность отвода тепла.
Все перечисленные разновидности корпусных исполнений не имеют ограничений по форме, габаритам, шагу и количеству столбиковых выводов.
Отмеченные недостатки известных конструкций корпусов в предлагаемом техническом решении устраняются следующим образом.
Предлагаемое решение корпуса обладает наименьшими габаритами из всех известных конструкций. Его площадь не превышает площадь кремниевого кристалла микросхемы, а высота равна толщине кристалла (0,4...0.6 мм). Причем площадь кристалла может быть уменьшена, поскольку на кристалле отсутствуют контактные площадки для разварки выводов проволокой, роль которых выполняют контактные
окна к сквозным проводящим каналам, размеры которых могут составлять единицы и доли микрона. В этом случае также уменьшается суммарная длина токопроводящих шин электрической разводки микросхемы, что снижает паразитную индуктивность разводки и повышает быстродействие микросхем.
Предлагаемый корпус обладает малым тепловым сопротивлением как перехода «кристалл - корпус», так и перехода «корпус - теплоотвод», которое может регулироваться способом и конструкцией теплоотвода.
Малое тепловое сопротивление «кристалл микросхемы - корпус» определяется двумя факторами: основание корпуса и есть кристалл микросхемы, который соединен с крышкой тонким слоем теплопроводящего соединительного материала.
Малое тепловое сопротивление перехода «корпус - теплоотвод» реализуется с помощью мощного столбикового вывода, имеющего большую площадь контактной площадки, которая не вызывает увеличение габаритов корпуса.
Кроме того, этот вывод обладает малым электрическим сопротивлением, вследствие чего уменьшается рассеиваемая на нем тепловая мощность, что приводит к уменьшению рабочей температуры кристалла и повышению надежности.
Соединительные каналы и столбиковые выводы, обладая малым электрическим сопротивлением, надежно изолированы от основания корпуса слоем диэлектрика. Толщина слоя диэлектрика выбирается из условия уменьшения паразитной емкости и высокого пробивного напряжения, что делает подобный корпус универсальным для любых типов микросхем.
Защита от внешних механических, климатических и электрических воздействий, и таким образом высокая надежность конструкции корпуса обеспечивается следующими конструктивными особенностями:
- механически и электрически микросхема надежно защищена со всех сторон: с лицевой - кремниевой крышкой, приклеенной к кристаллу по всей его площади, с обратной стороны - слоем высоколегированного поликристаллического кремния, с боков - пассивными и электрически нейтральными областями высоколегированного поликристаллического кремния;
- наличие высоколегированного защитного поликристаллического слоя, изолированного от кристалла и окружающей среды диэлектриком, с поданным на него соответствующим электрическим потенциалом, является электрическим экраном от паразитных взаимных наводок и помех на микросхему со стороны печатной платы, и наоборот;
- возможность эффективного теплоотвода уменьшает рабочую температуру кристалла и таким образом повышает долговечность корпуса и микросхемы;
- высокая однородность конструкции, минимальное число компонентов корпуса (только кремний и двуокись кремния), имеющих хорошее согласование по ТКЛР, обеспечивают высокую надежность и безотказность;
- отсутствие интерметаллических соединений (front - to back) и высокая влагозащищенность корпуса устраняют явления электрокоррозии («пурпурной чумы»).
Конструкция корпуса предполагает только высокоэффективные групповые технологические методы изготовления, полностью происходящие в чистой зоне кристального производства, традиционные в технологии микроэлектронного производства. Такая конструкция исключает наиболее трудоемкие операции индивидуальной обработки, характерные для процесса сборки обычных корпусов, такие как посадка кристаллов на основание, разварка выводов, герметизация, вырубка, лакировка и ряд операций, сопутствующих вышеперечисленным.
Все это, и особенно отсутствие сварных соединений, обеспечивает высокий процент выхода годных, низкую материалоемкость и себестоимость корпусирования, высокую надежность и технические характеристики.
Конструкция предлагаемого корпуса обладает большой гибкостью, универсальностью и высокими эксплуатационными характеристиками:
- отсутствуют ограничения по количеству, форме, размерам, шагу и копланарности столбиковых выводов;
- появляются широкие возможности автоматического проектирования трассировки металлизации микросхемы в один единственный уровень вследствие наличия регулярной матрицы контактных областей на кристалле и соответствующих им столбиковых выводов;
- монтаж корпуса на печатную плату осуществляется традиционным методом поверхностного монтажа серийно выпускаемым высокопроизводительным автоматизированным оборудованием.
В случае использования поликремниевых столбиковых выводов достигается идеальная копланарность выводов, определяющаяся тем фактом, что изначально поверхность этих выводов была поверхностью кремниевой пластины с высокой степенью плоскопараллельности.
Предлагаемое решение корпуса в части формирования сквозных каналов реализует технологический маршрут создания кремниевых структур типа «кремний на диэлектрике» (КНД) или «кремниевых структур с диэлектрической изоляцией компонентов» (КСДИ), в которых полная диэлектрическая изоляция элементов осуществляется или V-образными канавками (на кремнии ориентации<100>) или щелевой изоляцией.
Предлагаемое решение не исключает и использование изоляции элементов р-п переходом. Стоимость предлагаемого корпусирования может быть увеличена только при корпусировании стандартных микросхем, изготавливаемых обычно по биполярной технологии на исходном кремнии или простых однослойных эпитаксиальных структурах. При производстве сложных ИС и СБИС, при использовании сложных исходных кремниевых структур, таких как КСДИ, КНД, изготовление этих структур входит составной частью в процессе изготовления корпуса, поэтому стоимость корпусирования снижается. Таким образом, отсутствуют ограничения по используемым технологиям изготовления ИС и полупроводниковых приборов в предлагаемом корпусном решении:
- биполярная технология;
- К-МОП, БиКМОП, ДМОП и аналогичные технологии;
- Различные способы изоляции элементов:
- р-п переходом
- диэлектрическая изоляция (V-канавкой, щелевая изоляция, и т.п.);
- различные типы исходного материала:
- кремний п-типа
- кремний р-типа
- эпитаксиальные структуры (одно-, двухслойные, с одним или двумя скрытыми низкоомными слоями р-или п=типа и т.д.)
- КСДИ
- КНД