Многовыводной матричный по размерам кристалла корпус большой интегральной схемы

Полезная модель относится к микроэлектронике, а именно к корпусному исполнению больших и сверхбольших интегральных микросхем с большим количеством выводов, и используется для поверхностного монтажа.

Цель - конструкция многовыводного матричного корпуса БИС по размерам, не превышающим площадь кристалла микросхемы, и изготавливающегося на тех же площадях и на том же оборудовании, что и микросхема, групповыми технологическими методами, защищенного от внешних механических, климатических и электрических воздействий, имеющего высокую степень копланарности столбиковых выводов, минимальные значения паразитных индуктивностей и емкостей, высокую надежность, совместимого со стандартными методами и оборудованием для высококачественного и надежного поверхностного монтажа.

Корпус состоит из основания в виде кремниевого кристалла с микросхемой на лицевой стороне, защитного слоя из поликристаллического кремния на обратной стороне основания, крышки в виде кремниевого кристалла, приклеенного к лицевой поверхности основания, и столбиковых выводов.

Основание содержит матрицу сквозных проводящих каналов, соединяющих электропроводящие шины микросхемы со столбиковыми выводами корпуса. Каналы имеют форму усеченной четырехгранной пирамиды, выполнены из поликристаллического кремния и изолированы слоем диэлектрика от кристалла и защитного слоя.

Защитный слой изолирован от основания и от окружающей среды диэлектриком. Столбиковые выводы выступают над защитным слоем не менее чем на 30 мкм. Их контактные площадки покрыты металлом и обладают высокой копланарностью.

Боковая периферия кристалла и защитного слоя защищены от окружающей среды пассивными областями кремния.

Полезная модель относится к микроэлектронике, а именно, к корпусному исполнению больших и сверхбольших интегральных микросхем с большим количеством выводов и используется для поверхностного монтажа.

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 компаненты» 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 влагонепроницаемостью предопределяет электрокоррозионные процессы,

- низкая защита от механических, климатических и электрических воздействий,

- ограничения по количеству, форме и шагу выводов,

- длинные межсоединения, высокая индуктивность выводов,

- высокая стоимость.

Задача полезной модели - конструкция многовыводного матричного корпуса БИС по размерам, не превышающим площадь кристалла микросхемы, и изготавливающегося на тех же площадях и на том же оборудовании, что и микросхема, групповыми технологическими методами, защищенного от внешних механических, климатических и электрических воздействий, имеющего высокую степень копланарности столбиковых выводов, минимальные значения паразитных индуктивностей и емкостей, высокую надежность, совместимого со стандартными методами и оборудованием для высококачественного и надежного поверхностного монтажа.

Решение задачи достигается тем, что многовыводной матричный по размерам кристалла корпус большой интегральной микросхемы состоит из основания в виде кремниевого кристалла со сформированной на его лицевой стороне микросхемой, крышки в виде

другого кремниевого кристалла по всей его площади тонким слоем теплопроводного соединительного материала, защитного слоя из сильнолегированного поликристаллического кремния, закрывающего обратную сторону кристалла и изолированного от него и от окружающей среды слоем диэлектрика, столбиковых выводов корпуса, сформированных из сильнолегированного поликристаллического кремния и заканчивающихся металлизированными контактными площадками с высокой степенью копланарности, причем основание содержит матрицу сквозных проводящих каналов в виде усеченных пирамид из поликристаллического кремния, изолированных от кристалла и защитного слоя слоем диэлектрика, верхние основания которых лежат в лицевой плоскости кристалла и контактируют с соответствующими шинами металлической разводки микросхемы, а нижние, большие по размеру заканчиваются на обратной стороне кристалла и переходят в столбиковые вывода корпуса, сформированные из сильнолегированного поликристаллического кремния и заканчивающиеся металлизированными контактными площадками с высокой степенью копланарности, при этом столбиковые выводы выступают над поверхностью защитного слоя не менее чем на 30 микронов.

Кроме того многовыводной матричный корпус содержит, по крайней мере, один вывод корпуса электрически и конструктивно связанный с защитным слоем, на который подается соответствующий электрический потенциал для электрической экранизации микросхемы от окружающей среды с нижней стороны корпуса.

Решение задачи достигается так же и тем, что в многовыводном матричном корпусе один или несколько столбиковых выводов матрицы не имеют электрического контакта с микросхемой, а являются теплоотводом. Решение задачи достигается и тем, что вместо нескольких выводов, выполняющих функцию теплоотвода, многовыводной матричный корпус имеет один столбиковый теплоотвод с габаритными размерами, пропорциональными количеству замененных выводов.

Кроме того в многовыводном матричном корпусе по боковой периферии основание и защитный слой изолированы от внешней среды пассивными электрически нейтральными областями кремния.

На фиг.1 схематично изображено поперечное сечение предлагаемого многовыводного матричного по размерам кристалла корпуса большой интегральной микросхемы (сама микросхема на рисунке не показана).

Корпус состоит из основания 1, представляющего собой кремниевый кристалл со сформированной на его лицевой поверхности микросхемой. Основание 1 содержит матрицу сквозных проводящих каналов 2 в форме усеченной четырехгранной пирамиды из поликристаллического кремния, изолированного от кристалла слоем 3 диэлектрика. Верхние основания 4 пирамидальных сквозных каналов лежат в лицевой плоскости кристалла, могут иметь минимальные размеры (вплоть до 5х5 мкм ²) и служат для осуществления контакта с соответствующим электрическим выводом кристалла микросхемы.

Нижние основания каналов 2, большие по размеру, переходят в столбиковые выводы 5 корпуса, и сформированы из того же низкоомного поликристаллического кремния.

Нижние плоскости столбиковых выводов 5 обладают высокой копланарностью (разброс не превышает ±0,2 мкм) и покрыты тонким слоем 6 хорошо паяющегося и коррозионностойкого металла.

Столбиковые выводы 5 на не менее, чем 30 мкм выступают над нижней поверхностью корпуса, которая представляет собой защитный слой 7 из низкоомного поликристаллического кремния, изолированного от кристалла и от окружающей среды слоями 8 диэлектрика. Защитный слой 7 предохраняет микросхему снизу от механических повреждений и служит электрическим экраном, потенциал на который подается с помощью специального столбикового вывода 9. В матрице столбиковых выводов 9 могут быть предусмотрены выводы 10 не имеющие электрической связи ни с защитным слоем ни с кристаллом микросхемы и выполняющие роль теплоотвода. При необходимости он или они

могут быть гораздо больших размеров по площади контактной площадки, чем просто электрический столбиковый вывод.

Сверху кристалл с микросхемой защищен крышкой 11 из плоской кремниевой пластины, которая с помощью тонкого слоя 12 соединительного материала приклеена к лицевой поверхности кристалла по всей его площади. Боковые поверхности кристалла и защитного слоя защищены от окружающей среды пассивными и электрически нейтральными областями 13 кремния.

На фиг.2 показан вариант маркировки, которая выполняется групповыми технологическими способами сразу же на партии пластин микросхем в предлагаемом корпусе - это может быть и лазерная гравировка и фотолитография по окислу и другие.

На фиг.3 и 4 представлены виды на столбиковые выводы двух вариантов предлагаемого корпуса. Вариант на фиг.4 отличается наличием столбикового вывода-теплоотвода большой площади.

На фиг.5 показан вид на поверхность кристалла микросхемы (активные и пассивные элементы не показаны), на котором хорошо видно поле контактных областей 2 изолированных диэлектриком 3. Расположение контактных областей соответствует матрице столбиковых выводов с другой стороны корпуса. Суммарная площадь контактных областей зависит от шага столбиковых выводов и не превышает 0,04% всей площади кристалла при шаге выводов 0,5 мм.

Пример осуществления связи какого-либо вывода (входа или выхода или других узлов электрической схемы) микросхемы с соответствующими столбиковым выводом корпуса показан на фиг.6.

Указанный вывод микросхемы посредством шины 14 металлизации, через контактное окно 15 в верхнем основании 4 - контактной области - электрически связывается с соответствующим контактным столбиком корпуса.

Отмеченные недостатки известных конструкций корпусов микросхем типа BGA (PBGA, CBGA, CCGA, TBGA, SGA, ОМРАС и т.п.) в предлагаемой полезной модели решаются следующим образом через следующие технические особенности и характеристики.

Предлагаемый многовыводной матричный корпус обладает наименьшими габаритами из всех известных конструкций. Его площадь не превышает площади кристалла микросхемы, высота не превышает 0,7÷0,9 мм. Причем площадь кристалла даже может быть уменьшена, поскольку на кристалле отсутствуют контактные площадки для разварки выводов проволокой, а площадь контактных площадок к сквозным проводящим каналам может быть сведена к минимальной. Суммарная длина токопроводящих шин электрической разводки микросхемы также может быть уменьшена, что снижает паразитную индуктивность разводки и повышает быстродействие ИМС.

Конструкция корпуса предполагает высокоэффективные групповые технологические методы изготовления, полностью происходящие в чистой зоне кристального производства, что обеспечивает высокий процент выхода, низкие материалоемкость и себестоимость корпусирования.

Защита от внешних механических, климатических и электрических воздействий, и таким образом высокая надежность конструкции корпуса обеспечивается следующими конструктивными особенностями:

- механически и электрически микросхема надежна 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 исходного кремния;

- наличие высоколегированного защитного поликристаллического слоя, изолированного от кристалла и окружающей среды диэлектриком, с поданым 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»).

Отличительной особенностью корпуса является также минимально-известные значения длин соединительной металлизации, ее роль выполняют проводящие сквозные каналы, что обеспечивает минимальные значения паразитных емкостей и индуктивностей.

Конструкция предлагаемой полезной модели обладает высокой гибкостью и универсальностью:

- отсутствуют ограничения по количеству, размерам и шагу столбиковых выводов и их форме;

- появляются широкие возможности автоматического проектирования трассировки металлизации и выводов, вследствие регулярной структуры контактных областей на кристалле и столбиковых выводов.

Высокая степень копланарности выводов конструктивно определяется тем фактом, что изначально эти выводы были частью одной кремниевой пластины с высокой степенью плоскостности поверхности. Копланарность контактных площадок столбиковых выводов определяет высокое качество и надежность, низкую трудоемкость монтажа корпуса на печатную плату.

Таким образом, предложена эффективная, высокотехнологичная, надежная, универсальная конструкция многовыводного матричного по размерам кристалла корпуса, обладающего наилучшими показателями среди известных конструкций.

1. Многовыводной матричный по размерам кристалла корпус большой интегральной микросхемы состоит из основания в виде кремниевого кристалла со сформированной на его лицевой стороне микросхемой, крышки в виде другого кремниевого кристалла, приклеенного к лицевой поверхности первого кристалла по всей его площади тонким слоем теплопроводного соединительного материала, защитного слоя из сильнолегированного поликристаллического кремния, закрывающего обратную сторону кристалла и изолированного от него и от окружающей среды слоем диэлектрика, столбиковых выводов корпуса, сформированных из сильнолегированного поликристаллического кремния и заканчивающихся металлизированными контактными площадками с высокой степенью копланарности, причем основание содержит матрицу сквозных проводящих каналов в виде усеченных пирамид из поликристаллического кремния, изолированных от кристалла и защитного слоя слоем диэлектрика, верхние основания которых лежат в лицевой плоскости кристалла и контактируют с соответствующими шинами металлической разводки микросхемы, а нижние, большие по размеру, заканчиваются на обратной стороне кристалла и переходят в столбиковые выводы корпуса, сформированные из сильнолегированного поликристаллического кремния и заканчивающиеся металлизированными контактными площадками с высокой степенью копланарности.

2. Многовыводной матричный корпус по п.1, отличающийся тем, что столбиковые выводы выступают над поверхностью защитного слоя не менее чем на 30 мкм.

3. Многовыводной матричный корпус по п.1, отличающийся тем, что содержит, по крайней мере, один вывод корпуса электрически и конструктивно связанный с защитным слоем и на который подается соответствующий электрический потенциал для электрической экранизации микросхемы от окружающей среды с нижней стороны корпуса.

4. Многовыводной матричный корпус по п.1, отличающийся тем, что один или несколько столбиковых выводов матрицы не имеют электрического контакта с микросхемой, а являются теплоотводом.

5. Многовыводной матричный корпус по п.4, отличающийся тем, что вместо нескольких выводов, выполняющих функцию теплоотвода, он имеет один столбиковый теплоотвод с габаритными размерами, пропорциональными количеству замененных выводов;

6. Многовыводной матричный корпус по п.1, отличающийся тем, что по боковой периферии основание и защитный слой изолированы от внешней среды пассивными электрически нейтральными областями кремния.