DE2249209A1 - Leiterrahmen zur verwendung in gehaeusen fuer halbleiterbauelemente - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Gehäuse, Baukörper oder

Träger (nachstehend als Gehäuse bezeichnet), für Halbleiterbauelexaente, wie integrierte Schaltungen und andere elektronische Miniaturbauteile, und insbesondere die in derartigen Gehäusen verwendeten Leiterrahmen oder Leitergerippe, die die integrierten Schaltungen oder Hiniaturbauteile mit einer Schaltungsplatte oder sonstigen größeren elektronischen Baueinheit verbinden. Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Doppelreihengehäuses (dual in-line package; D.I.P.) beschrieben, bei dem ein dünnes rechteckiges Gehäuse mit zwei parallelen Reihen von Leitern versehen ist, die aus den langen Seiten des Gehäuses herausstehen. Es ist jedoch klar, daß dies als Beispiel anzusehen ist und die Erfindung nicht hierauf beschränkt ist.

Es wird ein Leiterrahmen oder -gerippe für ein

Halbleiterbauelementgehäuse angegeben, das durch Übereinanderschichten von zwei vorgeformten dünnen Platten hergestellt wird. Die untere Platte weist einen voll ausgebildeten Satz

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von in geringen Abständen zueinander liegenden inneren Leiterenden auf, während die obere Platte Leiter besitzt, die kurz vor den inneren Enden aufhören. Der geschichtete Leiterrahmen hat die für einwandfreie Handhabung, Montage und Versandung erforderliche Dicke. Infolge der verkürzten inneren Leiterenden der oberen Platte ergibt sich eine Aussparung oder 'Tische, die zur Aufnahme von Strahlleiter- oder Flipplättchen-Baualener.ten (beam-lead or flip-chip devices} in direkter Bindung an die Leiterspitzen der unteren Platte geeignet ist. Die sehr dünne untere Platte macht engere Leiterabstände möglich, als das bisher erreichbar war, entweder unter Anwendung von Photoatz- oder unter Anwendung von Präge- oder Stanzmethoden.

Es ist bekannt, daß die direkte Bindung von integierten Schaltkreisen an Leiteranordnungen dünnere Leiter erfordert, als die strukturellen Festigkeitsanforderungen erlauben. Demgemäß ist angegeben worden, zunächst in den' Rohling eine Vertiefung oder Nische zu fräsen, die Oberfläche der Vertiefung zur Verbesserung der Bindungseigenschaften mittels einer Plasmapistole mit Aluminium zu überziehen und dann das Leitergerippe mit einem herkömmlichen Stanzkopf zu stanzen. Diese Methode unterliegt natürlich den Beschränkungen des Stanzens von Leiterrahmen, so daß die angegebenen Größen und Abstände der Leiter in der Tat dem für gestanzte Teile Herkömmlichen entsprochen. Wenn sehr feine Muster nach dieser Methode hergestellt worden sollen, ergeben sich weitere Schwierigkeiten. Die erste besteht in einer Bewegung von Leitern nach dem Stanzen unter Herbeiführung von Kurzschluß mit einem benachbarten Leiter. Diese Bewegung wird offenbar durch Spannungen verursacht, die beim Stanzen in den Leitern erzeugt werden. Je großer der Abstand zwischen einer Leiterspitze und der 3efestigur;gs£;te LIo am P.ahman ist, desto großer ist die Bewegung der Spitze nach dem Stanzen. Cs ist klar, daß umso geringere derartige Bewegungen geduldet werden können, je gerin-

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cer dar Abstand zwischen den Leiterspitzen ist. Weiterhin werden die Stanzwerkzeugabnutzung und der Bruch von zunehmender, nachteiligen Einfluß, wenn das Leiterspitzenr.uster feiner wird. Es müssen Schneidwerkzeuge aus gesinterten Karbiden verwendet werden, wenn eine lange Lebensdauer erreicht werden soll; dabei handelt es sich um spröde Materialien» Bei Mustern vcn weniger als 0,25 ran sind die erforderlichen Stanzkräfte gleich oder größer als die Festigkeit des Karbids, so daß Bruch eintritt.'Das vom praktischen Gesichtspunkt wohl größte Problem dieser Methode, ist die Zeit, die erforderlich ist, um die Vertiefung auszufrasen, jedenfalls hinsichtlich der Einfügung in einen Produktionsgang_? der auf eine schnell arbeitende Stanzeinrichtung abgestellt ist= Durch Prägen anstelle eines Plansenkens durch Fräsen könnte diese Schwierigkeit teilweise überwunden v/erden, jedoch unterliegt der Karbidprägestempel dann einem gewissen Zusammensinken oder Versagen unter dem Druck, der erforderlich ist, um das Metall hinreichend plastisch zu machen, daß es- aus dem Bereich, zwischen den Prägewerkzeugen ausfließt. Weiterhin führt die durch Einprägen der Vertiefung in die obere Fläche verursachte Deformation zu einer Arbeitshärtung des Metalls in diesem Bereich, was die Gesichtspunkte der Werkzeugabnutzung und des Werkzeugbruchs bei der nachfolgenden Stanzstufe noch schwerwiegender" macht.

Bekanntlich bringt die Erscheinung der Unterhöhlung oder Unterschneidung ernsthafte Schwierigkeiten mit sich,, wenn man versucht, verhältnismäßig dicke Teile der -Photoätzung zu unterwerfen. Derartige Schwierigkeiten können dadurch überwunden v/erden, daß man eine Mehrzahl von identischen Teilen aus hinreichend dünnem Äusgangsmaterial ätzt/ so daß eine ins Gewicht fallende Unterhöhlung vermieden wird, gefolgt von einen Zusammenlegen der einzelnen Platten zur Bildung eines einheitlichen Körpers mit geraäseitigen .Öffnungen» Es ist die

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Herstellung eines Oszilloskopbildschirms nach dieser Methode beschrieben worden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gegenüber dem Bisherigen verbesserten Leiterrahmen zur Aufnahme einer integrierten Schaltung/ der nicht die vorstehend erläuterten und ähnliche Mangel bekannter Leiterrahmen aufweist, sowie eine Arbeitsweise zu seiner Herstellung -zu schaffen. Dabei soll der Leiterrahmen zuverlässig und störunanfällig mit feineren Leitermustern versehen werden können, als das bei bisherigen Leiterrahmen und Herstellungsmethoden möglich war. Ferner soll der Leiterrahmen vorzügliche Eignung zur Verwendung mit direkt angeschlossenen Bauteilen, wie integrierten Strahlleiterund Flipplättchen-Schaltelementen, besitzen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Leiterrahmen zur Verwendung in Gehäusen für Halbleiterbauelemente, mit einer waagrechten Matrix von Leitern, deren innere Enden zur Einfügung des Halbleiterbauelements angeordnet sind, wobei die Leiter durch verbindende Stege in dem Leiterrahmen flach gehalten werden, v/elcher dadurch gekennzeichnet ist, daß der Leiterrahmen eine obere Platte und eine untere Platte umfasst, die zu aufeinanderliegenden Oberflächen übereinander geschichtet sind, wobei die untere Platte die Matrix der Leiter einschließlich deren innerer Enden und die obere Platte die Matrix der Leiter jedoch ohne deren innere Enden aufweist und die obere und die untere Platte zusammen eine oberhalb der inneren Leiterenden liegende Aussparung zur mindestens teilv/eisen Aufnahme des Halbleiterbauelements bilden.

VJeitere bevorzugte Merkmale und technische Vorzüge der Erfindung gehen aus der nachstehenden näheren Erläuterung* bevorzugter Ausführungsformen in Verbindung mit den anliegenden Zeichnungen hervor.

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Figur 1 zeigt eine Draufsicht auf einen Doppe1-reihenleiterrahiaen mit 14 Leitern für eine integrierte Schaltung.

Figur 2 zeigt einen Schnitt längs Linie II-II der Figur 1. .

Zur Erleichterung der Erläuterung und zur Vermeidung einer' unübersichtlichen zeichnerischen Darstellung wird der Anraeldungsgegenstand nachstehend anhand der Ausbildung und Herstellung eines "Standard"-Leiterrahmens, d.h. eines Rahmens für ein 14-Leiter-Doppelreihengehäuse, veranschaulicht. Es werden viele Millionen derartiger Gehäuse jährlich hergestellt und der erfindungsgernäß ausgebildete Leiterrahmen kann gut in ein derartiges Gehäuse eingebracht werden, es ist jedoch klar, daß die Erfindung, sogar mit noch größeren Vorteilen, auch bei komplizierteren Gehäusen Anwendung finden kann (es sind Leitergehäuse mit 72 und 144 Leitern bekannt).

Der erfindungsgemäße Leiterrahmen kann in gewünschter Dicke ausgebildet werden und er wird aus zwei dünneren Platten, die übereinander geschichtet werden, hergestellt. Die untere Platte weist die gesamte Leiterrahrnenmatrix unter Einschluß der Leiterenden auf, und diese Platte ist hinreichend dünn, so daß ein Muster gewünschter Feingliedrigkeit an den Leiterspitzen vorgesehen werden kann. Die obere Platte, weist eine zur unteren Platte identische Leitermatrix auf, mit der Ausnahme, daß die Leiterenden oder -spitzen nicht vorhanden sind. Ihre Dicke ist so, daß bei Vereinigung mit der unteren Platte ein Leiterrahmen gewünschter Dicke erhalten wird. Der sich ergebende Körper weist eine Vertiefung oder Nische in seiner obe'ren Fläche zur Aufnahme des Schaltungsbauteiles auf, letzteres wird direkt mit den Leiterspitzen der unteren Plätte

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verbunden. Ob der .Schaltungsbauteil vollständig einpaßt oder nicht, hängt natürlich von der im Einzelfall gegebenen Tiefe der Mische und der Dicke des Bauteils abj in jeder. Fall wird dar Bauteil mindestens teilweise aufgenommen. Das .-.ufsinanderschichten v;ird durchgeführt, indem man die untere Oberfläche der oberen Platte mit einem Bindemittel, z.B. einem '-^Teichlct, einer Kartlötlegierung o.dgl., überzieht und dia zusarmengeklamnerten Platten auf eine entsprechende Temperatur erhitzt. Hierdurch wird vermieden, daß im Bereich der Leiterspitzen während des Bindens eine flüssige Phase anwesend ist, die ein Kurzschließen von in geringen Abständen zueinander liegenden Leitern verursachen könnte.

In den Zeichnungen ist ein Doppelleiterrahmen IO aus zwei zur Vereinfachung gleich dicken Platten (double thickness, dual in-line lead frame) dargestellt. Es ist im wesentlichen nur ein einziger Rahmen abgebildet, dieser stellt normalerweise ein Glied in einer Mehrzahl von identischen Rahmen dar, die in einem Streifen oder einer Spule gebildet werden. Beim vorliegenden Beispiel werden sieben Rahmen aus Rohlingen von etwa 2,5 κ 18 cm Größe hergestellt, d.h. die in der Figur 1 wiedergegebene Fläche mißt etwa 2,5 cm im Quadrat. Leiterrahmen werden üblicherweise hergestellt aus Glasabdichtlegierungen (glass-sealing alloys), so bezeichnet, weil sie Wärmeausdehnungskoeffizienten ähnlich den Gläsern haben, die zur Versiegelung der Leiter in der fertigen Baueinheit verwendet werden. Es können aber auch andere Metalle, wie Kupfer oder Aluminium, verwendet werden. Bei dem erläuterten Beispiel bestand der Rahmen aus einer Eisen-Nickel-Kobalt-Glasabdichtlegierung (Handelsprodukt mit dem Warenzeichen Kovar).

Der Leiterrahmen 10 umfaßt eine obere Platte 12 und eine untere Platte 14, die in der nachstehend noch erläuterten Weise übereinander geschichtet sind. Die Platten. 12 und 14 sind

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von.identischer Ausbildung, mit der Ausnahme, daß die Platte ■14 die vollständige Matrix der Leiter 16 einschließlich der Enden oder Spitzen 18 an den inneren Leiterenden aufweist,' während bei der Platte 12 die Leiter kurz, vor den inneren Spitzen 18 enden, so daß sich eine Aussparung oder !Tische 20 ergibt, wie das aus der Figur 2 ersichtlich ist. Durchgehende Seitenteile 21 gewährleisten den Zusammenhalt des Rohlings von Rahmen zu Rahmen. Die vierzehn Leiter 16 sind in. zwei einander gegenüberliegende Reihen von je sieben parallelen Leitern aufgeteilt, jede Reihe' endet an und ist einstückig verbunden mit einem Steg 22, der wiederum in die Seitenteile 21 übergeht. Schlitzlöcher 23 in den Stegen 22 erleichtern das Zerschneiden des Rohlings in einzelne Einheiten. Der strukturelle Zusammenhalt während der Herstellung und Zusammenfügung wird weiter gewährleistet durch zwei zusätzliche einstückig durchgehende Stege 24 etwa'in der Mitte der Längserstreckung einer jeden Leiterreihe. Die Stege 24 verlaufen parallel zu den Stegen 22 und gehen ebenfalls einstückig in die Seitenteile 21 über. Nach dem Zusammenbau werden die Stege 22 und 24 natürlich weggeschnitten, so daß die'vierzehn Leiter elektrisch isoliert voneinander und, zu diesem Zeitpunkt, gehalten von der Gehäusebaueinheit, verbleiben. Ausrichtlöcher 26 gewährleisten eine,..-, ordnungsgemäße Lageübereinstimmung bei der Herstellung und dem Zusammenbau, ein weiteres Loch 28 auf nur einer Seite gewährleistet die richtige Zueinanderordnung.

Die relativen Stärken der Platten 12 und 14' können nach Maßgabe der Größe und des Abstands der Leiter 16, insbesondere der Leiterspitzen 18, geändert werden. So können beispielsweise für die Anordnung gemäß Figur 1 beide Platten aus Ausgangsmaterial von 0,12 mm Dicke gefertigt werden. Bei sehr feiner Gliederung der Leiterspitzen 18 wäre es jedoch netwendig, die Bodenplatte 14 aus dünnerem Material zu fertigen, z.B. mit e'iner Dicke von 0,075 mm oder weniger, so daß die Matrix ohne Unterschneidung (undercutting) photogcjätzt

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v/erden kann. Die obere Platte 12 wird dann entsprechend dicker gewählt, um die erforderliche strukturelle Festigkeit herbeizuführen. Wenngleich Photoätzen aus den vorstehend genannten Gründen die bevorzugte Methode zur Herstellung der Bodenplatte 14 ist, insbesondere wenn ein sehr feines Leiterspitzenrnuster erzeugt v/erden soll, kann die Bodenplatte 14, da sie sehr dünn ist und im ursprünglich weichen Zustand (im Gegensatz zu einem arbeitsgehärteten Zustand) vorliegt, auch gestanzt v/erden, und zwar zu feineren Mustern als sie bisher in wirtschaftlicher 'weise möglich waren, da. die VJerkzeugabnutzung und der Bruch wesentlich verringert werden. Die Fertigung der oberen Platte 12 ist nicht so kritisch, da sie nicht die fein gegliederten Leiterenden 18 aufweist. Es kann mit Stanz- oder Photoätzmethoden gearbeitet werden. Dabei sind natürlich Faktoren, die die Zweckmäßigkeit der einen oder der anderen Methode nach den vorstehend erläuterten Gesichtspunkten beeinflussen, zu beachten.

Anschließend werden die Platten 12 und 14 übereinander geschichtet. Der erste Schritt besteht darin, die Unterseite der oberen Platte 12 mit einem Weich- oder Hartlot zu überziehen. Die Wahl des jeweiligen Materials hängt weitgehend von der vorgesehenen endgültigen Verwendung des fertigen Schaltungsbauteils ab. Wenn der Schaltungsbauteil starke thermische Schwankungen aushalten muß ι wie das in vielen Militärspezifikationen vorgeschrieben ist, werden, hochschmelzende Materialien verwendet. 3ei weniger scharfen Anforderungen sind Weichlötmaterialien brauchbar. Vorzugsweise wird eine dünne Schicht des Bindemittels nur auf die untere Fläche der Platte 12 aufgebracht. Dies verhindert, daß sich Irgendeine flüssige Phase an den Leiterspitzen 18 bildet, wo dies Kurzschlußverbindungen verursachen könnte, insbesondere bei feinen Leitermustern. Ob sich Bindemittel auf beiden Seiten der Platte 12 oder nur auf ,der unteren Seite befindet, ist nicht wesentlich, sofern nicht mehr als ein Rahmen zur Bindung aufgeschichtet werden soll. Nach Aufbringung des Bindemittels werden die Platten 12 und 14 in

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eine keraiaische Einspannvorrichtung eingesetzt/ die Stifte entsprechend den Ausrichtlöchern 26 und 2 3 zur Gewährleistung einer ordnungsgemäßen Anordnung und genauen Ausrichtung aufweist. Dann wird eine keramische Abdeckplatte aufgelegt: und vorzugsweise durch Klammern oder dergleichen niedergedrückt, ur.i die Teile fest zusammenzuhalten. Diese Anordnung wird dann durch einen Ofen geleitet, der bei einer hinreichenden Temperatur zur Verbindung der beiden Platten zu einem einheitlichen Körper gehalten wird.

Eine abgewandelte und in den meisten Fällen zu bevorzugende Methode zur übereinander geschichteten Verbindung der beiden Platten ist in der USA-Patentschrift 3 667 11Ό be-■schrieben. Kurz gesagt wird nach dieser Methode die Platte 12 rr:it aufeinanderfolgenden sehr dünnen Schichten aus Kupfer und Silber überzogen, dann folgt eine Oxydation in einer reduzierenden Atmosphäre und ein Binden der beiden Platten bei 815 C während 1-2 Minuten in einer reduzierenden Atmosphäre. Diese .Ilethode ergibt eine ausgezeichnete Schichtung und Verbindung praktisch ohne Bildung eine-r flüssigen Phase.

Bei herkömmlichen Leiterrahmen ist es oft erwünscht, die Leiterspitzen mit einem Überzug eines Metalls zu versehen, das die Bindung erleichtert, gewöhnlich Aluminium. Herkömmlicherweise, werden auf den Rohling vor der Fertigung ein Streifen oder Tupfen dieses Metalls durch Heißbeschichtung, Aufdampfen oder Plattieren und Ätzen aufgebracht, so daß das Metall die Leiterenden und nur einen Teil der Leiterstruktur bedeckt. Es ist die Aufbringung mittels einer Plasmapistole oder Dampfabscheidung durch eine Maske zur Überziehung nur der Leiterspitzen, gefolgt von einer Reformierbehandlung (re-forming operation) beschrieben worden. Erfiridungsgemäß' kann die gesamte obere Fläche der unteren Platte 14 mit einem solchen Metall nach irgendeiner herkömmlichen Methode vor der Erzeugung der Leiter-

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Struktur überzogen werden. Danach ist nichts weiteres nshr erforderlich, da nach der übsreinanderschichtung nur die freiliegenden Leiterenden das bindungserleichterr.de Material zeigen. Eine Anwendung von Masken, Atzmitteln oder anderen Hilfsmaßnahmen wird vermieden. Natürlich ist in einem selchen Falle eine Bindungsbehandlung bei verhältnismäßig niedriger Temperatur erforderlich, um das Aluminium nicht zu schmelzen.

Nach der übareinanderschichtung wird der Leiterrahmenkörper in !herkömmlicher Weise gehandhabt und das Gehäuse für die integrierte Schaltung o.dgl., für das der Leiterrahmen verwendet wird, kann ansonsten von herkömmlicher Art sein". Diese Maßnahmen brauchen hier nicht im einzelnen erläutert zu werden, es sei nur angemerkt, daß zu irgendeinem Zeitpunkt das Substrat, das kleiner ist als die von den Stegen 24 und den Seitenteilen 21 umgrenzte Fläche, an die inneren Enden der Leiter gebunden v/ird. Dann v/ird das elektronische Bauteil an die Leiterspitzen 13 gebunden, worauf mit einem Deckel und einem Dichtungsmittel das Gehäuse hermetisch abgedichtet v/ird. Zu irgendeinem Zeitpunkt vor der Prüfung werden die £tege 22 und 24 v/eggeschnitten, so daß die Leiter 16 elektrisch voneinander isoliert sind.

Es ist ersichtlich, daß bezüglich der Materialien, Arbeitsmaßnahmen und Anordnung von Teilen oder anderer Einzelheiten, wie sie vorstehend zur Veranschaulichung der Erfindung erläutert wurden, nach Maßgabe des Einzelfalles Änderungen oder Abwandlungen vorgenommen v/erden können, ohne den Hahnen der Erfindung zu verlassen.

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BAD

Claims (1)

1. 2249203

   6. October 1972 P 777/72

   PatentansDrüche

   1 .J Leiterrahmen zur Verwendung ir. Gehäusen für Kalbleiterbaueleinente, mit einer waagrechten Matrix von Leitern, deren innere Enden zur Einfügung des Halbleiterbauelements angeordnet sind, wobei die Leiter durch verbindende Stege in den Leiterrahmen flach gehalten werden, dadurch gekennzeichnet , daß der Leiterrahmen (10) eine obere Platte (12) und eine untere Platte (14) umfasst, die zu aufeinanderliegender! Oberflächen übereinander geschichtet sind, wobei die untere Platte (14) die Matrix der Laitar (16) einschließlich deren innerer Enden (18) und die obere Platte (12) die Matrix der Leiter (16) jedoch ohne deren innere Enden (18) aufweist und die obere und die untere Platte (12, 14) zusammen eine oberhalb der.inneren Leiterenden (18) liegende Aussparung (20) zur mindestens teilweisen Aufnahme des Halbleiterbauelements bilden.

   2. Leiterrahmen nach Anspruch 1, dadurch gekenn-, zeichnet, daß die untere Platte (14) eine hinreichend geringe Stärke, um die Bildung der Leiterenden (18) in gewünschter Größe und gegenseitigem Abstand zu gestatten, aufweist.

   3..Leiterrahmen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die obere Platte (12) eine genügende Stärke, um dem Leiterrahmen (10) die erforderliche strukturelle Festigkeit zu verleihen, aufweist.

   4. Leiterrahmen nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtstärke der zusammenge-

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   schichteten Platten (12, 14) etwa 0,25 nun (0,010 in.) beträgt und die Stärke der oberen Platte (12) mindestens etwa O;125 mm (0,005 in.) beträgt.

   5. Leiterrahmen nach einem der Ansprüche 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, daß die obere Fläche der uhterep Platte (14), mindestens auf den inneren Enden (18), einen überzug aus einem bindungserleichternden Metall aufweist.

   6. .Leiterrahmen nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß er mit übereinanderschichteh der Platten (12, 14) durch überziehen der mit der unteren Platte (14) zu vereinigenden Oberfläche der oberen Platte (12) mit einem geeigneten Bindemittel und Erhitzen und Zusammenpressen der Platten (12, 14) hergestellt worden ist.

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