DE3874877T2

DE3874877T2 - Modulare hybride mikroelektronische struktur mit hoher integrationsdichte.

Info

Publication number: DE3874877T2
Application number: DE8888403248T
Authority: DE
Inventors: Stephane Charruau
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1987-12-22
Filing date: 1988-12-20
Publication date: 1993-02-04
Anticipated expiration: 2008-12-21
Also published as: EP0325068B1; US4958258A; EP0325068A1; FR2625042B1; DE3874877D1; FR2625042A1; JPH022699A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine modulare hybride Mikroelektronik-Struktur gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, die insbesondere eine hohe Integrationsdichte ermöglicht.
Der Wettlauf der Miniaturisierung elektronischer Funktionsteile begann Anfang der sechziger Jahre mit dem Erscheinen einer ersten integrierten Schaltung. Die Fortschritte auf dem Gebiet des Entwurfs und der Herstellung von monolithischen integrierten Schaltungen sind beträchtlich gewesen, sie waren jedoch weniger spektakulär auf dem Gebiet der Verbindungstechnik zwischen den integrierten Schaltkreisen.
Um diese Betrachtungen anhand eines konkreten Beispiels festzuhalten, betrachte man zunächst ein Modul, das etwa 1980 mit Hilfe von achtzig eingekapselten integrierten Schaltungen hergestellt wurde und auf einer gedruckten Schaltung mit metallisierten Leitungslöchern angebracht wurde. Dieses Modul nahm eine Gesamtfläche der Größenordnung von 270 cm² ein. Fünf Jahre später konnte das gleiche Modul mit einer einzigen komplexen integrierten Schaltung erhalten werden (monolithische Silizium-Integrationstechnik), die eingekapselt war und eine Gesamtfläche von 11,2 cm² einnahm. Die durch dieses Modul eingenommene Fläche ist somit in einem Verhältnis 1/23 reduziert worden. Dieses Reduktionsverhältnis der Oberfläche zerfällt in 1/15,3 für die allein dem Silizium zuzuweisende Reduktion und in 1/1,5 für die Reduktion der Oberfläche, die der Einkapselung von Silizium und der Verbindungstechnik zwischen den integrierten Schaltungen zuzuweisen ist.
Folglich hat es, trotz nicht zu leugnenden Neuerungen auf dem Gebiet der Einkapselung und der Verbindungstechnik, Fortschritte gegeben, die auf diesem Gebiet zehnmal weniger bedeutend als auf jenem des Siliziums waren.
Wenn man das jetzt für das genannte Modul auf die Hybridisierung auf großen Oberflächen bezieht, d.h. direkt auf 80 Chips, die den 80 vorher genannten integrierten Schaltungen entsprechen und die ausgestattet mit ihrer Verdrahtung mit Drähten auf einem Verbindungssubstrat sind, bräuchte man eine Oberfläche von 32 cm² zur Realisierung des Moduls. Unter diesen Bedingungen zeigt die Effizienz der Hybridisierung im Vergleich zu jener der monolithischen Silizium-Integration, daß sie hinsichtlich des Besetzungsgrads des Siliziums auf dem Verbindungssubstrat dreimal besser ist, jedoch dreimal weniger gut hinsichtlich der Oberflächenreduktion des Verbindungssubstrats.
Folglich betrifft eine wichtige und unvermeidliche Entwicklungsetappe die Hybridisierung von komplexen integrierten Schaltungen mit dem Ziel eines hohen Flächengewinns im Vergleich zu der gedruckten Schaltung. Ohne zusätzliche Schwierigkeiten beim elektrischen Testen außer acht zu lassen, erfordert dieses Ziel eine Überarbeitung der Hybridisierungstechnologien, insbesondere auf dem Gebiet der Substrate.
Ziel der Erfindung gemäß Anspruch 1 ist es, eine hybride Mikroelektronik-Struktur zu entwerfen, die eine Antwort auf diese Probleme gibt, indem die verschiedenen Herstellungstechnologien für mehrschichtige Schaltungen, die Auswahl der Substrate und der Breite der Leiter optimal genutzt werden, wobei diese in einem Bereich variieren kann, der sich von 250 um in der Dickschicht-Technologie bis zu 25 um in der Dünnschicht-Technologie erstreckt.
Besondere Ausführungsarten der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die gewichtigsten Faktoren der hybriden Integration der elektronischen Module bringen in fallender Reihenfolge ihres Einflusses die folgenden "Parameter" zum Vorschein:
- An erster Stelle die "Integrationsdichte", die in Beziehung zu der mittleren Anzahl der Verbindungen steht, die pro Flächeneinheit eines Substrats vorhanden sind, das für die Verbindung von elektronischen Bauteilen bestimmt ist. Die Integrationsdichte variiert in einem Verhältnis 100/1 für die Hybride. Sie hängt stark von der Wahl der Silizium-Chips der aktiven Schaltungen ab.
- Die Entwurfsregeln, die durch die "Schrittweite" charakterisiert sind, die die minimale Distanz ist, die die verwendete Technologie des Substrats erlaubt und die die Mittellinien von zwei koplanaren Leitern trennt. Diese Distanz ist gleich der Summe der minimal erlaubten Breite der Leiter und der minimalen Breite, die die Isolierung zwischen den beiden nebeneinanderliegenden Leitern erfordert. Die Schrittweite variiert in einem Verhältnis 10 für die Hybride. Sie hängt stark von der Technologie des Verbindungssubstrats ab.
- Der "mittlere topologische Grad" oder Faktor, der die Architektur der Verbindungen gemäß dem elektrischen Schaltbild des hybriden Moduls berücksichtigt. Der mittlere topologische Grad variiert zwischen 1 und 2; das ist die mittlere Anzahl von Leitern, die sich ausgehend von jedem Verbindungsknoten erstrecken.
Nach der Charakterisierung der Verbindungstechnik des "Substrats" durch diese Parameter leitet man daraus die Entwurfselemente des Substrats her: die "Anzahl der Schichten", die "Anzahl von Stegen" oder senkrecht zur Ebene der Schichten stehenden Verbindungen, um diese Schichten miteinander elektrisch zu verbinden, und die "Herstellungstechnologie" für das Substrat.
Die Hybrid-Schaltungen werden auf einem isolierenden Substrat entworfen, das durch Aufdruck (Serigraphie) oder durch Strukturierung (Photolithographie) die Leiter und die passiven Bauteile aufnimmt. Die aktiven Elemente, bestehend aus einfachen oder komplexen integrierten Schaltungen, sind auf dem Substrat aufgelegt, dann verlötet oder verklebt: man sagt, sie sind aufgebracht. Man unterscheidet drei Klassen von Hybrid-Schaltungen:
- die Hybride mit dünnen Schichten (oder dünnen Filmen), deren übereinandergelagerte Schichten, die abwechselnd leitend und isolierend sind, durch Photolithographie hergestellt sind. Jede Schicht hat eine Dicke von maximal l0 Mikron (übliche Abkürzung für Mikrometer), die Breite der Leiter liegt zwischen 10 und 30 Mikron, die Schrittweite liegt zwischen 30 und 100 Mikron. Die Begrenzung dieser Hybride erfolgt aufgrund der niedrigen Anzahl von in Übereinanderlagerung realisierbaren isolierenden Schichten (im allgemeinen 5 Schichten nicht überschreitend) infolge technologischer Schwierigkeiten und der resultierenden Kosten.
- die Hybride mit dicken Schichten (oder dicken Filmen), deren übereinandergelagerte Schichten, die abwechselnd leitend und isolierend sind, durch Serigraphie und aufeinanderfolgende Aushärtungen erhalten werden. Jede Schicht hat eine Dicke, die größer als 10 Mikron ist, die Breite des Leiters beträgt im allgemeinen 250 Mikron und die Schrittweite 500 Mikron. Die Begrenzung dieser Hybride erfolgt aufgrund der maximalen Anzahl (die 6 kaum überschreitet) von isolierten und übereinandergelagerten leitenden Schichten und der Schwierigkeiten der Verdrahtung mit Drähten der Halbleiterchips zusammen mit einem schlechten Glattheitsgrad der Serigraphien. Bei aus Keramik hergestellten, ist es praktisch unmöglich, Verbindungen zwischen den Schichten durch Stege herzustellen.
- die Hybride mit dicken Schichten, deren leitende Schichten durch Serigraphie auf den isolierenden Schichten erhalten werden, die aus Keramikplatten sind, die eine auf der anderen angeordnet und zusammengepreßt sowie dann in einem einzigen Schritt zusammengebrannt werden, nachdem Löcher für die Verbindungsstege zwischen den Schichten gebohrt wurden und die Serigraphie von Leitern erfolgte. Diese Keramiken werden als "zusammengebrannt" bezeichnet. Da die Anzahl der isolierenden Schichten keine Einschränkung mehr ist, sind diese Hybride durch die Verdrahtung der Halbleiterchips mit großer Anzahl von Ein- und Ausgangsanschlüssen begrenzt, deren Abstand sehr gering zu der minimalen Schrittweite der Serigraphien (300 Mikron) ist. Auf der einen oder auf den zwei Seiten des mehrschichtigen Substrats mit dicken Schichten vom gebrannten Typ werden die benutzten aktiven Elemente wie eingekapselte, monolithische integrierte Schaltungen und jene in Form von gemeinsam eingekapselten Chips angeordnet (herkömmliche Hybride).
Andererseits ist es notwendig, Schaltungen von sehr hoher Integrationsdichte nach der hybriden Mehrfach-Dünnschichttechnologie herzustellen, die insbesondere mindestens einen Halbleiterchip enthalten, der auf dem mehrschichtigen Substrat mit dünnen Schichten mit einer großen Anzahl (die größer als 100 sein kann) von Ein- und Ausgängen aufgebracht ist, deren Abstände eine viel kleinere Abmessung als die minimale Schrittweite (der Größenordnung von 300 Mikron) aufweisen, die Serigraphien gemäß dem Stand der Technik in der Dickschicht-Technologie gestatten. Die wichtigsten Schranken, die von diesen verschiedenartigen Dünnschicht-Schaltungen vorgegeben werden, sind die folgenden:
- die Notwendigkeit eines Substrats, das als mechanischer Träger für die dünnen Schichten dient, wobei eine Keramik wie das Aluminiumoxid häufig benutzt wird;
- die Realisierung einer Anzahl von Schichten von mehr als drei erweist sich als delikat und sehr kostspielig;
- das Anschließen erfolgt mittels Drahtverbindungen zwischen dem Dünnschicht-Substrat und dem Äußeren;
- die Anordnung muß vor der Umgebung geschützt werden, insbesondere vor der Feuchtigkeit, durch Unterbringung in einem Gehäuse, durch welches hindurch die externe Verbindung sichergestellt sein muß.
Ein Ziel der Erfindung ist es, die Dünnschicht-Technologie mit der Dickschicht-Technologie zu vereinen, um die hybride Struktur hinsichtlich der Integrationsdichte zu verbessern, insbesondere wenn die Schaltungen Chips mit sehr großer Anzahl von Ein- und Ausgängen enthalten. Wie aus dem Folgenden ersichtlich sein wird, befinden sich unter den aus der Erfindung resultierenden Vorteilen unter anderem:
- eine bessere lokale Anpassung an die verschiedenen Integrationsdichten der aufgebrachten Schaltungen;
- ein Vermeiden der Verdrahtung mittels Drähten an der Peripherie des hybriden Dünnschicht-Moduls;
- eine optimale Reduzierung der Anzahl der dünnen Schichten;
- eine optimale Reduzierung der Anzahl der leitenden Schichten der dicken Schichten;
- eine erleichterte Entkopplung von Versorgungsleitern ohne Oberflächenverluste für die Verbindungen;
- die erleichterte Ableitung der Wärme in die Umgebung;
- die erleichterte Montage und Demontage des hybriden Moduls mit mechanisch von dem Modul lösbaren, äußeren Verbindungen usw. ...
Gemäß der Erfindung wird eine modulare hybride Mikroelektronik-Struktur hoher Intergrationsdichte hergestellt, die eingekapselte, aktive Mikroelektronik-Bauteile enthält, die zumindest auf einer Seite eines Dickschicht-Substrats angebracht sind, und die dadurch gekennzeichnet ist, daß sie außerdem zumindest eine eingekapselte Hybrid-Schaltung enthält, die in ihrem Innern Schaltungen hoher Integrationsdichte zusammenfaßt, die zumindest aus einem Halbleiterchip gebildet sind, der auf einem Substrat mit dünnen Schichten aufgebracht ist, wobei die letzteren sich unmittelbar auf einer Seite dieses Substrats mit dicken Schichten erstrecken, das ihnen als mechanischer Träger dient.
Gemäß einem anderen Merkmal der Erfindung sind die Verbindungen zwischen den diversen eingekapselten Bauteilen, die auf einer oder auf beiden Seiten des Dickschicht-Substrats angebracht sind, im Inneren dieses Substrat ausgebildet, derart, daß kein externer Verbindungsleiter auf den zum Vorschein kommenden Seiten des Moduls existiert, sondern nur Ein- und Ausgangsanschlüsse.
Ferner sind im Inneren des zusammengesetzten Substrats die Verbindungen des Dünnschicht-Substrats, das unmittelbar auf das Dickschicht-Substrat aufgebracht ist, mit dem elektrischen Netzwerk im Innern des Dickschicht-Substrats ohne Verdrahtung mittels Drähten von den dünnen Schichten zu den dikken Schichten ausgeführt, dank metallischer Stege im Inneren der dünnen Schichten in elektrischer Verbindung mit den metallischen Stegen im Inneren der dicken Schichten. Diese metallischen Stege sind nicht notwendigerweise am Umfang der Fläche angeordnet, die von den dünnen Schichten eingenommen wird, sondern können vorteilhafterweise über die gesamte Fläche verteilt sein, die von den dünnen Schichten eingenommen wird, um die kürzesten Verbindungen zu erhalten.
Die Erfindung findet in allen technologischen Baureihen Anwendung, die im Prinzip die dreidimensionalen Verbindungen zwischen den Komponenten unter oder über den genannten Bauteilen gewährleisten. Dies gilt für solche Baureihen, wie die mehrschichtigen, gedruckten Schaltungen mit Abschlußschicht, die dicken Mehrfachschichten mit zusammengebrannter Keramik, die dünnen Mehrfachschichten.
Die Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung, die als ein anhand der beigefügten Zeichnungen erläutertes Beispiel folgt; diese zeigen:
Fig. 1 die schematische Ansicht einer hybriden Struktur nach der Erfindung,
Fig. 2 eine schematische Ansicht, die die Montage oder Demontage der Struktur aus Fig. 1 betrifft,
Fig. 3 eine perspektivische Ansicht der modularen hybriden Struktur gemäß der Erfindung nach der Montage,
Fig. 4 eine Seitenansicht der modularen hybriden Struktur gemäß der Erfindung nach der Montage, die insbesondere die Möglichkeit einer einfachen Anbringung eines Kühlkörpers zur Abstrahlung der Wärme zeigt,
Fig. 5 eine schematische Ansicht, die das Entkoppeln von Versorgungsleitern betrifft, die im Dickschicht- Substrat der erfindungsgemäßen modularen Struktur realisierbar sind,
Fig. 6 und Fig. 7 Detailansichten, die die Verbindungen in dem zusammengesetzten Substrat betreffen, das aus einem Dickschicht-Substrat und einem Dünnschicht-Substrat besteht.
Das Ausführungsbeispiel einer modularen hybriden Struktur nach der Erfindung, die in den Zeichnungen dargestellt ist, entspricht einer bevorzugten, jedoch nicht einschränkenden Ausführung, wie aus dem Folgenden ersichtlich sein wird.
Nach dieser bevorzugten Ausführung ist das Modul aus einem mehrschichtigen Substrat 1, das auf einer Seite Halbleiterchips 2 in hoher Integrationsdichte trägt, während auf der anderen Seite integrierte Schaltungen in geringerer Integrationsdichte angeordnet sind, die in Form von eingekapselten und auf diese Fläche aufgebrachten elektronischen Bauteilen 3 vorliegen.
Die Chips 2 sind gemeinsam in einem Gehäuse 4 eingekapselt, das von einem Rahmen 5 und von einem Deckel 6 gebildet werden kann.
Die Halbleiterchips 2 sind mittels eines Substrats 8 verbunden, das nach der Dünnschicht-Technologie hergestellt worden ist, die bevorzugt bei solchen Schaltungen mit hoher Integrationsdichte angewendet wird. Die Anzahl der dünnen Schichten ist vorzugsweise auf eine, zwei, drei oder höchstens vier begrenzt, berücksichtigt man die hohen Kosten und die Schwierigkeiten bei der Herstellung eines solchen mit vier Schichten. Diese dünnen Schichten werden nacheinander auf der entsprechenden Seite des Substrats 1 ausgebildet, vorzugsweise in der folgenden Reihenfolge:
- die unterste dünne Schicht, die jene zum Anschließen der Verbindungsstege an dem elektrischen Netzwerk des Substrats auf dessen entsprechender Seite ist,
- eine darauffolgende dünne Schicht, die oberhalb der Schicht zum Anschließen liegt, mit zu einer der Seiten des Substrats 8 parallelen Leitern,
- eine darauffolgende dünne Schicht, die Leiter enthält, die zu den vorhergehenden senkrecht verlaufen,
- und die oberste dünne Schicht, die jene zum Tragen der Chips 2 und eventuell von anderen elektronischen Bauteilen ist.
Die Anordnung 2-8, die unter dem Gehäuse 8 angeordnet ist, stellt die eingekapselte Hybrid-Schaltung 10 dar, die auf eine Fläche des Trägersubstrats 1 aufgebracht ist.
Das Substrat 1 wurde unter Verwendung der Dickschicht-Technologie hergestellt. Vorzugsweise ist es auf der Basis von zusammengebrannten Keramikblättern hergestellt, die aus Aluminiumoxid, Glas, Kordierit oder noch besser aus Aluminiumnitrid oder einer äquivalenten Substanz bestehen. Das Substrat stellt den mechanischen Träger aller aufgebrachten Schaltungen dar, insbesondere der von zumindest einer eingekapselten Anordnung hoher Integrationsdichte 2 und 8. Das Substrat 1 stellt auch physikalisch das elektrische Netzwerk zum Verbinden der aufgesetzten Bauteile miteinander und insbesondere mit der (oder den) eingekapselten Anordnung(en) hoher Integrationsdichte 2 und 8 dar. Außerdem stellt es einen Wärmeleiter von hoher Leitfähigkeit dar, wenn es auf der Basis von Aluminiumnitrid oder einer äquivalenten Substanz hergestellt ist. Auch andere Funktionen werden durch das Substrat 1 gewährleistet, das ein hochgradiges Entkoppeln von Versorgungsleitern und das interne Zusammenfassen von Verbindungen hoher Stromintensität und von Verbindungen zwischen den beiden Seiten und nach außen ermöglicht.
Die Bauteile 3 können, wenn es notwendig ist, auf die beiden Seiten des Substrats 1 verteilt werden; die hybride Anordnung 2+8 hoher Dichte kann gleichfalls sich wiederholt oder verteilt auf den beiden Seiten befinden, oder an mehreren Orten auf einer Seite, je nach Komplexität und dem vorteilhaftesten Entwurf, der zur Realisierung des Moduls ausgewählt wird.
Die Verbindungen nach außen werden durch Ein- und Ausgangsklötzchen 9 auf dem Substrat 1 gebildet. Diese Ein- und Ausgänge, wie aus der Schnittzeichnung in Fig. 1 ersichtlich, sind mit den Bauteilen 2 und 3 durch in dem Substrat 1 gelegenen Verbindungen verbunden. Die Eingangs- und Ausgangsanschlüsse 9 sind bevorzugt am Umfang des Gehäuses 4 (Fig. 2) gruppiert, und die Verbindungen nach außen sind nicht durch Drähte ausgeführt, sondern mittels einer Elastomerverbindung 7, wobei die Struktur 4 zumindest außen elektrisch isolierend ist. Die Elastomerleiter 7 sind nicht Teil der modularen Struktur, sondern werden während der Montage eingefügt, wie aus Fig. 2 ersichtlich.
Das so erhaltene Modul enthält keinen äußeren sichtbaren Draht und ermöglicht eine erleichterte Montage und Demontage. Der Zusammenbau wird beispielsweise mittels vier Arbeitsschritten (Fig. 2, 3 und 4) durchgeführt.
Die dicht angeordneten Schaltungen 10, die ausgehend von den Halbleiterchips 2 auf dem Dünnschicht-Substrat 8 gebildet sind, sind bevorzugt auf einer Seite des Substrats 1 gruppiert und gemeinsam durch das Gehäuse 4 eingekapselt; die Schaltungen 3 von geringerer Dichte oder zusätzliche Bauteile können vom Dickschicht-Substrat 1 auf dessen anderer Seite getragen werden. Diese Bauteile 3 werden flach aufgesetzt und bevorzugt eingekapselt ohne äußere Anschlußfahnen mit äußerer Metallisierung zum Verkleben oder Verlöten ausgewählt. Die Halbleiterchips 2 sind mit dem elektrischen Netzwerk im Innern des Dünnschicht-Substrats 8 durch verlötete Drähte an ihrer Peripherie nach der bekannten Halbleitertechnik verbunden oder nach der Technik der umgekehrten und direkt auf dem Substrat 8 verlöteten Chips oder auch in der sogenannten Technik der kollektiven Verdrahtung dünner Schichten der Chips nach dem Planrichten.
Die Dünnschichttechnik ermöglicht hochfeine Leiter. Ihre Breite ist in der Größenordnung von 25 um, so daß sie insbesondere für die Realisierung des elektrischen Netzwerks für veränderliche Logiksignale zwischen Schaltungen mit einem hohen Grad von Integration geeignet sind.
Andererseits ist diese Technik kostspielig bei der Realisierung von Leitern hoher Stromdichten (Versorgungsleiter, Masse usw. ...).
In der Dickschichttechnik werden breite Leiter (von beispielsweise 250 um) verwendet, die folglich für die Realisierung von Leitern hoher Stromintensität oder für die Verbindung zwischen Schaltungen mit niedrigem oder hohem Grad von Integration günstig sind. Diese letzte Technik ist kostspielig und sogar in Anwendungen von mit sehr hoher Dichte angeordneten Verbindungen, die eine sehr hohe Anzahl von Schichten erfordern, unmöglich zu verwenden.
Das Modul erlaubt so eine lokale Anpassung an die verschiedenen Integrationsdichten der Bauteile. Gemäß den Figuren 2 bis 4 ist das gesamte Modul auf einem äußeren Träger 11 wie beispielsweise eine gedruckte Schaltung flach angebracht und bezüglich der Halbleiterchips 2 im Gehäuse 4 in umgekehrter Position befestigt, wobei das Gehäuse an der Seite der Leiterplatten 11 angeordnet ist.
Die Abdeckung oder der Deckel 6 ist entweder aufgeklebt oder auf den Rahmen 5 gelötet, je nach den verwendeten Materialien. Bei einem metallischen Rahmen kann der Deckel verlötet sein, der Rahmen und der Deckel müssen jedoch in diesem Fall elektrisch nach außen isoliert werden, beispielsweise mittels eines Lacks. Man kann auch Keramik verwenden, um den Rahmen 5 und den Deckel zu formen, der auf den Rahmen 5 geklebt werden kann. Der Rahmen 5 kann als Monoblock zusammen mit dem Substrat 1 vorliegen, indem man ihn während des Schritt des Pressens der Mehrfachschicht formt.
Die durchgeführte Montage, wie in Fig. 3 dargestellt, bringt in der inversen Position die Möglichkeit der Ableitung der Wärme mittels des Substrats 1 zum Vorschein, das einen guten Wärmeleiter darstellt, insbesondere wenn es aus Aluminiumnitrid ist. Dieser Wärmeaustausch wird durch die Umgebung erleichtert und erfordert nicht besondere Vorkehrungen an der Seite der gedruckten Schaltung 11. Um den Wärmeaustausch weiter zu vergrößern, kann auf einfache Weise, wie in Fig. 4 dargestellt, ein Kühlkörper 12 auf der oberen Seite angebracht werden, die die Bauteile 3 trägt.
Die abnehmbaren, äußeren Verbindungselemente 7 sind im Substrat 1 angeordnet, indem beispielsweise die Einrichtung von Wänden oder Nuten auf der Leiterplatte 11 vorgesehen wird.
Das Gehäuse 4 ist für herkömmliche Anwendungen luftdicht und für militärische Anwendungen, die an das Abschließen strengere Anforderungen stellen, hermetisch abgeschlossen.
Die Kriterien bezüglich der Wahl der Lösung sind insbesondere:
- die Auswahl einer minimalen Anzahl von Schichten, um die Signale zu verarbeiten und die Herstellung der Anordnung zu erleichtern;
- die Signalantwortgeschwindigkeit, die für schnelle Signale niedrige Dielektrizitätskonstanten und demzufolge die Anwendung einer Technologie der dünnen organischen (z.B. Polyimid) oder mineralischen Schichten (z.B. SiO&sub2;) erfordert;
- die Wärmeabführung;
- die Entkopplung der Versorgungsleiter durch Ausbilden von Entkopplungskapazitäten in dem Dickschicht-Substrat, denn diese Kapazitäten sind in dünnen Schichten nur auf Kosten einer erheblichen Komplexität realisierbar, die hohe Kosten mit sich bringt.
Die Fig. 5 zeigt die Ausführung einer solchen Entkopplungskapazität in dem Substrat 1 mit Hilfe von großflächigen Metallisierungen 14 und 16 auf zwei Schichten, die eine an die Masse angeschlossen, die andere an eine Gleichspannung Vcc, und die von Stegen 15, 17 durchquert werden, um bis zu den entsprechenden Leitern zu gelangen.
Das Dünnschicht-Substrat 8 wird durch Ablagern einer organischen oder mineralischen Schicht und durch anschließendes Ablagern von Leiterbahnen auf diese Schicht hergestellt. Man wiederholt den Schritt der Ablagerung einer isolierenden Schicht, die mit einer zweiten Schicht von Leiterbahnen überzogen ist, so viele Male, wie es dünne Schichten gibt, die zur Verbindung der Chips 2 notwendig sind.
Der Schritt der Ablagerung einer organischen Schicht kann durch Zentrifugieren, gefolgt von einer Aushärtung und einer Polymerisation, durchgeführt werden (beispielsweise mit Hilfe einer Ultraviolettbestrahlung).
Eine mineralische Schicht kann auf chemischem Weg abgelagert werden, mittels Oxydation beim Siliziumdioxid SiO&sub2;, oder mittels der Plasmatechnik wie beispielsweise im Fall von Aluminiumnitrid.
Der Schritt der metallischen Überziehung kann durch Verdampfen unter Vakuum oder durch Katodenzerstäubung von reinen Metallen auf der isolierenden organischen oder mineralischen Schicht und anschließendes Plasmaätzen durchgeführt werden.
Die Verbindungsstege zwischen den metallischen Schichten werden durch Plasmaätzung der obersten isolierenden Schicht realisiert und dann während der metallischen Überziehung dieser Schicht metallisiert.
Das so hergestellte Modul weist keinen zum Vorschein kommenden Draht und keinen anderen sichtbaren Verbindungstyp an den Seiten auf, weil ja die Verbindungen zwischen den Chips 2 innerhalb des Gehäuses 4 ausgebildet sind und die Verbindungen mit und zwischen den Bauteilen 3 mittels der Stege durch die inneren Schichten des Substrats 1 realisiert sind.
Nur die Ein- und Ausgangskontakte 9 kommen zum Vorschein, die für die äußeren Verbindungen mittels der abnehmbaren Elastomerverbindungselemente 7 bestimmt sind. Diese Verbindungen 7 sind nach bekannter Art durch Leiterstreifen in Form eines C auf einem isolierenden Träger realisiert und in geringer Schrittweite gegenüber den zu realisierenden Verbindungen angeordnet, beispielsweise in der Größenordnung von einem Drittel von jener der aufeinanderfolgenden Kontakte 9 für Verbindungen nach außen. Folglich stört eine geringe longitudinale Versetzung dieser Verbindungen 7 nicht das Inkontaktbringen mit den zu verbindenen Punkten.
Das so hergestellte Modul weist eine sehr gute Beständigkeit gegenüber der Umgebung und insbesondere gegenüber Feuchtigkeit auf, vorausgesetzt, daß die diversen Bauteile 3 sowie die Anordnung der Chips 2 unter dem Gehäuse 4 eingekapselt sind, das gleichfalls das Dünnschicht-Substrat 8 vor der Umgebung schützt.
Die Bauteile 3 sind bevorzugt ohne Anschlußfahnen ausgewählt, indem man ein Substrat aus zusammengebrannter Keramik benutzt, das gut an die thermische Ausdehnung solcher Schaltungen angepaßt ist.
Fig. 6 zeigt eine Detailansicht der Verbindungen zwischen dem Dünnschicht-Substrat 8 und dem Dickschicht-Substrat (1). Die Fig. 7 bezieht sich auf den gezeigten Schnitt AA. Die Verbindungen werden mit Hilfe von zu den dicken Schichten senkrechtstehenden Stegen ausgeführt. Es ist ein Steg 31 gezeigt, der aus Silber sein kann. Dieser Steg überragt ein wenig die obere Seite 32 der dicken Schichten, auf der die erste Schicht, die sogenannte Befestigungsschicht des mehrschichten Dünnschicht-Substrats 8 direkt aufgebracht ist. Vor Ausführung dieses Schritts wird eine metallische Befestigungsschicht 33 auf die Keramikschicht und auf das Ende des Stegs abgelagert. Im Innern des Dünnschicht-Substrats 8 ist eine leitende, horizontale Verbindung 34 dargestellt (abgelagert auf eine isolierende Schicht und sich zwischen zwei isolierenden Schichten befindend, zur Vereinfachung sind die zwei isolierenden Schichten nicht eingezeichnet worden), die aus Aluminium sein kann und die in vertikaler Richtung mittels eines Stegs 35 aus Aluminium an die metallische Befestigungsschicht 33 angeschlossen ist. Ein weiterer Steg 36 ist zur Herstellung von weiteren Verbindungen dargestellt. In Fig. 7 sieht man in der Schnittebene den Steg mit dickem Durchmesser 31, der sich im wesentlichen im Dickschicht-Substrat befindet, und die Stege mit einem viel geringeren Durchmesser 35 und 36 sowie zwei weitere 37 und 38, die im Innern der dünnen Schichten ausgebildet sind.

Claims

1. Modulare hybride Mikroelektronik-Struktur von hoher Integrationsdichte mit eingekapselten, aktiven Mikroelektronik- Bauteilen (3) und Chips von Mikroelektronik-Bauteilen hoher Integrationsdichte (2), wobei diese Struktur dadurch gekennzeichnet ist, daß die eingekapselten Bauteile (3) von und auf einem mehrschichtigen Substrat mit dicken Schichten (1) aufgebracht sind und die Chips der Bauteile hoher Integrationsdichte (2) auf mindestens einem mehrschichtigen Substrat mit dünnen Schichten (8) aufgebracht sind, wobei das letztere sich auf einer Seite des Dickschichtsubstrats (1) erstreckt, das ihm als mechanischer Träger dient.

2. Struktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das mehrschichtige Substrat mit dicken Schichten (1) aus Aluminiumoxidschichten oder aus Aluminiumnitridschichten vom mineralischen Typ und das mehrschichtige Substrat mit dünnen Schichten (8) aus Polyimidschichten vom organischen Typ ist.

3. Struktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Bauteil hoher Integrationsdichte (2), das auf dem mehrschichtigen Substrat mit dünnen Schichten (8) aufgebracht ist, in einem Gehäuse (10) eingekapselt ist, das von einer Seite des mehrschichtigen Substrats mit dicken Schichten getragen wird.

4. Struktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Dickschichtsubstrat (1) aus gemeinsam gebrannter Keramik ist.

5. Struktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungen zwischen den eingekapselten Bauteilen (2, 3), die von den beiden Seiten des Dickschichtsubstrats (1) getragen werden, im Volumen im Inneren dieses Substrats mittels Stegen so ausgebildet sind, daß kein zum Vorschein kommender Leiter der Verbindungen auf den Seiten des Substrats existiert.

6. Struktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungen zwischen dem Dünnschichtsubstrat (8) und dem Dickschichtsubstrat (1) ohne Verdrahtung mit Drähten mittels Stegen ausgeführt sind.

7. Struktur nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsstege zwischen dünnen Schichten und dicken Schichten über die gesamte Dünnschicht-Dickschicht-Übergangsfläche verteilt sind.

8. Struktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungen zwischen den diversen eingekapselten Bauteilen, die von den beiden Seiten des Dickschichtsubstrats (1) getragen werden, und dem Äußeren im Inneren dieses Substrats ausgebildet sind, um an Ein-/Ausgangsklemmen (9) anzugrenzen, die an eine der Seiten des Dickschichtsubstrats derart angrenzen, daß kein äußerer Verbindungsleiter auf den Seiten dieses Substrats und nur die Ein-/Ausgangsklemmen zum Vorschein kommen.

9. Struktur nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß diese Ein-/Ausgangsklemmen außen an der Peripherie der hybriden Struktur und in der Nähe eines Gehäuses (4) verteilt sind, das luftdicht die hybride Schaltung bedeckt.

10. Struktur nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die äußeren Verbindungsstücke dieser Ein-/Ausgangsklemmen (9) mittels abnehmbaren Elastomerleitern (7) ausgeführt sind, die während der Montage der modularen Struktur eingefügt werden.

11. Struktur nach den Ansprüchen 8, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß sie so zusammengebaut ist, daß sie die hybride Schaltung (10) unterhalb des Dickschichtsubstrats (1) und die eingekapselten aktiven Bauteile (3) oberhalb dieses Substrats aufweist.

12. Struktur nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Kühlkörper (12) zum Abführen der Wärme enthält, der auf der Seite angebracht ist, die diese aktiven Bauteile (3) trägt.

13. Struktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur kapazitiven Entkopplung der Gleichstromversorgungsquelle (14 bis 17) im Inneren des Dickschichtsubstrats (1) ausgebildet sind.