-
TECHNISCHES
GEBIET
-
Die
Erfindung betrifft Zwischenverbindungsmodule zur Verwendung mit
IC-Schaltungs-Chip.
-
ALLGEMEINER
STAND DER TECHNIK
-
Verbreitet
werden Mehrschichten-Zwischenverbindungsmodule
in der Halbleiterindustrie verwendet, um IC-Schaltungs-Chip mechanisch
zu tragen und die Chips elektrisch an Leiterplatinen anzuschließen. Zwischenverbindungsmodule
können
konfiguriert sein, um einen einzelnen Chip oder mehrere Chips zu
tragen, und sind typischerweise durch die Bezeichnung SCM (Single
Chip Module, Einzelchipmodul) oder MCM (Multi-chip module, Multichipmodul)
identifiziert.
-
Ein
Zwischenverbindungsmodul stellt Zwischenverbindungen bereit, die
dazu dienen, einen IC-Schaltungs-Chip
mit Signalleitungen, Stromversorgungsleitungen und anderen Bauteilen
zu koppeln, die durch eine Leiterplatine getragen werden. Insbesondere
stellt das Zwischenverbindungsmodul Zwischenverbindungen bereit,
die die dicht gepackten Eingänge
und Ausgänge
(E/As) des Chips zu entsprechenden E/As auf der Leiterplatine weiter
verteilen. Über
die elektrische Zwischenverbindung hinaus dient ein Zwischenverbindungsmodul
typischerweise dazu, einen Chip mechanisch mit einer Leiterplatine
zu koppeln, und kann andere Funktionen wie z.B. der Wärmeableitung
und des Umweltschutzes wahrnehmen.
-
Um
Hochfrequenzbetrieb zu unterstützen,
ist es wichtig, eine niedrige Impedanz zwischen dem Rohchip und
den Stromversorgungs- und Masse-Verteilungsleitungen oder – ebenen
innerhalb des Moduls zu erreichen. Bei niedrigeren Frequenzen kann
eine ausreichend niedrige Impedanz durch Platzieren diskreter Entkopplungskondensatoren
innerhalb des Pakets und auf der Leiterplatine erreicht werden.
Bei zunehmenden Frequenzen wird es jedoch bedingt durch die inhärente Reiheninduktivität, die durch
die diskreten Kondensatoren erzeugt wird, zunehmend schwierig, eine
adäquate
niedrige Impedanz zu erreichen. Darüber hinaus verstärken Drähte, Löthügel, Durchgangslöcher, durchmetallisierte
Löcher
und Leiterbahnen im Zwischenverbindungsmodul bedingt durch zunehmende
Induktivität
das Unvermögen
der diskreten Kondensatoren, bei höheren Frequenzen adäquat zu
funktionieren.
-
Als
eine Alternative zu diskreten Kondensatoren weisen einige Chips
interne Kondensatorstrukturen auf, die innerhalb des Rohchips gebildet
sind. Insbesondere kann ein „On-Chip"-Kondensator während der
Anordnungsherstellung gefertigt werden und stellt Wege niedriger
Induktivität
zwischen dem Kondensator, den Stromversorgungs- und Masseleitungen
und der Logik- und Pufferschaltung bereit. Unglücklicherweise steigern On-Chip-Kondensatoren
die Kosten von IC-Schaltungs-Chips durch Zunahme der Rohchipgröße und Abnahme
der Ausbeute erheblich.
-
Darüber hinaus
ist der Betrag an On-Chip-Kapazität, der dem Rohchip hinzugefügt werden
kann, typischerweise durch räumliche
Bedingungen und die Dielektrizitätskonstante
begrenzt, die begrenzt werden muss, um nachteiliges Beeinflussen
von Signalausbreitungseigenschaften benachbarter Leiterbahnen zu
vermeiden. Auch ist die Zwischenverbindung zwischen dem On-Chip-Kondensator
und einem Treiber oder Empfänger üblicherweise
bedingt durch die Verwendung von Metall mit hohem spezifischem Widerstand,
z.B. Aluminium, ein Weg relativ hohen Widerstandes. Folglich ist
die Nützlichkeit
interner Kondensatoren begrenzt.
-
US-A-5.635.767
beschreibt ein Zwischenverbindungsmodul, das eine obere Fläche aufweist,
die Kontaktpads aufweist, auf denen ein Chip über Lötperlen angeschlossen ist.
Eine untere Fläche
definiert zweite Kontaktpads zum Anschließen an eine Leiterplatine.
Ein Kondensator weist eine erste Leitschicht, eine zweite Leitschicht
und eine erste dielektrische Schicht auf, wobei die Schichten zusammenlaminiert
sind. Im Zwischenverbindungsmodul sind zum Verdrahten mehrerer Kontaktpads
mit der ersten Leitschicht des Kondensators Blind-Durchgangslöcher gebildet.
Das bekannte Zwischenverbindungsmodul weist ferner zusätzliche dielektrische
und Leitschichten auf.
-
KURZDARSTELLUNG
-
Im
Allgemeinen ist die Erfindung auf Zwischenverbindungsmodule, die
eine dünne
Kondensatorstruktur hoher Dielektrizitätskonstante einbeziehen, um
Stromversorgungs- und Masseverteilung verringerter Impedanz bereitzustellen,
sowie Prozesse zur Herstellung derartiger Zwischenverbindungsmodule
nach Anspruch 1 bzw. 8 gerichtet. Ein Zwischenverbindungsmodul,
das gemäß der Erfindung
aufgebaut ist, ist fähig,
einen IC-Schaltungs-Chip über
Lötperlenverbindungen
zuverlässig
an eine Leiterplatine (Printed Wiring Board, PWB) anzuschließen, wobei
verringerte Stromversorgungs-Verteilungsimpedanz bereitgestellt
wird, die bei hohen Betriebsfrequenzen, einschließlich Frequenzen über 1,0
Gigahertz, kleiner als oder gleich im Wesentlichen 0,60 Ohm ist.
Auf diese Weise ist das Zwischenverbindungsmodul wirksam im Begrenzen
von Simultanschaltausgangsrauschen (Simultaneous Switching Output,
SSO-Rauschen), Kernunterspannung und anderen Formen von Signalverlusten
bei sehr hohen Frequenzen.
-
Ein
Zwischenverbindungsmodul gemäß der Erfindung
kann eine Reihe alternierender dielektrischer und Leitschichten
einbeziehen, die zusammenlaminiert sind, um eine Einheitsstruktur
zu bilden. Die laminierte Zwischenverbindungsstruktur kann eine
Anzahl Durchgangslöcher
und ausgeformter Signalschichten einbeziehen, die leitende Zwischenverbindungswege
zwischen dem Chip, der Leiterplatine und verschiedenen Schichten
innerhalb des Zwischenverbindungsmoduls bereitstellen. Das Zwischenverbindungsmodul
weist Chip-Anbringungs-
und Platinen-Anbringungsflächen
auf, die Kontaktanschlussflächen
zum Anschließen
an entsprechende Pads auf dem Chip bzw. der Platine über Lötperlen
definieren. Die verschiedenen Schichten sind ausgewählt, um
Wärmeausdehnungskoeffizienten
(Coefficient of thermal Expansion, CTE) zu zeigen, die zuverlässige Zwischenverbindungen
mit dem Chip und der Leiterplatine fördern.
-
Die
Zwischenverbindungsstruktur erreicht verringerte Stromversorgungs-Verteilungsimpedanz
durch die Einbeziehung eines oder mehrerer dünner ebener Laminate hoher
Kapazität,
die eingebettete Kondensatoren bilden. Jeder eingebettete Kondensator
kann durch ein extrem dünnes
Laminat mit einem Material hoher Dielektrizitätskonstante gebildet sein,
das sich zwischen zwei leitenden Folien befindet. Die verringerte
Dicke und die hohe Dielektrizitätskonstante
erzeugen erhöhte
Kapazität
und verringerte Stromversorgungs- und Masse-Verteilungsimpedanz.
Die Anzahl Zwischenschichten zwischen der Chip-Anbringungsfläche und dem Kondensator und
daher die Zwischenverbindungsmodul-Dicke kann auch begrenzt sein,
um Reiheninduktivität zu
verringern und Stromversorgungs-Verteilungsimpedanz weiter zu verringern.
-
In
einigen Ausführungsformen
kann der eingebettete Kondensator einen Kern des Zwischenverbindungsmoduls bilden.
In anderen Ausführungsformen
können
ein oder mehrere Kondensatoren um einen Kern herum gebaut sein.
In jedem Fall können
die Stromversorgungs- und Masseebenen zweckentsprechend ausgeformt
werden, entweder bevor oder nachdem die Ebenen in das Zwischenverbindungsmodul
einbezogen werden, um Durchgangslöcher aufzunehmen und kontrollierte
Impedanz zu unterstützen.
Als Beispiel kann die eingebettete Kondensatorstruktur die Form
eines Materials hoher Dielektrizitätskonstante annehmen, das auf ein
Paar leitende Folien aufgetragen, laminiert und ausgeformt wird,
bevor die Einbeziehung in das Zwischenverbindungsmodul erfolgt.
In diesem Fall kann die Kondensatorstruktur auch vorgebohrt werden,
um Durchgangsbohrungen für
Durchgangslöcher
im Zwischenverbindungsmodul zu bilden.
-
In
einer anderen Ausführungsform
ist die Erfindung auf ein Verfahren zum Bilden eines Zwischenverbindungsmoduls
gerichtet, das Bereitstellen einer laminierten Kondensatorstruktur,
Bilden einer Chip-Anbringungsfläche,
Bilden einer Platinen-Anbringungsfläche und
Laminieren der Kondensatorstruktur, der Chip-Anbringungsfläche und
der Platinen-Anbringungsfläche,
um das Zwischenverbindungsmodul zu bilden, aufweist. Die Kondensatorstruktur
weist eine erste Leitschicht, eine zweite Leitschicht und eine dielektrische
Schicht auf, die zwischen den ersten und zweiten Leitschichten gebildet
ist. Die Chip-Anbringungsfläche
definiert erste Kontaktpads zum Anschließen eines IC-Schaltungs-Chips an das Zwischenverbindungsmodul
an einer ersten Seite der Kondensatorstruktur. Die Platinen-Anbringungsfläche definiert
zweite Kontaktpads zum Anschließen des
Zwischenverbindungsmoduls an eine Leiterplatine an zweiter Seite
der Kondensatorstruktur. Das Verfahren weist ferner Bilden von Leitwegen
auf, die einige der ersten Kontaktpads mit entweder der ersten oder zweiten
Leitschicht verdrahten. Die ersten Kontaktpads, die Leitwege und
die Kondensatorstruktur erzeugen eine kombinierte Impedanz, die
kleiner als oder gleich im Wesentlichen 0,60 Ohm bei einer Frequenz
ist, die größer als
oder gleich im Wesentlichen 1,0 Gigahertz ist.
-
In
einer hinzugefügten
Ausführungsform
stellt die Erfindung ein Zwischenverbindungsmodul bereit, das ein
laminiertes Substrat aufweist, das alternierende Leit- und organische dielektrische
Schichten aufweist. Das laminierte Substrat weist mindestens eine
erste Leitschicht, eine erste organische dielektrische Schicht, die
der ersten Leitschicht benachbart liegt, eine zweite Leitschicht
und eine zweite organische dielektrische Schicht auf, die der zweiten
Leitschicht benachbart liegt. Die erste Leitschicht definiert eine
Chip-Anbringungsschicht und die zweite Leitschicht definiert eine
Platinen-Anbringungsschicht. Eine laminierte Kondensatorstruktur
ist zwischen den ersten und zweiten dielektrischen Schichten gebildet
und weist eine Dicke von kleiner als oder gleich im Wesentlichen
42 Mikrometer und eine Dielektrizitätskonstante größer als
oder gleich im Wesentlichen 12 auf. In einem Beispiel ist die Dicke
jeder der ersten und zweiten Leitschichten im Wesentlichen 12 Mikrometer,
und die Dicke der dielektrischen Schichten ist im Wesentlichen 8
Mikrometer. Ein Abstand zwischen einer äußeren Fläche der Kondensatorstruktur
und einer inneren Fläche
der ersten Leitschicht ist kleiner als oder gleich im Wesentlichen
100 Mikrometer.
-
In
einer weiteren Ausführungsform
stellt die Erfindung ein Zwischenverbindungsmodul bereit, das eine laminierte
Kondensatorstruktur, alternierende Leitschichten und dielektrische
Schichten, die um gegenüberliegende
Seiten der Kondensatorstruktur laminiert sind, und ein oder mehrere
Durchgangslöcher
auf, die sich durch einige oder alle der Leit- und dielektrischen
Schichten erstrecken, wobei die Durchgangslöcher mit einem leitenden Material überzogen
oder gefüllt
sind, um Leitwege zwischen der laminierten Kondensatorstruktur und äußeren Leitschichten
des Zwischenverbindungsmoduls zu definieren, und wobei die Kontaktpads,
die Leitwege und die Kondensatorstruktur eine kombinierte Stromversorgungs-
und Masse-Verteilungsimpedanz erzeugen,
die kleiner als oder gleich im Wesentlichen 0,60 Ohm bei einer Frequenz
ist, die größer als
oder gleich im Wesentlichen 1,0 Gigahertz ist.
-
Die
Erfindung ist des Bereitstellens einer Anzahl von Vorteilen fähig. Beispielsweise
kann das Zwischenverbindungsmodul mit einer extrem dünnen Kondensatorstruktur
hergestellt werden, die eine sehr hohe Dielektrizitätskonstante
aufweist. Folglich ist das Zwischenverbindungsmodul des Bereitstellens
verringerter Stromversorgungs-Verteilungsimpedanz bei höheren Frequenzen
fähig,
wodurch die Leistung verbessert wird. Insbesondere erlaubt bei verringerter
Stromversorgungs- und Masse-Verteilungsimpedanz ein Zwischenverbindungsmodul
gemäß der Erfindung
eine schnellere Schaltzeit für
externe Busse, womit die Systembandbreite gesteigert wird.
-
Darüber hinaus
profitieren Verfahren zum Herstellen des Zwischenverbindungsmoduls
von der Verwendung einer laminierten Kondensatorstruktur, die die
Form einer dielektrischen Beschichtung annehmen kann, die zwischen
zwei Kupferfolien gebildet ist. Daher brauchen die Leitschichten
nicht überzogen
zu werden, wodurch eine leichte Herstellbarkeit gefördert wird.
Die laminierte Kondensatorstruktur kann vorgebaut, ausgeformt und
vorgebohrt werden, bevor sie mit den anderen Schichten kombiniert
wird, wodurch der Aufbau des Zwischenverbindungsmoduls erleichtert
und erlaubt wird, dass die Struktur auf ordnungsgemäßen Betrieb vorgeprüft wird.
Darüber
hinaus kann die laminierte Kondensatorstruktur vor ihrer Verwendung
in einem Zwischenverbindungsmodul auf akzeptablen elektrischen Betrieb
vorgeprüft
werden.
-
Die
Details einer oder mehrerer Ausführungsformen
der Erfindung sind in den beiliegenden Zeichnungen und der Beschreibung
unten dargelegt. Andere Merkmale, Aufgaben und Vorteile der Erfindung
werden aus der Beschreibung und den Zeichnungen und aus den Ansprüchen offensichtlich.
-
Der
Begriff „leitfähig", „leitend" oder „Leit-„ (Englisch:
conductive) bedeutet in der hier verwendeten Weise elektrisch leitfähig.
-
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
1 ist
eine Querschnitts-Seitenansicht, die ein Elektronikpaket darstellt,
das ein Zwischenverbindungsmodul einbezieht, das einen IC-Schaltungs-Chip an
eine Leiterplatine anschließt.
-
2 ist
eine Querschnitts-Seitenansicht, die eine Kondensatorstruktur zur
Verwendung in einem Zwischenverbindungsmodul darstellt.
-
3 ist
eine perspektivische Ansicht, die die Kondensatorstruktur nach 2 darstellt.
-
4 ist
eine Querschnitts-Seitenansicht, die eine erste Ausführungsform
des Zwischenverbindungsmoduls darstellt.
-
5 ist
eine Querschnitts-Seitenansicht, die eine zweite Ausführungsform
des Zwischenverbindungsmoduls darstellt.
-
6 ist
eine Querschnitts-Seitenansicht, die eine dritte Ausführungsform
des Zwischenverbindungsmoduls darstellt.
-
7 ist
eine Querschnitts-Seitenansicht, die eine vierte Ausführungsform
des Zwischenverbindungsmoduls darstellt.
-
DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG
-
1 ist
eine Querschnitts-Seitenansicht, die ein Elektronikpaket 10 darstellt,
das ein Zwischenverbindungsmodul 12 einbezieht. Wie beschrieben
werden wird, zeigt Zwischenverbindungsmodul 12 Stromversorgungs-Verteilungseigenschaften
mit niedriger Impedanz, die besonders nützlich für Hochfrequenz-Schaltanwendungen
sind. Insbesondere ist Zwischenverbindungsmodul 12 des
Bereitstellens einer Stromversorgungs-Verteilungsimpedanz fähig, die
kleiner als oder gleich im Wesentlichen 0,60 Ohm bei einer Frequenz ist,
die größer als
oder gleich im Wesentlichen 1,0 Gigahertz ist. Um verringerte Stromversorgungs-Verteilungsimpedanz
zu erreichen, bezieht Zwischenverbindungsmodul 12 eine
eingebettete Kondensatorstruktur ein, die extrem dünn ist und
Material sehr hoher Dielektrizitätskonstante
nutzt.
-
Wie
in 1 gezeigt, dient Zwischenverbindungsmodul 12 als
ein Zwischenbauteil, das einen IC-Schaltungs-Chip 14 an eine Leiterplatine
(PWB) 16 anschließt.
Wie in 2 dargestellt, weist Zwischenverbindungsmodul 12 einen
alternierenden Stapel von Leit- und dielektrischen Schichten auf,
die zusammenlaminiert sind, um eine Einheitsstruktur zu bilden.
Durchgangslöcher,
die in Zwischenverbindungsmodul 12 gebildet sind, stellen
Leitwege bereit, die dazu dienen, E/As von Chip 14 zu entsprechenden
E/As auf Leiterplatine 16 zu führen und Stromversorgungs-
und Massepotentiale zwischen der Leiterplatine und dem Chip zu verteilen.
-
Chip 14 kann über eine
Anordnung von Lötperlenverbindungen 18 elektrisch
und mechanisch mit Zwischenverbindungsmodul 12 gekoppelt
sein. Die Lötperlenverbindungen 18 sind
elektrisch mit Kontaktpads auf einer unteren Fläche von Chip 14 und
einer oberen Fläche
von Zwischenverbindungsmodul 12 gekoppelt. Wenn Zwischenverbindungsmodul 12 und
Chip 14 aneinander angebracht sind, werden die Lötperlenverbindungen 18 erwärmt, um
einem Lötmittel-Reflow unterzogen
zu werden und elektrisch leitende Verbindungen zwischen gegenüberliegenden
Kontaktpads zu bilden. Ein daruntergefüllter Klebstoff 20 kann
hinzugefügt
werden, um die Hohlräume
zwischen Lötperlen 18 zu
füllen
und dadurch die mechanische Verbindung zwischen Zwischenverbindungsmodul 12 und
Chip 14 zu verstärken.
Der daruntergefüllte
Klebstoff 20 kann aus einem Epoxidharz gebildet sein, das
sich verfestigt, wenn es ausgehärtet
ist, womit die Bewegung von Chip 14 in Bezug auf Zwischenverbindungsmodul 12 verringert
wird. Infolgedessen ist es weniger wahrscheinlich, dass die elektrischen
Verbindungen, die durch die Lötperlen 18 gebildet
sind, während
der Benutzung versagen.
-
Zwischenverbindungsmodul 12 ist
an Leiterplatine 16 mit einer ähnlichen Anordnung angebracht.
Insbesondere dienen Lötperlenverbindungen 22 dazu,
Kontaktpads auf Zwischenverbindungsmodul 12 elektrisch und
mechanisch mit entsprechenden Kontaktpads auf Leiterplatine 16 zu
koppeln. Die Kontaktpads auf Leiterplatine 16 können elektrisch
mit Leiterbahnen oder leitfähigen
Durchgangslöchern
gekoppelt sein, die in verschiedenen Schichten der Leiterplatine
gebildet sind. Wieder kann ein daruntergefüllter Klebstoff 24 hinzugefügt sein,
um die mechanische Verbindung zwischen Zwischenverbindungsmodul 12 und
Leiterplatine 16 zu verstärken, falls gewünscht. Um
zuverlässige
Verbindungen zu fördern,
weist Zwischenverbindungsmodul 12 vorzugsweise einen Wärmeausdehnungskoeffizienten
(CTE) auf, der den Wärmeausdehnungskoeffizienten von
Leiterplatine 16 annähert.
Auf diese Weise ist Zwischenverbindungsmodul 12 fähig, IC-Schaltungs-Chip 14 zuverlässig an
Leiterplatine 16 anzuschließen. Darüber hinaus nutzt, wie unten
detailliert beschrieben, Zwischenverbindungsmodul 12 eine
interne Kondensatorstruktur, um verringerte Stromversorgungs-Verteilungsimpedanz
von kleiner als oder gleich im Wesentlichen 0,60 Ohm bei hohen Betriebsfrequenzen
zu erreichen, einschließlich
Frequenzen über
1,0 Gigahertz. Auf diese Weise ist das Zwischenverbindungsmodul
wirksam im Begrenzen von Simultanschaltausgangsrauschen (Simultaneous
Switching Output, SSO-Rauschen), Kernunterspannung und anderen Formen
von Signalverlusten bei sehr hohen Frequenzen.
-
2 ist
eine Querschnitts-Seitenansicht, die eine Kondensatorstruktur 26 zur
Verwendung in Zwischenverbindungsmodul 12 darstellt. Kondensatorstruktur 26 kann
erste Leitschicht 28, zweite Leitschicht 30 und
eine dielektrische Schicht 32 aufweisen. Dielektrische
Schicht 32 kann durch eine einzelne dielektrische Schicht
oder erste und zweite dielektrische Teilschichten 34, 36 gebildet
sein, wie in 2 gezeigt. Insbesondere kann
die dielektrische Schicht durch Auftragen eines dielektrischen Materials
auf mindestens eine der ersten und zweiten Leitschichten 28, 30 und
dann Anwenden von Wärme
und Druck, um Kondensatorstruktur 26 zu laminieren und
die dielektrische Schicht auszuhärten,
gebildet sein. In einigen Fällen
kann eine dielektrische Schicht 34, 36 auf jede
der Leitschichten 28 bzw. 30 aufgetragen sein.
-
Erste
und zweite Leitschichten 28, 30 können durch
Kupferfolien gebildet sein und dienen als Stromversorgungs- und
Masseebenen. Dielektrische Schicht 32 kann die Form eines
Epoxidharzes annehmen, das mit Partikeln hoher Dielektrizitätskonstante
angereichert ist. Die dielektrischen Partikel können beispielsweise aus der
Gruppe ausgewählt
sein, die aus Bariumtitanat, Bariumstrontiumtitanat, Titanoxid und Bleizirkoniumtitanat
besteht. Das angereicherte Epoxidharz kann auf eine oder beide der
Leitschichten 28, 30 z.B. durch Walzenauftragen
aufgetragen und getrocknet sein. Die Leitschichten 28, 30 können jeweils
eine Dicke aufweisen, die von im Wesentlichen 10 bis 80 Mikrometern
und in mehr zu bevorzugender Weise 10 bis 40 Mikrometern reicht.
In einer Ausführungsform
ist jede Leitschicht 28, 30 von einer Dicke von
im Wesentlichen 18 Mikrometern.
-
Als
ein Beispiel kann das dielektrische Material auf beide Folien aufgetragen
sein. Nachdem die Beschichtung trocknet, können die beschichteten Seiten
der Folien miteinander verbunden werden, und die resultierende Struktur
kann unter Verwendung von Wärme
und Druck, um das dielektrische Material auszuhärten, laminiert werden. Kondensatorstruktur 26 ist
vorzugsweise extrem dünn
und zeigt eine extrem hohe Dielektrizitätskonstante. Beispielsweise
ist die Rezeptur des dielektrischen Materials in der dielektrischen
Schicht 32 vorzugsweise derart, dass es nach dem Aushärten eine
Gesamttrockendicke von kleiner als oder gleich im Wesentlichen 8
Mikrometern und in mehr zu bevorzugender Weise im Wesentlichen 1
bis 4 Mikrometern aufweist. Darüber
hinaus weist das dielektrische Material eine hohe Dielektrizitätskonstante
von größer als
oder gleich im Wesentlichen 12 und in mehr zu bevorzugender Weise
im Wesentlichen 12 bis 150 auf.
-
Die
resultierende laminierte Kondensatorstruktur 26 weist zwei
Folienschichten auf, die jeweils eine Dicke im Bereich von im Wesentlichen
10 bis 40 Mikrometern und eine Dielektrizitätskonstante im Bereich von 12
bis 150 aufweisen, und weist eine Kapazität im Bereich von im Wesentlichen
1,4 bis 132 Nanofarad pro cm2 auf und trägt zu einer
erheblich verringerten Stromversorgungs-Verteilungsimpedanz für Chip 14 bei.
Insbesondere erzeugen die ersten Kontaktpads, die Leitwege und die erste
oder zweite Leitschicht eine kombinierte Impedanz, die kleiner als
oder gleich im Wesentlichen 0,60 Ohm bei einer Frequenz ist, die
größer als
oder gleich im Wesentlichen 1,0 Gigahertz ist. Auf diese Weise fördert die
Einbeziehung von Kondensatorstruktur 26 schnellere Schaltfrequenzen
innerhalb von Chip 14.
-
Laminierte
Kondensatorstrukturen, die zur Verwendung in Zwischenverbindungsmodul 12 geeignet sind,
sowie Prozesse zur Herstellung derartiger Strukturen sind in US-A-6.274.224
und US-B-6.577.492 sowie WO 00/45634 beschrieben. Beispielsweise
beschreiben die oben angegebenen Patentanmeldungen die Vorbereitung
eines dielektrischen Materials, das ein Epoxid aufweist, das mit
Bariumtitanat-Partikeln angereichert ist. Das dielektrische Material
kann auf Kupferfoliensubstrate aufgetragen werden, die dann zusammenlaminiert
werden, um eine Kondensatorstruktur zu bilden.
-
3 ist
eine perspektivische Ansicht, die die Kondensatorstruktur 26 nach 2 darstellt.
Wie in 3 gezeigt, kann Kondensatorstruktur 26 flexibel
hergestellt sein, wodurch die Aufbewahrung als Bahn auf einer Rolle
vor der Verwendung in Zwischenverbindungsmodul 12 erleichtert
wird. Zur Verwendung in Zwischenverbindungsmodul 12 kann
die Kondensatorstruktur 26 gemäß der Konstruktion des Zwischenverbindungsmoduls
zugeschnitten und vorausgeformt oder vorgebohrt werden. Insbesondere
können
Durchgangslöcher,
Leiterbahnen und andere Leitwege in Kondensatorstruktur 26 gebildet
werden, bevor Zwischenverbindungsmodul 12 vollständig zusammengebaut
wird. Kondensatorstruktur 26 kann dann mit anderen Schichten innerhalb
von Zwischenverbindungsmodul 12 laminiert werden, um ein
Paket zu bilden, das auf einer Seite an Chip 14 und auf
der anderen Seite an Leiterplatine 16 angebracht wird.
-
Kondensatorstruktur 26 kann
in vielfältigen unterschiedlichen
Zwischenverbindungsmodulen verwendet werden. Darüber hinaus können einige
Zwischenverbindungsmodule zwei oder mehr Kondensatorstrukturen 26 einbeziehen. 4–7 präsentieren
eine Anzahl Beispiele, die diese Vielfalt veranschaulichen, aber nicht
als die Erfindung, wie sie hier allgemein verkörpert und beansprucht ist,
begrenzend anzusehen sind. Beispielsweise kann Kondensatorstruktur 26 als
Kern eines Zwischenverbindungsmoduls verwendet werden, wobei zusätzliche
dielektrische und Leitschichten um den Kern herum gebaut sind. In
einem anderen Beispiel können
zwei Kondensatorstrukturen 26 um einen Metall- oder dielektrischen
Kern herum zusammen mit dazwischen befindlichen dielektrischen und
Leitschichten gebaut sein. In jedem Fall trägt Kondensatorstruktur 26 zu
einer verringerten Stromversorgungs-Verteilungsimpedanz bei und
fördert
schnellere Schaltfrequenzen.
-
4 ist
eine Querschnitts-Seitenansicht, die ein erstes Zwischenverbindungsmodul 38 darstellt.
Zwischenverbindungsmodul 38 weist eine Chip-Anbringungsfläche 39 und
eine Platinen-Anbringungsfläche 41 auf.
Darüber
hinaus weist Zwischenverbindungsmodul 38 Kondensatorstruktur 26 auf,
die erste Leitschicht 28, zweite Leitschicht 30 und
erste dielektrische Schicht 32 aufweist. Im Beispiel nach 4 ist
Kondensatorstruktur 26 in Kombination mit zweiten und dritten
dielektrischen Schichten 40, 42 und dritten und
vierten Leitschichten 46, 48 gebildet. Die in 4 gezeigten
Leit- und dielektrischen Schichten sind symmetrisch um Kondensatorstruktur 26 herum
angeordnet. Das heißt,
dass jede dielektrische oder Leitschicht, die auf einer Seite von Kondensatorstruktur 26 gebildet
ist, eine entsprechende Schicht desselben Materials aufweist, die
auf der gegenüberliegenden
Seite der Kondensatorstruktur gebildet ist.
-
Wie
ferner in 4 gezeigt, erstreckt sich ein
erstes Durchgangsloch 44 von Chip-Anbringungsfläche 39 aus
durch die dielektrischen Schichten 40, 42 hindurch
zu Platinen-Anbringungsfläche 41.
Ein zweites Durchgangsloch 45 erstreckt sich von Chip-Anbringungsfläche 39 aus
durch die dielektrische Schicht 40 hindurch und endet an
der ersten Leitschicht 28 von Kondensatorstruktur 26.
Ein drittes Durchgangsloch 47 erstreckt sich von Platinen-Anbringungsfläche 41 aus
durch die dielektrische Schicht 42 hindurch und endet an der
zweiten Leitschicht 30. Jedes Durchgangsloch 44, 45, 47 ist
mithilfe einer der Beschichtungstechniken, die auf dem Gebiet der
Mikroelektronik-Fertigung wohl bekannt sind, mit leitendem Material überzogen.
Alternativ ist jedes Durchgangsloch 44, 45, 47 mit
einem elektrisch leitenden Material gefüllt, um einen Leitweg zu definieren.
-
Kondensatorstruktur 26 kann
vorgebohrt sein, um eine Durchgangsbohrung für Durchgangsloch 44 bereitzustellen.
Die Durchgangslöcher 44, 45 können auf
der Fläche
von Chip-Anbringungsfläche 39 mit
einem leitenden Material überzogen
sein. In ähnlicher
Weise kann Durchgangsloch 47 auf der Fläche von Platinen-Anbringungsfläche 41 mit
einem leitenden Material überzogen
sein. Lötmasken 50, 52 können auf Chip-Anbringungsfläche 39 bzw.
Platinen-Anbringungsfläche 41 aufgebracht
sein, um die Durchgangslöcher 44, 45, 47 abzudecken.
Jede Lötmaske 50, 52 legt
jedem Durchgangsloch 44, 45, 47 benachbart
ein Kontaktpad frei. Beispielsweise legt Lötmaske 50 Kontaktpads 54, 55 frei,
wohingegen Lötmaske 52 Kontaktpads 56, 57 freilegt.
Lötperlen,
die dem Chip zugeordnet sind, können über den
Kontaktpads 54, 55 ausgerichtet, erwärmt und
Reflow unterzogen werden, um eine elektrische und mechanische Verbindung
mit den Kontaktpads zu bilden. In gleicher Weise können Lötperlen,
die der Platine zugeordnet sind, über den Kontaktpads 56, 57 ausgerichtet,
erwärmt
und Reflow unterzogen werden, um eine elektrische und mechanische
Verbindung mit den Kontaktpads zu bilden.
-
Im
Beispiel nach 4 bildet Kondensatorstruktur 26 einen
Kern für
Zwischenverbindungsmodul 38, wobei erste und zweite Leitschichten 28, 30 Stromversorgungs-
und Masseebenen bilden. Zweite dielektrische Schicht 40 ist
zwischen erster Leitschicht 28 und Chip-Anbringungsfläche 39 gebildet, und
dritte Leitschicht 46 ist zwischen zweiter dielektrischer
Schicht 40 und der Chip-Anbringungsfläche gebildet. Insbesondere
kann dritte Leitschicht 46 ausgeformt sein, um Kontaktpads 54, 55 zu
bilden. In ähnlicher
Weise ist dritte dielektrische Schicht 42 zwischen zweiter
Leitschicht 30 und der Platinen-Anbringungsfläche 41 gebildet,
und vierte Leitschicht 48 ist zwischen dritter dielektrischer
Schicht 42 und der Platinen-Anbringungsfläche gebildet. Wie die dritte
Leitschicht 46 kann die vierte Leitschicht 48 ausgeformt
sein, um Kontaktpads 56, 57 zu bilden.
-
Die
dritten und vierten dielektrischen Schichten 40, 42 können aus
Laminaten organischer dielektrischer Hochtemperatur-Substratmaterialien
gebildet sein, wie z.B. Polyimiden und Polyimid-Laminaten, Epoxidharzen,
Flüssigkristall-Polymeren,
organischen Materialien oder dielektrischen Materialien, die mindestens teilweise
Polytetrafluorethylen mit oder ohne Füllstoff aufweisen. In einer
Ausführungsform
sind die dielektrischen Schichten 40, 42 aus einem
organischen Material wie z.B. Polytetrafluorethylen (PTFE) und im
Besonderen einem expandierten PTFE oder „ePTFE" hergestellt, das mit Cyanatester und
Epoxid imprägniert
ist. Das PTFE-Material kann insbesondere eine Matrix aus expandierte
Polytetrafluorethylen sein, die einen gemischten Cyanatester-Epoxid-Klebstoff
und anorganischen Füllstoff
enthält.
-
Die
Leitschichten 46, 48 können aus einem leitenden Material
gebildet sein, wie z.B. Kupfer. Andere wohl bekannte leitende Materialien
können
ebenfalls verwendet werden, wie z.B. Aluminium, Gold oder Silber. In
diesem Beispiel können
die Leitschichten 46, 48 jeweils eine Dicke im
Bereich von im Wesentlichen 5 bis 14 Mikrometern aufweisen. In einem
Beispiel ist die Dicke jeder Leitschicht 46, 48 im
Wesentlichen 12 Mikrometer. Die dielektrischen Schichten 40, 42 können jeweils
eine Dicke im Bereich von im Wesentlichen 20 bis 70 Mikrometern
aufweisen. In einem Beispiel ist die Dicke jeder dielektrischen
Schicht 40, 42 im Wesentlichen 36 Mikrometer.
Somit ist der Abstand zwischen einer äußeren Fläche der ersten Leitschicht 28 und
einer inneren Fläche
von Kontaktpad 55 kleiner als 100 Mikrometer und im Beispiel
nach 4 kleiner als oder gleich im Wesentlichen 36 Mikrometer.
-
Die
verschiedenen Schichten von Zwischenverbindungsmodul 38 können zusammen
gestapelt und unter Verwendung von Wärme und Druck laminiert sein.
Beispielsweise können
alle Schichten gleichzeitig mit einer anderen im Stapel laminiert
sein. Alternativ können
die Schichten einzeln auf Kondensatorstruktur 26 gebaut
und inkrementell gebaut sein, wobei eine oder zwei zusätzliche
Schichten in jedem Laminierschritt hinzugefügt sind. Während der Laminierung schmelzen
die dielektrischen Schichten 40, 42 und fließen in die
Durchgangsbohrungen, die durch Kondensatorstruktur 26 für Durchgangsloch 44 definiert
sind.
-
Durchgangsloch 44 bildet
einen Leitweg, der Kontaktpads 54, 56 auf Chip-Anbringungsfläche 39 und Platinen-Anbringungsfläche 41 verdrahtet.
Auf diese Weise ist Durchgangsloch 44 des Verdrahtens von
E/As oder anderen Anschlüssen,
die dem Chip zugeordnet sind, mit Anschlüssen auf der Leiterplatine
fähig.
Durchgangsloch 45 verdrahtet Kontaktpad 55 mit
der ersten Leitschicht 28 von Kondensatorstruktur 26,
die eine Stromversorgungsebene bilden kann. In ähnlicher Weise verdrahtet Durchgangsloch 47 Kontaktpad 57 mit
der zweiten Leitschicht 30, die eine Masseebene bilden
kann. Alternativ können
die ersten und zweiten Leitschichten 28, 30 eine
Masseebene bzw. Stromversorgungsebene bilden.
-
Zwischenverbindungsmodul 38 kann
mehrere Durchgangslöcher ähnlich den
Durchgangslöchern 44, 45, 47 aufweisen.
Durchgangsloch 44 dient dazu, Kontaktpads auf Chip-Anbringungsfläche 39 und
Platinen-Anbringungsfläche 41 z.B.
zur E/A-Zwischenverbindung zu verdrahten. Die Durchgangslöcher 45, 47 dienen
dazu, Masse- und Stromversorgungspotentiale von der Platine zum
Chip zu verteilen. Insbesondere kann Zwischenverbindungsmodul 38 zusätzliche
Durchgangslöcher
aufweisen, die Kontaktpads auf Platinen-Anbringungsfläche 41 mit
der ersten Leitschicht 28 verdrahten, z.B. um ein Stromversorgungs-
oder Massepotential von der Leiterplatine zur Leitschicht zu verteilen.
In ähnlicher
Weise können
zusätzliche
Durchgangslöcher
die zweite Leitschicht mit Kontaktpads auf Chip-Anbringungsfläche 39 verdrahten,
um Masse- oder Stromversorgungspotentiale zum Chip zu verteilen.
-
Die
Durchgangslöcher 44, 45, 57 können auf
die Laminierung von Zwischenverbindungsmodul 38 folgend
gebildet sein. Insbesondere kann Durchgangsloch 44 durch
Bohr- oder Laserablationsprozesse gebildet sein, wie beispielsweise
in US-A-6.021.564 beschrieben. Auf die Laminierung folgend werden
Zwischenverbindungsmodul 38 Lötmasken 50, 52 hinzugefügt, um die
Durchgangslöcher 44, 45, 47 abzudecken.
Die Lötmasken 50, 52 werden
dann ausgeformt, um Kontaktpads 54, 55, 56, 57 zur
Aufnahme von Lötperlen
von einem Chip bzw. einer Leiterplatine zu definieren.
-
In
einigen Ausführungsformen
kann Zwischenverbindungsmodul 38 eine „Flip-Chip"-IC-Schaltung
aufnehmen. Flip-Chip-Montage bedingt das Platzieren von Lötperlen
auf einem Rohchip oder Chip, das Umdrehen des Chips, das Ausrichten
des Chips mit den Kontaktpads auf einem Substrat, wie z.B. Zwischenverbindungsmodul 38,
und den Reflow der Lötperlen
in einem Ofen, um Verbindung zwischen dem Chip und dem Substrat
zu schaffen. Auf diese Weise sind die Kontaktpads über die
gesamte Chipfläche
verteilt statt wie in Drahtbonding- und Tape-automated-Bonding-Techniken (TAB-Techniken)
auf die Peripherie beschränkt
zu sein. Als Folge davon kann die Maximalzahl verfügbarer E/A-
und Stromversorgungs-/Masseanschlüsse gesteigert werden, und
Signal- und Stromversorgungs/Masse-Zwischenverbindungen können auf
den Chips effizienter verlegt werden.
-
Kondensatorstruktur 26 verringert
die Stromversorgungs-Verteilungsimpedanz
innerhalb von Zwischenverbindungsmodul 38 erheblich. Unter
der Annahme, dass die erste Leitschicht 28 eine Stromversorgungsebene
ist und Kontaktpad 55 mit einer Lötperle gekoppelt ist, die den
Stromversorgungseingang eines Chips kontaktiert, der auf Chip-Anbringungsfläche 36 montiert
ist, ist die beobachtete Stromversorgungs-Verteilungsimpedanz durch den Chip die
kombinierte Impedanz von Kontaktpad 55, leitfähigem Durchgangsloch 45 und
erster Leitschicht 28. Die Stromversorgungs-Verteilungsimpedanz
weist nicht nur kapazitive, sondern induktive Komponenten auf und
ist von der Frequenz des Betriebs abhängig. Eine Technik zur Berechnung
von Stromversorgungs-Verteilungsimpedanz wird später in dieser Beschreibung
dargelegt.
-
5 ist
eine Querschnitts-Seitenansicht, die ein zweites Zwischenverbindungsmodul 58 mit
einer Chip-Anbringungsfläche 59 und
einer Platinen-Anbringungsfläche 61 darstellt.
Wie in 5 gezeigt, weist Zwischenverbindungsmodul 58 eine
zentrale Kondensatorstruktur 26 mit ersten und zweiten
Leitschichten 28, 30 und einer ersten dielektrischen
Schicht 32 auf. Darüber
hinaus weist Zwischenverbindungsmodul 58 zweite und dritte
dielektrische Schichten 60, 62 auf gegenüberliegenden
Seiten der zentralen Kondensatorstruktur 26 auf.
-
Eine
dritte Leitschicht 64 ist zwischen zweiter dielektrischer
Schicht 60 und Chip-Anbringungsfläche 59 gebildet. Eine
vierte Leitschicht 66 ist zwischen dritter dielektrischer
Schicht 62 und Platinen-Anbringungsfläche 61 gebildet.
Erste und zweite Leitschichten 28, 30 können Stromversorgungs-
und Masseebenen bilden, wohingegen dritte und vierte Leitschichten 64, 66 ausgeformt
sein können,
um Signalschichten zu bilden.
-
Eine
vierte dielektrische Schicht 68 ist zwischen dritter Leitschicht 64 und
Chip-Anbringungsfläche 59 gebildet,
wohingegen eine fünfte
dielektrische Schicht 70 zwischen vierter Leitschicht 66 und
Platinen-Anbringungsfläche 61 gebildet
ist. Abschließend
können
Leitschichten 71, 72 auf Rohchip-Anbringungsfläche 59 bzw.
Platinen-Anbringungsfläche 61 gebildet
und ausgeformt sein, um vorgeformte Öffnungen für die Bildung von Durchgangslöchern zu
definieren. Somit wird der Laser, der verwendet wird, um die Durchgangslöcher zu bilden,
angewendet, um nur das dielektrische Material abzutragen.
-
Alle
Leitschichten 64, 66, 71, 72 können aus
Kupfer mit einer Dicke im Bereich von im Wesentlichen 5 bis 14 Mikrometern
und in mehr zu bevorzugender Weise 12 Mikrometern gebildet sein.
Jede der dielektrischen Schichten 60, 62, 68, 70 kann
eine Dicke im Bereich von im Wesentlichen 20 bis 70 Mikrometern
und in mehr zu bevorzugender Weise 36 Mikrometern aufweisen. Somit
ist der Abstand zwischen einer äußeren Fläche der
ersten Leitschicht 28 und einer inneren Fläche von
Kontaktpad 71 kleiner als 100 Mikrometer und in mehr zu
bevorzugender Weise kleiner als oder gleich im Wesentlichen 88 Mikrometer.
Die verschiedenen Schichten können
zusammen oder sequenziell laminiert sein. Nachdem die Leitschichten 64, 66 mit
dielektrischer Schicht 60 bzw. 62 laminiert sind,
können
sie ausgeformt werden, um Signalleiterbahnen zu definieren. In ähnlicher
Weise können
die Leitschichten 71, 72 nach der Laminierung
auf den dielektrischen Schichten 68, 70 ausgeformt
werden.
-
In
einigen Ausführungsformen
sind die Leitschichten „ausbalanciert", um strukturelle
Einheitlichkeit zu fördern
und Verformung aufgrund thermischer Spannungen zu widerstehen. Insbesondere
können
die Leitschichten, die symmetrisch auf gegenüberliegenden Seiten von Kondensatorstruktur 26 liegen,
derart umgekehrt aufgebaut sein, dass jede über eine gleichartige Metallfolie
verfügt,
die darauf laminiert oder aufgetragen und darüber zu einem Muster geätzt ist;
die Metallkonzentration in jeder Schicht ist im Wesentlichen gleich. Auf
diese Weise sind der Wärmeausdehnungskoeffizient
einer Schicht und ein Wärmeausdehnungskoeffizient der
anderen Schicht im Wesentlichen gleich, wodurch sie miteinander
ausbalanciert sind und Verzug des Zwischenverbindungsmoduls unter
thermischer Spannung minimiert wird.
-
Zur
E/A-Zwischenverbindung weist Zwischenverbindungsmodul 58 eine
Anzahl leitfähiger
Durchgangslöcher
auf, wie z.B. innenliegendes Durchgangsloch 86, die sich
durch die dielektrischen Schichten 60, 62 erstrecken
und Elektroden 82, 84 auf Signalschichten 64, 66 kontaktieren.
Die Elektroden 82, 84 wiederum kontaktieren Blind-Durchgangslöcher 78, 80 auf
Chip-Anbringungsfläche 59 und
Platinen-Anbringungsfläche 61.
Typischerweise sind Blind-Durchgangslöcher durch
nur eine dielektrische Schicht hindurch gebildet und werden zum
Legen von Verbindungen zwischen zwei benachbarten Leitschichten
verwendet. Jedoch können Blind-Durchgangslöcher gebildet
werden, die sich durch mehrere laminierte Substratschichten hindurch
erstrecken, um Mehrfach-Leitschichten zu verbinden. Die Leitschichten
können
ausgeformt und jedwede erforderlichen Blind-Durchgangslöcher, um
benachbarte Leitschichten zu verbinden, gebildet werden, bevor die übrigen Schichten
mit der Gesamtstruktur verbunden werden.
-
Ein
Blind-Durchgangsloch kann eine Eintrittsöffnung von kleiner als im Wesentlichen
75 Mikrometer Durchmesser aufweisen. Der Bereich der Seitenverhältnisse
für die
Blind-Durchgangslöcher
kann im Bereich von einschließlich
1:1 bis 5:1 liehen. Beispielsweise kann ein Blind-Durchgangsloch
gebildet sein, das eine Durchgangsloch-Eintrittsbreite von 50 Mikrometern
aufweist und sich durch eine dielektrische Schicht hindurch erstreckt,
die eine Dicke von 50 Mikrometern aufweist.
-
Zur
Stromversorgungs- und Masseverteilung weist Zwischenverbindungsmodul 58 auch
eine Anzahl leitfähiger
innenliegender Durchgangslöcher 81, 87 auf,
die entweder erste Leitebene 28 oder zweite Leitebene 30 kontaktieren.
Durchgangsloch 81 kontaktiert eine Elektrode 79 auf
Signalschicht 66, die wiederum ein Blind-Durchgangsloch 77 kontaktiert,
das auf Chip-Anbringungsfläche 59 gebildet
ist. Durchgangsloch 87 kontaktiert eine Elektrode 85 auf
Signalschicht 64, die ein Blind-Durchgangsloch 83 auf
Platinen-Anbringungsfläche 61 kontaktiert.
Jedes innenliegende Durchgangsloch kann ein Seitenverhältnis von
zwischen im Wesentlichen 3:1 und 25:1 aufweisen.
-
Blind-Durchgangslöcher 78, 77 nehmen
Lötperlen
von einem Chip auf, der an Zwischenverbindungsmodul 58 angebracht
ist. Die Lötperlen
werden erwärmt
und Reflow unterzogen, um leitende Verbindungen mit den Durchgangslöchern 78, 77 zu
bilden, wodurch E/As auf dem Chip mit E/As auf dem Zwischenverbindungsmodul 58 verdrahtet
werden. In gleicher Weise nehmen Blind-Durchgangslöcher 80, 83 Lötperlen
auf, um elektrische und mechanische Verbindung des Zwischenverbindungsmoduls
auf der Platine bereitzustellen. Die Lötperlen werden erwärmt und
Reflow unterzogen, um leitende Verbindungen mit den Durchgangslöchern 80, 83 zu
bilden, wodurch E/As auf dem Zwischenverbindungsmodul mit E/As auf
der Platine verdrahtet werden.
-
Die
Blind- und innenliegenden Durchgangslöcher zeigen einen Signalweg
niedriger Induktivität,
wobei die Impedanz in Zwischenverbindungsmodul 58 weiter
verringert wird. Wie in 5 gezeigt, kontaktiert Durchgangsloch 78 Leitschicht 64,
die seitlich fortschreitet, um innenliegendes Durchgangsloch 86 zu
kontaktieren. Das innenliegende Durchgangsloch kontaktiert Leitschicht 66,
die seitlich fortschreitet, um Durchgangsloch 80 zu kontaktieren.
Auf diese Weise werden Abschnitte der Leitschichten entlang paralleler,
aber senkrecht mit Abstand angeordneter Wege verlegt, wobei der
Strom oder das Signal in entgegengesetzte Richtungen fließt.
-
Durch
Anordnen der Signale in der obigen Art und Weise hebt eine Gegeninduktivität, die durch
ein erstes Signalwegsegment mit einem zweiten benachbarten Signalwegsegment
gebildet ist, eine Gegeninduktivität auf, die durch das zweite
Leitwegsegment mit dem ersten Leitwegsegment gebildet ist. Dies
ist durch die Tatsache bedingt, dass Strom, der durch die Durchgangslöcher hindurch
fließt,
im ersten Signalwegsegment in eine Richtung fließt und in einem benachbarten
Signalwegsegment in eine entgegengesetzte Richtung fließt.
-
Wieder
ist im Beispiel nach 5 Kondensatorstruktur 26 extrem
dünn und
zeigt gleichzeitig eine hohe Dielektrizitätskonstante. Als Folge davon
verringert Kondensatorstruktur 26 die Stromversorgungs-Verteilungsimpedanz
innerhalb von Zwischenverbindungsmodul 58. Wenn mit den
Wegen niedriger Induktivität kombiniert,
die durch Blind- und innenliegende Durchgangslöcher definiert sind, führt Kondensatorstruktur 26 zu
einem Zwischenverbindungsmodul, das des Betriebs bei hohen Frequenzen
oberhalb von 1,0 Gigahertz mit einer Stromversorgungs-Verteilungsimpedanz
von kleiner oder gleich ungefähr
0,60 Ohm fähig
ist.
-
6 ist
eine Querschnitts-Seitenansicht, die ein drittes Zwischenverbindungsmodul 88 darstellt.
Wie in 6 gezeigt, weist das dritte Zwischenverbindungsmodul
eine zentrale Kondensatorstruktur 26 auf. Zusätzlich zu
ersten und zweiten Leitschichten 28, 30 und erster
dielektrischer Schicht 32 weist Zwischenverbindungsmodul 88 eine
Reihe alternierender dielektrischer Schichten 92, 93, 94, 95, 96, 98 sowie
eine Reihe alternierender Leitschichten 100, 102, 104, 106 auf.
Die Leitschichten 100, 102, 104, 106 können ausgeformt sein,
um Signalschichten zu bilden. Die Leitschichten 28, 30 bilden
Stromversorgungs- und Masseebenenschichten.
-
Jede
dielektrische Schicht 92, 93, 94, 95, 96, 98 kann
eine Dicke im Bereich von im Wesentlichen 20 bis 70 Mikrometern
und in mehr zu bevorzugender Weise im Wesentlichen 35 Mikrometern
aufweisen. Somit kann jede dielektrische Schicht 92, 93, 94, 95, 96, 98 im
Wesentlichen dieselbe Dicke und vorzugsweise dieselbe Dickentoleranz
aufweisen. Darüber
hinaus kann jedes dielektrische Material 92, 93, 94, 95, 96, 98 aus demselben
Material gebildet sein. In einigen Ausführungsformen können jedoch
einige der dielektrischen Materialien, die auswärts von Kondensatorstruktur 26 angeordnet
sind, z.B. Schichten 92, 98, einen höheren Elastizitätsmodul
als die inneren dielektrischen Schichten, z.B. 93, 94, 95, 96 aufweisen,
sodass der Biegemodul des laminierten Zwischenverbindungsmodul-Substrats
im Wesentlichen maximiert ist.
-
Jede
Leitschicht 100, 102, 104, 106 kann
eine Dicke im Bereich von im Wesentlichen 5 bis 14 Mikrometern und
in mehr zu bevorzugender Weise im Wesentlichen 12 Mikrometern aufweisen.
Dementsprechend kann der Abstand zwischen einer äußeren Fläche der ersten Leitschicht 28 und
einer inneren Fläche
von Kontaktpad 112 kleiner als im Wesentlichen 150 Mikrometer
sein. Im Beispiel nach 6 ist der Abstand im Wesentlichen
136 Mikrometer.
-
Wie
in 6 gezeigt, werden E/A-Zwischenverbindungen durch
eine Kombination von Blind- und innenliegenden Durchgangslöchern erreicht.
Insbesondere ist ein erstes Blind-Durchgangsloch 108 auf Chip-Anbringungsfläche 89 gebildet,
und ein zweites Blind-Durchgangsloch 110 auf Platinen-Anbringungsfläche 91 gebildet.
Erste und zweite Durchgangslöcher 108, 110 sind überzogen,
um Elektroden 112 bzw. 114 zu bilden. Jedes Durchgangsloch 108, 110 kann
eine Lötperle
von einem Chip bzw. einer Platine aufnehmen. In 6 ist
Lötperle 116 dargestellt.
Blind-Durchgangsloch 108 kontaktiert ein drittes Blind-Durchgangsloch 118 an
Signalschicht 106. Blind-Durchgangsloch 110 kontaktiert
ein viertes Blind-Durchgangsloch 120 an
Signalschicht 100. Blind-Durchgangsloch 118 kontaktiert
ein innenliegendes Durchgangsloch 122 an Signalschicht 104,
wohingegen Blind-Durchgangsloch 120 dasselbe innenliegende
Durchgangsloch an Signalschicht 102 kontaktiert.
-
Stromversorgungs-
und Masseebenen-Zwischenverbindungen können ebenfalls mithilfe einer
Kombination von Blind- und
innenliegenden Durchgangslöchern
hergestellt werden. Wie ferner in 6 gezeigt, weist
Chip- Anbringungsfläche 89 ein
Blind-Durchgangsloch 121 auf. Blind-Durchgangsloch 121 ist überzogen, um
Elektrode 123 zu bilden, und nimmt eine Lötperle 125 auf,
die einem Chip zugeordnet ist. Blind-Durchgangsloch 121 ist
an Signalschicht 106 mit einem zweiten Blind-Durchgangsloch 127 gekoppelt.
Blind-Durchgangsloch 127 ist wiederum an Signalschicht 104 mit
einem innenliegenden Durchgangsloch 129 gekoppelt. Wie
im Beispiel nach 5 resultiert die Anordnung der
Blind- und innenliegenden Durchgangslöcher in der Aufhebung von Gegeninduktivität in Zwischenverbindungsmodul 88,
wobei die Stromversorgungs-Verteilungsimpedanz weiter verringert
wird.
-
Signalschicht 104 kontaktiert
die erste Leitschicht 28 von Kondensatorstruktur 26,
um Lötperle 125 und
die erste Leitschicht zu verdrahten, die entweder als eine Stromversorgungs-
oder Masseebenenschicht dienen kann. Ein ähnlicher Satz von Blind- und
innenliegenden Durchgangslöchern
kann bereitgestellt sein, um auf zweite Leitschicht 30 zuzugreifen.
Darüber
hinaus können
sich derartige Durchgangslöcher
von entweder Chip-Anbringungsfläche 89 oder
Platinen-Anbringungsfläche 91 aus
erstrecken, um Stromversorgungs- und Massepotentiale zu und von
dem Chip und der Leiterplatine zu erstrecken. Wie in den Beispielen
nach 4 und 5 verringert die Einbeziehung
von Kondensatorstruktur 26 in Zwischenverbindungsmodul 88 im
Wesentlichen die Stromversorgungs-Verteilungsimpedanz und ermöglicht schnellere
Schaltfrequenzen.
-
7 ist
eine Querschnitts-Seitenansicht, die ein viertes Zwischenverbindungsmodul 130 darstellt.
Im Beispiel nach 7 weist Zwischenverbindungsmodul 130 zwei
Kondensatorstrukturen 26a, 26b auf, die auf gegenüberliegenden
Seiten eines zentralen dielektrischen Kerns 132 gebildet
sind.
-
Gegenüberliegende
Seiten von Zwischenverbindungsmodul 130 bilden eine Chip-Anbringungsfläche 131 und
eine Platinen-Anbringungsfläche 133.
Zwischenverbindungsmodul 130 weist auch eine alternierende Anordnung
von dielektrischen Schichten 134, 135, 136, 138, 140, 142 und
Leitschichten 144, 146, 148, 150 auf.
Leitschichten 144, 148 sind auf gegenüberliegenden
Seiten des dielektrischen Kerns 132 gebildet und können Stromversorgungs-
und Masseebenen bilden. Die Leitschichten 146, 150 können ausgeformt
sein, um Signalleiterbahnschichten zu bilden, und sind von den Leitschichten 144, 148 durch
dielektrische Schichten 134 bzw. 136 getrennt.
-
Zwischen
Leitschicht 150 und Kondensatorstruktur 26a ist
eine dielektrische Schicht 140 gebildet, wohingegen zwischen
Leitschicht 146 und Kondensatorstruktur 26b ist
eine dielektrische Schicht 135 gebildet ist. Dielektrische
Schichten 136, 142 sind den Kondensatorstrukturen 26b bzw. 26a benachbart
gelegen. Auf Chip-Anbringungsfläche 131 und
Platinen-Anbringungsfläche 133 können mehrere
Durchgangslöcher
gebildet sein. Im Beispiel nach 7 erstreckt
sich ein Durchgangsloch 152, das mit einem leitenden Material 154 gefüllt ist,
durch Zwischenverbindungsmodul 130 und verdrahtet Kontaktpads 156, 158 auf
Chip-Anbringungsfläche 131 bzw.
Platinen-Anbringungsfläche 133.
Somit kann Durchgangsloch 152 E/A-Zwischenverbindung zwischen
einem Chip und einer Leiterplatine bereitstellen.
-
Durchgangsloch 160 erstreckt
sich von einem Kontaktpad 162 aus, das auf Chip-Anbringungsfläche 131 gebildet
ist, um erste Leitschicht 28a von Kondensatorstruktur 26a zu
kontaktieren. In ähnlicher
Weise erstreckt sich Durchgangsloch 164 von einem Kontaktpad 166 aus,
das auf Platinen-Anbringungsschicht 133 gebildet ist, um
erste Leitschichten 28b von Kondensatorstruktur 26b zu
kontaktieren. Ein innenliegendes Durchgangsloch 168 erstreckt
sich durch Zwischenverbindungsmodul 130 hindurch, um erste
Leitschichten 28a, 28b von Kondensatorstrukturen 26a, 26b zu
verdrahten. Somit dient die Kombination von Durchgangslöchern 160, 164 und 168 dazu,
Stromversorgungs- oder Massepotentiale zwischen Platinen-Anbringungsfläche 133 und Chip-Anbringungsfläche 131 zu
verteilen.
-
Im
Beispiel nach 7 können die Leitschichten 144, 146, 148, 150, 28a, 28b, 30a und 30b den
folgenden Funktionen zugeordnet sein (in der Reihenfolge von Platinen-Anbringungsfläche 133 zu
Chip-Anbringungsfläche 131):
Schicht 28b:
Masseebene
Schicht 30b: Stromversorgungsebene
Schicht 146:
Signalebene
Schicht 144: Masseebene
Schicht 148:
Stromversorgungsebene
Schicht 150: Signalebene
Schicht 30a:
Masseebene
Schicht 28a: Stromversorgungsebene
-
Die
Leitschichten 144, 146, 148, 150 können aus
Kupfer gebildet sein und eine Dicke im Bereich von im Wesentlichen
5 bis 35 Mikrometern und in mehr zu bevorzugender Weise 12 Mikrometern
aufweisen. Die dielektrischen Schichten 134, 135, 136, 138, 140, 142 können aus
verschiedenen Materialien wie z.B. Polyimid, Flüssigkristall-Polymer, Fluorpolymeren,
Epoxidharzen und dergleichen hergestellt sein und Dicken im Bereich
von im Wesentlichen 10 bis 50 Mikrometern und in mehr zu bevorzugender
Weise 20 Mikrometern aufweisen. Dielektrischer Kern 132 kann
aus verschiedenen Materialien wie z.B. BT-Glas (Bismaleimidtriazinglas) oder
FR4 gebildet sein und eine Dicke im Bereich von 250 bis 750 Mikrometern
und in mehr zu bevorzugender Weise 500 Mikrometern aufweisen. Die
Leitschichten 144, 146, 148, 150 können ausgeformt
sein, nachdem sie auf jeweilige dielektrische Schichten 134, 135, 136, 140 aufgebracht
sind, um Signalleiterbahnen oder getrennte Stromversorgungs- und
Masseebenen zu definieren. Der Abstand zwischen einer äußeren Fläche der ersten
Leitschicht 28a und einer inneren Fläche von Kontaktpad 156 kann
kleiner als im Wesentlichen 50 Mikrometer sein. Im Beispiel nach 7 ist
der Abstand im Wesentlichen 20 Mikrometer.
-
Die
Leitschichten 28a, 28b, 30a, 30b können vor
der Laminierung mit den anderen Schichten von Zwischenverbindungsmodul 130 vorausgeformt
oder vorgebohrt sein. Die Kondensatorstrukturen 26a, 26b nach 7 können im
Wesentlichen wie in den Beispielen nach 4–6 aufgebaut
sein und dadurch verringerte Stromversorgungs-Verteilungsimpedanz
in Zwischenverbindungsmodul 130 fördern. Im Allgemeinen ersetzen
ein oder mehrere sehr dünne
Laminate hoher Dielektrizitätskonstante
wie z.B. Kondensatorstruktur 26 die mittige Kupferebene
oder den „Kern", die/der typischerweise
in vorhandenen Zwischenverbindungsmodulen verwendet wird. Die hohe
Dielektrizitätskonstante
und das dünne
Profil von Kondensatorstruktur 26 erzeugen eine sehr hohe
Kapazität,
die Impedanz verringert. Darüber
hinaus verringert das dünne
Profil von Kondensatorstruktur 26 in Kombination mit Verringerungen
in der Dicke des Zwischenverbindungsmoduls von der Kondensatorstruktur
zu den Kontaktpads auf der Chip-Anbringungsfläche Impedanz weiter.
-
Verringern
der Anzahl Schichten zwischen Kondensatorstruktur 26 und
den Kontaktpads und die Verwendung dünner dielektrischer Schichten
von kleiner als im Wesentlichen 40 Mikrometern Dicke erreichen verringerte
Dicke. Wie oben erwähnt,
kann die Herstellung von Kondensatorstruktur 26 bei vielen
Anwendungen leicht bewerkstelligt werden, indem zuerst das Kondensatorstrukturlaminat
ausgeformt wird, um, wo gewünscht,
Platz für
Durchgangslöcher
zu bilden, und dann das Paketsubstrat auswärts vom Kondensatorstrukturlaminat
durch Hinzufügen
zusätzlicher
Schichten aufgebaut wird, wie z.B. in US-A-5.879.787 oder US-A-6.021.564 beschrieben.
-
Die
gesteigerte Dielektrizitätskonstante
und verringerte Dicke von Kondensatorstruktur
26 stellen
eine erhöhte
Kapazität
bereit, die ein wichtiger Faktor beim Verringern von Stromversorgungs-Verteilungsimpedanz ist.
Der Einfluss von Kondensatorfläche,
Dielektrikumsdicke und Dielektrizitätskonstante ist in der folgenden Gleichung
dargestellt:
wobei C die Kapazität ist, ε
0 die
Permittivität
des freien Raums ist, ε die
relative Dielektrizitätskonstante
ist, A die Fläche
des Kondensators ist und t die Dicke oder der Abstand zwischen den
parallelen Kondensatorplatten ist. Somit ist im Falle eines Zwischenverbindungsmoduls
C die Kapazität,
die durch ein Paar paralleler Leitschichten oder Ebenen gebildet
ist.
-
Die
Kapazität
kann gesteigert werden durch Vergrößern der Fläche, Verringern der Dielektrikumsdicke,
Erhöhen
der Dielektrizitätskonstante
oder jedwede Kombination des obigen. Im Falle von On-Chip-Kondensatoren
führt Vergrößern der
Fläche
unglücklicherweise
zu einem größeren Rohchip,
führt Verringern
der Dicke zu gesteigerter Defektdichte und vergrößert Erhöhen der Dielektrizitätskonstante
die On-Chip-Signalausbreitungsverzögerung.
-
Daher
ist gemäß der Erfindung
die erforderliche Kapazität
durch eine laminierte Kondensatorstruktur 26 bereitgestellt,
die innerhalb des Zwischenverbindungsmoduls eingebettet ist. Im
Allgemeinen ist es wünschenswert,
dass die Kondensatorstruktur physikalisch so nahe an der Chip-Anbringungsfläche wie
möglich gelegen
ist im Bemühen,
die Reiheninduktivität
zu minimieren, die mit den Ebenen zu verbinden ist, während gleichzeitig
die Kapazität
des Kondensatorstrukturebenenpaares maximiert wird. Darüber hinaus
ist es wünschenswert,
dass nur so wenige Schaltungsschichten, wie erforderlich sind, zwischen
dem Ebenenpaar und der Chipverbindung gebildet sind und dass die
Dicken von dielektrischer und Leitschicht minimiert sind.
-
Zwischenverbindungsmodule,
die gemäß den Beispielen
nach 4–7 aufgebaut
sind, können ferner
Struktur aufweisen, die ausgelegt ist, Verbindungszuverlässigkeit
zu fördern
und Verformung in Gegenwart thermischer Spannungen zu widerstehen.
Insbesondere ist jedes Zwischenverbindungsmodul aus den alternierenden
Laminaten von Leitschichten und dielektrischen Schichten aufgebaut,
wie oben beschrieben, die ausgewählt
sind, einen Gesamt-Wärmeausdehnungskoeffizienten
(Gesamt-CTE) zu zeigen, der mit dem Wärmeausdehnungskoeffizienten
der Leiterplatine nahezu übereinstimmt.
-
Darüber hinaus
kann, wie in US-A-5.983.974 beschrieben, ein Versteifungsring auf
die Rohchip-Anbringungsfläche
der Zwischenverbindungsanordnung aufgeklebt werden. Der Versteifungsring
definiert einen Hohlraum (oder Hohlräume) für den IC-Schaltungs-Chip und
jedwede andere Anordnungen, wie z.B. Kondensatoren, die auf derselben
Fläche
am Zwischenverbindungsmodul angebracht sind.
-
Ein
Deckel kann an den Versteifungsring angebunden sein, um den Chip
innerhalb des Zwischenverbindungsmodul-Pakets zu umschließen. Der Deckel
kann aus Material wie z.B. Kupfer hergestellt sein oder kann ein
Vorformteil aufweisen, das aus einem metallischen Material hergestellt
ist, wie z.B. Aluminium, in dem ein Verstärkungsmaterial angeordnet ist,
wie z.B. Siliciumcarbid. In diesem Fall ist das Paket derart konstruiert, dass
der Wärmeausdehnungskoeffizient
des Versteifungsringes mit dem wärmeausdehnungskoeffizienten des
Zwischenverbindungsmoduls und des Deckels übereinstimmt. Ferner werden
die einzelnen Klebstoffe, die verwendet werden, um den Versteifungsring
anzubinden, so gewählt,
dass deren Wärmeausdehnungskoeffizient
mit denen des Substrats, des Ringes und des Deckels übereinstimmt.
Darüber
hinaus kann das Substrat derart konstruiert sein, dass sein Wärmeausdehnungskoeffizient
mindestens teilweise mit jenem des Chips und auch mit jenem des
Versteifungsringes übereinstimmt,
wie in US-A-6.248.959 beschrieben.
-
Nun
wird eine Technik zum Quantifizieren einer Gütezahl der Stromversorgungs-Verteilungsimpedanz beschrieben.
Die Gütezahl
kann verwendet werden, um die Impedanzeigenschaften eines Zwischenverbindungsmoduls,
das eine extrem dünne,
laminierte Kondensatorstruktur hoher Dielektrizitätskonstante
einbezieht, wie hierin beschrieben, im Vergleich zu anderen Zwischenverbindungsmodulen
zu klassifizieren. Dem Fachmann mögen andere Techniken zum Quantisieren
von Stromversorgungs-Verteilungsimpedanz in den Sinn kommen. Dementsprechend
ist die hierin beschriebene Technik nicht als die Erfindung einschränkend anzusehen.
-
Zu
jedwedem Querschnitt eines Hochleistungs-Mehrschichtpakets gibt es eine Anzahl
Leitebenen, die entweder Stromversorgung oder Masse zugeteilt sind.
Zu Zwecken des hierin beschriebenen Tests sind alle Stromversorgungsebenen
einer Spannung zugeordnet und alle Masseebenen einer anderen in
der Absicht, die frequenzabhängige
Eingangsimpedanz zu berechnen. Obgleich ein Zwischenverbindungsmodul
aufgrund von Forderungen nach mehreren Spannungen nicht auf diese
Art und Weise implementiert sein kann, vereinfacht diese Annahme
die Analyse der Stromversorgungs-Verteilungsimpedanz.
-
Das
Messproblem kann in zwei Komponenten unterteilt werden: Masseimpedanz
und Stromversorgungsimpedanz. Die Stromversorgungs- und Masseimpedanzen
sind typischerweise aufgrund der physikalischen Konfiguration von
Zwischenverbindungsmodul 38 unterschiedlich. Beispielsweise
sind die Stromversorgungs- und Masseebenen, z.B. erste und zweite
Leitschichten 28, 30, typischerweise auf unterschiedlichen Niveaus
innerhalb von Zwischenverbindungsmodul 38 und als Folge
davon bei unterschiedlichen Abständen von
Kontaktpads auf Chip-Anbringungsfläche 39 gelegen.
-
Zuerst
wird angenommen, dass die Frequenz hoch genug ist, dass die Stromversorgungs-
und Masseebenen als Übertragungsleitungen
behandelt werden können.
Dies sollte bei Betriebsfrequenzen über 200 Megahertz hinaus eine
gute Näherung
sein. Dementsprechend kann transversalelektromagnetische (TEM-) Ausbreitung
angenommen werden, die es gestattet, den Wellenwiderstand für die Ebenen
basierend auf der Dielektrizitätskonstante
des Materials in dielektrischer Schicht 32, dem zugeordneten
Abstand zu den umgebenden Leitschichten 28, 30,
der Frequenz und der interessierenden Fläche abzuschätzen. Die Berechnung kann gemäß der folgenden
Vorgehensweise erfolgen:
- 1. Abschätzen der
immanenten TEM-Ausbreitungsverzögerung Td
wie folgt: Td = √εr/c,wobei εr die relative
Dielektrizitätskonstante
ist und c die Lichtgeschwindigkeit ist.
- 2. Berechnen der Viertelwellenlänge der Übertragungsleitung: l = 0,25/(f·Td),wobei
1 die Länge
ist und f die Frequenz der Analyse ist.
- 3. Berechnen der anwendbaren Paketfläche: Wenn
l > Paketgröße/2 A = (Paketgröße)2 sonst A = π·l2,wobei Paketgröße für den Umriss des Pakets steht.
- 4. Berechnen der Kapazität
zu benachbarten Ebenen:
- a. Erste benachbarte Ebene C1 = εr·ε0·A/Ebenentrennung1,wobei Ebenentrennung1 für den Abstand
zwischen einer ersten Leitschicht und dem Chip steht.
- b. Zweite benachbarte Ebene, falls vorhanden C2 = εr·ε0·A/Ebenentrennung2,wobei Ebenentrennung2 für den Abstand
zwischen einer zweiten Leitschicht und dem Chip steht.
- c. Gesamtkapazität C = C1 + C2
- 5. Berechnen der Impedanz der Ebene Z = l·Td/C,wobei
Z die Gesamtimpedanz ist, C die Gesamtkapazität ist, die durch alle Ebenen
zwischen dem Chip und der Stromversorgungs- oder Masseebene erzeugt wird, und Td
die TEM-Ausbreitungsverzögerung ist
und l die Länge
ist, die oben berechnet wurden.
-
Sind
die obigen Berechnungen gegeben, kann als Nächstes die Induktivität (L) vom
Rohchip zur Verbindung mit der ersten Stromversorgungs- oder Masseebene
mithilfe der Gleichung unten berechnet werden:
wobei
- d
- = Durchgangslochpaar-Abstand,
- a
- = Durchgangslochradius,
- t
- = Länge des
Durchgangsloches,
- μ0
- = Permeabilität des freien
Raumes und
- μr
- = relative Permeabilität, typischerweise
1,0.
-
Diese
Berechnung der Induktivität
wird für
jede darauf folgende Stromversorgungs- oder Masseebenenschicht wiederholt,
bis eine Verbindung zwischen dem Chip und der untersten Masseebene
hergestellt ist.
-
Das
Wiederholen der Stromversorgungs-Masseimpedanz-Modellberechnung ist eine Sache des
Zusammenfügens
der Übertragungsleitungen
und der Induktivitäten,
beide wie oben berechnet, zu einem Netzwerk. Um das Netzwerk aufzulösen, werden
die Übertragungsleitungen
als frequenzunabhängige
Widerstände behandelt,
die an Masse abgeschlossen sind. Dann können Standard-Schaltungsanalysetechniken
verwendet werden, um die Eingangsimpedanz lösen zu können. Die Eingangsimpedanz-Berechnung wird sowohl
für die Stromversorgungs-
als auch die Masse-Netzwerke wiederholt. Dann kann die Gütezahl als
Mittelwert der Stromversorgungsimpedanz und der Masseimpedanz definiert
werden.
-
In
Tabelle 1 unten sind Gütezahlen
der Leistungsverteilungsimpedanz für eine Anzahl unterschiedlicher
Zwischenverbindungsmodul-Aufbauten einschließlich Zwischenverbindungsmodulen,
die eine dünne Kondensatorstruktur
hoher Dielektrizitätskonstante
einbeziehen, wie hierin beschrieben, und anderen Zwischenverbindungsmodulen
ohne eine derartige Kondensatorstruktur aufgeführt. Tabelle 1 gibt die Impedanz-Gütezahl über einen
Bereich von Betriebsfrequenzen von 500 Megahertz bis 5 Gigahertz
an.
-
-
In
Tabelle 1 bezieht sich die Spalte „Typ" auf den Typ des getesteten Zwischenverbindungsmodul-Aufbaus.
In der Typ-Spalte bezieht sich die Bezeichnung „X-schichtig", z.B. "7-schichtig", auf die Anzahl
alternierender Leitschichten im Zwischenverbindungsmodul. Die Bezeichnung „DIP" bezieht sich auf
einen „Durchgangsloch-in-Pad"-Aufbau, bei dem
das Zwischenverbindungsmodul in der Anzahl Leitschichten jene Schichten
aufweist, die auf Kontaktpads hergestellt sind, die Durchgangslöchern in
den Chip-Anbringungs-
und Platinen-Anbringungsflächen
zugeordnet sind.
-
Die
Bezeichnung „HoDk" bezieht sich auf
einen Aufbau, der eine dünne
Kondensatorstruktur hoher Dielektrizitätskonstante gemäß der Erfindung
einbezieht. Einige Aufbauten sind sowohl DIP- als auch HoDk-Aufbauten.
Die Bezeichnung „Aufbau" bezieht sich auf
einen Aufbau, bei dem Schichten um ein 500-Mikrometer-Dielektrikum aufgebaut sind.
In einem Fall, der mit 2-4-2-Aufbau HoDk bezeichnet ist, ist eine
HoDk-Kondensatorstruktur einem herkömmlichen Aufbaukern hinzugefügt. Jeder
HoDk-Aufbau weist eine „y-x-y"-Bezeichnung auf, wobei das x angibt,
wie viele Leitschichten den HoDk-Kondensatorstrukturkern bilden,
und das y angibt, wie viele zusätzliche
Leitschichten auf jeder der beiden Seiten des HoDk-Kerns gebildet
sind.
-
Jedwede
Dicken in Klammern geben die Dicken der dazwischen liegenden dielektrischen
Schichten an, die die Leitschichten im entsprechenden Zwischenverbindungsmodul
trennen. In Tabelle 1 sind alle Leitschichten Kupfer von 12 Mikrometern.
Sind die obigen Qualifikationen gegeben, gibt die Bezeichnung „5-schichtig
(58 Mikrometer)" in
der Typ-Spalte an, dass das betrachtete Zwischenverbindungsmodul
fünf Leitschichten
aufweist, die durch dielektrische Schichten von 58 Mikrometer getrennt
sind.
-
Die
Spalte „Querschnitt" in Tabelle 1 gibt
die Anordnung von Masse-, Stromversorgungs-, Signal- und Kontaktpadschichten
im Zwischenverbindungsmodul an. Die Bezeichnung „s" gibt eine Signalschicht, „g" gibt eine Masseebenenschicht, „p" gibt eine Stromversorgungsebenenschicht,
X gibt eine Durchgangsloch-in-Pad-Schicht (DIP-Schicht) und [gp]
gibt ein Stromversorgungs-Masseebenenpaar an, das durch eine HoDk-Kondensatorstruktur
gebildet ist.
-
In
Tabelle 1 ist jedes „HoDk"-Modul, das gemäß der Erfindung
aufgebaut ist, ferner mit einem Stern (*) identifiziert. Wie aus
Tabelle 1 offensichtlich ist, erzeugt mit Ausnahme des 8-schichtigen
HoDk-Aufbaus (58 Mikrometer) der HoDk-Aufbau allgemein eine Stromversorgungs-Verteilungsimpedanz,
die kleiner als oder gleich im Wesentlichen 0,60 Ohm bei Betriebsfrequenzen
ist, die größer als
oder gleich im Wesentlichen 1,0 Gigahertz sind.
-
Ist
die oben umrissene Gütezahlberechnung
gegeben, erzeugt der 8-schichtige HoDk-Aufbau (36 Mikrometer) beispielsweise
eine Stromversorgungs-Verteilungsimpedanz
bei 1,0 Gigahertz von im Wesentlichen 0,48 Ohm. In ähnlicher
Weise erzeugt der 8-schichtige HoDk-DIP-Aufbau bei 1,0 Gigahertz
eine Impedanz von 0,46 Ohm. Selbst der 6-schichtige HoDk-Aufbau (58 Mikrometer)
erzeugt bei 1,0 Gigahertz eine Impedanz von 0,53 Ohm. Bemerkenswerterweise
wird bei abnehmender Anzahl Schichten die Impedanz recht niedrig.
In dem Fall eines 4-schichtigen HoDk-DIP-Aufbaus ist beispielsweise bei 1,0 Gigahertz
die Impedanz 0,35 Ohm. Der 2-4-2-Aufbau-HoDk-Aufbau erzeugt beispielsweise
bei 1,0 Gigahertz eine Impedanz von 0,26 Ohm. In jedem Fall fördert die
niedrigere Impedanz das Schalten mit höherer Geschwindigkeit.
-
Die
letzte Zeile der Tabelle 1 steht für eine Ausführungsform, bei der eine Dünnschicht
auf einem Keramiksubstrat gebildet und mit einer Kondensatorstruktur,
wie hierin beschrieben, kombiniert ist, um ein Zwischenverbindungsmodul
mit verringerter Stromversorgungs-Verteilungsimpedanz zu realisieren.
-
BEISPIEL 1
-
Grundlegende
Verfahren, die zur Herstellung von Zwischenverbindungsmodulen mit
Querschnitten wie hierin beschrieben geeignet sind, sind in US-A-5.879.787
und US-A-6.021.564 beschrieben, wie oben erwähnt. Das folgende Beispiel
beschreibt ein repräsentatives
Verfahren zum zusätzlichen
Erzeugen eines ausgeformten Laminats hoher Dielektrizitätskonstante,
d.h., einer Kondensatorstruktur, wie oben unter Bezug auf 1–7 beschrieben,
zur Einbeziehung in ein Zwischenverbindungsmodul, um verringerte
Stromversorgungs-Verteilungsimpedanz zu erreichen. Dieses Beispiel
geht mit der Verwendung einer laminierten Kondensatorstruktur einher,
die Kupferfolie von im Wesentlichen 18 Mikrometern auf jeder der
beiden Seiten eines Materials hoher Dielektrizitätskonstante aufweist, das eine
Dicke von im Wesentlichen 8 Mikrometern aufweist.
-
Als
Erstes wird die Kondensatorstruktur gebildet. Bereitgestellt sind
Kupferfoliensubstrate, die bei der Carl Schenk AG, Nürnberg,
Deutschland erhältlich
sind und eine Dicke von 18 Mikrometern, eine Tempertemperatur von
140° Celsius
und eine mittlere Oberflächenrauigkeit
(RMS) von 8 nm aufweisen. Chemisorbierende Materialien werden in
einem Sauerstoff-Argon-Plasma mithilfe eines Geräts, das von Plasma Science,
Foster City, Kalifornien, USA, erhältlich ist, bei einer Verweilzeit
von etwa sechs Minuten entfernt. Partikelablagerungen werden mit
einem Unterdruck-Ultraschall-Bahnreiniger entfernt, der von der
Web Systems, Inc. aus Boulder, Colorado, USA unter dem Handelsnamen „Ultracleaner" kommerziell erhältlich ist.
-
Als
Nächstes
werden 6,4 Gramm eines Epoxids, das von der Shell Chemical Company
aus Houston, Texas, USA unter dem Handelsnamen Epon® 1001F
kommerziell erhältlich
ist, und 1,6 Gramm eines Epoxids, das von der Shell Chemical Company
unter dem Handelsnamen Epon® 1050 kommerziell erhältlich ist,
in 18 g Methylethylketon (MEK) und 35 g Methylisobutylketon (MBK)
gelöst,
die beide von Aldrich Chemical, Milwaukee, Wisconsin, USA kommerziell
erhältlich
sind. Der Mischung wurde 0,8 g Dispergiermittel, ein Copolymer aus
Polyester und Polyamin, das kommerziell von ICI America, Wilmington,
Delaware, USA unter dem Handelsname „Hypermeer PS3" erhältlich ist,
hinzugefügt.
-
47
g Bariumtitanat-Partikel, die eine mittlere Partikelgröße von 0,2
Mikrometer aufweisen, von Cabot Performance Materials, Boyertown,
Pennsylvania, USA unter dem Handelsnamen „BT-8" erhältlich
sind und in Luft 15 Stunden lang bei 350 Grad Celsius erwärmt worden
sind, wurden langsam unter Verwendung einer Ross-Labormisch- und
-emulgiermaschine hinzugefügt,
die kommerziell von Charles Ross & Sons,
Hauppauge, New York, USA erhältlich
ist, wobei ein Rotor-Stator-Kopf mit 2000 Umdrehungen pro Minute
(/min) lief. Nachdem alles Bariumtitanat hinzugefügt war,
wurde die Drehzahl auf 6000/min erhöht, und das Bariumtitanat wurde
zwanzig Minuten lang in einem Behälter dispergiert, der in einem
Eisbad gekühlt
wurde, um das Erwärmen
der Mischung zu verhindern. Die resultierende Mischung wies 55 Gewichtsprozent
Feststoffe auf; das Volumenverhältnis
von Bariumtitanat zu Epoxid betrug 55:45.
-
Der
Mischung wurde erlaubt, sich über
Nacht ungestört
zu setzen, um es schlecht dispergierten Agglomeraten zu ermöglichen,
sich abzusetzen. Die Mischung wurde dann durch einen 2-Mikrometer-Edelstahlsiebfilter
gefiltert, um eine erste Mischung zu bilden. Die Gewichtsprozente
Feststoffe der ersten Mischung wurden zu 53 % gemessen, und der
Volumenprozent-Eintrag von Bariumtitanat in der ersten Mischung
wurde zu 53 % gemessen; beide Messungen erfolgten gravimetrisch.
-
Dann
wurden 8,4 g einer 70-Gewichtsprozent-Lösung von Epon® 1001
F in MEK, 1,8 g einer 80-Gewichtsprozent-Lösung
von Epon® 1050
in MEK und 5,4 g einer 5-Gewichtsprozent-Lösung von
2,4,6-Tris(dimethylaminomethyl)phenol
durch einen 0,45-Mikrometer-Filter
gefiltert und dann 236 g der ersten Mischung hinzugefügt, um die
zweite Mischung zu bilden. Die Mischung wurde durch Rühren oder
Rollenlassen des Behälters
auf einer Kugelmühle
(ohne Kugeln) homogen gemacht. Schließlich betrug der Feststoffgehalt
der zweiten Mischung 43 Gewichtsprozent. Die zweite Mischung wurde
mithilfe eines Ultraschallbades fünf Minuten lang entlüftet.
-
Die
zweite Mischung wurde separat mit einer Mikrogravur-Auftragsmaschine
(in einem Reinraum) auf zwei Kupferfolien unter Verwendung einer
Bahngeschwindigkeit von 12,7 cm/s (25 Fuß/Minute) und einer Gravurwalzengeschwindigkeit
von 20 cm/s (40 Fuß/Minute)
aufgetragen. Die Gravurwalzen wurden gewählt, um eine Trockenbeschichtungsdicke
von 1 bis 1,5 Mikrometern zu ergeben. Die Beschichtung wurde bei
95 Grad Celsius getrocknet und dann auf einen Kern gewickelt, um
eine Rolle zu bilden.
-
Die
zwei mischungsbeschichteten Kupferfolien wurden dann in einem Reinraum
Beschichtungsseite auf Beschichtungsseite mithilfe eines Laminators,
der von Western Magnum, El Segundo, Kalifornien, USA, erhältlich ist,
mit Walzen von 150° Celsius
bei 0,64 cm/s (15 Inch/Minute) Geschwindigkeit und einem Luftdruck auf
die Walzen bei 140 kPa (20 psi) zusammenlaminiert. Das Laminat wurde
in Luft bei 180 Grad Celsius achtzig Minuten lang ausgehärtet.
-
Das
ausgehärtete
Laminiat wurde mithilfe des 90-Grad-Schälversuchs
getestet, der im IPC Test Method Manual, IPC-TM-650, Versuch Nummer
2.4.9 vom Oktober 1988, herausgegeben vom Institute for Interconnecting
and Packaging Electronic Circuits, beschrieben ist. Zum Trennen
der Kupferfolien wurde eine Kraft von 600 N/m (3,4 Pound/Inch) benötigt. Auch
wurde das ausgehärtete
Laminat nach folgendem Prüfverfahren auf
seine Kapazität
geprüft-
Mithilfe standardmäßiger Fotolithografie-
und Kupfer-Ätzverfahren
wurde eine Elektrode von 2 cm mal 2 cm auf eine Seite des Laminats
geätzt,
und die Kapazität
wurde bei 1 Kilohertz mithilfe eines LCR-Messgeräts gemessen, das von Hewlett
Packard, Palo Alto, Kalifornien, USA, erhältlich ist und die Modellnummer
4261A besitzt. Die gemessene Kapazität betrug 6 nF/cm2 bei
einem Verlustfaktor von 0,004.
-
Als
Nächstes
wurde ein Bogen des resultierenden Kondensatorlaminats gemäß den Maßen des
Zwischenverbindungsmoduls zugeschnitten. Eine beispielhafte Größe ist 33
Millimeter mal 33 Millimeter. Das Laminat wurde beigeschnitten,
und mithilfe eines Stempels wurden Werkzeuglöcher im Laminat gebildet. Dann wurden
Bezugspunkte zur Fotolithografie-Ausrichtung, die durchgehende Löcher von
im Wesentlichen 300 Mikrometer Durchmesser sein können, unter
Verwendung der Werkzeuglöcher
als Ausrichtungspunkte in den gelochten Laminatbogen gelasert.
-
Jede
der zwei Kupferfolien im Laminat wurde dann mit 40 cm (15,75 Inch)
breitem Fotoresist des Typs 7025 beschichtet. Nach dem Beischneiden
des überschüssigen Fotoresists
von den Rändern
des Laminats wurden die fotoresistbeschichteten Werkzeuglöcher durchstochen.
Dann wurde der Drucker Proform® 7700 mit Auto-Ausrichtung verwendet,
um den Fotoresist auf beiden Folien unter Standard-Belichtungsenergie
mit einer Abbildung zu versehen. Der Fotoresist wurde dann mithilfe
einer Natriumcarbonat-Lösung
und Standardeinstellungen entwickelt. Dann wurden die Freibereiche
in den Kupferfolien mit Kupferchlorid-Lösung
unter Standardeinstellungen geätzt.
Der Fotoresist wurde mit Kaliumhydroxid unter Verwendung von Standardeinstellungen
abgelöst,
mit der Ausnahme, dass der Abstreiferdruck auf 140 kPa (20 psi)
abgesenkt werden sollte und weniger aggressives Trocknen ratsam
sein mag, um Beschädigungen
an jedweder der freiliegenden dielektrischen Schichten zu vermeiden.
-
Die
freiliegenden Kupferflächen
des Laminats wurden behandelt, um die Haftung in den nachfolgenden,
sequenziellen Laminierungsschritten zu erhöhen. Zu den Beispielbehandlungen
zur Förderung
der Oberflächenhaftung
zählen
Braun- oder Schwarzoxid-Behandlung,
Co-Bra® Bond-Behandlung
oder Auftragung eines Haftvermittlers wie z.B. Aminopropylsilan.
-
Nach
Bildung wurde das Kondensatorlaminat innerhalb eines Zwischenverbindungsmodul-Pakets
verarbeitet, als sei es ein ausgeformter Kupferbogen. Insbesondere
wurde das Kondensatorlaminat innerhalb der Mitte anderer Kupfer-
und dielektrischer Schichten in einem alternierenden Stapel hinzugefügt und in
einer Presse platziert, die eine Laminierkraft aufbrachte. Die Kupferschichten
wurden Schichten benachbart gelegt, die sich beim Pressen in einem
B-Zustand befanden, um den Laminierungsprozess zu erleichtern, was
zu einer einheitlichen, mehrschichtigen Struktur führt, die
einen HoDk-Kondensatorstrukturkern mit äußeren dielektrischen und Leitschichten
aufweist. Mehrfache Laminierungen können verwendet werden, um höhere Schaltungsschichtzahlen
oder verschiedene Strukturen von Blind- und innenliegenden Durchgangslöchern einzubeziehen.
-
Während der
Laminierung floss dielektrisches Material von den benachbarten Schichten
in die Öffnungen
zwischen den ausgeformten Leitschichten und füllte sie. Die dielektrischen
Schichten waren aus einem organischen PTFE-basierten Material hergestellt.
Blind- und innenliegende
Durchgangslöcher
wurden durch Bohren in unterschiedlichen Phasen des Zusammenbaus
in der Zwischenverbindungsmodul-Struktur gebildet, um Zwischenverbindungen
zwischen Kontaktpads und Stromversorgungs- und Masseebenen bereitzustellen. Die
Durchgangslöcher
wurden unter Verwendung einer Laserbohrtechnik gebohrt. Insbesondere
wurde ein gepulster Nd:YAG-Laser bei entweder der dritten oder vierten
Harmonischen verwendet, um einen ultravioletten Strahl bei entweder
266 nm oder 355 nm zu erzeugen, wie in US-A-5.879.787 beschrieben.
-
Um
Leitschichten zu verdrahten, wurden die Blind- und innenliegenden
Durchgangslöcher
mithilfe bekannter Metallisierungstechniken wie z.B. chemisches
Metallisieren gefolgt von elektrolytischem Beschichten in Stufen
mit einem leitenden Material überzogen,
um Leitwege durch das Laminat zu definieren. Auf das Überziehen
folgend wurden die äußeren Leitschichten
unter Verwendung standardmäßiger Fotolithografietechniken
ausgeformt, um die Kontaktpads zu bilden. Die Kontaktpads wurden
verwendet, um E/A-Verbindungen und
Stromversorgungs- und Masseebenen-Verbindungen herzustellen. Nach Zusammenbau
den Zwischenverbindungsmoduls einschließlich der laminierten HoDk-Kondensatorstruktur
wurde der Chip-Anbringungsfläche ein
Chip durch Reflow einer Anordnung von Lötperlen auf dem Chip hinzugefügt, um sie
mit entsprechenden Kontaktpads auf der Chip-Anbringungsfläche zu verbinden, und die resultierende
Struktur dann zur Lötperlenverbindung über einer
Leiterplatine platziert.
-
BEISPIEL 2
-
In
einem anderen Beispiel wurde Kondensatorstruktur mit einer Dispersion
gebildet, wie in US-B-6.577.492 beschrieben. Insbesondere wurde
eine Dispersion, wie unten in Tabelle 2 angegeben, mithilfe einer
Gravur- oder Düsenbeschichtungstechnik
auf eine Kupferfolie aufgetragen.
-
-
Die
Trockendicken des Dielektrikums reichten von im Wesentlichen 2,0
bis 5,0 Mikrometern. Die Beschichtung wurde zu einer klebefreien
Fläche
getrocknet und dann zu Rollen gewickelt. Zwei Rollen wurden beschichtete
Seite an Seite mithilfe zweier erwärmter Andruckwalzen laminiert.
Verwendet wurde ein standardmäßiger Fotoresistlaminierer.
Das laminierte Material wurde bei 180 Grad Celsius 1,5 bis 2,5 Stunden
lang ausgehärtet.
Die ausgehärteten
Panel wurden auf einer oder beiden Seiten mithilfe herkömmlichen
Fotoresists und Ätzmittels
ausgeformt, um individuelle Kondensatorstrukturen zu erzeugen.
-
BEISPIEL 3
-
Als
ein anderes Beispiel der Fertigung einer Kondensatorstruktur, die
zur Verwendung in einem Zwischenverbindungsmodul geeignet ist, wurde
eine Dispersion, wie im oben aufgeführten Dokument US-B-6.577.492 und Tabelle
3 unten beschrieben, auf eine Kupferfolie aufgetragen.
-
-
Die
obige Dispersion wurde mithilfe einer Gravur- oder Düsenbeschichtungstechnik
aufgetragen. Haftvermittlungsmittel können vor dem Beschichtung mit
dem Epoxid auf das Substrat aufgetragen werden. Typischerweise wird
eine verdünnte
Lösung,
z.B. 0,05 bis 0,15 Gewichtsprozent in einem Alkohol wie z.B. Methanol,
durch Standard-Beschichtungstechniken aufgebracht und das Substrat
getrocknet. Die Trockendicken des Dielektrikums reichten von im
Wesentlichen 2,0 bis 5,0 Mikrometern. Die Beschichtung wurde zu
einer klebefreien Fläche
getrocknet und dann zu Rollen gewickelt. Danach wurden zwei Rollen
beschichtete Seite an Seite mithilfe zweier erwärmter Andruckwalzen in einem
standardmäßigen Fotoresistlaminierer
laminiert. Das laminierte Material wurde bei 180 Grad Celsius im
Wesentlichen zwei Stunden lang ausgehärtet. Die ausgehärteten Panel
wurden dann auf einer oder beiden Seiten mithilfe herkömmlichen
Fotoresists und Ätzmittels
ausgeformt, um individuelle Kondensatoren zu erzeugen.
-
BEISPIEL 4
-
In
einem anderen Beispiel wurde eine andere Dispersion, wie im oben
aufgeführten
Dokument US-B-6.577.492 und Tabelle 4 unten beschrieben, auf eine
Kupferfolie aufgetragen.
-
-
Dieses
Beispiel vergleicht zwei Kondensatorstrukturen mit denselben Rohmaterialien,
aber mit Änderungen
im Verhältnis
von Fluoren-Verbindung zu Epoxid, im Vorhandensein eines Katalysators
und in der anfänglichen
Aushärtetemperatur.
Die obigen Dispersionen wurden wie in Beispiel 2 und 3 oben aufgetragen
und laminiert. Die Trockendicken des Dielektrikums reichten von
im Wesentlichen 2,0 bis 5,0 Mikrometern.
-
Es
sind verschiedene Ausführungsformen
der Erfindung beschrieben worden. Diese und andere Ausführungsformen
sind innerhalb des Umfangs der folgenden Ansprüche. Beispielsweise können die
hierin beschriebenen Ausführungsformen
der Erfindung in Kombination mit jedweder der zusätzlichen
Struktur oder der zusätzlichen
Prozesse verwendet werden, die in den folgenden Referenzdokumenten
beschrieben sind: US-A-5.888.630,
US-A-6.018.196, US-A-5.983.974, US-A-5.836.063, US-A-5.731.047, US-A-5.841.075, US-A-5.868.950, US-A-5.888.631,
US-A-5.900.312, US-A-6.011.697,
US-A-6.021.564, US-A-6.103.992, US-A-6.127.250, US-A-6.143.401, US-A-6.183.592,
US-A-6.203.891 und
US-A-6.248.959.
