DE68924452T2

DE68924452T2 - Packungsstruktur für integrierte Schaltungen.

Info

Publication number: DE68924452T2
Application number: DE68924452T
Authority: DE
Inventors: Toshio C O Fujitsu L Matsuzaki; Hiroaki C O Fujitsu Li Toshima
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Shinko Electric Industries Co Ltd
Priority date: 1988-07-11
Filing date: 1989-07-10
Publication date: 1996-03-28
Anticipated expiration: 2009-07-11
Also published as: EP0350833B1; EP0350833A2; EP0350833A3; DE68924452D1; US4994895A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft integrierte Schaltungen und insbesondere Gehäuse-Strukturen für integrierte Schaltungen, einschließlich hybrider, integrierter Schaltungen, in denen aktive und passive Elemente enthalten sind.
Für Gehäuse-Strukturen für integrierte Halbleiterschaltungen oder hybride, integrierte Schaltungen ist Epoxydharz als Formmaterial sehr populär und weit verbreitet verwendet, und ein Einsetz-Formverfahren wird verwendet, das für die Massenproduktion geeignet ist. Ein Schaltungssubstrat und ein Anschlußrahmen werden in dem Formungsmaterial während des Formvorgangs aufgenommen.
Die Figuren (1a) und (1b) zeigen eine schematische Querschnittsansicht einer herkömmlichen, hybriden, integrierten Schaltung bzw. eine Aufsicht auf einen Anschlußrahmen, der darin verwendet wird.
Der Anschlußrahmen 60 hat eine quadratische Trägerplatte 61, die zentral angeordnet ist, wobei die Platte manchmal als Stufe oder Kontaktfahne bezeichnet wird. An der Trägerplatte 61 ist ein Schaltungssubstrat 62 angebracht und selektiv mit den Anschlüssen 63 durch ein Draht- Bond-Verfahren verbunden. Die obenstehende Struktur wird schließlich als ein Gehäuse 64 aus Epoxydharz-Material geformt. Das Schaltungssubstrat 62 umfaßt ein Basisteil 66, z. B. aus Aluminiumoxid-Keramik, Epoxydglas oder Silicium, und aktive und passive Elemente 67, die an dem Basisteil 66 angeordnet sind.
In der Gehäusestruktur, wie sie obenstehend offenbart ist, können Unterschiede in den Ausdehnungskoeffizienten, den Hafteigenschaften usw. zwischen den verschiedenen, einzelnen Teilen, die darin enthalten sind, ein Rißproblem bezüglich des Formgehäuses verursachen.
Für gewöhnlich ist der Ausdehnungskoeffizient des Basisteils 66 kleiner als der des Formmaterials und die Haftstärke zwischen dem Formmaterial und der Trägerplatte 61 (z. B. einer Metallplatte) ist kleiner als die zwischen dem Formmaterial und dem Basisteil 66. Wenn die Vorrichtung (hybride, integrierte Schaltungen oder integrierte Schaltungen werden manchmal als Vorrichtungen zum Zweck der Kürze in der vorliegenden Anmeldung bezeichnet) in Betrieb genommen wird und wiederholten Wärmezyklen von Ausdehnung und Kontraktion ausgesetzt wird, kann der untere Abschnitt des Formgehäuses 64 nicht der entstehenden Spannung standhalten, die entlang einer Peripherie der Trägerplatte 61 konzentriert ist, und schließlich kann das Formgehäuse 64 der Vorrichtung einen Riß 65 entlang einer Seite oder entlang zweier benachbarter Seiten der rechteckigen Peripherie der Trägerplatte bilden, wie in der Fig. 1(a) gezeigt ist.
Um Spannung an der Trägerplatte, die aufgrund ihrer unterschiedlichen Ausdehnungseigenschaften im Vergleich mit dem Formmaterial entsteht, abzuleiten, wurde die Idee des Ausbildens eines Anschlußrahmens, der eine Öffnung oder einen freibleibenden Abschnitt in der Trägerplatte hat, in der japanischen, ungeprüften Patentveröffentlichung JP-52- 95173, datiert auf den 10. August 1977, von S. Kobayashi veröffentlicht. Das Patent offenbart, daß die Trägeplatte des Anschlußrahmens aus einem umgebenden, peripheren Rahmenabschnitt mit entweder einer einzelnen oder einer Vielzahl von Öffnungen zusammengesetzt ist, die darin ausgebildet sind.
Eine weitere Idee wurde in der japanischen, ungeprüften Patentveröffentlichung JP 63-81966, die auf den 12. April 1988 datiert ist, von H. Tsutani, et. al. offenbart. Das Patent offenbart, daß die Vorrichtung einen Anschlußrahmen aufweist, wobei eine Trägerplatte davon eine Vielzahl von Einschnitten hat, die sich von ihrer Peripherie in Richtung des Zentrums der Trägerplatte erstrecken.
Die zwei, oben erwähnten Veröffentlichungen betreffen jeweils eine integrierte Halbleiterschaltung, die einen einzelnen, monolithischen Halbleiterchip aufweist, der auf der Trägerplatte angebracht ist. Im allgemeinen ist die Halbleiterchipgröße (das Oberflächengebiet) vergleichsweise klein verglichen mit den Umrißabmessungen des Formgehäuses.
Die Patent Abstracts of Japan 8(099), (E-243) (Veröffentlichungsnummer Nr. 59-016357) offenbart einen Anschlußrahmen mit Löchern. Die Löcher werden mit Formharz gefüllt, wenn der Anschlußrahmen mit einem Einzelelement darauf angebracht harzversiegelt wird. Von dieser Ausbildung wird gesagt, daß ein Gehäuse bereitgestellt wird, das bezüglich thermischer Spannung und Feuchtigkeit usw. widerstandsfähig ist.
Mit der Tendenz zu einer höheren Integration hin, ist eine integrierte Schaltung, die ein Schaltungssubstrat und eine Vielzahl von aktiven und passiven Elementen darauf angebracht aufweist, von der Größe her größer geworden, so daß das Schaltungssubstrat einen wesentlichen Teil der Formungsgröße besetzt. Unter diesen Bedingungen wird die Spannung, die in dem Formgehäuse während des Betriebs erzeugt wird, zu einem ernsten Problem.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine integrierte Schaltung bereitgestellt, die aufweist:-
ein Schaltungssubstrat, das ein Basisteil und zumindest ein Halbleiterelement, ein aktives Element oder ein passives Element, das an dem Basisteil angeordnet ist, aufweist,
einen Anschlußrahmen, der zumindest eine Vielzahl von Anschlüssen und eine Trägerplatte umfaßt, die an den äußeren bzw. inneren Abschnitten des Anschlußrahmens vorgesehen sind, und wobei jeder Anschluß einen inneren Anschlußabschnitt und einen äußeren Anschlußabschnitt hat,
wobei das Schaltungssubstrat auf der Trägerplatte angeordnet und selektiv elektrisch mit inneren Enden der inneren Anschlußabschnitte verbunden ist,
eine Harzmaterialform, die das Schaltungssubstrat, die Trägerplatte und die inneren Anschlußabschnitte kapselt, wobei das Verhältnis des Oberflächengebiets des Basisteils zu dem Haupt-Oberflächengebiet des Formgehäuses größer als 60% ist, und wobei
die Trägerplatte eine Öffnung zum Freilegen der Bodenoberfläche des Basisteils zu der Form hat, wobei das Verhältnis des freigelegten Bodenoberflächengebiets zu dem gesamten Bodenoberflächengebiet davon größer als 50% ist, und worin
die Trägerplatte vier Stufen aufweist, die an jeweiligen Ecken von entweder einer imaginären, quadratischen Form oder einer imaginären, rechteckigen Form angeordnet sind, wobei die Stufen voneinander beabstandet sind und das Basisteil tragen und wobei das Bodenoberflächengebiet des Basisteils nicht größer als das der imaginären, quadratischen Form oder der rechteckigen Form ist.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann eine hybride, integrierte Schaltung bereitstellen, die widerstandsfähiger gegenüber Effekten von wiederholten Wärmezyklen bezüglich Ausdehnung und Kontraktion ist.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann eine Gehäusestruktur einer hybriden, integrierten Schaltung bereitstellen, die eine exzellente Haltbarkeit bewirkt, auch wenn die hybride, integrierte Schaltung mit einem beträchtlich großen Integrationsgrad aufgebaut ist.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann eine hybride, integrierte Schaltung bereitstellen, die durch Verfahren ähnlich zu den herkömmlich verwendeten hergestellt werden kann.
Eine Ausführungsform der Erfindung kann eine Gehäusestruktur einer hybriden, integrierten Schaltung derart bereitstellen, daß eine reduzierte oder minimale Deformation des Formgehäuses zwischen Vorformungs- und Nachformungszuständen auftritt.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können hybride, integrierte Schaltungen bereitstellen, die widerstandsfähiger gegenüber Effekten von wiederholten Zyklen von thermischer Ausdehnung und Kontraktion sind.
Durch Anwenden der obenstehenden Struktur einer hybriden, integrierten Schaltung berührt das Formungsmaterial aus Epoxydharz die Bodenoberfläche des Schaltungssubstrats mit einer stärkeren Haftkraft als in dem Fall, bei dem das Formmaterial die Trägerplatte direkt berührt, wie in dem oben erwähnten Stand der Technik. Des weiteren, da das Trägerplattengebiet im Vergleich mit dem Fall, in dem keine Öffnung vorgesehen ist, reduziert ist, wird auch die Spannung aufgrund einer thermischen Ausdehnung der Trägerplatte reduziert und zusätzlich über ihre gesamte Oberfläche verteilt. Diese Faktoren bewirken in Kombination, daß die Auftrittsrate von Gehäuserißdefekten vermieden wird oder reduziert wird.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann, um die Änderung der Eigenschaften von aktiven oder passiven Elementen, die in einer hybriden oder nicht-hybriden, integrierten Schaltung enthalten sind, zwischen Vorformungs- und Nachformungszuständen zu minimieren oder zu reduzieren, die Beziehung zwischen der Formdicke oberhalb und unterhalb des Schaltungssubstrats selektiv in Abhängigkeit von der Beziehung zwischen den Ausdehnungskoeffizienten des Schaltungssubstrats und der Trägerplatte ausgewählt werden.
Normalerweise wird während eines Formungsvorgangs zum Ausbilden eines Gehäuses eine vorher zusammengebaute z. B. hybride, integrierte Schaltung auf ungefähr 175ºC erwärmt, was eine Deformation davon verursacht. Die Deformation verbleibt nach dem Formungsvorgang, was die Ursache für die Eigenschaftsänderung ist. Die Deformation kann mit einer Gehäusestruktur in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung reduziert oder eliminiert werden.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, daß:-
die Formdicke oberhalb des Basisteils kleiner als die unterhalb des Basisteils ist, wenn der thermische Ausdehnungskoeffizient des Schaltungssubstrats kleiner als der der Trägerplatte ist, oder
die Formdicke oberhalb des Basisteils größer als die unterhalb des Basisteils ist, wenn der thermische Ausdehnungskoeffizient des Schaltungssubstrats größer als der der Trägerplatte ist.
Bezug wird beispielhaft auf die beiliegenden Zeichnungen genommen, in denen:-
Fig. 1(a) eine schematische Querschnittsansicht einer herkömmlichen hybriden, integrierten Schaltung ist,
und Fig. 1(b) eine Aufsicht auf den Anschlußrahmen ist, der in der Vorrichtung, die in Fig. 1(a) gezeigt ist, verwendet wird, wobei eine Trägerplatte davon keine Öffnung hat,
Fig. 2 eine schematische Querschnittsansicht einer hybriden, integrierten Schaltung zur Hilfestellung beim Erläutern der vorliegenden Erfindung ist,
Fig. 3 eine Aufsicht auf einen Anschlußrahmen ist, der in Fig. 2 verwendet wird, wobei der Anschlußrahmen eine Öffnung in einer Trägerplatte hat,
Fig. 4(a) ein Kurvenverlauf ist, der die Beziehung zwischen dem Besetzungsprozentsatz und der Neigung für einen Rißauftritt illustriert, wobei der Besetzungsprozentsatz durch das Verhältnis des Oberflächengebiets (S&sub0;) eines Schaltungssubstrats zu dem (S&sub1;) eines Formgehäuses gegeben ist, und
Fig. 4(b) eine schematische Draufsicht auf eine Vorrichtung mit einem Gehäuse, teilweise weggeschnitten, ist, in der S&sub0; und S&sub1; angegeben sind,
Fig. 5 ein Kurvenverlauf für Testergebnisdaten für mehrere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist, die die Beziehung zwischen dem Rißauftritts-Prozentsatz und der Anzahl von Erwärmungszyklen für verschiedene Oberflächengebiets-Verhältnisprozentsätze illustriert,
die Fig. 6(a) bis 6(i) jeweilige Drauf- oder Aufsichten sind, die verschiedene Konfigurationen der Trägerplatte illustrieren, die in Anschlußrahmen in Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung vorhanden ist, wobei die Trägerplatte eine Vielzahl von Öffnungsformen darin hat, und
die Fig. 6(f') bis 6(i') jeweilige Querschnittsansichten von Anschlußrahmen, von denen einige Schaltungssubstrate enthalten, der jeweiligen Fig. 6(f) bis 6(i) sind,
Fig. 7 eine schematische Querschnittsansicht einer Vorrichtung in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, und zwar mit einem Formgehäuse, wenn der Anschlußrahmen der Fig. 6(f') verwendet wird,
Fig. 8 ein Kurvenverlauf ist, der eine Beziehung zwischen einem Biegewert und einem Weitenverhältnis zwischen einem Verbindungsbalken und einer Trägerplatte-Stufe illustriert, wenn ein Anschlußrahmen, wie er in der Fig. 6(c) gezeigt ist, verwendet wird,
Fig. 9 ein Diagramm ist, das eine Beziehung zwischen einem Biegewert und einer Konfiguration oder einer Form des Verbindungsbalkens illustriert, wenn Anschlußrahmen der Typen nach den Fig. 6(c) und 6(f)/6(f') verwendet werden,
Fig. 10 ein Kurvenverlauf von Testergebnissen ist, die Beziehungen zwischen dem Rißauftritts-Prozentsatz und der Anzahl der Erwärmungszyklen für verschiedene Konfigurationen der Trägerplatte illustriert,
Fig. 11(a) und 11(b) jeweilige schematische Querschnittsansichten von hybriden Vorrichtungen in Übereinstimmung mit Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind, die in Gehäusen eingekapselt sind, die Anschlußrahmen der Typen gemäß den Fig. 6(f)/6(f') und 6(h)/6(h') verwenden,
Fig. 12 eine Querschnittsansicht einer Klemm- oder Quetschstruktur der Trägerplatte für Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist, wobei ein Schaltungssubstrat von einem Paar von Klemmen oder Quetschen eingeklemmt oder eingequetscht ist,
Fig. 13 eine schematische Querschnittsansicht einer Vorrichtung ist, die eine Deformation illustriert, die durch den Unterschied in Ausdehnungseigenschaften zwischen dem Schaltungssubstrat und einer Trägerplatte verursacht wird,
Fig. 14(a) und 14(b) schematisch zwei sequentielle Schritte illustrieren, bei denen das Formgehäuse deformiert wird, wenn x&sub1; und x&sub2; fast gleich sind,
Fig. 15(a) und 15(b) eine Draufsicht, die teilweise ausgeschnitten ist, und eine Querschnittsansicht der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zum Erläutern einer Vorrichtungsstruktur sind, durch die eine Deformation des Formgehäuses eliminiert oder reduziert ist,
Fig. 16(a) und 16(b) Illustrationen ähnlich zu jenen bei den Fig. 14(a) und 14(b) sind, wenn eine Struktur in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung angewendet wird, um eine Deformation zu eliminieren, und
Fig. 17 und 18 Kurvenverläufe sind, die jeweils eine Beziehung zwischen einer Widerstandsänderung für obere bzw. untere Widerstände und eines Dickenverhältnisses x&sub1;/x&sub2; illustrieren, die einen optimalen Wert von x&sub1;/x&sub2; anzeigen, für den die Deformation eliminiert oder minimiert ist, worin obere und untere Widerstände an vorderen (oberen) bzw. bodenständigen (unteren) Oberflächen eines Schaltungssubstrats ausgebildet sind, und wobei x&sub1; und x&sub2; die Dicken eines Formgehäuses oberhalb bzw. unterhalb des Schaltungssubstrats bezeichnen.
Durch die gesamten Zeichnungen hindurch bezeichnen die gleichen Bezugszeichen die gleichen oder ähnliche Teile.
Eine hybride, integrierte Schaltung zur Hilfestellung bei der Erläuterung der vorliegenden Erfindung ist in dem Querschnitt in der Fig. 2 gezeigt, und Fig. 3 ist eine Draufsicht auf einen Anschlußrahmen 9, der in der Fig. 2 verwendet wird.
Der Anschlußrahmen 9 besteht entweder aus einer Kupferlegierung oder einer Eisen-Nickel-Legierung usw . . Ein Schaltungssubstrat 2 umfaßt ein Basisteil 5 und Chipteile (6, 7), die darauf angebracht und befestigt sind.
Das Basisteil 5 besteht aus isolierendem Material, wie z. B. Aluminiumoxidkeramik, Epoxydglas, glasummanteltem Metall, oxidabgedecktem Silicium, Saphir usw . . Die Chipteile können irgendein aktives und/oder passives Element, wie z. B. ein aktives Halbleiterelement 6, das eine integrierte Schaltung bildet, einen Kondensatorchip 7, usw. enthalten. Diese Chipteile sind auf dem Basisteil 5 durch einen leitenden Bondharz aufgebondet und ihre Anschlüsse sind selektiv mit Bondflecken an dem Basisteil 5 verbunden und/oder gegenseitig miteinander verbunden. Das Schaltungssubstrat 2 ist an einer Trägerplatte 8 angebracht und ist darauf durch einen wärmebeständigen Klebstoff befestigt. Eine Vielzahl von Anschlüssen 3 des Anschlußrahmens 9 ist auf jeder Seite des Schaltungssubstrats 2 angeordnet, und ein Anschluß 3 besteht aus einem inneren Anschluß 31 und einem äußeren Anschluß 32. Ein innenseitiges Ende eines inneren Anschlusses 31 ist selektiv mit einem Bond-Fleck an dem Basisteil 5 verbunden. Die gesamte Struktur ist mit der Ausnahme von wesentlichen Abschnitten der Anschlüsse 3 in einem Formgehäuse 4 aus Epoxydharz eingegossen, wodurch eine vollständige, hybride, integrierte Schaltung 1 ausgebildet ist.
Die Chipteile 6, 7 sind als Erläuterungen von aktiven und passiven Elementen erwähnt. Diese Elemente, die in Ausführungsformen der Erfindung verwendet werden, sind jedoch nicht auf Chipteile beschränkt. Z.B. können sie Dick- oder Dünnfilmteile (nicht gezeigt in Fig. 2) sein, die Kondensatoren oder Widerstände bilden, die direkt auf dem Basisteil 5 durch Siebdruck- oder Sputterverfahren ausgebildet werden.
Die Anschlüsse 3 und die Trägerplatte 8 sind einstückige Teile des Anschlußrahmens 9, und die Trägerplatte 8 hat einen Umriß von quadratischer Form, die eine quadratische Öffnung 80a darin hat. Die Trägerplatte 8 hat deshalb vier Streifen, die einen quadratischen Umriß bilden, und ist mit dem Rest des Anschlußrahmens durch Trägerbalken 10 verbunden. Die Öffnung 80a ist mit einer vorgegebenen Größe derart ausgebildet, daß die verbleibenden, vier Seitenstreifen der Trägerplatte 8 von ausreichender Größe sind, um das Basisteil 5 zu tragen bzw. zu halten, wobei es bevorzugt wird, daß das Basisteil 5 sich nicht über die äußersten Umrißkanten der Trägerplatte hinaus erstreckt. Abmessungen des Basisteils 5 werden durch unterbrochene Linien 2 in Fig. 3 angegeben. Die Trägerplatte 8 befindet sich zentral in dem Anschlußrahmen 9, und innenseitige Enden der inneren Anschlüsse 31 sind nahe an der Trägerplatte 8 für eine einfache Verbindung durch einen Drahtbond- Vorgang mit Bondflecken an dem Schaltungssubstrat 2 angeordnet. Ein äußerer Rahmenabschnitt 11 und ein Zwischenverbindungsbalken 12 zwischen Anschlüssen 3 werden nach dem Formungsvorgang entfernt.
Die Öffnung 80a hat die Funktion, zu veranlassen oder zu erlauben, daß Harzmaterial frei zu der Bodenoberfläche des Schaltungssubstrats 2 (Basisteil 5) fließen kann und daran während eines Formungsvorgangs des Formgehäuses 4 unter Verwendung eines Spritzpreßverfahrens haftet.

TABELLE 1

Teil Name (Material) Haftstärke gegenüber Scherkraft (kg/mm²)
Anschlußrahmen (Kupferlegierung) 0, 2
Halbleiterchip (Silicium) 5,0
Basisteil (Aluminiumoxid) 6,0
Basisteil (Epoxydglas) 2,0
Haft stärken gegenüber Scherkraft von Bondverbindungen zwischen dem Epoxydharz des Formgehäuses 4 und anderen Teilen, wie z. B. dem Basisteil 5 und der Trägerplatte 8, die darin enthalten ist, werden in der TABELLE 1 gezeigt.
Die Funktionen der Öffnung 80a, die in der Trägerplatte 8 ausgebildet ist, wird als nächstes erläutert.
Wenn die Vorrichtung 1 erwärmt wird, werden das Formgehäuse 4, das Schaltungssubstrat 2, die Trägerplatte 8 usw. unterschiedlichen Ausdehnungswerten ausgesetzt. Das Formmaterial des Gehäuses 4 kommt direkt in Berührung mit dem Basisteil 5 durch die Öffnung 80a (von vorgegebener Größe), und deshalb ist in diesem Fall (wie in der TABELLE 1 ersichtlich ist) die Haftstärke der Haftung des Formgehäuses 4 mit dem Basisteil 5 viel größer als die Haftstärke, die in einem Fall erreicht wird, bei dem eine Trägerplatte ohne eine Öffnung wie in den früheren Vorschlägen verwendet wird. Der untere Abschnitt des Gehäuses 4 unter dem Basisteil 5 wird starrer damit befestigt und kann nicht leicht von der Bodenoberfläche des Basisteils 5 wegbewegt werden.
Des weiteren, da das effektive Gebiet der Trägerplatte 8 beträchtlich reduziert ist, wird auch Spannung aufgrund der Ausdehnung der Trägerplatte reduziert und weiter zu den gesamten Randabschnitten davon verteilt, was in der Vermeidung von Spannungskonzentration nur an dem äußeren Randabschnitt resultiert. Die obenstehenden zwei Faktoren tragen dazu bei, die Änderungen für das Reißen des Gehäuses 4 zu eliminieren oder zu reduzieren.
Die Rißauftritts-Wahrscheinlichkeit steigt signifikant an, wenn die Gehäusegröße größer wird, wenn eine Trägerplatte ohne eine Öffnung verwendet wird. Die Fig. 4(a) ist ein Kurvenverlauf, der Daten illustriert, die die Beziehungen zwischen dem Besetzungsprozentsatz X des Schaltungssubstrats 2 und der Neigung zum Auftreten eines Risses für verschiedene Gehäusegrößen (für Trägerplatten ohne Öffnungen) angibt. Der Besetzungsprozentsatz wird entlang der Abszisse angegeben und wird durch das Verhältnis des Oberflächengebiets S&sub0; des Schaltungssubstrats 2 (Basisteil 5) zu dem Hauptoberflächengebiet S&sub1; des Formgehäuses bestimmt. Die Neigung für das Auftreten von Rissen ist entlang der Ordinate angegeben und wird durch die Anzahl von Erwärmungszyklen bestimmt, die benötigt werden, bis eine 10-%ige Auftrittsrate für Rißdefekte zwischen den Teststücken beobachtet wird. Der Besetzungsprozentsatz X ist deshalb durch ein Verhältnis S&sub0;/S&sub1; ausgedrückt, wobei S&sub0; das Oberflächengebiet des Schaltungssubstrats 2 definiert und S&sub1; das Hauptoberflächengebiet des Formgehäuses definiert, wie in der Fig. 4(b) gezeigt ist.
Um die obenstehenden Tests durchzuführen, wurde eine große Anzahl von Schaltungssubstraten, die eine quadratische Form und eine Dicke von 0,5 mm aber unterschiedliche Besetzungsprozentsätze hatten, in jeder von fünf Gruppen hergestellt, die jeweils unterschiedliche Formgehäusegrößen hatten. Des weiteren wurde eine große Anzahl von Anschlußrahmen, die unterschiedliche Größen für die Trägerplatte mit quadratischer Form ohne eine Öffnung hatten, entsprechend jeder der fünf Gehäusegrößen-Gruppen hergestellt. Der Besetzungsprozentsatz wird 80%, wenn die Oberflächengebiete der Trägerplatte und des Schaltungssubstrats gleich sind.
Um die Teststücke herzustellen, wurde jedes der Schaltungssubstrate an der quadratischen Trägerplatte eines Anschlußrahmens angebracht und durch einen Klebstoff daran fixiert. Jedes Teststück, das eine Dicke von 4 mm des Formgehäuses 4 hat und wie in der Fig. 4(b) gezeigt ist, wurde nach der Formung in Epoxydharz durch ein Spritzpreßverfahren erhalten. Unterschiedliche Gehäuseumrißabmessungen wurden hergestellt, indem die Abmessungen der Spritzgußform geändert wurden. Auf diese Art und Weise wurden Teststücke in fünf unterschiedlichen Gehäusegrößengruppen erzeugt, wobei jede Gruppe unterschiedliche Besetzungsprozentsätze enthielt.
Das Teststück wurde einem Erwärmungszyklustest unterzogen, der die Schritte des Eintauchens in eine Lösung bei -55ºC für fünf Minuten und des Eintauchens in eine Lösung bei 125ºC für fünf Minuten enthielt. Die Anzahl der Erwärmungszyklen, die dazu benötigt wurden, um einen Zustand zu erreichen, bei dem 10% der Teststücke einen Gehäuseriß aufwiesen, wurde für jede Gehäusegröße und jeden Besetzungsprozentsatz gemessen. Die Ergebnisse sind in der Fig. 4(a) gezeigt.
In der Fig. 4(a) bezeichnet X das Verhältnis des Oberflächengebiets S&sub0; des Schaltungssubstrats mit dem Hauptoberflächengebiet S&sub1; des Gehäuses. Es ist aus der Figur ersichtlich, daß, wenn entweder die Packungsgröße größer wird oder der Besetzungsprozentsatz X größer wird, das Gehäuse eher einem Riß unterliegt. Die Neigung zum Brechen bzw. Reißen kommt stärker zum Ausdruck, wenn die Gehäusegröße stärker anwächst. Wenn X größer als 60% ist, kann ein Gehäuse mit der geringsten Größe, 10 · 10 mm², nicht 1000 Erwärmungszyklen standhalten, was das Kriterium ist, das für die Beurteilung verwendet wird, ob ein Gehäuse in der Praxis verwendet werden kann oder nicht.
Dies ist ein ernstes Problem bei hybriden, integrierten Schaltungen, die Schaltungssubstrate von größerer Größe und einen hohen Besetzungsprozentsatz X haben. Im allgemeinen hat eine integrierte Halbleiterschaltung, die einen einzigen Halbleiterchip enthält, in den meisten Fällen ein Oberflächengebiet von ungefähr 15 · 15 mm² und der Besetzungsprozentsatz X (Verhältnis des Gebiets des Halbleiterchips zu dem Gehäuseumriß) ist kleiner als 50%, meistens geringer als 30%. Unter diesen Bedingungen ist der Halbleiterchip vollständig durch Epoxydharz abgedeckt und in dem Gehäuse untergebracht und es gibt nur eine geringe Wahrscheinlichkeit dafür, daß ein Gehäuseriß auftritt. Deshalb ist ein Gehäuseriß fast nicht beachtet worden. Wenn der Besetzungsprozentsatz X über 60% ansteigt, wird die Dicke in dem Gehäuse vergleichsweise klein und das Formgehäuse wird sehr empfindlich für Risse. Wenn die Gehäusegröße weiter über 20 · 20 mm² ansteigt, wird die Widerstandsfähigkeit gegenüber einem Reißen weiter abgesenkt, und schließlich wird es fast unmöglich, verwendbare Vorrichtungen zu erhalten, wenn eine quadratische Trägerplatte ohne Öffnung verwendet wird.
Eine hybride, integrierte Schaltung in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ermöglicht die Anwendung eines Besetzungsprozentsatzes X des Schaltungssubstrats in einem Bereich größer als 60% ohne ein signifikantes Gehäusereißen, mit dem Ergebnis, daß die Gehäusegröße kleiner gemacht werden kann und die Integrationsdichte erhöht werden kann.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Trägerplatte, die eine Öffnung hat, verwendet. Zur Hilfestellung bei der Erläuterung wird Bezug auf die Fig. 2 und 3 genommen, wo eine Öffnung 80a, die es erlaubt, daß Harzmaterial zu der Bodenoberfläche des Schaltungssubstrats 2 fließt, in der Trägerplatte 8 ausgebildet ist.
Fig. 5 ist ein Kurvenverlauf, der Erwärmungszyklus- Testergebnisse darstellt, wenn die Tests bezüglich hybrider, integrierter Schaltungen durchgeführt wurden, die mit Öffnungen 80a in ihren Trägerplatten versehen waren. Die Schaltungen wurden abwechselnden Eintauchschritten in Lösungen bei -55ºC und 125ºC für jeweils fünf Minuten unterzogen. Für die hybriden, integrierten Schaltungen, die für die Tests verwendet wurden, wurden Anschlußrahmen aus einer Kupfer-Legierung eingesetzt, und die Schaltungssubstrate hatten ein Oberflächengebiet von 28 · 28 mm² und der Besetzungsprozentsatz X von ihnen zu dem Formgehäuse betrug ungefähr 67%.
Ein Gebietsverhältnis Y in Prozent wird durch die folgende Gleichung bestimmt,
Y = Öffnungsgebiet der Trägerplatte/Bodenoberflächengebiet des Schaltungssubstrats·100 (%)
Wenn die außenseitige, periphere Form, in dem Fall der Fig. 5 ein Quadrat, der Trägerplatte, die eine Öffnung hat, nicht die gleiche wie die des Schaltungssubstrats ist, wird der Zähler der obenstehenden Gleichung bevorzugterweise in einen genaueren Ausdruck modifiziert, wie z. B. "das freiliegende Bodengebiet des Schaltungssubstrats, das direkt das Formgehäuse berührt". Wenn beide außenseitigen Abmessungen der Trägerplatte und der Substratschaltung die gleichen sind oder größer werden, sind die beiden Definitionen gleich oder geben fast das gleiche Gebiet an.
Die Testergebnisse sind in der Fig. 5 illustriert, und die Kurven darin geben die Wahrscheinlichkeit dafür, daß ein Formgehäuse reißt, gegenüber der Anzahl der Erwärmungszyklen an, die darauf angewendet werden. Wenn das Gebietsverhältnis Y größer wird, bewegt sich die Kurve zur rechten und unteren Region in Fig. 5 hin, was bedeutet, daß die Rißauftritts-Wahrscheinlichkeit abnimmt. Jede Kurve, die zu einem spezifischen Wert von Y gehört, wurde unter Verwendung von 50 Teststücken erhalten. Die Testergebnisse machen klar, daß das Rißauftreten kontrolliert werden kann, indem die Öffnung 80a in der Trägerplatte 8 vorgesehen wird.
Auch wenn Y größer als 50% gemacht wird, kann das Formgehäuse über 1000 Erwärmungszyklen standhalten, und es gibt deshalb kein Problem beim herkömmlichen, praktischen Einsatz. Des weiteren, wenn das Gebietsverhältnis Y größer als 80%, bevorzugterweise 90%, gemacht wird, können hybride, integrierte Schaltungen erhalten werden, die in der Praxis keine Gehäuserißprobleme zeigen.
In den Fig. 2 und 3 ist eine Öffnung von quadratischer Form in der Trägerplatte ausgebildet. Die Form der Öffnung braucht jedoch nicht auf die quadratische Form beschränkt sein. Eine rechteckige Form kann verwendet werden, z. B., wenn das Schaltungssubstrat rechteckig ist. Die Form kann in Abhängigkeit vom Design des Schaltungssubstrats geändert werden.
Fig. 6(a) illustriert eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Figur zeigt nur eine teilweise Aufsicht auf einen Anschlußrahmen, wobei äußere Anschluß- und Rahmenabschnitte davon weggelassen sind, da die weggelassenen Abschnitte des Anschlußrahmens im wesentlichen die gleichen wie die in Fig. 3 sind. Vier quadratische Stufen 100 bilden die Trägerplatte, wobei die Stufen an jeweiligen Ecken einer angenommenen quadratischen Form, die eine Seitenlänge 84 hat, vorgesehen sind. Jede Stufe 100 ist mit dem Rest des Anschlußrahmens durch einen einzelnen Trägerbalken 10 gehalten und verbunden, der sich in einer nach außen gerichteten Diagonalrichtung erstreckt. Gestrichelte Linien 80e bezeichnen schematisch die Öffnung der Trägerplatte 8, die im wesentliche die gleiche ist, wie das freiliegende Bodenoberflächengebiet des Schaltungssubstrats 2. Ähnliche gestrichelte Linien und ähnliche Bezugszeichen zu 80e werden in den nachfolgenden Figuren verwendet.
Eine Stufe 100 muß nicht auf die quadratische Form beschränkt sein, sondern kann rechteckig oder kreisförmig sein. Des weiteren kann die Anzahl der Stufen in Abhängigkeit von der Größe des Schaltungssubstrats 2 erhöht werden.
Die Fig. 6(b) und 6(c) illustrieren zweite und dritte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
In der Fig. 6(b) werden Paare von Stufen 100 durch Verbindungsbalken 101 verbunden, und in der Fig. 6(c) sind alle vier Stufen durch vier Verbindungsbalken 101 verbunden.
In beiden Figuren haben Verbindungsbalken 101 eine Weite W&sub1; kleiner als W&sub0; der Stufe 100. In Trägerplatten mit diesen Strukturen wird eine effektive Stabilisierung der Stufenpositionen zueinander bewirkt, wenn das Schaltungssubstrat 2 groß wird.
Die Fig. 6(d) und 6(e) illustrieren vierte und fünfte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, die weitere Modifikationen der Ausführungsform der Fig. 6(a) sind. In der Fig. 6(d) wird jede Stufe 100 durch zwei Trägerbalken 10' und 10'' getragen. In der Fig. 6(e) wird jede Stufe 100 durch drei Trägerbalken 10, 10' und 10'' gehalten. Wenn die Trägerbalkenstruktur für eine Stufe aus einem einzigen Trägerbalken besteht, wie z. B. in der Fig. 6(a) gezeigt ist, ist die mechanische Stabilität manchmal unzureichend, z. B., wenn das Schaltungssubstrat 2 an der Stufe 100 angebonded ist, ist die Stufe leicht einer Deformation oder einer Positionsverschiebung ausgesetzt, was in einer schlechten Qualität beim Draht-Bonden und anderen Eigenschaften resultiert.
Andererseits erhöhen die Strukturen, die in den Figuren 6(d) oder 6(e) gezeigt sind, die Trägerstabilität der Stufen 100, indem die Anzahl der Trägerbalken auf 2 oder 3 erhöht wird.
Die TABELLE 2 zeigt gemessene Verschiebungen einer Stufe 100 nach dem Bonden eines Schaltungssubstrats 2 darauf für zwei unterschiedliche Trägerbalken-Strukturen, wie in den Fig. 6(a) bzw. 6(d) gezeigt ist. Die Verschiebungen wurden in jeder der X-, Y-, und Z-Richtungen gemessen. Teststücke für diese Messungen hatten Strukturen derart, daß Stufen 100 sich im wesentlichen an jeder Ecke eines Quadrats 24 · 24 mm² befanden, d. h., daß die Seitenlänge 84 der Fig. 6(a) ungefähr 24 mm betrug, und eine Stufe 100 ein Quadrat von 3 · 3 mm² bildete. Die Weite der Trägerbalken 10, 10' und 10'' der Fig. 6(d) betrug ungefähr 0,65 mm und die Länge der Trägerbalken 10 der Fig. 6(a) betrug ungefähr 12 mm und die Länge der Trägerbalken 10', 10'' zu einem Verbindungsbalken 13 in Fig. 6(d) betrug ungefähr 8,5 mm. Die Basisteile die die Schaltungssubstrate bilden, hatten eine Größe von 23 · 23 mm² und waren aus Aluminiumoxidkeramik gefertigt, die eine Dicke von 0,5 mm hatte, und waren an den Stufen durch wärmewiderstandsfähigen Siliciumharz angebonded. Die Tabelle 2 zeigt Durchschnittsdaten für 50 Teststücke für beide Typen, gemessen mittels einer Meßuhr und einem Mikroskop. TABELLE 2 Typ der Trägerplatte Verschiebung X-Richtung Figur
Wie in der TABELLE 2 zu sehen ist, nimmt die Verschiebung um einen Faktor von ungefähr 10 ab, wenn die Anzahl der Trägerbalken von einem auf zwei geändert wird. In der Fig. 6(d) werden zwei Trägerbalken 10' und 10'' für eine Stufe verwendet, wobei deren Richtungen einen rechten Winkel bilden und parallel zu den Seiten der Stufe sind. Durch Erhöhen der Anzahl der Trägerbalken auf drei, wie in der Fig. 6(e) gezeigt ist, kann eine weitere Verbesserung für das Formen einer größeren Größe von Schaltungssubstrat erwartet werden. In der Fig. 6(e) bilden zwei Trägerbalken 10' und 10'' einen rechten Winkel, wobei jede Richtung parallel zu einer Seite einer quadratischen Form ist, und wobei der übrige Trägerbalken 10 in einer nach außen gerichteten Diagonalrichtung angeordnet ist.
Die Fig. 6(f) und 6(f') illustrieren eine sechste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei Figur 6(f) eine teilweise Aufsicht auf einen Anschlußrahmen zeigt und Fig. 6(f') einen Querschnitt entlang der Linie A-A' in Fig. 6(f) zeigt. Die Aufsicht ist sehr ähnlich zu der von Fig. 6(c), aber, wie in der Fig. 6(f') gezeigt ist, ist eine Stufe 100 zu einer unteren Position von einem ursprünglichen Rahmenniveau weg verschoben. Andererseits sind die innenseitigen Enden der inneren Anschlüsse 31 nach oben zu einer oberen Position gebogen, um die Bond-Positionen der inneren Anschlüsse und des Schaltungssubstrats zu dem gleichen Niveau zu bringen, auch wenn ein dickes Schaltungssubstrat verwendet wird. In der Fig. 6(f') hat ein Verbindungsbalken 101 zwei weitere schräge Abschnitte und einen horizontalen Abschnitt, die dazu beitragen, Spannung abzuleiten.
Fig. 7 zeigt einen schematischen Schnitt einer hybriden, integrierten Schaltung, wenn ein Schaltungssubstrat auf diesem Typ von Anschlußrahmen (Fig. 6(f)) angebracht wird, der nach oben deformierte, innere Anschlüsse und abgesenkte Stufen hat und in einem Gehäuse eingegossen ist.
Die Fig. 6(g) und 6(g') illustrieren eine siebte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei Fig. 6(g) eine Aufsicht auf die Trägerplatte ist und Fig. 6(g') eine Querschnittsansicht davon ist. Ein Verbindungsbalken 101 hat eine Welle in der gleichen Ebene wie die Stufen 100. Die Welle macht die Trägerplatte flexibler und hat den Effekt des Spannungsableitens zwischen dem Schaltungssubstrat 2 und der Trägerplatte.
Die Fig. 6(h) und 6(h') illustrieren eine achte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die eine Modifikation der Ausführungsform von Fig. 6(d) ist. Die Drauf- oder Aufsicht der Fig. 6(h) ist ziemlich ähnlich zu der der Fig. 6(d). Wie aus der Fig. 6(h') jedoch zu ersehen ist, die eine Querschnittsansicht entlang der Linie A-A' der Fig. 6(h) ist, sind die Stufen 100 abgesenkt und innere Anschlüsse 31 sind nach oben gebogen, mit dem Ergebnis, daß die innenseitigen Enden der inneren Anschlüsse 31 auf dem gleichen Niveau wie die Oberfläche des Substrats 2 beibehalten sind.
Die Fig. 6(i) und 6(i') illustrieren eine neunte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die eine Modifikation der Ausführungsform der Fig. 6(c) oder der Fig. 6(d) ist. Die Stufen 100 sind gegenseitig miteinander durch Verbindungsbalken 101 verbunden und haben jeweils zwei Trägerbalken 10' und 10''. Die Stufen 100 sind abgesenkt und die innenseitigen Enden der inneren Anschlüsse 31 sind nach oben gebogen, wie in der Fig. 6(i') gezeigt ist, was ähnlich in dieser Hinsicht zu den Fig. 6(f') und 6(h') ist.
Die Fig. 8 ist ein Kurvenverlauf, der eine Beziehung zwischen dem Biegewert t und dem Weitenverhältnis W&sub1;, W&sub0;, zwischen einem Verbindungsbalken und einer Stufe illustriert. Diese Bezeichnungen (t, W&sub1;, W&sub0;) werden in den Illustrationen angegeben, die in Fig. 8 eingesetzt sind. Die Form des Anschlußrahmens, der zum Erhalten von Testdaten für den Kurvenverlauf verwendet wurde, war von dem Typ, der durch die Fig. 6(c) offenbart ist. Das Bezugszeichen L bezeichnet die Seitenabmessung eines quadratischen Umrisses der Trägerplatte, die in einer Länge von 24 mm ausgewählt wurde. Die Abmessung W&sub0; wurde zu 3 mm ausgewählt. Der Biegewert t wurde gemessen, wenn die Anordnung aus Schaltungssubstrat und Anschlußrahmen auf 175ºC erwärmt wurde, die die Gehäuseformungs-Temperatur ist. Fig. 8 zeigt, daß je kleiner die Weite des Verbindungsbalkens ist, desto geringer der Biegewert ist.
Fig. 9 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen dem Biegewert t und der Form des Verbindungsbalkens illustriert. Ähnliche Tests wurden bei 175ºC unter Verwendung von Anschlußrahmen durchgeführt, die Trägerplattenstrukturen hatten, wie in der Fig. 6(c) und den Fig. 6(f), 6(f') gezeigt ist. Die erstere Gruppe hat einen größeren Biegewert t als die letztere Gruppe, in der der Trägerbalken (absichtlich) gebogen und die Stufe abgesenkt wurde.
Fig. 10 ist eine Kurve, die die Wahrscheinlichkeit eines Gehäuserisses gegenüber einer Anzahl von Erwärmungszyklen illustriert. Die Tests zum Erhalten der Kurvendaten wurden durchgeführt, indem Teststücke verwendet wurden, die einem Gebietsverhältnis Y von ungefähr 60% und eine Seitenabmessung L von 23 mm in der Fig. 8 hatten. In der Fig. 10 ist der Kurvenverlauf, der durch eine eingekreiste 1 gezeigt ist, eine Reproduktion des Kurvenverlaufs für Y = 0% in Fig. 5; der Kurvenverlauf, der durch eine eingekreiste 2 angegeben wird, illustriert die Riß-Wahrscheinlichkeitsdaten für die Trägerplattenstruktur der Fig. 6(c), wobei W&sub1; /W&sub0; gleich 0,2 ist; der Kurvenverlauf, der durch die eingekreiste 3 angegeben ist, zeigt Daten für die Fig. 6(b); der Kurvenverlauf, der durch eine eingekreiste 4 angegeben ist, zeigt Daten für die Fig. 6(f), wobei W&sub1;/W&sub0; als 0,2 gegeben ist; und der Kurvenverlauf, der durch die eingekreiste 5 gezeigt ist, zeigt Daten für sowohl die Struktur der Fig. 6(a) als auch die Struktur, die von Fig. 6(b) modifiziert wurde, in der ein Verbindungsbalken eine Welle hat.
Fig. 10 zeigt, daß die Riß-Auftrittswahrscheinlichkeit (gegenüber der Anzahl von Erwärmungszyklen) signifikant reduziert werden kann, indem die Öffnung in der Trägerplatte vorgesehen wird, auch wenn die hybride, integrierte Schaltung einen hohen Besetzungsprozentsatz (Verhältnis von Schaltungssubstrat-Gebiet zu Gehäusegröße) hat.
Durch die fortdauernde Neigung zu höheren Integrationsdichten sind integrierte Schaltungen, z. B. hybride, integrierte Schaltungen, erforderlich, in denen aktive Halbleiterelemente (und passive Elemente, wie z. B. Kondensatoren und Widerstände) an beiden Oberflächen eines Basisteils 5, das ein Schaltungssubstrat 2 bildet, angebracht sind. Die Fig. 11(a) ist eine schematische Querschnittsansicht eines Beispiels einer solchen (hybriden) Vorrichtung.
Chipkondensatoren 7 sind an beiden Seiten des Basisteils 5 angebracht und ein Halbleiterchip 6 und Widerstand 7' sind auf der oberen Oberfläche davon angebracht. Das zusammengebaute Schaltungssubstrat 5 wird auf einer Stufe 100 einer Trägerplatte gebonded und in einem Gehäuse 4 eingekapselt. Der verwendete Anschlußrahmen ist von einem Typ ähnlich dem, der in den Fig. 6(f) und 6(f') gezeigt ist, aber die inneren Anschlüsse 31 sind nicht nach oben gebogen.
Fig. 11(b) ist eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die Elemente hat, die an beiden Oberflächen eines Basisteils angebracht sind, in diesem Fall eine hybride Vorrichtung. Ein Anschlußrahmen, wie er z. B. in der Fig. 6(h) illustriert ist, wird in dieser Ausführungsform verwendet. In dieser Figur sind zwei integrierte Halbleiterschaltungschips 6 an einer Vorderoberfläche des Schaltungssubstrats 2 angebracht und passive Chipelemente 7, wie z. B. ein Widerstand, ein Kondensator usw., sind an beiden Oberflächen des Schaltungssubstrats 2 verlötet.
Wenn beide Oberflächen des Basisteils für einen Chip (oder ein anderes Element) verwendet werden, kann ein Anschlußrahmen, der eine Trägerplatte ohne eine Öffnung hat, nicht verwendet werden. Somit können integrierte Schaltungen (z. B. hybride Schaltungen) gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung besondere Vorteile haben, wenn beide Oberflächen eines Chipsubstrats zum Anbringen von Chipteilen oder Elementen verwendet werden.
Um ein Schaltungssubstrat 2 auf einer Stufe 100 eines Anschlußrahmens zu befestigen, wird ein Bond-Verfahren allgemein verwendet, das einen Klebstoff verwendet. Ein anderes Verfahren kann jedoch verwendet werden, bei dem das Schaltungssubstrat 2 durch oder zwischen einem Paar von Klemm- oder Quetschabschnitten der Stufe eingeklemmt oder eingequetscht wird. Fig. 12 ist eine schematische Querschnittsansicht einer Vorrichtung, in der Endabschnitte einer Stufe 85 in obere und untere Abschnitte 85a und 85b unterteilt sind. Die Abschnitte 85a und 85b klemmen oder quetschen einen Rand oder eine Kante eines Schaltungssubstrats 2 ein.
Wie mit Bezug auf die Fig. 8 und 9 erläutert wurde, verformt sich ein zusammengebauter Anschlußrahmen und Schaltungssubstrat 2 nach unten, wenn sie auf bis zu 170ºC bis 180ºC während eines Formungsvorgangs erwärmt werden. Der Biegewert t wird abgebaut, indem die Öffnung in der Trägerplatte 8 vorgesehen wird, aber die Biegung oder Verformung verbleibt nach dem Formen. Dies wird in der Querschnittsansicht der Fig. 13 illustriert, in der x&sub1; und x&sub2; Dicken von oberen und unteren Abschnitten eines Formgehäuses 4 bezüglich des Basisteils 5 bezeichnen, das das Schaltungssubstrat 2 mit Chipteilen (nicht gezeigt) bildet. In den Figuren repräsentiert x&sub2; eine Abmessung (Dicke) unterhalb der Trägerplatte 8, die im wesentlichen gleich zu der unterhalb des Basisteils 5 ist. Im allgemeinen werden x&sub1; und x&sub2; als fast gleich ausgewählt, wie in der Fig. 13 gezeigt ist, und die verkapselte Vorrichtung zeigt als gesamtes eine Biegung nach unten. Zustände, die während eines Spritzpreßvorgangs auftreten, werden schematisch und etwas übertrieben in den Fig. 14(a) und 14(b) gezeigt. In der Fig. 14(a) werden die zusammengebauten Teile in eine Formungskammer 20 eingesetzt und auf ungefähr 175ºC erwärmt, und das Schaltungssubstrat 2 und die Trägerplatte 8 zeigen eine nach unten gerichtete, konvexe Biegung. Nach einer Einspritzung von Epoxyd-Harzmaterial wird das Formgehäuse auf Raumtemperatur abgekühlt. Bei diesem Vorgang sind die Schrumpfkräfte in den oberen und unteren Abschnitten des Formgehäuses bezüglich des Schaltungssubstrats 2 fast gleich; der Harzguß härtet deshalb ohne Rückgängigmachung der gebogenen bzw. gekrümmten Form aus.
Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet eine Gehäusestruktur, wie sie in den Fig. 15(a) und 15(b) illustriert ist, um die obenstehenden Probleme zu lösen.
Fig. 15(a) ist eine Aufsicht auf eine Ausführungsform, in der ein oberer Abschnitt des Formmaterials teilweise entfernt ist, und Fig. 15(b) ist eine Querschnittsansicht davon. Die Teile, die darin verwendet werden, sind ähnlich zu jenen, die in den vorhergehenden Ausführungsformen verwendet werden. Die Vorrichtung kann eine hybride oder eine nicht-hybride Vorrichtung sein, mit Elementen, die an einer oder an beiden Seiten eines Schaltungssubstrats angebracht sind. In der illustrierten Ausführungsform hat ein Schaltungssubstrat 2 eine quadratische Größe von 23 · 23 mm² und eine Dicke von 0,6 mm.
Um die Vorrichtungsdeformation festzustellen, wurden Dickfilmwiderstände von 10 Kilo-Ohm auf beiden Seiten eines Basisteils 5 durch ein Druckverfahren (anstelle des Ausbildens des Schaltungssubstrats 2 mit Chipteilen) ausgebildet. Ein Filmwiderstand ist ein sensitives, passives Element, das einfach dazu verwendet werden kann, um eine Deformation des Substrats auf dem der Widerstand ausgebildet ist, festzustellen.
Die Symbole x&sub1; und x&sub2; (siehe Fig. 16(b)) bezeichnen die Dicke von unteren bzw. oberen Abschnitten des Formgehäuses. Verschiedene Arten von Teststücken wurden hergestellt, um die Messung einer Deformation zu ermöglichen, die von einer Beziehung zwischen x&sub1; und x&sub2; abhängt, und die besten Bedingungen wurden gesucht. Die gesamte Dicke von x&sub1; und x&sub2; wurde über einen Bereich zwischen 3 mm und 5 mm geändert und das Verhältnis x&sub1;/x&sub2; wurde über einen Bereich zwischen 0,3 und 1,5 geändert. Wenn der beste Zustand gefunden ist, wird die Vorrichtung in dem Formungsvorgang geformt, wie in den Fig. 16(a) und 16(b) gezeigt ist, die Illustrationen einer Art ähnlich zu den Fig. 14(a) und 14(b) sind. Wenn die zusammengesetzten Teile auf ungefähr 175ºC erwärmt werden, ist eine nach unten verlaufende, konvexe Biegung in der Fig. 16(a) wie in der Fig. 14(a) zu sehen. Wenn jedoch das Teststück ein Verhältnis x&sub1;/x&sub2; von einem selektiven, vorgegebenen Wert in der Herstellung hat, in diesem Fall x&sub1; < x&sub2;, gewinnt die gekapselte Vorrichtung ihre ursprüngliche, flache Oberfläche wieder, nachdem sie abgekühlt worden ist, wie in der Fig. 16(b) gezeigt ist.
Testergebnisse für Formgehäuse mit Filmwiderständen werden in den Kurvenverläufen der Fig. 17 und 18 gezeigt. Die Ordinaten der Kurven in beiden Figuren geben die Widerstandsänderung in Prozent an und die Abzissen geben das Verhältnis x&sub1;/x&sub2; von oberer Formdicke zu unterer Formdicke an. Fig. 17 zeigt Daten für Widerstände, die an den Vorderoberflächen der Basisteile 5 ausgebildet sind, und Fig. 18 zeigt Daten für Widerstände, die an den Bodenoberflächen davon ausgebildet sind.
Im allgemeinen steigt der Widerstandswert des Filmwiderstands an, wenn das Basisteil 5, auf dem der Filmwiderstand ausgebildet ist, einer nach oben gerichteten, konvexen Deformation ausgesetzt ist, und andererseits sinkt der Widerstandswert ab, wenn das Substrat einer nach oben gerichteten, konkaven Deformation ausgesetzt ist.
Teststücke wurden hergestellt unter Verwendung von Aluminiumoxidkeramik für das Basisteil 5, die einen Ausdehnungskoeffizienten von ungefähr 7,2 · 10&supmin;&sup6;/ºC hat, und unter Verwendung einer Kupferlegierung für die Trägerplatte, die einen Ausdehnungskoeffizienten von ungefähr 16,9 · 10&supmin;&sup6;/ºC hat. Die Ausdehnung des Ersteren ist viel kleiner als die des Letzteren, und zwar etwas weniger als die Hälfte des Letzteren. Wie in den Fig. 17 und 18 gezeigt ist, ist die Widerstandsänderung fast 0 (null), wenn x&sub1;/x&sub2; ungefähr 0,7 ist.
Wenn eine Widerstandsänderung innerhalb 0,2% erlaubt ist, wird das Dickenverhältnis x&sub1;/x&sub2; bevorzugterweise derart ausgewählt, daß es in einen Bereich zwischen 0,6 und 0,8 liegt.
In den obenstehenden Beispielstücken ist die Ausdehnung des Schaltungssubstrats 2 (Basisteil 5) kleiner als die der Trägerplatte 8, und deshalb wird die obere Dicke x&sub1; des Formgehäuses oberhalb des Basisteils 5 derart ausgewählt, daß sie kleiner als die untere Dicke x&sub2; darunter ist. Andererseits, wenn die Ausdehnung des Basisteils 5 größer als die der Trägerplatte 8 ist, z. B., wenn eine Eisen-Nickel-Legierung, wie z. B. die sogenannte "41 Legierung" dafür verwendet wird, zeigen das Schaltungssubstrat und die Trägerplatte eine nach oben gerichtete, konvexe Deformation, wenn sie erwärmt werden. Deshalb wird die obere Dicke x&sub1; der Formgehäuses oberhalb des Schaltungssubstrats derart ausgewählt, daß sie größer als die untere Dicke x&sub2; unter dem Schaltungssubstrat ist.
Die Teststücke haben Dickfilmwiderstände auf dem Basisteil, die Elemente sind, welche einer Deformation unterliegen. Andere Elemente, wie z. B. Kondensatoren und Halbleiterchips neigen auch dazu, die Eigenschaften aufgrund der Deformation zu ändern. Deshalb haben Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, die eine Gehäusestruktur haben, in der das Dickenverhältnis x&sub1;/x&sub2; selektiv ausgewählt wird, Merkmale mit geringerer Streuung in den Eigenschaften und eine hohe Qualität.
Eine integrierte Schaltung, z. B. eine hybride, integrierte Schaltung, in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält ein Schaltungssubstrat, auf dem zumindest eines von einem aktiven Element und passiven Element ausgebildet ist, einen Anschlußrahmen, der eine Trägerplatte hat, die eine Öffnung darin hat und die das Schaltungssubstrat darauf trägt und einen Formharz zum Kapseln des Schaltungssubstrats, der Trägerplatte und der inneren Anschlüsse des Anschlußrahmens. Eine Bodenoberfläche des Schaltungssubstrats ist freigelegt und freigemacht, um das Formharz durch die Öffnung hindurch zu berühren. Die Trägerplatte hat vier Stufen an den Ecken einer imaginären quadratischen oder rechteckigen Form, die zueinander beabstandet sind und das Substrat tragen. Das Bodenoberflächengebiet des Schaltungssubstrats ist nicht größer als die imaginäre, quadratische oder rechteckige Form. Die hybride, integrierte Schaltung hat ein Verhältnis von freiliegender Bodenoberfläche zu gesamter Bodenoberfläche größer als 50% und hat ein Verhältnis von Oberflächengebiet des Schaltungssubstrats zum Haupt- Oberflächengebiet der Form größer als 60%. Diese Struktur leitet mechanische Spannung ab, die in dem Formgehäuse verursacht wird, und beseitigt oder reduziert das Auftreten von Rißdefekten in der Form.
Des weiteren wird eine Gehäusestruktur für eine integrierte Schaltung zum Vermeiden oder Reduzieren einer Deformation davon in Übereinstimmung mit der Erfindung bereitgestellt, in der die Formdicke oberhalb und unterhalb des Schaltungssubstrats selektiv ausgewählt sind.
Des weiteren wird eine Gehäusestruktur für eine integrierte Schaltung in Übereinstimmung mit der Erfindung bereitgestellt, in der Elemente an beiden Hauptoberflächen eines Basisteils angebracht werden können.

Claims

1. Integrierte Schaltung, die aufweist:-

ein Schaltungssubstrat (2), das ein Basisteil (5) und zumindest ein Halbleiterelement (6, 7, 7') aufweist, und ein aktives Element oder ein passives Element, das an dem Basisteil (5) angeordnet ist,

einen Anschlußrahmen (9), der zumindest eine Vielzahl von Anschlüssen (3) und eine Trägerplatte (8) aufweist, die an nach außen gerichteten bzw. nach innen gerichteten Abschnitten des Anschlußrahmens (9) vorgesehen sind, und wobei jeder Anschluß (3) einen inneren Anschlußabschnitt (31) und einen äußeren Anschlußabschnitt (32) hat,

wobei das Schaltungssubstrat (2) an der Trägerplatte (8) angeordnet ist und selektiv, elektrisch mit inneren Enden der inneren Anschlußabschnitte (31) verbunden ist,

eine Form (4) aus Harzmaterial, die das Schaltungssubstrat (2), die Trägerplatte (8) und die inneren Anschlußabschnitte (31) kapselt, wobei das Verhältnis des Oberflächengebiets des Basisteils (5) zu dem Haupt-Oberflächengebiet des Formgehäuses größer als 60% ist, und

wobei die Trägerplatte (8) eine Öffnung (80) zum Freilegen der Bodenoberfläche des Basisteils (5) gegenüber der Form (4) hat, und das Verhältnis des freiliegenden Bodenoberflächengebiets zu dem gesamten Bodenoberflächengebiet davon größer als 50% ist, und worin

die Trägerplatte (8) vier Stufen (100; 85) hat, die an jeweiligen Ecken von entweder einer imaginären, quadratischen Form oder einer imaginären, rechteckigen Form angeordnet sind, wobei die Stufen (100; 85) voneinander beabstandet sind und das Basisteil (5) tragen und wobei das Bodenoberflächengebiet des Basisteils (5) nicht größer ist als das der imaginären, quadratischen oder rechteckigen Form.

2. Integrierte Schaltung, wie in Anspruch 1 beansprucht, worin das Verhältnis des freigelegten Bodenoberflächengebiets zu dem gesamten Bodenoberflächengebiet größer als 90% ist.

3. Integrierte Schaltung, wie in Anspruch 1 oder 2 beansprucht, worin das Basisteil (5) aus einem isolierenden Material besteht.

4. Integrierte Schaltung, wie in Anspruch 3 beansprucht, worin das isolierende Material eine Aluminiumoxidkeramik, ein Epoxydglas, ein glasbeschichtetes Metall, ein oxidabgedecktes Silicium oder Saphir ist.

5. Integrierte Schaltung, wie in Anspruch 1, 2, 3 oder 4 beansprucht, worin der Anschlußrahmen (9) aus einer Kupfer-Legierung oder Eisen-Nickel-Legierung besteht.

6. Integrierte Schaltung, wie in einem vorhergehenden Anspruch beansprucht, worin jede Stufe (100; 85) mit einem einzelnen Trägerbalken (10) versehen ist, der sie mit dem Rest des Anschlußrahmens (9) verbindet und der in einer nach außen gerichteten Diagonalrichtung angeordnet ist.

7. Integrierte Schaltung, wie in einem vorhergehenden Anspruch beansprucht, worin jede Stufe (100; 85) mit zwei Trägerbalken (10', 10'') versehen ist, die sie mit dem Rest des Anschlußrahmens (9) verbindet, wobei die Richtungen der Trägerbalken einen rechten Winkel bilden und wobei jede Richtung zu einer Seite der quadratischen oder rechteckigen Form parallel ist.

8. Integrierte Schaltung, wie in einem vorhergehenden Anspruch beansprucht, worin jede Stufe (100; 85) mit drei Trägerbalken (10, 10', 10'') versehen ist, die sie mit dem Rest des Anschlußrahmens (9) verbinden, wobei die Richtungen von zweien dieser Trägerbalken einen rechten Winkel bilden und wobei jede Richtung parallel zu einer Seite der quadratischen oder rechteckigen Form ist und wobei der restliche Trägerbalken in einer nach außen gerichteten Diagonalrichtung angeordnet ist.

9. Integrierte Schaltung, wie in einem vorhergehenden Anspruch beansprucht, worin die vier Stufen (100; 85) in zwei Paaren ausgebildet sind, jedes aus zwei benachbarten Stufen (100; 85), wobei die zwei Stufen (100; 85) jedes Paares gegenseitig durch einen Verbindungsbalken (101) zwischen ihnen verbunden sind und wobei der Verbindungsbalken (101) eine Weite hat, die kleiner als eine Seitenabmessung einer Stufe (100; 85) ist.

10. Integrierte Schaltung, wie in einem der Ansprüche 1 bis 8 beansprucht, worin die Trägerplatte (8) weiterhin vier Verbindungsbalken (101) aufweist, wobei jeder Verbindungsbalken (101) zwei benachbarte Stufen (100; 85) miteinander verbindet und eine Weite kleiner als eine Seitenabmessung einer Stufe (100; 85) hat.

11. Integrierte Schaltung, wie in Anspruch 6, 7 oder 8, oder Anspruch 9 oder 10, wenn sie angehängt an den Anspruch 6, 7 oder 8 gelesen werden, worin jeder Trägerbalken (10, 10', 10'') gebogen ist, was in einem Absenken des Niveaus der vier Stufen (100; 85) von dem Hauptniveau des Anschlußrahmens (9) resultiert, wodurch die Niveaudifferenz zwischen der oberen Oberfläche des Schaltungssubstrats (2) und den inneren Anschlußabschnitten (31) reduziert wird.

12. Integrierte Schaltung, wie in Anspruch 11 beansprucht, worin innere Anschlußabschnitte (31) weiterhin nach oben gebogen sind, um die innenseitigen Enden davon höher als das Hauptniveau anzuheben, wodurch die Niveaudifferenz weiter reduziert wird.

13. Integrierte Schaltung, wie in Anspruch 11 oder 12 beansprucht, wenn sie angehängt an die Ansprüche 9 oder 10 gelesen werden, worin der oder jeder Verbindungsbalken (101) zwei nach unten gerichtete, schräge Abschnitte und einen horizontalen Abschnitt dazwischen hat.

14. Integrierte Schaltung, wie in Anspruch 11 oder 12 beansprucht, wenn sie angehängt an den Anspruch 9 oder 10 gelesen werden, oder wie in Anspruch 13 beansprucht, worin jeder Verbindungsbalken (101) in der gleichen Ebene wie die Stufen liegt und eine Welle hat.

15. Integrierte Schaltung, wie in einem vorhergehenden Anspruch beansprucht, worin jede Stufe (85) in einer Form ausgebildet ist, die ein Paar von oberen und unteren Klemm- oder Quetschabschnitten (85a, 85b) bereitstellt, wobei ein Rand des Basisteils (5) zwischen ihnen eingeklemmt oder eingequetscht ist.

16. Integrierte Schaltung, wie in einem vorhergehenden Anspruch beansprucht, die Halbleiterelemente (6, 7, 7') an beiden oberen und unteren Oberflächen des Basisteils (5) hat.

17. Integrierte Schaltung, wie in einem vorhergehenden Anspruch beansprucht, die eine hybride, integrierte Schaltung mit zumindest einem aktiven (6) und einem passiven Element (7, 7') ist.

18. Integrierte Schaltung, wie in einem vorhergehenden Anspruch beansprucht, worin

die Dicke der Form (4) oberhalb des Basisteils (5) kleiner als die unterhalb des Basisteils (5) ist, wenn der thermische Ausdehnungskoeffizient des Schaltungssubstrats (2) kleiner als der der Trägerplatte (8) ist, oder

worin die Dicke der Form (4) oberhalb des Basisteils (5) größer als die unterhalb des Basisteils (5) ist, wenn der thermische Ausdehnungskoeffizient des Schaltungssubstrats (2) größer als der der Trägerplatte (8) ist.

19. Integrierte Schaltung, wie in Anspruch 18 beansprucht, worin eine Dicke der Form (4) oberhalb des Basisteils (5) kleiner als die unterhalb des Basisteils (5) ist, wenn das Basisteil (5) aus Aluminiumoxidkeramik und die Trägerplatte (8) aus einer Kupfer-Legierung besteht.

20. Integrierte Schaltung, wie in Anspruch 18 beansprucht, worin eine Dicke der Form (4) oberhalb des Basisteils (5) größer als die unterhalb des Basisteils (5) ist, wenn das Basisteil (5) aus einer Aluminiumoxidkeramik und das Trägerteil (8) aus einer Nickel-Eisen-Legierung besteht.

21. Integrierte Schaltung, wie in Anspruch 20 beansprucht, worin die Nickel-Eisen-Legierung eine 42-Legierung ist.

22. Integrierte Schaltung, wie in einem vorhergehenden Anspruch beansprucht, die eine hybride, integrierte Schaltung ist.