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Dokumentenidentifikation DE69828163T2 29.12.2005
EP-Veröffentlichungsnummer 0000980305
Titel GERÄT ZUM FORMEN VON KUNSTSTOFFVERPACKUNGEN
Anmelder Advanced Systems Automation Ltd., Singapore, SG
Erfinder CHEW, Seng, Hwee, Singapore 439826, SG;
TAN, Hui, Peng, Singapore 509067, SG
Vertreter Dr. Jostarndt & Kollegen Patentanwälte, 52074 Aachen
DE-Aktenzeichen 69828163
Vertragsstaaten DE, GB, NL
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 02.05.1998
EP-Aktenzeichen 989208152
WO-Anmeldetag 02.05.1998
PCT-Aktenzeichen PCT/SG98/00032
WO-Veröffentlichungsnummer 0098050216
WO-Veröffentlichungsdatum 12.11.1998
EP-Offenlegungsdatum 23.02.2000
EP date of grant 15.12.2004
Veröffentlichungstag im Patentblatt 29.12.2005
IPC-Hauptklasse B29C 45/02
IPC-Nebenklasse B29C 45/14   B29C 45/26   H01L 23/28   H01L 21/56   

Beschreibung[de]
Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein System zur Herstellung von Kunststoffverpackungen für Halbleiter, wie zum Beispiel Verpackungen für eine bestimmte Gehäuseform von integrierten Schaltkreisen, bei der die Anschlüsse (kleine Bälle aus Lötzinn) als Feld (array) angeordnet sind (ball grid array, BGA) durch ein Spritzpressverfahren (transfer molding). Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere das Einkapseln von auf einem Substrat vorhandenen integrierten Schaltkreisen in einer Kunststoffverpackung.

Stand der Technik

BGA Verpackungen versprechen die Nachteile von konventionellen Verpackungen, wie zum Beispiel "quad flat packs" (QFP), was die Kosten, die Energieableitung, die Geschwindigkeit und die Zahl der input/output (I/O) Anschlussstifte betrifft, zu beheben. Entscheidend für die Einhaltung dieser Vorteile ist die Fähigkeit der Elektronikindustrie, BGA-Verpackung zuverlässig und ökonomisch mit bestehenden Surface-Mount-Technologien und Vorrichtungen durch ein Spritzpressverfahren herzustellen. Meistens sind BGA-Verpackungen in ihren physikalischen Abmessungen kleiner und dünner als konventionelle Verpackungen mit vergleichbarer Geschwindigkeit und Anschlussstiftzahl. Gelegentlich können bei konventionellen Verpackungen nicht auftretende Probleme, wie zum Beispiel Drahtverwehungen (wire sweep), bedeutend werden, wenn BGA-Verpackungen für Anwendungen verwendet werden, die höhere Geschwindigkeiten und Anschlussstiftzahlen benötigen.

Darüber hinaus geht der Trend zunehmend zur Herstellung von miteinander verbundenen Systemen, wie so genannte „Multichipmodules" (MCM). MCM bezieht sich auf eine Verpackung, die mehr als einen Chip enthält und bis zu über hundert integrierte Hochleistungs-Silikon-Schaltkreise mit einer kundenspezifisch gestalteten Substratstruktur kombiniert. BGA Verpackungen arbeiten deshalb mit MCM, weil die Elektronikindustrie Erfahrung damit hat, standardmäßige Einzel-Chip-Module auf Leiterplatten mit einer hohen Ausbeute und niedrigen Kosten zusammenzufügen. Dennoch beeinträchtigt die vorherrschende Praxis die so genannte "glob topp" Einkapselung für MCMs, die Ausbeute und die finanziellen Vorteile von Surface-Mount-Technologien.

Zusätzlich offenbart die US 4,857,483, ausgestellt an Steffen, unter anderem, wie ein duroplastisches Harz auf das Äußere der Trennebene einer Transferform gespritzt werden kann, um die auf die dielektrischen Endlosstreifen montierten integrierten Schaltkreise einzukapseln. Der Schutz der Schaltkreise wird dadurch verbessert, während die Möglichkeit, die Streifen zu testen, erhalten bleibt.

Die EP 0 688 650 von Citizen Watch Co. Limited erklärt, wie ein integrierter Schaltkreis auf einer Leiterplatte durch ein Harz versiegelt werden kann, indem man die Leiterplatte über den Hohlraum einer metallischen Unterform befestigt und anschließend ein geschmolzenes Harz durch einen Gießkanal und einen Punktanschnitt (pinpoint gate) an der Unterseite des Hohlraums presst. Dabei wird das Harz auf die Leiterplatte gepresst, um die integrierten Schaltkreise auf der Leiterplatte zu umschließen.

Die US 5,286,426, ausgestellt an Rano, Jr u.a., beschreibt ein Verfahren zum Zusammenbau eines Befestigungsrahmens zwischen zwei Hohlraumplatten, bei dem der Befestigungsrahmen an der Unterseite der Hohlraumplatte angebracht ist. Führungsstifte dienen dazu, den Befestigungsrahmen akkurat zu positionieren, da eine ungenaue Positionierung der Befestigungsrahmen einen Lichteingang durch Vorbohrungen im Befestigungsrahmen ermöglicht. Ein solcher Lichteingang wird von einem Fotodetektor registriert und löst ein Warnsignal aus.

Die JP A 61 155 513 von Polyplastics Co. beschreibt eine Verpackung für integrierte Schaltkreise, bei der ein geschmolzenes Harz durch Trennwände zurückgehalten oder zugelassen werden kann. Die Trennwände werden zurückgezogen, damit das geschmolzene Harz zu den integrierten Schaltkreisen fließen kann, sobald das geschmolzene Harz den Hohlraum einer Form, die eine Einspritzmündung aufweist, durch die das geschmolzene Harz eingespritzt wird, nahezu ausfüllt.

Aufgabe der Erfindung

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Kunststoffverpackungen für Halbleiter zuverlässig und ökonomisch durch ein Spritzpressverfahren herzustellen.

Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, integrierte Schaltkreise zuverlässig auf einem Substrat in eine Kunststoffverpackung einzukapseln, wobei Probleme mit Kabelverwehungen innerhalb der Kunststoffverpackung minimiert werden.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung umfasst eine Oberform, eine Hohlraumplatte und eine Unterform zur Herstellung von verschiedenen BGA-Verpackungen durch ein Spritzpressverfahren. Die Oberform weist ein Netzwerk von Gießkanälen auf, das an mindestens einen Gießtrichter angeschlossen ist. Die Hohlraumplatte umfasst auf der der Unterform zugewandten Seite mindestens einen Hohlraum zur Bildung einer Gießform über einem Substrat, welches zwischen Unterform und Hohlraumplatte eingespannt ist.

Auf der der Oberform zugewandten Seite befindet sich mindestens ein konischer Kanal, der das Harz aus dem Gießkanal aufnimmt. Die Spitze des konischen Kanals endet in einem eintauchenden Einguss, der in der Mitte des Hohlraums angebracht ist und den Zugang des Harzes in den Hohlraum ermöglicht, wobei Kabelverwehungen minimiert werden. Das Netzwerk aus Gießkanälen und die Kombination von konischen Kanälen kapselt BGA-Strukturen in verschiedene Matrizen zuverlässig und ökonomisch ein.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

1A ist eine Darstellung eines Querschnitts einer Ausführung einer BGA-Verpackung mit einem unten liegenden Hohlraum, in der das spritzgepresste oder einkapselnde Harz durch die gestrichelten Linien markiert ist.

1B ist eine Darstellung eines Querschnitts einer Ausführung einer BGA-Verpackung mit einem oben liegenden Hohlraum, in der das überstehende formgepresste Harz durch die gestrichelten Linien markiert ist.

2 ist eine Darstellung eines aus dem Stand der Technik bekannten Spritzpressverfahrens zur Herstellung von einkapselnden Kunststoffverpackungen unter Verwendung einer Eingussplatte.

3 ist eine Darstellung eines weiteren aus dem Stand der Technik bekannten Spritzpressverfahrens zur Herstellung von einkapselnden Kunststoffverpackungen, in dem eine entfernbare Hohlraumplatte zum Einsatz kommt.

4 ist eine Darstellung eines anderen aus dem Stand der Technik bekannten Verfahrens zur Herstellung von Kunststoffverpackungen, bei dem Kleckse eines gepressten Harzes verwendet werden (globbing method).

5 veranschaulicht die Wölbung eines Matrix-BGA-Substrates, das durch das Klecksverfahren hergestellt wurde. Das anschließende Zerschneiden des Substrats in Plättchen mit der richtigen Größe ist nahezu unmöglich.

6 ist eine Ansicht der Oberseite der vorliegenden Erfindung (aus einem erhöhten Blickwinkel), in der das BGA-Matrix Substrat durch ein Spritzpressverfahren unter Verwendung eines einzigartigen Systems aus Gießkanälen und konischen Kanälen hergestellt wird, um überragende Resultate zu erreichen.

7 ist eine Darstellung eines Querschnitts der vorliegenden Erfindung aus einem entfernten Blickwinkel gemäß der Linie A-A in 6.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele der Erfindung

Ein System zur Herstellung von einkapselnden BGA-Verpackungen wird hiernach beschrieben. In der nachfolgenden Beschreibung sind viele spezifische Details, wie Gießtrichter, Gießkanäle und Formpressplatte usw. dargelegt, um das genaue Verständnis der vorliegenden Erfindung zu ermöglichen. Es ist für einen Fachmann offensichtlich, dass die vorliegende Erfindung auch ohne diese Details angewendet werden kann. In anderen Fällen werden wohlbekannte Teile, die zum Erhitzen des Harzes und zum Transfer des Harzes dienen, sowie der Einspannvorgang einer Spritzpressform (transfer mold) nicht gezeigt, um die vorliegende Erfindung nicht zu verschleiern.

Die Abbildungen 1A und 1B sind vereinfachte Darstellungen eines Querschnitts der zwei üblichsten Formen von BGA-Verpackungen. In 1A ist eine BGA-Verpackung in einer Ausführung dargestellt, in der der Hohlraum unten liegt. Typisch für diese Kategorie der BGA-Verpackungen ist die im U.S. Pat. N° 5,583,378 beschriebene BGA-Verpackung. Die BGA-Verpackung 1 umfasst einen integrierten Chip (IC) 2, der an einem Kühlkörper 4 befestigt ist. In 1A werden die Details der Verbindung des Chips 2 mit dem Substrat 6 nicht gezeigt. Dem Fachmann sollte klar sein, dass der Chip entweder durch Drähte mit dem Substrat verbunden oder durch ein TAB-Verfahren (Tape Automated Bonding) mit dem Substrat verlötet wird. Eine Anordnung von Lötmetallbällen 8 wird an der Unterseite der BGA-Verpackung 1 angebracht. Der Bereich zwischen der gestrichelten Linie und dem Chip 2 stellt ein Volumen 10 dar, das mit Harz eingekapselt werden soll, und ist der Bereich, der in der vorliegenden Erfindung von Belang ist. Die vorherrschende industrielle Praxis ist ein Verfahren, bei dem ein eingedämmter Bereich zum Einkapseln aufgefüllt wird, um den Chip zu schützen. Zunächst wird ein rechteckiger Damm optional um den Rohchip dank eines dickflüssigen einkapselnden Stoffes gelegt. Dann gibt eine Kreiselpumpe eine spiralförmige Füllung eines dünnflüssigen einkapselnden Stoffes in das Innere des Damms. Siehe dazu zum Beispiel CAM/ALOT-Systeme zur Verteilung von Flüssigkeiten.

In 1B ist die BGA-Verpackung 11 in einer Ausführung mit einem oben liegenden Hohlraum dargestellt. Die Verpackung 11 enthält einen IC 12, der an der Oberseite des Substrats 16 befestigt ist. Dabei ist die Anordnung der Lötmetallbälle an der Unterseite des Substrats 16 angebracht. Wie bereits für die BGA-Verpackung 1 aus 1A, wurden auch hier die Details der Verbindung des IC mit dem Substrat nicht abgebildet. Ein Volumen 20 stellt das einkapselnde Harz dar. Die Verpackung 11 ist beispielhaft für eine breite Gruppe von Kunststoff-BGA Strukturen, die erstmals durch Motorola und Citizen hergestellt und "Over Molded Plastic Pad Array Carrier" genannt wurden.

Die Abbildungen 2 bis 4 stellen Spritzpressverfahren aus dem Stand der Technik graphisch dar, die zum Einkapseln von BGA-Strukturen in Kunststoff benutzt wurden.

In 2 wird ein Spritzpressverfahren zur Herstellung von einkapselnden Kunststoffverpackungen unter Verwendung einer Eingussplatte dargestellt. Die Verpackung 20 wird durch ein seitliches Spritzpressen durch einen Einguss 22 in einen damit verbundenen Hohlraum 21 (nicht dargestellt) hergestellt. Diese Vorgehensweise wird ausführlich im US Pat.

N° 4,442,05.6, ausgestellt auf Dusan Stepcevic, beschrieben. 3 stellt ein Spritzpressverfahren dar, bei dem eine Hohlraumplatte 30, die mindestens einen Hohlraum 21 enthält, und ebenfalls ein seitlicher Einguss verwendet werden. Dieses Verfahren zur Herstellung einkapselnder Kunststoffverpackungen ist im US Pat. N° 4,335,537, ebenfalls ausgestellt auf Dusan Stepcevic, beschrieben. Schließlich stellt 4 das populärste Verfahren zur Herstellung von BGA-Verpackungen, das so genannte "glob top" Verfahren, dar. Siehe dazu auch beispielsweise 6 des US Pat. N° 5,358,283, ausgestellt auf Marrs u.a. Bei der "glob top" Einkapselung wird der BGA-Rohchip durch das Auftragen von Schichten eines Epoxidharzes gefüllt, damit der Einschluss von Luftblasen im Inneren des Harzes verhindert wird.

Die Verfahren zur Herstellung von einkapselnden Kunststoffverpackungen, die aus dem Stand der Technik bekannt sind, bedingen eine Reihe von Beschränkungen, die mit bestehenden Surface-Mount-Technologien nicht einfach umgangen werden können. Erstens verursacht das seitliche Einführen des einkapselnden Stoffes in den Hohlraum oftmals Drahtverwehungsprobleme bei BGA-Verpackungen mit einer hohen Anzahl an I/O Anschlussstiften. Zweitens kann die Zuverlässigkeit der hoch entwickelten BGA-Verpackungen im Rahmen der Herstellung von MCMs, bei der Standards für Testverfahren fehlen, durch elektrische Probleme beeinträchtigt werden, die von den Drahtverwehungen verursacht wurden. Drittens ist das "glob top" Verfahren zeitaufwendig und anfällig für Probleme bei der Qualitätssicherung. Das Ergebnis der Einkapselung eines BGA-Matrix Substrates durch ein "glob top" Verfahren ist in 5 dargestellt, in der die Wölbung 42 des Substrates beträchtlich ist, da die Koeffizienten für die thermische Expansion des Substrates und des einkapselnden Stoffes unausgeglichen sind. Dadurch wird das anschließende Zerschneiden des Substrats in BGA-Plättchen mit der richtigen Größe erschwert oder nahezu unmöglich gemacht.

Die Abbildungen 6 und 7 sind Darstellungen einer Ansicht der Oberseite und einer Seitenansicht der vorliegenden Erfindung zur Herstellung von einkapselnden Kunststoffverpackungen aus einem entfernten Blickwinkel. Die vorliegende Erfindung kombiniert das Know-how des Anmelders im Bereich des "gang-pot"-Spritzpressverfahrens mit einem Spritzpressverfahren, bei dem eine Hohlraumplatte zum Einsatz kommt. Der Fachmann sollte verstehen, dass Spritzpressverfahren sich von Spritzgussverfahren unterscheiden, insbesondere hinsichtlich der Duroplastharze und der einkapselnden Stoffe, die beim Spritzpressverfahren zum Einkapseln der Halbleiterbausteine benutzt werden. Im Gegensatz dazu eignen sich Spritzgussanlagen zur Arbeit mit thermoplastischen Materialien.

Mit Bezug auf die Abbildungen 6 und 7 umfasst die vorliegende Erfindung 50 eine Oberform 53, eine entfernbare Hohlraumplatte 55 und eine Unterform 57 zur Dämpfung eines Substrats 66, die eine Matrix-BGA-Struktur aufweist. Der Fachmann sollte verstehen, dass Einbaufassungen für die Oberform 51 und für die Unterform 59 normalerweise erforderlich sind, um mit der vorliegenden Erfindung zu arbeiten. Die Einbaufassungen 51 und 59 dienen dazu, die Hitze, die durch den Kolben zum Erwärmen des Harzgranulates oder der Harzstreifen (in den Abbildungen nicht dargestellt) erzeugt wird, zurückzuhalten.

In 6 ist ebenfalls ersichtlich, dass die Oberform 53 der vorliegenden Erfindung an ihrer Unterseite mindestens einen Gießtrichter 54 oder einen Angussstutzen zum Aufnehmen und zum Weiterleiten des erhitzten Harzes, das von einem Kolben 52 zusammengedrückt wird, aufweist. Bezüglich des Substrates 66, welches eine Matrix-BGA Struktur 60 aufweist, ist eine Form mit mehreren Kolben, auch "gang-pot"-Form genannt, wie in der vorliegenden Erfindung 50 vorhanden, empfehlenswert. In bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung ist der Gießtrichter 54 mit einem Netzwerk von Gießkanälen 56 verbunden, die über die zentralen Teile der BGA-Strukturen verlaufen. Da die Gießkanäle 56 miteinander verbunden sind, sollte der Fluss des Harzes ausgeglichen sein.

In 7 wird der Querschnitt der zwischen die Oberform 53 und die Unterform 57 eingeschobenen, entfernbaren Hohlraumplatte 55 dargestellt. An der der Oberform gegenüberliegenden Oberfläche befindet sich mindestens ein konischer Kanal 58, der den Harzfluss von den Gießkanälen aufnimmt. Das enge Ende des konischen Kanals 58 endet in einem eintauchenden Einguss, der mit mindestens einem Hohlraum 60 für die BGA-Struktur verbunden ist.

In 7 wird ebenfalls das Substrat 66, eingespannt zwischen der Hohlraumplatte und der Unterform, dargestellt. Die Positionierung des konischen Kanals im Bezug auf den Hohlraum ist ein erfinderisches Merkmal der vorliegenden Erfindung. Das Einführen des Harzes vom zentralen Teil des Hohlraums aus ermöglicht es im Gegensatz zu einem seitlichen Einführen, dass der Fluss des Harzes innerhalb des Hohlraums gleichmäßig ist. Der Fluss des Harzes, der eigentlich in die gleiche Richtung geht wie die Abschlussfächer der Verbindungsdrähte oder der TAB-Anschlüsse, führt dazu, dass Drahtverwehungen höchst unwahrscheinlich werden. Darüber hinaus wird auch das gleichzeitig auftretende Problem, welches mit dem Anstieg der Viskosität des Harzflusses innerhalb des Hohlraums zusammenhängt, minimiert. Insgesamt bietet die vorliegende Erfindung der Elektronikindustrie die Vorzüge des Spritzpressverfahrens, ohne die Nachteile der herkömmlichen Hohlraumabformung oder der Formung dank einer Platte.

Das Verfahren zum Einkapseln des BGA-Substrats läuft folgendermaßen ab:

Der Kolben 52 in 7 bewegt sich im Zylinder 62 aufwärts und zwingt das erwärmte Harz in den Gießtrichter 54 und durch die Gießkanäle 56 sowie die konischen Kanäle 58 in die Hohlräume 60. Ein vom Zylinder 52 registrierter Gegendruck zeigt an, dass das Harz die Hohlräume vollständig ausfüllt. Der Einspannvorgang der vorliegenden Erfindung endet, wenn die für den einkapselnden Stoff adäquate Aushärtezeit verstrichen ist. Die Ausgestaltung der entfernbaren Hohlraumplatte 55 erleichtert einen glatten Bruch zwischen Gießkanal und Hohlraum. Dadurch wird die für einen Zyklus zur Einkapselung der BGA-Substrate benötigte Zeit reduziert.

Obwohl die Abbildungen 6 und 7 die Einkapselung eines Matrix-BGA Substrates darstellen, kann die vorliegende Erfindung bequem auch dazu genutzt werden, kundenspezifische MCM BGA-Substrate, bei denen die Anordnung der BGA-Strukturen wahllos sein kann, einzukapseln. Demzufolge ist die vorliegende Erfindung ausreichend flexibel, um die Verwendung einer ganzen Bandbreite von Substraten zu ermöglichen.

Obwohl die vorliegende Erfindung vorzugsweise mit Bezug auf die Abbildungen 1 bis 7, mit Betonung auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von einkapselnden Kunststoffverpackungen, insbesondere von BGA-Verpackungen dargestellt worden ist, dienen die Abbildungen nur der Veranschaulichung und sollen die Erfindung keinesfalls begrenzen. Des Weiteren können das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung offensichtlich in vielen Anwendungen nützlich sein, in denen die Verpackung von Halbleiterbausteinen erforderlich ist. Es ist vorgesehen, dass ein Fachmann viele Änderungen und Modifikationen vornehmen kann, ohne den Bereich der vorliegenden Erfindung, so wie sie in den anhängigen Ansprüchen offenbart wird, zu verlassen.

Beispielsweise kann die vorliegende Erfindung direkt in Verbindung mit anderen Substraten wie Keramiken, TAB, usw. angewendet werden.


Anspruch[de]
  1. System zum Einkapseln von integrierten Schaltkreisen auf einem Substrat (66) in einer Kunststoffverpackung, bestehend aus:

    – einer Oberform (53) mit mindestens einem Gießtrichter (54) und mindestens einem Gießkanalsystem (56) zum Abtransport des Kunststoffs von mindestens einer Kolben-Zylinder-Einheit (52/62);

    – einer Unterform (57) zur Aufnahme eines Substrats (66), auf dem mindestens eine Kunststoffverpackung herzustellen ist;

    – einer Hohlraum-Platte (55), die zwischen der Oberform (53) und der Unterform (57) angeordnet ist zum Aufnehmen des Kunststoffs vom Gießkanalsystem (56), wobei die Hohlraum-Platte (55) an ihrer an der Oberform (53) anliegenden Seite mindestens einen konischen Kanal (58) aufweist, wobei jeder dieser konischen Kanäle (58) ein enges Ende aufweist, das mit einem Mittelteil mindestens eines Hohlraums (60) kommuniziert, wobei der Hohlraum (60) um die Seite des integrierten Schaltkreises des Substrates (66) herum zwischen der Hohlraum-Platte (55) und der Unterform (57) geformt ist, wodurch dieses System die integrierten Schaltkreise auf dem Substrat zuverlässig einkapselt, während das Problem der Drahtverwehung (Wire-sweep) vermindert ist.
  2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das enge Ende des konischen Kanals (58) in einem eintauchenden Einguss abschließt, der mit dem Mittelteil des mindestens einen Hohlraums (69) kommuniziert.
Es folgen 4 Blatt Zeichnungen






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