двусторонний электронный прибор

Формула изобретения

Двусторонний электронный прибор, содержащий теплопроводную подложку, имеющую форму пластины, с расположением в ее теле активных и пассивных компонентов, имеющих контактные площадки, отличающийся тем, что активные и пассивные компоненты размещены на обеих сторонах подложки и образуют планар в виде единых плоскостей для расположения соединительных проводников, выполненных по тонкопленочной технологии, прибор является монолитным и изготовлен в едином технологическом процессе с расчетом минимального количества и минимальной длины связей между обеими сторонами прибора, при этом, по меньшей мере, на одной стороне прибора размещены внешние плоские выводы, имеющие непосредственный контакт с общими выводными контактными площадками прибора, которые имеют электрическую связь с компонентами прибора, расположенными по обеим сторонам подложки, при помощи проводников, расположенных на подложке и по ее торцам, при этом внешние выводы и общие выводные контактные площадки электрически изолированы от компонентов прибора и проводников, подложка прибора выполнена из изоляционного материала или из токопроводящего материала с нанесенным на него изоляционным слоем.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области создания монолитных и гибридных электронных приборов с высокой плотностью упаковки компонентов и повышенной плотностью соединений между ними, а конкретно - к конструкции двустороннего электронного прибора.

Из основных направлений микроэлектроники на сегодняшний день можно отметить следующие: микроминиатюризация, основанная на дискретных элементах (модульный и микромодульный способы конструирования аппаратуры); гибридные схемы - схемы, состоящие из пленочных пассивных и дискретных активных элементов; и полупроводниковые интегральные схемы - схемы, в которых как активные, так и пассивные элементы являются частью единого полупроводникового кристалла. При этом общей целью является увеличение плотности упаковки элементов и уменьшение размеров микроэлектронного прибора.

Из уровня техники известна конструкция гибкой упаковки кристаллов в этажерку по информации фирмы IBM (Technical Disclosure Bulletin, Vol.38, 6, June 1995). Полупроводниковые кристаллы соединены в линейный массив и устанавливаются по обеим сторонам гибкой ленты. При этом гибкое соединение с установленными кристаллами может быть сложено в форме этажерки. Термопроводящая лента или защитный компаунд могут использоваться для того, чтобы зафиксировать сборку кристаллов, а выводы могут выходить из сборки для соединений на следующем уровне. Более широкая лента с несколькими рядами кристаллов, расположенных подобным образом, может быть использована для более крупных сборок кристаллов.

Известна также конструкция схем динамических ОЗУ по проспекту фирмы Taiyo Yuden Co, Ltd, 1993 г. Микросхемы с J-образными выводами и с выводами типа "крыло чайки" установлены по обеим сторонам печатной платы, снабженной внешними выводами. При этом толщина сборки составляет 8,89 и 6,5 мм соответственно.

В обоих случаях сделана попытка увеличить плотность упаковки за счет расположения электронных компонентов по обеим сторонам коммутационной платы. Но применение корпусированных компонентов и расположение их на обеих поверхностях платы делают этот прием малоэффективным из-за большой толщины корпусов. Кроме того, усложняется процесс автоматизированной сборки и ремонта аппаратуры ввиду необходимости общего разогрева сборки при сохранении ее целостности.

Известна конструкция двусторонней функциональной ячейки, опубликованная в книге "Конструирование и расчет больших гибридных интегральных схем, микросборок и аппаратуры на их основе", под ред. Б.Ф. Высоцкого, М., "Радио и связь", 1981, с.126, рис.3.11. Описывается конструкция ячейки с несколькими бескорпусными микросборками, расположенными на противоположных сторонах печатной коммутационной вставки. При этом обеспечиваются двукратное увеличение плотности упаковки и увеличение удельной мощности рассеивания тепла в 1,5-2 раза.

Аналогичная конструкция функционального узла аппаратуры четвертого поколения на бескорпусных ИС описывается в книге Д.П. Немашева и Л.А. Коледова, "Основы конструирования микроэлектронной аппаратуры", М., "Радио и связь", 1981, с.261, рис.7.10.

Общими недостатками этих конструкций являются сложность сборки и ремонта аппаратуры, а также увеличение габаритных размеров за счет расположения бескорпусных электронных компонентов на поверхности коммутационной печатной платы.

Известно также техническое решение по статье "Гибридная ИС - на целой пластине" (журнал "Электроника", 1986, 6, с. 17). В данной конструкции кристалл ИС помешается в отверстие, выполненное в кремниевой пластине, и удерживается в ней полиимидом или эпоксидным компаундом. Активная зона кристалла выводится при этом практически в одну плоскость с пластиной, по которой располагаются соединительные проводники. Преимуществом данной конструкции является расположение компонента в теле коммутационной платы.

Недостатками являются одностороннее планарное расположение рабочих поверхностей кристаллов ИС, а также сложность теплоотвода и трудности, связанные с разницей в ТКЛР материалов кристалла и связующего компаунда.

Из книги "Полупроводниковые приборы", Ю.А. Овечкин, М., "Высшая школа", 1974, с.234-239, известны двусторонний печатный монтаж, который осуществляют с обеих сторон платы, и плоская конструкция микромодулей, представляющая собой пластину из изоляционного теплопроводного материала, на которой с одной или двух сторон крепятся электроэлементы либо на поверхности пластины, либо в ее теле, имеющие выводные контактные площадки и соединенные между собой с помощью печатного или обыкновенного (проволочного) монтажа.

Подобные отдельные плоские модули можно компоновать параллельно друг другу и последовательно один над другим. Иногда модули располагают на одной общей плате в один ряд. Под электроэлементами понимаются активные или пассивные компоненты микроэлектронного прибора.

Данный источник выбран в качестве ближайшего аналога.

Указанным решениям присущ общий недостаток, так, из-за того, что компоненты имеют различную конфигурацию и мощность, их расположение и соединение между собой и с внешними выводами является сложной технической задачей, при этом увеличение плотности упаковки и миниатюризация модуля имеют только частные конструкторские решения для выполнения прибором конкретной функциональной задачи. Изготовление прибора подчас является длительным многостадийным процессом. В случае выхода из строя какого-либо из компонентов прибора часто требуется демонтировать весь модуль для отбраковки этого компонента.

Как видно из приведенного анализа, основной задачей при создании современной электронной аппаратуры является получение максимально возможной плотности упаковки при сохранении или улучшении других технико-экономических характеристик.

В основу настоящего изобретения положено решение задачи получения принципиально нового электронного прибора с использованием обеих поверхностей полупроводниковой подложки или подложки микроплаты для размещения рабочих зон компонентов. При этом также ставится задача экономии дорогостоящих материалов (особочистого монокристаллического кремния, теплопроводной керамики и др. ), упрощения разводки между структурами и компонентами, упрощения технологии изготовления монолитных и гибридных интегральных схем, уменьшения затрат на производство, повышения плотности упаковки как при самостоятельном использовании прибора, так и при установке его в модульную конструкцию.

Поставленная задача решается тем, что в двустороннем электронном приборе, содержащем теплопроводную подложку, имеющую форму пластины, с расположением в ее теле активных и пассивных компонентов, имеющих выводные контактные площадки, согласно изобретению, активные и пассивные компоненты размещены на обеих сторонах подложки и образуют планар в виде единых плоскостей для расположения соединительных проводников, выполненных по тонкопленочной технологии, прибор является монолитным и изготовлен в едином технологическом процессе с расчетом минимального количества и минимальной длины связей между обеими сторонами прибора, при этом, по меньшей мере, на одной стороне прибора размещены внешние плоские выводы, имеющие непосредственный контакт с общими выводными контактными площадками прибора, которые имеют электрическую связь с компонентами прибора, расположенными по обеим сторонам подложки, при помощи проводников, расположенных на подложке и по ее торцам, при этом внешние выводы и общие выводные контактные площадки электрически изолированы от компонентов прибора и проводников, подложка прибора выполнена из изоляционного материала или из токопроводящего материала с нанесенным на него изоляционным слоем.

Единая технология дает значительный экономический эффект, так как позволяет при выполнении многих операций одновременно обрабатывать обе стороны двустороннего электронного прибора. Условие планарности плоскостей компонентов обеспечивает упрощение нанесения проводников по тонкопленочной технологии в едином технологическом процессе изготовления прибора, что позволяет существенно увеличить скорость производства всех выводных контактов прибора с обеспечением высокого качества всех соединений. При этом если потребуется, то проводники можно нарастить по толщине методом, например, гальванического или химического осаждения или горячим лужением.

Подложка прибора при этом может быть выполнена из токопроводящего материала с нанесенным на него изоляционным слоем, например из анодированного алюминия или его сплавов, или из изоляционного материала, например керамики. Обе поверхности готового двустороннего прибора покрывают изоляцией. Для предотвращения короткого замыкания компоненты прибора, проводники и выводы изолированы друг от друга.

При установке в стандартный корпус прибор помещают общими выводными контактными площадками в сторону контактирования с выводной рамкой или выводами корпуса, а между корпусом и прибором размещают слой минимально допустимой толщины теплопроводного электроизоляционного материала, при этом за счет монолитности прибора с учетом минимального количества и минимальной длины связей между обеими сторонами прибора, за счет указанного расположения и соединения выводов и компонентов прибора обеспечивается максимальная плотность упаковки.

Возможно как самостоятельное использование двустороннего электронного прибора, так и в составе трехмерного модуля, состоящего из множества приборов. При этом в случае использования в трехмерных модулях при применении капиллярной пайки для соединения приборов автоматически выдерживается расстояние между приборами.

При обнаружении после электротермотренировки и контроля бракованного электронного компонента или структуры дефектную область обычно изолируют прерыванием ее контакта с общими выводными контактными площадками прибора, например, лазерным пережиганием проводников, при этом прибор с годной стороной можно использовать в качестве стандартного одностороннего прибора для помещения в стандартный корпус или в трехмерный модуль. Этот прием дает большой экономический эффект, так как не подлежат использованию только приборы с бракованными обеими сторонами.

В дальнейшем предлагаемое изобретение поясняется конкретными примерами его выполнения и прилагаемыми рисунками, на которых:

Фиг. 1 изображает вариант выполнения монолитного двустороннего электронного прибора;

Фиг. 2 изображает вариант выполнения гибридного двустороннего электронного прибора;

Фиг. 3 изображает пример установки двустороннего электронного прибора в стандартный корпус;

Фиг. 4 изображает пример расположения внешних выводов на двустороннем электронном приборе.

Монолитный двусторонний электронный прибор (фиг.1) состоит из подложки 1, выполненной преимущественно из полупроводникового материала с компонентами 2. Компоненты 2 имеют контактные площадки 3. Компоненты 2 расположены по обеим сторонам монолитного двустороннего электронного прибора, по периферии которого расположены общие выводные площадки 4, соединенные с компонентами проводниками, огибающими монолитный двусторонний прибор по его торцам. Компоненты 2 и неизолированные участки подложки 1 покрыты изолирующим слоем 5 со вскрытыми отверстиями в местах расположения контактных площадок 3. Контактные площадки 3 соединены с общими выводными площадками 4 проводниками 6, расположенными поверх изолирующего слоя 5.

Гибридный двусторонний электронный прибор (фиг.2) состоит из подложки 1, в которой сделаны окна и впадины 7 для размещения бескорпусных компонентов 8. При этом рабочие поверхности бескорпусных компонентов 8 имеют общую плоскость с поверхностями подложки 1. Как показано на верхнем фрагменте разреза, бескорпусной компонент 8 размещен в окне 7 с зазором и имеет контакт с подложкой 1 только через проводники 6, которые могут быть расположены по обеим сторонам бескорпусного компонента 8. Тогда проводники 6, расположенные на нерабочей стороне бескорпусного компонента 8, служат, в основном, для теплоотвода. На нижнем фрагменте разреза показан вариант заполнения зазора между бескорпусным компонентом 8 и впадиной теплопроводным материалом 9, при этом бескорпусной компонент 8 направлен своей рабочей поверхностью к противоположной поверхности подложки 1, что значительно облегчает разводку проводников 6 по поверхностям подложки 1. Если теплопроводный материал 9 обладает высокой электропроводностью, например, при применении в качестве теплопроводного материала припоя, то его изолируют от бескорпусного компонента 8 изолирующим слоем 5. Если подложка 1 выполнена из полупроводникового или токопроводящего материала, она также селективно покрывается изолирующим слоем 5. На поверхностях подложки 1 могут находиться пленочные компоненты 10, выполненные по тонкопленочной или толстопленочной технологии, а также полупроводниковые компоненты 2 в случае, если подложка 1 выполнена из полупроводникового материала. В этом варианте исполнения гибридного двустороннего электронного прибора проводники 6 не только соединяют бескорпусные компоненты 8 и пленочные компоненты 10 с общими выводными площадками 4, но и осуществляют соединения компонентов между собой.

При установке двустороннего электронного прибора в стандартный корпус 11 (фиг. 3) может оказаться необходимым иметь все общие выводные площадки 4, размещенные на одной из поверхностей двустороннего электронного прибора для контактирования, например, выводами 12 с внешними выводами 13 корпуса 11. При этом поверхность двустороннего электронного прибора, прилегающая к теплорастекателю 14 корпуса 11, должна быть покрыта минимально допустимым по толщине изолирующим слоем теплопроводного материала 9.

Внешние выводы 13 могут быть составной частью двустороннего электронного прибора (фиг. 4). В этом случае внешние выводы 13 выполняют в виде плоских фигурных балок, при этом внешние выводы 13 имеют непосредственный электрический контакт методом, например, пайки с общими выводными площадками 4 двустороннего электронного прибора. При необходимости, сторона внешнего вывода 13, прилегающая к рабочим поверхностям двустороннего электронною прибора или к проводникам 6, должна быть защищена изолирующим слоем 5. Если двусторонний электронный прибор используется в качестве составной части трехмерного модуля, то толщина внешнего вывода 13 выбирается равной зазору между сопрягаемыми двусторонними электронными модулями.

Данное изобретение позволяет значительно увеличить информативную емкость и плотность упаковки на кристалле без увеличения его размеров и изменения технологических норм, а также получить значительную экономию средств на уменьшении потребления исходных материалов, при этом настоящее изобретение может быть использовано при проектировании и изготовлении электронных компонентов для любого типа электронной аппаратуры при увеличении плотности упаковки в несколько раз с сокращением общей стоимости производства электронных компонентов, например, при создании особо плотных конструкций с применением трехмерных модулей для авиационно-космической и другой специальной аппаратуры, в медицинской технике для создания миниатюрных систем диагностики, в системах телекоммуникации для использования в сверхминиатюрных приемопередатчиках, для производства миниатюрных бытовых приборов с принципиально новыми потребительскими свойствами, в скрытых системах охраны промышленных и бытовых объектов.