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DE19728692C2 - IC-Baustein mit passiven Bauelementen - Google Patents

IC-Baustein mit passiven Bauelementen

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Publication number
DE19728692C2
DE19728692C2 DE19728692A DE19728692A DE19728692C2 DE 19728692 C2 DE19728692 C2 DE 19728692C2 DE 19728692 A DE19728692 A DE 19728692A DE 19728692 A DE19728692 A DE 19728692A DE 19728692 C2 DE19728692 C2 DE 19728692C2
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DE
Germany
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carrier
components
integrated circuit
capacitors
module
Prior art date
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Application number
DE19728692A
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DE19728692A1 (de
Inventor
Heinz Pape
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Infineon Technologies AG
Original Assignee
Infineon Technologies AG
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Publication date
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Priority to PCT/DE1998/001850 priority patent/WO1999001898A1/de
Publication of DE19728692A1 publication Critical patent/DE19728692A1/de
Priority to US09/477,443 priority patent/US6215171B1/en
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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen IC-Baustein mit einer oder mehreren integrierten Schaltungen (1), einem oder mehreren zusätzlichen passiven Bauelementen und einem diese umgebende Gehäuse.
Derartige IC-Bausteine sind beispielsweise als Multichipmodul aus der US 5,134,539 bekannt, wobei das Multichipmodul einen zusätzlichen Träger für ein passives Bauelement und einen auf diesem angebrachten Chip aufweist.
Ferner sind aus der Druckschrift DE 42 42 097 A1 Hybridbauelemente mit passiven Bauelementen bekannt, die auf einem Gehäuseteil angeordnet sind.
Es ist auch bekannt, daß beim Betreiben von integrierten Schaltungen in diesen teilweise Effekte auftreten, die den Betrieb der betreffenden integrierten Schaltung und/oder von in der Nähe von dieser befindlichen integrierten Schaltungen stören können, wenn nicht entsprechende Gegenmaßnahmen er­ griffen werden.
Ein derartiger Effekt ist beispielsweise bei Schaltvorgängen in Treiberstufen der in der Fig. 4 gezeigten Art zu beobach­ ten.
Die besagte Treiberstufe besteht aus zwei MOS-Transistoren T1 und T2, die wie in der Fig. 4 gezeigt verschaltet sind. Von den Transistoren sei einer immer leitend und der andere immer sperrend, so daß das Ausgangssignal O der Treiberstufe in Ab­ hängigkeit vom Eingangssignal I stets entweder das Potential des positiven Versorgungsspannungsanschlusses (VDD) oder das Potential des negativen Versorgungsspannungsanschlusses (Masse) aufweist.
Die in derartigen Treiberstufen verwendeten MOS-Transistoren haben die Eigenschaft, daß sie etwas schneller vom sperrenden Zustand in den leitenden Zustand versetzbar sind als umgekehrt. Dadurch kann es bei durch das Eingangssignal I ver­ anlaßten Schaltvorgängen der Transistoren vorkommen, daß kurzzeitig beide Transistoren leitend sind. Wenn und so lange beide Transistoren leitend sind, liegt ein Kurzschluß zwi­ schen VDD und Masse vor. Dadurch fließt ein so hoher Strom, daß die Versorgungsspannung VDD kurzzeitig einbricht. Dieser Versorgungsspannungseinbruch stört benachbarte Schaltungs­ teile der integrierten Schaltung, denn dies kann dort zu unerwünschten Schaltvorgängen führen; verstärkende Schal­ tungsteile können diese Effekte noch verstärken.
Zur Kompensation oder Entstörung können als Stützkondensato­ ren bezeichnete Kondensatoren zwischen VDD und Masse einge­ fügt werden. Diese nicht oder jedenfalls nicht ohne weiteres in die integrierte Schaltung integrierbaren und deshalb außerhalb des IC-Bausteins vorgesehenen Stützkondensatoren wirken als Ladungspuffer und vermögen dadurch die Ladungen, die während des Kurzschlusses in sehr großer Menge abfließen, in ausreichender Menge zur Verfügung zu stellen und/oder schnell zu ersetzen. Der nach wie vor vorhandene Kurzschluß verliert dadurch einen Teil seiner negativen Wirkungen: der zuvor erwähnte großräumige Spannungseinbruch kann ganz oder teilweise verhindert werden.
Je höherfrequent die Signale sind, die von einer integrierten Schaltung zu verarbeiten oder zu erzeugen sind bzw. je höher die Geschwindigkeit ist, mit welcher eine integrierte Schal­ tung arbeitet, desto weniger wirksam sind jedoch Entstör­ maßnahmen wie die erwähnten Stützkondensatoren. Da aber andererseits immer höhere Signalfrequenzen und Arbeits­ geschwindigkeiten gefordert und realisiert werden, gestaltet sich der Einsatz von IC-Bausteinen für solche Anwendungen immer schwieriger.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen IC-Baustein derart zu schaffen, der trotz Anordnung zusätzlicher passiver Bauelement selbst bei höchsten Frequenzen und Arbeitsgeschwindigkeiten problemlos einsetzbar ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst.
Somit können für die ordnungsgemäße Funktion und Wirkungs­ weise der integrierten Schaltung erforderliche elektronische Bauelemente in unmittelbarer Nähe zu den Stellen angeordnet werden, an welchen die zu vermeidenden oder zu kompensieren­ den Effekte ausgelöst werden oder auftreten.
Damit können unter anderem auch die Stützkondensatoren in un­ mittelbarer Nähe zu den Stellen angeordnet werden, an denen die zuvor beschriebenen Kurzschlüsse auftreten.
Die unmittelbare Nähe der Stützkondensatoren zu diesen Stel­ len hat den positiven Effekt, daß die in den Stützkondensato­ ren gespeicherten Ladungen nahezu unabhängig von den Signal­ frequenzen und der Arbeitsgeschwindigkeit im wesentlichen sofort verfügbar bzw. verzögerungsfrei ersetzbar sind. Die Folge ist, daß es - jedenfalls bei ausreichender Dimensio­ nierung der Stützkondensatoren - nicht einmal zu kurzzeitigen Versorgungsspannungs-Einbrüchen kommen kann.
Es wurde mithin ein IC-Baustein gefunden, welcher selbst bei höchsten Frequenzen und Arbeitsgeschwindigkeiten problemlos einsetzbar ist.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispie­ len unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert. Es zei­ gen
Fig. 1 eine Seitenansicht einer integrierten Schaltung mit einem über dieser angeordneten (Bauelemente-)Träger,
Fig. 2A eine Seitenansicht des Trägers gemäß Fig. 1 mit einem darauf ausgebildeten Kondensator,
Fig. 2B eine Draufsicht auf den Träger gemäß Fig. 2A,
Fig. 3 eine Draufsicht auf einen gegenüber den Fig. 2A und 2B verändert aufgebauten Kondensator, und
Fig. 4 den Aufbau einer in integrierten Schaltungen üb­ licherweise verwendeten Treiberstufe.
Der im folgenden näher beschriebene IC-Baustein ist ein be­ liebiger IC-Baustein, dessen Aufbau, Funktion und Größe kei­ nerlei Beschränkungen unterworfen ist. Es kann sich auch um ein sogenanntes Multichipmodul handeln, bei welchem mehrere integrierte Schaltungen in einem IC-Baustein zusammengefaßt (beispielsweise nebeneinander auf einem als gemeinsamer Trä­ ger dienenden sogenannten Multichipmodul-Substrat angeordnet) sind.
Die beschriebenen IC-Bausteine zeichnen sich dadurch aus, daß sie außer einer oder mehreren integrierten Schaltungen zu­ sätzliche elektronische Bauelemente enthalten.
Die Bauelemente, um die es sich im vorliegend näher betrach­ teten Beispiel handelt, sind die eingangs bereits erwähnten Stützkondensatoren zur Kompensation der beispielsweise in Anordnungen gemäß der Fig. 4 auftretenden Kurzschlüsse. Wie später noch ausführlicher dargelegt werden wird, besteht hierauf jedoch keine Einschränkung; die erwähnten Bauelemente können grundsätzlich für beliebige Zwecke vorgesehene Bauele­ mente und Strukturen beliebiger Art sein.
Die Stützkondensatoren sind auf einem plättchenförmigen Trä­ ger angeordnet, welcher mit der integrierte Schaltung, für welche die Stützkondensatoren vorgesehen sind, vorzugsweise durch Kleben verbunden wird.
Eine derartige Anordnung ist in Fig. 1 veranschaulicht. In der Fig. 1 ist eine integrierte Schaltung 1 dargestellt, auf welche ein einen oder mehrere in der Fig. 1 nicht gezeigte Kondensatoren tragender plättchenförmiger Träger 2 aufgeklebt ist.
Der plättchenförmige Träger 2 ist vorzugsweise ein Keramik- oder Glasplättchen. Keramiken und Gläser sind als Träger­ material hervorragend geeignet, weil sie zum einen thermo­ mechanisch relativ gut an Silizium und andere Halbleiter­ materialien zur Herstellung von integrierten Schaltungen 1 angepaßt bzw. anpaßbar sind und andererseits wegen ihrer hohen Dielektrizitätskonstante ausgezeichnet zur Ausbildung von Kondensatoren auf dem Träger 2 geeignet sind.
Auf dem Träger 2 sind im betrachteten Beispiel ein oder meh­ rere Kondenstoren vorgesehen, deren elektrische Anschlüsse als Bondpads ausgebildet sind, von welchen jeder für eine oder mehrere Bondverbindungen ausgelegt sein kann. Über diese, in der Fig. 1 nicht gezeigte Bondpads sind die auf dem Träger 2 vorgesehenen oder ausgebildeten Bauelemente über Bonddrähte 41, 42 elektrisch mit der darunter liegenden oder (z. B. bei Multichipmodulen) anderen integrierten Schaltungen des betrachteten IC-Bausteins verbindbar.
Der Träger 2 mit dem oder den darauf befindlichen Kondensato­ ren kann beispielsweise als sogenannte Cofired Ceramik her­ gestellt werden. Bei dieser Technologie, nach der normalerweise auch die bekannten SMD-Keramikkondensatoren gefertigt werden, werden in einem ersten Schritt auf dünne "Green Tape" Keramiksubstrate, die noch schneid-, stanz- und formbar sind, Metallschichten (beispielsweise Cu, Ag, W oder dergleichen) aufgebracht, wobei das Aufbringen beispielsweise durch ein Bedrucken erfolgen kann. Anschließend werden die beschichte­ ten Substrate zugeschnitten, zu Stapeln zusammengefügt und gebrannt; natürlich sind auch einlagige Kondensatoren her­ stellbar.
Die Kondensatoren können auch in Dickschichttechnik auf dem Träger 2 aufgebracht werden, wobei auf fertig gebrannte Kera­ miksubstrate dielektrische und metallische Lagen meist im Siebdruckverfahren als Pasten aufgebracht und eingebrannt oder zusammengesintert werden.
Die vorstehend genannten Verfahren sind bekannt und kosten­ günstig.
Grundsätzlich denkbar sind auch Dünnfilmkondensatoren oder andere Strukturierungen in Dünnfilmtechnik, bei der auf ein Substrat (Keramik, Glas, Metall oder organisches Material wie z. B. das zur Chipabdeckung verwendete Polyimid) beispiels­ weise durch Aufschleudern, Aushärten, Bedampfen usw. dielek­ trische und metallische Lagen aufgebracht und - ähnlich wie bei der Herstellung von Halbleiter-Chips - durch Fotostruktu­ rier- und Ätzprozesse strukturiert werden.
Die Dünnfilmtechnik ist flexibler einsetzbar und liefert genauere Ergebnisse, ist dafür aber auch teurer als die vor­ stehend beschriebenen Techniken.
Mögliche Arten der Ausbildung und Anordnung eines oder mehre­ rer Stützkondensatoren auf einem Träger 2 werden nachfolgend insbesondere unter Bezugnahme auf die Fig. 2A, 2B und 3 beschrieben.
Bei dem Stützkondensator, der in den genannten Figuren veran­ schaulicht ist, handelt es sich um einen nach der Dick­ schichttechnik hergestellten Dickschichtkondensator. Die nachfolgenden Ausführungen gelten jedoch - soweit es sich nicht um individuelle Besonderheiten der Dickschichttechnik handelt - auch für nach anderen Verfahren hergestellte Bau­ elemente.
Der grundlegende Aufbau des Stützkondensators ist in den Fig. 2A und 2B veranschaulicht, wobei die Fig. 2A eine Seitenansicht des den Kondensator enthaltenden Trägers und die Fig. 2B eine Draufsicht auf denselben darstellt.
Der mit dem Bezugszeichen 3 bezeichnete Kondensator besteht aus einer auf dem Träger 2 aufgebrachten Substratelektrode 31, einer auf der Substratelektrode 31 aufgebrachten (im betrachteten Beispiel 50 µm dicken) Dielektrikum-Schicht 32 und einer über der Dielektrikum-Schicht 32 aufgebrachten Deckelektrode 33.
Die Kapazitäten von derart (einschichtig) aufgebauten Konden­ satoren hängen in erster Linie von dem zur Herstellung der Dielektrikum-Schicht 32 verwendeten Material ab. In der fol­ genden Tabelle sind stellvertretend zwei Beispiele angeführt:
Bei Stützkondensatoren sind häufig Kapazitäten von 20 pF aus­ reichend. Selbst bei einem einlagigen Aufbau mit Glas wäre also 1 mm2 Kondensatorfläche pro Treiberschaltung nach Art der Fig. 4 bereits mehr als ausreichend. Bei geschicktem Design sind auf dieser Fläche sogar noch große, d. h. zum An­ schluß mehrere Bonddrähte ausgelegte Anschlußflächen (Bondpads) unterbringbar.
Die Bondpads werden, wie insbesondere aus der Fig. 2B er­ sichtlich ist, durch die über die Dielektrikum-Schicht 32 überstehenden Abschnitte 311 und 331 der Substratelektrode 31 und der Deckelektrode 33 gebildet.
Über die Bondpads werden die auf dem Träger 2 angeordneten Bauelemente mit der integrierten Schaltung, auf der sie sich befinden oder einem mehrere integrierte Schaltungen tragenden Multichipmodul-Substrat verbunden.
Jeder der Bondpads kann, wie vorstehend bereits erwähnt wurde, zur Verbindung mit mehreren Bonddrähten ausgelegt sein. Selbstverständlich muß dies nicht unbedingt der Fall sein.
Die Bondpads 311 und 331 müssen nicht wie bei der in den Fig. 2A und 2B gezeigten Ausführungsform auf gegenüber­ liegenden Seiten der Kondensatorfläche liegen. Sie können auch auf der selben Seite der Kondenstorfläche nebeneinander liegen. Ein derartiger Aufbau des Stützkondensators ist in Fig. 3 veranschaulicht.
Eine wie in der Fig. 3 gezeigte Anordnung der Bondpads er­ weist sich in den meisten Fällen als vorteilhaft, weil da­ durch die Bondpads der auf einem Träger vorgesehenen Bau­ elemente entlang des Trägerrandes angeordnet werden können. Dies ist günstig, weil dadurch die Verwendung besonders kur­ zer Bonddrähte zur (direkten oder indirekten, d. h. auf dem Umweg über beispielsweise Multichipmodul-Substrate oder Lead­ frames erfolgenden) Verbindung der Bauelemente des Trägers 2 mit der darunter liegenden oder einer anderen integrierten Schaltung ermöglicht wird.
Ein besonders kurzer Leitungsweg zwischen den Bauelementen des Trägers und den integrierten Schaltung bzw. den Abschnit­ ten derselben, für die sie bestimmt sind, ist insbesondere bei der Verarbeitung oder der Erzeugung hochfrequenter Signale und/oder hohen Arbeitsgeschwindigkeiten der inte­ grierten Schaltung von enormer Bedeutung. Der Ladungsfluß von und zu den Bauelementen wird nämlich bei hohen Frequenzen durch den Blindwiderstand ωL der Verbindungsleitung begrenzt, und dieser kann selbst bei relativ kurzen Verbindungsleitun­ gen überraschend hoch werden. Bei der üblichen Eigeninduk­ tivität L eines Leitungsstückes von etwa 1 nH/mm und einer (in dieser Größenordnung beispielsweise in GSM-Mobilfunk­ telefonen verwendeten) Frequenz von 1 GHz beträgt der Blind­ widerstand bereits 6,3 Ω/mm. Aus diesem hohen Blindwider­ stand läßt sich ersehen, daß die auf dem Träger 2 angeord­ neten Bauelemente ihre bestimmungsgemäße Wirkung nur dann op­ timal entfalten können, wenn der Verbindungsweg zur inte­ grierten Schaltung möglichst kurz ist. Unabhängig davon ist die Wirkung der auf dem Träger oder anderswo im IC-Baustein vorgesehenen Bauelemente aufgrund deren Nähe zur integrierten Schaltung erheblich besser als wenn sie wie bisher außerhalb des IC-Bausteins vorgesehen wären.
Es erweist sich als günstig, wenn auf dem Träger 2 ganze Kon­ densatorfelder aufgebaut werden. Man kann dann auf kürzestem Wege beliebige Abschnitte der integrierten Schaltung mit be­ liebig vielen Kondensatoren verbinden.
Die Kondensatoren von Kondensatorfeldern sind vorzugsweise so aufgebaut, daß sie zumindest teilweise eine gemeinsame Substratelektrode oder eine gemeinsame Deckelektrode haben. Dadurch läßt sich die dann eine nahezu vollflächige Lage bil­ dende Substratelektrode oder Deckelektrode zugleich als elektromagnetische Schirmung für die integrierte Schaltung benutzen.
Zusätzlich oder alternativ können außer den Kondensatoren auch andere passive Bauelemente oder Stukturen wie beispiels­ weise Widerstände, Induktivitäten, Verdrahtungsleitungen oder ganze Verdrahtungsebenen etc. auf einfache und platzsparende Weise auf dem Träger untergebracht werden. Da derartige Bau­ elemente planar oder in mehreren Lagen auf nur einer einzigen Seite des Trägers, also ohne Durchkontaktierungen zur anderen Seite erzeugt werden können, kann die zweite Seite des Trä­ gers großflächig metallisiert und als Schirmelektrode genutzt werden.
Selbstverständlich können auch komplexere passive und auch aktive Bauelemente, unter anderem also auch beispielsweise Oberflächenwellenfilter, Sensoren, Transistoren, Dioden z. B. zum Senden und Empfangen von optischen Signalen oder Hoch­ frequenzsignalen usw. in den IC-Baustein verlegt werden.
Es erweist sich wegen der damit verbundenen Flexibilität als sehr vorteilhaft, daß prinzipiell alle in der Dünnfilm- oder Dickschichttechnik bekannten Vorgehensweisen und Verfahren zum Einsatz kommen können, angefangen beispielsweise vom Auf­ bringen von Leitungen Widerstandsschichten oder Bauelemente repräsentierenden Strukturen wie spiral- oder mäanderförmige Leitungen zur Erzeugung von Induktivitäten, bis hin zum Trimmen von Widerständen oder Auftrennen von Verbindungen mittels Laser. Damit sind auch Präzisions-Bauelemente oder Baugruppen wie Präzisionswiderstände, RC-Glieder, Filter, Schwingkreise usw. leicht realisierbar. Bei geschickter Zu­ sammenstellung derartiger Strukturen auf dem Träger können diese in unterschiedlicher Weise durch nachträgliches Auf­ trennen von Leitungen bedarfsgerecht erzeugt oder verschach­ telt werden.
Ist der Träger der Bauelemente auf die integrierte Schaltung aufgeklebt und durch Drahtbonden mit Golddraht mit dieser oder einem darunter liegenden Multichipmodul-Substrat ver­ bunden, so wird, wie in der Fig. 1 angedeutet ist, der Bondball vorzugsweise auf einen Bondpad der integrierten Schaltung (bei Multichipmodulen gegebenenfalls auf einen Bondpad des noch tiefer liegenden Multichipmodul-Substrats) platziert, und der Bondwedge auf einen Bondpad des Trägers. Dadurch kann der Bonddraht relativ flach auf den Bondpad des Trägers auftreffen. Bei einer derartigen Verbindung von integrierter Schaltung und Träger wird der IC-Baustein durch das Einbringen des Trägers in diesen nicht oder allenfalls unwesentlich dicker; die im IC-Baustein auch ohne den Träger vorzusehenden Bondverbindungen beanspruchen nämlich ohnehin einen nicht unerheblichen Freiraum nach oben, und dieser Freiraum wird durch den Träger bzw. die zu diesem zu ver­ legenden Bonddrähte nicht oder kaum überragt.
Das Ausbilden der in den IC-Baustein verlegten Bauelemente auf einem Träger und Aufkleben desselben auf die integrierte Schaltung des IC-Bausteins ist eine Vorgehensweise, für wel­ che es hinsichtlich der Effizienz, der Flexibilität, der Wirksamkeit und der Kosten nach dem derzeitigen Kenntnisstand keine gleichwertigen oder besseren Alternativen gibt.
Gleichwohl ist diese Art der Bauelemente-Integration nicht die einzig mögliche Variante. So ist es beispielsweise nicht erforderlich, den Träger auf die integrierte Schaltung aufzu­ kleben. Bei entsprechender Ausführung können die in den IC-Baustein zu verlegenden Bauelemente auch anderweitig dort untergebracht werden. Eine der Möglichkeiten hierfür besteht darin, ein herkömmliches oder speziell für diesen Zweck angefertigtes Bauelement beispielsweise durch Verlöten mit den entsprechenden Fingern des lead frame des IC-Bausteins zu verbinden.
Abschließend und zusammenfassend kann festgestellt werden, daß es durch die Verlegung von normalerweise außerhalb des IC-Bausteins vorgesehenen Bauelementen in diesen hinein auf verblüffend einfache Weise bewerkstelligbar ist, die bekann­ ten IC-Bausteine in ihrer Funktion und Wirkungsweise derart zu verbessern, daß sie selbst bei höchsten Signalfrequenzen und Arbeitsgeschwindigkeiten problemlos einsetzbar sind.

Claims (10)

1. IC-Baustein mit einer oder mehreren integrierten Schal­ tungen (1), einem oder mehreren zusätzlichen passiven Bauelementen (3) und einem diese umgebenden Gehäuse, wobei innerhalb des Gehäuses die passiven Bauelemente auf einem Träger (2) angeordnet sind, und der Träger (2) auf einem IC derart angeordnet ist, daß der Träger die Bondpads des IC's nicht überragt.
2. IC-Baustein nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bauelemente (3) zur Vermeidung oder Kompensation von Störungen verwendet werden, welche während des Betriebes der integrierten Schaltung (1) in dieser auftreten können.
3. IC-Baustein nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (2) ein Glas- oder Keramikplättchen ist.
4. IC-Baustein nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die auf dem Träger (2) ausgebildeten Bauelemente (3) als Cofired Ceramik oder unter Verwendung der Dünnfilm- und/oder Dickschicht-Technologie hergestellt sind.
5. IC-Baustein nach einem der Ansprüche 3 oder Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Träger (2) ein eine Vielzahl von Kondensatoren (3) umfassendes Kondensatorfeld ausgebildet ist.
6. IC-Baustein nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensatoren (3) des Kondensatorfeldes zumindest teilweise eine gemeinsame Substrat- oder Deckelektrode (31, 33) aufweisen.
7. IC-Baustein nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (2) auf die integrierte Schaltung (1) aufge­ klebt ist.
8. IC-Baustein nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Träger (2) ebenfalls Bondpads (311, 331) vorgesehen sind, über welche die auf dem Träger vorgesehenen Bauelemente (3) mit der integrierten Schaltung (1) verbindbar sind.
9. IC-Baustein nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Bondpads (311, 331) am Rand des Trägers (2) angeord­ net sind.
10. IC-Baustein nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die mit den Bondpads (311, 331) verbundenen Bonddrähte (41, 42) relativ flach auf diese treffen.
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