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1. WO1999001898 - MODULE DE CIRCUITS INTEGRES

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[ DE ]

Beschreibung

IC-Baustein

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs l, d.h. einen IC-Baustein mit einer oder mehreren integrierten Schaltungen und einem diese umgebenden Gehäuse.

Derartige IC-Bausteine sind seit vielen Jahren in unzähligen Ausführungsformen bekannt und bedürfen keiner näheren Erläuterung .

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 ergriffen werden.

Ein derartiger Effekt ist beispielsweise bei SchaltVorgängen in Treiberstufen der in der Figur 4 gezeigten Art zu beobachten.

Die besagte Treiberstufe besteht aus zwei MOS-Transistoren Tl und T2, die wie in der Figur 4 gezeigt verschaltet sind. Von den Transistoren sei einer immer leitend und der andere immer sperrend, so daß das Ausgangssignal 0 der Treiberstufe in Abhängigkeit 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 umge- kehrt. 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 zwischen VDD und Masse vor. Dadurch fließt ein so hoher Strom, daß die VersorgungsSpannung VDD kurzzeitig einbricht. Dieser Versorgungsspannungseinbruch stört benachbarte Schaltungsteile der integrierten Schaltung, denn dies kann dort zu unerwünschten SchaltVorgängen führen; verstärkende Schaltungsteile können diese Effekte noch verstärken.

Zur Kompensation oder Entstörung können als Stützkondensatoren bezeichnete Kondensatoren zwischen VDD und Masse eingefügt 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 Schaltung arbeitet, desto weniger wirksam sind jedoch Entstörmaßnahmen wie die erwähnten Stützkondensatoren. Da aber andererseits immer höhere Signalfrequenzen und Arbeitsgeschwindigkeiten gefordert und realisiert werden, gestaltet sich der Einsatz von IC-Bausteinen für solche Anwendungen immer schwieriger.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, den IC-Baustein gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 derart weiterzubilden, daß dieser selbst bei höchsten Fre- quenzen und Arbeitsgeschwindigkeiten problemlos einsetzbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 beanspruchten Merkmale gelöst.

Demnach ist vorgesehen, daß innerhalb des Gehäuses des IC-Bausteins in unmittelbarer Nähe zur integrierten Schaltung ein oder mehrere zusätzliche elektronische Bauelemente untergebracht sind.

Dadurch können für die ordnungsgemäße Funktion und Wirkungsweise der integrierten Schaltung erforderliche elektronische Bauelemente in unmittelbarer Nähe zu den Stellen angeordnet werden, an welchen die zu vermeidenden oder zu kompensierenden Effekte ausgelöst werden oder auftreten.

Damit können unter anderem auch die Stützkondensatoren in unmittelbarer Nähe zu den Stellen angeordnet werden, an denen die zuvor beschriebenen Kurzschlüsse auftreten.

Die unmittelbare Nähe der Stützkondensatoren zu diesen Stellen hat den positiven Effekt, daß die in den Stützkondensatoren 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 Dimensionierung 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 Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert. Es zeigen

Figur l eine Seitenansicht einer integrierten Schaltung mit einem über dieser angeordneten (Bauelemente-) Träger,

Figur 2A eine Seitenansicht des Trägers gemäß Figur l mit
einem darauf ausgebildeten Kondensator,

Figur 2B eine Draufsicht auf den Träger gemäß Figur 2A,

Figur 3 eine Draufsicht auf einen gegenüber den Figuren 2A
und 2B verändert aufgebauten Kondensator, und

Figur 4 den Aufbau einer in integrierten Schaltungen üblicherweise verwendeten Treiberstufe.

Der im folgenden näher beschriebene IC-Baustein ist ein beliebiger IC-Baustein, dessen Aufbau, Funktion und Größe keinerlei 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 Träger dienenden sogenannten Multichipmodul-Substrat angeordnet) sind.

Die beschriebenen IC-Bausteine zeichnen sich dadurch aus, daß sie außer einer oder mehreren integrierten Schaltungen zusätzliche elektronische Bauelemente enthalten.

Die Bauelemente, um die es sich im vorliegend näher betrachteten Beispiel handelt, sind die eingangs bereits erwähnten Stützkondensatoren zur Kompensation der beispielsweise in Anordnungen gemäß der Figur 4 auftretenden Kurzschlüsse. Wie später noch ausführlicher dargelegt werden wird, besteht hierauf jedoch keine Einschränkung; die erwähnten Bauelemente können grundsätzlich für beliebige Zwecke vorgesehene Bauelemente und Strukturen beliebiger Art sein.

Die Stützkondensatoren sind auf einem plättchenförmigen Träger angeordnet, welcher mit der integrierte Schaltung, für welche die Stützkondensatoren vorgesehen sind, vorzugsweise durch Kleben verbunden wird.

Eine derartige Anordnung ist in Figur 1 veranschaulicht. In der Figur 1 ist eine integrierte Schaltung 1 dargestellt, auf welche ein einen oder mehrere in der Figur 1 nicht gezeigte Kondensatoren tragender plattchenförmiger Träger 2 aufgeklebt ist.

Der plättchenförmige Träger 2 ist vorzugsweise ein Keramikoder Glasplättchen. Keramiken und Gläser sind als Trägermaterial hervorragend geeignet, weil sie zum einen thermo-mechanisch relativ gut an Silizium und andere Halbleitermaterialien zur Herstellung von integrierten Schaltungen l 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 mehrere Kondenstoren vorgesehen, deren elektrische Anschlüsse als Bondpads ausgebildet sind, von welchen jeder für eine oder mehrere Bondverbindungen ausgelegt sein kann. Über diese, in der Figur 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 Kondensatoren kann beispielsweise als sogenannte Cofired Ceramik hergestellt werden. Bei dieser Technologie, nach der normaler- weise 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 beschichteten Substrate zugeschnitten, zu Stapeln zusammengefügt und gebrannt; natürlich sind auch einlagige Kondensatoren herstellbar.

Die Kondensatoren können auch in Dickschichttechnik auf dem Träger 2 aufgebracht werden, wobei auf fertig gebrannte Kera-miksubsträte dielektrische und metallische Lagen meist im Siebdruckverfahren als Pasten aufgebracht und eingebrannt oder zusammengesintert werden.

Die vorstehend genannten Verfahren sind bekannt und kostengünstig.

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) beispielsweise durch Aufschleudern, Aushärten, Bedampfen usw. dielektrische und metallische Lagen aufgebracht und - ähnlich wie bei der Herstellung von Halbleiter-Chips - durch Fotostrukturier- und Ätzprozesse strukturiert werden.

Die Dünnfilmtechnik ist flexibler einsetzbar und liefert genauere Ergebnisse, ist dafür aber auch teurer als die vorstehend beschriebenen Techniken.

Mögliche Arten der Ausbildung und Anordnung eines oder mehrerer Stützkondensatoren auf einem Träger 2 werden nachfolgend insbesondere unter Bezugnahme auf die Figuren 2A, 2B und 3 beschrieben.

Bei dem Stützkondensator, der in den genannten Figuren veranschaulicht ist, handelt es sich um einen nach der Dickschichttechnik hergestellten Dickschichtkondensator. Die nachfolgenden Ausführungen gelten jedoch - soweit es sich nicht um individuelle Besonderheiten der Dickschichttechnik handelt - auch für nach anderen Verfahren hergestellte Bauelemente .

Der grundlegende Aufbau des Stützkondensators ist in den Figuren 2A und 2B veranschaulicht, wobei die Figur 2A eine Seitenansicht des den Kondensator enthaltenden Trägers und die Figur 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 Kondensatoren hängen in erster Linie von dem zur Herstellung der Dielektrikum-Schicht 32 verwendeten Material ab. In der folgenden Tabelle sind stellvertretend zwei Beispiele angeführt:

Bei Stützkondensatoren sind häufig Kapazitäten von 20 pF ausreichend. Selbst bei einem einlagigen Aufbau mit Glas wäre also 1 mm2 Kondensatorfläche pro Treiberschaltung nach Art der Figur 4 bereits mehr als ausreichend. Bei geschicktem Design sind auf dieser Fläche sogar noch große, d.h. zum Anschluß mehrere Bonddrähte ausgelegte Anschlußflächen
(Bondpads) unterbringbar.

Die Bondpads werden, wie insbesondere aus der Figur 2B ersichtlich 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 Figuren 2A und 2B gezeigten Ausführungsform auf gegenüberliegenden Seiten der Kondensatorfläche liegen. Sie können auch auf der selben Seite der Kondenstorfläche nebeneinander liegen. Ein derartiger Aufbau des Stützkondensators ist in Figur 3 veranschaulicht.

Eine wie in der Figur 3 gezeigte Anordnung der Bondpads erweist sich in den meisten Fällen als vorteilhaft, weil dadurch die Bondpads der auf einem Träger vorgesehenen Bauelemente entlang des Trägerrandes angeordnet werden können. Dies ist günstig, weil dadurch die Verwendung besonders kurzer 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 Abschnitten derselben, für die sie bestimmt sind, ist insbesondere bei der Verarbeitung oder der Erzeugung hochfrequenter
Signale und/oder hohen Arbeitsgeschwindigkeiten der integrierten 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 Verbindungsleitungen überraschend hoch werden. Bei der üblichen Eigeninduktivität L eines Leitungsstückes von etwa 1 nH/mm und einer (in dieser Größenordnung beispielsweise in GSM-Mobilfunktelefonen verwendeten) Frequenz von 1 GHz beträgt der Blindwiderstand bereits 6,3 Ω/mm. Aus diesem hohen Blindwiderstand läßt sich ersehen, daß die auf dem Träger 2 angeordneten Bauelemente ihre bestimmungsgemäße Wirkung nur dann optimal entfalten können, wenn der Verbindungsweg zur integrierten 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 Kondensatorfelder aufgebaut werden. Man kann dann auf kürzestem Wege beliebige Abschnitte der integrierten Schaltung mit beliebig 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 bildende 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 beispielsweise Widerstände, Induktivitäten, Verdrahtungsleitungen oder ganze Verdrahtungsebenen etc. auf einfache und platzsparende Weise auf dem Träger untergebracht werden. Da derartige Bauelemente 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 Trägers 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 Hochfrequenzsignalen 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 Aufbringen 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 Zusammenstellung derartiger Strukturen auf dem Träger können diese in unterschiedlicher Weise durch nachträgliches Auftrennen von Leitungen bedarfsgerecht erzeugt oder verschachtelt werden.

Ist der Träger der Bauelemente auf die integrierte Schaltung aufgeklebt und durch Drahtbonden mit Golddraht mit dieser oder einem darunter liegenden Multichipmodul-Substrat verbunden, so wird, wie in der Figur 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 verlegenden 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 welche 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 aufzukleben. Er kann auch an anderen Stellen der integrierten Schaltung auf beliebige Art und Weise mit dieser verbunden werden. Es ist nicht einmal zwingend erforderlich, daß der Träger überhaupt mit der integrierten Schaltung verklebt oder in sonstiger Weise verbunden wird. Der Träger muß auch nicht oberhalb der integrierten Schaltung angeordnet werden, sondern kann grundsätzlich eine beliebige Relativlage zur integrierten Schaltung einnehmen, also beispielsweise auch unter oder neben dieser angeordnet werden. Er muß auch nicht platt-chenförmig ausgebildet sein, sondern kann beliebige andere Formen (z.B. die eines Zylinders) annehmen; er kann auch beliebig dick oder dünn sein. Auf den Träger kann sogar verzichtet werden. Bei entsprechender Ausführung können die in den IC-Baustein zu verlegenden Bauelemente nämlich 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 bekannten IC-Bausteine in ihrer Funktion und Wirkungsweise derart zu verbessern, daß sie selbst bei höchsten Signalfrequenzen und Arbeitsgeschwindigkeiten problemlos einsetzbar sind.