Performance und Miniaturisierung

Lars Göhler und Joachim Krause,Siemens PL EA, Bruchsal

Nicht nur das – möglichst innovativ umgesetzte – Konzept eines Chips ist für seinen Erfolg oder Mißerfolg am Markt verantwortlich, sondern mindestens gleicher-maßen das IC-Gehäuse. Schließlich muß das Package als Schnittstelle/Interconnect zwischen dem eigentlichen Bauelement und der Leiterplatte die Performance des ICs auf der Baugruppe verfügbar machen. Die optimale Lösung – der völlige Verzicht auf ein Gehäuse – und die Die-Montage wie bei der Flip-Chip-Technik direkt auf der Leiterplatte, hat allerdings einige Nachteile. Insbesondere die Problema-tik des Known-Good-Die, der schwierigkontrollierbare Underfill-Prozeß, Aushärten und Reinraumbedingungen hemmen die Massenanwendung der Flip-Chip-Technik.

Eine echte Alternative stellt hier die CSP-Technik (Chip-Scale-Package) dar, denn sie vereint die positiven Eigenschaften der Flip-Chip-Technik mit SMT-kompatibler Verarbeitung. Zudem erfüllen CSP-Gehäuse die in vielen Applikationen geforderte Performance und Miniaturisierung. Während der Anteil der Chips in CSP-Ausführung heute erst 2 % beträgt, gibt es Prognosen, die ihn bis zum Jahr 2005 bereits bei20 % sehen. Dieser Entwicklung trägt der Siemens-Bereich PL EA mit seinem PSGA-Gehäuse Rechnung. PSGA steht für Polymer Stud Grid Array und bezeichnet ein im Präzisions-Spritzgußverfahren hergestelltes Kunststoffgehäuse, das Siemens zusammen mit dem europäischen Forschungszentrum IMEC in Leuven, Belgien, entwickelt hat.

Der Grundkörper des PSGA besteht aus einem speziellen thermoplastischen Mate-rial, der metallisiert und mit einem High-Speed-Laser strukturiert wird. Die sogenannten. Studs (Stifte), die man ineinem Arbeitsschritt mit dem eigent-lichen Gehäuse spritzt, stellen die elek-trische Verbindung zur Leiterplatte her. Nach dem Präzisions-Spritzguß wirddas thermoplastische Gehäusematerialmit einer metallischen Oberfläche ver-sehen und das Anschlußlayout struk-turiert.

Das Strukturieren des PSGAs erfolgt per Laser mit 1200 mm/s Schreibgeschwindigkeit bei einer Auflösung unter 4,5 µm sowie weniger als 10 µm Positioniertoleranz. Es handelt sich also um einen seriellen Prozeß. Der Laser, der das Metall abladiert, erzeugt die Leiterbahnen, indem er sie umschreibt. Da er exakte, feine und platzsparende 3D-Verbindungen ermöglicht, lassen sich Bauteilsubstrate mit komplexen Formen und Anschlußstrukturen einfacher als bisher realisieren. Zudembietet der Laser eine höhere Flexibilität beim Erzeugen von unterschiedlichen Anschlußkonfigurationen. So ist es lediglich erforderlich, das Steuerprogramm durch Eingabe der CAD-Daten zu ändern.

Das PSGA-Gehäuse kommt auch den aktuellen Bestrebungen entgegen, die Verwendung von Blei auf Baugruppen zu reduzieren bzw. ab 2004 praktisch gänzlich zu unterbinden. Hier verwendet man metallisierten Kunststoff anstelle der Lotkugeln für die Verbindungen zur Schaltung. Zudem zeigen erste Untersuchungen, daß die Studs durch ihre Ausformung einehöhere Zuverlässigkeit des Packages im eingelöteten Zustand gewährleisten. Daes sich im Gegensatz zu den Lot-Ballswie bei BGA oder CSP hier nicht um eine starre Lötverbindung handelt, waren beim PSGA mit 8 mm Kantenlänge erste Aus-fälle bei Temperaturzyklen von –50 bis +125 °C erst nach über 3000 Perioden zu verzeichnen.

Alle weiteren im Backend vorkommenden Packaging-Prozeduren wie Die- und Wirebonden, Overmold oder Glob-Top lassen sich wie bei den herkömmlichen Gehäuseformen anwenden. Dabei entfallen allerdings die kostenintensiven Prozeßschritte wie Ball-Apply bei BGA und CSP sowie Trim&Form bei QFP-Gehäusen. Siemens hat nun mit der Entwicklung derCavity-Down-Variante des PSGA begonnen. Bei 1,5 mm Gesamthöhe und Gehäuseabmessungen von 25 x 25 mm trägt das Package 232 Studs – möglich sind 264 Studs – mit einem Pitch von 1,0 mm.Die zylindrischen Anschlüsse messen 0,5 mm im Durchmesser sowie 0,5 mm in der Höhe. Bei dieser Variante wurden Leiterbahnbreiten und -abstände von jeweils 100 µm erzeugt. Momentan erfolgt die Qualifikation der Cavity-Up-Variante, die bald abgeschlossen ist. Hier hat man ein Package mit 8 x 8 mm Kantenlänge und 72 Studs – möglich sind 80 Studs – realisiert. An diesem Gehäuse wird das enorme Miniaturisierungspotential bei modernen Bauelementen unter Laseranwendung deutlich: Bei Leiterstrukturen von 65 µm/65 µm läßt sich ein Stud-Pitch von 0,8 mm erzielen, wobei es gelungen ist, Stud-Durchmesser und -Höhe auf jeweils 0,4 mm zu verkleinern. Insgesamt reduziert sich damit die IC-Gesamthöhe einschließlich Overmold auf 1,4 mm.Cavity-Up – der Chip liegt hier aufder Oberseite des Gehäuses – besticht durch extrem kleine Gehäuseabmessungen, während die Cavity-Down-Version mit dem Chip auf der Unterseite für kurze Verbindungen zwischen Chip und Stud prädestiniert ist. Eine optimale Wärmeableitung läßt sich durch Integration eines Heatsink im PSGA realisieren.

Das Miniaturisierungspotential dieser Technik ist bis dato noch nicht ausgeschöpft. Derzeit reduziert man Leiterbahnbreiten und Abstände bis hinunter auf25 µm. Damit läßt sich der Stud-Pitch von 0,5 auf 0,3 mm verkleinern. Gleichermaßen laufen Entwicklungen, um Gehäuse miteiner Dicke unter 1,0 mm zu realisieren. Zudem sind Lösungen für eine Flip-Chip-Verbindung im Package in unserer Roadmap vorgesehen. Für komplexe Interconnections sind Multilayer- und Microvia-Versionen für HF- und MCM-Applikationen in Arbeit.

Mit all diesen Vorteilen wie hohe Anschlußdichte, verbesserte Wärmeleitfähigkeit und EMI-Abschirmung sowie zuverlässigere Lötverbindungen als bei bisher verfügbaren Alternativen ist das PSGA-Gehäuse für den Einsatz in nahezu allen Geräten der Informationstechnik, Telekommunikation, Automatisierung, Konsumelektronik bis zur Automobilelektronik gut geeignet. Während die Lotkugeln von traditionellen BGA- und CSP-Gehäusen bei hohen Temperaturen, die Automobilelektronik oft ausgesetzt ist, aufschmelzen würden, reicht die Temperaturbeständigkeit des Kunststoffs beim PSGA-Gehäuses bis über +180°C. Siemens vergibt die PSGA-Technik in Lizenz an Halb-leiterhersteller sowie Auftragsfertiger für IC-Gehäuse und stellt zudem das für die Herstellung notwendige Equipment und Prozeß-Know-how zur Verfügung.

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