Несущий элемент для полупроводниковой микросхемы - RU2156521C2

Чертежи

Описание

Изобретение относится к несущему элементу для полупроводниковой микросхемы, в частности, для монтажа в карточке с встроенным микропроцессором, в котором металлическая фольга ламинирована на непроводящей пленке и структурирована так, что на ней образуются два параллельных, проходящих в направлении противоположных главных кромок несущего элемента ряды контактных поверхностей, и полупроводниковая схема расположена на противоположной металлической фольге стороне непроводящей пленки и через отверстия в непроводящей пленке соединена электрически с контактными поверхностями.

Такие несущие элементы известны, например, из DE 3424241 C2 и используются в больших объемах в карточках с встроенным микропроцессором. Для их изготовления непроводящую пленку, которая в настоящее время состоит, предпочтительно, из усиленной стекловолокном эпоксидной смолы, ламинируют пленкой, состоящей из поверхностно облагороженной меди. В этой проводящей фольге вытравливают структуры, которые образуют изолированные друг от друга контактные поверхности, которые расположены двумя параллельными друг другу рядами на продольных сторонах средней поверхности. В большинстве случаев одна из внешних контактных поверхностей выполнена как одно целое со средней контактной поверхностью. В непроводящей пленке перед процессом ламинирования штампуют отверстия, которые обеспечивают доступ к контактным поверхностям, для того чтобы иметь возможность электрически соединить полупроводниковую микросхему с контактными поверхностями, так что ее можно через контактные поверхности соединять с прибором считывания. Может быть также предусмотрено центральное, выполняемое штамповкой отверстие для размещения полупроводниковой схемы, как это раскрыто, например, в DE 3424241 C2, для уменьшения общей высоты системы несущий элемент-полупроводниковая микросхема.

Известные несущие элементы имеют в настоящее время примерно прямоугольную основную поверхность, при этом два ряда контактных поверхностей проходят вдоль противоположных кромок несущего элемента.

Несущие элементы указанного выше типа известны также из FR-A-2617668 и FR-A-2684236. В них контактные поверхности несущих элементов соединены узкими проводниками, которые ведут к общему вводу, для того чтобы иметь возможность простым способом производить гальваническую обработку контактных поверхностей.

Полупроводниковые схемы для карточек с встроенным микропроцессором выполняли раньше почти исключительно специальные функции памяти и вследствие их последовательного ввода данных были пригодными только для использования в карточках с встроенным микропроцессором. По мере увеличивающегося распространения карточек с встроенным микропроцессором с функциями микропроцессора используемые для этого полупроводниковые микросхемы получили возможность более универсального применения, так как используются также микропроцессоры с последовательным вводом, в частности, микропроцессоры со специальным сопроцессором, если они не интегрированы вместе в одной карточке с встроенным микропроцессором. Они могут быть встроены в карточки PCMCIA или использоваться вообще на печатных платах.

В настоящее время предпочтительной техникой соединения между полупроводниковой микросхемой и печатной платой является пайка согласно технологии SMD (монтируемое на поверхности устройство). Для этого на печатную плату с помощью шелкографии наносят паяльную пасту и затем размещают на ней полупроводниковые микросхемы, которые в качестве монтируемых на поверхности устройств заключены в корпус. Затем печатную плату помещают в печь, для того чтобы расплавить припой и создать тем самым соединение между печатной платой и полупроводниковой микросхемой.

Корпуса микросхем, пригодных для установки на поверхность, имеют вводы специальной формы, которые позволяют проводить автоматическую установку и автоматический процесс пайки. При этом паяльное соединение должно быть надежным и выполняться в заданных местах, без растекания припоя и без возникновения коротких замыканий, соответственно, некачественных контактов.

В противоположность этому современные несущие элементы для карточек с встроенным микропроцессором имеют относительно большие по площади контакты, которые служат прежде всего для того, чтобы создать надежный контакт с щупами считывающего прибора. В частности, стандарт ISO 7816 устанавливает, какую минимальную величину и положение должны иметь контактные поверхности.

Таким образом, для различных случаев применения необходимо предусматривать различные корпуса, соответственно, носители микросхем, что приводит к увеличению стоимости изготовления вследствие различных процессов изготовления, логистики, материалов и т.д.

Из CH 654143 A5 известно предусматривать несущий элемент для карточек с встроенным микропроцессором, пригодный также для других способов монтажа, например, для монтажа в гибридных схемах. Однако в этом несущем элементе контактные поверхности для монтажа карточки с встроенным микропроцессором и выполненные с ними как единое целое вводы находятся в различных плоскостях, так что необходимо сложное изготовление. Кроме того, предусмотрены вводы для непосредственного контактирования полупроводниковой микросхемы, так что их нельзя использовать также в качестве лепестков для припайки, так как это привело бы к повреждению микросхемы.

В ЕР 0311435 A2 также описан несущий элемент для карточек с встроенным микропроцессором из ламинированной металлом непроводящей подложки, в котором металлический ламинат структурирован в контактные поверхности. В этом случае образующие вводы проводники выполнены как одно целое с контактными поверхностями. Однако эти вводы служат для непосредственного контактирования расположенной в выемке подложки полупроводниковой микросхемы и для этого выступают в область выемки. Поэтому вводы и в этом случае нельзя использовать в качестве лепестков для припайки.

Таким образом, задачей настоящего изобретения является создать несущий элемент для полупроводниковой микросхемы, который выполняет как распространяющиеся на карточки с встроенным микропроцессором нормы ISO, так и пригоден для монтажа на поверхности.

Задача решается с помощью несущего элемента согласно пункту 1 формулы изобретения. Предпочтительные усовершенствования указаны в зависимых пунктах формулы изобретения.

При изготовлении ламинированного медью стекло-эпоксидного несущего элемента соответствующим изобретению образом вытравливают не только контактные поверхности, но и соединенные с ними в одно целое узкие проводники. При этом толщина медной фольги должна составлять минимально 35 мкм, предпочтительно 70 мкм, для того чтобы обеспечивать достаточное расстояние между печатной платой и непроводящей пластмассовой пленкой, так что уменьшается опасность электрического короткого замыкания через паяльную пасту. Непроводящая пленка состоит, предпочтительно, из каптона, который является достаточно теплоустойчивым для пайки устройств на поверхности. За счет узких, имеющих, предпочтительно, ширину около 0,4 мм и таким образом соответствующих нормам SMD проводникам возможно осуществлять четко определенную пайку.

Проводники проходят, предпочтительно, параллельно друг другу и имеют при этом расстояние между их средними линиями, предпочтительно, около 1,27 мм, что также соответствует номам SMD. При этом проводники могут проходить как параллельно рядам контактных поверхностей, так и перпендикулярно к ним. Однако принципиально возможно любое направление.

В предпочтительном усовершенствованном варианте изобретения проводники заканчиваются на кромке несущего элемента, так что возможно проводить оптический контроль соединений пайкой. В другом варианте выполнения они имеют сужение в качестве препятствия для растекания, так что пайка может происходить только в определенной области и одновременно обеспечивается хорошее соединение.

В другом усовершенствованном варианте выполнения изобретения проводники разделены на две группы, которые заканчиваются на противоположных кромках несущего элемента.

Если проводники заканчиваются на кромке несущего элемента, то это может приводить к тому, что в середине несущего элемента не будет больше медной фольги. При электрическом контактировании расположенной на другой стороне непроводящей подложки полупроводниковой микросхемы с контактными поверхностями с помощью техники проволочного соединения это может приводить к тому, что пленка подложки прогибается, что может приводить к плохим результатам соединения. Поэтому в предпочтительном варианте выполнения изобретения в середине несущего элемента оставлены поверхности медной фольги, которые соединены с проводниками и/или контактными поверхностями, чтобы не создавать паразитные емкости. Эти поверхности выполняют роль опорных элементов, для того чтобы предотвратить прогибание непроводящей пленки при проволочном соединении.

В другом варианте выполнения изобретения предусмотрено, что изолирующая пленка имеет, по меньшей мере, одну выемку, которая оставляет незакрытыми предусмотренные для постоянного контактирования (например, пайки) вводы. Тем самым можно видеть вводы со стороны изолирующей пленки, так что имеется возможность оптически контролировать результаты пайки вводов. Без такой выемки согласно изобретению такой оптический контроль был бы невозможен, так как электрически проводящая фольга и возможно предусмотренные в ней прорези, соответственно, вырезы в целом были бы закрыты изолирующей пленкой.

Усовершенствование изобретения предусматривает, что по меньшей мере один из вводов отогнут от изолирующей пленки. Это имеет то преимущество, что во время пайки предотвращается капиллярный эффект припоя для вводов, которые имеют только незначительное расстояние друг от друга, который мог бы проявляться между не изогнутыми, соответственно, отогнутыми вводами.

Другое усовершенствование изобретения предусматривает, что по меньшей мере один из вводов на двух сторонах выемки, которые расположены, предпочтительно, противоположно друг другу, закреплен на изолирующей пленке. При этом крепление ввода на одной из сторон выемки может быть прервано, так что в последующем этот ввод может быть также отогнут от изолирующей пленки. За счет двустороннего фиксирования вводов предотвращается то, что они вследствие обращения с несущим элементом или его транспортировки будут непреднамеренно изогнуты, соответственно, повреждены. С другой стороны, за счет одностороннего разрезания крепления на изолирующей пленке все же возможно предпочтительное отгибание вводов перед пайкой.

Изобретение поясняется ниже на примерах выполнения с помощью чертежей, на которых изображено:
Фиг. 1 - перспективная проекция с верхней и с нижней стороны несущего элемента согласно изобретению;
Фиг. 2 - вид сверху несущего элемента согласно фиг. 1 и
Фиг. 3 - вид сверху несущего элемента согласно другому варианту выполнения изобретения;
Фиг. 4 - вид несущего элемента согласно изобретению со стороны электрически проводящей фольги,
Фиг. 5 - вид несущего элемента по фиг. 4 с противоположной стороны, на которой находится электрически изолирующая пенка,
Фиг. 6 - поперечный разрез несущего элемента по фиг. 4 после закрепления на нем микросхемы с оболочкой и отгибания вводов от изолирующей пленки и
Фиг. 7 - вид сверху несущего элемента по фиг. 6.

На фиг. 1 показан несущий элемент согласно изобретению в перспективной проекции с верхней и нижней стороны. В правой части фигуры изображена верхняя сторона, которая имеет непроводящую подложку 1 из максимально теплостойкой пластмассы, как, например, каптона. На подложке 1 расположен пластмассовый корпус 2, внутри которого расположена не показанная полупроводниковая микросхема. Пластмассовый корпус может быть выполнен с помощью формы для литья под давлением или же с помощью литья. В последнем случае может быть предусмотрена опорная рамка на подложке.

В левой части фиг. 1 изображена нижняя сторона несущего элемента, которая имеет контактные поверхности 3, а также соединенные с ними в одно целое проводники 4.

На фиг. 2 эта нижняя сторона показана в плане. Контактные поверхности 3 проходят двумя параллельными рядами вдоль противоположных кромок несущего элемента. При этом их поверхности закрывают подлежащие контактированию считывающим прибором области, величина и положение которых определены стандартом ISO 7816.

Между двумя рядами контактных поверхностей 3 параллельно им проходят проводники 4, которые разделены на две группы, при этом каждый проводник 4 соединен с одной из контактных поверхностей 3. При этом обе группы заканчиваются на противоположных кромках несущего элемента, так что между средними линиями проводников 4 может оставаться расстояние около 1,27 мм, для того чтобы выполнить норму для монтажа на поверхности (SMD). При этом проводники 4 имеют, по меньшей мере, на их концах, где происходит пайка, ширину около 0,4 мм.

В показанном на фиг. 2 несущем элементе проводники 4 имеют постоянную ширину. За счет этого в середине несущего элемента и в областях, где на противоположной стороне несущего элемента расположены углы полупроводниковой микросхемы, образовалась бы область, в которой медная фольга удалена травлением. За счет этого возникает опасность, что при проволочном соединении микросхемы, т.е. при ее соединении с контактными поверхностями, непроводящая подложка может прогнуться. По этой причине при предпочтительном усовершенствовании изобретения оставляют медные области 5, 6, 7, 8, 9, которые соединены в одно целое с некоторыми проводниками 4 для предотвращения паразитных емкостей. Однако, в принципе проводники 4 на их соединенных с контактными поверхностями концах могут быть выполнены также более широкими.

Проводники 4 имеют вблизи их свободных концов сужения 10, которые действуют как преграды для растекания припоя. За счет этого можно производить еще более точную пайку.

Проводники 4 в варианте выполнения согласно фиг. 2 доведены до кромки несущего элемента. Однако, они могут заканчиваться также в середине несущего элемента. Однако, в этом случае был бы невозможен оптический контроль паяния.

На фиг. 3 показан другой вариант выполнения несущего элемента согласно изобретению. Здесь контактные поверхности 11 проходят также двумя параллельными рядами, однако вдоль средней поверхности 12, которая выполнена как одно целое с одной из угловых контактных поверхностей 11a. Комбинация из средней поверхности 12 и угловой контактной поверхности 11a имеет прорезь 13, которая имеет примерно такую длину, как и ширина средней поверхности 12. Она проходит параллельно кромки несущего элемента на расстоянии, которое соответствует примерно ширине клеевой пленки, с помощью которой несущий элемент вклеивают в пластиковую карточку. Для этого используют способ горячего приклеивания, т.е. горячий штамп прижимает на некоторое время несущий элемент к карточке, пока не расплавится клеевая пленка. Прорезь 13 предотвращает попадание тепла штампа через медную фольгу к полупроводниковой микросхеме, расположенной в области поверхности 12 и ее возможное повреждение.

По той же причине средняя поверхность 12 также не доходит до противоположной кромки несущего элемента. Вместо этого одна из расположенных там угловых контактных поверхностей 11b выполнена продленной вдоль этой кромки несущего элемента.

Проводники 14 согласно изобретению, служащие для пайки при монтаже на поверхности, проходят в этом примере выполнения перпендикулярно направлению рядов контактных поверхностей и находятся между угловыми контактными поверхностями 11a,...11d. По этой причине средние контактные поверхности 11e,... 11h доходят не до кромки несущего элемента, а только до штриховой линии, задаваемой стандартом ISO 7816.

Минимальный размер и положение контактных поверхностей обозначены штриховыми областями 15.

Проводники 14 здесь значительно короче, чем в примере выполнения по фиг. 2, однако позволяют несмотря на это осуществлять надежную пайку. Здесь могут быть также предусмотрены сужения в качестве препятствия для растекания. Однако, это не показано на фиг. 3. В примере выполнения по фиг. 3 ширина и расстояние проводников друг от друга соответствует нормам монтажа на поверхности (SMD).

На фиг. 4 показано усовершенствование несущего элемента согласно изобретению, изображенного уже на фиг. 3. При этом здесь также предусмотрены контактные поверхности 11 для разъемного контактирования несущего элемента и вводы 14 для постоянного контактирования несущего элемента. Разъемное контактирование через контактные поверхности 11 имеет место, когда несущий элемент вставлен в карточку с встроенным микропроцессором, которую затем можно вставить для контактирования в соответствующий считывающий прибор и затем снова вынуть. Постоянное контактирование имеет место, когда несущий элемент вместо этого припаивают, например, на печатную плату.

В этом примере выполнения несущий элемент имеет две выемки 17 в изолирующей пленке 1, которые оставляют предусмотренные для постоянного контактирования вводы 14 непокрытыми изолирующей пленкой 1. Так как выемки 17 находятся на расстоянии от внешней кромки изолирующей пленки 1, то, как показано на фиг. 4, возможно, что вводы 14 выходят за выемки 17 и тем самым закреплены на противоположных сторонах выемок 17 с помощью приклеивания к изолирующей пленке 1. Эта двухсторонняя фиксация вводов 14 имеет то преимущество, что они несмотря на их филигранные размеры защищены от повреждений. В целом за счет этого повышается стабильность несущего элемента.

На фиг. 5 показан несущий элемент по фиг. 4 с обратной стороны. На фиг. 5 несущий элемент уже снабжен окруженной оболочкой полупроводниковой микросхемой. При этом видна только изготовленная обычно из термореактивной пластмассы оболочка 2, а не сама расположенная внутри нее микросхема. Закрыты оболочкой 2 микросхемы также соединения между вводами микросхемы и контактными поверхностями 11, соответственно, вводами 14.

Изготовление несущего элемента может проходить следующим образом:
1. Для изготовления изолирующей пленки 1 пригодны, например, эпоксидная смола, полиэфирная пленка или каптон. Она имеет толщину между 60 и 180 мкм. Посредством штамповки в изолирующей пленке 1 создают отверстия, с помощью которых позднее возможно осуществить электрическое соединение между микросхемой и контактными поверхностями 11, соответственно, вводами 14. В том же процессе штамповки можно создать выемки 17 согласно изобретению.

2. Изготовление электрически проводящей фольги, предпочтительно, из меди, толщиной от 35 до 70 мкм.

3. Затем можно изготовить контактные поверхности 11 и вводы 14 на проводящей фольге либо с помощью штамповки, после чего следует ламинирование обеих пленок друг с другом, или перед структурированием проводящей фольги производят ламинирование обеих пленок друг с другом, после чего производят структурирование проводящей фольги с помощью покрытия фотолаком, последующей экспозиции и травления.

4. Покрытие проводящей фольги слоем никеля (для создания диффузионного барьера, улучшения соединительной способности и повышения трибологических свойств) и золота (для предотвращения коррозии и из соображений внешнего вида).

На фиг. 6 показан несущий элемент по фиг. 4 и 5 в поперечном разрезе и на фиг. 7 - в виде сверху, при этом изображения выполнены без соблюдения масштаба. В несущем элементе по фиг. 6 вводы 14, например, посредством штамповки, отсоединены на одной стороне выемок 17 от крепления с изолирующей пленкой 1 и затем отогнуты, соответственно, изогнуты под углом вниз от изолирующей пленки 1. Электрическое соединение между вводами 14 и микросхемой 18, естественно, остается через второе крепление вводов 14.

Отгиб под углом вводов 14 имеет то преимущество, что предотвращается капиллярный эффект для припоя вследствие относительно небольшого расстояния между соседними вводами 14. Решающее значение для этого имеет достигаемое с помощью отгибания согласно изобретению вводов 14 вертикальное расстояние между поверхностью припоя и нижней стороной изолирующей пленки 1.

На фигурах и, в частности, на фиг. 6 можно отчетливо видеть, что благодаря выемкам 17 согласно изобретению в изолирующей пленке 1 при пайке вводов 14 для выполнения постоянного контактирования несущего элемента имеется прямой доступ сверху изолирующей пленки 1 к месту пайки и, с другой стороны, после завершения процесса пайки можно оптически контролировать результат. Это является особенно предпочтительным, поскольку при изготовлении несущих элементов вследствие механического напряжения за счет сильной усадки материала оболочки микросхемы могут образовываться слишком большие неровности электрически проводящей фольги. Это может приводить к коротким замыканиям между контактными поверхностями 11 или вводами 14 или к другим погрешностям пайки, как, например, недостаточное смачивание, усадочные раковины и т.д.

В противоположность показанному на фиг. 6 можно, естественно, также не отгибать вводы 14 от изолирующей пленки 1, за счет чего становится излишним штампование вводов 14 на одной стороне выемки 17. За счет этого хотя и отказываются от предотвращения капиллярного эффекта для припоя, однако экономят стадии изготовления при одновременном сохранении преимущества проведения оптического контроля постоянного контактирования и надежной фиксации вводов 14 на изолирующей пленке 1.

В других примерах выполнения изобретения возможно также располагать выемку 17 непосредственно на кромке изолирующей пленки 1. В этом случае или если вводы 14 в изображенных примерах выполнения не закреплены на расположенных снаружи сторонах выемок 17 (тем что они там либо не приклеены, либо вообще не заходят за выемку 17), то особенно легко можно произвести отгибание вводов 14 от изолирующей пленки 1, так как для этого нет необходимости в выполнении штамповки.

Возможны, естественно, также варианты выполнения изобретения, в которых имеется другое число выемок, чем в показанных несущих элементах. В развитие изображенных объектов каждая из выемок может быть, например, еще раз разделена между отдельными вводами 14. В зависимости от расположения вводов 14 необходимо выбирать соответствующие форму и расположение выемок 17.

Изобретение пригодно, в частности, для постоянного контактирования несущего элемента через вводы с использованием технологии монтажа на поверхности (SMD). Однако, возможно также вставлять отогнутые вводы обычным образом в находящиеся на печатной плате отверстия и там припаивать их. В этом случае выемки согласно изобретению также позволяют проводить оптический контроль результатов пайки.

Для выполнения постоянного контактирования вводов 14 наряду с пайкой можно использовать также склеивание с помощью проводящего клея.

За счет выполнения согласно изобретению контактной стороны ламинированной металлом пластмассовой подложки несущего элемента с выполненными как одно целое с контактными поверхностями проводниками можно несущие элементы как монтировать в карточки с встроенным микропроцессором, так и припаивать на печатные платы.

Реферат

Использование: для монтажа в карточке с встроенным микропроцессором, для пайки на печатных схемах. Сущность изобретения: медное покрытие пластмассовой пленки структурируют с помощью травления так, что контактные поверхности выполнены как одно целое с заканчивающимися на кромке несущего элемента проводниками, которые обеспечивают надежную пайку. Техническим результатом изобретения является создание несущего элемента для полупроводниковой микросхемы, который выполняет как распространяющиеся на карточки с встроенным микропроцессором нормы ISO, так и пригоден для монтажа на поверхности. 11 з.п. ф-лы, 7 ил.

Формула