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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Verbund aus einer Halbleitereinrichtung
und einem Trägersubstrat
sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundes aus einer Halbleitereinrichtung
und einem Trägersubstrat.
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Ein
Verbund aus einer Halbleitereinrichtung, wie beispielsweise einem
Halbleiter-Chip, und einem Trägersubstrat,
wie beispielsweise einem Interposer-Substrat, wird im allgemeinen
gewählt,
um einen Chip auf eine Leiterplatte zu montieren. Um den Halbleiter-Chip
bei gegebenen unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten
einer anzuschließenden
Leiterplatte und dem Chip bei Temperaturschwankungen nicht zu gefährden, wird
eine Verstärkungsstruktur
des Chips in Form eines Interposer-Substrats zu einem Package geformt,
welches beispielsweise über
Lotkugeln an die Leiterplatte angebunden wird.
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In 4 ist ein bekannter Verbund
aus einem Halbleiter-Chip 10 und
einem Interposer-Substrat 14 dargestellt. Der Halbleiter-Chip 10 ist
dabei von einer Polymer-Umhüllung 21 umgeben
bzw. eingekapselt. Elektrisch kontaktiert ist der Halbleiter-Chip 10 über Lotkügelchen 19' mit dem Interposer-Substrat 14,
welches wiederum über
Lotkugeln 19 mit Kontaktflächen einer Leiterplatte (nicht
dargestellt) elektrisch leitend verbunden ist. In der Regel wird
dabei eine Polymer-Unterfüllung 22 (underfill)
zwischen dem Chip 10 und dem Trägersubstrat 19 bzw.
Interposer-Substrat bereitgestellt, um eine feste, starre Verbindung
zwischen dem Halbleiter-Chip 10 und dem Interposer-Substrat 14 auch
bei unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten
beider Elemente vorzusehen.
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Somit
wird bei der bekannten Lösung
gemäß 4 eine Lotanbindung 19' zur elektrischen
Kontaktierung des Halbleiter- Chips 10 mit
dem Interposer-Substrat 14 bereitgestellt. Darüber hinaus
besteht die Möglichkeit,
einen leitfähigen
Klebstoff mit feinkörnigen
leitfähigen
Kügelchen,
z.B. aus Ag, vorzusehen, welches jedoch mit hohen Kosten für den Leitklebstoff
verbunden ist. Verbindungsmöglichkeiten
zwischen einem Chip 10 und einem Interposer-Substrat 14 werden
in der Unterhaltungselektronik, Telekommunikation und im Automobilbereich durch
Flux & Reflow-Lotverbindungen
bereitgestellt, welche sehr zuverlässig und SMD-kompatibel sind.
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In
Hochleistungsanwendungen und im Automobilbereich findet außerdem eine
Solder & Reflow-Anbindung
mit Lot Verwendung, welche ebenfalls eine gute Zuverlässigkeit
und SMD-Kompatibilität aufweist.
Bei wenigen Ein- und Ausgängen
im Unterhaltungselektronik- bzw. Telekommunikationssektor findet
eine ICA-Verbindung Anwendung (cold adhesive), welche bei niedriger
Temperatur und niedrigen Kosten auch bei sehr feinen Abständen zwischen
einzelnen Kontaktelementen einsetzbar ist, wobei die Ausrichtungspräzision Schwierigkeiten
bereitet.
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Bei
ebenen und starren Substraten, beispielsweise im Medizinbereich,
bei Uhren, LCDs und Display-Trägern
wird ein ACA-Verbindungstyp
eingesetzt, welcher einen elektrischen Kontakt über einen leitfähigen Klebstoff
mit feinkörnigen
Leiterkügelchen,
z.B. aus Silber, bereitstellt. Von Vorteil dabei sind eine niedrige
Verarbeitungstemperatur und daß kein
Underfill erforderlich ist, wobei allerdings sehr gute Oberflächenbedingungen
auf den Kontaktflächen
herrschen müssen
und eine Kraft beim Fixieren von etwa 90 g pro Kontakthügel erforderlich
sind.
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Bei
den mit Lot versehenen elektrischen Anbindungsmöglichkeiten besteht der wesentliche Nachteil,
daß der
Chip mehrmalig aufgeheizt werden muß und ein Umschmelzen des Lotes
bis zu einer endgültigen
Verbindung notwendig macht. Darüber hinaus
besteht dann eine starre Verbindung, welche bei thermischen Beanspruchungen
zu Spannungen und zu Rissen in den Anbindungen führen können, welches in einer geringen
Zuverlässigkeit
resultiert. Schließlich
ist aufgrund einer galvanischen Abscheidung bei einer hohen Kontaktdichte
ein teurer Herstellungsprozeß gegeben.
Von Nachteil bei den Klebeverbindungen (ICA, ACA) ist, daß bei ICA
eine serielle und damit aufwendige Verbindung mit Hilfe von Draht-Bonden
erfolgt, und wie bereits angesprochen bei der ACA-Verbindungstechnik
ein sehr kostenintensiver Klebstoff zum Einsatz kommt.
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Aus
der WO 01/75969 A1 ist ein elastisches Kontaktelement bekannt, welches
als elektrische Verbindung zwischen einem Chip und einer Leiterplatte
dient, jedoch nicht direkt als Anbindung zwischen einem Halbleiter-Chip 10 und
einem Interposer-Substrat 14 beschrieben wird.
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Es
ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Verbund aus
einer Halbleitereinrichtung und einem Trägersubstrat sowie ein Verfahren zur
Herstellung eines Verbundes aus einer Halbleitereinrichtung und
einem Trägersubstrat
bereitzustellen, welches eine hohe Zuverlässigkeit bei einer gleichzeitig
geringen Komplexität
und geringen Kosten vorsieht.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe durch einen Verbund aus einer Halbleitereinrichtung und
einem Trägersubstrat
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren zur
Herstellung eines Verbundes aus einer Halbleitereinrichtung und einem
Trägersubstrat
mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst.
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Die
der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht im wesentlichen
darin, eine Halbleitereinrichtung mit einem elastischen Interconnect-Element,
welches mit einer Leiterbahn versehen ist, auf ein Interposer-Substrat
zu montieren, wobei ein Abschnitt der Chip-Fläche und ein Abschnitt der Substratfläche so miteinander
verklebt werden, daß das
elek trische Interconnect-Element, welches nicht im Klebstoff eingebunden
ist, auf Druck belastet ist und somit einen elektrischen Kontakt
zwischen dem Chip und dem Trägersubstrat
bereitstellt.
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In
der vorliegenden Erfindung wird das eingangs erwähnte Problem insbesondere dadurch
gelöst,
daß ein
Verbund aus einer Halbleitereinrichtung und einem Trägersubstrat
bereitgestellt wird mit: zumindest einer elastisch deformierbaren
Erhebung in einem ersten vorbestimmten Abschnitt auf der Halbleitereinrichtung;
einer leitfähigen
Einrichtung zumindest über
einem Abschnitt der zumindest einen elastisch deformierbaren Erhebung,
welche leitfähig
mit einer ersten Kontakteinrichtung auf der Halbleitereinrichtung
verbunden ist; zumindest einer Substratkontakteinrichtung auf dem
Trägersubstrat;
und einem Klebstoff zwischen der Halbleitereinrichtung und dem Trägersubstrat
in zumindest einem zweiten vorbestimmten Abschnitt auf der Halbleitereinrichtung, welcher
sich vom ersten vorbestimmten Abschnitt unterscheidet, wobei die
Substratkontakteinrichtung mit der Halbleiterkontakteinrichtung
unter Deformation der zumindest einen elastisch deformierbaren Erhebung über die
leitfähige
Einrichtung dauerhaft elektrisch kontaktiert ist.
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In
den Unteransprüchen
finden sich vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen des
jeweiligen Erfindungsgegenstandes.
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Gemäß einer
bevorzugten Weiterbildung ist der ausgehärtete Klebstoff zwischen der
Halbleitereinrichtung und dem Trägersubstrat
in einer vorbestimmten Dicke kleiner oder gleich der vertikalen
Erstreckung der zumindest einen elastisch deformierbaren Erhebung
im undeformierten Zustand.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung beträgt die Deformation der elastisch
deformierbaren Erhebung zumindest 15 % der vertikalen Erstreckung
der zumindest einen elastisch deformierbaren Erhebung im undeformierten
Zustand.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung bildet die leitfähige Einrichtung
zumindest über
einem Abschnitt der zumindest einen elastisch deformierbaren Erhebung
eine metallische Leiterbahn, welche verschiebbar auf der Substratkontakteinrichtung
aufliegt.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die zumindest eine elastisch
deformierbare Erhebung Silikon auf.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung ist der Verbund über Lotkugeln
an der Substratkontakteinrichtung abgewandten Seite an eine Leiterplatte
angeschlossen.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung bildet die Halbleitereinrichtung
einen Speicher-Chip und der Verbund ein Flip-Chip Package.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung werden die Halbleitereinrichtung
und das Trägersubstrat
zur Kontaktierung der Substratkontakteinrichtung mit der leitfähigen Einrichtung
auf der zumindest einen elastisch deformierbaren Erhebung mit einer
vorbestimmten Kraft gegeneinander gedrückt.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung wird der Klebstoff unter einer
Temperatur, die über
der Normtemperatur von 20°C
liegt, ausgehärtet.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung wird die leitfähige Einrichtung
auf der elastisch deformierbaren Einrichtung, welche vorzugsweise
Cu, Ni und/oder Au aufweist, aufgesputtert oder galvanisch aufgebracht
und photolithographisch strukturiert.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden
Beschreibung näher
erläutert.
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Es
zeigen:
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1 eine
schematische Querschnittsansicht einer Halbleitereinrichtung und
eines Trägersubstrats
vor der Verbindung zur Erläuterung
einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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2 eine
schematische Querschnittsansicht eines Verbundes aus Halbleitereinrichtung
und Trägersubstrat
zur Erläuterung
einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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3 eine
schematische Querschnittsansicht eines Verbundes als Flip-Chip in
Package-Ausführung
zur Erläuterung
einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung; und
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4 eine
bekannte Verbundform.
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In
den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche
Bestandteile.
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In 1 ist
eine Halbleitereinrichtung 10, vorzugsweise ein Halbleiter-Chip,
und ein Trägersubstrat 14 bzw.
Interposer-Substrat vor der Montage dargestellt. Die Halbleitereinrichtung 10 ist
mit einer Kontakteinrichtung 11, vorzugsweise ein (Chip-)Kontakt-Pad,
an dessen Unterseite (Flip-Chip) versehen, welche mit einem aktiven
Bereich der Halbleitereinrichtung 10 (nicht dargestellt)
kontaktiert ist. Auf dieser Unterseite der Halbleitereinrichtung 10 ist
eine elastisch deformierbare Erhebung 12 aufgebracht, welche
vorzugsweise aus einem Polymer, wie z.B. Silikon, besteht. Die elastisch deformierbare
Erhebung 12 wird beispielsweise in einem Druckprozeß auf die
Halbleitereinrichtung 10 aufgebracht.
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Zumindest über einem
Abschnitt der elastisch deformierbaren Erhebung 12 ist
eine leitfähige Einrichtung 13,
vorzugsweise eine Leiterbahn, vorgesehen, welche von der Spitze
der Erhebung 12 über eine
Flanke der Erhebung zur Oberfläche
der Halbleitereinrichtung 10 verläuft und dort gemäß einer
Umverdrahtungseinrichtung zur Kontakteinrichtung 11 gestaltet
ist, die elektrisch leitfähig
kontaktiert wird. Dieser Leiterzug 13 von dem Chip-Pad 11 der
Halbleitereinrichtung 10 zur Spitze der elastisch deformierbaren
Erhebung 12 läßt sich
beispielsweise durch Aufsputtern oder galvanisches Aufbringen einer
Metallisierung, vorzugsweise aus Cu, Ni und/oder Au, erzeugen, welche
nachfolgend photolithographisch strukturiert wird.
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Das
Trägersubstrat 14 weist
eine Substratkontakteinrichtung 15 auf, welche beispielsweise über Umverdrahtungseinrichtungen
bzw. Durchkontaktierungen (jeweils nicht dargestellt) mit einer
auf der gegenüberliegenden
Seite liegenden Anschlußeinrichtung 19,
z.B. Lotkugeln, elektrisch leitfähig verbunden
ist. Gemäß 1 ist
in einem vorbestimmten Abschnitt auf dem Trägersubstrat 14 ein Klebstoff 16 aufgebracht.
Der Klebstoff 16 kann stattdessen ohne weiteres auch oder
nur auf die Halbleitereinrichtung 10 in einem vorbestimmten
Abschnitt aufgebracht sein. Der vorbestimmte Abschitt, in welchem
der Klebstoff 16 aufgebracht ist, weist dabei keine Überdeckung
mit einem weiteren vorbestimmten Abschnitt auf, in welchem die zumindest
eine elastisch deformierbare Erhebung 12 vorgesehen ist. Vorzugsweise
ist das Trägersubstrat 14 mit
leitfähigen
Metallisierungsschichten 20 versehen, welche sowohl als
Umverdrahtungseinrichtung als auch als elektromagnetische Schirmung
dienen kann.
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In 2 ist
die Anordnung gemäß 1 als Verbund
in montiertem Zustand dargestellt. Die Halbleitereinrichtung 10 und
das Trägersubstrat 14 sind dabei
miteinander verklebt bzw. die Halbleitereinrichtung 10 auf
das Trägersubstrat 14 unter
Aussparung der elastisch deformierbaren Erhebung 12, was
den Klebstoff 16 betrifft, auflaminiert. Dieser Verklebungsprozeß 18 erfolgt
vorzugsweise unter einer Temperatur, welche höher als die Normtemperatur
von 20°C ist
und unter der Einwirkung einer vorbestimmten Kraft zwischen Halbleitereinrichtung 10 und
Trägersubstrat 14,
so daß die
federnde elastisch deformierbare Erhebung 12 samt der leitfähigen Einrichtung 13 unter
leichter mechanischer Vorspannung bei ausgehärtetem Klebstoff 16 in
der Anordnung verbleiben. Dies sichert einen dauerhaften elektrischen
Kontakt zwischen der Substratkontakteinrichtung 15 und
der Kontakteinrichtung 11 der Halbleitereinrichtung 10. Wird
die Deformation der elastisch deformierbaren Erhebung 12 mit
teilweise darauf befindlicher leitfähiger Einrichtung 13 groß genug
gewählt,
beispielsweise größer als
15 % gegenüber
der vertikalen Erstreckung der elastisch deformierbaren Erhebung 12 oder
z.B. eine Deformation von größer gleich
10 μm bei
einer vertikalen Erstreckung der elastisch deformierbaren Erhebung 12 von
50 μm, so
stellt ein solcher Druckkontakt auch bei Temperaturwechseln einen
sicheren elektrischen Kontakt zur Verfügung trotz unterschiedlicher
thermischer Ausdehnungskoeffizienten zwischen der Halbleitereinrichtung 10 und dem
Trägersubstrat 14.
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In 3 ist
im Querschnitt eine Gesamteinsicht eines Flip-Chip Packages mit einer Druckkontaktierung
gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die Halbleitereinrichtung 10 mit
Kontakteinrichtungen 11, welche mit elektrisch leitfähigen Einrichtungen 13 verbunden
sind und zumindest teilweise über
die elastisch deformierbaren Erhebungen 12 verlaufen, ist über ein
ausgehärtetes
Klebemittel 16 an ein Trägersubstrat 14 gekoppelt.
Dabei ist eine elektrisch leitfähige
Verbindung zwischen den Substratkontakteinrichtungen 15 über die
leitfähigen
Einrichtungen 13 mit den Kontakteinrichtungen 11 der
Halbleitereinrichtung 10 elektrisch leitfähig verbunden.
Diese Substratkontakteinrichtungen 15 sind wiederum über Umverdrahtungen und
Druckkontaktierungen (jeweils nicht dargestellt) mit einer Anschlußeinrichtung 19 auf
der der Substratkontakteinrichtungen 15 gegenüberliegenden
Seite kontaktiert, welche vorzugsweise durch Lotkugeln 19 gebildet
werden. Über
der Halbleitereinrichtung 10 und vorzugsweise lateral in
Breite des Trägersubstrates 14 ist
eine Schutzeinrichtung 21 bzw. Einkapselung, vorzugsweise
eine Polymer-Umhüllung,
vorgesehen, um das Package zu schützen. Die Halbleitereinrichtung 10 ist
vorzugsweise als Speicher-Chip ausgeführt. Typischerweise weisen
Speicher-Chips ihre Kontakteinrichtungen 11 bzw. Kontakt-Pads
linienförmig
in der Mitte des Chips 10 auf (center line pad layout).
Um eine Konfiguration als Flip-Chip in Package gemäß 3 zu
realisieren, ist es vorteilhaft, eine Umverdrahtung der Kontakteinrichtungen 11 zu
einer matrixförmigen
Anordnung zu bilden. An den entsprechenden Matrix-Punkten ist eine
elastisch deformierbare Erhebung 12 vorzusehen, bevor die
Umverdrahtung mit der leitfähigen
Einrichtung 13 in Kontakt mit der Kontakteinrichtung 11 erzeugt
wird.
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Die
Halbleitereinrichtung 10 mit den elastisch deformierbaren
Erhebungen 12 und den entsprechenden elektrisch leitfähigen Einrichtungen 13, vorzugsweise
als Leiterbahn ausgeführt,
ist somit auf ein Trägersubstrat 14 montiert.
Dabei ist die Seite der Halbleitereinrichtung 10, auf welcher
die Kontakteinrichtungen 11 liegen, und das Trägersubstrat 14 so miteinander
verklebt, daß die
elastisch deformierbaren Erhebungen 12 mit teilweise darüberliegender elektrisch
leitfähiger
Einrichtung 13 nicht im Klebstoff 16 eingebunden
sind, jedoch auf Druck belastet und vorzugsweise leicht deformiert,
um einen sicheren elektrischen Kontakt zwischen Chip 10 und
Interposer-Substrat 14 zu
gewährleisten.
Bewegen sich aufgrund unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten
die Halbleitereinrichtung 10 und das Trägersubstrat 14 bei
Temperaturschwankungen gegeneinander, werden mechanische Spannungen bzw.
Streß vermieden,
da zum einen die elastisch deformierba ren Erhebungen 12 mit
teilweise darüberliegender
elektrisch leitfähiger
Einrichtung 13 weich bzw. elastisch sind und mechanische
Spannungen abfedern können,
und andererseits die Kontaktpartner 13 und 15 aufeinander
gleiten können,
weil sie nicht lokal starr miteinander verbunden sind im Gegensatz
beispielsweise zu einem starren Lötkontakt.
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Obwohl
die vorliegende Erfindung vorstehend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Weise
modifizierbar. So sind insbesondere die angegebenen Herstellungsmaterialien
und Größenverhältnisse
in den Figuren beispielhaft anzusehen.
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- 10
- Halbleitereinrichtung,
vorzugsweise Halbleiter-Chip
- 11
- Kontakteinrichtung,
vorzugsweise (Chip-)Kontakt-Pad
- 12
- elastisch
deformierbare Erhebung, z.B. Silikonhügel
- 13
- leitfähige Einrichtung,
vorzugsweise Leiterbahn
- 14
- Trägersubstrat
- 15
- Substratkontakteinrichtung
- 16
- Verbindungsmittel,
vorzugsweise Klebstoff
- 17
- Druckkontaktierung
- 18
- Verklebung
- 19
- Anschlußeinrichtung,
vorzugsweise Lotkugel
- 19'
- Lotkügelchen
- 20
- Metallisierung
im Trägersubstrat
- 21
- Kapselungseinrichtung,
vorzugsweise Polymer-Umhüllung
- 22
- Polymer-Unterfüllung bzw.
Underfill