DE102004031889B4

DE102004031889B4 - Halbleiterbauteil mit einem Gehäuse und einem teilweise in eine Kunststoffgehäusemasse eingebetteten Halbleiterchip und Verfahren zur Herstellung desselben

Info

Publication number: DE102004031889B4
Application number: DE102004031889A
Authority: DE
Inventors: Dr. Phys. Carmona Manuel; Dipl.-Ing. Legen Anton; Dipl.-Ing. Wennemuth Ingo
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2004-06-30
Filing date: 2004-06-30
Publication date: 2012-07-12
Anticipated expiration: 2024-07-01
Also published as: WO2006002606A1; US20080111231A1; DE102004031889A1; US7781900B2

Abstract

Halbleiterbauteil mit einem Gehäuse (2) und einem teilweise in eine Kunststoffgehäusemasse (3) eingebetteten Halbleiterchip (4), wobei die Kunststoffgehäusemasse (3) mindestens zwei Mischungskomponenten aufweist, eine Wirtskomponente (5) mit einem Erweichungstemperaturbereich, in welchem die Kunststoffgehäusemasse (3) mit zunehmender Temperatur zunehmend erweicht, und eine Einlagerungskomponente (6) mit einem Phasenänderungsbereich, in welchem die Einlagerungskomponente (6) bei konstant bleibender Temperatur des Gehäuses (2) und zunehmender Verlustwärme des Halbleiterchips (4) Schmelzwärme oder Kristallisationswärme aufnimmt und zunehmend schmilzt bzw. zunehmend in eine kristalline Form übergeht, wobei die Schmelztemperatur bzw. die Kristallisationstemperatur der Einlagerungskomponente (6) der Kunststoffgehäusemasse (3) niedriger ist als die Erweichungstemperatur der Wirtskomponente (5) der Kunststoffgehäusemasse (3), wobei die Wirtskomponente (5) einen amorphen Kunststoff aufweist und die Einlagerungskomponente (6) einen kristallisierbaren Kunststoff mit konstanter Kristallisationstemperatur aufweist oder wobei die Wirtskomponente (5) einen erweichbaren Duroplast oder erweichbaren Thermoplast mit Erweichungstemperatur aufweist und die Einlagerungskomponente (6) einen schmelzbaren Kunststoff mit konstanter Schmelztemperatur aufweist, und wobei die Einlagerungskomponente...

Description

Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauteil mit einem Gehäuse und einem teilweise in eine Kunststoffgehäusemasse eingebetteten Halbleiterchip und Verfahren zur Herstellung desselben.
Die Verlustleistung, die beispielsweise in BGA-Gehäusen (ball grid array) entsteht, wird in den meisten Anwendungen nicht in gleichmäßiger und gleichbleibender Höhe über der Zeit erzeugt. Vielmehr sind Perioden von hoher Verlustleistung zeitlich begrenzt und wechseln sich mit Perioden niedriger Verlustleistungen ab. Insbesondere trifft dies bei den üblichen Impulsverfahren zu, bei denen in den Pulspausen keinerlei Verlustwärme entsteht. Lediglich in der aktiven Phase des Impulses entsteht eine hohe Verlustwärme, die vom Halbleiterchip an das Gehäuse abgegeben wird. Typische Situationen für das thermische Verhalten eines Halbleiterbauteils ergeben sich somit während dieser Perioden hoher Verlustleistungen.
Es wurden bereits viele Lösungen vorgeschlagen, um des thermische Verhalten der Kunststoffgehäusemassen zu verbessern, jedoch basieren die meisten von diesen Lösungen auf, einer Optimierung des statischen Wärmeverhaltens der Gehäusekunststoffmassen. Außerdem sind viele dieser Lösungen sehr kostenintensiv und können die Zuverlässigkeit des Gehäuses vermindern. Zu diesen Lösungen gehören beispielsweise eine integrierte Wärmesenke oder eine Wärmeverteilungsplatte innerhalb des Gehäuses. Dieses ist eine kostenintensive Lösung mit zusätzlichen Zuverlässigkeitsrisiken, sodass nur teilweise die thermischen Probleme damit gelöst werden können.
Eine andere Lösung beschäftigt sich mit sogenannten Unterfüll-Materialien. Diese werden verwendet, um Zwischenräume zwischen einem Halbleiterchip und einer darunter angeordneten übergeordneten Schaltungsplatte aufzufüllen. Dies ist eine kostenintensive thermostatische Lösung, die gewöhnlicherweise mit technologischen Problemen verbunden ist. Demnach ist die Temperaturstabilisierung von Halbleiterbauteilen ein ständiges Problem.
Mit der zunehmenden Verbesserung des Aufbaus, der Geschwindigkeit und der Komplexität von Halbleiterbauteilen werden in den Halbleiterbauteilen zunehmend große Mengen von Verlustwärme erzeugt. Darüber hinaus sorgt die zunehmende Verkleinerung der Gehäuse, in denen Halbleiterbauteile untergebracht werden, für eine Reduzierung der Möglichkeiten, dass diese Halbleiterbauteile Wärme durch Konvektion an die Umgebung verteilen können. Bei zunehmender Verkleinerung der Gehäuse wird es immer schwieriger, in dem umgebenden Raum eine ausreichende Kühlung zur Verfügung zu stellen, zumal die Möglichkeit und die Wirksamkeit von Konvektionsströmungen mit zunehmender Verkleinerung der Gehäusegrößen vermindert wird.
Hinzu kommt das Problem des Einsatzgebietes dieser zunehmend kleiner werdenden Halbleiterbauteile, die heutzutage vielfach in tragbaren elektronischen Geräten, wie Ohrhörern, tragbaren Mobiltelefonen, tragbaren Fernsehgeräten sowie Miniaturcomputern und Terminplanern eingebaut sind. Der Bedarf kleinerer Gehäuse, die aus leichterem Material wie Kunststoffen hergestellt sind, nimmt ständig zu. Diese Gehäuse sind im Allgemeinen leichter als Metallgehäuse, jedoch haben diese Plastikgehäuse der Handys, der tragbaren Telefone oder der Notizcomputer einen größeren Wärmeleitungswiderstand, sodass die Möglichkeit, über das Gehäuse dieser Geräte die Verlustwärme der aktiven Halbleiterbauteile abzuleiten, geringer geworden ist. Mit zunehmender Verwendung von Kunststoffgehäusen nimmt somit die Problematik der Verlustwärmeabfuhr in Kleinstgeräten mit elektronischen Halbleiterbauteilen zu.
Da die Zuverlässigkeit von Halbleitergeräten mit der Temperatur der Geräte verbunden ist, haben Hersteller von tragbaren Elektroniksystemen daran gedacht, die Menge der Wärme in den Halbleitergeräten zu vermindern, indem sie die Wärme, die erzeugt wird, innerhalb der Geräte verteilen. Insbesondere ist versucht worden, innerhalb von Leistungsbauteilen die Verlustwärme durch Wärmeleitung zu verteilen, um Spitzentemperaturen zu vermeiden. Andere Hersteller von Leistungsbauteilen haben versucht, metallische Wärmesenken in ihre Leistungsbauteile einzubauen, jedoch wird die Wirksamkeit dieser Wärmesenken durch das Vermindern der zur Verfügung stehenden Umgebung in den kleinen tragbaren Geräten zum Kühlen der Wärmesenken sehr eingeschränkt. Zusätzlich ist das Gewicht solcher metallischer Komponenten für tragbare elektronische Geräte weder ein Beitrag zur Verminderung der Größe noch ein Beitrag zur Verminderung des Gewichts, sodass metallische Wärmesenken innerhalb dieser Geräte wenig erfolgversprechend sind.
Ein weiteres Verfahren, um die Verlustwärmeerzeugung zu vermindern, besteht darin, von einem analogen Design zu einem digitalen Design überzugehen. Die digitalen Kommunikationssysteme haben deshalb zu großen Teilen analoge Kommunikationssysteme ersetzt, zumal digitale Systeme im Allgemeinen verbesserte Eigenschaften und eine im Allgemeinen niedrigere Verlustleistungserzeugung als analoge Systeme ermöglichen, da digitale Systeme mit einem Impulsmodus arbeiten. Das bedeutet, dass digitale Systeme sich ständig ein- und ausschalten, andererseits können diese Impulse ineinander in Form von mehreren Staffelungssystemen geschachtelt werden, die auch die gesamte Leistungsverteilung in einem Kommunikationssystem vermindern können, da diese digitalen Systeme in nur einem Bruchteil der Zeit gegenüber kontinuierlichen Systemen betrieben werden.
Jedoch können gerade diese impulsbetriebenen Systeme erhebliche Spitzenverlustleistungen während des eingeschalteten Impulses erzeugen. Somit können schnelle Leistungswechsel zu erheblich erhöhtem thermischem Stress der Bauteile beim Ein- und Ausschalten führen. Demnach kann gerade in den tragbaren Kommunikationssystemen das schnelle Umschalten von Leistungen zu erheblichen thermischen und mechanischen Spannungen in den Halbleiterbauteilen führen. Dadurch werden Schaltungsverbindungen, Drahtbondverbindungen und andere mechanische Komponenten stark belastet, was ebenfalls die Zuverlässigkeit dieser Systeme vermindert. Da jedoch tragbare elektronische Geräte keine Wärmesenken zur Verminderung der Temperaturschwankungen aufgrund von schnellen Schaltfolgen der Leistung enthalten können, besteht ein Bedarf, diese thermischen und mechanischen Spannungen zu vermindern, ohne dass zusätzliche Metallwärmesenken oder Wärmeableitungen eingesetzt werden müssen.
Aus der US 5 315 154 A ist ein festes, mehrwertiges Alkohlmaterial in thermischem Kontakt mit einer elektronischen Komponente, welche beschädigt wird, falls ihre Temperatur über einen bestimmten Wert ansteigt, bekannt. Das Material ist ein Phasenänderungsmaterial.
Aus der US 2003/0152764 A1 ist eine wärmeleitende Grenzfläche bekannt, die zwischen einer ersten Wärmeübergangsfläche und einer gegenüberliegenden zweiten Wärmeübergangsfläche angeordnet werden kann, um einen Wärmepfad zwischen diesen vorzusehen. Die Grenzfläche weist ein wärmeleitendes Gemisch auf, welches in eine Schicht geformt ist, die zwischen der ersten und zweiten Wärmeübergangsfläche anpassbar ist.
Aus der EP 1 336 992 A2 ist ein Verkapselungsmaterial bekannt, das geeignet ist, Wärme, die von einem elektronischen Modul erzeugt wird, zu dissipieren.
Aus der WO 00/54332 A1 ist eine Vorrichtung bekannt, die ein thermisch koppelndes Phasenänderungsmaterial aufweist. Das Phasenänderungsmaterial absorbiert Wärme und bleibt während dessen Phasenänderung von fest nach flüssig auf einer konstanten Temperatur.
Aus der US 6 359 343 B1 ist ein Unterfüllmaterial mit einem Phasenänderungsmaterial bekannt.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Halbleiterbauteil mit einem Gehäuse und einem teilweise in einer Kunststoffgehäusemasse eingebetteten Halbleiterchip zu schaffen, bei dem die Kunststoffgehäusemasse dafür sorgt, dass ein begrenzter Wärmeausgleich bei kurzfristig auftretender erhöhter Verlustleistung geschaffen wird.
Diese Aufgabe wird mit dem Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Erfindungsgemäß wird ein Halbleiterbauteil mit einem Gehäuse und einem teilweise in eine Kunststoffgehäusemasse eingebetteten Halbleiterchip geschaffen. Die Kunststoffgehäusemasse dieses Halbleiterbauteils weist mindestens zwei Mischungskomponenten auf. Eine der Mischungskomponente ist eine Wirtskomponente mit einem Erweichungstemperaturbereich, in welchem diese Kunststoffgehäusemasse mit zunehmender Temperatur zunehmend erweicht. Die andere der Mischungskomponenten ist eine Einlagerungskomponente mit einem Phasenänderungsbereich, in welchem die Einlagerungskomponente bei konstant bleibender Temperatur des Gehäuses und zunehmender Verlustwärme des Halbleiterchips, Schmelzwärme oder Kristallisationswärme aufnimmt und zunehmend schmilzt bzw. zunehmend in eine kristalline Form übergeht. Bei diesem Halbleiterbauteil ist die Schmelztemperatur bzw. Kristallisationstemperatur der Einlagerungskomponente der Kunststoffgehäusemasse niedriger als die Erweichungstemperatur der Wirtskomponente.
Ein Halbleiterbauteil mit einem derartigen Gehäuse basierend auf einer Kunststoffmasse gemäß der vorliegenden Erfindung hat den Vorteil, dass die Verlustwärme eines Halbleiterchips in der Kunststoffgehäusemasse gespeichert werden kann, wenn die Temperatur der Gehäusemasse eine bestimmte kritische Temperatur, das heißt die Temperatur des Phasenänderungsbereichs der Einlagerungskomponente, erreicht. Bei dieser Phasenänderung von beispielsweise einem amorphen Zustand in einen kristallinen Zustand oder von einem Festzustand in einen flüssigen Zustand, bleibt die Temperatur der Kunststoffgehäusemasse während der Speicherphase oder Phasenänderung konstant. Für eine begrenzte Zeitspanne wird bei zunehmender Verlustleistung für mehrere Minuten in Abhängigkeit vom gewählten Einlagerungsmaterial und dem Verhältnis zwischen der Menge der Einlagerungskomponente zur Menge der Wirtskomponente die Gehäusetemperatur konstant gehalten ehe sie bei Überschreiten der Wärmespeicherfähigkeit des Kunststoffgehäusematerials weiter ansteigt bis zudem Erweichungstemperaturbereich der Wirtskomponente. In einer Betriebsphase des Halbleiterbauteils, in der die Verlustleistung reduziert wird, kann die gespeicherte Wärme von der Kunststoffgehäusemasse wieder abgegeben werden, wobei sich der ursprüngliche Phasenzustand der Einlagerungskomponente wieder einstellt.
Ein weiterer besonderer Vorteil dieses Halbleiterbauteils ist es, dass die kritische Temperatur, bei der für eine Zeitspanne die Gehäusetemperatur konstant bleibt, durch Auswahl des Einlagerungsmaterials an die spezifische Temperatur des Halbleiter-PN-Übergangs des Halbleiterchips angepasst werden kann. Somit ist es beispielsweise möglich, die Phasenänderungstemperatur, wie eine Schmelztemperatur oder eine Kristallisationstemperatur, auf beispielsweise 85°C einzustellen, sodass Fehlfunktionen des Halbleiterchips in dieser Kunststoffgehäusemasse für begrenzte Zeit verhindert werden.
Da dieses Material bei hoher Temperatur vollständig andere mechanische Eigenschaften aufweist als bei niedriger Temperatur, können auch andere Parameter, wie ein Abbau von thermischen Spannungen mit Hilfe der Kunststoffgehäusemasse in der Weise beeinflusst werden, dass die Zuverlässigkeit dieser Halbleiterbauteile verbessert wird. Beispielsweise können Verwölbungseffekte, wie sie bei herkömmlichen Kunststoffgehäusemassen auftreten, vermindert werden. Außerdem können die durch Verwölbung induzierten Spannungen auf beispielsweise Lotbälle, insbesondere während der zyklischen Temperaturtests für Halbleiterbauteile, vermindert werden.
Durch den Einsatz einer Kunststoffgehäusemasse, die eine Einlagerungskomponente mit einem Phasenänderungsbereich aufweist, können Spitzenwerte in der Verlustleistung des Halbleiterchips durch den guten thermischen Kontakt der Kunststoffgehäusemasse zu dem in der Kunststoffgehäusemasse eingebetteten Halbleiterchip ausgeglichen werden, sodass im Durchschnitt eine kritische PN-Übergangstemperatur nicht überschritten wird. Dabei kann diese Kunststoffgehäusemasse aus einer Mischung aus Wirtskomponente und Einlagerungskomponente in vorteilhafter Weise in einem herkömmlichen Mold-Prozess eingesetzt werden.
Gemäß einer Variante der Erfindung weist die Wirtskomponente einen amorphen Kunststoff auf, der auch bei erhöhter Temperatur diesen amorphen Zustand beibehält und bei Überschreiten der Erweichungstemperatur in einen zähviskosen Zustand übergeht. Die Einlagerungskomponente hingegen weist eine kristallisierbare Phase auf und geht von einem amorphen Zustand bei niedrigen Temperaturen in einen kristallinen Zustand bei konstanter Kristallisationstemperatur über, bei dem die Einlagerungskomponente weitgehend den kristallinen Zustand erreicht hat. Diese Ausführungsform der Erfindung hat den Vorteil, dass ein Fest-Festphasenübergang die Grundlage ist und kein Wechsel im Aggregatszustand der Einlagerungskomponente auftritt.
In einer weiteren Variante der Erfindung ist die Wirtskomponente ein erweichbarer Duroplast oder ein erweichbarer Thermoplast mit einer entsprechenden Erweichungstemperatur und einem entsprechenden Erweichungstemperaturbereich, während die Einlagerungskomponente einen schmelzbaren Kunststoff mit konstanter Schmelztemperatur aufweist, dessen Schmelztemperatur unterhalb der Erweichungstemperatur liegt. Ein Halbleiterbauteil mit einer derartigen Kunststoffgehäusemasse hat den Vorteil, dass die Energieaufnahme der Kunststoffgehäusemasse durch die Änderung des Aggregatszustandes der Einlagerungskomponente größer ist als bei einem Fest-Fest-Phasenübergang.
Erfindungsgemäß ist die Einlagerungskomponente in Form von Mikroblasen gleichmäßig im Volumen der Kunststoffgehäusemasse verteilt, wobei die Mikroblasen in einer Größenordnung von wenigen Mikrometern in der Kunststoffgehäusemasse angeordnet sind. Dabei weisen die Mikroblasen ein größeres Volumen auf als die darin angeordnete Einlagerungskomponente im amorphen oder festen Zustand. Durch das größere Volumen der Mikroblasen wird vermieden, dass es beim Phasenübergang von fest zu flüssig bzw. beim Phasenübergang von amorph zu kristallin, die üblicherweise mit einer Volumenzunahme verbunden sind, zu Spannungen in der Kunststoffgehäusemasse kommt, die zu Mikrorissen in dem Gehäuse führen könnten.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegt die konstante Temperatur der Kunststoffgehäusemasse und damit die Temperatur des Phasenübergangsbereichs der Einlagerungskomponente bei einer Temperatur zwischen 65°C und 155°C, vorzugsweise bei einer Temperatur zwischen 80°C und 130°C. Ein Halbleiterbauteil, das eine konstante Temperatur in den gegebenen bzw. in bevorzugten Temperaturbereichen gewährleistet, hat den Vorteil, dass die Zuverlässigkeit des Bauteils erhöht ist und Fehlfunktionen des Halbleiterbauteils vermindert werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Einlagerungskomponente einen Kunststoff auf der Basis Terephthalsäure/Ethylenglykol-Ester auf, vorzugsweise ein Polyethylenterephthalat(PET)-Ester. Dieser Kunststoff hat den Vorteil, dass er einen Phasenwechsel zwischen amorph und kristallin bei vorgegebenen Kristallisationstemperaturen durchläuft, sodass er für eine erfindungsgemäße Kunststoffgehäusemasse geeignet sein kann. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung basiert die Einlagerungskomponente der Kunststoffgehäusemasse auf einer Paraffinbasis. Auch Paraffine haben die Eigenschaft, Phasenübergänge im festen Zustand bereitzustellen.
Schließlich ist es auch möglich, hydrierte Salze und/oder eutektische Salze als Einlagerungskomponenten einzusetzen. In diesem Fall wird der Phasenübergang fest-flüssig genutzt, um die Temperatur in einem Kunststoffgehäuse für eine begrenzte Zeit konstant zu halten. Jedoch werden diese Salze bei Erreichen der Flüssigphase elektrisch leitend, sodass bei der Kunststoffgehäusemasse darauf geachtet werden muss, dass diese hydrierten Salze und/oder eutektischen Salze fein verteilt als Mikroblasen in der Wirtskomponente eingelagert sind, und keine geschlossenen elektrisch leitenden Brücken über die Einlagerungskomponenten zwischen benachbarten Leiterbahnen entstehen können.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Einlagerungskomponente 30 Vol% bis 90 Vol%, vorzugsweise 40 Vol% bis 60 Vol% des Gesamtvolumens der Kunststoffgehäusemasse auf. Mit dem volumenprozentigen Anteil der Einlagerungskomponente an dem Gesamtvolumen der Kunststoffgehäusemasse kann die Zeitdauer der konstanten Temperaturphase bzw. die Zeitdauer für den Phasenübergang von amorph zu kristallin und/oder von fest auf flüssig eingestellt werden. Je höher der volumenprozentige Anteil der Einlagerungskomponente ist, um so länger kann die Konstanttemperaturphase für das Gehäuse des Halbleiterbauteils beibehalten werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Halbleiterchip ein Speicherbauteil mit zentralem Bondkanal auf einem Trägersubstrat. Gerade bei Speicherbauteilen hat sich das Einbetten des Halbleiterchips in eine Kunststoffgehäusemasse aus einer Mischung von Wirtskomponente und Einlagerungskomponente bewährt.
Ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauteils mit einem Gehäuse und einem teilweise in einer Kunststoffgehäusemasse eingebetteten Halbleiterchip weist die nachfolgenden Verfahrensschritte auf. Zunächst wird ein Trägersubstrat für einen Halbleiterchip hergestellt. Anschließend wird auf das Trägersubstrat ein Halbleiterchip aufgebracht und es werden elektrische Verbindungen zwischen dem Halbleiterchip und dem Trägersubstrat hergestellt. Danach wird der Halbleiterchip auf dem Trägersubstrat in eine Kunststoffgehäusemasse eingebettet, wobei die Kunststoffgehäusemasse vor dem Verpacken aus mindestens zwei Mischungskomponenten, einer Wirtskomponente und einer Einlagerungskomponente, zusammengemischt wird.
Die Kunststoffgehäusemasse wird über die Erweichungstemperatur der Wirtskomponente hinaus für das Verpacken erwärmt und der Halbleiterchip bei dieser Temperatur verpackt. Dabei weist die Einlagerungskomponente einen Phasenänderungsbereich auf, dessen Phasenänderungstemperatur unterhalb der Erweichungstemperatur der Wirtskomponente liegt. Nach dem Verpacken erstarrt die Wirtskomponente vor der Einlagerungskomponente.
Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass beim Verpacken ein Gehäuse aus einer Kunststoffmasse entsteht, das Verlustwärme der Halbleiterchips für begrenzte Zeit aufnehmen kann, ohne dass sich die Temperatur des Gehäuses erhöht. Darüber hinaus hat dieses Verfahren den Vorteil, dass das Halbleiterbauteil mit herkömmlichen Moldwerkzeugen hergestellt werden kann und sich lediglich die Zusammensetzung der Kunststoffgehäusemasse gegenüber konventionellen Kunstharzgehäusen ändert. Der Herstellungsablauf muss außer einem Vormischungsschritt von Wirtskomponente und Einlagerungskomponente nicht weiter verändert werden.
Bei diesem Herstellungsverfahren wird ein Füllgrad der Wirtskomponente mit dem Material der Einlagerungskomponente erreicht, der die Aufnahmefähigkeit von Verlustwärme des Halbleiterchips und damit die Zeitdauer für eine konstante Temperatur des Kunststoffgehäuses trotz zunehmender Verlustleistung des Halbleiterchips bestimmt. Je größer der Füllgrad mit der Einlagerungskomponente ist, um so länger ist die Zeitspanne, bei der das Gehäuse auf einer konstanten Temperatur gehalten wird.
Dabei wird beim Verpacken bzw. kurz nach Aufbringen der zähflüssigen Kunststoffgehäusemasse auf den Halbleiterchip die Wirtskomponente unter ihre Erweichungstemperatur abgekühlt, während die Einlagerungskomponente in diesem Abkühlungsvorgang gleichmäßig verteilt im Volumen der Wirtskomponente Mikroblasen in einem amorphen und/oder flüssigen Zustand ausbildet. Bei weiterer Abkühlung schrumpft das Volumen der Einlagerungskomponente in den Mikroblasen und hinterlässt einen Hohlraum, der dafür sorgt, dass beim Betrieb des Halbleiterbauteils keine Spannungen aufgrund der Ausdehnung der Einlagerungskomponente bei einem Phasenübergang auftritt.
In einer weiteren bevorzugten Durchführungsform des Verfahrens wird zum Verpacken die Kunststoffgehäusemasse auf eine Temperatur zwischen Erweichungstemperatur und Zersetzungstemperatur der Wirtskomponente erwärmt. Dieser limitierte Bereich der Erwärmung ist besonders bei der Verarbeitung von Duroplasten als Wirtskomponente vorgesehen, da Duroplaste keine Verflüssigungstemperatur nach der Erweichungsphase aufweisen, sondern sich vielmehr zersetzen. Somit bleibt die Verpackungstemperatur deutlich unter dieser kritischen Zersetzungstemperatur für Duroplasten. Bei Thermoplasten ist diese Temperatur nicht bekannt, da Thermoplaste nach dem Erweichungstemperaturbereich in einen flüssigen Aggregatszustand übergehen.
Das Mischen von Wirtskomponente und Einlagerungskomponente vor einem Erwärmen zum Verpacken eines Halbleiterchips auf einem Trägersubstrat wird vorzugsweise im festen Zustand der beiden Komponenten durchgeführt. Dazu wird zumindest die Einlagerungskomponente in eine Pulverform versetzt, die einen mittleren Korndurchmesser unter 10 μm aufweist. Damit ist der Vorteil verbunden, dass eine relativ gleichmäßige Verteilung der Einlagerungskomponente in dem Pulver der Wirtskomponente erreicht werden kann.
In einer weiteren bevorzugten Durchführungsform der Erfindung wird konkret ein Speicherbauteil mit einem zentralen Bondkanal hergestellt. Dazu wird zunächst ein Halbleiterchip mit Speicherzellen auf das Trägersubstrat aufgebracht. Bei diesem Aufbringen wird eine doppelseitig klebende Folie eingesetzt, die den zentralen Bondkanal des Halbleiterchips freilässt. Der Halbleiterchip wird mit seiner aktiven Oberseite auf das Trägersubstrat unter Ausrichten seiner Kontaktfläche in dem zentralen Bondkanal aufgebracht. Anschließend werden die Kontaktflächen des Halbleiterchips im Bondkanal mit einer Verdrahtungsstruktur des Trägersubstrats hergestellt. Schließlich wird der zentrale Bondkanal mit einer Kunststoffmasse aufgefüllt, die mindestens die Wirtskomponente aufweist.
Danach werden die Rückseite und die Randseiten des Halbleiterchips in eine Kunststoffgehäusemasse aus mindestens zwei Mischungskomponenten, eine Wirtskomponente und einer Einlagerungskomponente, wie oben beschrieben, eingebettet. Ein derartiges Halbleiterbauteil hat den Vorteil aufgrund der Eigenschaften der Einlagerungskomponente, dass das Gehäuse für eine begrenzte Zeitdauer auf einer konstanten Temperatur bei steigender Verlustwärme des Halbleiterchips gehalten werden kann. Ferner hat dieses Bauteil den Vorteil, dass die umhüllende Kunststoffgehäusemasse in engem Kontakt mit dem Halbleiterchipmaterial steht, sodass ein intensiver Wärmeübergang zu der wärmespeichernden Gehäusekunststoffmasse möglich ist. Dieses Halbleiterbauteil hat darüber hinaus den Vorteil, dass eine konstante Gehäusetemperatur ohne jede metallische Warmesenke erreicht werden kann. Vielmehr wird die Wärmesenke durch das Kunststoffgehäusematerial selbst gebildet, weil die Einlagerungskamponente Verlustwärme aufnehmen kann und diese in Phasenänderungswärme, wie Schmelzwärme oder Kristallisationswärme, umsetzt.
Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Figuren näher erläutert.
1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Halbleiterbauteil gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
2 zeigt ein schematisches Temperaturdiagramm eines Gehäuses eines Halbleiterbauteils gemäß 1 in Abhängigkeit von der Zeit bei zunehmender Verlustwärme in dem Halbleiterchip des Halbleiterbauteils.
1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Halbleiterbauteil 1 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Das Halbleiterbauteil 1 weist einen Halbleiterchip 4 auf, der mit seiner aktiven Oberseite 13 über eine doppelseitig klebende Folie 11 auf einem Trägersubstrat 9 fixiert ist. Der Halbleiterchip 4 ist mit seiner Rückseite 17 und seinen Randseiten 18 und 19 in einer Kunststoffgehäusemasse 3 eingebettet. Diese Kunststoffgehäusemasse 3 bildet ein Gehäuse 2, das aufgrund der besonderen Materialwahl der Kunststoffgehäusemasse 3 bei zunehmender Verlustwärme des Halbleiterchips 4 diese Verlustwärme aufnimmt und speichert, ohne dass die Gehäusetemperatur zunimmt.
Dazu weist die Kunststoffgehäusemasse 3 mindestens eine Wirtskomponente 5 auf, die amorpher Kunststoff ist, welcher einen Erweichungstemperaturbereich aufweist, wenn diese Wirtskomponente 5 über den Erweichungspunkt bzw. die Erweichungstemperatur erhitzt wird. Darüber hinaus weist die Kunststoffgehäusemasse 3 die Einlagerungskomponente 6 auf, die aus einem Kunststoff oder einem Salz besteht, wobei die Einlagerungskomponente 6 fein verteilt im Volumen der Wirtskomponente 5 vorhanden ist. Diese Einlagerungskomponente 6 ist in Mikrobläschen 7, deren Abmessungen wenige Mikrometer beträgt, angeordnet, wobei das Material der Einlagerungskomponente 6 die Mikrobläschen 7 nicht vollständig auffüllt, solange das Einlagerungsmaterial im festen oder im amorphen Zustand ist.
Durch die Mikrobläschen 7 wird gewährleistet, dass für einen Phasenübergang der Einlagerungskomponente 6 von einer amorphen in eine kristalline Struktur oder von einer festen in eine flüssige Phase genügend Raum vorhanden ist, sodass sich diese Phase in dem Mikrobäschen 7 ausdehnen kann, ohne die Kunststoffgehäusemasse zu sprengen oder Mikrorisse zu erzeugen. Auf das Verhalten der Einlagerungskomponente 6 in dem Zusammenwirken mit dem Halbleiterbauteilgehäuse 2 wird anschließend bei der Erörterung der 2 im Detail eingegangen.
Die Kunststoffgehäusemasse deckt neben dem Halbleiterchip 4 auch eine Oberseite 23 des Trägersubstrats 9 ab, soweit diese Oberseite 23 weder von der doppelseitig klebenden Folie 11 noch von dem Halbleiterchip 4 in Anspruch genommen wird. Die Unterseite 24 des Trägersubstrats 9 bildet gleichzeitig die Unterseite des Halbleiterbauteils 1 und weist Außenkontakte 12 in Form von Lotbällen auf. Diese Außenkontakte 12 sind auf Außenkantaktflächen 20 angeordnet, die von einer Lötstopplackschicht freigelassen werden, um begrenzt die Lotbälle auf den Außenkσntaktflächen 20 zu positionieren. Die Lötstopplackschicht 21 bedeckt gleichzeitig eine Verdrahtungsstruktur 15, welche die Außenkontaktflächen 20 mit elektrischen Verbindungen 10 in Form von Bonddrähten 25 den zentralen Bondkanal 8 mit entsprechenden Kontaktflächen 14 der aktiven Oberseite 13 des Halbleiterchips 4 verbindet.
Der zentrale Bondkanal 8 ist von einer weiteren Kunststoffmasse 16 bedeckt, welche die Bonddrähte 25 vor mechanischer Beschädigung schützt. Diese Kunststoffmasse 16 weist mindestens die Wirtskomponente 5 der Kunststoffgehäusemasse 3 auf. Das thermische Verhalten dieses Halbleiterbauteils wird durch die Kunststoffgehäusemasse 3 beeinflusst. Dieser Einfluss ist in der nachfolgenden 2 zu sehen.
2 zeigt ein schematisches Temperaturdiagramm eines Gehäuses eines Halbleiterbauteils gemäß 1 in Abhängigkeit von der Zeit t in Minuten (min) bei zunehmender Verlustwärme in dem Halbleiterchip des Halbleiterbauteils, das in 1 zu sehen ist. Mit zunehmender Verlustwärme steigt die Temperatur T in °C des Kunststoffgehäuses des Halbleiterbauteils bis zur Zeit t₁ an. Anschließend setzt die Phasenänderung der Einlagerungskomponente in diesem Beispiel des Diagramms der 2 bei T_s von 85°C ein und hält die Temperatur T_s des Kunststoffgehäuses konstant, bis die Phasenänderung bzw. Phasenumwandlung der Einlagerungskomponente von einem amorphen zu einem kristallinen Zustand bzw. von einem festen Zustand zu einem Schmelzzustand bei dem Zeitpunkt t₂ abgeschlossen ist.
Wenn danach die Verlustwärme aufgrund des Betriebs des Halbleiterbauteils im Halbleiterbauchip abnimmt. kann die Speicherfähigkeit der kunststoffgehäusemasse dadurch wiederhergestellt werden, dass nun Schmelzwärme bzw. Kristallisationswärme an die Kunststoffgehäusemasse abgegeben wird, sodass bei einer Zunahme der Verlustwärme erneut eine Konstanthaltung der Gehäusetemperatur für begrenzte Zeit von t₁ bis t₂ gehalten werden kann. Mit dieser Wechselbeziehung zwischen Verlustwärmeerzeugung in Phasen hohem Betriebsaufkommens des Halbleiterbauteils und abklingender Verlustwärme bei geringerem betrieblichen Einsatz des Halbleiterbauteils kann somit erreicht werden, dass das Kunststoffgehäuse die kritische konstante Temperatur von 85°C nicht übersteigt. Nur bei weiterem Erhöhen der Verlustleistung kann die Temperatur nach Erreichen des Zeitpunktes t₂ weiter steigen und im Extremfall bis zur Zerstörung des Halbleiterbauteils führen. Die Kunststoffgehäusemasse wirkt somit wie ein Wärmespeicher und kann damit Wärmesenken aus Metall ersetzen, sodass einerseits das Einsatzgewicht der Halbleiterbauteile abnimmt und andererseits auf eine eventuelle Zwangskühlung des Bauteils durch Konvektion verzichtet werden kann.
Bezugszeichenliste

1: Halbleiterbauteil
2: Gehäuse
3: Kunststoffgehäusemasse
4: Halbleiterchip
5: Wirtskomponente
6: Einlagerungskomponente
7: Mikroblase
8: zentraler Bondkanal
9: Trägersubstrat
10: elektrische Verbindung
11: doppelseitig klebende Folie
12: Außenkantakte
13: aktive Oberseite des Halbleiterchips
14: Kontaktfläche
15: Verdrahtungsstruktur
16: Kunststoffmasse
17: Rückseite des Halbleiterchips
18: Randseite des Halbleiterchips
19: Randseite des Halbleiterchips
20: Außenkontaktfläche
21: Lötstopplackschicht
23: Oberseite des Trägersubstrats
24: Unterseite des Trägersubstrats
25: Bonddraht

Claims

Halbleiterbauteil mit einem Gehäuse (2) und einem teilweise in eine Kunststoffgehäusemasse (3) eingebetteten Halbleiterchip (4), wobei die Kunststoffgehäusemasse (3) mindestens zwei Mischungskomponenten aufweist, eine Wirtskomponente (5) mit einem Erweichungstemperaturbereich, in welchem die Kunststoffgehäusemasse (3) mit zunehmender Temperatur zunehmend erweicht, und eine Einlagerungskomponente (6) mit einem Phasenänderungsbereich, in welchem die Einlagerungskomponente (6) bei konstant bleibender Temperatur des Gehäuses (2) und zunehmender Verlustwärme des Halbleiterchips (4) Schmelzwärme oder Kristallisationswärme aufnimmt und zunehmend schmilzt bzw. zunehmend in eine kristalline Form übergeht, wobei die Schmelztemperatur bzw. die Kristallisationstemperatur der Einlagerungskomponente (6) der Kunststoffgehäusemasse (3) niedriger ist als die Erweichungstemperatur der Wirtskomponente (5) der Kunststoffgehäusemasse (3), wobei die Wirtskomponente (5) einen amorphen Kunststoff aufweist und die Einlagerungskomponente (6) einen kristallisierbaren Kunststoff mit konstanter Kristallisationstemperatur aufweist oder wobei die Wirtskomponente (5) einen erweichbaren Duroplast oder erweichbaren Thermoplast mit Erweichungstemperatur aufweist und die Einlagerungskomponente (6) einen schmelzbaren Kunststoff mit konstanter Schmelztemperatur aufweist, und wobei die Einlagerungskomponente (6) gleichmäßig im Volumen der Kunststoffgehäusemasse (3) verteilt in Mikroblasen (7) in einer Größenordnung von wenigen Mikrometern angeordnet ist, und wobei die Mikroblasen (7) ein größeres Volumen aufweisen, als die darin angeordnete Einlagerungskomponente (6) im amorphen oder festen Zustand.
Halbleiterbauteil nach Anspruch 1, wobei die Kunststoffgehäusemasse (3) eine konstante Temperatur des Phasenänderungsbereichs der Einlagerungskomponente (6) zwischen 65°C und 155°C, vorzugsweise zwischen 80°C und 130°C, aufweist.
Halbleiterbauteil nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die Einlagerungskomponente (6) einen Kunststoff auf Terephthalsäure/Ethylenglykolester-Basis vorzugsweise Polyethylenterephthalat (PET) aufweist.
Halbleiterbauteil nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die Einlagerungskomponente (6) einen Kunststoff auf Paraffin-Basis aufweist.
Halbleiterbauteil nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die Einlagerungskomponente (6) ein hydriertes Salz und/oder eutektisches Salz aufweist.
Halbleiterbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Einlagerungskomponente (6) 30 Vol% bis 90 Vol%, vorzugsweise 40 Vol% bis 60 Vol% des Gesamtvolumens der Kunststoffgehäusemasse (3) aufweist.
Halbleiterbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Halbleiterchip (4) ein Speicherbauteil mit zentralem Bondkanal (8) auf einem Trägersubstrat (9) ist.
Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauteils (1) gemäß Anspruch 1 mit einem Gehäuse (2) und einem teilweise in eine Kunststoffgehäusemasse (3) eingebetteten Halbleiterchip (4), wobei das Verfahren folgende Verfahrensschritte aufweist: – Herstellen eines Trägersubstrats (9) für einen Halbleiterchip (4); – Aufbringen eines Halbleiterchips (4) auf das Trägersubstrat (9); – Herstellen elektrischer Verbindungen (10) zwischen Halbleiterchip (4) und Trägersubstrat (9); – Verpacken des Halbleiterchips (4) auf dem Trägersubstrat (9) in eine Kunststoffgehäusemasse (3), wobei die Kunststoffgehäusemasse (3) vor dem Verpacken aus mindestens zwei Mischungskomponenten zusammengemischt wird, und wobei die Kunststoffgehäusemasse (3) über eine Erweichungstemperatur der Wirtskomponente (5) für das Verpacken erwärmt wird, und der Halbleiterchip (4) bei dieser Temperatur verpackt wird, und wobei die Wirtskomponente (5) nach dem Verpacken vor der Einlagerungskomponente (6) erstarrt, wobei beim Verpacken zunächst die Wirtskomponente (5) ihre Erweichungstemperatur unterschreitet und die Einlagerungskomponente (6) gleichmäßig verteilt im Volumen in Mikroblasen (7) in einem amorphen und/oder flüssigen Zustand einschließt, und dass bei weiterer Abkühlung das Volumen der Einlagerungskomponente (6) in den Mikroblasen (7) schrumpft.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei zum Verpacken die Kunststoffgehäusemasse (3) auf eine Temperatur zwischen Erweichungstemperatur und Zersetzungstemperatur der Wirtskomponente (5) erwärmt wird.
Verfahren nach Anspruch 8 oder Anspruch 9, wobei vor dem Verpacken die Wirtskomponente (5) und die Einlagerungskomponente (6) im festen Zustand in Pulverform gemischt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei vor dem Aufbringen des Halbleiterchips (4) auf das Trägersubstrat (9) dieses mit einer doppelseitig klebende Folie (11) unter Freilassen eines zentralen Bondkanals (8) aufgebracht wird und dass anschließend der Halbleiterchip (4) mit seiner aktiven Oberseite (13) auf das Trägersubstrat (9) unter Ausrichten seiner Kontaktflächen (14) in dem zentralen Bondkanal (8) aufgebracht wird, und dass danach eine Verbindung der Kontaktflächen (14) des Halbleiterchips (4) im Bondkanal (8) mit einer Verdrahtungsstruktur (15) des Trägersubstrats (9) hergestellt wird und der zentrale Bondkanal (8) mit einer Kunststoffmasse (16) aufgefüllt wird, die nur die Wirtskomponente (5) der Kunststoffgehäusemasse (3) aufweist und dass abschließend die Rückseite (17) und die Randseiten (18, 19) des Halbleiterchips (4) in die Kunststoffgehäusemasse (3) aus mindestens zwei Mischungskomponenten (5, 6) eingebettet werden.