Aufgabe
der Erfindung ist es, die Zuverlässigkeit
eines Halbleiterbauteils mit mindestens einem Halbleiterchip und
einer Abdeckmasse zu verbessern, und Möglichkeiten zu schaffen, die
Oberseite des Halbleiterchips von der umgebenden Abdeckung weitestgehend
mechanisch zu entkoppeln.
Diese
Aufgabe wird mit dem Gegenstand der anliegenden, unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Erfindungsgemäß wird Halbleiterbauteil
mit mindestens einem Halbleiterchip und einer Abdeckmasse geschaffen,
wobei der Halbleiterchip mit seiner Rückseite auf einem Verdrahtungsträger angeordnet
ist. Der Verdrahtungsträger
weist auf seiner Unterseite Außenkontakte
auf und verbindet Kontaktflächen
des Halbleiterchips mit diesen Außenkontakten. Dabei sind zwischen
der aktiven Oberseite des Halbleiterchips und der Abdeckmasse Kohlenstoff-Nanoröhren angeordnet,
welche die Ab deckmasse tragen und die Abdeckmasse von der Oberseite
des Halbleiterchips mechanisch entkoppeln.
Ein
Vorteil dieses Halbleiterbauteils ist es, dass die Abdeckmasse nicht
den Halbleiterchip einbettet, und somit die Oberseite des Halbleiterchips nicht
berührt.
Vielmehr sorgen Kohlenstoff-Nanoröhren dafür, dass eine mechanische Entkoppelung
zwischen Oberseite des Halbleiterchips und umhüllende Abdeckmasse möglich wird.
Damit wird die Halbleiterchipoberseite von der Abdeckmasse freigehalten, und
es müssen
keine aufwendigen Hohlraumgehäuse
mit entsprechenden und passenden Abdeckungen entwickelt werden.
Vielmehr kann die Abdeckmasse, nachdem entsprechend viele Kohlenstoff-Nanoröhren auf
der Oberseite des Halbleiterchips angeordnet sind, auf den Verdrahtungsträger und
auf den Halbleiterchip mit einfachen Mitteln aufgebracht werden,
wobei automatisch die Abdeckmasse, getragen von den Kohlenstoff-Nanoröhren, über der
Oberseite des Halbleiterchips schwebt, während sie in engem Kontakt
mit dem Verdrahtungsträger
verbleibt.
Die
mechanische Entkoppelung zwischen Oberseite des Halbleiterchips
und Abdeckmasse wird durch die besonderen Eigenschaften der Kohlenstoff-Nanoröhren ermöglicht.
Dabei können
sowohl einwandige als auch mehrwandige Kohlenstoff-Nanoröhren zum
Einsatz kommen. Einwandige Kohlenstoff-Nanoröhren weisen einen Durchmesser von
0,6 bis 1,8 Nanometer auf und können
eine Länge
von mehreren zehn Mikrometern erreichen. Sie bestehen hauptsächlich aus
einer Hülle
von hexagonal angeordneten Kohlenstoffringen, die zu einer zylindrischen
Oberfläche
vereinigt sind.
Mehrwandige
Kohlenstoff-Nanoröhren
weisen dem gegenüber
einen Durchmesser zwischen 2 nm und 300 nm auf und können abhängig von
ihrem Durchmesser Längen
bis zu mehreren Millimetern erreichen. In dicht gepackter Form entwickeln
sie eine Dichte von 1,33 bis 1,4 g/cm2.
Ihre Dichte liegt damit um den Faktor 2 niedriger als die Dichte
von Leichtmetall. Auch die Zugfestigkeit derartiger Kohlenstoff-Nanoröhren ist
mit ca. 1011 Pa um mehrere Größenordnungen
besser als bei Metall. Bei thermischen Fehlanpassungen durch unterschiedliche
Ausdehnungskoeffizienten zwischen Abdeckmasse und Halbleiterchipmaterial
in einem Halbleierbauteil ist die Gefahr von Abrissen bei hoher
thermischer Belastung aufgrund dieser Zwischenschicht aus Kohlenstoff-Nanoröhren gegenüber herkömmlichen
Kontaktierungen zwischen Halbleiterchipoberfläche und Abdeckmasse gering.
Da
Kohlenstoff-Nanoröhren
auf ihrer Länge von
10 Nanometern bis einigen Millimetern keine Korngrenzen aufweisen,
wie Kohlenstofffasern, Metalle oder kristalline Kunststoffmassen,
ist ihre Verformbarkeit und Elastizität deutlich höher, sodass
ein Abbrechen oder eine Bildung von Mikrorissen an Korngrenzen,
wie sie bei anderen Materialien auftreten, nicht möglich ist.
Die hohe Nachgiebigkeit der Nanoröhren, ohne selber beschädigt zu
werden oder abzureißen,
bringt somit den Vorteil für
das erfindungsgemäße Halbleiterbauteil,
dass eine nahezu vollständige
Entkoppelung zwischen der Oberseite des Halbleiterchips und der
Abdeckmasse erreicht werden kann, ohne dass es erforderlich wird,
komplexe Hohlraumgehäuse
zu entwickeln und zu konstruieren, um eine gleichwertige hohe Entkoppelung
zwischen Oberseite des Halbleiterchips und Abdeckmasse zu erreichen.
Darüber hinaus
weisen Kohlenstoff-Nanoröhren
mit 6000 W/mK eine Wärmeleitfähigkeit
auf, die nahezu doppelt so hoch ist, wie die von hochwärmeleitfähigem Diamant.
Diese hohe Wärmeleitfähigkeit
der Kohlenstoff-Nanoröhren
sorgt dafür,
dass trotz des Abstandes zur Abdeckmasse eine intensive Ableitung
der Verlustwärme
der Halbleiterchipoberfläche
an die Umgebung möglich
wird. Durch die Mehrwandigkeit der Kohlenstoff-Nanoröhren lässt sich
nicht nur die Länge
der Kohlenstoff-Nanoröhren variieren,
sondern auch die Bruchfestigkeit erhöhen. Deshalb ist für das erfindungsgemäße Halbleiterbauteil
der Einsatz von mehrwandigen Kohlenstoff-Nanoröhren vorteilhaft und bevorzugt.
In
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung weist die Abdeckmasse einen Abstand von der Oberseite
des Halbleiterchips auf, in welchem die Kohlenstoff-Nanoröhren angeordnet
sind. Mit diesem Abstand zwischen Abdeckmasse und Oberseite des Halbleiterchips
und dazwischen angeordneten Kohlenstoff-Nanoröhren werden die Eigenschaften
der Kohlenstoff-Nanoröhren
zur mechanischen Entkoppelung der Oberseite des Halbleiterchips
und der vorgesehenen Abdeckmasse optimal genutzt. Während die
freien Enden der Kohlenstoff-Nanoröhren in die Abdeckmasse hineinragen,
sind die entgegengesetzt angeordneten Enden der Kohlenstoff-Nanoröhren auf
der Oberseite des Halbleiterchips teilweise verankert.
Durch
den großen
Unterschied im Ausdehnungskoeffizienten der Abdeckmasse zu dem Silizium
verschiebt sich die Abdeckmasse gegenüber der Oberseite des Halbleiterchips,
jedoch können
die Kohlenstoff-Nanoröhren
dieser thermischen Fehlanpassung folgen, ohne die Oberseite des
Halbleiterchips mechanisch zu belasten. Damit ergibt sich eine gegenüber bisherigen
Lösungen
verbesserte Entkoppelung zwischen der Oberseite des Halbleiterchips
und der entsprechend vorgesehenen nachgiebigen Abdeckmasse. Die
Verankerung der Kohlenstoff-Nanoröhren, mindestens mit einem
Ende auf der Oberseite des Halbleiterchips, wird teilweise durch
die Präparation
der Nanochips erreicht.
Das
Ankern von mindestens einem Ende der Kohlenstoff-Nanoröhren schließt nicht
aus, dass sich die Kohlenstoff-Nanoröhren mit
ihren freien Enden beliebig in der Zwischenschicht zwischen Abdeckmasse
und Halbleiterchipoberseite verteilen können, wobei diese freien Enden
auch teilweise wieder zur Oberseite des Halbleiterchips und in die
dortige Verankerung zurückgebogen
sind. Entscheidend für
die Funktion des Halbleiterbauteils ist es lediglich, dass die Abdeckmasse
nicht unmittelbar die Oberseite des Halbleiterchips benetzen kann
oder sie in irgendeiner Weise erreicht. Vielmehr bleibt die Abdeckmasse
beabstandet zu der Oberseite des Halbleiterchips und schwebt, gehalten
und getragen von freien Enden der Kohlenstoff-Nanoröhren, über der
Oberseite des Halbleiterchips.
In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung erstrecken sich die Kohlenstoff-Nanoröhren teilweise
orthogonal zu der Oberseite des Halbleiterchips. Diese Orthogonalität kann teilweise
durch entsprechende Züchtung
der Kohlenstoff-Nanoröhren
auf der Oberseite des Halbleiterchips erreicht werden. Je nach Einbringen
einer strukturierten, aus einem Katalysatormaterial gebildeten Schicht,
werden sich die unterschiedlichsten Verankerungsformen zwischen
Oberseite des Halbleiterchips und den Kohlenstoff-Nanoröhren ausbilden.
Ferner kann durch Überlagerung
der Wachstumsprozesse mithilfe einer elektrischen Spannung eine
statische Aufladung dazu beitragen, dass sich die Kohlenstoff-Nanoröhren in
der bevorzugten orthogonalen Wachstumsrichtung zur Oberseite des Halbleiterchips
entwickeln. Dazu ist in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ein
Katalysatormaterial zum Bilden und Verankern von Kohlenstoff-Nanoröhren auf
der Oberseite des Halbleiterchips angeordnet.
Mit
dem zweiten freien Ende ragen die Kohlenstoff-Nanoröhren wie
bereits erwähnt
in das Material der Abdeckmasse hinein, bleiben aber teilweise benetzungsfrei
in Richtung auf die Oberfläche
des Halbleiterchips. Die auf den eingebetteten zweiten Enden der
Nanoröhren
schwebende Abdeckmasse ist aus einem Kunststoff hergestellt. Bei
derartigen Sensorchips ist es von Vorteil, wenn eine zuverlässige mechanische
Entkoppelung zwischen Abdeckung und Oberseite des Halbleiterchips
in Form der Kohlenstoff-Nanoröhren
besteht. Somit können
gerade bei mikromechanischen Modulen die Oberseiten der Halbleiterchips
unbeeinflusst von der Abdeckmasse messtechnisch bspw. Vibrationen
erfassen. Auch die Bruchgefahr der von dem Halbleiterchip abgeleiteten Verbindungsleitungen
zu einem Verdrahtungssubstrat wird durch diese Entkoppelung zwischen
Abdeckmasse und Halbleiterchip vermindert. Der Verdrahtungsträger kann
unterschiedlich aufgebaut sein, je nach Anforderung an das Halbleiterbauteil.
In
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung weist der Verdrahtungsträger Innenflachleiter auf, die über Bondverbindungen
mit den Kontaktflächen
des Halbleiterchips elektrisch in Verbindung stehen und außerhalb
der Abdeckmasse in Außenflachleiter
als Außenkontakte übergehen.
Diese Ausführungsform
der Erfindung hat den Vorteil, dass auf standardisierte Flachleiterrahmenstrukturen
zurückgegangen
werden kann, mit denen gleichzeitig mehrere Halbleiterbauteile parallel
hergestellt werden können.
In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung weist der Verdrahtungsträger eine Isolatorplatte mit
einer Verdrahtungsstruktur auf. Diese Isolatorplatte weist ihrerseits
eine Oberseite mit dem Halbleiterchip auf und eine gegenüberliegende Unterseite
mit entsprechenden Außenkontakten in Form
von Lothöckern
oder Lotbällen
auf. Bei dieser Art von Verdrahtungsträger entsteht ein BGA-Gehäuse (ball
grid array-Gehäuse), das
den Vorteil hat, dass sämtliche
Außenkontakte
flächenmontierbar auf
einer übergeordneten
Schaltungsplatine sind. Mit derartigen BGA-Gehäusen lassen sich eine Vielzahl von
Außenkontakten
realisieren, die gleichzeitig auf einen derartigen übergeordneten
Schaltungsträger durch
Oberflächenmontage
aufbringbar sind.
Ein
Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauteils der oben beschriebenen
Art weist die nachfolgenden Verfahrensschritte auf. Zunächst wird zur
Herstellung des Halbleiterbauteils ein Halbleiterwafer mit Halbleiterchippositionen
hergestellt, wobei die Chippositionen in Zeilen und Spalten auf
der Oberseite des Halbleiterwafers angeordnet sind. Anschließend erfolgt
ein selektives Beschichten des Halbleiterwafers mit einer Schicht
aus einem Katalysatormaterial und Keimen für Kohlenstoff-Nanoröhren unter
Freilassen von Kontaktflächen
auf der Oberseite des Halbleiterchips. Anschließend wird der beschichtete
Halbleiterwafer unter Ausbildung von Kohlenstoff-Nanoröhren auf
der Oberseite des Halbleiterwafers erwärmt. Nach einem Auftrennen
des Halbleiterwafers in einzelne Halbleiterchips mit auf der Oberseite
der Halbleiterchips angeordneten Kohlenstoff-Nanoröhren werden
diese auf einen Verdrahtungsträger
mit mehreren Halbleiterbauteilpositionen aufgebracht.
Anschließend werden
Bondverbindungen zwischen Kontaktanschlussflächen des Verdrahtungsträgers und
Kontaktflächen
der Halbleiterchips hergestellt. Danach wird eine Abdeckmasse auf
den Verdrahtungsträger,
auf die Bondverbindungen und auf freistehende zweite Enden der Kohlenstoff-Nanoröhren auf
der Oberseite des Halbleiterchips aufgebracht. Dabei dringt die Abdeckmasse
nicht bis zur aktiven Oberseite des Halbleiterchips durch. Es bildet
sich vielmehr ein Abstand zwischen der Abdeckmasse und der Oberseite
des Halbleiterchips aus, der von Kohlenstoff-Nanoröhren gebildet
wird. Abschließend
wird der Verdrahtungsträger
in einzelne Halbleiterbauelemente aufgetrennt.
Dieses
Verfahren hat den Vorteil, dass die Kohlenstoff-Nanoröhren für eine Vielzahl von Halbleiterchips
auf einem Halbleiterwafer gebildet werden können. Dies ist jedoch mit einem
fertigungstechnischen Problem verbunden, dass nämlich beim Auftrennen des Halbleiterwafers
in einzelne Halbleiterchips die dicht gepackte Schicht von Nanoröhren eventuell
beschädigt
wird. Deshalb muss sichergestellt werden, dass die auf den Halbleiterchips
angeordneten Kohlenstoff-Nanoröhren
ausreichend geschützt
sind. Dieses Problem kann teilweise dadurch gelöst werden, dass anstelle der
bisher üblichen
Sägetechnik
zum Auftrennen der Halbleiterchips eine Lasertrenntechnik angewandt
wird.
Ein
alternatives Verfahren vermeidet dieses fertigungstechnische Problem,
indem die folgenden Verfahrensschritte nacheinander durchgeführt werden.
Zunächst
wird wieder ein Halbleiterwafer mit Halbleiterchippositionen hergestellt,
wobei die Halbleiterchippositionen in Zeilen und Spalten auf der Oberseite
des Halbleiterwafers angeordnet sind. Anschließend wird der Halbleiterwafer
unmittelbar in einzelne Halbleiterchips aufgetrennt. Dann werden die
Halbleiterchips ohne Kohlenstoff-Nanoröhren auf dem Verdrahtungsträger in mehreren
Halbleiterbauteilpositionen fixiert. Anschließend erfolgt erst ein selektives
Beschichten der Halbleiterchips auf dem Verdrahtungsträger mit
einer Schicht aus Katalysatormaterial und Keimen für Kohlenstoff-Nanoröhren unter
Freilassen von Kontaktflächen
der Halbleiterchips.
Danach
werden die Halbleiterchips auf dem Verdrahtungsträger soweit
erwärmt,
dass sich Kohlenstoff-Nanoröhren
auf der Oberseite des Halbleiterchips über der Katalysatormasse ausbilden.
Nun folgt das Verbinden von Anschlussflächen des Verdrahtungsträgers mit
Kontaktflächen
des Halbleiterchips und anschließend das Aufbringen einer nachgiebigen
Abdeckmasse auf den Verdrahtungsträger, auf die Bondverbindung
und auf freistehende zweite Enden der Kohlenstoff-Nanoröhren auf
der Oberseite des Halbleiterchips. Danach wird dann der Verdrahtungsträger in einzelne
Halbleiterbauteile aufgetrennt.
In
einer bevorzugten weiteren Ausführungsform
des Verfahrens können
auf die Unterseite des Verdrahtungsträgers, die der Oberseite des
Verdrahtungsträgers
mit den Halbleiterchips gegenüberliegt, Außenkontakte
aufgebracht werden, sodass beim Auftrennen des Verdrahtungsträgers in
einzelne Halbleiterbauteile bereits auch die Außenkontakte hergestellt sind.
Besteht jedoch der Verdrahtungsträger aus einem Flachleiterrahmen,
so sind mit dem Flachleiterrahmen bereits die Außenflachleiter realisiert und
werden damit nach Fertigstellung der Halbleiterbauteile in den Halbleiterbauteilpositionen
des Verdrahtungsträgers
aus dem Flachleiterrahmen ausgestanzt.
Weiterhin
ist es vorgesehen, dass zum Beschichten des Halbleiterwafers, bzw.
der Halbleiterchips mit einer Schicht aus Katalysatormaterial, eine Suspension
aus einem polymeren Kunststoff, einem Lösungsmittel und mit in einem
Lichtbogen erzeugten Vorstufen von Kohlenstoff-Nanoröhren, hergestellt
wird. Das Herstellen von Vorstufen von Kohlenstoff-Nanoröhren mithilfe
eines Lichtbogens, der zwischen Kohlenstoffelektro den erzeugt wird,
ist eine Technik, die es ermöglicht,
derartige Suspensionen aus dem dabei entstehenden Staub aus Keimen
von Kohlenstoff-Nanoröhren
herzustellen.
In
einem anderen bevorzugten Durchführungsbeispiel
des Verfahrens werden zur Herstellung der Suspension zunächst Kohlenstoff-Nanoröhren und/oder
ihre Vorstufen in einem Heizrohr unter Zufuhr eines Pulvergemischs
aus Grafitpartikeln, vorzugsweise Kohlenstofffullerenen und Katalysatormaterial-Partikeln in einem
Laserstrahl erzeugt. Dieses Verfahren hat den Vorteil gegenüber der
Herstellung von Kohlenstoff-Nanoröhren im
Lichtbogenverfahren, dass gezielte Größenordnungen von Vorstufen von
Kohlenstoff-Nanoröhren
herstellbar sind.
Eine
weitere Möglichkeit
zur Herstellung der Suspension besteht darin, zunächst Kohlenstoff-Nanoröhren und/oder
ihre Vorstufen in einem Druckrohrofen mittels Gasphasenabscheidung
unter Zufuhr von Kohlenmonoxid und Wasserstoff zu erzeugen. Dieses
Verfahren hat den Vorteil, dass durch den Partialdruck der an der
Gasphasenabscheidung beteiligten Materialien die Zusammensetzung
und die Art der Vorstufen von Kohlenstoff-Nanoröhren gesteuert werden kann.
Bei diesem Prozess lagert sich der Wasserstoff an die Sauerstoffatome
des Kohlenmonoxids an, während
die Kohlenstoffatome sich zu hexagonalen Strukturen, die sich zu
zylindrischen Oberflächen
zusammenschließen,
verbindet. Diese hexagonalen Strukturen oder Kohlenstoffringe sind vergleichbar
mit dem von Kékülé untersuchten
Benzolringen. Jedoch sind hier keine Wasserstoffatome vorhanden,
sondern es schließen
sich an jeder Ecke des hexagonalen Ringes weitere Ringe mit Kohlenstoffatomen
an.
In
einem weiteren Durchführungsbeispiel des
Verfahrens folgt das selektive Beschichten mit einer Suspension
mittels Drucktechniken. Dazu wird zunächst wie oben erwähnt mit
unterschiedlichen Verfahren die Suspension hergestellt und anschließend in
einem Strahldruckprozess, bei dem vorzugsweise ein Strahldrucker,
wie er von den Tintenstrahldruckern bekannt ist, eingesetzt, um
die Suspension gezielt und selektiv auf die Flächen aufzubringen, die entweder
eine Halbleiterchipposition eines Halbleiterwafers darstellen oder
einen Halbleiterchip auf einem Substratträger mit mehreren Halbleiterbauteilpositionen
betrifft.
Eine
weitere Möglichkeit
der selektiven Beschichtung mit einer Suspension ist durch die Photolithographietechnik
gegeben, wobei Flächen
eines Halbleiterwafers, die mit der Suspension nicht beschichtet
werden sollen, wie bspw. Trennspuren und Kontaktflächen vorher
mit einer Photolackschicht geschützt
werden, bevor die Suspension aufgebracht wird.
In
einer dritten Möglichkeit
der Durchführung des
Verfahrens erfolgt die selektive Beschichtung mit einer Suspension
mittels Laserstrukturieren, indem zunächst ein Halbleiterwafer insgesamt
mit der Suspension beschichtet wird und anschließend mit einem Laser die Suspension
in den Bereichen entfernt wird, in denen sich Trennspuren oder Kontaktanschlussflächen auf
der Oberfläche
des Wafers befinden.
Bei
einem weiteren Durchführungsbeispiel des
Verfahrens wird zum Herstellen der Kohlenstoff-Nanoröhren über ein
strukturiertes Katalysatormaterial einer Oberseite des Halbleiterwafers und/oder
einer Oberseite von Halbleiterchips ein Gemisch aus Kohlenstofffullerenen,
Inertgas, Wasserstoff und Kohlenmonoxid in einem Heizrohr, in dem der
Halbleiterwafer und/oder die Halbleiterchips positioniert sind,
geführt.
Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass unmittelbar auf der Oberseite
des Halbleiterwafers bzw. des Halbleiterchips die sich bildenden Kohlenstoff-Nanoröhren verankert
bleiben. Dabei kann es durchaus sein, dass beide Enden eines Kohlenstoffnanorohrs
auf der Oberseite des Halbleiterchips bzw. des Halbleiterwafers
verankert werden, was dennoch gewährleistet, dass ein Abstand
zu einer aufzubringenden Abdeckmasse gegenüber der Oberseite des Halbleiterchips
möglich
ist.
In
einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung für
ein Abscheiden von Kohlenstoff-Nanoröhren auf dem strukturierten
Katalysatormaterial wird ein Gemisch aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff
in einem Rohrofen bei 500 bis 800 °C, in dem Halbleiterwafer oder
Halbleiterchips mit aufgebrachtem Katalysatormaterial positioniert
sind, zugeführt.
In diesem bevorzugten Temperaturbereich kann erreicht werden, dass
sich mit Unterstützung
des Katalysatormaterials eine Vielzahl von Kohlenstoff-Nanoröhren auf der
Oberseite des Halbleiterwafers bzw. des Halbleiterchips ausbilden,
die sich orthogonal zu der Oberseite des Halbleiterwafers bzw. des
Halbleiterchips erstreckt.
Das
Verbinden von Kontaktanschlussflächen des
Verdrahtungsträgers
mit Kontaktflächen
der Halbleiterchips erfolgt vorzugsweise mittels Bondtechniken.
Für diese
Bondtechniken werden die Kontaktflächen des Halbleiterchips und
die Kontaktanschlussflächen
des Verdrahtungsträgers
speziell präpariert
und weisen üblicherweise
entweder eine Aluminiumbeschichtung oder eine Goldbeschichtung auf.
Die Goldbeschichtung ist dann erforderlich, wenn mit Aluminiumbonddrähten gearbeitet
wird, während
eine Aluminiumbeschichtung von Vorteil ist, wenn mit Golddrähten gearbeitet
wird, zumal die beiden Elemente Gold und Aluminium eine eutektische Schmelze
bei einer niedrigen eutektischen Schmelztemperatur bilden und somit
ein Kontaktieren erleichtern.
Das
abschließende
Aufbringen einer nachgiebigen Abdeckung auf den Verdrahtungsträger unter
Einbetten der Bondverbindungen und unter Abdecken der Oberseiten
der Halbleiterchips in einem durch Kohlenstoff-Nanoröhren vorgegebenem
Abstand kann mittels Dispensen oder mittels eines Niederdruck-Spritzgussverfahrens
erfolgen. Das Niederdruck-Spritzgussverfahren hat den Vorteil, dass
in einer vorgefertigten Form auf den Bauteilpositionen des Verdrahtungsträgers bereits
die endgültigen Konturen
der Gehäuse
aus einer nachgiebigen Abdeckmasse vorgegeben werden können, während das
Dispensen den Vorteil hat, dass ein flächiger Auftrag von Dispensmaterial
auf dem Verdrahtungsträger
möglich
wird, sodass erst beim Trennschritt die endgültige Kontur des Halbleiterbauteilgehäuses gebildet
wird.
Zusammenfassend
ist festzustellen, dass durch das Aufbringen von Nanoröhren auf
die Chipoberseite, deren Länge
für die
vorliegende Erfindung vorzugsweise 50 μm bis 1 mm beträgt, eine
vollständige
mechanische Entkoppelung der Halbleiterchipoberfläche von
einer nachgiebigen Abdeckmasse möglich
wird. Der Abstand bzw. die Packungsdichte der Nanoröhren ist
dabei so bemessen, dass die Abdeckmasse oder Umhüllmasse nicht bis zur Chipoberfläche vordringen
kann. Vielmehr verbindet sich die Abdeckmasse idealerweise mit den
Spitzen bzw. zweiten freien Enden der Kohlenstoff-Nanoröhren.
Durch
die Flexibilität
der Nanoröhren
in der x- und y-Richtung
in Bezug auf die Oberseite der Halbleiterchips tritt kein mechanischer
Stress aufgrund von unterschiedlichen Aus dehnungskoeffizienten zwischen
Halbleiterchip und Abdeckmasse auf. Somit verbleibt die Oberseite
des Halbleiterchips vollständig
mechanisch entkoppelt. Gleichzeitig tritt aufgrund der Flexibilität und Verankerung
der Kohlenstoff-Nanoröhren
keine Delamination zwischen Halbleiterchipoberfläche und Abdeckmasse mehr auf.
Von besonderem Vorteil ist, dass durch dieses Verfahren bei diesen
Halbleiterbauelementen die Chipoberflächen in einem Sensorbereich
völlig
von Abdeckmaterial freigehalten werden, ohne dass aufwendige Hohlraumgehäuse zusätzlich vorgesehen werden
müssen.
Die
Erfindung wird nun anhand der beigefügten Figuren näher erläutert.
1 zeigt
einen schematischen Querschnitt durch ein Halbleiterbauteil einer
Ausführungsform
der Erfindung;
2 zeigt
eine perspektivische Prinzipskizze einer einwandigen Kohlenstoffnanoröhre;
3 bis 5 zeigen
schematische Querschnitte durch Bauteilkomponenten bei der Herstellung
eines Halbleiterbauteils gemäß 1;
3 zeigt
einen schematischen Querschnitt eines Halbleiterchips nach Aufbringen
von Nanoröhren
auf die Oberseite eines Halbleiterchips;
4 zeigt
einen schematischen Querschnitt des Halbleiterchips gemäß 3 nach
Aufbringen einer Bondverbindung;
5 zeigt
einen schematischen Querschnitt durch das Halbleiterbauteil gemäß 1.
1 zeigt
einen schematischen Querschnitt durch ein Halbleiterbauteil 1 einer
Ausführungsform
der Erfindung. Das Halbleiterbauteil 1 weist einen Halbleiterchip 2 auf,
der im Zentrum seiner Oberseite 8 einen Sensorbereich 15 besitzt. Über dem
Sensorbereich 15 ist auf einer strukturierten Schicht 11 aus
Katalysatormaterial 12 eine Struktur aus Kohlenstoff-Nanoröhren 9 angeordnet,
die mit ihren ersten Enden 10 auf der Oberseite 8 in
der strukturierten Schicht 11 aus Katalysatormaterial 12 verankert
sind und mit ihren zweiten Enden 13 in eine Abdeckmasse 3 hineinragen,
die aus einer Kunststoffmasse 14 besteht.
Zwischen
der Abdeckmasse 3 und der Oberseite 8 des Halbleiterchips 2 ist
ein Abstand a vorhanden, der von den Kohlenstoffs-Nanoröhren 9 gebildet wird,
die mit ihren zweiten Enden 13 die Abdeckmasse 3 tragen
und die Abdeckmasse 3 mechanisch von der Oberseite 8 des
Halbleiterchips 2 entkoppeln. In seinen Randbereichen weist
der Halbleiterchip 2 Kontaktflächen 6 auf, die über Bondverbindungen 23 mit
Kontaktanschlussflächen 22 über den
Bonddraht 16 verbunden sind. Der Verdrahtungsträger 5 weist eine
Isolatorplatte 17 auf, die auf ihrer Oberseite 19 eine
Verdrahtungsstruktur 18 aufweist, über welche die Kontaktanschlussflächen 22 mit
Durchkontakten 24 durch die Isolatorplatte 17 verbunden
sind.
Die
Durchkontakte 24 selbst enden auf der Unterseite 20 der
Isolatorplatte 17 und gehen dort in Außenkontaktflächen 25 über. Die
Außenkontaktflächen 25 tragen
ihrerseits auf der Unterseite 20 Lotkugeln 21,
welche die Außenkontakte 7 des
Halbleiterbauteils 1 bilden. Somit sind die Außenkontakte 7 mit den
Kontaktflächen 6 des
Halbleiterchips 2 elektrisch verbunden. Anstelle der Isolatorplatte 17 mit
Verdrahtungsstruktur 18 kann der Verdrahtungsträger 5 auch
einen Flachleiterrahmen mit Innenflachleitern und Außenflachleitern
aufweisen, die in 1 nicht gezeigt werden.
Die
nachgiebige Abdeckmasse 3 bildet bei diesem Halbleiterbauteil 1 gleichzeitig
die Oberseitenkontur des Halbleiterbauteils 1 und bettet
sowohl die Bondverbindungen 23 als auch den Randbereich des
Verdrahtungsträgers 5 in
eine Kunststoffabdeckmasse 3 als Gehäuse ein. Dennoch bleibt der
Abstand a frei von Kunststoffabdeckmasse 3 Aufgrund der
hohen Flexibilität
der Kohlenstoff-Nanoröhren 9 wird
die empfindliche Oberseite 8 im Sensorbereich 15 von
der Kunststoffabdeckmasse 3 des Gehäuses des Halbleiterbauteils 1 mechanisch
entkoppelt.
2 zeigt
eine schematische, perspektivische Prinzipskizze einer einwandigen
Kohlenstoff-Nanoröhre 9.
Die Einwandigkeit dieser Kohlenstoff-Nanoröhre 9 besteht aus
einer einlagigen zylindrischen Anordnung von Kohlenstoffatomen C,
die in hexagonalen Kohlenstoffringen 26 angeordnet sind. Der
Durchmesser d einer einwandigen Kohlenstoff-Nanoröhre 9 liegt
zwischen 0,6 und 1,8 nm, während
die Länge
l mehrere 10 nm lang sein kann. Mehrere einwandige Kohlenstoff-Nanoröhren 9 können koaxial
ineinander geschachtelt sein und ergeben dann eine mehrwandige Kohlenstoff-Nanoröhren 9,
die in ihrem Durchmesser d bis zu 300 nm erreichen kann und deren
Länge l
bis zu einigen Millimetern betragen kann. Da die Kohlenstoff-Nanoröhren 9 von
jeder Korngrenze frei sind, sind sie äußerst flexibel, und ein Bruch
entlang von Korngrenzen kann nicht auftreten. Diese hohe Flexibilität wird für das erfindungsgemäße Halbleiterbauteil
genutzt, um mechanisch den Halbleiter chip bzw. dessen aktive Oberseite
von einer den Halbleiterchip abdeckenden Kunststoffgehäusemasse
zu befreien.
Die
weiteren Eigenschaften derartiger Kohlenstoff-Nanoröhren 9 sind
bereits oben beschrieben worden und werden zur Vermeidung von Wiederholungen
hier nicht extra erörtert.
Die 3 bis 5 zeigen
schematische Querschnitte durch Bauteilkomponenten bei der Herstellung
eines Halbleiterbauteils 1 gemäß 1.
3 zeigt
einen schematischen Querschnitt eines Halbleiterchips 2 nach
Aufbringen von Kohlenstoff-Nanoröhren 9 auf
die Oberseite 8 des Halbleiterchips 2 in einem
Sensorbereich 15 im Zentrum der Oberseite 8 des
Halbleiterchips 2. Dazu wird zunächst eine strukturierte Schicht 11 aus
einem Katalysatormaterial auf den Sensorbereich 15 aufgebracht.
Anschließend
werden in einer entsprechenden Reaktionsatmosphäre eines Druckrohrofens unter
Einsatz von Wasserstoff und Kohlenmonoxid auf der Oberseite 8 des
Halbleiterchips 2 im Bereich des Katalysatormaterials,
die hier nur symbolisch orthogonal zur Oberseite 8 des
Halbleiterchips 2 dargestellten Kohlenstoff-Nanoröhren 9 gezüchtet.
In
einer realen Struktur sind diese Kohlenstoff-Nanoröhren 9 nur
teilweise orthogonal zu der Oberseite 8 ausgerichtet. Ein
hoher Anteil wird längs und
quer über
die Oberseite 8 des Halbleiterchips 2 verteilt
sein. Schließlich
ist ein dritter Anteil der Kohlenstoff-Nanoröhren 9 derart gebogen,
dass er auch mit seinem zweiten Ende 13 die Oberseite 8 des Halbleiterchips 2 berührt. Dabei
ist die Schicht an Kohlenstoff-Nanoröhren 9 derart
dicht, dass sie eine Schicht aus einer nachgiebigen Abdeckmasse
beim Aufbringen der Abdeckmasse und nach Erkalten der Abdeckmasse
tragen kann.
4 zeigt
einen schematischen Querschnitt des Halbleiterchips 2 gemäß 3 nach
Fixieren seiner Rückseite 4 auf
einem Verdrahtungträger 5 und
nach Aufbringen einer Bondverbindung 23. Auf den Randbereichen 27 der
Oberseite 8 des Halbleiterchips 2 sind Kontaktflächen 6 angeordnet,
die elektrisch mit dem Sensorbereich 15 in Verbindung stehen.
Diese Kontaktflächen 6 stehen
mit Kontaktanschlussflächen 22,
die ihrerseits in den Randbereichen 28 des Verdrahtungsträgers 5 angeordnet
sind, elektrisch in Verbindung. Der Verdrahtungsträger 5 weist
eine Isolatorplatte 17 auf, die auf ihrer Oberseite 19 eine
Verdrahtungsstruktur 18 trägt und auf ihrer Unterseite 20 Außenkontaktflächen 25 aufweist.
Dabei sind diese Außenkontaktflächen 25 auf
der Unterseite 20 der Isolatorplatte 17 gleichmäßig über die gesamte
flächige
Erstreckung des Verdrahtungsträgers 5 wie
bei BGA-Gehäusen
(ball grid array-Gehäusen)
verteilt. Damit ist es möglich,
ein oberflächenmontierbares
Halbleiterbauteil zu schaffen.
5 zeigt
einen schematischen Querschnitt durch das Halbleiterbauteil 1 gemäß 1, wobei
dieses Halbleiterbauteil 1 dadurch entsteht, dass auf die
Struktur der 4 nun eine Abdeckmasse 3 aufgebracht
wird, die gleichzeitig die Bondverbindungen 23 sowie die
Randbereiche des Halbleiterchips 2 und die Randbereiche
des Verdrahtungssubstrats 5 umhüllt. Dabei verbleibt ein Zwischenraum
von der Dicke a zwischen der nachgiebigen Abdeckmasse 3 und
der Oberseite 8 des Halbleiterchips 2 durch die
in diesem Zwischenraum angeordneten Kohlenstoff-Nanoröhren 9.
Bis auf die Lotbälle,
die hier noch nicht angebracht sind, entspricht der Querschnitt
durch das Halbleiterbauteil 1 dem Querschnitt des Halbleiterbauteils 1,
das in 1 gezeigt wird.