DE102005009163A1

DE102005009163A1 - Halbleiterbauteil mit einem Halbleiterchip, der Signalkontaktflächen und Versorgungskontaktflächen aufweist, sowie Verfahren zur Herstellung des Halbleiterbauteils

Info

Publication number: DE102005009163A1
Application number: DE102005009163A
Authority: DE
Inventors: Heinz Dipl.-Phys. Pape
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2005-02-25
Filing date: 2005-02-25
Publication date: 2006-09-07
Anticipated expiration: 2025-02-26
Also published as: US20060197234A1; US7489023B2; DE102005009163B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauteil (1) mit einem Halbleiterchip (4), der Signalkontaktflächen (5) und Versorgungskontaktflächen (6) aufweist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung des Halbleiterbauteils (1). Die Signalkontaktflächen (5) sind auf Randbereichen (7, 8, 9, 10) der aktiven Oberseite (11) des Halbleiterchips (4) angeordnet und stehen über Verbindungselemente (12) mit externen Signalaußenanschlüssen (13) des Halbleiterbauteils (1) elektrisch in Verbindung. Die Oberseite (11) des Halbleiterchips (4) weist mindestens zwei Versorgungssammelelektroden (14, 15) aus ringförmig strukturierten Metallfolien auf, die innerhalb der Signalkontaktflächen (5) angeordnet sind und elektrisch isoliert auf der Oberseite (11) fixiert sind. Die Versorgungssammelelektroden (14, 15) stehen elektrisch mit den Versorgungskontaktflächen (6) des Halbleiterchips (4) über interne Verbindungselemente (16) in Verbindung.

Description

Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauteil mit einem Halbleiterchip, der Signalkontaktflächen und Versorgungskontaktflächen aufweist, sowie ein Verfahren zur Herstellung des Halbleiterbauteils. Die Signalkontaktflächen sind bei einem derartigen Halbeiterbauteil auf Randbereichen der aktiven Oberseite des Halbleiterchips angeordnet und sind elektrisch über Verbindungselemente mit externen Außenanschlüssen des Halbleiterbauteils verbunden.

Die Anzahl der Signalkontaktflächen und der Versorgnungskontaktflächen nimmt für hochintegrierte Halbleiterbauteile ständig zu, während der Flächenbedarf pro Schaltfunktion ständig geringer wird. Dieses wird durch eine fortschreitende Miniaturisierung der Schaltkreisstrukturen auf einem Halbleiterchip mit jeder neuen Technologiegeneration, die meistens durch die kleinsten erzielbaren Strukturbreiten gekennzeichnet ist, wie z. B. 130-Nanometer-Technologie, 90-Nanometer-Technologie, 65-Nanometer-Technologie und so weiter, verwirklicht. Diese Hochintegration wird weiterhin durch eine vertikale Integration von einer zunehmenden Anzahl von Verdrahtungsebenen, wie Metalllage M1, Metalllage M2, bis zu Metalllage M(x – 1) und M(x) gefördert. Jedoch kann die Leistungsaufnahme pro Funktion nicht im gleichen Maße wie der Flächenbedarf pro Funktion verringert werden, so das die Leistungsdichten von Halbleiter-ICs tendenziell steigen.

Zur Reduktion der internen elektrischen Feldstärke, um beispielsweise eine Halbierung der Isolationsabstände zu ermöglichen, werden die Versorgungsspannungen ständig reduziert von z. B. einer 12V-Technologie über eine 5V-Technologie, eine 3,3V-Technologie, eine 2,5V-Technologie bis zu 1,8V-Technologie, usw. Die Reduzierung der Versorgungsspannung führt jedoch bei sich gleichzeitig vergrößernder Leistungsaufnahme zu immer höheren Strömen. So kommt es dazu, dass bei Kommunikations-ICs mit einer Leistungsaufnahme P = 3–4 W je nach Versorgungsspannung U Ströme I von 1 A bis 2 A zu bewältigen sind. Diese Ströme sollen auf dem Halbleiterchip durch möglichst niederohmige Metallqquerschnitte bis zur schaltenden Funktion verteilt werden, um lokale Spannungseinbrüche zu vermeiden. Breite niederohmige Metallbahnen auf dem Halbleiterchip kosten jedoch wertvolle Halbleiterchipoberfläche und bringen potentielle Zuverlässigkeitsprobleme mit sich.

Gleichzeitig nehmen mit wachsender Integrationsdichte die Metallquerschnitte zwischen den äußeren Kontaktflächen auf der Oberseite eines Halbleiterchips und der obersten Metallisierungsebene des integrierten Schaltkreises ab und damit nimmt auch deren Stromtragfähigkeit entsprechend ab. Bei modernen Technologien kann gegenwärtig typischerweise ein Strom von 10 mA pro Kontaktfläche eingespeist werden. Um einen Gesamtstrom von I = 1 A in die Schaltung einzuspeisen, sind demnach 100 Versorgungskontaktflächen auf der Oberseite des Halbleiterchips für das Einbringen des Stroms von 1 A erforderlich und zusätzlich ebenso viele Massekontaktflächen, um den Strom wieder abfließen zu lassen.

Bei Halbleiterprodukten mit 200 bis 1.000 Anschlüssen, die inzwischen als BGA-Bauteile (ball grid array-Bauteile) gebaut werden, ist somit ein sehr hoher Anteil der Anschlüsse nur als Versorgungsanschlüsse erforderlich, so dass je nach Leistungsaufnahme bis zur Hälfte und mehr dieser Außenkontaktanschlüsse für die Stromversorgung der Versorgungskontaktflächen auf der Oberseite des Halbleiterchips eingeplant werden müssen. Im Innern des Halbleiterbauteils wird oft die Drahtbondtechnik eingesetzt, bei der teilweise lange Bonddrähte, die eng aneinander liegen, zu fertigen sind, wobei Fertigungsprobleme und Fertigungsrisiken, wie Drahtverwehung oder Kurzschlüsse, auftreten können. Somit wird allmählich die Grenze der Realisierbarkeit derartiger hochintegrierter Schaltungen erreicht.

Außerdem besteht bei zunehmend höheren Signalfrequenzen die Gefahr, dass lange und eng benachbarte Bonddrähte die Induktivität und/oder das Übersprechen zunimmt, was ebenfalls die Produktrealisierung behindern kann. Die hohe Zahl der von einem Halbleiterchip nach außen zu kontaktierenden Versorgungsanschlüsse wird damit zum Problem unter dem Gesichtspunkt der Machbarkeit, der Leistungsfähigkeit sowie der Fertigungskosten, insbesondere bei Drahtbondkontaktierungen. Bei der Drahtbondkontaktierung ist die beschriebene, möglichst dichte Kontaktierung von Versorgungskontaktflächen und Signalkontaktflächen, die an der Halbleiterchip-Peripherie angeordnet sind und auf ein organisches oder keramisches Substrat geführt werden müssen, mit den oben beschriebenen Nachteilen und Risiken verbunden.

Bei der Flipchip-Montagetechnik kann die Erzeugung vieler Versorgungskontaktanschlüsse vereinfacht werden, allerdings sind dann teure Mehrlagensubstrate mit unterschiedlichen Metallisierungsebenen und Durchkontaktierungen erforderlich, und bei den üblichen Halbleiterchipstrukturierungen wird eine Umverdrahtungslage unmittelbar auf dem Chip erforderlich, um von den peripheren Signalkontaktflächen und Versorgungskontaktflächen zu den einzelnen integrierten Schaltungsstrukturen zu gelangen. Dabei muss eine derartige Umverdrahtungslage auf dem Halbleiterchip an das jeweilige Chipdesign nachteilig angepasst werden, während bei der Drahtbondtechnik eine größere Flexibilität möglich ist.

Für Leistungshalbleiterbauteile wird das Problem der Versorgungsanschlüsse durch metallische plattenförmige Sammelelektroden auf der Oberseite des Halbleiterbauteils gelöst, wie es aus der Druckschrift US 6,040,626 bekannt ist. Auch in der Patentanmeldung DE 103 49 477 wird für ein Leistungs-MOSFET-Bauteil auf der Oberseite des Halbleiterchips eine Sammelelektrode für sämtliche Source-Anschlüsse vorgeschlagen, die plattenförmig angeordnet ist und mit entsprechenden Außenflachleitern eines Flachleiterrahmens verbunden ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, für hoch integrierte Halbleiterbauteile das Problem der zunehmenden Leistungsaufnahme zu lösen und die oben erwähnten Nachteile im Stand der Technik zu überwinden. Dabei ist ein Ziel die Zahl der Versorgungsanschlüsse nach außen zu einem Substrat oder zu einem Flachleiterrahmen hin zu reduzieren, so dass mehr Raum für Signalanschlüsse 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 Halbleiterchip geschaffen, der Signalkontaktflächen und Versorgungskontaktflächen auf seiner aktiven Oberseite aufweist. Dabei sind die Signalkontaktflächen auf Randbereichen der aktiven Oberseite des Halbleiterchips angeordnet und stehen über Verbindungselemente mit externen Außenanschlüssen des Halbleiterbauteils in Verbindung. Die Oberseite des Halbleiterchips weist dazu mindestens zwei Versorgungssammelelektroden aus ringförmig strukturierten Metallfolien auf. Diese ringförmig strukturierten Metallfolien sind innerhalb der Signalkontaktflächen angeordnet und elektrisch isoliert auf der Oberseite fixiert. Die ringförmigen Versorgungssammelelektroden stehen über Verbindungselemente mit externen Versorgungsaußenanschlüssen des Halbleiterbauteils in Verbindung.

Dieses Halbleiterbauteil hat den Vorteil, dass die internen Signalverbindungselemente in den Randbereichen der aktiven Oberseite des Halbleiterchips praktisch halbiert werden können, da sämtliche Versorgungskontaktflächen über die auf der Oberseite des Halbleiterchips angeordneten ringförmigen Versorgungssammelektroden mit einem Massepotential bzw. mit einem Betriebspotential verbunden werden können, ohne lange Bondverbindungen von der Oberseite des Halbleiterchips zu entsprechenden Kontaktanschlussflächen eines Verdrahtungssubstrats oder eines Flachleiterrahmens zu erfordern. Vielmehr sind diese Verbindungselemente nun ausschließlich auf die aktive Oberseite des Halbleiterchips begrenzt.

Somit löst die vorliegende Erfindung das Problem der Flächenreduzierung bei gleichzeitig steigendem Bedarf an Signalkontaktflächen und Versorgungskontaktflächen dadurch, dass innerhalb des äußeren peripheren Ringes aus Signalkontaktflächen, die nach außen zu einem Flachleiterrahmen oder zu einem Verdrahtungssubstrat kontaktiert werden, auf die Chipoberfläche innerhalb dieses peripheren Ringes aus Signalkontaktflächen mindestens eine ringförmige Versorgungssammelelektrode in Form einer Metallfolie vorgesehen ist. Diese Metallfolie kann als Blech oder auf einem Kunststoffträger auf die Oberseite des Chips aufgeklebt oder aufgelötet sein.

In der einfachsten und kostengünstigsten Ausführung der Erfindung handelt es sich bei der Versorgungssammelelektrode um eine Kupferfolie mit löt- oder bondbaren Oberflächenbereichen, die mit Gold oder Silber beschichtet sein können und ähnlich wie für Flachleiterrahmen vorbereitet und verwendet werden. Eine derartige ringförmige Elektrode kann wesentlich massiver und niederohmiger ausgeführt werden als eine Metalllage oder eine Umverdrahtung auf dem Halbleiterchip und stellt damit ein stabileres Versorgungspotential bereit. Teilweise können diese Versorgungssammelelektroden auch Versorgungsleitungen der oberen Metalllage ersetzen und ein Teil des Halbleiterchipdesigns bilden und somit Halbleiterchipfläche einsparen helfen.

Mit zwei dieser Versorgungssammelelektrode werden die meisten Versorgungskontaktflächen sowohl für den Masseanschluss als auch für den Leistungsanschluss durch Bond- oder Lötkontaktierungen in Richtung auf die ringförmigen Versorgungssammelelektroden verbunden. Nur einige wenige Bond- oder Lötverbindungen, die sich über die Chipkarte hinaus zu dem Flachrahmen oder dem Verdrahtungssubstrat erstrecken, sind zum Anlegen des zugehörigen Versorgungspotentials notwendig. Die ringförmigen Versorgungssammelelektroden fungieren als Potentialschienen oder Stromverteiler auf der aktiven Oberseite des Halbleiterchips. Damit wird in vorteilhafter Weise die Anzahl der Verbindungen nach außen deutlich reduziert, außerdem können Bonddrähte kürzer dargestellt werden und benachbarte Bonddrähte können sich in unterschiedliche Richtungen sowohl nach innen als auch nach außen von der ringförmigen Versorgungssammelelektrode aus erstrecken, so dass die einzelnen Bondbögen einen größeren Abstand voneinander haben, was störende Induktivitäten und störendes Übersprechen vermindert.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Versorgungssammelelektroden übereinander gestapelt auf der Oberseite des Halbleiterchips angeordnet, wobei eine Isolationsschicht zwischen den Versorgungssammelelektroden angeordnet ist. In einer derartigen Ausführungsform der Erfindung wird durch die Stapelung der Versorgungssammelelektroden zusätzlich verfügbare Fläche auf der Oberseite der Halbleiterchips gewonnen, die für Versorgungskontaktflächen und/oder für zusätzliche Signalkontaktflächen auf der Oberseite des Halbleiterchips zur Verfügung stehen. Im Prinzip wird es somit möglich, die Anzahl der Signalkontaktflächen auf der Oberseite des Halbleiterchips zu verdoppeln, ohne dass zusätzliche Maßnahmen erforderlich werden.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist mindestens eine der Versorgungssammelelektroden für ein Massepotential vorgesehen und eine andere Versorgungssammelelektrode weist ein Versorgungspotential auf. Somit können von diesen ringförmigen Versorgungssammelelektroden sämtliche Versorgungskontaktflächen, sei es zum Anlegen eines Massepotentials oder sei es zum Anlegen eines Leistungspotentials, versorgt werden. Sind mehrere Potentiale für die Funktionsfähigkeit eines integrierten Schaltkreises erforderlich, so können auch mehr als zwei ringförmige Versorgungssammelelektroden entweder aufeinander gestapelt oder ineinander gestaffelt auf der aktiven Oberseite des Halbleiterchips angeordnet werden. In diesem letzteren Fall sind die Versorgungssammelelektroden benachbart zueinander angeordnet und ringförmig ineinander liegend strukturiert.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind diskrete Bauelemente zwischen den Versorgungssammelelektroden angeordnet. Vorzugsweise können dort Spannungsschutzdioden und/oder diskrete Kondensatoren und/oder Induktionsbauelemente untergebracht werden, wozu der Abstand zwischen den beiden ineinander liegenden ringförmigen Versorgungssammelelektroden größer und an den Elektrodenabstand der jeweiligen diskreten Bondelemente angepasst sein kann. Bevorzugt werden zwischen den beabstandeten Versorgungssammelelektroden oberflächenmontierbare diskrete Bauelemente angeordnet.

Weiterhin ist es vorgesehen, dass die Versorgungskontaktflächen des Halbleiterchips mit den Versorgungssammelelektroden über Bonddrahtverbindungen auf der aktiven Oberseite des Halbleiterchips intern elektrisch in Verbindung stehen. Derartige Bonddrahtverbindungen können relativ preiswert mit den üblichen Bonddrahttechniken auf einer Oberfläche eines Halbleiterchips vorgesehen werden, wobei das eine Ende des Bonddrahtes auf der Versorgungssammelelektrode fixiert wird und das andere Ende der Bonddrahtleitung mit einer Versorgungskontaktfläche verbunden ist. Derartige Bonddrahtverbindungen auf der aktiven Oberseite sind relativ kostengünstig mit entsprechenden Standardtechnologien herstellbar. Dabei sind die Richtungen, in welche die Bonddrähte zu legen sind, relativ frei wählbar und hängen nur von der Position der Versorgungskontaktfläche ab.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung stehen die Versorgungskontaktflächen des Halbleiterchips mit den Versorgungssammelelektroden über Leiterbahnen auf der Oberseite des Halbleiterchips elektrisch in Verbindung. Diese Variante der Verdrahtung kommt ohne Bonddrähte aus und hat den Vorteil, dass derartige Leiterbahnen bereits für sehr viele Halbleiterchips auf einem Halbleiterwafer vorbereitet werden können und anschließend können dann auf diese Leiterbahnen an den vorgesehenen Stellen die Versorgungssammelelektroden als ringförmige Metallstrukturen aufgelötet oder mit Leitkleber aufgeklebt werden. Durch das Aufkleben mit Leitkleber oder durch das Auflöten auf die Leiterbahnen zu den Versorgungskontaktflächen können in einem Arbeitsgang eine Vielzahl von Versorgungskontaktflächen mit den Versorgungssammelelektroden verbunden werden, was die Fertigungskosten vermindert.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weisen die Versorgungssammelelektroden so genannte Bondfahnen auf, die mit der Herstellung der Versorgungssammelelektroden aus einem Metallfolienmaterial, beispielsweise durch Ausstanzen oder Ätzen, ausgearbeitet werden, und sich von den Versorgungssammelelektroden zu den Versorgungskontaktflächen erstrecken. Um eine Verbindung zwischen den Bondfahnen und den Versorgungskontaktflächen herzustellen, werden die freien Enden der Bondfahnen auf die Versorgungskontaktflächen gebondet. Dazu sind die Bondfahnen vorzugsweise nach innen gerichtet und die entsprechenden Versorgungskontaktflächen innerhalb der ringförmigen Versorgungssammelelektroden oder zwischen den ringförmigen Versorgungssammelelektroden angeordnet.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Halbleiterchip eine äußere ringförmige Versorgungssammelelektrode und eine innere ringförmige Versorgungssammelelektrode auf, wobei die äußere ringförmige Versorgungssammelelektrode einen offenen Ring mit mindestens einer Durchgangsöffnung aufweist, in der eine streifenförmige Zuleitung zu der inneren Versorgungssammelelektrode angeordnet ist. Durch diese Anordnung wird erreicht, dass die innere Versorgungssammelelektrode nicht über entsprechende Bonddrähte mit entsprechenden Außenkontakten des Halbleiterchips in Verbindung treten muss, sondern über eine streifenförmige Zuleitung zunächst an den Rand des Halbleiterchips herangeführt wird und erst von dort aus mit einer relativ kurzen Bondverbindung zu einem Verdrahtungssubstrat oder zu einem Flachrahmen mit einer Versorgungskontaktfläche in Verbindung steht. Gegebenenfalls kann der umlaufende Ring aus Versorgungseelektroden mit Einkerbungen oder Unterbrechungen zur Reduktion thermomechanischer Spannungen oder mit Lücken zum Durchlass anderer Potentiale ausgestattet sein. Bei Bedarf können auch entsprechende Finger oder Fahnen oder Leitungen von den Ringsegmenten der Versorgungssammelelektroden abgehen und z. B. Versorgungskontaktflächen im Innenbereich des Halbleiterchips versorgen.

Da die Versorgungssammelelektroden auf der Oberseite des Halbleiterchips kein Teil eines äußeren Flachleiterrahmens sind, können sie bereits fertigungstechnisch im Waferlevel in den jeweiligen Halbleiterchippositionen eines Halbleiterwafers angeordnet werden. Folglich stehen auch Prozesse, Materialien und Techniken zum Verbinden und Kontaktieren zur Verfügung, die bei der Montage eines Halbleiterchips in ein Gehäuse im Rahmen der sogenannten "Backend-Fertigung" nicht eingesetzt werden können, sondern bereits in dem "Frontend-Techniken" üblich sind, wie beispielsweise Sintertechniken und Lottechniken bei hoher Temperatur auf Halbleiterwafern.

Wie oben bereits ausgeführt, können die Versorgungssammelelektroden durch eine Isolatorschicht in Form eines Dielektrikums auch teilweise übereinander angeordnet werden und damit einen Kondensator bilden. Derartige Ausführungsformen sind vor allem auf Glas- oder Keramikträgern in Dickfilmtechnik problemlos möglich. Andererseits lassen sich derartige gestapelte Versorgungssammelelektroden auch durch übereinander geklebte Metallfolien verwirklichen, von denen mindestens eine Metallfolie seitlich übersteht, um eine entsprechende Anschlussmöglichkeit an die untere der beiden Versorgungssammelelektrode zu gewährleisten. Weiterhin können die Versorgungssammelelektroden bereits vorgefertigt mit zusätzlichen diskreten und passiven Bauelementen zwischen den beiden Versorgungssammelelektroden für die Spannungsversorgung und für das Massepotential versehen werden und auch miteinander durch diese passiven Bauelemente verbunden sein.

Wie oben bereits erwähnt, sind vorzugsweise Kondensatoren gegen Spannungseinbrüche und/oder als kurzfristige Notstromversorgung bei Leistungsunterbrechungen vorgesehen. Dioden können zum Überspannungsschutz zwischen den Versorgungssammelelektroden angeordnet werden. Auch diese diskreten Bauelemente können in einer Oberflächenmontagetechnik bereits auf dem Wafer aufgebracht werden, wodurch eventuell unerwünschte Lötvorgänge bei der Montage des Einzelgehäuses eines Halbleiterbauteils vermieden werden.

Der grundlegende Erfindungsgedanke besteht gegenüber dem Stand der Technik, bei dem als Versorgungssammelelektroden plattenförmige Strukturen für Leistungsbauelemente gewählt werden, darin, dass im Innenbereich der Halbleiterchipoberseite Metallringe aus einer Metallfolie oder einer Metallfolie auf einem Träger aufgeklebt oder aufgelötet werden, mit denen die meisten der Versorgungskontaktflächen durch Kontaktieren innerhalb der ringförmigen Versorgungssammelelektroden verbunden werden und an die somit das Versorgungspotential nur durch einige wenige äußere Kontakte des Halbleiterbau teils angelegt werden kann. Damit wird die Zahl und die Dichte der erforderlichen Verbindungen nach außen, d. h. zu Außenkontakten des Halbleiterbauteils, drastisch reduziert, so dass eine Reduktion auch der Außenkontaktzahl auf etwa die Hälfte der bisherigen Außenkontakte möglich wird.

Ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauteils mit einem Halbleiterchip, der Signalkontaktflächen und Versorgungskontaktflächen aufweist, kann mit den nachfolgenden Verfahrensschritten realisiert werden.

Zunächst wird ein Halbleiterchip mit Signalkontaktflächen und Versorgungskontaktflächen auf seiner aktiven Oberseite hergestellt, wobei mindestens die Signalkontaktflächen auf Randbereichen der aktiven Oberseite des Halbleiterchips angeordnet werden. Für einen derartigen Halbleiterchip wird eine Metallfolie zu ringförmigen Versorgungssammelelektroden strukturiert. Diese ringförmigen Versorgungssammelelektroden werden auf dem Halbleiterchip innerhalb der Signalkontaktflächen derart fixiert, dass die Signalkontaktflächen diese Versorgungssammelelektroden außen umgeben.

Anschließend werden die ringförmigen Versorgungssammelelektroden über interne Verbindungselemente mit den Versorgungskontaktflächen auf der Oberseite des Halbleiterchips verbunden. Schließlich können dann die Versorgungssammelelektroden und die Signalkontaktflächen über Verbindungselemente mit externen Außenanschlüssen des Halbleiterbauteils verbunden werden. Nachdem diese Verbindungen realisiert sind, können der Halbleiterchip und die Verbindungselemente in einem Gehäuse zu einem Halbleiterbauteile verbunden werden.

Dieses Halbleiterbauteil hat den Vorteil, dass trotz zunehmender Leitungsdichte bei hohem Integrationsgrad eine niederohmige Versorgung der Funktionselemente mit entsprechend hohen Strömen ohne Abfall des Versorgungspotentials gewährleistet werden kann. Ferner hat das Verfahren den Vorteil, dass für eine Mehrzahl von Halbleiterbauteilen die Verfahrensschritte auf einem Halbleiterwafer durchgeführt werden können, so dass dieses Verfahren zu preiswerten Halbleiterbauteilen führt. So kann z. B. die Metallfolie für die Versorgungssammelelektroden derart strukturiert sein, dass sie auf einen Halbleiterwafer unmittelbar aufgelötet oder aufgeklebt werden kann, nachdem die einzelnen integrierten Schaltungselemente auf dem Halbleiterwafer hergestellt sind.

Somit wird in einer bevorzugten Ausführungsform das Aufbringen und Fixieren der Versorgung auf dem Halbleiterchip innerhalb der Signalkontaktflächen auf einem Halbleiterwafer für mehrere Halbleiterbauteile gleichzeitig durchgeführt, indem eine entsprechend strukturierte einseitig klebende Metallfolie auf den Halbleiterwafer geklebt wird.

In einer weiteren Durchführungsform des Verfahrens werden die Versorgungssammelelektroden benachbart zueinander angeordnet und ringförmig ineinander liegend auf die Oberseite des Halbleiterchips aufgebracht. Alternativ können auch die Versorgungssammelelektroden übereinander gestapelt auf der Oberseite angeordnet werden, wobei eine Isolationsschicht zwischen den Versorgungssammelelektroden angeordnet wird. Darüber hinaus ist es möglich, die bekannten Verfahren zur Strukturierung und Metallisierung von Halbleiterwafern einzusetzen, um gleichzeitig für eine große Anzahl von Halbleiterbauteilen die Versorgungskontaktflächen des Halbleiterchips mit den Versorgungssammelelektroden gleichzeitig für mehrere Halblei terchips auf dem Halbleiterwafer über interne Leiterbahnen auf der Oberseite des Halbleiterwafers elektrisch miteinander zu verbinden.

Schließlich ist es auch möglich, Bonddrahtverbindungen von den Versorgungskontaktflächen zu den Versorgungssammelelektroden intern auf der Oberseite des Halbleiterchips anzuordnen, die damit eine verkürzte Bonddrahtlänge aufweisen und somit für hochfrequente Anwendungen geeignet sind, da ein Übersprechen eliminiert wird und ebenfalls induktive Kopplungen vermieden werden.

Eine weitere bevorzugte Durchführung des Verfahrens sieht vor, dass die Versorgungskontaktflächen des Halbleiterchips mit den Versorgungssammelelektroden über Bondfahnen, welche während der Strukturierung der Metallfolie bereits hergestellt werden, miteinander intern elektrisch verbunden werden. Zum Betreiben des Halbleiterchips werden an wenigen Außenanschlüssen des Halbleiterbauteils für die Versorgungssammelelektroden ein Massepotential bzw. Versorgungspotentiale angelegt.

Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Figuren näher erläutert.
1 zeigt eine schematische Draufsicht auf ein Halbleiterbauteil einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
2 zeigt eine schematische Draufsicht auf ein Halbleiterbauteil einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
3 zeigt einen schematischen Querschnitt durch das Halbleiterbauteil gemäß 2;
4 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Halbleiterbauteil einer dritten Ausführungsform der Erfindung.
1 zeigt eine schematische Draufsicht auf ein Halbleiterbauteil 1 einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Dieses Halbleiterbauteil 1 weist ein Verdrahtungssubstrat 27 auf mit einer Oberseite 28, deren flächige Erstreckung größer ist als die flächige Erstreckung eines Halbleiterchips 4. In 1 ist die aktive Oberseite 11 des Halbleiterchips 4 abgebildet, wobei eine Kunststoffgehäusemasse, in die sowohl der Halbleiterchip 4 als auch das Verdrahtungssubstrat 27 eingebettet sind, weggelassen wurde, um die Erfindung besser zu verdeutlichen.
In den Randbereichen 7, 8, 9 und 10 der Oberseite 11 des Halbleiterchips 4 sind abwechselnd Signalkontaktflächen 5 und Versorgungskontaktflächen 6 angeordnet. Bei herkömmlichen Halbleiterbauteilen werden diese in den Randbereichen 7, 8, 9 und 10 angeordneten Signalkontaktflächen 5 und Versorgungskontaktflächen 6 mit entsprechenden Kontaktanschlussflächen 29 auf der Oberseite 28 des Verdrahtungssubstrats 27 über Verbindungselemente 12 elektrisch verbunden.
In dieser Ausführungsform der Erfindung sind diese Verbindungselemente 12 Bonddrähte 30 und 31, deren Anzahl jedoch nicht der Anzahl der Signalkontaktflächen 5 und der Versorgungskontaktflächen 6 auf den Randbereichen 7, 8, 9 und 10 entspricht. Vielmehr werden mit den Bonddrähten 30 lediglich Signalkontaktflächen 5 auf der Oberseite 11 des Halbleiter chips 4 elektrisch verbunden. Diese Bonddrähte 30 können aus dünnen Golddrähten von 15 bis 50 μm Dicke aufgebaut sein da über diese Bonddrähte 30 lediglich elektrische Signale von und zu dem Halbleiterchip 4 geführt werden, können.
Anstelle einer Vielzahl von ähnlich dünnen Bonddrähten 30 zwischen Kontaktanschlussflächen 29 auf der Oberseite 28 des Verdrahtungssubstrats 27 und den Versorgungskontaktflächen 6 auf der aktiven Oberseite 11 des Halbleiterchips 4 sind lediglich vier dicke Bonddrähte 31 zu dem Verdrahtungssubstrat 27 geführt. Diese dicken Bonddrähte 31 sind aus Aluminium und weisen einen Durchmesser zwischen 50 und 600 μm auf. Diese dicken Bonddrähte 31 bilden Verbindungselemente 12 zwischen entsprechenden Versorgungskontaktanschlussflächen 32 des Verdrahtungssubstrats 27 und Versorgungskontaktanschlussflächen 33 in Randbereichen 7, 8, 9 und 10 des Halbleiterchips 4.
Diese Versorgungskontaktanschlussflächen 33 sind massiver oder großflächiger ausgeführt als die übrigen Versorgungskontaktflächen 6 auf der Oberseite 11 des Halbleiterchips 4. Diese massiveren Versorgungskontaktanschlussflächen 33 stehen in Verbindung mit ringförmigen Versorgungssammelelektroden 14 oder 15, an die über die Bonddrähte 31 und die Versorgungskontaktanschlussflächen 33 ein Massepotential bzw. ein Versorgungspotential gelegt werden können. Die ringförmigen Versorgungssammelelektroden 14 oder 15 auf der Oberseite 11 des Halbleiterchips 4 sind über relativ kurze Bonddrahtverbindungen 20, die teilweise in dieser Ausführungsform der Erfindung in Randbereichen 7, 8, 9 und 10 der Oberseite 11 des Halbleiterchips 4 angeordnet sind, elektrisch in Verbindung.
Derart kurze Bonddrahtverbindungen 20 haben den Vorteil einer verringerten Induktionsschleife und liefern deshalb bei hochfrequenten Kommunikationsbauteilen ein vermindertes Übersprechen. Außerdem konnte mit Hilfe dieser Konstruktion der ersten Ausführungsform der Erfindung die Anzahl der nach außen geführten Bonddrahtverbindungen 30, 31 erheblich reduziert werden. Dafür befinden sich auf der aktiven Oberseite 11 des Halbleiterchips 4 entsprechende interne Verbindungselemente 16 aus den verkürzten Bonddrähten 20. Während die innere ringförmige Versorgungssammelelektrode 15 einen geschlossenen Ring aufweist, bildet die äußere Versorgungssammelelektrode 14 einen offenen Ring mit einer Durchgangsöffnung 23, durch den eine streifenförmige Zuleitung 24 zu der inneren Versorgungssammelelektrode 15 geführt wird. Diese streifenförmige Zuleitung 24 geht dann in eine Versorgungskontaktfläche 33 über, die über einen dicken Bonddraht 31 mit einem in dieser Darstellungsform der Erfindung nicht gezeigten Außenkontakt über die Versorgungskontaktanschlussfläche 32 verbunden ist.
Mit dieser Draufsicht auf eine erste Ausführungsform der Erfindung wird deutlich, wie stark die Anzahl der nach außen geführten elektrischen Verbindungen von der aktiven Oberseite 11 des Halbleiterchips 4 zu entsprechenden Außenkontakten des Halbleiterbauteils 1 verringert werden kann. Weitere Vorteile eines derartigen Halbleiterbauteils 1 sowie vorteilhafte Methoden zur Herstellung eines derartigen Halbleiterbauteils 1 wurden bereits oben beschrieben und werden an dieser Stelle nicht erneut erörtert.
2 zeigt eine schematische Draufsicht auf ein Halbleiterbauteil 2 einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Komponenten mit gleichen Funktionen wie in 1 werden mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und nicht extra erörtert.
In dieser zweiten Ausführungsform der Erfindung sind lediglich die Verbindungselemente 12 zu Kontaktanschlussflächen 29 auf der Oberseite 28 des Verdrahtungssubstrats 27 aus Bonddrähten 30 hergestellt, während die internen Verbindungen im Wesentlichen durch Bondfahnen 22 realisiert werden. Nur in den Fällen, in denen auf der Oberseite 11 des Halbleiterchips 4 die Versorgungssammelelektroden 14 oder 15 zu überbrücken sind, werden Bonddrähte 35 als interne Verbindungselemente 16 eingesetzt. Anstelle von Bondfahnen 22 können die Verbindungen zwischen Versorgungskontaktflächen 6 und den Versorgungssammelelektroden 14 bzw. 15 auch durch Leiterbahnen 21 dargestellt werden.
Der Unterschied zwischen Bondfahnen 22 und Leiterbahnen 21 besteht darin, dass Bondfahnen zusammen mit der Strukturierung von Metallfolien für die Versorgungssammelelektroden 14 oder 15 beispielsweise durch selektive Ätzen oder durch Stanzen hergestellt, während Leiterbahnen 21 im Rahmen der Herstellung von Halbleiterwafern aufgebracht werden können, bevor die entsprechend ringförmig geformten Versorgungssammelelektroden 14 oder 15 auf diese Leiterbahnen 21 mit einem Leitkleber oder mit einer Lotverbindung aufgebracht werden. Ein weiterer Unterschied dieser zweiten Ausführungsform der Erfindung besteht darin, dass Versorgungskontaktflächen 6 nicht nur in den Randbereichen 7, 8, 9 und 10 zwischen den Signalkontaktflächen 5 angeordnet sind, sondern dass weitere Versorgungskontaktflächen einerseits zwischen den beiden Versorgungssammelelektroden 14, 15 angeordnet sind und teilweise auch innerhalb der inneren Versorgungssammelelektrode 15 positioniert sind.
Ein weiterer Unterschied zu der ersten Ausführungsform der Erfindung gemäß 1 besteht darin, dass in dieser zweiten Ausführungsform der Erfindung zwischen den Versorgungssammelelektroden 14 und 15 diskrete, oberflächenmontierbare Bauteile angeordnet sind, wobei eines der Bauteile ein Kondensator 19 ist, der gegen Spannungseinbrüche zwischen den Versorgungssammelelektroden angeordnet ist oder auch kurze Notversorgungen der integrierten Schaltung sicherstellen kann. Des Weiteren ist als diskretes Bauteil eine Überspannungsdiode 18 zwischen den beiden Versorgungssammelelektroden 14, 15 angeordnet, welche die Schaltung vor Überspannung schützt. Mit dieser zweiten Ausführungsform der Erfindung wird gezeigt, dass durch die ringförmigen Versorgungssammelelektroden 14, 15 eine weitgefächerte Möglichkeit besteht, die Oberseite 11 des Halbleiterchips 4 optimal zu nutzen.
3 zeigt einen schematischen Querschnitt durch das Halbleiterbauteil 2 gemäß 2. Dieser Querschnitt zeigt lediglich einen Ausschnitt aus einem Randbereich des Halbleiterbauteils 2 mit einem Halbleitergehäuse 25, in dem der Halbleiterchip 4 mit den Versorgungssammelelektroden 14 und 15 sowie mit den internen Verbindungselementen 16 und den externen Verbindungselementen 12 eingebettet ist. Die internen Verbindungselemente 16 sind lediglich auf der Oberseite 11 des Halbleiterchips 4 angeordnet, während das externe Verbindungselement 12 von der Oberseite 11 des Halbleiterchips 4 zu entsprechenden Kontaktanschlussflächen 29 und über entsprechende Durchkontakte 34 zu Versorgungsaußenkontakten 26 führt. Während die internen Verbindungselemente 16 dünne Bonddrähte aufweisen können, da nur jeweils eine Versorgungskontaktfläche 6 über diese internen Verbindungselemente 16 versorgt wird, ist das Verbindungselement 12 zu dem Verdrahtungssubstrat 27 dicker ausgeführt, da über dieses Verbin dungselement 12 die gesamte Stromversorgung der Versorgungssammelelektroden 14 bzw. 15 geführt wird.
4 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Halbleiterbauteil 3 einer dritten Ausführungsform der Erfindung. Komponente mit gleichen Funktionen wie in 1 werden mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und nicht extra erörtert.
In dieser dritten Ausführungsform der Erfindung sind die beiden Versorgungssammelelektroden 14 und 15 in einem Stapel übereinander angeordnet und durch eine Isolationsschicht 17 elektrisch voneinander isoliert. Die flächige Erstreckung der unteren Versorgungssammelelektrode 14 ist größer als die flächige Erstreckung der oberen Versorgungssammelelektrode 15, so dass interne Verbindungselemente 16 sowohl zu der unteren Versorgungssammelelektrode 14 als auch zur oberen Versorgungssammelelektrode 15 geführt werden können, ohne dass Kurzschlüsse entstehen. Außerdem können somit Verbindungselemente 12 zu dem Verdrahtungssubstrat 27 geführt werden, die dickere Bonddrähte 31 als die internen Verbindungselemente 16 mit ihren Bonddrähten 20 aufweisen. Während die Versorgungssammelelektroden 14 und 15 über die externen Versorgungsaußenanschlüsse 26 mit entsprechenden Potentialen und Strom versorgt werden, stehen die Signalkontaktflächen 5 mit den externen Signalaußenanschlüssen 13 auf der Unterseite 36 des Halbleiterbauteils 3 elektrisch in Verbindung.

1: Halbleiterbauteil (1. Ausführungsform)
2: Halbleiterbauteil (2. Ausführungsform)
3: Halbleiterbauteil (3. Ausführungsform)
4: Halbleiterchip
5: Signalkontaktfläche
6: Versorgungskontaktfläche
7: Randbereich des Halbleiterchips
8: Randbereich
9: Randbereich
10: Randbereich
11: aktive Oberseite des Halbleiterchips
12: Verbindungselement zum Substrat
13: externe Signalaußenanschlüsse
14: Versorgungssammelelektrode
15: Versorgungssammelelektrode
16: interne Verbindungselemente
17: Isolationsschicht zwischen gestapelten
: Verbindungselektroden diskretes Bauelement bzw. Diode
19: diskretes Bauelement bzw. Kondensator
20: Bonddrahtverbindung
21: Leiterbahn
22: Bondfahnen
23: Durchgangsöffnung durch einen Ring
24: streifenförmige Zuleitung zu innerem Ring
25: Gehäuse
26: externe Versorgungsaußenanschlüsse
27: Verdrahtungssubstrat
28: Oberseite des Verdrahtungssubstrats
29: Kontaktanschlussfläche
30: Bonddraht
31: Bonddraht
32: Versorgungskontaktanschlussfläche
33: Versorgungskontaktanschlussfläche
34: Durchkontakt
35: Bonddraht
36: Unterseite

Claims

Halbleiterbauteil mit einem Halbleiterchip (4), der Signalkontaktflächen (5) und Versorgungskontaktflächen (6) aufweist, wobei mindestens die Signalkontaktflächen (5) auf Randbereichen (7, 8, 9, 10) einer aktiven Oberseite (11) des Halbleiterchips (4) angeordnet sind und elektrisch über Verbindungselemente (12) mit externen Signalaußenanschlüssen (13) des Halbleiterbauteils (1) in Verbindung stehen, und wobei die Oberseite (11) mindestens zwei Versorgungssammelelektroden (14, 15) aus ringförmig strukturierten Metallfolien aufweist, die innerhalb der Signalkontaktflächen (5) angeordnet und elektrisch isoliert auf der Oberseite (11) fixiert sind und elektrisch über Verbindungselemente (12) mit externen Versorgungsaußenanschlüssen (26) des Halbleiterbauteils in Verbindung stehen, wobei die Versorgungskontaktflächen (6) des Halbleiterchips (4) mit den Versorgungssammelelektroden (14, 15) über interne Verbindungselemente (16) auf der Oberseite (11) des Halbleiterchips (4) elektrisch in Verbindung stehen.
Halbleiterbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Versorgungssammelelektroden (14, 15) übereinander gestapelt auf der Oberseite (11) angeordnet sind, wobei eine Isolationsschicht (17) zwischen den Versorgungssammelelektroden (14, 15) angeordnet ist.
Halbleiterbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Versorgungssammelelektroden (14 oder 15) ein Massepotential aufweist und andere Versorgungssammelelektroden (14 oder 15) Versorgungspotentiale aufweisen.
Halbleiterbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Versorgungssammelelektroden (14, 15) benachbart zueinander angeordnet sind und ringförmig ineinander liegen.
Halbleiterbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Versorgungssammelelektroden (14, 15) diskrete Bauelemente (18, 19) angeordnet sind, vorzugsweise Spannungsschutzdioden (18), Kondensatoren (19) und/oder Induktionsbauelemente.
Halbleiterbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Versorgungskontaktflächen (6) des Halbleiterchips (4) mit den Versorgungssammelelektroden (14, 15) über Bonddrahtverbindungen (20) auf der Oberseite (11) des Halbleiterchips (4) intern elektrisch in Verbindung stehen.
Halbleiterbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Versorgungskontaktflächen (6) des Halbleiterchips (4) mit den Versorgungssammelelektroden (14, 15) über Leiterbahnen (21) auf der Oberseite (11) des Halbleiterchips (4) elektrisch in Verbindung stehen.
Halbleiterbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Versorgungskontaktflächen (6) des Halbleiterchips (4) mit den Versorgungssammelelektroden (14, 15) über Bondfahnen (22), welche die strukturierte Metallfolie aufweist, intern elektrisch in Verbindung stehen, wobei sich die Bondfahnen (22) von einer der Versorgungssammelelektroden (14 oder 15) zu den Versorgungskontaktflächen (6) erstrecken.
Halbleiterbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Versorgungskontaktflächen (6) auf der Oberseite (11) des Halbleiterchips (4) zwischen den und/oder innerhalb der ringförmigen Versorgungssammelelektroden (14, 15) angeordnet sind.
Halbleiterbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterchip (4) eine äußere ringförmige Versorgungssammelelektrode (14) und eine innere Versorgungssammelelektrode (15) aufweist, wobei die äußere ringförmige Versorgungssammelelektrode (14) einen offenen Ring mit mindestens einer Durchgangsöffnung (23) aufweist, in der eine streifenförmige Zuleitung (24) zu der inneren Versorgungssammelelektrode (15) angeordnet ist.
Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauteils mit einem Halbleiterchip (4), der Signalkontaktflächen (5) und Versorgungskontaktflächen (6) aufweist, wobei das Verfahren folgende Verfahrensschritte aufweist: – Herstellen eines Halbleiterchips (4) mit Signalkontaktflächen (5) und Versorgungskontaktflächen (6) auf seiner aktiven Oberseite (11), wobei die Signalkontaktflächen (5) auf Randbereichen (7, 8, 9, 10) der aktiven Oberseite (11) des Halbleiterchips (4) angeordnet werden; – Strukturieren einer Metallfolie zu ringförmigen Versorgungssammelelektroden (14, 15); – Fixieren der ringförmigen Versorgungssammelelektroden (14, 15) auf dem Halbleiterchip (4) innerhalb der Signalkontaktflächen (5); – Verbinden der ringförmigen Versorgungssammelelektroden (14, 15) über interne Verbindungselemente (15) mit den Versorgungskontaktflächen (6); – Verbinden der Versorgungssammelelektroden (14, 15) und der Signalkontaktflächen (5) über Verbindungselemente (12) mit externen Außenschlüssen (13) des Halbleiterbauteils (1); – Verpacken des Halbleiterchips (4) und der Verbindungselemente (12, 16) in einem Gehäuse (25) zu einem Halbleiterbauteil (1) mit frei zugänglichen Außenanschlüssen (13).
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass Aufbringen und Fixieren der Versorgungssammelelektroden (14, 15) auf dem Halbleiterchip (4) innerhalb der Signalkontaktflächen (5) auf einem Halbleiterwafer für mehrere Halbleiterbauteile (1) gleichzeitig durchgeführt wird, indem eine entsprechend strukturierte einseitig klebende Metallfolie auf den Halbleiterwafer geklebt wird.
Verfahren nach Anspruch 11 oder Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Versorgungssammelelektroden (14, 15) benachbart zueinander angeordnet werden und ringförmig ineinander liegend auf die Oberseite (11) des Halbleiterchips (4) aufgebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Versorgungssammelelektroden (14, 15) übereinander gestapelt auf der Oberseite (11) angeordnet werden, wobei eine Isolationsschicht (17) zwischen den Versorgungssammelelektroden (14, 15) angeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Versorgungskontaktflächen (6) des Halbleiterchips (4) mit den Versorgungssammelelektroden (14, 15) gleichzeitig für mehrere Halbleiterchips (4) auf einem Halbleiterwafer über interne Leiterbahnen (21) auf der Oberseite (11) des Halbleiterwafers elektrisch miteinander verbunden werden.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass Bonddrahtverbindungen (20) von den Versorgungskontaktflächen (6) zu den Versorgungssammelelektroden (14, 15) intern auf der Oberseite (11) des Halbleiterchips (4) gebondet werden.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Versorgungskontaktflächen (6) des Halbleiterchips (4) mit den Versorgungssammelelektroden (14, 15) über Bondfahnen (22), welche während der Strukturierung der Metallfolie hergestellt werden, miteinander intern elektrisch verbunden werden.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Versorgungssammelelektroden (14, 15) diskrete Bauelemente (18, 19), vorzugsweise Spannungsschutzdioden (18), Kondensatoren (19) und/oder Induktionsbauelemente, angeordnet werden.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass an eine der Versorgungssammelelektroden (14) beim Betreiben des Halbleiterbauteils (1) ein Massepotential und an eine andere Versorgungssammelelektrode (15) ein Versorgungspotential angelegt wird.