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Die
Erfindung betrifft eine Zwischenverbindung für Flip-Chip in Package Aufbauten
mit einem Chip und Kontakten (Pads) und einem Dielektrikum auf seiner
aktiven Seite sowie einem Substrat, auf dem der Nacktchip in Flip-Chip
Technologie montiert und mit Kontaktpads des Substrates mittels
Verbindungselementen elektrisch verbunden ist, wobei die Kontaktpads
des Substrates über
eine Verdrahtung mit Ballpads auf der der Chipmontageseite gegenüberliegenden
Seite des Substrates verbunden sind und bei dem auf den Ballpads
Lötbälle montiert
sind.
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Bei
derartigen Flip-Chip in Package (FCIP) Aufbauten werden die elektrischen
Verbindungen zwischen den Kontakten auf dem Chip und den Kontaktpads
auf dem Substrat durch Verbindungselemente in Form von Lotbumps
aus einer Metalllegierung (z. B. SnPb) durch Löten hergestellt. Diese recht starren
Verbindungselemente gewährleisten
allerdings keine ausreichende mechanische Verbindung zwischen Chip
und Substrat. Aus diesem Grund muss der Spalt zwischen Chip und
Substrat zusätzlich
mit einem Kleber (Underfiller/Unterfüllmaterial) ausgefüllt werden,
damit eine gute mechanische Verbindung und eine ausreichende Zuverlässigkeit
beim Temperaturwechseltest (TC –55/+125 °C) gewährleistet
wird.
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Wird
der Spalt zwischen Chip und Substrat nicht unterfüllt, kommt
es aufgrund der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten
(CTE) zwischen Chip und Substrat zu derart hohen thermomechanischen
Spannungen in den Lotbumps, dass die starre Lotverbindung bricht.
Das kann durch den Underfiller vermieden werden, der in der Regel
einen hohen Elastizitätsmodul
(E-Modul) aufweist, der typischerweise bei ca. 7–12 Gpa liegen muss, damit
der gesamte Aufbau aus Chip, Verbindungselementen (Lotbumps) und
dem Substrat starr miteinander verbunden sind.
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Diese
feste Verbindung ist insbesondere bei bleifreien Lotbumps z. B.
aus SnAg, SnAgCu usw. notwendig, da diese Lotbumps weniger flexibel
sind, als die herkömmlichen
PbSn Lotbumps. Der E-Modul ist für
SnAg deutlich höher,
als bei PbSn. Weiterhin ist der CTE-Unterschied zwischen Pb-freien
Lotbumps und Underfiller höher
als bei bleihaltigen eutektischen Lotbumps. Der CTE beträgt bei Pb-freien
Lotbumps aus SnAg ~20–22
ppm, bei einem Underfiller –30–40 ppm
und bei einem bleihaltigen Lotbump aus SnPb –24-28 ppm. Das führt auch
zu einem höheren Stress
an der Grenzschicht zwischen Underfiller und low-k Dielektrikum
auf dem Chip. Mit low-k Dielektrikum wird ein dielektrisches Material
bezeichnet, welches eine geringere Dielektrizitätskonstante aufweist als die üblichen
Isolationsschichten (SiO2, Si3N4) die als Zwischenschichten bei
der Chipumverdrahtung eingesetzt werden.
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Bei
Chips mit einem low-k Dielektrikum kommt es bei Underfillern mit
hohem E-Modul häufig zu
Ausfällen
aufgrund von Beschädigungen
(Brüchen,
Delamination) in den low-k intermetallischen Dielektrika. Die low-k
Schichten können
die vom starren Underfiller übertragenen
thermomechanischen Spannungen (auch als Abschäl (peel)-Stress bezeichnet)
nicht aufnehmen und brechen auf. Flip-Chip in Packages Aufbauten,
bestehend aus Pb-freien Verbindungselementen (Lotbumps) und Chips
mit einem low-k Dielektrikum und ggf. Cu-Metallisierung lassen sich
mit den aus dem Stand der Technik bekannten Verbindungstechnologien
nicht zuverlässig
realisieren.
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Eine
Lösung
des Problems ist notwendig, da neben der Verbesserung der elektrischen
Eigenschaften, d. h. der parasitären
Kenngrößen R, L,
C, durch den Austausch von SiO2 oder SiNx, Al2O3 usw. als Dielektrikum
durch low-k Materialien wie Black Diamond und durch den Austausch
von Drahtbonden durch Flip-Chip Verbindungen auch gleichzeitig umweltfreundliche
Fertigungstechnologien gefordert werden, wodurch bleihaltige Lotbumps
(SnPb) durch bleifreie Lotbumps (SnAg, SnAgCu) ersetzt werden müssen.
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Als
Verbindungselemente sind mittlerweile auch elastische Bumps bekannt
geworden, die jedoch nur bis zu einem Pitch von ca. 250 μm einsetzbar
sind. Beispiele für
solche Verbindungselemente gehen aus den Druckschriften
DE 102 41 589 A1 ,
DE 102 58 093 B3 und
DE 103 18 074 A1 hervor.
Bei einem Pitch von beispielsweise 100 μm sind diese Verbindungselemente
wegen der dann notwendigen geringeren Abmessungen und der daraus
resultierenden kleineren Kontaktflächen und damit insgesamt geringeren
Festigkeit der Verbindung nicht geeignet.
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Weiterhin
sind als Ersatz für
Lotbälle
(Solder Balls) vorgefertigte Polymerkugeln mit einer Metallbeschichtung
(Polymer Core Solderballs) bekannt geworden, mit denen Chips auf
Leiterplatten montiert werden können.
Die Handhabung und Montage derartiger beschichteter Polymerkugeln
ist sehr aufwändig
und bei einem Pitch von 100 μm
nicht mehr einsetzbar.
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Die
DE 10 2004 015 597
A1 zeigt eine vollständige
Einbettung eines Chips und der auf diesem befindlichen elastisch
deformierbaren Erhebungen in eine vorzugsweise weiche, elastische
Entkopplungseinrichtung. Damit wird eine Schutzeinrichtung (Umhüllung) geschaffen
in der der Halbleiterchip eingebettet ist.
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In
der
US 6 252 301 B1 wird
eine nachgiebige Halbleiteranordnung beschrieben, bei der zwischen
Chip und Substrat eine nachgiebige Interposerschicht angeordnet
ist. Diese Interposerschicht besteht aus einem thermisch härtbaren
thermoplas tischen Material. Die elektrische Kontaktierung erfolgt hier
durch ein leitfähiges
Polymer.
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Bei
der
US 6 108 210 A wird
die elektrische Verbindung ebenfalls mit einem Leitkleber hergestellt.
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Aus
der
DE 103 45 377
A1 geht ein Halbleitermodul mit einer starren Abdeckeinrichtung
hervor, bei dem der Chip mit elastisch deformierbaren Kontakterhebungen
ausgestattet ist, die mit Kontaktpads einer Trägereinrichtung durch ein Klebemittel
(Leitkleber) verbunden sind. Eine Unterfüllung des Zwischenraumes zwischen
Chip und Trägereinrichtung ist
nicht vorgesehen.
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Eine ähnliche
Anordnung zeigt die
DE
100 16 132 A1 , wobei zusätzlich auf den flexiblen Kontakterhebungen
Lötkugeln
vorgesehen sind.
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Die
JP 05144823 A beschreibt
schließlich
die Herstellung von Bumps in hoher Dichte.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Zwischenverbindung
für Flip-Chip
in Packages zu schaffen, bei dem die Schwierigkeiten des Standes
der Technik zuverlässig
beseitigt werden.
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Die
der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird durch die kennzeichnenden
Merkmale der unabhängigen
Ansprüche
gelöst.
Weitere Ausgestaltungen gehen aus den zugehörigen Unteransprüchen hervor.
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Der
Kern der Erfindung besteht in der Verwendung von flexiblen Erhöhungen (Polymer
Pillar Bump) als Pb-freies Verbin dungselement für die Flip-Chip Verbindung
zwischen Chip und Substrat und einem entsprechend angepassten Underfiller. Der
E-Modul im Underfiller kann verringert werden, wodurch ein Übertragen
der thermomechanischen Spannungen auf die low-k Schicht verhindert
werden kann.
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Die
flexiblen Erhöhungen
mit einem Pitch von ca. 100 μm
in einem Höhenbereich
zwischen 30–120 μm und einem
Durchmesser von 20–80 μm können durch
verschiedene Verfahren, wie Drucken (Schablonendruck oder Jet Printing),
photolithographische Strukturierung, Molden, P & P vorgefertigter Strukturen und
anderweitig geeignete Verfahren hergestellt werden.
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Als
Materialien kommen Polymermaterialien, wie Polyimid, Silikon, SU8
und andere Materialien im E-Modul-Bereich < 1–5
Gpa in Betracht. SU8 ist ein kontrastreicher Photoresist auf Epoxydharzbasis.
Die flexible Erhöhung
(Polymer Pillar Bump) wird anschließend ganz oder teilweise mit
einer Metallschicht z. B. durch Sputtern, Elektroplating oder stromloses
Beschichten oder andere geeignete Verfahren beschichtet. Die Metallisierung
auf der flexiblen Erhöhung
mit einer Dicke um 3–5 μm stellt
dabei die elektrische Verbindung zu mindestens einem Pad des Chips
her.
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Die
Strukturierung der Metallschicht auf der Erhöhung kann dabei z. B. mittels
ED-Lack (elektrophoretischer Photolack) Prozess erfolgen. Wahlweise
kann die Metallschicht auch noch teilweise mit einer weiteren Deckschicht
abgedeckt werden, welche als Lötstoppschicht
fungiert. Diese Deckschicht kann mit nasschemischen Verfahren (Sprühlack, ED-Lack usw.)
oder auch mittels CVD-Verfahren erzeugt werden.
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Die
obere Seite der flexiblen Erhöhung
kann zusätzlich
noch mit einem Lotdepot ausgestattet sein, welches elektrochemisch
(Electroplating) oder durch einen Druckprozess herge stellt werden
kann. Das Lotvolumen hat dabei in der Regel deutlich geringere Ausmaße als das
Volumen der flexiblen Erhöhung.
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Alternativ
können
die flexiblen Erhöhungen auch
aus mit leitfähigen
Partikeln leitfähig
gemachten Polymermaterialien bestehen.
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Bevorzugt
ist die flexible Erhöhung
als konisch zulaufender Kegelstumpf ausgebildet, wodurch die anschließende Metallisierung
und Strukturierung erleichtert wird.
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Weiterhin
werden der E-Modul der flexiblen Erhöhung und des Underfillers so
aufeinander abgestimmt, dass der unterschiedliche CTE zwischen Substrat
und Chip kompensiert wird, ohne dass die übertragene Spannung an der
Grenzschicht zwischen Underfiller und low-k Schicht diese beschädigt und
die flexible Erhöhung
gleichzeitig flexibel genug ist, dass keine Bumperacks (Risse) entstehen.
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Die
Erfindung soll nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.
In den zugehörigen
Zeichnungsfiguren zeigen:
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1:
eine schematische Darstellung eines Chips, das mit erfindungsgemäßen flexiblen
Erhöhungen
(Polymer Pillar Bumps) und einem low-k Dielektrikum ausgestattet
ist, die über
Leitbahnen jeweils mit dem zugehörigen
Pad auf den Chip elektrisch verbunden sind, vor der Flip-Chip Montage;
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2:
das Chip nach 1 nach der Flip-Chip Montage
auf einem FBGA-Substrat, wobei zwischen dem Chip und dem Substrat
ein Underfiller zur Realisierung einer ausreichenden mechanischen Verbindung
eingebracht ist;
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3:
einen Ausschnitt eines Chips mit einer flexiblen Erhöhung, die
mit einer Metallisierung versehen ist;
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4:
die flexible Erhöhung
nach 2, die zusätzlich
mit einem Lotdepot ausgestattet ist;
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5:
eine Draufsicht auf eine voll metallisierte flexible Erhöhung mit
einer sich anschließenden
Leiterbahn auf dem Chip;
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6:
eine Draufsicht auf eine teilmetallisierte flexible Erhöhung mit
einer sich anschließenden
Leiterbahn auf dem Chip; und
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7:
eine schematische Darstellung eines Prozessflusses zur Herstellung
der flexiblen Erhöhungen
und der Endmontage zu einem Flip-Chip in Package Aufbau.
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1 zeigt
zunächst
eine schematische Darstellung eines Chips 1, das mit flexiblen
Erhöhungen 2 (Polymer
Pillar Bumps) und einer Passivierungsschicht 3 ausgestattet
ist. Die flexiblen Erhöhungen
sind bevorzugt kegelstumpfförmig
ausgebildet und besitzen eine Höhe
von 30–120 μm, bei einem
Durchmesser von 20–80 μm. Weiterhin
sind die flexiblen Erhöhungen 2 mit
einer Metallisierung z. B. aus Cu vollständig (5) oder
teilweise (6) versehen. Die Metallisierung 4 ist über Leitbahnen 5 (Umverdrahtung)
jeweils mit dem zugehörigen
Pad 6 auf dem Chip 1 elektrisch verbunden. Die
Cu-Metallisierung kann durch Sputtern einer Seed-Layer (Keimschicht)
und nachfolgendes Elektroplating (galvanisches Beschichten) einer
Cu-Schicht hergestellt werden. Weiterhin ist die aktive Oberfläche des
Chips 1 mit einer Chip-Umverdrahtungslage versehen, welche
mindestens eine Isolationsschicht mit einem low-k Material aufweist.
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3 zeigt
einen Ausschnitt eines Chips mit einer flexiblen Erhöhung 2,
die mit der Metallisierung 4 versehen ist. Zusätzlich ist
eine Lotstoppschicht 7 auf den flexiblen Erhöhungen 2 und
auf dem Chip 1 vorgesehen, welche die obere Fläche der
kegelstumpfförmigen
elastischen Erhöhung 2 ausspart. Zusätzlich kann
auf der flexiblen Erhöhung 2 ein
Lotdepot 8 vorgesehen sein, wie aus 4 ersichtlich ist.
Mit dieser Lötstoppschicht
wird sicher verhindert, dass Lotmaterial aus dem Lotdepot 8 während eines Lötprozesses
von den flexiblen Erhöhungen 2 herabfließen und
gegebenenfalls einen Kurzschluss zu benachbarten Strukturen erzeugen
kann.
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In 2 ist
nun der Chip 1 nach dem Flip-Chip Kontaktieren (Löten, Kleben,
Druckkontaktieren) auf ein Substrat 9 dargestellt. Die
Anordnung der flexiblen Erhöhungen
auf dem Chip 1 in einem Raster entspricht dabei dem Raster
von Kontaktpads/Lotverbindungen 10, die in 2 auf
dem Substrat 10 schematisch angedeutet sind. Weiterhin
sind die Kontaktpads 10 auf der Chipseite des Substrates 9 mit
Kontaktbällen 11 auf
der gegenüberliegenden Seite
zur Montage auf Leiterplatten versehen.
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Um
eine ausreichend feste Verbindung zwischen dem Chip 1 und
dem Substrat 9 zu realisieren, wird der Zwischenraum zwischen
beiden Elementen und zwischen den flexiblen Erhöhungen 2 mit einem Underfiller 12 (Unterfüllmaterial)
ausgefüllt.
Der E-Modul des Underfillers 12 sollte unterhalb von ca. 5
GPa liegen und der E-Modul der flexiblen Erhebung sollte zwischen
1–5 GPa,
typischerweise zwischen 1–2
GPa liegen. Wesentlich für
die Erfindung ist, dass die elastischen Erhebungen 2 eine
im Wesentlichen kegelstumpfförmige
Form aufweisen und dass die E-Module der Fügepartner einschließlich der low-k
Schicht aufeinander abgestimmt sind.
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Der
Prozessfluss zur Herstellung der flexiblen Erhöhungen und der Endmontage zu
einem Flip-Chip in Package Aufbau ist in 7a–d schematisch
dargestellt.
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Zunächst wird
der Chip 1 unter Aussparung der Pads 6 mit einer
Passivierungsschicht 3 passiviert. Auf dieser Passivierungsschicht 3 werden
in einem vorgegebenen Raster dann flexible Erhöhungen 2 (Bumps) beispielsweise
durch photolithographische Strukturierung, Drucken (Schablonendruck, Jet-Printing
oder andere geeignete Verfahren), Molden oder Pick and Place vorgefertigter
Strukturen hergestellt (7a, Erzeugung
der flexiblen Erhöhung).
Für die
flexiblen Erhebungen 2 kommen SU8, Polyimid oder andere
Materialien mit einem E-Modul von < 1–2 GPa in
Betracht.
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Anschließend werden
die flexiblen Erhöhungen 2 zumindest
teilweise metallisiert und über
eine Umverdrahtung mit dem zur jeweiligen flexiblen Erhöhung 2 gehörenden Pad 6 elektrisch
verbunden. Für
die Metallisierung mit einer Schichtdicke von 3–5 μm stehen verschiedene Verfahren
wie Sputtern der Seed Lager, ED-Photoresist Plating (Photolackbeschichtung)
mit anschließender
Photolithographie-Strukturierung und nachfolgendem Electroplating
(galvanisches Beschichten) der Umverdrahtung/Metallisierung zur
Verfügung.
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Danach
wird auf den Chip 1 bzw. zumindest auf die Metallisie-
rung die Lötstoppschicht 7 (Löststopplack)
durch Spay Coating (Sprühbeschichten) oder
Strukturierung mittels Photolithographie mit nachfolgender Aushärtung der
Lötstoppschicht
z. B. in einem Temperprozess aufgebracht. Dabei muss natürlich die
Spitze der flexiblen Erhebung 2 (die obere Fläche des
Kegelstumpfes) von Lötstopplack
frei gehalten werden (7c, Erzeugung der Lötstoppschicht).
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In 7d (Fertigmontage/Package Assembly Process)
ist schließlich
der fertige Flip-Chip in Package Aufbau dargestellt, bei dem die
flexiblen Erhöhungen 2 zunächst mit
einem Flussmittel versehen worden ist und der Chip 1 durch
Flip-Chip Ronden auf dem Substrat gefolgt von einem Reflow-Prozess montiert
worden ist. Danach wurde der Underfiller 12 eingebracht
und somit die notwendige mechanische Verbindung realisiert. Bis
dahin entspricht der Aufbau 2. Zum Schluss
wird dann die Chipseite des Substrates 9 mit einer Moldmasse
umhüllt,
so dass eine Moldkappe 13 entsteht.
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- 1
- Chip
- 2
- flexible
säulen-
oder kegelstumpfförmige
Erhöhung/Polymer
Pillar Bump
- 3
- Passivierungsschicht
- 4
- Metallisierung
- 5
- Leiterbahn
- 6
- Pad
- 7
- Lotstoppschicht
- 8
- Lotdepot
- 9
- Substrat
- 10
- Kontaktpad/Lotverbindung
- 11
- Kontaktball
- 12
- Underfiller/Unterfüllmasse
- 13
- Moldkappe/Vergussmasse