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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauteils
mit mindestens einem in einer Kunststoffgehäusemasse eingebetteten Halbleiterchip.
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Sogenannte "Embedded-Die"-Technologien, bei
denen ein oder sogar mehrere Halbleiterchips und gegebenenfalls
weitere Komponenten durch Techniken wie Einmolden, Einlaminieren
oder schichtweises Aufbauen des Kunststoffes mit einem Kunststoffgehäuse umgeben
werden, weisen gegenüber
herkömmlichen
Technologien, bei denen der Halbleiterchip über Kontakte wie Lotkugeln
auf ein Substrat aufgebracht und anschließend mit einem Kunststoffgehäuse umgeben
wird, zahlreiche Vorteile auf.
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So
erlauben sie beispielsweise kleinere und leichtere Bauteile und
ermöglichen
die feste Verbindung mehrerer Chips in einem einzigen Gehäuse sowie
eine höhere
Dichte elektrischer Verbindungen.
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Zudem
bieten die "Embedded-Die"-Technologien Vorteile
bei der Herstellung. Aus der
DE
10 2005 026 098 ist ein Halbleiterbauteil bekannt, zu dessen
Herstellung Halbleiterchips durch Einmolden in eine Kunststoffmasse
zu einer Verbundplatte oder einem Nutzen verarbeitet werden, wobei
die aktiven Oberseiten der Halbleiterchips mit der Oberseite der Verbundplatte
eine koplanare Fläche
bilden, während
ihre Ränder
und die Rückseite
von der Kunststoffgehäusemasse
bedeckt sind. Auf die koplanare Fläche, die eine ebene Oberfläche für Prozessschritte
wie Photolithographieschritte bietet, kann verhältnismäßig einfach eine Verdrahtungsstruktur
mit durch Die lektrikumsschichten voneinander getrennten Leiterbahnen
aufgebracht werden.
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Dabei
ist es jedoch problematisch, dass Verwölbungen der Verbundplatte,
die durch unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten von Halbleitermaterial
und Kunststoffgehäusemasse
bedingt sind, die Planarität
der Oberfläche
zerstören. Dadurch
kommt es beim Aufbringen der Umverdrahtungsstruktur zu Einbußen bei
der Genauigkeit, mit der Strukturen wie Kontaktflächen und
Leiterbahnen aufgebracht werden können. Es ist somit nur eine
begrenzte Dichte elektrischer Verbindungen möglich.
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Aufgabe
der Erfindung ist es daher, ein Verfahren anzugeben, bei dem Umverdrahtungsstrukturen
mit besonders großer
Genauigkeit aufgebracht werden können.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe mit dem Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Ein
erfindungsgemäßes Verfahren
zur Herstellung eines Halbleiterbauteils weist folgende Schritte
auf: Zunächst
wird ein Trägerwerfer
aus Halbleitermaterial mit einer Oberseite und einer Unterseite
bereitgestellt. Auf die Oberseite des Trägerwerfers wird eine Verdrahtungsstruktur
mit mindestens einer Umverdrahtungslage mit typischerweise metallischen
Leiterbahnen und Kontaktanschlussflächen aufgebracht, wobei in
Zeilen und Spalten angeordnete Halbleiterbauteilpositionen vorgesehen
werden. Die gesamte Verdrahtungsstruktur kann bei Bedarf sofort
im Waferverbund getestet werden. Dadurch können fehlerhafte Bauteilpositionen
in einem sehr frühen
Stadium der Produktion bereits erkannt und gegebenenfalls markiert
und nicht mit einem Halbleiterchip bestückt werden. Nach dem Aufbringen
und gegebenenfalls auch dem Testen der Verdrahtungsstruktur werden
Halbleiterchips auf die mit der Verdrahtungsstruktur versehene Oberseite
des Trägerwafers
in den Halbleiterbauteilpositionen aufgebracht. Es können auch
mehrere Halbleiterchips zur Bildung eines Multichipmoduls oder auch
weitere Komponenten pro Halbleiterbauteilposition vorgesehen werden.
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Nach
dem Aufbringen und Fixieren der Halbleiterchips in den Halbleiterbauteilpositionen
wird eine Kunststoffgehäusemasse
auf die Oberseite des Trägerwafers
aufgebracht unter Einbetten der Halbleiterchips in die Kunststoffgehäusemasse
und unter Ausbilden einer Verbundplatte aus Halbleiterchips und
Kunststoffgehäusemasse.
Nach dem Aushärten der
Kunststoffgehäusemasse
ist diese Verbundplatte stabil und selbsttragend, so dass der Trägerwafer entfernt
werden kann, wobei die Verdrahtungsstruktur auf der Verbundplatte
zurückbleibt.
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Einem
Grundgedanken der Erfindung zufolge ist eine verwölbte Fläche zum
Aufbringen von Verdrahtungsstrukturen mit besonders hoher Dichte,
die eine besonders hohe Genauigkeit erfordern, nicht geeignet. Andererseits
lassen sich aber Verwölbungen
der Verbundplatte nur mit verhältnismäßig großem Aufwand
minimieren und nicht vollständig
unterdrücken.
Daher sollte die Verdrahtungsstruktur nicht direkt auf die Verbundplatte,
sondern zunächst
auf einen Trägerwafer
aufgebracht werden. Ein Trägerwafer
aus Metall wäre
grundsätzlich
denkbar, ist jedoch wegen seiner hohen Herstellungskosten nachteilig. Auch
das erforderliche Entfernen des Trägerwafers müsste bei einem metallischen
Trägerwafer
vollständig
durch Ätzen
durchgeführt
werden und wäre
somit sehr zeit- und kos tenaufwendig. Zudem zeigen viele Klebstoffe,
die zum Beispiel zum Fixieren der Halbleiterchips verwendet werden,
eine nur unzureichende Haftung auf metallischen Oberflächen.
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Mit
einem Trägerwafer
aus Halbleitermaterial lassen sich diese Probleme jedoch lösen, denn
ein solcher Halbleiterwafer müsste
nicht extra als Trägerwafer
hergestellt werden. Vielmehr könnten
als Trägerwafer
Wafer verwendet werden, die Ausschuss aus der Halbleiterchipproduktion
darstellen. Halbleiterwafer lassen sich sehr gut und einfach mit
bewährten
Prozessen strukturieren, was in einer hohen Dichte der erzeugten
Strukturen resultiert. Zudem können
Halbleiterwafer durch Dünnschleifen und/oder Ätzen sehr
einfach, schnell und kostengünstig
entfernt werden, wobei durch die unterschiedliche Ätzbarkeit
von Trägerwafer
und Verdrahtungsstruktur die Gefahr einer versehentlichen Beschädigung der
Verdrahtungsstruktur besonders klein ist. Da der Trägerwafer
aus einem einzigen Material besteht, sind Verwölbungen während des Herstellungsprozesses
vernachlässigbar.
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Die
Halbleiterchips weisen typischerweise eine aktive Oberseite mit
integrierten Schaltungen und Kontaktflächen und eine passive Rückseite
auf. In einer Ausführungsform
des Verfahrens werden die Halbleiterchips in Flip-Chip-Technologie
mit ihrer aktiven Oberseite auf die Kontaktanschlussflächen auf der
Oberseite des Trägerwafers
montiert. Dazu können
die Kontaktanschlussflächen
vor dem Aufbringen der Halbleiterchips galvanisch oder stromlos
verstärkt
beziehungsweise mit Lotkugeln versehen werden.
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In
einer alternativen Ausführungsform
können
die Halbleiterchips auch mit ihren Rückseiten auf die Oberseite
des Trägerwafers
montiert werden. In diesem Fall werden Kontaktflächen auf ihrer aktiven Oberseite über Bonddrähte mit
den Kontaktanschlussflächen
auf dem Trägerwafer
elektrisch verbunden.
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Die
Halbleiterchips können
durch einen Lötprozess
mit der Verdrahtungsstruktur auf dem Trägerwafer verbunden werden.
Alternativ ist es auch möglich,
die Halbleiterchips durch Kleben, Legieren oder Thermokompressionsschweißen mit
der Verdrahtungsstruktur auf dem Trägerwafer zu verbinden.
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Die
Kunststoffgehäusemasse
bettet die Halbleiterchips so ein, dass diese, gegebenenfalls bis
auf die mit der Verdrahtungsstruktur verbundene Seite, vollständig von
der Kunststoffgehäusemasse umschlossen
sind. Dazu kann die Kunststoffgehäusemasse durch Kompressionsmolden
oder auch durch Spin-on-Verfahren
oder Strahldruckverfahren auf die Halbleiterchips und auf den Trägerwafer
aufgetragen werden.
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Ist
die Kunststoffgehäusemasse
ausgehärtet,
bildet sie zusammen mit den Halbleiterchips eine selbsttragende
Verbundplatte aus. Nach dem Aufbringen der Kunststoffgehäusemasse
hat sich somit ein Verbundkörper
aus dem Trägerwafer
und der Verbundplatte mit den in die Kunststoffgehäusemasse eingebetteten
Halbleiterchips ausgebildet, wobei auf der mit der Verdrahtungsstruktur
versehenen Oberseite des Trägerwafers
die Verbundplatte so angeordnet ist, dass in den Halbleiterbauteilpositionen
die in die Kunststoffgehäusemasse
eingebetteten Halbleiterchips aufgebracht sind.
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Der
Trägerwafer
kann nach dem Aushärten der
Kunststoffgehäusemasse
beispielsweise durch Dünnschleifen
oder Ätzen
oder durch eine Kombination von beidem entfernt werden. Dies ist
besonders einfach, weil sich das Halbleitermaterial des Trägerwafers
mit Standardprozessen verhältnismäßig leicht bear beiten
lässt.
Zurück
bleibt die Verbundplatte, deren vormals dem Trägerwafer zugewandte Seite eine koplanare
Fläche
aus Oberflächen
der in den Halbleiterbauteilpositionen angeordneten Halbleiterchips, aus
Kunststoffgehäusemasse
und aus der Verdrahtungsstruktur mit Leiterbahnen, Kontaktanschlussflächen und
gegebenenfalls einem Dielektrikum ist. Bei dem Entfernen des Trägerwafers
wird also die Metallisierung, mit der nun der Halbleiterchip versehen
ist, freigelegt. Kontaktanschlussflächen dieser Metallisierung
können
entweder direkt als Außenkontakte verwendet
werden, wenn es sich bei den Halbleiterbauteilen um solche mit sogenannten
Leadlessgehäusen
handelt. Die freigelegten Kontaktanschlussflächen können jedoch auch galvanisch
oder stromlos verstärkt
bzw. mit Lotkugeln versehen werden.
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Typischerweise
wird die Verbundplatte nach dem Entfernen des Trägerwafers beispielsweise in einem
Sägeprozess
in Halbleiterbauteile vereinzelt. Es ist jedoch auch möglich, beispielsweise,
wenn die einzelnen Halbleiterbauteile für eine weitere Verarbeitung
oder für
einen Transport eine zusätzliche Stabilität aufweisen
sollen, die Verbundplatte vor dem Entfernen des Trägerwafers
in Halbleiterbauteile zu vereinzeln.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
hat den Vorteil, dass seine einzelnen Schritte sehr einfach und
auf Waferebene in Frontendprozessen durchführbar und daher sehr kostengünstig sind.
Durch die Verwendung des Trägerwafers
aus Halbleitermaterial mit höchstens
minimalen Verwölbungen
ermöglicht das
Verfahren eine sehr hohe Genauigkeit bei den zum Aufbringen der
Umverdrahtungsstruktur erforderlichen Prozessen, die praktisch nur
durch die Ablagegenauigkeit der Halbleiterchips beim Bestücken begrenzt
ist. Dadurch lassen sich mit dem erfindungs gemäßen Verfahren zum einen sehr
hohe Bauteildichten auf einem einzigen Halbleiterwafer erreichen,
zum anderen lassen sich bei verhältnismäßig geringem
Aufwand Halbleiterbauteile mit einer besonders hohen Dichte an metallischen
Strukturen wie beispielsweise Anschlüssen herstellen.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden im folgenden anhand der beigefügten Figuren
näher erläutert.
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1 zeigt verschiedene Schritte einer ersten
Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
und
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2 zeigt verschiedene Schritte einer zweiten
Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Gleiche
Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1A zeigt
einen ersten Schritt in einem Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauteils. Der
Trägerwafer 1 aus
Halbleitermaterial weist eine Rückseite 3 und
eine Oberseite 4 auf. Auf die Oberseite 4 des
Trägerwafers 1 wird
in diesem Schritt eine Verdrahtungsstruktur 5 mit Kontaktanschlussflächen, in
diesem Fall Bondpads, aufgebracht. Dabei werden Halbleiterbauteilpositionen 2 in
Zeilen und Spalten auf dem Trägerwafer 1 vorgesehen.
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Die
Verdrahtungsstruktur 5 wird durch übliche Prozesse wie Photolithographie
und Abscheiden von Metallen hergestellt. Die Verdrahtungsstruktur 5 kann
beispielsweise Kontaktanschlussflächen und Leiterbahnen du auch
mehrere Verdrahtungslagen aufweisen. In der Figur sind der Übersichtlichkeit
halber lediglich die Kontaktanschlussflächen schematisch ange deutet.
Da der Trägerwafer 1 im
Prinzip aus einem einzigen Material, nämlich Halbleitermaterial, besteht
und keinen Verbund aus Materialien mit unterschiedlichen thermischen
Ausdehnungskoeffizienten darstellt, verwölbt er sich bei während verschiedener
Prozessschritte auftretenden Temperaturschwankungen nur vernachlässigbar.
Auf seine Oberseite 4 kann daher mit besonders großer Genauigkeit
und daher auch mit besonders hoher Dichte die Verdrahtungsstruktur 5 aufgebracht
werden.
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In 1B ist
dargestellt, wie die Halbleiterchips 6 in den Halbleiterbauteilpositionen 2 angeordnet
werden. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel werden
die Halbleiterchips 6 mit ihren passiven Rückseiten 8 auf
dem Trägerwafer 1 bzw.
auf der Verdrahtungsstruktur 5 fixiert. Auf ihren aktiven
Oberseiten 7 weisen sie nicht dargestellte Kontaktflächen auf.
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Diese
Kontaktflächen
werden, wie in 1C gezeigt, über Verbindungselemente 9,
in diesem Fall Bonddrähte 13,
mit den entsprechenden Kontaktanschlussflächen der Verdrahtungsstruktur 5 elektrisch verbunden.
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1D zeigt
einen nächsten
Schritt des Verfahrens, bei dem die Halbleiterchips 6 mit
einer Kunststoffgehäusemasse 10 umgeben
werden. Dabei werden die Randseiten 15 und die aktiven
Oberseiten 7 der Halbleiterchips 6 in die Kunststoffgehäusemasse 10 vollständig eingebettet.
Es bildet sich eine Verbundplatte 16 aus der Kunststoffgehäusemasse 10,
den Halbleiterchips 6 sowie der Verdrahtungsstruktur 5 aus,
die mit ihrer Unterseite 11 auf der Oberseite 4 des
Trägerwafers 1 aufliegt.
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Nach
dem Aushärten
der Kunststoffgehäusemasse 10 ist
diese Verbundplatte 16 selbsttragend und so stabil, dass
der Trä gerwafer 1 entfernt
werden kann. Dies geschieht zum Beispiel dadurch, dass der Trägerwafer 1 von
seiner Rückseite 3 aus
abgeschliffen und/oder geätzt
wird. Die Verbundplatte 16 nach dem Entfernen des Trägerwafers 1 ist
in 1E dargestellt. Sie kann nun beispielsweise durch
Sägen in einzelne
Halbleiterbauteile 12 gemäß 1F vereinzelt
werden. Ein solches Halbleiterbauteil weist auf seiner nun zugänglichen
Unterseite 11 Kontaktanschlussflächen der Verdrahtungsstruktur 5 auf,
die gegebenenfalls noch galvanisch oder stromlos zu Außenkontakten
verstärkt
werden können.
Dieser Schritt ist jedoch nicht mehr dargestellt.
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Eine
zweite Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist in 2 dargestellt. Gemäß 2A wird
dabei ebenfalls eine Verdrahtungsstruktur 5 auf einen Trägerwafer 1 aus
Halbleitermaterial aufgebracht.
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Bei
dieser Ausführungsform
werden jedoch, wie in 2B gezeigt, die Halbleiterchips 6 in Flip-Chip-Technologie
in in Zeilen und Spalten angeordneten Halbleiterbauteilpositionen 2 auf
die Verdrahtungsstruktur 5 aufgebracht. Dazu weisen die Halbleiterchips 6 auf
ihren aktiven Oberseiten 7 Verbindungselemente 9 in
Form von Lotkugeln 14 auf, über die sie mit Kontaktanschlussflächen der
Verdrahtungsstruktur 5 elektrisch verbunden werden. Bei
dieser Ausführungsform
ist also die aktive Oberseite 7 der Halbleiterchips 6 dem
Trägerwafer 1 zugewandt.
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Wie
in 2C dargestellt wird anschließend eine Kunststoffgehäusemasse 10 aufgebracht,
die die Halbleiterchips 6 bei dieser Anordnung vollständig einbettet.
Die sich ausbildende Verbundplatte 16 liegt mit ihrer Unterseite 11 auf
der Oberseite 4 des Trägerwafers 1 auf.
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Wird
der Trägerwafer 1 anschließend entfernt,
wie in 2D gezeigt, so liegen an der
Unterseite 11 der Verbundplatte Außenkontaktflächen der Verdrahtungsstruktur
frei, die Außenkontakte
bilden oder vor oder nach dem Vereinzeln in Halbleiterbauteile zu
Außenkontakten
verstärkt
werden können. Ein
aus der Verbundplatte 16 vereinzeltes Halbleiterbauteil 12 ist
in 2E gezeigt.
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- 1
- Trägerwafer
- 2
- Halbleiterchipposition
- 3
- Rückseite
des Trägerwafers
- 4
- Oberseite
des Trägerwafers
- 5
- Verdrahtungsstruktur
- 6
- Halbleiterchips
- 7
- aktive
Oberseite
- 8
- Rückseite
- 9
- Verbindungselement
- 10
- Kunststoffgehäusemasse
- 11
- Unterseite
- 12
- Halbleiterbauteil
- 13
- Bonddraht
- 14
- Lotkugeln
- 15
- Randseiten
- 16
- Verbundplatte