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Die
Erfindung betrifft ein Lötverfahren zum Verbinden eines
Halbleiterchips mit einer Leiterplatte nach dem Oberbegriff des
Anspruchs 1 sowie eine Schaltung nach dem Oberbegriff des Anspruchs
8.
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Aus
dem Stand der Technik ist die so genannte „Flip-Chip”-Kontaktierung
bekannt, wie sie beispielsweise auch in der Druckschrift
EP 1 365 453 A1 beschrieben
ist. Dieses Kontaktierungsverfahren erfordert ein vorgefertigtes,
gespiegelt zur Pad-Anordnung des Halbleiterchips angeordnetes Anschlussraster
auf der entsprechenden Leiterplatte, welche als Systemträger
dient. Die einzelnen, zu kontaktierenden Leiterbahnabschnitte der
Leiterplatte sind regelmäßig bereits mit Lötpaste,
bestehend aus Flussmittel und Lötmetallpulver versehen.
Die Pads des Halbleiterchips werden mit Lötkontakten versehen.
Dazu werden beispielsweise Golddrahtabschnitte aufgebondet. Grundsätzlich
werden derartige Lötkontakte üblicherweise in
der Technik auch mit dem englischen Begriff ”stud bumps” bezeichnet.
Abschließend wird bei der Herstellung des Lötkontaktes dieses
im Bonding-Verfahren aufgebrachte Material mit einer Schicht aus
Lötzinn überzogen. Der so gebildete Lötkontakt
wird in die Lötpaste getaucht und anschließend
durch Erhitzen verlötet. Eine weitere Methode des so genannten
Flip-Chip-Verfahrens besteht darin, ein Ultraschallschweißverfahren
zur Kontaktierung zu nutzen.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein verbessertes Lötverfahren zum
Verbinden eines Halbleiterchips mittels Leiterplatten sowie eine
durch dieses Lötverfahren kontaktierte Schaltung vorzuschlagen.
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Die
Aufgabe wird, ausgehend von einem Lötverfahren bzw. einer
Schaltung der eingangs genannten Art durch die kennzeichnenden Merkmale des
Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 8 gelöst.
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Durch
die in den abhängigen Ansprüchen genannten Maßnahmen
sind vorteilhafte Ausführungen und Weiterbildungen der
Erfindung möglich.
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Dementsprechend
zeichnet sich ein erfindungsgemäßes Lötverfahren
zum Verbinden eines Halbleiterchips mit einer Leiterplatte dadurch
aus, dass als Lötkontakt ausschließlich der Höcker
verwendet wird und dieser aus einem homogenen Metall oder einer
homogenen Metalllegierung besteht. Die Anwendung eines derartigen
Verfahrens erfordert, dass die Padanordnung des Chips dem Anschlussraster
der als Systemträger ausgebildeten Leiterplatte entspricht.
In der Regel soll durch die Kontaktierung eine Schaltung hergestellt
werden. Auf den entsprechenden Halbleiterchips befindet sich regelmäßig
eine integrierte Schaltung. Unter einem ”Pad” versteht
man eine Leiterfläche, die zur Kontaktierung im bzw. am
integrierten Schaltkreis angebracht ist. Derartige Pads werden vielfach
aus Aluminium gefertigt, da dieses nicht ins Halbleitermaterial
wandert.
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Die
elektrisch leitende Verbindung soll dementsprechend zwischen dem
Pad und dem Leiterbahnabschnitt der Leiterplatte hergestellt werden.
Im Allgemeinen wird eine Leiterplatte so gefertigt, dass die entsprechenden
zu kontaktierenden Leiterbahnabschnitte so angeordnet sind, dass
ein direktes Bestücken mit Halbleiterchips möglich
ist und die Pads dabei direkt über den entsprechenden Leiterbahnabschnitten
liegen.
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In
einem ersten Verfahrensschritt wird dabei Lötpaste auf
wenigstens einen der Leiterbahnabschnitte aufgebracht. Die Lötpaste
muss jeweils auf solche Leiterbahnabschnitte aufgebracht werden, welche
an diesen Stellen mit Pads verbunden werden sollen.
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In
vielen Fällen eignen sich die Pads, insbesondere dann,
wenn diese aus Aluminium gefertigt sind, nicht dazu, auf direkte
Weise angelötet zu werden. Aus diesem Grunde werden so
genannte „Bonds” auf die Pads aufgebracht. Bei
einem Bonding-Prozess handelt es sich um ein Einzeldrahtkontaktierungsverfahren,
wie beispielsweise das Thermokompressionsverfahren, das Ultraschall-
oder Wedge-Bonden und das Thermosonicverfahren. Die einzelnen Bonds,
also die Materialabschnitte, die auf dem Pad durch Bonden angebracht
wurden, werden im Sinne der Erfindung auch als Höcker bezeichnet.
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Ferner
wird die Leiterplatte mit den entsprechenden Halbleiterchips entsprechend
bestückt. Dabei tauchen die Lötkontakte in die
Lötpaste, welche auf den entsprechenden Leiterbahnabschnitten
aufgebracht ist, ein.
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Die
Kontaktierung selbst endet mit einem Heizprozess, bei dem eine elektrisch
leitende Verbindung zwischen dem Leiterbahnabschnitt und dem Pad
hergestellt wird.
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Bei
einem erfindungsgemäßen Lötverfahren wird
als Lötkontakt ausschließlich der Höcker
verwendet, wobei dieser aus einem homogenen Metall oder einer homogenen
Metalllegierung besteht. Dies bedeutet, dass lediglich einzelne
Materialabschnitte auf die Pads gebondet werden und dieser Höcker gleichzeitig
den Lötkontakt bildet. Eine zusätzliche Beschichtung
oder Ähnliches ist nicht vorgesehen. Vorteilhaft ist an
dem erfindungsgemäßen Lötverfahren, dass
die entsprechenden Halbleiterschaltungen wesentlich billiger gefertigt
werden können. Muss der aufgebondete Höcker noch
beispielsweise mit einer Schicht aus Lötzinn überzogen
werden, so ist dies ein zusätzliches Verfahren, bei dem
erhöhte Kosten entstehen können. Dennoch ist es
möglich, dieses Lötverfahren beispielsweise auch
mit gängiger Flip-Chip-Technik zusammen einzusetzen. Wird
eine entsprechende Halbleiterplatte mit Halbleiterchips verschiedener
Hersteller bestückt, so spielt es keine Rolle, ob ein Lötkontakt
im Sinne des erfindungsgemäßen Lötverfahrens
auf dem Halbleiterchip vorgesehen ist oder ob der Lötkontakt
einen entsprechenden Lötzinnüberzug über
einem der Höcker aufweist.
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Vorzugsweise
werden bei dem Verfahren vergleichsweise große Höcker
aufgebondet. Kommt beim Erhitzen Lötpaste direkt mit dem
Aluminiumpad in Kontakt, so besteht die Gefahr, dass hier keine
stabile elektrisch leitende Verbindung entsteht. Dieses Risiko besteht
insbesondere auch bei gängiger Flip-Chip-Kontaktierung
gemäß dem Stand der Technik, da, sobald das Lötzinn,
welches als Schicht den aufgebondeten Höcker umgibt, aufgeschmolzen
ist, auch beim Lötvorgang der aufgebondete Höcker
abgetragen werden kann. Dieses Risiko kann zumindest verringert
werden bzw. ganz entfallen, wenn der Höcker ausreichend
groß ausgebildet ist. Insgesamt umfasst der Lötkontakt
beim erfindungsgemäßen Lötverfahren nicht
mehrere verschiedene Schichten, sondern besteht nur aus dem homogenen,
aufgebondeten Metall bzw. der entsprechenden Metalllegierung.
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Wie
bereits oben erwähnt, werden die genannten Kontaktierungsverfahren
im Allgemeinen bei einer so genannten „Face-down”-Kontaktierung
eingesetzt. Dies bedeutet, dass beim Bestückungsvorgang
der Halbleiterchip ohne weiteres Gehäuse mit der Schaltungsseite
zur Leiterplatte hin aufgebracht wird. Der Halbleiterchip selbst
weist dabei wenigstens ein Pad auf der Schaltungsseite auf. Besonders vorteilhaft
ist hieran, dass diese Montage die kürzeste Verbindung
zwischen den Chip-Anschlüssen und dem Substrat darstellt.
Je Anschluss wird nur eine Lötverbindung benötigt
und somit auch die entsprechende Kontaktfläche minimiert.
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Vorzugsweise
wird zum Bonden ein Material verwendet, welches sich für
den entsprechenden Lötvorgang eignet. In der Regel eignen
sich hier Kupfer, vorzugsweise jedoch Gold.
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Es
wurde bereits angesprochen, dass bei einem erfindungsgemäßen
Lötverfahren bzw. einer Ausführungsform der Erfindung
es besonders wichtig ist, dass die aufgebondeten Höcker
ausreichend Material enthalten, so dass dieses beim Heizprozess des
Lötvorganges nicht vollständig oder zu stark wegschmelzen
können. Bei einer besonders bevorzugten Weiterbildung der
Erfindung umfasst daher der Bonding-Prozess ein wenigstens zweimaliges turmartiges
Aufeinanderbonden von Materialabschnitten. Ferner ist es auch möglich,
lediglich einen Bonding-Vorgang durchzuführen und somit
nur einen Materialabschnitt aufzubonden, diesen aber in Bezug auf
das entsprechende Pad ausreichend groß auszubilden, damit
beim Heizvorgang genügend Material zur Verfügung
steht, welches nicht vollständig weggeschmolzen wird.
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Vorteilhafterweise
enthält die Lötpaste Lotmetallpulver und Flussmittel. Über
das Lotmetall aus der Lötpaste kann ein guter elektrischer
Kontakt zwischen dem Lötkontakt, welcher nur das aufgebondete
Material enthält und dem Leiterbahnabschnitt hergestellt
werden.
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Der
mit der Schaltungsseite auf der Leiterplatte montierte Halbleiterchip
weist im Allgemeinen kein Gehäuse auf.
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Bei
einer Ausführungsform einer nach diesem erfindungsgemäßen
Lötverfahren hergestellten Schaltung kann ferner eine Passivierungsschicht
als Schutz vor mechanischer Beschädigung, als Korrosionsschutz
für die Metallisierungsebene und auch als Diffusionsbarriere
für Alkaliionen zur Verbesserung der Langzeitstabilität
der Schaltung vorgesehen sein. Ferner ist es möglich, Glasdämme
insbesondere auf der Leiterplatte aufzubringen, um die Lötfläche
möglichst gezielt zu begrenzen, so dass kein aufgeschmolzenes
und mit Flussmittel in Kontakt stehendes Lötzinn seitlich
wegfließen kann.
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Ausführungsbeispiel:
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Ein
Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung
dargestellt und wird nachstehend unter Angabe weiterer Einzelheiten
und Vorteile näher erläutert. Im Einzelnen zeigen:
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1 eine
Momentaufnahme aus einem Lötverfahren gemäß der
Erfindung, welches einen schematischen Schnitt durch die Leiterplatte
und den Halbleiterchip zeigt.
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2 eine
Momentaufnahme, bei der die Lötkontakte in die Lötpaste
eingetaucht werden sowie
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3 eine
Momentaufnahme nach dem Heizprozess.
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1 zeigt
einen schematischen Schnitt durch einen Halbleiterchip 1 und
eine Leiterplatte 2. Die integrierte Schaltung auf dem
Halbleiterchip 1 ist in das so genannte Halbleiterbulkmaterial 3 eingearbeitet.
Auf der Schaltungsseite weist der Halbleiterchip eine Passivierungsschicht 4 auf,
welche aus einer Oxidschicht besteht. Als Kontaktierung sind auf der
Schaltungsseite des Halbleiterchips Pads 5 vorgesehen.
Diese bestehen aus Aluminium (Al). Auf diese Pads 5 sind
einzelne Goldabschnitte (Au) 6 aufgebondet. In diesem Fall
wurden drei Bonds jeweils auf einen Pad aufgebracht, so dass möglichst viel
Goldmaterial zur Verfügung steht, damit dieses nicht bei
dem späteren Heizvorgang vollständig aufgebraucht
wird. Die auf einem Pad 5 aufgebrachten Bonds 6 bilden
einen Höcker, der in dieser Form als Lötkontakt 7 zur
Verfügung steht.
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Die
Leiterplatte 2 umfasst ein Substrat 8. Auf diesem
Substrat befinden sich entsprechende Leiterbahnen mit zu kontaktierenden
Leiterbahnabschnitten 9. Die Leiterbahnen bzw. die Leiterbahnabschnitte
bestehen aus Kupfer (Cu). Auf den zu kontaktierenden Leiterbahnabschnitten 9 befindet
sich Lötpaste 10. Diese besteht aus Flussmittel 11 sowie
Lötmetallpulver 12. Um die Lötflächen
möglichst gering zu halten und damit kein Lötzinn
seitlich wegfließen kann, sind Glasdämme 13 neben
den Leiterbahnabschnitten angebracht.
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2 zeigt
wie die entsprechenden aufgebondeten Lötkontakte 7 in
die aufgebrachte Lötpaste 10 eintauchen. Die Lötkontakte
werden dabei nicht bzw. nur kaum deformiert.
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3 zeigt
die Schaltung 14 nach dem Heizprozess, bei dem also elektrisch
leitende Kontakte zwischen dem Pad 5 des Halbleiterchips 1 und
den entsprechenden Leiterbahnabschnitten 9 der Leiterplatte 2 ausgebildet
sind. Die aufgebondeten, aus Gold bestehenden Höcker/Lötkontakte 7 sind
dabei, wenn überhaupt, nur kaum infolge des Heizvorganges
abgetragen worden. Zwischen den Höckern 7 und
dem Leiterbahnabschnitt 9 befinden sich Kontakte aus Lötzinn,
die durch den Lötvorgang während des Heizens aus
dem Lötmetallpulver entstanden sind.
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Allen
Ausführungen und Weiterbildungen der Erfindung ist gemeinsam,
dass als Lötkontakt ausschließlich der Höcker
verwendet wird und dieser aus einem homogenen Metall oder einer
homogenen Metalllegierung besteht.
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- 1
- Halbleiterchip
- 2
- Leiterplatte
- 3
- Halbleiter-Bulk
- 4
- Passivierungsschicht
- 5
- Pad
- 6
- Gold-Bond
- 7
- Lötkontakt
- 8
- Substrat
- 9
- Kupfer-Leiterbahnabschnitt
- 10
- Lötpaste
- 11
- Flussmittel
- 12
- Lötmetallpulver
- 13
- Glasdamm
- 14
- Schaltung
- 15
- Lötzinnkontakt
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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