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Gegenstand
der vorliegenden Erfindung ist eine Bauteilanordnung, vorzugsweise
eine elektronische Bauteilanordnung, mit einem ersten Substrat und
mindestens einem auf dem ersten Substrat angeordneten zweiten Substrat,
z. B. einem elektronischen Bauteil wie ein ungehäuster integrierter Schaltkreis
oder Ähnliches,
wobei das erste Substrat mindestens ein erstes Kontaktelement und
das mindestens eine elektronische Bauelement mindestens ein zweites
Kontaktelement aufweist und die Kontaktelemente jeweils eine Kontaktfläche besitzen,
welche zu einer elektrischen Kontaktierung miteinander verbunden
sind, und die Bauteilanordnung des Weiteren eine Stützschicht
aufweist, welche das erste Substrat und das mindestens eine zweite
Substrat verbindet, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen
Bauteilanordnung.
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Bei
der Flip-Chip-Montage wird ein elektronisches Bauteil mit seinen
Kontaktanschlüssen
zu einem Substrat hin montiert, wobei die Kontaktelemente des Bauteils
jeweils mit den gegenüberliegenden Kontaktelementen
des Substrats kontaktiert werden. Hierdurch entsteht eine elektrische
Kontaktierung, welche das Substrat mit dem elektronischen Bauteil leitend
zu einer elektronischen Bauteilanordnung verbindet. Zwischen dem
elektronischen Bauteil und dem Substrat verbleibt jedoch ein Spalt,
und es gibt oftmals zwingende Gründe,
den Spalt zwischen dem Bauteil und dem Substrat zu füllen.
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Durch
die Füllung
des Spaltes kann die mechanische Stabilität der elektronischen Bauteilanordnung
verbessert werden, da bei Temperaturwechseln und den dabei auftretenden
mechanischen Spannungen aufgrund der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten
zwischen Substrat und elektronischem Bauteilelement die Füllung die
elektrischen Kontaktierungen entlastet. Des Weiteren wird das Eindringen
von Partikeln und Flüssigkeiten
in den Spalt verhindert und dadurch mögliche Kurzschlüsse oder Korrosion
vermieden. Ein Schutz durch eine Füllung wird spätestens
beim Sägen
oder Vereinzeln der Substrate oder später unter Betriebsbedingungen notwendig.
Derartige Substrate können
z. B. Siliziumwafer, ein Laminat oder ein Glas sein, auf denen ein
elektronisches Bauteil wie ein ungehäustes IC-Bauelement oder auch
ein weiteres Substrat montiert wird.
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Im
Stand der Technik bedient man sich in der Regel einer sogenannten
Verkapselungsmasse, auch Underfiller genannt. Der Underfiller ist
zumeist ein Polymer, welches direkt neben dem Chip abgelegt und
infolge der Kapillarkräfte
in den Spalt hineingezogen wird. Anschließend wird der Underfiller bei höheren Temperaturen
ausgehärtet.
Der Underfiller ist mit Partikeln gefüllt, um den thermischen Ausdehnungskoeffizienten
des Polymers zu senken und die mechanischen Spannungen zu reduzieren.
Nachteilig an der Verwendung von Underfillern ist neben den langen
Prozesszeiten zum Füllen
des Spaltes auch die Notwendigkeit von ausreichendem Platz neben dem
Spalt, da das flüssige
Polymermaterial dort abgesetzt und ggf. mehrfach nachgelegt werden
muss, um das zum Füllen
des Spaltes notwendige Volumen bereitzustellen.
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Aus
diesem Grund wurde ein Verfahren entwickelt, bei dem zuerst der
Underfiller appliziert und anschließend das elektronische Bauteil
mit beispielsweise Lotbumps als Kontaktelementen in den flüssigen Underfiller
gedrückt
wird, bis die Lotbumps die Kontaktelemente des Substrats erreichen,
aufschmelzen und die elektrische Kontaktierung herstellen. Zugleich
wird der Underfiller ausgehärtet.
Dazu müssen
in dem Underfiller benetzungsfördernde
Zugaben zur Reduktion der Oxide und zum Schutz vor erneuter Oxidation
während
des Lötens
beigegeben werden. Derartige Underfiller können allerdings nicht ausreichend
gefüllt
und somit der thermische Ausdehnungskoeffizient nicht ausreichend
gesenkt werden. Zudem ist die Montage des elektronischen Bauteils
auf dem Substrat relativ schwierig: So müssen die einzelnen elektronischen
Bauteile beim Bonden mit einem Werkzeug auf das Substrat gedrückt werden,
um ein Aufschwimmen und somit einen elektronischen Kontaktverlust
zu vermeiden. Jedoch führen zu
starke Andruckkräfte
zum Herauspressen des Lotes aus einem Lotbump und zu elektrischen
Kurzschlüssen
zwischen den Kontakten. Ein weiterer Nachteil des vorbeschriebenen
Verfahrens ist die starke Neigung zur Porenbildung im Underfiller,
was die Zuverlässigkeit
weiter herabsetzt.
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Eine
andere Möglichkeit,
das Einbringen eines Underfillers nach der Herstellung der elektrischen
Kontaktierung zwischen dem elektronischen Bauteil und dem Substrat
zu umgehen, ist mit der Flip-Chip-Montage mittels Kleben verbunden.
Hier gibt es zwei Verfahrensvarianten: zum einen das Kleben mit
ungefüllten
Klebstoffen (non-conductive adhesive, NCA) und zum anderen die Verwendung
von anisotrop leitfähigen
Klebstoffen (anisotropic conductive adhesive, ACA). In beiden Fällen sind
in der Regel auf der Chipseite Goldbumps als Kontaktelemente aufgebracht,
der Klebstoff wird auf der Substratseite appliziert, und mit einem
heißen
Werkzeug werden die nichtschmelzenden Bumps des Chips in den flüssigen Klebstoff
gedrückt,
wobei der Klebstoff die Chipoberfläche komplett benetzt und aushärtet. Bei der
NCA-Variante wird ein Goldbump gegen den Anschlusskontakt auf der
Substratseite gedrückt.
Der Klebstoff schrumpft beim Aushärten des Klebers und erzeugt
einen dauerhaften Druckkontakt zwischen dem Bump und dem Substratanschluss.
Bei der ACA-Variante sind kleine leitfähige Partikel mit nahezu gleichem
Durchmesser in dem Kleber enthalten, wobei die Partikel zwischen
dem Goldbump und dem Substratanschluss eingeklemmt werden und nach Aushärten den
elektrischen Kontakt gewährleisten.
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Eine
dritte Variante für
die Montage von Chips auf Wafern wird durch das Interuniversity
Microelectronics Centre (IMEC) vorgeschlagen. Bei dem vorgeschlagenen
Prozess wird zunächst
eine dünne Polymerlage
auf dem Wafer appliziert und anschließend das elektrische Bauteil
mit Kupferbumps versehen auf dem Kleber platziert. Mithilfe eines
Werkzeugs werden die Chips schließlich unter Beaufschlagung
von Temperatur und Druck (Thermokompression) gegen den Wafer gepresst,
wobei die Polymerlage aufschmilzt, die Kupferbumps das Polymer lokal
verdrängen
und mit einem gegenüberliegenden Kupferpad,
welches auf dem Substrat als Kontaktelement aufgebracht ist, verschweißen. Da
Kupfer jedoch nur sehr schwer zu verschweißen ist, ist mit einem ungenügenden Kontakt
zu rechnen, der durch den Schrumpf und die Aushärtung des Polymers aufrechterhalten
wird.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine Bauteilanordnung, insbesondere
eine elektronische Bauteilanordnung, sowie ein Verfahren zu dessen
Herstellung bereitzustellen, welches die vorgenannten Nachteile
nicht aufweist und dennoch eine ausreichende mechanische Stabilität gewährleistet.
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Die
Aufgabe wird gelöst
durch ein Verfahren zur Herstellung einer Bauteilanordnung nach
Anspruch 1 sowie durch eine Bauteilanordnung nach Anspruch 7. Verschiedene
Ausführungsformen
des Verfahrens bzw. der Bauteilanordnung sind in den untergeordneten
Ansprüchen
aufgeführt.
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Bei
der Bauteilanordnung wird eine Stützschicht auf ein erstes Substrat
und/oder mindestens ein zweites Substrat aufgebracht, wobei die
Stützschicht
derart strukturiert ist, dass im verbundenen Zustand zwischen dem
ersten Substrat und dem mindestens einen auf dem ersten Substrat
angeordneten zweiten Substrat eine Teilfläche des ersten Substrats und
eine dazu korrespondierende Teilfläche des mindestens einen zweiten
Substrats nicht von der Stützschicht überdeckt
sind und die Teilflächen
die jeweilige Kontakt fläche
des mindestens einen ersten und zweiten Kontaktelements umschließen und
die zwischen den Kontaktflächen
hergestellte elektrische Kontaktierung nicht durch die Stützschicht
verunreinigt ist.
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Dadurch,
dass die Stützschicht
die Kontaktfläche
des mindestens einen ersten und mindestens einen zweiten Kontaktelements
nicht überdeckt,
können
das mindestens eine erste und das mindestens eine zweite Kontaktelement
zu einer elektrischen Kontaktierung miteinander verbunden werden,
ohne dass die aufgebrachte Stützschicht
verdrängt
werden muss und in dem immer kleiner werdenden Spalt zwischen der
Kontaktfläche
des mindestens einen ersten Kontaktelements und der Kontaktfläche des
mindestens einen zweiten Kontaktelements verbleibt und somit zu
einer Verunreinigung oder sogar Kurzschlüssen führt.
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Hierzu
wird zunächst
das mindestens eine erste und mindestens eine zweite Kontaktelement auf
das erste Substrat bzw. das mindestens eine zweite Substrat aufgebracht,
wobei das mindestens eine erste und zweite Kontaktelement jeweils
eine dem ersten Substrat bzw. dem mindestens einen zweiten Substrat
abgewandte Kontaktfläche
aufweist.
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Das
mindestens eine erste und mindestens eine zweite Kontaktelement
nehmen dabei auf dem ersten Substrat bzw. dem mindestens einen zweiten Substrat
eine Grundfläche
ein, welche leicht größer als
die bzw. gleich der Größe der Kontaktfläche sein kann.
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Die
Kontaktelemente können
mit den Verfahren, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind, aufgebracht
werden. Hierzu zählen
unter anderem das Aufdampfen, das Sputtern bzw. das mechanische
Setzen der Kontakt elemente. Auch können die Kontaktelemente galvanisch
aufgebracht werden.
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Des
Weiteren wird eine Stützschicht
auf das erste Substrat und/oder das mindestens eine zweite Substrat
aufgebracht, wobei es bevorzugt ist, wenn die Stützschicht lediglich auf das
erste Substrat oder auf das mindestens eine zweite Substrat aufgebracht wird.
Die Stützschicht
wird so aufgebracht, dass sie eine Teilfläche des ersten Substrats bzw.
des mindestens einen zweiten Substrats nicht überdeckt und die Teilfläche die
Kontaktfläche
des mindestens einen ersten Kontaktelements umschließt, die
Kontaktfläche
selbst jedoch nicht berührt.
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Hierdurch
sind die Kontaktflächen
des mindestens einen ersten bzw. mindestens einen zweiten Kontaktelements
von der Stützschicht
frei und insbesondere frei zugänglich,
so dass bei der vorzunehmenden elektrischen Kontaktierung zwischen
dem ersten und zweiten Kontaktelement keine Reste der Stützschicht
zwischen den Kontaktflächen
des mindestens einen ersten Kontaktelements und des mindestens einen
zweiten Kontaktelements verbleiben.
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Die
Stützschicht
kann entweder vor oder nach dem Aufbringen des mindestens einen
ersten bzw. zweiten Kontaktelements aufgebracht bzw. strukturiert
werden. Die Strukturierung erfolgt entweder über subtraktive oder additive
Prozesse. Dies bedeutet, dass die Stützschicht beispielsweise durch Stempeln,
Drucken oder eine Elektrophorese bereits strukturiert aufgebracht
werden kann oder nachträglich
durch Belichtung mit photoresistiven Formulierungen, mithilfe eines
Photoresists oder durch Ätzprozesse
strukturiert werden kann, so dass die Kontaktflächen des mindes tens einen ersten
bzw. mindestens einen zweiten Kontaktelements freigelegt werden.
Werden die mindestens einen ersten oder zweiten Kontaktelemente
erst nach dem Strukturieren der Stützschicht aufgebracht, so muss
die Stützschicht
so strukturiert werden, dass die Grundfläche, welche das mindestens
eine erste bzw. mindestens eine zweite Kontaktelement auf dem ersten
Substrat bzw. dem mindestens einen zweiten Substrat einnimmt, durch
die Stützschicht
nicht überdeckt
wird und zum Aufbringen des mindestens einen ersten bzw. zweiten
Kontaktelements frei zugänglich
ist.
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Nachdem
die Stützschicht
und das mindestens eine erste und zweite Kontaktelement aufgebracht
worden sind, wird die Kontaktfläche
des mindestens einen ersten Kontaktelements mit der korrespondierenden
Kontaktfläche
des mindestens einen zweiten Kontaktelements zur Herstellung mindestens einer
elektrischen Kontaktierung miteinander verbunden. Hierbei kann die
Stützschicht
zugleich als Abstandshalter zwischen dem ersten Substrat und dem mindestens
einen zweiten Substrat dienen. Hierdurch wird verhindert, dass das
mindestens eine zweite Substrat zu dicht an das erste Substrat aufgedrückt wird.
Aufgrund der Strukturierung der Stützschicht sind die Kontaktflächen, wie
bereits mehrfach erwähnt,
stützschichtfrei,
so dass keine Verunreinigung durch die Stützschicht auftritt. Des Weiteren darf
die Stützschicht
nicht verflüssigt
werden, da die Kontaktflächen
frei zugänglich
sind. Hierdurch wird eine stark verbesserte Leitfähigkeit
der hergestellten elektrischen Kontaktierung zwischen dem einen
ersten und dem mindestens einen zweiten Kontaktelement möglich.
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In
einer Variante der Bauteilanordnung ist die Stützschicht so strukturiert,
dass sie die mindestens eine elektrische Kontaktierung nicht berührt. Dies
bedeutet insbesondere, dass nicht lediglich die Kontaktflächen des
mindestens einen ersten bzw. mindestens einen zweiten Kontaktelements
freigelegt sind, sondern auch die restlichen nicht mit dem ersten Substrat
oder dem mindestens einen zweiten Substrat verbundenen Flächen der
Kontaktelemente keinerlei Berührung
mit der Stützschicht
haben. Hierdurch wird die Leitfähigkeit
der elektrischen Kontaktierung bzw. die Isolierung verschiedener
elektrischer Kontaktierungen zueinander stark verbessert.
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In
einer weiteren Ausführungsform
weist das erste Substrat eine Vielzahl von ersten Kontaktelementen
und das mindestens eine zweite Substrat eine Vielzahl von zweiten,
mit der Vielzahl von ersten korrespondierenden Kontaktelementen
auf. Jedes dieser Kontaktelemente weist eine Kontaktfläche auf, und
die Stützschicht
ist so strukturiert, dass eine zwischen den zueinander korrespondierenden
Kontaktflächen
hergestellte elektrische Kontaktierung nicht durch die Stützschicht
verunreinigt ist. Da Bauteilanordnungen zumeist eine Vielzahl von
Kontaktelementen aufweisen, ist es bevorzugt, wenn alle elektrischen
Kontaktierungen bzw. die Mehrzahl der elektrischen Kontaktierungen
zwischen dem ersten Substrat und dem mindestens einen zweiten Substrat
nach dem vorhergehend geschilderten Verfahren hergestellt wurden.
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In
einer weiteren Ausführungsform
wird die Stützschicht
auf das erste Substrat und/oder das mindestens eine zweite Substrat
aufgebracht und eine dem ersten Substrat bzw. dem mindestens einen
zweiten Substrat abgewandte Oberfläche der Stützschicht mit einem Klebstoff
beaufschlagt und/oder die Stützschicht
selbst klebend ausgebildet. Hierdurch ist es möglich, bei der Verbindung des
ersten Substrats und des mindestens einen zweiten Substrats eine
stoffschlüssige
Verbindung mittels der adhäsiven
Wirkung der Stützschicht
herzustellen. Hierdurch kann die Stützschicht nicht nur als Abstandshalter
dienen, sondern kann zugleich die beispielsweise aufgrund der unterschiedlichen
thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf den elektrischen Kontaktierungen
lastenden Spannungen des ersten Substrats bzw. des mindestens einen
zweiten Substrats verringern bzw. aufnehmen und der gesamten Bauteilanordnung
eine verbesserte mechanische Stabilität geben.
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Hierbei
kommt als Stützschicht
beispielsweise ein klebefähiges
Polymer in Frage, so dass es keiner zusätzlichen Klebeschicht bzw.
einer Beaufschlagung mit Klebstoff bedarf. Dazu können beispielsweise
nichtschmelzende Polymere verwendet werden, die nach dem Auftrag
und der Strukturierung nur unvollständig vernetzt sind und bei
nicht zu hohen Temperaturen klebend wirken. Derartige Polymere sind beispielsweise
Benzocyclobutane (BCB), Polyimide (PI), Polybenzoaxole (PBO), Epoxide,
Acrylate, aber auch andere nichtschmelzende Systeme. Alternativ hierzu
können
beispielsweise Polymere verwendet werden, die bereits nach dem Auftrag
vollständig
vernetzt sind, wobei die strukturierte Stützschicht in eine dünne aufgestrichene
Kleberschicht gedrückt
wird und mit Klebstoff beaufschlagt wird. Beim Verbinden des ersten
Substrats mit dem mindestens einen zweiten Substrat außerhalb
der Teilfläche
wird so eine stoffschlüssige
Verbindung hergestellt.
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Aus
der vorhergehenden Beschreibung ist offensichtlich, dass das Polymer
beim Verbinden des mindestens einen ersten Kontaktelements mit dem mindestens
einen zweiten Kontaktelement nicht verflüssigt werden muss, um die Kontaktflächen zu
einer elektrischen Verbindung zusammenzuführen.
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Alternative
Materialien für
die Stützschicht sind
weiterhin eine Oxidschicht, eine Metallschicht oder eine Siliziumschicht,
wobei hierbei beispielsweise isolierende Kleber verwendet werden
können.
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In
einer weiteren Ausführungsform
ist die Teilfläche
des ersten Substrats bzw. des mindestens einen zweiten Substrats
so gestaltet, dass sie mindestens eine Teilgrundfläche umfasst
und die mindestens eine Teilgrundfläche jeweils eine Kontaktfläche des
mindestens einen ersten oder zweiten Kontaktelements vollständig umfasst
und eine Größe von mindestens
120% der Größe der jeweiligen
Kontaktfläche
oder vorzugsweise von höchsten
160% der Größe der jeweiligen
Kontaktfläche
besitzt. Die Teilgrundfläche
umschließt
dabei die Grundfläche bzw.
Kontaktflächen
des ersten bzw. zweiten Kontaktelements vollständig und schneidet diese Fläche nicht.
Dadurch, dass die Teilgrundfläche
größer ist als
die Kontaktfläche,
wird ein ausreichender Abstand zwischen Stützschicht und elektrischer
Kontaktierung definiert. Um sicherzustellen, dass die Stützschicht
auch eine ausreichende mechanische Stabilität der elektronischen Bauteilanordnung
gewährleistet,
kann die Größe der jeweiligen
Teilgrundfläche
auf 160% der Größe der jeweiligen
Kontaktfläche
beschränkt
werden.
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Der
Durchmesser bzw. die Längenausdehnung
des ersten bzw. zweiten Kontaktelements auf dem ersten Substrat bzw.
dem mindestens einen zweiten Substrat betragen zwischen 5 μm und 1000 μm. Typischerweise
liegen sie jedoch zwischen 10 μm
und 80 μm.
Die in der Stützschicht
vorhandene Öffnung
wird vorzugsweise größer als
die Kontaktfläche
gewählt
und liegt zwischen 7 μm
und 1500 μm, typischerweise
jedoch zwischen 15 μm
und 100 μm.
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Um
das mindestens eine erste Kontaktelement mit dem mindestens einen
zweiten Kontaktelement zu verbinden, können verschiedene Verfahren gewählt werden.
Zum einen kann die Verbindung mittels Verformung, vorzugsweise mittels
einer Thermokompression, erfolgen. Hierbei ist die addierte Höhe des mindestens
einen ersten und zweiten Kontaktelements vor dem Verbinden, wobei
die Höhe
im Wesentlichen senkrecht zur Oberfläche des ersten Substrats bzw.
des mindestens einen zweiten Substrats ermittelt wird, größer als
die Höhe
der Stützschicht. Dies
bedeutet, dass beim Zusammenführen
des ersten Substrats mit dem mindestens einen zweiten Substrat zuerst
das mindestens eine erste Kontaktelement mit dem mindestens einen
zweiten Kontaktelement verbunden und anschließend mittels Verformung mit
Letzterem verschweißt
wird. Die Stützschicht
dient hierbei als Abstandshalter, damit das mindestens eine zweite
Substrat nicht beliebig nahe an das erste Substrat gedrückt werden
kann. Beim zusätzlichen
Verkleben wird zudem die mechanische Stabilität der gesamten Bauteilanordnung
erhöht. Durch
die Stützschicht
bzw. die klebende Wirkung der Stützschicht
wird also eine stoffschlüssige
Verbindung zwischen dem ersten Substrat und dem mindestens einen
zweiten Substrat hergestellt, welche zusätzlich zu den elektrischen
Kontaktierungen existiert. Dabei weist entweder das erste oder zweite Kontaktelement
einen Bump auf, wobei der Bump aus duktilen Metallen wie beispielsweise
Gold, Silber, Indium oder Kupfer bzw. daraus bestehenden Legierungen
hergestellt sein kann. Die Bumphöhe
kann zwischen 5 μm
und 100 μm
liegen, die Stützschichtdicke
zwischen 3 μm
und 80 μm.
Typische Werte liegen bei 10 μm
bis 30 μm
für die
Höhe der
Bumps und bei 5 μm
bis 20 μm
für die
Höhe der
Stützschicht. Werden
bei dem vorgeschlagenen Verfahren Polymere wie BCB, PBO oder Polyimid
verwendet, welche eine hohe Aushärtetemperatur
haben, ist es unvorteilhaft, niedrigschmelzende Bumps zu verwenden.
Niedrigschmelzende Bumps können
jedoch verwendet werden, wenn die Stützschicht bereits vollständig verfestigt
bzw. vernetzt ist.
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Anstelle
einer reinen Thermokompression kann zusätzlich zur Kompression Ultraschall
eingesetzt werden, um die Bumps mit den Kontaktmetallisierungen
zu verschweißen.
Wenn die Stützschicht schließlich die
gegenüberliegende
Oberfläche
entweder des ersten Substrats oder des mindestens einen zweiten
Substrats erreicht, wird die Amplitude der Ultraschallschwingung
aufgrund der Dämpfung der
Stützschicht
schließlich
vernachlässigbar
klein, und die Oberflächen
verkleben. Auch ist es möglich, die
oberste Schicht des Bumps bzw. des ersten oder zweiten Kontaktelements
aus einem metallischen Schaum herzustellen, welcher aufgrund seiner
Porosität
stark kompressibel ist.
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In
einer weiteren Ausführungsform
wird entweder das mindestens eine erste oder das mindestens eine
zweite Kontaktelement mittels Löten
oder Umschmelzen mit dem jeweils anderen verbunden. Hierbei ist
es vorteilhaft, wenn vor dem Verbinden der Kontaktflächen die
addierte Höhe
des mindestens einen ersten und des mindestens einen zweiten Kontaktelements
kleiner ist als die Höhe
der Stützschicht, so
dass zunächst
die Stützschicht
den gewünschten Abstand
zwischen dem ersten Substrat und dem mindestens einen zweiten Substrat
herstellt. Da die addierte Höhe
des mindestens einen ersten und des mindestens einen zweiten Kontaktelements
geringer ist, besteht noch keine elektrische Kontaktierung zwischen
diesen beiden Kontaktelementen. Wird eine klebende oder mit einem
Klebstoff versehene Stützschicht
verwendet, wird bereits vor dem Umschmelzen bzw. Löten eine
stoffschlüssige
Verbindung zwischen dem ersten Substrat und dem mindestens einen
zweiten Substrat hergestellt. Das Umschmelzen bzw. Löten des
mindestens einen ersten oder zweiten Kontaktelements führt dazu,
dass das aufgeschmolzene Kontaktelement, welches üblicherweise einen
Bump beinhaltet, seine Form verändert
und zumeist eine Kugeloberfläche
ausbildet. Der Abstand zwischen dem ersten und zweiten Kontaktelement
ist so gewählt,
dass beim Umschmelzen und der darauf folgenden Formveränderung
des Bumps das gegenüberliegende
Kontaktelement berührt
wird und sich der Bump aufgrund der Oberflächenspannung über die
gesamte Kontaktfläche
des gegenüberliegenden Kontaktelements
verteilt. Hierdurch verzieht sich die Oberfläche der elektrischen Kontaktierung
hyperbolisch.
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Werden
mehr als ein zweites Substrat verwendet bzw. werden mehrere zweite
Substrate übereinander
gestapelt (obgleich das Verfahren bislang nur von der Verbindung
eines ersten Substrats mit mindestens einem zweiten Substrats spricht,
umfasst es selbstverständlich
auch die Verbindung von einem Substrat mit mindestens einem elektronischen
Bauteil bzw. die Verbindung zwischen einem ersten elektronischen
Bauteile mit mindestens einem zweiten elektronischen Bauteilen verbunden
werden), können
mithilfe dieses Verfahrens zunächst
die fertigen aus zweiten Substraten bestehenden Stapelanordnungen
auf dem ersten Substrat verklebt und anschließend in einem einzigen Prozessschritt
die elektrischen Kontaktierungen durch Umschmelzen hergestellt werden.
Prozesstechnisch bedeutet dies eine starke Erleichterung bei der
Herstellung von stapelbaren Anordnungen wie z. B. Chips, ohne dass
die Qualität
der elektrischen Kontaktierung wie bei den vorbekannten Verfahren
leidet.
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Lotbumps
zum Umschmelzen können
aus unterschiedlichen Loten geformt sein. Typische Lote sind zinnbasierte
Legierungen wie SnAg, SnCu, SnAgCu, SnPb, SnIn, SnBi sowie goldreiche
Lote wie AuSn oder Indiumlote. Derartige Lote können als Legierung oder in
Schichten aufgebracht sein, wobei das Lot durch die Reaktion der
Schichten entsteht. Die abgeschiedene Lothöhe kann zwischen 5 μm und 100 μm und die
Dicke der Stützschicht
zwischen 5 μm
und 120 μm
liegen. Typische Werte für
die Lotbumps liegen zwischen 5 μm
und 40 μm,
für die Stützschicht
zwischen 5 μm
und 50 μm.
Der Durchmesser der Bumps bzw. die Größe der Teilgrundflächen liegt
zwischen 5 μm
und 1000 μm
respektive 7 μm
und 1500 μm,
typischerweise zwischen 10 μm und
80 μm respektive
15 μm und
100 μm.
Während der
Klebeprozess unter Beaufschlagung von Temperatur und Kraft erfolgt,
ist bei der Herstellung der Lotverbindung nur eine Erhöhung der
Temperatur ohne eine zusätzliche
Kraftbeaufschlagung erforderlich. Auch können zwischen das Verbinden
des ersten Substrats mit dem mindestens einen zweiten Substrats
und das anschließende
Umschmelzen weitere Prozessschritte eingeschaltet werden.
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In
einer weiteren Ausführungsform
wird die Bauteilanordnung vor dem Verbinden der Kontaktflächen miteinander
mit einem Gas gespült.
Durch die Spülung
mit einem Gas wie beispielsweise gasförmiger Ameisensäure oder
Essigsäure
bzw. Wasserstoff können
die auf dem Lot bzw. auf den ersten und zweiten Kontaktelementen
entstandenen Oxidschichten reduziert werden. Hierdurch wird die
Qualität
der elektrischen Kontaktierung zusätzlich erhöht. Um diesen Prozessschritt
möglichst
einfach durchführen
zu können,
insbesondere wenn das erste Substrat bereits mit dem mindestens
einen zweiten Substrat verbunden ist, jedoch die elektrische Kontaktierung
noch nicht hergestellt ist, ist es vorteilhaft, wenn die Teilfläche, welche
durch die Stützschicht
ausgespart wird, ein zusammenhängendes
Gebiet bildet. Hierdurch wird garantiert, dass das Gas sämtliche
zu reinigenden Oberflächen
bzw. Kontaktflächen
spülen kann.
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In
einer weiteren Ausführungsform
weist die Stützschicht
eine weitere Kavität
auf, wobei das mindestens eine zweite Substrat in der Kavität mindestens
ein Sensorelement, ein optisches oder ein mikromechanisches Element
umfasst. Derartige Elemente können
beispielsweise Antennen, Hochfrequenzschaltungen, SAW-Filter oder
Ultraschallsensoren sein oder auch Druck- oder Beschleunigungssensoren,
Mikrospiegel, Gas-, Chemo- und Biosensoren sowie weitere MEMS-Komponenten. Auch
Kamerachips, Interferometer, optische Detektoren oder Quellen können in
einer derartigen Kavität
angeordnet sein. Eine solche Kavität kann beim Strukturieren der
Stützschicht
bzw. beim Auftragen der Stützschicht
zeitgleich eingebracht werden.
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In
einer weiteren Ausführungsform
kann ein Rand des mindestens einen zweiten Substrats mit einer zusätzlichen
Verkapselung versehen werden, wobei diese Verkapselung vom ersten
Substrat zum Rand des mindestens einen zweiten Substrats reicht. Hierdurch
wird eine verbesserte mechanische und chemische Schutzfunktion der
Bauteilanordnung gewährleistet.
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Wie
bereits erwähnt,
ist es auch möglich, mehrere
zweite Substrate auf einem ersten Substrat, entweder planar nebeneinander
oder gestapelt oder in Kombination von planarer Anordnung und Stapelung
auszubilden.
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Für eine Stapelung
ist es angebracht, dass die Substrate bzw. die zwischen dem ersten
Substrat und einem weiteren zweiten Substrat liegenden zweiten Substrate über Durchkontaktierungen
wie Through-Vias verfügen.
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Das
erste und das mindestens eine zweite Substrat können jeweils durch einen Schaltungsträger aus
Materialien wie z. B. Siliziumwafer, ein Laminat oder ein Glas gebildet
sein. Alternativ kann lediglich das erste Substrat ein Schaltungsträger sein,
wohingegen das mindestens eine zweite Substrat ein elektronisches
Bauteil wie z. B. ein ungehäustes IC-Bauelement
ist. Weiterhin kann das mindestens eine zweite Substrat auch ein
optisches oder mikromechanisches Element sein. Diese elektronischen, optischen
oder mikromechanischen Elemente können im Waferverbund oder vereinzelt
vorliegen. Selbstredend kann auch das erste Substrat als ein derartiges
Element vorliegen.
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Anhand
von Ausführungsbeispielen
soll sowohl auf die Bauteilanordnung als auch auf das Verfahren
zur Herstellung einer derartigen Bauteilanordnung näher eingegangen
werden. Es zeigen:
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1a und 1b eine
elektronische Bauteilanordnung nach dem Stand der Technik,
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2a bis 2e eine
Ausführungsvariante einer
erfindungsgemäßen Bauteilanordnung,
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3a und 3b eine
weitere Ausführungsvariante
einer Bauteilanordnung,
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4a bis 4d eine
weitere Ausführungsvariante
einer Bauteilanordnung,
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5a bis 5c eine
weitere Ausführungsvariante
einer Bauteilanordnung,
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6a bis 6c eine
Aufsicht auf ein Substrat mit aufgebrachter Stützschicht in verschiedenen Ausführungsformen,
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7a und 7b eine
planare Anordnung zweier elektronischer Bauteile auf einem Substrat,
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8 eine
gestapelte Anordnung elektronischer Bauteile auf einem Substrat.
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Anhand
der 1a und 1b soll
zunächst
der bereits aus dem Stand der Technik bekannte Prozess eines Einbringens
eines Underfillers vor dem Zusammenfügen von Substrat und elektronischem
Bauteil erläutert
werden. Die 1a zeigt ein Substrat 1 und
ein elektronisches Bauteil 2, welches im vorliegenden Fall
ein ungehäuster
integrierter Schaltkreis ist. Auf dem Substrat 1 befinden
sich erste Kontaktelemente 3, welche aus Kontaktpads gebildet
sind. Das elektronische Bauteil 2 weist zweite Kontaktelemente 4 auf,
wobei die zweiten Kontaktelemente 4 aus einer Untermetallisierung
und einem darauf aufgebrachten Bump bestehen. Vor dem Zusammenfügen des
Substrats 1 und des elektronischen Bauteils 2 wird
auf das Substrat 1 ein Underfiller 5 aufgebracht.
Der Underfiller 5, wird verflüssigt und das elektronische
Bauteil 2 anschließend
auf das Substrat 1 gedrückt,
so dass es zu einer Kontaktierung des ersten Kontaktelements 3 mit
dem zweiten Kontaktelement 4 kommt, wobei der Underfiller 5 verdrängt wird.
Jedoch lässt
es sich nicht immer vermeiden, dass zwischen den sich gegenüberliegenden Kontaktflächen der
ersten Kontaktelemente 3 und der zweiten Kontaktelemente 4 beim
Pressverbinden der Kontaktelemente Underfiller im sich verengenden Spalt
zwischen den Kontaktflächen
zurückbleibt.
Ein weiteres Problem tritt auf, wenn das Substrat 1 und das
elektronische Bauteil 2 weiter zusammengedrückt werden
und das flüssige
Lot dabei zur Seite ausweichen muss und so gar zu Kurzschlüssen mit benachbarten
Lotverbindungen führt.
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Anhand
der 2a bis 2e soll
nun eine erste Ausführungsvariante
einer erfindungsgemäßen Bauteilanordnung,
im vorliegenden Falle einer elektronischen Bauteilanordnung, erläutert werden.
In der 2a ist ein als Schaltungsträger vorliegendes erstes
Substrat 11 im Querschnitt gezeigt, wobei das erste Substrat 11 erste
Kontaktelemente 13 aufweist. Die ersten Kontaktelemente 13 umfassen
dabei ein Kontaktpad 130, welches als Untermetallisierung dient,
und einen darauf abgeschiedenen Bump 131. Die ersten Kontaktelemente 13 besitzen
eine dem ersten Substrat 11 abgewandte Kontaktfläche 110. Im
vorliegenden Fall sind die Bumps Goldbumps von 25 μm Höhe und 30 μm Durchmesser.
Nachdem die ersten Kontaktelemente 13 auf dem ersten Substrat 11 angeordnet
wurden, wird eine 15 μm
dicke Stützschicht 15 aufgebracht.
Im vorliegenden Fall besteht die Stützschicht 15 aus Benzocyclobutan
(BCB).
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In
der 2b ist das erste Substrat 11 in der Aufsicht
der xz-Ebene zu sehen. Die Kontaktflächen 110 sind deutlich
erkennbar, wobei die Kontaktflächen 110 im
vorliegenden Fall nicht nur die dem ersten Substrat 11 abgewandte
Oberfläche
des Bumps 131 darstellen, sondern sich über die etwas größere Fläche des
Kontaktpads 130 erstrecken. Des Weiteren ist die Stützschicht 15 zu
sehen, wobei die Metallbumps 131 noch aus dieser herausragen.
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In
der 2c ist wiederum ein Querschnitt durch das erste
Substrat 11 gezeigt, wobei im vorliegenden Fall die Stützschicht 15 bereits
strukturiert wurde. Zudem ist ein als elektronisches Bauteil bzw. elektronisches
Elements vorliegendes zweites Substrat 12 erkennbar, welches
zweite Kontaktelemente 14 aufweist, welche jeweils eine
Kontaktfläche 120 haben.
Die Strukturierung der Stützschicht 15,
welche in der 2d als Aufsicht gezeigt ist,
ist derart ausgebildet, dass in das BCB eine Öffnung mit einem Durchmesser
von 45 μm
eingebracht wird. Dies führt dazu,
dass um die Kontaktfläche 110 herum
eine Teilgrundfläche 170 erzeugt
wird, welche, wie aus der 2d ersichtlich,
durch das die Kontaktfläche 110 umgebende
Quadrat definiert ist. Die Teilgrundflächen 170 sind dabei
Teil der Teilfläche 17 des
ersten Substrats, wobei die Teilfläche 17 nicht durch
die Stützschicht 15 belegt
ist. Wie aus der 2c deutlich hervorgeht, beträgt die Höhe des ersten
Kontaktelementes 13 B1. Die Höhe des zweiten Kontaktelementes 14 beträgt B2. Werden
die Höhen
B1 und B2 addiert, ergibt sich in der Summe eine größere Höhe als die
Höhe h
der Stützschicht 15.
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Obgleich
das BCB noch nicht vernetzt ist, d. h. noch klebrig ist, wird zusätzlich eine
optionale Klebeschicht 151 auf die dem zweiten Substrat 12 zugewandte
Oberfläche 150 der
Stützschicht 15 aufgebracht.
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Dadurch,
dass die in die Stützschicht 15 eingebrachte Öffnung 170 die
Kontaktfläche 110 vollkommen
umschließt,
ist eine ausreichende Toleranz bei der Positionierung des zweiten
Substrats 12 gegeben.
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Beim
anschließenden
Kleben und Thermokompressionsbonden wird der Bump 131 von
einer Höhe
von 25 μm
auf 15 μm
in der Höhe
reduziert, wobei sich der Durchmesser aufgrund der Volumenkonstanz
von 30 μm
auf ca. 39 μm
verbreitert. Der komprimierte Bump 131' verbindet sich mit dem zweiten Kontaktelement 14 zu
einer elektrischen Kontaktierung 16. Nach dem Kleben und
Thermokompressionsbonden ist die elektronische Bauteilanordnung 10 fertiggestellt.
Wie aus den 2c bzw. 2e deutlich
hervorgeht, berührt
die Stützschicht 15 die
ersten bzw. zweiten Kontaktelemente 13, 14 sowie
die elektrische Kontaktierung 16 nicht. Es wäre jedoch
auch möglich,
die Größe der Grundteilfläche 170 so
zu wählen,
dass die elektrische Kontaktierung 16 die Stützschicht
berührt,
wobei die ersten und zweiten Kontaktelemente vor dem Verbinden miteinander
die Schutzschicht 15 nicht berühren. Weiterhin ist es möglich, dass
die Stützschicht 15 derart
entfernt wird, dass die Teilgrundfläche 170 mit der Kontaktfläche 110 übereinstimmt.
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Obgleich
im vorliegenden Ausführungsbeispiel
sowohl die Stützschicht 15 als
auch die Bumps 131 auf dem ersten Substrat 11 angeordnet
sind, ist es ebenso möglich,
die Bumps als Teil der zweiten Kontaktelemente 14 auszubilden,
wobei dann auf einen zusätzlichen
Bump auf dem ersten Kontaktelement 13 verzichtet wird.
Die Stützschicht 15 wird
wiederum auf dem ersten Substrat 11 aufgebracht. Alternativ
kann das Aufbringen der Stützschicht
auch auf dem zweiten Substrat 12 erfolgen.
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In
den 3a bzw. 3b wird
eine alternative Ausführungsform
der Bauteilanordnung dargestellt. Auf dem als Schaltungsträger ausgebildeten ersten
Substrat 11 ist wiederum eine Stützschicht 15' aufgebracht,
welche im vorliegenden Fall aus einem bereits vernetzten Polymer
besteht und mit einer zusätzlichen
Klebeschicht 151 belegt ist. Die Höhe h der Stützschicht 15' ist kleiner
als die addierte Höhe B1
und B2 der ersten und zweiten Kontaktelemente. Die ersten Kontaktelemente 13 bestehen
aus einem Bump 132, auf welchen ein metallischer Schaum 133 aufgebracht
wird. Der metallische Schaum ist aufgrund seiner Porosität komprimierbar,
so dass er beim Thermokompressionsbonden des ersten Substrats 11 mit
dem als optischen Element vorliegenden zweiten Substrat 12 komprimiert
wird, ohne dass sich der Durchmesser der ersten und zweiten Kontaktelemente
im Wesentlichen verändert.
Hierdurch wird eine in ihrer Grundfläche gleiche elektrische Kontaktierung 16' geschaffen,
welche Teil der Bauteilanordnung 10' ist. In der 3b ist
insbesondere der komprimierte metallische Schaum 133' sichtbar.
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Entgegen
dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel
wurde die Stützschicht 15' zunächst auf
das erste Substrat 11 aufgebracht, bevor die ersten Kontaktelemente 13 auf
dieses aufgebracht wurden. Es wurden also lediglich die Kontaktflächen bzw. die
Teilgrundflächen 170,
wie in 2d gezeigt, strukturiert bzw.
freigestellt und die ersten Kontaktelemente 13 auf dem
ersten Substrat erst anschließend
erzeugt. Selbstverständlich
ist es auch hier möglich,
lediglich Metallisierungen wie die Kontaktpads 130 aufzubringen
und den Bump als Teil des zweiten Kontaktelements 14 auszubilden.
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In
den 4a bis 4d wird
eine Verfahrensvariante zur Herstellung einer Bauteilanordnung dargestellt,
bei welcher die ersten und zweiten Kontaktelemente mittels Umschmelzen
miteinander verbunden werden. In der 4a ist
ein erstes Substrat 11 gezeigt, auf welches zunächst eine
Stützschicht 15 aufgebracht
wird. Die Stützschicht
weist eine Höhe
h auf, wobei diese beispielsweise 50 μm betragen kann. Auf der Stützschicht 15 befindet
sich eine Klebeschicht 151, da das verwendete Polymer der Stützschicht 15 bereits
ausgehärtet
ist. Auf dem ersten Substrat 11 befinden sich zweite Kontaktelemente 23,
wobei diese aus einer Untermetallisierung 230 und einem
darauf aufgebrachten Bump 231 aufgebaut sind. Die ersten
Kontaktelemente 23 werden dabei nach dem Strukturieren
der Stützschicht 15 in
die Teilgrundflächen 170,
wie in der 2d gezeigt, eingebracht. Selbstverständlich ist
es auch hier möglich, die
Bumps nicht als Teil der ersten Kontaktelemente 23, sondern
als Teil der zweiten Kontaktelemente 14 auszubilden. Die
addierte Höhe
B1 und B2 der ersten und zweiten Kontaktelemente 23 bzw. 14 ist
kleiner als die Höhe
h der Stützschicht 15.
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Wie
aus der 4b ersichtlich ist, wird nach dem
Verbinden des ersten Substrats 11 mit dem als mikromechanischen
Element ausgebildeten zweiten Substrat 12 eine stoffschlüssige Verbindung
zwischen diesen beiden Bauteilen lediglich durch die Stützschicht 15 vermittelt.
Es besteht keine elektrische Kontaktierung zwischen den ersten Kontaktelementen 23 und
den zweiten Kontaktelementen 14.
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Da,
wie aus der 2d ersichtlich ist, die Teilgrundfläche 17 ein
zusammenhängendes
Gebiet ist, kann nach dem Verbinden des ersten Substrats 11 mit
dem zweiten Substrat 12 eine Reinigung der sich gegenüberliegenden
Kontaktflächen
der ersten Kontaktelemente 23 und der zweiten Kontaktelemente 14 beispielsweise
mit einer wasserstoffhaltigen Atmosphäre vorgenommen werden. Hierdurch
wird eine mögliche
Oxidation der Kontaktflächen
reduziert. Bei der noch nicht fertiggestellten elektronischen Bauteilanordnung
der 4b ist das erste Substrat 11 mit dem
zweiten Substrat 12 bereits verklebt. Nach der Reinigung
mit einem Gas wird die Temperatur derart erhöht, dass die Bumps 231 aufschmelzen
und aufgrund des veränderten
Aggregatzustands eine Kugelform 232 einzunehmen versuchen,
wie in der 4c illustriert ist. Da die Kugeloberfläche der
Kugelform 232 jedoch zunächst mit dem zweiten Kontaktelement 14 in
Kontakt tritt, wird die gesamte Kontaktfläche des zweiten Kontaktelementes 14 benetzt,
so dass eine elektrische Kontaktierung 26 mit einem hyperbolischen
Bump 233 wie in 4d gezeigt
entsteht. Eine stoffschlüssige
Verbindung zwischen dem ersten Substrat 11 und dem zweiten
Substrat 12 ist nun sowohl durch die Stützschicht als auch durch die
elektrischen Kontaktierungen vermittelt.
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Obgleich
die in den 2 bis 4 gezeigten Ausführungsformen
jeweils eine separate Stützschicht 15 aufweisen,
kann die Stützschicht 15 auch durch
eine Strukturierung beispielsweise eines als Schaltungsträgers ausgebildeten
Wafers selbst erzeugt werden, wobei in diesem Öffnungen ausgebildet werden,
in welche die Kontaktmetallisierungen eingebracht werden und die
verbleibende Oberfläche des
strukturierten ersten Substrats mit einer Klebeschicht versehen
und anschließend
mit einem beispielsweise als elektronischen Bauteil ausgebildeten zweiten
Substrats verbun den wird. Ein Siliziumwafer würde also Gräben aufweisen, wobei die Böden der Gräben die
Teilgrundfläche
bilden und in diesen die ersten Kontaktelemente angeordnet sind,
wobei die ersten Kontaktelemente die Wände der Gräben vorzugsweise nicht berühren.
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In
den 5a bis 5c ist
eine alternative Ausführungsform
einer Bauteilanordnung dargestellt, wobei die Bumps hierbei als
Teile der zweiten Kontaktelemente ausgebildet sind. In der 5a ist
ein als elektronisches Element ausgebildetes erstes Substrat 11 mit
ersten Kontaktelementen 33 zu sehen, auf welches zunächst eine
Stützschicht überdeckend
aufgebracht ist. In einem Verfahrensschritt zwischen den 5a und 5b bzw. 5c wird die
Stützschicht 15 in
einem subtraktiven Prozess strukturiert, so dass die dem ersten
Substrat 11 abgewandten Kontaktflächen 110 der ersten
Kontaktelemente 33 nicht überdeckt, sondern freigelegt
sind. Die Stützschicht 15 weist
dabei eine zusätzliche
Klebeschicht auf, welche mit der Oberfläche des als Schaltungsträger ausgebildeten
zweiten Substrats 12 eine stoffschlüssige Verbindung eingeht. In
der 5b ist im Wesentlichen die Verfahrensvariante der 3 dargestellt, d. h., dass die addierte
Höhe der
ersten und zweiten Kontaktelemente kleiner ist als die Höhe der Stützschicht.
Die Verbindung der Kontaktflächen
zu einer elektrischen Kontaktierung erfolgt mittels Löten oder
Umschmelzen. In der 5c ist im Wesentlichen das Verfahren
der 2 beschrieben, d. h. Kompression
mit Ultraschallschweißen
oder eine Thermokompression.
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Anhand
der 6a bis 6c sollen
unterschiedliche Strukturierungen bzw. Geometrien von Stützschichten
dargestellt werden. In der 6a ist eine
besonders einfache Geometrie einer Stützschicht 15 gezeigt.
Auf einem ersten Substrat 11 sind erste Kontaktelemente
mit einer Kontaktfläche 110 aufgebracht,
wobei sämtliche
Kontaktelemente in der Peripherie des ersten Substrats 11 liegen.
Die Geometrie der Stützschicht 15 ist
so gewählt,
dass diese eine große
Fläche
in der Mitte des ersten Substrats 11 abdeckt. Die nicht
durch die Stützschicht 15 überdeckte
Teilfläche 17 umschließt sämtliche
Kontaktflächen 110.
Bei einer derartigen Ausführung
kann die Stützschicht 15 beispielsweise
einfach aufgedruckt bzw. aufgepresst werden, so dass ein Strukturieren nach
dem Aufbringen der Stützschicht 15 entfallen kann.
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In
der 6b ist eine kompliziertere Geometrie von Anordnungen
erster Kontaktelemente auf einem ersten Substrat 11 dargestellt.
In der Aufsicht zu sehen sind die Kontaktflächen 110 sowie fünf nicht miteinander
verbundene Segmente der Stützschicht 15,
wobei die Strukturierung der Stützschicht 15 in
einem subtraktiven Prozess vorgenommen wurde. Dabei ist die Strukturierung
so gewählt,
dass die Teilfläche 17 mehrfach
zusammenhängend
ist, was bedeutet, dass man von jedem Punkt der Fläche 17 zu
jedem anderen Punkt der Fläche 17 gelangt,
ohne sich aus der Ebene der Fläche 17 hinausbewegen
zu müssen.
Um das Konzept der Teilgrundfläche
verständlicher
zu machen, sind zwei unterschiedlich große Teilgrundflächen 170 und 170' eingezeichnet. Die
Größe der Grundfläche 170 beträgt hier
150% der Kontaktfläche 110,
die Größe der Grundfläche 170' dagegen 120%
der Kontaktfläche 110.
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In
der 6c ist die Unterseite eines als elektronisches
Bauteils wie einem ungehäusten
integrierten Schaltkreis ausgebildeten zweiten Substrats 12' gezeigt, bei
welchem die strukturierte Stützschicht 15 die
Kontaktflächen 120 der
zweiten Kontaktelemente nicht überdeckt
und nicht berührt.
Zudem befindet sich eine mit der Teilfläche 17 nicht zusammenhängende Kavität 19 auf
der Unterseite des zweiten Substrats 12', wobei in der Kavität 19 ein Sensorelement 20 angeordnet
ist. Bei dem Sensorelement 20 kann es sich um einen Druck-
oder Beschleunigungssensor, aber auch um einen Gas-, Chemo- oder
Biosensor handeln. Alternativ können andere
oder weitere Komponenten wie z. B. SAW-Filter, Ultraschallsensoren,
Antennen oder andere Leistungselemente in die Kavität 19 eingebracht
werden. Dadurch, dass die Kavität 19 nicht
mit der Teilfläche 17 verbunden
und nach der Montage mit einem ersten Substrat vollständig durch
die Stützschicht
umschlossen ist, sind die in der Kavität 19 angeordneten Elemente
gut vor Fremdeinflüssen
geschützt,
ohne dass Messergebnisse der Sensoren verfälscht werden.
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Ersetzt
man das als elektronisches Bauteil ausgebildete Substrat 12' der 6c z.
B. durch einen CMOS-Kamerawafer,
ist es möglich,
einen Kamerachip mit einem Modulträger aus Glas herzustellen,
wobei ein Glassubstrat das erste Substrat und der Kamerachip das
zweite Substrat bildet. Hierzu wird der CMOS-Kamerawafer zunächst auf 50 μm abgedünnt und
einem Handlingwafer mit der Frontseite nach oben umgespannt. Eine
Stützstruktur
wird so aufgebracht und lokal um die Kontaktflächen freigelegt und im selben
Schritt die Fläche
mit den Pixelsensoren freigestellt, d. h. die Kavität erzeugt.
Der Wafer wird anschließend
gesägt,
und die CMOS-Kamerachips werden vereinzelt. Ein Glassubstrat mit elektrischen
Leiterbahnen für
die Umdrahtung und Kontaktstrukturen wird mit mechanischen Gold-Stud-Bumps
versehen. Der CMOS-Kamerachip wird
mit der Stützstruktur
in einen dünn
ausgestrichenen Klebstoff getaucht, wobei ein dünner Klebefilm aufgenommen
wird. Mittels Thermokompression werden die Kontaktanschlüsse mit
den mechanischen Gold-Stud-Bumps auf dem Glassubstrat verschweißt und gleichzeitig
die Stützstruktur
mit dem Glas verklebt.
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In
der 7a wird eine Bauteilanordnung 100 gezeigt,
bei welcher mehrere zweite Substrat 12, 12' planar auf
einem ersten Substrat 11 angeordnet sind. Zwischen jeweils
einem zweiten Substrat 12 bzw. 12' und dem ersten Substrat befinden
sich die dem jeweiligen zweiten Substrat 12 bzw. 12' zugeordnete
Stützstruktur 15 und
die elektrischen Kontaktierungen 16. Dabei kann das zweite
Substrat 12' ein elektronisches
Element und das zweite Substrat 12'' ein
weiterer Schaltungsträger
oder ebenfalls ein elektronisches, optisches oder mikromechanisches
Element sein. Auf diese Weise kann also ein als erstes Substrat
dienender Wafer vollständig
bestückt
und erst später
vereinzelt werden. In der 7b ist
eine weitere Ausführungsvariante
einer Bauteilanordnung 100' gezeigt,
bei welcher die zweiten Substrate 12 bzw. 12' planar auf
dem ersten Substrat 11 angeordnet sind. Zudem sind die
Ränder 122 bzw. 122' der zweiten
Substrate 12 bzw. 12' durch eine Verkapselungsmasse 30 jeweils
mit dem ersten Substrat 11 verbunden. Durch die Verfüllung des
Spaltes zwischen den benachbarten zweiten Substrate 12 bzw. 12' werden die
Kanten der zweiten Substrate 12 bzw. 12' zusätzlich geschützt.
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In
der 8 ist ein gestapelter Aufbau von elektronischen
Bauteilen dargestellt. Auf einem ersten Substrat 11 werden
zunächst
zwei als elektronische Elemente ausgebildete zweite Substrate 12 bzw. 12' planar nebeneinander
angeordnet. Auf die zweiten Substrate 12 bzw. 12' wird jeweils
ein weiteres als elektronisches, optisches oder mikromechanisches
Elements ausgebildetes Substrat 22 bzw. 22' aufgebracht,
wobei die zweiten Substrate 12 bzw. 12' auf ihrer dem
ersten Substrat 11 abgewandten Oberfläche weitere erste Kontaktelemente 13' aufweisen, welche
mit den weiteren zweiten Kontaktelementen 14' der weiteren zweiten Substrate 22 bzw. 22' verbunden werden.
Dazwischen liegt eine weitere Stützschicht 15''.
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Auf
den weiteren zweiten Substraten 22 bzw. 22' sind wiederum
weitere zweite Substrate 32 bzw. 32' angeordnet, so dass ein Stapel
von zweiten Substraten auf einem ersten Substrat 11 erzeugt
wird. Bei der Herstellung einer derartigen dreidimensionalen Bauteilanordnung 100'' werden vorteilhafterweise erste
und zweite Kontaktelemente verwendet, deren addierte Höhe geringer
ist als die Höhe
der jeweiligen Stützschicht 15 bzw. 15''. Dabei werden zunächst die zweiten
Substrate auf dem ersten Substrat bzw. die weiteren zweiten Substrate
auf den zweiten Substraten angeordnet, so dass es zu einer stoffschlüssigen Verbindung
zwischen erstem Substrat, Stützschicht, zweiten
Substrat sowie dem zweiten Substrat, der Stützschicht und dem weiteren
zweiten Substrat kommt. Erst anschließend werden die so gestapelten,
jedoch noch nicht miteinander elektrisch verbundenen zweiten Substrate
in einem einzigen Prozessschritt fertiggestellt, da durch eine Temperaturerhöhung zeitgleich
sämtliche
Bumps aufgeschmolzen werden (siehe Verfahren wie in den 4 beschrieben) und alle elektrischen Kontaktierungen 16 bzw. 16'' hergestellt werden.