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Die Erfindung betrifft eine elektrische
Verbindungsanordnung einer integrierten elektronischen Baugruppe
und eines Baugruppenträgers.
Die integrierte elektronische Baugruppe ist beispielsweise ein integrierter
Schaltkreis. Der Baugruppenträger
ist beispielsweise eine Leiterplatte oder ebenfalls ein integrierter
Schaltkreis.
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An der integrierten elektronischen
Baugruppe sind mehrere voneinander elektrisch isolierte Kontaktflächen ausgebildet,
um beispielsweise eine Betriebsspannung heranzuführen, elektrische Signale an
die elektrische Baugruppe anzulegen oder um elektrische Signale
aus der Baugruppe zu empfangen.
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An dem Baugruppenträger sind
den Kontaktflächen
zugeordnete Gegenkontaktflächen
angeordnet. Die Kontaktflächen
sind den Gegenkontaktflächen
zugeordnet, d.h. dass die Normalenrichtung einer Kontaktfläche entgegengesetzt
zu der Normalenrichtung der zugeordneten Gegenkontaktfläche liegt.
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Üblicherweise
werden solche Verbindungsanordnungen mit der sogenannten Plättchen-Schnellmontage-Technik
hergestellt, die auch unter dem Namen flip-chip-Technik bekannt
ist. Das Plättchen
wird mit einer Glasschicht passiviert. Nach dem Passivieren werden
Kontaktlöcher
in die Passivierungsschicht eingebracht, wobei sogenannte Anschluss-Pads
freigelegt werden. Auf diese Pads werden Kontakthöcker aufgebracht,
die vollständig
aus einem Lotkügelchen
bestehen oder die einen härteren
kugelförmigen
Metallkern enthalten, der vollständig
oder auch nur teilweise von dem Lot umgeben ist.
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Bei der Plättchen-Schnellmontage-Technik werden
dann alle Kontakte gleichzeitig verlötet. Damit unterscheidet sich
die Plättchen-Schnellmontage-Technik
grundsätzlich
von der wesentlich länger dauernden
Kontaktierung mit Drähten,
die nacheinander ausgeführt
wird.
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Das Anbringen von Lotkügelchen
auf den Anschluss-Pads gehört
heute zu einem Standardverfahren der Halbleitertechnik, wenn Plättchen bzw. Chips
hergestellt werden, die für
die Plättchen-Schnellmontage-Technik
verwendet werden sollen. Demzufolge enthält auch die Verbindungsanordnung
in den Verbindungen zwischen der elektronischen Baugruppe und dem
Baugruppenträger
Lotmaterial.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, eine
einfach aufgebaute Verbindungsanordnung mit elektrisch leitenden
Verbindungen zwischen einer elektronischen Baugruppe und einem Baugruppenträger anzugeben.
Außerdem
sollen eine zugehörige
Verwendung und ein zugehöriges
Herstellungsverfahren angegeben werden.
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Die auf die Verbindungsanordnung
bezogene Aufgabe wird durch eine Verbindungsanordnung mit den Merkmalen
des Patentanspruchs 1 gelöst. Weiterbildungen
sind in den Unteransprüchen
angegeben.
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Die Erfindung geht von der Überlegung
aus, dass es seit langem elektrisch leitfähige Leitklebstoff bspw. für den Temperaturbereich
von –40°C bis plus 70 °C gibt, die
zum Verkleben von elektronischen Bauelementen unter gleichzeitiger
Herstellung einer elektrisch leitfähigen Verbindung dienen. Dabei
sind die in den Leitklebstoffen enthaltenen Klebstoffe üblicherweise
organische Werkstoffe, mit denen sich feste Körper an aufeinanderpassenden
Oberflächenbereichen
ohne Veränderung
ihres Gefüges
miteinander verbinden. Um die elektrische Leitfähigkeit zu erzielen, werden
beispielsweise Polymerklebstoff mit Metallpulver versetzt. So weisen
mit Gold- oder Silber-Pulver versetzte Klebstoff mittlere elektrische
Widerstände
im Bereich zwischen einem bis fünf
10–6 Ω/m (Ohm
pro Meter) auf. Da auch Leitlacke Klebeeigen schaften haben, sind
sie ebenso wie Leitklebstoff zum Verkleben geeignet. Die Leitklebstoffe
bzw. Leitlacke bestehen aus duroplastischen, thermoplastischen oder
elastomeren Polymeren und können auch
mit unedlen Metallen wie Kupfer oder Nickel versetzt werden. Der
Füllgrad
beträgt
bis zu 80 Volumenprozent.
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Die Erfindung geht weiterhin von
der Überlegung
aus, dass man den Leitklebstoff bzw. den Leitlack auch an Stelle
der Durchführung
eines Lötverfahrens
bei den bereits mit Lotkügelchen
versehenen elektrischen Baugruppen verwenden könnte. In diesem Fall wären aber
die Verfahrensschritte zum Aufbringen des Lotmaterials und erst
recht die Verfahrensschritte zum Aufbringen des härteren Kerns
unter dem Lot unnötigerweise
ausgeführt
worden.
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Deshalb ist bei der erfindungsgemäßen elektrischen
Verbindungsanordnung der Zwischenraum zwischen jeweils einer Kontaktfläche und
ihrer Gegenkontaktfläche
frei von einer Lotschicht. Mit anderen Worten enthält die erfindungsgemäße Verbindungsanordnung
kein Lotmaterial zwischen den Kontaktflächen und damit auch kein zur
elektrischen Verbindung zwischen der elektrischen Baugruppe und dem
Baugruppenträger
dienendes Lotmaterial. Üblicherweise
verwendete Lotmaterialien für
sogenannte Weichlötprozesse,
d.h. Lötprozesse
unter 450°C, sind
Zinn-Blei-Legierungen, Zinn-Blei-Kupfer-Legierungen, Zinn-Blei-Silber-Legierungen,
Nickel-Gold-Legierungen
oder Gold-Zinn-Legierungen.
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Durch diese Maßnahme vereinfacht sich der Aufwand
der Verbindungsanordnung erheblich. Die Lotschichten werden gegen
den Trend weggelassen, wonach die integrierten elektrischen Baugruppen,
bei denen die elektrischen Verbindungen, insbesondere alle elektrischen
Verbindungen, simultan hergestellt werden, grundsätzlich mit
Lotkügelchen
versehen werden.
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Als Grundstoffe für einen Leitklebstoff sind grundsätzlich Epoxydharze,
Acrylat, Polyurethan, Cyanacrylat, anaerobe Klebstoffe und andere
Klebstoffe geeignet, die als Kaltklebstoff angewandt werden. Daneben
werden auch Warmklebstoffe, wie bspw. Epoxydharz, Phenolharz, Polyamidklebstoffe oder
Polyimidklebstoffe als Grundstoffe eingesetzt.
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Bei einer Weiterbildung der Verbindungsanordnung
sind die Kontaktfläche
und die Gegenkontaktfläche
ebene Flächen,
wie sie bei der Schichtabscheidung und den nachfolgenden Lithografieverfahren
zum Strukturieren einer metallischen Schicht entstehen. Das bedeutet,
dass keine zusätzlichen
Maßnahmen
getroffen werden müssen,
um die Kontaktfläche
nach der Strukturierung noch zu verändern.
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Bei einer anderen Weiterbildung der
Verbindungsanordnung berührt
der Leitklebstoff die Kontaktfläche
und die Gegenkontaktfläche
jeweils vollflächig.
Das bedeutet, dass insbesondere bei einer ebenen Kontaktfläche keine
vom Leitklebstoff bzw. vom Leitlack vollständig umgebenen aber nicht bedeckten Gebiete
auf der Kontaktebene entstehen, wie sie beim Verkleben einer mit
Lotkügelchen
versehenen Baugruppe mit Hilfe eines Leitklebstoffs entstehen würden.
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Bei einer anderen Weiterbildung enthält die Baugruppe
eine Metallisierungslage mit einer Vielzahl von elektrisch leitfähigen Leitbahnen.
Diese Metallisierungslagen werden üblicherweise als M1-, M2-,
M3-Lage usw. bezeichnet. Die Kontaktflächen sind bei der Weiterbildung
direkt an den Leitbahnen ausgebildet. Damit sind nach der Strukturierung
der Leitbahnen keine weiteren Maßnahmen zum Ausbilden der Kontaktflächen erforderlich.
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Bei einer nächsten Weiterbildung werden
die Kontaktflächen
durch eine Fläche
aus einem Material gebildet, aus dem mindestens 90 Prozent der Leitbahn
bestehen, welche die betreffende Kontaktfläche trägt. Ist die Leitbahn beispielsweise aus
Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung mit einem geringen Prozentsatz
von Zusatzstoffen, so befindet sich die Kontaktfläche ebenfalls
an einem Aluminiummaterial bzw. an einem Aluminium-Legierungsmaterial. An
Stelle des Aluminiums bzw. der Aluminiumlegierung werden in der
Verbindungsanordnung auch Kupfer- oder Kupferlegierung-Leitbahnen
eingesetzt, an denen die Kontaktflächen direkt ausgebildet werden.
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Bei einer nächsten Weiterbildung enthält die Verbindungsanordnung
mindestens drei Kontaktflächen,
d.h. auch mindestens drei Gegenkontaktflächen. Beispielsweise dienen
die drei Kontaktflächen zum
Zuführen
einer Betriebsspannung und eines Eingangssignals bzw. zum Zuführen einer
Betriebsspannung und zum Ausgeben eines Ausgangssignals. Jedoch
werden auch Verbindungsanordnungen mit mehr als zehn oder mehr als
einhundert Kontaktflächen
eingesetzt. Der Vorteil des simultanen Verklebens gegenüber einem
seriell ausgeführten
Verdrahten wird um so größer, je
mehr Kontaktflächen die
Verbindungsanordnung enthält.
Bei sehr vielen Kontaktflächen
wird auch das Bestreichen der Kontaktflächen bzw. der Gegenkontaktflächen mit
dem Leitklebstoff oder dem Leitlack simultan mit einem der Anordnung
der Kontaktflächen
angepassten Anordnung von Klebestempeln ausgeführt.
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Die Baugruppe ist beispielsweise
ein integrierter Schaltkreis mit einer Vielzahl von Transistoren,
z.B. ein Prozessor oder eine Speichereinheit mit einer Vielzahl
von Speicherzellen, beispielsweise mehrere Kilobyte. Jedoch ist
die Baugruppe alternativ oder kumulativ auch mit einem mikromechanischen
Bauelement versehen, vorzugsweise mit einem mikromechanischen Sensorelement.
Als Trägersubstrat
der Baugruppe wird bei einer Weiterbildung ein Halbleitersubstrat
eingesetzt. Jedoch kann das Trägersubstrat
auch ein Isolator sein, wie es bei der SOI-Technik (Silicon On Insulator)
der Fall ist.
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Bei einer Ausgestaltung trägt der Baugruppenträger mehrere
Baugruppen, die mit Hilfe des Baugruppenträgers untereinander elektrisch
verbunden werden. Der Baugruppenträger ist zum Erbringen einer
mechanischen Stabilität
der Verbindungsanordnung bei einer anderen Ausgestaltung mindestens
doppelt so dick wie die Baugruppe.
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Bei einer anderen Weiterbildung wird
zwischen der Baugruppe und dem Baugruppenträger ein Abstand allein durch
die elektrischen Verbindungen festgelegt. Zusätzliche mechanische Verbindungen
zwischen Baugruppe und Baugruppenträger sind nicht vorhanden. Bei
einer alternativen Weiterbildung liegt die Baugruppe außerhalb
der elektrischen Verbindungen auf dem Baugruppenträger auf,
wobei keine zusätzlichen
mechanischen Verbindungen zusätzlich
zu den elektrischen Verbindungen vorhanden sind.
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Die Erfindung betrifft außerdem eine
Verwendung der erfindungsgemäßen Verbindungsanordnung
bzw. einer ihrer Weiterbildungen in einer Chip-Karte. Chip-Karten
enthalten mindestens zwei einen Chip umgebende Folien aus Kunststoff.
Es handelt sich meist um einen kleinen auf einer Plastikkarte aufgebrachten
computerlesbaren Datenträger. Beispielsweise
werden die Daten in einem kleinen Mikroprozessor gespeichert. Solche
Chip-Karten werden auch Smartcards genannt, weil der Prozessor viele
neue Möglichkeiten
bietet. Die Chip-Karten gibt es in verschiedenen Größen, beispielsweise
in der Größe einer
Kreditkarte oder als SIM-Karte (Subscriber Identification Module),
wie sie in Mobilfunktelefonen eingesetzt werden, d.h. in sogenannten
Handys .
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Durch die erfindungsgemäße Verbindungsanordnung
lassen sich sehr dünne
Chip-Karten herstellen, weil sich die Leitklebstoffverbindungen
sehr dünn
ausbilden lassen bzw. weil nur Leitklebstoffverbindungen allein,
d.h. ohne zusätzliche
Lotmaterialschichten, verwendet werden.
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Die Erfindung betrifft außerdem ein
Verfahren zum Herstellen der erfindungsgemäßen Verbindungsanordnung bzw.
einer ihrer Weiterbildungen. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
wird der Leitklebstoff oder Leitlack direkt mit Kontaktflächen in Berührung gebracht,
die nach einem Passivierungsvorgang freigelegt worden sind. Das
bedeutet, dass zwischen dem Freilegen der Kontaktflächen und
dem Aufbringen des Leitklebstoffs keine zusätzlichen Schritte zum Aufbringen
eines Lotmaterials durchgeführt
werden.
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Im Folgenden werden andere Weiterbildungen
und Ausführungsbeispiele
an Hand der beiliegenden Zeichnungen erläutert. Darin zeigen:
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1 eine
Draufsicht auf einen Schaltkreisträger,
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2 eine
Unteransicht eines integrierten Schaltkreises,
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3 eine
Seitenansicht des auf den Schaltkreisträger mit einem elektrisch Leitklebstoff
geklebten integrierten Schaltkreises, und
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4 Verfahrensschritte
zum Herstellen der in 3 dargestellten
Verbindungsanordnung.
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1 zeigt
eine Draufsicht auf einen Schaltkreisträger 10, der im Ausführungsbeispiel
eine Leiterplatte ist, die bspw. C4-Material enthält. In 1 ist nur ein Ausschnitt
des Schaltkreisträgers 10 dargestellt.
Eine Leiterbahn 12 führt
beispielsweise von einer Kontaktfläche 14 in einen nicht
dargestellten Bereich des Schaltkreisträgers 10.
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Der in 1 dargestellte
Ausschnitt des Schaltkreisträgers 10 enthält eine
Reihe 16 von vier Kontaktflächen, zu denen neben der Kontaktfläche 14 noch
drei Kontaktflächen 18, 20 und 22 gehören. Parallel
und ausgerichtet zu der Reihe 16 ist eine Reihe 24 aus
vier Kontaktflächen 26, 28, 30 und 32 angeordnet.
Eine Kontaktfläche 34 liegt
außerhalb der
beiden Reihen 16 und 24 in der Nähe der Kontaktflächen 14 und 18 zwischen
den Reihen 16 und 24. Der Abstand der Kontaktfläche 34 zu
den Kontaktflächen 14 bzw. 18 kleiner
ist als der Abstand der Kontaktfläche 34 zu den Kontaktflächen 26 bzw.
28.
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In 1 ist
außerdem
ein Koordinatensystem 40 dargestellt, das eine x-Achse
42 hat, die entlang der Längsrichtung
des Schaltkreisträgers 10 zeigt,
wobei die Längsrichtung
auch mit der Aufreihrichtung der Kontaktflächen in der Reihe 16 bzw.
in der Reihe 24 übereinstimmt.
Eine y-Achse 44 liegt im Winkel von 90° (Grad) zu den Reihen 16 und 24.
Eine z-Achse 46 zeigt aus der Zeichenebene heraus und gibt die Richtung
an, in der vom Schaltkreisträger 10 aus.
gesehen ein integrierter Schaltkreis anzuordnen ist, der unten an
Hand der 2 näher erläutert wird.
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2 zeigt
einen integrierten Schaltkreis 50, der beispielsweise ein
Siliziumsubstrat enthält,
in dem eine Vielzahl von Transistoren angeordnet worden sind. In
einer Passivierungsschicht 52 sind Kontaktlöcher angeordnet,
die zu neun Kontaktflächen 54 bis 70 führen, die
spiegelsymmetrisch zu den Kontaktflächen 14 bis 32 angeordnet
sind. So liegen die vier Kontaktflächen 54, 56, 58 und 60 in
einer Reihe 72 und die vier Kontaktflächen 62, 64, 66 und 68 in einer
Reihe 74. Die Kontaktfläche 70 liegt
zwischen den beiden Reihen 72 und 74 näher an den
Kontaktflächen 62 und 64 als
an den Kontaktflächen 54 und 56.
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Aufgrund der spiegelsymmetrischen
Anordnung der Kontaktflächen 54 bis 70 des
Schaltkreises 50 zu den Gegenkontaktflächen 14 bis 32 des
Schaltkreisträgers 10 lassen
sich die Kontaktflächen 54 bis 68 und
die Gegenkontaktflächen 14 bis 32 genau übereinander
anordnen. Kontaktflächen
mit gleicher Lage zur Spiegelachse sind einander zugeordnet, beispielsweise
die Kontaktfläche 54 zur
Gegenkontaktfläche 26 oder
die Kontaktfläche 70 zur
Gegenkontaktfläche 34.
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3 zeigt
die Seitenansicht einer Verbindungsanordnung 100, die den
Schaltkreisträger 10 und
den integrierten Schaltkreis 50 enthält. Außerdem enthält die Verbindungsanordnung 100 elektrisch
leitfähige
Klebeverbindungen zwischen den Kontaktflächen 54 bis 70 und
den Gegenkontaktflächen 14 bis 34,
von denen in 3 Klebeverbindungen 102, 104, 106, 108 und 110 dargestellt
sind, die in dieser Reihenfolge zwischen den Kontaktflächen-Gegenkontaktflächen-Paaren 54, 26; 70, 34; 56, 28; 58, 30 bzw. 60, 32 liegen.
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Zwischen einer dem Schaltkreisträger 10 zugewandten
Oberfläche 112 der
Passivierungsschicht 52 und einer dem Schaltkreis 50 zugewandten
Oberfläche 114 des
Schaltkreisträgers 10 liegt
ein Spalt mit einer Spaltbreite A von beispielsweise 20 μm Mikrometer).
Die Länge
der Klebeverbindungen 102 bis 110 ist etwas größer als
die Spaltbreite A, bspw. um bis zu 10 Mikrometer, weil die Passivierungsschicht 52 im
Bereich der Kontaktlöcher
durchdrungen werden muss.
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Außer den Klebeverbindungen 102 bis 110 und
den in 3 nicht dargestellten
Klebeverbindungen zwischen Kontaktflächen und Gegenkontaktflächen gibt
es im Spalt mit der Spaltbreite A keine weiteren Elemente, insbesondere
keine weiteren Verbindungselemente. Im Bereich jeder Kontaktfläche und der
zugeordneten Gegenkontaktfläche
füllt die
Klebeverbindung 102 bis 110 den gesamten Zwischenraum
zwischen einer Kontaktfläche
und einer Gegenkontaktfläche
aus. Am Beispiel der Klebeverbindung 102 bedeutet dies,
dass sowohl entlang von Schnittebenen parallel zur Blattebene mit
beliebigem Versatz entgegen der Normalenrichtung der Blattebene, d.h.
in y-Richtung, als
auch für
Schnittebenen, die in der Ebene des Spaltes mit der Spaltbreite
A liegen, dass alle Schnitte im Bereich zwischen der Kontaktfläche 54 und
der Gegenkontaktfläche 26 ausschließlich das
Klebemittel schneiden. Insbesondere gehen diese Schnittebenen deshalb
nicht durch Lotmaterial, weil die Klebeverbindungen 102 bis 110 lotmaterialfrei
sind.
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Bei einem anderen Ausführungsbeispiel
gibt es eine Vielzahl von Kontaktflächen und Gegenkontaktflächen, beispielsweise
mehr als hundert.
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Die Klebeverbindungen 102 bis 110 dienen auch
zur mechanischen Befestigung des Schaltkreises 50 am Schaltkreisträger 10.
Bei einem Ausführungsbeispiel
gibt es keine weiteren Befestigungsmaßnahmen, so dass der Schaltkreis 50 in
sogenannter Nacktchiptechnik befestigt ist. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel
wird der Schaltkreis 50 mit einer Vergussmasse umgossen,
die einen Teil der mechanischen Befestigung übernimmt.
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4 zeigt
Verfahrensschritte zum Herstellen der in 3 gezeigten Verbindungsanordnung 100.
Das Verfahren beginnt in einem Verfahrensschritt 150. In
einer durch den folgenden Verfahrensschritt 152 angedeuteten
Folge von Fertigungsschritten werden auf einer Siliziumscheibe eine
Vielzahl von integrierten Schaltungen gefertigt. Die integrierten
Schaltungen enthalten mehrere Metallisierungslagen zum Herstellen
von elektrischen Verbindungen. Beispielsweise ist eine substratferne
vierte Metallisierungslage M4 die letzte Metallisierungslage.
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In einem folgenden Verfahrensschritt 154 werden
die integrierten Schaltungen der Halbleiterscheibe mit einer Passivierungsschicht überzogen, beispielsweise
mit einer Siliziumnitridschicht.
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In einem Verfahrensschritt 156 werden
in die Passivierungsschicht Kontaktlöcher zu Anschlusspads bzw.
zu Kontaktflächen
der Metallisierungslage M4 geätzt.
Danach werden die einzelnen integrierten Schaltkreise der Siliziumscheibe
vereinzelt.
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In einem Verfahrensschritt 158 werden
auf die Kontaktflächen
einer integrierten Schaltung gegebenenfalls nach der Reini gung der
Kontaktflächen kleine
Leitklebstoffportionen simultan aufgebracht, beispielsweise unter
Verwendung eines Stempels. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel
werden vorhandene Anlagen zum Aufbringen von Klebstoff im Rahmen
der Flip-Chip-Technik
für das
Aufbringen des Leitklebstoffs genutzt. Auch vorhandene Anlagen zum
Bonden werden bei einem weiteren Ausführungsbeispiel nach einem Umbau
zum Aufbringen des Leitklebstoffes verwendet, wobei an den Klebestellen
nacheinander Leitklebstoff aufgebracht wird.
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In einem Verfahrensschritt 160 wird
der mit Leitklebstoff versehene integrierte Schaltkreis auf einen
Schaltkreisträger
geklebt. Nach dem Aushärten des
Leitklebstoffs wird der Schaltkreisträger weiter bearbeitet, beispielsweise
bei der Herstellung einer Chip-Karte. In einem Verfahrensschritt 170 wird
das Verfahren beendet.
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Bei einem dem anhand der Figuren
erläuterten
Ausführungsbeispiel
werden keine zusätzlichen Bondverbindungen
zwischen dem Schaltkreis und dem Schaltkreisträger verwendet.
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- 10
- Schaltkreisträger
- 12
- Leitbahn
- 14
- Kontaktfläche
- 16
- Reihe
- 18
bis 22
- Kontaktfläche
- 24
- Reihe
- 26
bis 34
- Kontaktfläche
- 40
- Koordinatensystem
- 42
- x-Achse
- 44
- y-Achse
- 46
- z-Achse
- 50
- integrierter
Schaltkreis
- 52
- Passivierungsschicht
- 54
bis 70
- Kontaktfläche
- 72,
74
- Reihe
- 100
- Verbindungsanordnung
- 102
bis 110
- Klebeverbindung
- 112,
114
- Oberfläche
- A
- Spaltbreite
- 150
- Start
- 152
- Chipfertigung
- 154
- Passivieren
- 156
- Ätzen von
Kontaktlöchern
- 158
- Aufbringen
des Klebstoffes
- 160
- Montage
- 170
- Ende