DE19728693C2

DE19728693C2 - Semiconductor module

Info

Publication number: DE19728693C2
Application number: DE19728693A
Authority: DE
Inventors: Detlef Dr Ing Houdeau
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 1997-07-04
Filing date: 1997-07-04
Publication date: 1999-04-29
Anticipated expiration: 2017-07-05
Also published as: WO1999001897A1; DE19728693A1

Description

Halbleitermodule bestehen in der Regel aus einem Halbleiter- Chip, der auf einem Träger angeordnet ist. Weiterhin weist der Halbleiter-Chip einen oder mehrere Kontakte, sogenannte Kontakt-Pads, auf. Nunmehr wird üblicherweise der Halbleiter- Chip auf den Träger mit der Rückseite zum Beispiel durch Kleben befestigt. Die Vorderseite, auf der sich die Kontakt- Pads befinden ist dem Träger abgewandt. Um den Halbleiter- Chip betreiben zu können, weist der Träger wiederum Kontaktierungseinrichtungen auf, die bisher in der Regel mittels Draht-Bondtechnik mit den Kontakt-Pads verbunden sind.Semiconductor modules usually consist of a semiconductor Chip that is arranged on a carrier. Furthermore points the semiconductor chip has one or more contacts, so-called Contact pads, on. Now the semiconductor Chip on the carrier with the back for example Glued attached. The front, on which the contact Pads are facing away from the wearer. To the semiconductor The carrier in turn has the ability to operate the chip Contacting facilities based on the rule so far connected to the contact pads using wire bonding technology are.

Unabhängig davon, ob eine derartige Anordnung in einem Gehäuse untergebracht wird oder direkt in einer Anordnung eingebaut wird, wie beispielsweise in einer Chipkarte, Multimediakarte, Taschenrechner in Scheckkartengröße usw., besteht zum einen das Bedürfnis, derartige Anordnungen möglichst dünn zu gestalten. Hierzu bestehen derzeit die größten Entwicklungsmöglichkeiten darin, den Halbleiter-Chip möglichst dünn zu schleifen bzw. zu ätzen. Andererseits besteht die Notwendigkeit den Halbleiter-Chip bzw. Bonddrähte zu schützen. Zu diesem Zweck wird die Oberseite bzw. es werden die Bonddrähte mit einer Abdeckung versehen. Da die Rückseite direkt auf dem Träger aufsitzt braucht diese nicht gesondert geschützt zu werden.Regardless of whether such an arrangement in one Housing is housed or directly in an arrangement is installed, such as in a chip card, Multimedia card, pocket-sized calculator, etc., on the one hand there is a need for such arrangements as thin as possible. There are currently biggest development opportunities in it, the semiconductor chip to grind or etch as thinly as possible. On the other hand there is a need for the semiconductor chip or bond wires to protect. For this purpose the top or it the bond wires are covered. Since the The back does not need to sit directly on the carrier to be protected separately.

Seit einiger Zeit findet eine geänderte Montageanordnung Anwendung. Bei dieser wird der Halbleiter-Chip mit der Seite, auf der sich die Kontakt-Pads befinden auf dem Träger angeordnet. Dabei müssen dem Kontakt-Pads gegenüberliegend Kontaktgegenstücke vorgesehen sein, die mit den Anschlußkontakten des Substrats elektrisch verbunden sind. Diese Anordnung weist den Vorteil auf, daß das Herstellen der zweistufigen Chip- und Draht-Bondverbindungen entfällt, wodurch die Montagezeit verkürzt wird. Gleichzeitig wird in der Gesamtdicke der Anordnung ein großer Teil eingespart, da die von den Bonddrähten gebildeten Drahtschleifen einen erheblichen Raumbedarf einnehmen. Bei dieser Art der Montage liegt die Rückseite des Halbleiter-Chips frei. Sie müßte eigentlich nicht extra gegen Feuchte oder gegen Chemikalien geschützt werden, da sie nur aus dotiertem Halbleiter material, üblicher Weise Silizium (Einkristall) besteht. Silizium ist allerdings ein bei Raumtemperatur sprödes, bruchempfindliches Material, das an der Oberfläche nicht beschädigt werden darf, da sonst die mechanische Festigkeit drastisch abnimmt. Bei vielen Anwendungen, die eine extrem geringe Dicke des Halbleiter-Chips voraussetzen besteht jedoch gleichzeitig die Anforderung an hohe mechanische Festigkeit, da die Halbleiter-Chips in der Regel bei derartigen Anwendungen einer Biege- und/oder Torsionsbe lastung ausgesetzt werden können.For some time now there has been a change in the assembly arrangement Application. In this case, the semiconductor chip is on which the contact pads are located on the carrier arranged. The contact pads must be opposite Contact counterparts may be provided with the Terminal contacts of the substrate are electrically connected. This arrangement has the advantage that the manufacture of two-stage chip and wire bond connections are eliminated, which shortens the assembly time. At the same time, in a large part of the total thickness of the arrangement, since the wire loops formed by the bond wires one occupy considerable space. With this type of assembly the back of the semiconductor chip is exposed. You should not really against moisture or chemicals are protected as they are only made of doped semiconductors material, usually silicon (single crystal). However, silicon is brittle at room temperature, break-sensitive material that is not on the surface may be damaged, otherwise the mechanical strength decreases dramatically. In many applications, the one extreme presuppose small thickness of the semiconductor chip but at the same time the requirement for high mechanical Strength since the semiconductor chips usually at such applications of a bending and / or torsion load can be exposed.

Aus der DE 44 24 396 A1 ist beispielsweise ein Modul zum Einbau in Chipkarten oder anderen Datenträgern bekannt. Bei diesen erfolgt die Montage im sogenannten "controlled collapse chip connection"-Technik oder der sog. C4-Technik. Bei dieser Anordnung ist kein zusätzlicher Schutz der Chiprückseite vorgesehen, so daß zur Gewährleistung der notwendigen mechanischen Stabilität der Halbleiter-Chip eine Mindestdicke von typischerweise 280 µm aufweisen muß. Nachteil dieser Anwendung ist, daß sich mechanische Beschädigungen an der Oberfläche eines Halbleiter-Chips, der beispielsweise aus Silizium besteht, durch den gesamten Kristall bis zur gegenüberliegenden Oberfläche ausdehnen können.DE 44 24 396 A1, for example, describes a module for installation known in chip cards or other data carriers. With these the assembly takes place in the so-called "controlled collapse chip connection "technology or the so-called C4 technology. With this Arrangement is no additional protection for the back of the chip provided so that to ensure the necessary mechanical stability of the semiconductor chip a minimum thickness of typically 280 µm. Disadvantage of this Application is that mechanical damage to the Surface of a semiconductor chip made of, for example Silicon is made up through the entire crystal can stretch opposite surface.

Aus der US 5,155,068 ist ein Halbleitermodul gemäß Oberbe griff des Patentanspruchs 1 bekannt. Die Dicke des Halbleiter-Chips ist so dünn ge wählt, daß er bei externer Belastung nicht bricht.From US 5,155,068 is a semiconductor module according to Oberbe handle of claim 1 known. The thickness of the semiconductor chip is so thin chooses not to break under external stress.

Bei diesem Modul liegt die Oberfläche der Halbleiterrückseite wie bei der zuvor genannten DE 44 24 396 A1 frei. With this module lies the surface of the semiconductor back as in the previous one mentioned DE 44 24 396 A1 free.

Aus der DE 195 41 039 Al ist ebenfalls ein solches Halb leitermodul bekannt, bei dem die Möglichkeit der alternativen Verwendung eines Klebers bzw. Lots zusätzlich genannt ist.Such a half is also from DE 195 41 039 A1 known module, in which the possibility of alternative Use of an adhesive or solder is also mentioned.

Aus der FR 2 740 906 A1 ist weiterhin bekannt, bei einem Halbleitermodul ein Harz und darauf eine Schicht zur me chanischen Stabilisierung vorzusehen.From FR 2 740 906 A1 it is also known, in one Semiconductor module a resin and then a layer to me provide mechanical stabilization.

Schließlich ist aus der JP 4-74447 A und der JP 3-4543 A ein Halbleitermodul bekannt, das auf einem Träger einen Halbleiter-Chip aufweist, und das auf der dem Halbleiterchip gegenüberliegenden Seite des Trägers ein Verstärkungselement aufweist.Finally, from JP 4-74447 A and JP 3-4543 A Known semiconductor module, the one on a carrier Has semiconductor chip, and that on the semiconductor chip opposite side of the carrier a reinforcing element having.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Halb leitermodul vorzusehen, das bei minimaler Gesamtdicke mit möglichst geringem Aufwand eine hohe Zuverlässigkeit aufweist. The invention is therefore based on the object, a half provide module with the minimum overall thickness with Reliability as low as possible having.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Mitteln gelöst. Dadurch, daß der Halbleiter- Chip mit der Seite, die die Kontakt-Pads aufweist direkt gegen den Träger befestigt ist, wird für das Halbleitermodul der Raum für die Bondverbindung eingespart. Dadurch, daß der Halbleiter-Chip auf der Rückseite eine Schutzschicht aufweist, kann auf das nachträgliche Auftragen einer Versiegelung, die nach der Montage des Halbleiter-Chips auf dem Träger zu erfolgen hätte, verzichtet werden, wobei der Halbleiter-Chip trotz verminderter Dicke eine ausreichende mechanische Stabilität aufweist.This object is achieved with the in claim 1 specified means solved. Because the semiconductor Chip directly with the side that has the contact pads attached to the carrier is used for the semiconductor module the space for the bond connection is saved. The fact that the Semiconductor chip on the back a protective layer has, can be applied to the subsequent application Sealer that after mounting the semiconductor chip on the carrier would have to be done, the Semiconductor chip sufficient despite the reduced thickness has mechanical stability.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den untergeordneten Ansprüchen angegeben.Further advantageous embodiments of the invention are in specified the subordinate claims.

Insbesondere durch die Verwendung einer anorganischen nichtmetallischen Schicht, wie zum Beispiel die Ormocere, aber auch Glaslote, die einen an Silizium angepaßten thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, ist eine gute Verträglichkeit mit dem Material des Halbleiter-Chips gewährleistet, wobei dieses Material gleichzeitig eine ausreichende Festigkeit aufweist, um den notwendigen mechanischen Schutz zu gewährleisten.In particular through the use of an inorganic non-metallic layer, such as the Ormocere, but also glass solders that match a silicon thermal expansion coefficient is a good one Compatibility with the material of the semiconductor chip guaranteed, this material at the same time a has sufficient strength to the necessary to ensure mechanical protection.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert.The invention is based on a Embodiment with reference to the drawing explained.

In der Figur ist ein Halbleiter-Chip 1 an einem Träger 2 befestigt. Auf der Oberfläche des Trägers 2 sind Kontakte 3 vorgesehen. Diese Kontakte erstrecken sich über den Bereich des Halbleiter-Chips 1 hinaus. In der Figur nicht dargestellte Kontaktflächen des Halbleiter-Chips 1 bzw. Kontakt-Pads sind auf der dem Träger 2 zugewandten Oberfläche des Halbleiter-Chips 1 vorgesehen. Diese sind mittels einer elektrisch leitenden Verbindung 4 mit den über den Pads liegenden Kontakten 3 verbunden. In the figure, a semiconductor chip 1 is attached to a carrier 2 . Contacts 3 are provided on the surface of the carrier 2 . These contacts extend beyond the area of the semiconductor chip 1 . Contact surfaces of the semiconductor chip 1 or contact pads (not shown in the figure ) are provided on the surface of the semiconductor chip 1 facing the carrier 2 . These are connected to the contacts 3 located above the pads by means of an electrically conductive connection 4 .

Die elektrisch leitende Verbindung 4 kann entweder aus einem elektrisch leitendem Kleber oder einem üblichen Lotmaterial bestehen. Gleichzeitig kann der Halbleiter-Chip 1 mittels Klebetechnik an dem Träger 2 befestigt sein.The electrically conductive connection 4 can either consist of an electrically conductive adhesive or a conventional solder material. At the same time, the semiconductor chip 1 can be attached to the carrier 2 by means of adhesive technology.

Auf der dem Träger 2 abgewandten Seite des Halbleiter-Chips 1, der eine Dicke von ca. 350 µm aufweist, ist eine Versiegelungsschicht 5 von etwa 10-100 µm aufgetragen. Hierbei handelt es sich um eine anorganische nichtmetallische Schicht, deren thermische Ausdehnung in der Nähe von einkristallinem Silizium liegt. Diese Schicht ist auf dem Halbleiterwafer vor dem sägetechnischen Vereinzeln aufgeschleudert und durch Abkühlung ausgehärtet. Vorzugsweise handelt es sich bei dem im sogenannten Spinn-Coat-Verfahren aufgebrachten Schicht um ein Glas mit niedriger Erweichungstemperatur. Gläser mit zum Silizium angepaßten thermischen Ausdehnungskoeffizienten sind sogenannte Borosilikat-Gläser bzw. Omocere. Durch Dotierung mit Selten- Erd-Oxid-Verbindungen oder Schwermetall-Oxiden können diese in ihrer Erweichungstemperatur unter 400°C reduziert werden. Man spricht bei diesen Glaslegierungen von Glasloten. 400°C stellt die höchste thermische Belastungsgrenze von strukturierten Halbleiterscheiben dar, ohne daß eine nennenswerte Veränderung der Eigenschaften des Halbleiterbauelementes durch Diffusion zum Beispiel auftreten. Das Glas bzw. Glaslot kann auch durch einen PVD- Schritt, z. B. mittels Sputtern aufgebracht werden. Auch andere Verfahren, wie anodisch Bonden sind denkbar. Bei diesem Verfahren wird eine etwa 50 µm Dicke Floatglasschicht aufgetragen. Ein Dotieren dieses Glases zur Erniedrigung der Erweichungstemperatur ist nicht notwendig, da der Schichtauftrag nicht aus der Flüssig-Phase auf dem wafer erfolgt sondern eine Bondtemperatur von ca. 254-400°C genügen, um nach wenigen Sekunden durch ein elektrisches Feld Innendiffusion zwischen Glas und Silizium zu erzeugen. On the side of the semiconductor chip 1 facing away from the carrier 2 , which has a thickness of approximately 350 μm, a sealing layer 5 of approximately 10-100 μm is applied. This is an inorganic non-metallic layer, the thermal expansion of which is close to single-crystal silicon. This layer is spun onto the semiconductor wafer before being separated by sawing and hardened by cooling. The layer applied in the so-called spin-coat process is preferably a glass with a low softening temperature. Glasses with thermal expansion coefficients matched to silicon are so-called borosilicate glasses or omocere. By doping with rare earth oxide compounds or heavy metal oxides, their softening temperature can be reduced below 400 ° C. These glass alloys are called glass solders. 400 ° C represents the highest thermal load limit of structured semiconductor wafers without any significant change in the properties of the semiconductor component due to diffusion, for example. The glass or glass solder can also by a PVD step, for. B. be applied by sputtering. Other methods, such as anodic bonding, are also conceivable. In this process, an approximately 50 µm thick float glass layer is applied. Doping this glass to lower the softening temperature is not necessary, since the layer application does not take place from the liquid phase on the wafer, but a bonding temperature of approx. 254-400 ° C is sufficient to allow internal diffusion between glass and glass after a few seconds To produce silicon.

Als Ormocere sind im einzelnen SiO₂, P₂O₅-FeO₂, Al₂O₃-SiO₂ und K₂O2-Al₂O₃-SiO₂ zu nennen.SiM ₂ , P ₂ O ₅ -FeO ₂ , Al ₂ O ₃ -SiO ₂ and K ₂ O2-Al ₂ O ₃ -SiO _{2 are} to be mentioned as Ormocere.

Der besondere Vorteil von Glas ist nicht nur im mechanischen Schutz des darunterliegenden einkristallinen Siliziums zu sehen, sondern auch in der dilathermischen Verwandtschaft der beiden Materialien, zu dem läßt sich Glas in gleicher Weise mit annähernd gleichen Prozeßparametern und Equipment sägen. Durch die rein amorphe Struktur des Glases wird verhindert, daß sich Anrisse im Glas, die zu Durchrissen bis zur Phasengrenze Glas-Silizium führen, nicht in das Grundmaterial des einkristallinen Siliziums fortsetzen. Der zuvor beschriebene Schutz schützt den Halbleiter-Chip nicht nur bei der endgültigen Anwendung vor Bruch durch Biegen bzw. Torsion, sondern auch bei der Herstellung des Halbleitermoduls, z. B. beim Abpicken von der Sägefolie und überall dort, wo mechanische Belastungen verursacht durch physikalische Kontakte dem Chip Vorschäden zuführen können. Zusätzlich kann die Glasschicht oberflächengehärtet werden, zum Beispiel durch einen Dotierungsgradienten quer durch die Schichtdicke oder ähnlich wie bei kratzschutzfesten Gläsern, durch spezielle Führung eines Temperaturgradientens.The special advantage of glass is not only mechanical Protection of the underlying single-crystalline silicon see, but also in the dilathermic relationship of Both materials, to which glass can be made in the same way saw with approximately the same process parameters and equipment. The purely amorphous structure of the glass prevents that there are cracks in the glass that lead to tears up to Phase boundary glass-silicon lead, not in the base material of the single crystal silicon. The one before Protection described not only protects the semiconductor chip the final application before breaking by bending or Torsion, but also in the manufacture of the Semiconductor module, e.g. B. when picking from the saw foil and wherever mechanical loads are caused by physical contacts can cause damage to the chip. In addition, the glass layer can be surface hardened, for example by a doping gradient across the Layer thickness or similar to scratch-resistant glasses, through special guidance of a temperature gradient.

Zur Vermeidung von Waferdurchbiegungen kann bei der Chip- Herstellung die anorganische nichtmetallische Schicht beidseitig auf dem Wafer bzw. Chip aufgetragen werden, wodurch mechanische Spannungskompensationen erzielbar sind.To avoid wafer deflection, the chip Production of the inorganic non-metallic layer are applied to both sides of the wafer or chip, whereby mechanical stress compensation can be achieved.

Claims

1. Semiconductor module with a semiconductor chip ( 1 ) which is attached to a surface (on which contact pads are arranged) on a carrier ( 2 ), and with at least one contact ( 3 ) which is on a semiconductor chip ( 1 ) opposite side of the carrier ( 2 ) is arranged, at least a region of the at least one contact ( 3 ) intersecting with the semiconductor chip ( 1 ), and wherein the at least one contact ( 3 ) has at least one contact pad is assigned to the semiconductor chip (1) and connected electrically, characterized in that the semiconductor chip (1) on the back of a mechanical rule protection and sufficient mechanical stability ensuring protective layer (5).

2. The semiconductor module according to claim 1, wherein the electrical connection between the contact ( 3 ) and the associated contact pad takes place by means of a conductive adhesive.

3. The semiconductor module according to claim 1, wherein the electrical connection between the contact ( 3 ) and the associated contact pad takes place by means of a solder connection.

4. Semiconductor module according to one of the preceding claims, wherein the protective layer ( 5 ) of the semiconductor chip ( 1 ) is an inorganic non-metallic layer.

5. The semiconductor module according to claim 4, wherein the inorganic non - metallic layer a material from the group of Ormocere is.

6. The semiconductor module according to claim 4 or 5, wherein the anor ganic non-metallic layer on both sides on the HL chip is applied.