DE2363833A1

DE2363833A1 - Verfahren und vorrichtung fuer den zusammenbau von halbleiterelementen

Info

Publication number: DE2363833A1
Application number: DE2363833A
Authority: DE
Inventors: Terry Wayne Noe
Original assignee: Texas Instruments Inc
Current assignee: Texas Instruments Inc
Priority date: 1973-01-02
Filing date: 1973-12-21
Publication date: 1974-07-04
Also published as: FR2212642B1; DD107812A5; FR2212642A1; CA1086430A; KR780000595B1; US3859718A; PH9927A; DE2363833C2; GB1447524A; BR7309074D0; JPS4999477A; PL87007B1; IT991996B; RO64695A; JPS5751732B2; JPS57164556A; HU167861B

Description

Unser Zeichen: T 1452

TEXAS INSTRUMENTS INCORPORATED
I35OO North Central Expressway
Dallas _t Texas, V.St.A.

Verfahren und Vorrichtung für den Zusammenbau von Halbleiterelementen

Die Erfindung betrifft den Zusammenbau von Halbleiterelementen und insbesondere den Zusammenbau eines kunststoffgekapselten integrierten Dual-in-line-Schaltungsbausteins (d.h. eines«Schaltungsbausteins mit zwei Anschlußleisten) unter Verwendung von Material und Techniken, die sich für die WärmeSpannungsentlastung innerhalb des Kunststoffs und für einen maximalen Automationsgrad eignen.

Der Zusammenbau bzw. die Montage von integrierten Schaltungen erfordert normalerweise , daß der Halbleiterchip zuerst in geeigneter Weise auf einem Stempel oder einem

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anderen geeigneten Halteteil montiert wird und daß daran dann Drähte durch Bonden befestigt werden, um elektrische Verbindungen zwischen dem Chip und äußeren Anschlußteilen herzustellen. Aufgrund des hohen Arbeitsaufwandes bei der Herstellung von Drahtverbindungen ist die Industrie bemüht gewesen, die Drahtverbindungen zu ersetzen, und hat versucht, Techniken zu entwickeln, die den Arbeitsaufwand durch maximalen Einsatz der Automation verringern.

Im allgemeinen ist der gegossene bzw. gepreßte Kunststoffbaustein als die beste Möglichkeit zur Montagekostenverringerung angesehen worden. Verschiedene Lösungen für den Zusammenbau von bei Kunststoffbausteinen verwendbaren Anschlußanordnungen sind geprüft worden; zu welchen beispielsweise die Anschlußanordnung und das Anschlußverfahren gehören, die in der US-PS 3 544 857 beschrieben sind. Darin wird vorgeschlagen, ein Dünnfilm-Schaltverbindungsmuster mit einem äußeren Anschlußleitungsrahmen zu verbinden. Aus einer Anzahl von Gründen liefert jedoch dieses bekannte System weder eine ausreichende Durchsatzrate noch die hohe Ausbeute und Zuverlässigkeit der vorliegenden Erfindung.

Ein ernstes Wärmeübertragungsproblem ergibt sich gewöhnlich bei einem kunststoffgekapselten Bauelement, welches Dünnfilmschaltverbindungen hat. Das heißt, aufgrund der Differenz zwischen dem Wärmeausdehnungskoeffizient der Kunststoffkapselung und dem der Dünnfilmschaltverbindungen werden in dem Schaltverbindungsfilm bei hohen Temperaturen kritische Beanspruchungen erzeugt, die häufig das Reißen einer oder mehrerer der Schaltverbindungen verursachen. Demgemäß soll durch die Erfindung solchen Wärmespannungen abgeholfen und dadurch die Ausbeutemengen und Zuverlässigkeit einer kunststoff gekapselten integrierten Dual-in-line--Schaltung vergrößert werden.

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Weiter soll durch die Erfindung die Charakteristik des automatisierten Zusammenbaus von integrierten Schaltungen hinsichtlich Geschwindigkeit, Genauigkeit und Handhabungs-' einfachheit verbessert werden. Diese und weitere Ziele werden aus der folgenden Beschreibung der Erfindung deutlich.

Das System nach der Erfindung umfaßt ein aus einer dünnen Metallfolie bestehendes geätztes Schaltverbindungsmuster, welches mit einem biegsamen Isolatorfolienstreifen verbunden ist, in welchem eine Öffnung gebildet ist, in die die Metallmusteranschlüsse hineinragen und dadurch innerhalb der Öffnung eine Anordnung von Schaltverbindungsklemmen bilden, die denselben Abstand wie die elektrischen Kontaktpunkte auf dem Halbleiterchip haben, um das Justieren bzw. Ausrichten auf dieselben zu erleichtern und um zu ermöglichen, daß in einem einzigen Schritt sämtliche Schaltverbindungsklemmen mit dem Chip gleichzeitig verbunden werden können.

Das bevorzugte Dünnf ilmschaltverbindungstnuster nach der Erfindung besteht im wesentlichen aus einer dünnen Walzkupferschicht, die mit einer biegsamen Kunstharz- bzw. Kunststoffolie verklebt ist, und weist an seinem Außenumfang eine Reihe von erweiterten Verbindungsflächen auf, die vorgesehen sind, um das Justieren bzw. Ausrichten mit entsprechenden Bereichen eines äußeren Anschlußleitungsrahmens während der automatisierten Zusammenbauarbeitsgänge so stark wie möglich zu erleichtern. Die Wärmespannungsentlastung erfolgt durch die Verwendung von Walzkupfer anstelle von galvanisch niedergeschlagenem Kupfer und durch die Verwendung eines Hochtemperaturpolyamidklehstoffes.

Der äußere Anschlußleitungsrahmen hat wegen der erweiterten Verbindungsflächen auf dem Dünnfilmschaltverbindungsmuster

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eine einfachere Geometrie und er ist außerdem von dem üblichen Erfordernis befreit, mit Silizium verträgliche Wärmeausdehnungskennwerte zu haben. Demgemäß wird der äußere Anschlußleitungsrahmen zweckmäßig aus einem weniger teueren Metall hergestellt, wie etwa Kupfer oder eine Kupferlegierung. Da außerdem die Spitzen der Rahmenanschlüsse zweckmäßig etwa 1,3 mm (50 Mil) groß sind, ergibt sich eine beträchtliche zusätzliche Kostenverringerung wegen der weniger kritischen Stanzspezifikationen.

Das Schaltverbindungsmuster und der äußere Anschlußleitungsrahmen sind beide mindestens in den Bereichen, in welchen sie miteinander verbunden werden, verzinnt oder mit einem anderen geeigneten Lötmittel bedeckt. Der Schritt des Verbindens der Schaltverbindungen mit dem Anschlußleitungsrahmen wird dann durch selektives Erhitzen der Verbindungsflächen erreicht, während diese in Berührung miteinander gehalten werden, um eine Lötflußverbindung (solder reflow joint) zu bilden.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Bilden der Lötflußverbindung automatisiert. Während sowohl der Anschlußleitungsrahmen wie auch das Schaltverbindungsmuster (mit dem daran angebrachten Halbleiterchip) in Streifenform von großen Rollen zugeführt werden, werden aufeinanderfolgende Einheiten in genauer Ausrichtung auf einander durch Stachelwalzenantriebseinrichtungen schrittweise weitertransportiert. Jedes Paar von Einheiten wird in eine Ausrichtstellung in der Nähe eines beheizten Bondwerkzeugs gebracht, dessen Kopfgeometrie den Verbindungsfiächen der Schaltverbindungsmustereinheiten und der Anschlußleitungsrahmeneinheiten entspricht.

Danach wird eine Stanzvorrichtung betätigt, um den entsprechenden Teil der metallisierten biegsamen Isolatorfolie

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von dem Streifen abzutrennen und zu entfernen und um den Streifen zusammen mit der auf ihn ausgerichteten Anschlußleitungsrahmeneinheit gegen das erhitzte Bondwerkzeug zu halten, und zwar für eine kurze Zeitspanne, die ausreicht, um die Zinn- oder Lötmittelschicht weichwerden zu lassen und um dadurch die Bildung der Lötverbindung zu bewirken.

Die Stanzvorrichtung wird sodann zurückgezogen und sowohl der Schaltverbindungsstreifen wie auch der Anschlußleitungsrahmenstreifen. werden anschließend um eine Einheit weitertransportiert und der Verbindungsvorgang wird wiederholt. Es ist ohne weiteres einzusehen, daß dieser Vorgang einfach ist, schnell abläuft und wirksam automatisiert ist, um eine hohe Durchsatzrate zu erzielen.

Die zusammengebauten bzw. montierten Einheiten sind sodann bereit, um unter Anwendung bekannter Techniken mit Kunststoff verkapselt, zugeschnitten, getestet und getrennt zu werden. Alternativ wird zum Versand oder zur Lagerung der Anschlußrahmenstreifen mit daran angebrachten Chips und Schaltverbindungsmustern auf eine Rolle aufgewickelt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen: .

Fig. 1 eine vergrößerte Draufsicht auf den biegsamen Isolatorstreifen mit einer Vielzahl von auf demselben haftenden Schaltverbindungsmustern,

Fig. 2 in vergrößerter Draufsicht auf den äußeren

Anschlußleitungsrahmen eine einzelne Einheit der Streifenform,

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die Fig. ·

3, 4 und 5 teilweise im Schnitt schematische Seitenansichten, welche die Folge von durch die Stanzvorrichtung, den Anschlußleitungsrahmen und das Schaltverbindungsmuster während des Verbindens der äußeren Anschlußleitungen eingenommenen Stellungen zeigen, und

Fig. 6 eine vergrößerte Draufsicht einer Anschlußlei tungsrahmeneinheit, die mit einer entsprechenden Schaltverbindungseinheit verbunden ist, mit einem daran befestigten und durch eine Epoxid-"Blase^ir geschützten Halbleiterchip.

Die in Fig. 1 dargestellte bevorzugte biegsame Isolatorfolie 11 ist eine von der Firma Du Pont auf den Markt gebrachte "Kapton"-Polyimidkunststoffolie. Diese Folie wird wegen ihrer thermischen Stabilität und ihres Widerstandes gegen Abmessungsänderungen unter Beanspruchung gewählt. Die Folie ist mit drei Reihen von öffnungen versehen: Öffnungen 12 sind Transportlöcher, die einen Stachelwalzenantrieb und ein Weiterschalten bzw. Weitertransportieren gestatten; öffnungen 13 sind vorgesehen, um einen schnellen Druckausgleich in dem Gieß- oder Preßhohlraum während des Verkapselungsvorganges zu gestatten; und Öffnungen 14 legen die Stellen fest, an welchen die Halbleiterchips (nicht dargestellt) mit den freischwebenden Enden 15 des Dünnfilmschaltverbindungsmusters16 verbunden werden. Kurz nachdem die Verbindungen mit einem Chip hergestellt worden sind, wird er vorzugsweise durch einen einzigen Tropfen eines Epoxidharzes geschützt, welches hart wird und den Chip und seine Anschlußverbindungen umhüllt.

Bei der dargestellten bevorzugten Ausführungsform werden die Schaltverbindungsmuster 16 durch Beschichten der "Kap-

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ton"-Folie mit einer dünnen Walzkupferschicht gebildet, anschließend wird ein Muster aus lichtunempfindlicher Deckmasse auf dem Kupfer gebildet und es wird das unerwünschte Kupfer unter Anwendung bekannter Methoden weggeätzt. Die Verbindungsflächen 17 sind so angeordnet, daß sie das Justieren bzw. Ausrichten auf den äußeren Anschlußleitungsrahmen erleichtern. Zum Beispiel, die Bereiche 17 sind typischerweise 1,5 mm (60 Mil) breit und zwischen benachbarten Flächen · 17 ist ein Spalt bis zu i mm (4O Mil) gebildet.

Wie in Fig. 2 gezeigt, besteht der bevorzugte Anschlußleitungsrahmen 21 aus einer Kupferlegierung, die mit einer dünnen Zinnschicht zum Herstellen der lötverhiiiiigai(reflow joint: zwischen den Schaltverbindungsmustern und den Anschlußleitungsenden 22 bedeckt ist. Die einfache rechtwinklige Geometrie und die Bequemlichkeit von Anschlußleitungsenden mit einer Breite von 1,3 mm (50 Mil), die durch einen Spalt von 1,3 mm (50 Mil) zwischen den Enden getrennt sind, sind besonders vorteilhaft. Verbindungsstreifen 23, welche die Anschlußleitungen in ihrer Lage halten, werden nach der Verkapselung weggeschnitten. Transportlöcher 24 gestatten das Antreiben und Einstellen. Vorragende Teile 25 und 26 werden verwendet, um den Anschlußleitungsrahmen in dem äußeren Kunststoff zu verankern.

In-Fig. 3 w±rd_/äas Schaltverbindungsmuster 16 mit daran befestigten Halbleiterchips 31 tragende "Kapton"-Folie 11 mittels einer Zackenrolle bzw. Stachelwalze 32 in eine Stellung weitertransportiert, in welcher sie mit einer Stanzvorrichtung 33 fluchtet, so daß die parallelen Leisten 34 des Stanzstempels 33 die Folie 11_;den parallelen Reihen von Verbindungsflächen 17 (Fig. 1) genau gegenüberliegend^ berühren. Wenn der Stanzstempel 33 abwärts durch einen Scherstempel 35 hindurchbewegt wird, wird ein Teil

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der Folie 11, welcher einer Einheit des Schaltverbindungsmüsters entspricht und ein Halbleiterchip aufweist, von dem durchgehenden Streifen abgeschert. Der abgescherte Teil wird durch einen durch eine Bohrung 36. hindurch ausgeübten Unterdruck auf der Stirnseite des Stanzstempels 33 gehalten.

Wie in Fig. 4 gezeigt, wird die abgescherte Einheit durch den Stanζstempel 33 in eine Position gebracht, in welcher sie mit einer Einheit des Anschlußleitungsrahmenstreifens 21 genau auf dieselbe ausgerichtet in Berührung ist, wodurch sämtliche vierzehn Verbindungsflächen 17 jeweils mit den vierzehn Anschlußleitungsenden 22 in Berührung gehalten sind, um mit diesen verbunden zu werden. Sowie die Folie zu dem Anschlußleitungsrahmen gebracht ist, wird das erhitzte Bondwerkzeug 41 aufwärtsbewegt, um es mit dem Anschlußleitungsrahmen 21 für eine Zeitspanne in Berührung zu bringen, die zum Bilden der vierzehn Lötverbindungen ausreicht. Beispielsweise wird das Bondwerkzeug auf einer konstanten Temperatur von etwa 500 C gehalten und mit dem Anschlußleitungsrahmen für etwa 0,1 bis 0,5 s in Berührung gebracht, um unter Verwendung eines Lötmittels mit eim
bindung zu bilden.

Lötmittels mit einem Schmelzpunkt von 232 C eine Lötver-

Wie in Fig. 5 gezeigt, wird die Haltewirkung des Unterdrucks aufgehoben, der Stanzstempel und das Bondwerkzeug werden zurückgezogen, die biegsame Isolatorfolie wird in die nächste Einheitsposition weitertransportiert, der Anschlußleitungsrahmen wird ebenfalls in die nächste Einheitsposition weitertransportiert, wobei der Weitertransport der beiden aufeinander ausgerichtet erfolgt, und der Verbindungsvorgang wird wiederholt.

In Fig. 6 ist eine Einheit mit fertigen Verbindungen gezeigt, bei welcher der abgescherte Teil des von der Folie

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gehalterten Schaltverbindungsmusters, welches einen Halbleiterchip trägt, durch Löten mit dem Anschlußleitungsrahmens tr ei fen 21 verbunden worden ist. Der Anschlußleitungsrahmenstreifen, der gemäß Fig. 6 in jeder Einheitsposition ein mit einem Chip verbundenes Schaltverbindungs- muster aufweist, wird sodann zu einem Kunststoffgieß- bzw. -preßvorgang weitertransportiert und unter Anwendung bekannter Verfahren verkapselt. Verbindungsstreifen 23 werden weggeschnitten und die verkapselten Einheiten werden von den Abfallteilen des Anschlußleitungsrahmenstreifens getrennt. Die vollständige Einheit ist danach test- und versandbereit.

Eine weitere Gelegenheit zur Verbesserung der Spannungsentlastung bietet die Wahl einer geeigneten Gieß- bzw. Preßmasse zum Verkapseln. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird das Bauelement nach der Erfindung unter Verwendung einer Epoxid-Novolak-Masse gegossen bzw. gepreßt, die eine Glasumwandlungstemperatur von etwa 150 ⁰C und einen kleinen Wärmeausdehnungskoeffizienten bei Temperaturen unterhalb des Umwandlungspunktes hat.

Oben ist zwar eine besondere Ausführungsform der Erfindung offenbart worden, es versteht sich jedoch, daß im Rahmen der Erfindung viele Abänderungsmöglichkeiten gegeben sind. Während beispielsweise die bevorzugten Dünnfilmschaltverbindungsmuster durch Ätzen der Metallschicht eines "Kapton" -Verbundmaterials hergestellt werden, versteht es sich, daß statt dessen auch andere Musterherstellungstechniken und andere Dünnfilme bzw. Kunststoffolien verwendet werden können. Gleichfalls können für den Anschlußleitungsrahmen 21 anstelle von Kupfer andere Metalle verwendet werden und die Anzahl von Anschlußleitungen ist nicht auf vierzehn begrenzt.

Außerdem ist ohne weiteres einzusehen, daß der anhand der

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Fig. 3,4 und 5 dargestellte Ablauf der Verbindungsherstellung dazu verwendet werden kann, Schaltungseinheiten mit von dem Anschlußleitungsrahmen von Fig. 2 verschiedenen Substraten zu verbinden, beispielsweise zum Verbinden mit Schaltungsplatten, metallisierter Keramik und biegsamen Schaltungen.

Nach der Erfindung wird also ein Dual-in-line-Kunststoffgehäuse für eine integrierte Schaltung unter Verwendung eines wärmespannungsbeständigen Dünnfilmschaltverbindungsmusters auf einer biegsamen Isclatorfoli e hergestellt. Sämtliche elektrischen Verbindungen mit dem Halbleiterchip werden durch direktes Verbinden mit dem Dünnfilmschaltverbindungsmuster gleichzeitig hergestellt. Jeder Abschnitt des Schaltverbindungsmusters wird danach gleichzeitig mit einem vereinfachten äußeren Anschlußleitungsrahmen mittels einer neuartigen Löttechnik verbunden. Die Anordnung ist danach zum Verkapseln mit Kunststoff und zum abschließenden Zuschneiden bereit.

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Claims

Patentansprüche :

v_ 1.,/ Verfahren zum Anbringen eines Schaltverbindungsmusters an einem äußeren Anschlußleitungsrahmen bei der Herstellung einer integrierten Schaltungsanordnung, bei welcher ein Halbleiterchip an dem auf eine biegsame Folie aufgebrachten Schaltverbindungsmuster befestigt wird, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

a) überziehen der geeigneten Teile des Anschlußleitungsrahmens und des Schaltverbindungsmusters mit einem geeigneten niedrigschmelzenden Metall oder mit einer geeigneten niedrigschmelzenden Legierung,

b) aufeinander Ausrichten (1) der Teile des Schaltverbindungsmusters, mit welchen eine Verbindung herzustellen ist, (2) der entsprechenden Teile des Anschlußleitungsrahmens, (3) eines Bondwerkzeugs, welches auf einer im wesentlichen konstanten Temperatur deutlich oberhalb der Schmelztemperatur des niedrigschmelzenden Metalles bzw. der niedrigschmelzenden Legierung gehalten wird, und (4) einer Stanzvorrichtung, die so geformt ist, daß sie mit dem Verbindungswerkzeug zusammenpaßt,

c) Bewegen der Stanzvorrichtung in die unmittelbare Nähe des .Bondwerkzeugs wodurch das Schaltverbindung smuster und der Anschlußleitungsrahmen bei einem Druck und für eine Zeitspanne zwischen dieselben zu liegen kommen, die ausreicht, um das niedrigschmelzende Metall bzw. die niedrigschmelzende Legierung kurzzeitig zum Schmelzen zu bringen und dadurch die berührten Teile des Schaltverbindungsmusters mit dem Anschlußleitungsrahmen zu verbinden.

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2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Chip zu einer Anzahl von Halbleiterchips gehört, die an einem Streifen aus biegsamer Folie angebracht sind, welche eine entsprechende Anzahl von Schaltverbindungsmustern trägt, daß der Anschlußleitungsrahmen eine Einheit von einer Anzahl von Anschlußleitungsrahmeneinheiten ist, die in Streifenform miteinander verbunden sind, daß nacheinander aufeinanderfolgende Teile der biegsamen Folie ausgerichtet und von dem Folienstreifen getrennt werden, wobei jeder aufeinanderfolgende Folienteil ein Schaltverbindungsmuster trägt und die Trennung mittels der Bewegung der Stanzvorrichtung erreicht wird, wenn diese sich dem Bondwerkzeug nähert, daß der Folienstreifen weitertransportiert wird, daß der Anschlußleitungsrahmen weitertransportiert wird und daß der Vorgang wiederholt wird.
3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch Einrichtungen zum Weitertransportieren des Schaltverbindungsmusters in Ausrichtung auf eine entsprechende Einheit des Anschlußleitungsrahmenstreifens, durch ein Bondwerkzeug, dessen geometrische Form an der Stirnseite so ausgebildet .ist, daß eine gleichmäßige und gleichzeitige Berührung mit sämtlichen Änschlußleitungsenden einer Anschlußleitungsrahmeneinheit hergestellt wird, durch Einrichtungen, die die Stirnseite des 'Bondwerkzeugs'auf einer gleich^' ' mäßigen konstanten Temperatur deutlich oberhalb des Schmelzpunktes des verwendeten Lötmittels halten, und durch Einrichtungen, die das Schaltverbindungsmuster und die Enden der Anschlußleitungsrahmeneinheit vorübergehend mit dem erhitzten Verbindungswerkzeug während einer Zeitspanne in Berührung halten, die zum Bilden der Lötverbindung ausreicht.

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4. Einbaufertige Halbleitermikroschaltung, die gemäß dem Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 oder mittels der Vorrichtung nach Anspruch 3 hergestellt ist, gekennzeichnet durch einen Spiegelbildsatz von parallelen metallischen Anschlußleitungen, die jeweils dieselbe Geometrie haben und in parallelen Reihen von spitzen enden, welche um eine Strecke voneinander entfernt sind, die ungefähr gleich ihrer Breite ist, durch ein Muster von Dünnfilmschaltverbindungen, die als Schicht auf einen mit öffnungen versehenen biegsamen Isolatorträger aufgebracht sind, wobei eine Gruppe von Schaltverbindungsklemitien durch Löten mit den Spitzen der metallischen Anschlußleitungen verbunden ist und die andere Gruppe von Schaltverbindungsklemmen in die Öffnungen hineinragt, und durch einen mit der anderen Gruppe von Klemmen verbundenen Halbleiterchip.
5. Mikroschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Dünnfilmschaltverbindungsmuster im wesentlichen aus einer Walzkupferfolie besteht, die unter Verwendung eines Hochtemperaturpolyamidharzklebstoffes mit dem Träger verklebt ist.
6. Anschlußleitungsrahmenstreifen, der bei dem Zusammenbau von integrierten Schaltungen verwendbar ist, die gemäß dem Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 oder mittels einer Vorrichtung nach Anspruch 3 hergestellt sind, gekennzeichnet durch einen langgestreckten, mit Lötmittel überzogenen Streifen aus Kupferlegierung, der derart zu einem Muster geformt ist, daß eine Vielzahl von Spiegelbildsätzen von Anschlußleitungen geschaffen ist, die sich längs des Streifens erstrecken und in Spitzen endigen, deren Breite angenähert gleich dem Abstand zwischen den Spitzen ist.
7. Geschichtetes Dünnfilmschaltverbindungsmuster zur Ver-

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•Wendung bei dem Zusammenbau von integrierten Schaltungen nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine Walzkupferlegierungsfolie, die auf einem biegsamen Kunststoffstreifen in die Form eines Musters gebracht und mit einem Hochtemperaturpolyamidharzklebstoff auf den Streifen aufgeklebt ist.

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