-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer
Halbleiteranordnung, in der eine elektrisch isolierende Schicht (14) auf einem elektrischen
Verbindungssystem (12) liegt, das mit einem Halbleiterkörper (10) in Kontakt steht,
wobei Öffnungen (24) sich durch die Isolierschicht hinunter nach den Kontaktgebieten
(16) des Verbindungssystems (12) erstrecken, jedes Kontaktgebiet mit einem
Kontaktanteil (36) eines anderen elektrischen Leiters einer Gruppe elektrischer Leiter (32, 34)
in Kontakt steht, die durch die Öffnungen (24) von der Verbindungsstruktur wegführen,
und eine elektrisch isolierende Beschichtung (48) den Körper 10, das
Verbindungssystem (12), die Isolierschicht (14) und die Kontaktanteile (36) derart bedeckt, daß ein
Teil (32) jedes Leiters (32, 34) aus der Beschichtung (48) herausragt, wobei mit diesem
Verfahren zwischen der Isolierschicht (14) und der Isolierbeschichtung (48) eine
Spannungsentlastungsschicht (46) gebildet wird, die über dem Verbindungssystem (12)
liegt, aber nicht über den Bereichen der Kontaktgebiete (16), in denen die
Kontaktanteile (36) angefertigt werden. Die Spannungsentlastungsschicht wird als Einrichtung
zum Reduzieren der mechanischen Packungsspannung verwendet. Durch eine derartige
Spannungsentlastungsschicht kann die Halbleiteranordnung verhältnismäßig hohe
Temperaturschwankungen aushalten.
-
Aus der japanischen Patentanmeldung Nr. 61-102758 ist ein Verfahren der
eingangs erwähnten Art bekannt, mit dem die Spannungsentlastungsschicht durch die
Bildung von Wänden auf der Isolierschicht am Umkreis der Kontaktgebiete gebildet.
Dabei fließt ein Kunstharz über die Oberfläche des Halbleiterkörpers aus, das die
Spannungsentlastungsschicht zwischen der Isolierschicht und der Isolierbeschichtung
bilden wird. Dabei verhindern die Wände das Einfließen des Kunstharzes in die in der
Isolierschicht gebildeten Löcher. Das Kunstharz wird durch die Wände gestoppt und
beschichtet nicht den Kontaktanteil der Leiter.
-
Es ist sehr schwer eine Halbleiteranordnung unter Verwendung des
bekannten Verfahrens in der Praxis anzufertigen. Zusätzlich müssen weitere
Verfahrensschritte ausgeführt werden, um die Wände zu bilden, die das Einfließen von Kunstharz
in die Löcher in der Isolierschicht stoppen.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren geht diese Probleme aus dem Weg.
Statt dessen ist das erfindungsgemäße Verfahren, mit dem die
Spannungsentlastungsschicht durch Anfertigung einer bemusterbaren Schicht (42, 58) auf der Isolierschicht
(14) und durch das Belichten von Anteilen der bemusterbaren Schicht hinunter auf die
Kontaktgebiete (16) mit Strahlung, die eine Änderung in der chemischen Struktur der
auf diese Weise belichteten Anteile verursacht, und durch die Entwicklung der
bemusterbaren Schicht zum Entfernen von Teilen der bemusterbaren Schicht angefertigt,
dadurch gekennzeichnet, daß der Rest der bemusterbaren Schicht, die die
Spannungsentlastungsschicht (46) bildet, im wesentlichen ein elektrisch isolierendes
Polymermaterial enthält, das eine Glasübergangstemperatur TG unter 150ºC besitzt.
-
Die Erfindung gibt ein Verfahren an zum Verwirklichen einer
Spannungsentlastungsschicht in ausgewählten Gebieten innerhalb einer gepackten
Halbleiteranordnung und mit einer Glasübergangstemperatur unter 150ºC. Die
Spannungsentlastungsschicht liegt allgemein über einem Verbindungssystem in der Anordnung, aber sie liegt
nicht über Kontaktgebietbereichen, in denen Kontaktverbindungen mit dem
Verbindungssystem gemacht werden. Durch diese Aufstellung verringert die Schicht im
wesentlichen thermisch induzierte mechanische Spannung, die sonst auf elektronische
Bauteile in der Anordnung ausgeübt werden würde, während gleichzeitig die
Höchstspannung auf elektrische Leiter, die aus der Anordnung herausragen, in
Kontaktbereichen auftritt, die die Spannung aushalten können. Das Ergebnis ist eine wesentliche
Verbesserung in der Lebensdauer der integrierten Schaltung.
-
Insbesondere schafft die Erfindung eine Halbleiteranordnung, in der eine
Isolierschicht auf einem Verbindungssystem im Kontakt mit einem Halbleiterkörper
liegt. Öffnungen erstrecken sich durch die Isolierschicht hinunter nach Kontaktgebieten
des Verbindungssystems. Jedes Kontaktgebiet steht im Kontakt mit einem Kontaktanteil,
typisch einer verformten "Kugel" eines elektrischen Leiters aus einer Gruppe
elektrischer Leiter, die durch die Öffnungen weg vom Verbindungssystem führen. Eine
Isolierbeschichtung eines Packungsmaterials bedeckt den Körper, das
Verbindungssystem und die Kontaktanteile derart, daß nur ein Teil jedes Leiters durch die
Beschichtung hindurchragt.
-
Eine weitere Schicht liegt auf der Isolierschicht unter der
Packungsbeschichtung, aber erstreckt sich nicht über die Kontaktanteile. Die weitere Schicht
besteht aus einem Isoliermaterial, vorzugsweise einem transparenten Polymer, das eine
Glasübergangstemperatur TG unter 150ºC besitzt. TG beträgt vorzugsweise 25ºC oder
weniger. Die weitere Schicht ist daher in einem Temperaturbereich elastomer, der bei
einer Temperatur unter 150ºC anfängt und sich bis über 150ºC erstreckt, bis
Zersetzung auftritt.
-
Angenommen wird, daß ein bedeutender Anteil der volumetrischen
Ausdehnung/Kontraktion, die Spannung in der Anordnung bei thermischer
Wechselbeanspruchung zwischen 150ºC und einer niedrigeren Temperatur verursacht (z. B.
-60ºC wie in industriellen Standard-Lebensdauerversuchen), normalerweise nahe bei
150ºC auftritt. Daher verringert die weitere Schicht Spannung über einen Anteil des
Temperaturwechselbeanspruchungsgebiets, in dem Spannungsentlastung am meisten
erforderlich ist. Wenn ebenfalls nach unserer Annahme bedeutende Spannung bei
Auswanderungen nach niedrigen Temperaturen entsteht, bewirkt eine Verringerung von
TG eine größere Spannungsentlastung.
-
Mit dem Verfahren zum Herstellen der Anordnung besteht die
bemusterbare Schicht aus aktinischem Material.
-
Ausgewählte Anteile der bemusterbaren Schicht werden hinunter nach den
Kontaktgebieten entfernt. Der Beseitigungsschritt umfaßt üblicherweise das Belichten
von Anteilen der bemusterbaren Schicht mit Strahlung, die dafür sorgt, daß die
belichteten Anteile ihre chemische Struktur ändern, und das Entwickeln der
bemusterbaren Schicht zum Entfernen der ausgewählten Anteile. Jedenfalls bildet der Rest der
bemusterbaren Schicht die Spannungsentlastungsschicht. Danach wird die Struktur mit
den elektrischen Leitern versehen, die von den Kontaktgebieten durch die Öffnungen
weg vom Verbindungssystem führen. Die Anordnung wird durch Bedecken des
Körpers, des Verbindungssystems und der Schichten mit der Packungsbeschichtung
vervollständigt.
-
Auf andere Weise kann die bemusterbare Schicht auf der Isolierschicht
gebildet werden, bevor die Öffnungen durch die Schicht hindurch geätzt werden. In
diesem Fall werden ausgewählte Anteile der bemusterbaren Schicht über den
Kontaktgebieten entfernt, wonach unterliegende Anteile der Isolierschicht zum Belichten der
Kontaktgebiete entfernt werden. Die Anordnung wird darauf nach obiger Angabe
fertiggestellt. Wenn auch das alternative Verfahren eine Maskierungsschritt erspart, ist
es schwieriger, wirksam zu implementieren, wenn das Material der
Spannungsentlastungsschicht
sich nicht gut zur Verwendung als Ätzmaske eignet.
-
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der
Zeichnung näher erläutert. Es zeigen
-
Fig. 1a, 1b, 1c, 1d, 1e und 1f Strukturansichten im Querschnitt zur
Veranschaulichung der Schritte in einem Herstellungsverfahren für integrierte
Schaltungen nach dem Stand der Technik. In Fig. 1a bis 1c sind Teile einer ganzen Scheibe, und
in Fig. 1d bis 1f je ein spezieller Block dargestellt,
-
Fig. 2a, 2b, 2c, 2d, 2e und 2f Strukturansichten im Querschnitt zur
Veranschaulichung von Schritten in einem Herstellungsverfahren für integrierte
Schaltungen nach der Erfindung ausgehend von der Struktur nach Fig. 1c. In Fig. 2a bis
2c sind Teile einer ganzen Scheibe dargestellt. In Fig. 2d . . . 2f ist jeweils ein spezieller
Block nach der Erfindung dargestellt,
-
Fig. 3a, 3b und 3c Strukturansichten im Querschnitt zur
Veranschaulichung anderer Schritte, die von der Struktur in Fig. 1a nach der Struktur in Fig. 2c
nach der Erfindung führen.
-
In der Zeichnung und in der Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsbeispiele sind gleiche Bezugssymbole zur Darstellung gleicher oder ähnlicher Bauteile
verwendet.
-
In der Zeichnung ist für aktinisches Material wie folgt vorgegangen.
Während und nach der Belichtung mit geeigneter aktinischer Strahlung bezeichnet
Kreuzschraffierung aktinisches Material, das nach dem Entwickeln zurückbleibt.
Während der Belichtung stellt punktierte Schraffierung aktinisches Material dar, das
beim Entwickeln entfernt wird. Da in der Zeichnung aktinisches Material mit negativer
Wirkung veranschaulicht, wird aktinisches Material vor dem Belichten mit punktierter
Schattierung verwendet.
-
Die Lichtteile der in der Zeichnung dargestellten Strahlungsmasken sind
die Bereiche, durch die aktinische Strahlung hindurchgehen kann. Die dunklen Teile der
Strahlungsmasken sind die Bereiche, die aktinische Strahlung abblocken.
-
Die mikroelektronischen Bauteile in einer Halbleiteranordnung, wie z. B.
in einer integrierten Schaltung (IC) oder in einer diskreten Anordnung, können durch
Kräfte in der harten Außenwelt leicht beschädigt werden. Normalerweise wird um die
elektronischen Bauteile eine Art Packungsmaterial angebracht, um sie gegen die
Außenumgebung zu schützen. Das Packungsmaterial muß jedoch derart auf der
Anordnung angebracht sein, daß das Material nicht selbst Fehlbetrieb der Bauteile
verursacht.
-
Einige der Probleme beim Anbringen des Packungsmaterials kann anhand
der Fig. 1a bis 1f erläutert werden, die die Endstufen der Herstellung einer Gruppe
herkömmlicher integrierter Schaltungen einschließlich ihrer Packung veranschaulichen.
Der Ausgangspunkt zum Herstellen der integrierten Schaltungen ist eine
Halbleiterscheibe mit einer Anzahl von Würfeln.
-
Im Schritt nach Fig. 1a besteht die Scheibe aus einem monokristallinen
Siliziumhalbleitersubstrat 10, einer Gruppe elektrischer Verbindungssysteme 12, je eines
für jeden Würfel, und einer elektrisch isolierenden Schicht 14 aus einem
Passiviermaterial, wie z. B. Phosphosilikatglas oder Siliziumnitrid. Verschiedene Gebiete vom Typ N
und P (in der Zeichnung nicht dargestellt) befinden sich im Substrat 10. Jedes
Verbindungssystem 12 besteht aus einer Gruppe elektrischer Leitungen und Isolatoren auf
dem Substrat 10. Die Leitungen werden mit den N- und P-Gebieten selektiv verbunden.
Die Elemente 16 in den Systemen 12 sind die metallischen Kontaktgebiete, die typisch
aus einer Aluminiumlegierung bestehen, durch die die Würfel mit der Außenwelt
elektrisch kommunizieren. Die Isolierschicht 14 liegt auf den Systemen 12 und erstreckt
sich hinunter nach dem Substrat 10 an den bezweckten Stellen 18 für die
Seitenbegrenzungen der Anteile des Substrats 10 bei Verwendung in den verschiedenen integrierten
Schaltungen. Insbesondere sind die Stellen 18, die jedes System 12 seitlich
umschreiben, jene Stellen, an denen die Scheibe später in getrennte Würfel aufgeschnitten wird.
-
Bevor mit der Beschreibung weitergegangen wird, ist noch etwas über die
lithographische Terminologie zu bemerken. Material ist "aktinisch", wenn es durch
selektives Belichten von Anteilen einer Schicht des Materials mit Strahlung in ein
lithographisches Muster, wobei die Strahlung die Änderung der chemischen Struktur der
belichteten Anteile herbeiführt und anschließend durch Entwickeln der Schicht derart
gebildet werden kann, daß die belichteten Anteile oder die nicht belichteten Anteile
entfernt werden. Aktinisches Material, wie z. B. Photoresist ist negativ wirkend, wenn
die belichteten Anteile (oder die geänderte chemische Struktur) nach der Entwicklung
zurückbleiben. Die Wirkung ist positiv, wenn die nicht belichteten Anteile nach dem
Entwickeln zurückbleiben.
-
In Fig. 1a bis 1f wird eine Blanketmaskierschicht 20 aus Photoresist auf
der Schicht 14 nach Fig. 1b gebildet. Die Photoresistschicht 20 wird durch eine
Strahlungsmaske 22 selektiv durch ultraviolettes Licht belichtet. Wenn beispielsweise
die Wirkung des Photoresists negativ ist, hat die Maske 22 undurchsichtige Bereiche,
die verhindern, daß ultraviolettes Licht auf Teile der Schicht 20 fällt, die über den
Kontaktgebieten 16 und den Stellen 18 liegen. Nach dem Entwickeln der Schicht 20
zum Entfernen des unbelichteten Photoresists, wird die Schicht 14 durch die
entstandenen Öffnungen in der Schicht 20 zur Bildung der Kontaktgebietsöffnungen 24 und
der Anreißleitungsöffnungen 26 geätzt, die sich hinunter nach den Kontaktgebieten 16
bzw. den Stellen 18 erstrecken. Der restliche Photoresist wird zum Erzeugen der
Struktur nach Fig. 1c entfernt.
-
Darauf wird das Substrat 10 an den Stellen 18 zum Brechen der Scheibe
in die getrennten Würfel angeritzt, je einen für jede integrierte Schaltung. In Fig. 1d ist
einer der entstandenen Würfel veranschaulicht. Der Anteil des Substrats 10 zur
Verwendung im Würfel nach Fig. 1d ist mit Halbleiterkörper 28 bezeichnet.
-
Ausgehend von diesem besonderen Würfel wird der Körper 28 auf dem
Zentralabschnitt 30 einer metallischen Leiterplatte mit einer Gruppe von Leitern 32
getrennt vom Abschnitt 30 angebracht. Siehe Fig. 1e. Die Leiter 30 werden mit den
Kontaktgebieten 16 mittels Golddrähte 34 verbunden. Die Kombination der Leiter 32
und der Drähte 34 bildet eine Gruppe elektrischer Leiter, die das System 12 mit der
Außenwelt verbinden. An der Stelle, an dem jeder Draht 34 mit seinem Kontaktgebiet
16 in seiner Öffnung 24 verbunden ist, breitet der Draht 34 sich in eine verformte
"Kugel" 36 aus.
-
Der Würfel kann nunmehr auf verschiedene Weisen gepackt werden. In
einem Packungstechnik nach dem Stand der Technik wird eine geringe Menge einer
Flüssigkeit, wie z. B. eines Silikons, an der Oberseite des Würfels abgelagert und
anschließend auf geeignete Weise zur Bildung einer elektrisch isolierenden Elastomer-
(oder Gummi-)Schicht 38 behandelt. Siehe Fig. 1f. Anteile der Elastomerschicht 38
kriechen normalerweise etwas über die Kugel 36. Die entstehende Struktur wird mit
einer Packungsbeschichtung 40 aus einem harten elektrisch isolierenden Material derart
eingekapselt, daß nur ein Teil jedes Leiters 32 durch die Beschichtung 40 hindurchragt.
-
Die Beschichtung .40 besteht typisch aus einem Epoxyd oder einem
anderen wärmehärtbaren Kunstharz, das bei einer höheren Temperatur um den Würfel
und die Leiterplatte geschmolzen wird. Beim anschließenden Abkühlen auf
Raumtemperatur schrumpft die Beschichtung 40 mehr als der Würfel und die Leiterplatte. Die
Schicht 38 leitet viel der großen mechanischen Spannung ab, die sonst der Körper 28
und das Verbindungssystem 12 durch den Abkühlschrumpf erfahren würden.
-
Die integrierte Schaltung erfährt jetzt beschleunigte
Lebensdauerprüfungen, um festzustellen, wie sie sich dabei verhält. Die Prüfungen umfassen dabei typisch
das schnelle periodisch wiederholte Prüfen der integrierten Schaltung zwischen den
Industrienormbegrenzungen von -65ºC und 150ºC sowohl in einer Luft- als auch in
einer Flüssigkeitsumgebung.
-
Eine Hauptschwierigkeit bei der integrierten Schaltung nach Fig. 1f
betrifft jenen Teil jedes Drahts 34, bei dem die Oberseite der Schicht 38 an die
Beschichtung 40 gerade über der zugeordneten Kugel 36 grenzt. Bei den
Lebensdauerprüfungen bricht dieser Teil des Drahts 34 oft nach wenigen thermischen Zyklen ab,
wodurch Fehlbetrieb der integrierten Schaltung auftritt. Der Bruchmechanismus stellt
sich als Ermüdung durch große differenzielle Wärmeausdehnungen/Wärmekontraktionen
in der integrierten Schaltung heraus, die bewirken, daß die Anteile des Drahtes 34 in
der Beschichtung 40 in bezug auf den Anteil des Drahtes 34 in der Schicht 38 vorwärts
und rückwärts geschoben werden.
-
Beseitigung der Spannungsentlastungsschicht 38 bringt den Bereich der
hohen Spannung hinunter nach den Kugeln 36. Da der Bereich jeder Kugel 36, in dem
sie mit dem Kontaktgebiet 16 den Kontakt herstellt, viel größer ist, typisch wenigstens
viermal größer als der Querschnittsbereich des Restteils seines Drahtes 34, bricht die
Kugel 36 selten ab, wenn die Schicht 38 nicht vorhanden ist. Höchstens bewegt sich die
Kugel 36 ein wenig. Dies ist normalerweise nicht katastrophal, da die Kugel 36
normalerweise mit dem Kontaktgebiet 16 im Kontakt bleibt. Jedoch erfahren die
elektronischen Bauteile im Verbindungssystem 28 und im Substrat 12 jetzt hohe Spannung
während der periodischen thermischen Wiederholung und können dadurch unnötig
schnell versagen. Es wäre erwünscht, über einen Mechanismus zu verfügen, der das
Einführen großer Spannung in das System 28 und in das Substrat 12 vermeidet, ohne
daß die Drähte 43 brechen.
-
Die vorliegende Erfindung bezieht sich insbesondere auf die Verwendung
von Spannungsentlastungsmaterial mit bestimmten elastomeren Eigenschaften. Die
Temperatur, bei der ein Material sich von einem flexiblen, elastomeren Zustand in
einen brüchigen, glasatigen Zustand ändert, wird mit Einfriertemperatur bezeichnet.
Das Material ist glasartig unterhalb der Einfriertemperatur. Über dieser Temperatur ist
das Material elastomer, bis die Temperatur so hoch ansteigt, daß sich das Material
zersetzt. Obgleich der Übergang von einer elastomeren Phase in eine glasartige Phase in
einem Temperaturbereich auftritt, kann einem Material normalerweise eine
verhältnismäßig genaue Glasübergangstemperatur unter Anwendung geeigneter
Extrapolationstechniken zugeordnet werden. Für weitere Einzelheiten siehe Rosen, Fundamental
Principles of Polymeric Materials (John Wiley & Sons: 1982), Abschnitt 8, S. 88ff.
-
In Fig. 2a . . . 2f sind Schritte in einem bevorzugten Verfahren zum
Fertigstellen der Herstellung einer Gruppe verpackter integrierter Schaltungen mit
Spannungsentlastung nach der Erfindung dargestellt. Der Ausgangspunkt für Fig. 2a . . . 2f
ist Fig. 1c, in der die Scheibe durch das selektive Ätzen der Isolierschicht 14 zur
Erzeugung von Kontaktgebietsöffnungen 24 und von Anreißzeilenöffnungen 26
bearbeitet sind. Die Dicke der Schicht 14 beträgt vorzugsweise 0,7 um, wenn sie aus
Siliziumnitrid besteht, oder 1 um, wenn sie aus Phosphosilikatglas besteht. Die
Öffnungen 24 sind allgemein quadratisch etwa 125 um einseitig groß. Die Öffnungen 26
sind Rillen mit einer Breite von etwa 100 um.
-
Eine bemusterbare Blanketschicht 42 aus einem elektrisch isolierenden
aktinischen Material wird auf der Schicht 14 und in den Öffnungen 24 und 26 hinunter
nach den Kontaktgebieten 16 und nach dem Substrat 10 entsprechend Fig. 2a angebracht.
Das aktinische Material ist derart, daß nach weiterer Verarbeitung der Rest der Schicht
42 die nachstehend angegebenen Spannungsentlastungseigenschaften besitzt. Auch ist die
Schicht 42 vorzugsweise transparent und bleibt es nach der Weiterbearbeitung. Dies
erleichtert die anschließende Kontrolle der Scheibe und der entstandenen Würfel.
-
Die Schicht 42 wird jetzt geeigneter aktinischer Strahlung durch eine
Strahlungsmaske 44 nach Fig. 2b selektiv unterworfen. Die Strahlung kann
verschiedenartig sein, wie z. B. ultraviolettes Licht, Röntgenstrahlen und Elektronen in
Abhängigkeit von den Eigenschaften des aktinischen Materials. Das Material in der Schicht 42
hat beispielsweise eine negative Wirkung. In diesem Fall enthält die Maske 44
Blockierungsbereiche, die verhindern, daß an angewiesenen Seitenbegrenzungsstellen 18
Strahlung auf die Anteile der Schicht 42 auf dem Kontaktgebiet 16 und auf dem Substrat
10 fällt.
-
Unter Verwendung eines geeigneten Entwicklers wird die Schicht 42
entwickelt, um die unbelichteten Anteile hinunter nach den Kontaktgebieten 16 und nach
dem Substrat 10 an den Stellen 18 zu entfernen. Die Elemente 46 in Fig. 2c sind die
elektrisch isolierenden Anteile der Schicht 42, die nach dem Belichten und Entwickeln
zurückbleiben. Die Anteile 46 liegen im allgemeinen auf der (den Rest der) Schicht 14,
erstrecken sich jedoch gar nicht bis in die Öffnungen 24 und 26.
-
Der thermische Ausdehnungskoeffizient αRES des thermohärtenden
Kunstharzes, das später zum Packen jedes Würfels benutzt wird, steigt normalerweise
beim Anstieg der Temperatur langsam an, bis eine Temperatur TC etwas unter 150ºC
erreicht wird, bei der αRES stark ansteigt. TC beträgt typisch etwa 130ºC. Die hier
kollektiv mit αOTH bezeichneten thermischen Ausdehnungskoeffizienten werden, für die
anderen relevanten IC-Bauteile steigen üblicherweise langsam mit der Temperatur bis
auf 150ºC langsam an. Unter TC ist αRES wesentlich größer als αOTM. Jedoch da die
Temperatur TC übersteigt, wird αRES rasch viel größer als αOTH. Es erscheint also,
daß ein großer Teil der in den fertiggestellten integrierten Schaltungen erzeugten
mechanischen Spannung während der thermischen wiederholten
Standardlebensdauerversuche zwischen -65ºC und 150ºC durch die differentiellen volumetrischen
Ausdehnungen/Kontraktionen verursacht wird, die bei den Übergängen zwischen TC und 150ºC
auftreten. Dementsprechend liegt die Glasübergangstemperatur des Materials in den
Anteilen 46 unter 150ºC, um die Spannung in den integrierten Schaltungen zu
beseitigen.
-
Die Größe der Spannungsentlastung nimmt offensichtlich zu, wenn TG
abnimmt. Wenn TG kleiner ist als TC, wird ein wesentlicher Spannungsbetrag beseitigt,
da die Anteile 46 im TC-zu-150ºC-Anteil des thermischen wiederholten
Standardbereichs (sowie im TG-zu-TC-Anteil) elastomer ist. Für die in Anwendungen mit
Raumtemperatur benutzten integrierten Schaltungen wird dies durch Einstellung von TG auf
25ºC oder darunter sicher erreicht. Ein Wert von 25ºC oder weniger für TG
gewährleistet, daß die Anteile 46 im ganzen Temperaturbereich gummiartig sind, in dem sich
derartige integrierte Schaltungen im Betrieb befinden.
-
Der Höchstbetrag der Spannungsentlastung wird weitgehend während der
thermischen Standardlebensdauerversuche erreicht, wenn TG -65ºC beträgt oder
darunter. Ein derartiger TG-Wert ist wünschenswert für integrierte Schaltungen, die in
sehr kalten Umgebungen benutzt werden.
-
Die Höchsttemperatur, die die Würfel in den nachfolgenden
Bearbeitungsschritten nach der Beschreibung weiter unten erfahren, beträgt normalerweise 275ºC-
300ºC.
Die Temperatur im normalen IC-Betrieb übersteigt selten diesen Wert. Daher
sollten die Anteile 46 sich auf oder unter 300ºC nicht wesentlich zersetzen.
-
Im bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Material der Schicht 42 in
Fig. 2b eine photoempfindliche negativ wirkende transparente viskose
Raumtemperaturflüssigkeit vom Typ nach der Beschreibung in der amerikanischen Patentschrift 4 279
717. Die Flüssigkeit ist eine Kombination experimenteller Materialien GE 479-1866 und
GE 479-1350C von General Electric Co. Die Verhältnisse liegen vorzugsweise bei 90
Gewichtsteilen von GE 479-1866 zu 10 Gewichtsteilen von GE 479-1350C. Belichtung
mit ultraviolettem Licht wandelt die Flüssigkeit in ein Silikonenpolymer um.
-
Die Schicht 42 wird bis zu einer mittleren Dicke von 3 bis 5 um durch
Ablagerung einer spezifizierten Flüssigkeitsmenge auf der oberen Fläche der Struktur
nach Fig. 1c und durch anschließendes Schleudern der entstandenen Struktur zum
Erzeugen einer verhältnismäßig ebenen oberen Fläche erzeugt. Es ist kein
Einbrennschritt erforderlich. Das selektive Belichten der Schicht 42 erfolgt mit ultraviolettem
Licht bei einer Dosierung im Bereich von 0,2 bis 2 Joules/cm². Die Entwicklung der
Schicht 42 erfolgt mit n-Hexan in 20 bis 60 Sekunden.
-
TG für das entstandene Material der Anteile 46 in Fig. 2c beträgt etwa
-100ºC. Zersetzung findet nicht statt bis zur Temperatur zwischen 350ºC und 400ºC.
-
Im vorliegenden Beispiel haben die Schicht 42 und die Photoresistschicht
20, die bei der Erzeugung der Öffnungen 24 und 25 verwendet werden (wie in Fig. 1b),
dieselbe Wirkung, in diesem Fall negativ. Da die Anteile 46 allgemein mit den
restlichen Anteile des Isolators 14 vertikal ausgerichtet sind, befinden sich die Bereiche
der Maske 44, durch die die aktinische Strahlung fällt, an denselben jeweiligen Stellen
wie die Bereiche der Maske 22, durch die das ultraviolette Licht geht. Wenn das
Material, das das strahlungsabblockende Muster in der Maske 44 bildet, dasselbe ist
(oder sein kann) wie das Material, das das ultraviolette Licht in der Maske 22 abblockt,
können die Masken 44 und 22 dieselben oder wesentlich identische Strahlungsmasken
sein. Dies gilt auch, wenn beide Schichten 42 und 20 positive Wirkungen haben. Der
einzige Unterschied dabei ist, daß die Stellen der abblockenden und übertragenden
Maskenbereiche gegen die in Fig. 1b und 2b angegebenen Bereichen umgekehrt sind.
-
Durch den inhärenten Fehler beim Ausrichten der Masken 44 und 22 in
bezug auf die Scheibe belegen Teile der Schichten 46 normalerweise kleine Abschnitte
der Öffnungen 24 und 26 entlang ihrer Seitenränder. (Dies ist in der Zeichnung nicht
veranschaulicht.) Sollte das teilweise Ausfüllen der Öffnungen 24 und 26 mit Material
der Anteile 46 unzulässig sein, können die strahlungsabblockenden Bereiche in der
Maske 44 etwas größer als die in der Maske 22 gemacht werden, wenn das Material in
der Schicht 42 negativ wirkend ist. Das Umgekehrte gilt, wenn die Wirkung des
Materials in der Schicht 42 positiv ist.
-
Die Schichten 42 und 20 können entgegengesetzte Wirkung haben. Die
Masken 44 und 22 sollen dabei unveränderlich verschieden sein.
-
Zurück zur allgemeinen Bearbeitungsfolge wird die Scheibe in einzelne
Würfel auf die Weise nach der Beschreibung für Fig. 1d gebrochen. Einer der
entstehenden Würfel ist in Fig. 2d dargestellt. Der Anteil 46 für diesen Würfel ist eine
durchgehende mit Öffnungen durchlöcherte Schicht, die in die Öffnungen 24 münden.
Die Anteile des Substrats 10 im Würfel nach Fig. 2d wird wieder mit dem Körper 28
bezeichnet.
-
Ebenso wird der Würfel mit einer metallischen Leiterplatte und mit
Zwischendrähten 34 auf die in Fig. 1e beschriebene Weise versehen. Der Vorgang der
Befestigung des Würfels an der Leiterplatte kann bei einer Temperatur von 280ºC
erfolgen. Der Drahtdurchmesser beträgt vorzugsweise 25 bis 35 um. Wie in Fig. 2e
angegeben, ragen die Kuppen der Kugel 36 normalerweise über der Oberseite der
Schicht 46 aus.
-
Die integrierte Schaltung ist jetzt auf herkömmliche Weise gepackt. Der
Würfel, die Leiterplatte und die zusammengesetzten Leiter 32 und 34 werden in einer
harten elektrisch isolierenden Beschichtung 48 derart eingekapselt, daß nur Teile der
Leiter 32 aus der Beschichtung 48 heraustreten. Siehe Fig. 2f. Die
Packungsbeschichtung 48 besteht beispielsweise aus einem thermohärtenden Kunstharz, wie z. B.
Epoxydkresolnovolack, das mit Phenolformaldehydnovolack gehärtet wird. TC beträgt für
dieses Kunstharz etwa 130ºC.
-
Die Schicht 46 verhindert Beschädigung der elektronischen Bauteile in der
integrierten Schaltung durch wesentliches Verringern der oben beschriebenen
mechanischen Spannung, die sonst ihre Auswirkung auf den Körper 28 und auf das
Verbindungssystem 12 durch den Packungserkaltungsschrumpf und durch anschließende
thermische Wechselbeanspruchung einwirken würde. Die Beschichtung 48 hält die ganze
Länge jedes Drahtes 34 fest an seinem Platz auf seiner Kugel 36. Hierdurch wird die
Größe der vom Draht 34 auf die Kugel 36 ausgeübten Wärmeermüdung weitgehend
beseitigt und damit die Möglichkeit von Drahtbruch stark reduziert. Die höchste
thermisch erzeugte Spannung tritt an den Basen der Kugeln 36 auf, die aus oben
angeführten Gründen normalerweise diese Spannung aushält.
-
Ein wesentlicher Vorteil dieser Packungstechnik ist, daß das
Spannungsentlastungsmaterial gleichzeitig auf vielen Würfeln auf einer Scheibe angewandt wird.
Dies ist wirtschaftlicher als die oben erwähnte Technik nach dem Stand der Technik, in
der die Spannungsentlastungsschicht 38 getrennt auf jedem Würfel erzeugt wird.
-
In Fig. 3a bis 3c sind die kritischen Merkmale in einem anderen
Verfahren zum Erzeugen von Spannungsentlastungsschichten 46 angegeben. In dieser
Abwandlung werden die Anteile 46 als-eine Maske in der Ätzschicht 14 verwendet. Der
Ausgangspunkt für Fig. 3a bis 3c ist Fig. 1a, in der die Scheibe bis zur Bildung des
Isolators 14 auf den Verbindungssystemen 12 bearbeitet wurde. Eine bemusterbare
Blanketschicht 58 eines elektrisch isolierenden aktinischen Materials wird auf der
Schicht 14 nach Fig. 3a erzeugt. Das Material der Schicht 58 besitzt alle Eigenschaften,
die weiter oben für das Material der Schicht 42 angegeben wurden.
-
Die Schicht 58 wird aktinischer Strahlung selektiv durch eine
Strahlungsmaske 60 nach Fig. 3b unterworfen. Wenn das aktinische Material negativ wirkend ist,
besitzt die Maske 60 Abblockungsbereiche, die verhindern, daß Strahlung auf Anteile
der Schicht 58 über dem Kontaktgebiet 16 und auf dem Körper 10 an den Stellen 18
fällt. Das Umgekehrte gilt, wenn das aktinische Material positiv wirkend ist.
-
Für jede Wirkung wird ein geeigneter Entwickler zum Entfernen von
Anteilen der Schicht 58 hinunter auf Teile des Isolators 14 auf dem Kontaktgebiet 16
und auf dem Körper 10 an den Stellen 18 benutzt. Siehe Fig. 3c. Die Anteile 46 sind
jene Teile der Schicht 58, die nach dem Belichten und Entwickeln zurückbleiben. Die
Schicht 14 wird dann durch die Öffnungen in und zwischen den Anteilen 46 geätzt,
wobei wieder die Struktur der Fig. 2c erhalten wird. Die Schritte der Fig. 2d bis 2f
werden anschließend zur Vervollständigung der IC-Herstellung durchlaufen.
-
Die momentane Spannungsentlastungsschicht kann auch in diskreten
Halbleiteranordnungen verwendet werden. Die Packangsbeschichtung braucht den
Halbleiterkörper, das Verbindungssystem, die aufliegende Isolierschicht und die
Spannungsentlastungsschicht nicht ganz einzukapseln, sofern sie sie auf der oberen Seite
abdeckt. Es wäre also möglich, die vorliegende Spannungsentlastungsschicht in einer
Hybridschaltung zu verwenden.