CN1227648A - 芯片卡、用于制作芯片卡的方法和用在芯片卡中的半导体芯片 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有一个卡体(1)和多个由导电材料构成的接触面(3)的芯片卡，其中，接触面(3)与接头(11)电气连接，接头(11)配属于一个在半导体芯片(4)的半导体衬底(10)上形成的电子电路。接触面(3)是以一个建有结构的敷层的形式在半导体芯片(4)的面向电子电路的主表面上形成的，其中，与接触面(3)一并形成的半导体芯片(4)如此地插入和固定在芯片卡的卡体(1)的容纳口(2)中，使接触面(3)与卡体(1)的外表面(7)基本齐平地伸展。为了保证具有足够高的机械柔性，硅衬底的厚度最好小于100μm。

Description

芯片卡、用于制作芯片卡的方法和 用在芯片卡中的半导体芯片
发明涉及一种权利要求1的前序部分所述的芯片卡、一种权利要求8的前序部分所述的、用于制作芯片卡的方法和一种权利要求15的前叙部分所述的、用在芯片卡中的半导体芯片。
这种芯片卡、这种用于制作芯片卡的方法和这种用在芯片卡中的半导体芯片譬如已由Wolfgang Rankl,Walfgang Effing撰写的芯片卡手册(慕尼黑，维也纳Carl Hanser出版社1995年出版)所公开。按照该手册，在制作芯片卡时，所谓的芯片模块先被制作，这些芯片模块是中间产品，这些中间产品可作为加工完毕的单元被制作和可独立地被继续加工成最终产品。在此，芯片模块被理解为一种装置，在该装置中，在一个电绝缘的载体上或中设有一个或多个以芯片或集成电路为表现形式的、集成的半导体电路，这些集成的半导体电路经由连线与一个设在载体的一侧或两侧上的印刷电路系统相连，其中，载体通常为一个柔性的薄膜，在该薄膜上装有本来的芯片，并且芯片卡的大多镀金的接触面处在该薄膜上。在这种芯片模块的制作中，主要用两种不同的技术把半导体芯片封装到载体薄膜上：即所谓的TAB技术(条带自动键合)以及线键合技术。在TAB技术中，先把金属的凸起部镀敷到半导体芯片的连接面(焊盘)上，然后，载体薄膜的线路被焊到金属的凸起部上。该焊接具有如此大的机械负载能力，使半导体芯片本身无需再被固定，而是只挂在印刷线路上即可。TAB方法的优点在于，芯片接头的机械承载能力高并且芯片模块的结构高度低。但与线键合的芯片模块相比，获得上述优点须付出较高的加工成本。在线键合的芯片模块中，也规定用一个塑料薄膜作为载体材料，在塑料薄膜的正面上镀敷有镀金的接触面。为了容纳芯片和接线，从载体薄膜中冲出孔。芯片从背面伸入规定的空挡固定到印刷线路上(模片键合)。随后，芯片接头以细线(几微米)与触点的背面相连。然后，芯片和键合线通过浇注料被保护，以防环境影响。该方法的优点在于，在很大程度上可依靠在半导体工业中通常的、用于把芯片封装到标准壳体中的方法，并据此使成本更加合理。其缺点在于，模块的结构高度以及长度和宽度均远远大于TAB模块的相应尺寸，因为不仅芯片，而且还有键合线均需通过防护料受到保护。而据此，在把芯片模块装入芯片卡时，也使问题变得更加严重。
随后，各个芯片模块从装配完毕的薄膜上被冲击并被放入芯片卡中。在该方法中，在芯片卡内对半导体芯片不进行直接固定，其优点在于，在芯片卡承受机械负载时出现的弯曲力在很大程度上被半导体芯片摆脱。所有的、迄今公开的、属于芯片卡范畴的模块装配工艺或壳体工艺的共同目标是：面对由于弯曲或扭曲造成的、基于集成电路的材料脆性会导致集成电路发生破坏的机械负荷，保护集成电路。目前，在芯片卡中所用的集成电路的或者半导体芯片的标准厚度为约200μm。其中硅的杨氏弹性模量为190·103N/mm2，据此，硅芯片的材料性能是极脆的。从壳体侧保护敏感的半导体芯片既明显增加成本(所需的装配和材料费用)，又增加工工时(在制作出集成电路后才进行装配和加工步骤)。
本发明的任务在于提供一种比以往公开的芯片模块更简单的、具有一个集成的半导体电路的装置，该装置可用在芯片卡中并且特别是可承受在芯片卡中规定的弯曲负荷。
解决以上任务的技术方案在于一种权利要求1所述的芯片卡、一种权利要求8所述的、用于制作芯片卡的方法以及一种权利要求15所述的、用在芯片卡中的半导体芯片。
发明规定，接触面是以建有结构的覆层的形式在半导体芯片的面向电子电路的主表面上建立的，并且与接触面一并制作的半导体芯片如此地插入和固定在芯片卡的卡体的容纳口中，使接触面与卡体的外表面基本齐平地伸展。
其中，发明的认识首先在于完全摆脱迄今一直作为中间产品制作的芯片模块并建议无模块地制作芯片卡，在该芯片卡中，半导体芯片直接地具有所需的接触面，并且与接触面一并制作的半导体芯片直接地，即在没有任何载体薄膜或支承薄膜或其它的、面对机械负荷保护半导体芯片的措施的情况下直接地植入卡体内。据此，就外部尺寸而言最好按以往的ISO标准制作的接触面完全被芯片的或者集成电路的半导体衬底支承；为此，半导体衬底具有根据出自ISO标准的接面所需的基面，与以往所用的半导体芯片相比，该基面明显地有所增大。但该缺点通过发明的下列优点得到绰绰有全的补偿。其一是：开辟了在尚未相互分割开的半导体芯片的晶片阵列中特别是以通常用于在半导体工艺中淀积和建立金属层的涂敷方法建立接触面的可能性，而不象以往那样，在前端一终端作业中形成电子电路后跟着进行既费钱又费工的装配。在把各个半导体芯片锯切或机械分离成相应的矩阵之后，具有接触面的半导本芯片借助相宜的连接技术与卡体连接，最好是借助一种粘合材料或粘附材料被持久地固定在卡体的容纳口内。原则上，所有的目前公开的注入技术，譬热熔式装配技术、借助Cyanocrelat粘结剂装配，借助一个压敏的粘合薄膜装配，或其它的物理连接技术均适合此用。
为了形成容纳口，最好在制成的卡体上铣出一个豁口，随后把具有接触面的半导体芯片粘合在该豁口内。本发明也同样可用于按层叠法制成的芯片卡。在层叠法中，芯片卡是通过不同的薄膜，即表层薄膜和内层薄膜的层叠制作的，其中，在层叠之前，先在薄膜上冲出合适的孔并且半导体芯片随后被装入容纳口中，并且半导体芯片与卡体固定地焊接。此外，发明建议的技术方案还适用于注塑结构的卡体。其中，包括供半导体芯片用的口在内的全部卡体均作为注塑件被注塑并且半导体芯片被粘合在其内。
卡体的几乎完全配合地容纳半导体芯片的容纳口的侧向尽寸取决于集成电路的或者半导体芯片的所需的功能度并取决于接触面的所需的或者按ISO标准要求的尺寸。发明的特别优选的实施形式建筑在半导体材料硅，特别晶体的硅上。此外，基于成本考虑，也可使用另一种经济的半导体材料，在理想的情况下，制作的这种经济的半导体材料具有大于6英寸的晶片直径。
在发明的一个特别优选的实施形式中规定，有利地由硅构成的半导体衬底的厚度远远低于200μm，有利地为约150μm或小于150μm，特别有利地为约100μm或小于100μm。在理想的情况下，硅衬底的总厚度为约50μm至约100μm。而以往置入芯片卡的半导体芯片的标准厚度目前为约200μm。其中，硅的杨氏弹性模量为190·103N/mm2，据此，硅芯片的材料特性是极脆的。芯片越薄，则硅芯片的防弯柔性反而有所增加。该效应通过在磨削硅晶片之后的背面消薄过程，如损伤蚀刻变得更加显著。半导体芯片的通过背面磨削所引起的、在弯曲负荷时有时使芯片断裂的几乎直线上升的原子缺陷(位错和类似缺陷)通过随后把芯片背面蚀刻去约4至7μm几乎被削除。
在发明的另一优选的实施形式中可规定，在半导体芯片的支承电子电路的主表面上敷有一薄的绝缘层，在该绝缘层上淀积有建有结构的敷层形式的接触面。其中，用于接触面的导电敷层的总厚度有利地为约30μm至约50μm。
因此，用在芯片卡中的、设有接触面的半导体芯片的优选的结构特点在于，在具有建有结构的、具有电子电路的构成部分和连接金属(接头)的表面的硅衬底上淀积有一薄的、由具有介电性能的材料构成的层，在该薄层中，连接面是被空出的。也可选择地敷上一层有电阻的中间层。在电介质的上方敷加一导电层，该导电层的接触面与连接面相连并且这些接触面是相互电绝缘的，在最简单的情况下经由气隙相互电绝缘。其中，接触面附合相应的ISO标准(ISO 7810-2)。根据选择，导电层可由一种贵重金属，如金、AuCo、NiPau、硬镍/Au、单层的或多层的或其它的适宜的材料构成，其中，作为最外层，可选择由其摩擦性能和耐腐蚀性均好的材料构成，譬如一薄的、约2μm厚的、导电的、具有良好的机械硬度的碳涂层。
下面从对借助附图所示的实施例的描述中说明本发明的其它特征、优点和相宜性。附图所示为：
图1发明的一个实施例中的一个具有一个卡体和一个固定在卡体的容纳口中的、有接触面的半导体芯片的芯片卡的示意截面视图，
图2在硅材料的几个选定的厚度情况下，弯曲应力与硅主体材料的弯曲半径的关系曲线。
在不合比例绘出的图1中示意地示出了一个芯片卡的一个局部，该芯片卡具有一个其外部尺寸通常为85mm·54mm·1mm的卡体1和一个铣削出的容纳口2及一个设有接触面3的半导体芯片4。半导体芯片4借助粘结材料5持久地如此地固定在容纳口2内，使接触面3的外表面6与卡体1的外表面7基本上齐平地伸展。
半导体芯片4包括其厚度为40μm的硅衬底，在该硅衬底上，借助通常的半导体工艺步骤，建立为形成电子电路所需的构成部分或者结构，其中，这些构成部分的结构高度为约10μm。通常，用于构成电子电路的构成部分或者结构覆盖有一其厚度为约3μm的Si3N4保护层。为了简化起见，在图1中只示意地作为一层示出了所述的结构和Si3N4层，该层标有标号8。在建立用于形成焊盘或者接头11的连接金属之后，一层薄的、由电介质材料构成的、其厚度为20μm的绝缘层9被淀积，该绝缘层9在接头11位置是空挡。在以此形成的表面上淀积一层薄的金属敷层12，该金属敷层12借助由半导体工艺公开的、用于建立相互电绝缘的接触面3的光刻方法建立出结构。据此，每个接触面3与电子电路的相配属的接头11电气相连。
图2示出了在几个选定的硅材料厚度的情况下弯曲应力δB与硅主体材料的弯曲半径rB的关系曲线。从图中可以看出，在半导体芯片的衬底厚度小于100μm时，芯片具有如此大的抗弯曲和抗扭曲柔性，就是说，芯片在不附加壳体保护的情况下能满足ISO的抗机械负载要求。发明人的试验表明，即使是在如此薄的芯片厚度的情况下仍可建立有足够的合格率的集成电路。
总而言之，用发明的技术方案可成功地建立一种便于建立的、无模块的用在通常的芯片卡中的集成电路，其中，不需要在所谓的后头的加工阶段中的费工的过程步骤，同时，可省去装配用的特殊壳体模或者包封模的通常与高的费用开销联系在一起的开发，并且在大大减少芯片卡制造厂所需的计算费用的情况下提高经济效益。

Claims (20)

1．具有一个卡体(1)和多个由导电材料构成的接触面(3)的芯片卡，其中，接触面(3)与接头(11)电气连接，接头(11)配属于一个在半导体芯片(4)的半导体衬底(10)上形成的电子电路，其特征在于，接触面(3)以一个建有结构的敷层的形式在半导体芯片(4)的面向电子电路的主表面上形成，并且与接触面(3)一并形成的半导体芯片(4)如此地插入和固定在芯片卡的卡体(1)的容纳口(2)中，使接触面(3)与卡体(1)的外表面(7)基本齐平地伸展。
2．按照权利要求1所述的芯片卡，其特征在于，在其主表面上支承接触面(3)的半导体芯片(4)借助粘结材料或粘附材料(5)持久地固定在卡体(1)的容纳口(2)内。
3．按照权利要求1或2所述的芯片卡，其特征在于，有利地由硅构成的半导体衬底(10)的厚度远远低于200μm，有利地为约150μm或小于150μm，特别有利地为约100μm或小于100μm。
4．按照权利要求3所述的芯片卡，其特征在于，有利地由硅构成的半导体芯片(10)的厚度为约50μm至约100μm。
5．按照权利要求1至4之一所述的芯片卡，其特征在于，在半导体衬底(10)的支承电子电路的主表面上敷有一薄的绝缘层(9)，在该绝缘层(9)上淀积有以建有结构的敷层为表现形式的接触面(3)。
6．按照权利要求1至5之一所述的芯片卡，其特征在于，用于接触面(3)的导电的敷层(12)的总厚度为约30μm至约50μm。
7．按照权利要求1至6之一所述的芯片卡，其特征在于，用于接触面(3)的导电的敷层(12)由多个导电层构成。
8．用于制作具有一个卡体(1)和多个由导电的材料构成的接触面(3)的芯片卡的方法，在该芯片卡中，接触面(3)与配属于一个在半导体芯片(4)的半导体衬底(10)上形成的电子电路的接头(11)电气连接，其特征在于，接触面(3)以一个建有结构的敷层的形式在半导体芯片(4)的面向电子电路的主表面上被形成，并且与接触面(3)一并形成的半导体芯片(4)如此地插入和固定在芯片卡的卡体(1)的容纳口(2)中，使接触面(3)与卡体(1)的外表面(7)基本齐平地伸展。
9．按照权利要求8所述的用于制作芯片卡的方法，其特征在于，在其主表面上支承接触面(3)的半导体芯片(4)借助粘结材料或粘附材料(5)持久地固定在卡体(1)的容纳口(2)内。
10．按照权利要求8或9所述的用于制作芯片卡的方法，其特征在于，有利地由硅构成的半导体衬底(10)的厚度远远低于200μm，有利地为约150μm或小于150μm，特别有利地为约100μm或小于100μm。
11．按照权利要求10所述的用于制作芯片卡的方法，其特征在于，有利地由硅构成的半导体芯片(10)的厚度为约50μm至约100μm。
12．按照权利要求8至11之一所述的用于制作芯片卡的方法，其特征在于，在半导体衬底(10)的支承电子电路的主表面上敷有一薄的绝缘层(9)，在该绝缘层(9)上淀积有以建有结构的敷层为表面形式的接触面(3)。
13．按照权利要求8至12之一所述的用于制作芯片卡的方法，其特征在于，用于接触面(3)的、导电的敷层(12)的总厚度为约30μm至约50μm。
14．按照权利要求8至13之一所述的用于制作芯片卡的方法，其特征在于，用于接触面(3)的、导电的敷层(12)由多个导电层构成。
15．用在芯片卡中的半导体芯片，芯片卡具有一个卡体(1)和多个由导电的材料构成的接触面(3)，接触面(3)与接头(11)电气连接，接头(11)配属于一个在半导体芯片(4)的半导体衬底(10)上形成的电子电路，其特征在于，接触面(3)是以一个建有结构的敷层的形式在半导体芯片(4)的面对电路的主表面上形成的。
16．按照权利要求15所述的半导体芯片，其特片在于，有利地由硅构成的半导体衬底(10)的厚度远远低于200μm，有利地为约150μm或小于150μm，特别有利地为约100μm或小于100μm。
17．按照权利要求15或16所述的半导体芯片，其特征在于，有利地由硅构成的半导体芯片(10)的厚度为约50μm至约100μm。
18．按照权利要求15至17之一所述的半导体芯片，其特征在于，在半导体衬底(10)的支承电子电路的主表面上敷有一薄的绝缘层(9)，在该绝缘层(9)上淀积有以建有结构的敷层为表面形式的接触面(3)。
19．按照权利要求15至18之一所述的半导体芯片，其特征在于，用于接触面(3)的导电的敷层(12)的总厚度为约30μm至约50μm。
20．按照权利要求15至19之一所述的半导体芯片，其特征在于，用于接触面(3)的、导电的敷层(12)由多个导电层构成。
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