DE10017741A1

DE10017741A1 - Gehäuse für Halbleiterchips

Info

Publication number: DE10017741A1
Application number: DE10017741A
Authority: DE
Inventors: Stefan Paulus; Juergen Hoegerl
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2000-04-10
Filing date: 2000-04-10
Publication date: 2001-10-25
Also published as: US6576995B2; US20010030359A1

Abstract

Das erfindungsgemäße Gehäuse verwendet ein Grundsubstrat (1) aus Kunststoff, das z. B. in einem herkömmlichen Spritzgussverfahren in einer an sich bekannten Weise in großer Stückzahl kostengünstig hergestellt werden kann. Das Grundsubstrat ist an seinen Oberflächen mit geeignet strukturierten Metallschichten (31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40) versehen, die als Anschlusskontaktflächen und als Leiterbahnen vorgesehen sind. Das Grundsubstrat besitzt vorzugsweise mindestens eine Ausnehmung oder Aussparung, in die ein Halbleiterchip (2) eingesetzt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gehäuse für Halblei terchips, das insbesondere für Hochfrequenzbauelemente geeig net ist.

Für die Montage von Halbleiterchips existiert bereits eine Reihe verschiedener Gehäuseentwicklungen, die sich durch die Anordnung des Chips auf einem Trägersubstrat sowie die elek trisch leitenden Verbindungen zu externen Anschlüssen hin un terscheiden. Meistens ist unter einem Gehäuse nur ein Träger oder ein mit elektrischen Leitern geeignet strukturierter Rahmen zu verstehen, auf dem der Halbleiterchip befestigt und kontaktiert wird und anschließend mit einer Vergussmasse oder Pressmasse umschlossen wird.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Gehäuse für Halbleiterchips anzugeben, das kostengünstig in großer Stück zahl hergestellt werden kann und eine große Flexibilität bei der Gestaltung der elektrischen Anschlüsse ohne zusätzlichen Prozessaufwand bietet.

Diese Aufgabe wird mit dem Gehäuse mit den Merkmalen des An spruches 1 gelöst. Ausgestaltungen ergeben sich aus den ab hängigen Ansprüchen.

Das erfindungsgemäße Gehäuse verwendet ein Grundsubstrat aus Kunststoff, das z. B. in einem herkömmlichen Spritzgussver fahren in einer an sich bekannten Weise in großer Stückzahl kostengünstig hergestellt werden kann. Das Grundsubstrat ist an seinen Oberflächen mit geeignet strukturierten Metall schichten versehen, die als Anschlusskontaktflächen und als Leiterbahnen vorgesehen sind. Das Grundsubstrat besitzt vor zugsweise mindestens eine Ausnehmung oder Aussparung, in die ein Halbleiterchip eingesetzt werden kann.

Die Abmessungen und die Strukturierung des Grundsubstrates können so gewählt werden, dass es als Gehäuse für eine Viel zahl von Halbleiterchips dient. Nach dem Einsetzen der Halb leiterchips und der Kontaktierung sowie ggf. nach weiteren erforderlichen Herstellungsschritten können die für die ein zelnen Bauelemente vorgesehenen Anteile des Grundsubstrates voneinander getrennt und so die vorgesehenen Einzelgehäuse mit jeweiligen Bauelementen vereinzelt werden. Am einfachsten geschieht das durch Sägen, Brechen oder Stanzen, vorzugsweise an für das verwendete Werkzeug vorgesehenen Ansatzbereichen oder Sollbruchstellen an dem Grundsubstrat. Das Grundsub strat, von dem bei der Herstellung ausgegangen wird, ist da her vorzugsweise eine Anordnung (Array) vereinzelbarer Chip gehäuse.

Das Grundsubstrat kann bereits bei der Herstellung mit Durch kontaktierungen (vias) versehen werden, die später elektri sche Verbindungen von Anschlusskontaktflächen auf der Vorder seite mit Anschlusskontaktflächen auf der Rückseite des Sub strates ermöglichen. Die für die Durchkontaktierungen erfor derlichen Kanäle in dem Kunststoffmaterial können bei der Herstellung des Kunststoffkörpers des Grundsubstrates bereits ausgebildet werden, z. B. indem eine geeignete Form für ein Spritzgussverfahren verwendet wird. Statt dessen können die Kanäle nachträglich durch Bohren oder Ätzen in dem Grundsub strat hergestellt werden.

Ein bevorzugtes Herstellungsverfahren sieht vor, die Oberflä chen des Grundsubstrates vollständig zu metallisieren, wobei die Kunststoffoberfläche beispielsweise durch galvanische Ab scheidung mit einer dünnen Metallschicht versehen wird. Diese aufgebrachte Metallschicht wird anschließend strukturiert, was z. B. mit Hilfe von Schreiblasern oder lithographischen (Ätz-)Verfahren geschehen kann. Grundsätzlich ist es aber auch möglich, unter Verwendung einer geeignet angepassten Maskentechnik die Metallschicht bereits mit der vorgesehenen Struktur aufzubringen. Die strukturierte Metallschicht wird vorzugsweise auf der für das Anbringen eines Halbleiterchips vorgesehenen Vorderseite und der gegenüberliegenden Rückseite des Substrat hergestellt. Für eine elektrisch leitende Ver bindung zwischen einer Anschlusskontaktfläche dieser Metall schicht auf der Vorderseite mit einer Anschlusskontaktfläche auf der Rückseite wird das Metall auch in die für die Durch kontaktierungen vorgesehenen Kanäle eingebracht. Falls keine solchen Kanäle vorgesehen sind, kann eine entsprechende leit fähige Verbindung zwischen der Vorderseite und der Rückseite des Substrates auch durch geeignet strukturierte und in der aufgebrachten Metallschicht ausgebildete Leiterbahnen erfol gen, die auf den Seitenwänden des Grundsubstrates vorhanden sind.

Die auf der Rückseite des Grundsubstrates in der aufgebrach ten Metallschicht strukturierten Anschlusskontaktflächen sind für die elektrische Kontaktierung mit entsprechenden An schlußkontaktflächen (pads) z. B. auf einer Leiterplatte ge eignet angeordnet. Die Anschlusskontaktflächen an dem Grund substrat können beliebige geometrische Formen aufweisen. Die Anschlusskontaktflächen können außerdem in einer an sich be kannten Weise mit einem Korrosionsschutz, z. B. einer Vergol dung, versehen sein.

Das erfindungsgemäße Gehäuse lässt sich daher mit an sich be kannten Verfahrensschritten auf vergleichsweise einfache Wei se in großer Stückzahl herstellen. Es besteht offensichtlich eine große Freiheit in der Strukturierung des Gehäuses selbst zur Aufnahme unterschiedlichster Halbleiterchips und in der Strukturierung der elektrischen Kontaktierung und Verdrah tung. Das Gehäuse kann ferner praktisch an beliebig gestalte te Subträger, Leiterplatten, Leiterrahmen oder geschlossene Gehäuse angepasst werden. Zum Schutz des jeweiligen Halblei terchips kann der Chip mit einer Vergussmasse umschlossen werden, die vorzugsweise in eine Aussparung des Grundsubstrates, in die der Halbleiterchip eingesetzt wird, nach dem Ein setzen des Chips eingepresst wird.

Es folgt eine genauer Beschreibung von Beispielen des erfin dungsgemäßen Gehäuses anhand der Fig. 1 bis 7.

Fig. 1 zeigt eine Anordnung mit einem erfindungsgemäßen Gehäuse und einem darin eingesetzten Halbleiterchip im Querschnitt.

Fig. 2 zeigt die in Fig. 1 eingezeichnete Schnittauf sicht.

Fig. 3 zeigt das Ausführungsbeispiel von Fig. 1 in Auf sicht auf die Rückseite.

Fig. 4 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel mit Durchkontaktierungen im Querschnitt.

Fig. 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel mit Durch kontaktierungen und alternativer Anschlusskontak tierung des Chips im Querschnitt.

Fig. 6 zeigt die, Anordnung von Fig. 5 in Aufsicht auf die Oberseite.

Fig. 7 zeigt die Anordnung von Fig. 5 in Aufsicht auf die Unterseite.

In Fig. 1 ist im Querschnitt ein Grundsubstrat 1 aus Kunst stoff dargestellt. Dieses Grundsubstrat 1 ist mit einer Aus sparung versehen, in die ein Chip 2 eingesetzt ist. Die Ober seiten des Grundsubstrates 1 sind mit Metallisierungen verse hen, die für einen elektrischen Anschluss des Chips 2 struk turiert sind. Ein erster Anteil 31 der Metallisierungen be findet sich auf dem Boden der für den Chip 2 vorgesehenen Aussparung, so dass ggf. vorhandene Rückseitenkontakte des Chips 2 dort mit der Metallisierung elektrisch leitend ver bunden sein können. Dieser erste Anteil 31 der Metallisierung ist über einen zweiten Anteil 32 an der in der Figur linken Seitenwand der Aussparung, einen auf der Vorderseite des Grundsubstrates vorhandenen dritten Anteil 33 sowie über ei nen an der in der Figur linken äußeren Seitenwand des Grund substrates vorhandenen vierten Anteil 34 der Metallisierung bis zu einem fünften Anteil 35 geführt, der auf der Rückseite vorhanden ist, um einen elektrischen Kontakt, z. B. zu einer Anschlusskontaktfläche einer Leiterplatte, herzustellen. Auf der Oberseite des Chips befindet sich in diesem Beispiel ein Chipkontakt 3, der über einen Bonddraht 4 mit einem sechsten Anteil 36 der Metallisierung elektrisch leitend verbunden ist. Um den Bonddraht 4 ebenfalls in der für den Chip 2 vor gesehen Aussparung geschützt unterbringen zu können und au ßerdem das Befestigen des Bonddrahtes auf dem sechsten Anteil 36 der Metallisierung zu erleichtern, ist in diesem Bereich des sechsten Anteils 36 der Metallisierung die Aussparung in dem Grundsubstrat 1 mit einer Stufe ausgebildet. Der sechste Anteil 36 der Metallisierung ist über einen siebten Anteil 37 an der in der Fig. 1 rechten Seitenwand der Aussparung, ei nen auf der Vorderseite des Grundsubstrates daran anschlie ßend vorhandenen achten Anteil 38 der Metallisierung sowie über einen an der in der Figur rechten äußeren Seitenwand des Grundsubstrates vorhandenen neunten Anteil 39 der Metallisie rung bis zu einem zehnten Anteil 40 der Metallisierung als weiterer Anschlusskontaktfläche auf der Rückseite des Grund substrates 1 geführt.

Anschlusskontakte sowohl auf der Vorderseite wie auf der Rückseite des zu montierenden Chips 2 können wie beschrieben mit der dargestellten Ausführungsform des erfindungsgemäßer Gehäuses auf einfache Weise elektrisch leitend mit Anschluss kontaktflächen verbunden werden, die unmittelbar auf An schlusskontaktflächen einer Leiterplatte oder einem Leiter rahmen kontaktiert werden können. In Fig. 1 ist noch eine die Aussparung auffüllende Vergussmasse 5 eingezeichnet, die den Chip 2 und eventuell vorhandene Bonddrähte nach außen schützt.

In Fig. 2 ist die Anordnung gemäß Fig. 1 in einer Aufsicht dargestellt, deren Schnittfläche in Fig. 1 durch die strich punktierte Linie bezeichnet ist. Die durch die Vergussmasse verdeckten Konturen sind in Fig. 2 gestrichelt eingezeichnet. Erkennbar sind die schrägen Seitenwände 6 der in dem Grundsubstrat 1 vorhandenen Aussparung. Der Chip 2 besitzt zwei Chipkontakte 3, die jeweils über einen Bonddraht 4, der hier der Einfachheit halber mit einer geraden, durchgezogenen Linie wiedergegeben ist, mit einer durch einen sechsten An teil 36 der Metallisierung gegebenen Anschlusskontaktfläche verbunden sind. Die in Fig. 1 dargestellten einzelnen Antei le der Metallschicht sind in Fig. 2 mit denselben Bezugszei chen versehen, so dass eine Zuordnung einander entsprechender Anteile ohne weitere Erläuterungen möglich ist.

Die in Fig. 2 dargestellte Anordnung kann z. B. hergestellt werden, indem zunächst ausgehend von einem Grundsubstrat, das für eine Vielzahl von Halbleiterchips vorgesehen ist, die Me tallisierung aufgebracht und strukturiert wird und die Halb leiterchips in eine jeweilige vorgesehene Aussparung einge setzt und kontaktiert werden. Danach werden die einzelnen Bauelemente in eine jeweilige Anordnung gemäß den Fig. 1 und 2 vereinzelt, indem beispielsweise längs der in Fig. 2 eingezeichneten seitlichen Grenzflächen 10 der Kunststoffkör per des Grundsubstrates 1 durchgesägt wird. Falls bei Verwen dung von in Kanälen angeordneten Durchkontaktierungen die Me tallisierungen auf den Seitenflächen (vierter Anteil 34 und neunter Anteil 39) entfallen, können die zu vereinzelnden Be standteile des Grundsubstrates 1 in Reihen senkrecht und waagrecht angeordnet sein. Es wird dann, beispielsweise durch Sägen, das Grundsubstrat entlang Seitenflächen 10 in zwei beispielsweise zueinander senkrechten Richtungen zerlegt.

Fig. 3 zeigt das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 in einer. Aufsicht auf die Rückseite. Es ist dort zu erkennen, wie der vierte Anteil 34 und der neunte Anteil 39 der Metallschicht mit einem fünften Anteil 35 und einem zehnten Anteil 40 der Metallschicht elektrisch leitend verbunden sind, die An schlusskontaktflächen auf der Rückseite des Grundsubstrates 1 bilden.

In Fig. 4 ist im Querschnitt ein anderes Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem statt der Metallschicht auf den Seiten wänden des Grundsubstrates 1 elektrisch leitend ausgebildete Durchkontaktierungen 81 vorhanden sind. Diese Durchkontaktie rungen (vias) verbinden durch das Kunststoffmaterial des Grundsubstrates 1 hindurch Anschlusskontaktflächen 71, 75 auf der Vorderseite des Grundsubstrates bzw. der Rückseite des Grundsubstrates elektrisch leitend miteinander. In dem in Fig. 4 im Querschnitt dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein Chip 2 mit Chipkontakten 30 nach Art einer Flip-Chip- Montage mit den Anschlusskontaktflächen 71 auf der Vordersei te des Grundsubstrates 1 kontaktiert. Eine Füllmasse 9 (un derfill) verschließt den Zwischenraum zwischen dem Grundsub strat 1 und dem Chip 2.

In Fig. 5 ist ein ähnliches Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem der Chip 2 sowohl mit einem Chipkontakt 3 auf der Vorderseite als auch mit einer Kontaktfläche auf der Rücksei te mit dem Grundsubstrat 1 elektrisch leitend kontaktiert ist. Der Chip 2 ist hier auf einer größer bemessenen An schlusskontaktfläche 72 des Grundsubstrates 1 angebracht. Diese Anschlusskontaktfläche 72 ist über eine Durchkontaktie rung 82 mit einer zugehörigen rückseitigen Anschlusskontakt fläche 76 elektrisch leitend verbunden. Der auf der Vorder seite des Chips vorhandene Chipkontakt 3 ist in diesem Bei spiel mittels eines Bonddrahtes 4 mit einer vorderseitigen Anschlusskontaktfläche 73 des Grundsubstrates 1 elektrisch leitend verbunden. Zur Verbindung dieser Anschlusskontaktflä che 73 mit einer zugeordneten Anschlusskontaktfläche 77 auf der Rückseite des Grundsubstrates 1 ist eine weitere Durch kontaktierung 84 vorhanden. Der Chip 2 kann mit einer Ver gussmasse 5 eingeschlossen sein. Eine derartig den Chip 2 um schließende Vergussmasse kann auch im Beispiel der Fig. 4 vorhanden sein.

Fig. 6 zeigt das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 in einer Aufsicht ohne vorhandene Vergussmasse 5, deren Kontur in Fig. 5 deshalb nur gestrichelt eingezeichnet ist. Der in Fig. 5 dargestellte Querschnitt ist in Fig. 6 mit der strichpunk tierten Linie bezeichnet. Da die weitere Durchkontaktierung 84 in dem in Fig. 5 dargestellten Querschnitt, wie aus Fig. 6 erkennbar, nur als verdeckte Kontur erscheint, ist die Be grenzung der Durchkontaktierung 84 in Fig. 5 nur mit gestri chelten Linien angedeutet. Fig. 6 zeigt die in diesem Bei spiel quadratische, aber grundsätzlich in beliebiger geome trischer Form gestaltbare Vorderseite des Grundsubstrates 1 mit dem darauf angebrachten Chip 2. Der Chip verfügt in die sem Beispiel über zwei vorderseitige Chipkontakte 3, die mit tels Bonddrähten 4 mit einer jeweiligen Anschlusskontaktflä che 73 auf der Vorderseite des Grundsubstrates elektrisch leitend verbunden sind. In diesem Beispiel sind die An schlusskontaktflächen 73 mit weiteren Anschlusskontaktflächen 74 auf der Vorderseite des Grundsubstrates 1 elektrisch lei tend verbunden. Unter diesen weiteren Anschlusskontaktflächen 74 befinden sich die Durchkontaktierungen 83, 84, die in die sem Beispiel zylindrisch ausgebildet sind und deren in der in Fig. 6 dargestellten Aufsicht verdeckte Konturen mit gestri chelten Kreisen wiedergegeben sind. Die von einem rückseiti gen Anschluss des Chips 2 über die Anschlusskontaktfläche 72 zu der rückseitigen Anschlusskontaktfläche 76 des Grundsub strates führende Durchkontaktierung 82 ist in Fig. 6 eben falls als verdeckte Kontur durch einen gestrichelten Kreis wiedergegeben. Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 6 veran schaulicht, dass die auf der Vorderseite des Grundsubstrates für den elektrischen Anschluss des Chips vorgesehenen An schlusskontaktflächen 73 nicht unmittelbar mit Durchkontak tierungen zur Rückseite des Grundsubstrates versehen sein müssen. Es besteht daher für die Anordnung der vorderseitigen und rückseitigen Anschlusskontaktflächen 71, 72, 73, 74, 75, 76, 77 ein weiter Spielraum, der für eine Anpassung der Strukturierung der Metallisierung des Grundsubstrates zur Verfügung steht.

Fig. 7 zeigt das Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 5 und 6 in einer Aufsicht auf die Rückseite des Grundsubstrates 1. Die beschriebenen Durchkontaktierungen 82, 83, 84 sind hier als von den Anschlusskontaktflächen 76, 77 verdeckte Konturen ebenfalls mit gestrichelten Kreisen wiedergegeben. Durch die strichpunktierten Konturen ist angedeutet, dass die An schlusskontaktflächen 76, 77 prinzipiell beliebig gestaltet sein können. Die seitlichen Abmessungen lassen sich daher in idealer Weise an die Anschlusskontaktflächen eines externen Gehäuses oder einer Leiterplatte so anpassen, dass ein direk ter elektrischer Kontakt z. B. mittels eines zwischen die An schlusskontaktflächen eingefügten Weichlotes hergestellt wer den kann.

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Gehäuses liegen insbeson dere in der Möglichkeit einer kostengünstigen Herstellung des Grundsubstrates aus Kunststoff; dieser Vorteil kommt insbe sondere zum Tragen, wenn eine möglichst große Anzahl verein zelter Gehäuse aus einem ursprünglichen Grundsubstrat herge stellt wird. Durch die gleichzeitige Strukturierung der An schlußkontaktflächen zur Leiterplatte hin entfallen ansonsten erforderliche aufwendige Prozessschritte zur separaten An bringung von Kontakten. Die Anordnung der Anschlusskontakt flächen auf der Rückseite des Grundsubstrates verringert die Gehäuseabmessungen. Zur Herstellung sind nur Prozessschritte, die an sich bekannt sind, erforderlich. Die verschiedenen Ausführungsbeispiele des Gehäuses entstehen durch eine Ab wandlung der Form des Kunststoffkörpers und der Strukturie rung der Metallisierung. Das Gehäuse kann daher sehr leicht an unterschiedliche Chipabmessungen und Kontaktanordnungen angepasst werden. Das gilt insbesondere für die Größe der An schlusskontaktflächen und die Abmessung, insbesondere die Dicke des Chips. Außerdem ist es möglich, durch Verwendung mehrerer Anschlusspositionen (Anschlusskontaktflächen, Aus sparungen) in dem Grundsubstrat Gehäuse für Multichipmodule auszubilden. Die in einem Gehäuse untergebrachten Chips kön nen außerdem über die strukturierte Metallschicht miteinander elektrisch leitend verbunden sein. Auch hierfür sind keine Verfahrensschritte erforderlich, die über den üblichen Pro zessablauf zur Herstellung des erfindungsgemäßen Gehäuses hinausgehen.

Claims

1. Gehäuse für Halbleiterchips

- mit mindestens einem zur Aufnahme eines Chips (2) vorgese henen Bereich,
- mit mindestens einer Anschlusskontaktfläche (31, 36, 71, 72, 73) zum elektrischen Anschluss eines Chipkontaktes (3, 30) und
- mit mindestens einer Anschlusskontaktfläche (35, 40, 75, 76, 77) zum elektrischen Anschluss an einen externen Lei ter,

dadurch gekennzeichnet, dass

- ein Gehäusekörper vorhanden ist, der durch ein Grundsub strat (1) aus Kunststoff gebildet ist,
- das Grundsubstrat (1) zwei einander gegenüberliegende Oberseiten besitzt, von denen je eine für eine Kontaktie rung des Chips und für externen elektrischen Anschluss vorgesehen ist,
- diese Oberseiten mit einer strukturierten Metallisierung (31 bis 40, 71 bis 77) versehen sind, in der die An schlusskontaktflächen ausgebildet sind, und
- mindestens eine elektrisch leitende Verbindung zwischen der mindestens einen Anschlusskontaktfläche zum elektri schen Anschluss des Chipkontaktes und der mindestens einen Anschlusskontaktfläche zum elektrischen Anschluss an den externen Leiter vorhanden ist.

2. Gehäuse nach Anspruch 1, bei dem die elektrisch leitende Verbindung zwischen den Anschlusskon taktflächen in einer durch die Metallisierung gebildeten Me tallschicht an einer Oberfläche des Grundsubstrates ausgebil det ist.

3. Gehäuse nach Anspruch 1, bei dem

- innerhalb des Grundsubstrates mindestens ein Kanal ausge bildet ist, der die einander gegenüberliegenden Oberseiten des Grundsubstrates verbindet, und
- die elektrisch leitende Verbindung zwischen den Anschluss kontaktflächen mindestens eine Durchkontaktierung (81, 82, 83, 84) aufweist, die durch in den Kanal eingebrachtes Me tall ausgebildet ist.

4. Gehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem das Grundsubstrat (1) in jeder Richtung eine maximale Abmes sung von 2 mm aufweist.