DE10111759A1 - Gehäuseanordnung für Halbleiterchips - Google Patents

Abstract

Der Halbleiterchip (1) ist in einer Vergussmasse (2) oder Umhüllmasse schwimmend angeordnet. Die Vergussmasse ist so elastisch, dass sie eine größtmögliche Verformung oder Verbiegung des Chips gestattet, wobei der Chip fast keiner mechanischen Spannung ausgesetzt wird, die über die Spannung hinausgeht, die sich aufgrund der Verbiegung allein in der Gitterstruktur des Halbleitermaterials ergibt. Die Gefahr eines Bruches des Chips bei Verbiegung des Gehäuses wird dadurch reduziert. Anwendung insbesondere bei Chipkarten.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gehäuseanordnung für Halbleiterchips, die einer mechanischen Beanspruchung unter­ liegen.

Halbleiterchips mit integrierten Schaltungen werden üblicher­ weise auf einem Träger, z. B. einem Leadframe, montiert. Die­ ser Träger besitzt elektrische Anschlusskontakte für einen externen elektrischen Anschluss des Halbleiterchips. Die an dem Halbleiterchip selbst vorhandenen Kontakte werden bei der Montage auf dem Träger mit diesen Anschlusskontakten des Trä­ gers elektrisch leitend verbunden. Dafür gibt es eine Reihe unterschiedlicher Lösungen. Falls für diese leitende Verbin­ dung Verbindungsdrähte, sogenannte Bonddrähte, verwendet wer­ den, die auf den jeweiligen Kontakten aufgelötet werden, wird zum Schutz dieser Verbindungen vor Beschädigungen bei mecha­ nischer Beanspruchung eine Vergussmasse oder Umhüllmasse auf­ gebracht. Die Vergussmasse ist üblicherweise ein gelartiges Kunststoffmaterial, das insbesondere in einem Spritzgussver­ fahren aufgebracht werden kann.

Bei derartig montierten Halbleiterchips mit einem teils aus dem Träger, teils aus der Vergussmasse oder Umhüllmasse ge­ bildeten Gehäuse tritt das Problem auf, dass die Chips in dem Gehäuse brechen können, wenn sie während ihrer Verwendung ei­ ner mechanischen Beanspruchung ausgesetzt sind. Eine Ursache dafür, dass der Halbleiterchip selbst bricht, liegt in der starren Kopplung des Halbleiterchips mit dem Träger des Ge­ häuses. Der Halbleiterchip selbst hat nämlich eine gewisse Biegeelastizität.

Für schichtartige Chipsubstrate aus Silizium gilt in etwa, dass der Betrag des in Millimetern (mm) gemessenen Krümmungs­ radius der Oberfläche der verbogenen Substratschicht überall mindestens so groß sein muss, wie der Betrag der in Mikrome­ tern (µm) gemessenen Dicke des Siliziumsubstrates angibt, wenn ein Bruch des Chips vermieden werden soll. Wird das Sub­ strat weiter durchgebogen, so dass der Krümmungsradius klei­ ner wird, bricht das Silizium.

Bei herkömmlichen Gehäusen kann aber diese Biegeelastizität des Siliziumssubstrates nicht ausgenutzt werden. Die starre Montage auf dem Träger reduziert die Biegeelastizität der ge­ samten Anordnung so, dass die Chips bereits bei einer sehr viel geringeren mechanischen Beanspruchung brechen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Möglichkeit anzugeben, wie Chips so in Anwendungsprodukten montiert wer­ den können, dass die Bruchgefahr bei mechanischer Beanspru­ chung vermindert ist.

Diese Aufgabe wird mit der Gehäuseanordnung für Halbleiter­ chips mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Ausgestal­ tungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Bei der erfindungsgemäßen Gehäuseanordnung ist der Halblei­ terchip in einer Vergussmasse oder Umhüllmasse schwimmend an­ geordnet. Die Vergussmasse oder Umhüllmasse ist hierbei min­ destens so elastisch, dass sie eine bis zum Bruch des Halb­ leiterchips größtmögliche Verformung oder Verbiegung des Halbleiterchips gestattet. Zwischen dem Halbleiterchip und einem Anwendungsprodukt, in dem der Halbleiterchip angeordnet ist, befindet sich daher bei der erfindungsgemäßen Gehäusean­ ordnung die elastische Vergussmasse oder Umhüllmasse, inner­ halb der der Halbleiterchip verbogen werden kann, ohne dass eine mechanische Belastung auftritt, die wesentlich über die Verformung oder Verbiegung des Halbleitermateriales selbst hinausgeht.

Die Vergussmasse oder Umhüllmasse wird aufgrund ihrer Elasti­ zität bei einem Verbiegen der gesamten Anordnung so verformt oder geschert, dass der Halbleiterchip zumindest fast keiner mechanischen Spannung ausgesetzt ist, die über die Spannung hinausgeht, die sich aufgrund der Verbiegung allein in der Gitterstruktur des Halbleitermateriales ergibt. Die äußere Einwirkung einer mechanischen Beanspruchung wird sich streng genommen auch mit einer sehr elastischen und leicht verform­ baren Vergussmasse oder Umhüllmasse nicht ganz eliminieren lassen. Die erfindungsgemäße Gehäuseanordnung ist jedoch so beschaffen, dass der Bruch des Halbleiterchips bei Verformung oder Verbiegung innerhalb der durch das Halbleitermaterial selbst gesetzten Grenzen praktisch vollständig verhindert wird.

Die Vergussmasse oder Umhüllmasse sollte zusätzlich Eigen­ schaften aufweisen, die denen des Halbleiterchips nach Mög­ lichkeit gleichen. Das betrifft insbesondere die Ausdehnung bzw. Kontraktion bei Erwärmen oder Abkühlen und die mechani­ schen Eigenschaften (möglichst ortsunabhängiger Spannungsten­ sor der gesamten Gehäuseanordnung).

Die erfindungsgemäße Gehäuseanordnung erreicht somit die ma­ ximal mögliche Biegefestigkeit. Von außen einwirkende mecha­ nische Kräfte können so groß werden, dass sie in jedem Fall eine Verbiegung des Gehäuses bewirken. Bei dem erfindungsge­ mäßen Gehäuse ist das aber unschädlich, da die elastische Vergussmasse oder Umhüllmasse die Verformung aufnimmt und nur gewissermaßen durch ihre Elastizität gedämpft auf den Halb­ leiterchip überträgt. Die durch die äußeren Kräfte bewirkende gesamte Verformung der Gehäuseanordnung muss daher sehr stark sein, bevor überhaupt ein Bruch des Halbleiterchips infolge der auftretenden Verbiegung des Chips selbst auftreten kann.

In der beigefügten Figur ist eine bevorzugte Ausgestaltung der Gehäuseanordnung dargestellt, bei der der Chip als inte­ grierte Schaltung einer Chipkarte vorgesehen ist. In der Fi­ gur ist ein Ausschnitt aus einer mit einem Chip versehenen Chipkarte im Querschnitt dargestellt. Der Halbleiterchip 1 ist schwimmend in einer Vergussmasse oder Umhüllmasse 2 ange­ ordnet, die in diesem Beispiel eine Aussparung in einem Kar­ tenkörper 3 einer Chipkarte ausfüllt. Mit den beidseitig ein­ gezeichneten, leicht gekrümmten Pfeilen ist eine mögliche Verbiegung der Karte angedeutet. Da der Halbleiterchip 1 hier nicht, ggf. über einen starren Träger eines Chipmoduls, mit dem Kartenkörper starr verbunden ist, überträgt sich die Ver­ biegung des Kartenkörpers 3 nicht unmittelbar auf den Halb­ leiterchip. Die Verbiegung wird durch das umgebende Material der Vergussmasse oder Umhüllmasse gedämpft.

Außerdem werden die Druckspannungen und Zugspannungen in der gegenüber der reinen Verbiegung neutralen Ebene des Halblei­ terchips 1 sehr stark reduziert. Ein solcher in der Verguss­ masse oder Umhüllmasse schwimmend gelagerter Halbleiterchip erfährt daher bei einer Verbiegung des umgebenden Materials im Wesentlichen nur eine solche Verformung, wie sie auch bei einem ringsum freien Halbleiterchip auftritt. Durch die Ela­ stizität der gewählten Vergussmasse oder Umhüllmasse lässt sich ein geeigneter Kompromiss zwischen der erforderlichen mechanischen Dämpfung und einer gewünschten Stabilität der gesamten Gehäuseanordnung erreichen.

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Gehäuseanordnung treten um so stärker in Erscheinung, je dünner der Halbleiterchip ist. Ein dünnerer Halbleiterchip verkraftet, wie oben dargelegt, stärkere Verbiegungen, bevor es zum Bruch kommt. Entsprechend kann man in der erfindungsgemäßen Gehäuseanordnung eine Ver­ gussmasse oder Umhüllmasse aus einem elastischeren Material verwenden, das auch bei starker Verbiegung der Gehäuseanord­ nung leicht nachgibt und so eine von externen Kräften oder Spannungen wirkungsvoller entkoppelte Verformung des Halblei­ terchips ermöglicht.

In der Figur sind außerdem externe elektrische Anschlüsse 4 eingezeichnet, die in diesem Beispiel als Anschlusskontakte der Chipkarte vorgesehen sind. Die Anschlusskontakte 5 auf der Oberseite des Halbleiterchips 1 selbst werden über Kon­ takte und/oder Leiterbahnen 6 mit diesen externen elektri­ schen Anschlüssen 4 elektrisch leitend verbunden. Bei der er­ findungsgemäßen Gehäuseanordnung wird vorzugsweise dafür ge­ sorgt, dass diese Kontakte und/oder Leiterbahnen 6 eine Ela­ stizität aufweisen, die eine Verbiegung oder Verformung des Halbleiterchips relativ zu den externen elektrischen An­ schlüssen ermöglicht.

Falls also in diesem Beispiel die Chipkarte auf der mit der Aussparung versehenen Seite konkav verbogen wird, so dass die Vergussmasse 2 oder Umhüllmasse in der Richtung der Längen­ ausdehnung der Chipkarte gestaucht wird (obere Pfeile), ist es von Vorteil, wenn durch die Wahl des Materials und/oder der Form der Leiterbahnen 6 ein Stauchen dieser Leiterbahnen 6 möglich ist. Bei einer Verbiegung der Chipkarte in der ent­ gegengesetzten Richtung, so dass sie sich auf der Seite der Aussparung konkav vorwölbt (untere Pfeile), muss die Leiter­ bahn 6 entsprechend gedehnt werden können, so dass der Halb­ leiterchip 1 innerhalb der Vergussmasse 2 oder Umhüllmasse nach Möglichkeit nur solchen lateralen Kräften ausgesetzt wird, die sich gegenseitig kompensieren. Bei einer Verwendung vollständig starrer Leiterbahnen 6 würde der Halbleiterchip 1 innerhalb der Aussparung in der in der Figur dargestellten Ausrichtung bei dieser Verbiegung nach rechts gezogen. Da­ durch würde die Vergussmasse oder Umhüllmasse auf dieser Sei­ te stärker komprimiert, so dass dort eine stärkere laterale Kraft auf den Halbleiterchip 1 ausgeübt wird. Das könnte mög­ licherweise dazu führen, dass die Leiterbahn 6 von dem An­ schlusskontakt 5 abreißt. Die Elastizität der Anschlüsse kann durch die Eigenschaft des elektrisch leitfähigen Materials selbst, durch dessen Abmessungen und/oder durch eine z. B. im Zickzack oder in Mäandern verlaufende Anordnung erreicht wer­ den.

Claims (3)

1. Gehäuseanordnung für Halbleiterchips, bei der ein Halbleiterchip (1) mit einer Vergussmasse (2) oder Um­ hüllmasse gehäust ist, dadurch gekennzeichnet, dass
der Halbleiterchip in der Vergussmasse oder Umhüllmasse schwimmend angeordnet ist und
die Vergussmasse oder Umhüllmasse mindestens so elastisch ist, dass sie eine bis zum Bruch des Halbleiterchips größt­ mögliche Verformung oder Verbiegung des Halbleiterchips ge­ stattet.

2. Gehäuseanordnung nach Anspruch 1, bei der der Halbleiterchip (1) Anschlusskontakte (5) aufweist und Kontakte und/oder Leiterbahnen (6) vorhanden sind, die dafür vorgesehen sind, die Anschlusskontakte mit externen elektri­ schen Anschlüssen (4) zu verbinden, und die eine Elastizität aufweisen, die eine Verbiegung oder Verformung des Halblei­ terchips relativ zu den externen elektrischen Anschlüssen er­ möglicht.

3. Gehäuseanordnung nach Anspruch 1 oder 2, bei der der Halbleiterchip (1) mittels der Vergussmasse (2) oder Um­ hüllmasse in einen Kartenkörper (3) eingebettet ist.