DE10135393B4

DE10135393B4 - Elektronisches Bauteil, Herstellverfahren, sowie Verfahren zum Herstellen einer elektrischen Verbindung zwischen dem Bauteil und einer Leiterplatte

Info

Publication number: DE10135393B4
Application number: DE10135393A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Högerl; Uta Gebauer; Volker Strutz; Harry Hedler
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Polaris Innovations Ltd
Priority date: 2001-07-25
Filing date: 2001-07-25
Publication date: 2004-02-05
Anticipated expiration: 2021-07-26
Also published as: US20030038157A1; DE10135393A1; US6851598B2

Abstract

Elektronisches Bauteil mit wenigstens einem Halbleiterchip (2) und mit einer auf dem Halbleiterchip (2) aufgebrachten Umverdrahtungsschicht, wobei die Umverdrahtungsschicht elastische Kontaktelemente (8) von geringer mechanischer Festigkeit in den Raumausrichtungen x, y und z aufweist, wobei der Halbleiterchip oder die Umverdrahtungsschicht wenigstens zwei Abstandshalter (6) zwecks stabiler mechanischer Verbindung mit einer Leiterplatte (4) aufweist, und wobei die elastischen Kontaktelemente (8) mit korrespondierenden Kontaktanschlußflächen (12) der Leiterplatte (9) elektrische Verbindungen herstellen.

Description

Die minimale Baugröße von Schaltungen mit Halbleiterbauteilen wird in erster Linie von der Größe der elektrischen Verbindungen zwischen elektronischem Bauteil und einer Leiterplatte bestimmt. Insbesondere die Verbindungen zwischen den Kontaktflächen eines Halbleiterchips bzw. seiner Umverdrahtungsschicht und den Kontaktanschlußflächen der Leiterplatte bestimmen die Grenzen einer möglichen Miniaturisierung. Bei vielen Anwendungen ist die Herstellung von mikroskopisch kleinen Verbindungen zwischen Halbleiterchip bzw. seiner Umverdrahtungsschicht und Leiterplatte wünschenswert; dabei verfügt der Halbleiterchip bzw. seine Umverdrahtungsschicht über Kontaktelemente, die beim präzisen Aufsetzen des Halbleiterchips auf die Leiterplatte auf definierte Kontaktanschlußflächen aufgedrückt und dabei leicht in x, y und z-Richtung zusammengedrückt, verschoben oder in anderer Weise belastet werden. Die Kontaktanschlußflächen der Leiterplatte sind mit einer Lötpaste bedeckt, die beim anschließenden Erhitzen der elektronischen Bauteile für eine innige Lötverbindung der Kontaktanschlußflächen mit den Kontaktelementen sorgt.
Während des Verlötens, des sogenannten Reflow, ist es ein Problem, die empfindlichen Kontaktelemene des Halbleiterchips aus Kontaktdrähten oder Kontaktstreifen aufgrund ihrer geringen Kontaktflächen zur Leiterplatte mechanisch in ihrer Position zu halten, da sie ansonsten den Kontakt verlieren könnten oder weil bei zu nahem Kontakt die Kontaktdrähte oder Kontaktstreifen zu stark belastet und beschädigt werden könnten. Auch bei weiteren Verfahrensschritten, bspw. beim Auf bringen von Wärme leitenden Kühlelementen auf der Rückseite des Halbleiterchips während des Lötvorgangs, drohen die Kontaktdrähte oder Kontaktstreifen hin- und herbewegt oder zusammengedrückt zu werden.

Die US 6,073,829 zeigt ein elektronisches Bauteil mit einem Halbleiterchip, der auf seiner aktiven Seite Umverdrahtungen mit Kontakt-Bumps aufweist. Diese Kontakt-Bumps werden mit einer Leiterplatte elektrisch verbunden. Diese Verbindung stellt auch die erforderliche mechanische Verbindung zwischen Chip und Leiterplatte dar, wobei eine erhebliche Verformung der Bumps eintritt. Zwar ist zwischen Chip und Leiterplatte noch eine thermoplastische Isolierschicht vorgesehen, doch hat diese nicht die Funktion eines Abstandhalters: die Isolierschicht wird weich und umgibt dann die Kontaktflächen des Bumps, der den vollen Druck beim Zusammenfügen des Bauteils aufnehmen muß. Auch die DE 19 84 1906 zeigt eine Schicht, die ein Kontaktelement umgibt; die Schicht besteht aus Kleber und bewirkt keine Entlastung des Kontaktelements.

Die US 5,985,682 zeigt ein Testgerät für Bumps an Chips. Um beim Eindrücken des Chips das Ausweichen der Bumps in der x- und y-Richtung zu begrenzen, ist eine elastische Schicht vorgesehen, deren Anschläge dazu dienen, den Eindruckhub in z-Richtung zu begrenzen. Ähnliche Maßnahmen zur Vermeidung eines zu starken Zusammenpressens der Bumps zeigen, z. B. die US 5,186,383 oder die JP 11121649 A . In keinem Fall ist jedoch die Verwendung von Abstandhaltern als mechanische Verbindung in Kombination mit elastischen Kontaktelementen geringer Festigkeit in x-, y- und z-Richtung als elektrische Verbindung vorgesehen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine möglichst kompakte und mechanisch stabile mechanische Verbindung zwischen einem elektronischen Bauelement und einer Leiterplatte zu ermöglichen, die trotz der filigranen Kontaktelemente kostengünstig herstellbar ist.

Diese Aufgabe wird mit dem Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Merkmale vorteilhafter Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Erfindungsgemäß weist das elektronische Bauteil wenigstens einen Halbleiterchip und eine auf dem Halbleiterchip aufgebrachte Umverdrahtungsschicht auf, wobei die Umverdrahtungsschicht mit elastischen Kontaktelementen von geringer mechanischer Festigkeit in den Raumrichtungen x, y und z versehen ist, die mit korrespondierenden Kontaktanschlußflächen einer Leiterplatte elektrisch verbindbar sind. Der Halbleiterchip weist dabei eine aktive Oberseite mit integrierten Schaltungen und eine passive Rückseite ohne integrierte Schaltungen auf. Die aktive Oberseite grenzt an die Umverdrahtungsschicht. Erfindungsgemäß ist weiterhin der Halbleiterchip oder die Umverdrahtungsschicht mit der Leiterplatte über wenigstens zwei Abstandshalter mechanisch verbindbar.

Das erfindungsgemäße elektronische Bauteil hat den Vorteil, daß die elastischen Kontaktelemente von jeder mechanischen Belastung frei gehalten werden; sie dienen lediglich zur elektrischen Verbindung zwischen Halbleiterchip bzw. Umverdrahtungsschicht und Leiterplatte. Durch die erfindungsgemäßen Abstandshalter auf dem Halbleiterchip bzw. auf seiner Umverdrahtungsschicht wird eine stabile mechanische Verbindung zwischen Leiterplatte und Halbleiterchip bzw. seiner Umver

Eine Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß die wenigstens zwei Abstandshalter jeweils als Lötverbindung ausgebildet sind. Diese erfindungsgemäße Ausführungsform hat den Vorteil einer festen und definierten mechanischen Verbindung zwischen Halbleiterchip mit Umverdrahtungsschicht und Leiterplatte, wobei die Funktion der elastischen Kontaktelemente ausschließlich auf die einer elektrischen Verbindung beschränkt bleibt. Mit den erfindungsgemäßen verlöteten Abstandshaltern erübrigen sich Klebepunkte oder dergleichen, die nach dem Verlöten der elektrischen Verbindungen wieder zu entfernen sind. Ebenso kann auf jedewede nachträgliche Anbringung von Abstandsklammern zur örtlichen mechanischen Fixierung der elastischen Kontaktelemente verzichtet werden.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß die Umverdrahtungsschicht an ihrer dem elektronischen Bauteil abgewandten Unterseite mit wenigstens zwei Kontakthöckern und/oder Kontaktstiften als Abstandshalter versehen ist, die mit metallischen Auflageflächen auf der Oberseite der Leiterplatte korrespondieren. Diese erfindungsgemäße Ausführungsform hat den Vorteil einer einfach herstellbaren und kompakten mechanischen Verbindung, die gleichzeitig mit den elektrischen Kontakten verlötet werden kann. Somit ist zur Verbindung der Kontakthöcker bzw. -stifte mit den metallischen Auflageflächen und zur Verbindung der elektrischen Kontakte nur ein einziger Lötvorgang notwendig.

Es ist vorteilhaft, wenn die Umverdrahtungsschicht und die Leiterplatte über wenigstens drei Kontakthöcker und/oder Kontaktstifte als Abstandshalter mit Auflageflächen der Leiterplatte verlötbar sind, was den Vorteil einer besseren statischen Bestimmtheit der Lage der beiden Teile zueinander hat. Die wenigstens drei Abstandshalter in Form von Kontakthöckern bzw. von Kontaktstiften befinden sich dabei vorteilhafterweise an gegenüberliegenden, randnahen Bereichen der Umverdrahtungsschicht, so daß die elastischen Kontaktelemente innerhalb des Umfangs aus den wenigstens drei Abstandshaltern liegen.

In einer Ausführungsform der Erfindung sind die elastischen Kontaktelemente als gummielastische Hügel beispielsweise aus Kunststoff ausgebildet und können entweder elektrisch leitend oder teilweise mit einem federnden metallischen Überzug versehen sein, was den Vorteil eines exakten Abstandsausgleichs zwischen der Umverdrahtungsschicht und der Leiterplatte aufweist; gleichzeitig können mit der gummielastischen Ausgestaltung der Kontakthügel geringfügige Niveauunterschiede untereinander ausgeglichen werden, so daß neben den Unebenheiten auf der Oberfläche der Leiterplatte auch Unterschiede in der Höhe der gummielastischen Hügel ohne negativen Einfluß auf die paßgenaue Positionierbarkeit des elektronischen Bauteils ausgeglichen werden.

Erfindungsgemäß sieht eine weitere Ausführungsform eine jeweils gleiche, exakt definierte Höhe der Kontakthöcker bzw. Kontaktstifte als Abstandshalter vor, was den Vorteil einer optimalen Paßgenauigkeit der mechanischen Verbindung hat.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß die Kontakthöcker bzw. Kontaktstifte als Abstandshalter von den sich im entspannten Zustand befindlichen elastischen Kontaktelementen geringfügig überragt werden. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, daß die elastischen Kontaktelemente in Berührung mit den korrespondierenden Kontaktanschlußflächen der Leiterplatte stehen, sobald das elektronische Bauteil mit Halbleiterchip und Umverdrahtungsschicht mit seinen Abstandshaltern auf die entsprechenden Auflageflächen der Leiterplatte aufgesetzt ist.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung sind die elastischen Kontaktelemente als flexible Kontaktdrähte ausgebildet. Diese Ausführungsform hat den Vorteil einer sehr kompakten Ausbildung einer Vielzahl von eng beieinander liegender Kontaktdrähte, die im entspannten Zustand eine definierte Lage aufweisen und beim Aufliegen auf den entsprechenden Kontaktflächen der Leiterplatte unter definierter Vorspannung stehen.

Eine alternative Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß die elastischen Kontaktelemente als flache Kontaktstreifen ausgebildet sind, was den Vorteil einer gut definierbaren Federwirkung der Kontaktstreifen hat. Diese können in Form einer Blattfeder ausgebildet sein und damit eine genau definierbare Andrückkraft auf die Kontaktanschlußflächen aufgeprägt bekommen.

Eine Ausführungsform der Erfindung sieht weiterhin vor, daß die elastischen Kontaktelemente mit einer metallischen Beschichtung aus Gold versehen sind. Eine derartige Beschichtung hat den Vorteil, daß die metallischen Oberflächen frei von jeglicher Oxidation bleiben und daher bereits durch eine elastische Andruckskraft eine elektrische Verbindung sicherstellen. Zudem hat Gold einen sehr gute elektrische Leitfähigkeit, was vorteilhaft hinsichtlich einer elektrischen Signalübertragung ist.

In einer Ausführungsform der Erfindung ist zudem vorgesehen, daß die elastischen Kontaktelemente jeweils an ihren der Leiterplatte zugewandten freien Enden mit korrespondierenden Kontaktanschlußflächen auf der Oberfläche der Leiterplatte in elektrisch leitender Berührung stehen. Auf diese Weise kann zuverlässig verhindert werden, daß einzelne Kontakte ohne Berührung zu ihren korrespondierenden Kontaktstellen bleiben.

Eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform sieht vor, daß die elastischen Kontaktelemente jeweils mit den korrespondierenden Kontaktanschlußflächen der Leiterplatte verlötet sind, was den Vorteil einer zuverlässigen elektrischen und mechanischen Verbindung aller vorgesehen Kontakte zwischen dem elektronischen Bauteil und der Leiterplatte hat.

Eine Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß die elastischen Kontaktelemente mikroskopisch klein sind. Das heißt, die elastischen Kontaktelemente sind in ihren Abmessungen so klein, daß sie nicht mehr mit bloßem Auge, sondern nur noch unter dem Lichtmikroskop erkennbar sind. Dadurch können äußerst kompakte und hoch integrierte Bauelemente realisiert werden.

In einer Ausführungsform der Erfindung sind das elektronische Bauteil und die Leiterplatte durch Erhitzen miteinander verlötet. Dieses Lötverfahren hat den Vorteil, daß dabei eine gleichmäßige Erwärmung aller zu verlötenden Stellen möglich ist, ohne daß eine direkte Berührung der Lötstellen bspw. mittels einer Heizvorrichtung notwendig wäre. Diese Art der Verbindung eignet sich somit vor allem für sehr kleine und hoch integrierte Strukturen.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht schließlich vor, daß die Leiterplatte beidseitig mit jeweils wenigstens einem Halbleiterchip mit Umverdrahtungsschicht mit elastischen Kontaktelementen elektrisch und mechanisch verbunden ist. Diese Ausführungsform hat den Vorteil einer sehr kompak ten Bauausführung mit einer. doppelseitig mit Leiterbahnen versehenen Leiterplatte und beidseitig montierten Halbleiterbauteilen mit Umverdrahtungsschichten. Bei direkt gegenüber liegend montierten Halbleiterbauteilen ist zudem vorteilhaft, daß beim Lötprozeß die Hitze auf einen kleineren Bereich konzentriert werden kann.

Bei einem Verfahren zur Herstellung eines elektronischen Bauteils mit einem Halbleiterchip und mit einer auf dem Halbleiterchip aufgebrachten Umverdrahtungsschicht ist die Umverdrahtungsschicht mit elastischen Kontaktelementen versehen. Mit der Umverdrahtungsschicht ist weiterhin eine Leiterplatte elektrisch und mechanisch verbindbar. Das Verfahren weist erfindungsgemäß nachfolgende Verfahrensschritte auf. Nach dem Bereitstellen eines Halbleiterchips mit einer aktiven Oberseite und einer passiven Rückseite wird auf den Halbleiterchip mit seiner aktiven Oberseite eine Umverdrahtungsschicht aufgebracht und mit dieser verbunden. Die Umverdrahtungsschicht ist an ihrer der aktiven Oberseite des Halbleiterchips abgewandten Unterseite mit elastischen Kontaktelementen von geringer mechanischer Festigkeit in den drei Raumrichtungen x, y und z und mit wenigstens zwei Abstandshaltern zur mechanischen Verbindung mit einer Leiterplatte versehen. Von der aktiven Oberseite des Halbleiterchips werden nach dem Aufbringen der Umverdrahtungsschicht Bondverbindungen zu Kontaktanschlüssen auf der der aktiven Vorderseite des Halbleiterchips abgewandten Unterseite der Umverdrahtungsschicht hergestellt.

Anschließend kann eine Leiterplatte mit elektrischen Kontaktanschlußflächen bereitgestellt werden, wobei die Kontaktanschlußflächen mit den freien Enden der elastischen Kontaktelemente der Umverdrahtungsschicht korrespondieren. Auflageflächen auf der Leiterplatte korrespondieren mit den Abstandshaltern des elektronischen Bauteils mit Umverdrahtungsschicht. Auf die Kontaktanschlußflächen und auf die Auflageflächen der Leiterplatte wird eine Lötpaste aufgebracht. Da nach wird der Halbleiterchip mit der Umverdrahtungsschicht auf der Leiterplatte positioniert, wobei die elastischen Kontaktelemente auf den Kontaktanschlußflächen aufliegen und wobei die Abstandshalter auf den Auflageflächen aufliegen. Mittels Erhitzers der Abstandshalter wird die Lötpaste auf den Kontaktanschlußflächen bzw. den Auflageflächen verflüssigt, wodurch zwischen den sich berührenden Kontaktbereichen elektrische bzw. mechanische Verbindungen hergestellt werden.

Dieses erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, daß sich damit sehr kompakte elektrische Verbindungen herstellen lassen, die sich präzise fertigen lassen. Durch die Entlastung der als elektrische Verbindungsstellen fungierenden elastischen Kontaktelemente von jeder mechanischen Belastung lassen sich kleinste elektrische Kontakte bis hin zu mikroskopisch kleinen Strukturen auf zuverlässige Weise herstellen. Die mechanische Abstützung zwischen Umverdrahtungsschicht und Leiterplatte wird über zusätzliche auf dem Halbleiterchip bzw. der Umverdrahtungsschicht angeordnete Abstandshalter realisiert, die wie elektrische Kontakte verlötet werden können.

Ein Durchführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, daß die wenigstens zwei Abstandshalter als Kontakthöcker und/oder als Kontaktstifte ausgebildet werden, die auf damit korrespondierende Auflageflächen auf der Leiterplatte aufgesetzt werden. Dieses Durchführungsbeispiel hat den Vorteil, daß damit auf sehr einfache und damit kostengünstige Weise eine zuverlässige Abstützung des Halbleiterchips mit der Umverdrahtungsschicht auf der Leiterplatte herstellbar ist, die für eine mechanische Entlastung der elastischen Kontaktelemente sorgt.

In einem weiteren Durchführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahren werden die elastischen Kontaktelemente beim Aufsetzen der Abstandshalter auf die damit korrespondierende Auflageflächen auf der Leiterplatte entgegen ihrer Spannkraft gegen die jeweils korrespondierenden Kontaktanschlußflächen ge drückt. Auf diese Weise ist sichergestellt, daß die elastischen Kontaktelemente in zuverlässigem Kontakt mit den Kontaktanschlußflächen stehen und somit eine sichere elektrische Verbindung hergestellt wird, ohne daß die Gefahr besteht, die elastischen Kontaktelemente zu stark zu verformen, womit die Gefahr von Kurzschlüssen, Kontaktabrissen oder sonstigen Beschädigungen der empfindlichen elastischen Kontaktelemente von geringer mechanischer Festigkeit verbunden wäre.

Ein erfindungsgemäßes Durchführungsbeispiel des Verfahrens sieht zudem vor, die Leiterplatte beidseitig mit jeweils wenigstens einem Halbleiterchip mit Umverdrahtungsschicht und elastischen Kontaktelementen elektrisch und mechanisch zu verbinden. Mit dieser erfindungsgemäßen Variante des Verfahrens ist der Vorteil verbunden, daß sich auf diese Weise sehr kompakte und Platz sparende elektronische Bauteile herstellen lassen. Zudem kann die Hitzeeinwirkung beim Verlöten mit der beidseitig zu bestückenden Leiterplatte auf einen kleineren Bereich beschränkt werden, wodurch die Gefahr von Bauteilbeschädigungen aufgrund zu großer Hitzeeinwirkung verringert wird.

Weiterhin sieht ein Durchführungsbeispiel des Verfahrens vor, daß das elektronische Bauteil zum Verbinden der elastischen Kontaktelemente auf eine Löttemperatur erwärmt wird, was den Vorteil einer schonenden und zuverlässigen Verlötung aller elektrischen Kontakte hat. Gleichzeitig werden im gleichen Arbeitsgang die Abstandshalter mit den Auflageflächen verlötet, womit insgesamt eine materialschonende mechanische Verbindung hergestellt wird.

Schließlich sieht ein Durchführungsbeispiel der Erfindung vor, daß weitgehend die gesamte Fläche der passiven Rückseite jedes Halbleiterchips während des Lötvorgangs mit einer Wärme ableitenden Vorrichtung in Kontakt gebracht wird. Diese Verfahrensvariante ist mit dem Vorteil verbunden, daß auf diese Weise die beim Lötvorgang entstehende Hitze schnell und zu verlässig vom Halbleiterbauelement abgeleitet werden kann. Darüber hinaus bleibt die für eine Verflüssigung des Lötmaterials, beispielsweise der Lötpaste, notwendige Erwärmung weitgehend auf den Bereich der zu verlötenden Kontakte begrenzt, während die angrenzenden Halbleiterchips durch den Kontakt mit den Kühlvorrichtungen, bspw. als sogenannte Heat spreader bezeichnet, vor zu großer Hitzeeinwirkung geschützt werden. Der Wärmeübergang von den Rückseiten der Halbleiterchips zu den Kühlvorrichtungen kann weiter verbessert werden, wenn die passiven Rückseiten der Halbleiterchips mit einer Wärme leitenden Schicht versehen sind. Als eine solche Schicht eignet sich bspw. ein Kunststoffmaterial, in das während des Gießvorganges feiner Metallstaub eingebracht ist. Eine solche Kunststoffschicht mit eingelagertem Metallstaub wird oftmals auch als "Gap filler material" bezeichnet.

Zusammenfassend ergeben sich die folgenden Aspekte in der vorliegenden Erfindung. Zur mechanischen Entlastung von flexiblen und/oder elastischen elektrischen Kontaktelementen zwischen einem elektronischen Bauteil mit Umverdrahtungsschicht und einer Leiterplatte sind feste oder flexible Abstützungen auf der Umverdrahtungsschicht Abstandshalter in Form von kugeligen Kontaktstiften oder Kontakthöckern vorgesehen. Diese Abstandshalter sind entweder mit einer lötbaren metallischen Schicht überzogen oder bestehen vollständig aus einem lötbaren Material. Die Kontaktstifte oder -höcker können als Abstandshalter entweder während eines Herstellungsprozesses zusammen mit den elastischen elektrischen Kontaktelementen oder in einem separaten Verarbeitungsschritt auf dem Halbleiterchip mit der Umverdrahtungsschicht aufgebracht werden. Während des Lötvorgangs erhöhen die Kontaktstifte bzw. Kontakthöcker die effektive Kontaktfläche zur Umverdrahtungsschicht mit dem darauf montierten Halbleiterchip. Insbesondere bei doppelseitig bestückten Modulen, d.h. bei einer von beiden Seiten mit elektronischen Bauteilen bestückten Leiterplatte sorgen die Kontaktstifte für eine stabile Verbindung der unten liegenden Bauteile, die ansonsten leicht abfallen könnten. Alternativ können die unten liegenden elektronischen Bauteile bspw. mit Hilfe eines Bügels leicht gegen die Leiterplatte gedrückt und in ihrer Position gehalten werden, wo sie sich über die Kontaktstifte bzw. -höcker abstützen. Durch den Lötvorgang werden die als Abstützstellen fungierenden Abstandshalter dauerhaft mit der Leiterplatte verbunden.

Während des Lötvorganges werden auf der Rückseite der Halbleiterchips Kühlkörper, sogenannte heat spreader, angedrückt, die für eine schnelle Ableitung der hohen Temperaturen von den empfindlichen elektronischen Halbleiterbauelementen sorgen. Zur besseren Wärmeübertragung von den passiven Rückseiten der Halbleiterchips zu den Kühlvorrichtungen können die Rückseiten der Chips auch mit sog. "Gap filler material" bedeckt sein. Darunter ist eine gegossene Kunststoffschicht zu verstehen, die vorzugsweise mit eingelagertem Metallstaub versehen ist. Die Abstandshalter in Form von Kontaktstiften bzw. -höckern ermöglichen das Andrücken der Kühlkörper, ohne daß die elastischen Kontaktelemente belastet und damit beschädigt werden.

Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsformen mit Bezug auf die beiliegenden Figuren näher erläutert.
1 zeigt einen schematischen Detailquerschnitt eines Halbleiterchips mit erfindungsgemäßen Abstandshaltern.
2 zeigt einen schematischen Detailquerschnitt der Abstützung entsprechend 1 mit hinzugefügter Leiterplatte.
3 zeigt einen Detailquerschnitt entsprechend 2 mit dem auf der Leiterplatte verlöteten elektronischen Bauteil.
4 zeigt einen schematische Querschnitt zweier elektronischer Bauteile, die mit einer Leiterplatte verbunden sind.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der 1 bis 4 beschrieben. Dabei sind gleiche Teile grundsätzlich mit gleichen Bezugszeichen versehen und sind teilweise nicht mehrfach erläutert.
1 zeigt einen schematischen Detailquerschnitt eines Halbleiterchips mit einer Umverdrahtungsschicht. Dieses Bauteil wird im folgenden aus Gründen der Einfachheit lediglich als Halbleiterchip 2 bezeichnet; gemeint ist dabei jedoch grundsätzlich das gesamte Baugteil mit Halbleiterchip und darauf angeordneter Umverdrahtungsschicht. Der Halbleiterchip 2 hat eine aktive Vorderseite, die mit Halbleiterschaltungsstrukturen versehen ist und eine passive Rückseite 3 ohne Halbleiterschaltungsstrukturen. Die aktive Oberseite des Halbleiterchips 2 weist im gezeigten Detailquerschnitt der 1 nach unten. Am äußeren Rand des Halbleiterchips 2 ist ein ebenfalls nach unten weisender und senkrecht zur aktiven Oberseite stehender Abstandshalter 6 in Form eines Kontakthöckers erkennbar. Dieser Abstandshalter 6 kann beispielsweise aus Kunststoff bestehen und von einer lötfähigen Metallschicht bedeckt sein. Alternativ kann der Abstandshalter 6 vollständig aus einem lötfähigen Metall bestehen. Der Halbleiterchip 2 ist vorzugsweise mit wenigstens zwei solcher Abstandshalter 6 in Form von Kontakthöckern versehen, die jeweils an einem äußeren Rand der zur Leiterplatte weisenden Vorderseite des Halbleiterchips 2 (bzw. dessen Umverdrahtungsschicht) angebracht sind. Eine günstigere und stabilere Abstützung läßt sich jedoch mit drei, vier oder mehr solcher Abstandshalter 6 erreichen.
Neben dem Abstandshalter 6 ist ein einzelnes federndes Kontaktelement 8 gezeigt, das beispielhaft für eine Vielzahl von parallelen elastischen Kontaktelementen 8 steht. Dieses elastische Kontaktelement 8 kann bspw. ein elastischer Draht mit rundem oder flachen Querschnitt sein, der so gebogen ist, daß er beim Aufsetzen seines freien Endes auf einer Kontaktfläche leicht zur Vorderseite des Halbleiterchips 2 gebogen wird und dabei in festem Kontakt mit der korrespondierenden Kontaktanschlußfläche einer Leiterplatte 4 steht. Vorzugsweise ist das elastische Kontaktelement 8 als Golddraht oder -streifen ausgeführt, da dieses Material optimale Eigenschaften hinsichtlich Oxidationsfreiheit und elektrischer Leitfähigkeit aufweist.
In der 1 ist auch ein im entspannten Zustand leicht über den äußeren Umfang des Abstandshalters 6 nach unten hinausragendes elastisches Kontaktelement 8 gezeigt, das beim Aufsetzen des Abstandshalters 6 auf eine Auflagefläche 10 der Leiterplatte 4 sicher zur Anlage auf seiner zugehörigen Kontaktanschlußfläche auf der Leiterplatte 4 kommt.
2 zeigt einen schematischen Detailquerschnitt der Abstützung entsprechend 1 mit zugehöriger Leiterplatte 4, auf der die Abstandshalter 6 zur Anlage kommen, wie in den folgenden Figuren beschrieben wird. Die flache Leiterplatte 4 ist mit Auflageflächen 10 und mit Kontaktanschlußflächen 12 versehen. Die Auflageflächen 10 sind dabei vorzugsweise als isolierte, d.h. als nicht mit Leiterbahnen verbundene Metallflächen ausgestaltet und sollen der mechanischen Positionierung, Fixierung und Abstandseinhaltung dienen. Die Kontaktanschlußflächen 12 stehen mit – hier nicht dargestellten – Leiterbahnen der Leiterplatte 4 in Verbindung. Die Kontaktflächen 12 korrespondieren mit den elastischen Kontaktelementen 8, die auf ihnen zur Anlage kommen, sobald die Abstandshalter 6 in Form von Kontakthöckern des Halbleiterchips auf den mit ihnen korrespondierenden Auflageflächen 10 aufgesetzt werden. Die Auflageflächen 10 sind exakt so ausgerichtet, daß die zwei oder mehr Abstandshalter 6 beim exakten Aufsetzten des Halbleiterchips 2 auf ihnen zum Aufliegen kommen.
Aufgrund der geringfügig kürzer als die entspannten elastischen Kontaktelemente 8 ausgeführten Abstandshalter 6 werden die elastischen Kontaktelemente 8 beim Aufsetzen des Halbleiterchips 2 auf der Leiterplatte leicht eingedrückt und stehen damit in sicherem leitenden Kontakt mit den jeweils korrespondierenden Kontaktanschlußflächen 12. Diese sind, ebenso wie die Auflageflächen 10, mit einer Lötpaste 14 bestrichen, die beim Erhitzen flüssig wird und für eine elektrische Verbindung der elastischen Kontaktelemente 8 mit den korrespondierenden Kontaktanschlußflächen 12 sorgen kann. Ebenso werden beim Erhitzen der mit Lötpaste 14 bedeckten Auflageflächen 10 stabile mechanische Verbindungen zwischen diesen Auflageflächen 10 und den jeweils korrespondierenden Abstandshaltern 6 in Form von auf dem Halbleiterchip 2 angeordneten Kontakthöckern hergestellt.
3 zeigt einen Detailquerschnitt entsprechend 2 mit dem auf der Leiterplatte 4 verlöteten Halbleiterchip 2. Dabei sind die Abstandshalter 6 auf ihren zugehörigen Auflageflächen 10 aufgesetzt; die elastischen Kontaktelemente 8 stehen mit den ihnen zugehörigen Kontaktflächen 12 der Leiterplatte 4 elektrisch in Verbindung. An den Kontaktstellen ist mittels der verflüssigten und wieder erstarrten Lötpaste jeweils eine feste Lötverbindung 16 entstanden, die für stabile mechanische und elektrische Verbindungen sorgt.
In der 4 ist weiterhin ein schematischer Querschnitt zweier Halbleiterchips 2 dargestellt, die mit einer beidseitig bestückbaren Leiterplatte 4 verbunden sind. Zu diesem Zweck ist die Leiterplatte 4 auf beiden Seiten mit – hier nicht dargestellten – Leiterbahnen sowie mit Auflageflächen 10 für die auf dem Halbleiterchip angeordneten Abstandshalter 6 und mit zahlreichen Kontaktanschlußflächen 12 für die elastischen Kontaktelemente 8 versehen. Es werden die bereits mit den beiden Seiten der Leiterplatte 4 über Lötverbindungen 16 fest verbundenen Halbleiterchips 2 gezeigt.
Die Halbleiterchips 2 sind in der dargestellten Ausführungsform zusätzlich auf ihren passiven Rückseiten 3 teilweise mit einer Kunststoffschicht 18 bedeckt, die ggf. mit feinem Metallstaub angereichert sein kann, damit sie eine bessere Wär meleitfähigkeit aufweist. Auf die flache Kunststoffschicht 18 ist jeweils am oberen und unteren Halbleiterchip 2 eine flache Kühlvorrichtung aufgepreßt, welche während des Lötvorgangs für eine Ableitung der Lötwärme von den Halbleiterchips 2 sorgt.
Anhand der 1 bis 4 wird nachfolgend das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines elektronischen Bauteils, das zusätzlich eine Leiterplatte 4 umfaßt und dem darauf aufgebrachten Halbleiterchips 2 mit Umverdrahtungsschicht beschrieben. Nach der Bereitstellung von Halbleiterchips 2 mit jeweils einer aktiven Oberseite mit Halbleiterschaltungsstrukturen und einer passiven Rückseite 3 ohne Halbleiterschaltungsstrukturen wird auf den aktiven Oberseiten der Halbleiterchips 2 eine Umverdrahtungsschicht aufgebracht, bspw. durch Beschichten mit Polyimid. Die Umverdrahtungsschicht ist an ihrer der aktiven Oberseite des Halbleiterchips 2 abgewandten Unterseite mit einer Vielzahl von elastischen Kontaktelementen 8 versehen, welche die elektrischen Verbindungen des Halbleiterchips zu weiteren elektronischen Schaltungen darstellen. Die Umverdrahtungsschicht ist zudem mit Abstandshaltern 6, bspw. in Form von Kontakthöckern oder von Kontaktstiften versehen, welche für eine stabile mechanische Verbindung zwischen Umverdrahtungsschicht und Leiterplatte 4 sorgen.
Jeder Halbleiterchip 2 ist vorzugsweise über Bondverbindungen mit der ihm zugeordneten Umverdrahtungsschicht elektrisch verbunden, deren elektrische Außenkontakte wiederum von den elastischen Kontaktelementen 8 von geringer mechanischer Federelementstigkeit in den Raumrichtungen x, y und z gebildet werden. Die Leiterplatte 4 mit den darauf befindlichen Leiterbahnen ist mit Kontaktanschlußflächen 12 versehen, die mit den elastischen Kontaktelementen 8 des auf der Leiterplatte 4 zu fixierenden elektronischen Bauteils mit Halbleiterchip 2 und Umverdrahtungsschicht 4 korrespondieren. Die Kontaktanschlußflächen 12 sowie die mit den Abstandshaltern 6 in Form von Kontakthöckern korrespondierenden Auflageflächen 10 werden anschließend mit Lötpaste 14 versehen, bevor die Halbleiterchips 2 mit Umverdrahtungsschicht, Abstandshaltern 6 und elastischen Kontaktelementen 8 auf der Leiterplatte 4 montiert werden.
Nach dem Positionieren der Halbleiterchips 2 mit ihren Umverdrahtungsschichten auf der Leiterplatte 4 werden alle Bauteile erhitzt, so daß sich die Lötpaste 14 verflüssigt und stabile Lötverbindungen 16 bildet. Wie in 4 dargestellt, kann die Leiterplatte 4 von beiden Seiten mit jeweils wenigstens einem Halbleiterchip 2 bestückt werden. Während des Aufbringens von Wärme zum Verflüssigen des Lots werden Kühlvorrichtungen 20 an den mit einer Kunststoffschicht 18 bedeckten Rückseiten 3 der Halbleiterchips 2 angepreßt, die für eine Ableitung von zu hoher Temperatur von den empfindlichen Halbleiterbauteilen sorgen. Damit die Temperaturleitfähigkeit von der Rückseite 3 zur Kühlvorrichtung 20 verbessert wird, kann in der Kunststoffschicht 18 vorzugsweise Metallstaub eingelagert sein.

2: Halbleiterchip
3: Rückseite
4: Leiterplatte
6: Abstandshalter
8: elastisches Kontaktelement
10: Auflagefläche
12: Kontaktanschlußfläche
14: Lötpaste
16: Lötverbindung
18: Kunststoffschicht
20: Kühlvorrichtung

Claims

Elektronisches Bauteil mit wenigstens einem Halbleiterchip (2) und mit einer auf dem Halbleiterchip (2) aufgebrachten Umverdrahtungsschicht, wobei die Umverdrahtungsschicht elastische Kontaktelemente (8) von geringer mechanischer Festigkeit in den Raumausrichtungen x, y und z aufweist, wobei der Halbleiterchip oder die Umverdrahtungsschicht wenigstens zwei Abstandshalter (6) zwecks stabiler mechanischer Verbindung mit einer Leiterplatte (4) aufweist, und wobei die elastischen Kontaktelemente (8) mit korrespondierenden Kontaktanschlußflächen (12) der Leiterplatte (9) elektrische Verbindungen herstellen.
Elektronisches Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das elektronische Bauteil mit Umverdrahtungsschicht und die Leiterplatte (4) in einem definierten Abstand zueinander mechanisch verbindbar sind.
Elektronisches Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens zwei Abstandhalter (6) auf dem elektronischen Bauteil jeweils als Lötkontakte (16) ausgebildet sind.
Elektronisches Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Umverdrahtungsschicht an ihrer dem elektronischen Bauteil abgewandten Unterseite mit wenigstens zwei Kontakthöckern (6) und/oder Kontaktstiften als Abstandshalter versehen ist, die mit metallischen Auflageflächen (10) auf der Oberseite der Leiterplatte (4) korrespondieren.
Elektronisches Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandshalter (6) aus Kunststoff ausgebildet sind und einen metallischen Überzug aufweisen.
Elektronisches Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandshalter (6) jeweils eine gleiche, exakt definierte Höhe aufweisen.
Elektronisches Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandshalter (6) von den sich im entspannten Zustand befindlichen elastischen Kontaktelementen (8) geringfügig überragt werden.
Elektronisches Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß, die elastischen Kontaktelemente (8) als flexible Kontaktdrähte ausgebildet sind.
Elektronisches Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die elastischen Kontaktelemente (8) als flache Kontaktstreifen ausgebildet sind.
Elektronisches Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die elastischen Kontaktelemente (8) elektrisch leitende gummielastische Kontakthügel sind.
Elektronisches Bauteil nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die elastischen Kontaktelemente (8) einen gummielastischen Kunststoffhügel mit einem aufgebrachten Leitungspfad und metallischer Beschichtung der Kuppe des Hügels aufweisen.
Elektronisches Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elastischen Kontaktelemente (8) mikroskopisch klein sind.
Verfahren zur Herstellung eines elektronischen Bauteils mit wenigstens einem Halbleiterchip (2) und einer Umverdrahtungsschicht, wobei die Umverdrahtungsschicht auf dem Halbleiterchip mit elastischen Kontaktelementen (8) versehen ist und Abstandshalter aufweist, um einen Abstand zwischen Umverdrahtungsschicht und einer Leiterplatte (4) zu erreichen, wobei das Verfahren folgende Verfahrensschritte aufweist: – Bereitstellen eines Halbleiterchips (2) mit einer aktiven Oberseite und einer passiven Rückseite (3), – Aufbringen einer Umverdrahtungsschicht mit elastischen Kontaktelementen auf der aktiven Oberseite des Halbleiterchips (2) – Herstellen von Bondkontakten von Kontaktflächen auf der aktiven Oberseite des Halbleiterchips (2) zu Kontaktanschlußflächen auf der der aktiven Obersei te des Halbleiterchips (2) abgewandten Rückseite der Umverdrahtungsschicht, – Aufbringen von wenigstens zwei Abstandshaltern auf der Umverdrahtungsschicht.
Verfahren zum Herstellen einer elektrischen Verbindung zwischen einem elektrischen Bauteile und einer Leiterplatte (4), das folgende Verfahrensschritte aufweist: – Bereitstellen eines Halbleiterchips (2) mit einer aktiven Oberseite und einer passiven Rückseite (3); – Aufbringen einer Umverdrahtungsschicht mit elastischen Kontaktelementen auf der aktiven Oberseite des Halbleiterchips (2); – Herstellen von Bondkontakten von Kontaktflächen auf der aktiven Oberseite des Halbleiterchips (2) zu Kontaktanschlußflächen auf der der aktiven Oberseite des Halbleiterchips (2) abgewandten Rückseite der Umverdrahtungsschicht; – Aufbringen von wenigstens zwei Abstandshaltern auf der Umverdrahtungsschicht; – Bereitstellen einer Leiterplatte (4) mit elektrischen Kontaktanschlußflächen (12), die mit den freien Enden der elastischen Kontaktelemente (8) auf dem Halbleiterchip bzw. der Umverdrahtungsschicht korrespondieren und mit Auflageflächen (10), die mit den Abstandshaltern des Halbleiterchips bzw. der Umverdrahtungsschicht korrespondieren; – Aufbringen einer Lötpaste (14) auf die Kontaktflächen (12) und auf die Auflageflächen (10) der Leiterplatte (4); – Positionieren des elektronischen Bauteils mit Halbleiterchips (2) und der Umverdrahtungsschicht auf der Leiterplatte (4), wobei die elastischen Kontaktelemente (8) auf den Kontaktanschlußflächen (12) aufliegen und wobei die Abstandshalter auf den Auflageflächen (10) aufliegen; – Erhitzen der Verbindungsstellen, so daß die Lötpaste (14) flüssig wird und elektrische und mechanische Verbindungen herstellt.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens zwei Abstandshalter als Abstandshalter (6) und/oder Kontaktstifte ausgebildet sind, die auf damit korrespondierende Auflageflächen (10) auf die Leiterplatte (4) aufgesetzt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß die elastischen Kontaktelemente (8) beim Aufsetzen der Abstandshalter (6) auf die damit korrespondierende Auflageflächen (10) der Leiterplatte (4) entgegen ihrer Spannkraft auf die jeweils korrespondierenden Kontaktflächen (12) gedrückt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterplatte (4) beidseitig mit jeweils wenigstens einem elektronischen Bauteil mit einem Halbleiterchip (2), einer Umverdrahtungsschicht und mit elastischen Kontaktelementen (8) sowie Abstandshaltern elektrisch und mechanisch verbunden wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß zum Verbinden der elastischen Kontaktelemente (8) das wenigstens eine elektronische Bauelement auf eine Löttemperatur erwärmt wird.
Verfahren naach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß weitgehend die gesamte Fläche der passiven Rückseite (3) jedes Halbleiterchips (2) während des Lötvorgangs mit einer Wärme ableitenden Kühlvorrichtung (20) in Kontakt gebracht wird.