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Die
Erfindung betrifft ein gestapeltes Halbleiterbauteil mit einem optisch
aktiven Halbleiterchip und ein Verfahren zu seiner Herstellung.
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Aus
der
GB 2 374 725 ist
ein gestapeltes Halbleiterbauteil bekannt, welches neben einem Halbleiterchip
zur Bilderkennung (image sensing chip) eine integrierte Halbleiterschaltung
bzw. einen IC (integrated circuit) in einem mehrteiligen Gehäuse enthält. Der
obere Teil dieses Gehäuses
besteht aus einem Hohlraum, welcher aus einem Substrat, Wänden und
einer transparenten Abdeckung gebildet wird und welcher den Halbleiterchip
zur Bilderkennung aufnimmt. Auf der Rückseite dieses Gehäuses ist
ein IC aufgebracht, welcher in einem weiteren Verfahrensschritt
mit einer herkömmlichen
Kunststoffmasse verkapselt wurde.
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Die
in der
GB 2 374 728
A offenbarte Verkapselung weist u.a. zwei Nachteile auf.
Zum einen ist das zur Verkapselung des optisch aktiven Halbleiterchips
verwendete, zweiteilige Gehäuse
aus Rahmen und transparenter Abdeckung sehr aufwendig in der Herstellung,
zum anderen ist ein derartiges stapelförmiges Gehäuse aber auch ungeeignet, wenn
mehr als zwei Halbleiterchips integriert werden sollen.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein neues Halbleiterbauteil
in Stapelbauweise bereitzustellen, welches mindestens einen optisch aktiven
Halbleiterchip und mindestens einen IC aufweist, das die Nachteile
aus dem Stand der Technik überwindet.
Des Weiteren soll das gefertigte Halbleiterbauteil zuverlässig sein
und das Gehäuse
sowohl den Qualitätsanforderungen
des optisch aktiven Halbleiterchips als auch den Qualitätsanforderungen des
ICs gerecht werden.
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Ferner
soll ein Verfahren zu seiner Herstellung bereitgestellt werden,
welches einfach in der Fertigung umzusetzen ist und welches Flexibilität bei der
Anzahl und/oder der Anordnung der verschiedenen Halbleiterchips
zulässt.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe gelöst durch
ein Halbleiterbauteil in Stapelbauweise mit mindestens einem optisch
aktiven Halbleiterchip und mindestens einem IC. Der IC ist auf ein
Substrat aufgebracht und kontaktiert und wird, zusammen mit: einem
Innenbereich des Substrats und zusammen mit den Kontaktierungen,
von einer ersten Kunststoffmasse bzw. Pressmasse eingeschlossen.
Von dieser ersten Kunststoffmasse wird außerdem ein Kontaktelement eingeschlossen.
Auf der Oberseite des Kontaktelements, welches mit dem Substrat
elektrisch leitend verbunden ist, ist ein optisch aktiver Halbleiterchip
aufgebracht und kontaktiert. Der optisch aktive Halbleiterchip,
sowie seine zugehörigen
Kontaktierungen und die Oberseite des Kontaktelements sind in eine
zweite Kunststoffmasse bzw. Pressmasse eingebettet, welche sich
gemäß der vorliegenden Erfindung
in ihrer Zusammensetzung von der ersten Kunststoffmasse unterscheidet
und welche beispielsweise transparent ist.
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Unter "Substrat" werden im vorliegenden Text
Träger
verstanden, auf welche Halbleiterchips aufgebracht werden und welche
die Außenkontakte für den Einbau
des fertig gehäusten
Halblei terbauteils bereitstellen. Ein Substrat im Sinne der vorliegenden
Erfindung kann verschiedene Materialien, wie zum Beispiel Keramik,
Metall oder ein organisches Kunststoffmaterial aufweisen.
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Der
Grundgedanke der vorliegenden Erfindung ist es also, den IC in einem
ersten Schritt mit einer auf die Bedürfnisse dieses Chips abgestimmten Pressmasse
zu verkapseln. In einem davon getrennten, zweiten Schritt wird der
optisch aktive Halbleiterchip mit einer zweiten, auf den optisch
aktiven Halbleiterchip abgestimmten – etwa einer transparenten – Pressmasse
verkapselt. Optisch aktive Halbleiterchips gemäß der vorliegenden Erfindung
können
optische Sender, wie Lumineszenzdioden oder Halbleiterlaser, und/oder
optische Empfänger,
wie Photodioden, aufweisen.
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Die
Gehäusegeometrie
wird dabei so ausgelegt, dass sich das zweistufige Verkapseln einfach mit
herkömmlichen
Fertigungsverfahren, unter Verwendung herkömmlicher Fertigungsmaschinen,
umsetzen lässt.
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In
einem ersten Schritt wird auf ein Substrat, beispielweise auf einen
Flachleiter, ein IC aufgebracht und elektrisch kontaktiert. Anschließend wird ein
Kontaktelement auf das Substrat aufgebracht, welches später für die Befestigung
und Kontaktierung des optisch aktiven Halbleiterchips benötigt wird.
Das Kontaktelement kann neben dem IC oder auf der anderen Seite
des Substrats, direkt unterhalb oder versetzt dazu, aufgebracht
werden. Durch die Anordnung von Kontaktelement und IC relativ zueinander
auf dem Substrat können
die äußeren Abmessungen
des fertigen Gehäuses
optimiert werden.
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In
einem nächsten
Schritt wird das Substrat mit dem aufgebrachten und kontaktierten
IC und dem Kontaktelement mit der ersten Pressmasse verkapselt.
Diese wird so gewählt,
dass sie auf die Anforderungen des ICs abgestimmt ist. Die erste
Pressmasse für
die Verkapselung des ICs kann beispielsweise, im Gegensatz zur zweiten
Pressmasse für
die Verkapselung des optisch aktiven Halbleiterchips, lichtundurchlässig sein,
um lichtelektrische Störeffekte wie "cross talk" bzw. Übersprechen,
zu verhindern.
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Zur
Verkapselung wird der IC mit seinen Kontaktierungen vollständig von
der ersten Pressmasse eingeschlossen. Bei dem elektrischen Kontaktelement
bleibt zumindest dessen Oberseite frei von Pressmasse, so dass auf
dieser Fläche
der optisch aktive Halbleiterchip befestigt und elektrisch kontaktiert
werden kann.
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Das
elektrische Kontaktelement kann gemäß der vorliegenden Erfindung
unterschiedlich ausgeführt
sein. In einer ersten Ausführungsform
weist das Kontaktelement einen Keramikblock mit metallischen Leitungen
oder einen elektrisch anisotrop leitenden Kunststoffblock auf. Derartige
blockförmige
Kontaktelemente haben den Vorteil, dass sie flexibel auf dem Substrat
positioniert werden können,
so dass sich neue Gehäusegeometrien
mit sehr geringem Aufwand realisieren lassen.
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In
einer weiteren Ausführungsform
ist das Kontaktelement als Kröpfung
des Substrats, und insbesondere als Kröpfung eines Flachleiters, ausgebildet.
Dies hat den Vorteil, dass die Kosten des fertigen Bauteils niedrig
sein werden, da anstelle des separaten Kontaktelements ein Verformen
des Flachleiters tritt.
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Des
Weiteren kann das Kontaktelement die Form einer auf der Rückseite
des Substrats angeordneten Umverdrahtungsebene aufweisen. Eine derartige
Ausführungsform
ist beispielsweise dann zu bevorzugen, wenn die Anzahl der für den IC
und/oder der für
den optisch aktiven Halbleiterchip benötigen Kontaktanschlussflächen hoch
ist.
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Danach
wird der optisch aktive Halbleiterchip auf dem Kontaktelement aufgebracht
und kontaktiert und dann, zusammen mit seinen Kontaktierungen und
zumindest Teilbereichen der Oberseite des Kontaktelements mit einer
zweiten Kunststoffmasse verkapselt. Die zweite Kunststoffmasse wird
so gewählt, dass
sie transparent bzw. für
die Wellenlängen durchlässig ist,
welche von dem optisch aktiven Halbleiterchip emittiert oder detektiert
werden.
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Durch
dieses mehrstufige Verkapseln wird es möglich, für jeden in dem Gehäuse enthaltenen Halbleiterchip
die geeignete Pressmasse zu verwenden.
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Das
hier beschriebene Verfahren lässt
sich im Sinne der vorliegenden Erfindung erweitern, so dass die
Möglichkeit
besteht, auf diese Weise mehrere Halbleiterchips in Stapelbauweise
zu verkapseln, wobei für
jeden Halbleiterchip eine eigene Pressmasse gewählt werden kann. Derartige
Multichipgehäuse sind
dann von Vorteil, wenn neben dem IC und dem optisch aktiven Halbleiterchip
beispielsweise ein dritter Halbleiterchip, welcher ebenfalls besondere
Anforderungen an die Pressmasse stellt, wie etwa ein Sensorchip,
in das Gehäuse
integriert werden soll.
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1 zeigt
eine erste Ausführungsform
eines Halbleiterbauteils in Stapelbauweise gemäß der vorliegenden Erfindung,
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2 zeigt
eine zweite Ausführungsform
eines Halbleiterbauteils in Stapelbauweise gemäß der vorliegenden Erfindung,
und
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3 zeigt
eine dritte Ausführungsform
eines Halbleiterbauteils in Stapelbauweise gemäß der vorliegenden Erfindung.
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1 zeigt
eine erste Ausführungsform
eines Halbleiterbauteils in Stapelbauweise gemäß der vorliegenden Erfindung.
Auf einem Flachleiter 1 ist ein IC 2 aufgebracht
und mittels Kontaktierungen 11 mit diesem elektrisch leitend
verbunden. Auf dem Flachleiter 1 ist des Weiteren ein Kontaktelement 6 angeordnet,
welches eine elektrisch leitende Verbindung zwischen dem Flachleiter 1 und
einer Oberseite 8 bereitstellt.
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Der
IC 2, Kontaktierungen 11 und das Kontaktelement 6,
sowie zumindest Teile des Flachleiters 1, wie hier dargestellt
ein Innenbereich 5, sind von einer Pressmasse 4 umgeben,
welche auf den IC 2 abgestimmt ist. Die erste Pressmasse 4 ist
vorzugsweise, im Gegensatz zur einer zweiten Pressmasse 7, lichtundurchlässig, um
lichtelektrische Störeffekte wie "cross talk" bzw. Übersprechen,
zu verhindern.
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Das
Verkapseln mit der Pressmasse 4 geschieht dabei so, dass
die Oberseite 8 des Kontaktelements 6 nicht von
der Pressmasse 4 bedeckt wird.
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Auf
der Oberseite 8 des Kontaktelements 6 ist ein
optisch aktiver Halbleiterchip 3 aufgebracht, welcher mittels
Kontaktierungen 12 mit der Oberseite 8 des Kontaktelements 6 und
damit mit dem Flachleiter 1 in elektrisch leitender Verbindung
steht.
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Der
optisch aktive Halbleiterchip 3, die Kontaktierungen 12,
zumindest Teilbereiche der Oberseite 8 des Kontaktelements 6 und/oder
benachbarte Bereiche der Pressmasse 4 sind von einer zweiten Pressmasse 7 bedeckt
bzw. umgeben, welche so gewählt
wird, dass sie transparent bzw. für die Wellenlängen durchlässig ist,
welche von dem optisch aktiven Halbleiterchip emittiert oder detektiert
werden.
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Die
aus der Pressmasse 4 herausragenden Bereiche des Flachleiters 1 dienen
als Kontaktanschlussflächen
für die
spätere
Montage des fertigen Halbleiterbauteils. Die hier dargestellte Substrat- bzw.
Gehäusegeometrie
findet üblicherweise
Anwendung bei elektrisch leitenden, bzw. metallischen Substraten
bzw. Flachleitern.
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Zur
Herstellung eines Halbleiterbauteils in Stapelbauweise mit einem
optisch aktiven Halbleiterchip gemäß der vorliegenden Erfindung
in einer der 1 entsprechenden Ausführungsform
wird folgendermaßen
vorgegangen.
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Auf
einen Flachleiter 1 wird ein IC 2 befestigt und
mittels Kontaktierungen 11 elektrisch leitend mit dem Flachleiter 1 verbunden.
In einem nächsten Schritt
wird neben dem IC 2 ein Kontaktelement 6 angeordnet,
welches eine Oberseite 8 aufweist, die groß genug
ist, um später
einen weiteren Halbleiterchip mit zugehörigen Kontaktierungen aufzunehmen. Danach werden
Kontaktelement 6, der IC 2, Kontaktierungen 11,
sowie zumindest Teilbereiche des Flachleiters 1 mit einer
ersten Pressmasse 4 verkapselt. Die Verkapselung wird so
durchgeführt,
dass die Oberseite 8 des Kontaktelements 6 frei
von Pressmasse 4 bleibt. Dies kann beispielsweise erreicht werden
durch Abdecken der Oberseite 8 während des Verkapselns oder
durch Verwenden eines entsprechend ausgelegten Verkapselungswerkzeuges. Anschließend wird
auf die freie Oberseite 8 des Kontaktelements 6 ein
optisch aktiver Halbleiterchip 3 mit zugehörigen Kontaktierungen 12 aufgebracht.
In einem letzten Schritt wird der optisch aktive Halbleiterchip 3 mit
den Kontaktierungen 12 mittels einer zweiten Pressmasse 7 verkapselt.
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2 zeigt
eine zweite Ausführungsform
eines Halbleiterbauteils in Stapelbauweise gemäß der vorliegenden Erfindung.
Wie bei der Ausführungsform
aus 1 ist auf den Flachleiter 1 der IC 2 aufgebracht
und mittels Kontaktierungen 11 mit diesem elektrisch leitend
verbunden. Auf dem Flachleiter 1 ist des Weiteren statt
des Kontaktelements 6 eine Kröpfung 9 aufgebracht.
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Der
IC 2, Kontaktierungen 11 und zumindest Teile des
Flachleiters 1 sind wiederum von der Pressmasse 4,
welche wie oben beschrieben lichtundurchlässig ist, umgeben. Die Pressmasse 4 ist
in dieser Ausführungsform
so geformt, dass die Oberseite 8 der Kröpfung 9 nicht von
der Pressmasse 4 bedeckt wird.
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Auf
der Oberseite 8 der Kröpfung 9 ist
der optisch aktive Halbleiterchip 3 aufgebracht, welcher mittels
Kontaktierungen 12 mit der Oberseite 8 der Kröpfung 9 und
damit mit dem Flachleiter 1 in elektrisch leitender Verbindung
steht. Der optisch aktive Halbleiterchip 3, die Kontaktierungen 12,
zumindest Teilbereiche der Oberseite 8 der Kröpfung 9,
bzw. des Flachleiters 1 und/oder benachbarte Bereiche der
Pressmasse 4 sind, ähnlich
wie in 1 gezeigt, von einer zweiten Pressmasse 7 bedeckt
bzw. umgeben. Diese wird, wie vorher beschrieben, vorzugsweise transparent
gewählt.
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Zur
Herstellung eines Halbleiterbauteils in Stapelbauweise mit einem
optisch aktiven Halbleiterchip gemäß der vorliegenden Erfindung
in einer der 2 entsprechenden Ausführungsform
wird folgendermaßen
vorgegangen.
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In
einem vorbereitenden Fertigungsschritt wird ein Flachleiter 1 unter
Verwendung entsprechender Werkzeuge so verformt, dass eine Kröpfung 9 entsteht,
welche groß genug
ist, um später
einen optisch aktiven Halbleiterchip 3 mit zugehörigen Kontaktierungen 12 aufzunehmen.
Nach dem Verformen des Flachleiters 1 wird ein IC 2,
sowie elektrische Kontaktierungen 11 aufgebracht. Danach
werden der IC 2, die Kontaktierungen 11, sowie
zumindest Teilbereiche des Substrats 1 mit einer ersten
Pressmasse 4 so verkapselt, dass die Oberseite 8 der
Kröpfung 9 frei
von Pressmasse 4 bleibt. Dies kann beispielsweise erreicht
werden durch Abdecken der Oberseite 8 während des Verkapselns oder
durch Verwenden eines entsprechend ausgelegten Verkapselungswerkzeuges.
Anschließend
wird auf die freie Oberseite 8 der Kröpfung 9 ein optisch
aktiver Halbleiterchip 3 mit zugehörigen Kontaktierungen 12 aufgebracht.
In einem letzten Schritt wird der optisch aktive Halbleiterchip 3 mit
den Kontaktierungen 12 mittels einer zweiten Pressmasse 7 verkapselt.
Die Pressmasse 4 ist wiederum auf den IC 2, die
Pressmasse 7 auf den optisch aktiven Halbleiterchip 3 abgestimmt.
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3 zeigt
eine dritte Ausführungsform
eines Halbleiterbauteils in Stapelbauweise gemäß der vorliegenden Erfindung.
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Auf
die Vorderseite 14 eines Substrats 15 ist wiederum
der IC 2 aufgebracht und mittels Kontaktierungen 11 mit
dem Substrat 15 elektrisch leitend verbunden. Auf der Rückseite 14 des
Substrats 15 ist eine Umverdrahtungsebene 10 aufgebracht,
auf welcher der optisch aktive Halbleiterchip 3 befestigt
ist. Der optisch aktive Halbleiterchip 3 ist des Weiteren mit
Kontaktierungen 12 mit der Umverdrahtungsebene 10 elektrisch
leitend verbunden, welche die aus dem Gehäuse herausführenden Kontaktanschlussflächen (nicht
dargestellt) des optisch aktiven Halbleiterchips 3 bereitstellt.
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Gemäß der in 3 gezeigten
Ausführungsform
wird die mit dem IC 2 bestückte Vorderseite 13 des
Substrats 15 mit der Pressmasse 4 zumindest teilweise
verkapselt, so dass der IC 2 und die zugehörigen Kontaktierungen 11 davon
umgeben bzw. vollständig
bedeckt sind.
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Der
optisch aktive Halbleiterchip 3 mit den Kontaktierungen 12 wird
mit einer, vorzugsweise transparenten, Pressmasse 7 verkapselt.
Die Umverdrahtungsebene 10 wird von der Pressmasse 7 wie hier
gezeigt teilweise bedeckt. Die Größe des freigelassenen Bereichs
auf der Umverdrahtungsebene 10 hängt u.a. von der Anordnung
und Größe der aus dem
Gehäuse
herausführenden
Kontaktanschlussflächen
(nicht dargestellt) ab.
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Zur
Herstellung eines Halbleiterbauteils in Stapelbauweise mit einem
optisch aktiven Halbleiterchip gemäß der vorliegenden Erfindung
in einer der 3 entsprechenden Ausführungsform
wird folgendermaßen
vorgegangen.
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Zuerst
wird auf ein Substrat 1 eine Umverdrahtungsebene 10,
beispielsweise durch Laminieren, aufgebracht. Danach wird auf einer
Vorderseite 13 des Substrats 1 ein IC 2 befestigt
und mittels Kontaktierungen 11 mit dem Substrat 1 elektrisch
leitend verbunden. Anschließend
wird der IC 2 mit den zugehörigen Kontaktierungen 11 mit
einer Pressmasse 4 verkapselt. In einem nächsten Schritt
wird auf der Umverdrahtungsebene 10 ein optisch aktiver
Halbleiterchip 3 befestigt und mittels Kontaktierungen 11 elektrisch
leitend mit der Umverdrahtungsebene 10 verbunden. Abschließend wird
der optisch aktive Halbleiterchip 3 mit den zugehörigen Kontaktierungen 12 mit
einer zweiten Pressmasse 7 verkapselt.
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In
einem alternativen Herstellverfahren wird zuerst das Substrat 1 mit
dem IC 2 bestückt
und verkapselt. In einem unabhängigen,
weiteren Fertigungsschritt wird die Umverdrahtungsebene 10 mit dem
optisch aktiven Halbleiterchip 3 bestückt und ebenfalls verkapselt.
Anschließend
wird die Umverdrahtungsebene 10 mit dem verkapselten optisch
aktiven Halbleiterchip 3 auf das Substrat 1 mit
dem verkapselten IC 2, etwa durch Kleben, aufgebracht.
Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass vor dem Zusammenbringen von
verkapseltem IC 2 und verkapseltem optisch aktiven Halbleiterchip 3 die
Möglichkeit besteht,
diese getrennt zu testen. Dadurch werden fertigungsbedingte Verluste
vermieden, die auf Halbleiterbauteile zurückzuführen sind, welche mit einer funktionierenden
und einer defekten Komponente bestückt sind.
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- 1
- Flachleiter
- 2
- Halbleiterchip
- 3
- optisch
aktiver Halbleiterchip
- 4
- erste
Kunststoffmasse
- 5
- Innenbereich
- 6
- elektrisches
Kontaktelement
- 7
- zweite
Kunststoffmasse
- 8
- Oberseite
des Kontaktelements
- 9
- Kröpfung
- 10
- Umverdrahtungsebene
- 11
- Kontaktierung
zw. IC und Substrat bzw. Flachleiter
- 12
- Kontaktierung
zw. optisch aktivem Halbleiterchip und
-
- Substrat
bzw. Flachleiter
- 13
- Vorderseite
des Substrats
- 14
- Rückseite
des Substrats
- 15
- Substrat