DE102004027074B4 - Verfahren zur Herstellung eines BGA (Ball Grid Array)-Bauteils mit einer dünnen metallischen Kühlfolie - Google Patents

Verfahren zur Herstellung eines BGA (Ball Grid Array)-Bauteils mit einer dünnen metallischen Kühlfolie Download PDF

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Abstract

Verfahren zur Herstellung eines BGA-Bauteils mit einer Kühlfolie (6), welches die folgenden Schritte aufweist:
– Befestigen eines Halbleiterchips (4) auf einem Substrat (1, 15);
– Kontaktieren des Halbleiterchips (4) mit dem Substrat (1, 15) und
– Aufbringen einer dünnen metallischen Kühlfolie (6) mittels eines elastisch verformbaren Press- oder Rollenwerkzeugs, wobei die dünne metallische Kühlfolie (6) zumindest Teilbereiche der Seite des Halbleiterchips (4), die vom Substrat (1, 15) weg weist, und zumindest Teilbereiche des Substrats (1, 15) bedeckt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines BGA-Bauteils mit einer dünnen metallischen Kühlfolie und insbesondere eines BGA-Bauteils mit einer dünnen metallischen Kühlfolie, welches einen Flipchip enthält.
  • BGA-Gehäuse sind seit längerer Zeit bekannt und werden in der Halbleiterindustrie immer dann eingesetzt, wenn für ICs (Integrated Circuits) hohe Anschlussdichten auf kleinem Raum realisiert werden sollen.
  • Ein typisches BGA-Gehäuse weist auf der Oberseite ein Gehäuse aus einer Kunststoffpressmasse und auf der Unterseite einen Träger bzw. ein Substrat mit Lötkugelanschlüssen auf. Bei einem Plastik-BGA-Gehäuse (PBGA) besteht das Substrat aus einem Kunststoffmaterial, bei einem Keramik-BGA-Gehäuse (CBGA) weist das Substrat Keramik auf. Die Lötkugelanschlüsse sind je nach BGA-Typ vollflächig oder in mehreren Reihen angeordnet. Im Inneren weist das BGA-Gehäuse beispielsweise einen konventionell kontaktierten IC, einen Flipchip oder mehrere Halbleiterchips in Stapelbauweise oder nebeneinander auf.
  • Herkömmliche BGA-Gehäuse haben den Nachteil, dass die im Halbleiterchip während des Betriebs des Halbleiterbauteils entstehende Wärme nur schlecht abtransportiert werden kann. Zum Wärmeabtransport aus dem Halbleiterchip steht bei einem herkömmlichen BGA-Gehäuse nur ein Ableiten der Wärme in das Substrat mit den Lötkugelanschlüssen zur Verfügung, da die Kunst stoffpressmasse, welche den Halbleiterchip und die Kontaktierungen umgibt, typischerweise einen guten thermischen Isolator darstellt.
  • Um die Wärmeableitung zu verbessern, werden deshalb Substrate eingesetzt, deren Grundkörper neben dem Plastikmaterial thermisch leitende verstärkte Kupferschichten aufweist.
  • Die Verwendung dieser schichtartig aufgebauten Substrate hat den Nachteil, dass – neben den hohen Kosten für ein derartiges Substrat – die Wärmeableitung aus dem Halbleiterchip durch die thermische Leitfähigkeit der Fügestelle zwischen dem Halbleiterchip und dem Substrat begrenzt wird. Bei BGA-Gehäusen, welche in ihrem Inneren einen Flipchip aufweisen, ist diese thermische Leitfähigkeit aufgrund der Dimensionierung der Flipchipkontakte problematisch.
  • Aus IEEE Transactions an Components and Packaging Technology, Vol. 23, Nr. 3, September 2000, S. 481–489 „An Investigation of Thermal Enhancement an Flip Chip Plastic BGA Packages Using CFD Tool" ist die Verwendung verschiedener metallischer Kühlkörper auf der Oberseite eines Halbleiterchips, der mit seiner Unterseite auf ein Substrat montiert ist, bekannt.
  • Aus der US 2002/0 060 369 A1 ist ein Halbleiterbauteil mit einem auf einem Substrat angeordneten Halbleiterchip bekannt, wobei sich ein elektrisch leitendes Material, insbesondere eine dünne Metallfolie, über den Halbleiterchip und das Substrat erstreckt.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein besonders wirtschaftliches Verfahren zur Herstellung von BGA-Bauteilen be reitzustellen, die eine gute Wärmeableitung aus dem integrierten Halbleiterchip zeigen.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand des unabhängigen Patentanspruchs. Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.
  • Ein Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung weist die folgenden Schritte auf:
    • – Befestigen eines Halbleiterchips (4) auf einem Substrat (1, 15);
    • – Kontaktieren des Halbleiterchips (4) mit dem Substrat (1, 15) und
    • – Aufbringen einer dünnen metallischen Kühlfolie (6) mittels eines elastisch verformbaren Press- oder Rollenwerkzeugs, wobei die dünne metallische Kühlfolie (6) zumindest Teilbereiche der Seite des Halbleiterchips (4), die vom Substrat (1, 15) weg weist, und zumindest Teilbereiche des Substrats (1, 15) bedeckt.
  • Ein gemäß der vorliegenden Erfindung herstellbares BGA-Gehäuse weist ein Substrat auf, auf welchem auf einer Seite mindestens ein Halbleiterchip aufgebracht ist. Auf der anderen Seite des Substrats befinden sich aus dem Gehäuse herausragende Lötkugelanschlüsse. Das BGA-Gehäuse enthält des weiteren eine metallische Kühlfolie, welche gemäß der vorliegenden Erfindung zumindest mit Teilbereichen der Oberfläche der auf dem Substrat aufgebrachten Halbleiterchips in direkter, thermisch leitender Verbindung steht. Die auf dem Substrat aufgebrachten Halbleiterchips sind außerdem von einer Kunststoffpressmasse umgeben, die so auf der Seite des Substrats aufgebracht wird, welche den oder die Halbleiterchips aufweist, dass zumindest Teilbereiche der Kühlfolie nicht von der Kunststoffpressmasse bedeckt sind und somit ein guter Wärmeabtransport aus dem BGA-Gehäuse über die freiliegende Kühlfolie ermöglicht wird.
  • Um eine möglichst gute thermische Leitfähigkeit zwischen dem in dem BGA-Gehäuse enthaltenen Halbleiterchip der Kühlfolie zu erzielen, wird die Kühlfolie vorzugsweise mittels einer thermisch leitenden Klebstoffsschicht auf der Halbleiterchip-Oberfläche befestigt. Andere Arten der Verbindung zwischen Halbleiterchip-Oberfläche und Kühlfolie sind ebenfalls möglich. So kann beispielsweise ein inniger Kontakt zwischen Kühlfolie und Halbleiterchip-Oberfläche durch einfaches Aufpressen der Kühlfolie erzeugt werden, falls die Halbleiterchip-Geometrie und die Oberfläche dies zulässt.
  • Um eine optimale Wärmeabfuhr aus dem BGA-Gehäuse zu ermöglichen, sollte das Material für die Kühlfolie entsprechend gewählt werden. Insbesondere sind zur Herstellung einer Kühlfolie gemäß der vorliegenden Erfindung Aluminium, Kupfer, Silber und Legierungen dieser Metalle sowie andere möglichst weiche wärmeleitende Metalle bzw. Legierungen geeignet.
  • Um eine ausreichende Wärmeleitfähigkeit zu erreichen, sollte die erfindungsgemäße Kühlfolie eine Stärke bzw. Dicke von mindestens 40 Mikrometern aufweisen.
  • In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die Kühlfolie eine Dicke von mindestens 0,1 Millimetern auf, so dass sie auch als "Kühlblech" bezeichnet werden kann. Die Verwendung eines Kühlbleches im Sinne der vorliegenden Erfindung hat den Vorteil, dass das Kühlblech neben dem Wärme abtransport außerdem einen gewissen mechanischen Schutz für den unter dem Kühlblech liegenden Halbleiterchip bereitstellt, sodass auf eine Verkapselung des Halbleiterchips weitgehendst verzichtet werden kann.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Halbleiterchip in dem erfindungsgemäßen BGA-Gehäuse durch Flipchip-Kontaktierungen mit dem Substrat verbunden. Dies hat den Vorteil, dass die vom Substrat weg weisende und somit freie Seite des Halbleiterchips keinerlei aktive bzw. empfindliche Strukturen aufweist, sodass nach dem Aufbringen der erfindungsgemäßen Kühlfolie auf der freien Halbleiterchip-Seite insbesondere dann auf einen Schutz des Halbleiterchips vor mechanischen Beschädigungen durch eine zusätzliche Kunststoffpressmassen-Verkapselung verzichtet werden kann, wenn die Kühlfolie eine entsprechende Stärke aufweist.
  • Ein BGA-Gehäuse gemäß der vorliegenden Erfindung ist auch für die Montage von Halbleiterchips geeignet, welche durch Drahtkontaktierungen mit dem Substrat verbunden werden. In diesem Fall wird die Kunststoffpressmasse so ausgeformt, dass von der Kunststoffpressmasse auch die Drahtkontaktierungen sowie benachbarte Bereiche des Halbleiterchips eingeschlossen werden, um eine mechanischen Beschädigungen der sehr empfindlichen Drahtkontaktierungen zu vermeiden. Die erfindungsgemäße Kühlfolie steht bei dieser Ausführungsform nur mit den verbleibenden freien Bereich auf der Halbleiterchip-Oberfläche in direkter Verbindung.
  • In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird statt eines Halbleiterchips mindestens ein weiterer Halb leiterchip in dem BGA-Gehäuse angeordnet. Soll der kompakte Gehäuseformen erzielt werden, ist es von Vorteil, die Halbleiterchips in Stapelbauweise übereinander anzuordnen. Die Kühlfolie wird dann auf den obersten Halbleiterchip aufgebracht. Soll die Gehäuseform möglichst flach sein, können die Halbleiterchips auch nebeneinander angeordnet werden. Die Kühlfolie wird dann vorzugsweise so aufgebracht, dass sie mit allen Halbleiterchips in direkter Verbindung steht. Durch die Wahl einer Folie mit geeigneter Stärke ist es außerdem möglich, eventuelle Höhenunterschiede zwischen den verschiedenen Halbleiterchips durch mechanisches Verformen der Kühlfolie während der Montage, beispielsweise durch Verwendung eines elastisch verformbaren Anpressstempels, auszugleichen.
  • Zur Herstellung eines BGA-Gehäuses mit einer Kühlfolie gemäß der vorliegenden Erfindung wird wie folgt vorgegangen. In einem ersten Schritt wird der Halbleiterchip entweder in Flipchip-Technologie oder auf herkömmliche Weise mit dem Substrat verbunden. Wird der Halbleiterchip in Flipchip-Technologie auf das Substrat aufgebracht, so wird in einem nächsten Schritt die Kunststoffpressmasse vorzugsweise so auf das Substrat aufgebracht, dass die vom Substrat weg weisende Seite des Halbleiterchips frei von der Pressmasse bleibt. Falls der Halbleiterchip über Drahtkontaktierungen mit dem Substrat verbunden ist, werden auch die Drahtkontaktierungen von der Kunststoffpressmasse eingeschlossen. Anschließend wird die Kühlfolie aufgebracht. Dies kann direkt oder unter Verwendung von Klebstoffen geschehen. Es wird eine dünne Kühlfolie verwendet und diese durch Verwendung eines elastisch verformbaren Press- oder Rollenwerkzeuges aufgebracht, da auf diese Weise ein hoher Durchsatz erzielt werden kann und aufgrund der Verformbarkeit des Werkzeuges eine genaue Ausrichtung desselben unnötig ist. Die Kühlfolie kann so ausgestaltet werden, dass entweder die gesamte, von dem Substrat weg weisende Seite des Halbleiterchips oder nur Teilbereiche davon mit der Kühlfolie in direktem Kontakt stehen. Des weiteren ist es möglich, dass die Kühlfolie auch zumindest Teilbereiche des Substrates bedeckt. Die Ausformungen von Kühlfolie und Kunststoffpressmasse können dabei so aufeinander abgestimmt werden, dass eine optimale Wärmeableitung aus dem BGA-Gehäuse bei optimalem mechanischem Schutz des Halbleiterchips erreicht werden kann.
  • Ein Halbleiterbauteil mit einem BGA-Gehäuse gemäß der vorliegenden Erfindung findet insbesondere in elektronischen Schaltungen Anwendung, bei welchen während des Betriebs erhöhte Temperaturen im BGA-Gehäuse zu erwarten sind.
  • Das erfindungsgemäße BGA-Gehäuse wird im folgenden anhand verschiedener Ausführungsbeispiele entsprechend der Zeichnung beschrieben.
  • 1 zeigt den schematischen Aufbau eines BGA-Gehäuses mit einem Flipchip gemäß der vorliegenden Erfindung,
  • 2 zeigt den schematischen Aufbau eines BGA-Gehäuses mit einem konventionell kontaktierten Halbleiterchip gemäß der vorliegenden Erfindung,
  • 3 zeigt den schematischen Aufbau eines BGA-Gehäuses mit zwei Halbleiterchips in Stapelbauweise und
  • 4 zeigt den schematischen Aufbau einer Kühlfolie gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • 1 zeigt den schematischen Aufbau eines BGA-Gehäuses mit einem Flipchip gemäß der vorliegenden Erfindung. Ein Substrat 1 weist an einer Unterseite 2 Lötkugelanschlüsse 3 auf. Auf der anderen Seite ist auf dem Substrat 1 ein Halbleiterchip 4 aufgebracht. In der in 1 dargestellten Ausführungsform ist der Halbleiterchip 4 in Flipchip-Technologie mit dem Substrat 1 verbunden. Dargestellt sind Flipchip-Kontaktierungen 8 und Füllmaterial bzw. Underfill 9. Eine Kühlfolie 6 ist in der dargestellten Ausführungsform so mit dem BGA-Bauteil verbunden, dass sowohl die von dem Substrat 1 weg weisende Seite des Halbleiterchips 4 als auch Teilbereiche auf dem Substrat 1 vollständig mit der Kühlfolie 6 bedeckt sind. Die Kühlfolie 6 weist in der hier dargestellten Ausführungsform außerdem Öffnungen 18 auf, die gleichmäßig auf der gesamten Kühlfolie 6 verteilt sind, um das Auftreten des Popkorn-Effekts zu verhindern. Das in 1 gezeigte Ausführungsbeispiel weist keine Umhüllung mit einer Pressmasse auf. Zur Herstellung der Strahlungscharakteristik eines schwarzen Körpers kann die freiliegende Kühlfolie 6 geschwärzt werden, was insbesondere bei der Verwendung von Silber oder Silberlegierungen durch eine Oberflächensulfidbildung erfolgen kann.
  • 2 zeigt den schematischen Aufbau eines BGA-Gehäuses mit einem konventionell kontaktierten Halbleiterchip gemäß der vorliegenden Erfindung. Auf einem Substrat 1, welches wiederum Lötkugelanschlüsse 3 auf seiner Rückseite 2 aufweist, ist gemäß 2 ein Halbleiterchip 4 auf herkömmliche Weise aufgebracht und kontaktiert. Über eine Kontaktierungsschicht 10 ist der Halbleiterchip 4 auf dem Substrat 1 aufgebracht. Zur elektrischen Kontaktierungen sind Drahtkontaktierungen 11 vom Halbleiterchip 4 zu entsprechenden Anschlussflächen 12 auf dem Substrat 1 geführt. In der in 2 gezeigten Ausführungsform bedeckt die Pressmasse 7 neben großen Bereichen des Substrats 1 auch die Drahtkontaktierungen 11 sowie in der Nähe der Drahtkontaktierungen 11 angeordnete Bereiche auf der Oberseite 13 des Halbleiterchips 4. Die Pressmasse 7 und der freiliegende Bereich der Seite 13 des Halbleiterchips 4 sind von einer Kühlfolie 6 bedeckt, die in der in 2 gezeigten Ausführungsform keine Öffnungen aufweist.
  • 3 zeigt den schematischen Aufbau eines BGA-Gehäuses mit zwei Halbleiterchips in Stapelbauweise. Auf einem Substrat 1 ist ein erster Halbleiterchip 4 auf herkömmliche Weise befestigt und kontaktiert. Auf dem ersten Halbleiterchip 4 ist ein zweiter Halbleiterchip 14 mittels Flipchip-Technologie aufgebracht. Die Pressmasse 7 umgibt sowohl den ersten Halbleiterchip 4 mit seinen Drahtkontaktierungen 11 als auch den zweiten Halbleiterchip 14, wobei jedoch die Oberseite des Halbleiterchips 14 freigelassen wird. Auf die freigelassene Oberseite des Halbleiterchips 14 und auf die Oberseite der Pressmasse 7 ist in der in 3 gezeigten Ausführungsform eine Kühlfolie 6 aufgebracht, welche Öffnungen 18 aufweist.
  • Die Kühlfolie 6 aus den in den 1 bis 3 dargestellten Ausführungsformen dienen der verbesserten Wärmeableitung aus dem darunter liegenden Halbleiterchip 4 bzw. 14. Wie in den 1 bis 3 dargestellt, dient die Kühlfolie 6 außerdem dem mechanischen Schutz der nicht von der Pressmasse 7 bedeckten Seite des Halbleiterchips 4 bzw. 14.
  • 4 zeigt den schematischen Aufbau einer Kühlfolie gemäß der vorliegenden Erfindung, wie in 1 und 3 dargestellt. Die Kühlfolie 6 weist in regelmäßigen Abständen ange ordnete Öffnungen 18 auf, die einen Zugriff auf den darunter liegenden Halbleiterchip 4 bzw. 14 über entsprechend angeordnete Kontakt Anschlussflächen (nicht dargestellt) ermöglichen. Die Anordnung der Öffnungen 18 kann in der Nähe des Halbleiterchips sein, was den Vorteil hat, dass dieselbe Kühlfolie für verschiedene Halbleiterchips verwendet werden kann, oder die Anordnung der Öffnungen 18 wird genau auf den darunter liegenden Halbleiterchip abgestimmt.
  • Zur Herstellung eines BGA-Halbleiterbauteils gemäß der vorliegenden Erfindung entsprechend den in den 1 und 2 dargestellten Ausführungsformen wird wie folgt vorgegangen. Auf ein Substrat 1 wird entweder in Flipchip-Technologie oder auf konventionelle Weise ein Halbleiterchip 4 aufgebracht und kontaktiert. Anschließend kann dieser mit einer Pressmasse 7 umgeben werden, was aus der 2 zu sehen ist. Die Drahtkontaktierungen 11 werden ebenfalls in die Pressmasse 7 zusammen mit benachbarten Bereichen auf der Oberseite 13 des Halbleiterchips 4 eingebettet. Danach wird auf den nicht von der Pressmasse bedeckten Bereich des Halbleiterchips 4 und auf zumindest Teilbereiche der Pressmasse 7 und auf zumindest Teilbereiche des Substrats 1 eine Kühlfolie 6, beispielsweise unter Verwendung eines thermisch leitfähigen Klebstoffes, aufgebracht.
  • Zur Herstellung eines BGA-Halbleiterbauteils gemäß der in 3 gezeigten Ausführungsform werden zuerst die beiden Halbleiterchips 4 und 14 in Stapelbauweise auf dem Substrat 1 angeordnet, anschließend in die Pressmasse 7 eingebettet. Danach wird, wie oben beschrieben, die Kühlfolie 6 aufgebracht.
    • 1
    Substrat
    2
    Unterseite
    3
    Lötkugelanschluss
    4
    Halbleiterchip
    5
    Rückseite
    6
    Kühlfolie
    7
    Pressmasse
    8
    Flipchip-Kontaktierung
    9
    Füllmaterial
    10
    Kontaktierungsschicht
    11
    Drahtkontaktierungen
    12
    Anschlussfläche
    13
    Oberseite
    14
    zweiter Halbleiterchip
    15
    Substrat mit Kupferschichten
    16
    horizontal verlaufende Kupferschicht
    17
    vertikal verlaufende Kupferschicht
    18
    Öffnungen
    19
    Kühlblech
    20
    Thermoleitpaste

Claims (9)

  1. Verfahren zur Herstellung eines BGA-Bauteils mit einer Kühlfolie (6), welches die folgenden Schritte aufweist: – Befestigen eines Halbleiterchips (4) auf einem Substrat (1, 15); – Kontaktieren des Halbleiterchips (4) mit dem Substrat (1, 15) und – Aufbringen einer dünnen metallischen Kühlfolie (6) mittels eines elastisch verformbaren Press- oder Rollenwerkzeugs, wobei die dünne metallische Kühlfolie (6) zumindest Teilbereiche der Seite des Halbleiterchips (4), die vom Substrat (1, 15) weg weist, und zumindest Teilbereiche des Substrats (1, 15) bedeckt.
  2. Verfahren zur Herstellung eines BGA-Bauteils mit einer Kühlfolie (6) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Aufbringen der dünnen metallischen Kühlfolie (6) der Halbleiterchip (4) mittels Flipchip-Kontakten oder Bonddrähten mit dem Substrat (1, 15) elektrisch verbunden wird, und wobei zumindest die Flipchip-Kontakte oder die Bonddrähte mit einer Pressmasse (7) bedeckt werden und die vom Substrat (1, 15) weg weisende Seite des Halbleiterchips (4) frei von der Pressmasse (7) bleibt.
  3. Verfahren zur Herstellung eines BGA-Bauteils mit einer Kühlfolie (6) nach Anspruch 1 oder Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein weiterer Halbleiterchip (4) auf das Substrat (1, 15) aufgebracht wird.
  4. Verfahren zur Herstellung eines BGA-Bauteils mit einer Kühlfolie (6) nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterchips (4) nebeneinander angeordnet werden.
  5. Verfahren zur Herstellung eines BGA-Bauteils mit einer Kühlfolie (6) nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass die dünne metallische Kühlfolie (6) auf die vom Substrat (1, 15) weg weisende Seite des Halbleiterchips (4) so aufgebracht wird, dass zumindest Teilbereiche der Kühlfolie (6) mit den Halbleiterchips (4) in direkter Verbindung stehen.
  6. Verfahren zur Herstellung eines BGA-Bauteils mit einer Kühlfolie (6) nach Anspruch 4 oder Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass durch das mechanische Verformen der dünnen metallischen Kühlfolie (6) während der Montage Höhenunterschiede zwischen den Halbleiterchips (4) ausgeglichen werden.
  7. Verfahren zur Herstellung eines BGA-Bauteils mit einer Kühlfolie (6) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass die dünne metallische Kühlfolie (6) Öffnungen (18) aufweist.
  8. Verfahren zur Herstellung eines BGA-Bauteils mit einer Kühlfolie (6) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass die dünne metallische Kühlfolie (6) Aluminium, Kupfer, Silber oder weiche Legierungen aufweist.
  9. Verfahren zur Herstellung eines BGA-Bauteils mit einer Kühlfolie (6) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass die dünne metallische Kühlfolie (6) eine Stärke von mindestens 40 μm aufweist.
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