DE102004044882B3 - Semiconductor module having stacked semiconductor devices and electrical interconnects between the stacked semiconductor devices - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Halbleitermodul (3) mit gestapelten Halbleiterbauteilen (7, 8) und elektrischen Verbindungselementen (31) zwischen den gestapelten Halbleiterbauteilen (7, 8), wobei die gestapelten Halbleiterbauteile (7, 8) auf ihren Unterseiten (41) Verdrahtungsstrukturen (25) aufweisen. Auf mindestens einer ihrer Gehäuseaußenrandseiten (26, 27) sind Außenrandanschlüsse (28) angeordnet. Diese Außenrandanschlüsse (28) sind über Verdrahtungsstrukturen (25) mit Innenanschlüssen (29) der Halbleiterbauteile (7, 8) verbunden, wobei das Halbleitermodul (3) auf mindestens einer Außenseite (30) ein vertikal zu den Verdrahtungsstrukturen (25) ausgerichtetes Gitter der elektrischen Verbindungselemente (31) aufweist, die mit den Außenrandanschlüssen (28) stoffschlüssig und elektrisch verbunden sind.The invention relates to a semiconductor module (3) with stacked semiconductor components (7, 8) and electrical connection elements (31) between the stacked semiconductor components (7, 8), the stacked semiconductor components (7, 8) having wiring structures (25 ) exhibit. On at least one of its housing outer edge sides (26, 27) outer edge terminals (28) are arranged. These outer edge terminals (28) are connected via wiring structures (25) to inner terminals (29) of the semiconductor devices (7, 8), wherein the semiconductor module (3) on at least one outer side (30) of a grid of the electrical aligned vertically to the wiring structures (25) Connecting elements (31) which are cohesively and electrically connected to the outer edge terminals (28).
Description
Halbleitermodul mit gestapelten Halbleiterbauteilen und elektrischen Verbindungselementen zwischen den gestapelten HalbleiterbauteilenSemiconductor module with stacked semiconductor devices and electrical connectors between the stacked semiconductor devices
Die Erfindung betrifft ein Halbleitermodul mit gestapelten Halbleiterbauteilen und elektrischen Verbindungselementen zwischen den gestapelten Halbleiterbauteilen. Die aufeinander zu stapelnden Halbleiterbauteile weisen auf ihren Unterseiten Verdrahtungsstrukturen auf, die miteinander zu verbinden sind. Derartige substratbasierte Gehäuse werden auch BGA-Gehäuse (ball grid array – Gehäuse) genannt und haben aufgrund ihrer guten elektrischen Eigenschaften, verbunden mit geringem Formfaktor und vergleichsweise günstigen Herstellungskosten inzwischen eine weite Anwendung gefunden. Zunehmend werden BGA-Gehäuse auch für Speicherhalbleiterbauteile eingesetzt. Teilweise gibt es moderne Speicherarchitekturen, wie die DDR2-Halbleiterbauteile (Double Data Rate 2 -Halbleiterbauteile), die nur noch mit BGA-Gehäusen realisiert werden können, weil diese die notwendigen elektrischen Voraussetzungen erfüllen, um eine Verdopplung der Datenrate von 200 bis 400 Megabit pro Sekunde zu erreichen.The The invention relates to a semiconductor module with stacked semiconductor devices and electrical connection elements between the stacked semiconductor devices. The stacked semiconductor devices point to their Bottom side wiring structures to be connected to each other. Such substrate-based housing BGA packages (ball grid array - housing) called and have connected because of their good electrical properties with a low form factor and comparatively low production costs meanwhile found a wide application. Increasingly, BGA packages are also for memory semiconductor components used. Partially there are modern storage architectures, such as the DDR2 semiconductor devices (Double Data Rate 2 semiconductor devices), the only with BGA packages can be realized because these meet the necessary electrical requirements to a doubling of the data rate from 200 to 400 megabits per second to reach.
Zum Erreichen einer hohen Stapeldichte wird das Stapeln von Halbleiterbauteilen zu Halbleitermodulen immer interessanter, wobei sich zwei Trends herausgebildet haben, zum einen ein Stapeln von mehreren internen Halbleiterchips innerhalb eines Gehäuses, was auch "stacked die FBGA" (Fine Pitch Ball Grid Array) genannt wird, und andererseits. ein Stapeln von zwei oder mehr Einzelgehäusen aufeinander. Diese Lösungen haben unterschiedliche Nachteile, wobei der interne Halbleiterchipstapel Testprobleme aufwirft, da die einzelnen Halbleiter chips nach ihrer Endmontage nicht mehr testbar sind, und beim Stapeln von Einzelgehäusen entstehen hohe Kosten aufgrund der unterschiedlichen Maßnahmen, die zum Verbinden der fertigen Halbleiterbauteile untereinander getroffen werden müssen.To the Achieving a high stack density will cause the stacking of semiconductor devices becoming more interesting to semiconductor modules, with two trends have emerged, on the one hand a stack of several internal Semiconductor chips within a housing, which also "stacked the FBGA" (Fine Pitch Ball Grid Array), and on the other hand. a stack of two or more individual housings each other. These solutions have different disadvantages, the internal semiconductor chip stack testing problems because the individual semiconductor chips after their final assembly are no longer testable, and stacking of individual housings produces high Costs due to the different measures needed to connect the finished semiconductor components must be taken with each other.
Die bisher bekannten Lösungsansätze für das Stapeln von zwei oder mehr Einzelgehäusen haben die nachfolgenden Nachteile. In einer ersten Lösung werden dünne Einzelsubstrate mit speziellen peripheren Anordnungen von Kugelkontakten übereinander gestapelt. Dazu sind teuere Materialien erforderlich und spezielle Handhabungen in der Fertigung notwendig. Auch der Test der Einzelelemente ist mechanisch anspruchsvoll, da keine Standardlotballkontakte mit ständiger Flächenzunahme möglich sind.The previously known solutions for stacking of two or more individual housings have the following disadvantages. In a first solution will be thin single substrates with special peripheral arrangements of ball contacts one above the other stacked. This requires expensive materials and special ones Handling in the production necessary. Also the test of the individual elements is mechanically demanding, since no standard ball contacts with permanent increase in area possible are.
Ein weiterer Lösungsansatz sieht eine Umverdrahtungsfolie vor, die von zusätzlichen Lotkugeln zum oberen gestapelten Halbleiterbauteil führt, wofür jedoch ein teueres unteres Basishalbleiterbauteil hergestellt werden muss. Durch einen bei diesem Aufbau vorgesehenen dreifachen "Reflow" ergeben sich zusätzliche Fertigungsprobleme. Eine weitere Problemlösung sieht vor, dass ein oberes Halbleiterbauteil eine separate kleine Leiterplatte trägt, die über Lotkontakte mit der Hauptleiterplatte des Halbleitermoduls verbunden ist. Dabei ergeben sich Schwierigkeiten in der Oberflächenmontage der Lotkontakte. Außerdem ergibt sich eine große Bauhöhe und eine zusätzliche Flächenzunahme, die den Raumbedarf des Halbleitermoduls aus gestapelten Halbleiterbauteilen vergrößert.One further solution provides a redistribution foil that goes from extra solder balls to the top one stacked semiconductor device leads, for what, however an expensive lower base semiconductor component has to be manufactured. A triple "reflow" provided in this structure results in additional Manufacturing problems. Another problem solution provides that an upper Semiconductor device carries a separate small circuit board, which has solder contacts is connected to the main circuit board of the semiconductor module. there Difficulties arise in the surface mounting of the solder contacts. It also gives a big one height and an additional one Increase in area, the space requirements of the semiconductor module stacked semiconductor components increased.
Aus
der
Aus
der
Eine
weitere Lösung
des Stapelproblems ist aus der Druckschrift
Ein Halbleitermodul mit derartig gestapelten Halbleiterbauteilen hat den Nachteil, dass die Halbleiterbauteile nicht mit geringstmöglichem Raumbedarf gestapelt werden können, zumal auch die abgebogene Umverdrahtungsfolie einen Biegeradius erfordert, der nicht unterschritten werden kann, ohne Mikrorisse in den auf der Umverdrahtungsfolie angeordneten Umverdrahtungsleitungen zu riskieren.One Semiconductor module with such stacked semiconductor devices has the disadvantage that the semiconductor devices are not with the lowest possible Space requirements can be stacked, especially the bent rewiring foil has a bending radius requires, which can not be exceeded, without microcracks in the rewiring lines arranged on the rewiring foil to risk.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Halbleitermodul mit Halbleiterbauteilen bzw. im Herstellungsverfahren für dieses anzugeben, mit dem ein Stapeln nicht auf wenige vorgegebene Muster von Halbleiterbauteilen eingeschränkt ist, sondern bei dem die Anordnung und Zuordnung von verbindenden Außenkontakten beliebig variiert werden kann und dabei den Raumbedarf und den Flächenbedarf eines Halbleitermoduls zu minimieren, insbesondere den Raumbedarf eines Speichermoduls aus DRAM-Halbleiterbauteilen und/oder Mikroprozessoren zu verkleinern.The object of the invention is a semiconductor specify module with semiconductor devices or in the manufacturing process for this, with a stacking is not limited to a few predetermined patterns of semiconductor devices, but in which the arrangement and assignment of connecting external contacts can be varied as desired while minimizing the space requirement and the space requirement of a semiconductor module in particular to reduce the space requirement of a memory module made of DRAM semiconductor components and / or microprocessors.
Gelöst wird die Aufgabe mit dem Gegenstand der unabhängigen Ansprüche 1 und 2. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.Is solved the object with the subject of independent claims 1 and 2. Advantageous developments of the invention will become apparent from the dependent Claims.
Erfindungsgemäß wird ein Halbleitermodul mit Halbleiterbauteilen geschaffen, wobei die Halbleiterbauteile aufeinander gestapelt sind. Die Unterseiten der Halbleiterbauteile weisen Umverdrahtungsstrukturen auf und besitzen auf mindestens einer Gehäuseaußenrandseite Außenrandanschlüsse. Diese Außenrandanschlüsse sind über die Umverdrahtungsstrukturen mit Innenanschlüssen der Halbleiterbauteile elektrisch verbunden. Auf mindestens einer Außenseite weist das Halbleitermodul ein vertikal zu den Verdrahtungsstrukturen der Halbleiterbauteile ausgerichtetes Gitter elektrischer Verbindungselemente auf. Diese elektrischen Verbindungselemente sind mit den Außenrandanschlüssen stoffschlüssig und elektrisch verbunden.According to the invention is a Semiconductor module provided with semiconductor devices, wherein the semiconductor devices stacked on top of each other. The bottoms of the semiconductor devices have rewiring structures and have at least a housing outside edge side Outer edge connectors. These outer edge connections are over the Redistribution structures with internal connections of the semiconductor components electrically connected. On at least one outer side, the semiconductor module a vertically aligned with the wiring structures of the semiconductor devices Grid of electrical connectors on. This electrical Connecting elements are firmly bonded to the outer edge connections and electrically connected.
Dieses Halbleitermodul hat den Vorteil, dass die dreidimensionale Verdrahtung durch die horizontal angeordneten Verdrahtungsstrukturen jedes Halbleiterbauteils und durch zusätzliche Außenrandanschlüsse, die beim Stapeln der Hauptleiterbauteile aufeinander ausgerichtet sind, kein zusätzlicher Flächenbedarf für das Verbinden dieser Randanschlüsse in vertikaler Richtung erforderlich wird. Außerdem reichen dünne Verbindungsdrähte oder Verbindungsstege als Verbindungselemente, um geradlinig die Außenrandanschlüsse der Halbleiterbauteile untereinander zu verbinden. Da diese Verbindungselemente auf der Außenseite des Halbleitermoduls angeordnet sind, kann bei Fehlfunktionen das Halbleitermodul zerlegt werden und defekte Halbleiterbauteile können entsprechend ausgewechselt werden.This Semiconductor module has the advantage that the three-dimensional wiring by the horizontally arranged wiring structures of each semiconductor device and by additional Outside edge connections, the when stacking the main conductor components are aligned with each other, no additional space requirements for the Connecting these edge connections in the vertical direction is required. In addition, thin connecting wires or Connecting webs as connecting elements, to rectilinear the outer edge terminals of the Semiconductor components to interconnect. Because these fasteners on the outside the semiconductor module can be located in case of malfunction Semiconductor module are decomposed and defective semiconductor devices can accordingly be replaced.
Auch das Einzeltesten der Halbleiterbauteile vor einem Zusammenbau des Halbleitermoduls ist uneingeschränkt möglich. Sämtliche Wärmezyklentests wie auch Vibrationstests bei den unterschiedlichsten Belastungen sind beim Zusammenbau von Halbleitermodulen in jedem der Einzelhalbleiterbauteile, die gestapelt werden sollen, möglich.Also the individual testing of the semiconductor components before assembly of the Semiconductor module is unrestricted possible. All Heat cycle tests as well as vibration tests with the most different loads are in the assembly of semiconductor modules in each of the single semiconductor devices, to be stacked, possible.
Das Anbringen vertikaler Verbindungselemente an den vorgesehenen Außenrandanschlüssen ist unproblematisch und kann mit geringem Fertigungsaufwand realisiert werden. Auch ein Verlegen von Innenanschlüssen der Halbleiterbauteile auf die Randseiten der Halbleiterbauteile, ist, sofern sie nicht sowieso schon bei den Halbleiterbauteilen vorhanden sind, keine kostenintensive Aktion. Somit kann auf einfachste Weise kostengünstig ein Halbleitermodul mit beliebiger Speicherkapazität durch Stapeln von DRAMs hergestellt ist. Es ist aber auch genauso möglich, Speicherelemente mit Logikbauteilen zu verkoppeln, indem zusätzliche integrierte Logikschaltungen, wie beispielsweise Mikroprozessoren, in dem Halbleitermoduls als stapelbares Halbleiterbauteil eingebaut werden.The Attaching vertical fasteners to the provided outer edge terminals is unproblematic and can be realized with low production costs become. Also a laying of internal connections of the semiconductor components on the edge sides of the semiconductor devices, unless they are anyway already exist in the semiconductor devices, no costly Action. Thus, a semiconductor module can be cost-effective in the simplest way any storage capacity is made by stacking DRAMs. But it is just as possible, memory elements to couple with logic devices by adding additional logic integrated circuits, such as microprocessors, in the semiconductor module as Stackable semiconductor device can be installed.
In einer ersten Ausführungsform der Erfindung sind die elektrischen Verbindungselemente aufgetrennte Durchkontakte an einem Außenrand eines Verdrahtungssubstrats eines der gestapelten Halbleiterbauteile. Da grundsätzlich jedes Halbleiterbauteil in BGA-Technik BGA = Ball Grid Array oder FBGA-Technik FBGA = Fine-Pitch BGA ein derartiges Verdrahtungssubstrat auf seiner Unterseite aufweist, ist es möglich, mit dem engsten zur Verfügung stehenden und realisierbaren Anschlussraster auf dem Umfang des Verdrahtungssubstrats, das aus einem Nutzen herausgesägt wird, eine maximale Anzahl an Durchkontakten auf den Trennspuren des Nutzens vorzusehen. Beim Zerteilen des Nutzens in einzelne Verdrahtungssubstrate für die Halbleiterbauteile, entsteht dann eine Vielzahl von Außenrandanschlüssen in Form von halbierten Durchkontakten. Diese Außenrandanschlüsse in Form von aufgetrennten Durchkontakten können mit Innenanschlüssen verbunden sein, die gleichzeitig einen internen Stapel von Halbleiterchips mit den Außenrandanschlüssen verbinden.In a first embodiment the invention, the electrical connection elements are separated Through contacts on an outer edge a wiring substrate of one of the stacked semiconductor devices. As a matter of principle each semiconductor device in BGA technology BGA = ball grid array or FBGA technology FBGA = fine-pitch BGA such a wiring substrate Having on its underside, it is possible with the closest to disposal standing and realizable connection grid on the circumference of the Wiring substrate that is sawn out of a benefit to provide a maximum number of vias on the traces of the benefit. When dividing the utility into individual wiring substrates for the semiconductor devices, then arises a variety of outer edge connections in Shape of halved vias. These outer edge connections in the form of separated through contacts can be connected to internal connections at the same time an internal stack of semiconductor chips connect to the outer edge connections.
Somit lässt sich bereits mit dieser ersten Ausführungsform der Erfindung eine maximale Erhöhung der Speicherkapazität bereitstellen, dabei kann beispielsweise ein erster Halbleiterchip mit seiner Rückseite auf dem Verdrahtungssubstrat fixiert sein und mit seiner aktiven Oberseite können über Bondverbindungen zu einer Verdrahtungsstruktur des Verdrahtungssubstrats die Außenrandanschlüsse erreicht werden. Da Logikhalbleiterchips ihre Kontaktflächen im Randbereich aufweisen, kann der Mittenbereich des Logikchips verwendet werden, um eine isolierende Abstandshalteplatte aufzukleben, und um auf dieser Abstandshalteplatte einen Speicherchip mit zentralem Bondkanal unterzubringen. Die Oberseite des gestapelten Halbleiterchips mit zentralem Bondkanal kann ihrerseits eine Umverdrahtungsstruktur aufweisen, um wiederum die elektrischen Anschlüsse von den Elektroden im zentralen Bondkanal zu Innenschlüssen im Randbereich des gestapelten Halbleiterchips zu führen. Von diesen Innenanschlüssen im Randbereich des gestapelten Halbleiterchips können dann wieder Bonddrähte zu entsprechenden Kontaktanschlussflächen auf dem Verdrahtungssubstrat führen, das seinerseits eine Verdrahtungsstruktur aufweist, die mit den Außenrandanschlüssen des Halbleitermoduls in Verbindung steht.Thus, even with this first embodiment of the invention, a maximum increase of the storage capacity can be provided, for example, a first semiconductor chip can be fixed with its rear side on the wiring substrate and with its active upper side, the outer edge connections can be achieved via bonding connections to a wiring structure of the wiring substrate. Since logic semiconductor chips have their contact areas in the edge region, the center region of the logic chip can be used to adhere an insulating spacer plate and to accommodate a memory chip with a central bonding channel on this spacer plate. The upper side of the stacked semiconductor chip with a central bonding channel may in turn have a rewiring structure, in order in turn to lead the electrical connections from the electrodes in the central bonding channel to internal connections in the edge region of the stacked semiconductor chip. Of these internal connections in the edge region of the stacked semiconductor chip then again bond wires to ent lead speaking contact pads on the wiring substrate, which in turn has a wiring structure, which is in communication with the outer edge terminals of the semiconductor module.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Gehäuseaußenrand der gestapelten Halbleiterbauteile vertikal zu den Verdrahtungsstrukturen eingeformte Rillen auf. Diese eingeformten Rillen weisen die Außenrillen der einzelnen Halbleiterbauteile auf, sodass durch Anordnen von Leitungsstegen in den geformten Rillen eine vertikale Verbindung zwischen den Halbleiterbauteilen auf engstem Raum hergestellt werden kann. Die Anzahl der gestapelten Halbleiterbauteile ist dabei beliebig, vorzugsweise werden jedoch zwei Halbleiterbauteile mit internen Chipstapeln mit dieser Technik über Außenrandanschlüsse und entsprechende Leitungsstege verbunden.at a further preferred embodiment The invention has the housing outer edge the stacked semiconductor devices vertical to the wiring structures molded grooves on. These molded grooves have the outer grooves of the individual semiconductor devices, so that by arranging Wire bars in the molded grooves a vertical connection between the semiconductor devices can be made in a confined space. The number of stacked semiconductor devices is arbitrary, Preferably, however, two semiconductor devices with internal Chip stacks using this technique Outside edge connections and corresponding wire webs connected.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden mehrere Verbindungselemente mithilfe eines Flachleiterrahmens in Position gehalten, wobei der Flachleiterrahmen ein Gitter aus Leitungsstegen zwischen Querstegen aufweist. Bei diesem Halbleitermodul sind zunächst über die Querstege sämtliche Verbindungselemente in Form von Leitungsstegen kurzgeschlossen, was für den Transport und für die Weitergabe der Module von Vorteil sein kann. Erst kurz vor dem Einsatz der Halbleitermodule werden die Querstege entfernt, sodass nun die Leitungsstege die einzelnen gestapelten Halbleiterbauteile vertikal miteinander verbinden.In a further embodiment the invention, several fasteners using a Flat conductor frame held in position, wherein the leadframe has a grid of wire webs between transverse webs. at This semiconductor module are first on the Crossbars all fasteners shorted in the form of wire bridges, allowing for transportation and for the transfer of the modules can be beneficial. Just before the Using the semiconductor modules, the crossbars are removed so that now the wire ridges the individual stacked semiconductor devices connect vertically with each other.
Wie bereits erwähnt, weisen vorzugsweise die gestapelten Halbleiterbauteile auch interne Halbleiterchipstapel auf, die über eine gemeinsame Verdrahtungsstruktur des gestapelten Halbleiterbauteils und über die Außenrandanschlüsse des gestapelten Halbleiterbauteils mit den Verbindungselementen des Halbleitermoduls elektrisch in Verbindung stehen. Mit diesem Aufbau kann die Speicherkapazität gestapelter Halbleiterbauteile vorteilhaft weiter erhöht werden.As already mentioned, Preferably, the stacked semiconductor devices also have internal Semiconductor chip stacks that over a common wiring structure of the stacked semiconductor device and on the Outside edge connections of the Stacked semiconductor device with the connecting elements of Semiconductor module communicate electrically. With this structure can the storage capacity stacked Semiconductor devices advantageously further increased.
Vorzugsweise weist der interne Chipstapel Halbleiterchips auf, die auf ihrer aktiven Oberseite in einem zentralen Bereich Kontaktflächen aufweisen. Diese Kontaktflächen im zent ralen Bereich können zweireihig angeordnet sein und sind über Leiterbahnen mit Innenanschlussflächen auf Randbereichen der Halbleiterchips elektrisch verbunden. Im Gegensatz zu Speicherbauteilen mit zentralem Bondkanal in einer Verdrahtungsfolie oder in einem Verdrahtungssubstrat weisen diese Halbleiterchips weder eine Verdrahtungsfolie noch ein Verdrahtungssubstrat auf, sondern Leiterbahnen, die von einer strukturierten Metallbeschichtung auf der aktiven Oberseite der Halbleiterchips gebildet werden. Auf die im Zentrum angeordneten Kontaktflächen kann somit über die im Randbereich angeordneten Innenanschlussflächen und die Leiterbahnen der Metallbeschichtung vom Rand der Halbleiterchips aus zugegriffen werden. Die Innenanschlussflächen können für den Chipstapel als Bondflächen genutzt werden.Preferably has the internal chip stack semiconductor chips on their have active surfaces in a central area contact surfaces. These contact surfaces in cental range can be double row be arranged and are about Conductor tracks with inner connection surfaces on edge areas of the Semiconductor chips electrically connected. Unlike memory components with central bonding channel in a wiring foil or in one Wiring substrate, these semiconductor chips have neither a wiring foil still a wiring substrate, but tracks, by a structured metal coating on the active top of the Semiconductor chips are formed. On the arranged in the center contact surfaces can thus over the arranged in the edge region inner pads and the tracks of the Metal coating accessed from the edge of the semiconductor chips become. The inner connection surfaces can for the chip stack as bonding surfaces be used.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist das Halbleitermodul auf seiner Unterseite Außenkontakte auf. Diese sind über ein Verdrahtungssubstrat und über Außenrandanschlüsse des Verdrahtungssubstrats mit den vertikal zu dem Verdrahtungssubstrat angeordneten Leitungsstegen des Halbleitermoduls elektrisch verbunden. Somit ist es möglich, das Halbleitermodul auf einer übergeordneten Schaltungsplatine mit einer Vielzahl von auf der Unterseite befindlichen Außenkontakten zu verbinden und gleichzeitig durch die vertikal ausgerichteten Leitungsstege die Schaltungskapazität der gestapelten Halbleiterbauteile an den auf der Unterseite angeordneten Außenkontakten zur Verfügung zu stellen.In a further embodiment According to the invention, the semiconductor module has external contacts on its underside on. These are over a wiring substrate and over Outer edge terminals of the wiring substrate with the wire bars arranged vertically to the wiring substrate electrically connected to the semiconductor module. Thus, it is possible that Semiconductor module on a parent Circuit board with a variety of located on the bottom external contacts connect and at the same time through the vertically aligned wire webs the circuit capacity the stacked semiconductor devices to the arranged on the bottom external contacts to disposal to deliver.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das Halbleitermodul als Außenkontakt auf der Unterseite des Verdrahtungssubstrats gleichmäßig verteilt angeordnete Lotkugeln auf. Mit diesen Lotkugeln ist eine einfache Oberflächenmontage des Halbleitermoduls auf einem übergeordneten Schaltungssubstrat möglich, indem ein kurzzeitiger Lötprozess durchgeführt wird.In a further preferred embodiment The invention features the semiconductor module as external contact on the underside of the wiring substrate uniformly distributed solder balls. With these solder balls is a simple surface mounting of the semiconductor module on a parent circuit substrate possible, by a short-time soldering process carried out becomes.
Die Speicherkapazität der einzelnen gestapelten DRAMs kann vorzugsweise im Gigabereich liegen. Derartige DRAMs haben den Vorteil, dass sie in flachen, großflächigen Kunststoffgehäusen eingebettet sind, sodass entsprechend große Randseiten ein Anbringen einer Vielzahl von Randkontaktanschlüssen und somit das Anbringen einer Vielzahl von vertikal ausgerichteten Leitungsstegen ermöglichen.The storage capacity The individual stacked DRAMs may preferably be in the gigabere range. Such DRAMs have the advantage that they are embedded in flat, large-area plastic housings are so large accordingly Edge sides a mounting of a variety of edge contact terminals and thus attaching a plurality of vertically aligned wire webs enable.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist es vorgesehen, dass das Halbleitermodul ein gestapeltes Halbleiterbauteil mit einem Verdrahtungssubstrat aufweist, das seinerseits als innere Anschlusskontakte Lötkugeln besitzt. Mit diesen Lötkugeln wird jedoch die Bauhöhe des Halbleitermoduls vergrößert, sodass Lösungen ohne Lötkugeln an den Verdrahtungssubstraten der gestapelten Halbleiterbauteile bevorzugt werden.In a further preferred embodiment it is provided that the semiconductor module is a stacked semiconductor device having a wiring substrate, which in turn is internal Connection contacts solder balls has. With these solder balls However, the height is of the semiconductor module increases, so solutions without solder balls on the wiring substrates of the stacked semiconductor devices to be favoured.
Die Verdrahtungsstruktur kann in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform auf einer Verdrahtungsfolie untergebracht sein, zumal, wenn das Halbleitermodul als gestapeltes Bauteil ein Speicherbauteil mit zentralem Bondkanal aufweist. Durch die Verdrahtungsfolie sind äußerst dichtgepackte Halbleitermodule möglich, wenn die Verdrahtungsfolie so ausgelegt ist, dass sie Außenrandanschlüsse zur Verfügung stellt, die über vertikale Leitungsstege kontaktierbar sind.In a further preferred embodiment, the wiring structure may be accommodated on a wiring film, in particular if the semiconductor module has a stacked component memory component with a central bonding channel. The wiring film allows extremely dense-packed semiconductor modules if the wiring film is designed to accept outer edge terminals Provides that are contactable via vertical wire webs.
Ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleitermoduls mit Halbleiterbauteilen, die aufeinander gestapelt sind und auf ihren Unterseiten Verdrahtungsstrukturen aufweisen, ist durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet: Zunächst werden einzelne Halbleiterbauteile mit Außenrandanschlüssen auf mindestens einer ihrer Außenseiten hergestellt. Anschließend werden die Halbleiterbauteile unter Ausrichten der Außenrandanschlüsse in vertikaler Richtung übereinander gestapelt. Schließlich werden die übereinander angeordneten Außenrandanschlüsse durch Aufbringen von Verbindungselementen auf die Außenrandanschlüsse elektrisch miteinander verbunden.One Method for producing a semiconductor module with semiconductor components, which are stacked on top of each other and on their undersides wiring structures have, is characterized by the following process steps: First, individual Semiconductor devices with outer edge connections on at least one of its outer sides produced. Subsequently The semiconductor devices are aligned by aligning the outer edge terminals in the vertical direction stacked. After all become the one above the other arranged outer edge connections Applying connecting elements to the outer edge terminals electrically connected with each other.
Bei diesen Verbindungsschritten kann das untere Halbleiterbauteil bereits auf der Unterseite verteilte Lotkugeln als Außenkontakte auf Außenkontaktflächen eines Verdrahtungssubstrats aufweisen. Die zusätzlich von den Außenkontaktflächen jedes Halbleiterbauteils zu dem Außenrand zu führenden Leiterbahnen, um Außenrandanschlüsse zu realisieren, können bereits beim Herstellen des Layouts für die Verdrahtungsstruktur des Verdrahtungssubstrats berücksichtigt werden. Außerdem können bereits beim Herstellen des Verdrahtungssubstrats mithilfe eines Nutzens auf den Randseiten Durchkontakte vorgesehen werden, die beim Trennen des Nutzens halbiert werden und somit erste Außenrandanschlüsse bzw. vertikale Verbindungselemente für einen internen Halbleiterchipstapel bilden.at These connection steps, the lower semiconductor device already on the bottom distributed solder balls as external contacts on external contact surfaces of a Have wiring substrate. The addition of the external contact surfaces of each semiconductor device to the outer edge to leading tracks, to realize outer edge connections, can already during the creation of the layout for the wiring structure of the wiring substrate become. Furthermore can already while making the wiring substrate using a Benefit to be provided on the edge sides vias, the halved when separating the benefit and thus first outer edge connections or vertical fasteners for form an internal semiconductor chip stack.
Darüber hinaus können mindestens auf einer Gehäuseaußenrandseite der zu stapelnden Halbleiterbauteile vertikal zu den Verdrahtungsstrukturen und in den Positionen der Außenrandanschlüsse Rillen zur Aufnahme von Leitungsstegen eingeformt werden. Dieses Einformen kann vorzugsweise beim Spritzgussprozess durchgeführt werden, indem in die Spritzgussform Leitungsstege eingelegt werden, sodass beim Ausformen an vorgegebenen Positionen in den Randseiten des Halbleiterbauteils Rillen vorhanden sind, in die dann Leitungsstege des Halbleitermoduls eingebracht werden können.Furthermore can at least on a housing outside edge side the semiconductor devices to be stacked vertically to the wiring structures and in the positions of the outer edge connections grooves be formed for receiving wire webs. This molding can preferably be carried out in the injection molding process, by inserting wire webs into the injection mold so that when forming at predetermined positions in the edge sides of the Semiconductor components grooves are present in the then wire bridges of the semiconductor module can be introduced.
Das Verbinden übereinander angeordneter Außenrandanschlüsse durch Aufbringen von Leitungsstegen auf die Außenrandanschlüsse kann mittels Laserschweißtechnik oder mittels Löten oder mittels Klebetechnik mit einem Leitklebstoff erfolgen. Die stoffschlüssigen Verbindungen haben sich in der Halbleitertechnologie bewährt und bilden eine zuverlässige Verfahrensgrundlage zur Herstellung von Halbleitermodulen.The Connect one above the other arranged outer edge connections through Applying wire bars on the outer edge connections can using laser welding technology or by soldering or by adhesive bonding with a conductive adhesive. The cohesive Compounds have been proven in semiconductor technology and make a reliable Process base for the production of semiconductor modules.
Zusammenfassend ist festzustellen, dass durch Bereitstellen eines einfachen Flachleiterrahmens, der Flachleiter für das Anbringen von Leitungsstegen aufweist, eine kostengünstige Lösung des Stapelproblems bereitgestellt wird. Dazu wird der Flachleiterrahmen nicht horizontal, sondern vertikal zur Verfügung gestellt und verbindet speziell modifizierte Substratanschlüsse in Form von Außenrandanschlüssen übereinander. Dabei wird vorteilhafterweise das Laserschweißen angewendet, zumal dieses Verfahren auch beim Stapeln anderer Halbleiterbauteile bereits Erfolge verzeichnet.In summary It should be noted that by providing a simple lead frame, the flat conductor for has the attachment of wire webs, a cost effective solution of Stack problem is provided. This is the leadframe not horizontally but vertically provided and connects specially modified substrate connections in the form of outer edge connections one above the other. In this case, the laser welding is advantageously used, especially this Processes even when stacking other semiconductor devices already successful recorded.
Die Modifikation des erforderlichen Verdrahtungssubstrats ist relativ gering. Von vorgesehenen Außenkontaktflecken jedes Halbleiterbauteils, auf denen sonst Lotbälle vorgesehen sind, werden zusätzliche Anschlussleitungen zum Randbereich geführt, was bei einer großen Zahl von Halbleiterbauteilen ohne Bondkanal bereits vorgesehen ist. Bei Gehäusen mit Bondkanal können diese Leitungen zu den Randbereichen ohne Schwierigkeiten hinzugefügt werden. An der Gehäusekante münden die zusätzlichen Leiterbahnen der Verdrahtungsstruktur in entsprechende Durchkontaktierungen durch das Verdrahtungssubstrat und können zusätzlich durch eine Vergoldung ihrer Oberflächeneigenschaften verbessert werden.The Modification of the required wiring substrate is relative low. From provided external contact pads each semiconductor device, on which otherwise solder balls are provided, are additional Connecting cables led to the edge area, what with a large number Semiconductor devices without bond channel is already provided. at housings with bond channel can These lines can be added to the edge areas without difficulty. At the housing edge flow the additional Conductor tracks of the wiring structure in corresponding vias through the wiring substrate and can additionally by gilding their surface properties be improved.
Bei dem Singulieren der Einzelgehäuse aus einem vorgesehenen gemeinsamen Substrat, wie einem Nutzen, für mehrere Halbleiterbauteile werden die Kontaktlöcher in dem Randbereich so in der Mitte durchgesägt, dass der Innenradius freigelegt wird. Vorteilhafterweise trennt eine Singulation zwei Gehäuse, sodass die freigelegten halbierten Durchkontakte als Außenrandanschlüsse und als vertikale Verbindungselemente für interne Halbleiterchipstapel dienen können.at Singulating the individual housing from a designated common substrate, such as a benefit, to several Semiconductor devices become the contact holes in the peripheral area so cut through in the middle, that the inner radius is exposed. Advantageously separates a singulation two housings, so that the exposed halved vias as outer edge terminals and serve as vertical connection elements for internal semiconductor chip stacks can.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung befinden sich in einem Spritzgusswerkzeug oder auch "mold tool" entsprechende Leitungsstege an den Positionen oberhalb der Außenrandanschlüsse, sodass diese Stege dafür sorgen, dass sich dort keine Moldmasse absetzt. Durch die beim Ausformen entstehenden rillenförmigen Aussparungen wird die Form der Außenrandanschlüsse für den Anschluss eines entsprechenden vertikal ausgestatteten Flachleiterrahmens verlängert, was für die Befestigung von vertikalen Leitungsstegen von Vorteil ist.In a further embodiment The invention are in an injection molding tool or "mold tool" corresponding cable webs the positions above the outer edge connections, so these bars for it make sure that no molding compound settles there. By the molding resulting groove-shaped Recesses will be the shape of the outer edge connections for the connection a corresponding vertically equipped flat conductor frame extended, what kind of the attachment of vertical conductor bars is an advantage.
Derartig vorbereitete Halbleiterbauteile können nun zum Stapeln von zwei und mehr Substrat basierenden Gehäusen zu einem Halbleitermodul zusammengebaut werden. Entscheidend ist, dass die zu verbindenden Randseitenkontakte an den gleichen Randpositionen übereinander liegen. Die Stapelpartner selbst können zwei oder mehr gleichartige Bauteile mit gleichen Chips bzw. Speicherchips aufweisen oder sie können zwei oder mehr gleichartige Bausteine mit unterschiedlichen Halbleiterchips, zum Beispiel in einem Multichip-Package, oder in einem "stacked die FBGA" aufweisen. Schließlich ist es möglich, dass verschiedenartige Halbleiterbauteile, wie Logikhalbleiterbauteile und Speicherhalbleiterbauteile oder eine beliebige an dere Kombination dieser Halbleiterbauteile, miteinander gestapelt werden.Semiconductor devices prepared in this manner can now be assembled to form a semiconductor module for stacking two and more substrate-based packages. The decisive factor is that the edge side contacts to be connected lie one above the other at the same edge positions. The stack partners themselves may have two or more similar components with the same chips or memory chips or they may be two or more similar devices with different semiconductor chips, for Example in a multi-chip package, or in a "stacked the FBGA" exhibit. Finally, it is possible that various types of semiconductor devices, such as logic semiconductor devices and memory semiconductor devices or any other combination of these semiconductor devices, are stacked together.
Die einzelnen Stapelpartner können selbst wieder mit Lotbällen ausgerüstet sein und so mit einem Standardprozess getestet werden. Andererseits ist es auch möglich, über die Außenkontaktflächen, auf denen derartige Außenkontakte von Halbleiterbauteilen angeordnet sind, entsprechende Nadelkontakte beim Testen aufzubringen und somit auch Halbleiterbauteile ohne derartige Lotkugeln auf einfache Weise zu testen, bevor ein Halbleitermodul zusammengestellt wird.The individual stack partner can again with solder balls equipped be tested with a standard process. On the other hand it is also possible over the External contact surfaces, on which such external contacts are arranged by semiconductor devices, corresponding needle contacts apply during testing and thus also semiconductor components without To test such solder balls in a simple way, before a semiconductor module is compiled.
Zur Herstellung der Stapelverbindung werden die einzelnen Partner so ausgerichtet, dass die Aushöhlungen oder Durchkontakte (entweder nur aus Durchkontakten bestehend oder durch vertikale Aussparungen bzw. Rillen verlängerte Kontaktlöcher aufweisend) übereinander liegend angeordnet sind. Ferner wird ein vorgeformter Flachleiterrahmen über alle Kontakte gelegt und durch Laserschweißen werden die Einzelverbindungen mit den Außenrandkontaktanschlüssen geschlossen und durch Lasertrennen werden entsprechende Querstege bzw. Befestigungsschienen des Flachleiterrahmens für die Leitungsstege abgetrennt. Nachdem alle Kontakte angeschlossen sind, kann das gestapelte Halbleitermodul nochmals getestet und danach eingesetzt werden.to Making the stack connection are the individual partners so aligned that the cavities or through contacts (either only consisting of vias or by vertical recesses or grooves extended contact holes having) one above the other are arranged horizontally. Furthermore, a preformed leadframe is over all Contacts are laid and by laser welding are the individual connections closed with the outer edge contact terminals and by laser cutting are corresponding transverse webs or mounting rails of the lead frame for separated the wire webs. After all contacts connected are, the stacked semiconductor module can be retested and be used afterwards.
Zusammenfassend ergeben sich daraus folgende Vorteile:
- 1. eine kostengünstige Stapeltechnologie;
- 2. ein Nutzbarmachen von substratbasierten Gehäusen, wie z.B. FBGA-Gehäuse für die Stapeltechnologie;
- 3. eine Erhöhung der elektrischen Leistungsfähigkeit;
- 4. eine Verringerung der vertikalen Größenausdehnung eines Halbleitermoduls;
- 5. ein Vorabtesten der einzelnen zu stapelnden Halbleiterbauteile, sodass ein verminderter Ausschuss für die Halbleitermodule auftritt;
- 6. eine hohe Vielfalt von Stapelmöglichkeiten durch Einzelchipgehäuse, Multichipgehäuse und Kombinationen derselben.
- 1. a cost-effective stacking technology;
- 2. Utilization of substrate-based packages, such as FBGA packages for stacking technology;
- 3. an increase in electrical performance;
- 4. a reduction in the vertical size extent of a semiconductor module;
- 5. pre-scanning the individual semiconductor devices to be stacked so that a reduced rejection of the semiconductor modules occurs;
- 6. A wide variety of stacking capabilities through single-chip packages, multi-chip packages, and combinations thereof.
Mit dieser Technologie wird ein Verdoppeln oder Vervierfachen der Speicherdichte im Vergleich zu Standardspeicherdichten möglich. Bei beispielsweise 120 nötigen vertikalen Verbindungen ergeben sich zum Beispiel 30 Durchkontakte pro Randseite der Halbleiterbauteile, bei einem Anschlussraster von 0,65 mm ergibt sich eine Mindestlänge, um eine derartige Anzahl von Leitungsstegen auf den Randseiten unterzubringen, von 20 mm. Die für ein derartiges Stapeln in einem Halbleitermodul interessanten Speicherchips sind die Chips mit großer Speicherdichte, beispielsweise von 1 Gigabit bis 2 Gigabit, da diese Halbleiterchips bereits heute eine Kantenlänge von größer als 18 mm aufweisen. Somit ist auch das Anschlussraster ausreichend, um genügend Außenrandkontaktanschlüsse bereitzustellen.With This technology will double or quadruple the storage density compared to standard storage densities possible. For example, 120 force vertical connections result, for example, 30 vias per edge side of the semiconductor components, with a connection grid of 0.65 mm results in a minimum length to such a number to accommodate of wire webs on the edge sides, of 20 mm. The for Such stacking in a semiconductor module interesting memory chips are the chips with big ones Storage density, for example, from 1 gigabit to 2 gigabit, since these Semiconductor chips already have an edge length of greater than 18 mm. Consequently Also, the terminal grid is sufficient to provide sufficient outer edge contact terminals.
Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Figuren näher erläutert.The The invention will now be described with reference to the accompanying figures.
Das
Verdrahtungssubstrat
Den
Schnittzeichnungen A, B, C und D, die unter
Zur
Verbesserung des Widerstandes gegen Korrosion und Oxidation können die
Durchkontakte
Durch
die vertikal gegenüber
der Verdrahtungsstruktur
Diese
vierte Ausführungsform
der Erfindung entspricht weitestgehend der dritten Ausführungsform
der Erfindung gemäß
Die
in zwei Reihen angeordneten Kontaktflächen
- 11
- Halbleitermodul (1. Ausführungsform)Semiconductor module (1st embodiment)
- 22
- Halbleitermodul (2. Ausführungsform)Semiconductor module (2nd embodiment)
- 33
- Halbleitermodul (3. Ausführungsform)Semiconductor module (3rd embodiment)
- 44
- Halbleitermodul (4. Ausführungsform)Semiconductor module (4th embodiment)
- 55
- Halbleitermodul (5. Ausführungsform)Semiconductor module (5th embodiment)
- 66
- Halbleiterbauteil (1. und 2. Ausführungsform)Semiconductor device (1st and 2nd Embodiment)
- 7,87.8
- Halbleiterbauteile (3. Ausführungsform)Semiconductor components (3rd embodiment)
- 9,109.10
- Halbleiterbauteile (4. Ausführungsform)Semiconductor components (4th embodiment)
- 11,1211.12
- Halbleiterbauteile (5. Ausführungsform)Semiconductor components (5th embodiment)
- 13,1413.14
- Halbleiterchips (1. und 2. Ausführungsform)Semiconductor chips (1st and 2nd Embodiment)
- 15–1815-18
- Halbleiterchips (3. Ausführungsform)Semiconductor chips (3rd embodiment)
- 19–2219-22
- Halbleiterchips (4. Ausführungsform)Semiconductor chips (4th embodiment)
- 23–2423-24
- Halbleiterchips (5. Ausführungsform)Semiconductor chips (5th embodiment)
- 2525
- Verdrahtungsstruktur des Halbleiterbauteilswiring structure of the semiconductor device
- 26,2726.27
- GehäuseaußenrandseiteHousing outer edge side
- 2828
- AußenrandanschlussOuter edge connector
- 2929
- InnenanschlussflächenInterior pads
- 3030
- Außenseite des Halbleitermodulsoutside of the semiconductor module
- 3131
- Verbindungselementconnecting element
- 3232
- Durchkontakt bzw. Hohlkontakteby contact or hollow contacts
- 3333
- Außenrand eines Verdrahtungssubstratsouter edge a wiring substrate
- 3434
- Verdrahtungssubstratwiring substrate
- 3535
- Rillegroove
- 3636
- Leitungsstegconduction web
- 3737
- FlachleiterrahmenLeadframe
- 3838
- Gittergrid
- 3939
- Querstegcrosspiece
- 4040
- interner Halbleiterchipstapel (1. bis 4. Ausführungsform)internal Semiconductor chip stack (1st to 4th embodiments)
- 4141
- Unterseite des Halbleitermodulsbottom of the semiconductor module
- 4242
- Außenkontakteexternal contacts
- 4343
- Lotkugelsolder ball
- 4444
- zentraler Bereichcentrally Area
- 4545
- Verdrahtungsfoliewiring film
- 4646
- Überstand der LeitungsstifteGot over the lead pins
- 4747
- KunststoffgehäusePlastic housing
- 4848
- Leiterbahnconductor path
- 4949
- Bondverbindung bzw. Bonddrähtebond or bonding wires
- 5050
- AußenkontaktflächenExternal contact areas
- 5151
- Durchkontakte des Verdrahtungssubstratsthrough contacts of the wiring substrate
- 5252
- abstandshaltende Schichtdistance-maintaining layer
- 5353
- Klebstoffmasseadhesive composition
- 5454
- Kontaktflächecontact area
- 5555
- zentraler Bondkanalcentrally Bond channel
- hH
- Höhe des HalbleitermodulsHeight of the semiconductor module
Claims (18)
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE200410044882 DE102004044882B3 (en) | 2004-09-14 | 2004-09-14 | Semiconductor module having stacked semiconductor devices and electrical interconnects between the stacked semiconductor devices |
PCT/DE2005/001600 WO2006034670A1 (en) | 2004-09-14 | 2005-09-13 | Semiconductor module with stacked semiconductor components and electrical connecting elements between the stacked semiconductor components |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE200410044882 DE102004044882B3 (en) | 2004-09-14 | 2004-09-14 | Semiconductor module having stacked semiconductor devices and electrical interconnects between the stacked semiconductor devices |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE102004044882B3 true DE102004044882B3 (en) | 2006-04-20 |
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ID=35501601
Family Applications (1)
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