In
dem Maße,
wie Halbleiterhersteller fortschreiten, chipinterne Strukturelemente
in der Größe zu reduzieren,
wird die Notwendigkeit zur Kontaktierung dieser Strukturelemente
mit reduzierter Größe ein immer
wichtigerer Aspekt. Die größenreduzierten Strukturelemente,
die zum Zwecke einer erhöhten Funktionalität, d. h.
im Allgemeinen einer erhöhten Anzahl
an Eingängen
und Ausgängen
(I/O-Anzahl), einer integrierten Schaltung vorgesehen werden, können in
ihrer Anzahl erhöht
werden, wobei die Chipgröße beibehalten
wird, oder andererseits kann die Chipgröße verringert werden, während die
Funktionalität
(und die I/O-Anzahl)
der integrierten Schaltung beibehalten wird. In beiden Fällen wird
jedoch die Dichte der Eingänge
und Ausgänge
(I/O) erhöht. Für eine konventionelle
Kontaktflächenanordnung am
Chiprand wird somit der resultierende Abstand der Kontaktflächen, d.
h. der Abstand zwischen der Mitte zweier benachbarter Kontaktflächen, entsprechend
verringert.
Halbleiterbauelemente
mit integrierter Schaltung werden typischerweise auf geeigneten
Substraten oder Scheiben, etwa Siliziumscheiben, SOI- (Silizium
auf Isolator) Scheiben, Glasscheiben, und dergleichen hergestellt,
wobei für
gewöhnlich
eine große Anzahl
einzelner Halbleiterbauelemente, etwa CPU's, Speicherchips, ASICS (anwendungsspezifische
IC's) und dergleichen
gleichzeitig auf der Scheibe hergestellt werden. Abhängig von
der Komplexität der
betrachteten Halbleiterbauelemente können bis zu 500 oder mehr miteinander
in Beziehung stehende Prozesse erforderlich sein, um die Halbleiterbauelemente
auf Scheibenebene fertigzustellen. Auf Grund ökonomischer Vorgaben werden
Strukturgrößen von
einzelnen Schaltungselementen, etwa von Transistoren, ständig verringert,
um damit die Packungsdichte pro Einheitsfläche der Scheibe zu erhöhen, wobei
gleichzeitig Scheiben mit größerer Oberfläche verwendet
werden, um die Produktionsausbeute zu erhöhen, da die meisten äußerst komplexen Herstellungsprozesse
auf Scheibenebene und nicht auf Chipebene ausgeführt werden. Typischerweise kann
mit einem Ansteigen der Packungsdichte für die einzelnen Schaltungselemente
auch die Komplexität der
einzelnen Halbleiterbauelemente größer werden, wodurch häufig eine
größere Anzahl
an Eingangs/Ausgangsanschlüssen
zur Kontaktherstellung mit der Peripherie erforderlich ist. Das
Einbringen der einzelnen Halbleiterbauelemente in ein Gehäuse nach
dem Schneiden der Scheibe spielt ebenso eine wichtige Rolle im Hinblick
auf die Kosteneffizienz des gesamten Herstellungsprozesses sowie
in Bezug auf das Bauteilverhalten und dessen Zuverlässigkeit. Eine
Technik zum Einbringen in ein Gehäuse wurde jüngst zu einem Standardverfahren,
d. h. zumindest für äußerst komplexe
Halbleiterbauelemente, wobei jedes Halbleiterbauelement mit einer
speziell gestalteten Kontaktschicht, die auch häufig als „Höckerschicht" bezeichnet wird, versehen wird. Die
Höckerschicht
umfasst typischerweise mehrere Kontaktflächen mit anhaftenden Höckern oder
Lothöckern,
die den thermischen oder elektrischen Kontakt zu darunter liegenden
Schaltungselementen bereitstellen, oder die im Hinblick auf die
mechanische Stabilität des
Halbleiterbauelements in dem Gehäuse
vorgesehen werden. Das Halbleiterbauelement kann dann direkt an
einem geeigneten Trägersubstrat
oder einer Schaltungsplatine angebracht werden, die ein Kontaktflächenarray
aufweist, das der Gestalt der Höckerschicht
des Halbleiterbauelements entspricht, wobei das Kontaktieren des
Trägersubstrats
und des Halbleiterbauelements verwirklicht werden kann, indem das
Höckermaterial
oder der Klebstoff verflüssigt
wird, wodurch im Wesentlichen gleichzeitig alle Lothöcker mit
den entsprechenden Kontaktflächen auf
dem Trägersubstrat
verbunden werden. Somit werden im Gegensatz zu herkömmlichen
Drahtverbindungstechniken äußerst kurze
elektrische Verbindungen zwischen dem Halbleiterbauelement und dem
Trägersubstrat
in äußerst effizienter
Weise verwirklicht, wodurch Verbindungen mit geringem Widerstand
und mit geringer parasitärer
Induktivität
bereitgestellt werden, wobei ferner die gesamte Halbleiteroberfläche im Wesentlichen
für das
Bereitstellen von Kontaktflächen
verfügbar
ist, im Gegensatz zu traditionellen Drahtverbindungstechniken, die
im Wesentlichen auf den Chiprand beschränkt sind.
Trotz
der vielen Vorteile dieser Technik zum Einbringen in ein Gehäuse im Vergleich
zu beispielsweise konventionellen Drahtverbindungstechniken können sich
Probleme aus der Tatsache ergeben, dass die Eigenschaften des Substratmaterials
deutlich das Gesamtver halten des Halbleiterbauelements im Gehäuse beeinflussen
können.
Insbesondere der thermische Ausdehnungskoeffizient (CTE), der Leiterwiderstand,
die Dielektrizitätskonstante,
der dielektrische Verlustwinkel und die thermische Leitfähigkeit
des Trägersubstratmaterials
müssen
Berücksichtigung
finden, wenn geeignete Trägermaterialien ausgewählt werden,
um in geeigneter Weise Materialkosten gegenüber dem Verhalten des Bauteils
und dessen Zuverlässigkeit
abzuwägen.
Beispielsweise hat eine Fehlanpassung zwischen dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten
des Gehäuses
oder der Schaltungsplatine und dem Chip einen deutlichen Einfluss
auf die Produktzuverlässigkeit.
Die Fehlanpassung in der thermischen Ausdehnung kann Scherungsspannungen
hervorrufen, die wiederum einen Ausfall der elektrischen Verbindungen
zur Folge haben können.
1 zeigt schematisch eine
Querschnittsansicht eines Halbleiterbauelements 100 mit
einem Halbleiterchip 110, der direkt mit einem Trägersubstrat 120 verbunden
ist. Der Halbleiterchip 110 kann mehrere Kontaktflächen 111 aufweisen,
die in einem entsprechenden Muster angeordnet sind, das mit einem
entsprechenden Muster von Kontaktflächen 121, die auf
dem Trägersubstrat 120 ausgebildet sind, übereinstimmt.
Entsprechende Kontaktflächen 111 und 121 können mittels
eines Lotmaterials 130 oder eines leitenden Klebermaterials
verbunden werden, wodurch eine elektrische Verbindung, die auch als 120 bezeichnet
ist, zwischen dem Halbleiterchip 110 und dem Trägersubstrat 120 hergestellt
wird. Des weiteren wird in vielen Halbleiterbauelementen, die einen
Halbleiterchip und ein Trägersubstrat
aufweisen, die direkt miteinander verbunden sind, ein Füll- bzw.
Unterfütterungsmaterial
zwischen den beiden Komponenten vorgesehen, um die thermischen und
mechanischen Eigenschaften sowie die Integrität im Hinblick auf Umwelteinflüsse zu verbessern.
In dem gezeigten Beispiel ist ein Füllmaterial, das auch als Unterfütterungsmaterial 140 bezeichnet
ist, zwischen dem Halbleiterchip 110 und dem Trägersubstrat 120 vorgesehen.
Das Unterfütterungsmaterial 140 kann
Teilchen 141 aufweisen, die im Wesentlichen die thermischen
und mechanischen Eigenschaften des Unterfütterungsmaterials 140,
etwa die thermische Leitfähigkeit
und den thermischen Ausdehnungskoeffizienten bestimmen. Das Unterfütterungsmaterial 140 wird
in vielen Anwendungen vorgesehen, um die Differenzen im Hinblick
auf die thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem Halbleiterchip 110 und
dem Trägersubstrat 120 zu kompensieren.
Beispielsweise kann der Halbleiterchip 110 im Wesentlichen aus einem
halbleitenden Material, etwa Silizium aufgebaut sein und kann einen
thermischen Ausdehnungskoeffizienten von ungefähr drei Teilen pro Million
pro Grad Celsius (ppm/C) aufweisen, während das Trägersubstrat 120 einen
anderen Koeffi zienten, mit etwa einer Abweichung von nur wenigen
ppm/C für
ein Siliziumoxidkeramiksubstrat oder auch einen Koeffizienten in
einer Größenordnung
von ungefähr
17 bis 22 ppm/C für
organische Substrate aufweisen kann, die aus FR4 aufgebaut sind,
das häufig
auf Grund seines günstigen Preises
und der guten Hochfrequenzeigenschaften verwendet wird. Wenn daher
im Wesentlichen die gesamte Fläche
des Halbleiterchips 110 an das Trägersubstrat 120 gekoppelt
wird, erzeugt die effektive thermische mechanische Spannung, die
während des
Betriebs des Halbleiterbauelements 110 erzeugt wird, einen „Gradienten" des effektiven zusammengesetzten
thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem Halbleiterchip 110 und
dem Trägersubstrat 120,
wodurch die Zuverlässigkeit
des Bauelements 110 vergrößert wird, da die Wahrscheinlichkeit
eines vorzeitigen Ausfalls einer der elektrischen Verbindungen 130 deutlich
reduziert ist.
Ein
typischer Prozessablauf zur Herstellung des Bauelements 110 kann
wie folgt ausgeführt
werden. Nach der Fertigstellung des Halbleiterchips 110 durch
Bilden von Schaltungselementen (nicht gezeigt) und entsprechenden
Metallisierungsschichten (nicht gezeigt), die elektrisch mit zumindest
einigen der Kontaktflächen 111 verbunden
sind, die Lothöcker
oder Lotkugeln aufweisen, werden die entsprechenden Chips 110 geschnitten,
um damit den vereinzelten Halbleiterchip 110 bereitzustellen.
Danach werden das Trägersubstrat 120 und
der Halbleiterchip 110 zueinander ausgerichtet, kontaktiert
und wärmebehandelt,
um die Lothöcker
oder Lotkugeln oder andere Höcker,
die aus leitendem Kleber aufgebaut sind, zu verflüssigen,
um damit die elektrischen Verbindungen 130 zu schaffen.
Als nächstes
wird ein Vorstufenmaterial des Unterfütterungsmaterials 140, beispielsweise
in Form eines viskosen Epoxydharzes mit den Teilchen 141,
die in Form von Silika-Teilchen vorgesehen sein können, aufgebracht,
indem ein flüssiges
Vorstufenmaterial entlang einem einzelnen Rand oder entlang zweier
benachbarter Ränder
des Spaltes zwischen dem Halbleiterchip 110 und dem Trägersubstrat 120 verteilt
wird. Die Oberflächenspannung
zieht dann das flüssige
Vorstufenmaterial unter den Chip und durch das Array aus elektrischen Verbindungen 130.
Da die Flüssigkeitsströmung im Wesentlichen
durch Kapillarwirkung gesteuert ist, kann der gesamte Prozess zum
Verteilen des flüssigen
Vorstufenmaterials zwischen dem Halbleiterchip 110 und
dem Trägersubstrat 120 einige
Minuten beanspruchen, wobei die Fluidströmung durch die Spaltbreite,
die Musterkonfiguration der elektrischen Verbindungen 130,
die Substrattemperatur und dem Temperaturgradienten, die Viskosität des flüssigen Vorstufenmaterials,
Flussmittelkontaminierung, dem Verteilungsmuster, das zum Aufbringen
des flüssigen Vorstufenmaterials
verwendet wird, und dergleichen beeinflusst ist. Da nach kann das
Bauelement 110 wärmebehandelt
werden, beispielsweise in einem Ofen bei Temperaturen von ungefähr 130° bis 175° C, um das
flüssige
Vorstufenmaterial auszuhärten und
um das Unterfütterungsmaterial 140 zu
bilden. Während
des Prozesses des Einfüllens
des flüssigen Vorstufenmaterials
sowie während
der Wärmebehandlung
zum Aushärten
der Flüssigkeit
können
sich die Teilchen 141 bewegen und an einer Grenzfläche 122 zwischen
dem Material 140 und dem darunter liegenden Trägersubstrat 120 ansammeln.
Da die Teilchen 141 die thermischen und mechanischen Eigenschaften
des Unterfütterungsmaterials 140,
beispielsweise den thermischen Ausdehnungskoeffizienten, merklich
beeinflussen, kann eine unerwünschte
thermomechanische Spannung während
des Betriebs des Bauelements 110 erzeugt werden, da der thermische
Ausdehnungskoeffizient des Unterfütterungsmaterials 140 an
der Grenzfläche 122 auf Grund
der angesammelten Teilchen 141 klein sein kann, wohingegen
der thermische Ausdehnungskoeffizient des darunter liegenden Trägersubstrats 120 deutlich
höher sein
kann, wodurch die Fähigkeit
des „Umverteilens" der thermischen
und mechanischen Spannungen des Unterfütterungsmaterials 140 beeinträchtigt wird.
Die
US 6,049,038 entwickelt
aus diesem Ansammeln von Teilchen ein vorteilhaftes Verfahren.
Angesichts
der zuvor beschriebenen Situation besteht ein Bedarf für eine verbesserte
Technik, die das Herstellen von Halbleiterbauelementen in Gehäusen mit
einem Unterfütterungsmaterial
ermöglicht,
wobei eines oder mehrere der zuvor erkannten Probleme vermieden
werden können
oder deren Wirkungen zumindest reduziert werden können.
ÜBERBLICK ÜBER DIE
ERFINDUNG
Die
vorliegende Erfindung richtet sich im Allgemeinen an eine Technik,
die das Herstellen von Halbleiterbauelementen mit Gehäuse mit
einer direkten elektrischen Verbindung zwischen Halbleiterchip und
Trägersubstrat
erlaubt, wobei ein Unterfütterungsmaterial
dazwischen angeordnet ist, wobei die thermischen und mechanischen
Eigenschaften des Unterfütterungsmaterials
effizienter im Vergleich zu konventionellen Techniken eingestellt
werden können.
Zu diesem Zweck kann die kollektive Bewegung von Teilchen, die in
dem Unterfütterungsmaterial
enthalten sind, durch eine äußere Kraft
so gesteuert werden, um ein Konzentrationsprofil der Teilchen in dem
Unterfütterungsmaterial
einzustellen.
Gemäß einer
anschaulichen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren die Merkmale des
Anspruchs 1.
Gemäß einer
noch weiteren anschaulichen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren die Merkmale des
Anspruchs 10.
Die
Merkmale des Oberbegriffs des Anspruchs 1 und des Anspruchs 10 sind
bekannt aus der
US 6,049,038 .
KURZE BESCHREIBUNG DER
ZEICHNUNGEN
Weitere
Vorteile, Aufgaben und Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung sind in den angefügten Patentansprüchen definiert
und gehen deutlicher aus der folgenden detaillierten Beschreibung
hervor, wenn diese mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen studiert
wird; es zeigen:
1 schematisch
eine Querschnittsansicht eines konventionellen Halbleiterbauelements
im Gehäuse,
wobei ein Unterfütterungsmaterial
zwischen einem Halbleiterchip und einem Trägersubstrat vorgesehen ist;
2a und 2b schematisch
Querschnittsansichten eines Halbleiterbauelements im Gehäuse während unterschiedlicher
Herstellungsphasen gemäß anschaulicher
Ausführungsformen der
vorliegenden Erfindung;
3a und 3b schematisch
ein Halbleiterbauelement während
der Ausbildung eines Unterfütterungsmaterials
zwischen einem Halbleiterchip und einem Trägersubstrat gemäß weiterer
anschaulicher Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung;
4 schematisch
ein Halbleiterbauelement während
der Ausbildung eines Unterfütterungsmaterials
während
eine steuerbare externe Kraft gemäß weiterer anschaulicher Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung angewendet wird; und
5 zeigt
einen Graphen, der mehrere gewünschte
Teilchenverteilungen repräsentiert,
die beim Steuern einer externen Kraft zum Einstellen einer Teilchenkonzentration
in einem Unterfütterungsmaterial
gemäß anschaulicher
Ausführungsformen der
vorliegenden Erfindung verwendet werden können.
DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Obwohl
die vorliegende Erfindung mit Bezug zu den Ausführungsformen beschrieben ist,
wie sie in der folgenden detaillierten Beschreibung sowie in den
Zeichnungen dargestellt sind, sollte es selbstverständlich sein,
dass die folgende detaillierte Beschreibung sowie die Zeichnungen
nicht beabsichtigen, die vorliegende Erfindung auf die speziellen
anschaulichen offenbarten Ausführungsformen
einzuschränken,
sondern die beschriebenen anschaulichen Ausführungsformen stellen lediglich
beispielhaft die diversen Aspekte der vorliegenden Erfindung dar,
deren Schutzbereich durch die angefügten Patentansprüche definiert
ist.
Im
Allgemeinen beruht die vorliegende Erfindung auf dem Konzept, dass
beim Bilden eines Unterfütterungsmaterials,
das Teilchen enthält,
die typischerweise vorgesehen sind, die thermischen und mechanischen
Gesamteigenschaften des Unterfütterungsmaterials
einzustellen, die Konzentration der Teilchen innerhalb des Unterfütterungsmaterials
auf der Grundlage einer externen Kraft eingestellt oder gesteuert
werden kann, die gemeinsam auf die Teilchen wirkt, wodurch eine
gemeinsame Bewegung oder eine gemeinsame Driftbewegung der Teilchen erzeugt
wird, wobei das viskose Unterfütterungsmaterial
aufgebracht wird, während
das Trägersubstrat und
Halbleiterchip vertikal angeordnet sind, wobei der Halbleiterchip
unter dem Trägersubstrat
positioniert ist. Wie zuvor erläutert
ist, kann die direkte Verbindung eines Halbleiterbauelements und
eines Trägersubstrats
während
des Betriebs des Bauelements zu merklichen thermomechanischen Spannungen führen, wenn
die thermischen Ausdehnungskoeffizienten beider Komponenten deutlich
voneinander abweichen. Das zwi schen diesen Komponenten ausgebildete
Unterfütterungsmaterial
kann diese Spannungen reduzieren, wobei jedoch im Vergleich zu der konventionellen
Prozesstechnik eine höhere
Flexibilität
beim Einstellen der Konzentration der Teilchen innerhalb des Unterfütterungsmaterials
deutlich die Fähigkeit
des Unterfütterungsmaterials
zur thermischen und mechanischen Spannungsumverteilung verbessern
kann. Daher wird eine externe Kraft zumindest während eines Teils des Herstellungsprozesses
zum Bereitstellen des Unterfütterungsmaterials
zwischen dem Halbleiterchip und dem Trägersubstrat ausgeübt, wobei
zumindest zeitweilig eine gemeinsame Bewegung in Richtung des Trägersubstrats
erzeugt wird. In dieser Hinsicht ist eine externe Kraft als eine
Kraft zu verstehen, die auf jedes der Teilchen in gleicher Weise
wirkt, was zu einer mittleren gemeinsamen Bewegung in einer spezifizierten Richtung,
die durch die Richtung der externen Kraft gegeben ist, bewirkt wird,
unabhängig
davon, ob eine irrreguläre
innere Bewegung der Teilchen vorherrscht, die durch Wärme, innere
anziehende oder abstoßende
Kräfte,
und dergleichen hervorgerufen wird. Beispielsweise kann die Schwerkraft
als eine externe Kraft in dieser Hinsicht betrachtet werden.
2a zeigt
schematisch eine Querschnittsansicht eines Halbleiterbauelements 200 in
einem fortgeschrittenen Herstellungsstadium. Das Halbleiterbauelement 200 umfasst
einen Halbleiterchip 210, der darin eine integrierte Schaltung 213 aufweisen kann,
die elektrisch mit zumindest einigen Kontaktflächen 211 verbunden
ist. Der Halbleiterchip 210 kann einen beliebigen Chip
repräsentieren,
der ein Substrat, etwa ein auf Silizium basierendes Substrat, ein Galliumarsenidsubstrat,
ein Indiumphosphatsubstrat, ein Germaniumsubstrat, ein Glassubstrat
und dergleichen beinhaltet, das darauf oder darin ausgebildete Mikrostrukturelemente
aufweist, worin zumindest einige elektrische Schaltungselemente
zur Bildung der integrierten Schaltung 213 enthalten sind, die
während
des Betriebs des Bauelements 200 als eine Wärmequelle
wirken. Das Halbleiterbauelement 200 umfasst ferner ein
Trägersubstrat 220,
das mehrere Leitungen und Kontaktdurchführungen aufweisen kann, die
in einer oder mehreren Ebenen angeordnet sind. Das Trägersubstrat 220 kann
darauf ausgebildet mehrere Kontaktflächen 221 aufweisen, wovon
zumindest einige dem Muster der Kontaktflächen 211 entsprechen,
die auf dem Halbleiterchip 210 ausgebildet sind. Das Trägersubstrat 220 kann im
Wesentlichen aus einem geeigneten Material, etwa einem organischen
Material, z. B. FR4, und dergleichen hergestellt sein, wie es häufig als
Basismaterial für
Schaltungsplatinen verwendet wird. In anderen Ausführungsformen
kann das Trägersubstrat 220 aus
anderen Materialien hergestellt sein, etwa keramischen Materialien
und der gleichen. Des weiteren kann ein mittlerer thermischer Ausdehnungskoeffizient
des Trägersubstrats 220 von
einem entsprechenden gemittelten thermischen Ausdehnungskoeffizienten
des Halbleiterchips 210 abweichen, wobei die Größe der Differenz
im Wesentlichen durch das Basismaterial des Trägersubstrats 220 bestimmt
ist. In einer anschaulichen Ausführungsform
kann das Trägersubstrat 220 aus
einem organischen Basismaterial mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten im
Bereich von ungefähr
15 bis 25 ppm/C hergestellt sein.
Das
Bauelement 200 umfasst ferner elektrische Verbindungen 230,
die beispielsweise aus Lotmaterial oder leitendem Klebstoff gebildet
sind, wobei die elektrischen Verbindungen 230 einen Kontakt zwischen
entsprechenden Kontaktflächen 221 und 211 herstellen.
Ferner ist ein viskoses Vorstufenmaterial 240 eines Unterfütterungsmaterials
zwischen Bereichen des Trägersubstrats 220 und
Bereichen des Halbleiterchips 210 vorgesehen, wobei der
Einfachheit halber das Unterfütterungsmaterial
und ein beliebiges viskoses Vorstufenmaterial davon als 240 bezeichnet
sind. Das Material 240 enthält Teilchen 241, die
typischerweise hinzugefügt
sind, um im Wesentlichen zumindest die thermischen und mechanischen
Eigenschaften des Materials 240 zu bestimmen. Das Material 240 bildet
eine erste Grenzfläche 222 mit
Bereichen des Trägersubstrats 220 und
bildet auch eine zweite Grenzfläche 212 mit
Bereichen des Halbleiterchips 210. Des weiteren ist das
Halbleiterbauelement 200 im Wesentlichen vertikal so angeordnet,
dass der Halbleiterchip 210 unter dem Trägersubstrat 220 positioniert
ist, wodurch eine externe Kraft 250 hervorgerufen wird,
d. h. in diesem Falle die Schwerkraft, die zu einer gemeinsamen
Driftbewegung der Teilchen 241 führt, die in dem Material 240 beweglich
sind, wenn sich dieses noch in dem viskosen Zustand befindet. Es
sollte beachtet werden, dass die Komponenten der Teilchengeschwindigkeit in
Richtung der Grenzfläche 212 von
der Größe der Viskosität des Materials 240,
der Art und der Größe der Teilchen 241 und
dergleichen abhängen
kann. Typischerweise wird die Viskosität des Materials 240 im
Hinblick auf die Fülleigenschaften,
d. h. auf die Kapillarströmungseigenschaften
anstatt auf die Driftgeschwindigkeiten der Teilchen 241 ausgewählt.
Ein
typischer Prozess zur Herstellung des Halbleiterbauelements 200,
wie es in 2a gezeigt ist, kann die folgenden
Prozesse aufweisen. Nach der Bildung des Halbleiterchips 210 und
des Trägersubstrats 220 können beide
Komponenten zueinander ausgerichtet, kontaktiert und miteinander
verbunden werden durch Ausführen
einer Wärmebehandlung,
um ein Lotmaterial oder einen leitenden Kleber, der auf den Kontaktflächen 211 oder
auf den Kontaktflächen 211 und
den Kontaktflächen 221 vorgesehen ist,
zu verflüssigen,
wodurch die elektrischen Verbindungen 230 geschaffen werden.
In anderen Ausführungsformen
kann das Material 240 auf dem Trägersubstrat 220 oder
auf dem Halbleiterchip 210 oder auf beiden vorgesehen werden,
um im Wesentlichen die entsprechenden Kontaktflächen und das Lotmaterial oder
das haftende Klebermaterial abzudecken. Danach können der Halbleiterchip 210 und
das Trägersubstrat 220 zueinander
ausgerichtet und durch Wärmebehandlung
des Bauelements 200 für
Verflüssigung
des entsprechenden Lotmaterials oder leitenden Klebermaterials verbunden
werden, wodurch die elektrischen Verbindungen 230 geschaffen
werden. In einigen Techniken können
die Kontaktflächen 211 und 221 direkt
durch einen nicht leitenden Kleber verbunden werden. In einigen
Ausführungsformen
kann der Prozess des Verbindens des Trägersubstrats 220 und
des Halbleiterchips 210 ausgeführt werden, wobei das Bauelement 200 in
einer speziellen räumlichen
Orientierung vorliegt, die sich von der im Wesentlichen vertikalen
Orientierung, wie sie in 2a gezeigt
ist, unterscheiden kann. Beispielsweise kann der Prozess ausgeführt werden,
wobei das Bauelement 200 im Wesentlichen vertikal orientiert
ist, wobei jedoch der Halbleiterchip 210 auf der Oberseite des
Bauelements 200 angeordnet ist. In den Ausführungsformen,
in denen das Material 240 nach dem Verbinden des Trägersubstrats 220 mit
dem Halbleiterchip 210 vorgesehen wird, kann das viskose
Vorstufenmaterial 240 in den Spalt zwischen den zwei Komponenten
eingefüllt
werden, um damit zumindest teilweise den verfügbaren Raumbereich zu füllen und zumindest
lokal die erste Grenzfläche 222 und
die zweite Grenzfläche 212 zu
bilden. Wie zuvor erläutert ist,
kann das Material 240 durch Aufbringen auf einen oder mehrere
Ränder
des Spalts eingefüllt
werden, so dass das Material 240 den Raumbereich durch Kapillarströmung kontinuierlich
auffüllen
kann, wie dies auch in Bezug mit 1 beschrieben
ist. In anderen Ausführungsformen
kann das flüssige
Material 240 durch Einführen
direkt in den Spalt mittels einer geeigneten Injektoreinrichtung
aufgebracht werden, wie sie im Stand der Technik bekannt ist. Ferner
kann in noch anderen Ausführungsformen
eine geeignete Spritzgussform um den Halbleiterchip 210 herum
gebildet werden und die Form kann mit dem flüssigen Material 240 aufgefüllt werden.
Danach
kann das flüssige
Material 240 aushärten,
was gemäß einiger
Ausführungsformen durch
Wärmebehandeln
des Bauelements 200 erreicht werden kann, wodurch das Material 240 aushärtet. Dabei
ist vor dem Wesentlichen Verfestigen des Materials 240 das
Bauelement 200 im Wesentlichen so orientiert, wie dies
in 2a gezeigt ist, um ein Driften der Teilchen 241 in
Richtung der zweiten Grenzfläche 212 zu
ermöglichen,
wodurch die Konzentration der Teilchen 241 in der Nähe der Grenzfläche 212 erhöht wird.
In einigen Ausführungsformen wird
die im Wesentlichen vertikale Orientierung des Bauelements 200,
wobei der Halbleiterchip 210 unten positioniert ist, zumindest
in der Anfangsphase des Aushärtungsprozesses
angewendet, da in dieser Phase die Beweglichkeit der Teilchen 241 deutlich größer sein
kann als zu einem späteren
Zeitpunkt des Aushärtungsprozesses.
Das Maß des
Konzentrationszuwachses an der Grenzfläche 212 kann gesteuert
werden, indem die Temperatur des Aushärtungsprozesses gesteuert wird,
da die Temperatur die Rate der Verfestigung des Materials 240 bestimmen
kann. Somit kann eine Zeitdauer mit hoher Teilchenbeweglichkeit
geeignet gesteuert werden, indem in geeigneter Weise die Ausheiztemperatur
ausgewählt
wird. Im Hinblick auf den Durchsatz kann jedoch ein rasches Aufbringen
des Unterfütterungsmaterials 240 wünschenswert
sein, so dass für
eine vorgegebene Viskosität
und Konfiguration der Teilchen 241 das Material 240 aufgebracht
wird, indem das Bauteil 200 so orientiert ist, wie es in 2a gezeigt ist,
wodurch die Teilchendrift in Richtung der Grenzfläche 212 während des
Aufbringens des Materials 240 und während des gesamten Aushärteprozesses bewirkt
wird.
2b zeigt
schematisch das Bauelement 200 nach der Verfestigung des
Unterfütterungsmaterials 240.
Auf Grund der externen Kraft 250, die eine Teilchendriftbewegung
in Richtung der Grenzfläche 212 beeinflusst,
zeigt das Unterfütterungsmaterial 240 einen
Konzentrationsgradienten mit einer erhöhten Teilchenkonzentration
an der Grenzfläche 212, die
zumindest gleich oder größer ist
als eine entsprechende Teilchenkonzentration an der Grenzfläche 222.
In einer speziellen Ausführungsform
ist die Konzentration der Teilchen 241 an der Grenzfläche 212 höher als
die entsprechende Konzentration an der Grenzfläche 222, wodurch dem
Unterfütterungsmaterial 240 ein
lokal variierender thermischer Ausdehnungskoeffizient verliehen
wird, der an der Grenzfläche 212 gering
ist und in Richtung der Grenzfläche 222 ansteigt.
Folglich können
während
des Betriebs des Bauelements 200 hervorgerufene thermomechanische
Spannungen, wenn die integrierte Schaltung 213 Wärme erzeugt,
an der Grenzfläche 212 reduziert
werden, wodurch ein im Wesentlichen „glatter" Übergang
von dem Halbleiterchip 210 zu dem Unterfütterungsmaterial 240 im
Hinblick auf die thermischen und mechanischen Eigenschaften stattfindet. In ähnlicher
Weise weist das Unterfütterungsmaterial 240 einen
erhöhten
thermischen Ausdehnungskoeffizienten an der Grenzfläche 222 auf,
wodurch ein moderat glatter Übergang
zu dem Trägersubstrat 220 geschaffen
wird, da das Trägersubstrat 220 typischerweise
eine deutlich höhere thermische
Ausdehnung aufweist als der Halbleiterchip 210. Somit kann die
Wirkung der thermischen und mechanischen Spannungsumverteilung des
Unterfütterungsmaterials 240 und
damit die Gesamtzuverlässigkeit
der elektrischen Verbindungen 230 durch die modifizierte Verteilung
der Teilchen 241 im Vergleich zu den mit Bezug zu 1 beschriebenen
konventionellen Bauelement deutlich verbessert werden.
3a zeigt
schematisch ein Halbleiterbauelement 300 mit einem Trägersubstrat 320 und
einem Halbleiterchip 310, wobei dazwischen ein Unterfütterungsmaterial 340 vorgesehen
ist. Das Halbleiterbauelement 300 ist in einer Herstellungsphase
gezeigt, in der das Unterfütterungsmaterial
durch Anwenden von Wärme
ausgehärtet
wird, wie dies durch die Pfeile angedeutet ist, wobei die Verteilung
von Teilchen 341 durch das Anwenden einer externen Kraft,
in dieser Ausführungsform
die Schwerkraft, gesteuert wird, um damit die entsprechende Driftgeschwindigkeit
der Teilchen 341 zu steuern. Für diesen Zweck wird das Halbleiterbauelement 300 in
einer Prozessanlage 370 bearbeitet, die einen Substrathalter 371 aufweist,
der so ausgebildet ist, dass das Halbleiterbauelement 300 unabhängig von
seiner Absolutorientierung im Raum gehalten wird. Der Substrathalter 371 ist
mit einer Antriebsanordnung 372 gekoppelt, die ausgestaltet
ist, zumindest den Substrathalter 37i in Drehung zu versetzen,
wie dies durch den Pfeil 373 gezeigt ist. In dem gezeigten
Beispiel kann die Drehung 373 um eine im Wesentlichen horizontal
ausgerichtete Drehachse 374 stattfinden. Des weiteren werden
die Antriebsanordnung 372 und der Substrathalter 371 von
einer Basisstation 375 gehalten.
Für die Ausbildung
des Unterfütterungsmaterials 340 kann
das Bauelement 300 auf dem Substrat 371 montiert
werden, und die Antriebsanordnung 372 kann angewiesen werden,
den Substrathalter 371 in Drehung zu versetzen, um damit
das Bauelement 200 in eine Position zu bringen, in der
zumindest zeitweilig eine Driftgeschwindigkeit der Teilchen 341 in
Richtung auf den Halbleiterchip 310 auf Grund der Schwerkraft
gerichtet ist. In anderen Ausführungsformen
kann die Anlage 370 auch für das Aufbringen des Unterfütterungsmaterials 340 verwendet werden,
wobei das Bauelement 300 in eine räumliche Orientierung gebracht
wird, die zum Aufbringen des Materials 340 entsprechend
einem der zuvor mit Bezug zu den 1, 2a und 2b beschriebenen
Verfahren geeignet ist.
3b zeigt
schematisch die Anlage 370 in einer anderen Betriebsposition,
wodurch das Halbleiterbauelement 300 so orientiert wird,
dass die Driftgeschwindigkeit der Teilchen 341 geändert wird.
Beispielsweise kann das Halbleiterbauelement 300, wie es
gezeigt ist, im Wesentlichen entgegengesetzt zu der in 3a gezeigten
Orientierung angeordnet werden, wodurch eine Driftgeschwindigkeit
der Teilchen 341 hervorgerufen wird, die im Wesentlichen auf
das Trägersubstrat 320 hin
gerichtet ist. Wie zuvor erläutert
ist, kann die durch die Schwerkraft hervorgerufene Driftgeschwindigkeit
im Wesentlichen durch die Eigenschaften des Unterfütterungsmaterials 340,
etwa die Viskosität,
die Größe und die
Art der Teilchen 341 und dergleichen bestimmt sein, wobei diese
Eigenschaften im Wesentlichen im Hinblick auf Aspekte bezüglich des
Durchsatzes anstatt im Hinblick auf das Driftverhalten der Teilchen 341 während der
Verfestigung des Unterfütterungsmaterials 340 bestimmt
sein können.
Somit kann durch Variieren der Orientierung des Halbleiterbauelements 300 während des
Prozesses des Verfestigens und erfindungsgemäß auch während des Aufbringens des Unterfütterungsmaterials 340 das
schließlich
erhaltene Konzentrationsprofil innerhalb des Unterfütterungsmaterials 340 gesteuert
werden. Wenn z. B. eine im Wesentlichen gleichförmige Teilchenkonzentration
erforderlich ist, kann die Orientierung des Halbleiterbauelements 300 kontinuierlich
oder zwischenzeitlich geändert
werden, um damit im Wesentlichen die Wirkung der Schwerkraft auf
die mittlere Driftgeschwindigkeit der Teilchen 341 aufzuheben.
In anderen Situationen kann ein weniger ausgeprägter Konzentrationsgradient
im Vergleich zu dem in 2b gezeigten Bauelement erforderlich
sein und somit kann durch zumindest zeitweiliges Orientieren des
Halbleiterbauelements 300, wie es in 3b gezeigt
ist, die gemeinsame Gesamtbewegung der Teilchen 341 in
Richtung auf den Halbleiterchip 310 in geeigneter Weise
reduziert werden. In diesem Falle kann der ständig größer werdende Grad an Verfestigung
und damit an geringerer Beweglichkeit der Teilchen 341 während des
Aushärteprozesses
berücksichtigt
werden, indem die Zeitdauer der unterschiedlichen Orientierungen
entsprechend angepasst werden.
Wie
zuvor erwähnt
ist, werden Anstrengungen unternommen, um den Prozess des Aufbringens eines
Unterfütterungsmaterials
und des Aushärtens zu
beschleunigen, um damit den Gesamtprozessdurchsatz zu erhöhen, wodurch
die Gesamtherstellungskosten reduziert werden. Folglich können Unterfütterungsmaterialien
verwendet werden, die moderat kurze Aushärtzeiten aufweisen, während sie dennoch
die erforderlichen Fließeigenschaften
während
des Aufbringens des Materials bereitstellen. In dieser Situation
oder aus anderen Grünen
kann es günstig
sein, eine externe Kraft bereitzustellen, deren Größe steuerbar
ist, um damit eine direkte Wirkung auf die gemeinsame Driftgeschwindigkeit
der Teilchen in dem Unterfütterungsmaterial
zu ermöglichen, die
im Wesentlichen unabhängig
von der Schwerkraft ist. Wenn eine externe Kraft erforderlich ist,
die im Mittel kleiner ist als sie erreicht wird, wenn das Bauelement
permanent in einer Weise orientiert ist, wie es in 2a gezeigt
ist, kann das zuvor beschriebene Verfahren angewendet werden und
die Orientierung des Bauteils kann entsprechend kontinuierlich oder in
Schritten geändert
werden. Für
höhere
externe Kräfte
im Vergleich zur Schwerkraft kann eine Technik angewendet werden,
in der eine Zentrifugalkraft ausgeübt wird.
4 zeigt
schematisch eine Zentrifuge 470 mit einem Substrathalter 471,
der mit einer Antriebsanordnung 472 verbunden ist, die
ausgebildet ist, den Substrathalter 471 kontinuierlich
in Drehung zu versetzen, um damit eine Zentrifugalkraft auf ein
von dem Substrathalter 471 gehaltenes Halbleiterbauelement 400 auszuüben. Während des
Betriebs der Zentrifuge 470 wird der Substrathalter 471 gemäß einer
spezifizierten Winkelgeschwindigkeit in Drehung versetzt, die während des
Betriebs der Zentrifuge 470 variiert werden kann, wodurch
eine externe Kraft 450 erzeugt wird, die Teilchen innerhalb
eines Unterfütterungsmaterials 440 in
Richtung auf einen Halbleiterchip 410 und weg von einem
Trägersubstrat 420 treibt.
Die Größe der externen
Kraft 450 hängt
von der geometrischen Konfiguration der Zentrifuge 470, d.
h. von dem Abstand des Halbleiterbauelements 400 von einer
Drehachse, und von der Winkelgeschwindigkeit ab. Folglich kann durch
geeignetes Einstellen der Winkelgeschwindigkeit und/oder des Abstandes
zwischen dem Drehzentrum und dem Bauelement 400 die externe
Kraft 450 so gesteuert werden, dass die gewünschte Verteilung
der Teilchen in dem Unterfütterungsmaterial 440 erreicht
wird, unabhängig
von den Eigenschaften des Unterfütterungsmaterials 440 und
von der Dauer des gesamten Prozesses zum Verfestigen des Materials 440.
Es sollte beachtet werden, dass die Zentrifuge 470 in einer
Umgebung betrieben werden kann, die für erhöhte Temperaturen an dem Halbleiterbauelement 400 sorgt,
um damit die Verfestigung des Materials 440 nicht unnötig zu verzögern. Ferner
kann der Prozess des Aufbringens des Materials 440 auf
das Halbleiterbauelement 400 auch in der Zentrifuge 470 mit
einer spezifizierten vorbestimmten Position ausgeführt werden,
wobei nach dem Aufbringen des Materials 440 ein spezieller
Betriebsmodus initiiert werden kann, um das Fließverhalten des Materials 440 zu verbessern,
wenn dieses sich durch das Verbindungsmuster des Bauelements 400 bewegt.
Beispielsweise kann nach dem Aufbringen des flüssigen Unterfütterungsmaterials 440 an
einem einzeln Rand des Bauelements 400, der im Wesentlichen
horizontal orientiert ist, die Antriebsanordnung 472 sodann instruiert
werden, die Orientierung durch Bewegen des Substrathalters 471 entsprechend
einem vordefinierten Winkel zu ändern,
so dass der Fluidstrom in das Verbindungsmuster durch Schwerkraft
verbessert wird. In anderen Vorgehensweisen kann die räumliche
Orientierung des Bauelements 400 häufig geändert werden, um damit das
Füllverhalten
des flüssigen
Unterfütterungsmaterials 440 in
Abhängigkeit
von seiner Viskosität
und den Fließeigenschaften zu
verbessern. Danach kann das Aushärten
des Unterfütterungsmaterials 440 in
Gang gesetzt werden, indem beispielsweise Strahlungswärme zugeführt wird
oder durch Konvektion oder dergleichen, wobei ein geeigneter Bewegungszustand
initiiert werden kann, indem die Antriebsanordnung 472 entsprechend
gesteuert wird, so dass die externe Kraft 450 mit einer
gewünschten
Größe erzeugt
wird. Somit kann selbst beim schnellen Aushärten von Unterfütterungsmaterialien 440 eine
gewünschte
Verteilung von darin enthaltenen Teilchen erhalten werden, da die
externe Kraft 450 nahezu auf jeden beliebigen geeigneten
Wert eingestellt werden kann.
Wie
zuvor erläutert
ist, beeinflusst die Verteilung von Teilchen innerhalb eines Unterfütterungsmaterials,
etwa die Teilchen 241 und das Material 240 (siehe 2a und 2b)
das thermische und mechanische Verhalten des Halbleiterbauelements signifikant,
so dass damit ein großer
Einfluss auf das elektrische Gesamtverhalten und die Zuverlässigkeit des
Bauelements hervorgerufen wird. Folglich können eine Vielzahl von Sollverteilungen
für die
Teilchen 241 für
ein gegebenes Unterfütterungsmaterial 240 erstellt
werden, um damit das thermische und mechanische Verhalten des Halbleiterbauelements im
Hinblick auf anwendungsspezifische Ziele zielgerecht zu steuern.
Obwohl die in 2b gezeigte Teilchenverteilung
in vielen Anwendungen im Allgemeinen vorteilhaft ist, können andere
Sollverteilungen in anderen Anwendungen günstig sein.
5 zeigt
drei unterschiedliche beispielhafte Sollverteilungen der Teilchen 241 in
dem Unterfütterungsmaterial 240,
wobei die horizontale Achse den Abstand zwischen der Grenzfläche 222 und
der Grenzfläche 212 beginnend
bei der Grenzfläche 222 repräsentiert.
Beispielsweise kann die Kurve A qualitativ die Verteilung der Teilchen 241 repräsentieren, wie
sie in 2b gezeigt sind, wobei in der
Nähe der Grenzfläche 222 eine
im Wesentlichen „verarmte" Zone ausgebildet
ist mit einem kontinuierlichen Ansteigen der Konzentration, die
ihr Maximum an der Grenzfläche 212 aufweist.
Folglich kann der thermische Ausdehnungskoeffizient des Unterfütterungsmaterials 240 qualitativ
ein ähnliches
aber umgekehrtes Verhalten aufweisen, d. h. die thermische Ausdehnung
an der Grenzfläche 222 kann
am höchsten
sein und kann dann abfallen, so dass diese ihren minimalen Wert
an der Grenzfläche 212 annimmt.
In ähnlicher
Weise repräsentiert
die Kurve B eine Verteilung mit einem weniger ausgeprägten Unterschied im
Vergleich zur Kurve A. Die Kurve C repräsentiert andererseits eine
im Wesentlichen gleichförmige
Verteilung, die für
Anwendungen mit einem geringen Unterschied in den thermischen Ausdehnungskoeffizienten
zwischen dem Trägersubstrat 220 und
dem Halbleiterchip 210 geeignet sein kann. Geeignete Sollverteilungen
können
aus empirischen Daten erhalten werden, aus denen eine Korrelation
zwischen speziellen Aspekten im Leistungsverhalten und den Sollverteilungen,
etwa den Verteilungen A, B und C, ermittelt werden können. Beispielsweise
können
Zuverlässigkeitsanalysen
ergeben, dass eine durch die Kurve A repräsentierte Sollverteilung bessere
Ergebnisse für
ein vorgegebenes Unterfütterungsmaterial in
Verbindung mit einem organischen Trägersubstrat 220 und
einem Siliziumchip 210 ergeben kann. Folglich können die
obigen Prozessschritte zur Bildung des Unterfütterungsmaterials, wie sie
mit Bezug zu den 2a, 2b, 3a, 3b und 4 beschrieben
sind, in entsprechender Weise auf der Grundlage der entsprechenden
Sollverteilung gesteuert werden. Beispielsweise kann es für ein spezielles
Unterfütterungsmaterial
in Verbindung mit einer speziellen Aufbringungs- und Aushärtstrategie
unter Umständen
nicht möglich
sein, die Sollverteilung der Kurve A lediglich durch Einschluss
der Schwerkraft zu erreichen, wie es im Falle der Ausführungsformen der 2a, 2b und 3a und 3b der
Fall ist, so dass ein Verfahren, wie es mit Bezug zu 4 beschrieben
ist, angewendet werden kann, um damit eine ausreichend hohe externe
Kraft 450 bereitzustellen, die ausreichend hohe Driftgeschwindigkeiten der
entsprechenden Teilchen ermöglicht,
um damit die gewünschte
Sollverteilung zu erreichen. Wenn andererseits Teilchen in dem Unterfütterungsmaterial eine
moderat hohe Driftgeschwindigkeit für vorgegebene Aufbringungs-
und Aushärtbedingungen
mit der „Kopf über-" Orientierung erhalten
wird, wie sie in den 2a, 2b und 3a gezeigt
ist, so dass eine ungewünschte
große
Verarmungszone an der Grenzfläche 222 auftreten
würde,
kann zumindest der Aushärtprozess
so gesteuert werden, um den Einfluss der Schwerkraft durch zeitweiliges
Orientieren des Halbleiterbauelements in umgekehrter Weise, wie
es in 3b gezeigt ist, zu reduzieren,
um damit schließlich
die gewünschte
Sollverteilung zu erhalten. Entsprechende Steuerungsstrategien zum Steuern
des Einflusses der externen Kraft auf die Driftgeschwindigkeit der
Teilchen in dem Unterfütterungsmaterial
zum Erreichen einer spezifizierten Sollverteilung können durch
Experimente und/oder theoretische Modelle ermittelt werden.
Es
gilt also: Die vorliegende Erfindung stellt eine Technik zur Ausbildung
eines Unterfütterungsmaterials
bereit, das Teilchen enthält,
die das thermische und mechanische Verhalten des Unterfütterungsmaterials
beeinflussen, wobei zumindest zeitweilig eine externe Kraft so ausgeübt wird,
dass eine gemeinsame Bewegung in Richtung auf die Grenzfläche zwischen
dem Unterfütterungsmaterial
und dem Halbleiterbauelement erzeugt wird, wodurch die Möglichkeit
zum steuerbaren Anpassen der thermischen und mechanischen Eigenschaften
des Unterfütterungsmaterials
an prozess- und bauteilspezifische Erfordernisse geboten wird. In
speziellen Ausführungsformen
kann eine im Wesentlichen teilchenverarmte Zone an der Grenzfläche zwischen
dem Unterfütterungsmaterial
und dem Trägersubstrat
erzeugt werden, um damit dem Unterfütterungsmaterial an dieser
Grenzfläche
einen hohen thermischen Ausdehnungskoeffzienten zu verleihen, während die Teilchenkonzentration
an der gegenüberliegenden Grenzfläche zwischen
dem Unterfütterungsmaterial und
dem Halbleiterchip einen deutlich kleineren thermischen Ausdehnungskoeffizienten
aufweist. Des weiteren kann die Orientierung des Halbleiterbauelements
zumindest während
des Aushärtens
des Unterfütterungsmaterials
so geändert
werden, dass eine gewünschte
Sollverteilung erhalten wird, wobei zumindest zeitweilig eine gemeinsame
Driftbewegung der Teilchen in Richtung auf das Trägersubstrat hin
erreicht wird.
Weitere
Modifizierungen und Variationen der vorliegenden Erfindung werden
für den
Fachmann angesichts dieser Beschreibung offenkundig. Daher ist dieser
Beschreibung als lediglich anschaulich und für die Zwecke gedacht, dem Fachmann
die allgemeine Art und Weise des Ausführens der vorliegenden Erfindung
zu vermitteln. Selbstverständlich
sind die hierin gezeigten und beschriebenen Formen der Erfindung
als die gegenwärtig
bevorzugten Ausführungsformen
der zu betrachten