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Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauteil mit mindestens einem Medienkanal, wobei das Halbleiterbauteil mindestens folgende Komponenten aufweist, mindestens einen Halbleiterchip, ein Verdrahtungssubstrat und elektrische Verbindungselemente zwischen dem Halbleiterchip und dem Verdrahtungssubstrat. Außerdem weist das Halbleiterbauteil eine diese Komponenten einbettende Kunststoffgehäusemasse auf. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von Halbleiterbauteilen jeweils mit mindestens einem Medienkanal.
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Aus dem „Journal of Microelectromechanical Systems“ Vol. 10, No. 3, September 2001, IEEE ist bekannt, dass mikroskopisch kleine Luftkanalstrukturen für mikrofluide, mikroelektromechanische und mikroelektronische Anwendungen mit Hilfe von Opferpolymer-Strukturen auf Halbleiterchips hergestellt werden können. Jedoch wird mit diesen Strukturen nicht das Problem des Übergangs von Medienkanälen auf den Oberseiten der Halbleiterchips in entsprechend angepasste Kanäle einer Kunststoffgehäusemasse gelöst. Somit bleibt das Problem des Zuführens und des Abführens von mikrofluiden Medien zu den Halbleiterchips und von den Halbleiterchips innerhalb einer Kunststoffgehäusemasse ungelöst.
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Aus der Druckschrift
DE 103 10 615 B3 ist ein Biochip und ein Verfahren zu seiner Herstellung bekannt, wobei auf der Oberfläche eines Halbleiterwafers offene Mikrokanäle in eine Fotolackschicht eingebracht werden und diese offenen Mikrokanäle anschließend mittels einer gemeinsamen oder individuellen Deckplatte abgedeckt werden. Auch dieses Verfahren beschränkt sich auf die Herstellung von Mikrokanälen auf einem Halbleiterwafer bzw. auf einem Halbleiterchip und löst nicht das Problem des Übergangs von den Mikrokanälen auf den Halbleiterchips zu angepassten Medienkanälen in einer Kunststoffgehäusemasse.
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Aus der Druckschrift
DE 102 46 283 B3 sind schließlich metallische Opferteile bekannt, die in eine Kunststoffgehäusemasse eines Halbleiterbauteils eingebettet werden, um anschließend durch ein Wegätzen der metallischen Opferteile Kanäle und Kavitäten in dem Halbleitergehäuse aus einer Kunststoffgehäusemasse zu erzeugen. Diese Halbleiterbauteile haben den Nachteil, dass die Kanäle nicht in beliebiger Kanalstruktur herstellbar sind, da metallische Opferteile vor dem Einbetten in eine Kunststoffgehäusemasse vorzufertigen und vorzubereiten sind, die anschließend zu justieren, aufzubringen und schließlich in die Kunststoffgehäusemasse einzubetten sind. Auch das Herausätzen der Metallteile nach einem Einbetten in die Kunststoffgehäusemasse ist nicht unproblematisch.
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Für Biosensoren, Gassensoren oder fluidische Sensoren sollen jedoch die Flüssigkeiten oder Gase über definierte Bereiche eines Halbleiterchips zugeführt und auch wieder abgeführt werden. Die Zuführung derartiger Medien stellt somit ein Problem dar, zumal hierfür in einem Halbleitergehäuse entsprechende Kanäle und Kavitäten auch über den Sensorbereich erzeugt werden müssen. Dabei müssen die Kanäle so geführt werden, dass Bereiche des Bauelements, die nicht mit den Medien in Kontakt kommen sollen, zuverlässig abgedichtet sind. Mit den oben erwähnten Sensoren werden diese Probleme nicht gelöst, da sie sich auf Kanalstrukturen und Kavitäten auf Halbleiterchipoberflächen beschränken und notwendige Kanäle und Kavitäten in der Kunststoffgehäusemasse nicht berücksichtigen, oder diese Übergänge mit aufwendigen Opfermetallkonstruktionen lösen. Die oben erwähnten Verfahren zum Herstellen von Medienkanälen haben darüber hinaus die nachfolgenden Nachteile:
- 1. die eingesetzten Prozesse sind keine Standardmontageprozesse und sind nicht kompatibel zu bestehenden Halbleitertechnologieprozessen;
- 2. die oben erwähnten Verfahren sind lediglich für geringe Stückzahlen geeignet, da sie über einen geringen Automatisierungsgrad verfügen, und somit nicht für eine Massenfertigung brauchbar sind;
- 3. ferner sind die Miniaturisierungsmöglichkeiten der oben genannten Verfahren wegen der erforderlichen Abdeckung offener Medienkanäle oder wegen des Einbaus von Opfermetallteilen äußerst begrenzt. Bei den oben erwähnten Verfahren ergeben sich hohe Montagekosten.
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Die Druckschrift
US 6 753 200 B2 offenbart ein Verfahren zum Herstellen von zweidimensionalen und dreidimensionalen Mikrokanälen für Molekularuntersuchungen, bei dem eine Opferschicht mittels nasschemischen Äztens entfernt wird.
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Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile im Stand der Technik zu überwinden und ein Halbleiterbauteil mit Medienkanälen anzugeben, das eine nahezu beliebig strukturierbare Medienkanalstruktur aufweist, in welcher Flüssigkeiten oder Gase an beliebigen Bauteilkomponenten zu- und ableitbar sind und die kostengünstig in einer Massenfertigung herstellbar ist.
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Diese Aufgabe wird mit dem Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Erfindungsgemäß wird ein Halbleiterbauteil mit mindestens einem Medienkanal geschaffen, wobei das Halbleiterbauteil mindestens folgende Komponenten aufweist, mindestens einen Halbleiterchip mit Randseiten und einer Oberseite mit einem Sensorbereich, ein Verdrahtungssubstrat und elektrische Verbindungselemente zwischen dem Halbleiterchip und dem Verdrahtungssubstrat und eine diese Komponenten einbettende Kunststoffgehäusemasse. Dabei ist der Medienkanal in die Kunststoffgehäusemasse eingeprägt und erstreckt sich entlang der Grenzflächen zwischen Kunststoffgehäusemasse und den Komponenten des Halbleiterbauteils. Der Medienkanal erstreckt sich entlang der Oberseite des Verdrahtungssubstrats, an mindestens einer der Randseiten des Halbleiterchips und entlang der Oberseite des Halbleiterchips und mindestens teilweise auf dem Sensorbereich des Halbleiterchips. Der Medienkanal weist mindestens einen Eingangsbereich und einen Ausgangsbereich auf, die auf dem Verdrahtungssubstrat und/oder auf dem Halbleiterchip angeordnet sind und in die Kunststoffgehäusemasse hineinragen, wobei der Eingangsbereich mit einer Eingangsöffnung und der Ausgangsbereich mit einer Ausgangsöffnung verbunden sind.
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Dieses Halbleiterbauteil hat den Vorteil, dass der Medienkanal nicht auf die Oberfläche des Halbleiterchips begrenzt ist, sondern sich entlang sämtlicher Grenzflächen zwischen Kunststoffgehäusemasse und den Komponenten, wie Verdrahtungssubstrat und Halbleiterchip, erstreckt. Somit kann in vorteilhafter Weise das Medium in Form von Fluiden oder Gas auch außerhalb der Grenzfläche zwischen Halbleiterchip und Kunststoffgehäusemasse geführt werden. Beispielsweise kann das Medium auf der Oberseite des Verdrahtungssubstrats zugeführt werden und anschließend über die Randseiten des Halbleiterchips die Oberseite des Halbleiterchips erreichen. Die Randseiten und die Oberseite des Halbleiterchips bilden nämlich ebenfalls Grenzflächen zu der Kunststoffgehäusemasse aus, in die der Medienkanal eingeprägt ist. Somit kann das Medium über Grenzflächen zwischen Verdrahtungssubstrat und Kunststoffgehäusemasse herausgeführt werden, die örtlich vom Bereich der Einführung des Mediums in den Medienkanal, beispielsweise auf dem Verdrahtungssubstrat, getrennt angeordnet sind. Auch ist es möglich, beispielsweise den Zuführungsbereich des Medienkanals auf der Oberfläche des Halbleiterchips beginnen zu lassen und von dort aus zu einer Grenzfläche zwischen Kunststoffgehäusemasse und Oberfläche des Verdrahtungssubstrats zu führen, sowie umgekehrt.
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Das Halbleiterbauteil eröffnet mit dem erfindungsgemäßen Medienkanal, der in die Kunststoffgehäusemasse eingeprägt ist und sich entlang der Grenzfläche zwischen Kunststoffgehäusemasse und den Komponenten des Halbleiterbauteils erstreckt, die Möglichkeit des Zuführens und Abführens von Medien zum Sensorbereich eines Halbleiterchips durch eine beliebig gestaltete Kunststoffgehäusemasse im Grenzflächenbereich zwischen Komponenten und Kunststoffgehäusemasse.
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Der Medienkanal weist mindestens einen Eingangsbereich und einen Ausgangsbereich auf. Sowohl der Eingangsbereich, als auch der Ausgangsbereich sind auf dem Verdrahtungssubstrat angeordnet und ragen von dem Verdrahtungssubstrat in die Kunststoffgehäusemasse hinein. Dies hat den Vorteil, dass relativ beliebige Querschnitte des Medienkanals realisiert werden, wobei die einzige Begrenzung die Dicke der Kunststoffgehäusemasse ist. Das bedeutet, die Kanalhöhe darf die Dicke der Kunststoffgehäusemasse nicht überschreiten, da sonst der Medienkanal offen wäre, bzw. an der Bauteiloberseite freiliegen würde.
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Weiterhin erstreckt sich der Medienkanal entlang der Oberseite der Verdrahtungsstruktur und entlang mindestens einer Randseite des Halbleiterchips, sowie entlang der Oberseite des Halbleiterchips. Damit wird erreicht, dass das eingeleitete Medium über die Randseiten des Halbleiterchips und die Oberseite des Halbleiterchips zum Verdrahtungssubstrat hin strömen, oder in entgegengesetzter Richtung fließen kann.
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Der Halbleiterchip weist einen Sensorbereich auf, wobei der Medienkanal sich zumindest teilweise auf dem Sensorbereich des Halbleiterchips erstreckt. Das hat den Vorteil, dass der Medienkanal, der sich sowohl an den Randseiten des Halbleiterchips, als auch auf der Oberseite des Verdrahtungssubstrats befindet, nur auf begrenzten Bereichen der Oberseite des Halbleiterchips eine Kavität ausbildet, in der das Medium den sensitiven Bereich des Halbleiterchips berühren kann. Bereiche der aktiven Oberseite des Halbleiterchips, die beispielsweise nicht sensitive Bauelemente wie Transistoren, Dioden oder Kontaktanschlussflächen aufweisen, werden automatisch durch die Kunststoffgehäusemasse vor dem Medium geschützt, da die Oberseite des Halbleiterchips nur teilweise von dem Medienkanal bedeckt wird.
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In einer Ausführungsform der Erfindung ist ein Netzwerk von Medienkanälen vorgesehen, die in die Kunststoffgehäusemasse an den Grenzflächen der Komponenten eingeprägt sind wobei das Halbleiterbauteil mindestens eine Eingangsöffnung und eine Ausgangsöffnung aufweist, die über Verbindungskanäle mit den Eingangsbereichen bzw. den Ausgangsbereichen verbunden sind. Da die Medienkanäle auf den Grenzflächen der Komponenten zu der Kunststoffgehäusemasse angeordnet sind, ist eine einfache, relativ preiswerte Lösung dadurch zu erreichen, dass eine Eingangsöffnung und eine Ausgangsöffnung vorzugsweise auf gegenüberliegenden Randseiten des Halbleiterbauteils angeordnet sind. Diese Eingangsöffnung und Ausgangsöffnung werden beim Trennen, beispielsweise eines Nutzens, mit mehreren Halbleiterbauteilen automatisch freigelegt.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist das Halbleiterbauteil eine Eingangsöffnung und eine Ausgangsöffnung auf, die auf der Oberseite des Halbleiterbauteils angeordnet sind, wobei vertikale Verbindungskanäle die Eingangsöffnung bzw. die Ausgangsöffnung mit einem Eingangsbereich bzw. einem Ausgangsbereich auf dem Verdrahtungssubstrat verbinden. In diesem Fall erstreckt sich der Verbindungskanal nicht in der Ebene der Medienkanäle, die wie oben erwähnt auf den Grenzflächen zwischen den Komponenten und der Kunststoffgehäusemasse angeordnet sind, sondern die Verbindungskanäle sind in dieser Ausführungsform der Erfindung vertikal und werden durch einen gesonderten Verfahrensschritt in die Kunststoffmasse eingearbeitet. Dieser Verfahrensschritt kann kostengünstig mit Hilfe von Laserablation erfolgen, indem von der Oberseite des Halbleiterbauteil aus, vertikale Verbindungskanäle zu den auf den Grenzflächen angeordneten Eingangs- bzw. Ausgangsbereich auf dem Verdrahtungssubstrat eingebracht werden.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Halbleiterbauteil mehrere Halbleiterchips aufweist und somit ein Halbleitermodul bildet, wobei das oben erwähnte Netzwerk von Medienkanälen in der Kunststoffgehäusemasse auf der Grenzfläche zwischen Kunststoffgehäusemasse und den Komponenten des Halbleiterbauteils angeordnet ist. Weiterhin ist es vorgesehen, dass der Halbleiterchip einen Biosensor, einen Gassensor oder ein Fluidsensor aufweist, die über entsprechende Medienkanäle auf der Grenzfläche zwischen Komponenten und Kunststoffgehäusemasse mit den Medien versorgt werden.
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Ein Verfahren zur Herstellung von Halbleiterbauteilen jeweils mit mindestens einem Medienkanal weist die nachfolgenden Verfahrensschritte auf. Zunächst wird ein Verdrahtungssubstrat mit einer Vielzahl von Halbleiterbauteilpositionen hergestellt. Anschließend wird das Verdrahtungssubstrat mit Halbleiterchips mit Randseiten und jeweils einer Oberseite mit einem Sensorbereich in den Halbleiterbauteilpositionen bestückt. Danach wird eine Medienkanalstruktur aus Opferpolymeren auf die Oberseite des Verdrahtungssubstrats sowie auf die Randseiten und die Oberseiten und zumindest teilweise auf die Sensorbereiche der Halbleiterchips aufgebracht, wobei entweder das Verdrahtungssubstrat mit den Halbleiterchips mittels elektrischer Verbindungselemente vor dem Aufbringen der Opferpolymer verbunden werden, oder das Verdrahtungssubstrat mit den Halbleiterchips mittels elektrischer Verbindungselemente nach Aufbringen der Opferpolymer verbunden werden. Schließlich wird das Verdrahtungssubstrat mit Halbleiterchips sowie die Verbindungselemente und die Medienkanalstruktur in eine Kunststoffgehäusemasse eingebettet.
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Als nächstes erfolgt dann ein Erwärmen des Verdrahtungssubstrats auf eine Zersetzungstemperatur der Opferpolymere unter Diffusion der entstehenden flüchtigen Zersetzungsprodukte durch die Kunststoffgehäusemasse und unter Ausbilden von Medienkanälen. Schließlich wird das Verdrahtungssubstrat mit der Kunststoffgehäusemasse und den darin ausgebildeten Medienkanälen, sowie mit den Halbleiterchips und ihren Verbindungselementen in einzelne Halbleiterbauteile mit jeweils mindestens einem Medienkanal mit jeweils mindestens einer Eingangs- und Ausgangsöffnung getrennt.
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Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass mit Hilfe der Opferpolymere eine nahezu beliebige Medienkanalstruktur in jeder der Halbleiterbauteilpositionen ausgebildet werden kann. Das Aufbringen und Strukturieren der Opferpolymere kann mit Hilfe bekannter Halbleitertechnologieprozesse auf einem Nutzen durchgeführt werden und ist somit vollständig kompatibel zu herkömmlichen Halbleiterfertigungsprozessen und ist auch für eine Massenfertigung geeignet.
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Vor einem Auftrennen des Verdrahtungssubstrats in einzelne Halbleiterbauteile an den einzelnen Halbleiterbauteilpositionen kann die Unterseite des Verdrahtungssubstrats mit Außenkontakten bestückt werden. Dabei sind vorzugsweise als Außenkontakte Lotbälle vorgesehen, die in einem automatisierten Prozess an den entsprechenden Stellen der Unterseite des Verdrahtungssubstrats auflötbar sind. Weiterhin ist es vorgesehen, dass das elektrische Verbinden des Verdrahtungssubstrats mit den Halbleiterchips mittels Bonden von Bonddrähten zwischen Kontaktflächen der Halbleiterchips und Kontaktanschlussflächen des Verdrahtungssubstrats in den Halbleiterbauteilpositionen erfolgt. In diesem Fall ist es vorteilhaft, wenn ein derartiges Bonden erst nach dem Aufbringen einer Medienkanalstruktur aus Opferpolymeren erfolgt, um das Aufbringen der Medienkanalstruktur optimal durchführen zu können, ohne auf die empfindlichen Bondverbindungen Rücksicht nehmen zu müssen.
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In einer weiteren bevorzugten Durchführungsform des Verfahrens wird das elektrische Verbinden des Verdrahtungssubstrats mit den Halbleiterchips mittels Anlöten von Flipchip-Kontakten der Halbleiterchips an Kontaktanschlussflächen des Verdrahtungssubstrats in den Bauteilpositionen durchgeführt. Bei dieser Art des elektrischen Verbindens wird das Aufbringen einer Medienkanalstruktur aus Opferpolymer auf der Oberseite des Verdrahtungssubstrats und den Randseiten und den Oberseiten mit einem Sensorbereich des Halbleiterchips nach dem elektrischen Verbinden des Halbleiterchips mit dem Verdrahtungssubstrat durchgeführt.
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Liegt der Sensorbereich bei dem Halbleiterchip mit Flipchip-Kontakten jedoch auf der die Flipchip-Kontakte aufweisenden Oberseite, so erfolgt auch hier das Aufbringen einer Medienkanalstruktur aus Opferpolymer vor dem Aufsetzen des Halbleiterchips mit seinen Flipchip-Kontakten auf das Verdrahtungssubstrat. Ein Vorteil der letzteren Verfahrensvariante, auf die lediglich zum Zweck der Veranschaulichung hingewiesen wird, liegt darin, dass die Medienkanalstruktur auf die Oberfläche des Verdrahtungssubstrats komplett aufgebracht werden kann und keine Randseiten von Halbleiterchips zu überwinden sind.
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Für das Aufbringen der Medienkanalstruktur aus Opferpolymeren stehen unterschiedliche Techniken zur Verfügung. Vorzugsweise werden Drucktechniken, wie Siebdrucktechnik oder Schablonendrucktechnik, oder auch Strahldrucktechnik angewandt. Während bei der Siebdrucktechnik und der Schablonendrucktechnik eine entsprechende Maske aus einem Sieb oder aus einer Schablone zur Verfügung gestellt werden muss, kann bei der Strahldrucktechnik, ähnlich wie beim Tintenstrahldrucken, das Opferpolymer in den Halbleiterbauteilpositionen des Verdrahtungssubstrats ohne Maske aufgedruckt werden.
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Vollständig kompatibel mit herkömmlichen Halbleiterprozessen ist es jedoch, wenn zum Aufbringen der Medienkanalstruktur zunächst eine geschlossene Schicht aus einem Opferpolymer auf das mit Halbleiterchips bestückte Verdrahtungssubstrat aufgebracht wird. Anschließend wird die Opferpolymerschicht mittels Photolithographie strukturiert. Diese Vorgehensweise ist standardisiert und kann zu äußerst präzisen und mikroskopisch kleinen Strukturen führen. Das Einbetten des Verdrahtungssubstrats mit Halbleiterchips, Verbindungselementen und Medienkanalstruktur in eine Kunststoffgehäusemasse kann mittels Dispenstechniken oder mittels Spritzgusstechniken bzw. durch Molden erfolgen. Dabei ist lediglich darauf zu achten, dass die Kunststoffgehäusemasse eine höhere Zersetzungstemperatur aufweist, als das Opferpolymer.
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Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Figuren näher erläutert.
- 1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Halbleiterbauteil mit Medienkanal gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
- 2 bis 10 zeigen Prinzipskizzen für die Herstellung eines Halbleiterbauteils gemäß 1;
- 2 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Verdrahtungssubstrat mit mehreren Halbleiterbauteilpositionen, das mit Halbleiterchips in den Halbleiterbauteilpositionen bestückt ist;
- 3 zeigt eine schematische Draufsicht auf das Verdrahtungssubstrat, gemäß 2 nach Aufbringen von Verbindungselementen zwischen Halbleiterchips und Verdrahtungssubstrat in den Halbleiterbauteilpositionen;
- 4 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Verdrahtungssubstrat gemäß 3 nach Aufbringen einer Medienkanalstruktur;
- 5 zeigt eine schematische Draufsicht auf das Verdrahtungssubstrat gemäß 4;
- 6 zeigt einen Querschnitt durch das Verdrahtungssubstrat gemäß 5 nach Aufbringen einer Kunststoffgehäusemasse;
- 7 zeigt einen Querschnitt durch das Verdrahtungssubstrat gemäß 6 beim Zersetzen des Opferpolymers der Medienkanalstruktur;
- 8 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Verdrahtungssubstrat gemäß 7 nach Aufbringen von Außenkontakten;
- 9 zeigt eine im Bereich der Medienkanalstruktur geschnittene schematische Draufsicht auf ein einzelnes Halbleiterbauteil nach Auftrennen des Verdrahtungssubstrats gemäß 8;
- 10 zeigt einen schematischen Querschnitt durch das Halbleiterbauteil mit Medienkanal gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung;
- 11 zeigt eine im Bereich der Medienkanalstruktur geschnittene schematische Draufsicht auf ein einzelnes Halbleiterbauteil gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
- 12 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Halbleiterbauteil mit Medienkanal gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung.
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1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Halbleiterbauteil 1 mit Medienkanal 3 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Dazu weist das Halbleiterbauteil 1 ein Verdrahtungssubstrat 5 mit einer Oberseite 11 auf. Auf der Oberseite 11 des Verdrahtungssubstrats 5 ist ein Halbleiterchip 4 mit seiner Rückseite 26 angeordnet. Das Verdrahtungssubstrat 5 weist hier nicht gezeigte Kontaktanschlussflächen auf seiner Oberseite 11 auf, und ist über hier nicht gezeigte Bonddrähte mit entsprechenden hier nicht gezeigten Kontaktflächen auf der aktiven Oberseite 14 des Halbleiterchips 4 elektrisch verbunden. Diese nicht gezeigten Verbindungselemente sind Bonddrähte, die in eine Kunststoffgehäusemasse 7 eingebettet sind und die sich nicht in dem hier im Querschnitt gezeigten Medienkanal 3 befinden.
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Der Medienkanal 3 erstreckt sich auf den Grenzflächen 8 zwischen der Kunststoffgehäusemasse 7 und den Komponenten des Halbleiterbauteils 1 , nämlich auf der Oberseite 11 des Verdrahtungssubstrats 5 , den Randseiten 12 und 13 des Halbleiterchips 4 und der Oberfläche 14 des Halbleiterchips 4 . Dabei ragt der Medienkanal 3 in die Kunststoffgehäusemasse 7 hinein und weist in dieser ersten Ausführungsform der Erfindung eine auf der Randseite 27 des Halbleiterbauteils 1 angeordnete Eingangsöffnung 16 in einem Eingangsbereich 9 des Medienkanals 3 auf. An der gegenüberliegenden Randseite 28 des Halbleiterbauteils 1 mündet der Medienkanal 3 in eine Ausgangsöffnung 17 im Ausgangsbereich 10 des Medienkanals 3 . Die Eingangsöffnung 16 und die Ausgangsöffnung 17 entstehen automatisch beim Auftrennen eines Nutzens mit einer Vielzahl darauf angeordneter Halbleiterbauteilpositionen. Somit ist es preiswert möglich, derartige Halbleiterbauteile mit seitlichen Öffnungen 16 und 17 für Medieneingang bzw. Medienausgang zu schaffen.
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Da sich der Medienkanal 3 auf den Grenzflächen 8 der Komponenten des Halbleiterbauteils 1 erstreckt, kann das Medium von dem Eingangsbereich 9 auf der Oberseite 11 des Verdrahtungssubstrats 5 zu dem Randbereich 12 des Halbleiterchips 4 geführt werden, und über den Randbereich 12 auf die aktive Oberseite 14 des Halbleiterchips 4 und über den dort angeordneten Sensorbereich 15 zu dem Ausgangsbereich 10 des Medienkanals 3 auf dem Verdrahtungssubstrat 5 strömen und aus der Ausgangsöffnung 17 auf der Randseite 28 des Halbleiterbauteils 1 austreten. Dabei kann sich der Medienkanal 3 im Sensorbereich 15 derart flächig erweitern, dass eine Kavität den gesamten Sensorbereich 15 freihält. Über die Randseite 13 des Halbleiterbauteils 4 als weitere Grenzfläche kann dann das Medium in den Medienkanal 3 zu dem Ausgangsbereich 10 strömen.
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Um die Messsignale nach außen zu führen, weist das Halbleiterbauteil 1 auf der Unterseite 23 des Verdrahtungssubstrats 5 Außenkontakte 24 auf. Diese Außenkontakte 24 stehen ihrerseits mit den oben erwähnten Kontaktanschlussflächen auf der Oberseite 11 des Verdrahtungssubstrats 5 elektrisch in Verbindung. Diese internen elektrischen Verbindungen und Verbindungselemente sind jedoch in dieser Querschnittsansicht nicht zu sehen, da sie in die Kunststoffgehäusemasse 7 außerhalb des Medienkanals 3 eingebettet sind.
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Die 2 bis 10 zeigen Prinzipskizzen für die Herstellung eines Halbleiterbauteils 1 gemäß 1. Komponenten mit gleichen Funktionen wie in 1 werden in den 2 bis 10 mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und nicht extra erörtert.
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2 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Verdrahtungssubstrat 5 mit mehreren Halbleiterbauteilpositionen 20 , das mit Halbleiterchips 4 in den Halbleiterbauteilpositionen 20 bestückt ist. Dabei sind die Halbleiterchips 4 mit ihren Rückseiten 26 auf der Oberseite 11 des Verdrahtungssubstrats 5 angeordnet. Die aktive Oberseite 14 der Halbleiterchips 4 mit dem Sensorbereich 15 ist in 2 frei zugänglich. Ein derartiges Verdrahtungssubstrat 5 mit mehreren Halbleiterbauteilpositionen 20 wird auch Nutzen 29 genannt.
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3 zeigt eine schematische Draufsicht auf das Verdrahtungssubstrat 5 gemäß 2 nach Aufbringen von Verbindungselementen 6 zwischen Halbleiterchips 4 und Verdrahtungssubstrat 5 in den Halbleiterbauteilpositionen 20 . In dieser Ausführungsform der Erfindung wird nur ein Verdrahtungssubstratstreifen mit einer einzelnen Zeile von Halbleiterbauteilpositionen 20 gezeigt. Es ist jedoch auch möglich, dass die Halbleiterbauteilpositionen 20 in Zeilen und Spalten auf einem großen Verdrahtungssubstrat 5 angeordnet sind.
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Jeder der Halbleiterchips 4 weist in seinem Zentrum einen Sensorbereich 15 auf, wobei die Verbindungselemente 6 in Form von Bonddrähten 25 auf Kontaktflächen des Halbleiterchips 4 außerhalb des eigentlichen Sensorbereichs 15 angeordnet sind. In dieser Ausführungsform der Erfindung ist bemerkenswert, dass die Randseiten 12 und 13 des Halbleiterchips 4 frei von Bondverbindungen gehalten sind, und Bondverbindungen sich lediglich auf den Randseiten 30 und 31 erstrecken. Dies hat für den weiteren Lauf des Herstellungsverfahrens, wie es in den nachfolgenden 4 bis 10 gezeigt wird, einen Vorteil.
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4 zeigt einen schematischen Querschnitt durch das Verdrahtungssubstrat 5 gemäß 3 nach Aufbringen einer Medienkanalstruktur 21 . Die Medienkanalstruktur 21 wird aus einem Opferpolymer 22 gebildet, das weniger als 5 ppm Metallanteile enthält und durch ein Schleudersprühverfahren aufgetragen werden kann. In einer Inertgasatmosphäre kann das Lösungsmittel dieses Polymers verdampft werden und einen Thermoplasten bei ungefähr 200 °C innerhalb von 2 Stunden ausbilden. Die Medienkanalstruktur 21 kann mit Hilfe von Standardphotolithographietechniken vorbereitet und durch reaktives Ionenätzen strukturiert werden, wobei die Ätzzeit von der Dicke der aufgebrachten Opferpolymerschicht abhängt. Eine Zersetzung dieses Materials setzt bei etwa 350 °C ein und wird vorteilhaft bei Temperaturen zwischen 400 °C und 430 °C für etwa 1 bis 2 Stunden vollständig in flüchtige Zersetzungsbestandteile zersetzt.
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5 zeigt eine schematische Draufsicht auf das Verdrahtungssubstrat 5 gemäß 4, wobei die Medienkanalstruktur 21 sichtbar ist. Die Medienkanalstruktur 21 verbreitert sich auf der Oberseite 14 des Halbleiterbauteils 4 , so dass der gesamte Sensorbereich 15 von der Medienkanalstruktur 21 bedeckt ist, jedoch die Bonddrähte 25 bleiben von der Medienkanalstruktur 21 frei. Zwischen den Halbleiterbauteilpositionen 20 sind an den Grenzen, die mit einer strichpunktierten Linie 32 markiert sind, die Eingangsbereiche 9 und die Ausgangsbereiche 10 der Medienkanalstruktur 21 angeordnet.
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6 zeigt einen Querschnitt durch das Verdrahtungssubstrat 5 gemäß 5 nach Aufbringen einer Kunststoffgehäusemasse 7 . Diese Kunststoffgehäusemasse 7 bildet mit ihrer ebenen Oberseite 19 in den Halbleiterbauteilpositionen 20 gleichzeitig die Oberseiten 19 der Halbleiterbauteile.
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7 zeigt einen Querschnitt durch das Verdrahtungssubstrat 5 gemäß 6 beim Zersetzen des Opferpolymers der Medienkanalstruktur 21 . Dazu wird das Verdrahtungssubstrat 5 mit der Kunststoffgehäusemasse 7 und dem Opferpolymer 22 , wie es noch in den 4, 5 und 6 gezeigt wird, bei einer Temperatur zwischen 400 °C und 450 °C in flüchtige Bestandteile zersetzt, die durch die Kunststoffgehäusemasse 7 nach außen in Pfeilrichtung 33 diffundieren und einen Medienkanal 3 zurücklassen, der sich auf der Halbleiteroberseite 14 zu einer Kavität 34 erweitert.
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Noch vor einem Trennen des Nutzens 29 , wie er in 7 gezeigt wird, in einzelne Halbleiterbauteile, können Außenkontakte auf die Unterseite 23 des Verdrahtungssubstrats 5 aufgebracht werden.
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8 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Verdrahtungssubstrat 5 gemäß 7 nach Aufbringen von Außenkontakten 24 . Nach diesem letzten Schritt ist es nun möglich, entlang der strichpunktierten Linien 32 den Nutzen 29 bzw. das Verdrahtungssubstrat 5 mit Medienkanal 3 und Kunststoffgehäusemasse 7 in einzelne Halbleiterbauteile zu trennen. Das Ergebnis zeigt die nachfolgende Figur.
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9 zeigt eine im Bereich der Medienkanalstruktur 21 geschnittene schematische Draufsicht auf ein einzelnes Halbleiterbauteil 1 nach Auftrennen des Verdrahtungssubstrats 5 gemäß 8. In dieser Ausführungsform der Erfindung entspricht die Kavität 34 nicht vollständig der Größe des Sensorbereichs 15 des Halbleiterchips 4 , wie es in den vorhergehenden Figuren gezeigt wird, sondern die Kavität 34 erstreckt sich nur teilweise über den Sensorbereich 15 und ist in dieser Ausführungsform der Erfindung strömungsgünstig vom Eingangsbereich 9 zum Ausgangsbereich 10 im Bereich des Sensorbereichs 34 gestaltet. Die Bonddrähte 25 sind jedoch vollständig in die Kunststoffgehäusemasse 7 eingebettet, wobei die Position der Bonddrähte 25 hier nur schematisch dargestellt ist.
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10 zeigt einen schematischen Querschnitt entlang der Schnittlinie A-A der 9 durch das Halbleiterbauteil 1 mit Medienkanal 3 gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung. Da die 10 der 1 entspricht, wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf eine detaillierte Beschreibung der 10 verzichtet. Jedoch ist nochmals darauf hinzuweisen, dass allein durch das Trennen der einzelnen Halbleiterbauteilpositionen, wie sie 8 zeigt, die Öffnungen 16 und 17 an den Randseiten 27 und 28 des Halbleiterbauteils 1 entstehen. Damit steht ein Verfahren zur Herstellung derartiger Medienkanäle 3 zur Verfügung, das ohne zusätzliche Verfahrensschritte einen Übergang von dem Eingangsbereich 9 und dem Ausgangsbereich 10 zu der Kavität 34 über dem Sensorbereich 15 innerhalb eines Halbleiterbauteils 1 schafft.
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11 zeigt einen im Bereich der Medienkanalstruktur 21 geschnittene schematische Draufsicht auf ein einzelnes Halbleiterbauteil 2 gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Komponenten mit gleichen Funktionen wie in den vorhergehenden Figuren werden mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und nicht extra erörtert. Der Unterschied zu der ersten Ausführungsform der Erfindung besteht darin, dass der Eingangsbereich 16 und der Ausgangsbereich 17 nicht zu den Randseiten 27 und 28 des Halbleiterbauteils 2 herausgeführt werden, sondern auf dem Verdrahtungssubstrat 5 eine verbreiterte Kavität angeordnet wird, die als Eingangsbereich 9 und Ausgangsbereich 10 des Medienkanals 3 zur Verfügung steht.
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12 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Halbleiterbauteil 2 mit Medienkanal 3 gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung. Der Eingangsbereich 9 und Ausgangsbereich 10 sind, wie in 11 gezeigt, auf der Oberseite 11 des Verdrahtungssubstrats 5 angeordnet, wobei keine seitliche Öffnung zu den Randseiten 27 und 28 des Halbleiterbauteils 2 existiert. Eine Eingangsöffnung 16 und eine Ausgangsöffnung 17 sind vielmehr auf der Oberseite 19 des Halbleiterbauteils 2 angeordnet, und über vertikale Verbindungskanäle 18 mit dem Eingangsbereich 9 bzw. dem Ausgangsbereich 10 des Medienkanals auf den Grenzflächen der Halbleiterbauteilkomponenten verbunden. Die Struktur der Eingangsöffnung 16 und der Ausgangsöffnung 17 sowie der vertikalen Verbindungskanäle 18 wird in dieser zweiten Ausführungsform der Erfindung durch Laserablation von der Oberseite 19 der Kunststoffgehäusemasse 7 aus eingebracht.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Halbleiterbauteil (1. Ausführungsform)
- 2
- Halbleiterbauteil (2. Ausführungsform)
- 3
- Medienkanal
- 4
- Halbleiterchip
- 5
- Verdrahtungssubstrat
- 6
- elektrische Verbindungselemente
- 7
- Kunststoffgehäusemasse
- 8
- Grenzfläche zwischen Kunststoffgehäusemasse und den Komponenten des Halbleiterbauteils
- 9
- Eingangsbereich
- 10
- Ausgangsbereich
- 11
- Oberseite des Verdrahtungssubstrats
- 12
- Randseite des Halbleiterchips
- 13
- Randseite des Halbleiterchips
- 14
- Oberseite des Halbleiterchips
- 15
- Sensorbereich
- 16
- Eingangsöffnung
- 17
- Ausgangsöffnung
- 18
- Verbindungskanal
- 19
- Oberseite des Halbleiterbauteils
- 20
- Halbleiterbauteilposition
- 21
- Medienkanalstruktur
- 22
- Opferpolymer
- 23
- Unterseite des Verdrahtungssubstrats
- 24
- Außenkontakt
- 25
- Bonddraht
- 26
- Rückseite des Halbleiterchips
- 27
- Randseite des Halbleiterbauteils
- 28
- Randseite des Halbleiterbauteils
- 29
- Nutzen
- 30
- Randseite des Halbleiterchips
- 31
- Randseite des Halbleiterchips
- 32
- strichpunktierte Linie
- 33
- Pfeilrichtung
- 34
- Kavität
