DE102005034011B4 - Halbleiterbauteil für Hochfrequenzen über 10 GHz und Verfahren zur Herstellung desselben - Google Patents
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Abstract
Halbleiterbauteil
für Hochfrequenzen über 10 GHz
mit einem Halbleiterchip (4) auf einem Verdrahtungssubstrat (17),
der auf seiner aktiven Oberseite (5) einen Hochfrequenzbereich (6)
und einen niederfrequenten und/oder einen gleichspannungsversorgten
Bereich (7) aufweist, wobei der Halbleiterchip (4) mit seinem niederfrequenten
bzw. gleichspannungsversorgten Bereich (7) in eine Kunststoffgehäusemasse
(8) eingebettet ist und die Kunststoffgehäusemasse (8) von dem Hochfrequenzbereich
(6) auf der aktiven Oberseite (5) des Halbleiterchips (4) durch
einen Hohlraum (27) beabstandet angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet,
dass der Hochfrequenzbereich (6) mindestens eine Kontaktfläche (14)
mit einem Bonddraht (15) aufweist, der teilweise in dem Hohlraum
(27) und teilweise in der Kunststoffgehäusemasse (8) angeordnet ist zur
Verbindung mit Kontaktanschlussflächen (16) auf dem Verdrahtungssubstrat
(17).
Description
- Die Erfindungen betreffen ein Halbleiterbauteil für Hochfrequenzen über 10 GHz gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie es aus der
DE 103 10 617 A1 bekannt ist und ein Verfahren zur Herstellung desselben. Dazu weist das Halbleiterbauteil einen Halbleiterchip auf, der auf seiner aktiven Oberseite einen Hochfrequenzbereich und einen niederfrequenten und/oder einen gleichspannungsversorgten Bereich aufweist. Dabei kann der Halbleiterchip mit seinem niederfrequenten bzw. gleichspannungsversorgten Bereich ohne Probleme in eine Kunststoffgehäusemasse mit einer relativen Dielektrizitätszahl von 3 bis 5 eingebettet werden. Bei elektronischen Bauelementen, die mit Hochfrequenz beaufschlagt werden, beeinflussen derartige Materialien einer Kunststoffgehäusemasse der direkten Umgebung der Leiterbahnen die elektrischen Eigenschaften des Hochfrequenzbauteils, und schränken die Verarbeitbarkeit und die Integrität hochfrequenter Signale deutlich ein. - Dabei beeinflusst die Dielektrizitätskonstante ε mit ε = εr·ε0 – wobei ε0 die absolute Dielektrizitätskonstante im Vakuum und εr die relative Dielektrizitätskonstante sind – die Signalausbreitungsgeschwindigkeit, die proportional zu ε–1/2 ist. Deshalb werden für Hochfrequenzhalbleiterbauelemente niedrige Werte der relativen Dielektrizitätskonstanten εr angestrebt, um hohe Ausbreitungsgeschwindigkeiten und somit geringe Verzögerungszeiten zu erreichen. Darüber hinaus beeinflusst die Dielektrizitätskonstante die Wechselstromwiderstände der Leiterbahnen, da die Impedanzen etwa proportional zu ε zunehmen. Ein weiterer physikalischer Faktor, der von dem umgebenden Material abhängig ist, ist der so genannte Verlustfaktor tanδ. Der Verlustfaktor tanδ bestimmt die Dispersion bzw. die Verzerrung eines Signals. Ein hoher Verlustfaktor bewirkt ein Auseinanderlaufen des Signals, sodass ein Rechteckimpuls seine Form nicht beibehält. Deshalb besteht auch hier der Bedarf eines niedrigen Verlustfaktors für Hochfrequenzbauteile, da bspw. dann die Rechteckimpulse ihre Form während der Laufzeit über eine vorgegebene Strecke nahezu unverzerrt beibehalten.
- Die gegenwärtigen Kunststoffgehäusemassen aus gefüllten Kunststoffen, wie Duroplasten oder Thermoplasten, weisen einen typischen Wert für die Dielektrizitätszahl bzw. die relative Dielektrizitätskonstante εr von ungefähr 3 bis 5 auf und einen Verlustfaktor tanδ von ungefähr 0,01. Dabei sind diese Werte sowohl temperatur- als auch frequenzabhängig, wobei sich die obigen Werte auf Hochfrequenzen von etwa 1 GHz beziehen, und die Wechselwirkung mit dem umgebenden Material sowie die Rückwirkung auf die elektrischen Eigenschaften mit zunehmender Frequenz immer kritischer werden. Andererseits kann auf ein Kunststoffmaterial zum Schutz der Oberfläche der Hochfrequenzhalbleiterchips und der integrierten Schaltkreise auf diesen Halbleiterchips nicht verzichtet werden, um die Zuverlässigkeit und Lebensdauer derartiger Halbleiterbauteile zu gewährleisten. Die oben erwähnten Materialeigenschaften in Bezug auf die Dielektrizitätszahl εr und auf den Verlustfaktor tanδ begrenzen die Anwendbarkeit üblicher Gehäusetechnologien auf bestimmte Hochfrequenzanwendungen, wobei sich die Hochfrequenzeigenschaften der Halbleiterbauelemente ab einer bestimmten Grenzfrequenz stark einschränken und verschlechtern.
- Diese Grenzfrequenzen liegen bisher bei einigen GHz, sodass ein Bedarf besteht, diese Grenzfrequenzen weiter hinauszuschieben in den Bereich von mehreren 10 GHz bis zu wenigen 100 GHz. Um diese Grenzen hinauszuschieben, werden bevorzugt Hohlraumgehäuse eingesetzt, bei denen die internen elektrischen Verbindungselemente, wie Drahtverbindungen, nun nicht mehr von Kunststoff eingehüllt werden, mit dem Nachteil, dass derartige freiliegende Drahtverbindungen die Zuverlässigkeit der Halbleiterbauelemente stark herabsetzen. Andere Lösungsansätze arbeiten mit Flip-Chip-Kontakten, um die Drahtverwehung zu vermeiden und die Länge der Verbindungselemente zu verkürzen. Doch auch diese stoßen in Abhängigkeit der Größe der Flip-Chip-Kontakte an Grenzfrequenzen, wenn es um Hochfrequenzsignale über 10 GHz geht.
- Aus der Druckschrift
US 6,446,316 B1 ist das Einkapseln von SAW-Komponenten, so genannten "Surface Akustic Wave"-Filtern, bekannt. Dabei wird beim Einkapseln eine Kappe auf das Halbleitersubstrat gesetzt, um die Hochfrequenzkomponenten vor einem Kontakt mit der Kunststoffgehäusemasse zu schützen. Die Kappe weist die Form einer Abdeckung auf und hat Aussparungen, in denen die Hochfrequenzkomponenten des SAW-Filters angeordnet sind. Um eine derartige mit Aussparungen strukturierte Abdeckung herzustellen, wird auf die Abdeckung eine photolithographisch strukturierbare Schicht aufgetragen, die anschließend durch Belichten und Entwickeln strukturiert und auf das Substrat aus Halbleitermaterial aufgebracht wird. Eine derartig mit Aussparungen strukturierte Abdeckung erfordert ein Fertigungsverfahren, das mit hohen Kosten verbunden ist, zumal auch die Justage der Abdeckung auf dem Substrat Probleme bereitet. - Aus der
DE 103 10 617 A1 ist ein elektronisches Bauteil mit auf der Oberseite des Chips angeordneten Schaltungsstrukturen bekannt, wobei die Schaltungsstrukturen den Bodenbereich eines Hohlraums bilden. Dabei ist nachteilig, dass Außenkontakte des Halbleiterchips nur außerhalb des Hohlraums angeordnet sein können. - Aufgabe der Erfindungen ist es, ein Halbleiterbauteil für Hochfrequenzen über 10 GHz anzugeben, das kostengünstig mit einfachen Mitteln herstellbar ist und zuverlässig die Grenzfrequenzen herkömmlicher hochfrequenter Halbleiterbauteile in einer Kunststoffgehäusemasse deutlich heraufsetzt und zugleich die Bonddrähte optimal schützt.
- Diese Aufgabe wird mit dem Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
- Erfindungsgemäß wird ein Halbleiterbauteil für Hochfrequenzen über 10 GHz mit einem Halbleiterchip, der auf seiner aktiven Oberseite einen Hochfrequenzbereich und einen niederfrequenten und/oder einen gleichspannungsversorgten Bereich aufweist, geschaffen. Dabei ist der Halbleiterchip mit seinem niederfrequenten bzw. gleichspannungsversorgten Bereich in eine Kunststoffgehäusemasse eingebettet. Andererseits ist die Kunststoffgehäusemasse von dem Hochfrequenzbereich auf der aktiven Oberseite des Halbleiterchips durch einen Hohlraum beabstandet angeordnet.
- Dieses Halbleiterbauteil hat den Vorteil, dass die hochfrequenz-sensitiven Bereiche nicht von der Kunststoffgehäusemasse berührt werden, sondern dass zwischen der Kunststoffgehäusemasse und den hochfrequenz-sensitiven Bereichen ein Abstand besteht. Dieses hat den Vorteil, dass in unmittelbarer Umgebung der hochfrequenzleitenden Leiterbahnen und Strukturen die relative Dielektrizitätskonstante ε etwa 1 ist, und damit den niedrigsten in der Natur vorkommenden Wert einnimmt.
- Der Hochfrequenzbereich weist mindestens eine Kontaktfläche mit einem Bonddraht auf, wobei der Bonddraht teilweise in dem Hohlraum und teilweise in der Kunststoffgehäusemasse angeordnet ist. Dazu ist der Bonddraht vorteilhafter Weise zwischen einem Deckel und einer Wandstruktur des Hohlraums in einer Klebstoffschicht fixiert. Die Klebstoffschicht weist eine Dicke auf, die größer oder gleich dem Durchmesser des Bonddrahtes ist.
- Dadurch wird gewährleistet, dass nach dem Fixieren des Bonddrahtes zwischen dem Deckel und der Wandstruktur in der Klebstoffschicht, ein Verwehen des Bonddrahtes beim Aufbringen und Einbetten in eine Kunststoffgehäusemasse nicht möglich ist, und somit eine zuverlässige Einbettung eines Teils des Bonddrahtes in dem Kunststoffgehäuse erfolgt.
- Bei dieser Lösung sind hochfrequenzbelastete Kontaktanschlussflächen nicht unmittelbar in Kunststoffgehäusemasse eingebettet, sondern die Kontaktflächen in hochfrequenzsensiblen Bereichen sind frei von der Kunststoffgehäusemasse. Eine Kunststoffgehäusemasse ist erst dann vorgesehen, wenn der Bonddraht z. B. durch die Klebstoffschicht vorzugsweise zwischen Deckel und Wandstruktur nach außen zu einer entsprechenden Kontaktanschlussfläche auf dem Verdrahtungssubstrat geführt wird, wodurch der Bonddraht in vorteilhafter Weise in seiner Lage fixiert ist.
- Die Wandstruktur sorgt für eine präzise Abgrenzung zwischen der Kunststoffgehäusemasse, die beabstandet von der aktiven Oberseite des Halbleiterchips in hochfrequenzsensiblen Bereichen angeordnet ist, und der Kunststoffgehäusemasse, die unmittelbar auf der aktiven Oberseite des Halbleiterchips in den niederfrequenten bzw. den gleichspannungsversorgten Bereichen aufliegt. Diese Wandstruktur kann vorzugsweise ein photolithographisch strukturiertes und ausgehärtetes Material aufweisen. Dieses hat den Vorteil, dass die Wandstruktur bereits bei der Herstellung der Halbleiterchips auf der Basis von Halbleiterwafern auf diese Halbleiterwafer für eine Vielzahl von Halbleiterchips aufgebracht werden kann und eine Höhe von einigen zehntel Mikrometern bis wenige Millimeter erreichen kann. Durch die Höhe der Wandstruktur wird gleichzeitig auch der Abstand der Kunststoffgehäusemasse von der aktiven Oberseite des Halbleiterchips definiert.
- Weiterhin ist es vorgesehen, dass die Wandstruktur von einem in seiner flächigen Erstreckung angepassten Deckel abgeschlossen ist. Ein derartiger Deckel sorgt dafür, dass beim Aufbringen einer Kunststoffgehäusemasse der Hochfrequenzbereich geschützt bleibt, sodass keine Kunststoffgehäusemasse unmittelbar den Hochfrequenzbereich berührt. Durch die Anpassung des Deckels an die flächige Erstreckung der Wandstruktur kann gleichzeitig sichergestellt werden, dass eine entsprechend gute Abdichtung zu der Wandstruktur erreicht wird.
- In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Halbleiterbauteils für Hochfrequenzen über 10 GHz ist die Wandstruktur und auch teilweise der Deckel von der Kunststoffgehäusemasse umgeben. Das hat den Vorteil, dass die Kunststoffmasse und der Deckel in Position und gegeneinander abgedichtet gehalten werden.
- In einer weiteren Ausführungsform der Erfindungen ist die Oberseite des Deckels frei von Kunststoffgehäusemasse. Dies ist dann besonders von Vorteil, wenn der Deckel aus einem metallischen Material besteht, sodass die freie Oberseite des Deckels zur Anbringung von weiteren Kühlelementen oder Wärmesenken genutzt werden kann. Des Weiteren ist es vorgesehen, dass der Deckel eine Siliziumplatte aufweist. Dies ist besonders von Vorteil, da die Grundsubstanz der Halbleiterchips üblicherweise Silizium ist und somit der Ausdehnungskoeffi zient der Siliziumplatte dem Ausdehnungskoeffizienten des Halbleiterchips angepasst ist.
- In einer weiteren Ausbildung des Deckels ist dieser aus einer Metallplatte hergestellt. Das wiederum hat den oben bereits erwähnten Vorteil, dass weitere Kühlelemente und/oder Wärmesenken auf der Oberseite des Deckels angebracht bzw. aufgelötet sein können. Weiterhin ist es auch möglich, dass der Deckel eine Glasplatte und/oder eine Keramikplatte aufweist. Diese Glasplatten bzw. Keramikplatten sind einerseits beabstandet von dem Hochfrequenzbereich auf der aktiven Oberseite des Halbleiterchips angeordnet und haben andererseits den weiteren Vorteil, dass ihre relative Dielektrizitätskonstante er kleiner ist als der oben genannte Bereich zwischen 3 und 5 und dass auch der tanδ durch diese Materialien weiter verringert werden kann.
- Schließlich ist es möglich, dass der Deckel eine polymere Kunststoffplatte aufweist. Eine derartige polymere Kunststoffplatte kann bspw. aus einem glasfaserverstärkten Harz hergestellt sein, wobei dieses den Vorteil hat, dass sich eine derartige Kunststoffplatte ohne große Probleme in die umgebende Kunststoffgehäusemasse einbetten lässt, zumal der thermische Ausdehnungskoeffizient durchaus an die Kunststoffgehäusemasse angeglichen sein kann und eine größere Affinität zu der umgebenden Kunststoffgehäusemasse aufweist, als es bei anderen Materialien der Fall ist.
- In einer weiteren Ausführungsform der Erfindungen ist zwischen dem Deckel und der Wand eine Klebstoffschicht angeordnet. Dieses hat den Vorteil, dass die Dicke der Klebstoffschicht gegenüber einer doppelseitig klebenden Folie variiert werden kann, um sie an bestimmte Komponenten des Hochfrequenzhalbleiterbauteils anzupassen.
- In einer weiteren Ausführungsform der Erfindungen weist die aktive Oberseite des Halbleiterchips Kontaktflächen auch außerhalb der Wandstruktur auf. Diese Kontaktflächen sind über Bonddrähte durch Kontaktanschlussflächen auf einem Verdrahtungssubstrat elektrisch verbunden. Die Bonddrähte sind dabei in die Kunststoffgehäusemasse vollständig eingebettet, sodass sie nicht frei im Raum verlaufen und somit keine Gefahr eines Kurzschlusses besteht. Dabei sind nur solche Kontaktflächen und Bonddrähte in eine Kunststoffgehäusemasse eingebettet, die niederfrequente Signale transportieren müssen und/oder die für eine Gleichstromversorgung vorgesehen sind.
- Das bedeutet, dass in der Ausführungsform der Erfindungen die aktive Oberseite des Halbleiterchips Kontaktflächen sowohl außerhalb als auch innerhalb der Wandstruktur aufweist. Dabei sind diese Kontaktflächen, sowohl innerhalb als auch außerhalb der Wandstruktur über Bonddrähte mit Kontaktanschlussflächen auf einem Verdrahtungssubstrat elektrisch verbunden. Das Besondere ist nun, dass die Bonddrähte zu den Kontaktflächen innerhalb der Wandstruktur in eine Klebstoffschicht zwischen Deckel und Wandstruktur wie oben erwähnt eingebracht sind, wobei die Klebstoffschicht eine Dicke aufweist, die größer oder gleich dem Durchmesser der Bonddrähte ist.
- Um einen vorgegebenen Abstand zwischen der Kunststoffgehäusemasse und der aktiven Oberseite des Halbleiterchips im Hochfrequenzbereich einzuhalten, kann die Höhe der Wandstruktur zwischen mehreren hundert Nanometern und einigen Millimetern eingestellt werden, je nach Höhe der aufgebrachten Wandstruktur. Diese Hochfrequenzbauelemente mit Hochfrequenzen über 10 GHz sind insbesondere für die Abstandsradarsensorik für Straßen- und/oder Schienenfahrzeuge, sowie für Luftfahrzeuge im Roll- und Abstellverkehr auf Flugfeldern, vorgesehen, die bei einer Betriebsfrequenz von 24 GHz oder im Bereich von 77 bis 80 GHz arbeiten.
- Ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauteils für Hochfrequenzen über 10 GHz weist die nachfolgenden Verfahrensschritte auf. Zunächst wird ein Halbleiterwafer mit einer Vielzahl in Zeilen und Spalten angeordneter Halbleiterchips hergestellt, die auf ihren aktiven Oberseiten Hochfrequenzbereiche und niederfrequente und/oder gleichspannungsversorgte Bereiche aufweisen. Anschließend wird jeweils eine Wandstruktur, welche die Hochfrequenzbereiche umgibt, auf den Halbleiterwafer aufgebracht. Danach wird der Halbleiterwafer in eine Vielzahl von Halbleiterchips aufgetrennt. Die einzelnen Halbleiterchips werden mit ihrer Wandstruktur auf einen Träger mit mehreren Halbleiterbauteilpositionen aufgebracht. Anschließend werden die Halbleiterchips über Verbindungselemente mit einer Verdrahtungsstruktur des Trägers verbunden, indem Bonddrähte von Kontaktflächen innerhalb des Hochfrequenzbereichs pro Chip über die jeweilige Wandstruktur geführt werden.
- Schließlich wird auf die jeweilige Wandstruktur ein angepasster Deckel aufgebracht und anschließend werden die Halbleiterchips, die Verbindungselemente, die Wandstruktur und mindestens teilweise der Deckel und teilweise der Träger in einer Kunststoffgehäusemasse verpackt bzw. eingebettet. Anschließend wird der Träger in einzelne Halbleiterbauteile aufgetrennt.
- Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass die jeweilige Wandstruktur, welche die Hochfrequenzbereiche auf den aktiven Oberseiten der Halbleiterchips umgibt, bereits auf dem Waferlevel für eine Vielzahl von in Zeilen und Spalten angeordneten Halbleiterchippositionen mit einem einzigen Verfahrensschritt eingebracht werden. Dabei kann in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindungen das Aufbringen einer Wandstruktur, welche die Hochfrequenzbereiche umgibt, mittels Photolithographie erfolgen. Dabei wird die Wandstruktur von einem photolithographisch strukturierten gehärteten Photolack gebildet. Die Höhe der Wandstruktur hängt dann von der Dicke der aufgebrachten Photolackschicht ab und bestimmt gleichzeitig den Abstand der noch aufzubringenden Kunststoffgehäusemasse von der aktiven Oberseite des Halbleiterchips in den Hochfrequenzbereichen.
- In einer alternativen Ausführungsform der Erfindungen wird die Wandstruktur, welche die Hochfrequenzbereiche umgibt, mittels Photolacklithographie durchgeführt, wobei die Wandstruktur von einer photolithographisch strukturierten geätzten Metallbeschichtung gebildet wird. Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass eine Wandstruktur aus einer Metallschicht entsteht und somit eine zusätzliche Abschirmung gegenüber elektromagnetischen Störfeldern für den Hochfrequenzbereich gebildet wird. Wenn dann zusätzlich auch der an die Wandstruktur angepasste Deckel aus einem Metallmaterial hergestellt wird, so ist der Hochfrequenzbereich vollständig von einer Metallstruktur umgeben und somit optimal vor Streufeldern geschützt. Dazu kann zusätzlich der metallische Deckel auf ein Massepotenzial gelegt werden, um sicher zu stellen, dass induzierte Ströme unmittelbar über den Deckel abgeführt werden.
- Die Vielzahl von Halbleiterchips mit Wandstruktur kann durch Auftrennen des Halbleiterwafers mittels Sägetechnik hergestellt werden. Dieses ist ein bewährtes Verfahren und kann auch durch Auftrennen mittels Laserablation ersetzt werden. Das Aufbringen der nun einzelnen Halbleiterchips mit Wandstruktur auf einem Träger in Halbleiterbauteilpositionen eines Trägers kann mittels eines Bestückungsautomaten erfolgen, wobei die Klebstofffolie der Sägetechnik für ein Diebonden beibehalten werden kann.
- Zum elektrischen Verbinden der Halbleiterchips über Verbindungselemente mit einer Verdrahtungsstruktur auf dem Träger wird eine Bonddrahttechnik eingesetzt. Da der Bonddraht zu einem großen Teil in einer Kunststoffgehäusemasse geführt wird, ist sichergestellt, dass keine freien Bonddrähte in dem Halbleiterbauteil vorhanden sind, wie es sonst bei Hohlraumgehäusen der Fall ist. Um hochfrequenzempfindliche Kontaktflächen innerhalb eines Hochfrequenzbereichs mit Kontaktanschlussflächen auf einer Verdrahtungsstruktur des Trägers zu verbinden, werden die Bonddrähte z. B. über die Wandstruktur geführt und mit einer Klebstoffschicht zwischen dem Deckel und der Wandstruktur in eine Klebstoffschicht eingebettet, um damit einerseits die Bonddrähte zu fixieren und andererseits die Bonddrähte vor Verschiebungen zu schützen. Gleichzeitig wird dadurch sichergestellt, dass die hochfrequenzsensitive Kontaktfläche auf der aktiven Oberseite des Halbleiterchips nicht von einer Kunststoffgehäusemasse bedeckt wird.
- Zum Verpacken bzw. Einbetten der Halbleiterchips, der Verbindungselemente, der Wandstruktur und mindestens teilweise des Deckels sowie des Trägers in eine Kunststoffgehäusemasse kann ein Spritzgussverfahren oder ein Dispensverfahren eingesetzt werden. Beide Verfahren haben ihre Vor- und Nachteile. Wäh rend das Spritzgussverfahren mit hohem Druck arbeitet und deshalb eine hoch präzise Abdichtung des Deckels auf der Wandstruktur erfordert, wird beim Dispensverfahren lediglich eine Kunststoffgehäusemasse aufgetragen, die sich dann über Kapillarkräfte und Schwerkraft auf dem Träger derart verteilt, dass die Halbleiterchips, die Verbindungselemente sowie die Wandstruktur und teilweise der Deckel sowie teilweise der Träger von einer Kunststoffgehäusemasse bedeckt werden. Das Auftrennen der Halbleiterbauteilpositionen des Trägers in einzelne Halbleiterbauteile kann dann schließlich mit Sägetechnik oder mit einer Lasertrenntechnik durchgeführt werden.
- Zusammenfassend ist festzustellen, dass bei den vorliegenden Erfindungen ein Teil des Halbleiterchips, welcher besonders hochfrequenzsensitive Bereiche enthält, mit einem Hohlraum mit nach außen führenden Kontakten versehen wird, sodass die direkte Umgebung oberhalb der betroffenen Leitungen und Strukturen im Prinzip aus Luft mit einer relativen Dielektrizitätskonstanten εr von ungefähr 1,0 besteht. Der Hohlraum wird so erzeugt, dass zunächst eine Wand aus photostrukturierbarem Material wie einem Metall oder einem Kunststoffmaterial um die relevante Chipfläche herumgebildet wird, und in einem weiteren Schritt wird der Hohlraum durch Aufbringen eines Deckels vervollständigt. Der so erzeugte Hohlraum wird mit Kunststoff umspritzt, sodass ein robustes Plastikgehäuse aus einer Kunststoffgehäusemasse entsteht.
- Durch diese Erfindungen wird eine Verbesserung der Hochfrequenzfähigkeit von Halbleitergehäusen durch Realisieren eines Volumens mit einer relativen Dielektrizitätskonstanten εr von 1,0 oberhalb von besonders hochfrequenzempfindlichen Halbleiterchipbereichen erreicht und trotzdem die empfindlichen Kontakte geschützt. Bei einer alternativen Ausführungsform der Erfindungen wird der Hohlraum auf der Waferebene dadurch erreicht, dass ein Opfermaterial dort abgeschieden wird, wo später ein Hohlraum entstehen soll, und dieses Opfermaterial sich dann bei entsprechenden Prozesstemperaturen derart zersetzt, dass die Zersetzungsprodukte durch den verbleibenden Kunststoff ausdiffundieren können.
- Die Erfindungen werden nun anhand der beigefügten Figuren näher erläutert.
-
1 zeigt einen schematischen Querschnitt eines herkömmlichen Halbleiterbauteils; -
2 zeigt eine auseinander gezogene perspektivische Ansicht eines anderen Halbleiterbauteils; -
3 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Halbleiterbauteil einer Ausführungsform der Erfindungen. -
1 zeigt einen schematischen Querschnitt eines herkömmlichen Halbleiterbauteils1 . Dieses Halbleiterbauteil1 ist für die Anwendung in Frequenzbereichen oberhalb von 10 GHz bestimmt. Dazu weist der Halbleiterchip4 einen Hochfrequenzbereich6 auf seiner aktiven Oberseite5 auf. Dieser Hochfrequenzbereich6 ist von einer Wandstruktur9 umgeben, die entweder aus einem Photolack hergestellt ist oder vorzugsweise aus einer mittels Photolack strukturierbaren Metallschicht unter anschließendem Ätzen hergestellt wird. Diese Wandstruktur9 umgibt den Hochfrequenzbereich6 des Halbleiterchips4 vollständig und ist von einem Deckel10 abgedeckt, der vorzugsweise ebenfalls aus Metall sein kann oder aus Keramikmaterial, einem Glasmaterial oder einem Kunststoffmaterial gebildet ist. Dieser Deckel10 ist an die Größe und die flächi ge Erstreckung des Hochfrequenzbereichs6 angepasst und überragt in dieser Ausführungsform der Erfindung die Wandstruktur9 , wobei seine Oberseite11 vollständig in die umgebende Kunststoffgehäusemasse8 eingebettet ist. - Wenn der Deckel
10 und die Wandstruktur9 aus Metall sind, so bilden sie gleichzeitig eine Abschirmung gegenüber elektromagnetischen Streufeldern. Dazu kann die metallische Wandstruktur über einen entsprechenden Kontakt mit einem Bonddraht zu einem Masseanschluss elektrisch verbunden sein. Es sind außerhalb des Bereichs der Wandstruktur9 auf der aktiven Oberseite5 des Halbleiterchips4 Kontaktflächen13 angeordnet, die über Bonddrähte15 mit Kontaktanschlussflächen16 auf dem Träger20 in Form eines Verdrahtungssubstrats17 verbunden sind. Die Kontaktanschlussflächen16 sind über eine Verdrahtungsstruktur19 auf der Oberseite21 des Verdrahtungssubstrats17 mit Durchkontakten22 verbunden, die ihrerseits mit Außenkontaktflächen23 auf der Unterseite24 der Verdrahtungsstruktur17 verbunden sind. Diese Außenkontaktflächen23 können bereits für eine Oberflächenmontage auf einer übergeordneten Schaltungsplatine dienen oder können mit Außenkontakten bestückt werden, um dann als Außenkontakte des Halbleiterbauteils1 auf der Unterseite24 des Verdrahtungssubstrats17 für eine Oberflächenmontage zur Verfügung zu stehen. - Sowohl der Hochfrequenzbereich
6 , der durch die Wandstruktur9 und durch den Deckel10 vor dem Eindringen einer Kunststoffgehäusemasse8 geschützt ist, als auch der Niederfrequenzbereich7 bzw. der Bereich für Gleichspannungsversorgungsanschlüsse sind in die Kunststoffgehäusemasse8 eingebettet, wobei der Niederfrequenzbereich7 unmittelbar die Kunststoffgehäusemasse8 berührt, während der Hochfrequenzbe reich6 beabstandet von der Kunststoffgehäusemasse8 angeordnet ist. Außerdem sind die Verbindungselemente18 vollständig und die Oberseite21 des Verdrahtungssubstrats17 teilweise in die Kunststoffgehäusemasse8 eingebettet. -
2 zeigt eine auseinander gezogene perspektivische Ansicht eines weiteren Halbleiterbauteils2 , in welchem zwei unterschiedliche Arten der Verbindungselemente18 vorgesehen sind. Auf der einen Seite sind Bonddrähte15 vorgesehen, die im Niederfrequenzbereich7 des Halbleiterchips4 in einer Randzone angeordnet sind und dort auf Kontaktflächen13 außerhalb der Wandstruktur9 angeordnet sind. Ein einzelner Bonddraht25 ist auf dem gegenüberliegenden Randbereich angeordnet und von einer metallischen Wandstruktur9 umgeben, die auf ihrer Oberseite eine Isolationsschicht26 aufweist. Diese Isolationsschicht26 wird von einer doppelseitig klebenden Isolationsfolie gebildet, wobei der Bonddraht25 innerhalb des Hochfrequenzbereichs6 auf einer Kontaktfläche14 angeordnet ist. - Durch die Isolationsschicht
26 wird der Bonddraht25 vor einem Kurzschluss mit der metallischen Wandstruktur9 geschützt. Im Zentrum der aktiven Oberseite5 des Halbleiterchips4 ist ein weiterer Hochfrequenzbereich6 vorgesehen, der ebenfalls von einer metallischen Wandstruktur9 umgeben ist, wobei die Wandstruktur9 auf ihrer Oberseite eine Isolationsschicht26 aufweist. Der Deckel10 , der aufgrund der auseinander gezogenen Darstellung oberhalb des Halbleiterchips4 angeordnet ist, ist aus Metall und weist auf seiner Unterseite eine dicke Klebstoffschicht12 auf, die in ihrer Dicke mindestens dem Durchmesser des Bonddrahtes25 entspricht, sodass dieser in die Klebstoffschicht12 auf der Unterseite des Deckels10 eingebettet werden kann. Die Obersei te11 des metallischen Deckels10 ist frei zugänglich, sodass auf der metallischen Oberseite11 eine Wärmesenke bzw. ein Anschluss zu einem Massepotenzial angeschlossen werden kann. Durch diese metallische Konstruktion der Wandstruktur9 als auch des Deckels10 werden die Hochfrequenzbereiche6 vor elektromagnetischen Störfeldern geschützt. -
3 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauteils3 . Komponenten mit gleichen Funktionen wie in den vorhergehenden Figuren werden mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und nicht extra erörtert. Der Unterschied dieser Ausführungsform der Erfindung zum herkömmlichen Bauteil gemäß1 besteht darin, dass innerhalb des Hochfrequenzbereichs6 eine hochfrequenz-sensitive Kontaktanschlussfläche14 angeordnet ist, auf der ein Bonddraht15 gebondet ist, der von der Klebstoffschicht12 zwischen dem Deckel10 und der Wandstruktur9 fixiert wird und zu einer niederfrequenten Kontaktanschlussfläche16 auf der Oberseite21 des Trägers20 geführt wird. In diesem Falle ist die Wandstruktur9 aus einer Photolackschicht, sodass eine zusätzliche Isolierung, wie sie im Beispiel der2 zu sehen ist, nicht erforderlich wird, um das Verbindungselement18 aus dem Hochfrequenzbereich6 an die niederfrequente Kontaktanschlussfläche16 zu führen. Ferner zeigt die Ausführungsform gemäß3 eine Kontaktfläche13 auf der aktiven Oberseite5 des Halbleiterchips4 in dem Niederfrequenzbereich7 außerhalb der Wandstruktur9 , die wie im Bauteil gemäß1 über einen Bonddraht15 durch die Kunststoffgehäusemasse8 hindurch mit einer Kontaktanschlussfläche16 der Verdrahtungsstruktur19 auf der Oberseite21 des Verdrahtungssubstrats17 elektrisch in Verbindung steht. Sämtliche Drähte, die aus dem Hohlraum heraus führen und Drähte, die außerhalb des Hohlraums angeordnet sind, werden durch die Kunststoffmasse besonders geschützt. -
- 1
- Halbleiterbauteil (1. herkömmlich)
- 2
- Halbleiterbauteil (2. herkömmlich)
- 3
- Halbleiterbauteil (3. erfindungsgemäß)
- 4
- Halbleiterchip
- 5
- aktive Oberseite des Halbleiterchips
- 6
- Hochfrequenzbereich
- 7
- Niederfrequenzbereich
- 8
- Kunststoffgehäusemasse
- 9
- Wandstruktur
- 10
- Deckel
- 11
- Oberseite des Deckels
- 12
- Klebstoffschicht
- 13
- Kontaktflächen (außerhalb)
- 14
- Kontaktflächen (innerhalb)
- 15
- Bonddraht
- 16
- Kontaktanschlussflächen
- 17
- Verdrahtungssubstrat
- 18
- Verbindungselement
- 19
- Verdrahtungsstruktur
- 20
- Träger
- 21
- Oberseite des Verdrahtungssubstrats
- 22
- Durchkontakt
- 23
- Außenkontaktfläche
- 24
- Unterseite des Verdrahtungssubstrats
- 25
- einzelner Bonddraht
- 26
- Isolationsschicht
- 27
- Hohlraum
Claims (26)
- Halbleiterbauteil für Hochfrequenzen über 10 GHz mit einem Halbleiterchip (
4 ) auf einem Verdrahtungssubstrat (17 ), der auf seiner aktiven Oberseite (5 ) einen Hochfrequenzbereich (6 ) und einen niederfrequenten und/oder einen gleichspannungsversorgten Bereich (7 ) aufweist, wobei der Halbleiterchip (4 ) mit seinem niederfrequenten bzw. gleichspannungsversorgten Bereich (7 ) in eine Kunststoffgehäusemasse (8 ) eingebettet ist und die Kunststoffgehäusemasse (8 ) von dem Hochfrequenzbereich (6 ) auf der aktiven Oberseite (5 ) des Halbleiterchips (4 ) durch einen Hohlraum (27 ) beabstandet angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochfrequenzbereich (6 ) mindestens eine Kontaktfläche (14 ) mit einem Bonddraht (15 ) aufweist, der teilweise in dem Hohlraum (27 ) und teilweise in der Kunststoffgehäusemasse (8 ) angeordnet ist zur Verbindung mit Kontaktanschlussflächen (16 ) auf dem Verdrahtungssubstrat (17 ). - Halbleiterbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Bonddraht (
15 ) zwischen einem Deckel (10 ) und einer Wandstruktur (9 ) des Hohlraums (27 ) in einer Klebstoffschicht (12 ) fixiert ist, wobei die Klebstoffschicht (12 ) eine Dicke, die größer oder gleich dem Durchmesser des Bonddrahtes (15 ) ist, aufweist. - Halbleiterbauteil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandstruktur (
9 ) einen photolithographisch strukturierbaren und aushärtbaren Photolack aufweist. - Halbleiterbauteil nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandstruktur (
9 ) von einem in seiner flächigen Erstreckung angepassten Deckel (10 ) abgeschlossen ist. - Halbleiterbauteil nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandstruktur (
9 ) und mindestens teilweise der Deckel (10 ) von der Kunststoffgehäusemasse (8 ) umgeben sind. - Halbleiterbauteil nach Anspruch 4 oder Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Oberseite (
11 ) des Deckels (10 ) frei von Kunststoffgehäusemasse (8 ) ist. - Halbleiterbauteil nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Deckel (
10 ) eine Siliziumplatte aufweist. - Halbleiterbauteil nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Deckel (
10 ) eine Metallplatte aufweist. - Halbleiterbauteil nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Deckel (
10 ) eine Glasplatte aufweist. - Halbleiterbauteil nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Deckel (
10 ) eine Keramikplatte aufweist. - Halbleiterbauteil nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Deckel (
10 ) eine polymere Kunststoffplatte aufweist. - Halbleiterbauteil nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Deckel (
10 ) und der Wandstruktur (9 ) eine Klebstoffschicht (12 ) angeordnet ist. - Halbleiterbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Oberseite (
5 ) des Halbleiterchips (4 ) Kontaktflächen (13 ) außerhalb der Wandstruktur (9 ) aufweist, wobei die Kontaktflächen (13 ) über Bonddrähte (15 ) mit den Kontaktanschlussflächen (16 ) auf dem Verdrahtungssubstrat (17 ) elektrisch in Verbindung stehen, und von der Kunststoffgehäusemasse (8 ) eingebettet sind. - Halbleiterbauteil nach einem der Ansprüche 4 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Oberseite (
5 ) des Halbleiterchips (4 ) Kontaktflächen (13 ,14 ) außerhalb und innerhalb der Wandstruktur (9 ) aufweist, wobei die Kontaktflächen (13 ,14 ) über Bonddrähte (15 ) mit Kontaktanschlussflächen (16 ) auf einem Verdrahtungssubstrat (17 ) elektrisch in Verbindung stehen. - Halbleiterbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandstruktur (
9 ) eine Höhe h zwischen mehreren hundert Nanometern und wenigen Millimetern mit 0,1 μm ≤ h ≤ 2000 μm aufweist. - Verwendung des Halbleiterbauteils (
3 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 15 in der Abstandsradarsensorik für Straßen- und/oder Schienenfahrzeuge sowie für Luftfahrzeuge im Roll- und Abstellverkehr auf Flugfeldern. - Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauteils (
3 ) für Hochfrequenzen über 10 GHz, wobei das Verfahren folgende Verfahrensschritte aufweist: – Herstellen eines Halbleiterwafers mit einer Vielzahl in Zeilen und Spalten angeordneter Halbleiterchips (4 ), die auf ihren aktiven Oberseiten (5 ) Hochfrequenzbereiche (6 ) und niederfrequente und/oder gleichspannungsversorgte Bereiche (7 ) aufweisen; – Aufbringen jeweils einer Wandstruktur (9 ) auf dem Halbleiterwafer, welche die Hochfrequenzbereiche (6 ) umgibt; – Auftrennen des Halbleiterwafers in eine Vielzahl von Halbleiterchips (4 ); – Aufbringen einzelner Halbleiterchips (4 ) mit jeweiliger Wandstruktur (9 ) auf einen Träger (20 ) mit mehreren Halbleiterbauteilpositionen; – elektrisches Verbinden der Halbleiterchips (4 ) über Verbindungselemente (18 ) mit einer Verdrahtungsstruktur (19 ) des Trägers (20 ), indem Bonddrähte (15 ) von Kontaktflächen (14 ) innerhalb des Hochfrequenzbereichs (6 ) über die jeweilige Wandstruktur (9 ) zu Kontaktanschlussflächen (16 ) einer Verdrahtungsstruktur (19 ) des Trägers (20 ) geführt werden; – Aufbringen eines angepassten Deckels (10 ) auf die jeweilige Wandstruktur (9 ) und Bilden eines den Hochfrequenzbereich (6 ) und die Kontaktflächen (14 ) beinhaltenden Hohlraums (27 ); – Einbetten der Halbleiterchips (4 ), der Verbindungselemente (18 ), der jeweiligen Wandstruktur (9 ) und mindestens teilweise des jeweiligen Deckels (10 ) und des Trägers (20 ) in einer Kunststoffgehäusemasse (8 ); – Auftrennen der Halbleiterbauteilpositionen des Trägers (20 ) in einzelne Halbleiterbauteile (3 ). - Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufbringen einer Wandstruktur (
9 ), welche die Hochfrequenzbereiche (6 ) umgibt, mittels Photolithographie erfolgt, wobei die Wandstruktur (9 ) von einem photolithographisch strukturierten, gehärteten Photolack gebildet wird. - Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufbringen einer Wandstruktur (
9 ), welche die Hochfrequenzbereiche (6 ) umgibt, mittels Photolithographie erfolgt, wobei die Wandstruktur (9 ) von einer photolithographisch strukturierten, geätzten Metallbeschichtung gebildet wird. - Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Auftrennen des Halbleiterwafers in eine Vielzahl von Halbleiterchips (
4 ) mittels Sägetechnik erfolgt. - Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Auftrennen des Halbleiterwafers in eine Vielzahl von Halbleiterchips (
4 ) mittels Laserablation erfolgt. - Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufbringen einzelner Halbleiterchips (
4 ) mit Wandstruktur (9 ) auf einen Träger (20 ) in den Halbleiterbauteilpositionen mittels eines Bestückungsautomaten erfolgt, wobei die Klebstofffolie der Sägetechnik für ein Diebonden beibehalten wird. - Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass zum elektrischen Verbinden der Halbleiterchips (
4 ) über Verbindungselemente (18 ) mit einer Verdrahtungsstruktur (19 ) des Trägers (20 ) eine Bonddrahttechnik eingesetzt wird. - Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Deckel (
10 ) mit einer entsprechend an den Durchmesser der Bonddrähte (15 ) angepassten dicken Klebstoffschicht (12 ) auf die Wandstruktur (9 ) unter teilweiser Einbettung der Bonddrähte (15 ) in die Klebstoffschicht aufgebracht wird. - Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass zum Einbetten der Halbleiterchips (
4 ), der Verbindungselemente (18 ), der Wandstruktur (9 ) und mindestens teilweise des Deckels (10 ) und des Trägers (20 ) in einer Kunststoffgehäusemasse ein Spritzgussverfahren oder ein Dispensverfahren eingesetzt werden. - Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass zum Auftrennen der Halbleiterbauteilpositionen des Trägers (
20 ) in einzelne Halbleiterbauteile (3 ) eine Sägetechnik oder eine Lasertrenntechnik eingesetzt wird.
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