DE102006024943A1 - Entwurf und Verfahren für die Befestigung eines Dies auf einem Leiterrahmen in einem Halbleiterbauelement - Google Patents

Entwurf und Verfahren für die Befestigung eines Dies auf einem Leiterrahmen in einem Halbleiterbauelement Download PDF

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Abstract

Das Halbleiterbauelement, dessen Struktur aus einem auf einem Leiterrahmen befestigten Die gebildet wird, umfasst einen Die mit einem Befestigungsbauelement und einen Leiterrahmen, der eine Aussparung aufweist, die so gestaltet ist, dass sie ein entsprechendes Befestigungsbauelement aufnehmen kann, um so eine Verbindung zwischen dem Die und dem Leiterrahmen herzustellen.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein einen Entwurf und ein Verfahren für die Befestigung eines Dies auf einem Leiterrahmen in einem Halbleiterbauelement. Konkreter, allerdings nicht ausschließlich, betrifft die vorliegende Erfindung einen Entwurf und ein Herstellungsverfahren für die Flip-Chip Montage in gegossenen Kunststoff-Flat-Packs ohne Anschlussstift ("molded plastic leadless flat packages").
  • Chips (Dies) umfassende Halbleiterbauelemente werden typischerweise mit Metall-Bumps auf ihrer aktiven Oberfläche hergestellt, die für die elektrische und physikalische Verbindung des Dies mit einem Metall-Leiterrahmen verwendet werden. Die Verbindung kann unter Anwendung eines beliebigen von drei Verfahren hergestellt werden.
  • Das erste Verfahren wendet Temperatur an, um die Bumps – die in diesem Fall aus Lötmetall bestehen – zu schmelzen, so dass sie die Oberfläche des Leiterrahmens benetzen. Beim Auskühlen erstarren die Bumps dann und bilden eine Verbindung zwischen dem Die und dem Leiterrahmen. Das zweite Verfahren wendet Kraft und Temperatur an, um zwischen den Metallen an der Oberfläche des Bumps und der Oberfläche des Leiterrahmens eine Interdiffusion zu verursachen, ohne dass der Bump jemals tatsächlich schmilzt (Thermokompression oder thermisches Ultraschall-Bonden). Das dritte Verfahren besteht darin, die Bumps aus Metall zu fertigen, das auf Grund von Temperaturausschlägen während der Bearbeitung nicht schmilzt, zum Beispiel Kupfer, und eine kleine Menge Lötpaste auf die Oberflächen des Leiterrahmens, die die Bumps während der Befestigung des Dies berühren, aufzutragen. Danach wird Temperatur angewendet, um die Lötpaste, die eine Lötverbindung mit dem Bump bildet, zu schmelzen. Das Ergebnis ist in jedem Fall ein Die, der mit Metallbrücken oder Bumps auf einem Leiterrahmen montiert ist, wobei der Die von dem Leiterrahmen durch die Dicke dieser Bumps getrennt ist. Die Die- und Rahmenbaugruppe wird dann mit einer Pressmasse oder einem Verkapselungsstoff übergossen, der für zusätzliche mechanische Unterstützung sorgt, während Teile des Leiterrahmens für eine elektrische Verbindung mit einer Leiterplatte oder einem anderen Substrat freigelegt bleiben.
  • Elektrische Leitfähigkeit wird über die Bumps bereitgestellt. Die Bumps dienen auch als primärer Pfad für die Wärmeabfuhr von dem Bauelement während des Betriebs. Es kann mehr Wärme abgeführt werden, indem weitere Bumps hinzugefügt werden und diese mit Leiterrahmenelementen gebondet werden.
  • Ein Nachteil beider oben beschriebener Verfahren besteht darin, dass der Bump-Bonding-Prozess sorgfältig gesteuert werden muss, um eine beständige Bumphöhe, d.h. den Abstand zwischen Die und Leiterrahmen, beizubehalten. Außerdem wird das Halbleiterbauelementpaket, bestehend aus dem Die und dem Leiterrahmen, äußerst dick, wenn Lötbumps für die Verbindung verwendet werden. Des Weiteren erfordern zusätzliche, für die Wärmeabfuhr von dem Die erforderliche Bumps Platz, der für aktive Schaltungen benötigt wird, und erfordern so eine Vergrößerung der Die-Oberfläche.
  • Die vorliegende Erfindung wurde unter Berücksichtigung des oben Erwähnten entwickelt.
  • Die vorliegende Erfindung stellt ein Halbleiterbauelement bereit, umfassend einen Die mit einem Befestigungsbauelement und einen Leiterrahmen, wobei der Leiterrahmen eine Aussparung aufweist, die so gestaltet ist, dass sie ein entsprechendes Befestigungsbauelement aufnehmen kann, um so eine Verbindung zwischen dem Die und dem Leiterrahmen herzustellen. Das Befestigungsbauelement kann ein Bump sein (gebildet aus Lötmetall oder einem beliebigen anderen für elektrische Leitung und Wärmeleitung geeigneten Material), und die Aussparung kann durch eine Verringerung der Dicke des Leiterrahmens von oben in ausgewählten Bereichen gebildet werden, zum Beispiel durch Musterätzen. Die Aussparung sollte vorzugsweise so geformt sein, dass ihre Höhe der erwarteten Höhe des Bumps entspricht, nachdem der Die mit dem Leiterrahmen gebondet wurde, so dass die Aussparung den Bump aufnehmen und unterbringen kann. Hierdurch wird der Abstand zwischen dem Die und dem Leiterrahmen verringert, wodurch man ein dünneres Bauelementpaket erhalten bzw. einen dickeren Leiterrahmen verwenden kann.
  • Der Leiterrahmen kann mit einem Wärmeabfuhrelement mit voller Dicke gestaltet sein, das von einem zentralen Bereich des Leiterrahmens gebildet wird. In diesem Fall befindet sich das Wärmeabfuhrelement in der Mitte des Dies, jedoch elektrisch getrennt von Anschlüssen, die in einem Randbereich des Leiterrahmens gebildet sind. Wenn der Die auf dem Leiterrahmen befestigt wird, werden die Anschlüsse so auf den Die gebondet, dass sie auf dem äußeren Randbereich des Dies bereitgestellt werden. Somit wird, wenn der Die durch die Bumps auf den Leiterrahmen gebondet wird, der zentrale passivierte Bereich des Dies gegen das zentrale Wärmeabfuhrelement gepresst. Wenn die Bumps durch Bonden auf den Die gelötet werden, wird der Die dann von dem Wärmeabfuhrelement getragen, wodurch verhindert wird, dass die Lötbumps zu weit zusammenfallen oder sich zu weit ausbreiten. Alternativ hierzu können die Anschlüsse das Wärmeabfuhrelement bilden und mit dem zentralen Bereich des Leiterrahmens verbunden sein, zum Beispiel durch einteilige Bildung der Anschlüsse und des zentralen Bereichs. In beiden Fällen können die Aussparungen entweder in den Anschlüssen oder dem zentralen Bereich des Leiterrahmens oder sowohl als auch bereitgestellt werden.
  • Es können auch eine Wärmeleitpaste, flüssiger Klebstoff oder Klebfilm oder eine Schutzschicht zwischen dem Die und dem Leiterrahmen bereitgestellt werden, um die Wärmeleitung zu erhöhen und dabei zu helfen, die mechanische Integrität aufrechtzuerhalten oder die Die-Oberflache vor mechanischer Beschädigung während des Montageprozesses zu schützen. Das Bauelement kann dann zum Beispiel mit einer Kunststoffpressmasse verkapselt werden.
  • Die vorliegende Erfindung stellt auch ein Verfahren für die Befestigung eines Dies auf einem Leiterrahmen in einem Halbleiterbauelement bereit, wobei das Verfahren die Bereitstellung eines Befestigungsbauelements auf dem Die, die Bildung einer Aussparung in dem Leiterrahmen und die Gestaltung der Aussparung so, dass sie ein entsprechendes Befestigungsbauelement aufnehmen kann, um den Die mit dem Leiterrahmen zu verbinden, umfasst.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der untenstehenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen und aus den beigefügten Zeichnungen. Es zeigen:
  • 1A bis 1D Seitenansichten eines Halbleiterbauelements gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 1E eine Draufsicht eines Halbleiterbauelements gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 2A eine Seitenansicht eines Halbleiterbauelements gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 2B eine Draufsicht eines Halbleiterbauelements gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 3A bis 3D Seitenansichten eines Halbleiterbauelements gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 4A bis 4D Seitenansichten eines Halbleiterbauelements gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
  • 4E eine Draufsicht eines Halbleiterbauelements gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 1A bis 1E zeigen ein Halbleiterbauelement, das einen Chip oder Die 11 umfasst, der mit Lötbumps 12 versehen ist, um den Die 11 an einem Leiterrahmen 13 zu befestigen. Der Leiterrahmen 13 weist einen zentralen Wärmeabfuhrbereich 14 auf, der so angebracht ist, dass er in der Mitte des Dies 11 ist, wenn der Die 11 an dem Leiterrahmen 13 befestigt ist, und er weist Anschlüsse 15 auf, die sich in Randbereichen des Leiterrahmens 13 befinden. Die Anschlüsse 15 haften an dem Die 11, um den Die 11 mit dem Leiterrahmen elektrisch zu verbinden. In dieser Ausführungsform ist der zentrale Wärmeabfuhrbereich 14 elektrisch von den Anschlüssen 15 getrennt. In dem Leiterrahmen 13 werden Aussparungen 16 in den Anschlüssen 15 an den Stellen bereitgestellt, an denen die Lötbumps 12 auf dem Die 11 mit dem Leiterrahmen 13 gebondet werden. Die Aussparungen 16 werden gebildet, indem der Leiterrahmen 13 von der Bondingseite aus selektiv verdünnt wird, typischerweise durch Musterätzen. Der Leiterrahmen 13 wird um eine Menge verdünnt, die der erwarteten Höhe der Bumps 12 entspricht, nachdem die Bumps 12 gelötet wurden und der Die 11 auf den Leiterrahmen 13 gebondet wurde.
  • 1A zeigt das Bauelement, bevor der Die 11 mit dem Leiterrahmen 13 gebondet wird. In 1B wird der Die 11 in Kontakt mit dem Leiterrahmen 13 gebracht, um den Prozess des Befestigens des Dies 11 auf dem Leiterrahmen zu beginnen.
  • In 1C sind die Lötbumps 12 geschmolzen. Während die Bumps 12 schmelzen und nach unten zusammenfallen, wird ein zentraler Abschnitt des Dies 11 gegen den zentralen Wärmeabfuhrbereich 14 des Leiterrahmens 13 gepresst. Das Wärmeabfuhrelement 14 trägt den Die 11 und verhindert somit, dass die Lötbumps 12 zu weit zusammenfallen. Es ist ersichtlich, dass die Aussparungen 16 so gestaltet sind, dass sie dieselbe Höhe wie die Lötbumps 12 aufweisen, nachdem der Bumprückfluss (das Schmelzen des Lötmetalls oder der Lötpaste) stattgefunden hat. Somit ist, wenn der Die 11 an dem Leiterrahmen 13 befestigt ist, die Bondingoberfläche des Dies 11 bündig mit der obersten Oberfläche des Leiterrahmens 13, und es gibt zumindest einen teilweisen Kontakt zwischen den Bondingoberflächen des Dies 11 und dem Leiterrahmen 13. Hierdurch wird es ermöglicht, dass durch den Leiterrahmen Wärme von dem Die 11 abgeführt werden kann.
  • Das Bauelement kann mechanisch verstärkt werden, indem der Die 11 und der Leiterrahmen 13, wie in 1D gezeigt, verkapselt werden. Das Bauelement kann vollständig oder teilweise mit einer zum Beispiel auf Epoxidharz basierenden Pressmasse 17 oder einem anderen geeigneten Kunststoff verkapselt werden. Die Kontaktflächen des Bauelements an den Anschlüssen 15 werden jedoch nicht verkapselt, so dass diese eine elektrische Verbindung zu dem Bauelement ermöglichen können.
  • 2A und 2B zeigen ein Halbleiterbauelement, das einen Die 11 aufweist, der an einem Leiterrahmen 13 befestigt ist. Der Leiterrahmen 13 umfasst Anschlüsse 15, die mit Aussparungen 16 versehen sind. Der Die 11 ist mit Lötbumps 12 versehen, die so gestaltet sind, dass sie in entsprechende Aussparungen 16 passen, wenn der Die 11 mit dem Leiterrahmen gebondet ist.
  • In dieser Ausführungsform erstrecken sich einige der Anschlüsse 15 von einem Randbereich des Leiterrahmens 13 hin zu einem zentralen Bereich, so dass die Anschlüsse selbst als Wärmeabfuhrelement verwendet werden. Die Aussparungen 16 werden in dem Leiterrahmen 13 durch Ätzen des Leiterrahmens von oben gebildet. Wie in der ersten Ausführungsform sind die Aussparungen 16 so gestaltet, das sie dieselbe Höhe wie die Lötbumps 12 haben, nachdem das Schmelzen der Bumps 12 oder der Lötpaste stattgefunden hat und der Die 11 auf den Leiterrahmen 13 gebondet wurde, so dass die Aussparungen 16 die Bumps 12 aufnehmen und unterbringen können.
  • 3A-3D zeigen eine alternative Ausführungsform, bei der die Bumps 12 nicht auf den Leiterrahmen gelötet werden, sondern durch thermisches Ultraschall-Bonden oder durch Thermokompression auf den Leiterrahmen gebondet werden. In diesem Fall können die Aussparungen 16 die Bumps 12 möglicherweise nicht vollständig unterbringen, wodurch ein Luftspalt zwischen dem Die 11 und dem Leiterrahmen 13 verursacht wird. Deshalb wird ein Wärmeleiter 18 zwischen den Die 11 und den Leiterrahmen 13 platziert, um die Wärmeleitung zwischen dem Die 11 und dem Leiterrahmen 13 zu fördern. Der Wärmeleiter 18 kann zum Beispiel eine Wärmeleitpaste, ein flüssiger Klebstoff oder ein Klebfilm sein.
  • In 3A wird der Wärmeleiter 18 auf den zentralen Wärmeabfuhrbereich 14 des Leiterrahmens aufgetragen. Der Die 11, der mit Bumps 12 versehen ist, wird dann, wie in 3B gezeigt, über dem Leiterrahmen 13 so in Position gebracht, dass der Die 11 selbst über dem zentralen Wärmeabfuhrbereich 14 des Leiterrahmens 13 zentriert ist und die Bumps 12 über den in den Anschlüssen 15 bereitgestellten Aussparungen 16 positioniert sind. In 3C werden die Bumps 12 an den Anschlüssen 15 in den Aussparungen 16 durch Thermokompression oder thermisches Ultraschall-Bonden befestigt. Während dieses Prozesses wird der Die 11 in Kontakt mit dem Leiter 18 gebracht. Somit wird zwischen dem Die 11 und dem Leiterrahmen 13 eine Wärmeleitung über den Wärmeleiter 18 hergestellt, die ausreicht, um Wärme von dem Die 11 abzuführen.
  • Das Bauelement dieser Ausführungsform kann auch mit einer Kunststoffpressmasse 17 verkapselt werden, um zusätzliche Festigkeit bereitzustellen. Alternativ hierzu kann die Pressmasse 17 aus einem wärmeleitenden Material bestehen und so gestaltet sein, dass es den Spalt zwischen dem Die 11 und dem zentralen Wärmeabfuhrbereich 14 füllt, um eine Wärmeleitung zwischen dem Die 11 und dem Leiterrahmen 13 herzustellen. In diesem Fall würde die Pressmasse 17 den Wärmeleiter 18 als Mittel zur Abfuhr von Wärme weg von dem Die 11 hin zu dem Leiterrahmen 13 ersetzen.
  • Eine weitere Ausführungsform des Halbleiterbauelements ist in 4A-4E gezeigt. Der Die 11 ist zur Befestigung an dem Leiterrahmen 13 mit Bumps 12 versehen. In dieser Ausführungsform agiert der Leiterrahmen 13 selbst jedoch nicht als Wärmeabfuhrelement – die gesamte Wärmeleitfähigkeit wird durch die Bumps 12 bereitgestellt.
  • 4A zeigt den Die 11 positioniert über dem Leiterrahmen 13. Sowohl der zentrale Bereich des Leiterrahmens 13 als auch die Anschlüsse 15 in dem Randbereich des Leiterrahmens 13 wurden von oben geätzt, um Aussparungen 16 zu bilden. Die Aussparungen 16 sind so gestaltet, dass sie die Bumps 12 unterbringen können. In 4B wird der Die 11 in Richtung des Leiterrahmens 13 bewegt, so dass die Bumps 12 in Kontakt mit dem Leiterrahmen 13 gebracht werden, und in 4C sind die Bumps 12 auf die Leiterrahmen 13 gebondet, so dass sie in den Aussparungen 16 untergebracht sind. Somit werden zwischen dem Die 11 und dem Leiterrahmen 13 eine Wärmeleitung und eine elektrische Leitung hergestellt. Wie in den vorhergehenden Ausführungsformen werden die Aussparungen 16 so geätzt, dass sie dieselbe Höhe wie die Bumps 12 aufweisen, wenn der Die 11 auf dem Leiterrahmen 13 befestigt ist. Auf diese Art ist die Bondingoberfläche des Dies 11 bündig mit der obersten Oberfläche des Leiterrahmens 13. Der zentrale Bereich des Leiterrahmens 13 muss jedoch nicht komplett geätzt werden. Er könnte ebenso selektiv geätzt werden, um es zu ermöglichen, dass Dies unterschiedliche Bumphöhen in Kombination mit Wärmeabfuhrbereichen haben.
  • Das Bauelement wird dann mit einer Pressmasse 17 verkapselt, außer an den Kontaktpunkten, wie in 4D gezeigt.
  • Die Erfindung wurde obenstehend mit Bezug auf bestimmte Ausführungsformen beschrieben. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt, und ein Fachmann wird zweifellos Alternativen erkennen, die in den Schutzbereich der Ansprüche fallen.
  • Die beschriebenen Ausführungsformen, bei denen zum Beispiel die Bumps 12 auf den Leiterrahmen 13 gelötet werden, könnten ebenso implementiert werden, wenn die Bumps 12 auf den Leiterrahmen 13 durch alternative Mittel (zum Beispiel durch Thermokompression) gebondet werden und umgekehrt.

Claims (22)

  1. Halbleiterbauelement umfassend: einen Die mit einem Befestigungsbauelement; und einen Leiterrahmen mit einer Aussparung, die so gestaltet ist, dass sie ein entsprechendes Befestigungsbauelement aufnehmen kann, um so eine Verbindung zwischen dem Die und dem Leiterrahmen herzustellen.
  2. Halbleiterbauelement gemäß Anspruch 1, bei dem die Aussparung in einem Randbereich des Leiterrahmens bereitgestellt wird.
  3. Halbleiterbauelement gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem die Aussparung in einem zentralen Bereich des Leiterrahmens bereitgestellt wird.
  4. Halbleiterbauelement gemäß Anspruch 2 oder Anspruch 3, bei dem der zentrale Bereich elektrisch isoliert von dem Randbereich ist.
  5. Halbleiterbauelement gemäß Anspruch 4, bei dem der zentrale Bereich als Wärmeabfuhrelement fungiert.
  6. Halbleiterbauelement gemäß Anspruch 2 oder Anspruch 3, bei dem der zentrale Bereich und der Randbereich elektrisch miteinander verbunden sind.
  7. Halbleiterbauelement gemäß Anspruch 6, bei dem der zentrale Bereich und der Randbereich einteilig gebildet sind.
  8. Halbleiterbauelement gemäß Anspruch 6 oder Anspruch 7, bei dem der Randbereich als Wärmeabfuhrelement fungiert.
  9. Halbleiterbauelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem die Aussparung eine Höhe hat, die gleich einer Höhe des zumindest einen Befestigungsbauelements ist, wenn der Die mit dem Leiterrahmen verbunden ist.
  10. Halbleiterbauelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, ferner umfassend ein Klebemittel, das zwischen dem Die und dem Leiterrahmen bereitgestellt wird.
  11. Halbleiterbauelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem die Aussparung durch Ätzen gebildet wird.
  12. Halbleiterbauelement gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend eine Form, die so gestaltet ist, dass sie den Die und den Leiterrahmen verkapselt.
  13. Verfahren für die Befestigung eines Dies auf einem Leiterrahmen in einem Halbleiterbauelement, wobei das Verfahren umfasst: die Bereitstellung eines Befestigungsbauelements auf dem Die; die Bildung einer Aussparung in dem Leiterrahmen und die Gestaltung der Aussparung derart, dass sie das entsprechende Befestigungsbauelement aufnehmen kann; und die Platzierung des Befestigungsbauelements in einer entsprechenden Aussparung, um so den Die mit dem Leiterrahmen zu verbinden.
  14. Verfahren gemäß Anspruch 13, umfassend die Bildung der Aussparung in einem Randbereich des Leiterrahmens.
  15. Verfahren gemäß Anspruch 13 oder Anspruch 14, umfassend die Bildung der Aussparung in einem zentralen Bereich des Leiterrahmens.
  16. Verfahren gemäß Anspruch 14 oder Anspruch 15, umfassend die elektrische Isolierung des zentralen Bereichs von dem Randbereich.
  17. Verfahren gemäß Anspruch 14 oder Anspruch 15, umfassend die elektrische Verbindung des zentralen Bereichs und des Randbereichs.
  18. Verfahren gemäß Anspruch 17, umfassend die einteilige Bildung des zentralen Bereichs und des Randbereichs.
  19. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 13 bis 18, umfassend die Bildung der Aussparung derart, dass sie eine Höhe hat, die gleich einer Höhe des zumindest einen Befestigungsbauelements ist, wenn der Die auf den Leiterrahmen gebondet ist.
  20. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 13 bis 19, umfassend die Bildung der Aussparung durch selektives Ätzen des Leiterrahmens an einer Stelle, die einem Kontaktpunkt zwischen dem Befestigungsbauelement und dem Leiterrahmen entspricht.
  21. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 13 bis 20, ferner umfassend die Bereitstellung eines Klebemittels zwischen dem Die und dem Leiterrahmen.
  22. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 13 bis 21, ferner umfassend die Verkapselung des Dies und des Leiterrahmens in einer Form.
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