DE102006037512A1 - Verfahren zur Herstellung eines Moduls mit übereinander gestapelten Bauelementen - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren, bei welchem Bauelemente (101, 102) bereitgestellt werden, auf Oberflächen einer Anzahl der Bauelemente (101) jeweils Bewegungselemente (104) aufgebracht werden, die Bauelemente (101, 102) gestapelt werden, sodass sich zwischen benachbarten Bauelementen (101, 102) eines oder mehrere der Bewegungselemente (104) befinden und die Bauelemente (101, 102) durch Verbindungselemente (103) in ihrer Position gehalten werden.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren, welches dazu dient, Bauelemente, die insbesondere jeweils ein oder mehrere Halbleiterchips umfassen, übereinander zu stapeln. Ferner betrifft die Erfindung ein Modul, insbesondere ein Halbleitermodul, mit übereinander gestapelten Bauelementen.
- Um zu möglichst kompakten Halbleitermodulen zu gelangen, können Bauelemente übereinander gestapelt werden. Diese Stapelung kann auf Chip-Ebene erfolgen, indem Halbleiterchips übereinander gestapelt werden. Es ist auch möglich, die einzelnen Halbleiterchips zunächst in Gehäuse zu integrieren und anschließend die Gehäuse übereinander zu stapeln.
- Vor diesem Hintergrund wird ein Verfahren gemäß der unabhängigen Patentansprüche 1 und 11 sowie ein Modul gemäß der unabhängigen Ansprüche 20 und 30 angegeben. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
- Gemäß einem Aspekt dient das Verfahren zur Herstellung von übereinander gestapelten Bauelementen. Dazu wird eine Mehrzahl von Bauelementen bereitgestellt. Auf jeweils mindestens eine Oberfläche einer Anzahl der Bauelemente werden ein oder mehrere Bewegungselemente aufgebracht. Die Bauelemente werden derart übereinander gestapelt, dass sich zwischen zwei benachbarten Bauelementen jeweils ein oder mehrere der Bewegungselemente befinden. Die Bauelemente werden durch Verbindungselemente untereinander in ihrer Position gehalten.
- Gemäß einem weiteren Aspekt werden bei dem Verfahren zunächst ein erstes Bauelement und ein zweites Bauelement bereitgestellt. Das erste Bauelement weist eine Oberseite mit ersten Kontaktelementen auf. Das zweite Bauelement weist eine Unterseite mit zweiten Kontaktelementen auf. Auf die Oberseite des ersten Bauelements oder auf die Unterseite des zweiten Bauelements werden rollbare Elemente aufgebracht. Das zweite Bauelement wird über dem ersten Bauelement angeordnet und zwischen den ersten Kontaktelementen und den zweiten Kontaktelementen werden Lötverbindungen hergestellt.
- Die Erfindung wird nachfolgend in beispielhafter Weise unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. In diesen zeigen:
-
1A und1B schematische Darstellungen zur Veranschaulichung eines Verfahrens zur Herstellung eines Moduls als erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung; -
2A bis2D schematische Darstellungen zur Veranschaulichung eines Verfahrens zur Herstellung eines Halbleitermoduls als zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung; -
3A bis3C schematische Darstellungen zur Veranschaulichung eines weiteren Verfahrens zur Herstellung eines Halbleitermoduls; und -
4A und4B lichtmikroskopische Aufnahmen von Halbleitermodulen. - Im Folgenden werden Verfahren zur Herstellung von übereinander gestapelten Bauelementen beschrieben. Die Erfindung ist unabhängig von der Art des Bauelements. Bauelemente können jede Art von Elementen sein, die gestapelt werden können, die aufgrund von Temperaturschwankungen bei der Herstellung oder bei Benutzung sich verziehen und/oder die miteinander in elektrischer Verbindung stehen sollen. Insbesondere können die Bauelemente elektrische, elektromechanische und/oder elektrooptische Bauelemente sein, z.B. integrierte Schaltungen, Sensoren, mikroelektromechanische Bauelemente (MEMS), Laserdioden usw. Die Bauelemente können auf Halbleiterbasis hergestellt oder auf einem sonstigen Substrat, z.B. Keramiksubstrat, Glassubstrat, Polymer oder PCB, aufgebaut sein. Sie können gehäust oder ungehäust sein.
- Bei dem Verfahren werden auf die jeweils mindestens eine Oberfläche der Bauelemente ein oder mehrere Bewegungselemente aufgebracht. Bewegungselemente können z.B. mechanische oder chemische Elemente sein, die eine Bewegung zwischen zwei benachbarten Bauelementen ermöglichen bzw. erleichtern. Mechanische Bewegungselemente können z.B. so ausgeformt sein, dass sie zwischen den zwei benachbarten Oberflächen rollen oder gleiten können.
- Während des Aufbringens der Bewegungselemente auf die jeweils mindestens eine Oberfläche der Bauelemente können die Bewegungselemente z.B. in einem Trägerstoff suspendiert sein. Die Erfindung ist unabhängig von der chemischen Zusammensetzung des Trägerstoffs. Der Trägerstoff kann während des Aufbringens auf die jeweils mindestens eine Oberfläche der Bauelemente z.B. in flüssiger, zähflüssiger oder wachsartiger Konsistenz vorliegen. Der Trägerstoff kann z.B. so gewählt sein, dass er nach dem Aufbringen, z.B. während eines Lötvorgangs, verdampft oder sublimiert.
- Bei der Verfahren werden die Bauelemente durch Verbindungselemente untereinander in ihrer Position gehalten. Die Verbindungselemente können aus einem leitenden Material, z.B. aus Metall, hergestellt sein. Auf diese Weise können elektronische Verbindungen zwischen benachbarten Bauelementen hergestellt werden. Die Verbindungselemente können starre Körper sein, z.B. können sie säulenartig ausgestaltet sein. Auf diese Weise können die beiden Bauelemente in starrer Position zueinander gehalten werden.
- Die Verbindungselemente können durch einen Lötvorgang hergestellt werden. Es kann z.B. ein Wire-Bond-Verfahren eingesetzt werden. Es können sich auch Lotdepots auf den Bauelementen befinden. Dabei können die Lotdepots sich z.B. auf einem von zwei zu verbindenden Bauelementen befinden oder es können sich auf beiden Bauelementen Lotdepots befinden, die z.B. einander gegenüberliegen und während des Lötvorgangs gemeinsam eine Lötverbindung bilden.
-
1A und1B zeigen als erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Moduls10 . Das mit dem Verfahren hergestellte Modul10 ist in1B schematisch in einer Seitenansicht dargestellt und umfasst eine Mehrzahl von Bauelementen11 ,12 und13 . Die Anzahl der Bauelemente11 ,12 und13 beträgt in dem ersten Ausführungsbeispiel beispielhaft drei. Das Modul10 kann aber auch aus zwei, vier, fünf oder aus noch mehr Bauelementen bestehen. Zwischen jeweils zwei benachbarten Bauelementen11 ,12 und13 befinden sich Bewegungselemente14 und15 . Die Bauelemente11 ,12 und13 werden durch Verbindungselemente16 untereinander in Position gehalten. - Zur Herstellung des Moduls
10 werden zunächst die Bauelemente11 ,12 und13 bereitgestellt, die beispielsweise Halbleiterchips, insbesondere gehäuste Halbleiterchips umfassen. Auf eine Oberfläche einer Anzahl der Bauelemente11 ,12 und13 werden die Bewegungselemente14 und15 aufgebracht. Beispielhaft ist in1A gezeigt, dass das Bewegungselement14 auf die Oberseite des Bauelements11 aufgebracht wird, während das Bewegungselement15 auf die Unterseite des Bauelements13 aufgebracht wird. Die Bauelemente11 ,12 und13 werden, wie in1A gezeigt ist, entlang einer Stapelrichtung17 derart übereinander gestapelt, dass sich zwischen den benachbarten Bauelementen11 und12 bzw.12 und13 die Bewegungselemente14 bzw.15 befinden. - Die Verbindungselemente
16 befinden sich in1B jeweils in den Zwischenräumen zwischen den Bauelementen11 ,12 und13 . Dies ist nicht einschränkend zu verstehen, die Verbindungselemente16 können auch außerhalb dieser Zwischenräume angeordnet sein und die Bauelemente11 ,12 und13 in Position halten. - Das Modul
10 sowie das Verfahren zur Herstellung des Moduls10 können die Ausgestaltungen oder eine Auswahl der Ausgestaltungen aufweisen, die nachfolgend im Zusammenhang mit dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert werden. -
2A bis2D zeigen als zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleitermoduls100 . Das mit dem Verfahren hergestellte Halbleitermodul100 ist in2D schematisch dargestellt. Das Halbleitermodul100 umfasst ein Basisbauelement101 und ein Topbauelement102 . Das Topbauelement102 ist auf dem Basisbauelement101 angeordnet. Sowohl das Basisbauelement101 als auch das Topbauelement102 umfassen beispielsweise jeweils ein Gehäuse, in welches ein oder mehrere Halbleiterchips integriert sind. Die äußeren Formen des Basisbauelements101 und des Topbauelements102 , wie sie in2D in einer Seitenansicht dargestellt sind, sind durch die äußeren Formen der jeweiligen Gehäuse bestimmt. Die Gehäuse werden durch Umspritzen der Halbleiterchips mit einer Vergussmasse, beispielsweise einem Kunststoff, hergestellt. Das Basisbauelement101 und das Topbauelement102 sind elektrisch und mechanisch über Lotsäulen103 miteinander verbunden. Ferner befinden sich Kugeln104 zwischen dem Basisbauelement101 und dem Topbauelement102 . Die Kugeln104 dienen als Bewegungselemente, wie weiter unten noch erläutert wird. - Zur Herstellung des Halbleitermoduls
100 wird zunächst das Basisbauelement101 , wie es in2A gezeigt ist, bereitgestellt. Das Basisbauelement101 weist auf seiner Unterseite Kontaktflächen auf, die mit Lotkugeln105 bestückt sind. An stelle der Lotkugeln105 können auch Pins vorgesehen sein. Im Randbereich der Oberseite des Basisbauelements101 sind weitere Kontaktflächen angeordnet, auf die Lotkugeln106 aufgebracht wurden. Die mit den Lotkugeln105 und106 versehenen Kontaktflächen sind elektrisch mit dem oder den in das Basisbauelement101 eingebetteten Halbleiterchips verbunden und dienen zur elektrischen Kontaktierung der Halbleiterchips. - In dem mittleren Bereich der Oberseite des Basisbauelements
101 ist eine Kappe107 ausgebildet. Die Kappe107 kann beispielsweise an ihrer Oberseite aus der Vergussmasse bestehen. In einer alternativen Ausgestaltung kann die Oberseite der Kappe107 die Unterseite eines Halbleiterchips sein, der mittels Flip-Chip-Technologie in das Basisbauelement101 eingebaut wurde. Die Kappe107 bewirkt, dass der mittlere Bereich der Oberseite des Basisbauelements101 gegenüber dem Randbereich, auf welchem sich die Lotkugeln106 befinden, erhöht ist. - Bevor das Topbauelement
102 auf das Basisbauelement101 gestapelt wird, wird auf die Oberseite der Kappe107 eine Suspension108 aufgetragen. In einer alternativen Ausgestaltung wird die Suspension108 auf die Unterseite des Topbauelements102 aufgebracht. Die Suspension108 besteht aus einem zähflüssigen oder wachsartigen Trägerstoff, in welchem die Kugeln104 suspendiert sind. - Die Aufgabe des Trägerstoffs ist es, das Aufbringen der Kugeln
104 auf die Oberseite der Kappe107 bzw. die Unterseite des Topbauelements102 zu ermöglichen. Der Trägerstoff sollte daher so gewählt werden, dass er beim Auftragen auf das Basisbauelement101 bzw. die Unterseite des Topbauelements102 , also z.B. bei einer Temperatur im Bereich von etwa 18 bis 26°C, zähflüssig oder wachsartig ist. Eine solche Konsistenz der Suspension108 ermöglicht einerseits ein einfaches Auftragen und verhindert andererseits, dass die Suspension108 von der Kappe107 bzw. der Unterseite des Topbauelements102 fließt. Ferner sollte bei der Auswahl des Trägerstoffs für die Suspension108 beachtet werden, dass – wie weiter unten erläutert werden wird – der Trägerstoff bei dem später durchzuführenden Lötvorgang rückstandsfrei verdampfen bzw. sublimieren muss. - Ein Stoff, der die vorstehend genannten Anforderungen an den Trägerstoff der Suspension
108 erfüllt, ist beispielsweise Benzoesäure in tertiärem Butanol. Tertiäres Butanol schmilzt bei einer Temperatur von 25°C und ist bei niedrigeren Temperaturen wachsartig. Ferner verdampft tertiäres Butanol aufgrund seines hohen Dampfdrucks relativ schnell. Benzoesäure sublimiert rückstandsfrei bei einer Temperatur von etwa 120°C. Da die OH-Gruppen der Benzoesäure sowohl an den Kugeln104 als auch an dem Kunststoff des Gehäuses des Basisbauelements101 anhaften, vermittelt die Benzoesäure bis zu ihrer Sublimation eine Adhäsion der Kugeln104 an der Kappe107 . - Des Weiteren kommen als Trägerstoff der Suspension
108 beispielsweise Koffein, Naphthalin oder Phthalsäureanhydrid infrage, wobei die genannten Stoffe beispielsweise in höheren Alkoholen (ab Butanol), höheren Alkanen (ab Decan) oder zweiwertigen Alkoholen gelöst sind. - Alternativ zu der Verwendung der Suspension
108 wäre es beispielsweise auch denkbar, die Kugeln104 nicht in einem Trägerstoff zu suspendieren, sondern direkt, d.h. in einem nicht-suspendierten Zustand, auf die Oberseite der Kappe107 bzw. die Unterseite des Topbauelements102 aufzubringen. In diesem Fall muss jedoch gewährleistet sein, dass die Kugeln104 ausreichend gut an der Oberfläche des Kappe107 bzw. der Unterseite des Topbauelements102 anhaften, damit sie nicht vor dem Aufbringen des Topbauelements102 auf das Basisbauelement101 und dem Lötvorgang von der Kappe107 rollen bzw. sich von der Unterseite des Topbauelements102 lösen. Beispielsweise kann dies durch eine elektrostatische Aufladung der Kugeln104 erreicht werden. Die Ladung der Kugeln104 muss dabei ein zu der Ladung der Oberfläche der Kappe107 bzw. der Unterseite des Topbauelements102 entgegengesetztes Vorzeichen aufweisen oder eine derartige Ladung in die Oberfläche der Kappe107 bzw. die Unterseite des Topbauelements102 induzieren. Eine elektrostatische Aufladung der Kugeln104 kann beispielsweise durch geeignet gewählte Oberflächengruppen erzielt werden. Des Weiteren bewirkt eine elektrostatische Aufladung der Kugeln104 eine gegenseitige Abstoßung der Kugeln104 aufgrund des gleichen Ladungsvorzeichens, was zur Folge hat, dass sich die Kugeln104 gleichmäßig auf der Oberseite der Kappe107 bzw. der Unterseite des Topbauelements102 verteilen. Ferner kann ein Anhaften der Kugeln104 auf der Kappe107 bzw. der Unterseite des Topbauelements102 durch chemische Bindungen erzielt werden. Dazu werden die Kugeln104 beispielsweise in geeigneter Weise beschichtet oder das Material der Kugeln104 wird so gewählt, dass die Oberflächen der Kugeln104 Gruppen aufweisen, die mit Oberflächengruppen der Kappe107 bzw. der Unterseite des Topbauelements102 Bindungen eingehen, die stark genug sind, um ein Wegrollen bzw. Abfallen der Kugeln104 zu verhindern. - In einem weiteren Verfahrensschritt, der in
2B veranschaulicht ist, wird das Topbauelement102 auf das Basisbauelement101 entlang einer Stapelrichtung109 gestapelt. Das Topbauelement102 weist an seiner Unterseite Kontaktflächen auf, die mit Lotkugeln110 bestückt sind. Die Kontaktflächen sind elektrisch mit dem oder den in das Gehäuse des Topbauelements102 eingebetteten Halbleiterchips verbunden. Die Kontaktflächen und die Lotkugeln110 sind derart in dem Randbereich der Unterseite des Topbauelements102 angeordnet, dass sie beim Aufsetzen des Topbauelements102 auf das Basisbauelement101 den Lotkugeln106 des Basisbauelements101 gegenüberliegen. - Nach dem Aufsetzen des Topbauelements
102 auf das Basisbauelement werden Lötverbindungen aus den einander gegenüberliegenden Lotkugeln106 und110 erzeugt. In2C ist durch Pfeile111 veranschaulicht, dass der Trägerstoff, in welchem die Kugeln104 suspendiert sind, bei der Erhitzung während des Lötvorgangs rückstandsfrei verdampft bzw. sublimiert und zwischen der Oberseite der Kappe107 und der Unterseite des Topbauelements102 nur die Kugeln104 zurückbleiben. Durch die Erhitzung schmelzen ferner die Lotkugeln106 und110 und sich jeweils gegenüberliegende Lotkugeln106 und110 bilden Lotsäulen103 aus, wie sie in2D gezeigt sind. - Falls das Topbauelement
102 vor dem Lötvorgang mit den Lotkugeln110 auf den Lotkugeln106 des Basisbauelements101 aufsaß, sackt das Topbauelement102 beim Schmelzen der Lotkugeln106 und110 ab und drückt dabei mit dem mittleren Bereich seiner Unterseite die Kugeln104 gegen die Oberseite der Kappe107 . Zwischen der Kappe107 und dem Topbauelement102 liegen die Kugeln104 dann in der Regel nur noch nebeneinander und nicht mehr übereinander. - Während der Zeitspanne, während der das Lot der Lotsäulen
103 flüssig ist, wirken die Kugeln104 wie eine Art Kugellager zwischen der Kappe107 und der Unterseite des Topbauelements102 . Die Kugeln104 ermöglichen es, dass sich das Topbauelement102 während dieser Zeit auf dem Basisbauelement101 bewegen kann und zwar in einer Richtung senkrecht zu der Stapelrichtung109 . In2D sind diese Freiheitsgrade durch Pfeile112 veranschaulicht. Vorteilhaft an dieser Bewegungsfreiheit ist, dass das Topbauelement102 in die richtige Position „einschwimmen" kann, in welcher sich die Lotsäulen103 im Wesentlichen parallel zu der Stapelrichtung109 ausgerichtet haben. - Falls die Kugeln
104 aus einem elastischen Material gefertigt sind, kommt ihnen neben der Funktion als „Kugellager" eine weitere Funktion zu. Beim Abkühlen und Erstarren der Lotsäulen103 entsteht in den Lotsäulen103 durch thermischen Schrumpf eine Zugspannung entlang der Stapelrichtung109 . Da die Kugeln104 aufgrund ihrer Elastizität einen Teil der Spannungen absorbieren können, verringern sie die durch den thermischen Schrumpf hervorgerufenen mechanischen Spannungen in den Lotsäulen103 und den mit den Lotsäulen103 verbundenen Kontaktflächen. - Des Weiteren sind die Kugeln
104 insofern von Vorteil, als dass sie einen räumlichen Abstand zwischen dem Basisbauelement101 und dem Topbauelement102 erzeugen, der beispielsweise mit Luft gefüllt ist. Dieser Abstand bewirkt eine thermische Isolierung der beiden Bauelemente101 und102 . Bei einer Implementierung des Halbleitermoduls100 in mobilen Anwendungen, wie beispielsweise in Mobiltelefonen, PDAs oder Navigationssystemen, umfasst das Basisbauelement101 beispielsweise einen Logik-Chip und das Topbauelement102 beispielsweise Speicherelemente, wie Flash-, SRAM- oder DRAM-Speicherelemente. Während des Betriebs übersteigt die Temperatur des Logik-Chips typischerweise die für die Speicherelemente erlaubte Höchsttemperatur. Der von den Kugeln104 erzeugte Luftspalt bewirkt eine thermische Isolierung der Speicherelemente von dem Logik-Chip, sodass eine Erwärmung der Speicherelemente durch den Logik-Chip verhindert wird. - Als Materialien für die Kugeln
104 kommen beispielsweise Butadien, Silicon oder EPDM (Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk) infrage. Die genannten Materialien weisen eine für die angegebenen Zwecke ausreichende Elastizität auf. Der Durchmesser der Lotkugeln104 liegt beispielsweise im Bereich von 40 bis 80 μm und beträgt beispielsweise 50 μm. - Die Vorteile, die mit der Verwendung der Kugeln
104 bei der Herstellung des in2D gezeigten Halbleitermoduls100 verbunden sind, werden nachfolgend anhand eines in3 dargestellten Verfahrens noch einmal verdeutlicht. - Das in
3 dargestellte Verfahren dient in gleicher Weise wie das in2 gezeigte Verfahren zur Herstellung eines Halbleitermoduls200 , bei welchem auf einem Basisbauelement201 ein Topbauelement202 angeordnet ist. Im Unterschied zu dem in2 gezeigten Verfahren wird bei dem in3 dargestellten Verfahren auf Kugeln zwischen dem Basisbauelement201 und dem Topbauelement202 verzichtet. - In
3A ist gezeigt, dass das Basisbauelement201 auf seiner Unterseite mit Lotkugeln203 bestückte Kontaktflächen aufweist. Im Randbereich der Oberseite des Basisbauelements201 sind Kontaktflächen, die mit Lotkugeln204 bestückt sind, angeordnet und in der Mitte der Oberseite des Basisbauelements201 ist eine Kappe205 ausgebildet. Das Topbauelement202 weist an seiner Unterseite im Randbereich Kontaktflächen auf, die mit Lotkugeln206 versehen sind. Die Kontaktflächen, die mit den Lotkugeln204 und206 bestückt sind, sind derart angeordnet, dass beim Aufsetzen des Topbauelements202 auf das Basisbauelement201 jeweils zwei Lotkugeln204 und206 einander gegenüberliegen. - Während des Lötvorgangs werden die Lotkugeln
204 und206 geschmolzen und einander gegenüberliegende Lotkugeln204 und206 bilden jeweils eine Lotsäule207 . Im Unterschied zu dem in2 gezeigten Verfahren sackt das Topbauelement202 mit seiner Unterseite bis auf die Oberseite der Kappe205 des Basisbauelements201 ab, sobald die Lotkugeln204 und206 aufschmelzen (vgl.3B ). Dadurch wird das Topbauelement202 in seiner Position fixiert und ein „Einschwimmen" der Lotsäulen207 in die richtige Position wird verhindert. - Die fehlende Beweglichkeit während des Lötvorgangs kann zu Lötfehlern, beispielsweise in Form von unterbrochenen Lötkontakten oder Kurzschlüssen, führen. Ferner kann die fehlende Möglichkeit des „Einschwimmens" der Lotsäulen
207 im Ergebnis zu Lotsäulen207 führen, die nicht senkrecht zu der Unterseite des Topbauelements202 und der Oberseite des Basisbauelements201 bzw. parallel zu der Stapelrichtung208 ausgerichtet sind. Derartige schiefe Lotsäulen207 sind in3C gezeigt. Schiefe Lotsäulen207 können gegenüber geraden Lotsäu len207 eine geringere mechanische Stabilität aufweisen, was letztlich zu einem Aufbrechen der Lotsäulen207 und zu Funktionsausfällen und Kurzschlüssen führen kann. - Ein weiterer Nachteil, der mit dem Weglassen der Kugeln zwischen dem Basisbauelement
201 und dem Topbauelement202 verbunden ist, ist dadurch bedingt, dass die Lotsäulen207 beim Erstarren aufgrund von thermischem Schrumpf eine Zugspannung entlang der Stapelrichtung208 verursachen. Sofern das Basisbauelement201 – wie in3C gezeigt ist – mit einem Halbleiterchip209 in Flip-Chip-Technologie bestückt ist, kann an dem Halbleiterchip209 aufgrund der Zugspannung der erstarrten Lotsäulen207 eine Kantenpressung entstehen (vgl. Blitz210 in3C ). Die Kantenpressung kann eine Absplitterung von Siliziummaterial von dem Halbleiterchip209 verursachen und eventuell einen Funktionsausfall des Halbleiterchips209 nach sich ziehen. - Die Zugspannung in den erstarrten Lotsäulen
207 kann des Weiteren Schälspannungen in den Kontaktflächen, über welche die Lotsäulen207 mit dem Basisbauelement201 bzw. dem Topbauelement202 verbunden sind, hervorrufen. Diese Schälspannungen sind in dem unteren Teil von3C veranschaulicht, in welchem ein Teilbereich211 des Halbleitermoduls200 vergrößert dargestellt ist. Die Schälspannungen auf Kontaktflächen212 und213 sind durch Blitze214 und215 verdeutlicht. Die Schälspannungen können ein vorzeitiges Ausreißen der Kontaktflächen212 und213 verursachen. - In dem in
2 gezeigten zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird jede der Lotsäulen103 aus zwei sich gegenüberliegenden Lotkugeln106 und110 erzeugt. Alternativ zu dieser Ausgestaltung kann auch vorgesehen sein, dass nur die Oberseite des Basisbauelements101 oder nur die Unterseite des Topbauelements102 mit Lotkugeln bestückt ist und dass demnach Lötverbindungen aus jeweils nur einer Lotkugel hergestellt werden. Gegenüber dieser alternativen Ausgestaltung bietet jedoch das in2 gezeigte Herstellungsverfahren der Lotsäulen103 den Vorteil, dass die Lotsäulen103 trotz ihrer vergleichsweise großen Höhe einen wesentlich geringeren Durchmesser aufweisen. Dies ermöglicht einen kleineren Abstand zwischen den Lotsäulen103 und somit eine höhere Dichte der Kontaktflächen. - Die Höhe der Lotsäulen
103 wird von der Höhendifferenz zwischen der Oberseite der Kappe107 und dem Randbereich der Oberseite des Basisbauelements101 sowie von dem Durchmesser der Kugeln104 bestimmt. Die Kappe107 und die Kugeln104 bilden einen Abstandshalter, der verhindert, dass einander gegenüberliegende Lotkugeln106 und110 zu einer gemeinsamen großen Lotkugel aufschmelzen. - In
4A sind lichtmikroskopische Aufnahmen von Lotsäulen gezeigt. In der oberen Aufnahme weist die Kappe des Basisbauelements eine Höhe von 400 μm auf und in der unteren Aufnahme eine Höhe von 600 μm. Für beide Aufnahmen wurden gleiche Basis- und Topbauelemente verwendet. In4B sind lichtmikroskopische Aufnahmen von schiefen Lotsäulen gezeigt. Die schiefen Lotsäulen wurden durch das direkte Absacken des Topbauelements auf die Kappe des Basisbauelements während des Lötvorgangs verursacht. - In dem in
2 gezeigten zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung werden vor dem Aufsetzen des Topbauelements auf das Basisbauelement elastische Kugeln auf die Kappe des Basisbauelements oder die Unterseite des Topbauelements aufgebracht. Die Kugeln dienen zum einen dazu, während des Lötvorgangs eine Verschiebung des Topbauelements auf dem Basisbauelement zu ermöglichen, und zum anderen reduzieren die Kugeln aufgrund ihrer Elastizität mechanische Spannungen in den Lotsäulen und den Kontaktflächen. Zu diesen Zwecken müssen allerdings nicht notwendigerweise Elemente zwischen das Basis- und das Topbauelement eingebracht werden, die eine ideale Kugelform aufweisen. Körper mit der Form beispielsweise eines Rotationsel lipsoids oder eines Zylinders können auch ausreichende Rolleigenschaften aufweisen, um eine gewisse Bewegungsfreiheit des Topbauelements in eine Richtung senkrecht zur Stapelrichtung zu gewährleisten. Als Alternative zu im Wesentlichen kugelförmigen oder rollbaren Körpern ist es auch vorstellbar, im Wesentlichen quaderförmige Plättchen auf die Kappe des Basisbauelements oder die Unterseite des Topbauelements aufzubringen, wobei die Plättchen aus einem ausreichend weichen Material hergestellt sein müssten, sodass durch eine Verkippung oder Torsion der weichen Plättchen eine Beweglichkeit des Topbauelements in einem gewissen Umfang sichergestellt wäre. - Als weitere Alternative zu dem in
2 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel können ferner weitere Bauelemente unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens über das in2 dargestellte Topbauelement gestapelt werden.
Claims (35)
- Verfahren zur Herstellung von übereinander gestapelten Bauelementen (
11 ,12 ,13 ;101 ,102 ), wobei – eine Mehrzahl von Bauelementen (11 ,12 ,13 ;101 ,102 ) bereitgestellt wird, – auf jeweils mindestens eine Oberfläche einer Anzahl der Bauelemente (11 ,13 ;101 ) ein oder mehrere Bewegungselemente (14 ,15 ;104 ) aufgebracht werden, – die Bauelemente (11 ,12 ,13 ;101 ,102 ) übereinander gestapelt werden, sodass sich zwischen zwei benachbarten Bauelementen (11 ,12 ,13 ;101 ,102 ) jeweils eines oder mehrere der Bewegungselemente (14 ,15 ;104 ) befinden, und – die Bauelemente (11 ,12 ,13 ;101 ,102 ) durch Verbindungselemente (16 ;103 ) untereinander in ihrer Position gehalten werden. - Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Bewegungselemente (
14 ,15 ;104 ) komprimierbar sind und insbesondere entlang der Richtung (17 ;109 ), in der die Bauelemente (11 ,12 ,13 ;101 ,102 ) gestapelt werden, komprimierbar sind. - Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Bewegungselemente (
14 ,15 ;104 ) im Wesentlichen kugelförmig sind. - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Bewegungselemente (
14 ,15 ;104 ) beim Aufbringen auf die Oberflächen der Anzahl von Bauelementen (11 ,13 ;101 ) in einem zähflüssigen oder wachsartigen Trägerstoff suspendiert sind. - Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Trägerstoff beim Herstellen der Verbindungselemente (
16 ;103 ) verdampft oder sublimiert. - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Verbindungselemente Lötverbindungen (
16 ;103 ) sind. - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Bewegungselemente (
14 ,15 ;104 ) sich nach dem Herstellen der Verbindungselemente (16 ;103 ) frei von Klebstoff zwischen den Bauelementen (11 ,12 ,13 ;101 ,102 ) befinden. - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei auf den Bauelementen (
11 ,12 ,13 ;101 ,102 ) Lotdepots (106 ,110 ) aufgebracht sind und wobei beim Stapeln der Bauelemente (11 ,12 ,13 ;101 ,102 ) die Bauelemente (11 ,12 ,13 ;101 ,102 ) derart ausgerichtet werden, dass ein Lotdepot (106 ) eines Bauelements (101 ) einem Lotdepot (110 ) eines benachbarten Bauelements (102 ) gegenüberliegt. - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Bauelemente (
11 ,12 ,13 ;101 ,102 ) jeweils einen Halbleiterchip, insbesondere einen gehäusten Halbleiterchip, umfassen. - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Bewegungselemente (
14 ,15 ;104 ) es zumindest zeitweise ermöglichen, dass die Bauelemente (11 ,12 ,13 ;101 ,102 ) im Wesentlichen senkrecht zu der Richtung (17 ;109 ), in der die Bauelemente (11 ,12 ,13 ;101 ,102 ) gestapelt werden, bewegbar sind. - Verfahren, bei welchem – ein erstes Bauelement (
11 ,12 ;101 ) bereitgestellt wird, das eine Oberseite mit ersten Kontaktelementen (106 ) aufweist, – ein zweites Bauelement (12 ,13 ;102 ) bereitgestellt wird, das eine Unterseite mit zweiten Kontaktelementen (110 ) aufweist, – auf die Oberseite des ersten Bauelements (11 ,12 ;101 ) oder auf die Unterseite des zweiten Bauelements (12 ,13 ;102 ) rollbare Elemente (14 ,15 ;104 ) aufgebracht werden, – das zweite Bauelement (12 ,13 ;102 ) über dem ersten Bauelement (11 ,12 ;101 ) angeordnet wird, und – Lötverbindungen (103 ) zwischen den ersten Kontaktelementen (106 ) und den zweiten Kontaktelementen (110 ) hergestellt werden. - Verfahren nach Anspruch 11, wobei die rollbaren Elemente (
14 ,15 ;104 ) elastisch sind. - Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, wobei die rollbaren Elemente (
14 ,15 ;104 ) beim Aufbringen auf die Oberseite des ersten Bauelements (11 ,12 ;101 ) oder auf die Unterseite des zweiten Bauelements (12 ,13 ;102 ) in einem zähflüssigen oder wachsartigen Trägerstoff suspendiert sind. - Verfahren nach Anspruch 13, wobei der Trägerstoff beim Herstellen der Lötverbindungen (
103 ) verdampft oder sublimiert. - Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei die rollbaren Elemente (
14 ,15 ;104 ) im Wesentlichen kugelförmig sind. - Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, wobei die rollbaren Elemente (
14 ,15 ;104 ) auf einen ersten Bereich der Oberseite des ersten Bauelements (11 ,12 ;101 ) oder der Unterseite des zweiten Bauelements (12 ,13 ;102 ) aufgebracht werden und die ersten Kontaktelemente (106 ) in einem zweiten Bereich der Oberseite des ersten Bauelements (11 ,12 ;101 ) angeordnet sind. - Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 16, wobei die ersten und zweiten Kontaktelemente Lotdepots (
106 ,110 ) aufweisen und wobei das zweite Bauelement (12 ,13 ;102 ) über dem ersten Bauelement (11 ,12 ;101 ) derart ausgerichtet wird, dass ein Lotdepot (106 ) eines ersten Kontaktelements einem Lotdepot (110 ) eines zweiten Kontaktelements gegenüberliegt. - Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 17, wobei die rollbaren Elemente (
14 ,15 ;104 ) sich nach dem Herstellen der Lötverbindungen (16 ;103 ) frei von Klebstoff zwischen dem ersten und dem zweiten Bauelement (11 ,12 ,13 ;101 ,102 ) befinden. - Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 18, wobei das erste Bauelement (
11 ,12 ;101 ) einen ersten Halbleiterchip, insbesondere einen ersten gehäusten Halbleiterchip, umfasst und/oder das zweite Bauelement (12 ,13 ;102 ) einen zweiten Halbleiterchip, insbesondere einen zweiten gehäusten Halbleiterchip, umfasst. - Modul (
10 ;100 ) mit einer Mehrzahl von Bauelementen (11 ,12 ,13 ;101 ,102 ), hergestellt durch: – Bereitstellen einer Mehrzahl von Bauelementen (11 ,12 ,13 ;101 ,102 ); – Aufbringen eines oder mehrerer Bewegungselemente (14 ,15 ;104 ) auf jeweils mindestens eine Oberfläche einer Anzahl der Bauelemente (11 ,13 ;101 ); – Stapeln der Bauelemente (11 ,12 ,13 ;101 ,102 ), sodass sich zwischen zwei benachbarten Bauelementen (11 ,12 ,13 ;101 ,102 ) jeweils eines oder mehrere der Bewegungselemente (14 ,15 ;104 ) befinden; und – Herstellen von Verbindungselementen (16 ;103 ), welche die Bauelemente (11 ,12 ,13 ;101 ,102 ) untereinander in ihrer Position halten. - Modul (
10 ;100 ) nach Anspruch 20, wobei die Bewegungselemente (14 ,15 ;104 ) komprimierbar sind und insbesondere entlang der Richtung (17 ;109 ), in der die Bauelemente (11 ,12 ,13 ;101 ,102 ) gestapelt werden, komprimierbar sind. - Modul (
10 ;100 ) nach Anspruch 20 oder 21, wobei die Bewegungselemente (14 ,15 ;104 ) im Wesentlichen kugelförmig sind. - Modul (
10 ;100 ) nach einem der Ansprüche 20 bis 22, wobei die Bewegungselemente (14 ,15 ;104 ) beim Aufbringen auf die Oberflächen der Anzahl von Bauelementen (11 ,13 ;101 ) in einem zähflüssigen oder wachsartigen Trägerstoff suspendiert sind. - Modul (
10 ;100 ) nach Anspruch 23, wobei der Trägerstoff beim Herstellen der Verbindungselemente (16 ;103 ) verdampft oder sublimiert. - Modul (
10 ;100 ) nach einem der Ansprüche 20 bis 24, wobei die Verbindungselemente Lötverbindungen (16 ;103 ) sind. - Modul (
10 ;100 ) nach einem der Ansprüche 20 bis 25, wobei die Bewegungselemente (14 ,15 ;104 ) sich nach dem Herstellen der Verbindungselemente (16 ;103 ) frei von Klebstoff zwischen den Bauelementen (11 ,12 ,13 ;101 ,102 ) befinden. - Modul (
10 ;100 ) nach einem der Ansprüche 20 bis 26, wobei auf den Bauelementen (11 ,12 ,13 ;101 ,102 ) Lotdepots (106 ,110 ) aufgebracht sind und wobei beim Stapeln der Bauelemente (11 ,12 ,13 ;101 ,102 ) die Bauelemente (11 ,12 ,13 ;101 ,102 ) derart ausgerichtet werden, dass ein Lotdepot (106 ) eines Bauelements (101 ) einem Lotdepot (110 ) eines benachbarten Bauelements (102 ) gegenüberliegt. - Modul (
10 ;100 ) nach einem der Ansprüche 20 bis 27, wobei die Bauelemente (11 ,12 ,13 ;101 ,102 ) jeweils einen Halbleiterchip, insbesondere einen gehäusten Halbleiterchip, umfassen. - Modul (
10 ;100 ) nach einem der Ansprüche 20 bis 28, wobei die Bewegungselemente (14 ,15 ;104 ) es zumindest zeitweise ermöglichen, dass die Bauelemente (11 ,12 ,13 ;101 ,102 ) im Wesentlichen senkrecht zu der Richtung (17 ;109 ), in der die Bauelemente (11 ,12 ,13 ;101 ,102 ) gestapelt werden, bewegbar sind. - Modul (
10 ;100 ) mit – einem ersten Bauelement (11 ,12 ;101 ), das eine Oberseite mit ersten Kontaktelementen aufweist, – einem zweiten Bauelement (12 ,13 ;102 ), das eine Unterseite mit zweiten Kontaktelementen aufweist, wobei das zweite Bauelement (12 ,13 ;102 ) über dem ersten Bauelement (11 ,12 ;101 ) angeordnet ist, – rollbaren Elementen (14 ,15 ;104 ), die zwischen der Oberseite des ersten Bauelements (11 ,12 ;101 ) und der Unterseite des zweiten Bauelements (12 ,13 ;102 ) angeordnet sind, und – Lötverbindungen (16 ;103 ), über welche die ersten Kontaktelemente mit den zweiten Kontaktelemente verbunden sind. - Modul (
10 ;100 ) nach Anspruch 30, wobei die rollbaren Elemente (14 ,15 ;104 ) elastisch sind. - Modul (
10 ;100 ) nach Anspruch 30 oder 31, wobei die rollbaren Elemente (14 ,15 ;104 ) frei von Klebstoff zwischen der Oberseite des ersten Bauelements (11 ,12 ;101 ) und der Unterseite des zweiten Bauelements (12 ,13 ;102 ) angeordnet sind. - Modul (
10 ;100 ) nach einem der Ansprüche 30 bis 32, wobei die rollbaren Elemente (14 ,15 ;104 ) auf einem ersten Bereich der Oberseite des ersten Bauelements (11 ,12 ;101 ) angeordnet sind und die ersten Kontaktelemente (106 ) in einem zweiten Bereich der Oberseite des ersten Bauelements (11 ,12 ;101 ) angeordnet sind. - Modul (
10 ;100 ) nach einem der Ansprüche 30 bis 33, wobei die rollbaren Elemente (14 ,15 ;104 ) im Wesentlichen kugelförmig sind. - Modul (
10 ;100 ) nach einem der Ansprüche 30 bis 34, wobei das erste Bauelement (11 ,12 ;101 ) einen ersten Halbleiterchip, insbesondere einen ersten gehäusten Halbleiterchip, um fasst und/oder das zweite Bauelement (12 ,13 ;102 ) einen zweiten Halbleiterchip, insbesondere einen zweiten gehäusten Halbleiterchip, umfasst.
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