DE102007044795B4 - Elektronisches Modul mit einem Bauelementstapel - Google Patents
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-
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-
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Abstract
Elektronisches Modul mit
– einem Träger (30), der auf einer ersten Hauptseite eine Bauelementaufnahmefläche (31) und zumindest eine Kontaktfläche (32) aufweist;
– einem Bauelementstapel (33), der auf der Bauelementaufnahmefläche des Trägers (30) angeordnet ist, wobei der Bauelementstapel (33) zumindest zwei übereinander angeordnete Bauelemente umfasst, von denen jedes auf einer jeweiligen dem Träger jeweils abgewandten Seite Vorderseite zumindest eine Bauelementkontaktfläche zur elektrischen Kontaktierung aufweist;
– einer Isolationsstruktur (34), welche flächig auf der ersten Hauptseite des mit dem Bauelementstapel (33) bestückten Trägers (30) angeordnet ist und im Bereich der zumindest einen Bauelementkontaktfläche (12, 22) zumindest eines der Bauelemente (10, 20) des Bauelementstapels (33) und der zumindest einen Kontaktfläche (32) des Trägers (30) jeweils eine Aussparung (35, 36, 37) aufweist;
– einer auf der Isolationsstruktur (34) angeordneten Kontaktleiterbahnstruktur (38), welche
– die zumindest eine Bauelementkontaktfläche (12, 22) mit der zumindest einen Kontaktfläche (32) und/oder
– mehrere der...
– einem Träger (30), der auf einer ersten Hauptseite eine Bauelementaufnahmefläche (31) und zumindest eine Kontaktfläche (32) aufweist;
– einem Bauelementstapel (33), der auf der Bauelementaufnahmefläche des Trägers (30) angeordnet ist, wobei der Bauelementstapel (33) zumindest zwei übereinander angeordnete Bauelemente umfasst, von denen jedes auf einer jeweiligen dem Träger jeweils abgewandten Seite Vorderseite zumindest eine Bauelementkontaktfläche zur elektrischen Kontaktierung aufweist;
– einer Isolationsstruktur (34), welche flächig auf der ersten Hauptseite des mit dem Bauelementstapel (33) bestückten Trägers (30) angeordnet ist und im Bereich der zumindest einen Bauelementkontaktfläche (12, 22) zumindest eines der Bauelemente (10, 20) des Bauelementstapels (33) und der zumindest einen Kontaktfläche (32) des Trägers (30) jeweils eine Aussparung (35, 36, 37) aufweist;
– einer auf der Isolationsstruktur (34) angeordneten Kontaktleiterbahnstruktur (38), welche
– die zumindest eine Bauelementkontaktfläche (12, 22) mit der zumindest einen Kontaktfläche (32) und/oder
– mehrere der...
Description
- Die Erfindung betrifft ein elektronisches Modul mit einem Träger, der auf einer ersten Hauptseite eine Bauelementaufnahmefläche und zumindest eine Kontaktfläche aufweist. Auf der Bauelementaufnahmefläche ist ein Bauelementstapel angeordnet, der zumindest zwei übereinander angeordnete Bauelemente umfasst, von denen jedes auf einer jeweiligen Vorderseite zumindest eine Bauelementkontaktfläche zur elektrischen Kontaktierung aufweist.
- Aus
US 2003/0 080 403 A1 - Aus
US 6 731 009 B1 ist ein integrierter Bauelementstapel mit mehreren integrierten Schaltungen bzw. Chips bekannt. Diese Mehrzahl von integrierten Chips/Schaltungen ist übereinander angeordnet und mit ”Flip-Chip”-Verbindungen elektrisch kontaktiert. - Aus
US 6 232 148 B1 ist ein integrierter Stapel von Schaltungselementen bekannt, bei dem mindestens ein Bondgerät auf einer aktiven Oberfläche des Chips variabel positionierbar ist. Eine Mehrzahl von Führungsfingern eines Leadframes erstrecken sich zwischen den Chips. - Ein elektronisches Modul umfasst üblicherweise einen Träger oder ein Substrat, auf dem eine strukturierte Metallschicht mit Metall- oder Kontaktflächen aufgebracht ist. Auf manchen der Kontaktflächen sind jeweils ein oder mehrere Bauelemente, z. B. ein Halbleiterchip oder ein passives Bauelement, aufgebracht. Das oder die Bauelemente sind über ein Verbindungsmittel, in der Regel ein Lot oder ein Kleber, mit der jeweiligen Kontaktfläche verbunden. Zur elektrischen Kontaktierung weisen die Bauelemente jeweils eine Anzahl an Kontaktflächen auf ihrer von dem Träger abgewandten Oberseite (= Vorderseite) auf. Die elektrische Verbindung zwischen den Kontaktflächen eines Bauelements untereinander und/oder einer der Kontaktflächen der Metallschicht des Trägers wird üblicherweise unter Verwendung von Bonddrähten realisiert.
- Um eine Miniaturisierung eines elektronischen Moduls bewirken zu können, werden Bauelementstapel mit übereinander angeordneten, nackten Bauelementen, bereitgestellt. Hierbei stellt die Kontaktierung eines jeweiligen Bauelements, z. B. eines Halbleiterchips, eine große Herausforderung dar.
- Üblicherweise wird auch bei derartigen Bauelementstapeln zur Herstellung elektrischer Verbindungen Drahtbondtechnik eingesetzt. Die Bauelemente des Bauelementstapels werden in gleicher Richtung orientiert übereinander angeordnet und auf dem Träger angeordnet. Sind die Bauelemente gleich groß, so wird häufig ein Abstandshalter, auch Spacer genannt, zwischen jeweils zwei Bauelemente eingefügt. Das Herstellen einer Drahtbondverbindung erfolgt hierbei jeweils vor dem Aufsetzen des nächsten Abstandshalters und des darauf folgenden Bauelements. Weisen die Bauelemente nach oben hin eine kleiner werdende Grundfläche auf, so kann gegebenenfalls auf den Abstandshalterverzichtet werden. Bei der Verwendung von Drahtbondverbindungen ist es zu deren mechanischer Stabilisierung notwendig, die Drähte in eine Vergussmasse, sog. Globtop, einzubetten. Hierdurch sind diese vor mechanischen Beschädigungen und Vibrationen geschützt.
- Die Herstellung eines elektronischen Moduls mit einem Bauelementstapel, welcher eine Mehrzahl an übereinander angeordneten Bauelementen umfasst, ist bei Verwendung der Drahtbondtechnologie außerordentlich komplex. Der Prozessablauf erzwingt ein aufwändiges, serielles Kontaktierungsverfahren, bei dem eine hohe Ausbeute Voraussetzung für die wirtschaftliche Herstellung des elektronischen Moduls ist. Ein hohes Risiko stellt die Kurzschlussgefahr durch sich berührende Drähte dar. Darüber hinaus sind aufgrund des Platzbedarfs der einzelnen Leiterdrahtverbindungen einer Miniaturisierung Grenzen gesetzt. Ebenso ist eine Kühlung der übereinander angeordneten Bauelemente kaum möglich.
- Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein elektronisches Modul mit einem Bauelementstapel anzugeben, bei welchem die elektrische Kontaktierung jeweiliger Bauelemente des Bauelementstapels auf einfachere und zuverlässigere Weise durchgeführt werden kann, wobei der Flächenbedarf für die elektrische Kontaktierung minimal sein soll.
- Diese Aufgabe wird durch ein elektronisches Modul mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.
- Ein erfindungsgemäßes elektronisches Modul umfasst einen Träger, der auf einer ersten Hauptseite eine Bauelementaufnahmefläche und zumindest eine Kontaktfläche aufweist. Ein Bauelementstapel ist auf der Bauelementaufnahmefläche des Trägers angeordnet, wobei der Bauelementstapel zumindest zwei übereinander angeordnete Bauelemente umfasst, von denen jedes auf einer jeweiligen Vorderseite zumindest eine Bauelementkontaktfläche zur elektrischen Kontaktierung aufweist. Eine Isolationsstruktur ist flächig auf der ersten Hauptseite des mit dem Bauelementstapel bestückten Trägers angeordnet und weist im Bereich der zumindest einen Bauelementkontaktfläche zumindest eines der Bauelemente des Bauelementstapels und der zumindest einen Kontaktfläche des Trägers jeweils eine Aussparung auf. Eine auf der Isolationsstruktur angeordnete Kontaktleiterbahnstruktur verbindet die zumindest eine Bauelementkontaktfläche mit der zumindest einen Kontaktfläche und/oder mehrere der Kontaktflächen miteinander und/oder mehrere der Bauelementkontaktflächen eines der Bauelemente miteinander und/oder mehrere der Bauelementkontaktflächen der zumindest zwei Bauelemente miteinander.
- Zur Miniaturisierung des elektronischen Moduls sowie zur Vereinfachung der Herstellung wird vorgeschlagen, eine sog. planare Verbindungstechnologie zu nutzen, bei welcher die Kontaktleiterbahnstruktur nicht durch Drahtverbindungen, sondern durch galvanisch aufgebrachte Leiterzugstrukturen erzeugt wird.
- Bei dieser wird eine Oberfläche des Halbzeugs zunächst mit einer Isolationsschicht, z. B. einer Kunststofffolie aus einem isolierenden Material, bedeckt. An den Stellen der Kontaktflächen werden Öffnungen oder Aussparungen in die Isolationsschicht eingebracht, um die Kontaktflächen freizulegen. Anschließend wird eine dünne Metallschicht durch Sputtern, Aufdampfen und andere Verfahren zur Erzeugung dünner Kontaktschichten ganzflächig auf die Isolationsschicht und deren eingebrachte Öffnungen aufgebracht. Auf diese dünne Metallschicht wird eine weitere, in der Regel aus einem isolierenden Material bestehende lichtempfindliche Folie (sog. Fotofolie) aufgebracht. Die Fotofolie wird in einem weiteren Schritt entsprechend der gewünschten leitenden Struktur belichtet und entwickelt. Die nicht belichteten Abschnitte der Fotofolie lassen sich in einem weiteren Verfahrensschritt entfernen, so dass eine Freilegung der darunter befindlichen dünnen Metallschicht, genauer der Kupferoberfläche, erfolgt. Durch Eintauchen des vorbereiteten Halbzeugs in ein Elektrolytbad, insbesondere ein Kupfer-Elektrolytbad, wird durch galvanische Verstärkung eine ca. 20 μm bis 200 μm dicke Kupferschicht aufgewachsen. In einem sich daran anschließenden Schritt, der als Strippen der Fotofolie bezeichnet wird, wird die noch auf der Oberfläche befindliche Fotofolie an den Bereichen, an welchen keine elektrisch leitende Struktur ausgebildet werden soll, entfernt. Als letzter Schritt erfolgt ein sog. Differenzätzen, bei dem ganzflächig die aus Titan und Kupfer bestehende dünne Metallschicht entfernt wird, so dass lediglich die gewünschte leitfähige Struktur überbleibt. Die leitfähige Struktur, die auch als Kontaktleiterbahnstruktur bezeichnet wird, ist üblicherweise aus Kupfer ausgebildet, wobei die Schichtdicke im Bereich von 20 μm bis 500 μm liegt.
- Elektronische Module, die in planarer Verbindungstechnologie gefertigt sind, weisen den Vorteil auf, dass die Höhe eines fertig gestellten elektronischen Moduls im Vergleich zu elektronischen Modulen mit herkömmlichen Bonddrähten wesentlich geringer ist.
- In einer Ausgestaltung sind die Seitenkanten des Bauelementstapels mit der Isolationsstruktur versehen. Hierdurch wird eine hermetische Versiegelung des Bauelementstapels auf dem Träger bewirkt.
- Zweckmäßigerweise ist das oberste Bauelement des Bauelementstapels mit seinen Bauelementkontaktflächen von der ersten Hauptseite des Trägers abgewandt angeordnet. Hierdurch kann zumindest das oberste Bauelement in der bekannten Weise durch die planare Verbindungstechnologie kontaktiert werden.
- In einer ersten Variante der Erfindung ist ein unteres Bauelement des Bauelementstapels mit seinen Bauelementkontaktflächen von der ersten Hauptseite des Trägers abgewandt angeordnet, wobei die Bauelementkontaktflächen des untersten Bauelements nicht von einem mit diesem verbundenen oberen Bauelement bedeckt sind. Dies bedeutet, dass das untere Bauelement größer ist als das auf ihm angeordnete obere Bauelement. Hierdurch liegen die Bauelementkontaktflächen sowohl des oberen als auch des unteren Bauelements frei und können in bekannter Weise durch die planare Verbindungstechnologie kontaktiert werden.
- In einer zweiten Variante ist das unterste, mit dem Träger verbundene Bauelement des Bauelementstapels mit seinen Bauelementkontaktflächen der ersten Hauptseite des Trägers zugewandt angeordnet, wobei die Bauelementkontaktflächen des untersten Bauelements Flipchip mit korrespondierenden Kontaktflächen des Trägers im Bereich der Bauelementaufnahmefläche kontaktiert sind. Die Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen dem untersten Bauelement und dem Träger erfolgt auf bekannte Weise durch die Kontaktierung „Face Down”. „Face Down” bedeutet, dass die Vorderseite des Bauelements dem Träger zugewandt ist. Die Kontaktierung eines auf diesem untersten Bauelement aufgebrachten oberen Bauelements kann, wenn dieses mit seinen Bauelementkontaktflächen dem Träger abgewandt auf dem untersten Bauelement aufgebracht ist, durch die planare Verbindungstechnologie erfolgen. Die Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen den Bauelementkontaktflächen des oberen und des untersten Bauelements kann dann unter Zwischenschaltung einer strukturierten Metallschicht auf dem Träger erfolgen, welche in elektrischen Kontakt mit der Kontaktleiterbahnstruktur der planaren Verbindungstechnologie steht.
- Das unterste Bauelement und das mit diesem verbundene Bauelement sind mit ihren Rückseiten zweckmäßigerweise lediglich mechanisch miteinander verbunden. Die Verbindung kann beispielsweise durch einen Kleber hergestellt sein.
- In einer weiteren alternativen Ausgestaltung sind ein unteres Bauelement und ein mit diesem verbundenes oberes Bauelement des Bauelementstapels mit seinen Bauelementkontaktflächen von der ersten Hauptseite des Trägers abgewandt angeordnet, wobei eine Kontaktierung des unteren Bauelements im Bereich einer Seitenkante des Bauelementstapels erfolgt. Bei dieser Variante sind die Bauelemente des Bauelementstapels identisch orientiert. Dies bedeutet, dass beispielsweise sämtliche Vorderseiten der Bauelemente des Bauelementstapels von dem Träger abgewandt angeordnet sind.
- In einer Ausgestaltung kann zwischen dem unteren und dem oberen Bauelement ein Umverdrahtungselement vorgesehen sein. Dieses dient dazu, die elektrische Kontaktierung des unteren Bauelements von der Seitenkante des Bauelementstapels her zu ermöglichen.
- Das Umverteilungselement kann ein Leiterrahmen (Leadframe) mit Anschlussfingern sein, wobei erste Enden der Anschlussfinger mit den Bauelementkontaktflächen des unteren Bauelements elektrisch leitend verbunden sind und zweite Enden der Anschlussfinger seitlich über die jeweiligen Ränder des oberen und des unteren Bauelements hinausragen, wobei die Kontaktleiterbahnstruktur einen elektrischen Kontakt zu den zweiten Enden im Bereich der Seitenkanten herstellt. Hierbei durchstoßen zweckmäßigerweise die zweiten Enden der Anschlussfinger des Leiterrahmens die Isolationsstruktur im Bereich der Seitenkanten.
- Vor der Montage des oberen Bauelements auf dem unteren Bauelement wird auf dem unteren Bauelement durch Löten, Leitkleben oder analoge Verfahren der Leiterrahmen aufgebracht, welcher über die Seitenkanten des unteren Bauelements hinausragt. Durch einen späteren Stanzvorgang, durch den die Anschlussfinger aus dem Leiterrahmen entfernt werden, kann festgelegt werden, wie weit die zweiten Enden der Anschlussfinger über den Rand des unteren Bauelements hinausragen. Beim Aufbringen der Isolierschicht durchstößt der Leiterrahmen die Isolierschicht, wodurch die über die Isolierschicht hinausstehenden Abschnitte der zweiten Enden der Anschlussfinger bei der galvanischen Erstellung der Kontaktleiterbahnstruktur kontaktiert werden können. Die Kontaktleiterbahnstruktur kontaktiert nunmehr den Leiterrahmen.
- Zur Einhaltung eines definierten Abstandes zwischen dem unteren und dem oberen Bauelement kann optional ein Abstandshalter, beispielsweise aus einem Metall oder einem Kunststoff vorgesehen werden. Dieser kann beispielsweise durch einen Klebevorgang mit dem unteren und dem oberen Bauelement fixiert werden.
- Anstatt der Verwendung eines Leiterrahmens kann das Umverdrahtungselement ein Spider mit einer strukturierten Isolationsschicht und einer darauf aufgebrachten strukturierten Metallschicht sein. Der Spider ist zweckmäßigerweise mit der strukturierten Isolationsschicht auf dem unteren Bauelement und dessen Seitenkanten aufgebracht, wobei eine elektrische Kontaktierung des Spiders im Bereich der Seitenkante des unteren Bauelements erfolgt. In einer Ausgestaltung dieser Variante enden erste Enden von Metallfingern der strukturierten Metallschicht im Bereich zwischen einer Aussparung der strukturierten Isolationsschicht und sind mit den Bauelementkontaktflächen des unteren Bauelements elektrisch leitend verbunden.
- Der Spider wird, wie er beispielsweise in der sog. TAB-Technologie (TAB = Tabbed Automatic Bonding) verwendet wird, vor der Montage auf das untere Bauelement durch Löten oder Leitkleben aufgebracht, so dass dieser zunächst über die Seitenränder des unteren Bauelements hinausragt. Es genügt hierbei ein sog. einlagiger Spider, bei dem die freitragenden inneren Enden von Metallfingern mit den Bauelementkontaktflächen des unteren Bauelements verbunden werden. Die der Vorderseite des Bauelements zugewandte Rückseite der strukturierten Metallschicht ist durch die strukturierte Isolationsschicht, z. B. aus Polyimid, isoliert. Beim Aufbringen der Isolationsschicht der planaren Verbindungstechnologie auf den Bauelementstapel und den Träger wird der Spider derart verformt, dass dieser mit seiner Isolationsschicht an der Seitenkante des unteren Bauelements anliegt. Nach dem Aufbringen der Isolationsschicht können beispielsweise durch ein Laser ablationsverfahren die Öffnungen in die Isolationsschicht eingebracht werden, so dass die strukturierte Metallschicht freigelegt ist. Hierdurch kann ein elektrischer Kontakt mit der Kontaktleiterbahnstruktur, welche nachfolgend galvanisch erzeugt wird, hergestellt werden.
- Auch bei dieser Variante kann zwischen dem oberen und dem unteren Bauelement zur Einhaltung eines definierten Abstandes ein Abstandshalter vorgesehen werden.
- Eine weitere Variante der seitlichen Kontaktierung des unteren Bauelements sieht vor, dass die Bauelementkontaktflächen des unteren Bauelements bis an die Seitenkante des unteren Bauelements ragen und eine im Bereich der Seitenkante kontaktierbare Fläche aufweisen. Die Bauelementkontaktflächen des unteren Bauelements können beispielsweise während der Fertigung im Wafer in dessen Sägespur verlängert vorgesehen sein, so dass diese beim Vereinzeln der Bauelemente aus dem Wafer angeschnitten werden. Nach der gestapelten Montage einer Mehrzahl an Bauelementen und dem Laminieren der Isolationsschicht kann die Stirnseite der Bauelementkontaktflächen des unteren Bauelements beispielsweise durch Laserablation zugänglich gemacht werden. Die strukturierte Kontaktleiterbahnstruktur kontaktiert dann direkt die Stirnseite dieser verlängerten Bauelementkontaktflächen.
- Im Falle einer seitlichen Kontaktierung des unteren Bauelements ist es zweckmäßig, wenn die Bauelemente des Bauelementstapels in etwa gleich groß sind, da hierdurch die Herstellung eines elektrischen Kontakts vereinfacht ist.
- In einer weiteren Ausgestaltung kann vorgesehen sein, in den Bauelementstapel zumindest eine Wärmesenke zu integrieren. Die zumindest eine Wärmesenke kann eine elektrische Funktion aufweisen. Hierdurch kann eine hohe Zuverlässigkeit durch ein optimiertes thermomechanisches Verhalten erzielt werden. Die verbesserte Kühlung kann beispielsweise durch das Vorsehen von Metallstrukturen auf der Isolationsschicht der planaren Verbindungstechnologie realisiert werden. Es ist ebenso eine direkte Kühlung, durch einen mitstrukturierten Kühlkörper auf einer Vorderseite eines der Bauelemente denkbar. Es können Wärmesenken, z. B. Bauelemente aus Kupfer, analog zu den Bauelementen des Bauelementsstapels in diesen integriert werden, die ausschließlich als Wärmesenke dienen und so zur Kühlung beitragen.
- Ebenso ist in einer Variante zumindest eine dem ESD-Schutz dienende elektrisch leitende Schicht vorgesehen, welche durch zusätzliche Metallflächen oder entsprechende Ankontaktierungen bereitgestellt werden kann.
- Die Erfindung wird nachfolgend näher anhand der Figuren beschrieben. Es zeigen:
-
1 eine Querschnittsdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines elektronischen Moduls, -
2 eine Querschnittsdarstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen elektronischen Moduls, -
3 eine Querschnittsdarstellung eines dritten Ausführungsbeispiels des elektronischen Moduls, -
4 eine Querschnittsdarstellung eines vierten Ausführungsbeispiels des elektronischen Moduls, und -
5 eine Querschnittsdarstellung eines fünften Ausführungsbeispiels des elektronischen Moduls. -
1 zeigt in einer Querschnittsdarstellung ein elektronisches Modul1 , bei dem auf einer Bauelementaufnahmefläche31 eines Trägers30 ein Bauelementstapel33 aufgebracht ist. Der Bauelementstapel33 umfasst beispielhaft zwei übereinander angeordnete Bauelemente10 ,20 . Das untere der beiden Bauelemente10 ist mit seiner Rückseite14 dem Träger30 zugewandt und mit diesem über eine Klebeschicht52 mechanisch verbunden. Auf seiner Vorderseite11 weist das untere Bauelement10 in der Querschnittsdarstellung beispielhaft zwei Bauelementkontaktflächen12 auf, welche nahe einer Seitenkante13 angeordnet sind. Das obere Bauelement20 weist im Vergleich zu dem unteren Bauelement10 eine kleinere Grundfläche auf und ist mit seiner Rückseite24 über einen Kleber53 mit der Vorderseite11 des unteren Bauelements10 verbunden. Dabei ist das obere Bauelement20 derart auf dem unteren Bauelement10 angeordnet, dass die Bauelementkontaktflächen12 des unteren Bauelements10 nicht von dem oberen Bauelement20 bedeckt werden. Das obere Bauelement20 weist ebenfalls auf seiner Vorderseite21 Bauelementkontaktflächen22 auf, wobei lediglich beispielhaft zwei dargestellt sind. - Bei den Bauelementen
10 ,20 kann es sich beispielsweise um Halbleiterchips handeln, welche in bekannter Weise in einem Wafer hergestellt sind. - Sämtliche der elektrisch zu kontaktierenden Bauelementkontaktflächen
12 ,22 der Bauelemente10 ,20 des Bauelementstapels33 sind im Ausführungsbeispiel der1 von dem Träger30 abgewandt und von ihrer Vorderseite11 ,21 her zugänglich. Hierdurch ergibt sich die Möglichkeit, zur Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen den Bauelementkontaktflächen12 bzw.22 eines Bauelementes10 bzw.20 und/oder zwischen den Bauelementkontaktflächen12 ,22 der Bauelemente10 ,20 und/oder zwischen jeweiligen Bauelementkontaktflächen12 ,22 und einer Kontaktfläche32 des Trägers30 eine planare Verbindungstechnologie, wie z. B. die unter dem Namen SiPLIT (Siemens Planar Interconnect Technology) bekannte Umverdrahtungstechnik, zu verwenden. - Hierzu wird eine Isolationsschicht
34 über den auf dem Träger30 aufgebrachten Bauelementstapel33 aufgebracht, z. B. laminiert. Im Bereich der Bauelementkontaktflächen12 und22 sowie der Kontaktflächen32 des Trägers30 werden Aussparungen35 ,37 eingebracht. Dies kann beispielsweise durch Laserablation erfolgen. Anschließend wird eine strukturierte Metallisierung, die Kontaktleiterbahnstruktur38 , aufgebracht, welche die Bauelementkontaktflächen12 ,22 miteinander und/oder mit der Bauelementkontaktfläche32 des Trägers verbindet. Die Kontaktleiterbahnstruktur38 kann z. B. durch eine gesputterte Startschicht, eine dreidimensionale Fotolithographie und eine semi-additive galvanische Abscheidung erzeugt werden. - Die Kontaktleiterbahnstruktur
38 kann in einer Ausgestaltung auch mehrlagig ausgebildet sein. Hierzu wird die Metallisierung der Kontaktleiterbahnstruktur38 durch eine weitere Schicht isoliert, die Kontaktleiterbahnstruktur im Bereich auszubildender Kontaktflächen geöffnet und eine zweite strukturierte Metallisierung zur Ausbildung einer weiteren Kontaktleiterbahnstruktur aufgebracht. - Im Ausführungsbeispiel sind die in der Figur rechts angeordneten Bauelementkontaktflächen
12 ,22 miteinander und mit der Kontaktfläche32 des Trägers30 elektrisch verbunden. Demgegenüber weisen die links in der Figur angeordneten Bauelementkontaktflächen12 ,22 in der Querschnittsdarstellung keinen elektrischen Kontakt zueinander auf. -
2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen elektronischen Moduls, bei dem der Bauelementstapel33 wiederum zwei Bauelemente10 ,20 umfasst, welche übereinander angeordnet sind. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Bauelemente10 ,20 in etwa gleich groß ausgebildet. Das untere Bauelement10 ist mit seiner Vorderseite11 dem Träger30 zugewandt. Die elektrische Kontaktierung der Bauelementkontaktflächen12 erfolgt unter Verwendung von Kontaktbällen51 (sog. Lotballs). Alternativ können auch sog. Stud Bumps oder leitfähiger Klebstoff verwendet werden. Diese Art der Kontaktierung wird auch als Flipchip-Kontaktierung bezeichnet. In der Regel wird der zwischen dem unteren Bauelement10 und dem Träger30 entstehende Spalt durch einen sog. Underfill ausgefüllt (nicht dargestellt). - Das obere Bauelement
20 ist mit seiner Rückseite24 über einen Kleber53 mit der Rückseite14 des unteren Bauelements10 verbunden. Dies bedeutet, dass die Bauelementkontaktflächen22 des oberen Bauelements20 von dem Träger abgewandt sind. Hierdurch können die Bauelementkontaktflächen22 des oberen Bauelements in der oben beschriebenen Weise durch die Planare Verbindungstechnologie kontaktiert werden. Zu diesem Zweck ist wiederum die Isolationsschicht34 über dem auf dem Träger30 aufgebrachten Bauelementstapel33 vorgesehen. Hierbei sind neben der Vorderseite21 des oberen Bauelements20 und dem Träger30 auch die Seitenkanten des Bauelementstapels33 von der Isolationsschicht bedeckt. Das Aufbringen der Kontaktleiterbahnstruktur38 erfolgt ebenfalls in der oben beschriebenen Weise. Die Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen den Bauelementkontaktflächen22 des oberen Bauelements20 und den Bauelementkontaktflächen12 des unteren Bauelements10 erfolgt in dieser Ausgestaltung über die Kontaktleiterbahnstruktur38 und eine in der Figur nicht dargestellte strukturierte Metallisierung auf oder in dem Träger30 . - Die
3 bis5 zeigen weitere Ausführungsbeispiele, bei denen die Bauelemente des Bauelementstapels33 jeweils mit ihrer Vorderseite11 ,21 von dem Träger30 abgewandt sind. Den Ausführungsbeispielen gemeinsam ist der Umstand, dass die elektrische Kontaktierung des unteren Bauelements10 jeweils von der Seite des Bauelementstapels31 her erfolgt, wobei jeweils die planare Verbindungstechnologie zur Herstellung sämtlicher Kontaktmöglichkeiten genutzt ist. - Um die Kontaktierung im Bereich einer Seitenkante des Bauelementstapels
33 zu ermöglichen, ist in dem dritten Ausführungsbeispiel in3 zwischen dem oberen Bauelement20 und dem unteren Bauelement10 als Umverdrahtungselement40 ein Leiterrahmen41 vorgesehen. In der Querschnittsdarstellung der3 sind hierbei zwei Anschlussfinger44 des Leiterrahmens41 dargestellt. Ein jeweils erstes Ende45 der Anschlussfinger44 ist mit den Bauelementkontaktflächen12 des unteren Bauelements10 elektrisch verbunden. Ein jeweils zweites Ende46 der Anschlussfinger44 ragt über die jeweiligen Ränder des oberen und unteren Bauelements10 ,20 hinaus. Dies führt beim Aufbringen der Isolationsschicht34 dazu, dass die über die Ränder der Bauelemente10 ,20 hinausragenden zweiten Enden der Anschlussfinger44 die Isolierschicht34 durchbrechen. Ein jeweiliger Durchbruch in der Isolationsschicht34 ist mit dem Bezugszeichen43 gekennzeichnet. Beim Aufbringen der Kontaktleiterbahnstruktur38 auf die Isolationsschicht34 werden neben den Bauelementkontaktflächen22 des zweiten Bauelements20 und der Kontaktflächen32 des Trägers30 auch die zweiten Enden46 der Anschlussfinger44 kontaktiert. - Um einen definierten Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Bauelement
10 ,20 zu erzielen, kann zwischen diesen ein Abstandshalter42 , z. B. aus einem Metall oder Kunststoff, vorgesehen sein. Die mechanische Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Bauelement10 ,20 kann beispielsweise über einen Kleber erfolgen, welcher im Falle des Vorhandenseins des Abstandshalters42 mit den jeweiligen Bauelementen10 ,20 verbunden wird. - In dem vierten Ausführungsbeispiel in
4 ist das Umverdrahtungselement durch einen Spider47 gebildet. Der Spider47 umfasst eine strukturierte Isolationsschicht48 z. B. aus Polyimid, sowie eine darauf aufgebrachte strukturierte Metallschicht49 . Der Spider47 wird zunächst auf die Vorderseite11 des unteren Bauelements10 aufgebracht, wobei die strukturierte Isolationsschicht48 der Vorderseite11 zugewandt ist. Hierbei werden die Bauelementkontaktflächen12 des unteren Bauelements10 nicht von der strukturierten Isolationsschicht48 bedeckt, so dass erste Enden von Metallfingern50 mit den Bauelementkontaktflächen12 kontaktiert werden können. Nach der Herstellung der elektrischen Kontakte zwischen den Metallfingern50 und den Bauelementkontaktflächen12 wird das obere Bauelement20 mit dem vorbereiteten Bauelement10 , z. B. durch einen Kleber, verbunden. Anschließend wird der Bauelementstapel33 im Bereich der Bauelementaufnahmefläche31 auf den Träger30 aufgesetzt und mit diesem verbunden. Dies kann wiederum unter Verwendung eines Klebers52 erfolgen. Beim Aufbringen der Isolierschicht34 wird der über die Seitenränder des unteren Bauelements hinausstehende Spider derart verformt, dass die strukturierte Isolationsschicht48 sich an die Seitenränder13 des unteren Bauelements10 anlegt. Hieraus ergibt sich, dass die mit der strukturierten Isolationsschicht48 verbundene strukturierte Metallschicht49 an die Isolationsschicht34 angrenzt. Neben den Aussparungen35 auf der Vorderseite22 des oberen Bauelements20 und den Aussparungen37 auf dem Träger30 werden zusätzlich Aussparungen36 in die Isolationsschicht34 an der Seitenkante des Bauelementstapels33 bzw. des unteren Bauelements10 eingebracht. Hierdurch wird die strukturierte Metallschicht49 des Spiders17 freigelegt und kann von der Kontaktleiterbahnstruktur38 elektrisch kontaktiert werden. - Auch in diesem Ausführungsbeispiel kann zwischen dem unteren und dem oberen Bauelement
10 ,20 wiederum ein Abstandshalter (nicht dargestellt) eingebracht sein. - In dem fünften Ausführungsbeispiel gemäß
5 kann auf ein Umverdrahtungselement zwischen dem unteren und dem oberen Bauelement10 ,20 verzichtet werden. Die seitliche Kontaktierung wird dadurch möglich, dass die Bauelementkontaktflächen12 des unteren Bauelements10 bis an dessen Seitenkanten13 ragen. Realisiert werden kann dies dadurch, dass die Bauelementkontaktflächen12 auf Waferebene in eine Sägespur verlängert sind, so dass diese beim Vereinzeln angeschnitten werden. Nach der gestapelten Montage des unteren und des oberen Bauelements10 ,20 und dem Aufbringen der Isolationsschicht34 können die Stirnseiten der Bauelementkontaktflächen12 durch das Einbringen der Aussparungen36 im Bereich der Seitenkante13 des Bauelements10 zugänglich gemacht werden. Die Kontaktleiterbahnstruktur38 kontaktiert dann direkt die Stirnseite der verlängerten Bauelementkontaktflächen12 . - Bei diesem Ausführungsbeispiel kann die Rückseite
24 des oberen Bauelements20 unmittelbar, z. B. durch einen Kleber53 mit der Vorderseite11 des unteren Bauelements10 verbunden werden. Das untere Bauelement10 ist mit seiner Rückseite14 über einen Kleber52 im Bereich der Bauelementaufnahmefläche33 mit dem Träger30 verbunden. - Die Vorteile dieser beschriebenen elektronischen Module sind einer hoher Miniaturisierungsgrad durch das Übereinanderordnen mehrerer Bauelemente und deren platzsparende elektrische Kontaktierung mittels planarer Verbindungstechnologie. Es können unterschiedliche Bauelemente mit unterschiedlichen Pad-Metallisierungen verwendet werden. Es besteht eine hohe Flexibilität hinsichtlich der Größen und Dicken der zu verarbeitenden Bauelemente.
- Die seitliche Kontaktierung im Bereich der Bauelementkanten ermöglicht eine eng anliegenden und eventuell mehrlagige Kontaktierebene mit hoher Verdrahtungsdichte.
- Ein erfindungsgemäßes elektronisches Modul weist eine hohe Zuverlässigkeit durch ein gutes thermomechanisches Verhalten auf. Durch zusätzliche Metallstrukturen der Kontaktleiterbahnstruktur auf der Isolierschicht kann eine verbesserte Kühlung erzielt werden. Die Kühlung kann auch direkt durch das Einbringen von mitstrukturierten Kühlkörpern auf einer jeweiligen Bauelementvorderseite erfolgen.
- Es besteht ferner die Möglichkeit, Wärmesenken in dem Bauelementstapel zu integrieren. Die Integration kann analog zu den Bauelementen erfolgen. Die Wärmesenken können ausschließlich als Wärmesenke dienen und so zur Kühlung beitragen.
- Durch das Vorsehen zusätzlicher Metallflächen oder entsprechender Ankontaktierungen, welche bei der Erstellung der Kontaktleiterbahnstruktur auf einfache Weise vorgesehen werden können, kann ein ESD-Schutz bereitgestellt werden.
- Die elektronischen Module sind quasi-hermetisch durch große Metallflächen und/oder einen mehrlagigen Aufbau verschlossen. Der hermetische Verschluss kann auch durch Aufbringung einer Isolierschicht, z. B. eine Abdeckfolie mit ganzflächiger Metallisierung, und deren Anbindung an den beispielsweise aus Keramik bestehenden Träger erfolgen.
- Aufgrund der Durchführung von Parallelprozessen lässt sich das elektronische Modul kostengünstig herstellen. Im Gegensatz zur Verwendung von Leiterbrücken ist kein Globtop zu deren Abdeckung erforderlich.
- Zudem besteht die Möglichkeit, auf der Isolierschicht Widerstände, Spulen oder Kondensatoren auszubilden, wodurch passive Bauelemente in das elektronische Modul integriert werden können.
- Als Bauelemente kommen insbesondere Halbleiterchips (sowohl Speicher- als auch Logikchips) in Betracht. Die Bauelemente können ferner Leistungshalbleiterchips, Einzelhalbleiter, z. B. Dioden oder Transistoren, Sensoren, Aktoren, passive Bauelemente (wie z. B. Widerstände, Kapazitäten oder Induktivitäten), LED-Chips und beliebige Kombinationen dieser Bauelemente sein.
- Der beschriebene Prozessablauf ermöglicht die parallele Fertigung mehrerer aufeinander gestapelter Bauelemente eines Moduls, wobei diese in einem Nutzen gefertigt werden können.
Claims (7)
- Elektronisches Modul mit – einem Träger (
30 ), der auf einer ersten Hauptseite eine Bauelementaufnahmefläche (31 ) und zumindest eine Kontaktfläche (32 ) aufweist; – einem Bauelementstapel (33 ), der auf der Bauelementaufnahmefläche des Trägers (30 ) angeordnet ist, wobei der Bauelementstapel (33 ) zumindest zwei übereinander angeordnete Bauelemente umfasst, von denen jedes auf einer jeweiligen dem Träger jeweils abgewandten Seite Vorderseite zumindest eine Bauelementkontaktfläche zur elektrischen Kontaktierung aufweist; – einer Isolationsstruktur (34 ), welche flächig auf der ersten Hauptseite des mit dem Bauelementstapel (33 ) bestückten Trägers (30 ) angeordnet ist und im Bereich der zumindest einen Bauelementkontaktfläche (12 ,22 ) zumindest eines der Bauelemente (10 ,20 ) des Bauelementstapels (33 ) und der zumindest einen Kontaktfläche (32 ) des Trägers (30 ) jeweils eine Aussparung (35 ,36 ,37 ) aufweist; – einer auf der Isolationsstruktur (34 ) angeordneten Kontaktleiterbahnstruktur (38 ), welche – die zumindest eine Bauelementkontaktfläche (12 ,22 ) mit der zumindest einen Kontaktfläche (32 ) und/oder – mehrere der Kontaktflächen (32 ) miteinander und/oder – mehrere der Bauelementkontaktflächen (12 ,22 ) eines der Bauelemente (10 ,20 ) miteinander und/oder – mehrere der Bauelementkontaktflächen (12 ,22 ) der zumindest zwei Bauelemente (10 ,20 ) miteinander elektrisch verbindet, wobei – die Isolationsstruktur von einer Kunststofffolie gebildet ist und – bei dem das unterste, mit dem Träger (30 ) verbundene Bauelement (10 ) des Bauelementstapels (33 ) mit seinen Bauelementkontaktflächen (12 ) der ersten Hauptseite des Trägers (30 ) zugewandt angeordnet ist, wobei die Bauelementkontaktflächen (12 ) des untersten Bauelements Flip-Chip mit korrespondierenden Kontaktflächen (32 ) des Trägers (30 ) im Bereich der Bauelementaufnahmefläche kontaktiert sind. - Modul nach Anspruch 1, bei dem die Seitenkanten des Bauelementstapels (
33 ) mit der Isolationsstruktur (34 ) versehen sind. - Modul nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das oberste Bauelement (
20 ) des Bauelementstapels (33 ) mit seinen Bauelement kontaktflächen (22 ) von der ersten Hauptseite des Trägers (30 ) abgewandt angeordnet ist. - Modul nach Anspruch 1 bis 3, bei dem das unterste Bauelement und das mit diesem verbundene Bauelement mit ihren Rückseiten lediglich mechanisch miteinander verbunden sind.
- Modul nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem in den Bauelementstapel (
33 ) zumindest eine Wärmesenke integriert ist. - Modul nach Anspruch 5, bei dem die zumindest eine Wärmesenke eine elektrische Funktion aufweist.
- Modul nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem in den Bauelementstapel (
33 ) zumindest eine dem ESD-Schutz dienende elektrisch leitende Schicht vorgesehen ist.
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