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Gebiet der vorliegenden Erfindung
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Im Allgemeinen betrifft die vorliegende Erfindung integrierte Schaltungen und betrifft insbesondere Techniken zur Reduzierung der Chip-Gehäuse-Wechselwirkungen, die durch die thermische Fehlanpassung zwischen dem Chip- und dem Gehäusesubstrat hervorgerufen werden.
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Beschreibung des Stands der Technik
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In der
DE 103 61 106 A1 wird ein Halbleiterbauteil mit einem Halbleiterchip und einer steifen Verdrahtungsplatte, die an einem Randbereich und insbesondere außerhalb des Bereichs des Halbleiterchips eine nachgiebige Biegeelementstruktur aufweist, beschrieben.
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In der
DE 198 00 928 A1 wird ein Gehäuse zur Aufnahme von Bauelementen, insbesondere von elektronischen Bauelementen beschrieben, in dem eine Abdeckung und eine Grundplatte durch eine Leiterplatte mit zumindest einem flexiblen Bereich gebildet werden.
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In der
US 6 603 209 B1 wird ein Verfahren zur Herstellung eines nachgiebigen Gehäusesubstrats für mikroelektronische Bauelemente beschrieben, bei dem flexible dielektrische Schichten mit Leitern verwendet werden.
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In der
DE 10 2004 029 587 A1 wird ein substratbasiertes FBGA-Gehäuse mit einem Substrat zur Aufnahme eines Chips offenbart, in dem der Chip durch eine Klebstoffschicht mit dem Substrat verbunden ist. Auf der von dem Chip abgewandten Seite ist das Substrat mit Lötkugeln versehen, die mit Kontaktpads des Chips elektrisch verbunden sind.
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Halbleiterbauelemente werden typischerweise auf im Wesentlichen scheibenförmigen Substraten hergestellt, die aus einem geeigneten Material aufgebaut sind. Die Mehrzahl der Halbleiterbauelemente mit sehr komplexen elektronischen Schaltungen wird gegenwärtig und in der vorhersehbaren Zukunft auf der Grundlage von Silizium hergestellt, wodurch Siliziumsubstrate und siliziumenthaltende Substrate, etwa SOI- (Silizium-auf-Isolator-) Substrate, geeignete Basismaterialien für die Herstellung von Halbleiterbauelementen, etwa von Mikroprozessoren, SRAM's, ASIC's (anwendungsspezifischen IC's), Systemen auf einem Chip (SOC) und dergleichen werden. Die einzelnen integrierten Schaltungen sind in einem Array auf der Scheibe angeordnet, wobei die meisten Fertigungsschritte, die sich bis auf mehrere Hundert und mehr einzelne Prozessschritte in komplexen integrierten Schaltungen belaufen können, gleichzeitig für alle Chipbereiche auf dem Substrat ausgeführt werden, mit Ausnahme von Photolithographieprozessen, Messprozessen und das Einbringen der einzelnen Bauelemente in ein Gehäuse, nachdem das Halbleitersubstrat zersägt wurde. Daher zwingen ökonomische Bedingungen die Halbleiterhersteller dazu, die Substratabmessungen stetig zu vergrößern, um damit ebenfalls die Fläche zu vergrößern, die zur Herstellung der eigentlichen Halbleiterbauelemente verfügbar ist, wodurch die Produktionsausbeute gesteigert wird.
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Zusätzlich zur Vergrößerung der Substratfläche ist es auch wichtig, die Ausnutzung der Substratfläche bei einer vorgegebenen Substratgröße möglichst zu optimieren, so dass ein möglichst großer Anteil der Substratfläche für Halbleiterbauelemente und/oder Teststrukturen, die für die Prozesssteuerung verwendet werden, verfügbar ist. In dem Versuch, die nutzbare Oberfläche bei einer vorgegebenen Substratgröße zu maximieren, werden die Strukturelemente der Schaltungselemente in der Größe stetig verringert. Auf Grund dieser ständig vorhandenen Forderung für die Verringerung der Strukturgrößen von sehr komplexen Halbleiterbauelementen wird Kupfer in Verbindung mit dielektrischen Materialien mit großem ε häufig als Alternative bei der Herstellung sogenannter Verbindungsstrukturen eingesetzt, die Metallleitungsschichten und dazwischen liegende Kontaktdurchführungsschichten aufweisen, wobei diese Metallleitungen als Verbindungen innerhalb der Ebene und Kontaktdurchführungen als Verbindungen zwischen den Ebenen enthalten, die gemeinsam die einzelnen Schaltungselemente miteinander verbinden, um damit die erforderliche Funktionsfähigkeit der integrierten Schaltungen sicherzustellen. Typischerweise sind mehrere Metallleitungsschichten und Kontaktdurchführungsschichten, die aufeinandergestapelt sind, erforderlich, um die Verbindungen zwischen allen internen Schaltungselementen und den I/O- (Eingangs/Ausgangs-) Anschlussflächen, Versorgungs- und Masseanschlussflächen der betrachten Schaltung zu verwirklichen.
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Für extrem größenreduzierte integrierte Schaltungen ist die Signalausbreitungsverzögerung nicht mehr durch die Schaltungselemente selbst, etwa durch die Feldeffekttransistoren und dergleichen beschränkt, sondern diese ist auf Grund der größeren Dichte an Schaltungselementen, die eine noch größere Anzahl an elektrischen Verbindungen notwendig macht, durch den geringen Abstand der Metallleitungen beschränkt, da die Kapazität zwischen den Leitungen sich erhöht, wobei die Leitfähigkeit der Leitungen auf Grund der geringeren Querschnittsfläche reduziert ist. Aus diesem Grunde werden übliche Dielektrika, etwa Siliziumdioxid (ε > 3,6) und Siliziumnitrid (ε > 5) durch dielektrische Materialien mit einer geringeren Permittivität ersetzt, die daher auch als Dielektrika mit kleinem ε bezeichnet werden und eine relative Permittivität von 3 oder weniger aufweisen. Jedoch ist die Dichte und die mechanische Stabilität oder Festigkeit der Materialien mit kleinem ε deutlich geringer als jene von gut bewährten Dielektrika, etwa Siliziumdioxid und Siliziumnitrid. Folglich hängt während der Herstellung des Metallisierungssystems und nachfolgender Fertigungsprozesse für integrierte Schaltungen die Produktionsausbeute von den mechanischen Eigenschaften empfindlicher dielektrischer Materialien ab, etwa von dielektrischen Schichten mit kleinem ε und ihrer Haftung an anderen Materialien ab.
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Zusätzlich zu den Problemen der geringeren mechanischen Stabilität moderner dielektrischer Materialien mit einer Dielektrizitätskonstante von 3,0 oder deutlich weniger wird die Bauteilzuverlässigkeit von diesen Materialien auch während des Betriebs komplexer Halbleiterbauelemente auf Grund einer Wechselwirkung zwischen einem Chip und dem Gehäuse beeinflusst, wobei diese Wechselwirkung durch eine thermische Fehlanpassung der zugehörigen thermischen Ausdehnung der unterschiedlichen Materialien hervorgerufen. Beispielsweise wird bei der Herstellung komplexer integrierter Schaltungen zunehmend eine Kontakttechnologie eingesetzt, in der das Gehäusesubstrat mit dem Chip verbunden wird, was als Gehäusetechnik mit umgekehrtem Chip bzw. Flip-Chip-Gehäusetechnik bekannt ist. Im Gegensatz zu gut etablierten Drahtverbindungstechniken, in denen geeignete Kontaktflächen am Rande der letzten Metallschicht des Chips angeordnet sind, und die mit entsprechenden Anschlüssen des Gehäuses mittels eines Drahtes angeschlossen wird, wird in der Flip-Chip-Technologie eine entsprechende Höcker- oder Säulenstruktur auf der letzten Metallisierungsschicht hergestellt, wobei beispielsweise diese Struktur aus Lotmaterial aufgebaut ist, das mit entsprechenden Kontaktflächen des Gehäuses in Kontakt gebracht wird. Somit wird nach dem Wiederaufschmelzen des Höckermaterials eine zuverlässige elektrische und mechanische Verbindung zwischen der letzten Metallisierungsschicht und den Kontaktflächen des Gehäusesubstrats geschaffen. Auf diese Weise kann eine sehr große Anzahl elektrischer Verbindungen über die gesamte Chipfläche hinweg der letzten Metallisierungsschicht mit geringeren Kontaktwiderstand und parasitärer Kapazität erzeugt werden, wodurch die I/O- (Eingangs/Ausgangs-) Kapazitäten geschaffen werden für komplexe integrierte Schaltungen, etwa für CPU's, Speicherbauelemente und dergleichen.
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Während der entsprechenden Prozesssequenz zum Verbinden der Höckerstruktur mit einem Gehäusesubstrat wird ein gewisses Maß an Druck und/oder Wärme durch das zusammengesetzte Bauelement ausgeübt, um eine zuverlässige Verbindung zwischen jeden Höcker, der auf dem Chip ausgebildet und zwischen den Höckern oder den Anschlussflächen, die auf dem Gehäusesubstrat vorgesehen sind, erreicht wird. Die thermisch oder mechanisch hervorgerufene Verspannung kann jedoch auch auf die tieferliegenden Metallisierungsschichten wirken, die typischerweise Dielektrika mit kleinem ε oder sogar dielektrische Materialien mit ultrakleinem ε (ULK) aufweisen, wodurch die Wahrscheinlichkeit deutlich erhöht wird, das Defekte durch Ablösung dieser empfindlichen Materialien auf Grund der geringeren mechanischen Stabilität und der geringeren Haftung an anderen Materialien hervorgerufen werden.
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Ferner kann auch während des Betriebs des zusammengesetzten Halbleiterbauelements, d. h. das an dem entsprechenden Gehäusesubstrats angebrachten Halbleiterchips, auch eine ausgeprägte mechanische Verspannung auf Grund einer signifikanten Fehlanpassung im thermischen Ausdehnungsverhalten des siliziumbasierten Halbleiterchips und des Gehäusesubstrats hervorgerufen werden, da in Massenproduktionsverfahren für komplexe integrierte Schaltungen die ökonomischen Rahmenbedingungen typischerweise die Verwendung von speziellen Substratmaterialien für das Gehäuse, etwa in Form von organischen Materialien, erfordern, die typischerweise eine andere thermische Leitfähigkeit und einen anderen thermischen Ausdehnungskoeffizienten im Vergleich zum Siliziumchip besitzen. Folglich kann ein vorzeitiger Ausfall des Metallisierungssystems auftreten.
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Mit Bezug zu den 1a und 1b wird eine typische Chip-Gehäuse-Wechselwirkung detaillierter beschrieben.
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1a zeigt schematisch eine Querschnittsansicht einer integrierten Schaltung 100 mit einem Halbleiterchip 150, der mit einem Gehäusesubstrat 170 verbunden ist, das im Wesentlichen aus einem organischen Material, etwa einem Polymermaterial und dergleichen aufgebaut ist. Wie zuvor erläutert ist, besitzt insgesamt der Halbleiterchip 150 einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten (CET), der sich deutlich von dem CET des Gehäusesubstrats 170 unterscheidet, d. h. typischerweise ist der CET des Gehäusesubstrats 170 größer im Vergleich zu jenen des siliziumbasierten Halbleiterchips 150. Der Halbleiterchip 150 umfasst typischerweise ein Substrat 151, beispielsweise in Form eines Siliziumsubstrats oder eines SOI-Substrats, wobei dies von dem gesamten Aufbau der Schaltungskonzeption und vom Leistungsverhalten der integrierten Schaltung 100 abhängt. Ferner ist eine siliziumbasierte Halbleiterschicht 152 „über“ dem Substrat 151 vorgesehen, wobei die Halbleiterschicht 152 eine sehr große Anzahl an Schaltungselementen, etwa an Transistoren, Kondensatoren, Widerständen und dergleichen aufweist, wie dies zum Einrichten der gewünschten Funktion der integrierten Schaltung 100 erforderlich ist. Wie zuvor erläutert ist, führte die stetige Verringerung der kritischen Abmessungen von Schaltungselementen zu kritischen Abmessungen von Transistoren in der Größenordnung von 50 nm und deutlich weniger in gegenwärtig verfügbaren komplexen Halbleiterbauelementen, die mittels Massenproduktionsverfahren hergestellt werden.
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Der Halbleiterchip 150 umfasst ferner ein Metallisierungssystem 153, das in modernen Halbeiterbauelementen mehrere Metallisierungsschichten aufweist, d. h. mehrere Bauteilebenen, in denen Metallleitungen und Kontaktdurchführungen in einem dielektrischen Material eingebettet sind. Wie zuvor erläutert, ist zumindest ein Teil der entsprechenden dielektrischen Materialien, die in den diversen Metallisierungsschichten des Metallisierungssystems 153 verwendet sind, aus Materialien mit geringerer mechanischer Stabilität aufgebaut, um eine möglichst geringe parasitäre Kapazität benachbarter Metallleitungen zu erreichen. Ferner umfasst das Bauelement 150 eine Höckerstruktur 155, die geeignet mit dem Metallisierungssystem 153 verbunden ist, wobei die jeweiligen Höcker oder Metallsäulen als Teil der letzten Metallisierungsschicht des Systems 153 vorgesehen sind, beispielsweise vorgesehen sind, beispielsweise in Form eines Lotmaterials, in Form von Metallsäulen oder einer Kombination davon. Andererseits umfasst das Gehäusesubstrat 170 geeignet angeordnete und dimensionierte Kontaktanschlussflächeneiner Kontaktstruktur 175, die mit den jeweiligen Höckern der Struktur 155 in Kontakt gebracht wird, um damit entsprechende mechanische und elektrische Verbindungen beim Ausüben und Wärme und mechanischen Druck zu schaffen. Ferner umfasst das Gehäusesubstrat 170 geeignete Leitungen (nicht gezeigt), um die Höckerstruktur 155 mit geeigneten Anschlüssen zu verbinden, die somit eine elektrische Schnittstelle zu anderen peripheren Komponenten, etwa einer Leiterplatte, und dergleichen, bilden.
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Während des Betriebs und auch während des Prozesses zur Herstellung des zusammengesetzten Bauelements 100 aus dem Halbleiterchip 150 und dem Gehäusesubstrat 170 wird Wärme in dem Halbleiterchip 150 erzeugt oder in diesen übertragen, was schließlich zu einer ausgeprägten Wechselwirkung zwischen dem Halbleiterchip 150 und dem Gehäusesubstrat 170 führt, beispielsweise beim Wiederaufschmelzen und Aushärten der Höcker in der Struktur 155, was zu ausgeprägten Scherungskräften auf Grund der Fehlanpassung der CET's des Bauelements 150 und des Gehäuses 170 führt. Beispielsweise treten an der Grenzfläche zwischen dem Halbleiterchip 150 und dem Gehäusesubstrat 170, d. h. insbesondere die Höckerstruktur 155 und das Metallisierungssystem 153 ausgeprägte mechanische Verspannungskräfte auf, die durch die thermische Fehlanpassung während des Zusammenfügens und während des Betriebs des Bauelements 100 hervorgerufen werden. Auf Grund der geringeren mechanischen Stabilität und der geringeren Haftung der komplexen dielektrischen Materialien können entsprechende Defekte auftreten, die somit die Gesamtzuverlässigkeit und auch die Produktionsausbeute beeinflussen können, wenn die integrierte Schaltung 100 betrieben oder hergestellt wird. Beispielsweise wird ein gewisser Grad an thermisch hervorgerufener Verspannung, die durch 103 angegeben ist, in dem Gehäusesubstrat 170 auftreten, woraus sich ein gewisser Grad an Verbiegung ergibt, wie dies als 176 angezeigt ist, da Temperaturgradienten vorherrschen und der CET des Materials 170 im Vergleich zu dem Halbleiterchip 150 größer ist.
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1b zeigt schematisch eine vergrößerte Ansicht eines Teils des Metallisierungssystems 153 während einer typischen Situation beim Betreiben der integrierten Schaltung 100 oder beim Zusammenbau des Bauelements 100 in einer abschließenden Phase, wenn die Lothöcker nach dem Wiederaufschmelzen des Lotmaterials zunehmend aushärten. Wie gezeigt, umfasst das Metallisierungssystem 153 die mehreren Metallisierungsschichten, wobei der Einfachheit halber zwei Metallisierungsschichten 154 und 156 gezeigt sind. Beispielsweise enthält die Metallisierungsschicht 156 ein dielektrisches Material 156a, in welchem entsprechende Metallleitungen 156b und Kontaktdurchführungen 156c eingebettet sind. In ähnlicher Weise umfasst die Metallisierungsschicht 154 ein dielektrisches Material 154a und entsprechende Metallleitungen 154b und Kontaktdurchführungen 154c. Wie zuvor erläutert ist, enthalten zumindest einige der Metallisierungsschichten in dem Metallisierungssystem 153 ein empfindliches dielektrisches Material in Form eines dielektrischen Material mit kleinem ε oder eines ULK-Materials, das eine deutlich geringere mechanische Stabilität im Vergleich zu anderen Dielektrika, etwa Siliziumnitrid, Siliziumkarbid, stickstoffenthaltendem Siliziumkarbid, und dergleichen aufweist, wie sie häufig als Ätzstoppschicht oder Deckschicht verwendet wird, die zwischen den einzelnen Metallisierungsschichten 154, 156 verwendet sind. Während des Betriebs oder des Zusammenbaus der integrierten Schaltung 100 wird somit auf Grund des unterschiedlichen Verhaltens im Hinblick auf die thermische Ausdehnung eine ausgeprägte mechanische Kraft in die Metallisierungsschichten 156, 154 übertragen, wie dies durch 103 angegeben ist. Die Verspannung 103 ist auch in dem Gehäusesubstrat 170 (siehe 1a) vorhanden und kann zu einer Materialverformung führen, wie dies durch 176 angegeben ist (siehe 1a). Andererseits ruft die mechanische Verspannung 103 in dem Metallisierungssystem 153 einen mehr oder minder ausgeprägten verformten Zustand hervor, der zu der Erzeugung gewisser Defekte 154d, 156d führen kann, die wiederum letztlich zu einem gewissen Grad an Ablösung führen, da typischerweise die Haftung und die mechanische Stabilität der ULK-Dielektrikumsmaterialien geringer ist im Vergleich zu konventionellen dielektrischen Materialien, wie dies auch zuvor erläutert ist. Folglich kann die resultierende Ablösung letztlich zu einem vorzeitigen Ausfall des Metallisierungssystems 153 oder zu einem bereits zu Beginn bestehenden Fehler des Metallisierungssystems führen, wodurch zu einer geringeren Produktionsausbeute und zu einer geringeren Gesamtzuverlässigkeit der integrierten Schaltung 100 (siehe 1a) beigetragen wird.
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Die Problematik einer geringeren Zuverlässigkeit und einer reduzierten Produktionsausbeute komplexer Metallisierungssysteme ist noch ausgeprägter in modernen Prozesstechnologien, in denen die Dielektrizitätskonstante der dielektrischen Materialien mit kleinem ε noch weiter verringert wird, während gleichzeitig die Abmessungen der entsprechenden Chipbereiche größer gemacht werden, um damit immer mehr Funktionen in die integrierten Schaltungen einzubauen. Andererseits kann die erhöhte Komplexität des gesamten Schaltungsaufbaus auch eine größere Anzahl an gestapelten Metallisierungsschichten erforderlich machen, wie dies auch zuvor erläutert ist, was zusätzlich zu einer geringeren mechanischen Gesamtstabilität des Metallisierungssystems führt. Die Verwendung von bleifreien Materialien in der Höckerstruktur 155 (siehe 1a) kann ferner zu einer stärkeren mechanischen Kupplung des Gehäusesubstrats 170 an den Halbleiterchip 150 führen, woraus sich eine noch höhere mechanische Verspannung ergibt, da typischerweise bleifreie Kontaktanordnungen weniger nachgiebig sind als bleienthaltende Lotmaterialien.
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Aus diesen Gründen muss in konventionellen Vorgehensweisen die Gesamtgröße des Halbleiterchips auf geeignete Abmessungen in leistungsabhängigen Metallisierungssystemen beschränkt werden, um die gesamte mechanische Verspannung auf einem akzeptablen Niveau zu halten. In anderen Fällen wird die Anzahl der Metallisierungsschichten beschränkt, wodurch die Packungsdichte und/oder die Komplexität des Schaltungsaufbaus ebenfalls verringert werden. In noch anderen konventionellen Vorgehensweisen werden weniger aufwendige dielektrische Materialien verwendet, um insgesamt die mechanische Stabilität zu verbessern, wodurch jedoch das Leistungsvermögen der integrierten Schaltungen beeinträchtigt wird.
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Angesichts der zuvor beschriebenen Situation betrifft die vorliegende Erfindung Techniken und Halbleiterbauelemente, in denen Halbleiterbauelemente in Gehäuse mit komplexen Metallisierungssystemen vorgesehen werden, wobei eines oder mehrere der oben erkannten Probleme vermieden oder in der Auswirkung zumindest reduziert werden.
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Überblick über die Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Techniken und Halbleiterbauelemente, in denen die Chip-Gehäuse-Wechselwirkung bei einem vorgegebenen Grad an Komplexität und Größe des Halbleiterchips verringert wird. Dazu wird das Gehäusesubstrat in zwei oder mehr Substratabschnitte unterteilt, die mechanisch zu einem gewissen Grade „entkoppelt“ sind, so dass insgesamt die resultierende Wechselwirkung mit dem Halbleiterchip verringert wird. Beispielsweise werden zwei oder mehr Substratabschnitte des Gehäusesubstrats in einer mechanischen nachgebenden Weise verbunden, indem ein geeignetes Verspannungspuffergebiet vorgesehen wird, das auf der Grundlage eines geeigneten Materials hergestellt wird, wodurch ein geringerer Grad an Deformation des Gehäusesubstrats möglich ist, wenn dieses mit dem Halbleiterchip, der die deutlich geringere thermische Ausdehnung besitzt, verbunden wird. D. h. durch Vorsehen diverser Substratabschnitte in dem Gehäusesubstrat, die eine geringere mechanische Kopplung zueinander aufweisen, kann das tatsächliche Wechselwirkungsgebiet mit dem Halbleiterchip ebenfalls in entsprechende Abschnitte „aufgeteilt“ werden, wodurch die mechanische Verspannung in jedem entsprechenden Bereich des Halbleiterchips verringert wird. Folglich können die mechanischen Verspannungsanteile, die während des Betriebs des zusammengesetzten Halbleiterbauelements oder während des Zusammenfügens oder des Halbleiterchips und des Gehäusesubstrats hervorgerufen werden, deutlich verringert werden, wodurch Defekte in dem komplexen Metallisierungssystem vermieden oder zumindest deren Anzahl und Größe verringert werden.
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In einigen anschaulichen hierin offenbarten Ausführungsformen wird das Gehäusesubstrat in Form einzelner Substratabschnitte ohne jegliche mechanische Kopplung zueinander bereitgestellt, und die einzelnen Substratabschnitte werden an dem Halbleiterchip in diesen mechanisch entkoppelten Zustand angebracht, wodurch ebenfalls eine deutlich geringere mechanische Verspannung in dem Halbleiterchip während des Zusammenfügeprozesses und auch während des Betriebs des sich im Gehäuse befindlichen Halbleiterbauelements erreicht wird. Zu diesem Zweck können die einzelnen Gehäusesubstratabschnitte als elektrische „eigenständige“ Substratbereiche vorgesehen werden, die keine zusätzlichen elektrischen Verbindungen erfordern.
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Ein erfindungsgemäßes Halbleiterbauelement umfasst die Merkmale des Anspruchs 1.
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Ein erfindungsgemäßes Gehäuse zur Aufnahme eines Halbleiterchips umfasst die Merkmale des Anspruchs 10.
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Ausführungsformen der Erfindung umfassen die in den abhängigen Ansprüchen definierten Merkmale.
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Figurenliste
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Weitere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den angefügten Patentansprüchen definiert und gehen deutlicher aus der folgenden detaillierten Beschreibung hervor, wenn diese mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen studiert wird, in denen:
- 1a schematisch eine Querschnittsansicht einer integrierten Schaltung mit einem Halbleiterchip und einem Gehäusesubstrat zeigt, die direkt mittels einer Höckerstruktur gemäß konventioneller Strategien verbunden sind;
- 1b schematisch eine Querschnittsansicht eines Teils eines Metallisierungssystems des Halbleiterchips aus 1a zeigt, wobei mehrere mechanische Defekte beim Zusammenbau und/oder beim Betrieb der integrierten Schaltung auftreten können;
- 2a und 2b schematisch Draufsichten eines Gehäusesubstrats mit zwei oder mehr Substratabschnitten zeigen, die in einer nachgiebigen Weise mittels eines Verspannungspuffergebiets gemäß anschaulicher Ausführungsformen verbunden sind;
- 2c schematisch eine Querschnittsansicht eines Halbleiterchips und eines Gehäusesubstrats zeigt, das nachgiebig angekoppelte Substratabschnitte aufweist, bevor ein zusammengesetztes Bauelement gemäß anschaulicher Ausführungsformen hergestellt wird;
- 2d schematisch eine integrierte Schaltung mit dem Halbleiterchip und dem Gehäusesubstrat mit zwei oder mehr Substratabschnitten gemäß anschaulicher Ausführungsformen zeigt;
- 2e und 2f schematisch einen Halbleiterchip und ein Gehäusesubstrat während des Zusammenbaus eines zusammengesetzten integrierten Schaltungsbauelements auf der Grundlage individueller Substratabschnitte zeigen, wobei keine mechanische Kopplung gemäß noch weiterer anschaulicher Ausführungsformen vorliegt;
- 2g und 2h schematisch ein Gehäusesubstrat mit mehreren Substratabschnitten und einem Verspannungspuffergebiet zeigen, wobei ein Materialverdrängungsvolumen während diverser Betriebszustände gemäß anschaulicher Ausführungsformen vorhanden ist; und
- 2i schematisch eine Querschnittsansicht eines Gehäusesubstrats mit einer Leitung zeigt, die elektrische mit Substratabschnitten über ein Verspannungspuffergebiet hinweg gemäß anschaulicher Ausführungsformen herstellt.
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Detaillierte Beschreibung
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Obwohl die vorliegende Erfindung mit Bezug zu den Ausführungsformen beschrieben ist, wie sie in der folgenden detaillierten Beschreibung sowie in den Zeichnungen dargestellt sind, sollte beachtet werden, dass die folgende detaillierte Beschreibung sowie die Zeichnungen nicht beabsichtigen, die vorliegende Erfindung auf die speziellen anschaulichen hierin offenbarten Ausführungsformen einzuschränken, sondern die beschriebenen anschaulichen Ausführungsformen stellen lediglich beispielhaft die diversen Aspekte der vorliegenden Erfindung dar, deren Schutzbereich durch die angefügten Patentansprüche definiert ist.
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Die vorliegende Erfindung stellt allgemein Halbleiterbauelemente im Gehäuse, Gehäusesubstrate und Verfahren zum Zusammenfügen eines Halbleiterbauelements im Gehäuse bereit, wobei die Problematik einer geringeren Zuverlässigkeit und erhöhter mechanischer Defekte in Metallisierungssystemen moderner Halbleiterbauelemente gelöst ist, indem die Chip-Gehäuse-Wechselwirkung verringert wird. Dazu wird die mechanisch „aktive“ Fläche des Gehäusesubstrats verringert, indem zwei oder mehrere Abschnitte in dem Gehäusesubstrat vorgesehen werden, die mechanisch zu einem gewissen Grade entkoppelt sind, so dass beispielsweise der Grad an Deformation in dem Gehäusesubstrat als Ganzem deutlich verringert wird, wodurch auch die mechanische Verspannung in dem Halbleiterchip reduziert wird. Es wird ein ausgeprägter Grad an Entkopplung der einzelnen Abschnitte des Gehäusesubstrats in einigen anschaulichen Ausführungsformen erreicht, indem ein Verspannungspuffergebiet vorgesehen wird, das ein geeignetes Material aufweist, das die diversen Gehäusesubstratabschnitte in einer nachgiebigen Weise miteinander verbindet. D. h. das Verspannungspuffergebiet ist aus einem Material aufgebaut oder besitzt eine geeignete Ausbildung, so dass ein gewisser Grad an Deformation der Gehäusesubstratabschnitte ermöglicht wird, beispielsweise beim Auftreten einer thermischen Ausdehnung oder Kontraktion, wobei eine geringere mechanische Wirkung auf die benachbarten Substratabschnitte ausgeübt wird. Beispielsweise kann das Verspannungspuffergebiet in Form eines geeigneten Materials vorgesehen werden, das in Bezug auf das Material der Substratabschnitte nachgiebig ist und das somit auf eine externe mechanische Verspannung, die beispielsweise durch die Gehäusesubstratabschnitte übertragen wird, reagiert, ohne dass die Substratabschnitte wesentlich beeinflusst werden. Andererseits kann das nachgiebige Material in dem Verspannungspuffergebiet für eine gewisse mechanische Kopplung der diversen Substratabschnitte sorgen, wodurch eine entsprechende Handhabung des Substrats, beispielsweise bei der Herstellung einer geeigneten Kontaktstruktur und Leitungen gemäß den Bauteilerfordernissen ermöglicht wird. Beispielsweise ist eine Vielzahl an dielektrischen Materialien verfügbar, die typischerweise einen deutlich höheren Grad an Nachgiebigkeit im Vergleich zu organischen Materialien typischer Gehäusesubstrate besitzen, so dass diese Materialien effizient in den jeweiligen Verspannungspuffergebieten zwischen den einzelnen Gehäusesubstratabschnitten eingesetzt werden können. Beispielsweise können silikonbasierte Materialien als effiziente Verspannungspuffermaterialien verwendet werden.
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In anderen anschaulichen hierin offenbarten Ausführungsformen wird das Gehäusesubstrat in Form vollständig entkoppelter Substratabschnitte vorgesehen, die während des Zusammenfügeprozesses angebracht werden, wodurch ein geeigneter Ausdehnungsraum zwischen den einzelnen Substratabschnitten bereitgestellt wird, der somit als effizientes Verspannungspuffergebiet dient. In diesem Falle sind die einzelnen Gehäusesubstratabschnitte so gestaltet, dass die erforderlichen Leitungen für den Anschluss an periphere Komponenten vollständig innerhalb jedes Abschnitts vorgesehen sind, ohne dass Leitungen erforderlich sind, die eine Verbindung zwischen den einzelnen Substratabschnitten herstellen. Folglich können die einzelnen Substratabschnitte auf der Grundlage gut etablierter Prozesstechniken auf Basis eines symmetrischen Aufbaus hergestellt werden, der die Position und die Größe des Abschnitts im Hinblick auf das gesamte Gehäusesubstrat berücksichtigt, wobei nach dem Zusammenfügen des Halbleiterbauelements im Gehäuse ein geeignetes Füllmaterial vorgesehen wird, etwa in Form von nachgiebigen dielektrischen Materialien, wenn eine zusätzliche mechanische Kopplung zwischen den Substratabschnitten als geeignet erachtet wird.
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In noch anderen anschaulichen hierin offenbarten Ausführungsformen wird das Material in dem Verspannungspuffergebiet mit einem geeignet ausgewählten thermischen Ausdehnungskoeffizienten bereitgestellt, möglicherweise in Verbindung mit einem Materialverdrängungsvolumen, um damit unerwünschte mechanische Verspannungen und somit eine unerwünschte mechanische Kopplung der einzelnen Substratabschnitte während des Zusammenfügens und/oder des Betriebs des zusammengesetzten Halbleiterbauelements zu vermeiden. Beispielsweise kann durch das Vorsehen eines Materialverdrängungsvolumens in dem Verspannungspuffergebiet eine Verdrängung eines nachgiebigen Materials in dem Verspannungspuffergebiet kompensiert werden, etwa einer thermischen Ausdehnung der benachbarten Substratabschnitte des Gehäusesubstrats. Folglich kann eine unerwünschte mechanische Verspannung, die durch ein nachgiebiges Material in dem Verspannungspuffergebiet hervorgerufen wird, reduziert werden.
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Mit Bezug zu den 2a bis 2i werden nunmehr weitere anschauliche Ausführungsformen detaillierter beschrieben, wobei auch bei Bedarf auf die 1a und 1b verwiesen wird.
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2a zeigt schematisch eine Draufsicht eines Gehäusesubstrats 270, das einen ersten Substratabschnitt 270a und einen zweiten Substratabschnitt 270b aufweist, die durch ein Verspannungspuffergebiet 272 getrennt sind. Wie gezeigt, umfasst das Gehäusesubstrat 270 eine geeignet ausgebildete Kontaktstruktur 275, die in geeigneter Weise mit einer komplementären Kontaktstruktur eines Halbleiterchips in Verbindung gebracht werden kann, wie dies auch zuvor erläutert ist. Ferner umfasst typischerweise das Gehäusesubstrat 270 Leitungen (nicht gezeigt) zur Verbindung mit peripheren Bauelementen, etwa einer Leiterplatte und dergleichen, wie dies auch zuvor dargestellt ist. Die Substratabschnitte 270a, 270b sind aus einem geeigneten Material aufgebaut, etwa aus organischen Materialien, wie sie typischerweise für die Herstellung von Gehäusesubstraten von Halbleiterchips verwendet werden, wie dies auch zuvor erklärt ist. Im Gegensatz zu konventionellen Vorgehensweisen ist jedoch das Gehäusesubstrat 270 in geeigneter Weise in „Funktionszonen“ eingeteilt, d. h. in die Abschnitte 270a, 270b derart, dass sie mit jeweiligen Bereichen einer Kontaktstruktur eines Halbleiterchips in Verbindung gebracht werden können. Folglich kann durch Vorsehen zweier oder mehrerer einzelner Gehäusesubstratabschnitte, etwa der Abschnitte 270a, 270b, die entsprechende Wechselwirkungsfläche mit dem Halbleiterbauelement ebenfalls in der Größe verringert werden, wodurch der Grad an Wechselwirkung beim Zusammenbau des Halbleiterbauelements und/oder beim Betrieb eines eingehäusten Halbleiterbauelements verringert wird. Dazu kann das Verspannungspuffergebiet 272 in Form eines nachgiebigen Materials vorgesehen werden, das auf eine mechanische Verspannung, die durch die Abschnitte 270a, 270b hervorgerufen wird, mit einer ausgeprägten Deformation reagiert, während gleichzeitig die mechanische Kopplung der Abschnitte 270a, 270b deutlich verringert ist. Folglich kann beim Auftreten einer thermischen Verspannung jeder der Abschnitte 270a, 270b sich in einer im Wesentlichen unabhängigen Weise deformieren, wodurch der Gesamtgrad an Deformation des Gehäusesubstrats 270 als Ganzes im Vergleich zu konventionellen nicht aufgeteilten Gehäusesubstraten verringert wird. Es sollte beachtet werden, dass die laterale Größe des Verspannungspuffergebiets 272 in geeigneter Weise an die erwartete thermische Ausdehnung der Abschnitte 270a, 270b während typischer Montage- und Betriebsbedingungen angepasst werden kann. Beispielsweise wird eine Spaltbreite des Verspannungspuffergebiets 272 im Bereich von mehreren 10 Mikrometer bis 100 Mikrometer und mehr ausgewählt, wobei dies von der Komplexität der Kontaktstruktur 275 abhängt. Wie zuvor angegeben ist, ist eine Vielzahl an nachgiebigen Materialien verfügbar, beispielsweise auf der Grundlage von Silikon und dergleichen, wobei in einigen anschaulichen Ausführungsformen der CET des Materials in dem Verspannungspuffergebiet 272 sich von dem CET der Abschnitte 270a, 270b unterscheidet.
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2b zeigt schematisch das Gehäusesubstrat 270 gemäß anschaulicher Ausführungsformen, in denen mehr als zwei Abschnitte vorgesehen sind. Beispielsweise wird das Gehäusesubstrat 270 in vier Abschnitte 270a, ..., 270d unterteilt, die lateral durch das Verspannungspuffergebiet 272 getrennt sind.
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Z. B. sind in einigen anschaulichen Ausführungsformen die einzelnen Abschnitte 270a, ..., 270d so gestaltet, dass Leiter nicht vorgesehen werden müssen, um eine Verbindung zwischen den einzelnen Abschnitten 270a, ..., 270d herzustellen. In anderen Fällen, wie diese nachfolgend detaillierter beschrieben ist, können geeignete Leitungen so vorgesehen werden, dass eine Verbindung zwischen zwei benachbarten Substratabschnitten mittels des Verspannungspuffergebiets 272 erreicht wird.
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Das in den 2a und 2b gezeigte Gehäusesubstrat 270 kann auf der Grundlage der folgenden Prozesse hergestellt werden. Die einzelnen Abschnitte 270a, ..., 270d können auf der Grundlage gut etablierter Prozessstrategien hergestellt werden, beispielsweise durch Vorsehen einzelner Schichten eines geeigneten Materials und durch Ausbilden von Leitungen darin gemäß den gesamten Bauteilerfordernissen. Bei Bedarf tritt die geometrische Gestalt der Kontaktstruktur 275 und der Leitungen (nicht gezeigt) in geeigneter Weise gestaltet oder neugestaltet, so dass leitende Verbindungen zwischen benachbarten Abschnitten vermieden werden. In diesem Falle können in einigen anschaulichen Ausführungsformen die Abschnitte 270a, ..., 270d als individuelle Gehäusesubstrate hergestellt werden und werden nachfolgend verbunden, indem ein geeignetes nachgiebiges Material zwischen benachbarten Substratabschnitten vorgesehen wird, um damit das Verspannungspuffergebiet 272 zu erzeugen. In anderen Fällen werden die Abschnitte 270a, ..., 270d als eine einzelne Einheit hergestellt, beispielsweise für die diversen Substratschichten, falls erforderlich, und jede der Schichten wird nachfolgend geschnitten, mit Ausnahme der Leitungen, die über das Verspannungspuffergebiet 272 hinweg vorzusehen sind. Es sollte jedoch beachtet werden, dass jede andere Fertigungsstrategie angewendet werden kann, solange das Verspannungspuffergebiet 272 mit einem nachgiebigen Verhalten vorgesehen wird, um die mechanische Wechselwirkungsfläche des Gehäusesubstrats 270 in mehrere kleiner Teile zu unterteilen.
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2c zeigt schematisch einen Halbleiterschicht 250 mit einer Höckerstruktur 255, die mit dem Gehäusesubstrat 270 zu verbinden ist, das wie zuvor erläutert wurde, den ersten Substratabschnitt 270a, den zweiten Substratabschnitt 270b und das dazwischenliegende Verspannungspuffergebiet 272 mit erhöhter Nachgiebigkeit aufweist.
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Der Halbleiterchip 250 besitzt einen Aufbau, wie dies auch zuvor mit Bezug zu der integrierten Schaltung 100 und dem Halbleiterchip 150 in den 1a und 1b erläutert ist. D. h., typischerweise ist ein komplexes Metallisierungssystem (nicht gezeigt), etwa das Metallisierungssystem 153 des Bauelements 100, in Verbindung mit der Höckerstruktur 155 vorgesehen. Die Höckerstruktur 255 besitzt eine komplementäre Konfiguration im Vergleich zu der Kontaktstruktur 275 (siehe 2a), um einen direkten elektrischen und mechanischen Kontakt zwischen Chip 250 und dem Gehäusesubstrat 270 zu ermöglichen, wie dies auch zuvor erläutert ist.
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Beim Zusammenfügen des Chips 250 und des Gehäusesubstrats 270, d. h. beim Anbringen des Chips 250 an dem Gehäusesubstrat 270, werden diese Komponenten in mechanischen Kontakt miteinander gebracht und es wird Wärme angewendet, um einen elektrischen und mechanischen Kontakt zwischen der Höckerstruktur 255 und der komplementären Kontaktstruktur 275 (siehe 2a) hervorzurufen, indem etwa ein Lotmaterial und dergleichen aufgeschmolzen wird, wie dies auch zuvor erläutert ist.
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2d zeigt schematisch ein zusammengesetztes Halbleiterbauelement 200 oder eine integrierte Schaltung, die den Halbleiterchip 250 und das Gehäusesubstrat 270 enthält. Während des Prozesses oder des Betriebs des Bauelements 200 führt die Fehlanpassung in der thermischen Ausdehnung zu einer gewissen Deformation, beispielsweise in dem Gehäusesubstrat 270, wie dies auch zuvor erläutert ist. Im Gegensatz zu konventionellen Bauelementen wird jedoch die resultierende Deformation, die durch 276 angegeben ist, deutlich verringert, da die Substratabschnitte 270a und 270b im Wesentlichen unabhängig auf Grund der Anwesenheit des nachgiebigen Verspannungspuffergebiets 272 deformiert werden. Folglich besitzt jeder der Abschnitte 270a einen ähnlichen Grad an Deformation, jedoch mit einer deutlich geringeren Größe im Vergleich zu Situationen, wie sie mit Bezug zu dem Bauelement 100 in 1a beschrieben ist, so dass auch die resultierende mechanische Verspannung in dem Halbleiterchip 250, die über die Höckerstruktur 255 in das entsprechende Metallisierungssystem übertragen wird, verringert ist. Folglich kann die Anzahl und die Größe jeglicher mechanischer Defekte in dem Metallisierungssystem im Vergleich zu der in 1b für das Metallisierungssystem 153 des Bauelements 150 gezeigten Situation verringert werden. Bei einer vorgegebenen Größe und Komplexität des Halbleiterbauelements 250, die beispielsweise dem Aufbau des Bauelements 150 entsprechen werden kann, werden somit eine bessere Produktionsausbeute und eine höhere Zuverlässigkeit des zusammengesetzten Halbleiterbauelements 200 erreicht.
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2e zeigt schematisch den Halbleiterchip 250 und das Gehäusesubstrat 270 gemäß weiterer anschaulicher Ausführungsformen. Wie gezeigt, wird das Gehäusesubstrat 270 in Form zweier oder mehrerer Substratabschnitte, etwa in Form der Abschnitte 270a, 270b, vorgesehen, die „autarke“ Substratabschnitte ohne eine mechanische Kopplung repräsentieren können. Dazu werden die Kontaktstruktur 275 und entsprechende Leitungen innerhalb der Abschnitte 270a, 270b so gestaltet, dass die erforderliche elektrische Verbindung mit der Höckerstruktur 255 und einer peripheren Komponente, etwa einer Leiterplatte, erfolgt, ohne dass Leitungen zwischen den Abschnitten 270a, 270b erforderlich sind. In einigen anschaulichen Ausführungsformen (nicht gezeigt) können zusätzliche Leitungen in einer nachfolgenden Fertigungsphase vorgesehen werden, d. h. nach dem Anbringen der Abschnitte 270a, 270b an der Höckerstruktur 255, was bewerkstelligt werden kann auf der Grundlage einer Drahtverbindung und dergleichen. Es sollte beachtet werden, dass in diesem Falle die Anzahl erforderlicher elektrischer Verbindungen sehr gering ist durch geeignetes Gestalten des Substrats 270 und der Kontaktstruktur 255, wobei auch die Länge entsprechender Leitungen gering ist, so dass die parasitäre Kapazität und der Leitungswiderstand nicht unnötig anwachsen.
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2f zeigt schematisch das zusammengesetzte Halbleiterbauelement 200 ein oder nach dem Anbringen der Substratabschnitte 270a, 270b an der Höckerstruktur 255. Dazu werden die Abschnitte 270a, 270b in geeigneter Weise zu den jeweiligen Bereichen 255a, 255b der Kontaktstruktur 255 ausgerichtet und auf der Grundlage gut etablierter Verbindungstechniken verbunden, wobei die Abschnitte 270a, 270b gleichzeitig oder nacheinander abhängig von den Anlageneigenschaften einer entsprechenden Prozessanlage im Hinblick auf die Handhabung von Gehäusesubstraten, das Ausrichten dieser in Bezug auf den Halbleiterchip 250 und dergleichen angebracht werden. Beim Anbringen der Abschnitte 270a, 270b wird somit ein Verspannungspuffergebiet 272 vorgesehen, beispielsweise in Form einer Dehnungsfuge, die nachfolgend zumindest teilweise mit einem geeigneten nachgiebigen Material und dergleichen gefüllt werden kann.
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2g zeigt schematisch das Gehäusesubstrat 270 gemäß weiterer anschaulicher Ausführungsformen, in denen das Verspannungspuffergebiet 272 ein nachgiebiges Material 272a aufweist, um damit einen gewissen Grad an mechanischer Kopplung zwischen den Abschnitten 270a, 270b zu erreichen, was vorteilhaft sein kann im Hinblick auf die Handhabung des Substrats 270 und dergleichen. Ferner umfasst das Verspannungspuffergebiet 272 einen Raumbereich oder ein Volumen 272b, das auch als ein Materialverdrängungsvolumen bezeichnet werden kann, um damit Platz für das Aufnehmen von Material bei einer thermischen Ausdehnung der Abschnitte 270a, 270b und des Materials 272a bereitzustellen. Das Materialverdrängungsvolumen 272b kann beispielsweise vorgesehen werden, indem das Gebiet 272 im Wesentlichen vollständig mit dem Material 272a aufgefüllt wird und indem nachfolgend ein Teil davon entfernt wird, beispielsweise durch mechanische Einwirkung, durch Ätzen und dergleichen.
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2h zeigt schematisch das Gehäusesubstrat 270, wenn es höheren Temperaturen unterliegt, wie dies durch 204 angegeben ist, was auftreten kann, wenn das Gehäusesubstrat 270 an einem Halbleiterchip angebracht wird, wie dies auch zuvor erläutert ist, wenn ein Halbleiterbauelement im Gehäuse montiert wird oder wenn dieses betrieben wird. Wie gezeigt, kann auf Grund der erhöhten Temperaturen 204 eine thermische Ausdehnung der Abschnitte 270a, 270b auftreten und kann zu einer gewissen thermisch hervorgerufenen Verspannung 203 führen, die wiederum auf das Verspannungspuffergebiet 272 einwirkt. Auf Grund der nachgiebigen Natur des Materials 272a wird eine Zunahme des Volumens, beispielsweise durch die Materialausdehnung des Materials 272a selbst, wie dies durch 203a angegeben ist, und eine zusätzliche Materialverdrängung, die durch die thermische Verspannung 203 hervorgerufen wird, in geeigneter Weise durch das Volumen 272b aufgenommen. Folglich kann ein negativer Einfluss auf andere Komponenten, etwa einen Halbleiterchip und dergleichen, im Wesentlichen vermieden werden.
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2i zeigt schematisch das Gehäusesubstrat 270 gemäß noch weiterer anschaulicher Ausführungsformen, in denen eine Leitung 277 in und über dem Abschnitt 270a und dem Abschnitt 270b so vorgesehen ist, dass eine elektrische Verbindung mittels des Verspannungspuffergebiets 272 hergestellt wird. Dazu wird die Leitung 277 in Form eines beliebigen geeigneten leitenden Materials vorgesehen, etwa als eine Metallleitung und dergleichen, wobei die nicht lineare Anordnung der Metallleitung 277 für eine ausreichende Elastizität sorgt, um eine thermisch hervorgerufene Materialverdrängung in den Abschnitten 270a, 270b und 272 zu kompensieren. Ferner kann auch die Leitung 277 ein „nachgiebiges“ Verhalten besitzen, wodurch für eine zuverlässige elektrische Verbindung zwischen den Abschnitten 270a, 270b gesorgt ist, falls dies erforderlich ist.
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Es gilt also: Die vorliegende Erfindung stellt Halbleiterbauelemente im Gehäuse, Gehäusesubstrate und Verfahren zum Montieren von Halbleiterchips und Gehäusesubstraten bereit, wobei eine Fläche der Wechselwirkung zwischen dem Halbleiterchip und dem Gehäusesubstrat bei thermischer Fehleranpassung reduziert wird, indem das Gehäusesubstrat geeignet in zwei oder mehr Substratabschnitte unterteilt wird, die mechanisch zu einem gewissen Grade entkoppelt sind, indem beispielsweise ein Verspannungspuffergebiet vorgesehen wird. Das Verspannungspuffergebiet kann in Form eines nachgiebigen Materials oder durch eine Dehnungsfuge bereitgestellt werden, wobei bei Bedarf geeignete elektrische Verbindungen über das Verspannungspuffergebiet hinweg vorgesehen werden. In einigen anschaulichen Ausführungsformen werden die Substratabschnitte als „autarke“ oder alleinstehende Abschnitte vorgesehen, wodurch ein sehr effizienter Gesamtfertigungsprozess für die Herstellung der Gehäusesubstrate erreicht wird und wodurch auch eine höhere Flexibilität beim Anbringen des Halbleiterchips an dem Gehäusesubstrat geschaffen wird. Folglich kann für eine vorgegebene Komplexität und Größe des Halbleiterchips deutlich geringere Auswirkungen in komplexen Metallisierungssystemen erzeugt werden, wobei gleichzeitig die gesamte Zuverlässigkeit des im Gehäuse befindlichen Halbleiterbauelements erhöht wird.
