DE102012025433B4

DE102012025433B4 - Verfahren zur Gehäusung von Sub-Millimeterwellen-Halbleiterschaltungen sowie mit dem Verfahren herstellbares Halbleitermodul

Info

Publication number: DE102012025433B4
Application number: DE102012025433.4A
Authority: DE
Inventors: Thomas Zwick; Mario Pauli; Benjamin Göttel; Thomas Blank
Original assignee: Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Current assignee: Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Priority date: 2012-12-21
Filing date: 2012-12-21
Publication date: 2015-10-01
Anticipated expiration: 2032-12-22
Also published as: DE102012025433A1

Abstract

Verfahren zur Gehäusung von Sub-Millimeterwellen-Halbleiterschaltungen, die bei Frequenzen von ≥ 100 GHz arbeiten, bei dem – mindestens ein Halbleiterbauelement (1) mit einer integrierten Sub-Millimeterwellen-Halbleiterschaltung bereitgestellt wird, das an einer Unterseite elektrische Anschlussflächen für die Halbleiterschaltung aufweist, – eine mehrlagige dielektrische Trägerfolie (2) mit größeren lateralen Abmessungen als das mindestens eine Halbleiterbauelement (1) bereitgestellt wird, die mindestens eine HF-Leitungsstruktur (3) zur HF-Verbindung des Halbleiterbauelementes (1) mit anderen Komponenten und an einer Oberseite elektrische Kontaktflächen (4) der HF-Leitungsstruktur (3) in einer Anordnung aufweist, die einer Anordnung der elektrischen Anschlussflächen an der Unterseite des Halbleiterbauelementes (1) entspricht, und – die elektrischen Anschlussflächen des Halbleiterbauelementes (1) mittels Flip-Chip-Montage mit den elektrischen Kontaktflächen (4) der Trägerfolie (2) verbunden werden, wobei – das Halbleiterbauelement (1) seitlich mit einem dielektrischen Material (9) umschlossen wird, und – eine Oberseite des Halbleiterbauelementes (1) mit einer thermisch leitfähigen Platte (10) verbunden wird, die das mindestens eine Halbleiterbauelement (1) und wenigstens einen Teil des das Halbleiterbauelement (1) seitlich umschließenden dielektrischen Materials (9) vollständig überdeckt, bei dem a. die thermisch leitfähige Platte (10) mit einer Schicht aus dem dielektrischen Material (9) bereitgestellt wird, die eine zwischen Ober- und Unterseite des Halbleiterbauelements (1) gemessene Dicke aufweist oder übersteigt, bei dem in die Schicht Öffnungen (18) zur thermisch leitfähigen Platte (10) eingebracht werden, die ein Einsetzen des Halbleiterbauelements (1) ermöglichen, wobei das Halbleiterbauelement (1) vor der Flip-Chip-Montage in die Öffnungen (18) eingesetzt und mit der thermisch leitfähigen Platte (10) verbunden wird, bei dem eine dielektrische Trägerfolie (2) eingesetzt wird, die eine Antennenstruktur (22) aufweist, wobei in das Substrat (19) oder die Schicht aus dem dielektrischen Material (9) mindestens eine weitere Öffnung (23) an einer lateralen Position eingebracht wird, an der nach Abschluss des Verfahrens die Antennenstruktur (22) liegt und durch die die Effizienz und Bandbreite der Antennenstruktur (22) erhöht wird, und/oder ...

Description

Technisches Anwendungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gehäusung von Sub-Millimeterwellen-Halbleiterschaltungen, die bei Frequenzen von ≥ 100 GHz arbeiten, sowie ein mit dem Verfahren herstellbares Halbleitermodul, das eine oder mehrere derartige Halbleiterschaltungen beinhaltet. Das Verfahren stellt eine Aufbau- und Verbindungstechnik auf dem Gebiet der Hochfrequenztechnik bereit, mit der integrierte Sub-Millimeterwellen-Halbleiterschaltungen, sog. MMICs, gehäust und gleichzeitig signaltechnisch angebunden werden können.
Bei der Gehäusung von MMICs muss einerseits sichergestellt werden, dass die Hochfrequenz-Signalübertragung zwischen der Halbleiterschaltung und externen Komponenten durch das Gehäuse nicht beeinträchtigt wird. Zum anderen muss eine ausreichende Wärmeabführung ermöglicht werden, da übliche MMICs sehr geringe Abmessungen aufweisen, bspw. lediglich eine Dicke von < 100 μm bei lateralen Abmessungen von ein bis zwei Millimetern.
Stand der Technik
Auf dem Gebiet mikroelektronischer Schaltungen sind zahlreiche Gehäusungstechniken für Halbleiterschaltungen bekannt. Allerdings ermöglichen diese häufig keine Signalübertragung bei Frequenzen ≥ 100 GHz oder können keine ausreichende Wärmeabfuhr gewährleisten.
Aus der US 5353498 A ist ein Verfahren zur Gehäusung von integrierten Halbleiterschaltungen bekannt, das auch Maßnahmen zur Wärmeabfuhr über das Gehäuse vorsieht. Die Halbleiterchips werden dabei auf eine Trägerfolie aus einem dielektrischen Material aufgebracht, in das in nachfolgenden Verfahrensschritten Kontaktlöcher und Leitungsstrukturen für die elektrische Verbindung von Anschlussflächen der Halbleiterchips mit externen Komponenten eingebracht werden. Auf die Oberseite der Halbleiterchips werden dann massive thermisch leitfähige Körper aufgebracht und durch einen Bondprozess mit den Halbleiterchips verbunden. Anschließend werden die Chips mit den darauf befindlichen thermisch leitfähigen Körpern mit einem dielektrischen Material seitlich umgossen, wobei die Vergussmasse lediglich bis an die Oberseite der thermisch leitfähigen Körper reicht, so dass deren Oberseite frei bleibt. Auf diese Weise wird eine ausreichende Wärmeabfuhr für die dort eingesetzten Leistungshalbleiter sichergestellt. Eine Nutzung dieser Technik für die Gehäusung von MMICs mit ihren sehr kleinen Abmessungen führt jedoch zu einem aufwändigen und damit kostenintensiven Verfahren.
Die US 2005/0093172 A1 beschreibt eine elektronische Schaltungsanordnung, die zwischen einem Verdrahtungssubstrat und einer Deckplatte aus einem isolierenden oder einem metallischen Material angeordnet und mit einem Harz vergossen ist.
Die US 2009/0103160 A1 offenbart ein integriertes elektro-optisches Modul mit einem optischen Modulator, der über eine integrierte HF-Schaltung angesteuert wird. Die HF-MMICs dieser Schaltung sind auf einer mehrlagigen, flexiblen Leiterplatte per Flip-Chip-Technik aufgebracht. Auf dem Rücken der MMICs ist eine wärmeableitende Platte angebracht. Der Zwischenraum zwischen der Platte und der Leiterplatte sowie zwischen den Kontakten der MMICs ist mit einer Vergussmasse gefüllt.
Die US 2002/0074146 A1 zeigt ein MMIC-Bauelement, das mit seiner Rückseite mit einer Metallplatte verbunden ist, und über Flip-Chip-Technik mit einer starren Trägerplatine verbunden wird. Der Raum zwischen MMIC und einer Aussparung in der Trägerplatine soll dabei frei von Harz bleiben, um parasitäre Kapazitäten zu vermeiden. Die Druckschrift verweist auf Anwendungen im Mobilfunk, bei ISDN-Anlagen, PCs und anderen Kommunikationstechnologien. Sie befasst sich weder mit Sub-Millimeter-Halbleitermodulen, die bei Frequenzen oberhalb von 100 GHz arbeiten, noch mit Verfahren zu deren Gehäusung.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, ein Verfahren zur Gehäusung von Sub-Millimeter-Halbleiterschaltungen anzugeben, die bei Frequenzen ≥ 100 GHz arbeiten, sowie ein zugehöriges Halbleitermodul anzugeben, die sich in kostengünstiger Weise durchführen bzw. herstellen lassen.
Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe wird mit den Merkmalen der Verfahren und des Halbleitermoduls gemäß den Patentansprüchen 1, 2 und 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Verfahren sowie des Halbleitermoduls sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.
Bei den vorgeschlagenen Verfahren wird mindestens ein Halbleiterbauelement mit einer integrierten Sub-Millimeterwellen-Halbleiterschaltung (MMIC) bereitgestellt, das an der Unterseite elektrische Anschlussflächen für die elektrische Kontaktierung der Halbleiterschaltung aufweist. Bei dem Halbleiterbauelement handelt es sich in der Regel um einen Halbleiterchip mit der entsprechenden integrierten Schaltung. Weiterhin wird eine mehrlagige dielektrische Trägerfolie vorzugsweise auf einem Hilfssubstrat bereitgestellt, die größere laterale Abmessungen als das Halbleiterbauelement hat. Die dielektrische Trägerfolie weist mindestens eine Hochfrequenz(HF)-Leitungsstruktur zur HF-Verbindung des Halbleiterbauelementes mit anderen Komponenten auf. An der Oberseite der Trägerfolie sind elektrische Kontaktflächen für die HF-Leiterstruktur in einer Anordnung ausgebildet, die der Anordnung der elektrischen Anschlussflächen an der Unterseite des Halbleiterbauelementes entspricht. Damit können die Anschlussflächen des Halbleiterbauelementes mittels der bekannten Flip-Chip-Montage direkt mit den Kontaktflächen der Trägerfolie elektrisch verbunden werden. Vorzugsweise weist die dielektrische Trägerfolie auch Gleichstrom(DC)-Leitungsstrukturen auf, mit denen eine entsprechende elektrische Verbindung zwischen der Halbleiterschaltung und weiteren Komponenten über die Trägerfolie erreicht werden kann. Die HF- sowie die DC-Leitungsstrukturen sind dabei so in die Trägerfolie integriert, dass sie elektrisch getrennt sind und möglichst kein Übersprechen von den DC-Leitungen zu HF-Leitungen auftritt. Das Halbleiterbauelement wird mittels Flip-Chip-Montage über elektrisch leitfähige Bumps mit der Trägerfolie bzw. den Kontaktflächen der Trägerfolie verbunden. Das optional eingesetzte Hilfssubstrat dient dabei der mechanischen Stabilisierung der Trägerfolie bei der Flip-Chip-Montage. Nach der Flip-Chip-Montage oder einem oder mehreren sich anschließenden Verfahrensschritten kann gegebenenfalls das Hilfssubstrat entfernt werden. Dies kann bspw. über ein Rückdünnen oder durch Ablösen bei einer entsprechend lösbaren Verbindung mit der Trägerfolie erfolgen.
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird das Halbleiterbauelement seitlich mit einem dielektrischen Material umschlossen, das ebenso wie die dielektrische Trägerfolie einen Teil der Gehäusung des Halbleiterbauelementes bildet. Die Oberseite des Halbleiterbauelementes wird mit einer thermisch leitfähigen Platte verbunden, die das Halbleiterbauelement sowie mindestens einen Teil der dieses umschließenden dielektrischen Materials überdeckt. Die Platte bildet zusammen mit dem dielektrischen Material und der Trägerfolie die Gehäusung des Halbleiterbauelementes. Das Verfahren ermöglicht dabei nicht nur die Herstellung eines gehäusten Halbleitermoduls mit einem Halbleiterbauelement. Vielmehr können bei entsprechender Dimensionierung der Trägerfolie nebeneinander mehrere Halbleiterbauelemente sowie auch weitere elektrische Komponenten, bspw. Antennen, Hohlleiterübergänge oder auch eine komplette DC-Beschaltung der MMICs mit integriert werden. Die elektrische bzw. signaltechnische Verbindung dieser einzelnen Komponenten kann über die Leitungsstrukturen der Trägerfolie erfolgen. Die thermisch leitfähige Platte an der Oberseite wird dabei so ausgeführt, dass sie sämtliche integrierte Komponenten überdeckt.
Mit dem vorgeschlagenen Verfahren kann eine Gehäusung von MMICs auf kostengünstige Weise erreicht werden. Die Trägerfolie für das Aufbringen des einen oder der mehreren MMICs sowie ggf. weiterer Komponenten kann dabei vorkonfektioniert werden und erfordert während des Gehäusungsprozesses kein weiteres Einbringen von bspw. Vias oder Metallisierungen. Durch die thermisch leitfähige Platte an der Oberseite der MMICs wird eine gute Wärmeabführung von den kleinen MMICs ermöglicht. Beim Einsatz einer Platte aus elektrisch leitfähigem Material, bspw. einer Metallplatte, kann diese gleichzeitig die elektrische Funktion der Masse für die MMICs übernehmen. Weiterhin dient diese Platte der mechanischen Stabilität des gesamten durch die Gehäusung erhaltenen Halbleitermoduls. Mit dem Verfahren können somit integrierte Sub-Millimeterwellen-Halbleiterschaltungen ohne Bonddrähte gehäust und gleichzeitig signaltechnisch angebunden werden. Es können dabei unter anderem Antennen oder Hohlleiterübergänge aber auch die komplette DC-Beschaltung der MMICs mit in das Gehäuse integriert werden. Dies gilt auch für weitere Bauteile zur Signalverarbeitung, die ebenfalls in dem Modul integriert werden können. Auch passive Strukturen, die unterschiedliche Halbleiterbauelemente im Sinne der Hochfrequenztechnik verbinden, bspw. CPW-Leitungen (CPW: Coplanar Waveguide) oder Koppler können mit in das Modul integriert werden. Damit lassen sich anwendungsorientierte Systeme wie bspw. Radarsysteme in einem einzigen Halbleitermodul bereitstellen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird in den Zwischenraum zwischen der Oberseite der Trägerfolie und der Unterseite des Halbleiterbauelementes ein zweites dielektrisches Material eingebracht, das sich von dem dielektrischen Material unterscheidet, das die Halbleiterbauelemente seitlich umgibt. Dieses zweite dielektrische Material wird so gewählt, dass die Übertragung von HF-Signalen zwischen der Trägerfolie und dem Halbleiterbauelement über die elektrische Verbindung der Anschluss- mit den Kontaktflächen bzw. die bei der Flip-Chip-Montage aufgebrachten Bumps mit einem geringen Verlustwinkel tanδ < 0.003 ermöglicht wird. Beispiele für derartige dielektrische Materialien sind Polyimid, LCP, Teflon oder BCB. Demgegenüber kann für das die Halbleiterbauelemente umgebene dielektrische Material bspw. polymerbasierte Kleber eingesetzt werden, das einen besonders guten Schutz gegenüber Umwelteinflüssen ermöglicht und kostengünstig zu erhalten ist. Das zweite dielektrische Material wird vorzugsweise auch so gewählt, dass bei der elektrischen Anbindung des Halbleiterbauelementes an die Trägerfolie die gewünschte Impedanzanpassung erreicht wird, um Reflexionen bei der Signalübertragung zu vermeiden.
In einer Alternative ist zumindest ein Teil der HF-Leitungsstrukturen in der Trägerfolie so ausgebildet, dass damit eine Einkopplung der aus dem Halbleiterbauelement ausgetretenen und in der Leitungsstruktur der Trägerstruktur geführten elektromagnetischen Wellen in einen angrenzenden Hohlleiter ermöglicht wird. In diesem Fall wird nach dem Entfernen des Hilfssubstrates eine entsprechende Hohlleiterstruktur an die Unterseite der Trägerfolie angebracht bzw. das Modul auf eine derartige Hohlleiterstruktur aufgebracht. Bei dieser Hohlleiterstruktur kann es sich bspw. um einen Block aus einem metallischen Material handeln, in dem der entsprechende Hohlleiter ausgebildet, bspw. eingefräst ist.
Die einzelnen Verfahrensschritte des vorgeschlagenen Verfahrens können in unterschiedlicher Reihenfolge ausgeführt werden. So kann bspw. zunächst das Halbleiterbauelement mittels Flip-Chip-Montage mit der Trägerfolie verbunden werden. Anschließend wird dann die thermisch leitfähige Platte mit der Oberseite des Halbleiterbauelementes verbunden.
In einer anderen Alternative kann auch zunächst die thermisch leitfähige Platte mit einer darauf aufgebrachten dicken Schicht aus dem dielektrischen Material hergestellt oder bereitgestellt werden. Die Schichtdicke des dielektrischen Materials ist dabei so gewählt, dass sie zumindest der Dicke des Halbleiterbauelementes entspricht.
Unter der Dicke des Halbleiterbauelementes ist dabei der Abstand zwischen Ober- und Unterseite dieses Halbleiterbauelementes zu verstehen. Die Begriffe Oberseite und Unterseite sind in der vorliegenden Patentanmeldung nur zur Unterscheidung der jeweiligen Seiten der Trägerfolie sowie des Halbleiterbauelements zu verstehen. Unter der Unterseite wird die Seite mit den elektrischen Anschlussflächen des Halbleiterbauelementes verstanden, während die Oberseite die gegenüberliegende Seite darstellt. Bei der Trägerfolie wird unter der Oberseite die vom Hilfssubstrat abgewandte Seite mit den elektrischen Kontaktflächen verstanden, die mit den Anschlussflächen des Halbleiterbauelementes elektrisch kontaktiert werden.
In die dielektrische Schicht auf der thermisch leitfähigen Platte werden dann geeignete Öffnungen eingebracht, die sich bis zur thermisch leitfähigen Platte erstrecken und laterale Dimensionen aufweisen, die ein Einsetzen des jeweiligen Halbleiterbauelementes so ermöglichen, dass dessen Oberseite mit der thermisch leitfähigen Platte verbunden werden kann. Nach diesem Schritt des Einsetzens und Verbindens wird schließlich die Unterseite des Halbleiterbauelementes mittels Flip-Chip-Montage mit der Trägerfolie verbunden. Das Halbleiterbauelement ist dabei durch das dielektrische Material seitlich umschlossen, das auf der thermisch leitfähigen Platte aufgebracht ist. Das Einbringen eines zweiten dielektrischen Materials als Underfill zwischen Trägerfolie und Unterseite des Halbleiterbauelementes kann entweder durch seitliches Einpressen einer entsprechenden Vergussmasse oder auch im Rahmen der Flip-Chip-Montage erfolgen. So können bspw. zunächst die (Löt-)Bumps auf die Unterseite des Halbleiterbauelementes aufgebracht und anschließend eine Schicht mit dem zweiten dielektrischen Material aufgebracht werden. Diese Schicht wird dann soweit rückgedünnt, dass die Bumps zur Kontaktierung gerade an ihrer Unterseite freigelegt werden. Anschließend erfolgt der Verbindungsprozess mit der Trägerfolie.
Das mit dem Verfahren herstellbare Halbleitermodul umfasst dementsprechend u. a. zumindest ein Halbleiterbauelement mit einer integrierten Sub-Millimeterwellen-Halbleiterschaltung. Elektrische Anschlussflächen an der Unterseite des Halbleiterbauelementes sind über eine Flip-Chip Verbindung durch bekannte Verfahren wie Thermokompression, Ultraschall oder Thermo-Ultraschall mit Kontaktflächen an einer Oberseite einer mehrlagigen dielektrischen Trägefolie verbunden, die größere laterale Abmessungen als das Halbleiterbauelement und mindestens eine HF-Leitungsstruktur zur HF-Verbindung des Halbleiterbauelementes mit externen Komponenten aufweist. Das Halbleiterbauelement ist seitlich mit einem dielektrischen Material umschlossen und an der Oberseite mit einer thermisch leitfähigen Platte verbunden, die das Halbleiterbauelement und wenigstens einen Teil des das Halbleiterbauelement seitlich umschließenden dielektrischen Materials vollständig überdeckt. Dielektrisches Material, thermisch leitfähige Platte und Trägerfolie bilden somit ein geschlossenes Gehäuse für das Halbleiterbauelement. An der Unterseite der Trägerfolie sind ebenfalls entsprechende Kontaktflächen der integrierten Leitungsstruktur für die Kontaktierung mit externen Komponenten angebracht. In einer Alternative ist für eine Verbindung mit einem Hohlleiter keine derartige Kontaktfläche erforderlich. Vielmehr ist die integrierte HF-Leitungsstruktur entsprechend so ausgebildet, dass sie die Einkopplung einer geführten elektromagnetischen Welle in den Hohlleiter ermöglicht, der an die Unterseite der Trägerfolie angesetzt wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Das vorgeschlagene Verfahren sowie das zugehörige Halbleitermodul werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:
1 ein Beispiel für einen MMC auf einer Trägerfolie gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren;
2–4 ein erstes Beispiel für Verfahrensschritte des vorgeschlagenen Verfahrens;
5–6 ein zweites Beispiel für Verfahrensschritte des vorgeschlagenen Verfahrens;
7 ein Beispiel für eine Ausgestaltung der Trägerfolie mit einer Einkopplungsstruktur in einen Hohlleiter und einer DC-Leiterstruktur;
8 ein Beispiel für eine an das Halbleitermodul angebundene Hohlleiterstruktur; und
9 ein Beispiel für zusätzliche Dummy-Bumps zur mechanischen Stabilisierung, und
10 ein weiteres Beispiel für eine Ausgestaltung des vorgeschlagenen Halbleitermoduls.
Wege zur Ausführung der Erfindung
Im Folgenden werden verschiedene Beispiele für das vorgeschlagene Verfahren zur Gehäusung von Sub-Millimeterwellen-Halbleiterschaltungen beschrieben. Die integrierte Halbleiterschaltung selbst befindet sich dabei auf einem Halbleiterchip, der an der Unterseite in den Figuren nicht dargestellte Anschlussflächen für dielektrische bzw. Hochfrequenzkontaktierung aufweist. Ein wesentlicher Verbindungsschritt aller Ausgestaltungen besteht in der Verbindung dieses Halbleiterbauelementes bzw. MMICs 1 mit einer vorgefertigten, mehrlagigen Trägerfolie 2, die mindestens zwei dielektrische Schichten aufweist.
In der 1 sind hierzu der MMIC 1 sowie die Trägerfolie 2 schematisch angedeutet. Die Trägerfolie 2 umfasst in diesem Beispiel drei dielektrische Schichten sowie HF-Leitungsstrukturen 3, die an der Oberfläche der Trägerfolie 2 über Kontaktflächen 4 kontaktiert werden können. In gleicher Weise sind auch an der Unterseite der Folie entsprechende Kontaktflächen 5 für die HF-Leitungsstrukturen 3 vorgesehen, über die externe Komponenten über die Trägerfolie 2 mit dem MMIC 1 elektrisch verbunden werden können. Die Kontaktflächen 4 auf der Oberseite der Trägerfolie 2 sind in dem gleichen Muster angeordnet wie die korrespondierenden Anschlussflächen an der Unterseite des MMIC 1. Die Trägerfolie 2 weist hierbei eine größere laterale Ausdehnung auf als der MMIC 1, wie dies in der 1 zu erkennen ist. Dadurch lassen sich bspw. die eng beieinander liegenden Anschlussflächen an der Unterseite des MMICs 1 durch die Leitungsstrukturen 3 in der Trägerfolie 2 über weiter voneinander beabstandete Kontaktflächen 5 an der Unterseite der Trägerfolie 2 kontaktieren. Dies ist schematisch in der 1 angedeutet.
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird in allen Ausgestaltungen der MMIC 1 über eine Flip-Chip-Montage mit der Trägerfolie 2 verbunden. Die hierzu auf den Anschlussflächen des MMIC oder den Kontaktflächen 4 der Trägerfolie 2 aufgebrachten Bumps 6 sind in der 1 zu erkennen, die die beiden verbundenen Komponenten nach der Flip-Chip-Montage zeigt. Um für die Flip-Chip-Montage eine ausreichende mechanische Stabilität der Trägerfolie 2 zu gewährleisten, ist diese auf einem Hilfssubstrat aufgebracht, das in der 1 nicht dargestellt ist. Dieses Hilfssubstrat 7 ist jedoch beispielsweise in der 4 zu erkennen.
In einer Verfahrensalternative des vorgeschlagenen Verfahrens wird zunächst ein Trägersubstrat bestehend aus der dicken, thermisch und elektrisch sehr gut leitfähigen Platte 10 und einer Schicht aus einem dielektrischen Material 9 bereitgestellt. In die dielektrische Schicht werden anschließend, bspw. mittels Laserabtragung, Kavitäten bzw. Öffnungen 18 eingebracht, die ein Einsetzen des zu montierenden MMIC 1 in Kontakt mit der elektrisch und thermisch leitfähigen Platte 10 ermöglichen (vgl. 2). Die Dicke der Schicht aus dem dielektrischen Material 9 ist ungefähr so groß wie die Dicke des MMIC 1. Breite und Länge der Öffnungen 18 sind so gewählt, dass sie den jeweiligen lateralen Dimensionen der MMICs 1 entsprechen oder zumindest nahe kommen. Der entsprechende MMIC 1 wird dann mit der Oberseite, die in der Regel auch eine Massefläche bildet, in die dafür vorgesehene Öffnung 18 eingesetzt und über eine Klebeschicht 11 mit der Platte 10 verbunden. Hierbei wird ein thermisch und elektrisch gut leitfähiger Kleber verwendet. Die Unterseite des MMIC 1 mit den elektrischen Anschlussflächen bildet dabei wiederum eine möglichst ebene Fläche mit der Oberseite der dielektrischen Schicht, wie dies in der 3 schematisch angedeutet ist.
Anschließend werden im Rahmen einer Flip-Chip-Montage an die Anschlussflächen des MMIC 1 elektrische leitfähige Bumps 6 angebracht und das gesamte Bauteil mittels eines Flip-Chip-Prozesses auf der Trägerfolie 2 platziert. Das Ergebnis ist in 4 schematisch dargestellt. Das Hilfssubstrat 7 wird anschließend entfernt.
Zur zusätzlichen Erhöhung der mechanischen Stabilität können bei der Verbindung zwischen Trägerfolie 2 und dem mit der Platte 10 verbundenen MMIC 1 auch zusätzliche Bumps 17 an Stellen platziert werden, die keine elektrische Verbindung erfordern. Diese Dummy-Bumps 17 haben somit keinerlei elektrische Funktion. Dies ist schematisch in 9 angedeutet, bei der zusätzlich zu den für die elektrische Verbindung erforderlichen Bumps 6 auch mehrere Dummy-Bumps 17 auf der Schicht aus dem dielektrischen Material 9 platziert werden. Im Gegenzug ist dann auch auf der Trägerfolie 2 an den entsprechenden Stellen eine zusätzliche Metallisierung 16 vorgesehen, auf die diese Dummy-Bumps 17 beim Flip-Chip-Prozess gelötet werden. Dies ist im oberen Teil der 9 zu erkennen.
In einer weiteren Verfahrensalternative wird ausgehend von dem in 3 dargestellten Zustand ein späterer Underfill 8 bis auf die Höhe der Bumps 6 aufgebracht, wie dies aus der 5 zu erkennen ist. Dieser Underfill 8 besteht wiederum aus einem für die Hochfrequenzübertragung geeigneten dielektrischen Material. Hierzu wird ein Material gewählt, das einen geringen Verlustwinkel sowie dielektrische Werte aufweist, welche die Impedanzen der Bumps 6 entsprechend den Vorgaben anpassen. Im Anschluss daran wird wiederum das gesamte Bauteil mittels Flip-Chip-Technik auf die Trägerfolie 2 aufgebracht, so dass das Halbleitermodul gemäß 6 erhalten wird, von dem dann wiederum das Hilfssubstrat 7 abgelöst wird.
In die Trägerfolie 2 können neben den HF-Leitungsstrukturen 3 auch DC-Leitungsstrukturen eingebracht sein, wie dies schematisch mit den DC-Leitungsstrukturen 13 in 7 angedeutet ist. Weiterhin können die HF-Leitungsstrukturen 3 auch so ausgebildet sein, dass sie eine Einkopplung in einen an die Unterseite der Trägerfolie 2 angesetzten Hohlleiter ermöglichen. Eine derartige Einkopplungsstruktur 12 für die Einkopplung in einen Hohlleiter ist in der 8 ebenfalls schematisch angedeutet. Der Hohlleiter 14 ist dabei in der rückseitigen Metallisierung realisiert.
Auch wenn die Trägerfolie 2 in den vorliegenden Beispielen jeweils 3-lagig ausgebildet ist, so können selbstverständlich auch nur zwei oder mehr als drei dielektrische Lagen zum Einsatz kommen. Dies hängt von der Komplexität der zu realisierenden Leitungsstrukturen in der Folie ab, zwischen denen ein Übersprechen möglichst verhindert werden soll. Auch die Form der Leitungsstrukturen ist selbstverständlich in den Figuren lediglich in einer möglichen Ausgestaltung dargestellt und kann auch wesentlich komplexer ausfallen.
8 zeigt schließlich ein Beispiel für die Anbindung eines Hohlleiters an das mit dem Verfahren hergestellte Halbleitermodul. Die Hohlleiterstruktur wird anstelle des Hilfssubstrates 7 mit der Unterseite der Trägerfolie 2 verbunden und ist in diesem Beispiel durch einen massiven Metallkörper 15 gebildet, in den der Hohlleiter 14 eingebracht ist.
In 10 ist ein weiteres Beispiel für ein erfindungsgemäßes Halbleitermodul schematisch dargestellt. Für dessen Herstellung wird auf eine mehrlagige Trägerfolie 2 das MMIC 1 mit Hilfe der Flip-Chip Technik kontaktiert. Ein dielektrisches Substrat 19 ist mit einer Metallplatte 10 auf einer Seite verbunden und trägt auf der gegenüberliegenden Seite eine Metallisierung, die mit einem photolithographischen Prozess zur Bildung einer elektrischen Kontaktfläche 21 strukturiert wird. Das dielektrische Substrat 19 weist an der Position des MMIC eine Kavität bzw. Öffnung 18 auf. Das Substrat 19 ist mindestens so dick wie die Höhe des MMIC 1. Außerdem können die Metallisierungsschichten des Substrats 19, d. h. die metallische Platte 10 und die elektrische Kontaktfläche 21, mittels einer Durchkontaktierung 20 elektrisch verbunden werden. Auf die Oberseite des MMIC 1 wird eine Klebschicht 11 aufgebracht, durch die das MMIC 1 nach dem Einsetzen in die Öffnung 18 zur Wärmeabfuhr mit der metallischen Platte 10 verbunden wird. Das Substrat 19 kann zusätzlich mit Hilfe eines weiteren Flip-Chip Prozesses mit der Trägerfolie 2 verbunden werden. Außerdem kann durch eine weitere Kavität 23 im Substrat 19 an der Stelle, an der die Trägerfolie 2 eine Antennenstruktur 22 aufweist, die Effizienz und Bandbreite des abstrahlenden Elements durch diese Kavität 23 erhöht werden.
Die vorangehenden Figuren zeigen jeweils die Gehäusung eines MMIC 1. In gleicher Weise können selbstverständlich mehrere derartiger MMICs nebeneinander sowie auch zusätzlich andere elektrische Komponenten wie Antennen, passive Hochfrequenzstrukturen oder eine komplette DC-Beschaltung der MMICs in das Halbleitermodul integriert und in gleicher Weise zusammen mit den MMICs gehäust und über die Trägerfolie kontaktiert werden.
Bezugszeichenliste

1: MMIC
2: Trägerfolie
3: HF-Leitungsstruktur
4: Kontaktflächen an Oberseite der Trägerfolie
5: Kontaktflächen an Unterseite der Trägerfolie
6: Flip-Chip-Bumps
7: Hilfssubstrat
8: Underfill
9: dielektrisches Material
10: thermisch und elektrisch leitfähige Platte
11: Klebstoffschicht
12: Einkopplungsstruktur in Hohlleiter
13: DC-Leitungsstruktur
14: Hohlleiter
15: Metallkörper
16: Metallisierung für Dummy-Bumps
17: Dummy-Bumps
18: Öffnungen
19: dielektrisches Substrat
20: Durchkontaktierung
21: Kontaktfläche am Substrat
22: Antennenstruktur
23: Kavität

Claims

Verfahren zur Gehäusung von Sub-Millimeterwellen-Halbleiterschaltungen, die bei Frequenzen von ≥ 100 GHz arbeiten, bei dem – mindestens ein Halbleiterbauelement (1) mit einer integrierten Sub-Millimeterwellen-Halbleiterschaltung bereitgestellt wird, das an einer Unterseite elektrische Anschlussflächen für die Halbleiterschaltung aufweist, – eine mehrlagige dielektrische Trägerfolie (2) mit größeren lateralen Abmessungen als das mindestens eine Halbleiterbauelement (1) bereitgestellt wird, die mindestens eine HF-Leitungsstruktur (3) zur HF-Verbindung des Halbleiterbauelementes (1) mit anderen Komponenten und an einer Oberseite elektrische Kontaktflächen (4) der HF-Leitungsstruktur (3) in einer Anordnung aufweist, die einer Anordnung der elektrischen Anschlussflächen an der Unterseite des Halbleiterbauelementes (1) entspricht, und – die elektrischen Anschlussflächen des Halbleiterbauelementes (1) mittels Flip-Chip-Montage mit den elektrischen Kontaktflächen (4) der Trägerfolie (2) verbunden werden, wobei – das Halbleiterbauelement (1) seitlich mit einem dielektrischen Material (9) umschlossen wird, und – eine Oberseite des Halbleiterbauelementes (1) mit einer thermisch leitfähigen Platte (10) verbunden wird, die das mindestens eine Halbleiterbauelement (1) und wenigstens einen Teil des das Halbleiterbauelement (1) seitlich umschließenden dielektrischen Materials (9) vollständig überdeckt, bei dem a. die thermisch leitfähige Platte (10) mit einer Schicht aus dem dielektrischen Material (9) bereitgestellt wird, die eine zwischen Ober- und Unterseite des Halbleiterbauelements (1) gemessene Dicke aufweist oder übersteigt, bei dem in die Schicht Öffnungen (18) zur thermisch leitfähigen Platte (10) eingebracht werden, die ein Einsetzen des Halbleiterbauelements (1) ermöglichen, wobei das Halbleiterbauelement (1) vor der Flip-Chip-Montage in die Öffnungen (18) eingesetzt und mit der thermisch leitfähigen Platte (10) verbunden wird, bei dem eine dielektrische Trägerfolie (2) eingesetzt wird, die eine Antennenstruktur (22) aufweist, wobei in das Substrat (19) oder die Schicht aus dem dielektrischen Material (9) mindestens eine weitere Öffnung (23) an einer lateralen Position eingebracht wird, an der nach Abschluss des Verfahrens die Antennenstruktur (22) liegt und durch die die Effizienz und Bandbreite der Antennenstruktur (22) erhöht wird, und/oder b. bei dem eine dielektrische Trägerfolie (2) eingesetzt wird, bei der mindestens ein Teil der HF-Leitungsstruktur (3) so ausgebildet ist, dass sie die Einkopplung einer aus dem Halbleiterbauelement (1) ausgekoppelten elektromagnetischen Welle in eine Hohlleiterstruktur (14, 15) ermöglicht, wobei die Hohlleiterstruktur (14, 15) für die Führung der elektromagnetischen Welle auf eine Unterseite der Trägerfolie (2) aufgebracht wird.
Verfahren zur Gehäusung von Sub-Millimeterwellen-Halbleiterschaltungen, die bei Frequenzen von ≥ 100 GHz arbeiten, bei dem – mindestens ein Halbleiterbauelement (1) mit einer integrierten Sub-Millimeterwellen-Halbleiterschaltung bereitgestellt wird, das an einer Unterseite elektrische Anschlussflächen für die Halbleiterschaltung aufweist, – eine mehrlagige dielektrische Trägerfolie (2) mit größeren lateralen Abmessungen als das mindestens eine Halbleiterbauelement (1) bereitgestellt wird, die mindestens eine HF-Leitungsstruktur (3) zur HF-Verbindung des Halbleiterbauelementes (1) mit anderen Komponenten und an einer Oberseite elektrische Kontaktflächen (4) der HF-Leitungsstruktur (3) in einer Anordnung aufweist, die einer Anordnung der elektrischen Anschlussflächen an der Unterseite des Halbleiterbauelementes (1) entspricht, und – die elektrischen Anschlussflächen des Halbleiterbauelementes (1) mittels Flip-Chip-Montage mit den elektrischen Kontaktflächen (4) der Trägerfolie (2) verbunden werden, wobei – das Halbleiterbauelement (1) seitlich mit einem dielektrischen Material (9) umschlossen wird, und – eine Oberseite des Halbleiterbauelementes (1) mit einer thermisch leitfähigen Platte (10) verbunden wird, die das mindestens eine Halbleiterbauelement (1) und wenigstens einen Teil des das Halbleiterbauelement (1) seitlich umschließenden dielektrischen Materials (9) vollständig überdeckt, bei dem a. ein Substrat (19) aus dem dielektrischen Material (9) bereitgestellt wird, das eine zwischen Ober- und Unterseite des Halbleiterbauelements (1) gemessene Dicke aufweist oder übersteigt, das auf einer Seite mit einer metallischen Platte als thermisch leitfähiger Platte (10) verbunden ist und auf einer gegenüberliegenden Seite eine Metallisierung aufweist, die über mindestens eine Durchkontaktierung (20) elektrisch mit der thermisch leitfähigen Platte (10) verbunden ist und das mit einem photolithographischen Prozess zur Bildung mindestens einer elektrischen Kontaktfläche (21) strukturiert wird, wobei in das Substrat (19) Öffnungen (18) zur thermisch leitfähigen Platte (10) eingebracht werden, die ein Einsetzen des Halbleiterbauelements (1) ermöglichen, und das Halbleiterbauelement (1) vor oder nach der Flip-Chip-Montage in die Öffnungen (18) eingesetzt und mit der thermisch leitfähigen Platte (10) verbunden wird, wobei die mindestens eine elektrische Kontaktfläche (21) am Substrat (19) mit einer in der Lage korrespondierenden elektrischen Kontaktfläche (4) der Trägerfolie (2) verbunden wird, und wobei eine dielektrische Trägerfolie (2) eingesetzt wird, die eine Antennenstruktur (22) aufweist, wobei in das Substrat (19) oder die Schicht aus dem dielektrischen Material (9) mindestens eine weitere Öffnung (23) an einer lateralen Position eingebracht wird, an der nach Abschluss des Verfahrens die Antennenstruktur (22) liegt und durch die die Effizienz und Bandbreite der Antennenstruktur (22) erhöht wird, und/oder b. bei dem eine dielektrische Trägerfolie (2) eingesetzt wird, bei der mindestens ein Teil der HF-Leitungsstruktur (3) so ausgebildet ist, dass sie die Einkopplung einer aus dem Halbleiterbauelement (1) ausgekoppelten elektromagnetischen Welle in eine Hohlleiterstruktur (14, 15) ermöglicht, wobei die Hohlleiterstruktur (14, 15) für die Führung der elektromagnetischen Welle auf eine Unterseite der Trägerfolie (2) aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zwischenraum zwischen der Trägerfolie (2) und der Unterseite des Halbleiterbauelements (1) mit einem zweiten dielektrischen Material ausgefüllt wird, das die Übertragung von HF-Signalen zwischen der Trägerfolie (2) und dem Halbleiterbauelement (1) über die elektrische Verbindung der Anschluss- mit den Kontaktflächen (4) mit einem geringen Verlustwinkel tanδ < 0.003 ermöglicht.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite dielektrische Material so gewählt wird, dass die elektrische Verbindung in der Impedanz angepasst ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine dielektrische Trägerfolie (2) eingesetzt wird, die zusätzlich zur HF-Leitungsstruktur (3) auch mindestens eine DC-Leitungsstruktur (13) zur Herstellung einer DC-Verbindung des Halbleiterbauelementes (1) mit anderen Komponenten aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu dem mindestens einen Halbleiterbauelement (1) weitere elektrische Komponenten mit der Trägerfolie (2) verbunden und von dem dielektrischen Material (9) seitlich umschlossen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur mechanischen Stabilisierung der Verbindung zwischen Trägerfolie (2) und Halbleiterbauelement (1) bei der Flip-Chip-Montage Bumps (17), die keine elektrische Funktion erfüllen, auf die Trägerfolie (2) und/oder das dielektrische Material (9) aufgebracht werden.
Halbleitermodul, das mindestens ein Halbleiterbauelement (1) mit einer integrierten Sub-Millimeterwellen-Halbleiterschaltung umfasst, bei dem das Halbleiterbauelement (1) an einer Unterseite elektrische Anschlussflächen für die Halbleiterschaltung aufweist, die über eine Flip-Chip-Verbindung mit Kontaktflächen (4) an einer Oberseite einer mehrlagigen dielektrischen Trägerfolie (2) verbunden sind, die größere laterale Abmessungen als das mindestens eine Halbleiterbauelement (1) und mindestens eine HF-Leitungsstruktur (3) zur HF-Verbindung des Halbleiterbauelementes (1) mit externen Komponenten aufweist, wobei das Halbleiterbauelement (1) seitlich mit einem dielektrischen Material (9) umschlossen und an einer Oberseite mit einer thermisch leitfähigen Platte (10) verbunden ist, die das mindestens eine Halbleiterbauelement (1) und wenigstens einen Teil des das Halbleiterbauelement (1) seitlich umschließenden dielektrischen Materials (9) vollständig überdeckt, bei dem a. in der dielektrischen Trägerfolie (2) mindestens ein Teil der HF-Leitungsstruktur (3) so ausgebildet ist, dass sie die Einkopplung einer aus dem Halbleiterbauelement (1) ausgekoppelten elektromagnetischen Welle in eine Hohlleiterstruktur (14, 15) ermöglicht, und die Hohlleiterstruktur (14, 15) für die Führung der elektromagnetischen Welle an einer Unterseite der Trägerfolie (2) angebracht ist, und/oder b. die dielektrische Trägerfolie (2) mindestens eine Antennenstruktur (22) aufweist, über der in dem dielektrischen Material (9) mindestens ein Hohlraum (23) ausgebildet ist, durch den die Effizienz und Bandbreite der Antennenstruktur (22) erhöht wird.
Halbleitermodul nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zwischenraum zwischen der Oberseite der Trägerfolie (2) und der Unterseite des Halbleiterbauelements (1) mit einem zweiten dielektrischen Material ausgefüllt ist, das die Übertragung von HF-Signalen zwischen der Trägerfolie (2) und dem Halbleiterbauelement (1) über die Flip-Chip-Verbindung der Anschluss- mit den Kontaktflächen (4) mit einem geringen Verlustwinkel tanδ < 0.003 ermöglicht.
Halbleitermodul nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite dielektrische Material so gewählt ist, dass die Flip-Chip-Verbindung in der Impedanz angepasst ist.
Halbleitermodul nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die dielektrische Trägerfolie (2) zusätzlich zur HF-Leitungsstruktur (3) auch mindestens eine DC-Leitungsstruktur (13) zur Herstellung einer DC-Verbindung des Halbleiterbauelementes (1) mit externen Komponenten aufweist.
Halbleitermodul nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die thermisch leitfähige Platte (10) aus einem metallischen Material besteht und wenigstens eine der Kontaktflächen (4) an der Oberseite der dielektrischen Trägerfolie (2) über mindestens eine Durchkontaktierung (20) durch das dielektrische Material (9) elektrisch mit der thermisch leitfähigen Platte (10) verbunden ist.
Halbleitermodul nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleitermodul zusätzlich zu dem mindestens einen Halbleiterbauelement (1) weitere elektrische Komponenten umfasst, die mit der Trägerfolie (2) verbunden und von dem dielektrischen Material (9) seitlich umschlossen sind.
Halbleitermodul nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Trägerfolie (2) und Halbleiterbauelement (1) und/oder dielektrischem Material (9) Löthöcker oder Lötkugeln (17), die keine elektrische Funktion erfüllen, angeordnet sind.