DE102012213003A1 - Befestigung eines Halbleiterchips in trockenen und druckunterstützten Verbindungsverfahren - Google Patents

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DE102012213003A1
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Abstract

Halbleiterchips (140) werden durch mit einem Substrat (180) verbunden, indem die Halbleiterchips (140) und das Substrat (180) bereitgestellt werden, sowie eine deformierbare, vorgeformte Folienhalterung (130), die einen oder mehrere vertiefte Bereiche umfasst, welche Seitenwände und eine Unterseite aufweisen, und indem die Halbleiterchips (140) in dem einen oder den mehreren vertieften Bereichen platziert werden, so dass die Folienhalterung (130) derart bestückt ist, dass eine erste Seite der Anzahl von Halbleiterchips (140) der Unterseite des einen oder der mehreren vertieften Bereiche zugewandt ist und dass eine zweite Seite der Anzahl der Halbleiterchips (140) der Unterseite des einen oder der mehreren vertieften Bereiche abgewandt ist. Das Substrat (180) wird benachbart zu der zweiten Seite der Anzahl der Halbleiterchips (140), wobei sich ein Verbindungsmaterial zwischen dem Substrat (180) und den Halbleiterchips (140) befindet. Das Substrat (180) und die bestückte Folienhalterung (130) werden mit Hilfe eines ersten und eines zweiten Presswerkzeugelementes bei einer erhöhten Temperatur und einem erhöhten Druck aneinander gepresst, so dass das Substrat (180) durch das Verbindungsmaterial mit der zweiten Seite der Anzahl der Halbleiterchips (140) verbunden wird.

Description

  • Befestigung eines Halbleiterchips in trockenen und druckunterstützten Verbindungsverfahren
  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Erfindung betrifft die Montage von Halbleiterchips auf Substraten, insbesondere trockene und druckunterstützte Verbindungsverfahren zum Befestigen von Halbleiterchips auf Substraten.
  • HINTERGRUND
  • Zur Verbesserung von Leistungshalbleitermodulen wurden als Technologien Silber-Sintern und Diffusionslöten eingeführt. Beide Technologien können zur Herstellung von Verbindungen zwischen Chip und Substrat, zwischen Substrat und Basisplatte und optional zwischen Anschlüssen und Chip oder Substraten eingesetzt werden. Beide Technologien erfordern die Anwendung von Druck während der Herstellung der Verbindung. Parallel zu einem Druckprofil ist ein Heizprofil, d.h. ein Temperaturprofil, erforderlich, um die erforderliche Verbindungstemperatur festzulegen. Beim Diffusionslöten werden Verbindungswerkzeuge eingesetzt, die während der Positionierung des Chips auf geheizten Substraten eine vertikale Kraft auf den Chip ausüben. Beim Silber-Sintern werden die miteinander zu verbindenden Einzelteile auf einer aufgeheizten Platte platziert und unter Verwendung eines Zwischenstücks aus Silikongummi mit einem Werkzeug aneinandergepresst. Das Zwischenstück aus Silikon ist in ein Werkzeug mit Seitenwänden und miteinander zu verbindenden Substraten eingebettet. Unter hohem Druck verhält sich das Silikon wie eine Flüssigkeit, so dass ein hydrostatischer Druck erzielt wird. Zwischen dem Silikongummi und den miteinander zu verbindenden Teilen wird typischerweise eine Schutzfolie verwendet. Unter dem hohen Druck wird die Folie deformiert und passt sich an die Topologie der Bauelemente an und nimmt daher keinen Einfluss auf den hydrostatischen Druck. Eine andere Technik verwendet Werkzeuge mit Mehrfach-Stempeln, wobei jeder Stempel denselben Druck erhält. Auch hier wird eine flexible Folie an der Kopplungsstelle mit den Bauelementen eingesetzt, welche die Oberflächen der Bauelemente schützt.
  • Beim Silber-Sintern werden die besten Ergebnisse der Verbindungen dann erreicht, wenn die Silberpaste, welche mit Lösungsmitteln und flüssigen Bindemitteln vermischt ist, vor der Positionierung der Chips getrocknet und erhitzt wird. Dies führt jedoch dazu, dass die Chips nicht auf der Oberfläche der Paste anhaften und sich nach ihrer Positionierung und vor der Einwirkung des Drucks verschieben können. Die Sinterschicht kann während der Wafer-Prozessierung auf den Chip aufgebracht werden. In jedem Fall ist die Verbindungsschicht trocken und eignet sich nicht besonders gut für das Anhaften von Chips. Zum Diffusionslöten werden die Substrate oder die Chips vor dem Verbinden mit Lot beschichtet. Wenn der Lötprozess in einem Lötofen oder einer Kammer durchgeführt wird, muss der Chip bei einer Temperatur des Lotes auf dem Substrat platziert werden, die geringer ist als der Schmelzpunkt des Lotes. Auch hier ist der Kontaktbereich zwischen den Chips und dem Substrat trocken und die Chips haften nach ihrer Platzierung so lange nicht auf den Substraten, bis eine Temperatur erzeugt wird, die über dem Schmelzpunkt des Lotes liegt. Eine andere Möglichkeit besteht darin, den Chip auf einer feuchten Paste zu platzieren und Nachteile der hergestellten Verbindung in Kauf zu nehmen. Das Ergebnis eines derartigen Sinterprozesses, bei dem der Chip auf einer feuchten Paste platziert wird, besteht in der Ausbildung von Kanälen innerhalb der Verbindungsschicht, die nach dem Verbindungsprozess zurückbleiben.
  • ÜBERSICHT
  • Hierin beschrieben ist eine durch Thermoumformen hergestellte, vorgeformte Folienhalterung, die als Träger des Halbleiterchips und zur Fixierung des Halbleiterchips verwendet wird. Die Folienhalterung kann den Temperaturen beim Sintern und beim Diffusionslöten widerstehen, d.h. sie kann einen Schmelzpunkt aufweisen, der unterhalb dieser Temperaturen liegt. Die Folienhalterung passt sich an die Topologie der miteinander zu verbindenden Strukturen vor dem Verbinden an und wirkt als Dichtung gegen Verschmutzung oder komprimiertes Gas während des Verbindungsprozesses.
  • Gemäß einem Ausgestaltung eines Verfahrens zur Herstellung einer Folienhalterung zur Verwendung beim Verbinden eines Halbleiterchips mit einem Substrat umfasst das folgende Verfahren: Aufheizen eines Werkzeugs, welches eine Grundplatte und eine Anzahl voneinander beabstandeter Vorsprünge aufweist, die sich von der Grundplatte weg erstrecken und die eine Form des Werkzeugs festlegen; und Anpressen einer Folie an das Werkzeug, während das Werkzeug aufgeheizt ist, so dass die Folie deformiert wird, sich an die Gestalt des Werkzeugs anpasst und eine plastisch oder elastisch verformbare Folienhalterung bildet.
  • Eine Ausgestaltung eines Verfahrens zum Verbinden eines Halbleiterchips mit einem Substrat umfasst die Schritte: Bereitstellen einer Anzahl von Halbleiterchips, eines Substrates sowie einer deformierbaren, vorgeformten Folienhalterung mit einem oder mehreren vertieften Bereichen, welche Seitenwände und eine Unterseite aufweisen; Platzieren der Anzahl von Halbleiterchips in der einen oder den mehreren vertieften Bereichen, wobei eine erste Seite der Anzahl von Halbleiterchips der Unterseite des einen oder der mehreren vertieften Bereiche zugewandt ist und wobei eine zweite Seite der Anzahl der Halbleiterchips der Unterseite des einen oder der mehreren vertieften Bereiche abgewandt ist; Platzieren des Substrats benachbart zu der zweiten Seite der Anzahl der Halbleiterchips, wobei sich ein Verbindungsmaterial zwischen dem Substrat und der Anzahl von Halbleiterchips befindet; und Aneinanderpressen des Substrates und der Folienhalterung, wobei die Anzahl der Halbleiterchips in dem einen oder den mehreren vertieften Bereichen angeordnet ist unter Einwirkung einer erhöhten Temperatur und eines erhöhten Druckes, der mithilfe von ersten und zweiten Presswerkzeugelementen erzeugt wird, so dass das Substrat durch das Verbindungsmaterial mit der zweiten Seite der Anzahl der Halbleiterchips verbunden wird.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel eines Verbindungswerkzeugs weist das Werkzeug ein erstes Anpresselement, ein dem ersten Anpresselement gegenüberliegendes zweites Anpresselement sowie eine zwischen dem ersten und dem zweiten Anpresselement angeordnete Druckkammer auf. Die Druckkammer ist dazu ausgebildet, eine deformierbare, vorgeformte Folienhalterung mit einem oder mehreren vertieften Bereichen aufzunehmen, welche Seitenwände und eine Unterseite aufweisen, und die in dem einen oder in den mehreren Bereichen mit einer Anzahl von Halbleiterchips bestückt ist, so dass eine erste Seite der Anzahl der Halbleiterchips der Unterseite des einen oder der mehreren vertieften Bereiche zugewandt ist und dass eine zweite, der ersten Seite entgegengesetzte Seite der Anzahl von Halbleiterchips der Unterseite des einen oder der mehreren vertieften Bereiche abgewandt ist, und außerdem mit einem Substrat, das neben der zweiten Seite der Anzahl von Halbleiterchips angeordnet ist, sowie mit einem zwischen dem Substrat und der Anzahl von Halbleiterchips angeordneten Verbindungsmaterial. Die ersten und zweiten Anpresselemente sind dazu ausgebildet, das Substrat und die Folienhalterung mit der in dem einen oder den mehreren vertieften Bereichen platzierten Anzahl von Halbleiterchips bei einer erhöhten Temperatur und erhöhtem Druck in der Druckkammer aneinanderzupressen, so dass das Substrat durch das Verbindungsmaterial mit der zweiten Seite der Anzahl von Halbleiterchips verbunden wird.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
  • Die in den Figuren gezeigten Elemente sind nicht notwendigerweise maßstäblich zueinander dargestellt. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen korrespondierende ähnliche Teile. Die Merkmale der verschiedenen gezeigten Ausführungsbeispiele können miteinander kombiniert werden, sofern sie einander nicht ausschließen. Ausführungsbeispiele sind in den Figuren dargestellt und werden wie folgt in der ausführlichen Beschreibung erläutert.
  • 1 zeigt eine Folie und ein Werkzeug zum Deformieren der Folie gemäß einem Ausführungsbeispiel.
  • 2 veranschaulicht die Folie gemäß 1 während eines Ausführungsbeispiels eines Verformungsprozesses.
  • 3 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel einer Folienhalterung mit vorgeformten, vertieften Bereichen, welche mit dem Verformungsprozess gemäß 2 hergestellt wurden.
  • 4 veranschaulicht die Folienhalterung gemäß 3 während des Platzierens von Halbleiterchips in den vorgeformten, vertieften Bereichen.
  • 5 veranschaulicht die Folienhalterung gemäß 3, nachdem diese mit Halbleiterchips bestückt wurde.
  • 6 veranschaulicht die Folienhalterung gemäß 3, nachdem diese mit Halbleiterchips auf einem oder mehreren Trägersubstraten bestückt wurde.
  • 7 veranschaulicht die Folienhalterung gemäß 3, nachdem diese mit Halbleiterchips auf einem oder mehreren Trägersubstraten bestückt wurde, die auf einer Basisplatte angeordnet sind.
  • 8 veranschaulicht ein Substrat mit einer Sinterverbindungsschicht während des Ausrichtens an der bestückten Folienhalterung gemäß 5.
  • 9 veranschaulicht ein Substrat mit einer Diffusionslotverbindungsschicht während der Ausrichtung an der bestückten Folienhalterung gemäß 5.
  • 10 veranschaulicht die bestückte Folienhalterung gemäß 5, die außerdem so vorgeformt ist, dass sie mit Kanten und Eckbereichen eines Substrats zusammenpasst, welche frei von Halbleiterchips sind.
  • 11 veranschaulicht die bestückte Folienhalterung und die Substratanordnung gemäß den 8 oder 9 im umgedrehten Zustand.
  • 12 veranschaulicht die bestückte Folienhalterung und Substratanordnung gemäß 8 oder 9, nachdem diese gemäß einem Ausführungsbeispiel in ein Verbindungswerkzeug eingelegt wurde.
  • 13 veranschaulicht die bestückte Folienhalterung und die Substratanordnung gemäß 8 oder 9, nachdem diese gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel in ein Verbindungswerkzeug eingelegt wurden.
  • 14 veranschaulicht die Folienhalterung gemäß 3, die in ein Verbindungswerkzeug eingelegt und mit Halbleiterchips bestückt ist und die sich auf einem oder mehreren Trägersubstraten befindet, die gemäß einem Ausführungsbeispiel auf einer Basisplatte angeordnet sind.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • 1 veranschaulicht eine Ausgestaltung einer Folie 100, die dazu dient, die Oberfläche von Halbleiterchips und Substraten vor Werkzeugen zu schützen, die dazu verwendet werden, während des Verbindens von Halbleiterchips mit Substraten Druck auf die Halbleiterchips bzw. Substrate auszuüben. Die Folie 100 ist vorgeformt, so dass sie als Halterung und als Träger für Halbleiterchips verwendet werden kann. Gemäß einer Ausgestaltung ist die Folie 100 mittels eines Thermoumformprozesses vorgeformt. Der Thermoumformprozess umfasst ein Werkzeug 110, welches eine Grundplatte 112 und eine Anzahl von voneinander beabstandeten Vorsprüngen 114 aufweist, die sich von der Grundplatte 112 weg erstrecken und die die Form des Werkzeugs 110 festlegen. Die Folie 100 wird gegen das Werkzeug 110 gepresst, während das Werkzeug 110 aufgeheizt ist, so dass sich die Folie 100 an die Gestalt des Werkzeugs 110 anpasst. Die Gestalt des Werkzeugs 110 entspricht der Gestalt und den Abständen der Anzahl von Halbleiterchips, eines oder mehreren mit den Halbleiterchips zu verbindenden Trägersubstraten oder einer mit einem oder mehreren Trägersubstraten zu verbindenden Basisplatte.
  • 2 zeigt eine Ausgestaltung, bei der ein Stempel 120 dazu verwendet wird, die Folie 100 gegen das Werkzeug 110 zu pressen, während das Werkzeug 110 aufgeheizt ist. Der Stempel 120 kann aus einem steifen Material hergestellt sein und eine zu dem Werkzeug 110 komplementäre Topologie aufweisen, so dass jeder Vorsprung 114 des Werkzeugs 110 in einen korrespondierenden Einschnitt 122 des Stempels 120 hinein ragt. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung kann es sich bei dem Stempel 120 um einen Silikongummistempel handeln, welcher in einer mit Druck beaufschlagten Kammer verwendet wird, die einen hydrostatischen Druck auf die Folie 100 ausübt, sofern sie unter Druck steht. Ebenso können jedoch auch andere Arten von Stempeln für das Vorformen der Folie 100 verwendet werden. Gemäß einer Ausgestaltung wird die Folie 100 bei einer Temperatur von nicht mhr als 150°C und einem Druck von nicht mehr als 5 bar gegen das Werkzeug 110 gepresst. Andere geeignete Temperaturen und Drücke können zum Vorformen der Folie 100 eingesetzt werden.
  • 3 zeigt eine Folienhalterung 130, die mit dem oben beschriebenen Thermoumformprozesses hergestellt wurde. Die Folienhalterung 130 ist so vorgeformt, dass sie voneinander beabstandete, vertiefte Bereiche 132 enthält, welche Seitenwände 134 und eine Unterseite 136 aufweisen. Die vertieften Bereiche 132 weisen eine Gestalt sowie Abstände auf, die einer Anzahl von Halbleiterchips, einem oder mehreren an den Halbleiterchips zu befestigenden Trägersubstraten oder einer an dem einen oder den mehreren Trägersubstraten zu befestigenden Basisplatte entsprechen. Auf diese Weise dient die vorgeformte Folienhalterung 130 als Fixierung und als Träger für Halbleiterchips, Substrate und/oder Basisplatten. Die vorgeformte Folienhalterung 130 passt sich an die Topologie der miteinander zu verbindenden Strukturen vor deren Befestigung an und sorgt für eine Abdichtung gegen Verschmutzung oder gegen unter Druck befindliches Gas während des Befestigungsprozesses, was später noch beschrieben wird.
  • Die vorgeformte Folienhalterung 130 widersteht den Temperaturen, wie sie beim Sintern und Löten auftreten. Gemäß einer Ausgestaltung handelt es sich bei der vorgeformten Folienhalterung 130 um eine Plastik-Folienhalterung, die einen Schmelzpunkt von > 200°C, > 230°C, > 250°C od er > 260°C aufweist. Bei einer Ausgestaltung handelt es sich bei der vorgeformten Folienhalterung 130 um eine PTFE-(Polytetrafluorethylen-)Folie, eine Polyimid-Folie, eine Flüssigkristall-Polymerfolie, oder dergleichen. Alternativ kann es sich bei der vorgeformten Folienhalterung 130 um eine nicht gesinterte ("grüne") KeramikFolienhalterung handeln, welche eine plastische Deformation ermöglicht. Bei einigen Ausgestaltungen weist die Folie 100 eine Dicke tF von 20 µm bis 500 µm, z.B. von 100 µm bis 250 µm.
  • 4 veranschaulicht eine Anzahl von Halbleiterchips 140 während deren Positionierung in den vertieften Bereichen 132 der vorgeformten Folienhalterung 130. Gemäß dieser Ausgestaltung werden die Halbleiterchips 140 von einem (nicht gezeigten) Wafer nach dessen Vereinzelung, d.h. nachdem die Halbleiterchips 140 einzeln, z.B. durch Wafersägen, voneinander getrennt wurden, aufgenommen. Die Halbleiterchips 140 werden nach dem Vereinzeln an eine Adhäsions-Folienhalterung geklebt, so dass die Rückseite auf der Adhäsions-Folienhalterung klebt. Ein Pick-and-Place-Werkzeug 150 wird dazu verwendet, die einzelnen Halbleiterchips 140 aufzunehmen, die Halbleiterchips 140 – falls erwünscht – zu drehen und die einzelnen Halbleiterchips 140 in die vertieften Bereiche 132 der vorgeformten Folienhalterung 130 zu platzieren. Auf diese Weise sind beispielsweise die aktiven Seiten 132 der Halbleiterchips 140 nach unten zu den Unterseiten 136 der vertieften Bereiche 132 gerichtet, während die entgegen gesetzte Seite 144 der Halbleiterchips 140 von der Unterseite 136 der vertieften Bereiche 132 weg zeigt.
  • 5 zeigt die vorgeformte Folienhalterung 130, nachdem alle Halbleiterchips 140 in den entsprechenden vertieften Bereichen 132 platziert wurden. Wie anhand von 5 zu erkennen ist, dient die vorgeformte Folienhalterung 130 als Träger und als Fixierung für die Halbleiterchips 140. Das bedeutet, dass die Halbleiterchips 140 durch die vorgeformte Folienhalterung 130 getragen werden und auf einfache Weise bewegt werden können, ohne dass sich die Halbleiterchips 140 aus ihren Positionen in den vertieften Bereichen 132 herausbewegen.
  • 6 zeigt eine alternative Ausgestaltung, bei der die Halbleiterchips auf einem oder mehreren Trägersubstraten 160 platziert und das bzw. die Trägersubstrat(e) 160 von dem bzw. den entsprechenden vertieften Bereich(en) 132 der vorgeformten Folienhalterung 130 aufgenommen werden. Gemäß dieser Ausgestaltung entspricht die Form des Werkzeugs 110 der Form und den Abständen des einen oder der mehreren an den Halbleiterchips 140 zu befestigenden Trägersubstraten 160, so dass der bzw. die vorgeformten, vertieften Bereich(e) 132 der Folienhalterung 130 das bzw. die Trägersubstrat(e) 160 aufnehmen können.
  • 7 zeigt eine weitere alternative Ausgestaltung, bei der die Halbleiterchips 140 auf einem oder mehreren Trägersubstraten 160 platziert sind, das bzw. die Trägersubstrat(e) 160 auf einer Basisplatte 170, beispielsweise einem metallischen Kühlkörper, platziert sind, und die Basisplatte 170 in einen vorgeformten, vertieften Bereich 132 der Folienhalterung 130 eingesetzt ist. Gemäß dieser Ausgestaltung entspricht die Form des Werkzeugs 110 der Form der mit dem bzw. den Trägersubstrat(en) 160 zu verbindenden Basisplatte 170, so dass die vorgeformten, vertieften Bereiche 132 der Folienhalterung 130 die Basisplatte 170 aufnehmen können.
  • 8 zeigt eine Ausgestaltung einer vorgeformten Folienhalterung 130, die mit einer Anzahl von Halbleiterchips 140, die sich in vertieften Bereichen 132 der Folie 130 befinden, während der Ausrichtung eines Substrats 180 gegenüber den Halbleiterchips 140. Das Substrat 180 kann einen dielektrischen Isolationsträger 182 mit einer unteren Metallisierung 184 und einer optionalen oberen Metallisierung 186 aufweisen. Die Metallisierungen 184, 186 sind fest mit der Unterseite 183 bzw. mit der Oberseite 185 des Isolationsträgers 182 verbunden. Bei dem Isolationsträger 182 kann es sich beispielsweise um ein flaches Keramikplättchen handeln. Beispiele für geeignete Keramikmaterialien sind Aluminiumnitrid (AlN), Aluminiumoxid (Al2O3), Siliziumnitrid (Si3N4), Siliziumcarbid (SiC) oder Berylliumoxid (BeO). Die Metallisierungen 184, 186 können Kupfer oder eine Kupferlegierung mit einem hohen Kupferanteil aufweisen. Bei dem Substrat 180 kann es sich beispielsweise um ein DCB-Substrat (DCB = Direct Copper Bonding) oder ein DAB-Substrat (DAB = Direct Aluminum Bonding) oder ein AMB-Substrat (AMB = Active Metal Brazing) handeln.
  • In jedem Fall wird das Substrat 180 auf der vorgeformten Folienhalterung 130 platziert, und zwar so, dass es zu den Positionen der Halbleiterchips ausgerichtet ist, d.h. an der Struktur der vorgeformten Folienhalterung 130. Wegen des Gewichts der Substrate 180 verschieben sich die Substrate 180 üblicherweise nicht unbeabsichtigt auf der Folienhalterung 130, so dass es möglich aber nicht notwendigerweise erforderlich ist, diese mit einem speziellen Werkzeug in Position zu halten. Die Folienhalterung 130 stellt sicher, dass die Halbleiterchips 140 und das Substrat 180 ausgerichtet bleiben, während sie während eines Sinterprozesses zum Verbinden der Komponenten aneinander gepresst und erhitzt werden. Für diesen Sinterprozess wird gemäß der vorliegenden Ausgestaltung ein Sintermaterial 190 wie beispielsweise Silber auf die untere Metallisierung des Substrats 180 aufgebracht, so dass sich das Sintermaterial 190 zwischen dem Substrat 180 und den Halbleiterchips 140 befindet, nachdem das Substrat 180 benachbart zu den Halbleiterchips 140 platziert wurde. Auch wenn dies nicht in 8 gezeigt ist, kann zusätzlich oder anstelle des auf das Substrat 180 aufgebrachten Sintermaterials 190 zusätzliches Sintermaterial auf die freiliegenden Seiten 144 der Halbleiterchips 140 aufgebracht werden. Gemäß einer Ausgestaltung wird die Anordnung nachfolgend in einem Sinterwerkzeug unter Einwirkung von Druck erhitzt.
  • 9 zeigt eine weitere Ausgestaltung der Folienhalterung 130, welche in ihren vorgeformten, vertieften Bereichen 132 mit einer Anzahl von Halbleiterchips 140 bestückt ist, während der Ausrichtung eines Substrats 180 auf den Halbleiterchips 140. Gemäß dieser Ausgestaltung wird ein Diffusionslotmaterial 192 auf die frei liegenden Seiten 144 der Halbleiterchips 140 aufgebracht, so dass sich das Diffusionslotmaterial 192 zwischen dem Substrat 180 und den Halbleiterchips 140 befindet, nachdem das Substrat 180 benachbart zu den Halbleiterchips 140 platziert wurde. Auch wenn dies nicht in 9 gezeigt ist, kann zusätzlich oder anstelle von dem auf die Halbleiterchips 140 aufgebrachten Diffusionslotmaterial 192 zusätzliches Diffusionslotmaterial auf die untere Metallisierung 184 des Substrats 180 aufgebracht werden. Gemäß einer Ausgestaltung wird die Anordnung nachfolgend in einem Diffusionslötwerkzeug unter Einwirkung von Druck erhitzt.
  • 10 veranschaulicht noch eine andere Ausgestaltung einer Folienhalterung 130, welche in ihren vertieften Bereichen 132 mit einer Anzahl von Halbleiterchips 140 bestückt ist, während der Ausrichtung eines Substrats 180 auf den Halbleiterchips 140. Gemäß dieser Ausgestaltung ist die deformierbare Folienhalterung 130 außerdem so vorgeformt, dass sie an die Kanten und Eckbereiche 187, 189 des Substrats 180 passen, welche frei von Halbleiterchips sind. Zur einfacheren Handhabung kann die Folienhalterung 130 durch einen Rahmen gehalten werden. Das Substrat 180 kann ebenso durch einen rahmenförmigen Träger gehalten werden. In jedem Fall wird das zwischen den Halbleiterchips 140 und dem Substrat 180 befindliche Verbindungsmaterial 190/192 vor dem Verbindungsprozess getrocknet.
  • 11 veranschaulicht eine Ausgestaltung, bei der die Folienhalterung 130, bevor das Substrat 180 und die bestückte Folienhalterung 130 während eines Verbindungsprozesses bei erhöhter Temperatur und unter Druck aneinandergepresst werden, an das Substrat 180 geklammert wird, wobei das Substrat 180 – bezogen auf die Schwerkraft – oberhalb der bestückten Folienhalterung 130 positioniert ist, so dass das Substrat vor dem Verklammern aufgrund der Schwerkraft auf der bestückten Folienhalterung 130 aufliegt. Die geklammerte Anordnung wird dann umgedreht, so dass das Substrat 180 unterhalb der bestückten Folienhalterung 130 positioniert ist. Ein oder mehrere Rahmen können bereitgestellt werden, um die bestückte Folienhalterung 130 und/oder die gesamte Anordnung während dieses Prozesses zu tragen.
  • 12 veranschaulicht eine Ausgestaltung eines Verbindungswerkzeuges 200, welches zur Verwendung mit der deformierbaren, vorgeformten Folienhalterung 130 dient. Gemäß dieser Ausgestaltung weist das Verbindungswerkzeug 200 ein oberes Druckelement 210, ein dem oberen Druckelement 210 gegenüberliegendes unteres Druckelement 220 und eine zwischen dem oberen und dem unteren Druckelement 210, 220 befindliche Druckkammer 230 auf. Die Druckkammer 230 nimmt die deformierbare, mit einem bzw. mehreren vertieften Bereich(en) 132 vorgeformte Folienhalterung 130 auf. Die vorgeformte Folienhalterung 130 kann in den vertieften Bereichen 132 mit einer Anzahl von Halbleiterchips 140 bestückt werden, so dass eine erste (untere) Seite 142 der Halbleiterchips 140 der Unterseite 136 der vertieften Bereiche 132 zugewandt ist und dass eine zweite (obere) und der ersten Seite 142 entgegengesetzte Seite 144 der Halbleiterchips 140 den Unterseiten 136 der vertieften Bereiche 132 abgewandt ist, sowie weiterhin mit einem Substrat 180, welches benachbart zu der Oberseite 144 der Halbleiterchips 140 angeordnet ist, wobei sich ein Verbindungsmaterial 190/192 zwischen dem Substrat 180 und den Halbleiterchips 140 befindet.
  • Da in 12 nur Halbleiterchips 140 gezeigt sind, mit welchen die vertieften Bereiche 132 der Folienhalterung 130 bestückt sind, weisen die vertieften Bereiche 132 eine Form und Abstände entsprechend den Halbleiterchips 140 auf. Allerdings können die vertieften Bereiche 132 stattdessen eine Form sowie Abstände aufweisen, welche einem oder mehreren Trägersubstraten 160 entsprechen, die benachbart zu der Unterseite 142 der Halbleiterchips 140 angeordnet sind (soweit vorhanden) (z.B. wie in 6 gezeigt), oder zu einer Basisplatte 170, welche benachbart zu dem einen oder den mehreren Trägersubstraten 160 angeordnet sind (soweit vorhanden) (z.B. wie in 7 gezeigt), wie oben bereits beschrieben wurde.
  • In jedem Fall pressen das untere und das obere Presselement 210, 220 das Substrat 180 und die bestückte Folienhalterung 130 bei einer gegenüber Raumtemperatur erhöhten Temperatur von nicht mehr als 150°C und einem gegenüber Normaldruck erhöhtem Druck von nicht mehr als 5 bar in der Druckkammer 230 aneinander, so dass das Substrat 180 mit der zweiten (oberen) Seite 144 der Halbleiterchips 140 mithilfe des Verbindungsmaterials 190/192 verbunden wird. Gemäß einer Ausgestaltung handelt es sich bei dem Verbindungsmaterial um ein Sintermaterial 190 und bei dem Verbindungswerkzeug um ein Sinterwerkzeug. Gemäß einer anderen Ausgestaltung handelt es sich bei dem Verbindungsmaterial um ein Lotmaterial 192 und bei dem Verbindungswerkzeug um ein Diffusionslötwerkzeug.
  • Gemäß einer Ausgestaltung kann das obere und untere Presswerkzeugelement 210/220 ein Silikonkissen aufweisen, welches einen hydrostatischen Druck ausübt und dabei die Substrate 180 und die bestückte Folienhalterung 130 aneinander presst. Das untere Presswerkzeugelement 220 kann eine Anzahl von Stempeln 212 aufweisen, um die Unterseiten 136 der vorgeformten, vertieften Bereiche 132 auf der Folienhalterung 130 gegen die ersten (unteren) Seiten 142 der Halbleiterchips 140 zu pressen.
  • 13 veranschaulicht eine andere Ausgestaltung des Verbindungswerkzeugs 200 zur Verwendung mit der deformierbaren, vorgeformten Folienhalterung 130. Die Ausgestaltung gemäß 13 ist ähnlich zu der in 12 gezeigten Ausgestaltung, mit der Ausnahme, dass die Ausrichtung der Substrat/Folienanordnung umgedreht ist, so dass das Substrat 180 näher an dem unteren Presselement 220 des Verbindungswerkzeugs 200 positioniert ist und dass die bestückte Folienhalterung 130 näher an dem oberen Presselement 210 positioniert ist. In diesem Fall kann das obere Presselement 210 eine Anzahl von Stempeln 222 aufweisen, um die Unterseiten 136 der vorgeformten, vertieften Bereiche 132 der Folienhalterung 130 gegen die ersten (unteren) Seiten 142 der Halbleiterchips 140 zu pressen.
  • In jedem Fall kann die Folie 100 gemäß einigen Ausgestaltungen anstelle durch ein separates Werkzeug in dem Verbindungswerkzeug 200 vorgeformt werden. Beispielsweise kann das hierin beschriebene Werkzeug 110 in der Druckkammer 230 des Verbindungswerkzeugs 200 oder in einer anderen Kammer des Werkzeugs 200 platziert werden oder auf andere Weise in diesem enthalten sein. Gemäß diesen Ausgestaltungen erhitzt das Verbindungswerkzeug 200 das Werkzeug 110 und presst die Folie 100 gegen das erhitzte Werkzeug, um die Folienhalterung 130 mit dem bzw. den vorgeformten, vertieften Bereich(en) 132 zu formen. Die Folienhalterung 130 wird dann mit Bauelementen bestückt und mit Hilfe der oberen und unteren Presselemente 210, 220, wie vorangehend hierin beschrieben, in der Druckkammer 130 unter Einwirkung von Druck und Temperatur an dem Substrat 180 befestigt. Alternativ dazu kann ein separates Werkzeug, welches den Werkzeugstempel 110 umfasst, verwendet werden, um die Folie 100 vorzuformen.
  • 14 veranschaulicht eine Draufsicht auf das Verbindungswerkzeug 200 mit der bestückten, vorgeformten Folienhalterung 130, welche in der Druckkammer 230 des Werkzeugs 200 platziert ist. Das obere Presselement 210 ist in 14 nicht zu sehen. Gemäß dieser Ausgestaltung ist die Folienhalterung 130 mit einem vertieften Bereich 132 vorgeformt, der so ausgebildet ist, dass er eine Basisplatte 170 aufnehmen kann, auf der einige Trägersubstrate 160 positioniert sind. Ein oder mehrere Halbleiterchips 140 werden auf jedem Trägersubstrat 160 platziert, wie dies beispielsweise in der Schnittansicht gemäß 8 gezeigt ist. Ein zusätzliches Substrat 180 wird nachfolgend an den oberen (freiliegenden) Seiten 144 der Halbleiterchips 140 bei erhöhtem Druck und erhöhter Temperatur in der Druckkammer 230 durch die oberen und unteren Presselemente 210, 220, wie vorangehend hierin beschrieben, befestigt. Auf die optionale Basisplatte 170 kann verzichtet werden, wobei in diesem Fall die Folienhalterung 130 mit dem bzw. den vertieften Bereich(en) 132 so vorgeformt ist, dass diese das bzw. die Trägersubstrat(e) aufnehmen kann, wie dies beispielsweise in der Schnittansicht gemäß 7 gezeigt ist.

Claims (25)

  1. Verfahren zur Herstellung einer Folienhalterung (130) zur Verwendung beim Verbinden eines Halbleiterchips (140) mit einem Substrat (180) umfassend die Schritte: Aufheizen eines Werkzeugs (110), welches eine Grundplatte (112) und eine Anzahl voneinander beabstandeter Vorsprünge (114) aufweist, die sich von der Grundplatte (112) weg erstrecken und die eine Form des Werkzeugs (110) festlegen; und Herstellen einer Folienhalterung (130) durch Anpressen einer Folie (100) an das Werkzeug (110), während das Werkzeug (110) aufgeheizt ist, so dass die Folie (100) deformiert wird, sich an die Gestalt des Werkzeugs (110) anpasst.
  2. Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem die Folie (100) bei einer Temperatur von nicht mehr als 150°C und einem Druck von nicht mehr als 5 bar gegen das Werkzeug (110) gepresst wird.
  3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem die Folienhalterung (130) eine Plastik-Folienhalterung ist, die einen Schmelzpunkt von mehr als 200°C aufweist.
  4. Verfahren gemäß Anspruch 3, bei dem die Folienhalterung (130) eine Plastik-Folienhalterung ist, die einen Schmelzpunkt von mehr als 260°C aufweist.
  5. Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Folienhalterung (130) gemäß einer der folgenden Varianten ausgebildet ist: als PTFE-Folienhalterung; oder als Polymid-Folienhalterung; oder als Flüssigkristall-Folienhalterung; oder als nicht gesinterte Keramikfolienhalterung, die eine plastische Deformation ermöglicht.
  6. Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Folie eine Dicke (tF) zwischen 20 µm und 500 µm aufweist.
  7. Verfahren gemäß Anspruch 6, bei dem die Folie eine Dicke (tF) zwischen 100 µm und 250 µm aufweist.
  8. Verfahren zum Verbinden von Halbleiterchips (140) mit einem Substrat (180) umfassend die Schritte: Bereitstellen einer Anzahl von Halbleiterchips (140), eines Substrates (180) sowie einer deformierbaren, vorgeformten Folienhalterung (130) mit einem oder mehreren vertieften Bereichen (132), welche Seitenwände (134) und eine Unterseite (136) aufweisen; Bestücken der Folienhalterung (130), indem die Anzahl von Halbleiterchips (140) in dem einen oder den mehreren vertieften Bereichen (132) platziert wird, wobei eine erste Seite (142) der Anzahl von Halbleiterchips (140) der Unterseite (136) des einen oder der mehreren vertieften Bereiche (132) zugewandt ist und wobei eine zweite Seite (144) der Anzahl der Halbleiterchips (140) der Unterseite (136) des einen oder der mehreren vertieften Bereiche (132) abgewandt ist; Platzieren des Substrats (180) benachbart zu der zweiten Seite (144) der Anzahl der Halbleiterchips (140), wobei sich ein Verbindungsmaterial (190, 192) zwischen dem Substrat (180) und der Anzahl von Halbleiterchips (140) befindet; und Aneinanderpressen des Substrates (180) und der bestückten Folienhalterung (130), unter Einwirkung einer erhöhten Temperatur von wenigstens 150°C und eines erhöhten Druckes von wenigstens 30 bar, die bzw. der mit Hilfe eines ersten und eines zweiten Presswerkzeugelementes (210, 220) erzeugt wird, so dass das Substrat (180) durch das Verbindungsmaterial (190, 192) mit der zweiten Seite (144) der Anzahl der Halbleiterchips (140) verbunden wird.
  9. Verfahren gemäß Anspruch 8, das, bevor das Substrat (180) und die bestückten Folienhalterung (130) unter Einwirkung der erhöhten Temperatur und des erhöhten Druckes aneinander gepresst werden, folgende Schritte aufweist: Verklammern der bestückten Folienhalterung (130) mit dem Substrat (180), so dass sich das Substrat (180) – bezogen auf die Schwerkraft – oberhalb der bestückten Folienhalterung (130) befindet; und Umdrehen der verklammerten Anordnung, so dass sich das Substrat (180) unterhalb der bestückten Folienhalterung (130) befindet.
  10. Verfahren gemäß Anspruch 8 oder 9, bei dem die Folienhalterung (130) derart vorgeformt ist, dass sie mit Kanten und Eckbereichen eines Substrats (180) zusammenpasst, welche frei von Halbleiterchips (140) sind.
  11. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 8 bis 10, bei dem das Verbindungsmaterial (190) ein Sintermaterial ist, und bei dem das erste und das zweite Presswerkzeugelement (210, 220) Bestandteile eines Sinterwerkzeuges sind.
  12. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 8 bis 10, bei dem das Verbindungsmaterial (192) ein Lotmaterial ist, und bei dem das erste und das zweite Presswerkzeugelement (210, 220) Bestandteile eines Diffusionslötwerkzeuges sind.
  13. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 8 bis 12, bei dem Endbereiche der bestückten Folienhalterung (130) eine Dichtung zwischen dem ersten und dem zweiten Presswerkzeugelement (210, 220) bilden, während das Substrat (180) und die bestückte Folienhalterung (130) bei der erhöhten Temperatur und dem erhöhten Druck aneinander gepresst werden.
  14. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 8 bis 13, bei dem das erste oder das zweiten Presswerkzeugelement (210, 220) ein Silikonkissen aufweist, das auf die Folienhalterung (130) einen hydrostatischen Druck ausübt und dadurch das Substrat (180) und die bestückte Folienhalterung(130) aneinander presst.
  15. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 8 bis 14, bei dem das erste oder das zweiten Presswerkzeugelement (210, 220) benachbart zu der bestückten Folienhalterung (130) eine Anzahl von Stempeln (212) aufweist, um die Unterseite (136) des einen oder der mehreren vertieften Bereiche (132) der Folienhalterung (130) gegen die Anzahl von Halbleiterchips (140) zu pressen.
  16. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 8 bis 15, bei dem der eine oder die mehreren vertieften Bereiche (132) der Folienhalterung (130) eine Gestalt und – im Falle von mehreren vertieften Bereichen (132) – einen Abstand oder Abstände entsprechend der Anzahl von Halbleiterchips (140), eines oder mehrerer zwischen der ersten Seite (142) der Anzahl von Halbleiterchips (140) und der Unterseite (136) des einen oder der mehreren vertieften Bereiche (132) angeordneter Substrate (180) oder einer zwischen einem oder mehreren Substraten (180) und der Unterseite (136) des einen oder der mehreren vertieften Bereiche (132) angeordneten Grundplatte (170) aufweisen.
  17. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 8 bis 16, das, bevor das Substrat (180) und die bestückten Folienhalterung (130) unter Einwirkung der erhöhten Temperatur und des erhöhten Druckes aneinander gepresst werden, folgende Schritte aufweist: Aufheizen eines Werkzeugs (110), das eine Grundplatte (112) und eine Anzahl voneinander beabstandeter Vorsprünge (114) aufweist, die sich von der Grundplatte (112) weg erstrecken und die mit der Form und den Abständen der Anzahl von Halbleiterchips (140), des einen oder der mehreren zwischen der ersten Seite (142) der Anzahl von Halbleiterchips (140) und der Unterseite (136) des einen oder der mehreren vertieften Bereiche (132) angeordneten Substraten (180) oder einer zwischen einem oder mehreren Substraten (180) und der Unterseite (136) des einen oder der mehreren vertieften Bereiche (132) angeordneten Basisplatte (170) korrespondieren; und Erzeugen der Folienhalterung (130) durch Anpressen einer Folie (100) an das Werkzeug (110), während das Werkzeug (110) zum Vorformen der Folienhalterung (130) aufgeheizt ist.
  18. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 8 bis 15, bei dem die Folienhalterung (130) gemäß einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 hergestellt wird.
  19. Verbindungswerkzeug (200) umfassend: ein erstes Presswerkzeugelement (210); ein dem ersten Presswerkzeugelement (210) gegenüber liegendes zweites Presswerkzeugelement (220); und eine zwischen dem ersten Presswerkzeugelement (210) und dem zweiten Presswerkzeugelement (220) angeordnete Druckkammer (230), die dazu ausgebildet ist, eine deformierbare, vorgeformte Folienhalterung (130) aufzunehmen, die einen oder mehrere vertiefte Bereiche (132) aufweist, welche Seitenwände (134) und eine Unterseite (136) aufweisen, wobei die Folienhalterung (130) in dem einen oder den mehreren vertieften Bereichen (136) mit einer Anzahl von Halbleiterchips (140) bestückt ist, so dass eine erste Seite (142) der Anzahl von Halbleiterchips (140) der Unterseite (136) des einen oder der mehreren vertieften Bereiche (132) zugewandt ist und dass eine der ersten Seite (142) entgegengesetzte zweite Seite (144) der Anzahl von Halbleiterchips (140) der Unterseite (136) des einen oder der mehreren vertieften Bereiche (132) abgewandt ist, und wobei weiterhin ein Substrat (180) benachbart zu der zweiten Seite (144) der Anzahl von Halbleiterchips (140) angeordnet und ein Verbindungsmaterial (190, 192) zwischen dem Substrat (180) und der Anzahl von Halbleiterchips (140) angeordnet ist; und wobei die das erste und das zweite Presswerkzeugelement (210, 220) dazu ausgebildet sind, das Substrat (180) und die bestückte Folienhalterung (130) in der Druckkammer (230) bei der erhöhten Temperatur und dem erhöhten Druck aneinander zu pressen, so dass das Substrat (180) durch das Verbindungsmaterial (190, 192) mit der zweiten Seite der Anzahl von Halbleiterchips (140) verbunden wird.
  20. Verbindungswerkzeug gemäß Anspruch 19, bei dem das Verbindungsmaterial (190) ein Sintermaterial ist, und bei dem das Verbindungswerkzeug ein Sinterwerkzeug ist.
  21. Verbindungswerkzeug gemäß Anspruch 19, bei dem das Verbindungsmaterial (192) ein Lotmaterial ist, und bei dem das Verbindungswerkzeug ein Diffusionslötwerkzeuges ist.
  22. Verbindungswerkzeug gemäß einem der Ansprüche 19 bis 21, bei dem das erste Presswerkzeugelement (210) ein Silikonkissen aufweist, das dazu ausgebildet ist, auf die Folienhalterung (130) einen hydrostatischen Druck zum Aneinanderpressen des Substrats (180) und der bestückten Folienhalterung (130) auszuüben.
  23. Verbindungswerkzeug gemäß einem der Ansprüche 19 bis 22, bei dem das zweite Presswerkzeugelement (220) eine Anzahl von Stempeln (212) aufweist, die dazu ausgebildet sind, die Unterseite (136) des einen oder der mehreren vertieften Bereiche (132) der bestückten Folienhalterung (130) gegen die erste Seite (142) der Anzahl von Halbleiterchips (140) zu pressen.
  24. Verbindungswerkzeug gemäß einem der Ansprüche 19 bis 23, bei dem der eine oder die mehreren vertieften Bereiche (132) der Folienhalterung (130) eine Gestalt und – im Falle von mehreren vertieften Bereichen (132) – einen Abstand oder Abstände entsprechend der Anzahl von Halbleiterchips (140), eines oder mehrerer zwischen der ersten Seite (142) der Anzahl von Halbleiterchips (140) und der Unterseite (136) des einen oder der mehreren vertieften Bereiche (132) angeordneter Substrate (180) oder einer zwischen einem oder mehreren Substraten (180) und der Unterseite (136) des einen oder der mehreren vertieften Bereiche (132) angeordneten Basisplatte (170) aufweisen.
  25. Verbindungswerkzeug gemäß einem der Ansprüche 19 bis 24, das, bevor das Substrat (180) und die bestückte Folienhalterung (130) unter Einwirkung der erhöhten Temperatur und des erhöhten Druckes aneinander gepresst werden, folgende Schritte aufweist: Aufheizen eines Werkzeugs (110), das eine Grundplatte (112) und eine Anzahl voneinander beabstandeter Vorsprünge (114) aufweist, die sich von der Grundplatte (112) weg erstrecken und die mit der Form und den Abständen der Anzahl von Halbleiterchips (140), eines oder mehrerer zwischen der ersten Seite (142) der Anzahl von Halbleiterchips (140) und der Unterseite (136) des einen oder der mehreren vertieften Bereiche (132) angeordneter Substrate (180) oder einer zwischen einem oder mehreren Substraten (180) und der Unterseite (136) des einen oder der mehreren vertieften Bereiche (132) angeordneten Basisplatte (170) korrespondieren; und Anpressen der Folie (100) an das Werkzeug (110), während das Werkzeug (110) zum Vorformen der Folie (100) aufgeheizt ist.
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