DE10343300A1

DE10343300A1 - Halbleitergehäusestruktur

Info

Publication number: DE10343300A1
Application number: DE10343300A
Authority: DE
Inventors: Sai Mun Lee; Gurbir Singh; Cheng Why Tan
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 2002-11-14
Filing date: 2003-09-18
Publication date: 2004-06-09
Also published as: GB2396963A; US20040217451A1; GB0326399D0; GB2396963B; JP2004165671A

Abstract

Eine Gehäusestruktur für ein Halbleiterbauelement umfaßt ein Substrat, das an einer Befestigungsoberfläche einer Schaltungsplatine oberflächenbefestigbar ist. Das Substrat weist eine erste Seite auf, die der Befestigungsoberfläche abgewandt ist, und eine zweite Seite, die an der gleichen Seite der Struktur ist, wie die Befestigungsoberfläche. Eine Ausnehmung ist in der zweiten Seite des Subtrats gebildet. Ein Halbleiterstück, das eine erste und eine zweite Seite aufweist, ist in der Ausnehmung befestigt, wobei die erste Seite des Halbleiterstücks der Befestigungsoberfläche abgewandt ist, und ein Abschnitt der ersten Seite des Halbleiterstücks mit dem Substrat in der Ausnehmung verbunden ist.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf das Gebiet des Häusens elektronischer Komponenten und insbesondere auf eine Halbleitergehäusestruktur, beispielsweise ein Sensorgehäuse.

Halbleiterhäusen umfaßt gelegentlich ein Substrat, das von einer ersten Seite zurückgesetzt angeordnet ist, wobei ein Halbleiterchip in dieser Ausnehmung befestigt ist. Eine zweite gegenüberliegende Seite des Substrats weist elektrische Verbindungen auf, um es zu ermöglichen, daß dasselbe an einer Schaltungsplatine befestigt wird. Ein solcher Lösungsansatz ist durch ein in 1 gezeigtes bekanntes Bildsensorgehäuse beispielhaft dargestellt.

Ein SiGe-Sensorhalbleiterstück 10 ist in einem nach oben ausgenommenen Keramiksubstrat 12 an der oberen Oberfläche einer Substratbasis 14 plaziert. Die aktive Oberfläche 16 des Sensorhalbleiterstücks 10, die auf elektromagnetische Strahlung anspricht, ist nach oben gerichtet. Die Unterseite des Sensorhalbleiterstücks 10 ist unter Verwendung eines Epoxids 18 an der Substratbasis 14 befestigt. Die aktive Oberfläche 16 des Halbleiterstücks ist durch Goldverbindungsdrähte 22, die sich nach oben außen und unten wickeln, mit Kontakten 20 an der oberen Oberfläche der Substratbasis 14 verbunden. Der gesamte Sensor wird dann durch eine Abdeckungsglas 24 über dem gesamten ausgenommenen Abschnitt abgedichtet. Die Kontakte 20 erstrecken sich durch bis zu der Unterseite des Substrats, um es zu ermöglichen, daß das Gehäuse oberflächenbefestigt wird.

Ein solcher Gehäuseprozeß erfordert spezielles Keramikmaterial für das Substrat, das relativ aufwendiger ist als andere Materialien, wie z. B. organische Substrate. Darüber hinaus ist die Gehäusegröße relativ groß, als Folge der Drahtverbindung, die als die Verbindungen erster Ebene verwendet wird. Dies liegt daran, daß Platz für eine gute Drahtschleifenverbindung und auch ein Zwischenraum für die Drahtverbindungskapillare gelassen werden muß. Ferner trägt bei diesem herkömmlichen Gehäuse die Verwendung von Drahtbonden zum Erhöhen der Induktivität und Kapazität dar elektrischen Verbindungen bei, was die Gesamtgehäuseleistungsfähigkeit beeinträchtigt.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Gehäusestruktur für ein Halbleiterbauelement mit verbesserten Charakteristika zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch eine Struktur gemäß Anspruch 1 gelöst.

Die Erfindung bezieht sich auf das Überwinden oder zumindest das teilweise Verringern von einem oder mehreren Nachteilen, die oben aufgeführt wurden.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist eine Gehäusestruktur für ein Halbleiterbauelement vorgesehen. Die Gehäusestruktur weist eine Befestigungsoberfläche zum Befestigen auf einer Schaltungsplatine auf. Ein Substrat, das eine erste Seite und eine zweite Seite aufweist, ist enthalten. Die erste Seite des Substrats ist von der Befestigungsoberfläche abgewandt, und die zweite Seite des Substrats ist der Befestigungsoberfläche zugewandt. Zumindest in der zweiten Seite des Substrats ist eine Ausnehmung vorgesehen. Ein Halbleiterstück, das eine erste und eine zweite Seite aufweist, ist in der Ausnehmung befestigt, wobei die erste Seite des Halbleiterstücks von der Befestigungsoberfläche abgewandt ist. Ein Teil der ersten Seite des Halbleiterstücks ist mit einer Oberfläche der Ausnehmung elektrisch verbunden.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Querschnittsansicht eines herkömmlichen Bildsensorgehäuses;
2 eine Querschnittsansicht einer Halbleitergehäusestruktur gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
3 eine Ansicht der Halbleitergehäusestruktur von 2 durch Linie 3-3 von 2;
4 eine Ansicht eines Kantenabschnitts der Halbleitergehäusestruktur von 2 durch Linie 4-4 von 2;
5 eine Querschnittsansicht einer Halbleitergehäusestruktur gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
6 eine Querschnittsansicht einer Halbleitergehäusestruktur gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
7 ein Flußdiagramm, das sich auf ein Verfahren zum Zusammensetzen der Gehäusestruktur der Erfindung bezieht.
Mehrere Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nun beschrieben. Wo die Ausführungsbeispiele bei der folgenden detaillierten Beschreibung die gleichen oder ähnliche Elemente aufweisen, sind diese mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und sollten entsprechend aufgefaßt werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung liefern Lösungen für Nachteile von herkömmlichen Gehäusen durch Beachten von Aspekten des Stands der Technik, wie z. B. Kosten des Gehäuses und die physikalische Größe des Gehäuses.
Die bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung beziehen sich insbesondere auf Bildsensorgehäuse. Die Erfindung ist jedoch auch auf andere Gehäuse anwendbar.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist eine Gehäusestruktur für ein Halbleiterbauelement vorgesehen. Die Gehäusestruktur weist eine Befestigungsoberfläche zum Befestigen an einer Schaltungsplatine auf. Ein Substrat, das eine erste und eine zweite Seite aufweist, ist enthalten. Die erste Seite des Substrats ist von der Befestigungsoberfläche abgewandt und die zweite Seite des Substrats ist der Befestigungsoberfläche zugewandt. Zumindest in der zweiten Seite des Substrats ist eine Ausnehmung vorgesehen. Ein Halbleiterstück, das eine erste und eine zweite Seite aufweist, ist in der Ausnehmung befestigt, wobei die erste Seite des Halbleiterstücks der Befestigungsoberfläche abgewandt ist. Ein Abschnitt der ersten Seite des Halbleiterstücks ist mit einer Oberfläche der Ausnehmung elektrisch verbunden.
Vorzugsweise umfaßt die Ausnehmung einen freiliegenden Abschnitt des Substrats, der der Befestigungsoberfläche zugewandt ist, und der Abschnitt der ersten Seite Halbleiterstücks ist mit dem freiliegenden Abschnitt verbunden.
Für einige Strukturen kann das Substrat aus zwei Schichten bestehen, mit einem Loch durch eine erste Schicht, das mit der Ausnehmung verbindet, die sich in der zweiten Schicht befindet. Das Loch durch die erste Schicht ist vorzugsweise kleiner als die Ausnehmung in der zweiten Schicht. Dies läßt einen freiliegenden Abschnitt der ersten Schicht, mit dem die obere Oberfläche des Halbleiterstücks elektrisch verbunden ist.
Sinnvollerweise kann die Struktur ein Abdichtungsmittel aufweisen, das zwischen den Kanten des Halbleiterstücks und des Substrats abgedichtet ist.
Statt dessen oder außerdem kann die Struktur ferner ein wärmeleitfähiges und elektrisch isolierendes Kapselungsmaterial in dem Ausnehmungsabschnitt unterhalb des Halbleiterstücks umfassen.
Die Struktur kann mit einem Sensorchiphalbleiterstück verwendet werden. In diesem Fall ist eine nicht undurchsichtige Abschnittsabdeckung über dem Halbleiterstück sinnvoll.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung ist eine Gehäusestruktur vorgesehen, die folgende Merkmale umfaßt: ein erstes Substrat, das eine erste Oberfläche und eine zweite Oberfläche aufweist, mit elektrischen Verbindungen an der zweiten Oberfläche. Ein zweites Substrat weist eine erste Oberfläche und eine zweite Oberfläche auf, mit elektrischen Verbindungen, die von der ersten Oberfläche zu Befestigungsanschlußflächen an der zweiten Oberfläche verlaufen, den Befestigungsanschlußflächen zum Befestigen auf einer gedruckten Schaltungsplatine. Ein Halbleiterstück mit einer ersten und zweiten Oberfläche weist elektrische Verbindungen an seiner ersten Oberfläche auf. Die erste Oberfläche des zweiten Substrats ist an der zweiten Oberfläche des ersten Substrats befestigt, wobei die elektrischen Verbindungen des ersten Substrats in elektrischem Kontakt mit den elektrischen Verbindungen des zweiten Substrats sind. Das Halbleiterstück ist an der zweiten Oberfläche des ersten Substrats befestigt, wobei die elektrischen Verbindungen auf dem Halbleiterstück fest und elektrisch an den elektrischen Verbindungen der zweiten Oberfläche des ersten Substrats befestigt sind. Außerdem gibt es ein Abdichtungsmittel zum Abdichten der ersten Oberfläche des Halbleiterstücks von der unteren Oberfläche desselben.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Zusammensetzen einer Halbleiterbauelementgehäusestruktur vorgesehen. Dieses Verfahren umfaßt das Bereitstellen eines Substrats, das eine erste Seite, eine gegenüberliegende zweite Seite für ein Oberflächenbefestigen an einer gedruckten Schaltungsplatine und eine Ausnehmung in der zweiten Seite aufweist. Ein Halbleiterstück wird in die Ausnehmung eingefügt, und an einer Oberfläche der Ausnehmung befestigt und elektrisch mit derselben verbunden.
Gemäß noch einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Zusammensetzen einer Halbleiterbauelementgehäusestruktur vorgesehen. Ein Halbleiterstück wird in eine ausgenommene Seite eines Substrats eingefügt und an der Ausnehmung befestigt und mit derselben elektrisch verbunden, und die ausgenommene Seite des Substrats wird dann an einer gedruckten Schaltungsplatine oberflächenbefestigt.
Somit kann eine Gehäusestruktur geliefert werden, beispielsweise für einen Bildsensor, der ein erstes Substrat, das eine obere Oberfläche und eine untere Oberfläche und eine Mehrzahl von metallisierten Anschlußflächen und Leiterbahnen aufweist, und ein zweites Substrat aufweist, das eine Mehrzahl von Durchgangslöchern aufweist, die an einer der Oberflächen desselben angeordnet sind, zum Befestigen an einer gedruckten Schaltungsplatine. Ein Halbleiterstück, das auf seiner oberen Oberfläche einen aktiven Bereich und an den Kanten Höcker (Bumps)/Verbindungsanschlußflächen aufweist, ist fest an dem ersten Substrat befestigt. Ein Abdichtungsmittel zwischen dem Substrat und Kanten des Halbleiterstücks umschließt den aktiven Bereich des Halbleiterstücks von unten, und ein Abdeckungsglas, das fest an der oberen Oberfläche des ersten Substrats befestigt ist, umschließt denselben von unten. Ein wärmeleitfähiges Material kann um die Unteroberfläche des Halbleiterstücks aufgebracht werden, um die Wärmeableitung von dem Halbleiterstück zu einer PCB zu verbessern.
Die Erfindung bietet Lösungen für die Nachteile des Stands der Technik, beispielsweise durch Ersetzen von Golddrähten als Verbindung erster Ebene durch elektrisch leitfähige Höcker, die die aktive Oberfläche des Halbleiterstücks mit dem Substrat elektrisch verbinden. Folglich kann ein dünneres Bildsensorgehäuse erhalten werden, durch die Eliminierung von Drahtverbindungen, und die Erfindung ermöglicht eine bessere elektrische Leistungsfähigkeit durch die Reduktion der Induktivität und Kapazität der Verbindungen erster Ebene.
Die Erfindung hat auch den Vorteil, Gehäuse mit kleinerer Standfläche zu ermöglichen, beispielsweise für Bildsensoren, die im Vergleich zu solchen herkömmlichen Gehäusen mit relativ geringeren Kosten erreicht werden können.
Die Erfindung ermöglicht außerdem eine Gehäusestruktur, bei der die Wärmeleistung des Gehäuses verbessert ist, durch Bereitstellen eines direkten Wärmeableitungswegs von dem Halbleiterstück zu einer gedruckten Schaltungsplatine.
Mit Bezugnahme auf 2 wird eine Querschnittsansicht einer Halbleitergehäusestruktur gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Genauer gesagt zeigt dieses spezifische Gehäuse ein Gehäuse für einen Flip-Chip-Sensor, obwohl die Erfindung nicht auf solche Sensoren oder überhaupt auf Sensoren insgesamt beschränkt ist. 3 zeigt die Halbleitergehäusestruktur dieses Ausführungsbeispiels durch Linie 3-3 von 2, von der zweiten Seite aus gesehen. 4 zeigt das Substrat der Halbleitergehäusestruktur dieses Ausführungsbeispiels durch Linie 4-4 von 2, von der ersten Seite aus gesehen.
Das Gesamtgehäuse, das mit 30 gekennzeichnet ist, umfaßt ein Substrat 32, ein Halbleiterstück 34, ein Abdeckungsglas 36, Verbindungen 38 zwischen dem Halbleiterstück 34 und dem Substrat 32 und ein Kapselungsmaterial 40 um die Enden des Halbleiterstücks 34.
Das Volumen, das zwischen den äußersten Scheitelpunkten des Substrats 32 definiert ist, ist im allgemeinen ein Parallelepiped, obwohl das Substrat hohl ist, wobei sich der Hohlraum von einer ersten Hauptseite 44 durch eine gegenüberliegenden zweite Hauptseite 46 erstreckt. In der Draufsicht liefern die äußeren Oberflächen des Substrats sowohl von der ersten als auch der zweiten gegenüberliegenden Seite 44, 46 ein Rechteck.
Der Hohlraum in dem Substrat besteht aus einer ersten Ausnehmung 42 in der ersten Hauptseite 44 und einer zweiten Ausnehmung 48 in der zweiten Hauptseite 46 (der Unterseite bei der Ausrichtung von 2), die sich in dem Substrat treffen. Dieser erste 42 und zweite Hohlraum 48 sind daher auch ein erster und zweiter hohler Abschnitt. Die Substratwende um die Ausnehmung 48 in der Nähe der zweiten Seite sind in einer Richtung parallel zu der ersten und zweiten Seite 44, 46 dünner als um die Ausnehmung 42 in der ersten Seite 44. Somit ist das Substrat im Querschnitt abgestuft, wie es in 2 gezeigt ist.
Bei diesem Ausführungsbeispiel besteht das Substrat 32 aus zwei Schichten: einer ersten oberen Schicht 50 und einer zweiten unteren Schicht 52. Die erste obere Schicht 50 weist eine erste äußere Hauptoberfläche auf, die die erste Seite 44 des Substrats ist. Dieselbe weist auch eine zweite Hauptoberfläche 54 auf. Die zweite untere Schicht 52 weist eine erste Hauptoberfläche 56 und eine zweite äußere Hauptoberfläche auf, die die zweite Seite 46 des Substrats ist. Die zweite Hauptoberfläche 54 der ersten oberen Schicht 50 ist an der ersten Hauptoberfläche 56 der zweiten unteren Schicht 52 befestigt und mit derselben verbunden. Die äußeren Wände der beiden Schichten sind ausgerichtet und sind im allgemeinen bündig miteinander.
Die Ausnehmung 42 erstreckt sich durch die erste obere Schicht 50, während sich die Ausnehmung 48 durch die zweite untere Schicht 52 erstreckt und die Wände der ersten oberen Schicht 50 dicker sind als diejenigen der zweiten unteren Schicht 52. Wie 3 und 4 anzeigen, läßt dies einen freiliegenden Abschnitt 58 der zweiten Seite 54 (der Unterseite in der Ausrichtung von 2) der ersten Schicht 50 um den mittleren rechteckigen Hohlraum 42, da derselbe nicht durch die erste Seite 56 der zweiten Schicht 52 gedeckt ist. Es gibt auch einen abgedeckten Abschnitt 60 der zweiten Seite 54 der ersten Schicht 50, wo die beiden Schichten überlappen.
Metallisierte Leiterbahnen 62 sind an der zweiten Seite 54 der ersten Schicht 50 auf dem freiliegenden Abschnitt 58 vorgesehen und verlaufen im allgemeinen nach außen zu dem abgedeckten Abschnitt 60 der zweiten Seite 54 der ersten Schicht 50. Außerdem erstrecken sich Durchgangslöcher 64 um die Seite der zweiten Schicht 52, von der ersten Seite 56 desselben zu der zweiten Seite 46, die die Befestigungsoberfläche für die Struktur ist. Die Durchgangslöcher 64 enden in Befestigungsanschlußflächen 70 in der zweiten Seite 46. Die Durchgangslöcher 64 kontaktieren die Leiterbahnen 62 elektrisch, wenn die beiden Substratschichten in Kontakt miteinander sind. Die Befestigungsanschlußflächen 70 sind bei der Verwendung an einer gedruckten Schaltungsplatine (PCB) (nicht gezeigt) befestigt.
Das Halbleiterstück 34 ist in der ausgenommenen 48 Unterseite des Substrats 32 vorgesehen. Bei diesem Ausführungsbeispiel umfaßt das Halbleiterstück einen Sensorchip 72 mit einer lichtempfindlichen aktiven ersten höchsten Seite, die der ersten Seite 44 des Substrats 32 zugewandt ist, und einer gegenüberliegenden zweiten Seite, die der zweiten Seite 46 des Substrats 32 zugewandt ist. Die relativen Größen des Halbleiterstücks und des Substrats sind derart, daß das Halbleiterstück länger und breiter ist als der hohle Abschnitt 42 der ersten Substratschicht 50 (obwohl dieselbe in der Tat nur länger oder breiter sein muß, um einige Aspekte der Erfindung zu erfüllen), aber kürzer und schma ler als der ausgenommene Abschnitt 48 der zweiten Substratschicht 52. Auf diese Weise überlappen die Kanten 74 des Halbleiterstücks 34 den freiliegenden Abschnitt 58 der zweiten Seite 54 der ersten Substratschicht 50.
Die Kanten 74 des Halbleiterstücks 34, die den freiliegenden Abschnitt 58 der zweiten Seite 54 der ersten Substratschicht 50 überlappen, weisen Verbindungsanschlußflächen 76 in ihren oberen Oberflächen auf. Diese sind mit dem Sensorchip 72 (nicht gezeigt) elektrisch verbunden. Die Positionen der Verbindungsanschlußflächen 76 stimmen mit den Positionen der inneren Enden der Leiterbahnen 62 auf dem freiliegenden Abschnitt 58 der ersten Substratschicht 50 überein. Das Halbleiterstück 34 ist auf dem freiliegenden Abschnitt 58 der ersten Schicht 50 durch Verbindungshöcker 48 auf den Verbindungsanschlußflächen 76 mit den übereinstimmenden Leiterbahnen 62 befestigt, um elektrische Verbindungen zu bilden. Somit existiert eine elektrische Verbindung zwischen dem Sensorchip 72 des Halbleiterstücks und den Befestigungsanschlußflächen 70 ohne lockere Drähte, durch Verbindungsanschlußflächen 76, Verbindungshöcker 38, Leiterbahnen 62 und Durchgangslöcher 64, wobei die Ausgänge von und die Eingänge in den Sensor mit vorbestimmten Befestigungsanschlußflächen 70 verbunden sind.
Verbindungshöcker 38 wirken nicht nur, um das Halbleiterstück 34 elektrisch mit dem Substrat 32 zu verbinden, sondern auch um die mechanische Befestigung des Halbleiterstücks 34 an dem Substrat 32 zu liefern. Die Höcker 38 dienen auch als wärmeleitfähige Wege zum Tragen von Wärme von dem Sensorchip 72 auf dem Halbleiterstück 34 zu dem Substrat 32. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die Verbindungshöcker 38 Lötmittelhöcker, aber andere Typen von Höckern, beispielsweise plattierte Höcker, Ansatzhöcker oder Haftmittelhöcker können hier statt dessen oder in anderen Ausführungsbeispielen der Erfindung verwendet werden.
Das Abdichtungsmittel 40 umgibt die äußersten Kanten des Halbleiterstücks 34 und umschließt jeden Raum zwischen dem Halbleiterstück 34 und den ausgenommenen Wänden der zweiten Substratschicht 52, und überlappt diese Kanten auch leicht an der unteren zweiten Seite des Halbleiterstücks 34. Auf diese Weise ist die obere Oberfläche des Halbleiterstücks von der zweiten Seite 46 des Substrats 32 nicht zugreifbar. Das Abdichtungsmittel ist bei diesem Ausführungsbeispiel stark zähflüssig, um ein Versickern und eine Verunreinigung der ersten Seite des Halbleiterstücks 34 zu vermeiden. Das Abdichtungsmittel liefert außerdem eine zusätzliche mechanische Stärke, um das Halbleiterstück in Position zu halten.
Schließlich ist ein Abdeckungsglas 36 an der ersten Seite 44 der ersten Substratschicht 50 befestigt und abgedichtet, um für das Halbleiterstück 34 einen physikalischen Schutz von der Umgebung zu liefern. Die obere Oberfläche des Halbleiterstücks 34 ist somit auch von der ersten Seite 44 des Substrats 32 nicht zugreifbar. Das Abdeckungsglas 36 dient dazu, die Umhüllung und Abdichtung der oberen Oberfläche des Halbleiterstücks 34 zu vervollständigen, während dieselbe gleichzeitig ermöglicht, daß Licht durchgelassen wird und auf den Sensorchip 72 auftrifft.
Bei dem obigen Ausführungsbeispiel kann das Substrat 32 eine PCB sein, das Halbleiterstück 34 kann SiGe sein, die Verbindungen 38 Lötmittelhöcker, das Abdichtungsmittel 40 Damm- und Füllepoxid, die Leiterbahnen 62 Kupfer, die Durchgangslöcher 68 Kupfer, die Befestigungsanschlußflächen 70 Kupfer, und der Sensorchip 72 SiGe. Innerhalb des Schutzbereichs der Erfindung können die Materialien jedoch unterschiedlich sein.
5 ist eine Querschnittseitenansicht einer Halbleitergehäusestruktur 130 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die 3 und 4 gelten ebenfalls für dieses Ausführungsbeispiel. Dieses Ausführungsbeispiel verwendet die Gehäusestruktur 30 des ersten Ausführungsbeispiels und die obige Beschreibung ist daher gültig. Außerdem füllt jedoch ein wärmeleitfähiges Materialkapselungsmaterial 132 (z. B. ein Epoxid) den Rest der Ausnehmung 48 zwischen dem Halbleiterstück 34 und der zweiten Seite 46 des Substrats 32. Dies kapselt die Unterseite des Halbleiterstück 34 vollständig ein und verbessert die Wärmeableitung von dem Halbleiterstück zu einer PCB, auf der das Gehäuse befestigt ist.
Die Unterseite 134 des wärmeleitfähigen Materials 132 ist bündig mit der Ebene der zweiten Seite 46 der zweiten Substratschicht 52, um einen guten Wärmekontakt mit einer PCB zu liefern, für eine verbesserte Wärmeleitfähigkeit.
6 ist eine Seitenquerschnittsansicht einer Halbleitergehäusestruktur 230 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung. 3 und 4 gelten ebenfalls für dieses Ausführungsbeispiel. Es ist ebenfalls sehr ähnlich zu dem ersten Ausführungsbeispiel. Wo ähnliche Elemente in beiden Ausführungsbeispielen verwendet werden, gelten die gleichen Bezugszeichen. Somit gilt die obige Beschreibung des ersten Ausführungsbeispiels, außer daß bei diesem Ausführungsbeispiel das Abdichtungsmittel nicht auf um die Kanten des Halbleiterstücks 34 begrenzt ist.
Bei dem dritten Ausführungsbeispiel füllt ein wärmeleitfähiges und elektrisch isolierendes Verkapselungsmaterial 232 (z. B. ein stark zähflüssiges Epoxid) den Rest der Ausnehmung 48 zwischen den Halbleiterstückkanten 74 und den ausgenommenen Wänden der zweiten Substratschicht 52 und zwischen der Unterseite des Halbleiterstücks 34 und der zweiten Seite 46 des Substrats 32. Somit besetzt dasselbe den gleichen Platz wie das Abdichtungsmittel 80 und das Verkapselungsmaterial 132 in dem zweiten Ausführungsbeispiel zusammen besetzen. Dies verkapselt die Unterseite des Halbleiterstücks 34 vollständig und verbessert die Wärmeablei tung von dem Halbleiterstück zu einer PCB, auf der das Gehäuse befestigt ist.
Wie bei dem zweiten Ausführungsbeispiel ist die Unterseite 234 des wärmeleitfähigen Verkapselungsmaterials 232 bündig mit der Ebene der zweiten Seite 46 der zweiten Substratschicht 52, um einen guten Wärmekontakt mit einer PCB zu liefern, für eine verbesserte Wärmeleitung.
Sowohl bei dem zweiten als auch dem dritten Ausführungsbeispiel ist die Unterseite des wärmeleitfähigen Verkapselungsmaterials bündig mit der Ebene der zweiten Seite der zweiten Substratschicht. Das Verkapselungsmaterial muß jedoch weder den Rest der Ausnehmung vollständig füllen noch sich bis zu der Ebene der zweiten Seite der zweiten Substratschicht erstrecken. Vorzugsweise erstreckt sich dasselbe jedoch nicht unter diese Ebene, außer es gibt verfügbaren Raum, in den überschüssiges Verkapselungsmaterial während dem Befestigen an einer PCB deformiert werden kann, andernfalls kann dasselbe gute oder stabile Kontakte verhindern.
Die obigen Ausführungsbeispiele weisen ein Abdeckungsglas auf, das typischerweise ein Siliziumoxidglas ist. Andere Gläser oder Kunststoffe oder nicht undurchlässige, vorzugsweise transparente Schichten können verwendet werden. Alternativ kann die Abdeckung durch ein elektrisch isolierendes Verkapselungsmaterial in dem hohlen Abschnitt 42 zwischen dem Halbleiterstück und der ersten Seite 44 des Substrats 32 ersetzt werden. Zumindest wenn das Halbleiterstück ein Sensorchip ist, wäre ein solches Verkapselungsmaterial nicht undurchlässig für die Frequenzen, die erfaßt werden sollen. Wenn zumindest eine Wärmeableitung bevorzugt wird, könnte das Verkapselungsmaterial sinnvollerweise wärmeleitfähig sein.
Die beschriebenen Ausführungsbeispiele zeigen das Abdeckungsglas auf der ersten Seite des Substrats. Alternativ könnte die erste Seite des Substrats zurückgesetzt angeordnet sein, mit dem Abdeckungsglas in dieser Ausnehmung.
Die Erfindung ist nicht auf Sensoren begrenzt. Andere Halbleiterstücke können verwendet werden. Das Gehäuse der Erfindung kann sogar aufgebaut und angeordnet sein, so daß von der ersten Seite des Substrats kein Licht das Malbleiterstück erreicht. Dies könnte beispielsweise erreicht werden durch eine undurchlässige Abdeckung anstatt der Glasabdeckung, ein undurchlässiges Verkapselungsmaterial in dem hohlen Abschnitt des Halbleiterstücks oder der ersten Seite des Substrats, das fest ist, oder zumindest kein Loch oder keine Ausnehmung aufweist, die mit der Ausnehmung in der zweiten Seite des Substrats verbindet.
Die beschriebenen Ausführungsbeispiele unterscheiden sich bei der Verwendung des Abdichtungsmittels und/oder des Verkapselungsmaterials unter dem Halbleiterstück. Andere Kombinationen und Variationen sind möglich, selbst bis zu dem Ausmaß, daß die einzige Abdichtung zwischen der oberen Oberfläche der Kanten des Halbleiterstücks und dem freiliegenden Abschnitt der zweiten Seite der ersten Substratschicht liegt. Andere Möglichkeiten umfassen die Verwendung einer Wärmeausbreitungsvorrichtung in Kontakt mit der Unterseite des Halbleiterstücks anstatt dem Verkapselungsmaterial oder zusätzlich zu dem Verkapselungsmaterial, um die Wärmeübertragungsrate zu dem Verkapselungsmaterial zu verbessern. Das Hinzufügen einer Wärmeausbreitungsvorrichtung (die aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit – z. B. Kupfer – hergestellt ist) wird dazu beitragen, Wärme von dem Halbleiterstück zu extrahieren durch Bereitstellen eines Wegs mit geringerem Wärmewiderstand von dem Halbleiterstück zu der Platine, auf der die Erfindung befestigt ist.
Die Gehäusestruktur dieser Erfindung muß nicht breit und groß genug sein, um Schleifendrähte zwischen einem Halbleiterstück und ihrem Substrat unterzubringen. Statt dessen kann das Gesamtgehäuse kürzer, dünner und/oder schmaler sein als in den herkömmlichen Aufbauten, beispielsweise derjenigen von 1. Die vorliegende Erfindung ermöglicht typischerweise eine laterale Größenreduktion von 1 bis 1,5 mm (Drahtverbindungslänge auf beiden Seiten). Außer daß die Erfindung eine kleine Stellfläche und eine verbesserte elektrische Leistungsfähigkeit aufweist, liefert dieselbe darüberhinaus auch die Möglichkeit, die Wärmeleistung des Gehäuses zu verbessern, durch Bereitstellen eines direkten Wärmeableitungswegs von dem Halbleiterstück zu der Platine durch das Verkapselungsmaterial, das eine höhere Wärmeleitfähigkeit aufweist als die Keramik des Stands der Technik.
Verschiedene Anschlußflächen, Durchgangslöcher, Leiterbahnen, Höcker und Verbindungen wurden erwähnt. Andere Anordnungen dieser gleichen Komponenten oder völlig unterschiedliche Anordnungen von elektrischen Verbindungen sind möglich, solange es einen elektrischen Weg von dem Halbleiterstück zu der Befestigungsoberfläche der Struktur gibt.
Bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen besteht das Substrat 32 aus zwei Schichten 50, 52. Das Substrat könnte jedoch mehr Schichten (drei oder vier oder mehr, falls gewünscht) oder weniger (d. h. es wäre ein einteiliges Substrat) haben. Die beiden Schichten der Ausführungsbeispiele werden als verbunden beschrieben. Dieselben könnten jedoch zusammengeklebt, geklammert, geschraubt oder zusammengehalten werden oder anderweitig aneinander befestigt sein in einer Vielzahl von anderen Möglichkeiten, wie es für einen Fachmann auf diesem Gebiet ohne weiteres ersichtlich wäre. Diese Variationen des Substrats könnten nach wie vor die gleiche abgestufte Form oder eine Vielzahl anderer Formen aufweisen, beispielsweise mit mehr Stufen, ungleichmäßigen Stufen oder Absätzen oder ein Nicht-Parallelepipedvolumen. Während bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen jede Schicht selbst eine einteilige Struktur ist, können darüberhinaus die Schichten aus mehreren Komponenten hergestellt sein, die miteinander verbunden oder möglicherweise sogar voneinander getrennt sind. Beispielsweise muß der un tere Teil des Substrats die Ausnehmung nicht vollständig umgeben, derselbe könnte aus lediglich zwei Endwänden bestehen, eine an jedem Ende der Struktur unter der zweiten Seite der ersten Schicht. Somit könnte es in der Wand der zweiten Schicht Zwischenräume um die Ausnehmung geben, solange eine Abdichtung zwischen dem Halbleiterstück und dem Substrat beibehalten wird.
Ein Verfahren zum Zusammensetzen einer Gehäusestruktur des zweiten Ausführungsbeispiels gemäß der Erfindung wird nun mit Bezugnahme auf 7 beschrieben.
Schritt S1 ist die Bereitstellung des Substrats 32 und der Halbleiterstück 34. In Schritt S2 wird das Halbleiterstück 34 in die Ausnehmung 48 des Substrats eingefügt und in Position gehalten, mit Lötmittelhöckern 38 auf dem Halbleiterstücks 34 in Kontakt mit den Leiterbahnen 62 an der zweiten Seite 54 der ersten Substratschicht 50. In Schritt S3 wird ein Lötmittelrückflußverfahren verwendet, um die Lötmittelhöcker zu schmelzen und zu befestigen und dadurch die Höcker 38 und die Leiterbahnen 62 elektrisch zu verbinden und das Halbleiterstück mit dem Substrat zu verbinden.
Das Abdichtungsmittel 80 ist um die Kante des Halbleiterstück aufgebracht, zwischen den inneren Wänden der zweiten Substratschicht 52 und dem Halbleiterstück 34 in Schritt S4, wodurch die erste Seite des Halbleiterstücks von unten abgedichtet wird. Das Verkapselungsmaterial 132 wird dann in Schritt S5 in den verbleibenden Raum der Ausnehmung 48 auf der zweiten Seite des Halbleiterstücks gefüllt, bis zu dem gewünschten Pegel. Schließlich wird während dem Zusammenbau in Schritt S6 die Glasabdeckung 36 an die erste Oberfläche 44 der ersten Substratschicht geklebt.
Zu einem späteren Zeitpunkt, wenn das Gehäuse befestigt werden soll, gibt es einen Oberflächenbefestigungsschritt S7, bei dem dasselbe an einer PCB oberflächenbefestigt wird.
Obwohl dieser Prozeß in der spezifischen Reihenfolge 51 bis S7 beschrieben wurde, sind bestimmte Variationen erlaubt. Beispielsweise könnte der Glasabdeckungsschritt zu jedem anderen Punkt in dem Prozeß auftreten. Außerdem könnte der Lötmittelrückfluß oder äquivalente Schritte vor der Einfügung des Halbleiterstücks in die Ausnehmung auftreten, wobei nur das Einrichten (oder Härten oder was auch immer) nach der Einfügung geschieht.

Claims

Gehäusestruktur (30, 130, 230) für ein Halbleiterbauelement (72), die folgende Merkmale umfaßt: ein Substrat (32), das an einer Befestigungsoberfläche einer Schaltungsplatine oberflächenbefestigbar ist, wobei das Substrat eine erste Seite (44) aufweist, die von der Befestigungsoberfläche abgewandt ist, und eine zweite Seite (46), die auf der gleichen Seite der Struktur ist wie die Befestigungsoberfläche; eine Ausnehmung (48) in der zweiten Seite des Substrats; ein Halbleiterstück (34), das eine erste und eine zweite Seite aufweist und in der Ausnehmung befestigt ist, wobei die erste Seite des Halbleiterstücks von der Befestigungsoberfläche abgewandt ist und ein Abschnitt (74) der ersten Seite des Halbleiterstücks mit dem Substrat in der Ausnehmung verbunden ist.
Struktur gemäß Anspruch 1, bei der die Ausnehmung einen freiliegenden Abschnitt (58) des Substrats umfaßt, der der Befestigungsoberfläche zugewandt ist, und der Abschnitt der ersten Seite des Halbleiterstücks mit dem freiliegenden Abschnitt verbunden ist, wobei das Substrat einen hohlen Abschnitt (42) aufweist, der sich von der ersten Seite des Substrats zu der Ausnehmung erstreckt.
Struktur gemäß Anspruch 1 oder 2, bei der: das Substrat eine erste (50) und eine zweite (52) Substratschicht umfaßt, wobei die erste Substratschicht eine erste (44) und eine zweite (54) gegenüberliegende Seite aufweist, und das zweite Substrat eine erste (46) und zweite (56) gegenüberliegende Seite aufweist; wobei die erste Seite der ersten Substratschicht die erste Seite des Substrats ist, und die zweite Seite der zweiten Substratschicht die zweite Seite des Substrats ist; und die zweite Seite der ersten Substratschicht an die erste Seite der zweiten Substratschicht befestigt ist.
Struktur gemäß Anspruch 3, bei der die zweite Substratschicht innere Wände aufweist, die einen hohlen Abschnitt (48) definieren, der sich von der ersten Seite der zweiten Substratschicht zu der zweiten Seite der zweiten Substratschicht erstreckt, wobei die inneren Wände zumindest einen Teil der Ausnehmung definieren.
Struktur gemäß Anspruch 4, bei der: die erste Substratschicht einen hohlen Abschnitt (42) aufweist, der sich von der ersten Seite der ersten Substratschicht zu der zweiten Seite der ersten Substratschicht erstreckt; der hohle Abschnitt durch die erste Substratschicht kleiner ist als der hohle Abschnitt durch die zweite Substratschicht, so daß, wo die zweite Seite der ersten Substratschicht an der ersten Seite der zweiten Substratschicht befestigt ist, ein Abschnitt der zweiten Seite der ersten Substratschicht freigelegt ist, und nicht durch die erste Seite der zweiten Substratschicht bedeckt ist; und der freiliegende Abschnitt der ersten Substratschicht zumindest einen Teil der Ausnehmung definiert.
Struktur gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, die ferner elektrische Verbindungen (38, 62, 64) umfaßt, die von dort, wo das Halbleiterstück mit der Ausnehmung verbunden ist, zu der Befestigungsoberfläche verlaufen, und Verbindungsanschlußflächen (76), die das Halbleiterstück mit den elektrischen Verbindungen verbinden.
Struktur gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der das Halbleiterstück Kanten (74) aufweist und ferner ein Abdichtungsmittel (40) umfaßt, das zwischen den Kanten des Halbleiterstücks und des Substrats abdichtet, wobei das Abdichtungsmittel ein stark zähflüssiges Material umfaßt.
Struktur gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, die ferner ein wärmeleitfähiges und elektrisch isolierendes Verkapselungsmaterial (132) in der Ausnehmung an der zweiten Seite des Halbleiterstücks umfaßt, wobei das Verkapselungsmaterial ein zähes wärmeleitfähiges Material umfaßt.
Struktur gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der das Halbleiterstück ein Sensorchip (72) ist.
Struktur gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, die ferner einen nicht undurchlässigen Abschnitt (36) umfaßt, der an einem Substrat an der gleichen Seite der Struktur befestigt ist wie die erste Seite des Substrats.