DE10353677A1

DE10353677A1 - Außenstromlose Kontaktierung

Info

Publication number: DE10353677A1
Application number: DE2003153677
Authority: DE
Inventors: Karl Weidner; Jörg ZAPF
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2003-11-17
Filing date: 2003-11-17
Publication date: 2005-06-30
Also published as: WO2005050739A1

Abstract

Zum Kontaktieren wird zwischen einer Kontaktstelle eines Bauelements und einem Leiter außenstromlos eine elektrische Verbindung erzeugt.

Description

Durch das Einbringen von elektronischen Modulen in Smart Cards, Reisepässe oder in Dokumente kann die Fälschungssicherheit erheblich erhöht werden. Diese Module müssen sehr dünn, also unter 100 μm dick, sein. Darüber hinaus wird gefordert, dass sie sehr kostengünstig, ultradünn, flexibel, Raum sparend und eventuell auch mit selbstgenerierender Energieversorgung in einer Fertigungslinie integrierbar bei niedrigen Material- und Herstellungskosten produziert werden können. Aus dem Bereich der RF-ID-Antennenfertigung sind Verfahren bekannt, strukturierte metallische Strukturen kostengünstig herzustellen. Der darüber hinaus notwendige, aber kostenrelevante Prozessschritt ist das Kontaktieren von Bauelementen. Diese Bauelemente können Halbleiter-ICs, passive Komponenten, aber auch Sensoren oder Displays sein.
Zur Herstellung von miniaturisierten, ultradünnen Modulen kommt überwiegend eine Verarbeitung von nackten, also ungehäusten Bauelementen in Frage.
Vor der Kontaktierung der Bauelemente wird eine Folie oder ein fester Träger hergestellt, der eine oder mehrere strukturierte Metallebenen aufweist.
Übliche Kontaktierverfahren sind nun:

– Platzieren der Bauelemente in einen Klebstoff (Diebonden), Kontaktieren durch Drahtbonden.
– Aufbringen von Lot/Lotpaste oder Leitklebstoff auf Substrat und/oder Bauelement. Kontaktierung durch Flip-Chip-Platzierung und Reflowlöten bzw. Kleberhärtung.
– Aufbringen von anisotrop leitfähigen Klebstoffen oder Folien. Kontaktierung durch Flip-Chip-Platzierung und Heißsiegeln, also unter Druck und Temperatur.
– Ein ebenfalls bekanntes Verfahren ist eine Durchkontaktierung unter Verwendung eines nicht leitenden Klebers. Hierbei werden die Pads der Bauelemente erhöht, das heißt so genannte Bumps erzeugt. Von der Firma Nanopierce werden separate, harte, spitze, leitfähige Partikel auf den Oberflächen der Bumps fixiert, die den elektrischen Kontakt verbessern sollen. Die Bauelemente werden in den nicht leitenden Klebstoff gesetzt und unter Temperatur und Druck einzeln kontaktiert.

Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit des kostengünstigen Kontaktierens von Bauelementen zur Herstellung von ultradünnen Modulen anzugeben.

Diese Aufgabe wird durch die in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Erfindungen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Dementsprechend wird in einem Verfahren zum Kontaktieren eines Bauelementes mit einem von dem Bauelement durch eine isolierende Schicht getrennten Leiter außenstromlos eine elektrische Verbindung zwischen einer Kontaktstelle des Bauelements und dem Leiter erzeugt. Dazu weist die isolierende Schicht zwischen der Kontaktstelle und dem Leiter eine Öffnung für die elektrische Verbindung auf und ist zumindest im Bereich der Öffnung nicht bekeimt.

Durch die Verwendung einer im Bereich der Öffnung unbekeimten isolierenden Schicht wird ein besonderer Wuchs der elektrischen Verbindung erreicht. Diese wächst nicht gleichzeitig von der Kontaktstelle, dem Leiter und der Öffnung der isolierenden Schicht, also der isoliernden Schicht selbst, aus, sondern lediglich von der Kontaktstelle und dem Leiter.

Das aufgezeigte Verfahren ohne Bekeimung weist folgende Vorteile auf:

– Ein Prozessschritt entfällt.
– Es ist keine Vorbehandlung des isolierenden Kunststoffes notwendig.
– In der Wahl des isolierenden Kunststoffs besteht mehr Freiheit. Nicht alle Kunststoffe können gut stromlos metallisiert werden.
– Metallisiert wird nur in der Öffnung und nicht am gesamten Leiterbild. Damit kann die Auflösung dieses Leiterbilds erhöht werden (je dicker die Schicht, desto geringer die Auflösung). Bei vorheriger Metallisierung wächst das Metall auch lateral an den Leiterbahnen auf und kann so bei feinen Strukturen zu kurzgeschlossenen Leiterbahnen führen .

Vorzugsweise wird das außenstromlose Erzeugen der elektrischen Verbindung so lange fortgesetzt, bis die Öffnung vollständig durch die elektrische Verbindung ausgefüllt wird.

Die isolierende Schicht lässt sich beispielsweise als Lack und/oder Polymer auftragen, insbesondere aufsprühen, aufdampfen oder aufdrucken. Vorteilhaft wird bei der Herstellung eines Erzeugnisses aufweisend das Bauelement mit der Kontaktstelle, den Leiter und die zwischen dem Bauelement und dem Leiter angeordnete isolierende Schicht aber eine isolierende Schicht in Form einer Folie verwendet, die insbesondere auf das Bauelement und ein gegebenenfalls am Bauelement angeordnetes Substrat auflaminiert wird.

Der Leiter ist vorzugsweise eine Metallschicht, die an der isolierenden Schicht beispielsweise durch Aufsputtern oder Aufdampfen und nachfolgendes galvanisches oder außenstromloses Verstärken angeordnet ist. Besonders vorteilhaft lässt sich als isolierende Schicht und Leiter aber eine mit einer Metallschicht kaschierte Folie verwenden, die auf das Bauelement und das gegebenenfalls vorhandene Substrat auflaminiert wird.

Zum Kontaktieren sind in der isolierenden Schicht und in dem Leiter Öffnungen in dem Bereich vorzusehen, mit dem sie an der Kontaktstelle angeordnet werden. Diese Öffnungen können beispielsweise mit dem Laser hinein geschnitten oder chemisch hineingeätzt werden, wenn die isolierende Schicht bereits am Bauelement angeordnet ist. Vorteilhaft kann aber auch eine Folie mit vorgefertigten Öffnungen auf das Bauelement auflaminiert werden. Diese Öffnungen sind dann auch in der auf kaschierten Metallschicht vorhanden.

Wenn der Leiter als Metallschicht ausgebildet ist, kann zur Vergrößerung der Verbindungsfläche die elektrische Verbindung so erzeugt werden, dass sie sich insbesondere auf der dem Bauelement abgewandten Seite der Metallschicht flächig über diese und in etwa ringförmig um die Öffnung erstreckt. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die Verbindung pilzförmig bzw. in Form einer halben Niete ausgeführt wird, wobei der Pilz- bzw. Nietschaft durch die Öffnung in der isolierenden Schicht und der Metallschicht hindurch verläuft, während der Pilz- bzw. Niethut vom Bauelement aus gesehen jenseits der Metallschicht ausgebildet ist und sich die Unterkante des Pilz- bzw. Niethutes flächig an der Metallschicht erstreckt.

Ein Erzeugnis weist ein Bauelement mit einer Kontaktstelle, einen Leiter und eine zwischen dem Bauelement und dem Leiter angeordnete isolierende Schicht sowie eine außenstromlos erzeugte elektrische Verbindung zwischen der Kontaktstelle und dem Leiter auf. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Erzeugnisses ergeben sich aus den vorteilhaften Ausgestaltungen des Verfahrens und umgekehrt.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung lassen sich der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung entnehmen. Dabei zeigt die Figur ein Erzeugnis mit einem Bauelement mit einer Kontaktstelle, einem Leiter und einer zwischen dem Bauelement und dem Leiter angeordneten isolierenden Schicht sowie einer außenstromlos erzeugten elektrischen Verbindung zwischen der Kontaktstelle und dem Leiter.

Ein kostengünstiges Kontaktieren von Bauelementen zur Herstellung von ultradünnen Modulen kann durch eine außenstromlose Abscheidung erreicht werden. Hier werden im Wafer- oder Substratverbund die Aluminium-Kontaktpads außenstromlos durch Nickel und einen anschließenden Goldflash erhöht und veredelt.

Dabei wird beispielsweise der folgende, vorteilhafte, kostengünstige Roll-to-Roll-Prozess zur Herstellung der Erzeugnisse in Form von ultradünnen Modulen durchgeführt:

– Aufsetzen der gedünnten, ungehäusten Bauelemente in einer vorgegebenen, geometrischen Anordnung auf eine einseitig klebende Trägerfolie. Die Kontaktstellen in Form von Kontaktpads mit erhöhter und veredelter Oberfläche sind hierbei von der Klebefolie abgekehrt.
– Eine isolierende Schicht in Form einer Kunststofffolie mit Metallkaschierung wird auf die Bauelemente und die einseitig klebende Trägerfolie so laminiert, dass die Bauelemente mit Ausnahme ihrer der klebenden Trägefolie zugewandten Seite allseitig mit der Kunststofffolie umhüllt werden. Das Metall der Metallkaschierung der Kunststofffolie ist vorzugsweise Aluminium oder Kupfer. Dieses Laminieren kann beispielsweise in einem Rollenlaminator, einem Autoklaven oder einer Heißpresse erfolgen. Temperatur und Druck werden hierbei so gewählt, dass die Kunststofffolie erweicht und so eine flächige Verklebung mit dem Bauelement erreicht wird.
– Das Metall auf der Kunststofffolie wird nun mit bekannten kostengünstigen Verfahren strukturiert. Hierbei wird das Muster auf die Bauelemente justiert. Beispielsweise wird ein Ätzresist auf dieses Metall partiell gedruckt und dann die Metallschicht in den frei gebliebenen Bereichen durch Ätzen entfernt. Der Ätzresist verbleibt als Maskierung auf der strukturierten Metallkaschierung.
– Beispielsweise mit einem Laser wird der Ätzresist über den Kontaktpads geöffnet und mit einem kleineren Durchmesser in dieser Öffnung ein Sackloch zur veredelten Padoberfläche erzeugt. Nun wird auf der Padoberfläche und auf dem ringförmig frei liegenden Teil der Metallkaschierung in einem außenstromlosen Verfahren ein Metall abgeschieden, bis die Kontaktstelle in Form des Kontaktpads und der Leiter in Form der als Metallkaschierung ausgebildeten Metallschicht durch eine elektrische Verbindung fest miteinander verbunden sind.
– Der Ätzresist kann nun entfernt werden, kann aber auch als partieller Schutz auf der Metallkaschierung verbleiben.
– Um die Dicke des Erzeugnisses in Form des Moduls weiter zu minimieren, kann nun die Trägerfolie mechanisch abgezogen werden. Es kommen hier aber auch Trägerfolien in Frage, bei denen das Ablösen thermisch erfolgt. Das Ablösen der Trägerfolie kann jedoch auch vor der Metallstrukturierung stattfinden. Die Trägerfolie kann allerdings als Bestandteil des Moduls auch als rückseitiger Schutz der ungehäusten Bauelemente dienen.

Bei der Kontaktierung durch außenstromlose Abscheidung ergeben sich folgende Prozessschritte:

– Die Aluminium-Kontaktpads von Chips werden im Waferverbund außenstromlos beschichtet. Hierbei wird die Aluminium-Oberfläche gereinigt, eine dünne Zinkatschicht in einer Austauschreaktion mit Aluminium abgeschieden und einer Erhöhung der Pads durch die Abscheidung von Nickel erreicht.
– Der Wafer wird mechanisch gedünnt und poliergeätzt, so dass eine Bauelementdicke von unter 50 μm entsteht.
– Die Bauelemente werden in mit einem Pick- und Place-Gerät justiert auf eine mit Silikonklebstoff beschichtete Polyimidfolie gesetzt.
– Eine mit ca. 10 μm Kupfer oder besser Aluminium beschichtete Kunststofffolie aus PET wird unter Druck und Temperatur so auflaminiert, dass die Bauelemente allseits von PET umhüllt sind.
– Durch Siebdruck wird partiell ein Ätzresist aufgebracht und das frei bleibende Aluminium durch Ätzen entfernt.
– Mit einem Laser wird ein Sackloch zu jedem Kontaktpad der Bauelemente erzeugt. Hierbei wird das Aluminium und das PET über dem Kontaktpad entfernt und mit einem etwas größeren Durchmesser ebenfalls der Ätzresist geöffnet.
– In einer außenstromlosen Abscheidung wird nun Metall vom mit Nickel beschichteten Kontaktpad und vom ringförmig freiliegenden Aluminium ausgehend aufgebaut, bis eine metallische und damit elektrische Verbindung von Kontaktpad und dem ringförmig freiliegenden Aluminium erfolgt ist.
– Die Polyimidklebefolie wird mechanisch abgezogen.

Typische Parameter zum Erzeugen eines derartigen Kontaktes sind:

– Reinigung des Al-Pads in alkalischem Medium, 5 min bei 50 °C,
– Abscheidung einer Zink-Zwischenschicht in einer Austauschreaktion, 0,5 min,
– Außenstromlose Abscheidung von Nickel-Phosphor bei 90 °C, typische Abscheiderate 0,5 μm/min,
– Abschließende Abscheidung einer ca. 100 nm dicken Gold-Schicht, 90°C, 10 min.

In der Figur erkennt man ein Erzeugnis 1 aufweisend ein Bauelement 2 mit einer Kontaktstelle 3 und mit einer Passivierung 8, eine isolierende Schicht 4 in Form einer Folie, einen Leiter 5 in Form einer Metallschicht, die als Metallkaschierung der Folie 4 ausgeführt ist, und eine außenstromlos in einer Öffnung der isoliernden Schicht 4 erzeugte elektrischen Verbindung 6 zwischen der Kontaktstelle 3 des Bauelements 2 und dem Leiter 5.
Durch die Verwendung einer im Bereich ihrer Öffnung unbekeimten isolierenden Schicht 4 wird ein besonderer Wuchs der elektrischen Verbindung 6 erreicht. Diese wächst lediglich von der Kontaktstelle 3 und dem Leiter 5 aus, nicht aber von der isolierenden Schicht 4. Es entsteht das in der Figur dargestellte charakteristische Wuchsbild, an dem ein solchermaßen hergestelltes Erzeugnis 1 leicht zu erkennen ist.
Die isolierende Schicht 4 ist so über das Bauelement 2 geführt, dass auch an den Kanten des Bauelements 2 eine ausreichende Überdeckung erfolgt und somit ein ausreichender Abstand zwischen den Kanten des Bauelements 2 und dem Leiter 5 gewährleistet ist. Die isolierende Schicht 4 und der Leiter 5 folgen somit der durch das Bauelement 2 vorgegebenen Oberflächenkontur des Erzeugnisses 1.
Auf dem Leiter 5 ist an seiner dem Bauelement 2 abgewandten Seite ein Ätzresist 7 angeordnet, der damit ebenfalls der Oberflächenkontur folgt. In dem Leiter 5 und dem Ätzresist 7 sind Öffnungen vorgesehen, durch die sich die elektrische Verbindung 6 wie durch die Öffnung in der isolierenden Schicht zu der Kontaktstelle 3 des Bauelements 2 erstreckt. Dabei ist die Öffnung im Ätzresist 7 etwas größer als im darunter liegenden Leiter 5. So kann sich auf der dem Bauelement 2 abgewandten Seite des Leiters 5 eine Vergrößerung der elektrischen Verbindung 6 in Form eines Pilz- bzw. Niethutes ausbilden, die flächig am Leiter 5 anliegt und diesen dadurch ausreichend elektrisch kontaktiert.
Das Kontaktieren durch außenstromlose Abscheidung weist folgende Vorteile auf:

– Kostengünstiges Veredeln der Aluminium-Kontaktpads und Erzeugen von erhöhten Padoberflächen im Wafer- oder Substratverbund.
– Vollflächige Verklebung von Bauelement und Kunststofffolie durch das Erweichen der Folie im Laminierprozess. Dadurch wird eine mechanisch robuste Verbindung von Bauelementen und Folie erreicht.
– Simultane und damit äußerst kostengünstige Kontaktierung aller Bauelemente.
– Durch die Verwendung von gedünnten Bauelementen kann eine metallkaschierte Folie beim Laminieren eingesetzt werden. Ein teueres Metallisieren beispielsweise durch Sputtern oder Galvanik entfällt.
– Für die elektrische Kontaktierung ist kein teuerer leitfähiger Klebstoff oder ein zusätzlicher Lötprozess notwendig.
– Das so hergestellte Modul ist in der Bauhöhe absolut minimiert. Zur Bauhöhe tragen nur die Bauelementdicke, die Dicke der isolierenden Schicht und die Dicke der Metallkaschierung bei.

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Erzeugnisses (1) aufweisend ein Bauelement (2) mit einer Kontaktstelle (3), einen Leiter (5) und eine zwischen dem Bauelement (2) und dem Leiter (5) angeordnete isolierende Schicht (4), die eine Öffnung für eine elektrische Verbindung (6) zwischen der Kotaktstelle (3) und dem Leiter (5) aufweist, bei dem die elektrische Verbindung (6) außenstromlos zwischen der Kontaktstelle (3) und dem Leiter (5) erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine isolierende Schicht (4) verwendet wird, die im Bereich der Öffnung unbekeimt ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Öffnung durch die elektrische Verbindung (6) ausgefüllt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die isolierende Schicht (4) in Form einer Folie verwendet wird, insbesondere auflaminiert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die isolierende Schicht (4) am Bauelement (2) angeordnet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Leiter (5) an der isolierenden Schicht (4) angeordnet wird, bevor diese am Bauelement (2) angeordnet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Leiter (5) eine Metallschicht ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem in der isolierenden Schicht (4) Öffnungen im Bereich geschaffen werden, mit dem die isolierende Schicht (4) an der Kontaktstelle (3) angeordnet und/oder anzuordnen ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die elektrische Verbindung (6) so erzeugt wird, dass sie sich, insbesondere auf der dem Bauelement (2) abgewandten Seite des Leiters (5), flächig auf dem Leiter (5) erstreckt.
Erzeugnis aufweisend ein Bauelement (2) mit einer Kontaktstelle (3), einen Leiter (5) und eine zwischen dem Bauelement (2) und dem Leiter (5) angeordnete isolierende Schicht, wobei außenstromlos eine elektrische Verbindung (6) zwischen der Kontaktstelle (3) und dem Leiter (5) erzeugt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Erzeugnis (1) nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 hergestellt ist.