DE19518027C2 - Verfahren zur abstandsgenauen Umhüllung mit funktionstragenden Schichten versehener Bauelemente und danach hergestellte Bauelemente - Google Patents

Verfahren zur abstandsgenauen Umhüllung mit funktionstragenden Schichten versehener Bauelemente und danach hergestellte Bauelemente

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur abstandsgenauen Umhüllung mit funktionstragenden Schichten, bzw. Baugruppen versehener Bauelemente und danach hergestellte Bauelemente. Insbesondere ist die Erfindung zur Passivierung und Hermetisierung bei gleichzeitig definierter Abstands­ einstellung funktionstragender Schichten in Wirkrichtung, wie vorzugs­ weise magnetoresistiver Sensorschichten, geeignet.
Die Herstellung mit Polymeren passivierter Baugruppen ist grundsätzlich bekannt. Dabei werden nach dem bekannten Abtropf-Verfahren (Glob- Top) geeignete Passivierungmaterialien auf das zu verkappende Bau­ element aufgetropft, wodurch eine halbkugelförmige Abdeckung entsteht, deren Höhe über dem zu verkappenden Bauelement üblicherweise zwischen 200 bis 300 µm beträgt. Die dabei zum Einsatz gelangenden Korngrößen des Abdeckmaterials liegen in der Größenordnung von 50 µm.
Speziell zur Abdeckung von Halbleiterchips werden auch niederviskose Materialien geringerer Korngröße eingesetzt, womit sich jedoch nur relativ dünne Passivierungsschichten herstellen lassen, da deren dickere Aufbringung, bspw. um auch Bonddrähte in die mechanische Passivie­ rungsschicht mit einzuschließen, sich infolge von unvermeidlichen Riß­ bildungen bei erforderlichen Aushärtungsschritten verbietet.
Ein denkbares nachträgliches mechanisches Abtragen zunächst dicker aufgebrachter Passivierungsschichten, birgt darüber hinaus eine zu große Beschädigungsgefahr funktionstragender Schichten bzw. Abrißgefahr von Bonddrähten durch aus der Passivierungsschicht herausbrechende Körner in sich; abgesehen vom technologischen Aufwand.
Im einleitend erwähnten engeren Fachgebiet der Erfindung sind weiterhin folgende technische Lösungen bekannt geworden:
Ein oder mehrere auf einem Substrat angebrachte Schaltungs-Chips sind mit einer Abdeckmasse umhüllt, auf welche ein Deckel, möglichst aus dem gleichen Material wie das Substrat (beispielsweise Keramik) und vorzugsweise auch mit Schaltungsstrukturen versehen, aufgesetzt ist (DE 44 11 210 A1). Diese Umhüllung ist auf dem bevorzugten Anwendungsgebiet der Erfindung (magnetoresistive Sensoren) nicht einsetzbar, weil das Keramik-Abdeckplättchen den Sensor gewissermaßen abschirmt, die Entfernung zwischen dem Sensor und dem zu überwachenden Magnetfeld und damit auch die Gesamt-Bauhöhe unzulässig vergrößert.
Bekannt sind auch im Dickschicht-Siebdruckverfahren auf ein Substrat aufgebrachte "Distanzstücke", die ausschließlich der mechanischen Befestigung dienen. Die elektrische Kontaktierung erfolgt über seitlich herausgeführte Anschlußbänder; eine Umhüllung ist nicht vorgesehen (FR 2 390 005). Die erwähnten "Distanzstücke" können wegen ihrer relativ geringen Dickenabmessungen und auch wegen der begrenzten Möglichkeiten, diese Dicke maßgenau einzustellen, nicht zur Schrägstellung scheibenförmiger Bauelemente auf dem bevorzugten Anwendungsgebiet der Erfindung genutzt werden. Auch ist die Kontaktierung mittels seitlich herausgeführter Anschlußbänder aufwendig und nicht bei allen Arten elektronischer Bauelemente oder Baugruppen anwendbar.
Die geneigte Anordnung magnetfeldempfindlicher elektronischer Bauelemente ist gleichfalls bekannt (US 5 025 305). Da aber auch an die höher gelegenen Bereiche der Schaltung bzw. des Bauelementes Anschlußdrähte heranführen, ist unabhängig von der Art der Umhüllungen eine gewisser Mindestabstand von den zu messenden Magnetfeldern einzuhalten, was die Empfindlichkeit und Genauigkeit mindert.
Bei der Herstellung von Chip-Karten nach Art der Eurocheque-Karten ist es bekannt, den Chip mit einer aushärtbaren Vergußmasse zu umhüllen, eine Kappe aufzusetzen und die Vergußmasse mittels UV-Strahlung entweder durch die selbst strahlungsdurchlässige Kappe oder durch Fenster in derselben auszuhärten (DE 43 40 847 A1). Auch hier ist die Vergrößerung des Abstandes zum Meßobjekt sowie der Gesamtbauhöhe nachteilig.
Schließlich ist es bekannt, optoelektronische Einrichtungen in zwei Stufen zuerst mit einer Abdeckmasse unter Freilassung einer dünnen Schicht an der Oberseite zu umhüllen, diese auszuhärten, eine weitere dünnflüssige Abdeckmasse aufzubringen und in diese vor ihrer endgültigen Aushärtung eine Abdeck-Glasplatte einzubetten (US 3 622 419). Dadurch ist eine sehr genaue Einhaltung einer vorgegebenen Bauhöhe möglich. Die schon erwähnte Vergrößerung des Abstandes zum Meßobjekt stört bei magnetfeldempfindlichen Einrichtungen, nicht jedoch bei optoelektronischen soweit die Umhüllmassen und die Glasplatte ausreichend lichtdurchlässig sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein mit funktionstragenden Schichten versehenes Bauelement, insbesondere ein scheibenförmiges Halbleiterbauelement, welches bereits mit entsprechenden elektrischen Zuleitungen versehen ist, mit einer Passivierungsschicht in einem einheit­ lichen Fertigungsprozeß zu versehen, wobei eine abstandsgenaue Fest­ legung der Passivierungsschicht über genannter funktionstragender Schicht, bzw. funktionstragender Baugruppe(n), gewährleistet werden soll.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Von besonderem Vorteil ist die Erfindung z. B. zur abstandsgenauen Umhüllung von Silizium-Chips, die mit Sensorfunktionsschichten, wie z. B. magnetoresistiven Sensor­ schichten, versehen sind, die auf der Funktionsschichtoberseite Leitungs­ anschlüsse (Bonddrähte) aufweisen. Genannte Funktionsschichten müssen i.d.R. mit ihrer Oberfläche zu einem Meßobjekt in der Größenordnung von 100 µm berührungslos beabstandet werden, um die entsprechende Empfindlichkeit zu gewährleisten. Dabei darf eine notwendige Schutz­ passivierung maximal 60 µm betragen, womit sie schon in die Größen­ ordnung der zum Einsatz gelangenden Bonddrahtstärken gelangt.
Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens und ein danach hergestelltes Bau­ element sollen anhand von schematischen, nicht maßstäblichen Zeichnungen näher erläutert werden.
Es zeigen:
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Bauelementeanbringung auf einem Träger,
Fig. 2 die Einbettung eines Bauelementes nach Fig. 1 in eine erste Umhüllung,
Fig. 3 eine Aufbringung einer erfindungsgemäßen zweiten Um­ hüllung in einem nach Fig. 2 folgenden Prozeßschritt und
Fig. 4 einen abschließenden Ausformungsschritt genannter zweiter Umhüllung und im Prinzip eine fertig umhüllte Baugruppe.
In Fig. 1 ist dargestellt, wie ein Bauelement 1, im Beispiel ein mit Bond­ drähten 3 versehenes Silizium-Chip an der den Bonddrähten gegenüber­ liegenden Chipseite in Schräglage auf einer geeigneten Trägerunterlage 2 fixiert wird. Die Schräglage ist durch einen Winkel α bezeichnet, der die jeweiligen Flächennormalen der Unterlage 2 und des Chips 1 einschließt.
Diesem Winkel soll im Rahmen der Erfindung eine solche Größe gegeben werden, daß die Bonddrahtanbindungen niedriger zu liegen kommen, als zumindest die höchst liegende Oberkante 4 des Chips 1. Ohne die Erfin­ dung darauf zu beschränken, wird im Beispiel die Erreichung gewünschter Schräglage durch einen mittels Siebdruck auf die Unterlage 2 aufge­ brachten Streifen 9, bestehend aus einer anorganischen Dickschichtpaste, realisiert. Eine Fixierung des Chips 1 kann bspw. mittels einer schema­ tisch angedeuteten Klebverbindung 10, o. ä. vorgenommen werden. Das Lay-out einer nicht näher dargestellten funktionstragenden Schicht auf der Chipoberseite ist dabei so gewählt, daß z. B. sensitive Flächen in der Nähe genannter Oberkante 4 angeordnet sind.
In Fig. 2 ist im seitlichen Schnitt dargestellt, wie die nach Fig. 1 ge­ schaffene Anordnung mit einer im Verarbeitungszustand hochviskosen ersten Umhüllung 5 versehen wird. Dabei wird das Chip 1 bis in eine Höhe in der Nähe der niedrigsten Chipoberkante 6 mit genannter Abdeckmasse versehen und in an sich bekannter Weise ausgehärtet.
Diesem Schritt schließt sich eine in Fig. 3 dargestellte zweite Umhüllung 7 an, was durch Auftropfen einer im Verarbeitungszustand niederviskosen Abdeckmasse geschieht. Die Menge des für die Umhüllung 7 erforder­ lichen Materials kann aufgrund der niedrigen Viskosität sehr definiert dosiert werden und ist in jedem Fall so zu bemessen, daß zumindest die Chipoberfläche einschließlich noch freiliegender Bereiche genannter Bonddrähte 3 vollständig überdeckt werden, wobei sich ein ausreichender Materialüberschuß oberhalb einer Linie A-A einstellen soll. Danach erfolgt eine Vortrocknung des Materials der Umhüllung 7, in Abhängig­ keit vom zum Einsatz gelangenden niederviskosen Material, bspw. bei 95° und einer Zeit von 2 h. In jedem Fall ist gemäß der Erfindung die Vortrocknung jedoch so zu führen, daß die Umhüllung 7 in der Außenhaut antrocknet, aber insgesamt noch plastisch verformbar ist.
An diesen, gemäß Fig. 3 dargestellten Schritt schließt sich eine endgül­ tige Ausformung der Umhüllung 7 an, wie sie in Fig. 4 schematisch dar­ gestellt ist. Dabei wird bspw. ein Werkzeug 8 mit einem in Pfeilrichtung definiert einstellbaren Anpreßdruck so aufgebracht, bis eine abstands­ genaue Ausformung der Umhüllung 7 erreicht wird. Die Linie A-A steht hier weiterhin für die definiert einzustellende Schichtdicke. Das Werk­ zeug 8, welches bei Bedarf mit einer geeigneten, nicht haftenden Belegung oder Zwischenschicht versehen sein kann, verbleibt während gleichzeitiger Unterwerfung der gesamten Baugruppe unter einen Tempe­ ratur-Zeit-Prozeß (bspw. 95° über 30 min) in der gezeigten Lage, wird daraufhin entfernt, woran sich ein abschließender, vollständiger Aushär­ tungsschritt der Umhüllung 7 bei bspw. 150° für mindestens 1 h anschließt.
Die Anwendung der erfindungsgemäßen Verfahrensschritte zur Dosierung der Abdeckmassen, der Trocknung und Formgebung erfolgen vorzugs­ weise in Mehrfach-Nutzen und mit entsprechenden, für eine Serien­ fertigung ausgelegten Ausrüstungen, so daß eine kostengünstige und rationelle Serienfertigung möglich ist.
Durch die erfindungsgemäße Lösung, die eine völlige Abkehr von bislang üblichen Vorgehensweisen und Bauelementedesigns in streng planer Abfolge darstellt, wird eine einfache und bzgl. der Dicke in relativ weiten Grenzen definiert einstellbare Passivierung für genannte Bauelemente, insbesondere solche mit magnetoresistiven Funktionsschichten, ge­ schaffen. Jedoch ist die Erfindung nicht ausschließlich auf eine Anbringung des Bauelementes 1 in geneigter Lage beschränkt. Die Vorteile durch die erfindungsgemäße Bedeckung mit Abdeckmassen unterschiedlicher Viskosität und die dadurch geschaffene Möglichkeit einer abstandsgenauen Formung der im Verarbeitungszustand niederviskosen Abdeckmasse, kommen auch bei planarer Anordnung des Bauelementes 1 zum tragen.

Claims (5)

1. Verfahren zur abstandsgenauen Umhüllung mit funktionstragenden Schichten, bzw. Baugruppen, versehener, vorzugsweise scheibenförmiger, auf einer Unterlage (2) befestigter Bauelemente (1), insbesondere magnetoresistiver Sensorelemente, dadurch gekennzeichnet, daß
  • - eine erste Umhüllung (5) bis in die Nähe der Oberkante des Bauelements (1) durch Auftropfen einer im Verarbeitungszustand hochviskosen Abdeckmasse aufgebracht wird, die anschließend ausgehärtet wird und danach
  • - eine zweite Umhüllung (7) bis über die genannte Oberkante des Bauelements (1) durch Auftropfen einer im Verarbeitungszustand niederviskosen Abdeckmasse aufgebracht, wobei
  • - die zweite Umhüllung (7) vor ihrer endgültigen Aushärtung durch Aufdrücken eines Werkzeuges (8) abstandsgenau geformt wird.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß genanntes Bauelement (1) vermittels einer Klebverbindung (10) in leichter Neigung auf der Unterlage (2) derart fixiert wird, daß an seiner Oberseite befindliche Anschlußkontaktflächen und Leitungsverbin­ dungen (3) niedriger zu liegen kommen, als zumindest eine höchst liegende Oberkante (4) genannten Bauelementes (1).
3. Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die leichte Neigung des Bauelements (1) durch eine einseitige Auflage desselben auf einen aus isolierender Dickschichtpaste gedruckten Streifen (9) realisiert wird.
4. Bauelement mit einer abstandsgenauen Umhüllung, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Bauelement (1)
  • - durch Mittel (9; 10) auf einem Träger (2) fixiert,
  • - in eine erste, bis in die Nähe der Oberkante des Bauelements reichende Umhüllung (5) eingebettet ist und
  • - mit einer zweiten, bezüglich ihrer Dicke definiert einstellbaren Um­ hüllung (7), die zumindest genanntes Bauelement an seiner Oberseite vollständig überdeckt,
versehen ist.
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