DE19820319B4 - Halbleiterbaustein - Google Patents

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Abstract

Halbleiterbaustein mit einem auf einem Substrat (300) angeordneten, Bondinseln (604) aufweisenden Halbleiterchip (601), wobei das Substrat (300) ein elektrisch leitendes, mit den Bondinseln (604) elektrisch verbundenes Muster (404) trägt, mit dem externe Anschlüsse verbunden sind, und wobei das Substrat (300) eine Vielzahl von Durchtrittsöffnungen (301) aufweist, wobei von dem elektrisch leitenden Muster (404) elektrisch leitende Pfade durch die Durchtrittsöffnungen (301) zu den externen Anschlüssen vorgesehen sind; und mit einer Abdeckung, die zusammen mit dem Substrat (300) den Halbleiterchip (601) und die elektrischen Verbindungen bis auf die externer Anschlüsse kapselt, dadurch gekennzeichnet, daß eine Lötmaske (401), auf der der Halbleiterchip (601) befestigt ist, auf dem Substrat (300) angeordnet ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Halbleiterbaustein nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Halbleiterbausteine sind bekannt, die eine Leiterkarte aus einem Material wie Bismaleimidtriazin (BT) oder Keramik (Al2O3) als Substrat verwenden. Hierbei wird ein Halbleiterchip auf einer Seite des Substrats befestigt, während auf der gegenüberliegenden Seite Lötkugeln angebracht werden und der Halbleiterchip durch Vergußmaterial gekapselt wird. Die elektrische Verbindung zwischen dem Halbleiterchip und den Lötkugeln wird durch Drahtbonden oder durch eine Flipchipverbindung mit Leitern oder Leiterspuren auf der Chipoberfläche des Substrats und dann durch Kontakte zur gegenüberliegenden Seite des Substrats erzielt, an der andere Leiter oder Leiterspuren zur Verbindung mit den Lötkugeln vorgesehen sind. Diese Technologie ist bei einer großen Zahl von Ein-/Ausgängen oder Anschlüssen pro Halbleiterbaustein kosteneffektiv. Derartige Halbleiterbausteine umfassen beispielsweise 119, 169, 225, 256, 313, 352, 420 oder 625 Lötkugeln. Bei Halbleiterbausteinen mit einer geringen Anzahl von Ein-/Ausgängen ist die Verwendung dieser Technik jedoch aufwendig und teuer. Wenn für das Substrat BT als Material beispielhaft verwendet wird, stellt dieses einen Kostenanteil von etwa 50 % des Halbleiterbausteins dar.
  • Typischerweise werden Substrate aus BT oder Keramik als Einzelelemente mit Abmessungen beispielsweise von 45 mm × 187,5 mm verwendet. Der dann nicht belegte Teil hiervon wird abgetrennt und fortgeworfen. Solche abgetrennten Abschnitte können 20 bis 40 % des Gesamtbereichs eines solchen Elements ausmachen. Da dies jedoch einen wesentlichen Kostenfaktor beinhaltet, ist es wünschenswert, diesen Nachteil zu beseitigen.
  • Gemäß DE 36 19 636 A1 , aus der ein Halbleiterbaustein der eingangs genannten Art bekannt ist, wird bei der Herstellung von Halbleiterbausteinen eine Vielzahl von Halbleiterchips auf einem Substrat befestigt und eine elektrisch isolierende Abdeckung über der Vielzahl von Halbleiterchips angebracht, so daß eine isolierende, die Abdeckung, das Substrat und die Halbleiterchips umfassende Struktur entsteht, welche in jeweils einen Halbleiterchip enthaltende Halbleiterbausteine vereinzelt wird. Hierbei sind die Anschlüsse seitlich herausgeführt.
  • Aus DD 248 907 A1 ist ein Halbleiterbaustein in face-down-Montage bekannt, bei dem ein Substrat mit Durchkontaktierungen vorgesehen ist, wobei jeweils für einen Halbleiterchip eine Passivierungsöffnung angebracht ist und letztere sowie der Zwischenraum zwischen dem Halbleiterchip und dem Substrat mit einem Sekundärpassivierungsmittel gefüllt sind.
  • Aus DE 196 22 650 A1 ist ein Halbleiterbaustein nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt, dessen Substrat auf einer Seite mit einer Kugelgittermatrix versehen, eine Reihe von entsprechenden Durchkontakten aufweist, die mit einem elektrisch leitenden, entsprechenden Muster verbunden sind, das über Bonddrähte mit entsprechenden Bondinseln eines Halbleiterchips verbunden ist. Ein keramischer Deckel deckt den Halbleiterbaustein ab.
    •
  • Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Halbleiterbaustein gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen, der es ermöglicht, bei Halbleiterbausteinen mit einer relativ geringen Anzahl von Ein-/Ausgängen die Flächenbelegung eines Substrats wesentlich zu verbessern.
  • Diese Aufgabe wird entsprechend Anspruch 1 gelöst.
  • Hierdurch ist es möglich, Halbleiterbausteine mit relativ geringer Anzahl von Ein-/Ausgängen größenmäßig kleiner, nämlich vom Chipmaßstab, herzustellen und somit den Abfall an Substratmaterial wesentlich zu verringern. Abgesehen davon kann die Effektivität dadurch gesteigert werden, daß es ermöglicht wird, vor dem Vereinzeln der einzelnen Halbleiterbausteine deren integrierte Schaltkreise elektrisch zu prüfen, wobei eine große Anzahl von Halbleiterchips parallel getestet werden, wodurch Aufnahmen zum Halten von individuellen Halbleiterchips während des Testens entfallen. Die externen Anschlüsse können durch Lötkugeln gebildet werden. In Halbleiterbausteinen mit niedriger Anschlußzahl kann das perforierte Substrat einen üblichen Leiterrahmen ersetzen. Es läßt sich ein hochgradig temperaturwiderstandsfähiger Halbleiterbaustein herstellen. Die Anschlußkonfiguration braucht nur geringfügig größer als der Flächenbereich des Halbleiterchips zu sein. Dementsprechend ist der Aufwand für Substrat und Kapselung minimiert. Eine hohe Produktionsleistung läßt sich dadurch erzielen, daß aus einer einzelnen Einheit des Substrats eine Vielzahl von Halbleiterbausteinen herstellbar ist, wobei die Vereinzelung später als bisher üblich erfolgt.
    •
  • Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung und den Unteransprüchen zu entnehmen.
  • 1 zeigt ein Substrat für einen Halbleiterbaustein perspektivisch.
  • 2a zeigt perspektivisch auseinandergezogen einen Teil eines Halbleiterbausteins.
  • 2b zeigt eine Seitenansicht der in 2a dargestellten Einheit.
  • 3a und 3b zeigen zu den 2a und 2b entsprechende Ansichten einer weiteren Ausführungsform.
  • 4 zeigt in Draufsicht einen ungekapselten Halbleiterbaustein.
  • 5a bis 5h zeigen den Ablauf der Herstellung eines Halbleiterbausteins in verschiedenen Schritten.
  • 6 zeigt einen gekapselten Halbleiterbaustein im Schnitt.
  • Der Halbleiterbaustein umfaßt ein Substrat 300 mit einer regelmäßigen Anordnung von Durchtrittsöffnungen 301, die in einem universellen Raster beispielsweise mit einer Schrittweite von 50/1000 Zoll angeordnet sein können. Das perforierte Substrat 300 kann aus einem starren Material beispielsweise unter Verwendung von Bismaleimidtriazin (BT) oder irgendeinem geeigneten hochtemperaturfesten Epoxyharz hergestellt sein. Andere mögliche Materialien umfassen Keramik, flexible Leiterplatten, die durch Laminate verfestigt sind, und irgendwelche zweiseitig laminierte Substrate. Ein Kupferleiter kann auf einer oder beiden Seiten des Substrats 300 beispielsweise als metallisierter Kupferfilm oder Kupferfilmüberzug vorgesehen sein.
  • Gemäß 2a und 2b ist das perforierte Substrat 300 mit einer Lötmaske 401, einer leitenden Schicht 408 auf einer Seite des perforierten Substrats 300 und einer weiteren Lötmaske 406 versehen. Eine zusätzliche leitende Schicht 409 kann ferner auf der Seite des Substrats 300 vorgesehen sein, die der Lötmaske 406 zugekehrt ist. Die Lötmaske 401 umfaßt Öffnungen 402 am Rand und Öffnungen 403 an Stellen entsprechend den Öffnungen 301 des Substrats 300.
  • Die leitende Schicht 408 umfaßt metallische Bondinseln 404 zur Verwendung bei einer drahtgebondeten Konfiguration mit oben befindlichem Halbleiterchip 601 ("die-up"-Konfiguration). Der Halbleiterchip 601 wird bei dieser Konfiguration durch einen elektrisch isolierenden Klebstoff auf der durch die Lötmasken 401, 406 und das dazwischen befindliche Substrat 300 gebildeten Einheit 400 befestigt, und zwar von der leitenden Schicht 408 weggerichtet. Elektrische Verbindungen zwischen Bondinseln 604 des Halbleiterchips 601 und den Bondinseln 404 sind in Form von Bonddrähten 603 vorgesehen, die sich durch die Öffnungen 402 der Lötmaske 401 erstrecken, vgl. auch 4.
  • Öffnungen 410 der Bondinseln 404 sind entsprechend den Durchtrittsöffnungen 301 des Substrats 300 vorgesehen, um elektrische Verbindungen zur anderen Seite des Substrats 300 über Durchkontaktierungen durch die Durchtrittsöffnungen 301 zu ermöglichen. Derartige Durchkontaktierungen können durch Lochbeschichtung oder durch Füllen der Öffnungen 301 mit einem Lötfluß oder einer leitenden Paste vorgenommen werden. Die gegebenenfalls vorhandene leitende Schicht 409 liefert zusätzliche Flexibilität bezüglich der Anschlußbelegung.
  • Alternativ kann eine Flipchipkonfiguration mit der aktiven Seite des Halbleiterchips 601 nach unten ("die-down"-Konfiguration) vorgesehen werden, bei der der Halbleiterchip 601 mit seinen Bondinseln 604 der Lötmaske 401 zugewandt und mit den Öffnungen 403 ausgerichtet ist. Bei dieser Konfiguration werden elektrische Verbindungen von den Bondinseln 604 zu den Lötkugeln auf der anderen Seite des Substrats 300 über Durchkontakte durch die Öffnungen 403 der Lötmaske 401, die Durchtrittsöffnungen 301 des Substrats 300 und die Öffnungen 407 der Lötmaske 406 erreicht. Hierbei sind die Bondinseln 604 des Halbleiterchips 601 mit den Öffnungen 403 und 407 ausgerichtet. Wenn jedoch die Durchtrittsöffnungen 301 mit einer leitenden Paste gefüllt werden, um den Kontakt zu den Bondinseln 604 zu schaffen, können die Lötmasken 401 und 406 weggelassen werden. Hierbei können die Bondinseln 604 vorher mit Kontakthöckern aus Lötmaterial zum Anbringen der leitenden Paste in den Öffnungen 301 versehen werden. Eine solche Anordnung würde keine Ausrichtung zwischen den Öffnungen 403 und 407 der Lötmasken 401, 406 und den Durchtrittsöffnungen 301 des Substrats 300 erfordern. Dies ist besonders zweckmäßig, wenn die Bondinseln 604 entlang des Umfangs des Halbleiterchips 601 verteilt sind.
  • Gemäß 3a und 3b besteht die dort dargestellte Einheit 500 nur aus dem Substrat 300 und der Lötmaske 401 sowie der leitenden Schicht 408. Das Substrat 300 der Einheit 400 kann beispielsweise aus BT-Material bestehen, während dasjenige des Substrats 300 der Einheit 500 aus hochtemperaturbeständigem Epoxyharz bestehen kann. Auch läßt sich stattdessen flexibles Polyimid verwenden, das zu einem dünneren Substrat 300 als BT-Material führt.
  • Ein Halbleiterbaustein vom Chipmaßstab (chip scale package CSP) läßt sich mittels des perforierten Substrats 300 herstellen. Ein CSP wird so wegen der relativ kleinen Montagefläche des Halbleiterbausteins genannt, die sich dem Oberflächenbereich des darin befindlichen Halbleiterchips 601 nähert. Gemäß 5a wird gemäß Schritt 701 ein Halbleiterwafer 700, auf dem zahlreiche Halbleiterchips 711 hergestellt sind, sortiert, um die nichtfunktionalen Chips zu identifizieren. Im Schritt 702 wird der Halbleiterwafer 700 beispielsweise unter Verwendung einer Diamantsäge in Halbleiterchips 711 vereinzelt. Im Schritt 703 werden die Halbleiterchips 711 individuell auf einem perforierten Substrat 720 (5c) angeordnet und befestigt. Das perforierte Substrat 720 kann als Platte, wie in 5c dargestellt, auf der eine rechteckige Matrix von Halbleiterbausteinen gebildet werden kann, als Streifen oder Platte, auf der eine Reihe von Halbleiterbausteinen gebildet werden kann, oder in irgendeiner anderen zur automatischen Weiterverarbeitung geeigneten Form geliefert werden.
  • Wenn elektrische Verbindungen vom Halbleiterchip 711 zum Substrat 720 durch Bonddrähte herzustellen sind, werden die Halbleiterchips 711 in die-up-Konfiguration unter Verwendung beispielsweise eines thermisch leitenden Klebstoffs befestigt. Danach wird das Drahtbonden in Schritt 704 durchgeführt. Wenn eine die-down- oder Flipchipkonfiguration erzeugt werden soll, werden die Halbleiterchips 711 automatisch mit den Durchtrittsöffnungen des perforierten Substrats 720 ausgerichtet, wobei beispielsweise Lötkontakthügel verwendet werden, um mit den vorgeformten Durchkontaktierungen oder Kontakthügeln im perforierten Substrat 720 in Eingriff gebracht zu werden.
  • In Schritt 705 wird eine Kapselung vorgesehen, um die Halbleiterchips 711 zu versiegeln. Die Kapselung kann angebracht werden durch ein Überziehen unter Verwendung eines Chipüberzugs oder eines Siebdruckverfahrens oder aber durch Verwendung eines Kunststoffschutzmaterials (beispielsweise Epoxyharz) unter Verwendung eines Flüssigkapselungsverfahrens, eines Umspritzverfahrens oder irgendeiner geeigneten nichthaftenden Gießmethode. Wenn ein Halbleiterbaustein mit Chipaufnahmeraum oder ein hermetisch abgedichteter Halbleiterbaustein gewünscht ist, kann auch eine Keramikkappe, die mit Epoxyharz beschichtet oder mit einem Glasdichtring versehen ist, über dem Substrat 720 vorgesehen werden.
  • Ein gekapseltes Substrat 725 mit oberseitig hiervon vorgesehenem Kapselungsmaterial 730 ist in 5d dargestellt. Gemäß 6 ist das gekapselte Substrat 750 durch überdecken des Substrats 720 mit Kapselungsmaterial 730 gebildet, um den Halbleiterchip 711 einzuschliessen. Letzterer ist über Bonddrähte 742 mit einer leitenden Schicht 744 verbunden. Die elektrische Verbindung zur Außenseite des CSP wird in diesem Fall durch vorgeformte Durchkontakte 743 gebildet.
  • Gemäß Schritt 706 wird das gekapselte Substrat 725 beispielsweise unter Verwendung eines Lasergravierers oder einer Beschriftungstechnik markiert, um die individuelle Identifikation und andere Information bezüglich des schließlichen individuellen CSP's (5e) zu liefern. Wenn keine vorgeformten Durchkontakte verwendet werden, wird im Schritt 707 die Anbringung von Lötkugeln 740 an dem gekapselten Substrat 725 an der dem Kapselungsmaterial 730 abgewandten Seite durchgeführt. Stattdessen können auch andere Arten von elektrischen Kontakten verwendet werden, beispielsweise Anschlußstifte oder schmelzbare Metallisierungen auf einer Leiterkarte.
  • In Schritt 708 werden die gekapselten Halbleiterchips 711 individuell elektrisch über ihre externen Anschlüsse (beispielsweise Lötkugeln) getestet. In Schritt 709 werden die einzelnen Halbleiterbausteine 750 vom gekapselten Substrat 725 beispielsweise unter Verwendung einer Diamantsäge vereinzelt. Eine geeignete Diamantsäge umfaßt beispielsweise ein gezahntes Diamantsägeblatt mit entsprechendem Schnittrelief. Alternativ kann auch eine Vereinzelung über V-förmigen Nuten erfolgen.
  • In Schritt 710 werden schließlich die vereinzelten Halbleiterbausteine 750 an ein Band 760 geheftet, das von einer Spule kommt, um die automatische Anordnung bei einer nachfolgenden Systemleiterplattenherstellung zu erleichtern.

Claims (16)

  1. Halbleiterbaustein mit einem auf einem Substrat (300) angeordneten, Bondinseln (604) aufweisenden Halbleiterchip (601), wobei das Substrat (300) ein elektrisch leitendes, mit den Bondinseln (604) elektrisch verbundenes Muster (404) trägt, mit dem externe Anschlüsse verbunden sind, und wobei das Substrat (300) eine Vielzahl von Durchtrittsöffnungen (301) aufweist, wobei von dem elektrisch leitenden Muster (404) elektrisch leitende Pfade durch die Durchtrittsöffnungen (301) zu den externen Anschlüssen vorgesehen sind; und mit einer Abdeckung, die zusammen mit dem Substrat (300) den Halbleiterchip (601) und die elektrischen Verbindungen bis auf die externer Anschlüsse kapselt, dadurch gekennzeichnet, daß eine Lötmaske (401), auf der der Halbleiterchip (601) befestigt ist, auf dem Substrat (300) angeordnet ist.
  2. Halbleiterbaustein nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die externen Anschlüsse Lötkugeln sind.
  3. Halbleiterbaustein nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitenden Pfade Durchkontakte sind.
  4. Halbleiterbaustein nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitenden Pfade aus Lötfluß gebildet sind.
  5. Halbleiterbaustein nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterchip (601) mit der Lötmaske (401) durch eine "die-up"-Konfiguration befestigt ist.
  6. Halbleiterbaustein nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterchip (601) mit der Lötmaske (401) durch eine "die-down"-Konfiguration befestigt ist.
  7. Halbleiterbaustein nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Verbindungen zwischen den Bondinseln (604) und dem leitenden Muster (404) aus Bonddrähten (603) bestehen, die durch Öffnungen (402) in der Lötmaske (401) geführt sind.
  8. Halbleiterbaustein nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeckung eine Halbleiterchipbeschichtung umfaßt.
  9. Halbleiterbaustein nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeckung ein Kunststoffkapselungsmaterial umfaßt.
  10. Halbleiterbaustein nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeckung eine Keramikkappe umfaßt, die an dem Substrat (300) über eine Glasabdichtung befestigt ist.
  11. Halbleiterbaustein nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Lötmaske (406) auf der Seite des Substrats (300) vorgesehen ist, die derjenigen abgekehrt ist, auf der die erste Lötmaske (401) angebracht ist.
  12. Halbleiterbaustein nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der zweiten Lötmaske (406) und dem Substrat (300) ein weiteres elektrisch leitendes Muster angeordnet ist.
  13. Halbleiterbaustein nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (300) ein Keramiksubstrat ist.
  14. Halbleiterbaustein nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (300) eine Leiterplatte ist.
  15. Halbleiterbaustein nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (300) aus Bismaleimidtriazin besteht.
  16. Halbleiterbaustein nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnett, daß das Substrat (300) aus einem hochtemperaturbeständigen Epoxyharz besteht.
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