DE19923523B4

DE19923523B4 - Halbleitermodul mit übereinander angeordneten, untereinander verbundenen Halbleiterchips

Info

Publication number: DE19923523B4
Application number: DE19923523A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Högerl
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 1999-05-21
Filing date: 1999-05-21
Publication date: 2004-09-30
Anticipated expiration: 2019-05-22
Also published as: US6646333B1; DE19923523A1

Abstract

Halbleitermodul mit zumindest zwei Chipträgern (3), die jeweils mit einer Metallisierung versehen sind, wobei
– auf einem Chipträger (3) jeweils zwei Halbleiterchips (1) nebeneinander angeordnet und jeweils mit der Metallisierung verbunden sind,
– die Chipträger (3) mit den Halbleiterchips (1) übereinander angeordnet sind,
– leitende Verbindungen (4) zwischen den Metallisierungen der übereinander angeordneten Chipträger (3) in Form von Steckverbindungen bestehen, die durch Öffnungen (5) in den Chipträgern (3) führen,
dadurch gekennzeichnet, dass
– die lateralen Abmaße des Halbleitermodules durch die Größe der Halbleiterchips (1) gegeben sind und
– die Steckverbindungen zwischen den benachbarten Seitenkanten der nebeneinanderliegenden Halbleiterchips (1) vorgesehen sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Halbleitermodul, bei dem mehrere Halbleiterchips in einem Gehäuse, insbesondere in einem gemeinsamen Gehäuse, jeweils auf einem Chipträger angeordnet sind. Es kann dabei vorgesehen sein, daß jeder Halbleiterchip auf einem separaten Chipträger angeordnet ist, es können jedoch auch mehrere Halbleiterchips auf einem gemeinsamen Chipträger angeordnet sein. Zumindest ein Teil der Halbleiterchips mit ihrem jeweiligen Chipträger sind dabei übereinander angeordnet, so daß eine Stapelanordnung der Halbleiterchips entsteht. Es besteht dabei eine leitende Verbindung zwischen den übereinander und gegebenenfalls auch nebeneinander angeordneten Chipträgern, wobei diese leitenden Verbindungen durch Öffnungen in den Chipträgern führen und jeweils eine leitende Verbindung von den Öffnungen zu den Halbleiterchips, bzw. zu mindestens einem der Kontakte des Halbleiterchips, hergestellt wird.

Halbleitermodule für übereinander angeordnete, untereinander verbundene Halbleiterchips sind beispielsweise aus der DE 43 03 734 C2 , der JP 3-250757 A sowie der EP 0 802 566 A2 bekannt.

Weitere Anordnungen sind aus dem Stand der Technik aus der US 5,128,831 bekannt, wobei die leitende Verbindung zwischen den Chipträgern hergestellt wird, nachdem die einzelnen Halbleiterchips mit ihren Chipträgern übereinander angeordnet wurden und das gesamte Modul in ein Lotbad getaucht wird, wobei ein lokales Vakuum an die Öffnungen angelegt wird, um das Lot in die Öffnungen einzusaugen und somit leitende Lotverbindungen zwischen den einzelnen Ebenen der Halbleiterchips bzw. der Chipträger herzustellen. Dieses Verfahren ist jedoch relativ aufwendig, da einerseits eine Vakuumanordnung bereitgestellt werden muß und andererseits auch eine entsprechende Dichtigkeit des Halbleitermoduls gewährleistet werden muß. Andererseits besteht die Gefahr von Kontaminationen oder Kurzschlüssen im Halbleitermodul bei einem eventuellen Austreten der flüssigen Lotmasse aus den Öffnungen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Halbleitermodul mit mehreren Halbleiterchips bereitzustellen, das auf einfache und sichere Weise hergestellt werden kann.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der vorliegenden Ansprüche 1 und 4.

Bei der ersten Ausführungsform der Erfindung nach Anspruch 1 werden die leitenden Verbindungen zwischen den Chipträgern durch Steckverbindungen gebildet. Solche Steckverbindungen sind einfach herzustellen und auch leicht zu handhaben, die Verwendung einer flüssigen Lotmasse oder die Notwendigkeit einer Abdichtung des Bauelements wird damit entbehrlich.

Die Steckverbindungen können entweder lösbar in dem Halbleitermodul angeordnet werden, so daß beispielsweise zu Reparaturzwecken defekte Halbleiterchips aus dem Modul herausgenommen werden. Es kann jedoch vorgesehen sein, daß die Steckverbindungen mit mindestens einem der Chipträger durch eine Lötverbindung verbunden werden.

In einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung nach Anspruch 4 ist vorgesehen, daß die Öffnungen mit einer leitenden Schicht ausgekleidet sind und zwischen dem übereinander angeordneten Halbleiterchips bzw. zwischen dem Chipträger des einen Halbleiterchips und dem darunter angeordneten Halbleiterchip jeweils eine Zwischenschicht angeordnet ist, die leitende Vorsprünge aufweist. Diese Vorsprünge greifen zumindest teilweise in die Öffnungen ein, so daß ein mechanischer Halt zwischen der Zwischenschicht und dem jeweils benachbarten Chipträger gewährleistet ist. Die Vorsprünge können dabei eine solche Form aufweisen, daß sie formschlüssig in eine angrenzende Öffnung eingepaßt werden können. Dabei entspricht der Durchmesser des Vorsprungs dem Durchmesser der Öffnung. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, daß die Ausmaße der Vorsprünge größer gewählt werden als die Ausmaße der Öff nungen. Dann sind die Vorsprünge jedoch ähnlich einem Kegelstumpf auszubilden, so daß zumindest ein Teil der Vorsprünge in Form einer Spitze in die Öffnung hineinragen, wobei der Vorsprung auf einer Umfangslinie seiner Kegelform auf dem Rand der Öffnung anliegt und so den leitenden Kontakt zur leitenden Schicht in der Öffnung herstellt. Um eine durchgehende leitende Verbindung zwischen mehreren Ebenen des Halbleitermoduls zu gewährleisten, sind einander gegenüberliegende Vorsprünge der Zwischenschicht miteinander leitend verbunden.

Es kann vorgesehen sein, daß die Zwischenschichten lösbar in dem Halbleitermodul angeordnet sind, so daß einzelne Halbleiterchips bzw. einzelne Chipträger mit den darauf angeordneten Halbleiterchips aus dem Modul entnommen werden können, beispielsweise zum Austausch defekter Halbleiterchips. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, daß die Zwischenschichten mit mindestens einem der Chipträger durch eine Lotverbindung verbunden werden.

Die leitenden Verbindungen in dem Halbleitermodul können sich prinzipiell über alle Ebenen des Halbleitermoduls, d.h. über alle Ebenen der übereinander angeordneten Halbleiterchips und Chipträger erstrecken. Es kann jedoch auch, je nach Bedarf, vorgesehen werden, daß die leitenden Verbindungen sich jeweils nur über einen Teil der Ebenen der übereinander angeordneten Chipträger erstrecken, um somit nur einen Teil der übereinander angeordneten Halbleiterchips miteinander zu verbinden.

Spezielle Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der 1 bis 6 erläutert.
Es zeigen:
1: Halbleitermodul mit vier Halbleiterchips, die in zwei Ebenen übereinander angeordnet sind.
2: Halbleitermodul mit zwei oder mehr Ebenen von Halbleiterchips und einer wärmeleitenden Schicht zwischen den Halbleiterchips.
3: Schematische Darstellung der leitenden Verbindung in Form einer Steckverbindung.
4: Schematische Darstellung der leitenden Verbindung in Form einer Zwischenschicht mit Vorsprüngen.
5: Schematische Darstellung von Leiterbahnen auf einem Chipträger.
6: Leiterbahnen nach 5, jedoch mit versetzter Anordnung der Kontaktierungsstellen für die Halbleiterchips auf dem Chipträger.
In 1 ist ein Halbleitermodul dargestellt, das vier Halbleiterchips 1 umfaßt, die in zwei Ebenen auf Chipträgern 3 übereinander angeordnet sind, wobei jeweils zwei Halbleiterchips 1 auf einem gemeinsamen Chipträger 3 angeordnet sind. Bei einem solchen Halbleitermodul weist in der Regel der untere Chipträger 3 auf beiden Seiten eine Metallisierung auf, wie auch in 3 für den unteren der Chipträger 3 durch eine leitende Schicht 6 angedeutet wurde. Die Metallisierung auf der unteren Seite dient zur Kontaktierung von Anschlüssen 10, die beispielsweise, wie in 1 dargestellt, als Lotkugeln ausgebildet sein können. Diese Anschlüsse 10 können jedoch auch in Form von Pins realisiert werden. Auf der gegenüberliegenden Seite dient die Metallisierung zur Herstellung einer leitenden Verbindung 12 zu den Halbleiterchips 1 der ersten Ebene. Die Chipträger 3 der zweiten oder möglicherweise weiteren Ebenen können auch nur auf einer Seite mit einer Metallisierung versehen sein, wie ebenfalls in 3 für den oberen Chipträger 3 angedeutet wurde.
Die Chipträger weisen jeweils Öffnungen 5 auf, durch die leitende Verbindungen 4 zu den Chipträgern 3 der anderen Ebenen hergestellt werden. Das Halbleitermodul kann von einem abgeschlossenen Gehäuse 2 umgeben sein, wie in 1 durch die gestrichelte Linie angedeutet wurde. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, daß das Halbleitermodul als Chip Size Package CSP realisiert wird, wobei lediglich derjenige Teil der Halbleiterchips 1 von einer Umhüllungsmasse 13 umgeben ist, in dem die Anschlüsse des jeweiligen Halbleiterchips zum Chipträger hin angeordnet sind. Der übrige Bereich des Halbleiterchips 1 muß dabei nicht von einer Umhüllungsmasse oder einem Gehäuse umschlossen sein, so daß, wie 1 zeigt, zumindest der oberste der Halbleiterchips an seiner oberen Oberfläche nicht von einem Gehäuse oder einer Umhüllungsmasse umschlossen ist.
Neben den elektrischen Anschlüssen 10 des Halbleitermoduls können auf der Unterseite des Moduls noch weitere Kontaktkugeln oder Kontaktpins 11 vorgesehen werden, die zu einer Stabilisierung des Halbleitermoduls bei dessen Montage verwendet werden können.
Wie in 2 dargestellt, können auch mehr als zwei Ebenen von Halbleiterchips in einem Halbleitermodul vorgesehen sein. Um eine bessere Wärmeabfuhr zwischen den Halbleiterchips zu gewährleisten, kann zwischen den Halbleiterchips 1, bzw. zwischen einem Halbleiterchip 1 sowie dem darüberliegenden Chipträger 3, eine wärmeleitende Schicht 9 vorgesehen werden, die die im Betrieb entstehende Wärme zwischen den Halbleiterchips 1 abtransportiert. Diese wärmeleitende Schicht 9 kann mit einem externen Kühlkörper verbunden werden, um eine bessere Kühlung des Halbleitermoduls zu gewährleisten.
3 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel für eine leitende Verbindung 4 zwischen zwei Chipträgern 3, wobei eine Steckverbindung durch jeweils einander gegenüberliegende Öffnungen 5 in den Chipträgern 3 geführt wird, so daß in der Richtung senkrecht zur Ebene der Chipträger 3 eine leitende Verbindung zwischen den Chipträgern entsteht. Im Beispiel nach 3 wird diese Steckverbindung auf ihrer Unterseite durch einen verbreiterten Kopf 15 gegen ein mögliches Herausgleiten gesichert, auf der Oberseite des oberen Chipträgers 3 ist dagegen eine Lötverbindung 14 zur Fixierung der Steckverbindung vorgesehen. Die Steckverbindung könnte jedoch auch lösbar in die Öffnungen 5 eingeführt werden, wobei dann die Steckverbindung so anzuordnen ist, daß im späteren Betriebszustand der Kopf 15 oder ein anderes geeignetes Mittel ein Herausgleiten der Steckverbindung aus den Öffnungen 5 verhindert.
4 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel zur Herstellung der leitenden Verbindungen zwischen den Chipträgern 3. In diesem Fall sind leitende Schichten 6 vorgesehen, die die Öffnungen 5 in den Chipträgern 3 auskleiden. Solche leitenden Schichten 6 in den Öffnungen 5 können auch prinzipiell im Beispiel nach 3 vorgesehen sein, sind dort jedoch nicht unbedingt erforderlich. Es ist nun eine Zwischenschicht 7 vorgesehen, die zwischen den Chipträgern 3 angeordnet ist und die die leitende Verbindung zwischen zwei Chipträgern 3 herstellt. Auf dieser Zwischenschicht sind Fortsätze 8 angeordnet, die zumindest teilweise in die Öffnungen 5 eingreifen. Wie 4 zeigt, sind diese Fortsätze in Form eines Kegels ausgebildet, wobei die Spitze des Kegels in die Öffnungen 5 eingreift und eine Umfangslinie des Kegels auf dem Rand der Öffnungen 5 aufliegt und damit eine leitende Verbindung zwischen den Fortsätzen 8 und der leitenden Schicht 6 herstellt. Das Eingreifen der Spitze der Fortsätze 8 in die Öffnungen 5 verhindert weitgehend Scherbewegungen zwischen der Zwischenschicht 7 und den Chipträgern 3, so daß ein Verrutschen der Chipträger 3 untereinander sowie zwischen den Chipträgern 3 und der Zwischenschicht 7 weitgehend verhindert werden kann. Um eine Plazierung der Halbleiterchips zwischen den Chipträgern 3 zu ermöglichen, ist entweder die Zwischenschicht 7 mit entsprechenden Aussparungen zur Aufnahme der Halbleiterchips 1 versehen oder es werden die Fortsätze 8 so lang ausgebildet, daß die Zwischenschicht 7 zwischen einem Chipträger 3 und einem Halbleiterchip 1 angeordnet werden kann und sich die Fortsätze 8 jeweils von der Zwischenschicht 7 bis zum benachbarten Chipträger 3 erstrecken.
5 und 6 zeigen Beispiele für eine Anordnung von Leiterbahnen 14 auf einem Chipträger 3 in einer schematischen Darstellung, wobei die Halbleiterchips 1 jeweils auf dem Chipträger 3 montiert werden und über eine leitende Verbindung 12 mit den Leiterbahnen 14 auf dem Chipträger 3 verbunden werden. Diese Leiterbahnen 14 führen wiederum zu den Öffnungen 5 im Chipträger, über die die leitende Verbindung 4 zu den übrigen Ebenen hergestellt wird. Die Leiterbahnen 14 sowie die Anschlußpunkte am Ende der Leiterbahnen zur Kontaktierung der Halbleiterchips 1 können dabei entweder in einer Reihe angeordnet werden, wie 5 zeigt, es können jedoch auch die Leiterbahnen 14 und die Anschlußpunkte versetzt angeordnet sein.
Die Leiterbahnen und Anschlüsse auf einem Chipträger 3 können beispielsweise spiegelsymmetrisch zur Mitte des Chipträgers 3 angeordnet werden, wobei die Öffnungen 5 in der Mitte des Chipträgers angeordnet sind. Es können dann jeweils spiegelsymmetrisch ausgestaltete Halbleiterchips auf die entsprechende Hälfte des Chipträgers montiert werden, damit eine möglichst einfache Kontaktierung der Halbleiterchips sowie der einzelnen Ebenen untereinander erzielt werden kann. Die Halbleiterchips werden dann über eine gemeinsame Kontaktierung mittels der Lotkugeln oder Kontaktpins 10 angesprochen, wobei auch eine gemeinsame Chip-Select-Leitung für alle Halbleiterchips 1 oder jeweils eine separate Chip-Select-Leitung für jeden einzelnen Halbleiterchip 1 vorgesehen werden kann.

Claims

Halbleitermodul mit zumindest zwei Chipträgern (3), die jeweils mit einer Metallisierung versehen sind, wobei – auf einem Chipträger (3) jeweils zwei Halbleiterchips (1) nebeneinander angeordnet und jeweils mit der Metallisierung verbunden sind, – die Chipträger (3) mit den Halbleiterchips (1) übereinander angeordnet sind, – leitende Verbindungen (4) zwischen den Metallisierungen der übereinander angeordneten Chipträger (3) in Form von Steckverbindungen bestehen, die durch Öffnungen (5) in den Chipträgern (3) führen, dadurch gekennzeichnet, dass – die lateralen Abmaße des Halbleitermodules durch die Größe der Halbleiterchips (1) gegeben sind und – die Steckverbindungen zwischen den benachbarten Seitenkanten der nebeneinanderliegenden Halbleiterchips (1) vorgesehen sind.
Halbleitermodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steckverbindungen (4) lösbar in dem Halbleitermodul angeordnet sind.
Halbleitermodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steckverbindungen (4) mit mindestens einem der Chipträger (3) durch eine Lötverbindung verbunden werden.
Halbleitermodul mit zumindest zwei Chipträgern (3), die jeweils mit einer Metallisierung versehen sind, wobei – auf einem Chipträger (3) jeweils zwei Halbleiterchips (1) nebeneinander angeordnet und jeweils mit der Metallisierung verbunden sind, – die Chipträger (3) mit den Halbleiterchips (1) übereinander angeordnet sind, – leitende Verbindungen (4) zwischen den Metallisierungen der übereinander angeordneten Chipträger (3) bestehen, – zwischen den übereinander angeordneten Chipträgern (3) Zwischenschichten (7) angeordnet sind, die leitende Vorsprünge (8) aufweisen, wobei einander gegenüberliegende Vorsprünge (8) leitend miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass – die leitenden Vorsprünge (8) in mit einer leitenden Schicht ausgekleidete Öffnungen (5) in den Chipträgern eingreifen und eine elektrische Verbindung zwischen den Chipträgern (3) herstellen, – die lateralen Abmaße des Halbleitermodules durch die Größe der Halbleiterchips (1) gegeben sind und – die Öffnungen (5) zwischen den benachbarten Seitenkanten der nebeneinanderliegenden Halbleiterchips vorgesehen sind.
Halbleitermodul nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschichten (7) lösbar in dem Halbleitermodul angeordnet sind.
Halbleitermodul nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschichten (7) mit mindestens einem der Chipträger (3) durch eine Lötverbindung verbunden werden.
Halbleitermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Halbleiterchips (1) wärmeleitende Schichten (9) angeordnet sind.