DE29824033U1 - Flächig ausgebildeter Träger für Halbleiter-Chips - Google Patents

Flächig ausgebildeter Träger für Halbleiter-Chips

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Description

Pfenning, Meinig & Partner GbR Patentanwälte
European Patent Attorneys European Trademark Attorneys
Dipl.-lng. J. Pfenning (-1994) Dipl.-Phys. K. H. Meinig (-1995) Dr.-lng. A. Butenschön, München Dipl.-lng. J. Bergmann* Berlin Dipl.-Chem. Dr. H. Reitzle, München Dipl.-lng. U.Grambow, Dresden Dipl.-Phys. Dr. H. Gleiter, München
•auch Rechtsanwalt
80336 München, Mozartstraße Telefon: 089/530 93 36 Telefax: 089/53 22 29 e-mail: muc@pmp-patent.de
10707 Berlin, Kurfürstendamm Telefon: 030/8844 810 Telefax: 030/8813689 e-mail: bln@pmp-patent.de
01217 Dresden, Gostritzer Str. 61-63 Telefon: 03 51/8718160 Telefax: 03 51/8718162 Dresden,
17. Dez. 1999
KSW microtec Gesellschaft für
angewandte Mikrotechnik mbH Dresden Gostritzer Str. 63
01217 Dresden
"Flächig ausgebildeter Träger für Halbleiter-Chips"
Flächig ausgebildeter Träger für Halbleiter-Chips
Die Erfindung betrifft einen flächig ausgebildeten Träger, der aus einem flexiblen, dielektrischen Material besteht und auf dem mindestens ein Halbleiter-Chip mit einer Leitbahnstruktur, insbesondere zur kontaktlosen Datenübertragung aufgebracht sind.
Von W. Rankl/W. Effing sind im "Handbuch der Chipkarten", Hanser-Verlag, 2. Auflage bekannte Möglichkeiten für den Aufbau und die Herstellung von Chipkarten beschrieben worden. Dabei wurde im wesentlichen eine Unterscheidung in kontaktbehaftete und kontaktlose Karten getroffen. Insbesondere sind auf Seite 50 beispielhaft mögliche Anwendungen für die sog. "Remoute-Coupling-Karten" als Zugangskontrolle, für die Fahrzeugerkennung, als elektronischer Fahrschein, Skipaß, Flugticket, elektronische Geldbörse und für die Gepäckerkennung genannt.
Die bekannten Chipkarten, insbesondere die für die kontaktlose Datenübertragung geeigneten, verwenden üblicherweise ein auf einem Träger aufgebrachtes Halbleiter-Chip (Mikroprozessor, Speicherschaltkreis) 0 in Verbindung mit sog. Koppelelementen, die für eine kontaktlose Daten- und gegebenenfalls Energieübertragung auf induktivem bzw. kapazitivem Wege geeignet sind. Solche Koppelelemente sind demzufolge in der Regel Spulen oder Kondensatoren.
Bisher ist es üblich, diese Koppelelemente und die elektrisch leitenden Verbindungen zum Halbleiter-Chip mittels aus der Leitplattenherstellung bekannter Verfahren herzustellen. Dabei wird auf einem metallisierten Kunststoffträger, in der Regel fotolithographisch die gewünschte Struktur erzeugt und im Anschluß daran, die Metallschicht in den ungeschützten Bereichen naßchemisch abgeätzt, so daß auf dem flexiblen Träger die gewünschte elektrische leitende Leitbahnstruktur, inclusive der Koppelelemente in Form einer Spule ausgebildet sind und im Anschluß daran, der jeweilige Halbleiter-Chip mit der Leitbahnstruktur kontaktiert und auf den Träger aufgebracht wird, wobei hierfür die bekannte Flip-Chip-Technik angewendet werden kann.
Es hat sich nun gezeigt, daß insbesondere die Ausbildung der Leitbahnstruktur auf dem Träger durch naßchemisches Ätzen problembehaftet ist, wobei insbesondere der anlagentechnische, der Zeit- und der Entsorgungsaufwand für die Ätzbadflüssigkeit nachteilig sind. Außerdem sind an das verwendete flexible Trägermaterial bestimmte Anforderungen zu stellen und diese bestehen in der Regel, da ein gewisses Maß an Flexibilität gefordert ist, aus einem Kunststoff. Aus Kostengründen werden normalerweise PVC-Folien verwendet, die relativ gut verarbeitbar, kostengünstig erhältlich und im Nachgang einfach und mit relativ guter Qualität bedruckbar sind.
Ein so vorbereitetes Vorprodukt, wird dann im Nachgang, z.B. durch Auflamminieren zu einer Chipkarte weiter verarbeitet.
Wegen der relativ vielen und unterschiedlichen be-
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triebenen Verfahrensschritte, sind die so erhältlichen Endprodukte noch relativ teuer und können demzufolge aus Kostengründen für viele Applikationen noch nicht eingesetzt werden.
5
In DE 43 32 282 Al ist ein Verfahren zur Herstellung von Leitbahnen auf Substraten mittels Siebdruck beschrieben, bei dem auf das Ätzen verzichtet werden kann. Dabei wird mittels Siebdruck eine Druckpaste, die einen leitenden Werkstoff enthält, direkt auf das Substrat aufgebracht und dieses so bedruckte Substrat, in der Regel Keramik, einer Wärmebehandlung unterzogen, bei der durch Sintern metallische Leitbahnen auf dem Substrat erhalten werden können. Für das Sintern werden Temperaturen oberhalb 800 0C erforderlich, so daß nur entsprechende Substratmaterialien eingesetzt werden können. Außerdem wird ein Hinweis in allgemeiner Form gegeben, daß bei einer entsprechenden Auswahl von Druckpasten, die bei niederen Temperaturen sintern, auch gedruckte Schaltungen auf Kunstharz-Leiterplatten mittels des Siebdruckverfahrens hergestellt werden könnten. Dabei liegen die erforderlichen Temperaturen jedoch immer noch oberhalb eines Bereiches, der viele kostengünstige Substratmaterialien für eine entsprechende Verwendung ausschließt.
In DE Ul G 90 07 306.1 ist eine flexible Trägerfolie mit gedruckten Widerständen beschrieben, bei der Widerstände mit lötfähigen Anschlußleitungen auf eine flexible Trägerfolie aufgedruckt werden sollen, wobei eine definierte Einstellung des jeweiligen Widerstandes, durch Aufdrucken einer nicht lötfähigen Paste, auf Teilflächen zu dessen Widerstandsverringerung, 5 vorhanden sein sollen.
Neben anderen, ist beispielsweise in DE 196 39 934 ein Verfahren zur Montage eines Halbleiterchips mittels der sog. Flip-Chip-Technik beschrieben. An einem Halbleiterchip sind für den Anschluß entsprechende Anschlußflecken ausgebildet, auf die unter Wärmeeinwirkung veränderliche Anschlußpodeste (Bumps) aufgebracht werden. Die Halbleiterchips werden dann im Nachgang dazu über diese Anschlußflecken und Anschlußpodeste mit den Substratanschlüssen kontaktiert, wobei hierfür ein elektrisch leitender Kleber verwendet wird, der durch eine Wärmebehandlung ausgehärtet wird.
Das eigentliche Substrat wird aber auf herkömmliche Art und Weise hergestellt, zur Verfügung gestellt, wie dies bereits vorab beschrieben worden ist.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Träger für Halbleiter-Chips vorzuschlagen, mit dem einfach und kostengünstig Elemente zur kontaktlosen Datenübertragung zur Verfügung gestellt werden.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 für einen erfindungsgemäßen Träger gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen und Weiterbildungen der Erfindung, ergeben sich mit den in den untergeordneten Ansprüchen genannten Merkmalen.
Außerdem kann die Erfindung vorteilhaft für Chipkar-0 ten, als Transponder, Datenträger oder auch für Identifikationssysteme benutzt werden, wie dies für die eingangs bereits genannten Anwendungsfälle bezüglich der Remoute-Coupling-Karten der Fall ist. Ein weiterer bisher nicht genannter Anwendungsfall, bei dem die Erfindung vorteilhaft eingesetzt werden kann,
&phgr;&phgr;&phgr;
&phgr; &phgr;
besteht in der Markierung von verschiedenen Sendungen, die auf dem Versandwege kontaktlos identifiziert und entsprechend sortiert weitergeleitet werden können.
5
Die Erfindung baut auf die aus der Flip-Chip-Technik bekannten Erkenntnisse und Vorteile auf und ermöglicht eine sehr einfache und kostengünstige Herstellung von Trägern, die zur kontaktlosen Datenübertragung geeignet sind. Dabei verringert sich einmal die Anzahl der erforderlichen Herstellungsverfahrensschritte und auch die Anzahl verschiedener Verfahrensführungen. In ganz besonders günstiger Weise entfällt das aufwendige und kostenintensive Naßätzen der Träger. Außerdem eröffnen sich mit der erfindungsgemäßen Lösung Möglichkeiten für den Einsatz neuer bisher nicht verwendbarer Materialien als Träger bzw. Substrat, mit denen eine weitere Kostenreduzierung erreicht werden kann.
Erfindungsgemäß wird daher so vorgegangen, daß unmittelbar auf den Träger eine Leitbahnstruktur aus einem elektrisch leitenden Kleber oder einer Polymerleitpaste ausgebildet wird, die gleichzeitig die für die drahtlose Daten- und/oder Energieübertragung erforderlichen Koppelelemente beinhaltet bzw. ausbildet und deren elektrisch leitende Verbindungsbahnen zu dem bzw. den jeweiligen Halbleiter-Chip(en) ausbildet. Vorteilhaft wird der die Leitbahnstruktur ausbildende elektrisch leitende Kleber oder die Polymerpaste unmittelbar auf die Oberfläche des flexiblen Trägers aufgedruckt und ganz besonders vorteilhaft, mit einem bekannten Siebdruckverfahren aufgedruckt.
Beim Drucken kann ein Teil der Leitbahnstruktur eine
Spule mit mindestens einer Windung ausbilden, über die sowohl die kontaktlose Daten- und auch kontaktlose Energieübertragung auf induktivem Wege erfolgen kann. Dabei kann die Form der Spule und die jeweilige Anzahl der für die Spule zu verwendenden Windungen entsprechend der jeweiligen Applikation ohne weiteres angepaßt werden.
Außerdem besteht mit der erfindungsgemäßen Lösung, auf einfache Art und Weise, die Möglichkeit, Leitbahnstrukturen auf beiden Seiten eines solchen flächigen Trägers auszubilden, wobei in diesem Fall elektrisch leitende Verbindungen über Bohrungen im Trägermaterial, die ebenfalls mit elektrisch leitendem Kleber ausfüllbar sind, hergestellt werden können. Solche Bohrungen können relativ einfach und schnell in sehr kleiner Dimensionierung unter Verwendung von Laserstrahlen in die verschiedensten Trägermaterialien, bevorzugt vor dem Aufdrucken des elektrisch leitenden Klebers eingebracht werden.
Die kontaktlose Datenübertragung kann aber auch auf kapazitivem Wege mit der erfindungsgemäßen Lösung erreicht werden. Hierfür bildet ein Teil der Leitb-5 ahnstruktur einen Kondensator aus. Der Kondensator kann so gebildet werden, daß entsprechende Flächen gegenüber liegend auf beiden Seiten des dielektrischen Trägers aufgedruckt werden, so daß ein Plattenkondensator ausgebildet wird.
Eine weitere Möglichkeit zur Herstellung eines Kondensators besteht darin, daß eine bestimmte Fläche auf einer Seite des Trägers mit dem elektrisch leitenden Kleber bedruckt wird - diese Fläche im Nachgang dazu, mit einer isolierenden Schicht überklebt
bzw. überdruckt und im Anschluß daran wieder eine Schicht aus dem elektrisch leitenden Kleber aufgedruckt wird. An den den Kondensator ausbildenden elektrisch leitenden Flächen sind wiederum Verbindungsbahnen, der Leitbahnstruktur zum jeweiligen Halbleiter-Chip vorhanden, die gleichzeitig gedruckt werden, wie die Kondensatorplatten. Als besonders günstig hat es sich herausgestellt, für den Träger Papier, Karton, Pappe oder einen textlien Träger (Gewebe, Gewirk, Fließ ggf. imprägniert) zu verwenden, die kostengünstig beschaff- und bedruckbar sind. Diese Materialien sollten jedoch an der bzw. den Seiten, auf denen die Leitbahnstruktur aufgedruckt werden soll, imprägniert bzw. bestrichen sein, um zumindest dem Eindringen des während des Aufdruckens pastösen elektrische leitenden Klebers entgegen zu wirken, so daß der größte Teil des aufgedruckten elektrisch leitenden Klebers auf der Oberfläche des Trägers verbleibt. Zum Imprägnieren bzw. Streichen können aus der Papierindustrie bekannte Stoffe ohne weiteres verwendet werden.
Günstig kann es sein, die auf dem Träger ausgebildete Leitbahnstruktur mit einem elektrisch isolierenden Überzug zu beschichten, um möglichen Kurzschlüssen entgegen zu wirken.
Eine solche Beschichtung kann z.B. ein zweiter Kleber sein, der in diesem Fall selbstverständlich elektrisch nicht leitend ist und der zusätzlich temporär mit einer Folie oder Papier temporär abgedeckt werden kann. Dadurch besteht die Möglichkeit, eine solche Folie bzw. das Papier bei Bedarf abzuziehen und den mit Leitbahnstruktur und Halbleiter-Chip versehenen Träger, wie ein Etikett an die verschiedensten Gegen-
stände zu kleben. Die so markierten Gegenstände können dann mit geeigneten induktiven bzw. kapazitiven Sensoren berührungslos identifiziert werden, so daß eine gezielte Sortierung von beispielsweise Gepäck oder Expreßgutsendungen automatisiert erfolgen können. Selbstverständlich besteht auch die Möglichkeit, andere Informationen kontaktlos aus dem Halbleiter-Chip auszulesen bzw. entsprechende Daten zum Halbkreis-Schaltkreiselement zu übertragen und dort zu speichern, wie dies z.B. beim bargeldlosen Zahlungsverkehr oder der Warenlogistik der Fall sein kann.
Mit der erfindungsgemäßen Lösung besteht die Möglichkeit, sowohl die Leitbahnstruktur, wie auch das jeweilige Halbleiter-Chip, unter Verwendung des gleichen elektrisch leitenden Klebers auf den Träger zu bringen und beide miteinander elektrisch leitend zu kontaktieren, so daß der Aufwand für das Herstellungsverfahren weiter verringert werden kann. Die Aushärtung des elektrisch leitenden Klebers wird, bevorzugt zur Verkürzung der Aushärtzeit, durch Energiezufuhr beschleunigt. Hierfür kann z.B. eine Wärmebehandlung in einem Ofen, aber auch eine Beheheizung mit elektrischem Strom oder die Bestrahlung mit Wärme, infrarotem, ultravioletem oder sichtbaren Licht vorgenommen werden, wobei die Temperaturen unterhalb 120 0C, bevorzugt bei maximal 100 0C gehalten werden sollten. Dieser Temperaturbereich sichert, daß keine Schaden am Halbleiter-Chip und keine unerwünschten 0 Veränderungen am Trägermaterial, auch wenn hierfür Papier, Karton oder Pappe verwendet wird, auftreten. Werden Papier, Karton, Pappe oder ein textiler Träger als Trägermaterial verwendet, kann ggf. auch auf den bei der herkömmlichen Flip-Chip-Technik verwendeten, sog. Underfiller verzichtet werden, da diese Materia-
• ·
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lien infolge unterschiedlicher Wärmeausdehnungen auftretenden Scherspannungen ohne weiteres ausgleichen können.
Mit dem erfindungsgemäßen Aufdruck der Leitbahnstruktur auf den Träger, kann auch eine sehr hohe Miniaturisierung erreicht werden, wobei es ohne weiteres möglich ist, einzelne Bahnen der Leitbahnstruktur mit einer Bahnbreite und einem Abstand zwisehen einzelnen Bahnen der Leitbahnstruktur unterhalb 100 &mgr;&pgr;&igr; zu erreichen. Die Höhe der Leitbahnstruktur kann < 4 0 &mgr;&tgr;&eegr;, bevorzugt < 25 &mgr;&pgr;&igr; gehalten werden.
Die Leitbahnstruktur und insbesondere die Koppelelemente können in ihrem Layout und ihrer Dimensionierung sehr einfach und flexibel optimiert werden, so daß beispielsweise eine große Reichweite für die kontaktlose Datenübertragung, eine hohe Übertragungssicherheit und eine sichere Energieversorgung des HaIbleiter-Chipes erreichbar sind.
Der erfindungsgemäße Träger zeichnet sich durch eine sehr gute Haftung der aufgedruckten Leitbahnstruktur aus, so daß der Träger, ohne Leitbahnbruch auch um relativ kleine Radien, zumindest unterhalb 5 mm Radius gebogen werden kann und auch in diesem Fall, kein Ablösen oder Brechen der Leitbahnstruktur zu verzeichnen ist.
0 Der erfindungsgemäße Träger kann ohne weiteres in der bereits beschriebenen Form für die kontaktlose Datenübertragung eingesetzt werden.
Es kann beispielsweise ein Farbdruck auf die Seite des Trägers aufgedruckt werden, auf der keine Leit-
bahnstruktur ausgebildet wird, die im Anschluß mittels eines transparenten Kunststoffes abgedeckt wird. Dadurch können die Probleme, die beim Drucken bestimmter Kunststoffarten auftreten, umgangen und der ästhetische Gesamteindruck eines solchen Druckbildes erhalten werden.
Selbstverständlich können auch mehrere Halbleiter-Chips auf einem Träger aufgebracht oder mehrere Träger als Stapel übereinander angeordnet werden, wobei im letzten Fall die Leitbahnstrukturen der verschiedenen Träger in gewünschter Form elektrisch leitend miteinander verbunden werden und ansonsten isoliert sind.
Ein erfindungsgemäßer Träger kann gleichzeitig mehrere Funktionen erfüllen, so daß sich verschiedene Anwendungsmöglichkeiten ergeben.
Nachfolgend soll die Erfindung an einem Beispiel näher erläutert werden.
Dabei zeigt:
Figur 1 ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Trägers mit einer Spule als Leitbahnstruktur, die mit einem Speicherschaltkreis als Halbleiter-Chip auf einem Träger aufgebracht ist.
30
Die die Leitbahnstruktur 3 darstellende Spule 4 wird im Siebdruck mit bevorzugt isotropem elektrisch leitendem Kleber, der unter der Bezeichnung DP 5029 von der Firma Du Pont oder 4 08 der Firma Acheson kommerziell erhältlich ist und in dem leitende Partikel mit
maximalem Durchmesser von 25 /xm enthalten sind, mit
einem ensprechend ausgebildeten metallischen Sieb im
Siebdruckverfahren auf, bei diesem Beispiel einen
Träger 1 aus Papier aufgedruckt. Die die Spule auf
Papier ausbildende Leitbahnstruktur 3 besteht bei
diesem Beispiel aus insgesamt sieben Windungen, deren Abmaße und Abstände unterhalb der im allgemeinen Teil der Beschreibung genannten Größen liegen.
Die einzelnen Windungen der Spule 4 sind mit dem hier als Speicherschaltkreis 2 verwendeten Halbleiter-Chip mittels bekannter Flip-Chip-Technik elektrisch leitend
verbunden, wobei die einzelnen Leitbahnen an den Kontaktstellen ebenfalls im Siebdruck punktuell mit
elektrisch leitendem Kleber bedruckbar sind, wobei
der Druck dem jeweiligen Anschlußmuster des verwendeten Schaltkreiselementes 2 entspricht. Das Bedrucken
der Leitbahnstruktur 3 und dieser Kontaktflecken kann naß in naß oder gleichzeitig erfolgen und im Anschluß an die Bestückung mit dem Halbleiter-Chip die Aushärtung in einem einzigen Verfahrensschritt durchgeführt werden.
Selbstverständlich können gleichzeitig auf einem
großformatigen Trägermaterial durch gleichzeitiges
Bedrucken mehrere solcher Träger 1 bedruckt und bestückt
werden, die im Nachgang, z.B. durch Schneiden
vereinzelt werden können.

Claims (16)

1. Träger für Halbleiter-Chips, der flächig ausgebildet ist und aus einem flexiblen, dielektrischen Material besteht, auf dem mindestens ein Halbleiter-Chip mit einer Leitbahnstruktur zur kontaktlosen Datenübertragung aufgebracht sind, dadurch gekennzeichnet, daß die aus einem elektrisch leitenden Polymer oder Klebstoff gebildete Leitbahnstruktur (3) unmittelbauf auf den aus Papier, Karton, Pappe oder einem textilen Material bestehenden Träger (1) aufgedruckt ist.
2. Träger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiter-Chip (2) in Flip-Chip-Technik mit der Leitbahnstruktur (3) kontaktiert und auf dem Träger (1) aufgebracht ist.
3. Träger nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Leitbahnstruktur (3), als Koppelelement (4) zur Daten- und/oder Energieübertragung ausgebildet ist.
4. Träger nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitbahnstruktur (3) eine Spule (4) mit mindestens einer Windung ausbildet.
5. Träger nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitbahnstruktur (3) auf beiden Seiten des Trägers (1) ausgebildet ist.
6. Träger nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Leitbahnstruktur (3) einen Kondensator, für die kontaktlose Datenübertragung, darstellt.
7. Träger nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die Leitbahnstruktur (3) mit einem elektrisch isolierenden Überzug beschichtet ist.
8. Träger nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (1) einseitig mit einem zweiten Kleber beschichtet ist.
9. Träger nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Kleber mit einer abziehbaren Folie oder einem abziehbaren Papier temporär abgedeckt ist.
10. Träger nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitbahnstruktur (3) und der Halbleiter-Chip (2) mit dem elektrisch leitenden Kleber verbunden sind, aus dem die Leitbahnstruktur (3) besteht.
11. Träger nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitbahnstruktur (3) und das Halbleiter-Chip mit isotrop elektrisch leitendem Klebstoff, anisotrop elektrisch leitendem Klebstoff oder nicht leitendem Klebstoff verbunden sind.
12. Träger nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß einzelne Bahnen der Leitbahnstruktur (3) mit einer Breite < 100 µm ausgebildet sind.
13. Träger nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Bahnen der Leitbahnstruktur (3) eine Höhe von < 40 µm aufweisen.
14. Träger nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Bahnen bzw. Windungen der Leitbahnstruktur (3) einen Abstand < 100 µm zueinander aufweisen.
15. Träger nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitbahnstrukturen (3) auf beiden Seiten des Trägers (1) mittels Bohrungen im Träger (1) ausfüllendem elektrisch leitenden Kleber, elektrisch leitend miteinander verbunden sind.
16. Träger nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der die Leitbahnstruktur (3) ausbildende Kleber, isotrop elektrisch leitend ist.
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