DE3917707A1 - Elektronisches modul und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

Elektronisches modul und verfahren zu seiner herstellung

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein elektronisches Modul gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Bauteile dieser Art befinden sich bereits auf dem Markt.
Für spezielle Anwendungen, beispielsweise zum Einbau in normier­ te Chipkarten oder miniaturisierte Hörgeräte, benötigt man Mo­ dule, die starke mechanische Belastungen vertragen , dabei eine flache Bauform haben und insgesamt kostengünstig hergestellt werden können.
Flachmodule werden derzeit, wenn es um die Fertigung großer Stückzahlen geht, vorwiegend in der sogenannten Drahtmontage­ technik realisiert. Bei diesem Kontaktierungsverfahren metal­ lisiert man zunächst eine Kunststoffolie, gibt dann der Metal­ lisierung eine Struktur, bei der eine zentrale Trägerfläche von mehreren Lesekontakten umgeben ist, und veredelt schließlich die einzelnen Metallbereiche. Dann versieht man die Kunststoff­ folie im Bereich der Trägerfläche mit einer zentralen Durchbre­ chung und oberhalb der einzelnen Lesekontakte jeweils mit einem Kontaktierungsloch. Anschließend wird der Chip in die zentrale Durchbrechung eingesetzt und mit der Trägerfläche verklebt. Hier­ nach fixiert man an der freiliegenden Chipoberfläche Bonddrähte, führt diese Drähte durch die Kontaktlöcher und verfestigt sie dort mit den zugehörigen Lesekontakten. Abschließend wird die gesamte Anordnung mit einem Kunststofftropfen abgedeckt, um sie zu versteifen und auch gegen mechanische Beschädigungen zu schützen. Diese herkömmliche Montagetechnik ist in mehrfacher Hinsicht noch nicht zufriedenstellend:
  • - Die Drahtverbindungen sind aufgrund ihrer Geometrie mechanisch nicht sonderlich stabil und können insbesondere bei Verbiegun­ gen leicht brechen.
  • - Die Kunststoffabdeckung läßt sich nicht ohne weiteres mit ei­ ner definierten Dicke herstellen. Man muß sie dann, wenn eine bestimmte Modulhöhe vorgegeben ist, auf das verlangte Maß ab­ schleifen und entsprechende Mehrkosten in Kauf nehmen.
  • - Wenn das Bauteil flach sein soll, muß man, da die Drahtbogen­ führung und die Kunststoffabdeckung eine Bauhöhe von min­ destens 300µm beanspruchen, zu extrem flachen Halbleiterchips von beispielsweise unter 200µm übergehen. Chips dieser Stär­ ke können nur aus Wafern mit begrenztem Durchmesser, also re­ lativ unrationell, hergestellt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Modul der eingangs genannten Art anzugeben, das mechanisch robust ist, ohne wei­ teres in eine flache Form gebracht werden kann und nicht zuletzt auch unter Kostengesichtspunkten attraktiv ist. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Modul mit den Merkmalen des Pa­ tentanspruchs 1 gelöst.
Das Prinzip, einen mit Höckern versehenen Chip "umgekehrt" auf seinen Träger zu fixieren, d.h. schmelzfähige Höcker direkt auf Metallbahnen einer Leiterplatte aufzusetzen und in dieser Po­ sition zu verlöten, ist an sich bekannt, und zwar unter der Bezeichnung "Flipchip-Kontaktierung" (vgl. hierzu beispielsweise in der von Hans-Jürgen Hacke verfaßten Monographie "Montage in­ tegrierter Schaltungen", Springer Verlag, 1987, das Kapitel 4.3). Bei diesem Montierverfahren geht es allerdings darum, die Anzahl von Kontaktstellen zu reduzieren, Signallaufzeiten zu verkürzen und die Packungsdichte zu erhöhen. Davon abgesehen bezieht sich die bekannte Flipchip-Technik auch auf Anordnungen, bei denen sich die zu kontaktierenden Leiterbahnen auf der dem Chip zu­ gewandten statt - wie erfindungsgemäß vorgeschrieben - abgewand­ ten Trägerseite befinden.
Ist bei einem erfindungsgemäßen Modul die Kunststoffolie so dick, daß zwischen den Höckern, die normalerweise etwa 20µm hoch sind, und ihren Lesekontakten ein Spalt verbleibt, so muß der elektrische Kontakt durch zusätzliche Maßnahmen hergestellt werden. Bewährt haben sich hierbei insbesondere zwei Alterna­ tiven: Man schließt den Spalt entweder mit einer Lotpaste (z.B. Sn/Pb) oder durch eine galvanische Verstärkung des Lesekontaktes und führt dann - in beiden Fällen - eine Reflow-Lötung durch.
Bei Kunststoffolien mit Dicken unter 20µm bietet es sich an, die Höcker so zu gestalten, daß sie durch eine einfache Nachbe­ handlung auf die richtige Höhe reduziert werden können. Denk­ bar wäre die Verwendung von schmelzbaren, etwa aus In/Pb beste­ henden Höckern oder von - vorzugsweise galvanisch aufgebrachten oder als Nailhead angeformten - Goldhöckern, die dann mit einer Reflow-Lötung aufgeschmolzen bzw. durch eine Thermokompression gestaucht werden.
Wenn die Höcker eine Höhe haben, die etwas größer ist als die Dicke der Kunststoffolie, verbleibt zunächst zwischen Folie und Chip ein Spalt. In diesem Raum kann man, am besten durch eine Einfüllöffnung im Träger, einen Kleber oder Lack einbringen, der dann die empfindliche Halbleiteroberfläche schützt und überdies dem Chip einen noch besseren Halt gibt.
Um das Modul auch vor massiveren mechanischen Einwirkungen und insbesondere vor starken Verbiegungen zu schützen, sollte man das Halbleiterelement mit einem versteifenden Rahmen umgeben, der auf der Kunststoffolie fixiert wird und den Chip allseitig umgibt. Dieses Teil könnte aus Metall, etwa Aluminium, oder einem duro- bzw. thermoplastischen Kunststoff bestehen und das Bauelement um ein gewisses Maß überragen.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung, insbesondere rationelle Fertigungsverfahren, sind Gegenstand zusätzlicher Ansprüche.
Die Erfindung soll nun anhand zweier Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert werden. In den Figuren der Zeichnung sind einander entsprechende Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen. Es zeigen:
Fig. 1 in einer Draufsicht ein erstes Ausführungsbeispiel, bei dem die Kunststoffolie relativ dick ist;
Fig. 2 das Modul der Fig. 1 im Schnitt II-II; und
Fig. 3 in der gleichen Darstellungsweise wie Fig. 2 ein wei­ teres, mit einer relativ dünnen Kunststoffolie ver­ sehenes Ausführungsbeispiel.
Das Modul der Fig. 1 und 2 ist zur Verwendung in einer Chipkarte vorgesehen. Solche Karten, die bereits in mehreren Ausführungen im Gebrauch sind, haben eine normierte Dicke von 0,76 mm und müssen bestimmte Biegebelastungen vertragen können.
Das dargestellte Modul enthält einen Halbleiterchip 1, einen zweilagigen, aus einer Kunststoffolie 2 und Lesekontakten 3 gebildeten Träger 4 sowie einen Kunststoffrahmen 5.
Die Kunststoffolie 2, die aus einem etwa 35µm dicken, flexib­ len Kunststoff besteht, besitzt Kontaktlöcher 6 und eine Füll­ öffnung 7. Die Lesekontakte 3 bestehen jeweils aus einer etwa 35µm starken, mit einer 2 bis 3µm starken Nickelschicht und darüber einer zwischen 0,4 und 3µm dicken Goldschicht veredel­ ten Kupferschicht. Die Durchbrüche sind so angeordnet, daß je ein Kontaktloch 6 zu einem der Lesekontakte 3 führt und die Ein­ füllöffnung 7 freiliegt.
Der Chip 1 enthält Höcker 8, die von der die Schaltung aufweisen­ den Chipfläche ("Vorderseite") ausgehen und jeweils in eines der Kontaktlöcher hineinragen. Diese Höcker sind, wie man der Fig. 2 entnimmt, über eine Lotbrücke 9 mit den ihnen jeweils zu­ geordneten Lesekontakten elektrisch leitend verbunden. Die em­ pfindliche Vorderseite des Chips 1 ist im übrigen mit einem Lack 10 überzogen, der durch die Einfüllöffnung 7 eingegeben worden ist. Der Chip ist damit gegen Beschädigungen geschützt und zusätzlich fixiert.
Einen weiteren Schutz vor mechanischen Einwirkungen bietet der Rahmen 5, ein flaches, biegesteifes Teil aus einem duro- oder thermoplastischem Kunststoff, das den Chip etwas überragt.
Das Modul wird folgendermaßen hergestellt.
Zunächst beklebt man die Kunststoffolie mit einem Kupferlaminat (3-lagiger Träger) oder beschichtet das Laminat mit einem in flüssiger Form aufgebrachten und anschließend ausgehärtetem Kunststoff (2-lagiger Träger). Anschließend bildet man in der Kunststoffolie die benötigten Durchbrüche, beispielsweise durch Stanzen, Bohren, Ätzen oder Laserbeschuß. Hiernach wird das Kupferlaminat in einer üblichen Fotoätztechnik strukturiert und anschließend in einem Strombad verstärkt, wobei seine Vordersei­ te ganzflächig und seine Rückseite in den Foliendurchbrüchen eine Auflage erhalten. Anschließend appliziert man Lotpaste in die Kontaktlöcher, positioniert den Chip und stellt die elektri­ schen Kontakte durch Aufschmelzen der Lotpaste her. Danach tropft man in die Einfüllöffnung einen Kleber, der sich durch Kapillar­ wirkung auf der ganzen Vorderseite des Chips ausbreitet, und läßt ihn anschließend trocknen. Dann wird der Rahmen aufgesetzt und ebenfalls verklebt.
Das so fertiggestellte Modul wird schließlich in eine Vertiefung der Chipkarte eingesetzt, und zwar so, daß die Lesekontakte in der Ebene der Chipkartenoberfläche liegen und dort von den Spi­ tzen eines Lesegerätes abgetastet werden können. Wenn die Chip­ karte eine Dicke von 0,76 mm hat und ihre Stärke im Bereich der Vertiefung aus Stabilitätsgründen noch etwa 0,1 mm beträgt, so verbleibt bei der hier vorgeschlagenen Modulbauweise für den Chip immer noch eine Bauhöhe von etwa 550µm. Eine solche Chip­ stärke läßt sich ohne weiteres aus Wafern mit Durchmessern von 5 oder mehr Zoll fertigen.
Das Ausführungsbeispiel der Fig. 3 unterscheidet sich von der Bauform der Fig. 1 und 2 lediglich darin, daß die Kunststoffolie 2′ dünner ist, daß die Höcker 8′ aus einer schmelzbaren Legie­ rung bestehen und den Lesekontakten direkt aufliegen und daß der Versteifungsrahmen aus einem Metall, beispielsweise Alumi­ nium, Bronze oder Messing, statt aus Kunststoff besteht. Dieses Modul wird wie die Ausführung der Fig. 1 und 2 hergestellt, wobei zur Schaffung des elektrischen Kontaktes zwischen Höcker und Lesekontakt die Höcker in einer Reflow-Technik aufgeschmolzen und mit den Lesekontakten verfestigt werden.
Die Erfindung ist nicht nur auf die dargestellten Ausführungs­ beispiele beschränkt. So können die vorgeschlagenen Module auch in anderen flachen Informationselementen eingesetzt werden. Da­ rüberhinaus bleibt es dem Fachmann unbenommen, die Modulbauform auch noch in konstruktiver Hinsicht abzuwandeln. Beispielsweise könnte man die Kleberschicht statt durch einen zentralen Durch­ bruch in der Kunststoffolie einfach vom Rand her unter den Chip fließen lassen. Oder man könnte, um die Biegeverträglichkeit noch weiter zu erhöhen, die Höcker mehr zur Chipmitte hin ver­ legen.

Claims (17)

1. Elektronisches Modul, insbesondere zur Verwendung in einer Chipkarte, mit einem Halbleiterelement, das auf einer seiner Flächen Anschlußbereiche aufweist, und mit einem Träger, der eine Kunststoffolie mit Durchbrüchen und eine in Lesekontakte unterteilte Metallisierung enthält, wobei das Halbleiterelement auf dem Träger fixiert ist und seine Anschlußbereiche durch die Durchbrüche hindurch mit den Lesekontakten kontaktiert sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterelement (1) auf der Kunststoffolie (2), und zwar an ihrer den Lesekontakten (3) abgewandten Seite, fixiert ist, daß die Anschlußbereiche mit Höckern (8) verstärkt sind und daß die Höcker (8) in die Durchbrüche (Kontaktlöcher 6) der Kunststoff­ folie hineinragen.
2. Modul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der Kontakt zwischen den Höckern (8) und den ihnen jeweils zugeordneten Lesekontakten (3) durch eine Lotbrücke (9) hergestellt ist.
3. Modul nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Lotbrücke aus Sn, Sn/Pb oder In/Pb besteht.
4. Modul nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Kontakt zwischen den Höckern (8) und den ihnen jeweils zugeordneten Lesekontakten (3) durch eine galvanische Verstärkung der Lesekontakte (3) hergestellt ist.
5. Modul nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die galvanische Verstärkung aus einer In- oder In/Pb-Beschichtung besteht.
6. Modul nach einem der Ansprüche 1, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Höcker (8) aus einem schmelzbaren Material, insbesondere einer In/Pb-Legierung, be­ stehen und die ihnen jeweils zugeordneten Lesekontakte (3) direkt kontaktieren.
7. Modul nach einem der Ansprüche 1, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Höcker (8) galvanisch verstärkt sind und die ihnen jeweils zugeordneten Lesekontakte (3) direkt kontaktieren.
8. Modul nach einem der Ansprüche 1, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Höcker (8) aus Au be­ stehende Nailhead-Anschlüsse sind und die ihnen jeweils zugeord­ neten Lesekontakte (3) direkt kontaktieren.
9. Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß sich zwischen dem Halblei­ terelement (1) und der Kunststoffolie (2) eine Lackabdeckung (10) befindet.
10. Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterelement (1) von einem Versteifungsrahmen (5) umgeben ist, der auf der Kunst­ stoffolie (2) fixiert ist.
11. Modul nach Anspruch 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Versteifungsrahmen (5) aus einem duro- oder thermoplastischem Kunststoff besteht.
12. Modul nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Versteifungsrahmen (5) aus einem Metall, insbesondere Aluminium, Bronze oder Messing, besteht.
13. Modul nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Versteifungsrahmen (5) das Halbleiterelement überragt.
14. Verfahren zur Herstellung eines Moduls nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung der Lotbrücken (9) die Lesekontakte (3) mit Lotpaste belegt und die Lotpaste nach Einsetzen des Halbleiterbauelements (1) auf­ geschmolzen wird.
15. Verfahren zur Herstellung eines Moduls nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung des Kontaktes die galvanisch verstärkten Lesekontakte (3) auf­ geschmolzen werden.
16. Verfahren zur Herstellung eines Moduls nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die aus schmelzbarem Material bestehenden Höcker (8) durch ein Auf­ schmelzen in direkten Kontakt mit den Lesekontakten (3) ge­ bracht werden.
17. Verfahren zur Herstellung eines Moduls nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Höcker (8) durch eine Thermo-Kompression in direkten Kon­ takt mit den Lesekontakten (3) gebracht werden.
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