DE4041347A1 - Verfahren zur verbesserung der zuverlaessigkeit verkapselter integrierter schaltkreise (ic) - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Verbesserung der Zuverlässigkeit verkapselter integrierter Schaltkreise (IC), die sich auf den aktiven Flächen von Halbleiterchips befinden, wobei die Chips in Standard-Kunststoffgehäuse einge­ setzt werden und wobei vor dem Einsetzen der Chips in die Gehäuse jeder einzelne Chip auf metallische Unterlagen, die jeweils Inseln innerhalb von Kontaktrahmen bilden, geklebt wird und anschließend kontaktiert und mit Preßmasse umhüllt werden.

Halbleiterbauelemente stehen heutzutage mit komplett abge­ schlossene Gehäuse zur Verfügung, aus denen im wesentlichen nur die Anschlußfüße herausragen. Die Gehäuse sind als Kunst­ stoffteile entsprechend international akzeptierten Standard ausgebildet, z. B. als DIP (Dual Inline Package) mit SO-(Small Outline)- oder PQFP-(Plastic Quad Flat Pack)-Gehäuse.

IC-Gehäuse haben bei der bestimmungsgemäßen Verwendung der Bauelemente im wesentlichen zwei Aufgaben: Sie sollen einer­ seits dem Schutz der feinen Strukturen an der aktiven Ober­ fläche des Chips vor Umwelteinflüssen wie Korrosion durch Feuchte bzw. Ionen dienen und andererseits eine mechanische Beschädigung bei der Handhabung verhindern. Daneben dient das Gehäuse als Schnittstelle bei der elektrischen Verbindung der empfindlichen Mikrostrukturen mit der gröberen Außenwelt. Gelegentlich kommt als weitere Anforderung eine hinreichend gute Wärmeleitfähigkeit zur Abfuhr der Verlustleistung des Bauelementes hinzu.

Für die Massenproduktion von Bauelementen hat sich seit langem eine bestimmte Gehäusetechnik herausgebildet, bei der insbe­ sondere mit folgenden Schritten gearbeitet werden kann:

• - Zunächst werden die Chips mit einem leitfähigen Kleber auf eine metallische Unterlage, die als Leadframe-Insel oder kurz auch als Insel bezeichnet wird, aufgeklebt.
• - Anschließend werden die Chips mit feinen Gold- oder Alumini­ umdrähten, beispielsweise mit einem Durchmesser von 25 µm, von den Alu-Pads auf dem Chip zu Anschlußfingern eines die Insel umgebenden Anschlußrahmens des sogenannten Leadframes gebondet.
• - Darauf erfolgt ein Umpressen der Chips mit einer Preßmasse, beispielsweise einem hochgefüllten Duroplast bei etwa 175°C
• - Danach werden die umpressten Chips getempert, wobei einer­ seits eine Nachhärtung der Preßmasse und andererseits eine Relaxation eingefrohrener Spannungszustände stattfindet.
• - Schließlich werden die einzelnen ICs vereinzelt, wobei Fixierverbindungen zwischen den Leadframe-Anschlüssen abge­ trennt und die Anschlußfüße um 90° nach unten gebogen werden.

Die sogenannten Leadframes werden aus einem gewalzten Metall­ band als Stanzteil von 200 bis 250 µm Dicke ausgestanzt. Die aktive Struktur des Chips ist üblicherweise nicht direkt an der Chipoberfläche, sondern nach oben durch eine Passivierungs­ schicht aus beispielsweise Glas oder Siliziumnitrid oder häufig auch durch eine Polyimid-(PI)-Schicht geschützt. Wird die PI-Schicht weggelassen, besteht die Gefahr, daß große Füll­ stoffbrocken der Preßmasse die Passivierung durchstoßen und die IC-Struktur beschädigen. Außerdem kann auch α-Strahlung aus dem Füllstoff einzelne Speicherzellen eines Speicher-IC umschalten.

Sofern derartige Schutzschichten bereits verwendet werden, müssen beide Schutzschichten im Bereich der Anschlüsse (Bond- Pads) mit Löchern versehen werden, die deutlich größer sind als die Anschlüsse der Verbindungen (sogenannte Bond-Nailheads). Diese Löcher sind Eintrittsluken für Korrosion. Außerdem sind zur Erzeugung der Löcher zusätzliche Maskenprozesse erforderlich.

Es hat sich gezeigt, daß beim Abkühlen der umpreßten Bauele­ mente erhebliche Spannungen im IC entstehen, da die thermi­ schen Ausdehungskoeffizienten der einzelnen Materialien sehr unterschiedlich sind. Dabei wird der Silizium-Chip komprimiert, während die übrigen Materialien gedehnt werden. Dadurch können Scherspannungen an der Chipoberfläche entstehen, die besonders kritisch sind. Sie nehmen insbesondere zu den Chipkanten und den Chipecken hin stark zu. An den Chip- und Leadframekanten entstehen dadurch Spannungsspitzen, die zur Rißbildung in der Preßmasse führen können.

Obige Spannungen nehmen mit der Chipgröße zu. Die Empfindlich­ keit der integrierten Schaltkreise wird um so größer, je kleiner die Strukturen werden. Gerade aber Chip-Vergrößerung und Strukturverkleinerung auf dem Chip sind die Voraussetzungen für eine Leistungssteigerung.

Vom Stand der Technik ist es bereits bekannt, bei der Verkapselung von Chips darauf hinzuwirken, die mechanischen Spannungen auf die IC-Struktur zu mindern. Beispielsweise ist bereits eine Gelabdeckung vorgeschlagen und es sind bestimmte Designregeln für besonders gefährdete Chipzonen wie Chipränder und -ecken vorgeschlagen worden. Schließlich sind auch bereits völlig neue Gehäusekonstruktionen vorgeschlagen worden, bei denen beispielsweise die starre Leadframe-Insel entfällt oder Bondpads in die Chipmitte gelegt werden (siehe Proc. of the El. Comp. Conf. 1988, Seiten 552 bis 557).

Alle vorbekannten Vorschläge zur Verminderung des Einflusses der Spannungen sind vergleichsweise kompliziert und ergeben

daher einen beachtlichen Kostenaufwand. Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, ein einfaches und billiges Verfahren vorzuschlagen, mit dem die Spannungen an den Chipoberflächen verringert werden können.

Die Aufgabe ist bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß vor dem Umpressen der Chips deren Oberseiten und die Schmalseiten einschließlich der zuge­ hörigen Kanten mit einer wenigstens auf der Chipoberseite gleichmäßig dicken, kompressiblen Kunststoffschicht versehen werden. Eine derartige Gleichmäßigkeit der Schicht läßt sich insbesondere durch senkrecht zur Oberfläche der Chips einwir­ kende Zentrifugalkräfte erreichen. Dazu wird vorzugsweise mittels einer Dosiervorrichtung wenigstens ein Tropfen eines flüssigen Kunststoffes auf die Oberfläche der Chips aufge­ bracht, wobei die gleichmäßige Verteilung dadurch erfolgt, daß eine Vielzahl von auf einem Streifen aus Blech aufge­ brachten Chips um eine Achse parallel zur Längsachse des Streifens rotieren. Dabei können derartige Streifen mit Chips parallel zur Rohrachse auf die Innenseite eines Vierkant- oder Zylinderrohres zwecks Rotation um die Rohrachse angebracht werden. Es sind auch andere Modifikationen möglich.

Bei der Erfindung wird als Kunststoffschicht vorteilhafter­ weise das in obigem Zusammenhang an sich bekannte Polyimid (PI) verwendet, das aber erfindungsgemäß erst nach dem Draht-Bonden auf den Chip aufgebracht wird und auch um die Kanten und die Schmalseiten des Chips bedeckt. Ebenso kann als Kunststoff für die Schicht ein Lack verwendet werden. Durch geeignete Verfahrens­ führung können diese Materialien als Tropfen vorgegebener Größe und Verteilung auf der Oberfläche aufgebracht werden, wobei ein dosiertes Überfließen der Chipkante und damit eine Bedeckung der oberen Kante und der Schmalseiten mit Kunststoff erreicht wird.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen, bei denen verschiedene Verfahrenstechnologien angewendet werden.

Beispiel 1

Mit Hilfe einer Dosiervorrichtung wird vorvernetztes Poly­ imid (PI) mitten auf die Oberfläche des Chips getropft. Bei langen Chipoberflächen können mehrere Tropfen im Abstand oder ein Streifen aufgebracht werden.

Anschließend werden eine Vielzahl von Leadframe-Streifen mit Chips parallel zur Rohrachse auf die Innenseite eines Vierkant­ rohres gelegt. Man läßt nunmehr das Vierkantrohr um seine Längsachse rotieren, so daß die Tropfen auf dem Chip ver­ fließen und inbesondere auch die Kanten und die Schmalseite bedecken.

Beispiel 2

Statt Polyimid wird ein geeigneter, bis mindestens 180°C temperaturstabiler Lack verwendet. Die Lackschicht kann dicker als eine PI-Schicht sein. Mechanisch ist sie weicher als PI, aber härter als das Gel des Standes der Technik. Im Gegensatz zum Gel, daß sich wie eine Flüssigkeit verhält, sind aber Polyimid und Lack kompressibel. Insbesondere von der Handhabung her ist Lack besonders günstig.

Bei beiden Beispielen läßt sich das Polyimid (PI) oder der Lack zu einer gleichmäßigen Schicht über den Chip verteilen. Hierbei ist ein Fotoprozeß nicht erforderlich. Die Anschlüsse bzw. Bond- Verbindungen (Nailheads) sind nunmehr gut umschlossen und das Eintrittsloch in der Passivierung ist gegen Korrosion abgedich­ tet. Dabei fließt gerade soviel Polyimid (PI) oder Lack über die Chipränder, daß der Chip an allen Schmalseiten von einem Polyimid (PI)- oder Lackrahmen umgeben ist, der auf der überstehenden Leadframe-Insel oder dem Kleberwulst aufsteht. In jedem Fall kann dies durch Variation der Verfahrensparameter - insbesondere Größe und Verteilung des Tropfens, Viskosität des flüssigen Kunststoffes und Drehzahl des Rohres bei der Rotation um seine Längsachse - erreicht werden.

Bei den Beispielen ist jeweils vor dem Umhüllen des Chips mit Preßmasse zunächst eine Aushärtung und/oder Trocknung der Kunststoffschicht notwendig. Diese Vorgänge können aber bereits während der Rotation des Rohres gestartet werden und z. B. durch Strahlungsvernetzung, Strahlungsheizung bzw. Erwärmung in einem Ofen oder von einem heißen Luftstrom durch das rotierende Rohr bewirkt werden.

Bei den beschriebenen Beispielen ergibt sich insbesondere der Vorteil, daß der ganze Chip zunächst relativ weich gekapselt ist. Dadurch wirken die scharfen Chip-Kanten nicht direkt auf die Preßmasse, wodurch Spannungsspitzen in der Preßmasse gemildert oder vermieden sind.

Es hat sich gezeigt, daß eine etwa 100 µm dicke Beschich­ tung von Chip und Chipschmalseiten eine erhebliche spannungs­ mindernde Wirkung hat. Finite-Elemente-Rechnungen zeigen eine deutliche Reduktion der Spannungsspitzen.

Da auch an den Leadframe-Kanten Spannungsspitzen auftreten, die zu Rissen in der Preßmasse führen können, kann in einem weiteren Beispiel zusätzlich eine weiche Beschichtung um diese Kanten erfolgen. Eine solche Beschichtung wird durch Eintauchen der gegenüber dem Leadframe abgesenkten Insel in ein flaches Poly­ imid(PI)-oder Lackbad erzeugt. Überschüssige Tropfen werden in einer Schleuder abzentrifugiert.

Claims (11)

1. Verfahren zur Verbesserung der Zuverlässigkeit verkapselter integrierter Schaltkreise, die auf aktiven Flächen von Halb­ leiterchips angeordnet sind, wobei die Chips in Standard-Kunst­ stoffgehäuse eingesetzt werden und wobei vor dem Einsetzen der Chips in die Gehäuse einzelne Chips auf metallische Unterlagen, die jeweils Inseln innerhalb von Kontaktrahmen bilden, geklebt und anschließend kontaktiert und mit Preßmasse umpresst werden, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Umpressen der Chips deren Oberseiten und die Schmalseiten einschließlich der zugehörigen Kanten mit einer wenigstens auf der Chipoberseite gleichmäßig dicken, kompressiblen Kunststoff­ schicht versehen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleich­ mäßigkeit der Schicht durch senkrecht zur Oberfläche der Chips einwirkende Zentrifugalkräfte erreicht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mittels einer Dosiervorrichtung wenigstens ein Tropfen auf die Ober­ fläche der Chips aufgebracht wird und eine Vielzahl von auf einem Streifen aus Blech aufgebrachten Chips um eine Achse parallel zur Längsachse des Blechstreifens rotieren.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere Blechstreifen mit Chips parallel zur Rohrachse auf die Innenseiten eines Vierkantrohres zwecks Rotation um die Rohrachse angebracht werden.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Blechstreifen auf eine bezüglich ihrer Längsachse aufgehängte und rotierbare Platte außerhalb der Längsachse angebracht werden.

6. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Trocknung und/oder Aushärtung des Kunststoffes bereits während der Rotation erfolgt oder zumindest beginnt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß durch Größe und Verteilung der auf der Chipoberfläche aufgebrachten Tropfen einerseits sowie die Drehzahl bei der Rotation in Abhängigkeit von der Viskosität des Kunststoffes andererseits ein dosiertes Überfließen der Chipkante und damit eine Be­ deckung der oberen Kanten und der Schmalseiten des Chips mit Kunststoff erreicht wird.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Kunst­ stoff für die Schicht Polyimid (PI) verwendet wird.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Kunst­ stoff für die Schicht ein Lack verwendet wird.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auch die Kanten der über den Chip herausstehenden Insel mit einer Schicht aus kompressiblem Kunststoff versehen werden.

11. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung durch Eintauchen der Insel in ein flaches Bad mit flüssigem Kunststoff erzeugt wird.