DE4231705A1

DE4231705A1 - Halbleitervorrichtung mit einem Systemträger und einem damit verbundenen Halbleiterchip sowie Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE4231705A1
Application number: DE19924231705
Authority: DE
Inventors: Heinz Pape; Georg Ernst
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1992-09-22
Filing date: 1992-09-22
Publication date: 1994-03-24
Anticipated expiration: 2012-09-23
Also published as: DE4231705C2

Description

Die Erfindung betrifft eine Halbleitervorrichtung mit ei nem Systemträger und einem damit verbundenen Halbleiter chip.

Halbleiterchips werden zum Schutz vor Zerstörung und Um welteinflüssen sowie zur besseren Handhabbarkeit in Ge häuse montiert. Bevorzugte Bauform für Massenprodukte ist das Plastikgehäuse. Dabei wird der Halbleiterchip zunächst mit einem Systemträger verbunden. Dieser Systemträger be steht aus einem Rahmen, in dem üblicherweise ein inselför miger Chipträger sowie Anschlüsse für das fertige Produkt vorgesehen sind. Die Verbindung des Halbleiterchips mit dem Systemträger, d. h. mit der Chipträgerinsel erfolgt üblicherweise durch eine Klebung oder eine Legierung. Nach der Montage des Halbleiterchips werden dessen einzelne An schlußpunkte mit den Anschlüssen des Trägerrahmens z. B. mit Bonddrähten verbunden. Danach werden der Halbleiter chip und die Anschlüsse des Anschlußrahmens so umspritzt, daß der Halbleiterchip vollständig gekapselt ist und die Anschlüsse elektrisch und mechanisch zugänglich sind. Die nicht benötigten Teile des Anschlußrahmens (Leadframe) werden danach durch Stanzen entfernt. Das Gehäuse selbst besteht üblicherweise aus einer härtenden Kunststoff-Preß masse, die bei etwa 175°C verarbeitet wird.

Standardisierte Plastikgehäuse werden immer dünner. Die derzeit bereits eingesetzte TSOP-Bauform (Thin Small Outline Rackage) hat noch eine Gehäusedicke von 1 mm. Die lateralen Abmessungen dieses Gehäuses betragen beispiels weise bei einem 4M-DRAM 17,54×7,62 mm².

Um die Handhabung der fertigen Produkte mit Automaten so wie eine einwandfreie spätere Montage auf einer Leiter platte sicherzustellen, müssen das Gehäuse und seine An schlüsse eben sein. Bei den im Verhältnis zu den lateralen Abmessungen extrem dünnen Gehäusen, beispielsweise der TSOP-Bauform, spielen die thermischen Ausdehnungskoeffi zienten der am fertigen Produkt beteiligten Materialien eine wesentliche Rolle. Idealerweise müssen alle Ausdeh nungskoeffizienten gleich groß sein, damit keine Verbie gung auftritt. Tatsächlich sind jedoch die Ausdehnungs koeffizienten der Hauptmaterialien stark unterschiedlich. Silizium hat einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 3,5, die Preßmasse des Gehäuses von etwa 17 und eine Kupfer-Eisen-Legierung ebenfalls von etwa 17, jeweils in Einheiten ppm/K. Nach dem Umspritzen der Systemträger- Halbleiterchipanordnung mit Preßmasse ergibt sich bei ei nem TSOP-Gehäuse nach der Abkühlung auf Raumtemperatur ei ne Durchbiegung von ca. 120 µm. Bei tieferen Temperaturen, wie sie beispielsweise bei Qualitätstests vorgesehen sind oder im Einsatz vorkommen, ist die Verbiegung entspre chend größer.

Es ist bekannt, zur Verringerung der Durchbiegung andere Leadframe-Materialien zu verwenden, die thermisch besser an Silizium angepaßt sind. Dies ist beispielsweise mit ei ner Nickel-Eisen-Legierung von 42 : 58, die als Alloy 42 be zeichnet wird, möglich, deren thermischer Ausdehnungskoef fizient 4,5 ppm/K beträgt. Es ist auch bekannt, auf der Chipträgerinsel Schlitze vorzusehen oder die Inselbereiche von der Rückseite her auf geringe Reststärken von 20 bis 30 µm dünn zu ätzen. Der Nachteil dieser Methoden besteht darin, daß andere Materialien als Kupfer-Eisen generell teurer sind und unter Umständen schlechtere elektrische und thermische Eigenschaften haben, z. B. eine erheblich schlechtere Wärmeleitfähigkeit. Ein zusätzlicher Ätzprozeß für die Chipträgerinsel ist sehr teuer und kann allenfalls für Muster in Frage kommen. Die bessere thermische Anpas sung des Halbleiterchips mit der Chipträgerinsel wird durch eine schlechte Anpassung des Systemträgers und der Preßmasse erkauft. Die dadurch auftretenden Spannungen führen zu einer schlechteren Verankerung der Anschlüsse in der Preßmasse. Auch die Dichtheit des Gehäuses gegen Feuchte und Ionen wird verringert, was im Einsatz und bei Feuchtetests zu Korrosion auf dem Chip führt.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit anzugeben, die zu einer Verringerung einer Durchbiegung des fertigen Halbleiterprodukts führt und kostengünstig ist.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Patentansprüche 1 und 9 gelöst.

Ausgestaltungen der Erfindung sind in Unteransprüchen ge kennzeichnet.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Ausführungsbei spiele näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsge mäßen Vorrichtung in der Draufsicht und

Fig. 2 einen Schnitt durch die Vorrichtung nach Fig. 1,

Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungs gemäßen Vorrichtung in der Draufsicht und

Fig. 4 einen Querschnitt durch die Vorrichtung nach Fig. 3,

Fig. 5 einen Querschnitt durch eine dritte Ausführungs form und

Fig. 6 einen Querschnitt durch eine vierte Ausführungs form der Erfindung.

Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, den Halbleiter chip nicht mehr auf eine durchgehende Chipträgerinsel zu montieren, sondern die Verbindung nur noch über Verbin dungsbereiche herzustellen. Auf eine Chipträgerinsel im bekannten Sinn kann deshalb verzichtet werden. Die Fixie rung des Halbleiterchips relativ zum Leadframe erfolgt über die Verbindungsbereiche und den dafür vorgesehenen Klebstoff, die lediglich wenige Quadratmillimeter groß sein können. Die Verbindungsbereiche sind wie üblich über dünne Stege mit dem Anschlußrahmen verbunden.

Fig. 1 zeigt einen Anschlußrahmen 1 mit Anschlüssen 4 für den Halbleiterchip. Der Halbleiterchip 2 besitzt Anschluß flecken (Pads) 3, die in einem späteren Verfahrensschritt mit den Anschlüssen 4 beispielsweise durch Bonden verbun den werden. Am Anschlußrahmen 1 sind dünne Stege 6 befe stigt, die Verbindungsbereiche 5 tragen. Diese Verbin dungsbereiche werden mit Hilfe eines Klebstoffs 8 mit dem Chip 2 verklebt, siehe Fig. 2. Die Verbindungsbereiche 5 müssen nicht an der Stirnseite des Halbleiterchips liegen. Sofern an der Stirnseite die Bondverbindung zwischen den Pads 3 und den Anschlüssen 4 hergestellt werden soll, kön nen die Verbindungsbereiche auch an anderer Stelle des Systemträgers 1 bzw. des Halbleiterchips angeordnet sein. Die Haltestege 6 werden dann entsprechend anders zum An schlußrahmen 1 geführt.

Die geringste Gehäuseverbiegung nach der Umhüllung der er findungsgemäßen Halbleitervorrichtung mit Preßmasse ergibt sich, wenn der Halbleiterchip symmetrisch oder fast symme trisch in der Gehäusemitte liegt. In den Figuren ist des halb das Gehäuse 7 gestrichelt eingezeichnet. Anhand Fig. 2 ist zu erkennen, daß die Verbindungsbereiche 5 so gegen die Rahmenebene des Systemträgers als Verbindungs ebene zwischen den Anschlußstegen 6 versetzt sind, daß der Halbleiterchip 2 unter Berücksichtigung des Klebstoffs 8 im wesentlichen in der Gehäusemitte bzw. Rahmenebene liegt. In einer sehr günstigen Verbindungsform gemäß Fig. 2 wird der Systemträger auf den Halbleiterchip 2 mon tiert. Um Kurzschlüsse auf der Chipoberfläche zu verhin dern, die beispielsweise durch die metallischen Verbin dungsbereiche 5 entstehen könnten, sollte ein nicht lei tender Klebstoff 8 verwendet werden oder die Chipoberflä che mit einer Polyimidschicht 9 geschützt sein. Vorzugs weise werden beide Maßnahmen durchgeführt. Die Montage des Systemträgers 1 auf den Chip hat den Vorteil, daß die Vor richtung eine ebene Unterseite, nämlich die plane Chip rückseite aufweist. Damit ergeben sich für die Weiterver arbeitung, bei der die Vorrichtung beispielsweise auf ei nen Tisch zum Drahtbonden aufgebracht werden muß, Vortei le. Darüber hinaus ergibt sich ein besserer Wärmekontakt beim Bonden, da die Chiprückseite üblicherweise metalli siert ist.

Grundsätzlich ist es möglich, die Verbindungsbereiche an den Stellen des Halbleiterchips vorzusehen, an denen keine Pads 3 vorhanden sind. Das bedeutet, daß die Verbindungs bereiche auch unterhalb des Chips angeordnet sein können. Bei einer Anordnung der Verbindungsbereiche unterhalb des Halbleiterchips empfiehlt es sich, Schmelzkleberfolien zu verwenden, damit beim Aufsetzen des Halbleiterchips kein Kleber seitlich herausgedrückt wird. Dadurch könnten Werk zeuge verschmutzen, so daß häufige Fertigungsstops zu be fürchten wären.

Bei einer Klebung des Systemträgers auf der Chipoberseite, wie in den Fig. 1 und 2 dargestellt, können übliche flüssige nichtleitende Kleber verwendet und sehr dünne Kleberschichtdicken erzielt werden. Seitlich unter den Verbindungsbereichen 5 herausgequetschter Kleber bleibt auf dem Chip und ermöglicht eine schnelle Fixierung der Vorrichtung bei einer UV-Härtung des Klebers. Der Kleber stellt kein Problem für die weiteren Fertigungsschritte dar und läßt eine Schädigung der Chipoberfläche nicht er warten, da der Klebstoff 8 weicher ist als die Preßmasse, mit der die erfindungsgemäße Vorrichtung umspritzt wird.

Ein wesentlicher Vorteil aller in den Figuren dargestell ten Ausführungsformen der Erfindung besteht darin, daß die Fixierung des Klebers bzw. die erfindungsgemäße Vorrich tung keinen zusätzlichen Beitrag zur Gesamtdicke des spä teren Gehäuses liefert, da über dem Halbleiterchip ohnehin eine Mindestschichtdicke der Preßmasse vorgesehen sein muß, damit die Bonddrähte zwischen den Halbleiterpads 3 und den Anschlüssen 4 nicht aus dem Gehäuse herausragen. Gegenüber einer bekannten Anordnung aus Halbleiterchip, Kleber und Systemträgerinsel ergibt sich eine Dickenver ringerung um etwa 180 µm, das sind etwa 18% der bisheri gen Gesamtdicke.

Die Fig. 3 und 4 zeigen in der Draufsicht und im Quer schnitt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, die sich vom ersten Ausführungsbeispiel dadurch unterscheidet, daß die Verbindungsbereiche 15 zwischen dem Systemträger 1 und dem Halbleiterchip 2 nicht mehr auf der Chipober- oder -unterseite, sondern entlang einer Chipkante angeord net sind. Der Halbleiterchip wird dabei mit sehr enger Toleranz zwischen die von den Anschlußstegen 16 gehaltenen Verbindungsbereiche 15 gesetzt. Anschließend wird Kleb stoff 8 aufgetragen, der zu einer schnellen Fixierung füh ren kann. In der Ausführungsform gemäß Fig. 4 ist zu er kennen, daß der Halbleiterchip etwa symmetrisch in der Ge häusemitte bzw. in der Ebene des Systemträgerrahmens zu liegen kommt.

In der dritten Ausführungsform gemäß Fig. 5 sind die Ver bindungsbereiche 25, die von Anschlußstegen 26 gehalten werden, abgewinkelt. Der Halbleiterchip 2 wird ebenfalls mit enger Toleranz zwischen die Verbindungsbereiche ge setzt und der Zwischenraum mit Klebstoff aufgefüllt. Damit ergibt sich der Vorteil, daß nahezu die gesamte Chipkante als Klebefläche zur Verfügung steht.

In der Ausführungsform gemäß Fig. 6 verlaufen die Verbin dungsbereiche 25 im Querschnitt winkelförmig zur senkrech ten Chipkante. Der Zwischenbereich wird mit Klebstoff 8 aufgefüllt. Aufgrund der Tatsache, daß die Verbindungsbe reiche 35 zu den Anschlußstegen 36 noch einmal abgebogen sind, ergibt sich eine federnde Aufhängung des Halbleiter chips im Anschlußrahmen. Auch in diesem Ausführungsbei spiel ergibt sich eine vergleichsweise große Klebefläche an der Chipkante bzw. dem Verbindungsbereich 35.

Den Ausführungsbeispielen nach den Fig. 3 bis 6 ist ge meinsam, daß ein nichtleitender Kleber verwendet werden muß. Eine Polyimidschicht auf der Halbleiteroberfläche muß dagegen nicht zwingend vorgesehen sein. Die Ausführungs beispiele führen zu einer besonders dünnen Vorrichtung, da keine Verbindung zur Chipober- oder Chipunterseite erfor derlich ist. In allen Ausführungsbeispielen ergibt sich eine ebene Unterseite der Vorrichtung.

Ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Vor richtung nach den Ausführungsbeispielen sieht vor, daß ein Chip zunächst positioniert und fixiert wird, beispielswei se durch Ansaugen. Da die Leadframes bzw. Systemträger üblicherweise nicht einzeln, sondern in Streifen verarbei tet werden, können immer etwa acht bis zehn Halbleiter chips gleichzeitig mit den Leadframes verbunden werden. Nach der Fixierung der Halbleiterchips werden alle Chips mit einem Klebstoff 8 versehen und der Leadframestreifen wird so aufgesetzt, daß jedem Halbleiterchip ein System träger zugeordnet ist.

Bei einem Klebstoff, der mit UV-Licht vorvernetzt werden kann, drückt man seitlich etwas Klebstoff aus dem Verbin dungsbereich heraus und belichtet diesen mit einer UV-Lam pe, beispielsweise über Lichtleiter. Bei thermisch schnell härtenden Klebern läßt sich eine ähnliche Vorfixierung durch Strahlungsheizung oder kurzes Aufheizen erzielen. Sobald der Klebstoff eine gewisse Mindestfestigkeit hat, kann der Leadframestreifen mit den Halbleiterchips entnom men und in gewohnter Weise weiterverarbeitet werden. Allein bei niedrigviskosen, langsam härtenden Klebern ist vorgesehen, den Leadframestreifen gemeinsam mit den Chips auf einer separaten Schiene zu fixieren, beispielsweise durch Klammern, wobei die Halbleiterchips evtl. durch die Verbindungsbereiche gegen die Unterlage gedrückt werden, so daß die Chips auch ohne Ansaugung oder sonstige Fixie rung gehalten werden. In diesem Fall muß die ganze Schiene mit dem Leadframestreifen und den Chips eine Heizstrecke durchlaufen, um den Klebstoff aushärten zu lassen.

Claims

1. Halbleitervorrichtung mit einem Systemträger und einem damit verbundenen Halbleiterchip, dadurch gekennzeichnet, daß der Systemträger (1) zwei separate, einander zugeord nete und jeweils über einen Steg (6, 16, 26, 36) mit einem Rahmen (1) des Systemträgers verbundene Verbindungsberei che (5, 15, 25, 35) aufweist, die mit dem Halbleiterchip (2) verklebt sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsbereiche des Systemträgers auf die Oberseite des Halbleiterchips geklebt sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsbereiche (5, 15, 25, 35) des Systemträ gers so gegen die Rahmenebene des Systemträgers versetzt sind, daß der Halbleiterchip nach der Klebung im wesentli chen in der Rahmenebene liegt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Halbleiterchips eine Abdeckschicht aus Polyimid (9) hat.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Klebstoff (8) für die Verbindung des Halbleiter chips mit den Verbindungsbereichen (5, 15, 25, 35) nicht leitend ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsbereiche (15, 25, 35) nicht mit dem Halbleiterchip überlappen und mit der Chipkante verklebt sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsbereiche (15, 25) stumpf oder abgewin kelt in Richtung der Kante des Halbleiterchips ausgeführt sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsbereiche (35) derart ausgeführt sind, daß sie den Halbleiterchip an dessen Kante über federnd aufgehängte Klebeverbindungen halten.

9. Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

- mindestens ein Halbleiterchip wird positioniert und fixiert,
- der Halbleiterchip wird mit Klebstoff versehen,
- der Systemträger wird aufgesetzt und
- die Klebeverbindung wird gehärtet.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Systemträger so auf den Halbleiterchip aufgesetzt wird, daß aus der Klebeverbindung Klebstoff austritt, der gehärtet wird.