DE4310170A1 - Halbleiterchip - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Halbleiterchip mit wenig­ stens einem aktiven Bereich.

Um Halbleiterchips miteinander zu verbinden, werden Kera­ miksubstrate oder Leiterplatten verwendet, auf denen die unterschiedlichen Chips bzw. deren Anschlüsse oder Pins mit Drähten verbunden sind. Im Falle von Keramiksubstra­ ten erfolgt die Verlegung der Verbindungsdrähte in oder auf der Keramik, wogegen die Leitungen bei der Verwendung von Leiterplatten durch Leiterbahnen auf der Leiterplatte gebildet sind. Für jeden Chip ist dabei ein eigenes Ge­ häuse erforderlich, das die Herstellungskosten wesentlich erhöht. Die theoretische Möglichkeit, die integrierten Schaltungen oder aktiven Bereiche sonst getrennter Chips in einem Halbleiterbauteil zu integrieren, führt jedoch zu großflächigeren Chips. Da die Kosten der Chips mit de­ ren Größe überproportional steigen, ist dadurch eine ko­ stengünstiger. Fertigungsweise nicht möglich. Darüber hinaus sind die miteinander zu verbindenden Chips sehr häufig mit unterschiedlichen, einander ausschließenden Herstellungsverfahren gefertigt, so daß eine gemeinsame Fertigung mehrerer Einzelchip-Bauteile auf einem einzigen Halbleiterchip prinzipiell nicht möglich ist.

Eine weitere herkömmliche Art, zwei Chips miteinander zu verbinden, besteht darin, auf den gehäusefreien Chip-Sub­ straten Anschlußflächen, sogenannte Pads, vorzusehen, die mit einem Draht, beispielsweise durch das sogenannte wire-bonding-Verfahren, miteinander verbunden werden. Für die Anbringung von Pads ist jedoch eine erhebliche Fläche des Halbleitersubstrats erforderlich. Da die Kosten für ein Halbleiter-Bauelement wesentlich von der Größe des Halbleitersubstrats abhängen, erhöhen sich bei diesem Verfahren zur Verbindung von Chips die Kosten wesentlich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Halblei­ terchip zu schaffen, der auf einfache und kostengünstige Weise mit anderen Chips verbunden werden kann.

Ausgehend von einem Halbleiterchip mit wenigstens einem aktiven Bereich wird die gestellte Aufgabe dadurch ge­ löst, daß wenigstens ein zusätzlicher Chip auf dem Halb­ leiterchip angeordnet ist. Die zu verbindenden Chips wer­ den also nicht auf einer zusätzlichen Leiterplatte oder einem zusätzlichen Keramiksubstrat aufgebracht und die einzelnen Chip-Anschlüsse dann über Leitungen miteinander verbunden, sondern der zusätzliche Chip wird direkt auf dem Halbleiterchip angeordnet. Der große Vorteil besteht darin, daß dadurch keine Verbindungsdrähte oder Leiter­ bahnen erforderlich sind. Dadurch ergeben sich kürzere Signalwege, was beispielsweise bei der Verwendung schnel­ ler Prozessoren oder Speicher zur Erhöhung der Arbeitsge­ schwindigkeit von Vorteil ist. Insbesondere dann, wenn der Halbleiterchip und/oder der zusätzliche Chip ein Sen­ sor ist, kann er auf Grund der kurzen Signalwege klein und als sehr empfindlicher Sensor ausgebildet sein. Ins­ besondere sind auf Grund der kurzen Signalwege elektro­ magnetische Einstreuungen, die das Sensorsignal beein­ trächtigen oder verfälschen können, weniger gravierend als bei herkömmlichen Anordnungen mit aus Drähten beste­ henden Verbindungsleitungen zwischen dem Sensor und bei­ spielsweise einer Auswerteschaltung.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der zusätzliche Chip wenigstens teilweise auf einem freien Bereich des Halbleiterchip-Substrats angeordnet. In diesem Falle dient dieser freie Bereich als Träger für den zusätzlichen Chip. Alternativ ist es jedoch auch mög­ lich, daß der zusätzliche Chip wenigstens teilweise über dem aktiven Bereich des Halbleiterchips angeordnet ist. Dadurch kann die Fläche des Halbleiterchips weiter ver­ ringert werden, und auch die Verbindungsleitungen zwi­ schen den Chips werden dadurch noch kürzer.

Von besonderem Vorteil ist es, wenn die elektrische Ver­ bindung zwischen dem Halbleiterchip und dem zusätzlichen Chip durch direkte Kontaktierung der Kontaktstellen mit­ einander erfolgt. Dadurch sind die Kontaktierungsstellen bzw. die Eingangs-/Ausgangs(I/O)-Verbindungen von Chip zu Chip auf dem Halbleitersubstrat klein und benötigen nur eine geringe Fläche, so daß die Abmessungen des Halblei­ terchip-Substrats klein gehalten werden kann. Da die Ko­ sten eines Halbleiter-Bauelements wesentlich von der Größe des Halbleiterchip-Substrats abhängen, können die Anordnungen gemäß der vorliegenden Erfindung kostengün­ stiger gefertigt werden.

Die Kontaktierung der Anschlüsse des zusätzlichen Chips mit denen des Halbleiterchips ist auf verschiedene Weise, vorzugsweise mittels eines Lötvorgangs, eines Bonding- Verfahrens oder der Flip-Chip-Technik möglich. Die An­ schlußflächen bestehen dabei vorzugsweise aus leitenden Metall-Legierungen in einer Zusammensetzung, die für das jeweilige, gewählte Kontaktierungsverfahren ausgewählt und vorteilhaft ist. Durch diese Kontaktierungsmaßnahmen ergibt sich eine sehr kostengünstige Montage komplexer Einheiten.

Gemäß einer weiteren sehr vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der Halbleiterchip und der zusätzliche Chip in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht. Die di­ rekte Kontaktierung der beiden Chips miteinander, die - jeweils einzeln gesehen - noch nicht verpackt sind bzw. ohne Gehäuse miteinander verbunden sind, werden vorzugs­ weise in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht. Da die Kosten eines Chips wesentlich durch das Gehäuse und die durch das Gehäuse hindurchgehenden Verbindungsstifte be­ stimmt sind, kann auf diese Weise ein wesentlich einfa­ cherer, kostengünstiger Chip mit hoher Packungsdichte und unter Verwendung getrennt gefertigter Chips hergestellt werden. Insbesondere sind insgesamt wesentlich weniger Verbindungen nach außen erforderlich, wodurch nicht nur der Herstellungsaufwand geringer, sondern insbesondere auch die Zuverlässigkeit sowohl während des Fertigungs­ verfahrens als auch bei der Montage des Chips und während seines Einsatzes erhöht wird.

Gemäß einer sehr vorteilhaften Ausführungsform der Erfin­ dung ist der Halbleiterchip und der zusätzliche Chip mit unterschiedlichen Fertigungsprozessen gefertigt. Dadurch lassen sich sehr vorteilhafte Chip-Kombinationen auf ein­ fache Weise und auf kleinstem Raum schaffen. In diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, wenn der Halbleiterchip eine Steuerschaltung mit geringer Leitungsaufnahme und der zusätzliche Chip eine Leistungsschaltung ist, oder umgekehrt. Dadurch ist ein kompaktes Zusammenschalten von Leistungs- und Steuerelektronik möglich, was Vorteile bei der Anwendung derartiger Bauelemente im Automobilbau und für Maschinensteuerungen bietet. Die Steuerschaltung mit geringer Leistungsaufnahme kann dabei vorzugsweise in CMOS-Technik gefertigt sein, während die Leistungsschal­ tung bipolar aufgebaut ist. Die Fertigungstechnik kann also für die jeweiligen Einzelchipbereiche optimal ge­ wählt werden. Normalerweise ist es nicht möglich, unter­ schiedliche Chipfertigungstechniken gleichzeitig anzuwen­ den, da sich die dabei verwendeten Säuren, Lösungsmittel oder sonstige für die Behandlung erforderlichen chemi­ schen Stoffe nicht vertragen oder sich gar ausschließen.

Von besonderem Vorteil ist die vorliegende Erfindung auch dann, wenn der Halbleiterchip ein Sensorchip und der zu­ sätzliche Chip eine integrierte Auswerteschaltung für den Sensorchip ist. Auf diese Weise kann in einer kompakten, kleinen Baueinheit der Sensor einschließlich Auswerte­ schaltung untergebracht sein, wobei der Sensor und die Auswerteschaltung jeweils unabhängig mit unterschiedli­ chen Fertigungsprozessen hergestellt werden können. Be­ sonders vorteilhaft ist es in diesem Zusammenhang, daß praktisch keine Verbindungsleitungen zwischen Sensor und Auswerteschaltung erforderlich sind, so daß die Gefahr einer Störeinstreuung wesentlich verringert werden kann. Darüber hinaus ist es möglich, sowohl die Auswerteschal­ tung als auch den Sensor in einem elektromagnetisch dich­ ten, abgeschlossenen Gehäuse unterzubringen, wodurch die Störempfindlichkeit derartiger Halbleiterchips weiter verringert wird. Dadurch können sehr kleine, empfindliche Sensoren verwendet werden, da das Ausgangssignal der Sen­ soren insbesondere auch von der Größe der Sensoren ab­ hängt.

Im Zusammenhang mit der Anwendung der vorliegenden Erfin­ dung auf dem Gebiet der Sensorik ist es insbesondere auch möglich, den zusätzlichen Chip, der vorzugsweise als Aus­ werteschaltung eingesetzt wird, so anzuordnen, daß er als mechanische Begrenzung von bewegten Sensoren, beispiels­ weise Beschleunigungssensoren, dient, wie dies nachfol­ gend an Hand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden wird.

Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht nur mit Vor­ teil auf dem Gebiet der Sensortechnik, sondern allgemein in der Datenverarbeitung einsetzbar. So können als akti­ ver Bereich Prozessoren, Koprozessoren, Speicher, Analog­ /Digital-Wandler, Sensoren, Steuerschaltungen und/oder optische Schaltungen verwendet werden. Entsprechend kön­ nen die zusätzlichen Chips Koprozessoren, Speicher, Ana­ log-/Digital-Wandler, Sensoren, Steuerschaltungen oder optische Schaltungen sein. Insbesondere ist die Anwendung der Erfindung im Zusammenhang mit optischen Schaltungen vorteilhaft, weil die optische Schaltung beispielsweise Galium-Arsenit-Technik, wo gegen die Auswerteschaltung in der CMOS-Technik bzw. bipolar gefertigt werden muß. Mit der erfindungsgemäßen Anordnung ergibt sich dennoch eine kleine, sehr kompakte Bauweise, die im Zuge der Minia­ turisierung von Bauteilen angestrebt wird.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist der Halbleiterchip und/oder der zusätzli­ che Chip Anschlußflächen etwa in Form von Bonding Pads für die Verbindung nach außen auf. Insgesamt sind jedoch wesentlich weniger Verbindungen bzw. Anschlüsse durch Ge­ häuse erforderlich, weil sich die Verbindungen zwischen den Chips selbst innerhalb des Gehäuses befinden, wodurch nicht nur die Verpackungskosten geringer, sondern auch die Zuverlässigkeit des Chips höher werden bzw. wird.

Die Erfindung, sowie weitere Merkmale und Vorteile der­ selben wird bzw. werden nachfolgend an Hand von Ausfüh­ rungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Figuren erläu­ tert. Es zeigen:

Fig. 1 eine herkömmliche Chipverdrahtung auf einem Kera­ miksubstrat,

Fig. 2 eine herkömmliche Verdrahtung von Chips auf einer Leiterplatte,

Fig. 3 eine herkömmliche Verdrahtung von Chips mittels Bond-Drähten und

Fig. 4 eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Halb­ leiterchips.

Fig. 1 zeigt eine herkömmliche Verdrahtungsform von Chips 1 mit Verbindungen 2, die in oder auf einem Keramiksub­ strat 3 ausgebildet sind. Bei der Verdrahtung gemäß Fig. 2 sind die in jeweils einem Gehäuse befindlichen Chips 1 über ihre Anschlußpins 4 und Leiterbahnen 5 einer Leiterplatte 6 miteinander verdrahtet. Die in Fig. 3 dargestellte Verdrahtung erfolgt mit Bond-Drähten 7, die Anschlußflächen 8 eines Sensorchips 9 mit Anschlußflächen 10 einer Auswerteschaltung 11 verbinden.

Diese herkömmlichen Montage- bzw. Verdrahtungsarten wei­ sen den Nachteil auf, daß jeweils Verbindungsleitungen 2, 5 bzw. 7 für die Verdrahtung erforderlich sind, die nicht nur einen hohen Fertigungsaufwand darstellen, sondern zu­ sätzlich Anlaß zu Beschädigungen und - im Falle von Sen­ sorschaltungen - Anlaß zu elektromagnetischen Einstrah­ lungen bieten, wodurch sowohl die mechanische als auch die funktionelle Zuverlässigkeit der Chipkombination lei­ det. Auch die erforderliche Fläche für das Kontaktieren oder Bonden der Verbindungsleitungen 2, 5, 7 auf dem Halbleitersubstrat sind relativ groß, so daß dadurch die Halbleiter-Substratfläche für den aktiven Schaltungs- oder Sensorbereich nicht voll genutzt werden kann. Die in Fig. 2 dargestellte erfindungsgemäße Ausführungsform weist einen Sensorchip 31 mit einem Sensor 32 auf, der im dargestellten Ausführungsbeispiel ein beweglicher Sensor ist. Auf dem Sensorchip 31 ist auf einem freien Bereich eine Auswerteschaltung 33 angeordnet, die über leitende Kontakte mit entsprechenden Anschlußflächen 34 des Sensorchips 31 beispielsweise mittels eines Lötvorgangs verbunden ist. Die Anschlußflächen 34 des Sensorchips 31 sind bei diesem Ausführungsbeispiel über integrierte Lei­ ter 36 mit dem Sensor 32 verbunden. Der gesamte Sensor­ chip mit dem darauf aufgebrachten, als Auswerteschaltung dienenden zusätzlichen Chip 33 ist in einem Gehäuse 37 untergebracht, welches als Rahmen angedeutet ist. Der Sensorchip 31 bzw. die Auswerteschaltung 33 ist nach au­ ßen, also durch den Gehäuseboden des Gehäuses 37 hindurch mit Pins 38 über Bond-Verbindungen 35 verbunden.

Zwischen dem Sensorchip 31 und dem zusätzlichen Chip 33 sind keine Drähte erforderlich. Vielmehr ergibt sich eine direkte Kontaktierung der beiden Chips innerhalb eines gemeinsamen Gehäuses.

Bei dem in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel ist über dem Beschleunigungssensor 32 ein mechanisches Be­ grenzungselement 39 beispielsweise aus Silicium, vorgese­ hen, das die Ausschläge des Beschleunigungssensor be­ grenzt. Das Begrenzungselement 39 kann in einem Arbeits­ gang zusammen mit dem zusätzlichen Chip 33 auf dem Sen­ sorchip aufgelötet werden.

Die Erfindung wurde zuvor an Hand eines bevorzugten Aus­ führungsbeispiels erläutert. Dem Fachmann sind jedoch zahlreiche Abwandlungen und Ausgestaltungen möglich, ohne daß dadurch der Erfindungsgedanke verlassen wird. Insbe­ sondere kann der zusätzliche Chip 33 auch über dem akti­ ven Bereich eines Halbleiterchips 31, beispielsweise ei­ nes Sensorchips, angeordnet werden, wodurch sich die Halbleiterfläche des Halbleiterchips weiter verkleinern läßt. Auch ist es möglich, dem Halbleiterchip 31 mehrere aktive Bereiche, d. h. mehrere Sensoren 32 und/oder inte­ grierte Schaltungen vorzusehen. Darüber hinaus können auch mehr als ein zusätzlicher Chip 33 auf dem Halblei­ terchip 31 angebracht werden, wenn dies gewünscht bzw. erforderlich ist.

Claims (15)

1. Halbleiterchip mit wenigstens einem aktiven Bereich (32), dadurch gekennzeichnet, daß we­ nigstens ein zusätzlicher Chip (33) auf dem Halblei­ terchip (31) angeordnet ist.

2. Halbleiterchip nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der zusätzliche Chip (33) wenigstens teil­ weise auf einem freien Bereich des Halbleiterchips (31) angeordnet ist.

3. Halbleiterchip nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der zusätzliche Chip (33) wenig­ stens teilweise über dem aktiven Bereich (32) des Halbleiterchips (31) angeordnet ist.

4. Halbleiterchip nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Verbindungen zwischen dem zusätzlichen Chip (33) und dem Halbleiterchip (31) durch direkte Kontaktierung der Anschlüsse (34) miteinander erfolgt.

5. Halbleiterchip nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktierung der Anschlüsse des zusätzlichen Chips (33) mit denen (34) des Halbleiterchips (31) mittels eines Lötvor­ gangs erfolgt.

6. Halbleiterchip nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß die Kontaktierung der An­ schlüsse des zusätzlichen Chips (33) mit denen (34) des Halbleiterchips (31) mittels eines Bonding-Ver­ fahrens erfolgt.

7. Halbleiterchip nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß die Kontaktierung der An­ schlüsse des zusätzlichen Chips (33) mit denen (34) des Halbleiterchips (31) mittels der Flip-Chip-Tech­ nik erfolgt.

8. Halbleiterchip nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterchip (31) und der zusätzliche Chip (33) in einem gemein­ samen Gehäuse (37) untergebracht ist.

9. Halbleiterchip nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterchip (31) und der zusätzliche Chip (33) mit unterschied­ lichen Fertigungsprozessen hergestellt ist.

10. Halbleiterchip nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterchip (31) eine Steuerschaltung mit geringer Leistungsauf­ nahme und der zusätzliche Chip (33) eine Leistungs­ schaltung ist.

11. Halbleiterchip nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterchip (31) ein Sensorchip und der zusätzliche Chip (33) eine integrierte Auswerteschaltung für den Sensor­ chip (31) ist.

12. Halbleiterchip nach Anspruch 11, dadurch gekennzeich­ net, daß der zusätzliche Chip (33) als mechanisches Begrenzungselement (39) für einen beweglichen Sensor (32) vorgesehen ist.

13. Halbleiterchip nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß der aktive Bereich (32) des Halbleiterchips (31) wenigstens ein Prozes­ sor, ein Koprozessor, ein Speicher, ein A/D- bzw. D-/A-Wandler, ein Sensor, eine Steuerschaltung und/oder eine optische Schaltung ist.

14. Halbleiterchip nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß der zusätzliche Chip (33) wenigstens ein Prozessor, ein Koprozessor, ein Speicher, ein A/D- bzw. D-/A-Wandler, ein Sen­ sor, eine Steuerschaltung und/oder eine optische Schaltung ist.

15. Halbleiterchip nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterchip (32) und/oder der zusätzliche Chip (33) Anschlußflä­ chen (35) für Anschlüsse nach außen aufweist.