DE4435120C2

DE4435120C2 - Schutzschicht für Wafer und Verfahren zu deren Herstellung

Info

Publication number: DE4435120C2
Application number: DE19944435120
Authority: DE
Inventors: Detlef Houdeau; Harald Loesch; Heinz Pape; Rainer Tilgner
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1994-09-30
Filing date: 1994-09-30
Publication date: 2000-08-03
Anticipated expiration: 2014-10-01
Also published as: DE4435120A1

Description

Der Trend in der Entwicklung von integrierten Schaltungen (IC) und entsprechenden IC-Gehäusen geht seit einigen Jahren in Richtung von höherer Integration, höheren Anschlußzahlen und geringerer Bauhöhe. So wird ständig eine Weiterentwick lung von Gehäusen für integrierte Schaltungen bzw. Chips be trieben. So sind die sogenannten TSOP-Gehäuse zu den UTSOP- Gehäusen (Ultra Thin Small Outline Packages) weiterentwickelt worden. Dies wird in der folgenden Literaturstelle beschrie ben - Nakagawa O. et al. J. of Electronic Material; Vol. 18, Nr. 5 (1989), S. 633. Die erwähnten UTSOP-Gehäuse konnten derart weiterentwickelt werden, daß eine Gehäusedicke von 0,45 mm und eine Montagehöhe von 0,5 mm erzielt wurde. Eine weitere ähnliche Entwicklung zeichnet sich auch bei QFP- Gehäusen ab (Quad Flat Package; Gehäuse mit vier Reihen abge bogener Anschlüsse, in der Regel für die Oberflächenmontage), so sind bereits Veröffentlichungen bekannt, in denen QFP- Entwicklungen mit einer Dicke von 0,8 mm vorgestellt werden.

In einigen Anwendungsfällen, wie beispielsweise bei ASIC (Application Specific Integrated Circuit)und bei Speicherbau steinen wird nach Abschluß der planartechnisch erzeugten Vor derseitenstrukturierung und vor dem Vereinzeln (Dicing) und dem Montieren (Diebonding) eine Kunststoffschutzschicht auf gebracht, die über Masken in der Regel photolithographisch strukturiert wird. Sie stellt einen mechanischen Schutz für die Handhabung der Wafer, sowie einen chemomechanischen Schutz gegenüber der Preßmasse (MC, Molding Compound) nach dem Umhüllen und Abkühlen bzw. der feuchten Lagerung dar. Nach dem Beschichten und der foto- bzw. ätztechnischen Struk turierung bleiben üblicherweise die Ritzrahmen mit den Test strukturen, sowie die elektrischen Anschlüsse (Pads) unbe deckt.

Als Schutzschichtmaterial kommt beispielsweise ein Polyimid zum Einsatz. Es erfüllt die Anforderungen hinsichtlich einer hohen Glastemperatur (Temperatur bei der ein Stoff vom weichen in den spröden Zustand übergeht) bzw. Schmelztemperatur, eines hohen Isolationswi derstandes (ASTM 150, American Society for Testing and Mate rials), eines geringen Schrumpfes (ASTM D2863-77) und eines geringen Elastizitätsmodules (ASTM 882-69). Weniger gut ist die thermische Ausdehnung, die mit 27 ppm/K bei 20°C gegen über dem beschichteten Siliziumchip um über eine Zehnerpotenz höher liegt, obwohl dieser Wert im unteren Feld der hochtem peraturbeständigen Kunststoffe liegt. Ein weiterer Nachteil von Polyimid besteht in der relativ hohen Wasseraufnahmefä higkeit. Diese liegt zwischen 1,3 und 2,9% nach US-Federal Test Nr. 406. Der Wert wird durch den Grad der Vernetzung des Polyimides eingestellt. Je höher der Grad der Vernetzung ist, desto geringer wird die Fähigkeit zur Wasseraufnahme. Mit der Erhöhung des Vernetzungsgrades verändert sich Polyimid von hellorange bis dunkelbraun. Je dunkler die Schutzschicht ist, desto weniger können die aktiven Strukturen auf dem Chip er kannt werden. Bei dunklen Polyimidschichten ist daher eine geringere Schichtdicke (2-5 µm) und bei helleren eine höhere Schichtdicke (5-10 µm) erforderlich bzw. vorteilhaft. Die hohe Materialsteifigkeit und die hohe thermische Kontraktion nach dem Umspritzen (Moulding) und der Abkühlung auf Raumtempera tur und darunter erzeugen aufgrund der dilathermischen Fehl anpassung (thermisch bedingte Längenänderungen) relativ zum Chip eine mechanische Verspannung. Dabei besteht der Chip in der Regel aus dotiertem Silizium in Kombination mit Multilay ern aus Phosphorsilikatglas, Si₃N₄ und strukturierten Alumi niumleiterbahnen an der Oberfläche. Zusätzlich wirken hydro dynamische Drücke nach dem Moulding auf die elektrisch akti ven Strukturen, wodurch Risse in den Leiterbahnen, sowie lo kale Abplatzungen der Passivierungsschicht auftreten und zum frühzeitigen Verschleiß bzw. zum frühzeitigen funktionellen Ausfall, beispielsweise in einem ersten Testlauf, führen kön nen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schutzschicht für Wafer zu beschreiben, deren Materialkennwerte insgesamt einen mechanischen und chemomechanischen Schutz für die Strukturen des Chips gegenüber der umhüllenden Preßmasse bie tet. Des weiteren soll ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Schutzschicht bereitgestellt werden. Die Lösung dieser Aufgaben geschieht durch die Merkmale des Anspruches 1 bzw. des Anspruches 6.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß durch eine Aufteilung der Schutzschicht in mindestens zwei übereinander liegende Schichten die gewünschten Anforderungen an die Ge samtschicht bezüglich der Materialkennwerte erzielbar sind. Dabei wird eine funktionelle Aufteilung der Schutzschicht in zwei Bereiche (Dual-Coating) vorgenommen: Eine erste direkt auf dem Chip aufgebrachte harte Schicht ist hydrophob, d. h. wasserabweisend und eine zweite darüberliegende Schicht ist duktil, d. h. ausreichend weich, um mechanische Spannungen ab zufangen. Insgesamt wird berücksichtigt, daß Polymere typi scherweise einen hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen. Die bei einem Temperaturwechsel in einer Struktur dadurch sekundär auftretenden mechanischen Spannungen zwi schen Preßmasse und aktiver Struktur können an sich nur durch Herabsetzung des Elastizitätsmoduls des Kunststoffes abgebaut werden. Eine Verringerung des Elastizitätsmodules in einem weiten Temperaturbereich bedeutet aber zwangsläufig eine er höhte Wasserdampfdurchlässigkeit bzw. -aufnahme. Durch den Einsatz mindestens zweier oben beschriebener Schichten wird ein Kompromiß dargestellt, wobei eine Schicht eine wesentli che Wasserundurchlässigkeit aufweist und die andere Schicht entsprechend mechanische Spannungen abbauen kann.

Die jeweilige Ausgestaltung der mindestens zwei vorhandenen Teilschichten geschieht durch die Steuerung des Vernetzungs grades der einzelnen Schichten. Das Material wird in der Re gel nicht voll vernetzt, sondern beispielsweise zu einem Pro zentsatz zwischen 2 und 50%. Dies wird gesteuert durch die Bestrahlungszeit, in der ein im Kunststoff enthaltender Pho toinitiator entsprechend aktiviert wird. Bei Erreichen der gewünschten Werkstoffeigenschaften wird die Bestrahlung abge brochen.

Die Bestrahlung geschieht in vorteilhafter Weise durch UV- Licht, dessen Wellenlänge im speziellen zwischen 280 und 380 nm liegt. Dieser Wellenlängenbereich der UV-Strahlung liefert die aktinische, d. h. wirksam den im Kunststoff enthaltenen Photoinitiator aktivierende Strahlung.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel beschrieben:
Die Schutzschicht ist in diesem Ausführungsbeispiel in zwei Schichten unterteilt. Die erste direkt auf dem Chip aufge brachte Schicht ist hoch vernetzt und die darüberliegende zweite Schicht ist niedrig vernetzt. Beide Schichten werden in Stufen nacheinander aufgebracht. Beide Schichten werden jeweils nach ihrem Aufbringen gezielt polymerisiert. Der Ver netzungsgrad wird durch die Strahlungsintensität (UV-B) ein gestellt. Da beide Materialien einen ähnlichen chemischen Aufbau besitzen, ist eine hohe Haftung möglich. Neben der Be handlung des genannten Polyimids ist das Verfahren des Dual- Coatings grundsätzlich mit anderen Kunststoffen anwendbar, sofern sie kurzzeitig hochtemperaturbeständig sind. So können beispielsweise auch Acrylate, insbesondere Polsuret hanacrylat, zum Einsatz kommen. Die Acrylate werden nicht nur zur Viskositätssteuerung für die einzelnen Schichten, sondern auch als reaktive Vernetzungsharze eingesetzt. Auch hier erfolgt die Vernetzung (additiv) mit aktinischen UV-Strahlen.

Die Materialkennwerte der Schichten werden derart einge stellt, daß folgende Beziehung berücksichtigt wird:

Die Materialkennwerte werden derart eingestellt, daß die er ste Schicht, die direkt auf dem strukturierten Siliziumwafer aufgebracht ist, bei der Verwendung von Polyurethanacrylat folgende Kennwerte aufweist:

Elastizitätsmodul: 600 bis 1000 N/mm²
Shore-Härte: 50 D bis 60 D
nach DIN 53505 (Deutsche Industrie Norm)
Dehnung: 10 bis 15%
Wasserpermeabilität: < 0,005 g/m² bei 20°C
Glastemperatur: kleiner 0°C

Entsprechend gilt für die zweite darüberliegende Schicht:

Elastizitätsmodul: kleiner als 10 N/mm²
Dehnung: größer 150%
Shore-Härte: kleiner, als in der ersten Schicht
Wasserpermeabilität: größer, als in der ersten Schicht

Die beiden Schichten sind in ihrer Schichtdicke vorzugsweise gleichstark. Die Schichtdicke eines Acrylates kann dabei ge genüber einer Polyimidschicht grundsätzlich größer gewählt werden, da keine farbliche Veränderung des Polymeres mit va riablem Vernetzungsgrad bzw. unterschiedlicher Wasseraufnahme erfolgt. Die Kurzzeittemperaturbelastbarkeit beträgt 300°C für einige Minuten bis zu 500°C/10 s. Somit sind alle we sentlichen Materialeigenschaften in der Gesamtschicht enthal ten und ein unter dieser Schutzschicht liegendes Si₃N₄, das sehr feuchteempfindlich ist, kann ausreichend geschützt wer den. Des weiteren wird die Feuchtigkeitsaufnahme insgesamt erniedrigt, so daß Schäden aufgrund von eingeschlossenem und verdampfendem Wasser eliminiert werden. Durch die Zwei- oder Mehrfachunterteilung der Schutzschicht für Wafer kann in der Schutzschicht insgesamt durch die entsprechende Steuerung der gewünschten Materialkennwerte gleichzeitig für den Abbau thermisch erzeugter mechanischer Spannungen gesorgt werden.

Es ist ebenso möglich, eine Mehrzahl von Schichten mit je weils gegeneinander abgestuften Eigenschaften übereinander anzuordnen und eine Schutzschicht zu bilden.

Der Einsatz einer derartigen Schutzschicht ist unabhängig von der Montageart der integrierten Schaltung möglich.

Claims

1. Schutzschicht für Wafer, die den vorderseitig strukturier ten Wafer mechanisch und chemomechanisch gegenüber der den Wafer zur Herstellung eines Gehäuses umhüllenden Preßmasse schützt und aus einem kurzzeitig hochtemperaturbeständigen Kunststoff besteht, wobei

- die Schutzschicht aus mindestens zwei übereinanderliegenden Schichten des gleichen aushärtbaren Kunststoffes besteht, und
- die direkt auf dem strukturierten Wafer vorhandene Schicht bzw. die näher zum Wafer positionierte Schicht höhere Werte bezüglich Elastizitätsmodul und Härte und niedrigere Werte bezüglich Dehnung und Wasser-Permeabilität aufweist, als die darüberliegende zweite Schicht bzw. eine vom Wafer ent fernter liegende Schicht.

2. Schutzschicht nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Schutzschicht aus einem mittels UV- Strahlung aushärtbaren Kunststoff besteht.

3. Schutzschicht nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die Schutzschicht aus Polyimid besteht.

4. Schutzschicht nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die Schutzschicht aus einem Acrylat be steht.

5. Schutzschicht nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Aufteilung der Schutzschicht in zwei Schichten die Schichtdicke jeder einzelnen Schicht ungefähr 50% beträgt.

6. Verfahren zur Herstellung einer Schutzschicht entsprechend einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei

- eine erste Schicht direkt auf den strukturierten Wafer auf gebracht wird,
- die Aushärtung dieser ersten Schicht derart mittels wirksa mer UV-Strahlung gesteuert wird, daß in dieser ersten Schicht ein hoher Vernetzungsgrad vorliegt und entsprechend hohe Werte bezüglich Elastizitätsmodul und Härte erzeugt werden,
- eine zweite Schicht auf der ersten Schicht aufgebracht wird,
- die Aushärtung dieser zweiten Schicht derart mittels wirk samer UV-Strahlung gesteuert wird, daß in dieser zweiten Schicht ein wesentlich niedrigerer Vernetzungsgrad vor liegt, als in der ersten Schicht und niedrigere Werte be züglich Elastizitätsmodul und Härte erzeugt werden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich net, daß die Schutzschicht insgesamt aus Polyuret hanacrylat besteht, die erste hochvernetzte Schicht ein Ela stizitätsmodul von 600 bis 1000 N/mm², eine Shore-Härte von 50 D bis 60 D, eine Dehnung von 10 bis 15% und eine Wasser permeabilität von 0,005 g/m² bei 20°C aufweist und die zweite Schicht ein Elastizitätsmodul von weniger als 10 N/mm², eine Dehnung von über 150%, eine geringere Härte und eine höhere Wasserpermeabilität im Verhältnis zur ersten Schicht aufweist.