DE69535250T2 - Flip-Chip mit wärmeleitender Schicht - Google Patents

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Description

  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Diese Erfindung betrifft allgemein integrierte Halbleiterschaltungen und insbesondere Strukturen hoher Dichte und Herstellungsverfahren.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Der fortdauernde Bedarf an integrierten Schaltungen hoher Leistungsfähigkeit in kleineren Chipflächen hat zum Verkleinern von Transistorabmessungen und zum Erhöhen der Betriebsleistungsdichten geführt. Dies führt zu Verlustleistungsproblemen, insbesondere bei Schaltungen auf GaAs-Basis, weil GaAs ein Drittel der thermischen Leitfähigkeit von Silicium aufweist. Eine Lösung für das thermische Problem ist ein Flip-Chip-Ansatz, bei dem das Substrat, auf dem die Schaltung hergestellt ist, "umgedreht" wird und die Schaltungsseite direkt an eine Wärmesenke bzw. eine Masseebene gebondet wird. Hierdurch wird das Problem beseitigt, dass das Substrat mit seiner geringen thermischen Leitfähigkeit zwischen der Schaltung und der Wärmesenke liegt.
  • Das Flip-Chip-Bonden für integrierte Schaltungen ermöglicht eine höhere Zwischenverbindungsdichte bei geringeren parasitären Impedanzen als bei dem traditionellen Drahtbonden und automatisierten Bandbonden. Beim Flip-Chip-Bonden werden Löthöcker auf den Bondkontaktstellen auf der Vorderseite eines Chips mit einer mit Lötmittel benetzbaren Metallisierung auf einem Trägersubstrat ausgerichtet, und ein Lötmittel-Wiederaufschmelzen bildet alle Löt-Bonds gleichzeitig. Im Gegensatz zum Drahtbonden können die Flip-Chip-Bondkontaktstellen an beliebigen Stellen auf der Vorderseite eines Chips angeordnet werden und vereinfachen so das Layout der integrierten Schaltung.
  • Ein Problem beim traditionellen Flip-Chip-Ansatz besteht darin, dass die einzige Schaltungsanordnung auf der Unterseite des Wafers in Form aktiver Vorrichtungen, beispielsweise Transistoren, vorliegt. Übertragungsleitungen, Widerstände, Kondensatoren, Bondkontaktstellen usw. werden auf der Oberseite des Wafers angeordnet. Zugang zwischen den aktiven Vorrichtungen auf der Unterseite und der passiven Schaltungsanordnung auf der Oberseite wird durch Durchgangslöcher bereitgestellt, die durch die Dicke des Wafers laufen. Die Notwendigkeit der Durchführung einer Verarbeitung auf beiden Seiten des Wafers erhöht das Ausmaß der Handhabung des Wafers und führt zu einem komplexen Fertigungsprozess.
  • 1 zeigt eine typische monolithische integrierte Mikrowellenschaltung (MMIC) 100 aus dem Stand der Technik und eine Luftbrücke 102, die zwei Source-Bereiche eines MESFETs 104 durch ein Durchgangsloch 106 mit einer Masseebene 108 verbindet. Die Schaltung weist auch Mikrostreifen-Übertragungsleitungen 110 für Anpassungs- und Ein-/Ausgabeschaltungen auf. Eine Drahtbondverbindung 112 verbindet mit einer Kontaktstelle 114 auf einem Aluminiumoxidsubstrat 116, das wiederum mit einem Koaxialkabel verbinden kann. Die Masseebene 108 grenzt typischerweise an eine Wärmesenke 118 an, und das GaAs-Substrat oder der Chip 120 ist typischerweise etwa 100 μm dick. Es sei bemerkt, dass die niedrige thermische Leitfähigkeit des GaAs-Chips 120 in dieser Konfiguration zu einer hohen thermischen Impedanz für Vorrichtungen führt.
  • 2 zeigt einen Flip-Chip-Ansatz aus dem Stand der Technik für das Problem von Vorrichtungen mit einer hohen thermischen Impedanz. Eine Flip-Chip-MMIC 200 weist einen MESFET 202 mit einer Luftbrücke 204 in direktem Kontakt mit der Wärmesenke 206 auf. Der MESFET 202 wird auf einem GaAs-Chip 208 hergestellt. Eine Masseebene 210 wird auf die Oberfläche des Wafers aufgebracht, und eine Luftbrückenplattierung wird aufgebracht, um eine im Wesentlichen planare Oberfläche zu bilden, mit der die Wärmesenke 206 in Kontakt zu bringen ist. Der Eingang und der Ausgang für den MESFET 202 (oder eine andere aktive Vorrichtung) wird durch den Chip 208 mittels eines Durchgangslochs 212 zur Oberseite des Chips geleitet, wo Signale durch eine Drahtbondverbindung 214 zu einer Kontaktstelle 216 auf einem Aluminiumoxidsubstrat 218 abgeleitet werden, wie in 1 dargestellt ist. Übertragungsleitungen 220, Kondensatoren 222 und Widerstände 224 sind auf der Oberseite des Chips 208 ausgebildet. Diese Konfiguration hat den Nachteil, dass auf beiden Seiten des Halbleiterchips 208 eine Verarbeitung erforderlich ist. Die erhöhte Anzahl der Waferhandhabungs- und Prozessschritte bei diesem Ansatz stellen einen erheblichen Kostennachteil dar.
  • Weitere Beispiele aus dem Stand der Technik können der als 0663693 veröffentlichten europäischen Patentanmeldung (nur nach Artikel 54(3) Stand der Technik), worin eine vorderseitige mit Luftbrücken versehene Masseebene dargestellt ist, die bei der Wärmeabfuhr hilft, und dem als 5 202 752 veröffentlichten US-Patent, das eine umgedrehte Konstruktion mit einer direkt mit einer Wärmesenke gekoppelten Hochleistungsvorrichtung zeigt, entnommen werden.
  • Die vorliegende Erfindung sieht integrierte Schaltungen mit aktiven Vorrichtungen in Kontakt mit einer Wärmesenke für ein überlegenes thermisches Impedanzverhalten vor. Die Schaltungen weisen auch eine Anpassungsschaltungsanordnung und passive Bauelemente auf der gleichen Fläche auf, auf der die aktiven Vorrichtungen gebildet sind. Dies ermöglicht es, dass praktisch alle Prozessschritte auf einer einzigen Seite des Substrats ausgeführt werden. Einige Ausführungsformen der Erfindung bieten in der Hinsicht einen Vorteil, dass die Dicke des Substrats oder des Chips für die Funktionsweise der integrierten Schaltung nicht entscheidend ist.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen: eine integrierte Schaltung mit: einem Transistor und einem passiven Bauelement, die auf einer ersten Fläche eines Substrats ausgebildet sind, einer wärmeleitfähigen Schicht, die über dem Transistor ausgebildet ist und eine im Wesentlichen planare obere Fläche aufweist, einer dielektrischen Schicht, die über dem passiven Bauelement ausgebildet ist, so dass eine Fläche der dielektrischen Schicht im Wesentlichen planar mit der oberen Fläche ist, und einer Wärmesenke, die die wärmeleitfähige Schicht entlang der oberen Fläche berührt.
  • Die vorliegende Erfindung sieht weiter ein Verfahren zum Herstellen einer integrierten Schaltung mit den folgenden Schritten vor: Bilden eines Transistors und eines passiven Bauelements auf einer ersten Fläche eines Substrats, Bilden einer wärmeleitfähigen Schicht über dem Transistor, so dass die Schicht eine im Wesentlichen planare obere Fläche aufweist, Bilden einer dielektrischen Schicht über dem passiven Bauelement, so dass eine Fläche der dielektrischen Schicht im Wesentlichen planar mit der oberen Fläche ist, und Anordnen einer Wärmesenke in Kontakt mit der Schicht entlang der oberen Fläche.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
  • Die vorstehenden Merkmale der vorliegenden Erfindung können anhand der folgenden detaillierten Beschreibung in Zusammenhang mit der anliegenden Zeichnung besser verstanden werden, wobei:
  • 1 eine Schnittansicht einer monolithischen integrierten Mikrowellenschaltung aus dem Stand der Technik ist,
  • 2 eine Schnittansicht einer Flip-Chip-Vorrichtung aus dem Stand der Technik ist,
  • 3a eine Schnittansicht einer integrierten Schaltung mit einer Anpassungsschaltungsanordnung und Übertragungsleitungen und aktiven Vorrichtungen auf einer einzigen Fläche einer Flip-Chip-Vorrichtung gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist,
  • die 3b – 3d Ansichten eines alternativen Ein-/Ausgangssignal-Wegleitschemas für die der in 3a dargestellten im Wesentlichen entsprechende Schaltung gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind,
  • die 3e und 3f Ansichten eines anderen alternativen Ein-/Ausgangssignal-Wegleitschemas für die der in 3a dargestellten im Wesentlichen entsprechende Schaltung gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind,
  • 4 eine Schnittansicht einer integrierten Schaltung hoher Dichte mit einer unteren Flip-Chip-Schaltung ist, wobei eine zweite Schaltung auf die Oberseite der unteren Schaltung gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung gebondet ist,
  • 5 eine Schnittansicht einer integrierten Schaltung hoher Dichte mit einer unteren Flip-Chip-Schaltung ist, wobei eine passive Schaltungsanordnung auf der Oberseite vorhanden ist und eine zweite integrierte Schaltung auf die Oberseite der passiven Schaltungsanordnung gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung gebondet ist,
  • 6 eine Schnittansicht einer Flip-Chip-Vorrichtung mit einer Aussparung auf ihrer unteren Fläche, um dreidimensionale Bauelemente gemäß einer vierten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung aufzunehmen, ist,
  • die 7a–c Schnittansichten verschiedener Übertragungsleitungskonfigurationen sind und
  • 8 eine Draufsicht eines koplanaren Wellenleiter-zu-invertierter-Mikrostreifen-Übergangs ist.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Flig-Chip mit Anpassungsschaltungsanordnung
  • 3a zeigt eine erste Ausführungsform einer MMIC 300, worin eine Anpassungsschaltungsanordnung mit Übertragungsleitungen 302, Widerständen 304, Kondensatoren 306 und anderen Bauelementen auf der Oberfläche eines GaAs-Chips ausgebildet ist, worin die aktiven Vorrichtungen, wie MESFET 308 und HBT 310, ausgebildet sind. Dies bietet den Vorteil, dass praktisch die gesamte Verarbeitung auf einer einzigen Seite des Chips 312 ausgeführt wird, während die Vorteile der thermischen Impedanz des Flip-Chip-Ansatzes beibehalten werden. Wie bei den zuvor beschriebenen Flip-Chip-Konfigurationen bilden die Luftbrücken 313, die beispielsweise die Source-Kontaktstellen des MESFETs 308 oder die Emitter-Kontaktstellen des HBTs 310 verbinden, die thermische Verbindung mit der Wärmesenke 314. Der Eingang und der Ausgang für die Schaltung können durch Durchgangslöcher 318 in üblicher Weise zur Oberseite des Chips geführt werden.
  • Ein alternatives Verfahren zum Leiten der Eingangs- und Ausgangssignale ist in 3b dargestellt. Die Schaltung ähnelt derjenigen aus 3a, abgesehen davon, dass Eingangskontaktstellen 330 und Ausgangskontaktstellen 332 durch Durchgangslöcher 334 mit der planarisierten Oberfläche verbunden sind, die dem oberen Teil der Luftbrücke 313 und des Dielektrikums 322 entspricht. 3c ist eine Skizze einer Ansicht vom unteren Teil der Struktur. Ein Fenster 335 ist in die Wärmesenke bzw. Masseebene 314 geätzt. Die Struktur 300 kann an einem Substrat 336 montiert werden, das mit Kontaktstellen und Übertragungsleitungen 338 strukturiert ist, wie in 3d dargestellt ist. Die Kontaktstellen 334 können beispielsweise durch Löthöcker an den Kontaktstellen und Übertragungsleitungen 338 angebracht sein. Hierdurch wird die rückseitige Verarbeitung überflüssig gemacht, die zur Bildung der Durchgangslöcher 316 und 318 in 3a verwendet wird. 3c zeigt auch ein typisches Layout einer Verstärkerschaltung (die Leitungen und Bauelemente sind gestrichelt dargestellt, weil sie unterhalb der Masseebene 314 und des Dielektrikums 322 liegen). Transistoren 308, Kondensatoren 324, Übertragungsleitungen 302 und Widerstände 304 sind in einem typischen Verstärkerlayout dargestellt. Eine Vorspannungskontaktstelle 337 ist durch ein Fenster 339 in der Masseebene 314 zugänglich. Die Vorspannungskontaktstelle 337 kann in ähnlicher Weise wie bei derjenigen, die für die Eingangs- und Ausgangskontaktstellen 334 verwendet wird, durch einen Löthöcker beispielsweise mit einer Vorspannungsleitung 341 verbunden werden.
  • Ein anderes Verfahren zum Leiten der Eingangs- und Ausgangssignale von der Schaltung 300 ist in 3e dargestellt. Streifenleitungen 340 sind an die Kontaktstellen 330 und 332 gebondet oder gelötet. Eine perspektivische Ansicht der Struktur 300 ist in 3f dargestellt. Diese Konfiguration ermöglicht es, dass die Schaltung 300 in der Hinsicht, dass die Streifenleitungen 340 beispielsweise mit Kontaktstellen auf gedruckten Leiterplatten oder auf Aluminiumoxidsubstraten gebondet werden können, als ein diskretes Bauelement verwendet wird. Dieser Ansatz ist in der Hinsicht vorteilhaft, dass die gesamte Struktur 300 im Wesentlichen wie beispielsweise Beam-Lead-Dioden mit einem passivierenden Kapselungsmaterial kostengünstig hermetisch gedichtet werden kann.
  • Ein Merkmal dieser Ausführungsform besteht darin, dass die Oberfläche des direkt an der Wärmesenke 314 montierten Chips wie bei der in 2 dargestellten Konfiguration im Wesentlichen planar ist. An Stelle einer planarisierten Oberfläche aus plattiertem Metall weist die Struktur aus 3a, 3b oder 3e jedoch plattierte Luftbrücken 313 sowie eine Anpassungsschaltungsanordnung 320 auf, die durch eine dielektrische Schicht 322 mit einer niedrigen Dielektrizitätskonstanten und einem niedrigen Verlust, beispielsweise aus Polyimid, planarisiert sind. Nebenschluss-Bauelemente in der Art des Kondensators 306 werden leicht geerdet, indem ein Durchgangsloch durch das Polyimid 322 geätzt wird, bevor der Chip umgedreht und auf der Wärmesenke 314 montiert wird. Die bevorzugte Dicke des Polyimids und der plattierten Luftbrücken liegt zwischen etwa 10 und 20 μm. Die Wärmesenke 314 ist ein dielektrisches Material mit einer hohen thermischen Leitfähigkeit, wie AIN oder BeO, oder ein goldplattiertes Metall, wie Kupfer. Die dielektrischen Wärmesenken können mit aufgedampftem oder plattiertem Metall strukturiert werden, um Eingangs-/Ausgangs- und Vorspannungsleitungen und -kontaktstellen zu bilden, mit denen die plattierten Merkmale in der Art des Durchgangslochs 324 verbunden werden können.
  • Es sei bemerkt, dass die Übertragungsleitungen 302 nicht vom traditionellen "Mikrostreifentyp" sind, wie in 7a dargestellt ist, wobei eine Leitung auf dem Substrat in Zusammenhang mir der Masseebene auf der entgegengesetzten Fläche des Substrats die Bildung eines Übertragungsmediums bewirkt. Bei der Schaltung aus 3a ist die Übertragungsleitung 302 mehr in Form eines "invertierten Mikrostreifens" ausgebildet, wie in 7b dargestellt ist, weil der Chip 312 mit einer hohen Dielektrizitätskonstanten über der Leitung 302 und nicht zwischen der Leitung 302 und der Masseebene 314 liegt. Eine wirklich invertierte Mikrostreifenkonfiguration würde Luft zwischen der Leitung 302 und der Masseebene 314 aufweisen. Bei der Schaltung aus 3a sind die Leitung und die Masseebene beispielsweise durch das dielektrische Polyimid mit einer niedrigen Dielektrizitätskonstanten und einem niedrigen Verlust getrennt, der Entwurfsansatz ist jedoch sehr ähnlich demjenigen von Schaltungen, bei denen ein wirklich invertierter Mikrostreifen verwendet wird. Wie beim Mikrostreifen hängt die charakteristische Impedanz einer Leitung vom Verhältnis zwischen der Breite der Leitung 302 und der Höhe der Leitung über der Masseebene 314 ab. Für Polyimid mit einer Dielektrizitätskonstanten von 3,3 beträgt das Verhältnis zwischen der Breite und der Höhe für eine 50-Ohm-Leitung etwa eins. Für den üblicherweise verwendeten Bereich von 50 bis 80 Ohm liegt das Verhältnis zwischen etwa 0,7 und eins. Der invertierte Mikrostreifen hat in der Hinsicht einen Vorteil gegenüber dem Standardmikrostreifen, dass die Leitung 302 für eine gegebene charakteristische Impedanz breiter ist. Hierdurch werden sowohl der Leitungsverlust verringert als auch die Herstellungstoleranzen abgeschwächt. Ein zusätzlicher Vorteil besteht darin, dass die Dicke des Chips 312 für das Festlegen der Impedanz der Leitung 302 nicht entscheidend ist. Demgemäß kann der Chip viel dicker gelassen werden und beispielsweise 625 μm statt der 100 oder 150 μm messen, die typischerweise für die Chipdicken erforderlich sind, wenn eine Mikrostreifen-Übertragungsleitung verwendet wird.
  • Integrierte Schaltungen hoher Dichte
  • Eine zweite in 4 dargestellte bevorzugte Ausführungsform weist eine "umgedrehte" MMIC 400 ähnlich derjenigen in 3a, 3b oder 3e auf, wobei ein MESFET 402, ein Kondensator 404, ein Widerstand 406 und eine Übertragungsleitung 408 auf der Unterseite des Chips 410 hergestellt sind, welcher dann auf einer Wärmesenke 412 montiert wird. Wie bei der Struktur aus 3a, 3b oder 3e wird die Unterseite mit einer Kombination von Luftbrücken 414 und Polyimid 416 planarisiert. Nebenschlussvorrichtungen in der Art des Kondensators 404 sind durch ein Kontaktloch 418 durch Polyimid 416 zur Wärmesenke 412 geerdet. Zusätzlich ist ein zweiter Chip 420 mit einer unteren Masseebene 422 an die obere Fläche des Chips 410 gebondet. Das Bonden kann in üblicher Weise erfolgen, beispielsweise mit einem thermoplastischen Material, einem Epoxidmaterial oder einem anderen Material, das einem Delaminieren unter Temperaturspannungen widersteht. Ein Vorteil dieser Ausführungsform der Erfindung besteht darin, dass mehr Schaltungsanordnungen in einer gegebenen Fläche gepackt werden können als bei einseitig integrierten Schaltungen. Diese Konfiguration ist für Sende-/Empfangssysteme ideal, die bei Telekommunikations- und Radaranwendungen verwendet werden, welche integrierte Schaltungen sowohl mit niedriger Leistungsaufnahme als auch mit niedrigem Rauschen in sehr kleinen Gehäusen erfordern. Vorzugsweise ist die Flip-Schaltung 400 eine Hochleistungsschaltung in der Art eines Leistungsverstärkers, um die Nähe zur Wärmesenke 412 auszunutzen, während die obere Schaltung 424 eine Schaltung mit einer niedrigen Verlustleistung ist, beispielsweise ein Verstärker mit niedrigem Rauschen, ein Phasenschieber oder eine Digitalschaltungsanordnung.
  • Signale können zwischen den oberen und den unteren Schaltungen durch Durchgangslöcher 426 übermittelt werden. Die Masseebene 422 ist unstetig, um dies zuzulassen. Weil die untere Schaltung 400 bei dieser Konfiguration eine Masseebene 422 auf dem Chip 410 aufweist, sind die Übertragungsleitungen auf der Unterseite des Chips 410 kein invertierter Mikrostreifen. Die Übertragungsleitung 408 ist stattdessen eine modifizierte "Streifenleitungskonfiguration", bei der eine Leitung sandwichförmig zwischen zwei verschiedenen dielektrischen Medien eingeschlossen ist. Eine Standard-Streifenleitungskonfiguration ist in 7c dargestellt. Bei der Schaltung aus 4 sind die Übertragungsleitungen eine modifizierte Streifenleitung, bei der der zentrale Leiter auf einer Seite durch ein Dielektrikum mit einer hohen Dielektrizitätskonstante, beispielsweise GaAs, begrenzt ist und auf der anderen Seite durch ein Dielektrikum mit einer niedrigen Dielektrizitätskonstante, beispielsweise Polyimid, begrenzt ist. Der Entwurf der Leitung 408 zum Erreichen einer gegebenen charakteristischen Impedanz kann erheblich verschieden von demjenigen der invertierten Mikrostreifenleitung 302 sein.
  • Ein anderes Merkmal der Struktur aus 4 ist ein koplanarer Wellenleiter 428, der aus einem Signalleiter 430 und zwei Masseleitungen 432 besteht. Es sei bemerkt, dass dieses Merkmal in einer beliebigen Flip-Chip-Konfiguration, beispielsweise der in 3a, 3b oder 3e dargestellten, enthalten sein kann. Der koplanare Wellenleiter ist während der Herstellung der unteren Schaltung 400 vorteilhaft. Nach der Bildung der Schaltungsanordnung auf der Unterseite ist es wünschenswert, die Möglichkeit zu haben, die Schaltungen zu testen. Fehlerhafte Schaltungen können dann aussortiert werden, bevor die Kosten für das Umdrehen und Montieren des Chips auftreten. Die Schaltungen aus 3a, 3b oder 3e und 4, bei denen ein invertierter Mikrostreifen bzw. eine freitragende Streifenleitung verwendet wird, lassen sich jedoch nur sehr schwer vor dem Umdrehen des Chips testen. Dies liegt daran, dass die Masseebene, d.h. die Wärmesenke 314 und 412, mit den Leitungen 302 und 408 zusammenwirkt, um ein Übertragungsmedium in der Art eines invertierten Mikrostreifens oder einer invertierten Streifenleitung zu bilden. Vor dem Umdrehen des Chips weist der Chip keine Masseebene auf, so dass die Leitungen nicht ihre vorgesehenen charakteristischen Impedanzen aufweisen. Hierdurch wird es nahezu unmöglich, die nicht umgedrehten Schaltungen zu testen. Bei einem koplanaren Wellenleiter ist die Referenz oder Masse für die Signalleitung 430 jedoch durch die koplanaren Masseleitungen 432 bereitgestellt. Daher befindet sich das vollständige Übertragungsmedium auf der Chipoberfläche und ist von der Wärmesenke bzw. der Masseebene unabhängig. Dies ermöglicht das Testen der Schaltungsanordnung auf den Schaltungen 300 und 400 vor dem Umdrehen. Weiterhin können die Schaltungen "geprüft" werden, während sie noch in Waferform vorliegen, so dass der Wafer nicht zerlegt zu werden braucht, bevor fehlerhafte Schaltungen aussortiert werden. Dies bietet einen erheblichen Kostenvorteil gegenüber Schaltungen, die umgedreht und montiert werden müssen, bevor das Testen ausgeführt werden kann. Der koplanare Wellenleiter kann auch in der umgedrehten Konfiguration funktional sein, indem die Masseleitungen 432 plattiert werden, wie es beim Bilden der Luftbrückenplattierung 414 erfolgt, um Vorsprünge 434 zu erzeugen, welche die Wärmesenke 412 kontaktieren. Ein Übergang von der oberen Schaltung 424 wird leicht durch Ätzen des Durchgangslochs 426 durch den Chip 410 vorgenommen, so dass ein Kontakt mit dem Mittenleiter oder Signalleiter 430 des koplanaren Wellenleiters 428 hergestellt wird. 8 zeigt eine Ansicht der Masseebene 412 von unten. Das Referenzpotential oder die Masse wird den Masseleitungen 432 durch plattierte Vorsprünge 434 zugeführt, welche die Masseebene 412 kontaktieren. Ein Fenster 1000 wird in die Masseebene 412 geätzt, um das Polyimid 1001 freizulegen und einen Übergang zwischen dem koplanaren Wellenleiter und den invertierten Mikrostreifen- oder modifizierten Streifenleitungs-Übertragungsleitungen 1002 bereitzustellen, die in der Ein-/Ausgabe- und Anpassungsschaltungsanordnung der Schaltung 400 verwendet werden.
  • Eine Alternative für das Verbinden der oberen Schaltung 424 und der unteren Schaltung 400 durch plattierte Durchgangslöcher, wie in 4 dargestellt ist, besteht darin, eine koaxiale Struktur 436 zu verwenden. Eine solche Struktur kann gebildet werden, indem zuerst ein Durchgangsloch 438 durch die Chips 420 und 410 geätzt wird, die Durchgangslöcher 438 mit einem Dielektrikum 440, wie Polyimid, gefüllt werden und ein Loch durch das Polyimid geätzt wird und dann ein Mittenleiter 442 durch Abscheiden einer Metallisierung in dem Loch durch das Polyimid gebildet wird. Ein Koaxialleiter kann möglicherweise, verglichen mit einem einfachen plattierten Durchgangsloch, überlegene Verlusteigenschaften aufweisen.
  • Integrierte Schaltungen höherer Dichte
  • Eine dritte bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist in 5 dargestellt. Sie weist eine auf einem Chip 502 hergestellte untere integrierte Flip- Chip-Schaltung 500 auf, wobei sich eine Anpassungsschaltungsanordnung und andere passive Bauelemente 503 auf der Oberseite des Chips befinden. Die Oberseite wird mit einem Dielektrikum 504 planarisiert, und eine Masseebene 508 aus Metall wird über dem Dielektrikum 504 aufgedampft und strukturiert. Eine obere integrierte Schaltung 506 kann dann wie bei der Struktur aus 4 an die planarisierte Oberfläche gebondet werden. Bei diesem Verfahren wird die Tatsache ausgenutzt, dass die Schaltung 500 auf der Unterseite des Chips 502 nicht von einer bestimmten Chipdicke für ihre Funktionalität abhängt. Weil die Oberseite des Chips 625 μm oder mehr von der Schaltungsanordnung auf der Unterseite entfernt liegen kann, können eine Vielzahl passiver Vorrichtungen, Schalter und die Anpassungsschaltungsanordnung 503 auf der Oberseite des Chips 502 ausgebildet sein. Diese Schaltungsanordnung kann auch wegen ihrer Nähe zur Masseebene 508 einen invertierten Mikrostreifen verwenden. Demgemäß kann der Chip 502 eine Leistungsschaltung 500 auf der Unterseite aufweisen, um die Wärmesenke 510 auszunutzen, und eine passive Schaltungsanordnung auf der Oberseite aufweisen. Dies kommt zu dem Merkmal hinzu, dass eine Schaltung 506 mit geringer Verlustleistung an die planarisierte Oberfläche der Schaltungsanordnung 503 gebondet ist. Was die untere Schaltung 500 angeht, kann Kontakt zur Masseebene in Form von Durchgangslöchern 512 durch die Polyimid-Planarisierungsschicht 504 hergestellt werden.
  • Es sei bemerkt, dass die Schaltungsanordnung 503 auf der Oberseite des Chips 502 nicht auf eine passive Schaltungsanordnung und eine Anpassungsschaltungsanordnung beschränkt ist. Vor der Herstellung jeder Schaltungsanordnung können Epitaxieschichten durch ein Verfahren, wie Molekularstrahlepitaxie oder metallorganische chemische Dampfabscheidung, sowohl auf der Unterseite als auch der Oberseite des Wafers, von dem der Chip 502 ein Bestandteil ist, gezüchtet werden. Die Epitaxie wird traditionell auf nur einer einzigen Fläche eines Wafers ausgeführt. Wafer mit einer Epitaxie auf beiden Seiten ermöglichen jedoch die Bildung aktiver Vorrichtungen sowohl auf der oberen als auch auf der unteren Fläche, wodurch die Packungsdichte der Schaltungsanordnung weiter erhöht wird.
  • Flip-Chip-Konfiguration für dreidimensionale Bauelemente
  • Eine vierte Ausführungsform der Erfindung, die in 6 dargestellt ist, ist eine MMIC-Schaltung 600 mit einem Freiraum auf der unteren Fläche für dreidimensionale Bauelemente in der Art nichtplanarer Induktoren. Wie bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen steht die Luftbrücke 602, die die Source-Kontaktstellen, beispielsweise des MESFETs 604, verbindet, in direktem Kontakt mit einer Wärmesenke 606. Gemäß dieser Ausführungsform ist jedoch eine Aussparung in die untere Fläche des Chips 608 geätzt, um eine "Wanne" 610 mit einer Tiefe von 25 bis 50 μm oder mehr zu bilden. Hierdurch wird auf der unteren Fläche des Chips 608 Platz für Bauelemente bereitgestellt, die zu groß für die Unterbringung für den Planarisierungsansatz der ersten drei Ausführungsformen sind. Verhältnismäßig niederfrequente Verstärkerschaltungen (beispielsweise im L-Band), die bei Telekommunikationsanwendungen verwendet werden, erfordern häufig Induktanzwerte, die mit planaren Bauelementen schwer zu verwirklichen sind. Die Wanne 610 der in 6 dargestellten Struktur kann angepasst werden, um beispielsweise einen dreidimensionalen, spiralförmig gewickelten Induktor aufzunehmen. Wie bei den vorstehend erwähnten Ausführungsformen der Erfindung wird die Oberfläche, die an die Wärmesenke 606 angrenzt, mit einem Dielektrikum 612, wie Polyimid, planarisiert. Die passive Schaltungsanordnung und Bauelemente, wie invertierte Mikrostreifen- oder freitragende Substratleitungen 614, Widerstände 616 oder Kondensatoren 618, können durch eine Metallisierung 620, die mit der Stufenänderung in der unteren Fläche des Chips 608 übereinstimmt, mit dem aktiven Bauelement 604 verbunden werden. Wie bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen kann eine zweite integrierte Schaltung 622 an die obere Fläche des Chips 608 gebondet sein.
  • Einige bevorzugte Ausführungsformen wurden vorstehend detailliert beschrieben. Es sei bemerkt, dass der Schutzumfang der Erfindung auch von den beschriebenen verschiedene, jedoch innerhalb des Schutzumfangs der Ansprüche liegende Ausführungsformen einschließt.
  • Die internen und externen Verbindungen können ohmsch, kapazitiv, induktiv, direkt oder indirekt, über zwischenstehende Schaltungen oder auf andere Weise ausgebildet sein. Die Implementation wird in diskreten Bauelementen oder vollkommen integrierten Schaltungen in Silicium, Galliumarsenid oder anderen Familien elektronischer Materialien sowie in optisch basierten oder auf anderen Technologien basierten Formen und Ausführungsformen erwogen.
  • Verschiedene Modifikationen und Kombinationen der erläuternden Ausführungsformen sowie andere Ausführungsformen der Erfindung werden Fachleuten beim Lesen der Beschreibung verständlich werden. Wenngleich GaAs als Wafer- oder Chipmaterial gemäß den vorstehend erwähnten Ausführungsformen verwendet wurde, wird verständlich sein, dass auch andere Halbleitermaterialien verwendet werden können. Weiterhin wird verständlich sein, dass, wenngleich nur Polyimid als ein Dielektrikum verwendet wurde, auch andere Dielektrika mit einer niedrigen Dielektrizitätskonstante und einem niedrigen Verlust verwendet werden können.

Claims (22)

  1. Integrierte Schaltung mit: einem Transistor (308, 310) und einem passiven Bauelement (302, 304, 306), die auf einer ersten Fläche eines Substrats (312) ausgebildet sind, einer wärmeleitfähigen Schicht (313), die über dem Transistor ausgebildet ist und eine im Wesentlichen planare obere Fläche aufweist, einer dielektrischen Schicht (322), die über dem passiven Bauelement ausgebildet ist, so dass eine Fläche der dielektrischen Schicht im Wesentlichen planar mit der oberen Fläche ist, und einer Wärmesenke (314), die die wärmeleitfähige Schicht entlang der oberen Fläche berührt.
  2. Schaltung nach Anspruch 1, wobei die wärmeleitfähige Schicht (313) eine Luftbrücke über dem Transistor bereitstellt.
  3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, welche weiter eine zweite integrierte Schaltung (506) aufweist, die an eine der ersten Fläche des Substrats entgegensetzte Fläche gebondet ist.
  4. Schaltung nach Anspruch 3, wobei die zweite integrierte Schaltung eine Masseebene (508) aufweist.
  5. Schaltung nach Anspruch 3 oder 4, wobei die zweite integrierte Schaltung mindestens einen Transistor aufweist.
  6. Schaltung nach Anspruch 4 oder 5, wobei die der ersten Fläche des Substrats entgegengesetzte Fläche mindestens ein passives Bauelement aufweist, das von einer dielektrischen Schicht bedeckt ist, wobei die zweite integrierte Schaltung über der dielektrischen Schicht gebondet ist.
  7. Schaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die erste Fläche eine Aussparung (610) und mindestens ein in der Aussparung angeordnetes passives Bauelement aufweist.
  8. Schaltung nach Anspruch 7, wobei die Aussparung mit dielektrischem Material (612) gefüllt ist.
  9. Schaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die dielektrische Schicht aus Polyimid besteht.
  10. Integrierte Schaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das passive Bauelement eine Übertragungsleitung ist.
  11. Schaltung nach Anspruch 10, wobei die Übertragungsleitung eine invertierte Mikrostreifenleitung ist.
  12. Schaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche, weiter aufweisend: ein leitendes Durchgangsloch (318), das durch das Substrat verläuft.
  13. Schaltung nach Anspruch 12, wobei das Durchgangsloch den Transistor mit einer Bondkontaktstelle auf der der ersten Fläche des Substrats entgegengesetzten Fläche koppelt.
  14. Schaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Transistor ein Feldeffekttransistor ist.
  15. Schaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Substrat aus GaAs besteht.
  16. Verfahren zum Herstellen einer integrierten Schaltung mit den folgenden Schritten: Bilden eines Transistors (308, 310) und eines passiven Bauelements (302, 304, 306) auf einer ersten Fläche eines Substrats (312), Bilden einer wärmeleitfähigen Schicht (313) über dem Transistor, so dass die Schicht eine im Wesentlichen planare obere Fläche aufweist, Bilden einer dielektrischen Schicht (322) über dem passiven Bauelement, so dass eine Fläche der dielektrischen Schicht im Wesentlichen planar mit der oberen Fläche ist, und Anordnen einer Wärmesenke (314) in Kontakt mit der Schicht entlang der oberen Fläche.
  17. Verfahren nach Anspruch 16, bei dem die leitende Schicht weiter als eine Luftbrücke über dem Transistor gebildet wird.
  18. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, bei dem weiter eine zweite integrierte Schaltung (506) an eine der ersten Fläche des Substrats entgegengesetzte Fläche gebondet wird.
  19. Verfahren nach Anspruch 18, wobei bei dem Schritt des Bondens ein thermoplastisches Material zwischen der der ersten Fläche des Substrats entgegengesetzten Fläche und der zweiten integrierten Schaltung angewendet wird.
  20. Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, bei dem weiter ein Transistor auf der Fläche der zweiten integrierten Schaltung gebildet wird.
  21. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 20, bei dem weiter ein mit einer dielektrischen Schicht bedecktes passives Bauelement zwischen der der ersten Fläche des Substrats entgegengesetzten Fläche und der zweiten integrierten Schaltung gebildet wird.
  22. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 21, bei dem weiter ein durch das Substrat verlaufendes Durchgangsloch gebildet wird.
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