EP1338035A2

EP1338035A2 - Verfahren zur herstellung von halbleitermodulen sowie nach dem verfahren hergestelltes modul

Info

Publication number: EP1338035A2
Application number: EP01999001A
Authority: EP
Inventors: Marcel Heerman; Jozef Van Puymbroeck
Original assignee: Siemens Dematic AG; Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2000-11-29
Filing date: 2001-11-29
Publication date: 2003-08-27
Also published as: JP2004515078A; DE10059178C2; US20040029361A1; KR20030070040A; WO2002045163A2; WO2002045163A3; CN1541412A; DE10059178A1; TW527698B

Abstract

Ein unzerteilter Halbleiter-Wafer (1) wird mit seiner Anschlussseite unmittelbar mit einer Thermoplast-Folie (2) verbunden, deren thermischer Ausdehnungskoeffizient ähnlich niedrig wie der des Halbleitermaterials ist. An der freien Unterseite der Folie (2) werden durch Heissprägen Höcker (21) angeformt, die als elastische Aussenanschlüsse (25) dienen und über Durchgangsbohrungen (22) mit Innenanschlüssen (24) bzw. den Wafer-Anschlusselementen (11) leitend verbunden werden. Durch Zerteilen des fertig kontaktierten Wafers entstehen einzelne Halbleiter-Module bzw. -Packages, die mit den Kunststoffhöckern (21) auf einer Leiterplatte kontaktiert werden können. Dadurch wird mit einem einfachen Verfahren eine Kontaktierung von Halbleiterchips auf einem Zwischenträger und eines Zwischenträgers auf einer Leiterplatte ermöglicht, wobei ohne zusätzliche Ausgleichsmaterialien eine temperaturbeständige Verbindung zwischen dem Halbleiter und der Leiterplatte ermöglicht wird.

Description

Beschreibung

Verfahren zur Herstellung von Halbleitermodulen sowie nach dem Verfahren hergestelltes Modul

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Halbleitermodulen aus einem mindestens eine Halbleiterkomponente enthaltenden Wafer.

Durch die zunehmende Miniaturisierung integrierter Schaltkreise besteht das Problem, immer mehr elektrische Verbindungen zwischen dem eigentlichen Halbleiter und einem Schaltungsträger, also einer Leiterplatte, auf engstem Raum unterzubringen. Je feiner aber die Strukturen des Halbleiterchips und der Verbindungsleiter sind, um so mehr sind sie durch unterschiedliche Ausdehnungen der beteiligten Materialien, insbesondere des Halbleiterkörpers einerseits und der aus Kunststoff bestehenden Leiterplatte andererseits, gefährdet.

Eine wesentliche Rolle bei der Kontaktierung von Halbleiterchips spielt der Zwischenträger oder Interposer, mit dem ein oder mehrere Chips zu einem Modul oder auch Package verbunden werden, das dann auf dem Schaltungsträger kontaktiert wird. Je nach dem, aus welchem Material der Zwischenträger besteht, muß seine thermisch bedingte Ausdehnung gegenüber dem Halbleiter und/oder gegenüber der Leiterplatte kompensiert werden. Hierzu sind bereits verschiedene Maßnahmen bekannt, die von flexiblen Leiterelementen bis hin zu elastischen Abstandhaltern reichen.

Bei der sogenannten BGA (Ball Grid Array) -Technik wird ein Zwischenträger an seiner Unterseite flächig mit Lothöckern versehen, die eine Oberflächenmontage auf einer Leiterplatte ermöglichen. Die Lothöcker dienen dabei einerseits als elek- trische Anschlüsse und andererseits als Abstandshalter für den Ausdehnungsausgleich zwischen den verschiedenen Materialien, nämlich dem Zwischenträger und der Leiterplatte. Auf der _Oberseite des Zwischenträgers kann der Halbleiterchip be^¬ festigt und beispielsweise mit Bonddrähten kontaktiert sein. Bekannt ist auch eine Flipchip-Montage, wobei die Anschlüsse des ungehäusten Halbleiters unmittelbar mit Leiterbahnen auf der Oberseite des Zwischenträgers verbunden werden. Um in diesem Fall einen Ausdehnungsausgleich zwischen dem Halbleiterkörper und dem Zwischenträger zu schaffen, ist in der Re^¬ gel eine Unterfüllung (underfill) des Halbleiters erforderlich, was einen zusätzlichen, komplizierten und teueren Pro- zeßschritt erforderlich macht, der außerdem eine nachträgliche Reparatur nicht mehr ermöglicht.

Bei der sogenannten PSGA (Polymer Stud Grid Array) - Technologie wird als Zwischenträger ein spritzgegossenes, dreidimensionales Substrat aus einem elektrisch isolierenden Polymer verwendet, auf dessen Unterseite beim Spritzgießen mitgeformte Polymerhöcker flächig angeordnet sind (EP 0 782 765 Bl) . Diese Polymerhöcker sind mit einer lötbaren Endoberfläche versehen und bilden so Außenanschlüsse, die über inte- grierte Leiterzüge mit Innenanschlüssen für eine auf dem Substrat angeordnete Halbleiterkomponente verbunden sind. Die Polymerhöcker dienen als elastische Abstandshalter des Moduls gegenüber einer Leiterplatte und sind so in der Lage, unterschiedliche Ausdehnungen zwischen Leiterplatte und Zwischen- träger auszugleichen. Die Halbleiterkomponente kann auf der Oberseite des Zwischenträgers über Bonddrähte kontaktiert sein; möglich ist aber auch eine Kontaktierung, bei der die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten analog über Polymerhöcker auf der Oberseite des Zwischenträgers ausgegli- chen werden.

Aus der WO 89/00346 AI ist ferner ein Single-Chip-Modul bekannt, bei welchem das spritzgegossene, dreidimensionale Substrat aus einem elektrisch isolierenden Polymer auf der Un- terseite angeformte Polymerhöcker trägt, die in einer oder mehreren Reihen entlang dem Umfang des Substrats angeordnet sind. Ein Chip ist auf der Oberseite des Substrats angeord- net; seine Kontaktierung erfolgt über feine Bonddrähte und Leiterbahnen, die dann ihrerseits über Durchkontaktierungen mit den auf den unterseitigen Höckern ausgebildeten Außenan^¬ schlüssen verbunden sind. Der Zwischenträger besitzt bei die- ser Gestaltung eine verhältnismäßig große Ausdehnung.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung von Halbleitermodulen aus einem mindestens eine Halbleiterkomponente enthaltenden Wafer anzugeben, bei dem eine unmittelbare Kontaktierung des Halbleiterelementes auf einem Zwischenträger und eine direkte Kontaktierung dieses Zwischenträgers auf einem Schaltungsträger möglich ist, derart, daß ohne Zwischenschaltung besonderer Ausgleichselemente die Gefahr von temperaturbedingten Spannungsschaden vermieden wird.

Dieses Ziel wird erfindungsgemäß mit folgenden Verfahrensschritten erreicht, deren Reihenfolge unterschiedlich sein kann :

a) Ein Halbleiter-Wafer wird mit seiner Anschlußseite unmittelbar mit der Oberseite einer thermoplastischen Folie verbunden, deren thermischer Ausdehnungskoeffizient ähnlich niedrig ist wie der des Halbleitermaterials; b) auf der Oberseite der Folie werden flache Innenanschlüsse aus Metall ausgebildet und mit Anschlußelementen des Wafers verbunden; c) auf der Unterseite der Folie werden durch Heißprägen Hök- ker ausgeformt, deren Endflächen Außenanschlüsse bilden; d) zwischen der Unterseite und der Oberseite der Folien werden Durchgangslöcher erzeugt; e) in den Durchgangslöchern und auf der Unterseite der Folie sowie auf den Höckern wird eine Metallschicht abgeschieden und so strukturiert, daß sie jeweils Leiterbahnen von den Außenanschlüssen über die Durchgangslöcher zu den Innenanschlüssen bildet; und υ cυ l\) N> I-¹ (-^■ cπ o cπ o Cπ o cπ

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Die Erfindung wird nachfolgend an Ausführungsbeispielen an^¬ hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen Figuren 1 bis 8 die erfindungsgemäße Herstellung eines Halbleitermoduls aus einem Wafer nach einer ersten Abfolge von Verfahrensschritten,

Figur 9 die Kontaktierung eines erfindungsgemäß hergestellten Moduls auf einer Leiterplatte,

Figuren 10 bis 16 die erfindungsgemäße Herstellung eines Halbleitermoduls nach einer zweiten Ablauffolge von Verfah- rensschritten, und

Figur 17 die Kontaktierung eines nach der zweiten Ausfüh- rungsform hergestellten Moduls auf einer Leiterplatte.

Das in den Figuren 1 bis 8 illustrierte Herstellungsverfahren für einen bzw. eine Mehrzahl von Halbleitermodulen beginnt in einem ersten Schritt damit, daß auf der Unterseite eines Halbleiterwafers 1 mit Anschlußelementen (Pads) 11 eine thermoplastische Folie 2 angebracht wird, beispielsweise geklebt wird. Diese Folie besteht vorzugsweise aus LCP (Liquid Cry- stal Polymer) , das einen ähnlich niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von zum Beispiel 5 bis 20 ppm wie das Silizium des Halbleiterwafers besitzt. Die Folie besitzt vorzugsweise eine Dicke zwischen 50 und 250 um. Daneben sind aber auch andere Materialien für die Folie einsetzbar, bei- spielsweise Materialien auf der Basis von Polytetrafluorethy- len, das unter der Marke Teflon im Handel ist.

In einem zweiten Schritt wird die Folie heißgeprägt. Dazu wird der mit der Folie 2 verbundene Wafer 1 zwischen die Formhälften 31 und 32 einer Prägeform gelegt, wobei in der Formhälfte 31 Ausnehmungen 33 vorgesehen sind, mit denen durch das Heißprägen auf der Unterseite der Folie 2 jeweils cυ cυ to lv) l-^{1 1}

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Ein derart gewonnenes Halbleitermodul 30, bestehend aus einem _Chip 10 und einem Zwischenträger 20, kann dann gemäß Figur 9 auf eine Leiterplatte 6 aufgesetzt und dort verlötet werden.

Einen etwas anderen Verfahrensablauf durch eine geänderte Schrittfolge zeigen die Figuren 10 bis 16. In diesem Fall wird zunächst die Folie 2, die in ihrer Beschaffenheit bereits vorher beschrieben wurde, allein in ein Heißprägewerkzeug gelegt und zwischen den Formhälften 31 und 32 geprägt, auch in diesem Fall besitzt die untere Formhälfte 31 Ausnehmungen 33, mit denen Höcker 21 an der Folienunterseite angeformt werden (Figur 11) . In die derart geprägte Folie 2 werden dann gemäß Figur 12 die Durchgangslöcher 22 durch Laserbohren eingebracht. Wie vorher bereits erwähnt, könnten die Durchgangslöcher unter Umständen auch beim Heißprägen erzeugt werden.

In einem weiteren Verfahrensschritt gemäß Figur 13 werden sowohl auf der Unterseite als auch auf der Oberseite der Folie 2 jeweils Metallisierungsschichten 23 und 28 erzeugt, wobei auch die Wände der Durchgangslöcher von oben bis unten metallisiert werden. Durch ein nachfolgendes Strukturieren der unterseitigen und oberseitigen Metallschichten 23 bzw. 28 werden überflüssige Metallflächen entfernt, so daß in jedem Fall auf der Oberseite Innenanschlüsse 24 und auf der Unterseite Außenanschlüsse 25 auf den Endflächen der Höcker sowie deren Verbindungen über die Durchgangslöcher 22 bestehen bleiben. Weitere Leiterbahnen werden nach Bedarf strukturiert.

Danach wird die Folie auf der Oberseite und auf der Unterseite mit Lötstoplack 26 beschichtet, wobei die Innenanschlüsse 24 auf der Oberseite und die Außenanschlüsse 25 auf den Hök- kern freigehalten werden. Für die Aufbringung des Lötstoplacks auf die von Höckern durchsetzte Oberfläche kommen Verfahren wie Spray-Coating oder ED-Resist-Verfahren (Electro Deposition) in Betracht. Auf die Höcker bzw. die Außenanschlüsse 25 wird danach jeweils eine löt- und/oder klebbare Schicht 27 aufgetragen (Figur 15) , nach Bedarf auch in Form von Lothöckern.

Wie in Figur 16 gezeigt, wird auf die derart bearbeitete und strukturierte Folie 2 nunmehr der Halbleiter-Wafer 1 so aufgelegt, daß seine Anschlußelemente 11 jeweils auf den Innenanschlüssen 24 liegen, so daß sie mit diesen verlötet oder mittels Leitkleber verklebt werden können. Beispielsweise dienen zum Verlöten vorher aufgebrachte Lothöcker 28.

Wie im vorhergehenden Beispiel werden dann die Halbleitermodule 30 entlang der Trennlinien 5 vereinzelt (Figur 16) und gemäß Figur 17 auf einer Leiterplatte 6 verlötet.

Auch eine Mischform der beiden gezeigten Verfahrensabläufe ist möglich: So könnte zunächst die Folie 2 gemäß den Figuren 10 und 11 heißgeprägt und dann direkt mit der Unterseite des Halbleiter-Wafers 1 verbunden werden, so daß ein Verbund gemäß Figur 3 entstünde. Daran würde sich ein Verfahrensablauf anschließen, wie er bereits anhand der Figuren 4 bis 8 beschrieben wurde. In diesem Fall würde der Halbleiterwafer nicht dem Druck des Prägewerkzeugs ausgesetzt, ansonsten würde aber die Strukturierung und Kontaktierung, wie vorher beschrieben, ablaufen.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Herstellung von Halbleitermodulen aus einem mindestens eine Halbleiterkomponente enthaltenden Halbleiter- Wafer mit folgenden Schritten, deren Reihenfolge unterschied^¬ lich sein kann: a) ein Halbleiter-Wafer (1) wird mit seiner Anschlußseite unmittelbar mit der Oberseite einer thermoplastischen Folie (2) verbunden, deren thermischer Ausdehnungskoeffizi- ent ähnlich niedrig ist wie der des Halbleitermaterials; b) auf der Oberseite der Folie (2) werden flache Innenanschlüsse (24) aus Metall ausgebildet und mit Anschlußelementen (11) des Wafers (1) verbunden; c) auf der Unterseite der Folie (2) werden durch Heißprägen Höcker (21) angeformt, deren Endflächen Außenanschlüsse

(25) bilden; d) zwischen der Unterseite und der Oberseite der Folie werden Durchgangslöcher (22) erzeugt; e) in den Durchgangslöchern (22) und auf der Unterseite der Folie (2) sowie auf den Höckern (21) wird eine Metallschicht (23) abgeschieden und so strukturiert, daß sie jeweils Leiterbahnen von den Außenanschlüssen (25) über die Durchgangslöcher (22) zu den Innenanschlüssen (24) bildet und f) der mit der Folie (2) fertig kontaktierte Wafer (1) wird in einem letzten Schritt in einzelne Halbleitermodule (10) zerteilt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h folgende Reihung der Verfahrensschritte : a) der Wafer (1) wird mit der Folie (2) verbunden; c) durch Heißprägen des Verbundes aus Wafer (1) und Folie (2) werden an der Unterseite der Folie die Höcker (21) ange- formt; d) die Durchgangslöcher (22) werden jeweils im Bereich unterhalb der Anschlußelemente (11) des Wafers derart erzeugt, daß die Anschlußelemente (11) in den Durchgangslöchern (22) freiliegen; e) die Metallschicht (23) wird auf der Unterseite der Folie (2) und in den Durchgangslöchern (22) abgeschieden, wobei im oberen Endbereich der Durchgangslöcher die Innenan^¬ schlüsse (24) gemäß Schritt b) als Metallbeschichtung der freiliegenden Wafer-Ansc lußelemente (11) erzeugt werden, und dann wird die Metallschicht (23) auf der Unterseite der Folie (2) strukturiert; und f) der Wafer wird zerteilt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Durchgangslöcher (22) ganz oder teilweise in dem Schritt c) durch Heißprägen geformt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Durchgangslöcher (22) durch Laserbohren erzeugt oder durch Laser- bearbeitung von Rückständen des Heißprägens gereinigt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h folgenden Ablauf der einzelnen Schritte: b) zunächst werden an der Folie (2) durch Heißprägen die Höcker (21) erzeugt; a) die geprägte Folie (2) wird mit dem Wafer (1) verbunden; d) die Durchgangslöcher (22) werden unterhalb der Anschlußelemente (11) des Wafers (1) derart erzeugt, daß diese in den Durchgangslöchern (22) freiliegen; e) die Metallschicht wird auf der Unterseite der Folie (2) und in den Durchgangslöchern (22) abgeschieden, wobei im oberen Endbereich der Durchgangslöcher (22) gemäß Schritt b) die Innenanschlüsse (24) als Metallbeschichtung der freiliegenden Wafer-Anschlußelemente (11) erzeugt werden, danach wird die Metallschicht (23) auf der Unterseite der Folie (2) strukturiert; und f) der Wafer wird zerteilt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß beim Schritt c) die Durchgangslöcher (22) zumindest teilweise durch Heißprägen eingeformt werden.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Durch- gangslöcher (22) beim Schritt d) durch Laserbohren erzeugt oder durch Laserbearbeitung von Rückständen des Prägeschrit^¬ tes c) gereinigt werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß beim

Schritt a) der Wafer (1) mit einem nichtleitenden Kleber mit der Folie (2) verbunden wird.

9. Verfahren nach Anspruch 1, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h folgenden Ablauf der Verfahrensschritte: c) an der Folie (2) werden durch Heißprägen die Höcker (21) und gegebenenfalls die Durchgangslöcher (22) erzeugt; d) die Durchgangslöcher (22) werden, soweit erforderlich, ge- bohrt oder gereinigt; e) auf der Unterseite und der Oberseite der Folie (2) einschließlich der Durchgangslöcher (22) und der Höcker (21) wird eine Metallschicht (23; 27) erzeugt und so strukturiert, daß auf der Oberseite gebildete Innenanschlüsse (24) über die Durchgangslöcher (22) jeweils mit einem einen Außenanschluß (25) bildenden Höcker (21) verbunden sind; a) der Wafer (1) wird mit der Folie so verbunden, daß die Wafer-Anschlußelemente (11) jeweils mit einem Innenanschluß (24) leitend verbunden werden; und f) der Wafer wird zerteilt.

10. Verfahren nach Anspruch 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Durch^¬ gangslöcher (22) mittels eines Lasers gebohrt bzw. gereinigt werden.

11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Wafer- Anschlußelemente (11) mittels eines leitenden Klebstoffes auf die Innenanschlüsse (24) geklebt werden.

12. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Wafer- Anschlußelemente durch auf die Anschlußelemente selbst (11) und/oder die Innenanschlüsse (24) aufgebrachte Lothöcker (28) kontaktiert werden.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Hök- ker (21) über die Unterseite der Folie vorstehend ausgeprägt werden.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Hök- ker durch Einprägen ringförmiger Vertiefungen in der Unter- seite der Folie eingesenkt ausgebildet werden.

15. Mit dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14 hergestelltes Halbleiter-Modul, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h einen aus einem Wafer (1) getrennten Halbleiterchip (10), der auf einem von seiner Folie getrennten Zwischenträger (20) befestigt und unmittelbar kontaktiert ist, leitende Durchführungen mittels Durchgangsbohrungen (22) zwischen der Oberseite und der Unterseite des Zwischenträgers, an der Unterseite des Zwischenträgers (20) angeformte Höcker (21), deren Endoberflächen (25) leitend über die Durchgangslöcher (22) mit den Anschlußelementen (11) des Chips (10) verbunden sind, wobei der thermische Ausdehnungskoeffizient des Zwischenträgers (20) annähernd gleich dem des Halbleiter-Chips (10) ist.

16. Halbleiter-Modul nach Anspruch 15, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Zwischenträger (20) aus LCP besteht.

17. Halbleiter-Modul nach Anspruch 15, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Zwi- schenträger aus einer Folie auf der Basis von Polytetraf luo- rethylen besteht.

18. Halbleiter-Modul nach einem der Ansprüche 15 bis 17, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Zwi- schenträger (20) eine Dicke zwischen 50 und 250 μm besitzt.

19. Halbleiter-Modul nach einem der Ansprüche 15 bis 18, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Höcker (21) einen Durchmesser zwischen 100 und 250 μm sowie eine Hö- he zwischen 150 und 350 μm besitzen.