EP1340255A2

EP1340255A2 - Zwischenträger für ein halbleitermodul, unter verwendung eines derartigen zwischenträgers hergestelltes halbleitermodul sowie verfahren zur herstellung eines derartigen zwischenträgers

Info

Publication number: EP1340255A2
Application number: EP01999000A
Authority: EP
Inventors: Marcel Heerman
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 2000-11-29
Filing date: 2001-11-15
Publication date: 2003-09-03
Also published as: US20020070437A1; DE10059176C2; KR20040014425A; WO2002045162A3; US6781215B2; CN1488169A; DE10059176A1; WO2002045162A2; JP2004515077A; TW513794B

Abstract

Der Zwischenträger für ein Halbleitermodul besteht aus einem Trägerkörper (10) in Form einer Folie, auf deren Oberseite eine Halbleiterkomponente (2) mit ihren Bauteil-Anschlusselementen (21) unmittelbar aufgebracht wird. Von der Unterseite des Trägerkörpers (10) werden Durchgangslöcher (11) so eingebracht, dass die Bauteil-Anschlusselemente (21) der Halbleiterkomponente freigelegt werden. Die Durchgangslöcher werden durch eine Metallisierung (12,22) mit den Bauteil-Anschlusselementen der Halbleiterkomponente kontaktiert. Anschliessend werden die Wände der Durchgangslöcher (11) von der Unterseite des Trägerkörpers her durch ringförmige Einkerbungen (14) freigelegt, so dass kaminförmige, vertiefte Höcker (15) entstehen, die als Aussenanschlüsse für das Modul zur Kontaktierung auf einer Leiterplatte dienen.

Description

Beschreibung

Zwischenträger für ein Halbleitermodul, unter Verwendung ei^¬ nes derartigen Zwischenträgers hergestelltes Halbleitermodul sowie Verfahren zur Herstellung eines derartigen Zwischenträgers

Die Erfindung betrifft einen Zwischenträger für ein Modul mit mindestens einer Halbleiterkomponente, bestehend aus einem flachen Trägerkörper mit einer Oberseite, auf der Innenanschlüsse zur Verbindung mit Bauteil-Anschlußelementen einer Halbleiterkomponente ausgebildet sind,

- einer Unterseite, welche mit Außenanschlüssen zur Kontak- tierung mit einem Schaltungsträger versehen ist, und

- Durchgangslöchern zwischen der Oberseite und der Unterseite, deren Wände zumindest teilweise metallisiert sind und jeweils eine leitende Verbindung zwischen einem Innenanschluß der Oberseite und einem entsprechenden Außenan- schluß der Unterseite herstellen.

Weiter bezieht sich die Erfindung auf ein unter Verwendung eines derartigen Zwischenträgers hergestelltes Halbleitermodul und ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Zwischenträgers .

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 unter- zubringen. Je feiner aber die Strukturen des Halbleiterchips und der Verbindungsleiter sind, umso 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 verbunden wird bzw. werden, das dann auf dem Schaltungsträger kontaktiert wird.

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 elektrische Anschlüsse und andererseits als Abstandshalter für den Ausdehnungsausgleich zwischen den verschiedenen Materia- lien, nämlich dem Zwischenträger und der Leiterplatte. Auf der Oberseite des Zwischenträgers kann der Halbleiterchip befestigt 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 Regel 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 Abstandshalter des Moduls gegenüber einer Leiterplatte und sind so in der Lage, unterschiedliche Ausdehnungen zwischen Leiterplatte und Zwischenträger auszu- gleichen. 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 ausgeglichen werden.

Aus der WO 89/00346 AI ist ferner ein Single-Chip-Modul be- kannt, bei welchem das spritzgegossene, dreidimensionale Substrat aus einem elektrisch isolierenden Polymer auf der Unterseite 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 Außenanschlüssen verbunden sind. Der Zwischenträger besitzt bei dieser Gestaltung eine verhältnismäßig große Ausdehnung.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen Zwischenträger für ein Halbleitermodul der eingangs genannten Art zu schaffen und ein Herstellungsverfahren für einen solchen Zwischenträger bzw. ein solches Modul anzugeben, wobei eine un ittel- bare Kontaktierung der Halbleiterkomponente ohne Unterfüllung auf dem Zwischenträger und eine Kontaktierung des Zwischenträgers auf einem Schaltungsträger ohne zusätzliche Maßnahmen möglich werden, wobei die unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten der verwendeten Materialien nicht nachteilig in Erscheinung treten. Dabei soll die Halbleiterkomponente mit dem Zwischenträger ein Modul von sehr kompakter Bauform ergeben.

Erfindungsgemäß wird der erste Teil der Aufgabe gelöst durch einen Zwischenträger für ein Modul mit mindestens einer Halbleiterkomponente, bestehend aus einem flachen Trägerkörper mit

- einer Oberseite, auf der Innenanschlüsse zur Verbindung mit Bauteil-Anschlußelementen einer Halbleiterkomponente ausgebildet sind,

- einer Unterseite, welche mit Außenanschlüssen zur Kontaktierung mit einem Schaltungsträger versehen ist, und ω ω > N> P¹ π o cn o (_π cπ

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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Anschlußträgers für mindestens eine Halbleiterkomponente umfaßt folgende Schritte:

- eine Halbleiterkomponente wird mit ihrer Anschlußseite derart auf der Oberseite eines flachen Trägerkörpers fixiert, daß ihre Bauteil-Anschlüsse auf der Oberseite des Trägerkörpers aufliegen;

- von der Unterseite des Trägerkörpers her werden Durchgangslöcher zur Freilegung der Bauteil-Anschlußelemente der Halbleiterkomponente bis zur Oberseite durchgebohrt;

- die Innenwände der Durchgangslöcher und die freigelegten Kontaktflächen der Halbleiterkomponente werden gleichzeitig mit mindestens einem Teil der Unterseite des Trägerkörpers mit einer Metallschicht überzogen; und - der Rand der Löcher auf der Unterseite des Trägerkörpers wird durch eine ringförmige Einkerbung zumindest teilweise freigelegt.

Vorzugsweise werden die ringförmigen Einkerbungen zur Freile- gung der Lochränder ebenso wie die Bohrungen der Durchgangslöcher mittels Laserbearbeitung vorgenommen. Dabei kann gleichzeitig eine weitere Laserstrukturierung für eine Leiterbahnstruktur auf der Unterseite des Trägerkörpers vorgenommen werden. Bei diesem Prozeßschritt können die nicht be- nötigten Metallflächen entfernt und die verbleibenden Metallflächen mit einer zusätzlichen Metallschicht versehen werden. Zur Erzeugung einer größeren Dicke können auf diese Metallstrukturen zum Löten zusätzliche Lotschichten (mit Zinn-Blei) aufgebracht werden, so daß ein Arbeitsgang für einen Pasten- druck nicht erforderlich wird.

Denkbar ist allerdings auch ein etwas anderer Verfahrensablauf, bei dem die Höcker auf der Unterseite des Trägerkörpers bereits vor der Verbindung mit der Halbleiterkomponente er- zeugt werden. In diesem Fall können die Höcker sowohl durch Laserstrukturierung als auch durch Prägen der Unterseite des Trägerkörpers erzeugt werden. In diesem Fall würde die Halb- leiterkomponente auf den mit den Höckern versehenen Träger^¬ körper aufgesetzt, und dann würde die Bohrung der Durchgangs^¬ löcher von der Unterseite durch die bereits vorgeformten Hök- ker hindurch zur Oberseite des Trägerkörpers mit anschließen- der Metallisierung durchgeführt.

Die Erfindung wird nachfolgend an Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen Figuren 1 bis 4 schematisch die einzelnen Phasen bei der Her- Stellung eines erfindungsgemäßen Zwischenträgers in Verbindung mit einer Halbleiterkomponente,

Figur 5 eine Figur 4 entsprechende perspektivische Ansicht auf die Unterseite eines geschnittenen Zwischenträgers und Figur 6 schematisch die Montage eines erfindungsgemäßen Halb- leitermoduls auf einer Leiterplatte.

In den Figuren 1 bis 4 ist die Herstellung eines erfindungsgemäßen Zwischenträgers gezeigt, wobei der Zwischenträger bereits während seiner Herstellung und Bearbeitung mit der Halbleiterkomponente verbunden und kontaktiert wird. Der Zwischenträger 1 besitzt einen Trägerkörper 10, der aus einer LCP-Folie mit einem ähnlich geringen Ausdehnungskoeffizienten wie dem der Halbleiterkomponente gebildet wird. Bekanntlich liegt der Wärme-Ausdehnungskoeffizient von LCP nahe bei dem von Silizium, so daß ein derartiger Trägerkörper unmittelbar mit einem Halbleiter verbunden werden kann, ohne daß bei thermischer Belastung Gefahr durch unterschiedliche Ausdehnung besteht. Wie in Figur 1 gezeigt ist, wird der Trägerkörper 10 über eine zwischenliegende Klebstoffschicht 3 mit ei- nem Halbleiterchip 2 verbunden, dessen Bauteilanschlußelemente in Form von Metallpads 21 dem Trägerkörper 10 zugewandt sind. Die KlebstoffSchicht 3 kann beispielsweise eine Dicke von 25 bis 50 μm aufweisen, während die den Trägerkörper 10 bildende LCP-Folie beispielsweise eine Dicke von 100 bis 200 μm aufweist. Denkbar ist auch die Verwendung einer Mehrschichtfolie, wobei zwischen den Schichten auch eine Leiterbahnstruktur vorgesehen sein kann. co o r t I—¹ P¹

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denkbar, daß aus bestimmten Gründen oder aufgrund von Maßabweichungen eine Einkerbung 16 (Figur 4) exzentrisch zu dem entsprechenden Durchgangsloch 11 liegt, so daß ein einseitig angeschnittener Höcker 17 in Form eines Ringsegments ent- steht.

Gleichzeitig mit der Einbringung der Einkerbungen 14 kann auch eine gewünschte Leiterstruktur auf der Unterseite des Trägerkörpers 10 durch Laserbearbeitung im gleichen Prozeß- schritt vorgenommen werden. Dabei können die nicht benötigten Metallflächen entfernt und die verbleibenden Metallflächen mit einer zusätzlichen Metallauflage versehen werden. Insbesondere zur Erzielung einer größeren Metalldicke können Lötmaterialien auf dem als Außenkontakte 18 dienenden Rändern der Höcker aufgebracht werden.

Figur 6 zeigt die Kontaktierung eines erfindungsgemäßen Moduls mit einem Zwischenträger 1 und einem Halbleiterchip 2 auf einer Leiterplatte 4, wobei die Außenkontakte 18 jeweils mit einer Lotschicht 19 aus Zinn-Blei verstärkt sind. Weiterhin ist in Figur 6 zu sehen, daß die Zinn-Blei-Legierung 19 auch eines der Durchgangslöcher 11 ausfüllt.

Claims

Patentansprüche

1. Zwischenträger für ein Modul mit mindestens einer Halblei^¬ terkomponente (2,), bestehend aus einem flachen Trägerkörper (10) mit

- einer Oberseite, auf der Innenanschlüsse (22) zur Verbindung mit Bauteil-Anschlußelementen (21) einer Halbleiterkomponente (2) ausgebildet sind,

- einer Unterseite (10a), welche mit Außenanschlüssen (18) zur Kontaktierung mit einem Schaltungsträger (4) versehen ist, und

- Durchgangslöchern (11) zwischen der Oberseite und der Unterseite, deren Wände (12) zumindest teilweise metallisiert sind und jeweils eine leitende Verbindung zwischen einem Innenanschluß (22) der Oberseite und einem entsprechenden Außenanschluß (18) der Unterseite herstellen, wobei die Wände der Durchgangslöcher (11) im Bereich der Unterseite

(10a) des Trägerkörpers (10) mittels neben ihrer U fangskante eingebrachter ringförmiger Einkerbungen (14; 16) zumindest teilweise freigelegt sind und freistehende Höcker (15; 17) als

Außenanschlüsse (18) bilden.

2. Zwischenträger nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Höcker

(15) durch konzentrische ringförmige Einkerbungen (14) rohr- förmig ausgebildet sind.

3. Zwischenträger nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Höcker (17) durch exzentrische, annähernd ringförmige Einkerbungen

(16) annähernd in Form von Rohrsegmenten ausgebildet sind.

4. Zwischenträger nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß als Trägerkörper eine Folie aus einem Kunststoffmaterial verwendet wird, deren Ausdehnungskoeffizient annähernd gleich dem der Halbleiterkomponente (2) ist.

5. Zwischenträger nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß als Trä^¬ gerkörper (10) eine Folie aus LCP (Liquid Crystal Polymer) dient.

6. Zwischenträger nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Außenanschlüsse (18) in Form einer Metallschicht auf dem äußeren Rand der Höcker (15; 17) ausgebildet sind.

7. Zwischenträger nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Außen- anschlußelemente eine zusätzliche Lotschicht (19) tragen.

8. Zwischenträger nach einem der Ansprüche 6 oder 7, 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 (11) zumindest teilweise mit Lotmaterial (19) gefüllt sind.

9. Zwischenträger nach einem der Ansprüche 1 bis 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Innen- anschlüsse (22) auf der Oberseite des Trägerkörpers (10) durch eine Metallschicht auf den Bauteil-Anschlußelementen (21) einer mit dieser Oberfläche verbundenen Halbleiterkomponente gebildet sind, wobei die Metallschicht (12) durchgehend sowohl die Wände der Durchgangslöcher als auch die zu den Durchgangslöchern gewandten Kontaktfläche der Bauteil- Anschlußelemente (21) bedeckt.

10. Halbleitermodul, gebildet durch einen mit einem Zwischenträger gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 verbundenen Halblei- terchip.

11. Verfahren zur Herstellung eines Zwischenträgers nach ei^¬ nem der Ansprüche 1 bis 9 für mindestens eine Halbleiterkom^¬ ponente mit folgenden Schritten:

- eine Halbleiterkomponente (2) wird mit ihrer Anschlußseite derart auf der Oberseite eines flachen Trägerkörpers (10) fixiert, daß ihre Anschluß-Kontaktelemente auf der Oberseite des Trägerkörpers (10) aufliegen;

- von der Unterseite (10a) des Trägerkörpers (10) werden Löcher (11) zur Freilegung der Bauteil-Anschlußelemente (21) der Halbleiterkomponente (2) bis zur Oberseite durchgebohrt;

- die Innenwände der Durchgangslöcher (11) und die freigelegten Oberflächen der Bauteil-Anschlußelemente (21) werden mit einer Metallschicht (12) überzogen; und - der Rand der Durchgangslöcher (11) auf der Unterseite des Trägerkörpers (10) wird jeweils durch eine umlaufende Einkerbung (14; 16) freigelegt.

12. Verfahren nach Anspruch 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Einkerbungen (14; 16) zur Freilegung der Lochränder durch Laserbearbeitung erzeugt werden.

13. Verfahren nach Anspruch 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Einkerbungen durch Prägung der Unterseite des Trägerkörpers (10) erzeugt werden, daß danach die Halbleiterkomponente (2) auf die Oberseite des Trägerkörpers (10) aufgebracht und daß dann die Durchgangslöcher (11) von der Unterseite her gebohrt und schließlich die Innenwände der Durchgangslöcher und die freigelegten Bauteil-Anschlußelemente der Halbleiterkomponente mit der Metallschicht (12) überzogen werden.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß eine auf der Unterseite des Trägerkörpers (10) aufgebrachte Metall- schicht (13) durch Laserbearbeitung zur Erzeugung einer Leiterbahnstruktur teilweise entfernt wird.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß zumindest die Ränder der Höcker (15) mit einer Lotmetallisierung vese- hen werden.