EP2191503A1 - Verfahren zum herstellen einer vielzahl von chips und entsprechend hergestellter chip - Google Patents
Verfahren zum herstellen einer vielzahl von chips und entsprechend hergestellter chipInfo
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Definitions
- the invention relates to a method for producing a plurality of chips whose functionality is based on the
- the surface layer of a substrate is realized.
- the surface layer of the substrate is structured and at least one cavity below the
- Substrate layer are connected below the cavity. At the
- the suspension stays and / or support elements are separated.
- the invention relates to a correspondingly manufactured chip.
- the processing of the functionality of semiconductor chips does not take place individually but simultaneously for a plurality of semiconductor chips, in a composite on a semiconductor wafer. Depending on the chip size and wafer size, a few thousand components can be arranged on such a wafer, which then have to be separated at the end of the production process.
- German patent application DE 103 50 036 A1 describes a method with which the singulation of the chips should be simplified. This method can also be used in particular in the production of thinned chips whose functionality is realized only in a surface layer of the semiconductor substrate.
- the lateral chip boundaries are defined here by means of etching trenches, which completely penetrate the surface layer of the substrate.
- cavities are produced below the surface layer using surface micromechanical methods, so that the individual chip areas are connected to the substrate layer underneath this cavity only via support elements in the region of a cavity. For separating the chips these support elements are then mechanically separated, for example in a tapping process in the context of the single-chip assembly.
- the surfaces of the chips produced by the known method are unprotected. They have to be subsequently passivated individually, ie sequentially. This proves to be problematic in practice, especially for extremely thin chips.
- the present invention proposes a production method for chips in which as many method steps as possible are carried out in the wafer assembly, that is to say in parallel for a multiplicity of chips arranged on a wafer.
- the structured and undermined surface layer of the substrate is embedded in a plastic compound before the chips are singulated.
- all the chips are provided with a plastic package at the end of the processing in a single process step at the wafer level.
- a surface layer structured as described above which is connected to the carrier substrate only via suspensions and / or support elements, can be embedded so extensively in plastic that the resulting plastic coating forms a good surface passivation for the chips.
- This plastic casing also simplifies the handling of the subsequent separation and assembly significantly, especially with extremely thin chips.
- the structured and undermined surface layer of the substrate is encapsulated with the plastic compound for this purpose.
- plastic material for example, epoxides, biphenyls or even multi-aromatic resins can be used.
- the chips are not only packaged in the wafer composite but also prepared in the wafer composite for a flip-chip assembly.
- the chip areas are provided with solder bumps before embedding in the plastic compound. Only then is the structured and undermined surface layer of the substrate embedded in the plastic compound, specifically so that the solder bumps protrude from the plastic compound.
- the so-packaged chips can be electrically contacted and mounted after singulation using the solder bumps.
- FIG. Ia shows a schematic longitudinal section through a substrate after the creation of cavities under a surface layer and FIG. 1b shows a horizontal section through the substrate shown in FIG. 1a in the region of the cavities under the surface layer.
- Fig. 2 shows the substrate shown in Fig. Ia in longitudinal section after a structuring of the surface layer and after the processing of circuits in the chip surfaces.
- Fig. 3 shows the substrate shown in Fig. 2 in longitudinal section after the application of Lotbumps and after embedding the surface layer in a plastic mass.
- Fig. 4 shows the substrate shown in Fig. 3 in longitudinal section when removing the plastic-coated surface layer.
- Fig. 5 shows the chips obtained from the composite shown in Fig. 4 after singulation.
- FIGS. 1 to 5 show, by way of example for a multiplicity of chips, two chip areas in successive stages of the production method according to the invention. Accordingly, the same reference numerals are used for all figures.
- the embodiment described below relates to the production of extremely thinned chips, without the invention in question being limited to this type of chips. It is only essential that the functionality of the chips, ie the electrical circuit elements and possibly the mechanical Structural elements, starting from a surface layer 2 of a substrate 1 can be realized. For this purpose, these circuit and structural elements can be integrated either directly into the surface layer 2, as in the embodiment described here, or in a layer structure on this surface layer.
- FIGS. 1a and 1b show the substrate 1 after two cavities 3 have been produced under the surface layer 2, namely under the areas of the surface layer 2 in which a chip is to be realized in each case.
- These two square, membrane-like chip areas 5 are bounded by a border 6 of the substrate material and are each supported by five arranged in the region of the cavities 3 supporting elements 7 of substrate material and fixed for subsequent processing.
- the shape, number and position of the support elements can be chosen arbitrarily, as long as their diameter is in the order of magnitude of the membrane thickness.
- the cavities 3 are preferably processed by surface micromachining techniques, such as e.g. The APSM (Advanced Porous Silicon Membrane) method, wherein the support elements 7 are formed as a compound of the respective chip area 5 with the substrate layer 4 below the cavity 3.
- APSM Advanced Porous Silicon Membrane
- the chip edges are also exposed by the surface layer 2 is patterned accordingly.
- a trench process is preferably used, since this structuring method, the realization of any Chip shapes with or without thin suspension or connecting webs in the surface layer 2 allowed. Only then are semiconductor circuits 8 with conductor tracks and bond pads diffused into the chip areas 5 of the surface layer 2. The result of this process step is shown in FIG. 2, where the trench trenches are labeled 9.
- the semiconductor circuits 8 are each provided with solder bumps 10 on the chip surfaces, before the structured and undermined surface layer 2 of the substrate 1 according to the invention is embedded in a plastic compound 11.
- the substrate 1 can simply be overmolded in a wafer molding process with a suitable plastic compound.
- the mold tool is advantageously evacuated.
- FIG. 3 illustrates that the solder bumps 10 are protected as electrical contacting of the chips during overmolding, so that they protrude from the plastic casing 11 and can later still be soldered during chip assembly.
- the molded block with all embedded in plastic compound 11 chips is then lifted in a process step from the rest of the substrate 1, which is shown in Fig. 4.
- the support elements 7 and any formed in the surface layer 2 Auf rehabilitationstege be separated. Since the adhesion of mold compound on bare silicon, which is often used as a substrate material, is not very good, the molded block can be solved in these cases with relatively little effort from the rest of the substrate.
- the lifting of the plastic block can also by a Shearing or peeling motion or supported by the use of ultrasound.
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Abstract
Mit der vorliegenden Erfindung wird ein Herstellungsverfahren für Chips vorgeschlagen, bei dem möglichst viele Verfahrensschritte im Waferverbund, also parallel für eine Vielzahl von auf einem Wafer angeordneten Chips, durchgeführt werden. Es handelt sich dabei um ein Verfahren zum Herstellen einer Vielzahl von Chips, deren Funktionalität ausgehend von der Oberflächenschicht (2) eines Substrats (1) realisiert wird. Bei diesem Verfahren wird die Oberflächenschicht (2) strukturiert und mindestens ein Hohlraum (3) unter der Oberflächenschicht (2) erzeugt, so dass die einzelnen Chipbereiche (5) lediglich über Aufhängestege untereinander und/oder mit dem übrigen Substrat (1) verbunden sind, und/oder so dass die einzelnen Chipbereiche (5) über Stützelemente (7) im Bereich des Hohlraums (3) mit der Substratschicht (4) unterhalb des Hohlraums (3) verbunden sind. Beim Vereinzeln der Chips werden die Aufhängestege und/oder Stützelemente (7) aufgetrennt. Erfindungsgemäß wird die strukturierte und unterhöhlte Oberflächenschicht (2) des Substrats (1) vor dem Vereinzeln der Chips in eine Kunststoffmasse (10) eingebettet.
Description
Beschreibung
Verfahren zum Herstellen einer Vielzahl von Chips und entsprechend hergestellter Chip
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Vielzahl von Chips, deren Funktionalität ausgehend von der
Oberflächenschicht eines Substrats realisiert wird. Im Rahmen dieses Verfahrens wird die Oberflächenschicht des Substrats strukturiert und es wird mindestens ein Hohlraum unter der
Oberflächenschicht erzeugt, so dass die einzelnen Chipbereiche lediglich über Aufhängestege untereinander und/oder mit dem übrigen Substrat verbunden sind und/oder über Stützelemente im Bereich des Hohlraums mit der
Substratschicht unterhalb des Hohlraums verbunden sind. Beim
Vereinzeln des Chips am Ende des Herstellungsprozesses werden die Aufhängestege und/oder Stützelemente aufgetrennt.
Ferner betrifft die Erfindung einen entsprechend gefertigten Chip.
Üblicherweise erfolgt die Prozessierung der Funktionalität von Halbleiterchips nicht einzeln sondern für eine Vielzahl von Halbleiterchips gleichzeitig, im Verbund auf einem Halbleiterwafer . Auf einem solchen Wafer können je nach Chipgröße und Wafergröße einige Tausend Bauelemente angeordnet werden, die dann am Ende des Herstellungsverfahrens vereinzelt werden müssen.
In der deutschen Offenlegungsschrift DE 103 50 036 Al wird ein Verfahren beschrieben, mit dem das Vereinzeln der Chips
vereinfacht werden soll. Dieses Verfahren lässt sich insbesondere auch bei der Herstellung von abgedünnten Chips einsetzen, deren Funktionalität lediglich in einer Oberflächenschicht des Halbleitersubstrats realisiert wird. Die seitlichen Chipgrenzen werden hier mit Hilfe von Ätzgräben festgelegt, die die Oberflächenschicht des Substrats vollständig durchdringen. Außerdem werden mit oberflächenmikromechanischen Verfahren Hohlräume unterhalb der Oberflächenschicht erzeugt, so dass die einzelnen Chipbereiche lediglich über Stützelemente im Bereich eines Hohlraums mit der Substratschicht unterhalb dieses Hohlraums verbunden sind. Zum Vereinzeln der Chips werden diese Stützelemente dann mechanisch aufgetrennt, beispielsweise in einem Abgreifprozess im Rahmen der Einzelchipmontage.
Die Oberflächen der nach dem bekannten Verfahren gefertigten Chips sind ungeschützt. Sie müssen nachträglich einzeln, also sequenziell, passiviert werden. Dies erweist sich in der Praxis insbesondere bei extrem dünnen Chips als problematisch.
Offenbarung der Erfindung
Mit der vorliegenden Erfindung wird ein Herstellungsverfahren für Chips vorgeschlagen, bei dem möglichst viele Verfahrensschritte im Waferverbund, also parallel für eine Vielzahl von auf einem Wafer angeordneten Chips, durchgeführt werden .
Erfindungsgemäß wird dazu bei einem Verfahren der eingangs genannten Art die strukturierte und unterhöhlte Oberflächenschicht des Substrats vor dem Vereinzeln der Chips in eine Kunststoffmasse eingebettet.
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens werden also alle Chips am Ende der Prozessierung in einem einzigen Prozessschritt auf Waferebene mit einer Kunststoffverpackung versehen. Erfindungsgemäß ist nämlich erkannt worden, dass sich eine wie eingangs beschrieben strukturierte Oberflächenschicht, die nur über Aufhängungen und/oder Stützelemente mit dem Trägersubstrat verbunden ist, so weitgehend in Kunststoff einbetten lässt, dass die resultierende Kunststoffummantelung eine gute Oberflächenpassivierung für die Chips bildet. Diese Kunststoffummantelung vereinfacht insbesondere bei extrem dünnen Chips zudem das Handling bei der nachfolgenden Vereinzelung und Montage deutlich.
Um die Chips erfindungsgemäß im Waferverbund in eine Kunststoffmasse einzubetten, muss diese nicht nur auf die strukturierte Oberflächenschicht aufgebracht werden, sondern auch in die Hohlräume unter der strukturierten Oberflächenschicht eingebracht werden. In einer vorteilhaften Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die strukturierte und unterhöhlte Oberflächenschicht des Substrats dazu mit der Kunststoffmasse umspritzt. Damit kann eine sehr gute Oberflächenüberdeckung erzielt werden, insbesondere, wenn das Umspritzen unter Vakuum erfolgt. Als Kunststoffmasse können beispielsweise Epoxide, Biphenyle oder auch multiaromatische Harze verwendet werden.
Von besonderem Vorteil ist es, wenn zumindest der die Chips bildende Bereich der strukturierten Oberflächenschicht zusammen mit der diesen Bereich umgebenden Kunststoffmasse in einem Block, also in einem einzigen Prozessschritt, vom übrigen Substrat abgenommen wird. Dazu muss die Haftung zwischen dem Kunststoffmaterial und dem Substratmaterial
überwunden werden. Außerdem müssen die entsprechenden Aufhängestege und/oder etwaige Stützelemente aufgetrennt werden. Die mit Kunststoff ummantelten Chips können danach einfach mit herkömmlichen Verfahren vereinzelt werden, beispielsweise durch Sägen oder Laserschneiden.
In einer besonders vorteilhaften Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Chips nicht nur im Waferverbund verpackt sondern auch im Waferverbund für eine Flip-Chip-Montage präpariert. Dazu werden die Chipbereiche vor dem Einbetten in die Kunststoffmasse mit Lotbumps versehen. Erst danach wird die strukturierte und unterhöhlte Oberflächenschicht des Substrats in die Kunststoffmasse eingebettet, und zwar so dass die Lotbumps aus der Kunststoffmasse herausragen. Die so verpackten Chips können nach dem Vereinzeln einfach unter Verwendung der Lotbumps elektrisch kontaktiert und montiert werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Wie bereits voranstehend erörtert, gibt es verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird einerseits auf die dem unabhängigen Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche und andererseits auf die nachfolgende Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Zeichnungen verwiesen.
Fig. Ia zeigt einen schematische Längsschnitt durch ein Substrat nach dem Erzeugen von Hohlräumen unter einer Oberflächenschicht und
Fig. Ib zeigt einen Horizontalschnitt durch das in Fig. Ia dargestellte Substrat im Bereich der Hohlräume unter der Oberflächenschicht.
Fig. 2 zeigt das in Fig. Ia dargestellte Substrat im Längsschnitt nach einer Strukturierung der Oberflächenschicht und nach dem Prozessieren von Schaltungen in den Chipoberflächen.
Fig. 3 zeigt das in Fig. 2 dargestellte Substrat im Längsschnitt nach dem Aufbringen von Lotbumps und nach dem Einbetten der Oberflächenschicht in eine Kunststoffmasse .
Fig. 4 zeigt das in Fig. 3 dargestellte Substrat im Längsschnitt beim Abnehmen der mit Kunststoff ummantelten Oberflächenschicht.
Fig. 5 zeigt die aus dem in Fig. 4 dargestellten Verbund gewonnenen Chips nach dem Vereinzeln.
Ausführungsformen der Erfindung
In den Figuren 1 bis 5 sind beispielhaft für eine Vielzahl von Chips zwei Chipbereiche in aufeinander folgenden Stadien des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens dargestellt. Dementsprechend werden für alle Figuren dieselben Bezugszeichen verwendet. Das nachfolgend beschriebene Ausführungsbeispiel bezieht sich auf die Herstellung von extrem abgedünnten Chips, ohne dass die hier in Rede stehende Erfindung auf diese Art von Chips beschränkt ist. Wesentlich ist lediglich, dass die Funktionalität der Chips, d.h. die elektrischen Schaltungselemente und ggf. die mechanischen
Strukturelemente, ausgehend von einer Oberflächenschicht 2 eines Substrats 1 realisiert werden. Dazu können diese Schaltungs- und Strukturelemente entweder direkt in die Oberflächenschicht 2 integriert werden, wie im hier beschriebenen Ausführungsbeispiel, oder auch in einen Schichtaufbau auf dieser Oberflächenschicht.
Die Figuren Ia und Ib zeigen das Substrat 1, nachdem zwei Hohlräume 3 unter der Oberflächenschicht 2 erzeugt worden sind, und zwar unter den Bereichen der Oberflächenschicht 2, in denen jeweils ein Chip realisiert werden soll. Diese beiden quadratischen, membranartigen Chipbereiche 5 sind von einer Umrandung 6 des Substratmaterials begrenzt und werden jeweils durch fünf im Bereich der Hohlräume 3 angeordnete Stützelemente 7 aus Substratmaterial unterstützt und für die nachfolgende Prozessierung fixiert. An dieser Stelle sei angemerkt, dass die Form, Anzahl und Lage der Stützelemente beliebig gewählt werden können, solange deren Durchmesser in der Größenordnung der Membrandicke liegt. So können beispielsweise neben säulenartigen Stützelementen auch linienförmige Stützmauern realisiert werden. Die Hohlräume 3 werden bevorzugt mit Verfahren der Oberflächenmikromechanik, wie z.B. dem APSM (Advanced Porous Silicon Membrane) Verfahren, erzeugt, wobei auch die Stützelemente 7 als Verbindung des jeweiligen Chipbereichs 5 mit der Substratschicht 4 unterhalb des Hohlraums 3 ausgebildet werden .
Nachdem die Chipbereiche 5 mit Hilfe der Hohlräume 3 unterhalb der Oberflächenschicht 2 definiert worden sind, werden auch die Chipränder freigelegt, indem die Oberflächenschicht 2 entsprechend strukturiert wird. dazu wird vorzugsweise ein Trenchprozess verwendet, da dieses Strukturierungsverfahren die Realisierung beliebiger
Chipformen mit oder ohne dünne Aufhängungs- bzw. Verbindungsstege in der Oberflächenschicht 2 erlaubt. Erst danach werden Halbleiterschaltungen 8 mit Leiterbahnen und Bondpads in die Chipbereiche 5 der Oberflächenschicht 2 diffundiert. Das Ergebnis dieses Verfahrensschritts ist in Fig. 2 dargestellt, wo die Trenchgräben mit 9 bezeichnet sind.
Die Chips des hier beschriebenen Ausführungsbeispiels werden für eine Flip-Chip-Montage präpariert. Dazu werden die Halbleiterschaltungen 8 auf den Chipoberflächen jeweils mit Lotbumps 10 versehen, bevor die strukturierte und unterhöhlte Oberflächenschicht 2 des Substrats 1 erfindungsgemäß in eine Kunststoffmasse 11 eingebettet wird. Dazu kann das Substrat 1 einfach in einem Wafer Molding Verfahren mit einer geeigneten Kunststoffmasse überspritzt werden. Um sicher zu stellen, dass die Kunststoffmasse 11 die Hohlräume 3 unter der strukturierten Oberflächenschicht 2 vollständig ausfüllt, wird das Moldwerkzeug vorteilhafterweise evakuiert. Fig. 3 veranschaulicht, dass die Lotbumps 10 als elektrische Kontaktierung der Chips beim Übermolden geschützt werden, so dass sie aus der Kunststoffumhüllung 11 herausragen und später, bei der Chipmontage noch lötbar sind.
Der gemoldete Block mit sämtlichen in Kunststoffmasse 11 eingebetteten Chips wird dann in einem Prozessschritt vom übrigen Substrat 1 abgehoben, was in Fig. 4 dargestellt ist. Dabei werden die Stützelemente 7 und etwaige in der Oberflächenschicht 2 ausgebildete Aufhängestege aufgetrennt. Da die Haftung von Moldcompound auf blankem Silizium, das häufig als Substratmaterial verwendet wird, nicht sehr gut ist, lässt sich der gemoldete Block in diesen Fällen mit vergleichsweise geringem Aufwand vom übrigen Substrat lösen. Das Abheben des Kunststoffblocks kann aber auch durch eine
Scher- oder Schälbewegung oder durch den Einsatz von Ultraschall unterstützt werden.
Erst danach erfolgt die Vereinzelung der bereits verpackten Chips 12 durch Sägen oder Laserschneiden des Verbunds aus Kunststoffmasse 11 und strukturierter Oberflächenschicht 2 im Bereich der Trenchgräben 9 zwischen den einzelnen Chipbereichen 5. Die so gewonnenen Chips 12 sind in Fig. 5 dargestellt. Wie bereits erwähnt, ragen die Lotbumps 10 aus der KunststoffUmhüllung 11 der einzelnen Chips 12 heraus. Da die Oberfläche der Chips 12 bereits durch die Kunststoffummantelung 11 passiviert ist, wird bei einer anschließenden Flip-Chip-Montage kein Underfill benötigt. Schließlich sei noch darauf hingewiesen, dass bedingt durch das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren in der Außenfläche der KunststoffUmhüllung 11 Aufhängestege und/oder Stützelemente 7 zu erkennen sind.
Claims
1. Verfahren zum Herstellen einer Vielzahl von Chips, deren Funktionalität ausgehend von der Oberflächenschicht (2) eines Substrats (1) realisiert wird, bei dem die Oberflächenschicht (2) strukturiert wird und mindestens ein Hohlraum (3) unter der Oberflächenschicht (2) erzeugt wird, so dass die einzelnen Chipbereiche (5) lediglich über Aufhängestege untereinander und/oder mit dem übrigen Substrat (1) verbunden sind, und/oder so dass die einzelnen Chipbereiche (5) über Stützelemente (7) im Bereich des Hohlraums (3) mit der Substratschicht (4) unterhalb des Hohlraums (3) verbunden sind, und - bei dem die Chips vereinzelt werden, wobei die Aufhängestege und/oder Stützelemente (7) aufgetrennt werden, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die strukturierte und unterhöhlte Oberflächenschicht (2) des Substrats (1) vor dem Vereinzeln der Chips in eine Kunststoffmasse (10) eingebettet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die strukturierte und unterhöhlte Oberflächenschicht (2) des Substrats (1) umspritzt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Umspritzen unter Vakuum erfolgt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Kunststoffmasse (10) ein Epoxid, ein Biphenyl oder ein multiaromatisches Harz verwendet wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der die Chips bildende Bereich der strukturierten Oberflächenschicht (2) zusammen mit der diesen Bereich umgebenden Kunststoffmasse (10) vom übrigen Substrat (1) abgenommen wird, wobei die entsprechenden Aufhängestege und/oder etwaige Stützelemente (7) aufgetrennt werden, und dass die in die Kunststoffmasse (10) eingebetteten Chips erst danach vereinzelt werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Chipbereiche (5) mit Lotbumps (9) für eine Flip-Chip-Montage versehen werden und dass die strukturierte und unterhöhlte Oberflächenschicht (2) des Substrats (1) dann so in die Kunststoffmasse (10) eingebettet wird, dass die Lotbumps (9) aus der Kunststoffmasse (10) herausragen .
7. Chip (11) mit einer Kunststoffumhüllung (10) und aus der KunststoffUmhüllung (10) herausragenden Lotbumps (9), hergestellt gemäß einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass in der
Außenfläche der Kunststoffumhüllung (10) Aufhängestege und/oder Stützelemente (7) zu erkennen sind, die vom
Herstellungsverfahren des Chip (11) herrühren.
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