Beschreibung
Elektronisches Bauteil mit Halbleiterchip und Kunststoffgehäuse und Verfahren zur Herstellung desselben
Die Erfindung betrifft ein elektronisches Bauteil, das einen Halbleiterchip mit einer Oberseite, mit einer Rückseite und mit Randseiten sowie ein Kunststoffgehäuse aufweist. Dabei ist der Halbleiterchip in dem Kunststoffgehäuse derart einge- bettet, dass die Rückseite und die Randseiten des Halbleiterchips von einer Kunststoffmasse umgeben sind, während die 0- berseite des Halbleiterchips frei von Kunststoffmasse bleibt. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung des elektronischen Bauteils.
Bei elektronischen Bauteilen, die darauf basieren, dass sie keine Chipinsel aufweisen, auf welcher der Halbleiterchip fixiert ist, sondern bei denen der Halbleiterchip nur von der umgebenden Kunststoffmasse des Gehäuses gehalten wird, be- steht die Gefahr einer erhöhten Mikrorissbildung bis hin zur Delamination des Halbleiterchips. Diese Gefahr wird größer, wenn zusätzlich die Oberseite des Halbleiterchips frei von Kunststoffmasse zu halten ist, und somit der Halbleiterchip nicht allseitig von Kunststoffmasse umgeben ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein zuverlässiges elektronisches Bauteil anzugeben, das einen Halbleiterchip aufweist, der vollständig auf seiner Rückseite und seinen Randseiten von einer Kunststoffmasse umgeben ist.
Diese Aufgabe wird mit dem Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Erfindungsgemäß wird ein elektronisches Bauteil angegeben, das einen Halbleiterchip aufweist. Dieser Halbleiterchip hat seinerseits eine Oberseite, eine Rückseite und Randseiten. Der Halbleiterchip ist in einem Kunststoffgehäuse eingebaut und wird dabei von einer Kunststoffmasse auf der Rückseite und den Randseiten umgeben. Die Oberseite des Halbleiterchips kann dann teilweise oder ganz frei von Kunststoffmasse bleiben und mit der Oberseite des Kunststoffgehäuses eine ebene Fläche bilden. Dabei weisen die Randseiten und/oder die Rückseite des Halbleiterchips mindestens einen Verankerungsbereich auf, über den der Halbleiterchip mit der umgebenden Kunststoffmasse formschlüssig in Eingriff steht.
Ein derartiges Bauteil hat den Vorteil, dass aufgrund des
Formschlusses zwischen Halbleiterchip und Kunststoffmasse eine Mikrorissbildung und eine Ausbreitung von Mikrorissen in der Kunststoffmasse vermindert wird, was die Zuverlässigkeit erhöht . Gleichzeitig kann durch Formgebung des Verankerungs- bereichs ein Ausbreiten von Mikrorissen in Richtung auf die Oberfläche des Kunststoffgehäuses vermindert werden.
In einer ersten Ausführungsform der Erfindung weisen die Randseiten des Halbleiterchips ein Profil auf, das zu der 0- berseite des Halbleiterchips einen stumpfen Winkel bildet.
Mit diesem stumpfen Winkel der Randseiten wird erreicht, dass sich die Kunststoffmasse allmählich mit abnehmender Stärke zur Oberseite des Kunststoffgehäuses hin über die Randseiten des Halbleiterchip stülpt. Neben einem Formschluss zwischen Halbleiterchip und Kunststoffmasse wird gleichzeitig erreicht, dass der Halbleiterchip im Bereich seiner Oberseite zu den Randseiten hin keine scharfe rechtwinkelige Kante bil-
det, sondern vielmehr einen weichen Übergang mit Hilfe des stumpfen Winkels schafft.
Ferner können die Randseiten eine Stufe aufweisen. Diese Stu- fe kann einerseits tief innerhalb des Volumens des Kunststoffgehäuses liegen oder an der Oberseite des Halbleiterchips angeordnet sein. Eine Anordnung der den Halbleiterchip verankernden Stufe der Randseiten in der Tiefe der Kunststoffmasse hat den Vorteil, dass Mikrorisse aufgrund von Thermospannungen in der Tiefe des Kunststoffgehäuses entstehen und nicht in der Nähe der Oberseite des Kunststoffgehäuses.
Wird die Stufe im Bereich der Oberseite des Halbleiterchip angeordnet, so dass diese Stufe den Halbleiterchip wie einen Tellerrand umgibt, so hat dies den Vorteil, dass Mikrorisse, die im Volumen der Kunststoffmasse am Boden des tellerförmigen Halbleiterchips entstehen, durch den Randbereich des Halbleiterchips, der durch die Stufe gekennzeichnet ist, nicht auf die Oberseite des elektronischen Bauteils durchdringen können. Sie werden vielmehr von dem stufenförmigen Rand des Halbleiterchips davon abgehalten, Mikrorisse auch an der Oberseite des Kunststoffgehäuses zu entwickeln.
Darüber hinaus können die Randseiten derart gestaltet sein, dass sie Ausbuchtungen aufweisen, mit denen sie mit der Kunststoffmasse verzahnt sind. Diese Ausbuchtungen sind aufgrund ihrer Abrundungen geeignet, keinerlei Mikrorisse in dem Kunststoffmaterial entstehen zu lassen. Außerdem kann die der Oberfläche am nächsten kommende Abrundung derart gestaltet sein, dass sich die Kunststoffmasse allmählich mit abnehmender Dicke an das Niveau der Oberseite des Halbleiterchips angleicht.
Eine weitere Möglichkeit neben der Strukturierung des Profils der Randseiten besteht darin, eine intensive Verankerung zwischen dem Halbleitermaterial und der Kunststoffmasse durch Aufbringen von Dendriten auf die einzubettenden Oberseiten des Halbleiterchips zu erreichen. Dendriten verhindern nicht nur eine Ausbreitung von Mikrorissen in der Kunststoffmasse, sondern bilden auch eine intensive Verzahnung zwischen dem Halbleiterchip und der Kunststoffmasse. Darüber hinaus können die Dendriten ein von dem Halbleiterchip unterschiedliches
Material, wie eine Oxidkeramik oder ein Metall aufweisen. Außerdem können die Dendriten auf unterschiedlich vorprofilierten Verankerungsbereichen eines Halbleiterchips zusätzlich angebracht sein.
Eine weitere Möglichkeit der Verankerung besteht darin, die Rückseite des Halbleiterchips mit Hinterschneidungen zu versehen, die eine formschlüssige Verbindung zwischen Kunststoff asse und Halbleiterchipmaterial bilden. Derartige Hin- terschneidungen können in Form von Schwalbenschwanzstrukturen oder anderen stufenförmigen Einkerbungen durch Hochgeschwindigkeitsfräser auf der Rückseite der Halbleiterchips eingebracht werden oder durch entsprechenden Laserabtrag oder durch ünterätzungen in einem Ätzverfahren.
Ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterchips mit Verankerungsbereichen für eine den Halbleiterchip umgebende Kunststoffmasse weist die nachfolgenden Verfahrensschritte auf.
Zunächst wird ein Halbleiterwafer bereitgestellt, der in Zeilen und Spalten angeordnete integrierte Schaltungen in mehreren Halbleiterchippositionen aufweist. Dieser Halbleiterwafer
wird anschließend in Halbleiterchips mittels einer Profilsäge und/oder mittels Laserabtrag unter Profilierung der Randseiten und/oder der Rückseite des Halbleiterchips getrennt. Nach dem Auftrennen des Halbleiterwafers in Halbleiterchips mit profilierten Randseiten und/oder profilierten Rückseiten wird ein Halbleiterchip in eine Kunststoffmasse unter Freilassen der Oberseite des Halbleiterchips eingebettet. Dabei bildet die Oberseite des Halbleiterchips und die Oberseite der Kunststoffmasse eine gemeinsame ebene Fläche aus.
Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass mehrere Halbleiterchips gleichzeitig bei einem Trennverfahren von Halbleiterchips aus einem Halbleiterwafer mit Verankerungsbereichen versehen werden können. Anschließend ist es möglich diese profilierten Halbleiterchips in eine plattenförmig aufgebaute Kunststoffmasse einzubringen, so dass ein Nutzen entsteht, der nun mit fest verankerten Halbleiterchips in der Kunststoffplatte weiterverarbeitet werden kann.
Bei dem Profilsägen können die oben erwähnte stufenförmige Randseiten oder auch ein stumpfer Winkel der Randseiten zu der Oberseite herausgearbeitet werden. Um Hinterschneidungen in die Rückseite einzubringen, ist es sinnvoll, den Halbleiterwafer noch vor dem Zerteilen auf seiner Rückseite mit ent- sprechenden Frässpuren zu versehen, die Hinterschneidungen aufweisen. Erfolgt das Trennen durch Laserabtrag, so kann gleichzeitig mit dem Ausbilden der Trennfugen auch die Rückseite des Halbleiterchips in der vorgegebenen Weise wie oben beschrieben profiliert werden.
Sowohl profilierte Halbleiterchip als auch unprofilierte Halbleiterchip können vor dem Einbetten des Halbleiterchips in eine Kunststoffmasse in ein chemischen oder galvanischen
Bad eingetaucht werden, wobei sich Dendriten aus Oxidkeramiken oder aus Metall auf den Randseiten und/oder auf der Rückseite des Halbleiterchips abscheiden. Diese fein strukturierten Dendriten verbessern nicht nur die Formschlüssigkeit, sondern vermindern auch die Mikrorissgefahr im Bereich des Übergangs von Halbleiterchip zur Kunststoffmasse.
Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass die oft unzureichende gegenseitige Haftung der einzelnen Bestandteile ei- nes elektronischen Bauteils, wie Halbleiterchip, Chipkleber, Moldmasse in Verbindung mit Umgebungseinflüssen, wie Temperaturzyklen, eine sogenannte Delamination und Risse bewirken kann. Delaminationen und Mikrorisse stellen prinzipiell einen Qualitätsmangel dar und können je nach Ausprägung und Uirtge- bungsbedingungen Chipbrüche und/oder Brüche der Bondverbindungen induzieren und somit zum elektrischen Ausfall des Halbleiterbauelements führen.
Diese Gefahr ist besonders groß bei einseitig gemoldeten Chips, da diese bei Temperaturwechseln durch Spannungen aufgrund unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten des Gehäuses, beispielsweise zwischen Gehäuse und Endgeräteplatte, Risse entlang der Chipkanten aufweisen können. Diese Risse entlang der Chipkanten können zu Abrissen von Leiter- bahnen der auf die gemeinsame Oberfläche von Kunststoffgehäuse und Halbleiterchip aufgebrachten Dünnschichtumverdrahtun- gen führen. Dabei breiten sich diese Risse und/oder Delaminationen insbesondere entlang geradliniger Kanten aus. Dieses wird noch unterstützt durch die quaderförmige Form von Halb- leiterchips. Diese Quaderform und die glatten Oberflächen dieser Quader sind durch die Herstellungsprozesse bedingt. Dabei werden die vier seitlichen Mantelflächen durch den Pro- zess der Chipvereinzelung erzeugt. Diese Flächen sind aus
prozesstechnischen Gründen eben und zueinander rechtwinkelig was die Mikrorissausbreitung fördert.
Die bei dem Herstellungsprozess auftretende Rauhigkeit sowohl makroskopisch als auch mikroskopisch reicht nicht aus, um eine sichere Verankerung des Halbleiterchips in der Kunststoffmasse für alle Belastungen zu gewährleisten. Durch die erfindungsgemäß Vergrößerung der Grenzfläche zwischen Halbleiterchip und Kunststoffmasse sinkt die Gefahr des Auftretens und der Ausbreitung von Delaminationen und Mirkorissen zwischen diesen beiden Materialien. Das Ausbreiten entlang der sonst geradlinigen Randseiten des Halbleiterchips wird damit behindert und erfindungsgemäß lässt sich durch die Veränderung der Randseiten und der Rückseite des Halbleiterchips nicht nur eine verbesserte chemische Grenzflächenhaftung, sondern auch ein mechanischer Formschluss durch Hinterschneidungen erreichen.
Somit können durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen Risse vollständig unterdrückt werden oder auftretende Risse gezwungen werden, sich langsamer auszubreiten, oder die Risse werden durch eine Stufe oder Schräge vor einem Ausbreiten bis an die gemeinsame Oberseite aus Chipoberfläche und Kunststoffgehäuse gehindert.
Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Figuren näher erläutert.
Figur 1 zeigt einen Querschnitt durch einen Ausschnitt ei- nes elektronischen Bauteils einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
Figur 2 zeigt einen Querschnitt durch einen Ausschnitt eines elektronischen Bauteils einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,
Figur 3 zeigt einen Querschnitt durch einen Ausschnitt eines elektronischen Bauteils einer dritten Ausführungsform der Erfindung,
Figur 4 zeigt einen Querschnitt durch einen Ausschnitt ei- nes elektronischen Bauteils einer vierten Ausführungsform der Erfindung,
Figur 5 zeigt einen Querschnitt durch einen Ausschnitt im Randbereich des Halbleiterchips eines elektronischen Bauteils einer fünften Ausführungsform der Erfindung,
Figur 6 zeigt einen Querschnitt durch einen Ausschnitt im
Randseitenbereich des Halbleiterchips eines elektronischen Bauteils einer sechsten Ausführungsform der Erfindung.
Figur 1 zeigt einen Querschnitt durch einen Ausschnitt eines elektronischen Bauteils einer ersten Ausführungsform der Er- findung. Das elektronische Bauteil weist ein Kunststoffgehäu- se 6 mit einer Kunststoffmasse 7 auf, die einen Halbleiterchip 1 auf seiner Rückseite 3 und auf seinen Randseiten 4 und 5 vollständig umgibt. Die Oberseite 2 des Halbleiterchips 1 ist von der Kunststoffmasse 7 freigehalten und bildet mit der Oberseite 8 des Kunststoffgehäuses 6 eine gemeinsame ebene Fläche 9.
Auf der gemeinsamen ebenen Fläche 9 können Dünnfilmstrukturen, wie Leiterbahnen und ^andere Verdrahtungskomponenten aufgebracht werden, um beispielsweise hier nicht gezeigte Kontaktflächen, die auf der Oberseite 2 des Halbleiterchips 1 angeordnet sind, mit entsprechenden, hier nicht' gezeigten Außenkontakten auf der Oberseite des Kunststoffgehäuses zu verbinden. Die Randseiten 4 und 5 dieser ersten Ausführungsform der Erfindung weisen in einem Verankerungsbereich 10 eine Stufe 11 auf. Diese Stufe 11 unterbricht die glatten Randsei- ten 4 und 5, so dass Mikrorisse, die in der Tiefe der Kunststoffmasse 7 entstehen oder die von den Bauteilaußenflächen ausgehend in Richtung Chip verlaufen, durch die tellerrand- förmig ausgebildeten Randseiten 4 und 5 vom Ausbreiten auch bis zur gemeinsamen Fläche 9 behindert werden. Um diese Schutzwirkung zu erreichen, ist die Dicke der Stufe 11 wesentlich geringer als die Gesamtdicke des Halbleiterchips. In dieser Ausführungsform der Erfindung weist die Stufe 11 eine Dicke von ca. 20 bis 300 μm auf, während die Dicke des gesamten Halbleiterchips 1 zwischen 50 und 750 μm liegt. Es können auch andere absolute Größen angewendet werden, wenn in etwa dieselben Proportionen eingehalten werden. Das Verhältnis zwischen Dicke der Stufe und Chipdicke kann etwa 0,1 bis 0,3- 0,4 oder sogar bis ca. 0,8 betragen.
Figur 2 zeigt einen Querschnitt durch einen Ausschnitt eines elektronischen Bauteils gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Komponenten mit gleichen Funktionen wie in Figur 1 werden mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und nicht extra erörtert. Der Unterschied der Ausführungsform ge- maß Figur 2 unterscheidet sich von der Ausführungsform nach Figur 1 dadurch, dass die Stufe 11 auf den Randseiten 4 und 5 des Halbleiterchips nicht an der Oberseite 2 des Halbleiterchips angeordnet ist, sondern auf der Rückseite 3. Mit dieser
Anordnung wird ein sicherer "Formschluss erreicht und gleichzeitig dafür gesorgt, dass Mikrorisse im wesentlichen im Bereich der Rückseite 3, das heißt also innerhalb der Kunststoffmasse 7 an der dort angeordnete Stufe entstehen und sich horizontal ausbreiten und sich weniger in Richtung auf die Oberseite 8 des Kunststoffgehäuses ausbreiten.
Figur 3 zeigt einen Querschnitt durch einen Ausschnitt eines elektronischen Bauteils gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung. Komponenten mit gleichen Funktionen wie in den vorhergehenden Figuren werden mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und nicht extra erörtert. Im Unterschied zu den vorhergehenden beiden Figuren wird in Figur 3 eine Ausführungsform der Erfindung gezeigt, bei der die Randseiten 4 und 5 des Halbleiterchips 1 in einem stumpfen Winkel α zur Oberseite 2 des Halbleiterchips 1 ausgerichtet sind. Mit einem derartigen Profil der Randseiten 4 und 5 wird erreicht, dass sich die Kunststoffmasse 7 mit abnehmende Dicke in Richtung auf die Oberseite 2 des Halbleiterchips 1 stülpt. Außerdem breiten sich Mikrorisse bevorzugt an dem spitzen Winkel zwischen Rückseite 3 und Seitenrändern 4 und 5 des Halbleiterchips 1 in der Tiefe der Kunststoffmasse 7 aus, jedoch nicht in der Nähe der Oberseite 8 des Kunststoffgehäuses 6.
Figur 4 zeigt einen Querschnitt durch einen Ausschnitt eines elektronischen Bauteils gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung sind die Seitenränder 4 und 5 glatt belassen worden, jedoch ist ein Verankerungsbereich 10 auf der Rückseite 3 des Halblei- terchips angeordnet, der Hinterschneidungen 14 aufweist. Mikrorisse die in diesem auf der Rückseite 3 des Halbleiterchips 1 angeordneten Verankerungsbereich 10 entstehen breiten sich nicht in Richtung auf die gemeinsame Fläche 9 aus . Eine der-
artige formschlüssige Verankerung 10 eines Halbleiterchips 1 in einer Kunststoffmasse 7 kann verstärkt werden, wenn die Seitenränder 4 und 5 mikroskopisch kleine Strukturen in Form von Dendriten oder Ausbuchtungen aufweisen, wie es die Figu- ren 5 und 6 zeigen.
Figur 5 zeigt einen Querschnitt durch einen Ausschnitt im Randseitenbereich des Halbleiterchips 1 eines Bauteils einer fünften Ausführungsform der Erfindung. In dem Randbereich sind Ausbuchtungen 12 angeordnet. Diese Auswölbungen 12 sind abgerundet, so dass Mikrorisse an ihnen abgleiten können.
Figur 6 zeigt einen Querschnitt eines Ausschnitts im Randseitenbereich des Halbleiterchips 1 eines Bauteils einer sechs- ten Ausführungsform der Erfindung. In diesem Fall ist die
Randseite 4 mit Dendriten 13 versehen, die beispielsweise in einem galvanischen Bad auf der Randseite 4 abgeschieden wurden. Derartige Dendriten 13 sorgen für einen intensiven Form- schluss zwischen Halbleiterchip 1 und Kunststoffmasse 7 und können auch auf der hier nicht gezeigten Rückseite 3 des
Halbleiterchips 1 aufgebracht werden. Diese Dendriten sind in einem galvanischen Bad auf der Randseite 4 abgeschieden und weisen Oxidkeramiken auf.
Genauso ist es denkbar, Oberflächenbereiche auch gezielt abzutragen, um eine ähnlich aufgeraute Randseite zu erzeugen.