WO2006050709A1 - Halbleiterbauteil mit mindestens einem halbleiterchip und abdeckmasse und verfahren zur herstellung desselben - Google Patents

Halbleiterbauteil mit mindestens einem halbleiterchip und abdeckmasse und verfahren zur herstellung desselben Download PDF

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Michael Bauer
Alfred Haimerl
Angela Kessler
Joachim Mahler
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Definitions

  • the invention relates to a semiconductor device having at least one semiconductor chip and covering compound and method for the production thereof.
  • the covering compound on semiconductor chips of semiconductor components is mechanically closely coupled to the semiconductor surface and the electrical connections to a wiring carrier, if it is not a semiconductor component with cavity housing, in which case the semiconductor chip is completely free of any embedding cover compound.
  • the object of the invention is to improve the reliability of a semi-conductor component having at least one semiconductor chip and a covering compound, and to create possibilities for largely decoupling the top side of the semiconductor chip mechanically from the surrounding cover.
  • a semiconductor component having at least one semiconductor chip and a covering compound wherein the semiconductor chip is arranged with its rear side on a wiring carrier.
  • the wiring carrier has external contacts on its underside and connects contact surfaces of the semiconductor chip with these external contacts.
  • carbon nanotubes are arranged between the active upper side of the semiconductor chip and the covering compound, which nanotubes Carry cover mass and mechanically decouple the covering from the top of the semiconductor chip.
  • this semiconductor component does not embed the semiconductor chip, and thus does not touch the top side of the semiconductor chip. Instead, carbon nanotubes ensure that mechanical decoupling between the upper side of the semiconductor chip and the enveloping covering compound becomes possible.
  • the Halbleiterchipober- side is kept free of the covering, and it must be developed no elaborate cavity housing with appropriate and appropriate covers. Rather, after a corresponding number of carbon nanotubes are arranged on the upper side of the semiconductor chip, the covering compound can be applied to the wiring carrier and onto the semiconductor chip with simple means, whereby the covering compound, supported by the carbon nanotubes, automatically hovers over the top of the semiconductor chip while remaining in close contact with the wiring substrate.
  • the mechanical decoupling between the upper side of the semiconductor chip and the covering compound is made possible by the special properties of the carbon nanotubes.
  • Both single-walled and multi-walled carbon nanotubes can be used.
  • Single-walled carbon nanotubes have a diameter of 0.6 to 1.8 nanometers and can reach tens of microns in length. They consist mainly of an envelope of hexagonal angeordne ⁇ th carbon rings, which are united to form a cylindrical surface.
  • Multi- walled carbon nanotubes have a diameter between 2 nm and 300 niti and can be dependent ranging from their diameter lengths up to several millimeters er ⁇ . In densely packed form they develop a density of 1.33 to 1.4 g / cm 2 . Their density is thus a factor of 2 lower than the density of light metal. The tensile strength of such carbon nanotubes is also several orders of magnitude better than that of metal at about 10 11 Pa. In the case of thermal mismatches due to different coefficients of expansion between the covering compound and the semiconductor chip material in a semiconductor component, the danger of tearing under high thermal stress due to this intermediate layer is eliminated
  • Carbon nanotubes compared to conventional Kunststoffierun ⁇ gene between the semiconductor chip surface and covering low.
  • the covering compound is at a distance from the upper side of the semiconductor chip,. in which the carbon nanotubes are arranged. With this distance between covering compound and upper side of the semiconductor chip and carbon nanotubes arranged therebetween, the properties of the carbon nanotubes are optimally utilized for the mechanical decoupling of the upper side of the semiconductor chip and the covering compound provided. While the free ends of the carbon nanotubes protrude into the covering compound, the oppositely arranged ends of the carbon nanotubes are partially anchored on the top side of the semiconductor chip.
  • the anchoring of the carbon nanotubes, at least one end on the upper side of the semiconductor chip, is achieved in part by the preparation of the nanochips.
  • the anchoring of at least one end of the carbon nanotubes does not exclude that the carbon nanotubes with their free ends can arbitrarily distribute in the intermediate layer between covering compound and semiconductor chip top side, these free ends also partially becoming the top side again of the semiconductor chip and bent back into the local anchoring. It is only decisive for the function of the semiconductor component that the covering compound can not directly wet the top side of the semiconductor chip or reaches it in any way. Instead, the covering compound remains at a distance from the upper side of the semiconductor chip and floats, held and supported by free ends of the carbon nanotubes, over the upper side of the semiconductor chip.
  • the carbon nanotubes extend partially orthogonally to the upper side of the semiconductor chip. This orthogonality can be achieved in part by appropriate growth of the carbon nanotubes on the upper side of the semiconductor chip. Depending on the introduction of a structured layer formed of a catalyst material, the most varied forms of anchoring between the upper side of the semiconductor chip and the carbon nanotubes will form. Furthermore, by superposing the growth processes by means of an electrical voltage, a static charge can contribute to the fact that the carbon nanotubes develop in the preferred orthogonal growth direction to the upper side of the semiconductor chip.
  • a catalyst material for forming and anchoring carbon nanotubes is arranged on the upper side of the semiconductor chip.
  • the carbon nanotubes protrude into the material of the covering compound with the second free end, but in some cases remain wettable in the direction of the surface of the semiconductor chip.
  • the floating on the embedded second ends of the nanotubes covering compound is made of a plastic.
  • the upper sides of the semiconductor chips, unaffected by the covering mass can detect, for example by means of measurement, vibrations.
  • the risk of breakage of the connecting lines derived from the semiconductor chip to a wiring substrate is also reduced by this decoupling between the cover compound and the semiconductor chip.
  • the wiring substrate may be constructed differently depending on the requirements of the semiconductor device.
  • the wiring carrier has inner flat conductors which are electrically connected to the contact surfaces of the semiconductor chip via bonding connections and, as external contacts, outside the covering compound into outer flat conductors.
  • This embodiment of the invention has the advantage that standardized flat conductor frame structures can be used, with which several semiconductor components can be produced in parallel at the same time.
  • the wiring carrier has an insulator plate with a wiring structure.
  • This insulator plate has on its part an upper side with the semiconductor chip and a opposite bottom side with corresponding external contacts in the form of solder bumps or solder balls.
  • a BGA (ball grid array) housing is created, which has the advantage that all external contacts can be surface mounted on a higher-level circuit board. With such BGA packages, a large number of external contacts can be realized, which can be applied to such a higher-level circuit carrier by surface mounting at the same time.
  • a method for producing a semiconductor device of the type described above has the following Anlagens ⁇ steps.
  • a semiconductor wafer with semiconductor chip positions is produced for producing the semiconductor component, wherein the chip positions are arranged in rows and columns on the upper side of the semiconductor wafer.
  • a selective coating of the semiconductor wafer with a layer of a catalyst material and nuclei for carbon nanotubes takes place, leaving contact areas on the upper side of the semiconductor chip free.
  • the coated semiconductor wafer is heated to form carbon nanotubes on the upper side of the semiconductor wafer.
  • a separation of the semiconductor wafer into individual semiconductor chips with carbon nanotubes arranged on the upper side of the semiconductor chips these are applied to a wiring carrier having a plurality of semiconductor component positions.
  • This method has the advantage that the carbon nanotubes for a plurality of semiconductor chips can be formed on a semiconductor wafer.
  • this is associated with a production-related problem, namely that when the semiconductor wafer is split into individual semiconductor chips, the densely packed layer of nanotubes may be damaged. Therefore, it must be ensured that the carbon nanotubes arranged on the semiconductor chips are sufficiently protected.
  • This problem can be partially solved da ⁇ by that instead of the usual sawing technique for separating the semiconductor chips a Lasertrenn ⁇ technology is applied.
  • An alternative method avoids this production-technical problem by carrying out the following method steps one after the other.
  • a semiconductor wafer with semiconductor chip positions is produced again, wherein the semiconductor chip positions are arranged in rows and columns on the upper side of the semiconductor wafer.
  • the semiconductor wafer is separated directly into individual semiconductor chips.
  • the semiconductor chips without carbon nanotubes are then fixed on the wiring carrier in a plurality of semiconductor component positions.
  • the semiconductor chips are heated on the wiring substrate so far that carbon nanotubes form on the upper side of the semiconductor chip over the catalyst mass. This is followed by the connection of connecting surfaces of the wiring carrier with contact surfaces of the semiconductor chip and subsequently the application of a resilient covering compound to the wiring carrier, to the bond connection and to freestanding second ends of the carbon nanotubes on the upper side of the semiconductor chip. After that, the wiring carrier is then separated into individual semiconductor components.
  • external contacts can be applied to the underside of the wiring substrate, which is opposite the top side of the wiring substrate with the semiconductor chips, so that when the wiring substrate is separated into individual semiconductor components, the external contacts are already made.
  • the wiring carrier is made of a flat conductor frame, then the outer flat conductors are already realized with the leadframe and are thus punched out of the leadframe after completion of the semiconductor components in the semiconductor component positions of the wiring carrier.
  • a suspension of a polymeric plastic, a solvent and produced in an arc precursors of carbon nanotubes is prepared.
  • the preparation of precursors of carbon nanotubes with the help of an electric arc between carbon electrodes which is produced, is a technique that makes it possible to produce derar ⁇ term suspensions from the resulting dust from germs of carbon nanotubes.
  • carbon nanotubes and / or their precursors are initially produced in a heating tube by feeding a powder mixture of graphite particles, preferably carbon-fillederenes and catalyst particles, in a laser beam.
  • This method has the advantage over the production of carbon nanotubes in the arc process that targeted orders of magnitude of precursors of carbon nanotubes can be produced.
  • a further possibility for producing the suspension be ⁇ first to produce carbon nanotubes and / or their precursors in a pressure furnace by means of vapor deposition with supply of carbon monoxide and hydrogen.
  • This method has the advantage that the partial pressure of the materials involved in the vapor deposition can control the composition and type of precursors of carbon nanotubes.
  • the hydrogen attaches itself to the oxygen atoms of the carbon monoxide, while the carbon atoms become hexagonal
  • the selective coating with a suspension follows by means of pressure techniques.
  • the suspension is prepared by different methods and subsequently in a jet printing process, in which preferably a jet printer, as is known from the inkjet printers, is used in order to selectively and selectively apply the suspension to the surfaces which either represent a semiconductor chip position of a semiconductor wafer or relates to a semiconductor chip on a substrate carrier with a plurality of semiconductor component positions.
  • a further possibility of selective coating with a suspension is given by the photolithography technique, wherein surfaces of a semiconductor wafer which are not to be coated with the suspension, such as, for example, separating tracks and contact surfaces, are previously protected with a photoresist layer before the suspension is applied.
  • the selective coating is carried out with a suspension by means of laser structuring by first coating a semiconductor wafer with the suspension and then removing the suspension in the areas in which separation traces or Contact pads are located on the surface of the wafer.
  • a mixture of carbon fullerenes, inert gas, hydrogen and carbon monoxide in a heating tube, in which the semiconductor wafer and / or the semiconductor chips are positioned, guided has the advantage that the forming carbon nanotubes remain anchored directly on the upper side of the semiconductor wafer or of the semiconductor chip. In this case, it may well be that both ends of a carbon nanotube are anchored on the upper side of the semiconductor chip or the semiconductor wafer, which nevertheless ensures that a distance to a covering compound to be applied is possible with respect to the upper side of the semiconductor chip.
  • a mixture of carbon monoxide and hydrogen in a tube furnace at 500 to 800 0 C are positioned in the semiconductor wafer or semiconductor chips with applied Kata ⁇ lysatormaterial supplied , In this be ⁇ preferred temperature range can be achieved that form with the support of the catalyst material, a plurality of carbon nanotubes on the top of the semiconductor wafer or the semiconductor chip, which extends orthogonal to the top of the semiconductor wafer or the semiconductor chip.
  • connection of contact pads of the wiring carrier with contact surfaces of the semiconductor chips is preferably carried out by means of bonding techniques.
  • the contact surfaces of the semiconductor chip and the contact pads of the wiring substrate are specially prepared and usually have either an aluminum coating or a gold coating.
  • Gold plating is required when working with aluminum bonding wires, while aluminum plating is beneficial when working with gold wires, especially as the two elements are gold and aluminum form a eutectic melt at a low eutectic melting temperature and thus facilitate Kontak ⁇ animals.
  • the final application of a compliant cover to the wiring substrate while embedding the bonding connections and covering the top sides of the semiconductor chips in a predetermined distance by carbon nanotubes can be done by means of dispensing or by means of a low-pressure injection molding process.
  • the low-pressure injection molding method has the advantage that in a prefabricated form on the Bau ⁇ partial positions of the wiring substrate already -endgülti ⁇ conditions contours of the housing can be specified from a resilient covering mass, while the dispensing has the advantage that a flat application of Dispensmaterial becomes possible on the wiring substrate, so that only at Trenn ⁇ step the final contour of the semiconductor device housing is formed.
  • nanotubes to the chip top side, whose length is preferably 50 ⁇ m to 1 mm for the present invention, makes possible a complete mechanical decoupling of the semiconductor chip surface from a resilient covering compound.
  • the distance or the packing density of the nanotubes is dimensioned such that the covering compound or encasing compound can not penetrate to the chip surface. Rather, the covering compound ideally binds to the tips or second free ends of the carbon nanotubes.
  • Figure 1 shows a schematic cross section through a
  • FIG. 2 shows a perspective schematic diagram of a single-walled carbon nanotube
  • FIGS. 3 to 5 show schematic cross-sections through component components in the manufacture of a semiconductor component according to FIG. 1;
  • FIG. 3 shows a schematic cross section of a semiconductor chip after the application of nanotubes to the upper side of a semiconductor chip
  • FIG. 4 shows a schematic cross section of the semiconductor chip according to FIG. 3 after application of a bonding compound
  • FIG. 5 shows a schematic cross section through the semiconductor component according to FIG. 1.
  • FIG. 1 shows a schematic cross section through a semiconductor component 1 of an embodiment of the invention.
  • Semiconductor component 1 has a semiconductor chip 2 which has a sensor region 15 in the center of its upper side 8.
  • a structure of carbon nanotubes 9 Arranged above the sensor region 15 on a structured layer 11 of catalyst material 12 is a structure of carbon nanotubes 9, which are anchored with their first ends 10 on the upper side 8 in the structured layer 11 of catalyst material 12 and with their second ends 13 protrude into a covering compound 3, which consists of a plastic compound 14.
  • a distance a is present which is formed by the carbon nanotubes 9, which carry the covering compound 3 with their second ends 13 and the covering compound 3 mechanically from the top 8 of the semiconductor chip 2 decouple.
  • the semiconductor chip 2 has contact surfaces 6, which are connected via bonding connections 23 to contact connection surfaces 22 via the bonding wire 16.
  • the wiring carrier 5 has an insulator plate 17, which has on its upper side 19 a wiring structure 18, via which the contact pads 22 are connected to through-contacts 24 through the insulator plate 17.
  • the through contacts 24 themselves end on the underside 20 of the insulator plate 17 and go there in outer contact surfaces 25 over.
  • the outer contact surfaces 25 in turn carry on the underside 20 solder balls 21, which form the external contacts 7 of the semiconductor device 1.
  • the external contacts 7 electrically connected to the contact surfaces 6 of the semiconductor chip 2.
  • the wiring carrier 5 can also have a flat conductor frame with inner flat conductors and outer flat conductors, which are not shown in FIG.
  • the compliant covering compound 3 simultaneously forms the upper-side contour of the semiconductor component 1 and embeds both the bonding connections 23 and the edge region of the wiring substrate 5 in a plastic covering compound 3 as a housing.
  • the sensitive upper side 8 in the sensor region 15 is mechanically decoupled from the plastic covering compound 3 of the housing of the semiconductor component 1.
  • FIG. 2 shows a schematic, perspective schematic diagram of a single-walled carbon nanotube 9.
  • the single-walledness of this carbon nanotube 9 consists of a single cylindrical arrangement of carbon atoms C, which are arranged in hexagonal carbon rings 26.
  • the diameter d of a single-walled carbon nanotube 9 is between 0.6 and 1.8 nm, while the length l may be several 10 nm long.
  • Several single-walled carbon nanotubes 9 can be nested coaxially into one another and then produce a multi-walled carbon nanotube 9, which can reach up to 300 nm in diameter D and whose length can be 1 to a few millimeters. Since the carbon nanotubes 9 are free of any grain boundary, they are extremely flexible, and breakage along grain boundaries can not occur. This high flexibility is used for the semiconductor component according to the invention in order to mechanically remove the semiconductor component. chip or its active top of a semiconductor chip covering the plastic housing compound to free.
  • FIGS. 3 to 5 show schematic cross sections through component components during the production of a semiconductor component 1 according to FIG. 1.
  • FIG. 3 shows a schematic cross section of a semiconductor chip 2 after application of carbon nanotubes 9 to the top side 8 of the semiconductor chip 2 in a sensor region 15 in the center of the top side 8 of the semiconductor chip 2.
  • a structured layer 11 of a catalyst material is provided applied to the sensor area 15.
  • the carbon nanotubes 9 shown here only symbolically orthogonal to the upper side 8 of the semiconductor chip 2 are grown.
  • these carbon nanotubes 9 are only partially aligned orthogonal to the top 8. A high proportion will be distributed longitudinally and transversely across the upper side 8 of the semiconductor chip 2. Finally, a third portion of the carbon nanotubes 9 is bent in such a way that it also touches the upper side 8 of the semiconductor chip 2 with its second end 13.
  • the layer of carbon nanotubes 9 is so dense that it is a layer of a can wear compliant Abdecknaasse when applying the covering compound and after cooling the covering compound.
  • FIG. 4 shows a schematic cross section of the semiconductor chip 2 according to FIG. 3 after fixing its rear side 4 on a wiring carrier 5 and after applying a bonding compound 23.
  • contact surfaces 6 are arranged which lektrisch with the sensor area 15 are in communication. These contact surfaces 6 are electrically connected to contact connection surfaces 22, which in turn are arranged in the edge regions 28 of the wiring carrier 5.
  • the wiring carrier 5 has an insulator plate 17, which carries a wiring structure 18 on its upper side 19 and has external contact surfaces 25 on its lower side 20. In this case, these outer contact surfaces 25 on the underside 20 of the insulator plate 17 are evenly distributed over the entire areal extent of the wiring substrate 5 as in BGA housings (ball grid array housings). Thus, it is possible to provide a surface-mountable semiconductor device.
  • FIG. 5 shows a schematic cross section through the semiconductor device 1 according to FIG. 1, wherein this semiconductor device 1 is formed by applying a covering compound 3 to the structure of FIG. 4, which at the same time forms the bond connections 23 and the edge regions of the semiconductor device Semiconductor chips 2 and the edge portions of the wiring substrate 5 wrapped.
  • this semiconductor device 1 is formed by applying a covering compound 3 to the structure of FIG. 4, which at the same time forms the bond connections 23 and the edge regions of the semiconductor device Semiconductor chips 2 and the edge portions of the wiring substrate 5 wrapped.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Halbleiterbauteil (1) mit mindestens einem Halbleiterchip (2) und Abdeckungen sowie Verfahren zu deren Herstellung. Das Halbleiterbauteil (1) weist dazu mindestens einen Halbleiterchip (2) und eine Abdeckmasse (3) auf, wobei der Halbleiterchip (2) des Halbleiterbauteils (1) mit seiner Rückseite (4) auf einem Verdrahtungsträger (5) angeordnet ist. Der Verdrahtungsträger (5) verbindet Kontaktflächen (6) des Halbleiterchips (2) mit Außenkontakten (7) des Halbleiterbauteils (1). Zwischen einer aktiven Oberseite (8) des Halbleiterchips (2) und der Abdeckmasse (3) sind Kohlenstoff-Nanoröhren (9) angeordnet, welche die Abdeckmasse (3) tragen. Die Kohlenstoff-Nanoröhren (9) entkoppeln mechanisch die Abdeckmasse (3) von der Oberseite (8) des Halbleiterchips (2).

Description

Beschreibung
Halbleiterbauteil mit mindestens einem Halbleiterchip und Ab- deckmasse und Verfahren zur Herstellung desselben
Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauteil mit mindestens einem Halbleiterchip und Abdeckmasse sowie Verfahren zur Her¬ stellung desselben.
Die Abdeckmasse auf Halbleiterchips von Halbleiterbauteilen ist mechanisch mit der Halbleiteroberfläche und den elektri¬ schen Verbindungen zu einem Verdrahtungsträger eng gekoppelt, wenn es sich nicht um eine Halbleiterbauteil mit Hohlraumge¬ häuse handelt, bei dem der Halbleiterchip völlig frei von je- der einbettenden Abdeckmasse ist.
Bei mikroelektromechanischen Modulen mit Sensor und Gehäuse, wie sie in der Patentanmeldung DE 103 30 739 beschrieben wer¬ den, sind die sensitiven Halbleiterchips zur mechanischen Entkoppelung mit einem niedermoduligen Material, das gummi¬ elastische Eigenschaften aufweist, bedeckt. Dabei handelt es sich meistens um Vergussmassen auf Silikonbasis. Derartige Materialien haben jedoch den Nachteil eines sehr hohen Aus¬ dehnungskoeffizienten im Verhältnis zum Ausdehnungskoeffi- zienten des Halbleiterchips. Dadurch wird die thermische
Fehlanpassung auf die Grenzfläche zwischen gummielastischer Abdeckmasse, wie einem "Globe Top" und Kunststoffgehäuse aus einer stabilen Kunststoffmasse oder Umhüllmasse, verlagert. Von der Grenzfläche zwischen gummielastischem "Globe Top" und Umhüllmasse kommt es somit vermehrt zu Delaminationen und so¬ mit zu Zuverlässigkeitsrisiken bei Halbleiterbauteilen mit einem Halbleiterchip und mit entsprechend thermisch fehlange- passten Abdeckungen, insbesondere bei wechselnden Betriebs- temperaturen, wie sie im "burn-in" Test zwischen bspw. -55° Celsius und +150° Celsius auftreten.
Auch kommt es am Übergang zwischen gummielastischer Abdeckung bspw. aus Silikon und Umhüllmasse aus einer Kunststoffgehäu¬ semasse vermehrt zu Drahtabrissen bei diesen Temperaturzyklen aufgrund der deutlich unterschiedlichen Ausdehnungskoeffi¬ zienten. Somit besteht ein Bedarf, die Oberfläche des Halb¬ leiterchips in einem Halbleiterbauteil mechanisch weitestge- hend von dem Gehäuseaufbau, und damit von einer Abdeckung zu entkoppeln. Das Aufbringen einer gurnmielastischen Abdeckung, welche den Halbleiterchip einbettet, verursacht die oben auf¬ geführten Gefahren und Risiken für die Zuverlässigkeit derar¬ tiger Halbleiterbauteile.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Zuverlässigkeit eines Halb¬ leiterbauteils mit mindestens einem Halbleiterchip und einer Abdeckmasse zu verbessern, und Möglichkeiten zu schaffen, die Oberseite des Halbleiterchips von der umgebenden Abdeckung weitestgehend mechanisch zu entkoppeln.
Diese Aufgabe wird mit dem Gegenstand der anliegenden, unab¬ hängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Erfindungsgemäß wird Halbleiterbauteil mit mindestens einem Halbleiterchip und einer Abdeckmasse geschaffen, wobei der Halbleiterchip mit seiner Rückseite auf einem Verdrahtungs¬ träger angeordnet ist. Der Verdrahtungsträger weist auf sei- ner Unterseite Außenkontakte auf und verbindet Kontaktflächen des Halbleiterchips mit diesen Außenkontakten. Dabei sind zwischen der aktiven Oberseite des Halbleiterchips und der Abdeckmasse Kohlenstoff-Nanoröhren angeordnet, welche die Ab- deckmasse tragen und die Abdeckmasse von der Oberseite des Halbleiterchips mechanisch entkoppeln.
Ein Vorteil dieses Halbleiterbauteils ist es, dass die Ab- deckmasse nicht den Halbleiterchip einbettet, und somit die Oberseite des Halbleiterchips nicht berührt. Vielmehr sorgen Kohlenstoff-Nanoröhren dafür, dass eine mechanische Entkoppe¬ lung zwischen Oberseite des Halbleiterchips und umhüllende Abdeckmasse möglich wird. Damit wird die Halbleiterchipober- seite von der Abdeckmasse freigehalten, und es müssen keine aufwendigen Hohlraumgehäuse mit entsprechenden und passenden Abdeckungen entwickelt werden. Vielmehr kann die Abdeckmasse, nachdem entsprechend viele Kohlenstoff-Nanoröhren auf der O- berseite des Halbleiterchips angeordnet sind, auf den Ver- drahtungsträger und auf den Halbleiterchip mit einfachen Mit¬ teln aufgebracht werden, wobei automatisch die Abdeckmasse, getragen von den Kohlenstoff-Nanoröhren, über der Oberseite des Halbleiterchips schwebt, während sie in engem Kontakt mit dem Verdrahtungsträger verbleibt.
Die mechanische Entkoppelung zwischen Oberseite des Halblei¬ terchips und Abdeckmasse wird durch die besonderen Eigen¬ schaften der Kohlenstoff-Nanoröhren ermöglicht. Dabei können sowohl einwandige als auch mehrwandige Kohlenstoff-Nanoröhren zum Einsatz kommen. Einwandige Kohlenstoff-Nanoröhren weisen einen Durchmesser von 0,6 bis 1,8 Nanometer auf und können eine Länge von mehreren zehn Mikrometern erreichen. Sie be¬ stehen hauptsächlich aus einer Hülle von hexagonal angeordne¬ ten Kohlenstoffringen, die zu einer zylindrischen Oberfläche vereinigt sind.
Mehrwandige Kohlenstoff-Nanoröhren weisen dem gegenüber einen Durchmesser zwischen 2 nm und 300 niti auf und können abhängig von ihrem Durchmesser Längen bis zu mehreren Millimetern er¬ reichen. In dicht gepackter Form entwickeln sie eine Dichte von 1,33 bis 1,4 g/cm2. Ihre Dichte liegt damit um den Faktor 2 niedriger als die Dichte von Leichtmetall. Auch die Zugfes- tigkeit derartiger Kohlenstoff-Nanoröhren ist mit ca. 1011 Pa um mehrere Größenordnungen besser als bei Metall. Bei thermi¬ schen Fehlanpassungen durch unterschiedliche Ausdehnungskoef¬ fizienten zwischen Abdeckmasse und Halbleiterchipmaterial in einem Halbleierbauteil ist die Gefahr von Abrissen bei hoher thermischer Belastung aufgrund dieser Zwischenschicht aus
Kohlenstoff-Nanoröhren gegenüber herkömmlichen Kontaktierun¬ gen zwischen Halbleiterchipoberfläche und Abdeckmasse gering.
Da Kohlenstoff-Nanoröhren auf ihrer Länge von 10 Nanometern bis einigen Millimetern keine Korngrenzen aufweisen, wie Koh¬ lenstofffasern, Metalle oder kristalline Kunststoffmassen, ist ihre Verformbarkeit und Elastizität deutlich höher, so- dass ein Abbrechen oder eine Bildung von Mikrorissen an Korn¬ grenzen, wie sie bei anderen Materialien auftreten, nicht möglich ist. Die hohe Nachgiebigkeit der Nanoröhren, ohne selber beschädigt zu werden oder abzureißen, bringt somit den Vorteil für das erfindungsgemäße Halbleiterbauteil, dass eine nahezu vollständige Entkoppelung zwischen der Oberseite des Halbleiterchips und der Abdeckmasse erreicht werden kann, oh- ne dass es erforderlich wird, komplexe Hohlraumgehäuse zu entwickeln und zu konstruieren, um eine gleichwertige hohe Entkoppelung zwischen Oberseite des Halbleiterchips und Ab¬ deckmasse zu erreichen.
Darüber hinaus weisen Kohlenstoff-Nanoröhren mit 6000 W/mK eine Wärmeleitfähigkeit auf, die nahezu doppelt so hoch ist, wie die von hochwärmeleitfähigem Diamant. Diese hohe Wärme¬ leitfähigkeit der Kohlenstoff-Nanoröhren sorgt dafür, dass trotz des Abstandes zur Abdeckmasse eine intensive Ableitung der Verlustwärme der Halbleiterchipoberfläche an die Umgebung möglich wird. Durch die Mehrwandigkeit der Kohlenstoff-Nano- röhren lässt sich nicht nur die Länge der Kohlenstoff- Nanoröhren variieren, sondern auch die Bruchfestigkeit erhö¬ hen. Deshalb ist für das erfindungsgemäße Halbleiterbauteil der Einsatz von mehrwandigen Kohlenstoff-Nanoröhren vorteil¬ haft und bevorzugt.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Abdeckmasse einen Abstand von der Oberseite des Halbleiter¬ chips auf, . in welchem die Kohlenstoff-Nanoröhren angeordnet sind. Mit diesem Abstand zwischen Abdeckmasse und Oberseite des Halbleiterchips und dazwischen angeordneten Kohlenstoff- Nanoröhren werden die Eigenschaften der Kohlenstoff-Nanoröh¬ ren zur mechanischen Entkoppelung der Oberseite des Halblei¬ terchips und der vorgesehenen Abdeckmasse optimal genutzt. Während die freien Enden der Kohlenstoff-Nanoröhren in die Abdeckmasse hineinragen, sind die entgegengesetzt angeordne- ten Enden der Kohlenstoff-Nanoröhren auf der Oberseite des Halbleiterchips teilweise verankert.
Durch den großen Unterschied im Ausdehnungskoeffizienten der Abdeckmasse zu dem Silizium verschiebt sich die Abdeckmasse gegenüber der Oberseite des Halbleiterchips, jedoch können die Kohlenstoff-Nanoröhren dieser thermischen Fehlanpassung folgen, ohne die Oberseite des Halbleiterchips mechanisch zu belasten. Damit ergibt sich eine gegenüber bisherigen Lösun¬ gen verbesserte Entkoppelung zwischen der Oberseite des HaIb- leiterchips und der entsprechend vorgesehenen nachgiebigen
Abdeckmasse. Die Verankerung der Kohlenstoff-Nanoröhren, min¬ destens mit einem Ende auf der Oberseite des Halbleiterchips, wird teilweise durch die Präparation der Nanochips erreicht. Das Ankern von mindestens einem Ende der Kohlenstoff-Nano- röhren schließt nicht aus, dass sich die Kohlenstoff- Nanoröhren mit ihren freien Enden beliebig in der Zwischen¬ schicht zwischen Abdeckmasse und Halbleiterchipoberseite ver- teilen können, wobei diese freien Enden auch teilweise wieder zur Oberseite des Halbleiterchips und in die dortige Veranke¬ rung zurückgebogen sind. Entscheidend für die Funktion des Halbleiterbauteils ist es lediglich, dass die Abdeckmasse nicht unmittelbar die Oberseite des Halbleiterchips benetzen kann oder sie in irgendeiner Weise erreicht. Vielmehr bleibt die Abdeckmasse beabstandet zu der Oberseite des Halbleiter¬ chips und schwebt, gehalten und getragen von freien Enden der Kohlenstoff-Nanoröhren, über der Oberseite des Halbleiter¬ chips.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erstrecken sich die Kohlenstoff-Nanoröhren teilweise orthogo¬ nal zu der Oberseite des Halbleiterchips. Diese Orthogonali- tät kann teilweise durch entsprechende Züchtung der Kohlen- stoff-Nanoröhren auf der Oberseite des Halbleiterchips er¬ reicht werden. Je nach Einbringen einer strukturierten, aus einem Katalysatormaterial gebildeten Schicht, werden sich die unterschiedlichsten Verankerungsformen zwischen Oberseite des Halbleiterchips und den Kohlenstoff-Nanoröhren ausbilden. Ferner kann durch Überlagerung der Wachstumsprozesse mithilfe einer elektrischen Spannung eine statische Aufladung dazu beitragen, dass sich die Kohlenstoff-Nanoröhren in der bevor¬ zugten orthogonalen Wachstumsrichtung zur Oberseite des Halb¬ leiterchips entwickeln. Dazu ist in einer bevorzugten Ausfüh- rungsform der Erfindung ein Katalysatormaterial zum Bilden und Verankern von Kohlenstoff-Nanoröhren auf der Oberseite des Halbleiterchips angeordnet. Mit dem zweiten freien Ende ragen die Kohlenstoff-Nanoröhren wie bereits erwähnt in das Material der Abdeckmasse hinein, bleiben aber teilweise benetzungsfrei in Richtung auf die O- berflache des Halbleiterchips. Die auf den eingebetteten zweiten Enden der Nanoröhren schwebende Abdeckmasse ist aus einem Kunststoff hergestellt. Bei derartigen Sensorchips ist es von Vorteil, wenn eine zuverlässige mechanische Entkoppe¬ lung zwischen Abdeckung und Oberseite des Halbleiterchips in Form der Kohlenstoff-Nanoröhren besteht. Somit können gerade bei mikromechanischen Modulen die Oberseiten der Halbleiter¬ chips unbeeinflusst von der Abdeckmasse messtechnisch bspw. Vibrationen, erfassen. Auch die Bruchgefahr der von dem Halb¬ leiterchip abgeleiteten Verbindungsleitungen zu einem Ver¬ drahtungssubstrat wird durch diese Entkoppelung zwischen Ab- deckmasse und Halbleiterchip vermindert. Der Verdrahtungsträ¬ ger kann unterschiedlich aufgebaut sein, je nach Anforderung an das Halbleiterbauteil.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Verdrahtungsträger Innenflachleiter auf, die über Bondverbin¬ dungen mit den Kontaktflächen des Halbleiterchips elektrisch in Verbindung stehen und außerhalb der Abdeckmasse in Außen- flachleiter als Außenkontakte übergehen. Diese Ausführungs¬ form der Erfindung hat den Vorteil, dass auf standardisierte Flachleiterrahmenstrukturen zurückgegangen werden kann, mit denen gleichzeitig mehrere Halbleiterbauteile parallel herge¬ stellt werden können.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Verdrahtungsträger eine Isolatorplatte mit einer Verdrahtungsstruktur auf. Diese Isolatorplatte weist ihrer¬ seits eine Oberseite mit dem Halbleiterchip auf und eine ge¬ genüberliegende Unterseite mit entsprechenden Außenkontakten in Form von Lothöckern oder Lotbällen auf. Bei dieser Art von Verdrahtungsträger entsteht ein BGA-Gehäuse (ball grid array- Gehäuse) , das den Vorteil hat, dass sämtliche Außenkontakte flächenmontierbar auf einer übergeordneten Schaltungsplatine sind. Mit derartigen BGA-Gehäusen lassen sich eine Vielzahl von Außenkontakten realisieren, die gleichzeitig auf einen derartigen übergeordneten Schaltungsträger durch Oberflächen¬ montage aufbringbar sind.
Ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauteils der oben beschriebenen Art weist die nachfolgenden Verfahrens¬ schritte auf. Zunächst wird zur Herstellung des Halbleiter¬ bauteils ein Halbleiterwafer mit Halbleiterchippositionen hergestellt, wobei die Chippositionen in Zeilen und Spalten auf der Oberseite des Halbleiterwafers angeordnet sind. An¬ schließend erfolgt ein selektives Beschichten des Halbleiter- wafers mit einer Schicht aus einem Katalysatormaterial und Keimen für Kohlenstoff-Nanoröhren unter Freilassen von Kon¬ taktflächen auf der Oberseite des Halbleiterchips. Anschlie- ßend wird der beschichtete Halbleiterwafer unter Ausbildung von Kohlenstoff-Nanoröhren auf der Oberseite des Halbleiter¬ wafers erwärmt. Nach einem Auftrennen des Halbleiterwafers in einzelne Halbleiterchips mit auf der Oberseite der Halblei¬ terchips angeordneten Kohlenstoff-Nanoröhren werden diese auf einen Verdrahtungsträger mit mehreren Halbleiterbauteilposi¬ tionen aufgebracht.
Anschließend werden Bondverbindungen zwischen Kontaktan¬ schlussflächen des Verdrahtungsträgers und Kontaktflächen der Halbleiterchips hergestellt. Danach wird eine Abdeckmasse auf den Verdrahtungsträger, auf die Bondverbindungen und auf freistehende zweite Enden der Kohlenstoff-Nanoröhren auf der Oberseite des Halbleiterchips aufgebracht. Dabei dringt die Abdeckmasse nicht bis zur aktiven Oberseite des Halbleiter¬ chips durch. Es bildet sich vielmehr ein Abstand zwischen der Abdeckmasse und der Oberseite des Halbleiterchips aus, der von Kohlenstoff-Nanoröhren gebildet wird. Abschließend wird der Verdrahtungsträger in einzelne Halbleiterbauelemente auf¬ getrennt.
Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass die Kohlenstoff- Nanoröhren für eine Vielzahl von Halbleiterchips auf einem Halbleiterwafer gebildet werden können. Dies ist jedoch mit einem fertigungstechnischen Problem verbunden, dass nämlich beim Auftrennen des Halbleiterwafers in einzelne Halbleiter¬ chips die dicht gepackte Schicht von Nanoröhren eventuell be¬ schädigt wird. Deshalb muss sichergestellt werden, dass die auf den Halbleiterchips angeordneten Kohlenstoff-Nanoröhren ausreichend geschützt sind. Dieses Problem kann teilweise da¬ durch gelöst werden, dass anstelle der bisher üblichen Säge¬ technik zum Auftrennen der Halbleiterchips eine Lasertrenn¬ technik angewandt wird.
Ein alternatives Verfahren vermeidet dieses fertigungstechni¬ sche Problem, indem die folgenden Verfahrensschritte nachein¬ ander durchgeführt werden. Zunächst wird wieder ein Halblei¬ terwafer mit Halbleiterchippositionen hergestellt, wobei die Halbleiterchippositionen in Zeilen und Spalten auf der Ober¬ seite des Halbleiterwafers angeordnet sind. Anschließend wird der Halbleiterwafer unmittelbar in einzelne Halbleiterchips aufgetrennt. Dann werden die Halbleiterchips ohne Kohlen¬ stoff-Nanoröhren auf dem Verdrahtungsträger in mehreren HaIb- leiterbauteilpositionen fixiert. Anschließend erfolgt erst ein selektives Beschichten der Halbleiterchips auf dem Ver¬ drahtungsträger mit einer Schicht aus Katalysatormaterial und Keimen für Kohlenstoff-Nanoröhren unter Freilassen von Kon¬ taktflächen der Halbleiterchips.
Danach werden die Halbleiterchips auf dem Verdrahtungsträger soweit erwärmt, dass sich Kohlenstoff-Nanoröhren auf der O- berseite des Halbleiterchips über der Katalysatormasse aus¬ bilden. Nun folgt das Verbinden von Anschlussflächen des Ver¬ drahtungsträgers mit Kontaktflächen des Halbleiterchips und anschließend das Aufbringen einer nachgiebigen Abdeckmasse auf den Verdrahtungsträger, auf die Bondverbindung und auf freistehende zweite Enden der Kohlenstoff-Nanoröhren auf der Oberseite des Halbleiterchips. Danach wird dann der Verdrah¬ tungsträger in einzelne Halbleiterbauteile aufgetrennt.
In einer bevorzugten weiteren Ausführungsform des Verfahrens können auf die Unterseite des Verdrahtungsträgers, die der Oberseite des Verdrahtungsträgers mit den Halbleiterchips ge¬ genüberliegt, Außenkontakte aufgebracht werden, sodass beim Auftrennen des Verdrahtungsträgers in einzelne Halbleiterbau- teile bereits auch die Außenkontakte hergestellt sind. Be¬ steht jedoch der Verdrahtungsträger aus einem Flachleiterrah¬ men, so sind mit dem Flachleiterrahmen bereits die Außen- flachleiter realisiert und werden damit nach Fertigstellung der Halbleiterbauteile in den Halbleiterbauteilpositiσnen des Verdrahtungsträgers aus dem Flachleiterrahmen ausgestanzt.
Weiterhin ist es vorgesehen, dass zum Beschichten des Halb- leiterwafers, bzw. der Halbleiterchips mit einer Schicht aus Katalysatormaterial, eine Suspension aus einem polymeren Kunststoff, einem Lösungsmittel und mit in einem Lichtbogen erzeugten Vorstufen von Kohlenstoff-Nanoröhren, hergestellt wird. Das Herstellen von Vorstufen von Kohlenstoff-Nanoröhren mithilfe eines Lichtbogens, der zwischen Kohlenstoffelektro- den erzeugt wird, ist eine Technik, die es ermöglicht, derar¬ tige Suspensionen aus dem dabei entstehenden Staub aus Keimen von Kohlenstoff-Nanoröhren herzustellen.
In einem anderen bevorzugten Durchführungsbeispiel des Ver¬ fahrens werden zur Herstellung der Suspension zunächst Koh- lenstoff-Nanoröhren und/oder ihre Vorstufen in einem Heizrohr unter Zufuhr eines Pulvergemischs aus Grafitpartikeln, vor¬ zugsweise Kohlenstofffullerenen und Katalysatormaterial- Partikeln in einem Laserstrahl erzeugt. Dieses Verfahren hat den Vorteil gegenüber der Herstellung von Kohlenstoff- Nanoröhren im Lichtbogenverfahren, dass gezielte Größenord¬ nungen von Vorstufen von Kohlenstoff-Nanoröhren herstellbar sind.
Eine weitere Möglichkeit zur Herstellung der Suspension be¬ steht darin, zunächst Kohlenstoff-Nanoröhren und/oder ihre Vorstufen in einem Druckrohrofen mittels Gasphasenabscheidung unter Zufuhr von Kohlenmonoxid und Wasserstoff zu erzeugen. Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass durch den Partialdruck der an der Gasphasenabscheidung beteiligten Materialien die Zusammensetzung und die Art der Vorstufen von Kohlenstoff- Nanoröhren gesteuert werden kann. Bei diesem Prozess lagert sich der Wasserstoff an die Sauerstoffatome des Kohlenmono- xids an, während die Kohlenstoffatome sich zu hexagonalen
Strukturen, die sich zu zylindrischen Oberflächen zusammen¬ schließen, verbindet. Diese hexagonalen Strukturen oder Koh¬ lenstoffringe sind vergleichbar mit dem von Keküle untersuch¬ ten Benzolringen. Jedoch sind hier keine Wasserstoffatome vorhanden, sondern es schließen sich an jeder Ecke des hexa¬ gonalen Ringes weitere Ringe mit Kohlenstoffatomen an. In einem weiteren Durchführungsbeispiel des Verfahrens folgt das selektive Beschichten mit einer Suspension mittels Druck¬ techniken. Dazu wird zunächst wie oben erwähnt mit unter¬ schiedlichen Verfahren die Suspension hergestellt und an- schließend in einem Strahldruckprozess, bei dem vorzugsweise ein Strahldrucker, wie er von den Tintenstrahldruckern be¬ kannt ist, eingesetzt, um die Suspension gezielt und selektiv auf die Flächen aufzubringen, die entweder eine Halbleiter¬ chipposition eines Halbleiterwafers darstellen oder einen Halbleiterchip auf einem Substratträger mit mehreren Halblei¬ terbauteilpositionen betrifft.
Eine weitere Möglichkeit der selektiven Beschichtung mit ei¬ ner Suspension ist durch die Photolithographietechnik gege- ben, wobei Flächen eines Halbleiterwafers, die mit der Sus¬ pension nicht beschichtet werden sollen, wie bspw. Trennspu¬ ren und Kontaktflächen vorher mit einer Photolackschicht ge¬ schützt werden, bevor die Suspension aufgebracht wird.
In einer dritten Möglichkeit der Durchführung des Verfahrens erfolgt die selektive Beschichtung mit einer Suspension mit¬ tels Laserstrukturieren, indem zunächst ein Halbleiterwafer insgesamt mit der Suspension beschichtet wird und anschlie¬ ßend mit einem Laser die Suspension in den Bereichen entfernt wird, in denen sich Trennspuren oder Kontaktanschlussflächen auf der Oberfläche des Wafers befinden.
Bei einem weiteren Durchführungsbeispiel des Verfahrens wird zum Herstellen der Kohlenstoff-Nanoröhren über ein struktu- riertes Katalysatormaterial einer Oberseite des Halbleiterwa¬ fers und/oder einer Oberseite von Halbleiterchips ein Gemisch aus Kohlenstofffullerenen, Inertgas, Wasserstoff und Kohlen- monoxid in einem Heizrohr, in dem der Halbleiterwafer und/oder die Halbleiterchips positioniert sind, geführt. Die¬ ses Verfahren hat den Vorteil, dass unmittelbar auf der Ober¬ seite des Halbleiterwafers bzw. des Halbleiterchips die sich bildenden Kohlenstoff-Nanoröhren verankert bleiben. Dabei kann es durchaus sein, dass beide Enden eines Kohlenstoffna- norohrs auf der Oberseite des Halbleiterchips bzw. des Halbleiterwafers verankert werden, was dennoch gewährleistet, dass ein Abstand zu einer aufzubringenden Abdeckmasse gegen¬ über der Oberseite des Halbleiterchips möglich ist.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung für ein Ab¬ scheiden von Kohlenstoff-Nanoröhren auf dem strukturierten Katalysatormaterial wird ein Gemisch aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff in einem Rohrofen bei 500 bis 800 0C, in dem Halbleiterwafer oder Halbleiterchips mit aufgebrachtem Kata¬ lysatormaterial positioniert sind, zugeführt. In diesem be¬ vorzugten Temperaturbereich kann erreicht werden, dass sich mit Unterstützung des Katalysatormaterials eine Vielzahl von Kohlenstoff-Nanoröhren auf der Oberseite des Halbleiterwafers bzw. des Halbleiterchips ausbilden, die sich orthogonal zu der Oberseite des Halbleiterwafers bzw. des Halbleiterchips erstreckt.
Das Verbinden von Kontaktanschlussflächen des Verdrahtungs- trägers mit Kontaktflächen der Halbleiterchips erfolgt vor¬ zugsweise mittels Bondtechniken. Für diese Bondtechniken wer¬ den die Kontaktflächen des Halbleiterchips und die Kontaktan¬ schlussflächen des Verdrahtungsträgers speziell präpariert und weisen üblicherweise entweder eine Aluminiumbeschichtung oder eine Goldbeschichtung auf. Die Goldbeschichtung ist dann erforderlich, wenn mit Aluminiumbonddrähten gearbeitet wird, während eine Aluminiumbeschichtung von Vorteil ist, wenn mit Golddrähten gearbeitet wird, zumal die beiden Elemente Gold und Aluminium eine eutektische Schmelze bei einer niedrigen eutektischen Schmelztemperatur bilden und somit ein Kontak¬ tieren erleichtern.
Das abschließende Aufbringen einer nachgiebigen Abdeckung auf den Verdrahtungsträger unter Einbetten der Bondverbindungen und unter Abdecken der Oberseiten der Halbleiterchips in ei¬ nem durch Kohlenstoff-Nanoröhren vorgegebenem Abstand kann mittels Dispensen oder mittels eines Niederdruck-Spritzguss- Verfahrens erfolgen. Das Niederdruck-Spritzgussverfahren hat den Vorteil, dass in einer vorgefertigten Form auf den Bau¬ teilpositionen des Verdrahtungsträgers bereits die -endgülti¬ gen Konturen der Gehäuse aus einer nachgiebigen Abdeckmasse vorgegeben werden können, während das Dispensen den Vorteil hat, dass ein flächiger Auftrag von Dispensmaterial auf dem Verdrahtungsträger möglich wird, sodass erst beim Trenn¬ schritt die endgültige Kontur des Halbleiterbauteilgehäuses gebildet wird.
Zusammenfassend ist festzustellen, dass durch das Aufbringen von Nanoröhren auf die Chipoberseite, deren Länge für die vorliegende Erfindung vorzugsweise 50 μm bis 1 mm beträgt, eine vollständige mechanische Entkoppelung der Halbleiter¬ chipoberfläche von einer nachgiebigen Abdeckmasse möglich wird. Der Abstand bzw. die Packungsdichte der Nanoröhren ist dabei so bemessen, dass die Abdeckmasse oder Umhüllmasse nicht bis zur Chipoberfläche vordringen kann. Vielmehr ver¬ bindet sich die Abdeckmasse idealerweise mit den Spitzen bzw. zweiten freien Enden der Kohlenstoff-Nanoröhren.
Durch die Flexibilität der Nanoröhren in der x- und y- Richtung in Bezug auf die Oberseite der Halbleiterchips tritt kein mechanischer Stress aufgrund von unterschiedlichen Aus- dehnungskoeffizienten zwischen Halbleiterchip und Abdeckmasse auf. Somit verbleibt die Oberseite des Halbleiterchips voll¬ ständig mechanisch entkoppelt. Gleichzeitig tritt aufgrund der Flexibilität und Verankerung der Kohlenstoff-Nanoröhren keine Delamination zwischen Halbleiterchipoberfläche und Ab¬ deckmasse mehr auf. Von besonderem Vorteil ist, dass durch dieses Verfahren bei diesen Halbleiterbauelementen die Chip¬ oberflächen in einem Sensorbereich völlig von Abdeckmaterial freigehalten werden, ohne dass aufwendige Hohlraumgehäuse zu- sätzlich vorgesehen werden müssen.
Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Figuren näher erläutert.
Figur 1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein
Halbleiterbauteil einer Ausführungsform der Erfin¬ dung;
Figur 2 zeigt eine perspektivische Prinzipskizze einer ein- wandigen Kohlenstoffnanoröhre;
Figuren 3 bis 5 zeigen schematische Querschnitte durch Bau¬ teilkomponenten bei ,der Herstellung eines Halblei¬ terbauteils gemäß Figur 1;
Figur 3 zeigt einen schematischen Querschnitt eines Halb¬ leiterchips nach Aufbringen von Nanoröhren auf die Oberseite eines Halbleiterchips;
Figur 4 zeigt einen schematischen Querschnitt des Halblei¬ terchips gemäß Figur 3 nach Aufbringen einer Bond¬ verbindung; Figur 5 zeigt einen schematischen Querschnitt durch das Halbleiterbauteil gemäß Figur 1.
Figur 1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein HaIb- leiterbauteil 1 einer Ausführungsform der Erfindung. Das
Halbleiterbauteil 1 weist einen Halbleiterchip 2 auf, der im Zentrum seiner Oberseite 8 einen Sensorbereich 15 besitzt. Über dem Sensorbereich 15 ist auf einer strukturierten Schicht 11 aus Katalysatormaterial 12 eine Struktur aus Koh- lenstoff-Nanoröhren 9 angeordnet, die mit ihren ersten Enden 10 auf der Oberseite 8 in der strukturierten Schicht 11 aus Katalysatormaterial 12 verankert sind und mit ihren- zweiten Enden 13 in eine Abdeckmasse 3 hineinragen, die aus einer Kunststoffmasse 14 besteht.
Zwischen der Abdeckmasse 3 und der Oberseite 8 des Halblei¬ terchips 2 ist ein Abstand a vorhanden, der von den Kohlen- stoffs-Nanoröhren 9 gebildet wird, die mit ihren zweiten En¬ den 13 die Abdeckmasse 3 tragen und die Abdeckmasse 3 mecha- nisch von der Oberseite 8 des Halbleiterchips 2 entkoppeln. In seinen Randbereichen weist der Halbleiterchip 2 Kontakt¬ flächen 6 auf, die über Bondverbindungen 23 mit Kontaktan¬ schlussflächen 22 über den Bonddraht 16 verbunden sind. Der Verdrahtungsträger 5 weist eine Isolatorplatte 17 auf, die auf ihrer Oberseite 19 eine Verdrahtungsstruktur 18 aufweist, über welche die Kontaktanschlussflächen 22 mit Durchkontakten 24 durch die Isolatorplatte 17 verbunden sind.
Die Durchkontakte 24 selbst enden auf der Unterseite 20 der Isolatorplatte 17 und gehen dort in Außenkontaktflachen 25 über. Die Außenkontaktflachen 25 tragen ihrerseits auf der Unterseite 20 Lotkugeln 21, welche die Außenkontakte 7 des Halbleiterbauteils 1 bilden. Somit sind die Außenkontakte 7 mit den Kontaktflächen 6 des Halbleiterchips 2 elektrisch verbunden. Anstelle der Isolatorplatte 17 mit Verdrahtungs¬ struktur 18 kann der Verdrahtungsträger 5 auch einen Flach¬ leiterrahmen mit Innenflachleitern und Außenflachleitern auf- weisen, die in Figur 1 nicht gezeigt werden.
Die nachgiebige Abdeckmasse 3 bildet bei diesem Halbleiter¬ bauteil 1 gleichzeitig die Oberseitenkontur des Halbleiter¬ bauteils 1 und bettet sowohl die Bondverbindungen 23 als auch den Randbereich des Verdrahtungsträgers 5 in eine Kunststoff¬ abdeckmasse 3 als Gehäuse ein. Dennoch bleibt der Abstand a frei von Kunsts-toffabdeckmasse 3 Aufgrund der hohen Flexibi¬ lität der Kohlenstoff-Nanoröhren 9 wird die empfindliche O- berseite 8 im Sensorbereich 15 von der Kunststoffabdeckmasse 3 des Gehäuses des Halbleiterbauteils 1 mechanisch entkop¬ pelt.
Figur 2 zeigt eine schematische, perspektivische Prinzipskiz¬ ze einer einwandigen Kohlenstoff-Nanoröhre 9. Die Einwandig- keit dieser Kohlenstoff-Nanoröhre 9 besteht aus einer einla¬ gigen zylindrischen Anordnung von Kohlenstoffatomen C, die in hexagonalen Kohlenstoffringen 26 angeordnet sind. Der Durch¬ messer d einer einwandigen Kohlenstoff-Nanoröhre 9 liegt zwi¬ schen 0,6 und 1,8 nm, während die Länge 1 mehrere 10 nm lang sein kann. Mehrere einwandige Kohlenstoff-Nanoröhren 9 können koaxial ineinander geschachtelt sein und ergeben dann eine mehrwandige Kohlenstoff-Nanoröhren 9, die in ihrem Durchmes¬ ser d bis zu 300 nm erreichen kann und deren Lange 1 bis zu einigen Millimetern betragen kann. Da die Kohlenstoff- Nanoröhren 9 von jeder Korngrenze frei sind, sind sie äußerst flexibel, und ein Bruch entlang von Korngrenzen kann nicht auftreten. Diese hohe Flexibilität wird für das erfindungsge¬ mäße Halbleiterbauteil genutzt, um mechanisch den Halbleiter- chip bzw. dessen aktive Oberseite von einer den Halbleiter¬ chip abdeckenden Kunststoffgehäusemasse zu befreien.
Die weiteren Eigenschaften derartiger Kohlenstoff-Nanoröhren 9 sind bereits oben beschrieben worden und werden zur Vermei¬ dung von Wiederholungen hier nicht extra erörtert.
Die Figuren 3 bis 5 zeigen schematische Querschnitte durch Bauteilkomponenten bei der Herstellung eines Halbleiterbau- teils 1 gemäß Figur 1.
Figur 3 zeigt einen schematischen Querschnitt eines Halblei¬ terchips 2 nach Aufbringen von Kohlenstoff-Nanoröhren 9 auf die Oberseite 8 des Halbleiterchips 2 in einem Sensorbereich 15 im Zentrum der Oberseite 8 des Halbleiterchips 2. Dazu wird zunächst eine strukturierte Schicht 11 aus einem Kataly¬ satormaterial auf den Sensorbereich 15 aufgebracht. Anschlie¬ ßend werden in einer entsprechenden Reaktionsatmosphäre eines Druckrohrofens unter Einsatz von Wasserstoff und Kohlenmono- xid auf der Oberseite 8 des Halbleiterchips 2 im Bereich des Katalysatormaterials, die hier nur symbolisch orthogonal zur Oberseite 8 des Halbleiterchips 2 dargestellten Kohlenstoff- Nanoröhren 9 gezüchtet.
In einer realen Struktur sind diese Kohlenstoff-Nanoröhren 9 nur teilweise orthogonal zu der Oberseite 8 ausgerichtet. Ein hoher Anteil wird längs und quer über die Oberseite 8 des Halbleiterchips 2 verteilt sein. Schließlich ist ein dritter Anteil der Kohlenstoff-Nanoröhren 9 derart gebogen, dass er auch mit seinem zweiten Ende 13 die Oberseite 8 des Halblei¬ terchips 2 berührt. Dabei ist die Schicht an Kohlenstoff- Nanoröhren 9 derart dicht, dass sie eine Schicht aus einer nachgiebigen Abdecknaasse beim Aufbringen der Abdeckmasse und nach Erkalten der Abdeckmasse tragen kann.
Figur 4 zeigt einen schematischen Querschnitt des Halbleiter- chips 2 gemäß Figur 3 nach Fixieren seiner Rückseite 4 auf einem Verdrahtungträger 5 und nach Aufbringen einer Bondver¬ bindung 23. Auf den Randbereichen 27 der Oberseite 8 des Halbleiterchips 2 sind Kontaktflächen 6 angeordnet, die e- lektrisch mit dem Sensorbereich 15 in Verbindung stehen. Die- se Kontaktflächen 6 stehen mit Kontaktanschlussflächen 22, die ihrerseits in den Randbereichen 28 des Verdrahtungsträ¬ gers 5 angeordnet sind, elektrisch in Verbindung. Der Ver¬ drahtungsträger 5 weist eine Isolatorplatte 17 auf, die auf ihrer Oberseite 19 eine Verdrahtungsstruktur 18 trägt und auf ihrer Unterseite 20 Außenkontaktflachen 25 aufweist. Dabei sind diese Außenkontaktflachen 25 auf der Unterseite 20 der Isolatorplatte 17 gleichmäßig über die gesamte flächige Erstreckung des Verdrahtungsträgers 5 wie bei BGA-Gehäusen (ball grid array-Gehäusen) verteilt. Damit ist es möglich, ein oberflächenmontierbares Halbleiterbauteil zu schaffen.
Figur 5 zeigt einen schematischen Querschnitt durch das Halb¬ leiterbauteil 1 gemäß Figur 1, wobei dieses Halbleiterbauteil 1 dadurch entsteht, dass auf die Struktur der Figur 4 nun ei- ne Abdeckmasse 3 aufgebracht wird, die gleichzeitig die Bond¬ verbindungen 23 sowie die Randbereiche des Halbleiterchips 2 und die Randbereiche des Verdrahtungssubstrats 5 umhüllt. Da¬ bei verbleibt ein Zwischenraum von der Dicke a zwischen der nachgiebigen Abdeckmasse 3 und der Oberseite 8 des Halblei- terchips 2 durch die in diesem Zwischenraum angeordneten Koh- lenstoff-Nanoröhren 9. Bis auf die Lotbälle, die hier noch nicht angebracht sind, entspricht der Querschnitt durch das Halbleiterbauteil 1 dem Querschnitt des Halbleiterbauteils 1, das in Figur 1 gezeigt wird.

Claims

Patentansprüche
1. Halbleiterbauteil mit mindestens einem Halbleiterchip (2) und einer Abdeckung, wobei der Halbleiterchip (2) mit seiner Rückseite (4) auf einem Verdrahtungsträger (5), der Kontaktflächen (6) des Halbleiterchips (2) mit Außenkontakten (7) des Halbleiterbauteils (1) verbindet, angeordnet ist, und wobei zwischen einer aktiven Ober- seite (8) des Halbleiterchips (2) und der Abdeckung (3) Kohlenstoff-Nanoröhren (9) angeordnet sind, welche eine Abdeckmasse .(3) tragen und die Abdeckmasse (3) von der Oberseite (8) des Halbleiterchips (2) mechanisch entkop¬ peln.
2. Halbleiterbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass die Abdeckmasse (3) einen Abstand (a) von der Oberseite (8) des Halbleiterchips (2) aufweist, in welchem die Kohlenstoff-Nanoröhren (9) angeordnet sind.
3. Halbleiterbauteil nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , dass die Kohlenstoff-Nanoröhren (9) mindestens mit einem ers- ten Ende (10) auf der Oberseite (8) des Halbleiterchips (2) verankert sind.
4. Halbleiterbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprü¬ che, dadurch gekennzeichnet , dass auf der Oberseite (8) des Halbleiterchips (2) eine strukturierte Schicht (11) angeordnet ist, die ein Kata- lysatormaterial (12) zum Bilden und Verankern von Koh- lenstoff-Nanoröhren (9) aufweist.
5. Halbleiterbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprü- che, dadurch gekennzeichnet , dass sich die Kohlenstoff-Nanoröhren (9) teilweise orthogonal zu der Oberseite (8) des Halbleiterchips (2) erstrecken.
6. Halbleiterbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprü¬ che, dadurch gekennzeichnet , dass die Kohlenstoff-Nanoröhren (9) teilweise mit einem zwei¬ ten Ende (13) in dem Material der Abdeckmasse (3) einge- bettet sind und teilweise benetzungsfrei aus dem Materi¬ al in Richtung auf die Oberseite (8) des Halbleiterchips (2) herausragen.
7. Halbleiterbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprü- che, dadurch gekennzeichnet , dass die Abdeckmasse (3) eine nachgiebige Kunststoffmasse
(14) aufweist.
8. Halbleiterbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprü¬ che, dadurch gekennzeichnet , dass die Abdeckmasse (3) eine transparente gummielastische Kunststoffmasse (14) aufweist.
9. Halbleiterbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprü¬ che, dadurch gekennzeichnet , dass der Halbleiterchip (2) ein Sensorchip mit einem Sensor¬ bereich (15) auf seiner Oberseite (8) aufweist.
10. Halbleiterbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprü- che, dadurch gekennzeichnet , dass die Kontaktflächen (6) des Halbleiterchips (2) über Bonddrähte (16) mit dem Verdrahtungsträger (5) in Ver¬ bindung stehen.
11. Halbleiterbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprü¬ che, dadurch gekennzeichnet , dass der Verdrahtungsträger (5) Innenflachleiter aufweist, die über Bondverbindungen (23) mit den Kontaktflächen (6) des Halbleiterchips (2) elektrisch in Verbindung stehen und in Außenflachleiter als Außenkontakte (7) ü- bergehen.
12. Halbleiterbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet , dass der Verdrahtungsträger (5) eine Isolatorplatte (17) mit einer Verdrahtungsstruktur (18) aufweist, die auf einer Oberseite (19) den Halbleiterchip (2) trägt und auf der gegenüberliegenden Unterseite (20) Außenkontakte (7) in Form von Lothöckern oder Lotkugeln (21) aufweist.
13. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauteils (1) mit mindestens einem Halbleiterchip und einer Abdeckde- ckung, wobei das Verfahren folgende Verfahrensschritte aufweist: Herstellen eines Halbleiterwafers mit Halbleiterchip¬ positionen, die in Zeilen und Spalten auf der Ober¬ seite des Halbleiterwafers angeordnet sind; Selektives Beschichten des Halbleiterwafers mit einer strukturierten Schicht (11) aus Katalysatormaterial (12) und Keimen für Kohlenstoff-Nanoröhren (9) unter Freilassen von Kontaktflächen (6);
- Erwärmen des beschichteten Halbleiterwafers unter Ausbilden von Kohlenstoff-Nanoröhren (9) auf der O- berseite des Halbleiterwafers;
Auftrennen des Halbleiterwafers in einzelne Halblei¬ terchips (2) ;
Aufbringen der Halbleiterchips (2) auf einen Verdrah¬ tungsträger (5) mit mehreren Halbleiterbauteilpositi- onen und Herstellen von Bondverbindungen (23) zwi¬ schen Kontaktanschlussflächen (22) des Verdrahtungs¬ trägers (5) mit Kontaktflächen (6) der Halbleiter¬ chips (2) ; Aufbringen einer nachgiebigen Abdeckitiasse (3) auf den Verdrahtungsträger (5), auf die Bondverbindungen (23) und auf freistehende zweite Enden (13) der Kohlen¬ stoff-Nanoröhren (9) auf der Oberseite (8) des Halb¬ leiterchips (2) .
14. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauteils (1) mit mindestens einem Halbleiterchip (2) und einer Abde¬ ckung, wobei das Verfahren folgende Verfahrensschritte aufweist:
Herstellen eines Halbleiterwafers mit Halbleiterchip- Positionen, die in Zeilen und Spalten auf der Ober¬ seite des Halbleiterwafers angeordnet sind; Auftrennen des Halbleiterwafers in einzelne Halblei¬ terchips (2) ; - Aufbringen der Halbleiterchips (2) auf einen Verdrah¬ tungsträger (5) in mehreren Halbleiterbauteilpositio¬ nen;
Selektives Beschichten der Halbleiterchips (2) auf dem Verdrahtungsträger (5) mit einer Schicht aus Ka¬ talysatormaterial (12) und Keimen für Kohlenstoff- Nanoröhren (9) unter Freilassen von Kontaktflächen (6) der Halbleiterchips (2); Erwärmen der Halbleiterchips (2) auf dem Verdrah- tungsträger (5) unter Ausbilden von Kohlenstoff-
Nanoröhren (9) auf der Oberseite (8) der Halbleiter¬ chips (2) ; •
Verbinden von Kontaktanschlussflächen (22) des Ver¬ drahtungsträgers (5) mit Kontaktflächen (6) der HaIb- leiterchips (2) ;
Aufbringen einer nachgiebigen Kunststoffmasse (14) als Abdeckung für den Verdrahtungsträger (5) , die Bondverbindungen (23) und die freistehenden zweiten Enden (13) der Kohlenstoff-Nanoröhren (9) auf der O- berseite (8) der Halbleiterchips (2) .
15. Verfahren nach Anspruch 13 oder Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet , dass zum Beschichten mit einer strukturierten Schicht (11) aus Katalysatormaterial (12) eine Suspension aus einem polymeren Kunststoff einem Lösungsmittel und mit in ei¬ nem Lichtbogen erzeugten Vorstufen von Kohlenstoff- Nanoröhren (9) hergestellt wird.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet , dass zur Herstellung der Suspension zunächst Kohlenstoff-
Nanoröhren (9) und/oder ihre Vorstufen in einem Heizrohr unter Zufuhr eines Pulvergemischs aus Kohlenstoffparti¬ keln, vorzugsweise Kohlenstofffullerenen und Katalysa¬ tormaterialpartikeln in einem Laserstrahl erzeugt wer¬ den.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet , dass das selektive Beschichten mit einer Suspension mittels Drucktechniken erfolgt.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet , dass das selektive Beschichten mit einer Suspension mittels Photolithographie erfolgt.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet , dass das selektive Beschichten mit einer Suspension mittels Laserstrukturieren erfolgt.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 19, dadurch gekennzeichnet , dass zur Herstellung der Suspension zunächst Kohlenstoff- Nanoröhren (9) und/oder ihre Vorstufen in einem Druck- rohrofen mittels Gasphasenabscheidung unter Zufuhr von Kohlenmonoxid und Wasserstoff erzeugt werden.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 19, dadurch gekennzeichnet , dass zum Herstellen der Kohlenstoff-Nanoröhren (9) der Ober¬ seite des Halbleiterwafers und/oder der Oberseite (8) des Halbleiterchips (2) auf einem strukturierten Kata¬ lysatormaterial (12), ein Gemisch aus Kohlenstofffülle- renen, Inertgas und Kohlenmonoxid in einem Heizrohr, in dem der Halbleiterwafer oder die Halbleiterchips (2) po¬ sitioniert sind, zugeführt wird.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 21, dadurch gekennzeichnet , dass für ein Abscheiden von Kohlenstoff-Nanoröhren (9) auf dem strukturierten Katalysatormaterial (12) ein Gemisch aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff in einem Druckrohrofen bei 500 bis 8000C, in dem der Halbleiterwafer oder die
Halbleiterchips (2) mit aufgebrachter Katalysatormateri¬ alstruktur positioniert sind, zugeführt wird.
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 22, dadurch gekennzeichnet , dass das Verbinden von Kontaktanschlussflächen (22) des Ver¬ drahtungsträgers (5) mit Kontaktflächen (6) der Halblei¬ terchips (2) mittels Bondtechniken erfolgt.
24. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 23, dadurch gekennzeichnet , dass das Aufbringen einer nachgiebigen Kunststoffmasse (14) (3) auf den Verdrahtungsträger (5), mittels Dispensen oder mittels einem Niederdruck-Spritzgussverfahren er- folgt.
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