WO2010094511A2 - Bauteilanordnung und verfahren zu dessen herstellung - Google Patents

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Michael Töpper
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Definitions

  • the subject of the present invention is a subassembly, preferably an electronic subassembly, having a first substrate and at least one second substrate arranged on the first substrate, e.g. B. an electronic component such as a non-housed integrated circuit or the like, wherein the first substrate at least a first contact element and the at least one electronic component at least a second contact - has element and the contact elements each have a contact surface, which are connected to an electrical contact with each other , and the component assembly further comprises a support layer interconnecting the first substrate and the at least one second substrate, and a method of making such a device assembly.
  • an electronic component In flip-chip mounting, an electronic component is mounted with its contact connections to a substrate, wherein the contact elements of the component are each contacted with the opposite contact elements of the substrate. This results in an electrical contact, which connects the substrate with the electronic component conductive to an electronic component assembly.
  • a gap remains between the electronic component and the substrate, and there are often compelling reasons to fill the gap between the component and the substrate.
  • the filling relieves the electrical contacts. Furthermore, the penetration of particles and liquids into the gap is prevented, thereby avoiding possible short circuits or corrosion. A protection by a filling is at the latest when sawing or separating the substrates or later
  • Such substrates can, for. For example, silicon wafer, a laminate or a glass on which an electronic component such as a non-housed IC device or another substrate is mounted.
  • underfiller In the prior art, a so-called encapsulation compound, also called underfiller, is generally used.
  • the underfiller is usually a polymer, which is deposited directly next to the chip and drawn into the gap as a result of the capillary forces becomes. Then the underfiller is cured at higher temperatures. The underfiller is filled with particles to lower the coefficient of thermal expansion of the polymer and reduce the mechanical stresses.
  • the underfiller is first applied and then the electronic component is pressed into the liquid underfiller with, for example, solder bumps as contact elements until the solder bumps reach the contact elements of the substrate, melt and establish the electrical contact.
  • the underfiller is hardened.
  • such Underfiller can not be filled sufficiently and thus the thermal expansion coefficient can not be lowered sufficiently.
  • the mounting of the electronic component on the substrate is relatively difficult: For example, the individual electronic components must be pressed onto the substrate during bonding with a tool, in order to avoid floating and thus an electronic loss of contact.
  • too strong pressure forces lead to squeezing out the solder from a solder bump and electrical short circuits between the contacts.
  • gluing with unfilled adhesives (non-conductive adhesive, NCA) and, on the other hand, the use of anisotropically conductive adhesives (anisotropic conductive adhesive, ACA).
  • NCA non-conductive adhesive
  • anisotropic conductive adhesive anisotropic conductive adhesive
  • gold bumps are usually applied on the chip side as contact elements, the adhesive is applied to the substrate side, and with a hot tool, the non-melting bumps of the chip are pressed into the liquid adhesive, wherein the adhesive completely wets the chip surface and cures.
  • a gold bump is pressed against the connection contact on the substrate side.
  • the adhesive shrinks as the adhesive cures and creates a permanent pressure contact between the bump and the substrate connector.
  • small conductive particles of almost equal diameter are contained in the adhesive, the particles being trapped between the gold bump and the substrate terminal and ensuring electrical contact after curing.
  • a third variant for the mounting of chips on wafers is proposed by the Interuniversity Microelectronics Center (IMEC).
  • IMEC Interuniversity Microelectronics Center
  • first a thin polymer layer is applied to the wafer and then the electrical component is provided with copper bumps on the wafer Glue placed.
  • the chips are finally pressed against the wafer by applying temperature and pressure (thermocompression), whereby the polymer layer melts, the copper bumps locally displace the polymer and weld it to an opposite copper pad, which is applied to the substrate as a contact element ,
  • temperature and pressure thermocompression
  • Object of the present invention is a component assembly, in particular an electronic component assembly, and a method for its
  • the object is achieved by a method for producing a component assembly according to the main claim and by a component arrangement according to the independent claim.
  • Various embodiments of the method and the component arrangement are listed in the subordinate claims.
  • a support layer is applied to a first substrate and / or at least one second substrate, wherein the support layer is structured such that in the connected state between the first substrate and the at least one arranged on the first substrate second substrate, a partial surface of the first substrate and a corresponding partial area of the at least one second substrate is not transferred from the supporting layer. are covered and the partial surfaces enclose the respective contact surface of the at least one first and second contact element and the electrical contact made between the contact surfaces is not contaminated by the support layer.
  • the at least one first and the at least one second contact element can be connected to form an electrical contact without the displaced support layer having to be displaced the ever smaller gap between the contact surface of the at least one first contact element and the contact surface of the at least one second contact element remains and thus leads to contamination or even short circuits.
  • the at least one first and at least one second contact element is first applied to the first substrate or the at least one second substrate, the at least one first and second contact element each having a contact surface facing away from the first substrate or the at least one second substrate ,
  • the at least one first and at least one second contact element take on the first substrate or the at least one second substrate a
  • Base area which may be slightly larger than or equal to the size of the contact surface.
  • the contact elements may be applied by the methods known in the art. These include, but are not limited to, vapor deposition, the sputtering or mechanical setting of the contact elements. Also, the contact elements can be applied galvanically.
  • Substrate and / or the at least one second substrate applied it being preferred if the support layer is applied only to the first substrate or to the at least one second substrate.
  • the support layer is applied or structured such that it does not cover a partial surface of the first substrate or of the at least one second substrate or the partial surface is exposed and the partial surface surrounds the contact surfaces of at least two first contact elements, but the contact surface itself is not touched. Therefore, at least two electrical contact surfaces are provided within the subarea.
  • a partial surface is continuous and encloses at least two contacts or two first or second contact elements.
  • the partial surface does not need to cover the entire surface freed from the supporting layer.
  • a plurality of non-contiguous partial surfaces may be present.
  • a partial surface has a partial base area surrounding the contact element and comprises at least two partial base surfaces surrounding the respective contact element, which are connected to one another via a connecting surface, and with an externally contacting connecting surface.
  • a channel is formed, whose
  • “Floor plan” is specified by the partial area and the at least before a possible encapsulation with the outside space in connection. Through the channel flushing of the contact surfaces with, for example, a gas is possible, which is passed from the outside into the interior of the arrangement. As already mentioned with regard to the sub-areas, several channels can be provided independently of each other, which are each connected to the outside. This should all contact surfaces are achieved by the purge gas. The length and width of the channels must take into account the diffusion of the process gas and the removal of gaseous process products.
  • the partial base areas which surround a contact can be oval, round or square, where n can be a natural number of at least 3 or more.
  • Support layer freely and in particular freely accessible, so that in the electrical contact between the first and second contact element to be made no remains of the support layer between the contact surfaces of the first contact element and the second contact element remain.
  • the support layer can be applied or structured either before or after the application of the first or second contact elements.
  • the structuring takes place either via subtractive or additive processes. This means that the support layer can already be applied in a structured manner, for example by stamping, printing or electrophoresis, or subsequently by exposure to photoresist formulations, by means of a photoresist. resists or by etching processes can be structured so that the contact surfaces of the first and second contact elements are exposed.
  • the support layer must be structured in such a way that the base area, which occupies the first or second contact elements on the first substrate or the at least one second substrate, passes through the Support - layer is not covered and is freely accessible for applying the at least one first and second contact element.
  • the contact surface of the first contact element is connected to the corresponding contact surface of the second contact element for making the electrical contact with each other.
  • the support layer can also serve as a spacer between the first substrate and the at least one second substrate. This prevents the at least one second substrate from being pressed too tightly against the first substrate. Due to the structuring of the supporting layer, the contact surfaces, as already mentioned several times, are free of supporting layers and touch, so that no contamination occurs through the supporting layer. Furthermore, the support layer must not be liquefied, since the contact surfaces are freely accessible. As a result, a greatly improved conductivity of the produced electrical contact between the first and the at least one second contact element is possible.
  • the support layer is structured such that it comprises the at least two electrical contacts not affected. This means in particular that not only the contact surfaces of the at least two first or at least two second contact elements are exposed, but also the remaining not with the first
  • Substrate or at least one second substrate connected surfaces of the contact elements have no contact with the support layer.
  • the conductivity of the electrical contact or the isolation of various electrical contacts to each other is greatly improved.
  • the first substrate has a multiplicity of first contact elements and the at least one second substrate has a multiplicity of second contact elements corresponding to the multiplicity of first contact elements, wherein at least two first and second contact elements should be present.
  • Each of these contact elements has a contact surface, and the support layer is structured so that an electrical contact made between the mutually corresponding contact surfaces is not contaminated by the support layer. Since component arrangements usually have a large number of contact elements, it is preferred if all the electrical contacts or the majority of the electrical contacts between the first substrate and the at least one second substrate have been produced by the method described above.
  • the support layer is applied to the first substrate and / or the at least one second substrate and one to the first substrate or the at least one second substrate
  • Substrate remote surface of the support layer with applied to an adhesive and / or the support layer itself formed adhesive.
  • the support layer can not only serve as a spacer, but at the same time can reduce or absorb the stresses of the first substrate or of the at least one second substrate which are loaded on the electrical contacts, for example because of the different thermal expansion coefficients, and improved mechanical stability of the entire component arrangement give.
  • an adhesive polymer is suitable as a support layer, so that no additional adhesive layer or exposure to adhesive is required.
  • non-melting polymers can be used, which are only incompletely crosslinked after the application and structuring and have an adhesive effect at not too high temperatures.
  • Such polymers are, for example, benzocyclobutanes (BCB), polyimides (PI), polybenzoaxols (PBO), epoxides, acrylates, but also other non-melting systems.
  • BCB benzocyclobutanes
  • PI polyimides
  • PBO polybenzoaxols
  • epoxides acrylates
  • Alternative materials for the support layer are furthermore an oxide layer, a metal layer or a silicon layer, in which case, for example, insulating adhesives can be used.
  • the partial surface of the first substrate or of the at least one second substrate is configured such that it comprises at least two partial base surfaces and the respective partial base surface in each case completely covers a contact surface of the at least one first or second contact element and has a size of at least 120% Has size of the respective contact surface or preferably of at most 300% of the size of the respective contact surface.
  • the partial base area completely encloses the base surface or contact surfaces of the first or second contact element and does not intersect this surface. Due to the fact that the partial base area is greater than the contact area, a sufficient distance, which is part of the flushing channel, is defined between the support layer and the electrical contact.
  • the size of the respective partial base area can be limited to 300%, preferably to 200%, particularly preferably to 160% of the size of the respective contact area.
  • the size of the partial base area determines the size of the flushing channel, which is determined by the difference between the partial base area and the contact area. is determined surfaces, wherein between the sub-base surfaces, a connection surface is provided, which may also be part of the channel. Also, the partial base surfaces may be partially open to the outside, ie connected in the non-encapsulated state to the exterior.
  • the diameter or the length extension of the first and second contact elements on the first substrate and the at least one second substrate are between 5 .mu.m and 1000 .mu.m. Typically, however, they are between 10 microns and 80 microns.
  • the opening present in the support layer is preferably chosen larger than the contact surface and is between 7 ⁇ m and 1500 ⁇ m, but typically between 15 ⁇ m and 100 ⁇ m.
  • connection can be effected by means of deformation, preferably by means of thermocompression.
  • the added height of the first and second contact elements before bonding is greater than the height of the support layer. This means that when the first substrate is brought together with the at least one second substrate, the first contact element is first connected to the second contact element and subsequently welded to the latter by means of deformation.
  • the support layer serves as a spacer, so that the at least one second substrate can not be pressed arbitrarily close to the first substrate.
  • the support layer or the adhesive effect of the support layer so a cohesive connection between the first substrate and the at least one second substrate is made, which in addition to the electrical contacts exists.
  • the first or second contact element to a bump wherein the bump can be made of ductile metals such as gold, silver, indium or copper or alloys thereof.
  • the Bump River can be between 5 .mu.m and 100 .mu.m, the support layer thickness between 3 .mu.m and 80 .mu.m. Typical values are 10 ⁇ m to 30 ⁇ m for the height of the bumps and 5 ⁇ m to 20 ⁇ m for the height of the support layer.
  • low melting bumps can be used when the backing layer is already fully consolidated.
  • the support layer reaches the opposite surface of either the first substrate or the at least one second substrate, the amplitude of the ultrasonic vibration eventually becomes negligibly small due to the damping of the support layer and the surfaces stick together. It is also possible to produce the uppermost layer of the bump or the first or second contact element from a metallic foam, which is highly compressible due to its porosity.
  • the support layer is first connected on one substrate to the other substrate, wherein the height of the contact elements is less than that of the support layer. The contacting is then carried out after flushing the arrangement with process gas by means of soldering or remelting.
  • either the first or the second contact element is connected by means of soldering or remelting with the other.
  • the added height of the first and the second contact element is smaller than the height of the support layer, so that first the support layer produces the desired distance between the first substrate and the at least one second substrate. Because the added height of the first and the second
  • Contact element is lower, there is still no electrical contact between these two contact elements.
  • an adhesive or provided with an adhesive support layer is used, a substance-coherent connection between the first substrate and the at least one second substrate is prepared before the remelting or soldering.
  • the remelting or soldering of the first or second contact element leads to the molten contact element, which usually includes a bump, changing its shape and usually forming a spherical surface.
  • the distance between the first and second contact element is selected such that during remelting and the subsequent change in shape of the bump, the opposing contact element is touched and the bump contacts the bump. Due to the surface tension distributed over the entire contact surface of the opposite contact element. As a result, the surface of the electrical contact is hyperbolic.
  • Remelting solder bumps can be formed from different solders.
  • Typical solders are tin-based alloys such as SnAg, SnCu, SnAgCu 7 SnPb, SnIn, SnBi and gold-rich solders such as AuSn or indium solders.
  • solders can be applied as an alloy or in layers, wherein the solder is formed by the reaction of the layers.
  • the deposited solder height can be between 5 .mu.m and 100 .mu.m and the thickness of the support layer between 5 .mu.m and 120 .mu.m.
  • Typical values for the solder bumps are between 5 ⁇ m and 40 ⁇ m, for the support layer between 5 ⁇ m and 50 ⁇ m.
  • the diameter of the bumps or the size of the sub-base areas is between 5 ⁇ m and 1000 ⁇ m or 7 ⁇ m and 1500 ⁇ m, typically between 10 ⁇ m and 80 ⁇ m or 15 ⁇ m and 100 ⁇ m. While the bonding process takes place under the action of temperature and force, in the production of the solder joint only an increase of the temperature without an additional application of force is required. Also, further process steps can be switched on between the connection of the first substrate to the at least one second substrate and the subsequent remelting.
  • the component assembly is connected to each other via the / by the
  • Partial area (s) predetermined channel / channels flushed with a gas By flushing with a gas such as gaseous formic acid or acetic acid or hydrogen, the resulting on the solder or on the first and second contact elements
  • Oxid layers are reduced. As a result, the quality of the electrical contact is additionally increased. To be able to carry out this process step as simply as possible, in particular if the first substrate already has the at least one second
  • Substrate is connected, but the electrical contact is not yet established, the partial surface, which is recessed by the support layer, a contiguous area, which is at least one point connected to the outside space. This ensures that the gas can flush all surfaces or contact surfaces to be cleaned.
  • the gas is distributed in the flushing channel between the support layer and the at least two contacts or the at least two first and second contact elements and cleans the contact surfaces. It is particularly advantageous if the component arrangement comprises a plurality of substrates.
  • the support layer has a further cavity, wherein the at least one second substrate in the cavity comprises at least one sensor element, an optical element or a micromechanical element.
  • the at least one second substrate in the cavity comprises at least one sensor element, an optical element or a micromechanical element.
  • Such elements may be, for example, antennas, high-frequency circuits, SAW filters or ultrasound sensors or also pressure or acceleration sensors, micromirrors, gas, chemo and biosensors and other MEMS components.
  • Camera chips, interferometers, optical detectors or sources can also be arranged in such a cavity.
  • Such a cavity can be introduced at the same time when structuring the support layer or when applying the support layer.
  • an edge of the at least one second substrate can be provided with an additional encapsulation, wherein this encapsulation extends from the first substrate to the edge of the at least one second substrate. This ensures an improved mechanical and chemical protection function of the component arrangement.
  • first substrate either planar side by side or stacked, or in combination of planar arrangement and stacking.
  • second substrates lying between the first substrate and a further second substrate have vias, such as through-vias.
  • the first and the at least one second substrate may in each case by a circuit substrate made of materials such. As silicon wafer, a laminate or a glass may be formed.
  • a circuit substrate made of materials such as silicon wafer, a laminate or a glass may be formed.
  • the first substrate may be a circuit carrier, whereas the at least one second substrate may be an electronic component, such as an electronic device. is an unhoused IC device.
  • the at least one second substrate can also be an optical or micromechanical
  • FIGS. FIGS. 1a and 1b show a prior art electronic component arrangement
  • FIGS. 2a to 2e show an embodiment variant of a component arrangement according to the invention
  • FIGS. 3a and 3b show a further embodiment variant of a component arrangement
  • FIGS. 4a to 4d show a further embodiment variant of a component arrangement
  • FIGS. 5a to 5c show a further embodiment variant of a component arrangement
  • FIGS. 6a to 6c show a plan view of a substrate with applied support layer in various embodiments
  • FIGS. 7a and 7b show a planar arrangement of two electronic components on one
  • Fig. 8 is a stacked arrangement of electronic components on a substrate.
  • FIG. 1a shows a substrate 1 and an electronic component 2, which in the present case is an unhoused integrated circuit.
  • first contact elements 3 which are formed from contact pads.
  • the electronic component 2 has second contact elements 4, wherein the second contact elements 4 consist of a lower metallization and a bump applied thereto.
  • an underfiller 5 is applied to the substrate 1. The underfilter 5 is liquefied and the electronic component
  • Fig. 2a is present as a circuit carrier first
  • the first contact elements 13 comprise a contact pad 130, which serves as a submetallization, and a bump 131 deposited thereon.
  • Contact elements 13 have a contact surface 110 facing away from the first substrate 11.
  • the bumps are gold bumps of 25 ⁇ m height and 30 ⁇ m diameter.
  • a 15 ⁇ m thick support layer 15 is applied.
  • the support layer 15 consists of benzocyclobutane (BCB).
  • the contact surfaces 110 can be clearly seen, wherein the contact surfaces 110 in the present case represent not only the surface of the bump 131 facing away from the first substrate 11, but also the somewhat larger one
  • FIG. 2c again shows a cross section through the first substrate 11, in the present case the support layer 15 has already been structured.
  • a present as an electronic component or electronic element second substrate 12 can be seen, which has second contact elements 14, which each have a contact surface 120.
  • the structuring of the support layer 15, which is shown in FIG. 2d as a plan view, is designed such that in the BCB in the region of the contact elements 13, 14 an opening with a diameter of 45 microns (or 45 x 45 microns at a square ) is introduced.
  • a partial base 170 is created which, as shown in FIG. 2d, is defined by the square of the dimension D + F surrounding the contact surface 110 with the dimension D and the contour of a part the flushing channel pretends.
  • the partial base surfaces 170 are part of a partial surface 17 of the first substrate, wherein the partial surface 17 is not occupied by the support layer 15.
  • the channel, called the flush channel is in
  • Fig. 2d formed by the distance between the contact elements 13, 14 and contacts 16 and the support layer 15 and an exposed connector 17a in the support layer 15 between the partial base surfaces 170 and contacts 16, and in addition, a connector 17b outwardly part of the channel.
  • the partial surface 17 comprises these connecting pieces 17a, 17b.
  • Fig. 2d thus arise two channels, each with two designated as input and output connectors 17b.
  • Flushing channel in Fig. 2d is formed continuously with an input and output, a single input is sufficient for flushing.
  • the height of the first contact element 13 is Bl.
  • the height of the second contact element 14 is B2.
  • an optional adhesive layer 151 is additionally applied to the second substrate 12 facing surface 150 of the support layer 15. Because the partial base area 170 introduced into the support layer 15 completely encloses the contact surface 110, a sufficient tolerance in the positioning of the second substrate 12 is provided.
  • the bump 131 is moved from a first height of z. B. 25 microns to a second height, z. B. 15 microns, reduced, wherein the diameter widened due to the volume constancy, z. B. from 30 microns to about 39 microns.
  • the compressed bump 131 'connects to the second contact element 14 to form an electrical contact 16.
  • the electronic component assembly 10 is completed. As shown in Figs. 2c and 2e clearly shows, the support layer 15 does not touch the first or second contact elements 13, 14 and the electrical contact 16, so that the flushing channel is formed between these elements.
  • the size of the base portion 170 so that the electrical contact 16 touches the support layer, wherein the first and second contact elements do not touch the protective layer 15 before joining, but still in the region of the contact surfaces a flushing channel remains. Furthermore, it is possible that the support layer 15 is removed in such a way that the sub-base 170 coincides with the contact surface 110.
  • both the support layer 15 and the bumps 131 are arranged on the first substrate 11, it is also possible to form the bumps as part of the second contact elements 14, in which case dispensing with an additional bump on the first contact element 13.
  • the support layer 15 is in turn applied to the first substrate 11. Alternatively, the application of the support layer can also take place on the second substrate 12.
  • a support layer 15 ' is applied, which in the present case consists of an already crosslinked polymer and is coated with an additional adhesive layer 151.
  • the height h of the support layer 15 ' is smaller than the added height Bl and B2 of the first and second contact elements.
  • the first contact elements 13 consist of a bump 132, on which a metallic foam 133 is applied.
  • the metallic foam is compressible due to its porosity, so that it is compressed during the thermocompression bonding of the first substrate 11 with the second substrate 12 present as an optical element, without the diameter of the first and second contact elements substantially changing.
  • the supporting layer was 15 ⁇ first applied to the first substrate 11 before the first contact elements were applied to this. 13 So it was only borrowed the contact surfaces or the partial base surfaces
  • FIG. 4 a shows a first substrate 11, on which first a support layer 15 is applied.
  • the support layer has a height h, which may be for example 50 microns.
  • On the support layer 15 is an adhesive layer 151, since the polymer used of the support layer 15 is already cured.
  • second contact elements 23 On the first substrate 11 are second contact elements 23, these being composed of a lower metallization 230 and a bump 231 applied thereto. After structuring the support layer 15, the first contact elements 23 are introduced into the partial base surfaces 170, as shown in FIG. 2d.
  • the bumps are not as part of the first contact elements 23, but as part of the second contact elements 14.
  • the added height Bl and B2 of the first and second contact elements 23 and 14 is smaller than the height h of the support layer 15th
  • FIG. 4 b after the first substrate 11 has been connected to the second substrate 12 formed as a micromechanical element, a cohesive connection between these two components is imparted only by the support layer 15. There is no electrical contact between the first contact elements 23 and the second contact elements 14.
  • the partial area 17 is a continuous area and at least one channel is formed, after the first substrate 11 has been connected to the second substrate 12, the opposing contact areas of the first one can be cleaned Contact elements 23 and the second contact elements 14 are made for example with a hydrogen-containing atmosphere. This reduces possible oxidation of the contact surfaces.
  • the first substrate 11 is already adhesively bonded to the second substrate 12. After cleaning with a gas, the temperature is increased such that the bumps 231 melt and try to take a spherical shape 232 due to the changed state of aggregation, as illustrated in FIG. 4c.
  • the supporting layer 15 can also be produced by structuring, for example, a wafer formed as a circuit carrier, in which openings are formed in which the contact metallizations are introduced and the remaining surface of the structured first Substrate is provided with an adhesive layer and then connected to a trained example as an electronic component second substrate.
  • a silicon wafer would thus have trenches, wherein the bottoms of the trenches form the partial base area and in which the first contact elements are arranged, wherein the first contact elements preferably do not touch the walls of the trenches.
  • FIG. 5 a shows a first substrate 11 having first contact elements 33, designed as an electronic element, onto which first a supporting layer is applied in a covering manner.
  • the support layer 15 is patterned in a subtractive process, so that the first substrate 11 facing away from contact surfaces 110 of the first contact elements 33 are not covered, but are exposed.
  • the support layer 15 has an additional adhesive layer, which forms a cohesive connection with the surface of the second substrate 12 designed as a circuit carrier.
  • Fig. 5b is essentially the
  • FIGS. 4 Process variant of FIGS. 4, ie the added height of the first and second contact elements is smaller than the height of the support layer.
  • Fig. 5c is substantially the method of Figs. 2, ie compression with ultrasonic welding or thermocompression.
  • FIG. 6a a particularly simple geometry of a support layer 15 is shown.
  • First contact elements having a contact surface 110 are applied to a first substrate 11, wherein all the contact elements lie in the periphery of the first substrate 11.
  • the geometry of the support layer 15 is chosen so that it covers a large area in the middle of the first substrate 11.
  • the partial surface 17 not covered by the support layer 15 encloses all contact surfaces 110.
  • the support layer 15 can be simply printed or pressed on, for example, so that structuring after the application of the support layer 15 can be dispensed with.
  • FIG. 6 b shows a more complicated geometry of arrangements of first contact elements on a first substrate 11.
  • the contact surfaces 110 and five segments of the support layer 15 which are not connected to one another can be seen in the plan view, the structuring of the support layer 15 being carried out in a subtractive process.
  • the structuring is chosen such that the partial surface 17 is multiply connected, which means that one arrives from each point of the surface 17 to each other point of the surface 17, without departing from the plane of To move out surface 17, ie a continuous flushing channel surrounds all contact elements.
  • Size of the base 170 is here z. B. 150% of the contact surface 110, the size of the base 170 ', however, z. B. 120% of the contact surface 110th
  • FIG. 6c shows the underside of a second substrate 12 'designed as an electronic component, such as a non-insulated integrated circuit, in which the structured support layer 15 does not cover and does not touch the contact surfaces 120 of the second contact elements.
  • a sensor element 20 is arranged in the cavity 19.
  • the sensor element 20 may be a pressure or acceleration sensor, but also a gas, chemo or biosensor.
  • other or further components such as SAW filters, ultrasonic sensors, antennas or other power elements can be introduced into the cavity 19. Due to the fact that the cavity 19 is not connected to the partial surface 17 and is completely enclosed by the support layer after assembly with a first substrate, the elements arranged in the cavity 19 are well protected against external influences without falsifying measurement results of the sensors become.
  • the substrate 12 'of FIG. 6c formed as an electronic component is replaced, for example, by a CMOS camera wafer, it is possible to produce a camera chip with a module carrier made of glass, wherein a Glass substrate, the first substrate and the camera chip forms the second substrate.
  • the CMOS camera wafer is first thinned to 50 ⁇ m and wrapped around a handling wafer with the front side facing upwards. A support structure is thus applied and exposed locally around the contact surfaces and in the same step the surface with the pixel sensors released, ie the cavity generated. The wafer is then sawn and the CMOS camera chips are singulated.
  • a glass substrate with electrical traces for the rewiring and contact structures is provided with mechanical gold stud bumps.
  • the CMOS camera chip is dipped with the support structure in a thin-coated adhesive, with a thin adhesive film is added.
  • a thin adhesive film is added.
  • FIG. 7 a shows a component arrangement 100 in which a plurality of second substrates 12, 12 'are arranged in planar fashion on a first substrate 11. Between each of a second substrate 12 or 12 'and the first substrate are the respective second substrate 12 and 12' associated support structure 15 and the electrical contacts 16.
  • the second substrate 12 ', an electronic element and the second Substrate 12 '' be another circuit carrier or also an electronic, optical or micromechanical element. In this way, therefore, a wafer serving as the first substrate can be fully populated and separated later.
  • FIG. 7b shows a further embodiment variant of a component arrangement 100 'in which the second substrates 12 and 12' are arranged in planar fashion on the first substrate 11 are.
  • the edges 122 or 122 'of the second substrates 12 and 12' are connected to the first substrate 11 by an encapsulation compound 30.
  • FIG. 8 shows a stacked construction of electronic components. On a first
  • Substrate 11 are first two formed as electronic elements second substrates 12 and 12 ! arranged in a planar manner next to one another. On the second substrates 12 and 12 'is in each case another as electronic, optical or micromechanical
  • Elements formed substrate 22 or 22 ' is applied, wherein the second substrates 12 and 12' on its side facing away from the first substrate 11 further first contact elements 13 ', which with the other second contact elements 14 ⁇ the other second substrates 22 and 22nd ' get connected. In between is another support layer 15 ''.
  • Further second substrates 32 and 32 ' are in turn arranged on the further second substrates 22 and 22' so that a stack of second substrates is produced on a first substrate 11.
  • first and second contact elements are used whose added height is less than the height of the respective support layer 15 or 15".
  • the second substrates are firstly arranged on the first substrate or the further second substrates are arranged on the second substrates, so that they form a cohesive connection comes between the first substrate, support layer, second substrate and the second substrate, the support layer and the further second substrate. Only then are the so stacked, but not yet electrically connected second

Landscapes

  • Wire Bonding (AREA)
  • Manufacture Of Switches (AREA)

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist eine Bauteilanordnung mit einem ersten Substrat und mindestens einem auf dem ersten Substrat angeordneten zweiten Substrat, wobei das erste Substrat mindestens ein erstes Kontaktelement und das mindestens eine zweite Substrat mindestens ein zweites Kontaktelement aufweist und die Kontaktelemente jeweils eine Kontaktfläche besitzen, welche zu jeweils einer elektrischen Kontaktierung verbunden sind und eine Stützschicht das erste Substrat und das mindestens eine zweite Substrat miteinander verbindet. Dabei wird während der Herstellung die Stützschicht derart strukturiert, dass eine Teilfläche des ersten Substrats und eine Teilfläche des mindestens einen zweiten Substrats nicht überdeckt sind, wobei die Teilfläche die jeweilige Kontaktfläche des mindestens einen ersten und zweiten Kontaktelements umschließt und die zwischen den Kontakt flächen hergestellte Kontaktierung somit nicht durch die Stützschicht verunreinigt ist. Die Kontaktflächen sind somit einander frei zugänglich, ohne dass Elemente der Stützschicht dazwischen liegen. Hierdurch wird eine verbesserte elektrische Leitfähigkeit bei gleich bleibender mechanischer Stabilität erzeugt.

Description

Bauteilanordnung und Verfahren zu dessen Herstellung
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Bau- teilanordnung, vorzugsweise eine elektronische Bau- teilanordnung, mit einem ersten Substrat und mindestens einem auf dem ersten Substrat angeordneten zweiten Substrat, z. B. einem elektronischen Bauteil wie ein ungehäuster integrierter Schaltkreis oder Ähnliches, wobei das erste Substrat mindestens ein erstes Kontaktelement und das mindestens eine elektronische Bauelement mindestens ein zweites Kontakt - element aufweist und die Kontaktelemente jeweils eine Kontaktfläche besitzen, welche zu einer elektrischen Kontaktierung miteinander verbunden sind, und die Bauteilanordnung des Weiteren eine Stützschicht aufweist, welche das erste Substrat und das mindestens eine zweite Substrat verbindet, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Bauteil - anordnung . Bei der Flip- Chip-Montage wird ein elektronisches Bauteil mit seinen Kontaktanschlüssen zu einem Substrat hin montiert, wobei die Kontaktelemente des Bauteils jeweils mit den gegenüberliegenden Kontakt- elementen des Substrats kontaktiert werden. Hierdurch entsteht eine elektrische Kontaktierung, welche das Substrat mit dem elektronischen Bauteil leitend zu einer elektronischen Bauteilanordnung verbindet. Zwischen dem elektronischen Bauteil und dem Substrat verbleibt jedoch ein Spalt, und es gibt oftmals zwingende Gründe, den Spalt zwischen dem Bauteil und dem Substrat zu füllen.
Durch die Füllung des Spaltes kann die mechanische Stabilität der elektronischen Bauteilanordnung verbessert werden, da bei Temperaturwechseln und den dabei auftretenden mechanischen Spannungen aufgrund der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten zwischen Substrat und elektronischem Bauteilelement die Füllung die elektrischen Kontaktierungen entlastet. Des Weiteren wird das Eindringen von Partikeln und Flüssigkeiten in den Spalt verhindert und dadurch mögliche Kurzschlüsse oder Korrosion vermieden. Ein Schutz durch eine Füllung wird spätestens beim Sägen oder Vereinzeln der Substrate oder später unter
Betriebsbedingungen notwendig. Derartige Substrate können z. B. Siliziumwafer, ein Laminat oder ein Glas sein, auf denen ein elektronisches Bauteil wie ein ungehäustes IC-Bauelement oder auch ein weiteres Substrat montiert wird.
Im Stand der Technik bedient man sich in der Regel einer sogenannten Verkapselungsmasse, auch Under- filler genannt. Der Underfiller ist zumeist ein Polymer, welches direkt neben dem Chip abgelegt und infolge der Kapillarkräfte in den Spalt hineingezogen wird. Anschließend wird der Underfiller bei höheren Temperaturen ausgehärtet. Der Underfiller ist mit Partikeln gefüllt, um den thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Polymers zu senken und die mechani- sehen Spannungen zu reduzieren. Nachteilig an der Verwendung von Underfillern ist neben den langen Prozesszeiten zum Füllen des Spaltes auch die Notwendigkeit von ausreichendem Platz neben dem Spalt, da das flüssige Polymermaterial dort abgesetzt und ggf- mehrfach nachgelegt werden muss, um das zum Füllen des Spaltes notwendige Volumen bereitzustellen.
Aus diesem Grund wurde ein Verfahren entwickelt, bei dem zuerst der Underfiller appliziert und anschließend das elektronische Bauteil mit beispielsweise Lotbumps als Kontaktelementen in den flüssigen Underfiller gedrückt wird, bis die Lotbumps die Kontakt - elemente des Substrats erreichen, aufschmelzen und die elektrische Kontaktierung herstellen. Zugleich wird der Underfiller ausgehärtet. Dazu müssen in dem Underfiller benetzungsfordernde Zugaben zur Reduktion der Oxide und zum Schutz vor erneuter Oxidation während des Lötens beigegeben werden. Derartige Underfiller können allerdings nicht ausreichend gefüllt und somit der thermische Ausdehnungskoeffizient nicht ausreichend gesenkt werden. Zudem ist die Montage des elektronischen Bauteils auf dem Substrat relativ schwierig: So müssen die einzelnen elektroni- sehen Bauteile beim Bonden mit einem Werkzeug auf das Substrat gedrückt werden, um ein Aufschwimmen und somit einen elektronischen Kontaktverlust zu vermeiden. Jedoch führen zu starke Andruckkräfte zum Herauspressen des Lotes aus einem Lotbump und zu elektrischen Kurzschlüssen zwischen den Kontakten.
Ein weiterer Nachteil des vorbeschriebenen Verfahrens ist die starke Neigung zur Porenbildung im Under- filler, was die Zuverlässigkeit weiter herabsetzt.
Eine andere Möglichkeit, das Einbringen eines Under- fillers nach der Herstellung der elektrischen Kontak- tierung zwischen dem elektronischen Bauteil und dem Substrat zu umgehen, ist mit der Flip-Chip-Montage mittels Kleben verbunden. Hier gibt es zwei Verfahrensvarianten: zum einen das Kleben mit ungefüll- ten Klebstoffen (non-conductive adhesive, NCA) und zum anderen die Verwendung von anisotrop leitfähigen Klebstoffen (anisotropic conductive adhesive, ACA) . In beiden Fällen sind in der Regel auf der Chipseite Goldbumps als Kontaktelemente aufgebracht, der Kleb- stoff wird auf der Substratseite appliziert, und mit einem heißen Werkzeug werden die nichtschmelzenden Bumps des Chips in den flüssigen Klebstoff gedrückt, wobei der Klebstoff die Chipoberfläche komplett benetzt und aushärtet. Bei der NCA-Variante wird ein Goldbump gegen den Anschlusskontakt auf der Substrat- seite gedrückt. Der Klebstoff schrumpft beim Aushärten des Klebers und erzeugt einen dauerhaften Druckkontakt zwischen dem Bump und dem Substrat - anschluss. Bei der ACA-Variante sind kleine leit- fähige Partikel mit nahezu gleichem Durchmesser in dem Kleber enthalten, wobei die Partikel zwischen dem Goldbump und dem Substratanschluss eingeklemmt werden und nach Aushärten den elektrischen Kontakt gewährleisten.
Eine dritte Variante für die Montage von Chips auf Wafern wird durch das Interuniversity Microelectro- nics Centre (IMEC) vorgeschlagen. Bei dem vorgeschlagenen Prozess wird zunächst eine dünne Polymer- läge auf dem Wafer appliziert und anschließend das elektrische Bauteil mit Kupferbumps versehen auf dem Kleber platziert. Mithilfe eines Werkzeugs werden die Chips schließlich unter Beaufschlagung von Temperatur und Druck (Thermokompression) gegen den Wafer ge- presst, wobei die Polymerlage aufschmilzt, die Kupferbumps das Polymer lokal verdrängen und mit einem gegenüberliegenden Kupferpad, welches auf dem Substrat als Kontaktelement aufgebracht ist, verschweißen. Da Kupfer jedoch nur sehr schwer zu verschweißen ist, ist mit einem ungenügenden Kontakt zu rechnen, der durch den Schrumpf und die Aushärtung des Polymers aufrechterhalten wird.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Bauteilanordnung, insbesondere eine elektronische Bauteilanordnung, sowie ein Verfahren zu dessen
Herstellung bereitzustellen, welches die vorgenannten Nachteile nicht aufweist und eine gute elektrische Verbindung sowie eine gute mechanische Stabilität gewährleistet .
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung einer Bauteilanordnung nach dem Hauptanspruch sowie durch eine Bauteilanordnung nach dem Nebenanspruch. Verschiedene Ausführungsformen des Verfahrens bzw. der Bauteilanordnung sind in den untergeordneten Ansprüchen aufgeführt .
Bei der Bauteilanordnung wird eine Stützschicht auf ein erstes Substrat und/oder mindestens ein zweites Substrat aufgebracht, wobei die Stützschicht derart strukturiert ist, dass im verbundenen Zustand zwischen dem ersten Substrat und dem mindestens einen auf dem ersten Substrat angeordneten zweiten Substrat eine Teilfläche des ersten Substrats und eine dazu korrespondierende Teilfläche des mindestens einen zweiten Substrats nicht von der Stützschicht über- deckt sind und die Teilflächen die jeweilige Kontakt - fläche des mindestens einen ersten und zweiten Kontaktelements umschließen und die zwischen den Kontaktflächen hergestellte elektrische Kontaktierung nicht durch die Stützschicht verunreinigt ist .
Dadurch, dass die Stützschicht die Kontaktfläche des mindestens einen ersten und mindestens einen zweiten Kontaktelements nicht überdeckt, können das mindes- tens eine erste und das mindestens eine zweite Kontaktelement zu einer elektrischen Kontaktierung miteinander verbunden werden, ohne dass die aufgebrachte Stützschicht verdrängt werden muss und in dem immer kleiner werdenden Spalt zwischen der Kontakt- fläche des mindestens einen ersten Kontaktelements und der Kontaktfläche des mindestens einen zweiten Kontaktelements verbleibt und somit zu einer Verunreinigung oder sogar Kurzschlüssen führt.
Hierzu wird zunächst das mindestens eine erste und mindestens eine zweite Kontaktelement auf das erste Substrat bzw. das mindestens eine zweite Substrat aufgebracht, wobei das mindestens eine erste und zweite Kontaktelement jeweils eine dem ersten Sub- strat bzw. dem mindestens einen zweiten Substrat abgewandte Kontaktfläche aufweist.
Das mindestens eine erste und mindestens eine zweite Kontaktelement nehmen dabei auf dem ersten Substrat bzw. dem mindestens einen zweiten Substrat eine
Grundfläche ein, welche leicht größer als die bzw. gleich der Größe der Kontaktfläche sein kann.
Die Kontaktelemente können mit den Verfahren, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind, aufgebracht werden. Hierzu zählen unter anderem das Aufdampfen, das Sputtern bzw. das mechanische Setzen der Kontakt - elemente. Auch können die Kontaktelemente galvanisch aufgebracht werden.
Des Weiteren wird eine Stützschicht auf das erste
Substrat und/oder das mindestens eine zweite Substrat aufgebracht, wobei es bevorzugt ist, wenn die Stütz - schicht lediglich auf das erste Substrat oder auf das mindestens eine zweite Substrat aufgebracht wird. Die Stützschicht wird so aufgebracht bzw. strukturiert, dass sie eine Teilfläche des ersten Substrats bzw. des mindestens einen zweiten Substrats nicht überdeckt bzw. die Teilfläche freigelegt wird und die Teilfläche die Kontaktflächen von mindestens zwei ersten Kontaktelementen umschließt, die Kontaktfläche selbst jedoch nicht berührt. Es sind daher innerhalb der Teilfläche mindestens zwei elektrische Kontakt - flächen vorgesehen.
Eine Teilfläche ist zusammenhängend und umschließt mindestens zwei Kontaktierungen bzw. zwei erste oder zweite Kontaktelemente. Die Teilfläche braucht nicht die gesamte von der Stützschicht freigestellte Fläche zu umfassen. Insbesondere können mehrere nicht zusam- menhängende Teilflächen vorhanden sein. Eine Teilfläche weist eine das Kontaktelement umgebende Teil- grundfläche auf und umfasst mindestens zwei das jeweilige Kontaktelement umgebende Teilgrundflächen, die über eine Verbindungsfläche miteinander verbunden sind, und mit außen in Kontakt stehender Verbindungsfläche .
Zwischen den mindestens zwei elektrischen Kontaktierungen bzw. den ersten oder zweiten Kontaktelementen und der Stützschicht ist ein Kanal gebildet, dessen
"Grundriss" von der Teilfläche vorgegeben ist und der zumindest vor einer möglichen Verkapselung mit dem Außenraum in Verbindung steht. Über den Kanal ist eine Spülung der Kontaktflächen mit beispielsweise einem Gas möglich, das von außen in das Innere der Anordnung geleitet wird. Wie schon in Bezug auf die Teilflächen erwähnt, können auch mehrere Kanäle unabhängig voneinander vorgesehen sein, die jeweils mit außen verbunden sind. Dadurch sollen alle Kontaktflächen durch das Spülgas erreicht werden. Die Länge und Breite der Kanäle müssen der Diffusion des Prozessgases und dem Abtransport der gasförmigen Prozessprodukte Rechnung tragen.
Die Teilgrundflächen, welche eine Kontaktierung umgeben, können oval, rund oder n-eckig, wobei n eine natürliche Zahl von mindestens 3 oder mehr sein kann, geformt sein.
Durch die erwähnten Maßnahmen sind die Kontaktflächen des ersten bzw. zweiten Kontaktelements von der
Stützschicht frei und insbesondere frei zugänglich, so dass bei der vorzunehmenden elektrischen Kontaktierung zwischen dem ersten und zweiten Kontaktelement keine Reste der Stützschicht zwischen den Kon- taktflächen des ersten Kontaktelements und des zweiten Kontaktelements verbleiben.
Die Stützschicht kann entweder vor oder nach dem Aufbringen der ersten bzw. zweiten Kontaktelemente aufgebracht bzw. strukturiert werden. Die Strukturierung erfolgt entweder über subtraktive oder additive Prozesse. Dies bedeutet, dass die Stützschicht beispielsweise durch Stempeln, Drucken oder eine Elektrophorese bereits strukturiert aufgebracht werden kann oder nachträglich durch Belichtung mit photoresistiven Formulierungen, mithilfe eines Photo- resists oder durch Ätzprozesse strukturiert werden kann, so dass die Kontaktflächen der ersten bzw. zweiten Kontaktelemente freigelegt werden. Werden die ersten oder zweiten Kontaktelemente erst nach dem Strukturieren der Stützschicht aufgebracht, so muss die Stützschicht so strukturiert werden, dass die Grundfläche, welche die ersten bzw. zweiten Kontakt - elemente auf dem ersten Substrat bzw. dem mindestens einen zweiten Substrat einnimmt, durch die Stütz - Schicht nicht überdeckt wird und zum Aufbringen des mindestens einen ersten bzw. zweiten Kontaktelements frei zugänglich ist.
Nachdem die Stützschicht und die Kontaktelemente aufgebracht worden sind, wird die Kontaktfläche des ersten Kontaktelements mit der korrespondierenden Kontaktfläche des zweiten Kontaktelements zur Herstellung der elektrischen Kontaktierung miteinander verbunden. Hierbei kann die Stützschicht zugleich als Abstandshalter zwischen dem ersten Substrat und dem mindestens einen zweiten Substrat dienen. Hierdurch wird verhindert, dass das mindestens eine zweite Substrat zu dicht an das erste Substrat aufgedrückt wird. Aufgrund der Strukturierung der Stützschicht sind die Kontaktflächen, wie bereits mehrfach erwähnt, stützschichtfrei und berühren, so dass keine Verunreinigung durch die Stützschicht auftritt. Des Weiteren darf die Stützschicht nicht verflüssigt werden, da die Kontaktflächen frei zugänglich sind. Hierdurch wird eine stark verbesserte Leitfähigkeit der hergestellten elektrischen Kontaktierung zwischen dem einen ersten und dem mindestens einen zweiten Kontaktelement möglich.
In einer Variante der Bauteilanordnung ist die Stützschicht so strukturiert, dass sie die mindestens zwei elektrischen Kontaktierungen nicht berührt. Dies bedeutet insbesondere, dass nicht lediglich die Kontaktflächen der mindestens zwei ersten bzw. mindestens zwei zweiten Kontaktelemente freigelegt sind, sondern auch die restlichen nicht mit dem ersten
Substrat oder dem mindestens einen zweiten Substrat verbundenen Flächen der Kontaktelemente keinerlei Berührung mit der Stützschicht haben. Hierdurch wird die Leitfähigkeit der elektrischen Kontaktierung bzw. die Isolierung verschiedener elektrischer Kontaktierungen zueinander stark verbessert.
In einer weiteren Ausführungsform weist das erste Substrat eine Vielzahl von ersten Kontaktelementen und das mindestens eine zweite Substrat eine Vielzahl von zweiten, mit der Vielzahl von ersten korrespondierenden Kontaktelementen auf, wobei mindestens jeweils zwei erste und zweite Kontaktelemente vorhanden sein sollten. Jedes dieser Kontaktelemente weist eine Kontaktfläche auf, und die Stützschicht ist so strukturiert, dass eine zwischen den zueinander korrespondierenden Kontaktflächen hergestellte elektrische Kontaktierung nicht durch die Stützschicht verunreinigt ist. Da Bauteilanordnungen zumeist eine Vielzahl von Kontaktelementen aufweisen, ist es bevorzugt, wenn alle elektrischen Kontaktierungen bzw. die Mehrzahl der elektrischen Kontaktierungen zwischen dem ersten Substrat und dem mindestens einen zweiten Substrat nach dem vorhergehend geschilderten Verfahren hergestellt wurden.
In einer weiteren Ausführungsform wird die Stütz - schicht auf das erste Substrat und/oder das mindestens eine zweite Substrat aufgebracht und eine dem ersten Substrat bzw. dem mindestens einen zweiten
Substrat abgewandte Oberfläche der Stützschicht mit einem Klebstoff beaufschlagt und/oder die Stützschicht selbst klebend ausgebildet. Hierdurch ist es möglich,, bei der Verbindung des ersten Substrats und des mindestens einen zweiten Substrats eine stoff- schlüssige Verbindung mittels der adhäsiven Wirkung der Stützschicht herzustellen. Hierdurch kann die Stützschicht nicht nur als Abstandshalter dienen, sondern kann zugleich die beispielsweise aufgrund der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizien- ten auf den elektrischen Kontaktierungen lastenden Spannungen des ersten Substrats bzw. des mindestens einen zweiten Substrats verringern bzw. aufnehmen und der gesamten Bauteilanordnung eine verbesserte mechanische Stabilität geben.
Hierbei kommt als Stützschicht beispielsweise ein klebefähiges Polymer in Frage, so dass es keiner zusätzlichen Klebeschicht bzw. einer Beaufschlagung mit Klebstoff bedarf. Dazu können beispielsweise nichtschmelzende Polymere verwendet werden, die nach dem Auftrag und der Strukturierung nur unvollständig vernetzt sind und bei nicht zu hohen Temperaturen klebend wirken. Derartige Polymere sind beispielsweise Benzocyclobutane (BCB) , Polyimide (PI) , PoIy- benzoaxole (PBO), Epoxide, Acrylate, aber auch andere nichtschmelzende Systeme. Alternativ hierzu können beispielsweise Polymere verwendet werden, die bereits nach dem Auftrag vollständig vernetzt sind, wobei die strukturierte Stützschicht in eine dünne aufgestri- chene Kleberschicht gedrückt wird und mit Klebstoff beaufschlagt wird. Beim Verbinden des ersten Substrats mit dem mindestens einen zweiten Substrat außerhalb der Teilfläche wird so eine Stoffschlüssige Verbindung hergestellt. Aus der vorhergehenden Beschreibung ist offensichtlich, dass das Polymer beim Verbinden der ersten Kontaktelemente mit den zweiten Kontaktelementen nicht verflüssigt werden muss, um die Kontaktflächen zu einer elektrischen Verbindung zusammenzuführen.
Alternative Materialien für die Stützschicht sind weiterhin eine Oxidschicht, eine Metallschicht oder eine Siliziumschicht, wobei hierbei beispielsweise isolierende Kleber verwendet werden können.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Teilfläche des ersten Substrats bzw. des mindestens einen zweiten Substrats so gestaltet, dass sie mindestens zwei Teilgrundflächen umfasst und die jeweilige Teilgrundfläche jeweils eine Kontaktfläche des mindestens einen ersten oder zweiten Kontaktelements vollständig umfasst und eine Größe von mindestens 120 % der Größe der jeweiligen Kontaktfläche oder vorzugsweise von höchstens 300 % der Größe der jeweiligen Kontaktfläche besitzt. Die Teilgrundfläche umschließt dabei die Grundfläche bzw. Kontaktflächen des ersten bzw. zweiten Kontaktelements vollständig und schneidet diese Fläche nicht. Dadurch, dass die Teilgrundfläche größer ist als die Kontaktfläche, wird ein ausreichender Abstand, der Teil des Spülungskanals ist, zwischen Stützschicht und elektrischer Kontaktierung definiert. Um sicherzustellen, dass die Stützschicht auch eine ausreichende mechanische Stabilität der elektronischen Bauteilanordnung gewährleistet, kann die Größe der jeweiligen Teilgrundfläche auf 300 %, vorzugsweise auf 200 %, besonders vorzugsweise auf 160 % der Größe der jeweiligen Kontaktfläche beschränkt werden. Die Größe der Teilgrundfläche be- stimmt die Größe des Spülungskanals, welcher durch die Differenz zwischen Teilgrundfläche und Kontakt- flächen bestimmt ist, wobei zwischen den Teilgrundflächen eine Verbindungsfläche vorgesehen ist, die ebenfalls Bestandteil des Kanals sein kann. Auch können die Teilgrundflächen nach außen teilweise offen sein, d. h. im nicht verkapselten Zustand mit dem Außenraum verbunden sein.
Der Durchmesser bzw. die Längenausdehnung des ersten bzw. zweiten Kontaktelements auf dem ersten Substrat bzw. dem mindestens einen zweiten Substrat betragen zwischen 5 μm und 1000 μm. Typischerweise liegen sie jedoch zwischen 10 μm und 80 μm. Die in der Stützschicht vorhandene Öffnung wird vorzugsweise größer als die Kontaktfläche gewählt und liegt zwischen 7 μm und 1500 μm, typischerweise jedoch zwischen 15 μm und 100 μm.
Um die ersten Kontaktelemente mit den zweiten Kontaktelementen zu verbinden, können verschiedene Verfahren gewählt werden. Zum einen kann die Verbindung mittels Verformung, vorzugsweise mittels einer Thermokompression, erfolgen. Hierbei ist die addierte Höhe des ersten und zweiten Kontaktelements vor dem Verbinden, wobei die Höhe im Wesentlichen senkrecht zur Oberfläche des ersten Substrats bzw. des mindestens einen zweiten Substrats ermittelt wird, größer als die Höhe der Stützschicht. Dies bedeutet, dass beim Zusammenführen des ersten Substrats mit dem mindestens einen zweiten Substrat zuerst das erste Kontaktelement mit dem zweiten Kontaktelement verbunden und anschließend mittels Verformung mit Letzterem verschweißt wird. Die Stützschicht dient hierbei als Abstandshalter, damit das mindestens eine zweite Substrat nicht beliebig nahe an das erste Substrat gedrückt werden kann. Beim zusätzlichen Verkleben wird zudem die mechanische Stabilität der gesamten Bauteilanordnung erhöht. Durch die Stützschicht bzw. die klebende Wirkung der Stützschicht wird also eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem ersten Substrat und dem mindestens einen zweiten Substrat hergestellt, welche zusätzlich zu den elektrischen Kontaktierungen existiert. Dabei weist entweder das erste oder zweite Kontaktelement einen Bump auf, wobei der Bump aus duktilen Metallen wie beispielsweise Gold, Silber, Indium oder Kupfer bzw. daraus bestehenden Legierungen hergestellt sein kann. Die Bumphöhe kann zwischen 5 μm und 100 μm liegen, die Stützschichtdicke zwischen 3 μm und 80 μm. Typische Werte liegen bei 10 μm bis 30 μm für die Höhe der Bumps und bei 5 μm bis 20 μm für die Höhe der Stütz- schicht. Werden bei dem vorgeschlagenen Verfahren
Polymere wie BCB, PBO oder Polyimid verwendet, welche eine hohe Aushärtetemperatur haben, ist es unvorteilhaft, niedrigschmelzende Bumps zu verwenden. Niedrigschmelzende Bumps können jedoch verwendet werden, wenn die Stützschicht bereits vollständig verfestigt bzw. vernetzt ist.
Anstelle einer reinen Thermokompression kann zusätzlich zur Kompression Ultraschall eingesetzt werden, um die Bumps mit den Kontaktmetallisierungen zu verschweißen. Wenn die Stützschicht schließlich die gegenüberliegende Oberfläche entweder des ersten Substrats oder des mindestens einen zweiten Substrats erreicht, wird die Amplitude der Ultraschallschwin- gung aufgrund der Dämpfung der Stützschicht schließlich vernachlässigbar klein, und die Oberflächen verkleben. Auch ist es möglich, die oberste Schicht des Bumps bzw. des ersten oder zweiten Kontaktelements aus einem metallischen Schaum herzustellen, welcher aufgrund seiner Porosität stark kompressibel ist. In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform, die insbesondere bei einer Stapelanordnung angewendet wird, wird zuerst die Stützschicht auf dem einen Substrat mit dem anderen Substrat verbunden, wobei die Höhe der Kontaktelemente geringer ist als die der Stützschicht. Die Kontaktierung wird dann nach dem Spülen der Anordnung mit Prozessgas mittels Löten oder Umschmelzen vorgenommen.
In einer weiteren Ausführungsform wird entweder das erste oder das zweite Kontaktelement mitteis Löten oder Umschmelzen mit dem jeweils anderen verbunden. Hierbei ist es vorteilhaft, wenn vor dem Verbinden der Kontaktflächen die addierte Höhe des ersten und des zweiten Kontaktelements kleiner ist als die Höhe der Stützschicht, so dass zunächst die Stützschicht den gewünschten Abstand zwischen dem ersten Substrat und dem mindestens einen zweiten Substrat herstellt. Da die addierte Höhe des ersten und des zweiten
Kontaktelements geringer ist, besteht noch keine elektrische Kontaktierung zwischen diesen beiden Kontaktelementen. Wird eine klebende oder mit einem Klebstoff versehene Stützschicht verwendet, wird bereits vor dem Umschmelzen bzw. Löten eine Stoff - schlüssige Verbindung zwischen dem ersten Substrat und dem mindestens einen zweiten Substrat hergestellt. Das Umschmelzen bzw. Löten des ersten oder zweiten Kontaktelements führt dazu, dass das aufge- schmolzene Kontaktelement, welches üblicherweise einen Bump beinhaltet, seine Form verändert und zumeist eine Kugeloberfläche ausbildet. Der Abstand zwischen dem ersten und zweiten Kontaktelement ist so gewählt, dass beim Umschmelzen und der darauf folgen- den Formveränderung des Bumps das gegenüberliegende Kontaktelement berührt wird und sich der Bump auf- grund der Oberflächenspannung über die gesamte Kontaktfläche des gegenüberliegenden Kontaktelements verteilt. Hierdurch verzieht sich die Oberfläche der elektrischen Kontaktierung hyperbolisch.
Werden mehr als ein zweites Substrat verwendet bzw. werden mehrere zweite Substrate übereinander gestapelt (obgleich das Verfahren bislang nur von der Verbindung eines ersten Substrats mit mindestens einem zweiten Substrats spricht, umfasst es selbstverständlich auch die Verbindung von einem Substrat mit mindestens einem elektronischen Bauteil bzw. die Verbindung zwischen einem ersten elektronischen Bauteile mit mindestens einem zweiten elektronischen Bauteilen verbunden werden) , können mithilfe dieses
Verfahrens zunächst die fertigen aus zweiten Substraten bestehenden Stapelanordnungen auf dem ersten Substrat verklebt und anschließend in einem einzigen Prozessschritt die elektrischen Kontaktierungen durch Umschmelzen hergestellt werden. Prozesstechnisch bedeutet dies eine starke Erleichterung bei der Herstellung von stapelbaren Anordnungen wie z.B. Chips, ohne dass die Qualität der elektrischen Kontaktierung wie bei den vorbekannten Verfahren leidet.
Lotbumps zum Umschmelzen können aus unterschiedlichen Loten geformt sein. Typische Lote sind zinnbasierte Legierungen wie SnAg, SnCu, SnAgCu7 SnPb, SnIn, SnBi sowie goldreiche Lote wie AuSn oder Indiumlote. Derartige Lote können als Legierung oder in Schichten aufgebracht sein, wobei das Lot durch die Reaktion der Schichten entsteht. Die abgeschiedene Lothöhe kann zwischen 5 μm und 100 μm und die Dicke der Stützschicht zwischen 5 μm und 120 μm liegen. Typi- sehe Werte für die Lotbumps liegen zwischen 5 μm und 40 μm, für die Stützschicht zwischen 5 μm und 50 μm. Der Durchmesser der Bumps bzw. die Größe der Teil- grundflächen liegt zwischen 5 μm und 1000 μm respektive 7 μm und 1500 μm, typischerweise zwischen 10 μm und 80 μm respektive 15 μm und 100 μm. Während der Klebeprozess unter Beaufschlagung von Temperatur und Kraft erfolgt, ist bei der Herstellung der Lotverbindung nur eine Erhöhung der Temperatur ohne eine zusätzliche Kraftbeaufschlagung erforderlich. Auch können zwischen das Verbinden des ersten Substrats mit dem mindestens einen zweiten Substrats und das anschließende Umschmelzen weitere Prozessschritte eingeschaltet werden.
Die Bauteilanordnung wird vor dem Verbinden der Kontaktflächen miteinander über den/die durch die
Teilfläche (n) vorgegebenen Kanal/Kanäle mit einem Gas gespült. Durch die Spülung mit einem Gas wie beispielsweise gasförmiger Ameisensäure oder Essigsäure bzw. Wasserstoff können die auf dem Lot bzw. auf den ersten und zweiten Kontaktelementen entstandenen
Oxidschichten reduziert werden. Hierdurch wird die Qualität der elektrischen Kontaktierung zusätzlich erhöht. Um diesen Prozessschritt möglichst einfach durchführen zu können, insbesondere wenn das erste Substrat bereits mit dem mindestens einen zweiten
Substrat verbunden ist, jedoch die elektrische Kontaktierung noch nicht hergestellt ist, ist die Teilfläche, welche durch die Stützschicht ausgespart wird, ein zusammenhängendes Gebiet, das zumindst an einer Stelle mit dem Außenraum verbunden ist. Hierdurch wird garantiert, dass das Gas sämtliche zu reinigenden Oberflächen bzw. Kontaktflächen spülen kann.
Das Gas verteilt sich im Spülungskanal zwischen der Stützschicht und den mindestens zwei Kontaktierungen bzw. den mindestens zwei ersten und zweiten Kontakt - elementen und reinigt die Kontaktflächen. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn die Bauteilanordnung eine Mehrzahl von Substraten umfasst.
In einer weiteren Ausführungsform weist die Stütz - schicht eine weitere Kavität auf, wobei das mindestens eine zweite Substrat in der Kavität mindestens ein Sensorelement, ein optisches oder ein mikromecha- nisches Element umfasst . Derartige Elemente können beispielsweise Antennen, Hochfrequenzschaltungen, SAW-Filter oder Ultraschallsensoren sein oder auch Druck- oder Beschleunigungssensoren, Mikrospiegel, Gas-, Chemo- und Biosensoren sowie weitere MEMS- Komponenten. Auch Kamerachips, Interferometer, optische Detektoren oder Quellen können in einer derartigen Kavität angeordnet sein. Eine solche Kavität kann beim Strukturieren der Stützschicht bzw. beim Auftragen der Stützschicht zeitgleich ein- gebracht werden.
In einer weiteren Ausführungsform kann ein Rand des mindestens einen zweiten Substrats mit einer zusätzlichen Verkapselung versehen werden, wobei diese Verkapselung vom ersten Substrat zum Rand des mindestens einen zweiten Substrats reicht. Hierdurch wird eine verbesserte mechanische und chemische Schutz - funktion der Bauteilanordnung gewährleistet .
Wie bereits erwähnt, ist es auch möglich, mehrere zweite Substrate auf einem ersten Substrat, entweder planar nebeneinander oder gestapelt oder in Kombination von planarer Anordnung und Stapelung auszubilden. Für eine Stapelung ist es angebracht, dass die Substrate bzw. die zwischen dem ersten Substrat und einem weiteren zweiten Substrat liegenden zweiten yubstrate über Durchkontaktierungen wie Through-Vias verfügen.
Das erste und das mindestens eine zweite Substrat können jeweils durch einen Schaltungsträger aus Materialien wie z. B. Siliziumwafer, ein Laminat oder ein Glas gebildet sein. Alternativ kann lediglich das erste Substrat ein Schaltungsträger sein, wohingegen das mindestens eine zweite Substrat ein elektronisches Bauteil wie z.B. ein ungehäustes IC-Bauelement ist. Weiterhin kann das mindestens eine zweite Sub- strat auch ein optisches oder mikromechanisches
Element sein. Diese elektronischen, optischen oder mikromechanischen Elemente können im Waferverbund oder vereinzelt vorliegen. Selbstredend kann auch das erste Substrat als ein derartiges Element vorliegen.
Anhand von Ausführungsbeispielen soll sowohl auf die Bauteilanordnung als auch auf das Verfahren zur Herstellung einer derartigen Bauteilanordnung näher eingegangen werden. Es zeigen:
Fign. Ia und Ib eine elektronische Bauteilanordnung nach dem Stand der Technik, Fign. 2a bis 2e eine AusführungsVariante einer erfindungsgemäßen Bauteilanordnung, Fign. 3a und 3b eine weitere AusführungsVariante einer Bauteilanordnung, Fign. 4a bis 4d eine weitere Ausführungsvariante einer Bauteilanordnung, Fign. 5a bis 5c eine weitere Ausführungsvariante einer Bauteilanordnung, Fign. 6a bis 6c eine Aufsicht auf ein Substrat mit aufgebrachter Stützschicht in verschiedenen Ausführungsformen,
Fign. 7a und 7b eine planare Anordnung zweier elektronischer Bauteile auf einem
Substrat,
Fig. 8 eine gestapelte Anordnung elektronischer Bauteile auf einem Substrat .
Anhand der Fign. Ia und Ib soll zunächst der bereits aus dem Stand der Technik bekannte Prozess eines Einbringens eines Underfillers vor dem Zusammenfügen von Substrat und elektronischem Bauteil erläutert werden. Die Fig. Ia zeigt ein Substrat 1 und ein elektronisches Bauteil 2, welches im vorliegenden Fall ein ungehäuster integrierter Schaltkreis ist. Auf dem Substrat 1 befinden sich erste Kontaktelemente 3, welche aus Kontaktpads gebildet sind. Das elektronische Bauteil 2 weist zweite Kontaktelemente 4 auf, wobei die zweiten Kontaktelemente 4 aus einer Untermetallisierung und einem darauf aufgebrachten Bump bestehen. Vor dem Zusammenfügen des Substrats 1 und des elektronischen Bauteils 2 wird auf das Sub- strat 1 ein Underfiller 5 aufgebracht. Der Underfil- ler 5 wird verflüssigt und das elektronische Bauteil
2 anschließend auf das Substrat 1 gedrückt, so dass es zu einer Kontaktierung des ersten Kontaktelements
3 mit dem zweiten Kontaktelement 4 kommt, wobei der Underfiller 5 verdrängt wird. Jedoch lässt es sich nicht immer vermeiden, dass zwischen den sich gegenüberliegenden Kontaktflächen der ersten Kontaktelemente 3 und der zweiten Kontaktelemente 4 beim Pressverbinden der Kontaktelemente Underfiller im sich veren- genden Spalt zwischen den Kontaktflächen zurückbleibt. Ein weiteres Problem tritt auf, wenn das Substrat 1 und das elektronische Bauteil 2 weiter zusammengedrückt werden und das flüssige Lot dabei zur Seite ausweichen muss und so gar zu Kurzschlüssen mit benachbarLtixi Locverbindungen führe .
Anhand der Fign. 2a bis 2e soll nun eine erste Ausführungsvariante einer erfindungsgemäßen Bauteilanordnung, im vorliegenden Falle einer elektronischen Bauteilanordnung, erläutert werden. In der Fig. 2a ist ein als Schaltungsträger vorliegendes erstes
Substrat 11 im Querschnitt gezeigt, wobei das erste Substrat 11 erste Kontaktelemente 13 aufweist. Die ersten Kontaktelemente 13 umfassen dabei ein Kontakt- pad 130, welches als Untermetallisierung dient, und einen darauf abgeschiedenen Bump 131. Die ersten
Kontaktelemente 13 besitzen eine dem ersten Substrat 11 abgewandte Kontaktfläche 110. Im vorliegenden Fall sind die Bumps Goldbumps von 25 μm Höhe und 30 μm Durchmesser. Nachdem die ersten Kontaktelemente 13 auf dem ersten Substrat 11 angeordnet wurden, wird eine 15 μm dicke Stützschicht 15 aufgebracht. Im vorliegenden Fall besteht die Stützschicht 15 aus Benzocyclobutan (BCB) .
In der Fig. 2b ist das erste Substrat 11 in der
Aufsicht der xz -Ebene zu sehen. Die Kontaktflächen 110 sind deutlich erkennbar, wobei die Kontaktflächen 110 im vorliegenden Fall nicht nur die dem ersten Substrat 11 abgewandte Oberfläche des Bumps 131 darstellen, sondern sich über die etwas größere
Fläche des Kontaktpads 130 erstrecken. Des Weiteren ist die Stützschicht 15 zu sehen, wobei die Metall- bumps 131 noch aus dieser herausragen.
In der Fig. 2c ist wiederum ein Querschnitt durch das erste Substrat 11 gezeigt, wobei im vorliegenden Fall die Stützschicht 15 bereits strukturiert wurde. Zudem ist ein als elektronisches Bauteil bzw. elektronisches Elements vorliegendes zweites Substrat 12 erkennbar, welches zweite Kontaktelemente 14 auf- weist, welche jeweils eine Kontaktfläche 120 haben.
Die Strukturierung der Stützschicht 15, welche in der Fig. 2d als Aufsicht gezeigt ist, ist derart ausgebildet, dass in das BCB im Bereich der Kontaktelemente 13, 14 eine Öffnung mit einem Durchmesser von 45 μm (bzw. 45 x 45 μm bei einem Quadrat) eingebracht wird. Dies führt dazu, dass um die Kontaktfläche 110 herum eine Teilgrundfläche 170 erzeugt wird, welche, wie aus der Fig. 2d ersichtlich, durch das die Kontaktfläche 110 mit der Abmessung D umgebende Quadrat mit der Abmessung D + F definiert ist und die Kontur eines Teils des Spülungskanals vorgibt. Die Teilgrundflächen 170 sind dabei Teil einer Teilfläche 17 des ersten Substrats, wobei die Teilfläche 17 nicht durch die Stützschicht 15 belegt ist. Der Kanal, der als Spülungskanal bezeichnet wird, wird in
Fig. 2d durch den Abstand zwischen Kontaktelementen 13, 14 bzw. Kontaktierungen 16 und der Stützschicht 15 und einem freigelegten Verbindungsstück 17a in der Stützschicht 15 zwischen den Teilgrundflächen 170 bzw. Kontaktierungen 16 gebildet, und zusätzlich ist ein Verbindungsstück 17b nach außen Bestandteil des Kanals. Die Teilfläche 17 umfasst diese Verbindungsstücke 17a, 17b. In Fig. 2d entstehen somit zwei Kanäle mit jeweils zwei als Eingang und als Ausgang bezeichneten Verbindungsstücken 17b. Obgleich ein
Spülungskanal in der Fig. 2d durchgehend mit einem Ein- und Ausgang ausgebildet ist, ist ein einziger Eingang zur Spülung ausreichend. Wie aus der Fig. 2c deutlich hervorgeht, beträgt die Höhe des ersten Kontaktelementes 13 Bl. Die Höhe des zweiten Kontakt- elementes 14 beträgt B2. Werden die Höhen Bl und B2 addiert, ergibt sich in der Summe eine größere Höhe als die Höhe h der Stützschicht 15.
Obgleich das BCB noch nicht vernetzt ist, d. h. noch klebrig ist, wird zusätzlich eine optionale Klebeschicht 151 auf die dem zweiten Substrat 12 zugewandte Oberfläche 150 der Stützschicht 15 aufgebracht. Dadurch, dass die in die Stützschicht 15 eingebrachte Teilgrundfläche 170 die Kontaktfläche 110 vollkommen umschließt, ist eine ausreichende Toleranz bei der Positionierung des zweiten Substrats 12 gegeben.
Beim anschließenden Kleben und Thermokompressions- bonden wird der Bump 131 von einer ersten Höhe von z. B. 25 μm auf eine zweite Höhe, z. B. 15 μm, reduziert, wobei sich der Durchmesser aufgrund der Volumenkonstanz verbreitert, z. B. von 30 μm auf ca. 39 μm. Der komprimierte Bump 131' verbindet sich mit dem zweiten Kontaktelement 14 zu einer elektrischen Kontaktierung 16. Nach dem Kleben und Thermokompres- sionsbonden ist die elektronische Bauteilanordnung 10 fertiggestellt. Wie aus den Fign. 2c bzw. 2e deutlich hervorgeht, berührt die Stützschicht 15 die ersten bzw. zweiten Kontaktelemente 13, 14 sowie die elekt- rische Kontaktierung 16 nicht, so dass zwischen diesen Elementen der Spülungskanal gebildet ist. Es wäre jedoch auch möglich, die Größe der Grundteilfläche 170 so zu wählen, dass die elektrische Kontaktierung 16 die Stützschicht berührt, wobei die ersten und zweiten Kontaktelemente vor dem Verbinden miteinander die Schutzschicht 15 nicht berühren, aber weiterhin im Bereich der Kontaktflächen ein Spülungs- kanal verbleibt. Weiterhin ist es möglich, dass die Stützschicht 15 derart entfernt wird, dass die Teil- grundfläche 170 mit der Kontaktfläche 110 übereinstimmt . Obgleich im vorliegenden Ausführungsbeispiel sowohl die Stützschicht 15 als auch die Bumps 131 auf dem ersten Substrat 11 angeordnet sind, ist es ebenso möglich, die Bumps als Teil der zweiten Kontaktelemente 14 auszubilden, wobei dann auf einen zusätzlichen Bump auf dem ersten Kontaktelement 13 verzichtet wird. Die Stützschicht 15 wird wiederum auf dem ersten Substrat 11 aufgebracht. Alternativ kann das Aufbringen der Stützschicht auch auf dem zweiten Substrat 12 erfolgen.
In den Fign. 3a bzw. 3b wird eine alternative Ausführungsform der Bauteilanordnung dargestellt. Auf dem als Schaltungsträger ausgebildeten ersten Substrat 11 ist wiederum eine Stützschicht 15' aufgebracht, welche im vorliegenden Fall aus einem bereits vernetzten Polymer besteht und mit einer zusätzlichen Klebeschicht 151 belegt ist. Die Höhe h der Stütz- schicht 15 ' ist kleiner als die addierte Höhe Bl und B2 der ersten und zweiten Kontaktelemente. Die ersten Kontaktelemente 13 bestehen aus einem Bump 132, auf welchen ein metallischer Schaum 133 aufgebracht wird. Der metallische Schaum ist aufgrund seiner Porosität komprimierbar, so dass er beim Thermokompressionsbon- den des ersten Substrats 11 mit dem als optischen Element vorliegenden zweiten Substrat 12 komprimiert wird, ohne dass sich der Durchmesser der ersten und zweiten Kontaktelemente im Wesentlichen verändert. Hierdurch wird eine in ihrer Grundfläche gleiche elektrische Kontaktierung 16 ' geschaffen, welche Teil der Bauteilanordnung 10' ist. In der Fig. 3b ist insbesondere der komprimierte metallische Schaum 133 ' sichtbar. Entgegen dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel wurde die Stützschicht 15 ■ zunächst auf das erste Substrat 11 aufgebracht, bevor die ersten Kontaktelemente 13 auf dieses aufgebracht wurden. Es wurden also ledig- lieh die Kontaktflächen bzw. die Teilgrundflächen
170, wie in Fig. 2d gezeigt, strukturiert bzw. freigestellt und die ersten Kontaktelemente 13 auf dem ersten Substrat erst anschließend erzeugt. Selbstverständlich ist es auch hier möglich, lediglich Metal- lisierungen wie die Kontaktpads 130 aufzubringen und den Bump als Teil des zweiten Kontaktelements 14 auszubilden.
In den Fign. 4a bis 4d wird eine Verfahrensvariante zur Herstellung einer Bauteilanordnung dargestellt, bei welcher die ersten und zweiten Kontaktelemente mittels Umschmelzen miteinander verbunden werden. In der Fig. 4a ist ein erstes Substrat 11 gezeigt, auf welches zunächst eine Stützschicht 15 aufgebracht wird. Die Stützschicht weist eine Höhe h auf, wobei diese beispielsweise 50 μm betragen kann. Auf der Stützschicht 15 befindet sich eine Klebeschicht 151, da das verwendete Polymer der Stützschicht 15 bereits ausgehärtet ist. Auf dem ersten Substrat 11 befinden sich zweite Kontaktelemente 23, wobei diese aus einer Untermetallisierung 230 und einem darauf aufgebrachten Bump 231 aufgebaut sind. Die ersten Kontaktelemente 23 werden dabei nach dem Strukturieren der Stützschicht 15 in die Teilgrundflächen 170, wie in der Fig. 2d gezeigt, eingebracht. Selbstverständlich ist es auch hier möglich, die Bumps nicht als Teil der ersten Kontaktelemente 23, sondern als Teil der zweiten Kontaktelemente 14 auszubilden. Die addierte Höhe Bl und B2 der ersten und zweiten Kontaktelemente 23 bzw. 14 ist kleiner als die Höhe h der Stützschicht 15. Wie aus der Fig. 4b ersichtlich ist, wird nach dem Verbinden des ersten Substrats 11 mit dem als mikromechanischen Element ausgebildeten zweiten Substrat 12 eine stoffschlüssige Verbindung zwischen diesen beiden Bauteilen lediglich durch die Stützschicht 15 vermittelt. Es besteht keine elektrische Kontaktie- rung zwischen den ersten Kontaktelementen 23 und den zweiten Kontaktelementen 14.
Da, wie aus der Fig. 2d ersichtlich ist, die Teil- fiäche 17 ein zusammenhängendes Gebiet ist und mindestens ein Kanal gebildet wird, kann nach dem Verbinden des ersten Substrats 11 mit dem zweiten Sub- strat 12 eine Reinigung der sich gegenüberliegenden Kontaktflächen der ersten Kontaktelemente 23 und der zweiten Kontaktelemente 14 beispielsweise mit einer Wasserstoffhaltigen Atmosphäre vorgenommen werden. Hierdurch wird eine mögliche Oxidation der Kontakt - flächen reduziert. Bei der noch nicht fertiggestellten elektronischen Bauteilanordnung der Fig. 4b ist das erste Substrat 11 mit dem zweiten Substrat 12 bereits verklebt. Nach der Reinigung mit einem Gas wird die Temperatur derart erhöht, dass die Bumps 231 aufschmelzen und aufgrund des veränderten Aggregatzustands eine Kugelform 232 einzunehmen versuchen, wie in der Fig. 4c illustriert ist. Da die Kugeloberfläche der Kugelform 232 jedoch zunächst mit dem zweiten Kontaktelement 14 in Kontakt tritt, wird die gesamte Kontaktfläche des zweiten Kontaktelementes 14 benetzt, so dass eine elektrische Kontaktierung 26 mit einem hyperbolischen Bump 233 wie in Fig. 4d gezeigt entsteht. Eine Stoffschlüssige Verbindung zwischen dem ersten Substrat 11 und dem zweiten Substrat 12 ist nun sowohl durch die Stützschicht als auch durch die elektrischen Kontaktierungen vermittelt. Obgleich die in den Fign. 2 bis 4 gezeigten Ausführungsformen jeweils eine separate Stützschicht 15 aufweisen, kann die Stützschicht 15 auch durch eine Strukturierung beispielsweise eines als Schaltungsträgers ausgebildeten Wafers selbst erzeugt werden, wobei in diesem Öffnungen ausgebildet werden, in welche die Kontaktmetallisierungen eingebracht werden und die verbleibende Oberfläche des strukturierten ersten Substrats mit einer Klebeschicht versehen und anschließend mit einem beispielsweise als elektronischen Bauteil ausgebildeten zweiten Substrats verbunden wird. Ein Siliziumwafer würde also Gräben aufweisen, wobei die Böden der Gräben die Teilgrundfläche bilden und in diesen die ersten Kontaktelemente angeordnet sind, wobei die ersten Kontaktelemente die Wände der Gräben vorzugsweise nicht berühren.
In den Fign. 5a bis 5c ist eine alternative Aus- führungsform einer Bauteilanordnung dargestellt, wobei die Bumps hierbei als Teile der zweiten Kontaktelemente ausgebildet sind. In der Fig. 5a ist ein als elektronisches Element ausgebildetes erstes Substrat 11 mit ersten Kontaktelementen 33 zu sehen, auf welches zunächst eine Stützschicht überdeckend aufgebracht ist. In einem Verfahrensschritt zwischen den Fign. 5a und 5b bzw. 5c wird die Stützschicht 15 in einem subtraktiven Prozess strukturiert, so dass die dem ersten Substrat 11 abgewandten Kontaktflächen 110 der ersten Kontaktelemente 33 nicht überdeckt, sondern freigelegt sind. Die Stützschicht 15 weist dabei eine zusätzliche Klebeschicht auf, welche mit der Oberfläche des als Schaltungsträger ausgebildeten zweiten Substrats 12 eine Stoffschlüssige Verbindung eingeht. In der Fig. 5b ist im Wesentlichen die
Verfahrensvariante der Fign. 4 dargestellt, d. h. , dass die addierte Höhe der ersten und zweiten Kontaktelemente kleiner ist als die Höhe der Stütz - schicht . Die Verbindung der Kontaktflächen zu einer elektrischen Kontaktierung erfolgt mittels Löten oder Umschmelzen. In der Fig. 5c ist im Wesentlichen das Verfahren der Fign. 2 beschrieben, d. h. Kompression mit Ultraschallschweißen oder eine Thermokompression.
Anhand der Fign. 6a bis 6c sollen unterschiedliche Strukturierungen bzw. Geometrien von Stützschichten dargestellt werden. In der Fig. 6a ist eine besonders einfache Geometrie einer Stützschicht 15 gezeigt. Auf einem ersten Substrat 11 sind erste Kontaktelemente mit einer Kontaktfläche 110 aufgebracht, wobei sämt- liehe Kontaktelemente in der Peripherie des ersten Substrats 11 liegen. Die Geometrie der Stützschicht 15 ist so gewählt, dass diese eine große Fläche in der Mitte des ersten Substrats 11 abdeckt. Die nicht durch die Stützschicht 15 überdeckte Teilfläche 17 umschließt sämtliche Kontaktflächen 110. Bei einer derartigen Ausführung kann die Stützschicht 15 beispielsweise einfach aufgedruckt bzw. aufgepresst werden, so dass ein Strukturieren nach dem Aufbringen der Stützschicht 15 entfallen kann.
In der Fig. 6b ist eine kompliziertere Geometrie von Anordnungen erster Kontaktelemente auf einem ersten Substrat 11 dargestellt. In der Aufsicht zu sehen sind die Kontaktflächen 110 sowie fünf nicht mitein- ander verbundene Segmente der Stützschicht 15, wobei die Strukturierung der Stützschicht 15 in einem subtraktiven Prozess vorgenommen wurde. Dabei ist die Strukturierung so gewählt, dass die Teilfläche 17 mehrfach zusammenhängend ist, was bedeutet, dass man von jedem Punkt der Fläche 17 zu jedem anderen Punkt der Fläche 17 gelangt, ohne sich aus der Ebene der Fläche 17 hinausbewegen zu müssen, d. h. ein zusammenhängender Spülungskanal alle Kontaktelemente umgibt. Um das Konzept der Teilgrundfläche verständlicher zu machen, sind zwei unterschiedlich große Teilgrundflächen 170 und 170' eingezeichnet. Die
Größe der Grundfläche 170 beträgt hier z. B. 150 % der Kontaktfläche 110, die Größe der Grundfläche 170' dagegen z. B. 120 % der Kontaktfläche 110.
In der Fig. 6c ist die Unterseite eines als elektronisches Bauteils wie einem ungehäusten integrierten Schaltkreis ausgebildeten zweiten Substrats 12 ' gezeigt, bei welchem die strukturierte Stützschicht 15 die Kontaktflächen 120 der zweiten Kontaktelemente nicht überdeckt und nicht berührt. Zudem befindet sich eine mit der Teilfläche 17 nicht zusammenhängende Kavität 19 auf der Unterseite des zweiten Substrats 12 ' , wobei in der Kavität 19 ein Sensorelement 20 angeordnet ist. Bei dem Sensorelement 20 kann es sich um einen Druck- oder Beschleunigungssensor, aber auch um einen Gas-, Chemo- oder Biosensor handeln. Alternativ können andere oder weitere Komponenten wie z. B. SAW-Filter, Ultraschallsensoren, Antennen oder andere Leistungselemente in die Kavität 19 einge- bracht werden. Dadurch, dass die Kavität 19 nicht mit der Teilfläche 17 verbunden und nach der Montage mit einem ersten Substrat vollständig durch die Stütz - Schicht umschlossen ist, sind die in der Kavität 19 angeordneten Elemente gut vor Fremdeinflüssen ge- schützt, ohne dass Messergebnisse der Sensoren verfälscht werden.
Ersetzt man das als elektronisches Bauteil ausgebildete Substrat 12 ' der Fig. 6c z.B. durch einen CMOS- Kamerawafer, ist es möglich, einen Kamerachip mit einem Modulträger aus Glas herzustellen, wobei ein Glassubstrat das erste Substrat und der Kamerachip das zweite Substrat bildet. Hierzu wird der CMOS- Kamerawafer zunächst auf 50 μm äbgedünnt und einem Handlingwafer mit der Frontseite nach oben umge- spannt. Eine Stützstruktur wird so aufgebracht und lokal um die Kontaktflächen freigelegt und im selben Schritt die Fläche mit den Pixelsensoren freigestellt, d. h. die Kavität erzeugt. Der Wafer wird anschließend gesägt, und die CMOS-Kamerachips werden vereinzelt. Ein Glassubstrat mit elektrischen Leiterbahnen für die Umdrahtung und Kontaktstrukturen wird mit mechanischen Gold-Stud-Bumps versehen. Der CMOS- Kamerachip wird mit der Stützstruktur in einen dünn ausgestrichenen Klebstoff getaucht, wobei ein dünner Klebefilm aufgenommen wird. Mittels Thermokompression werden die Kontaktanschlüsse mit den mechanischen Gold-Stud-Bumps auf dem Glassubstrat verschweißt und gleichzeitig die Stützstruktur mit dem Glas verklebt.
In der Fig. 7a wird eine Bauteilanordnung 100 gezeigt, bei welcher mehrere zweite Substrat 12, 12' planar auf einem ersten Substrat 11 angeordnet sind. Zwischen jeweils einem zweiten Substrat 12 bzw. 12' und dem ersten Substrat befinden sich die dem jewei- ligen zweiten Substrat 12 bzw. 12' zugeordnete Stützstruktur 15 und die elektrischen Kontaktierungen 16. Dabei kann das zweite Substrat 12 ' ein elektronisches Element und das zweite Substrat 12 ' ' ein weiterer Schaltungsträger oder ebenfalls ein elektronisches, optisches oder mikromechanisches Element sein. Auf diese Weise kann also ein als erstes Substrat dienender Wafer vollständig bestückt und erst später vereinzelt werden. In der Fig. 7b ist eine weitere Ausführungsvariante einer Bauteilanordnung 100' gezeigt, bei welcher die zweiten Substrate 12 bzw. 12 ' planar auf dem ersten Substrat 11 angeordnet sind. Zudem sind die Ränder 122 bzw. 122' der zweiten Substrate 12 bzw. 12' durch eine Verkapselungsmasse 30 jeweils mit dem ersten Substrat 11 verbunden. Durch die Verfüllung des Spaltes zwischen den benach- barten zweiten Substrate 12 bzw. 12' werden die
Kanten der zweiten Substrate 12 bzw. 12' zusätzlich geschützt .
In der Fig. 8 ist ein gestapelter Aufbau von elektro- nischen Bauteilen dargestellt. Auf einem ersten
Substrat 11 werden zunächst zwei als elektronische Elemente ausgebildete zweite Substrate 12 bzw. 12 ! planar nebeneinander angeordnet. Auf die zweiten Substrate 12 bzw. 12' wird jeweils ein weiteres als elektronisches, optisches oder mikromechanisches
Elements ausgebildetes Substrat 22 bzw. 22' aufgebracht, wobei die zweiten Substrate 12 bzw. 12' auf ihrer dem ersten Substrat 11 abgewandten Oberfläche weitere erste Kontaktelemente 13 ' aufweisen, welche mit den weiteren zweiten Kontaktelementen 14 ■ der weiteren zweiten Substrate 22 bzw. 22' verbunden werden. Dazwischen liegt eine weitere Stützschicht 15' ' .
Auf den weiteren zweiten Substraten 22 bzw. 22' sind wiederum weitere zweite Substrate 32 bzw. 32' angeordnet, so dass ein Stapel von zweiten Substraten auf einem ersten Substrat 11 erzeugt wird. Bei der Herstellung einer derartigen dreidimensionalen Bauteil - anordnung 100 ' ' werden vorteilhafterweise erste und zweite Kontaktelemente verwendet, deren addierte Höhe geringer ist als die Höhe der jeweiligen Stützschicht 15 bzw. 15 ' ' . Dabei werden zunächst die zweiten Substrate auf dem ersten Substrat bzw. die weiteren zweiten Substrate auf den zweiten Substraten angeordnet, so dass es zu einer Stoffschlüssigen Verbindung zwischen erstem Substrat, Stützschicht, zweiten Substrat sowie dem zweiten Substrat, der Stützschicht und dem weiteren zweiten Substrat kommt. Erst anschließend werden die so gestapelten, jedoch noch nicht miteinander elektrisch verbundenen zweiten
Substrate in einem einzigen Prozessschritt fertiggestellt, da durch eine Temperaturerhöhung zeitgleich sämtliche Bumps aufgeschmolzen werden (siehe Verfahren wie in den Fign. 4 beschrieben) und alle elektrischen Kontaktierungen 16 bzw. 16 f l hergestellt werden. Vor der elektrischen Verbindung wird die Stapelanordnung mit Spülgas beaufschlagt, um alle Kontaktflächen der verschiedenen Kontaktelemente zu reinigen.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung einer Bauteilanordnung (10; 10 '; 10"; 100; 100'; 10O1 1) mit einem ersten Substrat (11) und mindestens einem auf dem ersten Substrat anzuordnenden zweiten Sub- strat (12, 12'), wobei das erste Substrat mindestens ein erstes Kontaktelement (13; 23; 33) und das mindestens eine zweite Substrat mindestens ein zu dem mindestens einen ersten Kontaktelement korrespondierendes zweites Kontaktelement (14; 24; 34) zur gegenseitigen
Kontaktierung aufweist, und das Verfahren folgende Schritte umfasst: a) Aufbringen des mindestens einen ersten (13; 23; 33) und zweiten (14; 24; 34) Kontakt - elements, wobei das mindestens eine erste und zweite Kontaktelement jeweils eine Kontaktfläche (110, 120) aufweist; b) Aufbringen einer Stützschicht (15, 15') auf das erste Substrat (11), wobei die Stütz- Schicht eine Teilfläche (17) des ersten
Substrats nicht überdeckt und die Teilfläche (17) die Kontaktfläche (110) des mindestens einen ersten Kontaktelements (13; 23; 33) umschließt und/oder
Aufbringen einer Stützschicht (15, 15') auf das mindestens eine zweite Substrat (12, 12'), wobei die Stützschicht eine Teilfläche (17) des mindestens einen zweiten Substrats nicht überdeckt und die Teil- flache (17) die Kontaktfläche (120) des mindestens einen zweiten Kontaktelements (14: 24; 34) umschließt; c) Verbinden der Kontaktfläche des mindestens einen ersten Kontaktelements mit der korrespondierenden Kontaktfläche des mindestens einen zweiten Kontaktelements zur Herstellung einer elektrischen Kontak- tierung (16; 16 ' ) ,
wobei mindestens zwei Kontaktierungen (16, 16') vorgesehen werden und die Stützschicht (15, 15') so strukturiert wird, dass die Teilfläche (17) des ersten Substrats (11) bzw. die Teilfläche des mindestens einen zweiten Substrats (12, 12') ein zusammenhängendes Gebiet bildet, in dem sich die Kontaktierungen befinden, und zwischen Stützschicht und den Kontaktierungen ein mit außen verbundener Kanal hergestellt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als erstes und/oder als mindestens ein zweites Substrat ein Schaltungsträger oder mindestens ein im Waferverbund vorliegendes elektronisches, optisches oder mikromechanisches Bauelement gewählt wird.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützschicht (15, 15') die elektrischen Kontaktierungen (16; 16') nicht berührt.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stütz - schicht auf das erste Substrat und/oder das mindestens eine zweite Substrat aufgebracht wird und eine dem ersten Substrat bzw. dem mindestens einen zweiten Substrat abgewandte Oberfläche (150) der Stützschicht (15, 15") mit einem Klebstoff (151) beaufschlagt wird und/oder die Stützschicht (15, 15') klebend ist.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Verbinden der Kontaktflächen (110, 120) die addierte Höhe (Bl + B2) des mindestens einen ersten und zweiten Kontaktelements größer ist als die Höhe (h) der Stützschicht und dass die Kontaktflächen (110, 120) mittels Verformung, vorzugsweise mittels Thermokompression, miteinander verbunden werden und die Stützschicht (15, 15') das erste Substrat (11) und das mindestens eine zweite Substrat (12, 12') zusätzlich verbindet.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Verbinden der Kontaktflächen (110, 120) die addierte Höhe
(Bl + B2) des mindestens einen ersten und zweiten Kontaktelements kleiner ist als die Höhe (h) der Stützschicht und zunächst die Stützschicht (15, 15') das erste Substrat (11) und das mindestens eine zweite Substrat (12, 12') verbindet und anschließend die Kontaktflächen (110, 120) mittels Löten oder Umschmelzen miteinander verbunden werden.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden An- sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem
Verbinden der Kontaktflächen ein Gas zum Spülen in den Kanal eingeführt wird.
8. Bauteilanordnung (10; 10 ' ; 10"; 100; 100';
1001 1) mit einem ersten Substrat und mindestens einem auf dem ersten Substrat (11) angeordneten zweiten Substrat (12, 12 ' ) , wobei das erste Substrat (11) mindestens ein erstes Kontaktelement (12; 23; 33) und das mindestens eine zweite Substrat (12, 12') mindestens ein zweites Kontaktelement (14; 24; 34) aufweist und die Kontaktelemente jeweils eine Kontaktfläche (110, 120) besitzen, welche zu einer elektrischen Kontaktierung (16; 16 ') verbunden sind und eine Stützschicht (15, 15') das erste Substrat und das mindestens eine zweite Substrat verbindet und die Stützschicht derart aufgebracht ist, dass eine Teilfläche (17) des ersten Substrats (11) und eine Teilfläche (17) des mindestens einen zweiten Substrats (12, 12') nicht überdeckt ist, wobei die Teilfläche (17) die je- weilige Kontaktfläche (110, 120) des mindestens einen ersten (13; 23; 33) und zweiten (14; 24; 34) Kontaktelements umschließt und die zwischen den Kontaktflächen (110, 120) hergestellte elektrische Kontaktierung (16; 16') die Stütz- Schicht (15, 15') nicht berührt, wobei mindestens zwei Kontaktierungen (16, 16') gebildet sind und die Stützschicht so strukturiert ist, dass die Teilfläche (17) des ersten Substrats (11) bzw. die Teilfläche des mindes- tens einen zweiten Substrats (12, 12') ein zusammenhängendes Gebiet bildet, in dem sich die Kontaktierungen befinden, und zwischen Stützschicht und den Kontaktierungen ein Kanal gebildet ist.
9. Bauteilanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und/oder das mindestens eine zweite Substrat ein Schaltungs- träger oder mindestens ein, vorzugsweise im Waferverbund oder vereinzelt vorliegendes elektronisches, optisches oder mikromechanisches Bauelement ist .
10. Bauteilanordnung nach einem der Ansprüche 8 oder
9, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Sub- strat eine Vielzahl von ersten Kontaktelementen
(13; 23; 33) und das mindestens eine zweite Substrat eine Vielzahl von zweiten, mit der Vielzahl von ersten korrespondierenden Kontaktelementen (14; 24; 34) aufweist und jedes Kontakt - element eine Kontaktfläche (110, 120) einnimmt und die Stützschicht derart strukturiert ist, dass die zwischen den Kontaktflächen hergestellten elektrischen Kontaktierungen (16, 16') die Stützschicht (15, 15') nicht berühren.
11. Bauteilanordnung nach einem der Ansprüche 8 bis
10, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützschicht (15, 15') aus einem klebefähigen Polymer oder einer Polymerschicht, einer Oxidschicht, einer Metallschicht oder einer Siliziumschicht mit einer aufgebrachten Klebeschicht (151) besteht .
12. Bauteilanordnung nach einem der Ansprüche 8 bis
11, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilfläche (17) des ersten Substrats (11) bzw. des mindes- tens einen zweiten Substrats (12, 12') eine
Teilgrundfläche (170, 170') umfasst und die Teilgrundfläche (170, 170') jeweils eine Kontaktfläche (110, 120) des mindestens einen ersten oder zweiten Kontaktelements vollständig umfasst und eine Größe von mindestens 120 % der Größe der jeweiligen Kontaktfläche und vorzugsweise von höchstens 300 % der Größe der jeweiligen Kontaktfläche besitzt, wobei die Teilgrund- flächen der mindestens zwei elektrischen Kontaktierungen (16, 16') durch eine Verbindungsfläche verbunden sind .
13. Bauteilanordnung nach einem der Ansprüche 8 bis
11, dadurch gekennzeichnet, dass die Stütz - Schicht (15, 15') eine Kavität (19) aufweist und das mindestens eine zweite Substrat (12, 12') in der Kavität (19) mindestens ein Sensorelement (20) , ein optisches oder ein mikromechanisches Element umfasst. 14. Bauteilanordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem mindestens einen zweiten Substrat (12, 12') ein weiteres zweites Substrat (22, 22', 32, 32') gestapelt ist, wobei das mindestens eine zweite Substrat
(12, 12') auf einer dem mindestens einen zweiten Kontaktelement (14; 24; 34) abgewandten Oberfläche mindestens ein weiteres erstes Kontaktelement (131) mit einer Kontaktfläche (110) be- sitzt und das mindestens eine weitere zweite Substrat mindestens ein weiteres zweites, mit dem mindestens einen weiteren ersten verbundenes Kontaktelement (14') mit einer Kontaktfläche (120') besitzt und zwischen dem mindestens einen zweiten Substrat (12, 12') und dem mindestens einen weiteren zweiten Substrat (22, 22'; 32, 32') eine weitere Stützschicht (15' ') derart aufge- bracht ist, dass die Kontaktflächen des mindes- tens einen weiteren ersten und weiteren zweiten Kontaktelements (13',
14') die weitere Stützschicht (15' ') nicht berühren.
15. Bauteilanordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine zweite Substrat einen Rand (122, 122') besitzt und zwischen dem Substrat (11) und dem Rand des mindestens einen zweiten Substrats eine Verkapselung (30) aufgebracht ist.
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