DE102004022884B4

DE102004022884B4 - Halbleiterbauteil mit einem Umverdrahtungssubstrat und Verfahren zur Herstellung desselben

Info

Publication number: DE102004022884B4
Application number: DE102004022884A
Authority: DE
Inventors: Edward FÜRGUT; Holger Wörner; Simon Jerebic; Michael Bauer
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2004-05-06
Filing date: 2004-05-06
Publication date: 2007-07-19
Anticipated expiration: 2024-05-07
Also published as: US20070126122A1; WO2005109499A2; US7545047B2; WO2005109499A3; DE102004022884A1

Abstract

Halbleiterbauteil mit einem Umverdrahtungssubstrat (1) als Stapelelement für einen Halbleiterbauteilstapel (25), wobei das Umverdrahtungssubstrat (1) eine Unterseite (2) und eine Oberseite (4) des Halbleiterbauteils (10) bildet, wobei das Umverdrahtungssubstrat (1) einen vorbereiteten Rahmen (41), der eine erste Kunststoffmasse (42) aufweist, und wobei ein Halbleiterchip (6) innerhalb des Kunststoffrahmens (41) angeordnet ist, wobei die Rückseite und Randseiten des Halbleiterchips (6) in einer zweiten Kunststoffmasse (46) eingebettet sind, wobei Außenkontaktflecken (7, 9) auf der Unterseite (2) und auf der Oberseite (4) mindestens in einem Randbereich (11) des Umverdrahtungssubstrats (1) angeordnet sind, die über Durchkontakte (8) durch das Umverdrahtungssubstrat (1) elektrisch in Verbindung stehen, wobei die Durchkontakte (8) einen im Volumen des Umverdrahtungssubstrats (1) mit Rückseite (14) und Randseiten (12, 13) eingebetteten Halbleiterchip (6) umgeben, und wobei die Unterseite (2) des Umverdrahtungssubstrats (1) mit ihren Außenkontaktflecken (9) und die aktive Oberseite (15) des Halbleiterchips (6) mit seinen Kontaktflächen (5) eine koplanare Fläche...

Description

Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauteil mit einem Umverdrahtungssubstrat, insbesondere betrifft die Erfindung eine Bauteilanordnung zum Stapeln von Halbleiterbauteilen mit einem Umverdrahtungssubstrat, das eine Oberseite für ein zu stapelndes Halbleiterbauteil und eine Unterseite für das Anbringen von Außenkontakten aufweist.
Bei herkömmlichen Halbleiterbauteilen mit einem Umverdrahtungssubstrat sind auf der Unterseite des Umverdrahtungssubstrats Außenkontakte angeordnet, und auf der Oberseite des Umverdrahtungssubstrats ist wenigstens ein Halbleiterchip, beispielsweise ein Speicherbauteil, wie ein DRAM im Zentrum der Oberseite des Umverdrahtungssubstrats angeordnet.
Soll ein derartiges herkömmliches Bauteil als stapelbares Halbleiterbauteil für ein Halbleitermodul aus gestapelten Halbleiterbauteilen eingesetzt werden, so können nur die Randbereiche des Umverdrahtungssubstrats für das Anbringen von Außenkontakten eines gestapelten Halbleiterbauteils zur Verfügung stehen, da das Zentrum der Oberseite des Umverdrahtungssubstrats von dem Halbleiterchip eingenommen wird. Die Anzahl und Anordnung von Außenkontakten des zu stapelnden Halbleiterbauteils ist dadurch sehr eingeschränkt, sodass eine hohe Anzahl bekannter Gehäusetypen, wie BGA (Ball Grid Array) oder LGA (Land Grid Array)-Gehäuse, nicht auf einem herkömmlichen Halbleiterbauteil mit Umverdrahtungssubstrat gestapelt werden können.

Eine Lösung dieses Stapelproblems ist aus der Druckschrift DE 101 38 278 C1 bekannt. Zum Stapeln werden herkömmliche Halbleiterbauteile mit BGA oder LGA-Gehäuse mit zusätzlichen flexiblen Umverdrahtungsfolien versehen, die großflächiger sind, als die zu stapelnden Halbleiterbauteile und die über den Rand der Halbleiterbauteile hinaus ragen, sodass sie in Richtung auf ein darunter angeordnetes Halbleiterbauteil eines Halbleiterbauteilstapels gebogen und über die flexible Folie mit dem darunter angeordneten Halbleiterbauteil elektrisch verbunden werden können.

Ein Halbleitermodul mit derartig gestapelten Halbleiterbauteilen hat den Nachteil, dass die Halbleiterbauteile nicht mit geringst möglichem Raumbedarf gestapelt werden können, zumal auch die abgebogene Umverdrahtungsfolie einen Biegeradius erfordert, der nicht unterschritten werden kann, ohne Mikrorisse in den auf der Umverdrahtungsfolie angeordneten Umverdrahtungsleitungen zu riskieren.

Darüber hinaus hat ein derartiges Halbleitermodul den Nachteil, dass sich die Dicke jeder Stapelstufe aus der Dicke des Halbleiterchips plus der nicht unerheblichen Dicke des Umverdrahtungssubstrats zusammensetzt.

Aus der DE 103 20 646 A1 sowie der DE 102 24 124 A1 und der US 2003/0153119 A1 sind elektronische Bauteile bekannt, bei denen Durchkontakte den Halbleiterchip umgeben. Der Halbleiterchip und die Durchkontakte sind in einer Kunststoffmasse angeordnet.

Ein Modul mit mehren gestapelten Schichten ist aus der EP 0920058 A2 bekannt. Die Durchkontakte sind in den Schichten angeordnet und Leiterbahnen sind auf den Schichten angeordnet und bilden eine drei-dimensionale Umverdrahtungsstruktur.

Aus der WO 03/015165 A2 ist ein elektronisches Bauteil bekannt, das eine mehrlagige Umverdrahtungsschicht aufweist, die auf einer Kunststoffgehäusemasse angeordnet ist und zudem mit der Unterseite eines darin eingebetteten chips koplanar ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Halbleiterbauteil mit Umverdrahtungssubstrat und ein Verfahren zur Herstellung desselben anzugeben, das in beliebiger Zahl aufeinander stapelbar ist, um ein Halbleitermodul zu bilden. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, dass dieses stapelbare Bauteil mit unterschiedlich aufgebauten Basisbauteilen und mit unterschiedlich aufgebauten obersten Halbleiterbauteilen zu einem Halbleitermodul kombiniert werden kann. Darüber hinaus ist es Aufgabe der Erfindung ein Halbleiterbauteil mit einem Umverdrahtungssubstrat anzugeben, mit dem ein Stapeln nicht auf wenige vorgegebene Muster von Halbleiterbauteilen eingeschränkt ist, sondern bei dem die Anordnung und Zuordnung von verbindenden Außenkontakten beliebig variiert werden kann. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, den Raumbedarf und den Flächenbedarf eines Halbleitermoduls zu minimieren.

Gelöst wird diese Aufgabe mit dem Gegenstand der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Erfindungsgemäß wird ein Halbleiterbauteil mit einem Umverdrahtungssubstrat als Stapelelement für einen Halbleiter bauteilstapel geschaffen. Dazu bildet das Umverdrahtungssubstrat eine Unterseite und eine Oberseite des Halbleiterbauteils. Das Umverdrahtungssubstrat weist einen vorbereiteten Rahmen auf, der eine erste Kunststoffmasse aufweist. Der Halbleiterchip ist innerhalb des Kunststoffrahmens angeordnet. Sowohl auf der Unterseite als auch auf der Oberseite des Halbleiterbauteils sind mindestens in einem Randbereich des Umverdrahtungssubstrats Außenkontaktflecken angeordnet, die über Durchkontakte durch das Umverdrahtungssubstrat elektrisch in Verbindung stehen. Die Durchkontakte sind durch das Umverdrahtungssubstrat in der ersten Kunststoffmasse angeordnet und umgeben mit dieser ersten Kunststoffmasse, den im Volumen des Umverdrahtungssubstrats angeordneten Halbleiterchip, der mit seiner Rückseite und seinen Randseiten in einer zweiten Kunststoffmasse des Umverdrahtungssubstrats eingebettet ist. Die Unterseite des Umverdrahtungssubstrats mit ihren Außenkontaktflecken und die aktive Oberseite des Halbleiterchips mit seinen Kontaktflächen weisen eine gemeinsame koplanare Fläche auf.

Dieses Halbleiterbauteil hat den Vorteil, dass es als Stapelelement nur die Dicke eines Umverdrahtungssubstrats mit Durchkontakten aufweist, da der Halbleiterchip im Volumen des Umverdrahtungssubstrats angeordnet ist. Ein weiterer Vorteil ergibt sich aus der koplanaren Fläche, die durch die aktive Oberseite des Halbleiterchips und durch die Unterseite des aus zwei Kunststoffmassen zusammengesetzten Umverdrahtungssubstrats gebildet wird. Auf dieser Unterseite können somit beliebige Verdrahtungen durch Aufbringen einer entsprechend strukturierten Umverdrahtungsschicht zwischen den Kontaktflächen des Halbleiterchips und den Außenkontaktflecken durchgeführt werden. Das Gleiche gilt für die Oberseite des Halbleiterbauteils, die von der Oberseite des Umverdrahtungssubstrats gebildet wird und Außenkontaktflecken aufweist, die über Durchkontakte und über eine Umverdrahtungsstruktur mit den Kontaktflächen des Halbleiterchips auf der Unterseite des Umverdrahtungssubstrats verbunden werden können.

Außerdem können die oberen Außenkontaktflächen mit einer Lotschicht beschichtet werden, um weitere Halbleiterbauteile, sowie Halbleiterbauteile gleicher Bauart, zu stapeln. Während bei bisherigen Stapeln ein Zwischenverbindungssubstrat oder eine Zwischenverbindungsfolie vorgesehen ist, um ein Stapeln von Halbleiterbauteilen zu ermöglichen, können derartige Zwischenverbindungsteile bei dem erfindungsgemäßen Stapelelement weggelassen werden. Somit wird eine höhere Komplexität und eine höhere Stapeldichte erreicht wird. Die Funktion eines derartigen Zwischenverbindungssubstrats, bzw. einer derartigen Zwischenverbindungsfolie übernimmt hier die auf der koplanaren Fläche anbringbare Umverdrahtungsstruktur auf der Unterseite des Umverdrahtungssubstrats bzw. des Halbleiterbauteils.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die koplanare Fläche zunächst von einer Isolationsschicht bedeckt, die Fenster zu den Kontaktflächen des Halbleiterchips und zu den Außenkontaktflecken der Unterseite des Umverdrahtungssubstrats aufweist. Eine solche Isolationsschicht hat den Vorteil, dass sie Übergänge von dem Halbleiterchipmaterial der aktiven Oberseite des Halbleiterchips zu den ersten und zweiten Kunststoffmassen des Umverdrahtungssubstrats in der Ebene der koplanaren Fläche überbrücken und die elektrische Spannungsfestigkeit erhöhen kann. Die Fenster zu den Kontaktflächen und zu den Außenkontaktflecken können in die Isolationsschicht durch Laserabtrag oder durch photolithographische Verfahren mit anschließender Trocken- oder Nassätztechnik eingebracht werden.

Die strukturierte Umverdrahtungsschicht kann auf der Isolationsschicht aufgebracht werden und die Verbindung zu den Außenkontaktflächen des Halbleiterchips und den Kontaktflecken der Unterseite des Umverdrahtungssubstrats herstellen. Die strukturierte Umverdrahtungsschicht kann auch direkt auf die koplanare Fläche aufgebracht sein, zumal die Oberseite des Halbleiterchips eine isolierende Passivierungsschicht aufweist und die erste und zweite Kunststoffmasse isolierend sind. Die strukturierte Umverdrahtungsschicht ermöglicht entweder nur die Randbereiche des Halbleiterbauteils mit Außenkontakten auf der Unterseite zu bestücken, oder auch auf der gesamten Unterseite des Halbleiterbauteils Außenkontakte zu verteilen. Der gleiche Vorteil ergibt sich auch für die Oberseite des Halbleiterbauteils, wenn dort eine entsprechende strukturierte Umverdrahtungsschicht vorgesehen wird. Eine derartige strukturierte Umverdrahtungsschicht kann schließlich von einer Lötstopplackschicht bedeckt sein, die einen Zugriff auf die Außenkontaktflecken der Unterseite des Umverdrahtungssubstrats freilässt.

Die Strukturierung der Lötstoppschicht kann wiederum mit photolacktechnischen Maßnahmen erfolgen. Der Vorteil, die Unterseite des Halbleiterbauteils, bzw. des Umverdrahtungssubstrats, bis auf die Außenkontaktflecken mit einer Lötstoppschicht zu versehen, ist, dass beim Auflöten der Außenkontakte auf die Außenkontaktflecken die Umverdrahtungsleitungen der Umverdrahtungsschicht vor einem Benetzen mit Lötmaterial geschützt sind, insbesondere wenn die Außenkontakte Lotbälle oder eine Lotschicht aufweisen.

Eine strukturierte Umverdrahtungsschicht wird auf der Oberseite derart mit einem Anordnungsmuster von Außenkontaktflecken versehen, dass sie kongruent mit einem Anordnungsmuster von Außenkontaktflecken oder Außenkontakten eines zu stapelnden Halbleiterbauteils sind, um eine elektrische Verbindung zu ermöglichen. Somit hat das erfindungsgemäße Halbleiterbauteil den Vorteil, dass beliebige Anordnungsmuster für zu stapelnde Halbleiterbauteile auf seiner Oberseite vorgesehen werden können.

Mit der Erfindung lässt sich ein Halbleiterbauteilmodul realisieren, das einen Stapel aus den oben beschriebenen Halbleiterbauteilen als Stapelelemente aufweist. Dabei können die Stapelelemente völlig gleichartig ausgebildet sein und Außenkontakte auf den Randbereichen der jeweiligen Umverdrahtungssubstrate aufweisen, wobei das unterste Halbleiterbauteil als Halbleiterbasisbauteil auf seiner Unterseite ein Anordnungsmuster von Außenkontakten aufweisen kann, das den Anordnungsmustern von oberflächenmontierbaren Halbleiterbauteilen entsprechen.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann die Oberseite des Halbleiterbauteilmoduls eine strukturierte Um verdrahtungsschicht aufweisen, mit der es möglich ist, auf dem obersten Halbleiterbauteil des Halbleiterbauteilstapels, sowohl passive, als auch oberflächenmontierbare aktive Bauteile anzuordnen. Diese Bauteile stehen mit den darunter angeordneten Halbleiterbauteilen des Halbleiterbauteilmoduls elektrisch in Verbindung.

Darüber hinaus ist es möglich, als oberstes gestapeltes Halbleiterbauteil ein Halbleiterbauteil mit einem internen Chipstapel aus zwei Halbleiterchips vorzusehen. Vorzugsweise wird bei diesem internen Halbleiterchipstapel mindestens ein Halbleiterchip Flipchip-Kontakte aufweisen, während der zweite Halbleiterchip mit der Kunststoffmasse, die den Halbleiterchipstapel umgibt, eine koplanare Fläche ausbildet, auf der eine entsprechend strukturierte Umverdrahtungsschicht vorgesehen ist.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft einen Nutzen für mehrere Halbleiterbauteile, die auf dem Nutzen in entsprechenden Bauteilpositionen vorgesehen sind, wobei die Bauteilpositionen auf einer entfernbaren Trägerfolie angeordnet sind. Ein derartiger Nutzen für mehrere gleichartige Halbleiterbauteile, die als Stapelelemente aufgrund des erfindungsgemäßen Aufbaus einsetzbar sind, kann als Verbundplatte gefertigt und angeboten werden. Diese Verbundplatte kann beispielsweise vom Endverbraucher in einzelne stapelbare Halbleiterbauteile aufgeteilt werden.

Ein Verfahren zur Herstellung eines Nutzens weist die nachfolgenden Verfahrensschritte auf. Zunächst wird eine Trägerfolie auf einem Träger bereitgestellt. Dieser Träger kann gleichzeitig eine Moldformhälfte eines Moldwerkzeugs sein, wenn vorgesehen ist, den Nutzen durch Molden zu realisieren.

Als Träger kann auch ein Formteil eines Dispense-Prozesses vorgesehen sein, wobei die Trägerfolie in die Dispense-Form eingelegt wird. Danach wird auf die Trägerfolie ein in einem Parallelprozess bereits vorbereiteter Kunststoffrahmen aufgebracht, der eine erste Kunststoffmasse aufweist. Dieser Kunststoffrahmen weist mehrere in Zeilen und Spalten angeordnete Bauteilpositionen auf, und umgibt jede der Bauteilpositionen mit einem entsprechenden Rahmen.

In dieser ersten Kunststoffmasse des Kunststoffrahmens sind Durchkontakte angeordnet, die Außenkontaktflecken auf der Oberseite des Kunststoffrahmens und auf der Unterseite des Kunststoffrahmens elektrisch miteinander verbinden. Der Kunststoffrahmen umschließt in der Mitte der Bauteilpositionen eine freie Fläche der Trägerfolie. Auf diese Fläche wird ein Halbleiterchip innerhalb des Kunststoffrahmens unter Fixieren seiner aktiven Oberseite auf der Trägerfolie aufgebracht. Anschließend kann der Kunststoffrahmen unter Einbetten der Rückseite und der Randseiten des Halbleiterchips in einer zweiten Kunststoffmasse aufgefüllt werden, sodass eine koplanare Fläche auf der Unterseite zur Trägerfolie hin entsteht und eine ebene Fläche die Oberseite des Nutzens bildet.

Als Nächstes wird der Träger und die Trägerfolie entfernt, sodass eine freitragende Verbundplatte mit einer koplanaren Fläche aus den aktiven Oberseiten der Halbleiterchips und den Unterseiten der umgebenden ersten und zweiten Kunststoffmassen mit einer Verdrahtungsstruktur zur Verfügung steht. Diese Verdrahtungsstruktur weist jedoch lediglich Außenkontaktflecken auf der Oberseite und der Unterseite der Verbundplatte auf. In einem weiteren Schritt kann eine strukturierte Umverdrahtungsschicht auf die koplanare Fläche aufgebracht werden, wobei die Kontaktflächen der aktiven Oberseite der Halb leiterchips mit Außenkontaktflecken des Kunststoffrahmens verbunden werden.

Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass ein Nutzen in Form einer Verbundplatte entsteht, bei der in paralleler Herstellungsweise gleichzeitig viele Halbleiterbauteile als Stapelelemente mit dem entstehenden Nutzen zur Verfügung stehen. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass auch die Oberseite dieses Nutzens, die in den Bauteilpositionen lediglich Außenkontaktflecken aufweist, mit einer weiteren Umverdrahtungsstruktur versehen werden kann, um sowohl auf der Unterseite als auch auf der Oberseite gleichmäßig verteilte Außenkontaktflecken bereitzustellen. Damit ist der Vorteil verbunden, dass ein Stapeln nicht nur in den Bereichen der Halbleiterbauteile eine Verbindung zwischen Halbleiterbauteilen hergestellt werden kann, sondern die gesamte Fläche einer Bauteilposition für das Anordnen von Außenkontakten, sowohl auf der Unterseite als auch auf der Oberseite, zur Verfügung steht.

Bei einer bevorzugten Durchführung des Verfahrens werden die Halbleiterchips auf die Trägerfolie innerhalb des Kunststoffrahmens mittels Klebetechnik aufgebracht. Dazu kann die Trägerfolie eine entsprechende Klebstoffschicht aufweisen. Vor einem Auftrennen des Nutzens in einzelne Halbleiterbauteile können auch die Außenkontaktflecken verstärkt werden, um Halbleiterbauteile für eine Oberflächenmontage bereit zu stellen, oder es werden bereits die Außenkontakte in Form von Lotbällen auf die jeweiligen Außenkontaktflecken aufgebracht und erst dann der Nutzen in einzelne Halbleiterbauteile getrennt.

Zur Herstellung eines Halbleitermoduls mit gestapelten Halbleiterbauteilen ist es dann lediglich erforderlich, die aus dem Nutzen getrennten Halbleiterbauteile übereinander zu stapeln. Dabei werden ihre Außenkontaktflecken oder ihre Außenkontakte elektrisch miteinander verbunden. Zum Stapeln können durch entsprechende Strukturierung der Umverdrahtungsschichten auf der Unterseite und/oder auf der Oberseite Kontaktfleckenanordnungen geschaffen werden, die es ermöglichen, unterschiedliche Halbleiterbauteile mit entsprechenden Außenkontaktmustern auf diesem Halbleiterbauteil, das aus einem Umverdrahtungssubstrat besteht, zu stapeln.

Zusammenfassend ist festzustellen, dass die Erfindung ein Stapeln von voneinander unabhängigen Halbleitergehäusen ermöglicht. Dazu wird eine Gehäusetechnologie modifiziert und ein bisher nicht strukturiertes Rahmenmaterial aus Kunststoff mit Durchgangskontakten und Außenkontaktflecken versehen, sodass ein universelles Stapelelement, bestehend aus einem Umverdrahtungssubstrat mit einem im Volumen untergebrachtem Halbleiterchip entsteht. Dieses Stapelelement ist ein vollwertiges Halbleiterbauteil und kann auch als Halbleiterbasisbauteil vertrieben werden. Da dieses Bauteil sowohl auf seiner Gehäuseoberseite als auch auf seiner Gehäuseunterseite Kontaktflecken aufweist, kann es mit beliebigen weiteren Halbleiterbauteilen oder Gehäusen zu einem Stapel oder zu einem Halbleitermodul montiert werden. Zusammenfassend weist der Gegenstand der Erfindung die nachfolgenden Vorteile auf:

1. Aufgrund der so genannten "Build-up"-Technik ergeben sich hohe Verdrahtungsdichten und es steht somit eine größere Fläche für die vertikale Kontaktierung zur Verfügung. Andererseits können kleinere Gehäuse mit höheren Designfreiheiten realisiert werden.
2. Beim Stapeln derartiger Halbleiterbauteile gemäß der Erfindung lassen sich auch Mehrfach-Stapel erzielen, zumal die Anzahl der Stapelelemente pro Stapel nicht begrenzt ist.
3. Bei einer direkten Verbindung über Kontaktflecken durch ein stumpfes Verlöten der Halbleiterbauteile im Stapel miteinander lassen sich räumlich komprimierte Stapel herstellen, was bisher nicht möglich ist.
4. Weiterhin ergeben sich für die erfindungsgemäßen Halbleiterbauteile eine verbesserte elektrische Ausführung, ein verbesserter Formfaktor, eine höhere Verdrahtungsdichte und eine zuverlässige Herstellbarkeit von großflächigen Nutzen für mehrere der erfindungsgemäßen Bauteile in entsprechenden Halbleiterbauteilpositionen.

Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Figuren näher erläutert.
1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Halbleiterbauteil gemäß der Erfindung;
2 zeigt einen schematischen Querschnitt eines Kunststoffrahmens einer einzelnen Bauteilposition eines Nutzens;
3 zeigt einen schematischen Querschnitt eines Kunststoffrahmens gemäß 1 mit einem Halbleiterchip;
4 zeigt einen schematischen Querschnitt eines Kunststoffrahmens gemäß 3 mit aufgefüllter Aussparung zu einer Verbundplatte;
5 zeigt einen schematischen Querschnitt einer Verbundplatte gemäß 4 mit einer Umverdrahtungsschicht auf ihrer Unterseite;
6 zeigt einen schematischen Querschnitt eines fertig gestellten Halbleiterbauteils gemäß 1;
7 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Halbleiterbauteilmodul mit zwei erfindungsgemäßen Halbleiterbauteilen gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
8 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Halbleiterbauteilmodul mit zwei gestapelten Halbleiterbauteilen und einem passiven Bauteil gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
9 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Halbleiterbauteilmodul mit zwei gestapelten Halbleiterbauteilen gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung;
10 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Halbleiterbauteilmodul mit drei gestapelten Halbleiterbauteilen gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung.
1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Halbleiterbauteil 10 gemäß der Erfindung. Das Halbleiterbauteil 10 weist einen Kunststoffrahmen 41 aus einer ersten Kunststoffmasse 42 in einem Randbereich 11 des Halbleiterbauteils 10 und einen Mittenbereich 20 aus einer zweiten Kunststoffmasse 46 auf. Die Dicke D des Bauteils entspricht in etwa der Dicke d eines Umverdrahtungssubstrats, das durch den Kunststoffrahmen 41 und den Mittenbereich 20 gebildet wird. Auf der Unterseite 2 weist das Umverdrahtungssubstrat 1 eine koplanare Fläche 3 auf, die aus der aktiven Oberseite 15 eines im Mittenbereich 20 angeordneten Halbleiterchips 6 und den Unterseiten der Kunststoffmassen 42 und 46 gebildet wird. Auf dieser Unterseite 2 des Umverdrahtungssubstrats 1 befinden sich auf der koplanaren Fläche 3 im Randbereich 11 Außenkontaktflecken 9, die in den Kunststoffrahmen 41 integriert sind. Auf der Oberseite 4 des Umverdrahtungssubstrats 1 sind im Randbereich 11 Außenkontaktflecken 7 angeordnet, die über Durchkontakte 8 mit den Außenkontaktflecken 9 auf der Unterseite 2 des Umverdrahtungssubstrats 1 elektrisch in Verbindung stehen.
Der Halbleiterchip 6 im Mittenbereich 20 des Halbleiterbauteils 10 ist von der zweiten Kunststoffmasse 46 auf seiner Rückseite 14 und auf seinen Randseiten 12 und 13 umgeben. Lediglich die aktive Oberseite 15 mit der Kontaktfläche 5 ist frei von Kunststoffmasse, sodass ein Zugriff auf die Kontaktfläche 5 von der koplanaren Fläche 3 aus möglich ist. Auf der Unterseite des Umverdrahtungssubstrats 1 ist in der Ausführungsform der Erfindung, wie sie 1 zeigt, eine dreilagige Umverdrahtungsschicht 18 angeordnet. Diese drei Lagen werden von drei Schichten gebildet. Zunächst ist auf der koplanaren Fläche 3 eine Isolationsschicht 16 als erste Lage aufgebracht. Die Isolationsschicht 16 weist Fenster 17 auf. Über diese Fenster 17 ist ein Zugriff zu der Kontaktfläche 5 auf der aktiven Oberseite 15 des Halbleiterchips 6 und einen Zugriff auf die Außenkontaktflecken 9 des Kunststoffrahmens 41 ermöglichen. Auf der Isolationsschicht 16 ist als zweite Lage eine Umverdrahtungsstruktur 21 angeordnet, die Umverdrahtungsleitungen 19 aufweist, welche die Außenkontaktflecken 9 mit Außenkontakten 22 und mit den Kontaktflächen 5 verbinden. Die dritte und abschließende Lage der Umverdrahtungsschicht 18 bildet eine Lötstoppschicht 24, welche den Zugriff von Außenkontakte 22 auf entsprechende Außenkontaktflecken der Umverdrahtungsstruktur über entsprechende Fenster in der Lötstoppschicht 24 ermöglicht. Auf diesem Bauteil 10 können zumindest in den Randbereichen 11 unter Kontaktierung der Außenkontaktflecken 7 weitere Halbleiterbauteile gestapelt werden.
Für Anwendungen bei denen auch auf der Oberseite 4 des Halbleiterbauteils 10 Außenkontaktflächen 7 im Mittenbereich 20 des Halbleiterbauteils 10 zur Verfügung gestellt werden sollen, wird eine entsprechende zwei oder dreilagige Umverdrahtungsschicht 18 auch auf der Oberseite 4 des Umverdrahtungssubstrats 1 aufgebracht. Durch das Einbauen des Halbleiterchips 6 und seiner Verbindungen in das Volumen des Umverdrahtungssubstrats 1 wird die Dicke D des Halbleiterbauteils 10 auf ein Minimum verringert und der Zugriff zu den Kontaktflächen 5 des Halbleiterchips 6 über die Außenkontaktflecken 9, sowohl von der Oberseite 4 als auch von der Unterseite 2 aus, ermöglicht. Dabei kann auf der Oberseite 4 das Anordnungsmuster 26 der Außenkontaktflecken 7 bei entsprechendem Anbringen einer weiteren Umverdrahtungsschicht 23 auf der Oberseite 4 dem Anordnungsmuster 26 von Außenkontakten 22 eines gestapelten Halbleiterbauteils angepasst werden.
Die 2 bis 5 zeigen schematische Querschnitte durch Komponenten einzelne Verfahrensstufen bei der Herstellung eines Halbleiterbauteils 10 gemäß 1.
2 zeigt einen schematischen Querschnitt eines Kunststoffrahmens 41 einer einzelnen Bauteilposition 45 eines Nutzens. Dazu wird ein Träger 39 mit einer Trägerfolie 38 bestückt und auf dieser Trägerfolie 38 werden entweder einzelne Kunststoffrahmen oder ein großflächiger Kunststoffrahmen 41 mit einzelnen Bauteilpositionen 45 aufgeklebt. Diese Kunststoffrahmen 41 weisen bereits auf ihren Unterseiten 2 Außenkontaktflecken 9 auf. In ihrem Volumen sind Durchkontakte 8 eingebettet, welche die Außenkontaktflecken 9 mit Außenkontaktflecken 7 auf der Oberseite 5 des Kunststoffrahmens 41 elektrisch verbinden und somit eine dreidimensionale erste Umverdrahtungsstruktur 43 bilden.
3 zeigt einen schematischen Querschnitt eines Kunststoffrahmens 41 gemäß 1 mit einem Halbleiterchip 6. Der in 2 gezeigte Mittenbereich 20 der Bauteilposition 45 wird von dem Kunststoffrahmen 41 umgeben und lässt einen Zugriff auf eine freiliegende Fläche 44 der Trägerfolie 38 zu. In 3 wird nun in dem Mittenbereich 20 auf die Trägerfolie 38 ein Halbleiterchip 6 mit seiner aktiven Oberseite 15 geklebt, sodass die Kontaktfläche 5 des Halbleiterchips 6 auf der Trägerfolie 38 liegt. Somit sind in 3 die Unterseite 2 des Kunststoffrahmens 41 und die aktive Oberseite 15 des Halbleiterchips 6 koplanar ausgerichtet.
4 zeigt einen schematischen Querschnitt eines Kunststoffrahmens 41 gemäß 3 mit aufgefüllter Aussparung zu einer Verbundplatte 47. Bei diesem Schritt wird der Halbleiterchip 6 mit seiner Rückseite 14 und seinen Randseiten 12 und 13 in eine zweite Kunststoffmasse 46, die den Mittenbereich 20 auffüllt, eingebettet. Da dieses Auffüllen nicht nur in der hier gezeigten Bauteilposition 45 durchgeführt wird, sondern gleichzeitig in sämtlichen Bauteilpositionen eines Nutzens, entsteht eine Verbundplatte 47, die formstabil und selbsttragend ist. Von dieser formstabilen und selbsttragenden Verbundplatte 47 wird die Trägerfolie 38 wie es 4 zeigt, abgezogen, sodass die Unterseite 2 nun eine koplanare Fläche 3 darstellt, auf der die Außenkontaktflecken 9 und die Kontaktfläche 5 angeordnet sind.
5 zeigt einen schematischen Querschnitt einer Verbundplatte 47 gemäß 4 mit einer Umverdrahtungsschicht 18 auf ihrer Unterseite 2. Diese dreilagige Umverdrahtungsschicht 18 wird nach dem Abziehen der Trägerfolie auf die koplanare Oberseite 3 des Umverdrahtungssubstrats 1 aufgebracht. Diese Umverdrahtungsschicht 18 ist, wie in 1 bereits erörtert und gezeigt, eine dreilagige Umverdrahtungsschicht 18 aus einer Isolationsschicht 16, einer Umverdrahtungsstruktur 21 und einer Lötstoppschicht 24.
6 zeigt einen schematischen Querschnitt eines fertig gestellten Halbleiterbauteils 10 gemäß 1. Um das Halbleiterbauteil 10 fertig zu stellen, wird die in 5 gezeigte Bauteilposition 45 aus der Verbundplatte herausgeschnitten und an vorgesehenen Stellen auf der Unterseite werden Außenkontakte 22 angebracht. Eine alternative Möglichkeit besteht darin, die Außenkontakte 22 noch auf jede der Bauteilpositionen 45 des Nutzens, wie ihn 5 zeigt, anzubringen und dann den Nutzen in einzelne Halbleiterbauteile 10 zu zerteilen. Dieses in 6 gezeigte Halbleiterbauteil 10 kann als Halbleiterbasisbauteil 27 eines Stapels eingesetzt werden.
7 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Halbleiterbauteilmodul 37 mit zwei erfindungsgemäßen Halbleiterbauteilen 10 und 50 gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung. Um diese beiden Halbleiterbauteile 10 und 50 zu einem Halbleiterbauteilstapel 25 zusammenzufügen, werden die Außenkontaktflecken 9 auf der Unterseite des gestapelten Halbleiterbauteils 50 durch eine Lotschicht 48 verstärkt und anschließend auf die Außenkontaktflecken 7 auf der Oberseite 4 des Halbleiterbauteils 10 aufgelötet. Da die Außenkontaktflecken 9 mit den Kontaktflächen 5 des Halbleiterchips 6 des gestapelten Halbleiterbauteils 50 über die Umverdrahtungsschicht 18 des gestapelten Halbleiterbauteils 50 verbunden sind, besteht auch eine Verbindung zu den Kontaktflächen 5 des Halbleiterchips 6 des Halbleiterbasisbauteils 27. Während die Außenkontakte 22 des Halbleiterbasisbauteils 27 gleichmäßig über die Unterseite verteilt sind, erfolgt die Kopplung zwischen dem gestapelten Halbleiterbauteil 50 und dem Basishalbleiterbauteil 27 lediglich über die Randbereiche 11, die von dem Kunststoffrahmen 41 jedes Halbleiterbauteils 10 und 50 gebildet werden.
8 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Halbleiterbauteilmodul 37 mit frei gestapelten Halbleiterbauteilen 10 und 51 einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Komponenten mit gleichen Funktionen, wie in den vorhergehenden Figuren, werden in den weiteren Figuren mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und nicht extra erörtert. Der Unterschied der zweiten Ausführungsform gegenüber der ersten Ausführungsform liegt darin, dass sowohl das Halbleiterbasisbauteil 27 als auch das gestapelte Halbleiterbauteil 51 eine obere Umverdrahtungsstruktur 23 auf der Oberseite 4 des Umverdrahtungssubstrats 1 aufweisen. Somit ist es möglich, ei nerseits das gestapelte Halbleiterbauteil 51 mit Außenkontakten 22 zu versehen, die über die gesamte Unterseite 2 des Umverdrahtungssubstrats 1 verteilt angeordnet sind. Außerdem können auf der Oberseite 28 des Halbleiterbauteilstapels 30 passive Bauteile 29 und oberflächenmontierte aktive Bauteile 31 angeordnet werden, die ein ganz anderes Anordnungsmuster für die Außenkontaktflecken 7 auf der Oberseite 28 des Halbleitermoduls 30 erfordern.
9 zeigt einen Querschnitt durch ein Halbleiterbauteilmodul 37 aus einem Halbleiterstapel 35 mit zwei gestapelten Halbleiterbauteilen 10 und 52 einer dritten Ausführungsform der Erfindung. Während das Basishalbleiterbauteil 27 dem Halbleiterbauteil 10 entspricht, das in 1 gezeigt wird, unterscheidet sich das gestapelte Halbleiterbauteil 52 von den bisher gestapelten Halbleiterbauteilen 50 und 51 der vorhergehenden Figuren dadurch, dass ein interner Chipstapel 32 mit einem unteren Halbleiterchip 33, der mit seiner passiven Rückseite auf einer Umverdrahtungsplatte 49 angeordnet ist vorgesehen ist. Dieser untere Halbleiterchip 33 ist mit der Umverdrahtungsstruktur einer Umverdrahtungsplatte 49 des gestapelten Halbleiterbauteils 52 über Bonddrähte 55 verbunden und trägt auf seiner Oberseite den gestapelten Halbleiterchip 34, der über Flipchip-Kontakte 36 mit Kontaktflächen 5 des unteren Halbleiterchips 33 verbunden ist. Mit diesem Halbleiterchipmodul 37 wird gezeigt, wie flexibel das Stapelelement, bzw. das Halbleiterbasisbauteil 27 einsetzbar ist.
10 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Halbleiterbauteilmodul 37 aus einem Halbeiterbauteilstapel 40 mit drei gestapelten Halbleiterbauteilen 10, 53 und 54 gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung. Ein derartiger Halbleiterbauteilstapel 40 aus drei nahezu identischen Halb leiterbauteilen, wie sie 1 zeigt, hat den Vorteil, dass relativ preiswert jede Modulkapazität erreicht werden kann. Zumal der Stapel mit weiteren Halbleiterbauteilen beliebig ergänzt werden kann.

Claims

Halbleiterbauteil mit einem Umverdrahtungssubstrat (1) als Stapelelement für einen Halbleiterbauteilstapel (25), wobei das Umverdrahtungssubstrat (1) eine Unterseite (2) und eine Oberseite (4) des Halbleiterbauteils (10) bildet, wobei das Umverdrahtungssubstrat (1) einen vorbereiteten Rahmen (41), der eine erste Kunststoffmasse (42) aufweist, und wobei ein Halbleiterchip (6) innerhalb des Kunststoffrahmens (41) angeordnet ist, wobei die Rückseite und Randseiten des Halbleiterchips (6) in einer zweiten Kunststoffmasse (46) eingebettet sind, wobei Außenkontaktflecken (7, 9) auf der Unterseite (2) und auf der Oberseite (4) mindestens in einem Randbereich (11) des Umverdrahtungssubstrats (1) angeordnet sind, die über Durchkontakte (8) durch das Umverdrahtungssubstrat (1) elektrisch in Verbindung stehen, wobei die Durchkontakte (8) einen im Volumen des Umverdrahtungssubstrats (1) mit Rückseite (14) und Randseiten (12, 13) eingebetteten Halbleiterchip (6) umgeben, und wobei die Unterseite (2) des Umverdrahtungssubstrats (1) mit ihren Außenkontaktflecken (9) und die aktive Oberseite (15) des Halbleiterchips (6) mit seinen Kontaktflächen (5) eine koplanare Fläche (3) aufweisen.
Halbleiterbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die koplanare Fläche (3) von einer Isolationsschicht (16) bedeckt ist, die Fenster (17) zu den Kontaktflächen (5) des Halbleiterchips (6) und zu den Außenkontaktflecken (9) der Unterseite (2) des Umverdrahtungssubstrats (1) aufweist.
Halbleiterbauteil nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die koplanare Fläche (3) eine strukturierte Umverdrahtungsschicht (18) mit Umverdrahtungsleitungen (19) zwischen Außenkontaktflecken (7) der Unterseite (2) des Umverdrahtungssubstrats (1) und Kontaktflächen (5) der Oberseite (15) des Halbleiterchips (6) trägt.
Halbleiterbauteil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die strukturierte Umverdrahtungsschicht (18) von einer Lötstoppschicht (24) bedeckt ist, die einen Zugriff auf die Außenkontaktflecken (9) der Unterseite (2) des Umverdrahtungssubstrats (1) freilässt.
Halbleiterbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenkontaktflecken (9) auf der Unterseite (2) des Umverdrahtungssubstrats (1) Außenkontakte (22) aufweisen.
Halbleiterbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenkontakte (22) Lotbälle aufweisen.
Halbleiterbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberseite (4) des Umverdrahtungssubstrats (1) eine strukturierte Umverdrahtungsschicht (23) aufweist, welche die Außenkontaktflecken (7) im Randbereich (11) auf der Oberseite (4) des Umverdrahtungssubstrats (1) mit Außenkontaktflecken elektrisch verbinden, die auf der gesamten Oberseite (4) in einem vorgegebenen Anordnungsmuster (26) von Außenkontaktflecken eines zu stapelnden Halbleiterbauteils (50) angeordnet sind.
Halbleiterbauteilmodul, das einen Stapel (25, 30, 35, 40) mit einem Halbleiterbauteil (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche als Stapelelement aufweist.
Halbleiterbauteilmodul, das einen Stapel mit einem Halbleiterbauteil 10 gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 als Halbleiterbasisbauteil (27) aufweist.
Halbleiterbauteilmodul nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Stapel (25, 40) ein gestapeltes Halbleiterbauteil (50, 53, 54) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 aufweist.
Halbleiterbauteilmodul nach Anspruch 9 oder Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Stapel (30) auf seiner Stapeloberseite (28) eine Umverdrahtungsstruktur (23) aufweist, die passive Bauteile (29) und/oder oberflächenmontierte Halbleiterbauteile (31) aufweist, wobei diese Bauteile (29, 31) über die Umverdrahtungsstruktur (23) mit den Halbleiterbauteilen (10, 51) des Stapels (30) elektrisch in Verbindung stehen.
Halbleiterbauteilmodul nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das gestapelte Halbleiterbauteil (52) einen internen Chipstapel (32) aus zwei Halbleiterchips (33, 34) mit mindestens einem Halbleiterchip (34), der Flipchip-Kontakte (36) besitzt, aufweist.
Halbleiterbauteilmodul nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterbauteilmodul (37) mehrere gestapelte Halbleiterbauteile (50, 53, 54) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 von gleicher Bauart aufweist.
Nutzen für mehrere Halbleiterbauteile (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Nutzen in Zeilen und Spalten angeordnete Bauteilpositionen (45) auf einer entfernbaren Trägerfolie (38) aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines Nutzens nach Anspruch 14, das folgende Verfahrensschritte aufweist: – Bereitstellen einer Trägerfolie (38) auf einem Träger (39) – Aufbringen eines Kunststoffrahmens (41) aus einer ersten Kunststoffmasse (42) mit eingebrachter Umverdrahtungsstruktur (43) aus Durchkontakten (8), die sich von einer Unterseite (2) zu einer Oberseite (4) des Kunststoffrahmens (41) erstrecken und auf der Unterseite (2) sowie auf der Oberseite (4) in Außenkontaktflecken (7, 9) übergehen, wobei der Rahmen (41) eine freie Fläche (44) der Trägerfolie (38) in der Mitte der Bauteilpositionen (45) umschließt; – Aufbringen eines Halbleiterchips (6) innerhalb des Kunststoffrahmens (41) unter Fixieren des Halblei terchips (6) mit seiner aktiven Oberseite (15) auf der Trägerfolie (38); – Auffüllen des Kunststoffrahmens (41) unter Einbetten der Rückseite (14) und der Randseiten (12, 13) des Halbleiterchips (6) in eine zweite Kunststoffmasse (46) ; – Entfernen des Trägers (39) und der Trägerfolie (38) unter Bilden einer freitragenden Verbundplatte (47) mit einer koplanaren Fläche (3) aus Oberseiten (15) von Halbleiterchips (6) und Unterseiten (2) der umgebenden Kunststoffmassen (42, 46) mit einer Umverdrahtungsstruktur (43); – Aufbringen einer strukturierten Umverdrahtungsschicht (18) auf die koplanare Fläche (3) unter elektrischem Verbinden von den Kontaktflächen (5) der aktiven Oberseite (15) der Halbleiterchips (6) mit Außenkontaktflecken (9) des Kunststoffrahmens (41).
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Oberseite (4) und der Unterseite (2) der stapelbaren Halbleiterbauteile (10) vor dem Auftrennen des Nutzens Umverdrahtungsstrukturen (18, 43) mit auf der Oberseite (4) und der Unterseite (2) verteilten Außenkontaktflecken (7, 9) aufgebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 15 oder Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufbringen eines Halbleiterchips (6) auf die Trägerfolie (38) innerhalb des Kunststoffrahmens (41) mittels Klebetechnik erfolgt.
Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauteils (10), das folgende Verfahrensschritte aufweist: – Herstellen eines Nutzens nach einem der Ansprüche 15 bis 17; – Auftrennen des Nutzens in einzelne Halbleiterbauteile (10).
Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauteilmoduls dadurch gekennzeichnet, dass nach einem Herstellen einzelner stapelbarer Halbleiterbauteile (10, 50 bis 54) gemäß Anspruch 18 diese aufeinander gestapelt und über ihre Außenkontaktflecken (9) zu einem Halbleiterbauteilmodul (37) elektrisch verbunden werden.
Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Stapeln von Halbleiterbauteilen (10, 50 bis 54) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 aufeinander zu einem Halbleiterbauteilmodul (37) mittels Löttechnik erfolgt.