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DE19745648A1 - Trägerelement für einen Halbleiterchip zum Einbau in Chipkarten - Google Patents

Trägerelement für einen Halbleiterchip zum Einbau in Chipkarten

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Publication number
DE19745648A1
DE19745648A1 DE19745648A DE19745648A DE19745648A1 DE 19745648 A1 DE19745648 A1 DE 19745648A1 DE 19745648 A DE19745648 A DE 19745648A DE 19745648 A DE19745648 A DE 19745648A DE 19745648 A1 DE19745648 A1 DE 19745648A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
connections
carrier element
semiconductor chip
element according
chip
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
DE19745648A
Other languages
English (en)
Inventor
Frank Pueschner
Josef Heitzer
Juergen Fischer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Infineon Technologies AG
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
Priority to DE19745648A priority Critical patent/DE19745648A1/de
Priority to PCT/DE1998/002768 priority patent/WO1999019832A1/de
Priority to BR9806706-0A priority patent/BR9806706A/pt
Priority to EP98956777A priority patent/EP0951692A1/de
Priority to UA99063283A priority patent/UA46136C2/uk
Priority to JP52075299A priority patent/JP3839063B2/ja
Priority to RU99115169/09A priority patent/RU2216042C2/ru
Priority to CN98802532A priority patent/CN1122942C/zh
Priority to KR1019997005344A priority patent/KR20000069487A/ko
Publication of DE19745648A1 publication Critical patent/DE19745648A1/de
Priority to US09/333,322 priority patent/US6719205B1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Description

Trägerelemente für einen Halbleiterchip zum Einbau in Chip­ karten sind in vielfältiger Weise bekannt geworden. So offen­ bart die US 5,134,773 ein Trägerelement mit aus leitfähigem Material bestehenden Kontaktflächen in Form eines sogenannten Leadframes, bei dem der Halbleiterchip auf eine mittig ange­ ordnete Chipinsel geklebt ist und mittels Bonddrähte mit pe­ ripher angeordneten Kontaktflächen elektrisch verbunden ist. Der Halbleiterchip ist von einer ihn und die Bonddrähte schützenden Umhüllungsmasse umgeben, die außerdem die Kon­ taktflächen in ihrer Position hält. Da die Kontaktflächen von der dem Chip abgewandten Seite freizugänglich sein müssen ist die Umhüllungsmasse nur einseitig vorhanden. Um trotzdem ei­ nen guten mechanischen Halt zu bieten weisen die Kontaktflä­ chen auf der dem Chip abgewandten Seite im Bereich der sie voneinander elektrische isolierenden Schlitze Hinterschnei­ dungen auf, die von der Umhüllungsmasse ausgefüllt werden und eine Art Nietverbindung bewerkstelligen.
Das in der US 5,134,773 beschriebene Trägerelement ist zwar für sogenannte kontaktbehaftete Chipkarten ausgelegt, das heißt es weist an einer Oberfläche der Chipkarte liegende, von außen für ein Lesegerät zugängliche Kontaktflächen auf, es ist jedoch ohne weiteres möglich und auch bekannt, nur zwei Anschlüsse vorzusehen, die mit einer in der Karte bzw. auf einem Karteninlay angeordneten Spule elektrisch verbunden werden können.
Außerdem ist es möglich, Anschlüsse in Zahl und Ausgestaltung derart vorzusehen, daß sie für sowohl für eine Verbindung mit einer Spule bzw. Antenne als auch mit einem Lesegerät glei­ chermaßen geeignet sind.
Bei der Herstellung von kontaktlosen Chipkarten in Laminier­ technik, das bedeutet, daß eine Spulenträgerfolie auf die das Trägerelement montiert ist mit mindestens zwei Deckfolien verschweißt wird, kommt es darauf an, das einzulaminierende, als Fremdkörper anzusehende Trägerelement geometrisch so klein wie möglich zu gestalten, um ein optimales Umfließen der unter Temperatur und Druck erweichten Deckfolien um das Trägerelement herum zu ermöglichen und damit eine qualitativ hochwertige Karte ohne Einfall stellen und Druckbildverwehun­ gen das heißt also plane Oberflächen für einen nachträglichen Druck zu erreichen.
Ein typischer Aufbau für eine Chipkarte für kontaktlose An­ wendung setzt sich folgendermaßen zusammen: Die Spulenträger­ folie hat eine Dicke von etwa 200 µm, die zwei Kernfolien eine Dicke von jeweils etwa 100 µm, zwei Druckfolien auf beiden Seiten haben eine Dicke von jeweils etwa 150 µm und zwei Kratzschutzfolien eine Dicke von jeweils etwa 50 µm. Zusammen ergibt sich eine Dicke von etwa 800 µm gemäß der ISO-Norm 7816. Daraus ergibt sich eine erforderliche Trägerelementhöhe von weniger als 400 µm sowie eine kleinstmögliche Ausdehnung in der Kartenebene.
Bei einer Realisierung des aus der US 5,134,773 bekannten Trägerelements ergibt sich eine Höhe von mehr als 400 µm auf­ grund der Montage des Chips auf einer Chipinsel und der Schleifenhöhe der Bonddrähte.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Trägerelement anzuge­ ben, daß eine geringe Höhe hat sowie ein verbessertes Bruch­ verhalten.
Die Aufgabe wird durch eine Trägerelement gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Gemäß der Erfindung haben die Anschlüsse, die während der Montage des Halbleiterchips und dem Umhüllen des Chips und der Verbindungsleitungen Bestandteil eines Halterahmens, ei­ nes sogenannten Leadframes sind, einen Abschnitt geringerer Dicke derart, daß der Querschnitt nur einseitig eine Stufe aufweist. Das bedeutet, daß eine Hauptoberfläche der An­ schlüsse eben ist während die gegenüberliegende Oberfläche eine Stufe aufweist. Der Halbleiterchip ist im Bereich dieses Abschnitts angeordnet. Er kann dabei auf der Seite der Stufe als auch auf der gegenüberliegenden Seite angeordnet sein. Zweckmäßigerweise ist der Chip mit seiner aktiven Seite von den Anschlüssen weg orientiert montiert, wenn er auf der Stu­ fenseite der Anschlüsse angeordnet ist. Wenn er auf der der Stufenseite gegenüberliegenden Seite angeordnet ist, ist es von Vorteil, wenn er mit seiner aktiven Seite zu den An­ schlüssen hin orientiert montiert ist, da die Bonddrähte dann im Bereich der Abschnitte geringer Dicke mit den Anschlüssen verbunden werden können und somit die Schleifenhöhe der Bond­ drähte nicht mehr ins Gewicht fällt. In beiden Fällen ergibt sich die gewünschte Höheneinsparung.
Der Abschnitt geringer Dicke kann vorteilhafterweise durch Prägen hergestellt werden. Es sind aber auch anderer Bearbei­ tungsmethoden wie beispielsweise Fräsen denkbar. Ein Reduzie­ rung der Dicke auf 50% der nominalen Anschlußdicke ist für die meisten Fälle ausreichend.
Die größtmögliche Höheneinsparung ist durch die sogenannte Flip-Chip-Montage erzielbar, bei der der Halbleiterchip di­ rekt mit seinen Anschlußpads, die vorteilhafterweise mit Er­ höhungen, sogenannten "bumps" versehen sind, auf die An­ schlüsse gelötet oder geklebt wird. Dadurch kann auf Bond­ drähte verzichtet werden.
Der Verzicht auf eine Chipinsel hat nicht nur den Vorteil ge­ ringerer Dicke des Trägerelements sondern auch den einer bes­ sere Verankerung der Umhüllungsmasse mit den Anschlüssen, da die Umhüllungsmasse den Chip von beiden Seiten umschließen kann und eine gute Verbindung vom Chip zu den Anschlüssen be­ steht. Durch den Wegfall der Chipinsel treten auch keine Kerbwirkungskräfte mehr auf, so daß bessere Bruchfestig­ keitseigenschaften resultieren.
Aufgrund der gewünschten geringen Höhe des Trägerelements wird eine der Anschlußoberflächen freiliegen und für eine Kontaktierung zur Verfügung stehen. Für einen bestmöglichen Einbau in eine Chipkarte insbesondere in eine laminierte Chipkarte ist es von Vorteil, wenn die sich zwischen den An­ schlüssen befindende Umhüllungsmasse mit der Oberfläche der Anschlüsse fluchtet.
Die Anschlüsse können über die Abmessungen der Umhüllungs­ masse hinaus ragen und dort Kontaktfahnen für Antennenan­ schlüsse bilden. Dies ist für eine Montage von Vorteil, bei der die Antennenspule auf einer Trägerfolie aufgebracht ist. Die Trägerfolie weist vorteilhafterweise eine Aussparung oder Ausnehmung auf, in der die Umhüllungsmasse zu liegen kommt, während die Anschlüsse bzw. in diesem Fall, die Kontaktfahnen auf der Spulenträgerfolie auf Spulenanschlüssen zum liegen kommen.
Es ist jedoch ebenso möglich, die Anschlüsse nur im Bereich der Umhüllungsmasse vorzusehen, was den Vorteil hat, ein sol­ ches Trägerelement auch nachträglich in eine bereits lami­ nierten Karte, die allerdings eine Aussparung aufweist, ein­ gesetzt werden kann. Zweckmäßigerweise werden die Enden der Antennenspule in dieser Aussparung liegen, um auf einfache Weise mit den Trägerelementanschlüssen beispielsweise durch Kleben oder Löten oder auch durch federnde Verbindungsteile verbunden werden zu können.
Ein Trägerelement, daß lediglich solche Kontaktflächen statt über den Rand hinausragende Kontaktfahnen aufweist kann aber auch direkt auf eine Spulenträgerfolie aufgebracht werden. In diesem Fall sollte die entsprechende Kernfolie des Kartenla­ minats eine Aussparung aufweisen.
Die Kontaktfahnen können vorteilhafterweise ein verbreitertes Ende aufweisen, um besser mit Anschlüssen von gewickelten Spulen verbunden werden zu können.
Eine besonders gute Verankerung der Umhüllungsmasse mit den Anschlüssen wird erreicht, wenn die Anschlüsse im rechten Winkel zum Chip hin gebogen sind und somit die abgewinkelten Bereiche in der Umhüllungsmasse liegen. Wenn die Anschlußfah­ nen nochmals im rechten Winkel, vorzugsweise in die andere Richtung gebogen sind, ergibt sich eine noch bessere Veranke­ rung. Außerdem entstehen auf diese Weise weitere Kontaktflä­ chen, die für eine alternative Montage genützt werden können.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispie­ len mit Hilfe von Figuren näher erläutert. Dabei zeigen
Fig. 1-6 verschiedene Ausführungsformen eines erfindungsge­ mäßen Trägerelements im Querschnitt,
Fig. 7 ein Trägerelement mit Kontaktfahnen zur Montage auf einer Spulenträgerfolie und
Fig. 8 ein Trägerelement mit Kontaktflächen zur Montage auf einer Spulenträgerfolie oder direkt in einer Chipkarte.
Fig. 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Trägerelement im Quer­ schnitt, wie er in Fig. 7 angedeutet ist. Zwei Anschlüsse 1 sind entlang gegenüberliegenden Rändern des Trägerelements angeordnet. Sie dienen einerseits als Auflagefläche für einen Halbleiterchip 2 und andererseits zu dessen Kontaktierung von außerhalb des Trägerelements. Zu diesem Zweck sind sie mit dem Halbleiterchip 2 über Bonddrähte 4 verbunden. Der Halb­ leiter 2 ist mit den Anschlüssen 1 mit einem Klebemittel 3 mechanisch verbunden. Der Halbleiterchip 2 und die Bonddrähte 4 sind mit einer Umhüllungsmasse 5 vergossen oder umspritzt. Die Umhüllungsmasse 5 hat in vorteilhafterweise eine helle Farbe, die nicht wie auf dem Markt üblicherweise erhältliche schwarze Massen durch die Schichten einer Chipkarte durch­ scheint.
Wie in Fig. 7 zu sehen ist, sind die Anschlüsse 1 in vor­ teilhafter Weise im Bereich diagonal er Ecken des Trägerele­ ments angeordnet, um eine gleichmäßige und ausbalancierte Un­ terlage für den Halbleiterchip 2 während der Montage zu bie­ ten. Die Anschlüsse 1 sind zum Zweck der Montage mit einem sie haltenden Rahmen, einen sogenannten Leadframe, verbunden und werden nach der Montage des Chips und dem Umspritzen bzw. Vergießen aus diesem ausgestanzt. In den dargestellten Bei­ spielen sind nur zwei Anschlüsse 1 vorgesehen, da sich diese Trägerelemente vor allem für kontaktlose Chipkarten eignen. Es ist jedoch ohne weiteres möglich mehrere Anschlüsse als Kontaktflächen entsprechend der ISO-Norm 7816 vorzusehen, um auf diese Weise ein Trägerelement für kontaktbehaftete Chip­ karten zu bekommen. Wesentlich ist, daß keine Chipinsel vor­ handen ist. Hierdurch werden einerseits Kerbwirkungskräfte vermieden und andererseits kann die Umhüllungsmasse 5 den ge­ samten Chip 2 umhüllen und so eine bessere Haftung der An­ schlüsse 1 am Trägerelement bewirken, da sie zu einem großen Teil durch die Klebeverbindung 3 gehalten werden und nicht nur aufgrund der Adhäsionskräfte zwischen der Umhüllungsmasse 5 und den Anschlüssen 1.
Eine noch bessere Verankerung der Anschlüsse 1 wird erzielt, wenn diese abgewinkelt werden, wie dies in Fig. 2 darge­ stellt ist. Ein erster Abschnitt 1c der Anschlüsse 1 ist in einem etwa rechten Winkel zum Chip 2 hin gebogen. In Weiter­ bildung kann ein zweiter Abschnitt 1d ebenfalls in einem etwa rechten Winkel in die andere Richtung gebogen werden. Hier­ durch entsteht eine weitere von außen zugängliche Kontaktflä­ che, so daß ein solches Trägerelement auch für sogenannte Kombikarten geeignet ist, da es von einer Seite mit einer Spule verbunden werden kann und von der anderen Seite durch ein Lesegerät kontaktiert werden kann. Hierfür sind jedoch mehr als zwei Anschlüsse nötig. Es würde allerdings genügen, nur zwei abzuwinkeln.
Neben der fehlenden Chipinsel ist der Hauptaspekt des erfin­ dungsgemäßen Trägerelements in einem Abschnitt 1a der An­ schlüsse 1 zu sehen, der gegenüber der Nominaldicke eine ge­ ringere Dicke aufweist, wobei jedoch eine Stufe im Quer­ schnitt nur auf einer Seite der Anschlüsse 1 ist. Hierdurch kann die Gesamthöhe des Trägerelements um etwa die Hälfte der Anschlußdicke reduziert werden, wenn der Halbleiterchip 2 im Bereich dieser Abschnitte mit geringerer Dicke 1a plaziert wird. Da diese Abschnitte 1a klein gehalten werden können werden die mechanischen Eigenschaften der Anschlüsse 1 nicht beeinträchtigt.
In den Fig. 1 und 2 ist der Halbleiterchip 2 auf der Seite der Querschnittstufe der Anschlüsse 1 angeordnet, wobei die aktive Seite des Halbleiterchip 2, also die Seite, die die integrierten Schaltungen aufweist, von den Anschlüssen 1 weg orientiert ist. Die Fig. 3 und 4 zeigen Varianten, in de­ nen der Halbleiterchip 2 auf der der Querschnittstufe gegen­ überliegenden Seite der Anschlüsse 1 angeordnet ist, wobei die aktive Seite zu den Anschlüssen 1 hin orientiert ist. Die Bonddrähte 4 sind dabei erfindungsgemäßer Weise auf die Ab­ schnitte mit geringerer Dicke 1a geführt, so daß durch die Schleifenhöhe der Bonddrähte keine zusätzliche Höhe des Trä­ gerelements bereitgestellt werden muß. Eine weitere Höhenein­ sparung kann erzielt werden, wenn die Chiprückseite nicht mit Umhüllungsmasse 5 versehen wird, wie dies in Fig. 4 darge­ stellt ist. Dies ist möglich, da die aktive Seite des Halb­ leiterchip 2 zu den Anschlüssen 1 hin orientiert ist.
Die Fig. 5 und 6 zeigen weitere Montagevarianten, in denen der Halbleiterchip 2 in der sogenannten Flip-Chip-Technik mit den Anschlüssen 1 verbunden ist. Die Anschlußpads des Chip 2 sind dabei direkt mit den Anschlußabschnitten mit geringerer Dicke 1a verbunden. Sie können zuvor mit leitenden Erhöhungen 6, sogenannten "bumps" oder Löthöckern versehen werden. Die geringste Höhe hat das Trägerelement gemäß Fig. 6, bei dem der Halbleiterchip 2 in Flip-Chip-Technik in Bereich der Ab­ schnitte geringerer Dicke 1a montiert ist und die Chiprück­ seite unbedeckt von Umhüllungsmasse 5 bleibt.
Fig. 7 zeigt eine mögliche Einbauvariante eines erfindungs­ gemäßen Trägerelements in eine Trägerfolie 7 für eine Anten­ nenspule 8. Das Trägerelement weist Anschlüsse 1 mit Kontakt­ fahnen auf, also Anschlüsse 1, die über den Rand der Umhül­ lungsmasse 5 hinausragen. Die Kontaktfahnen weisen verbrei­ terte Enden 1b auf, um eine bessere Kontaktierung mit den Spulenanschlüssen 10 zu ermöglichen. Bei der Montage wird die Umhüllungsmasse 5 in eine Aussparung 9 der Trägerfolie 7 ein­ gesetzt, wobei die Kontaktfahnen 1 mit den Spulenanschlüssen 10 in Kontakt kommen. Diese Montagevariante ermöglicht einen besonders planen Einbau eines Trägerelements in eine lami­ nierte Karte.
Die Fig. 8 zeigt eine Variante, bei der die Anschlüsse 1 als Kontaktflächen (die in der Figur nicht zu sehen sind, da sie auf der Unterseite des Trägerelements liegen) ausgebildet sind. Es ist angedeutet, daß die über den Rand der Umhül­ lungsmasse 5 hinausragende Abschnitte entfernt wurden, bei­ spielsweise bereits beim Ausstanzen aus dem Leadframe. Das Trägerelement wird auf die Spulenträgerfolie 7 aufgesetzt und mit den Spulenanschlüssen 10 kontaktiert. Um eine plane Chip­ kartenoberfläche zu erhalten muß die obere Kernfolie des Chipkartenlaminats eine Aussparung aufweisen.
Diese Ausführungsform des Trägerelement läßt sich allerdings auch nachträglich in eine bereits laminierte oder auch gegos­ sene Karte 11 einsetzen, die hierzu eine Aussparung 12 auf­ weist. In der Aussparung 12 sind die Spulenanschlüsse 10 zu sehen, die durch diese bevorzugte Lage eine einfache Kontak­ tierung mit den Trägerelementanschlüssen 1 ermöglichen.
Dieser nachträgliche Einbau eines Trägerelements in eine Chipkarte 11 ermöglicht in einfacher Weise die Herstellung einer sogenannten Kombikarte, die einerseits Kontaktflächen zur Kontaktierung mit einem Lesegerät aufweist, die an einer Oberfläche der Chipkarte 11 liegen und andererseits eine Spu­ le 8 enthält. Hierfür ist ein Trägerelement gemäß Fig. 2 be­ sonders geeignet.

Claims (12)

1. Trägerelement für einen Halbleiterchip (2) mit zumindest zwei Anschlüssen (1) insbesondere zum Einbau in Chipkarten (11) mit den Merkmalen:
  • - das Element weist eine den Halbleiterchip (2) umhüllende und schützende Umhüllungsmasse (5) auf,
  • - die Anschlüsse (1) sind an einer der Hauptoberflächen der Umhüllungsmasse (5) entlang nur zweier entgegengesetzter Kanten angeordnet,
  • - die Anschlüsse (1) sind aus leitfähigem Material und haben an den einander zugewandten Enden (1a) eine verringerte Dicke, wobei der Querschnitt nur einseitig eine Stufe auf­ weist,
  • - der Halbleiterchip (2) ist im Bereich dieses Abschnittes verringerter Dicke (1a) auf den Anschlüssen (1) angeordnet und mit diesen mechanisch verbunden.
2. Trägerelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die freiliegende An­ schlußoberfläche mit der Oberfläche der Umhüllungsmasse (5) fluchtet.
3. Trägerelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlüsse (1) nur im Bereich der Umhüllungsmasse (5) verlaufen und dort Kon­ taktflächen bilden.
4. Trägerelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlüsse (1) über den Rand der Umhüllungsmasse (5) hinausragen und Kontaktfah­ nen bilden.
5. Trägerelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktfahnen (1) ein verbreitertes Ende (1b) aufweisen.
6. Trägerelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterchip (2) mit seiner die Schaltungsstrukturen aufweisenden Seite zu den Anschlüssen (1) hin orientiert auf diesen angeordnet ist.
7. Trägerelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterchip (2) auf der die Querschnittsstufe aufweisenden Seite der An­ schlüsse (1) angeordnet ist.
8. Trägerelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanischen Ver­ bindungen auch als elektrische Verbindungen (6) fungieren.
9. Trägerelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Ver­ bindungen durch Bonddrähte (4) realisiert sind.
10. Trägerelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterchip (2) mit seiner die Schaltungsstrukturen aufweisenden Seite von den Anschlüssen (1) weg orientiert auf der die Querschnitts­ stufe aufweisenden Seite der Anschlüsse (1) angeordnet ist und die elektrischen Verbindungen durch Bonddrähte (4) reali­ siert sind.
11. Trägerelement nach einem der vorhergehenden Anschlüsse, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlüsse in etwa einem rechten Winkel zum Halbleiterchip (2) hin gebogen sind.
12. Trägerelement nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlüsse eine weitere Abwinkelung von etwa einem rech­ ten Winkel vom Halbleiterchip (2) weg aufweisen.
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