DE19920444B4 - Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbausteins sowie Halbleiterbaustein - Google Patents
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Abstract
Verfahren
zum Herstellen eines Halbleiterbausteins (P), der mehrere Halbleiterchips
(2) aufweist, mit den folgenden Schritten:
(a) Aufbringen eines Zwischenklebebandes (8) als Puffer zu einem benachbarten Halbleiterchip (2) im Bereich eines Endes des Halbleiterchips (2) auf dessen Oberfläche, um einen festen Abstand zu einem nachfolgend einzusetzenden Halbleiterchip (2) zu gewährleisten,
(b) Nachfolgendes Einsetzen des Halbleiterchips (2) mit einem anderen Ende in einen Graben (6) einer mehrere Gräben (6) aufweisenden Leiterplatte (1),
(c) Verbinden von in einem der Leiterplattenoberfläche benachbarten Bereich des Halbleiterchips (2) angeordneten Bondflecken (11) mit benachbart zum eingesetzten Halbleiterchip (2) auf der Leiterplatte (1) angeordneten Kontaktflecken (12), wobei leitende Elemente (3, 17) mit den Bondflecken (11) und den Kontaktflecken (12) verbunden werden,
(d) Ausführen der Schritte (a), (b) und (c) für jeden der mehreren Halbleiterchips (2) des Halbleiterbausteins (P), und
(e) Einkapseln der Halbleiterchips (2) und der leitenden Elemente (3) mit einem Einkapselungskörper...
(a) Aufbringen eines Zwischenklebebandes (8) als Puffer zu einem benachbarten Halbleiterchip (2) im Bereich eines Endes des Halbleiterchips (2) auf dessen Oberfläche, um einen festen Abstand zu einem nachfolgend einzusetzenden Halbleiterchip (2) zu gewährleisten,
(b) Nachfolgendes Einsetzen des Halbleiterchips (2) mit einem anderen Ende in einen Graben (6) einer mehrere Gräben (6) aufweisenden Leiterplatte (1),
(c) Verbinden von in einem der Leiterplattenoberfläche benachbarten Bereich des Halbleiterchips (2) angeordneten Bondflecken (11) mit benachbart zum eingesetzten Halbleiterchip (2) auf der Leiterplatte (1) angeordneten Kontaktflecken (12), wobei leitende Elemente (3, 17) mit den Bondflecken (11) und den Kontaktflecken (12) verbunden werden,
(d) Ausführen der Schritte (a), (b) und (c) für jeden der mehreren Halbleiterchips (2) des Halbleiterbausteins (P), und
(e) Einkapseln der Halbleiterchips (2) und der leitenden Elemente (3) mit einem Einkapselungskörper...
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbausteins, insbesondere eines Halbeiterbausteins ultrahoher Dichte mit intregrierten Schaltungen sowie einen derartigen Halbleiterbaustein.
- Techniken zum Herstellen von integrierte Schaltungen enthaltenden Halbleiterbausteinen wurden u. a. dahingehend entwickelt, die Bausteine immer kleiner auszubilden. Während durch Integrationstechniken inzwischen mehrere Millionen Schaltungselemente auf einem einzelnen Chip in einer Fläche hergestellt werden, gehen die Baustein-Herstelltechniken dahin, auch dreidimensional hohe Packungsdichte zu erzielen.
- Die
1A ,1B und2B veranschaulichen einen bekannten Halbleiterbaustein erhöhter Speicherkapazität mit einem Stapel T dünner Bausteine P mit kleiner Kontur (TSOP = Thin Small Outline Package). Dieser Baustein wird wie folgt hergestellt. - Als Erstes werden zwei TSOPs P bereitgestellt, und dann werden die Außenzuleitungen
18 derselben geradegerichtet und beschnitten. Wie es in2 dargestellt ist, werden die zwei TSOPs P mittels eines Polyimidklebers19 so miteinander verklebt, dass ihre Außenzuleitungen18 jeweils in dieselbe Richtung zeigen. Um die abgeschnittenen Enden der Außenzuleitungen18 anzuschließen, werden Stapelschienen21 mit Löchern20 bereitgestellt. Diese Löcher20 und die Enden der Außenzuleitungen18 an den TSOPs P werden ausgerichtet, und dann werden die Außenzuleitungen18 in die Löcher20 eingeführt. Obere Teile jeder Schiene21 werden mit der Oberfläche des obersten TSOP P mit dem genannten Kleber19 verbunden, um eine Bewegung der Schienen21 zu verhindern. Auf die oberen Teile der Löcher20 wird Lötmittelpaste aufgetragen und erwärmt, um die Schienen21 mit den Außenzuleitungen18 zu verbinden. Durch diesen Prozess sind zwei TSOPs mechanisch und elektrisch zu einem Stapelbaustein mit verdoppelter Speicherkapazität zusammengefasst. Durch die beschriebene Vorgehensweise sind so viele TSOPs P miteinander verbindbar, wie dies erforderlich ist, um eine gewünschte Speicherkapazität zu erzielen. Z. B. kann durch Aufstapeln von vier TSOPs in Form von 4M-DRAMs ein Baustein in Form eines 16M-DRAM erhalten werden. -
3 veranschaulicht einen anderen Stapelbaustein mit TAB-Einzelbausteinen, wie inUS 5,198,888 A offenbart. - Jedoch bestehen bei den bekannten Stapelbausteinen verschiedene Probleme dahingehend, dass der Stapel schwer ist, eine große Anzahl von Verbindungen herzustellen ist und die Ver bindungen schwach sind, was die mechanische Zuverlässigkeit verringert. Ferner bewirkt die relativ lange Signalleitung, die zum Anschließen der Bondflecke eines Chips
2' zu einer PCB erforderlich ist, eine Beeinträchtigung der elektrischen Zuverlässigkeit, so dass es beim Realisieren eines mit hoher Geschwindigkeit arbeitenden Bauteils zu Signalverzögerungen, Übersprechen, Störsignalen und dergleichen kommt. Die zahlreichen erforderlichen Bondschritte führen zu Materialverzerrungen und einer Beeinträchtigung der Zwischenflächen-Bondkraft zwischen einem Chip2' und dem einkapselnden Körper. Fehlerhaftes Auftragen der Lötmittelpaste22 führt zu verkleinerten Abständen zwischen Zuleitungen und zu fehlerhafter Isolierung. Außerdem ist durch die gesonderten Schienen21 , die gesonderten Ausrichtungsprozesse für die verschiedenen TSOPs, die Ausrichtprozesse zwischen den Zuleitungen und den Löchern und das Ankleben des obersten TSOP an die Schienen ein komplizierter Herstellprozess bedingt. Auch sind zum Ausführen dieser zusätzlichen Verfahrensschritte zusätzliche Anlagen, hinausgehend über die, die zum Herstellen der einzelnen Bauteile benötigt werden, erforderlich. - Die JP 62-293749 A beschreibt eine dreidimensionale Befestigungsstruktur für eine Halbleitervorrichtung, die eine erste und zweite Leiterplatte sowie eine Mehrzahl von Halbleiterchips aufweist, die mit ihren Endabschnitten in Nutenabschnitten der Halbleiterplatten aufgenommen sind und die im wesentlichen rechtwinklig zu den Leiterplatten angeordnet sind. Lötflecken auf den Leiterplatten und Lötflecken auf den Halbleiterchips werden miteinander verlötet, um Kontaktflecken auf den Halbleiterchips mit Kontaktflecken auf den Leiterplatten miteinander zu verbinden. Um die entsprechenden Kontaktflecken auf den Halbleiterchips und auf den Leiterplatten miteinander auszurichten, werden die Halbleiterplatten durch eine kammförmige Schablonenvorrichtung ausgerichtet und entsprechend zu den Leiterplatten positioniert.
- Die
DE 197 25 464 A1 beschreibt ein Halbleiterchip-Stapelgehäuse mit einer Vielzahl von parallel zueinander angeordneten Halbleiterchips auf deren einer Hauptoberfläche jeweils Chip-Anschlußfelder vorgesehen sind, von denen aus sich eine Vielzahl von Drähten zu einer Seite des Halbleiterchips erstrecken. Zwischen den Halbleiterchips ist ein isolierender Klebstoff eingebracht, der die Bereiche zwischen den Halbleiterchips vollständig ausfüllt. An einer Seite des Halbleiterchip-Stapels wird dann unter Verwendung eines aus anisotrop leitenden Material geformten Klebstoffes ein Kontaktband angebracht, auf dem eine Vielzahl von Lotkugeln vorgesehen ist. Auf den anderen Seiten des Halbleiterchip-Stapels sind Wärmeableiter mittels Klebstoff aufgeklebt. - Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbausteins mit mehreren Halbleiterchips mit integrierten Schaltungen sowie einen Halbleiterbaustein bereitzustellen, der auf einfache Weise mit hoher mechanischer und elektrischer Zuverlässigkeit hergestellt werden kann.
- Diese Aufgabe ist hinsichtlich des Verfahrens durch die Lehre des beigefügten Anspruchs 1 und hinsichtlich des Bausteins durch die Lehre des beigefügten Anspruchs 12 gelöst.
- Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
- Die Erfindung bietet den Vorteil, daß sie ein einfaches Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbausteins mit besonders hoher Packungsdichte und extrem kurzen Signalübertragungswegen sowie einen derartigen Halbleiter baustein bereitstellt. Des Weiteren ist es vorteilhaft, daß der erfindungsgemäße Halbleiterbaustein keine Außenzuleitungen besitzt.
- Die Erfindung wird aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen, die nur zur Veranschaulichung dienen und demgemäß für die Erfindung nicht beschränkend sind, vollständiger zu verstehen sein.
-
1A ist eine Schnittansicht eines bekannten Halbleiter-Stapelbausteins; -
1B ist eine Seitenansicht des Bausteins von1A ; -
2 ist eine Vorderansicht des Bausteins von1A vor der Fertigstellung; -
3 ist eine Seitenansicht eines anderen Halbleiter-Stapelbausteins vor der Fertigstellung; -
4 ist eine perspektivische Ansicht eines Halbleiter-Stapelbausteins gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung; -
5 ist eine Schnittansicht des Bausteins von4 ; -
6A –6F veranschaulichen einen Herstellprozess für den Baustein von4 ; -
6A ist eine perspektivische Ansicht einer gedruckten Leiterplatte (PCB = Printed Circuit Board); -
6B ist eine Vorderansicht eines ersten Halbleiterchips in einem Graben der PCB der6A ; -
6C ist eine Vorderansicht zum Veranschaulichen eines Drahtbondschritts für den ersten Halbleiterchip; -
6D ist eine Vorderansicht zum Veranschaulichen eines Drahtbondschritts für einen zweiten Halbleiterchip; -
6E ist eine Vorderansicht nach den Drahtbondschritten; -
6F ist eine Vorderansicht nach Einkapselung durch ein Harz; -
6G ist eine Vorderansicht nach dem Anbringen von Lötmittelkugeln; -
7 ist eine vergrößerte perspektivische Ansicht einer Bondstelle in6C ; -
8 ist eine Schnittansicht einer Doppelwegkapillare; -
9 ist eine perspektivische Ansicht eines Halbleiter-Stapelbausteins gemäß einem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung; -
10 ist eine Schnittansicht des Bausteins von9 ; -
11 ist eine perspektivische Ansicht zum Veranschaulichen eines Einkapselungsprozesses für einen Kugelbondteil beim Baustein der9 ; -
12 ist eine andere perspektivische Ansicht des Bausteins von10 ; -
13 ist eine perspektivische Ansicht eines Halbleiter-Stapelbausteins gemäß einem dritten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung; -
14 ist eine Schnittansicht des Bausteins der13 ; -
15A –15H veranschaulichen einen Herstellprozess für den Baustein der13 ; -
15A zeigt eine PCB; -
15B ist eine perspektivische Ansicht eines ersten Halbleiterchips auf der PCB in Bereitschaft für einen Drahtbondschritt; -
15C ist eine perspektivische Ansicht des ersten Halbleiterchips nach dem Drahtbondschritt; -
15D ist eine perspektivische Ansicht zum Veranschauli chen eines Drahtbondschritts für einen zweiten Halbleiterchip, nachdem der erste Chip umgedreht wurde; -
15E ist eine Vorderansicht zum Veranschaulichen der Verbindung zwischen Chips; -
15F veranschaulicht Vorbereitungen zum Zusammendrücken der Chips in15E , um diese zu verbinden; -
15G ist eine perspektivische Ansicht zum Einkapseln der Chips in15E ; -
15H is eine Vorderansicht eines Halbleiterbausteins nach dem Anbringen von Lötmittelkugeln; -
16 ist eine perspektivische Ansicht eines Halbleiter-Stapelbausteins gemäß einem vierten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung; -
17 ist eine Schnittansicht des Bausteins von16 ; -
18 ist eine perspektivische Ansicht zum Veranschaulichen des Einkapselns des Bausteins von16 ; und -
19 ist eine perspektivische Ansicht zum Veranschaulichen der Wärmeabfuhr beim Baustein der16 . - Gemäß den
4 und5 beinhaltet ein Halbleiterbaustein P1 gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel eine PCB1 , in der eine elektrische Schaltung ausgebildet ist, mehrere Halbleiterchips2 , die mit festem Abstand voneinander beabstandet sind und senkrecht stehend auf der PCB1 befestigt sind, sowie Goldkugeln3 . Die Goldkugeln3 sind leitende Verbindungselemente zum Anschließen von Bondflecken an jedem Chip2 mit Kontaktflecken auf der PCB1 . Ein Einkapselungs körper4 dient zum Einkapseln der Chips2 und der leitenden Verbindungselemente über der PCB1 . An der Unterseite der PCB1 sind Lötmittelkugeln5 für externe Anschlüsse vorhanden, um die Halbleiterchips2 über die elektrische Schaltung in der PCB1 anzuschließen. - Die PCB
1 verfügt über Gräben6 zum Einsetzen der Chips2 in solcher Weise, dass sie senkrecht auf der PCB1 stehen. Vorzugsweise wird am Boden eines Grabens6 ein Bondklebeband7 angebracht. Die Tiefe von der Oberseite des am Boden des Grabens6 angebrachten Bondklebebands7 bis zum Einlass in den Graben6 sollte vorzugsweise identisch mit dem Abstand von einem Rand des Halbleiterchips2 bis zu einem Bondfleck11 am Chip2 sein, so dass die Bondflecke11 freiliegen, wenn die Halbleiterchips befestigt sind. D. h., dass jeder von mehreren in der Oberseite der PCB1 ausgebildeten Gräben6 das untere Ende eines jeweiligen Chips2 aufnimmt, wobei die Tiefe jedes Grabens, unter Berücksichtigung der Höhe des angebrachten Druckbond-Klebebands7 vorzugsweise 180 – 420 μm beträgt. Ein Druckbond-Klebeband7 aus Polyimid weist nach dem Zusammendrücken eine Dicke von 80 – 120 μm auf. Ein Zwischenchip-Klebeband8 zwischen den Chips2 dient als Puffer, der unmittelbaren Kontakt zwischen Chips2 verhindert. Das Druckbond-Klebeband7 und das Zwischenchip-Klebeband8 , die an beiden Flächen kleben, können aus demselben Material bestehen, oder sie können, in Anbetracht der Kosten aus verschiedenen Materialien bestehen, da die Klebekraft zwischen den Chips geringer als die Druckbond-Klebekraft sein kann. - Nun wird die Herstellung des Halbleiterbausteins P1 unter Bezugnahme auf die
6A bis6F beschrieben. Eine PCB1 wird so bereitgestellt, wie sie in6A dargestellt ist. Diese PCB1 wird auf einer Vorwärmplatte100 angebracht, um einen Halbleiterchip2 und die PCB1 zu erwärmen. Der vorgewärmte Chip2 wird in einen Graben6 in der Oberseite der Platte1 vertikal eingesetzt, und auf den Chip2 wird eine obere Druckausübungsplatte10b aufgesetzt. Diese Platte10b drückt auf den Chip2 , um ihn mit dem Druckbond-Klebeband7 im zugehörigen Graben6 zu verbinden. Die Vorwärmtemperatur für das Druckbond-Klebeband7 beträgt 200°C, und die Spitzentemperatur zum Härten beträgt 400°C. - Bondflecke
11 am Halbleiterchip2 sowie Kontaktflecke12 an der Platte werden durch Goldkugeln3 , die als Verbindungselemente wirken, verbunden, wobei eine Drahtbondkapillare9a dazu verwendet wird, um die Goldkugeln unter ungefähr 45° in Bezug auf die Plattenfläche auf die Platte aufzubringen. Wie es in den6B bis6F dargestellt ist, erfolgen, um Wechselwirkungen beim Vorschieben und Zurückziehen der Kapillare9a beim Anbonden der Goldkugeln3 zu vermeiden, der Druckbondschritt und der Kugelbondschritt für jeden der Chips2 einzeln aufeinanderfolgend ausgehend von einer Seite der PCB1 ausgeführt. D. h., dass nach dem Beenden der Druckbond- und Kugelbondschritte für einen ersten Chip2 diese Schritte für jeweils einen nächsten Chip2 wiederholt ausgeführt werden, entsprechend der Anzahl aufzustapelnder Chips2 . Wie es in6D dargestellt ist, werden für jeden der Chips2 eine rechte und eine linke Druckausübungsplatte10a angebracht, um die Chips2 zu halten und zu verhindern, dass sie durch eine von der Kapillare9a ausgeübte horizontale Komponente einer Druckkraft einknicken. - Wie es in
7 dargestellt ist, verbindet die Goldkugel3 aus der Kapillare9a beim Kugelbondschritt den Bondfleck11 am Chip2 mit dem Kontaktfleck12 auf der PCB. Bei Abschluss der Druckbond- und Kugelbondschritte für alle Chips2 auf der PCB1 werden die linke und die rechte Druckausübungsplatte10a dazu verwendet, von beiden Seiten Druck auf die Chips2 auszuüben. Mittels dieser Platten erfolgt durch ein Zwischenchip-Klebeband8 , das vorab auf den oberen Teil der Chips2 aufgebracht wurde, eine Verbindung zwischen den Chips. Nach diesen Bondschritten werden die Chips2 und die Goldkugeln3 durch ein Einkapselungsharz eingekapselt, das einen Einkapselungskörper4 zum Schützen der Chips, der Goldkugeln und der durch die Kugeln verbundenen Teile bildet. Beim ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel füllt das Einkapselungsharz Zwischenräume zwischen den Chips2 aus. - Nach Abschluss der Einkapselung für die Chips
2 und die durch die Kugeln angeschlossenen Teile werden Lötmittelkugeln5 an der Unterseite der Platte angebracht. Diese Lötmittelkugeln5 werden vorzugsweise in der letzten Stufe an der Platte1 angebracht, da dann, wenn sie vorab angebracht würden, das Vergießen und das Bandbonden sowie die Handhabung schwierig wären, da sie einen niedrigen Schmelzpunkt im Bereich von 185°C aufweisen. So werden Signale vom Baustein P1, der vorzugsweise ein Baustein ultrahoher Dichte mit integrierten Schaltungen ist, an die Lötmittelkugeln5 an seiner Unterseite und anschließend an eine (nicht dargestellte) Hauptplatine, an der der Baustein angebracht wird, mittels metallischer Leitungen (nicht dargestellt) an der Oberseite der Platte und Schaltungen innerhalb derselben übertragen. - Gemäß
8 gibt eine Doppelwegkapillare9b gleichzeitig zwei Golddrähte aus, um das Volumen der Goldkugeln3 zu erhöhen. - Gemäß den
9 und10 beinhaltet ein Halbleiterbaustein P2 gemäß dem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung eine PCB1 , in der eine elektrische Schaltung ausgebildet ist, mehrere Halbleiterchips2 , die mit festem Abstand im Wesentlichen senkrecht stehend auf der PCB1 befestigt sind, sowie Goldkugeln3 . Die Goldkugeln3 sind leitende Elemente, die Bondflecken11 an jedem Chip2 mit Kontaktflecken12 auf der PCB1 verbinden. Eine Einkapselung13 dient zum Vergießen der Bondflecke11 an jedem Chip2 und der entsprechenden leitenden Verbindungselemente. Eine Wärmeabfuhrkappe15 bedeckt die PCB1 , um die Chips2 und die Einkapselung13 einzuschließen, und sie verfügt vorzugsweise im mittleren Teil ausgewählter, einander gegenüberstehender Flächen über Wärmeabfuhröffnungen14 . An der Unterseite der PCB1 sind zum elektrischen Anschließen der Halbleiterchips2 über die elektrische Schaltung in der PCB1 Lötmittelkugeln5 externer Anschlüsse (nicht dargestellt) angebracht. - Ähnlich wie das erste bevorzugte Ausführungsbeispiel beinhaltet das zweite bevorzugte Ausführungsbeispiel mehrere in der Oberfläche der PCB
1 ausgebildete Gräben6 , die jeweils das untere Ende eines Halbleiterchips2 aufnehmen und abhängig von einem am Boden des Grabens6 angebrachten Druckbond-Klebeband7 eine Tiefe von 180 – 420 μm aufweisen. Das Druckbond-Klebeband7 aus Polyamid verfügt nach dem Zusammendrücken vorzugsweise über eine Dicke von 80 – 120 μm. Ferner existiert zwischen den Chips2 ein Zwischenchip-Klebeband8 , das als Puffer zum Verhindern direkten Kontakts zwischen den Chips2 dient. Das Druckbond-Klebeband7 und das Zwischenchip-Klebeband8 , die an beiden Flächen klebend sind, können aus demselben Material bestehen, oder, angesichts der Kosten, aus verschiedenen Materialien, da die Klebekraft zwischen den Chips2 geringer als die Druckbond-Klebekraft sein kann. Die Wärmeabfuhrkappe15 besteht vorzugsweise aus Kupfer, Aluminium oder Legierungen hiervon, wobei die Oberflächen gegen Oxidation behandelt sind. Die in der Wärmeabfuhrkappe15 ausgebildeten Wärmeabfuhröffnungen14 sind so ausgebildet, dass sie mit Zwischenräumen zwischen den Halbleiterchips2 in Verbindung stehen. - Nun wird ein Baustein-Herstellverfahren für den Baustein P2 gemäß dem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben, wobei die Beschreibung für den Druckbond schritt, den Kugelbondschritt und die Verbindungsherstellung zwischen Chips weggelassen wird, da diese Prozesse denen ähnlich sind, wie sie für das erste Ausführungsbeispiel beschrieben wurden. Nach Abschluss des Kugelbondschritts und der Verbindungsherstellung zwischen Chips wird die Wärmeabfuhrkappe
15 auf die auf der PCB1 angeordneten Chips2 aufgebracht, um sie zu überdecken. - Wie es in
11 dargestellt ist, werden die Kugelbondteile dadurch geschützt, dass ein flüssiges Verkapselungsmaterial unter Verwendung einer Vergussdüse16 durch die in einer Fläche der Wärmeabfuhrkappe15 ausgebildeten Wärmeabfuhröffnungen14 eingespritzt wird. Dann wird das Verkapselungsmaterial13 ausgehärtet. So stehen beim Halbleiterbaustein P2 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung die Wärmeabfuhröffnungen14 in der Wärmeabfuhrkappe15 in Verbindung mit den Zwischenräumen zwischen den Chips2 . - Wie es in
12 unter Verwendung von Pfeilen dargestellt ist, kann durch die Wärmeabfuhröffnungen14 kalte Luft oder dergleichen strömen und die Zwischenräume zwischen den Chips durchlaufen, um diese zu kühlen, wenn sich der Baustein P2 in Betrieb befindet. Da innerhalb der Chips2 erzeugte Wärme durch direkten Wärmeaustausch mit der strömenden Kaltluft nach außen ausgegeben wird, verfügt der Baustein über erhöhtes Wärmeabfuhrvermögen. - Wenn beim Druckbondschritt beim ersten und zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel anstelle des Druckbond-Klebebands
7 eine Paste, wie ein Epoxidharz, verwendet wird, wird die Paste vor dem Druckbondschritt in die Gräben6 in der PCB1 eingebracht. In diesem Fall sollte die Paste, da ein Drahtbondprozess unmittelbar auf den Druckbondprozess folgt, so ausgewählt werden, dass sie bei Berührung und nicht erst unter Erwärmung aushärtet. - Gemäß den
13 und14 beinhaltet ein Halbleiterbaustein P3 gemäß dem dritten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung eine PCB1 , in der eine elektrische Schaltung ausgebildet ist, sowie mehrere Halbleiterchips2 , die mit festem Abstand senkrecht stehend auf der PCB1 angebracht sind. Golddrähte17 verbinden als leitende Elemente Bondflecken11 an jedem Chip2 mit Kontaktflecken12 auf der PCB1 . Ein Einkapselungskörper4 dient zum Einkapseln der Chips2 und der leitenden Verbindungselemente über der PCB1 . An der Unterseite der PCB1 sind für elektrischen Anschluss an die Chips2 über eine Schaltung in der PCB1 Lötmittelkugeln5 externer Anschlüsse (nicht dargestellt) angebracht. Ähnlich wie das erste und zweite Ausführungsbeispiel beinhaltet auch das dritte Ausführungsbeispiel mehrere in der Oberfläche der PCB1 ausgebildete Gräben6 , die jeweils das untere Ende eines Chips2 aufnehmen. Die Tiefe der Gräben6 und die Dicke und das Material des in ihnen angebrachten Druckbond-Klebebands7 sind vorzugsweise ähnlich wie beim ersten und zweiten Ausführungsbeispiel. Die Zwischenchip-Klebebänder8 zur Pufferung zwischen Chips2 und zum Verhindern direkten Kontakts zwischen diesen sind ebenfalls vorzugsweise dieselben wie beim ersten und zweiten Ausführungsbeispiel. - Nun wird ein Baustein-Herstellverfahren für den Baustein P3 gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel beschrieben. Es wird eine PCB
1 bereitgestellt, wie sie in15A dargestellt ist. Diese PCB1 verfügt über Gräben6 zum jeweiligen Ankleben eines Halbleiterchips2 im Wesentlichen rechtwinklig zur Plattenoberfläche. Am Boden jedes Grabens6 wird ein Druckbond-Klebeband7 angebracht. Wie es in15B dargestellt ist, wird die PCB1 , auf der ein erster Chip2 angebracht ist, auf eine Vorwärmplatte100 aufgebracht und für einen Drahtbondschritt erwärmt. Bondflecke11 am Halbleiterchip2 sowie Kontaktflecke12 an der PCB1 werden mit Golddrähten17 , die leitende Verbindungselemente sind, angeschlossen. Da das am Graben6 angebrachte Druckbond-Klebeband7 vorzugsweise bei einer Temperatur von 400°C aushärtet, wobei es sich um die höchste Temperatur handelt, und da der Drahtbondschritt bei einer Temperatur von 200°C ausgeführt wird, klebt keiner der Chips2 während des Drahtbondens fest am Druckbond-Klebeband7 an. - Wie es in
15C dargestellt ist, wird der erste Halbleiterchip2 bei Abschluss des Drahtbondschritts für denselben umgedreht (d. h. horizontal gewendet). Dann wird ein zweiter Chip2 aufgelegt, und der Drahtbondschritt wird ausgeführt, um die Bondflecke11 am zweiten Chip2 mit den Kontaktflecken12 an der Platte1 zu verbinden. Beim Drahtbondprozess und beim Umdrehen der angeklebten Chips, wobei diese Prozesse so häufig erfolgen, wie es der Anzahl der Chips2 entspricht, treten selbst nach dem vertikalen Ankleben der Chips2 keine Probleme wie das Abbrechen von Drähten auf, da der Golddraht17 hohe Duktilität aufweist. Bei Abschluss des Drahtbondvorgangs für alle Halbleiterchips werden diese aufrecht gestellt und erwärmt, wie es in15E dargestellt ist. Die Chips2 werden unter Verwendung einer oberen Druckausübungsplatte10b , die vorzugsweise eine Spannplatte ist, heruntergedrückt, und von links und rechts wird unter Verwendung einer linken und rechten Druckausübungsplatte10a Druck auf sie ausgeübt, wie es in15F dargestellt ist. Vorzugsweise erfolgen die Verbindung zwischen den Chips2 und die Verbindung der Chips2 auf der Platte1 gleichzeitig. - Ähnlich wie beim ersten und zweiten Ausführungsbeispiel ist die Verbindungsherstellung zwischen den Chips
2 durch das Zwischenchip-Klebeband8 erleichtert, das in den oberen Teilen der Chips2 angebracht ist. Nach Abschluss der Verbindungsherstellung zwischen den Chips2 kapselt ein Einkapse lungsharz die aufgestapelten Chips2 , die Golddrähte17 und die Bondabschnitte ein, um einen Einkapselungskörper4 zu bilden, wie er in15G dargestellt ist. Dieser Einkapselungskörper4 schützt die gestapelten Halbleiterchips2 , die Golddrähte17 und die Bondabschnitte. Beim dritten Ausführungsbeispiel füllt das Einkapselungsharz die Räume zwischen den Chips2 aus. Nach Fertigstellung der Einkapselung des Halbleiterchips2 , der Golddrähte und der Bondabschnitte werden Lötmittelkugeln5 an der Unterseite der Platte1 angebracht, wie es in15H dargestellt ist. - Gemäß den
16 und17 beinhaltet ein Halbleiterbaustein P4 gemäß dem vierten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung eine PCB1 , in der eine elektrische Schaltung ausgebildet ist, und mehrere Halbleiterchips2 , die vertikal mit festem Abstand der PCB1 angebracht sind. Golddrähte17 , die leitende Verbindungselemente bilden, verbinden Bondflecke11 an jedem Halbleiterchip2 mit Kontaktflecken12 auf der PCB1 . Eine Einkapselung13 kapselt die Bondflecke an den Chips2 und die entsprechenden leitenden Verbindungselemente ein. Eine Wärmeabfuhrkappe15 bedeckt die PCB1 , um die Chips2 und die Einkapselung13 einzuschließen. Diese Wärmeabfuhrkappe15 verfügt vorzugsweise im mittleren Teil ausgewählter, einander gegenüberstehender Flächen über Wärmeabfuhröffnungen14 . Lötmittelkugeln5 für externe Anschlüsse (nicht dargestellt) sind an der Unterseite der PCB1 angebracht, um die Chips2 über die elektrische Schaltung in der PCB1 zu verbinden. Das vierte Ausführungsbeispiel beinhaltet eine Anzahl von Gräben6 in der Oberseite der PCB1 , die jeweils das untere Ende eines Halbleiterchips2 aufnehmen. Die Tiefe eines Grabens6 , die Dicke und das Material des Druckbond-Klebebands7 und des Zwischenchip-Klebebands8 sind ähnlich wie bei den vorigen Ausführungsbeispielen. Das Druckbond-Klebeband7 und das Zwischenchip-Klebeband8 , die auf beiden Flächen kleben, können aus demselben Material be stehen, oder, angesichts der Kosten, aus verschiedenen Materialien, da die Klebekraft zwischen den Chips2 niedriger als die Druckbond-Klebekraft sein kann. Ähnlich wie beim zweiten Ausführungsbeispiel besteht die Wärmeabfuhrkappe15 vorzugsweise aus Kupfer oder Aluminium oder Legierungen hiervon, wobei die Oberflächen gegen Oxidation behandelt sind. Ferner stehen die Wärmeabfuhröffnungen14 in der Wärmeabfuhrkappe15 in Verbindung mit Zwischenräumen zwischen den Halbleiterchips2 . - Nun wird ein Baustein-Herstellverfahren für den Baustein P4 gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel beschrieben, wobei die Schritte des Druckbondens, des Drahtbondens und der Verbindungsherstellung zwischen Chips weggelassen sind, da diese Prozesse denen beim dritten Ausführungsbeispiel ähnlich sind. Nach Abschluss des Drahtbondens und der Verbindungsherstellung zwischen den Chips wird eine Wärmeabfuhrkappe
15 auf die Chips2 auf der PCB1 aufgebracht. Wie es in18 dargestellt ist, werden die Bondabschnitte durch Einspritzen eines flüssigen Verkapselungsmaterials13 unter Verwendung einer Vergießdüse16 durch die Wärmeabfuhröffnungen14 eingespritzt, und das Einkapselungsmaterial13 wird ausgehärtet. So stehen beim Baustein P4 gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel die Wärmeabfuhröffnungen14 in der Wärmeabfuhrkappe15 in Verbindung mit den Zwischenräumen zwischen den Halbleiterchips2 . - Wie es in
19 durch Pfeile dargestellt ist, kann kalte Luft durch die Wärmeabfuhröffnungen14 strömen und die Zwischenräume zwischen den Halbleiterchips durchlaufen, um diese zu kühlen, wenn sich der Baustein P4 in Betrieb befindet. Da innerhalb der Chips2 erzeugte Wärme durch direkten Wärmeaustausch mit der strömenden Kaltluft nach außen ausgegeben wird, verfügt der Baustein über erhöhtes Kühlvermögen. - Wenn beim Druckbonden beim dritten und vierten Ausführungsbeispiel eine Paste, wie Epoxidharz, anstelle des Druckbond-Klebebands
7 verwendet wird, wird die Paste vorzugsweise vor dem Ausführen des Druckbondens, das auf das Drahtbonden folgt, in die Gräben6 in der PCB1 eingebracht. In diesem Fall sollte, da ein Vorwärmprozess zum Ausführen des Drahtbondschritts existiert, die Paste für Aushärtung im Ofen statt für Aushärtung bei Berührung ausgewählt werden. - Wie oben beschrieben, verfügen die Ausführungsbeispiele über verschiedene Vorteile. Es sind Bausteine mit erhöhter Packungsdichte und mit extrem kurzen Signalübertragungspfaden erhalten. So zeigen erfindungsgemäße Bausteine kurze Ansprechzeiten bei erhöhtem Funktionsvermögen. Da nicht Einzelbausteine sondern Chips gleichzeitig mit dem Baustein-Herstellvorgang aufgestapelt werden, ist die Herstellzeit verkürzt. Da aufeinanderfolgende Druckbond- und Drahtbondschritte einen einfachen, schnellen und billigen Herstellprozess hoher Zuverlässigkeit ermöglichen, ist für geringere Kosten und höhere Herstellgeschwindigkeit gesorgt. Die Verarbeitungszeit kann demgemäß verkürzt werden und die Produktivität kann erhöhte werden. Außerdem ist das Wärmeabfuhr-Vermögen verbessert, da Wärme durch Konvektion durch Chipoberflächen und einem kühlenden Gas oder einer kühlenden Flüssigkeit mittels einer Wärmeabfuhrkappe abgeführt wird.
Claims (19)
- Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbausteins (P), der mehrere Halbleiterchips (
2 ) aufweist, mit den folgenden Schritten: (a) Aufbringen eines Zwischenklebebandes (8 ) als Puffer zu einem benachbarten Halbleiterchip (2 ) im Bereich eines Endes des Halbleiterchips (2 ) auf dessen Oberfläche, um einen festen Abstand zu einem nachfolgend einzusetzenden Halbleiterchip (2 ) zu gewährleisten, (b) Nachfolgendes Einsetzen des Halbleiterchips (2 ) mit einem anderen Ende in einen Graben (6 ) einer mehrere Gräben (6 ) aufweisenden Leiterplatte (1 ), (c) Verbinden von in einem der Leiterplattenoberfläche benachbarten Bereich des Halbleiterchips (2 ) angeordneten Bondflecken (11 ) mit benachbart zum eingesetzten Halbleiterchip (2 ) auf der Leiterplatte (1 ) angeordneten Kontaktflecken (12 ), wobei leitende Elemente (3 ,17 ) mit den Bondflecken (11 ) und den Kontaktflecken (12 ) verbunden werden, (d) Ausführen der Schritte (a), (b) und (c) für jeden der mehreren Halbleiterchips (2 ) des Halbleiterbausteins (P), und (e) Einkapseln der Halbleiterchips (2 ) und der leitenden Elemente (3 ) mit einem Einkapselungskörper (4 ;13 ,15 ) zu einem Baustein. - Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch das Anbringen externer Anschlüsse (
5 ) an der Unterseite der Leiterplatte (1 ). - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterchips (
2 ) und die Bondabschnitte so eingekapselt werden, dass sie nicht freiliegen. - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Einkapselungskörper (
4 ;13 ,15 ) eine Wärmeabfuhrkappe (15 ) umfasst, die über Öffnungen (14 ) verfügt, die die Halbleiterchips (2 ) zugänglich lassen. - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch das Anbringen eines zweiten Klebebands (
7 ) am Boden der Gräben (6 ). - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefe der Gräben (
6 ) so hergestellt wird, dass sie dem Abstand von einem Rand eines Halbleiterchips (2 ) zu den Bondflecken (11 ) am Halbleiterchip (2 ) entspricht, wobei die Bondflecke (11 ) benachbart zu den Kontaktflecken (12 ) freiliegen, wenn der Halbleiterchip (2 ) durch Druckbonden angebracht ist. - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Bondschritt folgendes aufweist: – Vorerwärmen der Leiterplatte (
1 ) zusammen mit einem der aufzustapelnden Halbleiterchips (2 ) und – vertikales Einsetzen des vorerwärmten Halbleiterchips (2 ) in einen von mehreren Gräben (6 ) in der Oberseite der Leiterplatte (1 ); und – Herunterdrücken des Halbleiterchips (2 ), um ihn mit einem Druckbond-Klebeband (7 ) zu verbinden, das in einem jeweiligen Graben (6 ) angebracht wurde. - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kugelbondkapillare (
9a ), die zur Verbindungsherstellung zwischen Bondflecken (11 ) an einem Halbleiterchip (2 ) und Kontaktflecken (12 ) an der Leiterplatte (1 ) durch Ausbilden leitender Kugeln (3 ) dient, unter einem Winkel von 45° zur Leiterplatte (1 ) zu dieser vorgeschoben wird. - Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugelbondkapillare (
9a ) eine Doppelwegekapillare (9b ) ist. - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterchips (
2 ) jeweils flach auf der gedruckten Leiterplatte (1 ) mittels Golddrähten (17 ) kontaktiert werden und nach Abschluss des Drahtbondvorgangs für alle Halbleiterchips (2 ) rechtwinklig aufgestellt werden. - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch Anwenden von Wärme und Druck auf die Halbleiterchips (
2 ), um eine Verbindung zwischen den Halbleiterchips (2 ) und eine Druckbondverbindung zwischen den Halbleiterchips (2 ) und der Leiterplatte (1 ) herzustellen. - Halbleiterbaustein (P) mit: – einer mehrere Gräben (
6 ) aufweisenden Leiterplatte (1 ), in der eine elektrische Schaltung ausgebildet ist, – mehreren Halbleiterchips (2 ), die senkrecht auf der Leiterplatte (1 ) stehen und mit einem Ende in den Gräben (6 ) aufgenommen sind, wobei ein Zwischenchipklebeband (8 ) nur zwischen den anderen Enden der Halbleiterchips (2 ) vorgesehen ist, das als Puffer einen Kontakt zwischen benachbarten Halbleiterchips (2 ) auf der Leiterplatte (1 ) verhindert, – leitenden Elementen (3 ), die jeweils Bondflecke an jedem Halbleiterchip (2 ) mit Kontaktflecken auf der Leiterplatte (1 ) verbinden; und – einem Einkapselungskörper (4 ;13 ,15 ), der die Halbleiterchips (2 ) und die leitenden Elemente (3 ,17 ) über der Leiterplatte (1 ) zu einem Baustein einkapselt. - Baustein nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch Anschlüsse an der Unterseite der Leiterplatte (
1 ), die über die elektrische Schaltung in der Leiterplatte (1 ) elektrisch mit den Halbleiterchips (2 ) verbunden sind. - Baustein nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlüsse Lötmittelkugeln (
5 ) aufweisen. - Baustein nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren Gräben (
6 ) in der Leiterplatte (1 ) einen festen, gegenseitigen Abstand aufweisen. - Baustein nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass sich auf dem Boden der Gräben (
6 ) in der Leiterplatte (1 ) ein Druckbond-Klebeband (7 ) und/oder eine Druckbondpaste befinden. - Baustein nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die leitenden Elemente Goldkugeln (
3 ) sind und die Tiefe der Gräben (6 ) dem Abstand von einem Rand eines Halbleiterchips (2 ) zu einem Bondfleck (11 ) am Halbleiterchip (2 ) entspricht. - Baustein nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Einkapselungskörper (
4 ;13 ,15 ) Folgendes aufweist: – ein Einkapselungsmaterial (4 ,13 ), das die Bondflecke (11 ) und die lei tenden Elemente (3 ,17 ) einkapselt und – eine an der Leiterplatte (1 ) angebrachte Wärmeabfuhrkappe (15 ), die die Halbleiterchips (2 ) und das Einkapselungsmaterial (4 ,13 ) einschliesst. - Baustein nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeabfuhrkappe (
15 ) aus Kupfer, Aluminium oder einer Legierung hiervon besteht, wobei die Oberfläche der Kappe gegen Oxidation behandelt ist und sie an ausgewählten, einander gegenüberstehenden Flächen Wärmeabfuhröffnungen (14 ) aufweist.
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