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DE69312411T2 - Ballkontaktierung für Flip-Chip-Anordnungen - Google Patents

Ballkontaktierung für Flip-Chip-Anordnungen

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DE69312411T2
DE69312411T2 DE69312411T DE69312411T DE69312411T2 DE 69312411 T2 DE69312411 T2 DE 69312411T2 DE 69312411 T DE69312411 T DE 69312411T DE 69312411 T DE69312411 T DE 69312411T DE 69312411 T2 DE69312411 T2 DE 69312411T2
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DE
Germany
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ball
matrix
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semiconductor device
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DE69312411T
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Anthony M Chiu
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Texas Instruments Inc
Original Assignee
Texas Instruments Inc
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Publication date
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Description

  • Diese Erfindung betrifft Kontakte für Halbleitervorrichtungen und passive Substrate und insbesondere Mehrfachkugeln, die für einen einzelnen Kontakt verwendet werden.
  • Kontakte für Haibleitervorrichtungen umfassen Bondkontaktstellen, die auf die Oberfläche des Halbleiterchips aufgebracht sind, sowie Golddrahtbondverbindungen, die an eine Bondkontaktstelle an der Vorrichtung gebondet sind. Elektronische Hochleistungshardware ist durch eine hohe Taktrate und eine große Leistung gekennzeichnet. Die Flip-Chip-Montage ist das bevorzugte Montageverfahren zum Packen dieser Systemklasse. Gegenwärtig gibt es drei wesentliche Flip-Chip-Montageverfahren, die alle die Bildung eines Kontakttyps umfassen, der über die Bondkontaktstelle des aktiven Siliciumchips (der integrierten Schaltung) vorsteht.
  • Ein erstes Verfahren verwendet einen herkömmlichen Drahtbondvorgang. Der Bonddraht wird dabei 125 bis 500 µm (5 bis 30 mil) über der Kugel abgeschnitten und nicht an den Leiterrahmen oder das Substrat gebondet. Dieser Vorgang findet gewöhnlich statt, nachdem der Chip von der Halbleiterscheibe vereinzelt ist.
  • Ein zweites Verfahren verwendet ein geschmolzenes Lötmittel, das durch eine Maske auf einen vereinzelten Chip gequetscht wird, oder die galvanische Abscheidung von Lötmittel auf einen Wafer unter Verwendung von photolithographischen Techniken.
  • Die JP-A Hei-1-129446 schlägt eine Ansaugvorrichtung mit mehreren Ansauglöchern vor, die jeweils eine Lötmittelkugel aufnehmen. Die Vorrichtung wird mit einem Substrat in Kontakt gebracht, das Lötmittel wird geschmolzen und auf dem Substrat wird ein Lötkontakthügel an einer Position gebildet, die jedem Ansaugloch entspricht.
  • Die EP-A-0 372 880 und die EP-A-0 385 787, die dem Oberbegriff von Anspruch 1 zugrundeliegen, schlagen ein Verfahren vor, das einen Klebstoff verwendet, der mit leitfähigen Teilchen beschickt ist, also mit goldplattierten Metallkugeln oder Lötmittelkugeln. Um eine Kurzschlußbildung mit angrenzenden leitfähigen Teilchen zu vermeiden, werden diese Teilchen in kontrollierter Menge dispergiert, bevorzugt derart, daß sie nicht mehr als 10 Vol.-% des Klebstoffs ausmachen, so daß nur eine Kugel mit der Bondkontaktstelle in Kontakt gelangen könnte.
  • Solche Einkugelkontakte wurden bereits verwendet. Allerdings ist bei Verwendung eines Einkugelkontakts die Kontaktfläche zwischen dem Kugelkontakt und der flachen Kontaktfläche der Vorrichtung oder der Leiterplatte, mit der die Vorrichtung verbunden ist, eine sehr kleine Fläche, und Oxide oder andere Verunreinigungen zwischen dem Kugelkontakt und der ebenen Kontaktfläche der Montageleiterplatte können den richtigen elektrischen Kontakt zwischen der Vorrichtung und der Leiterplatte verhindern. Da die Kugel so klein ist, ist die Stromleitfähigkeit stark reduziert.
  • Die Erfindung betrifft eine Kontaktanordnung, die Vorrichtung zum Anbringen der Kontakte sowie ein Verfahren zum Anbringen der Kontakte an eine Halbleitervorrichtung oder ein passives Substrat.
  • Die Erfindung, wie sie in den Ansprüchen 1, 6 und 13 beansprucht ist, sieht einen Kontakt für eine Halbleitervorrichtung mit leitenden Kugeln vor, die jeden Kontakt bilden; und einem abgeflachten Bereich auf jeder leitenden Kugel, an der die leitende Kugel auf eine Kontaktfläche der Halbleitervorrichtung/des passiven Substrats trifft; dadurch gekennzeichnet, daß jeder Kontakt durch mehrere leitende Kugeln in einer nxn-Matrix gebildet ist; und wobei jede leitende Kugel an dem abgeflachten Bereich an der Kontaktfläche befestigt ist.
  • Die Erfindung sieht auch ein Verfahren zum Herstellen eines Kontakts für eine Halbleitervorrichtung vor, das folgende Schritte umfaßt: Anordnen mehrerer Kugelkontaktelemente in einer nxn-Matrix; vorübergehendes Anbringen der nxn-Matrix aus Kontaktelementen auf einer Kontaktfläche an einer Halbleitervorrichtung; und Bonden der nxn-Matrix aus Kontaktelementen an die Kontaktfläche auf der Halbleitervorrichtung.
  • Die Kontaktelemente sind bevorzugt Elastomerkugeln mit einer elektrisch leitenden Beschichtung an der Kugel. Jede Metallbeschichtung kann verwendet werden, aber Gold ist besonders nützlich, wenn ein Kontakt zu Aluminiumkontakten an einem Halbleiterchip hergestellt werden soll. Mehrere Kugeln werden in einer Matrix an einer Kontaktfläche angeordnet und daran gebondet. Da Mehrfachkugeln verwendet werden, liegt eine größere Kontaktfläche für jeden Kontakt an einer Vorrichtung vor, um die Vorrichtung mit einer Leiterplatte oder einer anderen Montagefläche in Kontakt zu bringen.
  • Die Erfindung sieht ferner eine Vorrichtung zum Aufnehmen und Bewegen einer nxn-Matrix aus Kugelkontaktelementen mit folgendem vor: einer Vakuum-Aufnehmerspitze und einer nxn-Matrix aus Öffnungen in der Vakuum-Aufnehmerspitze entsprechend der zu bewegenden Matrix aus Kugelkontaktelementen, wobei die Öffnungen eine solche Größe haben, daß die Kugelkontaktelemente in den Öffnungen sitzen, ohne daß die Kugelkontaktelemente in die Vakuum-Aufnahmespitze gezogen werden.
  • Die metallbeschichteten Kugeln werden bevorzugt in eine Stapelmaschine gegeben und gerüttelt, so daß die Kugeln in einer einzigen Reihe oder einer gestapelten Reihe von Kugeln angeordnet werden. Dann werden die Kugeln durch eine Haltevorrichtung aufgenommen, die Vakuum verwendet, um die Kugeln in einer Matrix angeordnet zu halten. Die Aufnehmerhaltevorrichtung kann eine einzige Matrix aus Kugeln für einen Einfachkontakt halten oder mehrere Matrizen aus Kugeln für Mehrf achkontakte aufnehmen. Die Aufnehmerhaltevorrichtung bewegt die Kontaktanordnung aus Kugeln zu der Kontaktfläche an dem Halbleiterchip und setzt die Kontaktkugelmatrix auf die Lötkontaktstellen oder Kontaktflekken für passive Vorrichtungen.
  • Die Kugeln werden bevorzugt durch Thermokompressionsbonden oder kombiniertes Thermokompressions- und Ultraschallbonden gebondet. Während des Bondens wird auf die Kugeln Druck aufgebracht, wodurch sie abgeflacht werden und eine größere Kontaktfläche zwischen der Kugel und der Kontaktmontagefläche aufweisen.
  • Dann kann die fertiggestellte Vorrichtung mit der Kugelmatrix an jedem Kontakt auf einem Substrat angebracht und mit einem Wärmeableiter oder einer anderen Vorrichtung an Platz gehalten werden, die die Vorrichtung mit einer ausreichenden Kraft gegen das Montagesubstrat hält, um die Kugelkontakte teilweise zusammenzudrücken, wobei eine größere Fläche zwischen jedem Kugelkontakt in einer Matrix und dem Montagesubstrat vorgesehen wird.
  • Der technische Vorteil, den die Erfindung bietet, sowie ihre Aufgaben werden aus der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen und den neuen Merkmalen deutlich, die in den beigefügten Ansprüchen dargelegt sind.
  • Fig. 1a ist eine Draufsicht einer Halbleitervorrichtung mit Kugelmatrixkontakten;
  • Fig. 1b ist eine Querschnittsansichü der Vorrichtung von
  • Fig. 1 durch den Abschnitt A-A;
  • Fig. 1c ist ein vergrößerter Abschnitt der Schnittansicht von Fig. 1b;
  • Fig. 2a-2e veranschaulichen den Vorgang der Befestigung der Kugelkontakte an einem Halbleiterchip;
  • Fig. 3 veranschaulicht eine Kugelstapelvorrichtung;
  • Fig. 4a veranschaulicht eine Aufnehmerhaltevorrichtung für eine einzelne Kugelmatrix;
  • Fig. 5 veranschaulicht eine Aufnehmerhaltevorrichtung für mehrere Kugelmatrizen; und
  • Fig. 6 zeigt einen Chip oder ein passives Substrat mit Kugelmatrixkontakten.
  • Fig. 1a veranschaulicht die Oberseite eines Halbleiterchips 10 mit einer darauf befindlichen Matrix von Kontakten 11. Jeder Kontakt besteht aus einer Matrix von Kugelkontakten 12, die an die Kontaktfläche des Chips gebondet sind. Jeder Kontakt weist eine Matrix von neun Kugeln auf, aber jede Anzahl von Kugeln, bevorzugt eine nxn-Matrix kann verwendet werden, wobei n eine ganze Zahl größer 1 ist.
  • Fig. 1b ist eine Querschnittsansicht durch den Abschnitt A-A von Fig. 1a. Der Halbleiterchip 10 weist eine Oxidschicht oder eine andere Isolierschicht 15 auf. Die Kontaktkugeln 12 sind an die Kontaktflächen des Chips 10 in Öffnungen 16 unter der Schicht 15 gebondet. Einzelheiten eines Kugelmatrixkontakts sind in der vergrößerten Ansicht von Fig. 1c gezeigt.
  • Fig. 2a - 2e veranschaulichen Verfahrensschritte beim Befestigen der Kugelanordnung an der Kontaktfläche der Halbleitervorrichtung. Fig. 2a zeigt den Halbleiterchip 10 mit einer Schicht aus Isoliermaterial 21 an der Oberfläche des Chips. Eine Öffnung 11 befindet sich unter der Isolierschicht 21 und stellt die Chipkontaktfläche dar.
  • In Fig. 2b wird eine Schicht aus leitendem Klebstoff oder einer Oberflächenreinigungschemikalie 23 in der Öffnung 22 aufgebracht Die Kugelmatrix wird in der Öffnung 22 angeordnet und durch den Klebstoff 13 am Platz gehalten (Fig. 2c).
  • In Fig. 2d wird ein Bondwerkzeug 18 auf die Kugelanordnung abgesenkt. Die Kugeln der Kugelanordnung sind Elastomerkugeln mit einer elektrisch leitenden Beschichtung. Jede Metallbeschichtung kann verwendet werden, aber Gold ist besonders nützlich beim Herstellen eines Kontakts mit Aluminiumkontakten an einem Halbleiterchip. Das Bondwerkzeug übt einen nach unten gerichteten Druck auf die Kugeln aus und flacht sie bei 16 und 17 ab. Die Kugeln werden bei 16 an die Chipgrenzfläche thermokompressions- und/oder ultraschallgebondet. Wie dies in Fig. 2e veranschaulicht ist, ist die Kugel-/Chipgrenzfläche bei 16 gebondet und bleibt flach, wobei eine größere Kontaktfläche zwischen dem Kugelmatrixkontakt und der Chipkontaktfläche vorgesehen ist.
  • Fig. 3 veranschaulicht eine Kugelstapelmaschine, die zur Bereitstellung der Matrix aus Kugeln für den Kugelmatrixkontakt verwendet wird. Die Maschine 30 weist einen Behälter 29 auf, in dem die Kugeln 31 liegen. Die Kugeln werden über die Bahn 32 zugeführt und auf der Bahn 33 in einer Einzelreihe angeordnet. Ein (nicht gezeigtes) Rüttelsystem ist an der Maschine 30 befestigt, um die Kugeln derart zu schütteln, daß sie sich durch die Bahn 32 zur Bahn 33 bewegen. Die Kugeln auf der Bahn 33 fallen durch die Öffnung 34 und rollen die Schräge 34a derart hinunter, daß die Kugeln in einer Einzeireihe angeordnet ist, wie dies bei 35 veranschaulicht ist. Eine ladenartige Tür 38 läßt die Reihe von drei Kugeln fallen, so daß sie in einer Einzelreihe angeordnet sind, wie dies bei 36 gezeigt ist.
  • Fig. 4a veranschaulicht ein Aufnahmewerkzeug für eine Einzelkugelmatrix. Das Werkzeug 40 besitzt ein Vakuum, das über den Innenraum durch den Kanal 41 gezogen wird. In einer Wand des Werkzeugs 40 liegt eine Matrix von Öffnungen 42, die derart angeordnet ist und eine solche Größe aufweist, daß eine Einzelkugelmatrix gehalten wird. Die Kugeln werden an Platz gehalten, bis die Matrix über einer Kontaktfläche angeordnet ist, und die Kugelmatrix wird in den Klebstoff auf der Halbleiterkontaktfläche gepreßt. Das Vakuum wird abgelassen, und die Kugelmatrix bleibt am Platz, bis Bondenergien über das Aufnehmerwerkzeug auf die Kugeln aufgebracht werden und die Kugeln an den Chip gebondet sind, wie dies in Fig. 2e veranschaulicht ist.
  • Fig. 4b veranschaulicht eine Aufnehmeranordnung 45, die mehrere Kugelmatrizen halten kann. Es sind so viele Matrixöffnungen 46 wie nötig vorgesehen, um eine Reihe von Kontakten zu überspannen, wie dies in Fig. 1a veranschaulicht ist.
  • Sind alle Kugelmatrixkontakte des Halbleiterchips am Platz, dann kann es beispielsweise in einer Flip-Chip-Konfiguration nach Fig. 5 montiert werden. Der Halbleiterchip 50 wird mit der Kontaktseite nach unten auf ein Montagesubstrat 52 gesetzt. Das Substrat 52 kann eine gedruckte Schaltung, eine große Halbleitervorrichtung oder eine andere Montagefläche sein, so daß jeder Kugelmatrixkontakt 51 mit einer Kontaktfläche oder einer Anschlußfläche in Kontakt gelangt. Ein Wärmeableiter oder eine andere Klemmeinrichtung 53 ist über dem Halbleiterchip 50 angeordnet und übt derart einen nach unten gerichteten Druck auf den Chip 50 auf, daß er an Platz gehalten wird. Der nach unten gerichtete Druck flacht die Kugeln in jedem Kugelmatrixkontakt tendenziell ab, wobei eine größere Kontaktfläche als bei einem Einzelkugelkontakt oder anderen nicht kompressiblen Kontakten vorgesehen wird. Der Halbleiterchip 50 muß nicht dauerhaft an dem Substrat befestigt sein. Der kompressible Kugelmatrixkontakt liefert ohne dauerhaftes Bonden einen guten Kontakt mit dem Substrat, und der Chip 50 kann bei Ausfall ausgetauscht werden.
  • Fig. 6 veranschaulicht die Verwendung von Kugelmatrixkontakten über die Oberfläche eines Halbleiterchips oder eines passiven Substrats.

Claims (14)

1. Kontakt einer Halbleitervorrichtung (10) mit : leitenden Kugeln (12), die jeden Kontakt bilden; und einem abgeflachten Bereich (16, 17) auf jeder leitenden Kugel, an der die leitende Kugel auf eine Kontaktfläche (11, 22) auf der Halbleitervorrichtung oder ein passives Substrat trifft; dadurch gekennzeichnet, daß jeder Kontakt durch mehrere leitende Kugeln (12) in einer nxn-Matrix gebildet ist; wobei n ganze Zahlen größer 1 sind, und wobei jede leitende Kugel an dem abgeflachten Bereich (16, 17) an der Kontaktfläche (11, 22) befestigt ist.
2. Kontakt nach Anspruch 1, bei welchem die leitenden Kugeln (12) in dem Kontakt aus flexiblem Material sind, das mit einem stark leitenden Material beschichtet ist.
3. Kontakt nach Anspruch 2, bei welchem das flexible Material ein Elastomermaterial ist.
4. Kontakt nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, bei welchem das leitende Material Gold ist.
5. Kontakt nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem mehr als eine nxn-Matrix aus leitenden Kugeln (12) vorhanden ist, von denen jede kompressibel ist.
6. Verfahren zum Herstellen eines Halbleitervorrichtungskontakts mit den Schritten: Anordnen mehrerer Kugelkontaktelemente (12) in einer nxn-Matrix, wobei n ganze Zahlen größer 1 sind; vorübergehendes Anbringen der nxn-Matrix aus Kontaktelementen auf einer Kontaktfläche (11, 22) an einer Halbleiterfolie (10); und Bonden der nxn-Matrix aus Kontaktelementen (12) an die Kontaktfläche (11, 22) auf der Halbleitervorrichtung (10)4
7. Verfahren nach Anspruch 6, bei welchem das zeitweilige Anbringen der Matrix aus Elementen das Befestigen der Matrix aus Elementen mit einem pastenartigen Material enthält.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder Anspruch 7, bei welchem die Kugelkontaktelemte (12) aus einem flexiblen Material gebildet werden, auf dem sich eine metallische Beschichtung befindet.
9. Verfahren nach Anspruch 8, bei welchem das flexible Material als Elastomermaterial gebildet wird.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder Anspruch 9, bei welchem für das metallische Material Gold genommen wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, bei welchem Druck ausgeübt wird und die Matrix aus Kugelelementen (12) vor dem Bonden der Matrix aus Kugelelementen mit der Kontaktfläche auf der Halbleitervorrichtung (10) zusammengedrückt wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 11, bei welchem auf die Kontaktfläche auf der Halbleitervorrichtung, auf der die Kontaktelemente vorübergehend angebracht werden, ein Klebstoff (13, 23) aufgetragen wird.
13. Vorrichtung zum Aufnehmen und Bewegen einer nxn-Matrix auf Kugelkontaktelementen, mit: einer Vakuum-Aufnehmerspitze (40) und einer nxn-Matrix aus Öffnungen (42) in der Aufnehmerspitze entsprechend der zu bewegenden Matrix aus Kugelkontaktelementen (12) wobei n ganze Zahlen größer 1 sind, wobei die Öffnungen (42) eine solche Größe haben, daß die Kugelkontaktelemente (43) in den Öffnungen sitzen, ohne daß die Kugelkontaktelemente in die Vakuum-Aufnehmespitze gezogen werden.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, mit mehreren nxn-Matrixöffnungen (36), die so im Abstand voneinander liegen, daß sie den Abständen der Mehrfachkontakte auf einer Halbleitervorrichtung entsprechen.
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