DE19728693C2

DE19728693C2 - Halbleitermodul

Info

Publication number: DE19728693C2
Application number: DE19728693A
Authority: DE
Inventors: Detlef Dr Ing Houdeau
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 1997-07-04
Filing date: 1997-07-04
Publication date: 1999-04-29
Anticipated expiration: 2017-07-05
Also published as: WO1999001897A1; DE19728693A1

Description

Halbleitermodule bestehen in der Regel aus einem Halbleiter- Chip, der auf einem Träger angeordnet ist. Weiterhin weist der Halbleiter-Chip einen oder mehrere Kontakte, sogenannte Kontakt-Pads, auf. Nunmehr wird üblicherweise der Halbleiter- Chip auf den Träger mit der Rückseite zum Beispiel durch Kleben befestigt. Die Vorderseite, auf der sich die Kontakt- Pads befinden ist dem Träger abgewandt. Um den Halbleiter- Chip betreiben zu können, weist der Träger wiederum Kontaktierungseinrichtungen auf, die bisher in der Regel mittels Draht-Bondtechnik mit den Kontakt-Pads verbunden sind.

Unabhängig davon, ob eine derartige Anordnung in einem Gehäuse untergebracht wird oder direkt in einer Anordnung eingebaut wird, wie beispielsweise in einer Chipkarte, Multimediakarte, Taschenrechner in Scheckkartengröße usw., besteht zum einen das Bedürfnis, derartige Anordnungen möglichst dünn zu gestalten. Hierzu bestehen derzeit die größten Entwicklungsmöglichkeiten darin, den Halbleiter-Chip möglichst dünn zu schleifen bzw. zu ätzen. Andererseits besteht die Notwendigkeit den Halbleiter-Chip bzw. Bonddrähte zu schützen. Zu diesem Zweck wird die Oberseite bzw. es werden die Bonddrähte mit einer Abdeckung versehen. Da die Rückseite direkt auf dem Träger aufsitzt braucht diese nicht gesondert geschützt zu werden.

Seit einiger Zeit findet eine geänderte Montageanordnung Anwendung. Bei dieser wird der Halbleiter-Chip mit der Seite, auf der sich die Kontakt-Pads befinden auf dem Träger angeordnet. Dabei müssen dem Kontakt-Pads gegenüberliegend Kontaktgegenstücke vorgesehen sein, die mit den Anschlußkontakten des Substrats elektrisch verbunden sind. Diese Anordnung weist den Vorteil auf, daß das Herstellen der zweistufigen Chip- und Draht-Bondverbindungen entfällt, wodurch die Montagezeit verkürzt wird. Gleichzeitig wird in der Gesamtdicke der Anordnung ein großer Teil eingespart, da die von den Bonddrähten gebildeten Drahtschleifen einen erheblichen Raumbedarf einnehmen. Bei dieser Art der Montage liegt die Rückseite des Halbleiter-Chips frei. Sie müßte eigentlich nicht extra gegen Feuchte oder gegen Chemikalien geschützt werden, da sie nur aus dotiertem Halbleiter material, üblicher Weise Silizium (Einkristall) besteht. Silizium ist allerdings ein bei Raumtemperatur sprödes, bruchempfindliches Material, das an der Oberfläche nicht beschädigt werden darf, da sonst die mechanische Festigkeit drastisch abnimmt. Bei vielen Anwendungen, die eine extrem geringe Dicke des Halbleiter-Chips voraussetzen besteht jedoch gleichzeitig die Anforderung an hohe mechanische Festigkeit, da die Halbleiter-Chips in der Regel bei derartigen Anwendungen einer Biege- und/oder Torsionsbe lastung ausgesetzt werden können.

Aus der DE 44 24 396 A1 ist beispielsweise ein Modul zum Einbau in Chipkarten oder anderen Datenträgern bekannt. Bei diesen erfolgt die Montage im sogenannten "controlled collapse chip connection"-Technik oder der sog. C4-Technik. Bei dieser Anordnung ist kein zusätzlicher Schutz der Chiprückseite vorgesehen, so daß zur Gewährleistung der notwendigen mechanischen Stabilität der Halbleiter-Chip eine Mindestdicke von typischerweise 280 µm aufweisen muß. Nachteil dieser Anwendung ist, daß sich mechanische Beschädigungen an der Oberfläche eines Halbleiter-Chips, der beispielsweise aus Silizium besteht, durch den gesamten Kristall bis zur gegenüberliegenden Oberfläche ausdehnen können.

Aus der US 5,155,068 ist ein Halbleitermodul gemäß Oberbe griff des Patentanspruchs 1 bekannt. Die Dicke des Halbleiter-Chips ist so dünn ge wählt, daß er bei externer Belastung nicht bricht.

Bei diesem Modul liegt die Oberfläche der Halbleiterrückseite wie bei der zuvor genannten DE 44 24 396 A1 frei.

Aus der DE 195 41 039 Al ist ebenfalls ein solches Halb leitermodul bekannt, bei dem die Möglichkeit der alternativen Verwendung eines Klebers bzw. Lots zusätzlich genannt ist.

Aus der FR 2 740 906 A1 ist weiterhin bekannt, bei einem Halbleitermodul ein Harz und darauf eine Schicht zur me chanischen Stabilisierung vorzusehen.

Schließlich ist aus der JP 4-74447 A und der JP 3-4543 A ein Halbleitermodul bekannt, das auf einem Träger einen Halbleiter-Chip aufweist, und das auf der dem Halbleiterchip gegenüberliegenden Seite des Trägers ein Verstärkungselement aufweist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Halb leitermodul vorzusehen, das bei minimaler Gesamtdicke mit möglichst geringem Aufwand eine hohe Zuverlässigkeit aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Mitteln gelöst. Dadurch, daß der Halbleiter- Chip mit der Seite, die die Kontakt-Pads aufweist direkt gegen den Träger befestigt ist, wird für das Halbleitermodul der Raum für die Bondverbindung eingespart. Dadurch, daß der Halbleiter-Chip auf der Rückseite eine Schutzschicht aufweist, kann auf das nachträgliche Auftragen einer Versiegelung, die nach der Montage des Halbleiter-Chips auf dem Träger zu erfolgen hätte, verzichtet werden, wobei der Halbleiter-Chip trotz verminderter Dicke eine ausreichende mechanische Stabilität aufweist.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den untergeordneten Ansprüchen angegeben.

Insbesondere durch die Verwendung einer anorganischen nichtmetallischen Schicht, wie zum Beispiel die Ormocere, aber auch Glaslote, die einen an Silizium angepaßten thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, ist eine gute Verträglichkeit mit dem Material des Halbleiter-Chips gewährleistet, wobei dieses Material gleichzeitig eine ausreichende Festigkeit aufweist, um den notwendigen mechanischen Schutz zu gewährleisten.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert.

In der Figur ist ein Halbleiter-Chip 1 an einem Träger 2 befestigt. Auf der Oberfläche des Trägers 2 sind Kontakte 3 vorgesehen. Diese Kontakte erstrecken sich über den Bereich des Halbleiter-Chips 1 hinaus. In der Figur nicht dargestellte Kontaktflächen des Halbleiter-Chips 1 bzw. Kontakt-Pads sind auf der dem Träger 2 zugewandten Oberfläche des Halbleiter-Chips 1 vorgesehen. Diese sind mittels einer elektrisch leitenden Verbindung 4 mit den über den Pads liegenden Kontakten 3 verbunden.

Die elektrisch leitende Verbindung 4 kann entweder aus einem elektrisch leitendem Kleber oder einem üblichen Lotmaterial bestehen. Gleichzeitig kann der Halbleiter-Chip 1 mittels Klebetechnik an dem Träger 2 befestigt sein.

Auf der dem Träger 2 abgewandten Seite des Halbleiter-Chips 1, der eine Dicke von ca. 350 µm aufweist, ist eine Versiegelungsschicht 5 von etwa 10-100 µm aufgetragen. Hierbei handelt es sich um eine anorganische nichtmetallische Schicht, deren thermische Ausdehnung in der Nähe von einkristallinem Silizium liegt. Diese Schicht ist auf dem Halbleiterwafer vor dem sägetechnischen Vereinzeln aufgeschleudert und durch Abkühlung ausgehärtet. Vorzugsweise handelt es sich bei dem im sogenannten Spinn-Coat-Verfahren aufgebrachten Schicht um ein Glas mit niedriger Erweichungstemperatur. Gläser mit zum Silizium angepaßten thermischen Ausdehnungskoeffizienten sind sogenannte Borosilikat-Gläser bzw. Omocere. Durch Dotierung mit Selten- Erd-Oxid-Verbindungen oder Schwermetall-Oxiden können diese in ihrer Erweichungstemperatur unter 400°C reduziert werden. Man spricht bei diesen Glaslegierungen von Glasloten. 400°C stellt die höchste thermische Belastungsgrenze von strukturierten Halbleiterscheiben dar, ohne daß eine nennenswerte Veränderung der Eigenschaften des Halbleiterbauelementes durch Diffusion zum Beispiel auftreten. Das Glas bzw. Glaslot kann auch durch einen PVD- Schritt, z. B. mittels Sputtern aufgebracht werden. Auch andere Verfahren, wie anodisch Bonden sind denkbar. Bei diesem Verfahren wird eine etwa 50 µm Dicke Floatglasschicht aufgetragen. Ein Dotieren dieses Glases zur Erniedrigung der Erweichungstemperatur ist nicht notwendig, da der Schichtauftrag nicht aus der Flüssig-Phase auf dem wafer erfolgt sondern eine Bondtemperatur von ca. 254-400°C genügen, um nach wenigen Sekunden durch ein elektrisches Feld Innendiffusion zwischen Glas und Silizium zu erzeugen.

Als Ormocere sind im einzelnen SiO₂, P₂O₅-FeO₂, Al₂O₃-SiO₂ und K₂O2-Al₂O₃-SiO₂ zu nennen.

Der besondere Vorteil von Glas ist nicht nur im mechanischen Schutz des darunterliegenden einkristallinen Siliziums zu sehen, sondern auch in der dilathermischen Verwandtschaft der beiden Materialien, zu dem läßt sich Glas in gleicher Weise mit annähernd gleichen Prozeßparametern und Equipment sägen. Durch die rein amorphe Struktur des Glases wird verhindert, daß sich Anrisse im Glas, die zu Durchrissen bis zur Phasengrenze Glas-Silizium führen, nicht in das Grundmaterial des einkristallinen Siliziums fortsetzen. Der zuvor beschriebene Schutz schützt den Halbleiter-Chip nicht nur bei der endgültigen Anwendung vor Bruch durch Biegen bzw. Torsion, sondern auch bei der Herstellung des Halbleitermoduls, z. B. beim Abpicken von der Sägefolie und überall dort, wo mechanische Belastungen verursacht durch physikalische Kontakte dem Chip Vorschäden zuführen können. Zusätzlich kann die Glasschicht oberflächengehärtet werden, zum Beispiel durch einen Dotierungsgradienten quer durch die Schichtdicke oder ähnlich wie bei kratzschutzfesten Gläsern, durch spezielle Führung eines Temperaturgradientens.

Zur Vermeidung von Waferdurchbiegungen kann bei der Chip- Herstellung die anorganische nichtmetallische Schicht beidseitig auf dem Wafer bzw. Chip aufgetragen werden, wodurch mechanische Spannungskompensationen erzielbar sind.

Claims

1. Halbleitermodul mit einem Halbleiter-Chip (1), der mit einer Oberfläche, an der Kontakt-Pads angeordnet sind, an einem Träger (2) befestigt ist, und mit zumindest einem Kontakt (3), der auf einer dem Halbleiter-Chip (1) gegenüberliegenden Seite des Trägers (2) angeordnet ist, wobei zumindest ein Bereich des zumindest einen Kontaktes (3) sich mit dem Halbleiter-Chip (1) überschneidet, und wobei dem zumindest einen Kontakt (3) zumindest ein Kontakt-Pad auf dem Halbleiter-Chip (1) zugeordnet und mit diesem elektrisch verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterchip (1) auf der Rückseite eine mechani schen Schutz und ausreichende mechanische Stabilität gewähr leistende Schutzschicht (5) aufweist.

2. Halbleitermodul nach Anspruch 1, wobei die elektrische Verbindung zwischen dem Kontakt (3) und dem zugeordneten Kontakt-Pad mittels eines leitenden Klebers erfolgt.

3. Halbleitermodul nach Anspruch 1, wobei die elektrische Verbindung zwischen dem Kontakt (3) und dem zugeordneten Kontakt-Pad mittels Lötverbindung erfolgt.

4. Halbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schutzschicht (5) des Halbleiter-Chips (1) eine anorganische nichtmetallische Schicht ist.

5. Halbleitermodul nach Anspruch 4, wobei die anorganische nichtmetallische Schicht ein Material aus der Gruppe der Ormocere ist.

6. Halbleitermodul nach Anspruch 4 oder 5, wobei die anor ganische nichtmetallische Schicht beidseitig auf dem HL-Chip aufgetragen ist.