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Dokumentenidentifikation DE102005051036A1 26.04.2007
Titel Verfahren zum Aufbau eines integrierten Bausteins sowie integrierter Baustein
Anmelder Infineon Technologies AG, 81669 München, DE
Erfinder Reiss, Martin, 01109 Dresden, DE;
Blaszczak, Stephan, 06632 Freyburg, DE;
Scheibe, Bernd, 01189 Dresden, DE;
Müller, Sebastian, 09128 Chemnitz, DE;
Nocke, Kerstin, 01109 Dresden, DE
Vertreter Wilhelm & Beck, 80639 München
DE-Anmeldedatum 25.10.2005
DE-Aktenzeichen 102005051036
Offenlegungstag 26.04.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 26.04.2007
IPC-Hauptklasse H01L 21/50(2006.01)A, F, I, 20051025, B, H, DE
IPC-Nebenklasse H01L 23/12(2006.01)A, L, I, 20051025, B, H, DE   H01L 23/28(2006.01)A, L, I, 20051025, B, H, DE   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufbau eines integrierten Bausteins (1) mit folgenden Schritten:
- Bereitstellen eines Trägersubstrats (2), insbesondere mit einem darauf aufgebrachten Chip (4);
- Vorsehen einer Haltestruktur (6) in oder an dem Trägersubstrat (2);
- Aufbringen eines Gehäusematerials (8) zum Bilden eines Gehäuses (5), so dass das Gehäusematerial mit der Haltestruktur in dem Trägersubstrat zusammenwirkt, um nach dem Vorsehen des Gehäuses (5) eine laterale Spannung zwischen dem Gehäuse (5) und dem Trägersubstrat aufzunehmen.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufbau eines integrierten Bausteins mit einem elektrisch ansteuerbaren Chip und einem Gehäuse. Die Erfindung betrifft weiterhin einen Baustein mit einem elektrisch ansteuerbaren Chip und einem Gehäuse.

Beim Herstellen von integrierten Bausteinen werden üblicherweise elektrisch ansteuerbare Chips, z.B. integrierte Schaltungen mit einem Gehäusematerial vergossen, das anschließend eine Einheit mit dem Chip bildet und den fertigen Baustein darstellt. Üblicherweise weisen eingehäuste elektronische Bausteine ein Trägersubstrat auf, auf dem der elektrisch ansteuerbare Chip aufgebracht wird und anschließend so vergossen wird, dass das Gehäusematerial sich mit einer nicht von dem Chip bedeckten Oberfläche des Trägersubstrat verbindet und mit dem Rand des Trägersubstrates abschließt. Durch die schrumpfenden Größen von solchen Bausteinen und durch die sich vergrößernde Fläche der darin eingesetzten Chips verringert sich die Fläche, an der das Gehäusematerial auf dem Trägersubstrat haften kann. Dadurch wird die Robustheit und Zuverlässigkeit des integrierten Bausteins verringert, da aufgrund der reduzierten Haftfläche zwischen Trägersubstrat und Gehäusematerial die Wahrscheinlichkeit erhöht ist, dass sich die Verbindung zwischen dem Trägersubstrat und dem Gehäusematerial löst. Ein Lösen dieser Verbindung kann insbesondere durch das Auftreten von thermischen Spannungen hervorgerufen werden, die aufgrund unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten des Trägersubstrats und des Gehäusematerials und durch die Erwärmung des Chips in dem Baustein bei dessen Betrieb entsteht. Insbesondere an den Rändern des Bausteins, d.h. nahe des Randes des Trägersubstrates, auf dem das Gehäusematerial aufgebracht ist, kommt es zu den größten Spannungen. Dies führt zu Scherkräften im Randbereich des Bausteins, die entweder zu einer unerwünschten Verformung des Trägersubstrats oder einem Ablösen des Gehäusematerials führen können.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Aufbau eines integrierten Bausteins zur Verfügung zu stellen, der robuster gegenüber einem Verformen und einem Ablösen des Gehäusematerials von dem Trägersubstrat ist.

Es ist weiterhin Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen robusteren Baustein, insbesondere gegenüber thermischem Stress, zur Verfügung zu stellen, wobei insbesondere die Wahrscheinlichkeit eines Ausfalls des Bausteins aufgrund eines Ablösen des Gehäuses von dem Trägersubstrat reduziert ist.

Diese Aufgaben werden durch das Verfahren nach Anspruch 1, den Baustein nach Anspruch 7 sowie das Bausteinssubstrat nach Anspruch 9 gelöst.

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

Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Aufbau eines integrierten Bausteins vorgesehen. Das Verfahren umfasst die Schritte des Bereitstellens eines Trägersubstrats, insbesondere mit einem darauf aufgebrachten elektrisch ansteuerbaren Chip, das Vorsehen einer Haltestruktur in oder an dem Trägersubstrat und des Aufbringens eines Gehäusematerials zum Bilden eines Gehäuses, so dass das Gehäusematerial mit der Haltestruktur in dem Trägersubstrat zusammenwirkt, um nach dem Vorsehen des Gehäuses eine laterale Spannung zwischen dem Gehäusematerial und dem Trägersubstrat aufzunehmen.

Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, dass auf dem Trägersubstrat eine Haltestruktur vorgesehen wird, die sich insbesondere in einem Bereich neben dem aufgebrachten Chip auf dem Trägersubstrat befindet. Die Haltestruktur ermöglicht es, dass nach dem Verfestigen des Gehäusematerials zu dem Gehäuse eine über die bloße Haft- bzw. Klebeverbindung zwischen dem Gehäusematerial und dem Trägersubstrat hinausgehende Verbindung zwischen dem Trägersubstrat und dem Gehäuse geschaffen wird, die Kräfte in seitlicher Richtung, sog. Scherkräfte, aufnehmen kann. Dies hat den Vorteil, dass ein Ablösen des Gehäuses von dem Trägersubstrat vermieden werden kann.

Die Haltestruktur kann als eine Vertiefung, als eine Erhebung oder ein Durchgangsloch in dem Trägersubstrat vorgesehen werden und insbesondere unmittelbar an einen Rand des Trägersubstrats als eine sich ganz oder teilweise durch die Dicke des Trägersubstrates erstreckende Kerbe angeordnet sein.

Vorzugsweise werden mehrere Trennstrukturen entlang einer Sägelinie von mehreren zusammenhängenden Trägersubstraten vorgesehen, wobei die Trägersubstrate entlang der Sägelinie voneinander getrennt werden, nachdem das Gehäusematerial zum Bilden des Gehäuses aufgebracht wurde, so dass an einem Sägerand des Trägersubstrates die Haltestrukturen gebildet werden. Auf diese Weise ist es möglich, bei der Herstellung von mehreren integrierten Bausteinen zunächst zusammenhängende mehrere Trägersubstrate mit Trennstrukturen zu versehen und anschließend das Gehäusematerial auf alle Trägersubstrate in einem Verfahrensschritt aufzubringen, so dass die Anzahl an Verfahrensschritten bei der Herstellung der integrierten Bausteine reduziert werden können.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform werden die Trennstrukturen mit einer Größe in dem zusammenhängenden Trägersubstrat vorgesehen, so dass beim Trennen der Trägersubstrate entlang der Sägelinie Teile der Trennstrukturen als Halteelemente an jedem der voneinander getrennten Trägersubstrate verbleiben, so dass die Halteelemente mit dem Gehäuse jedes der integrierten Bausteine zusammenwirken. Auf diese Weise kann die Anzahl der vorzusehenden Haltestrukturen reduziert werden, da die Haltestrukturen durch das Trennen der Trennstrukturen der zusammenhängenden Trägersubstrate an jedem der voneinander getrennten Trägersubstrate verbleiben.

Insbesondere können die Trennstrukturen als regelmäßig angeordnete Vertiefungen oder Durchgangslöcher entlang der Sägelinie angeordnet werden. Alternativ können die Trennstrukturen als Längsschlitze ausgebildet werden.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Baustein vorgesehen, der ein Trägersubstrat, insbesondere mit einem darauf aufgebrachten elektrisch ansteuerbaren Chip, eine Haltestruktur, die in oder an dem Trägersubstrat angebracht ist, sowie ein Gehäuse umfasst, dass mit der Haltestruktur in dem Trägersubstrat zusammenwirkt, so dass die Haltestruktur eine laterale Spannung zwischen dem Gehäuse und dem Trägersubstrat aufnimmt. Insbesondere kann die Haltestruktur zumindest eine Vertiefung, eine Erhebung oder ein Durchgangsloch in dem Trägersubstrat aufweisen und somit integriert mit dem Trägersubstrat ausgebildet sein.

Ein solcher Baustein hat den Vorteil, dass zwischen dem Gehäuse und dem Trägersubstrat aufgrund der Trennstruktur höhere laterale Spannungen d.h. Scherspannungen, aufgenommen werden können, so dass ein Abscheren des Gehäuses von dem Trägersubstrat aufgrund thermischer Spannungen im wesentlichen vermieden werden kann. Dieses ist insbesondere vorteilhaft, weil die sich aufgrund der Größe des aufgebrachten Chips sich verkleinernden Fläche des Trägersubstrats die Haftung zwischen dem Gehäuse und dem Trägersubstrat reduziert.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Bausteinsubstrat mit mehreren zusammenhängenden Trägersubstraten vorgesehen, wobei eine oder mehrere Trennstrukturen entlang einer Sägelinie angeordnet sind. Insbesondere können die Trennstrukturen mit einer Größe in den zusammenhängenden Trägersubstrat vorgesehen sein, die so gewählt ist, dass nach dem Trennen des Trägersubstrats entlang der Sagelinie Teile der Trennstrukturen als Haltestrukturen an jedem der Trägersubstrate verbliebenen sind, dass die Haltestrukturen mit dem zuvor ausgebrachten Gehäusematerial zusammenwirken, um die laterale Spannung zwischen dem Gehäuse und dem Trägersubstrat aufzunehmen.

Vorzugsweise sind die Trennstrukturen als regelmäßig angeordnete Vertiefungen oder Durchgangslöcher entlang der Sägelinie angeordnet. Weiterhin können die Trennstrukturen als Längsschlitze ausgebildet sein.

Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen ausführlicher erläutert. Es zeigen:

1 eine Seitenansicht durch einen integrierten Baustein gemäß dem Stand der Technik;

2 eine Seitenansicht durch einen integrierten Baustein gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;

3 eine Seitenansicht durch einen integrierten Baustein gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;

4 eine Seitenansicht durch einen integrierten Baustein gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;

5 eine Draufsicht auf ein zusammenhängendes Trägersubstrat zum Herstellen eines integrierten Bausteins nach 2; und

6 eine Draufsicht auf ein zusammenhängendes Trägersubstrat zur Herstellung eines integrierten Bausteins nach 4.

In 1 ist eine Seitenansicht eines herkömmlichen elektronischen Bausteins dargestellt, der in Form eines Ball Grid Array (BGA) Baustein ausgebildet ist. Der Baustein 1 weist ein Trägersubstrat 2 z.B. aus einem Epoxidharz, Keramik oder einem Leiterplattenmaterial auf, auf dem – üblicherweise mittig – ein elektrisch ansteuerbarer Chip aufgebracht ist. Auf einer dem Chip gegenüberliegenden Oberfläche des Trägersubstrats 2 sind Kontaktelemente 3 in Form von Lot kugeln aufgebracht, die mit entsprechenden Kontaktflächen (nicht gezeigt) des Chips über Umverdrahtungsleitungen in dem Trägersubstrat 2 bzw. Bonddrähte zwischen dem Trägersubstrat 2 und dem Chip in geeigneter an sich bekannter Weise verbunden sind. Das Gehäuse 5 wird durch Aufbringen eines flüssigen bzw. zähflüssigen Gehäusematerials (Mold) und anschließenden Aushärten bzw. Trocknen hergestellt. Dabei verbindet sich das Gehäusematerial sowohl mit den freiliegenden Oberflächen des Chips als auch mit der nicht vom Chip bedeckten Oberfläche des Trägersubstrats 2, auf der der Chip aufgebracht ist. Dadurch wird der Chip vollständig eingekapselt und gegen äußere Einflüsse geschützt.

Beim Betrieb des Chips entsteht Wärme, die aufgrund unterschiedlicher thermischer Ausdehnungen des Trägersubstrats 2, des Chips und des Gehäuses 5 zu thermischen Spannungen innerhalb des Bausteins führen können. Die thermischen Spannungen sind insbesondere nahe der Ränder des Bausteins 1 besonders groß, so dass dort an der Grenzfläche zwischen dem Trägersubstrat 2 und dem Gehäusematerial laterale Spannungen, sog. Scherspannungen auftreten, die über einen bestimmten Zeitraum hinweg zu einem Lösen der Verbindung zwischen dem Gehäusematerial und dem Trägersubstrat 2 führen können. Dies kann bei häufigen Temperaturschwankungen zu einer vorzeitigen Zerstörung des Bausteins kommen, da beim Ablösen des Gehäusematerials 5 von dem Trägersubstrat 2 Feuchtigkeit und Schmutzpartikel ins Innere des Bausteins eindringen können, die die Funktionsfähigkeit des Chips beeinträchtigen können.

In 2 ist eine Seitenansicht eines Bausteins gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Gleiche Bezugszeichen kennzeichnen Elemente gleicher oder identischer Funktion. Das Trägersubstrat 2 ist an dem Randbereich mit Haltestrukturen 6 versehen, in die das Gehäusematerial beim Aufbringen eindringt und sich dort verfestigt. In der Ausführungsform der 2 sind die Haltestrukturen durch Vertiefungen in dem Trägersubstrat 2 ausgebildet, die an der Kante seitlich offen sind. In der Ausführungsform der 3 sind anstelle der Vertiefungen Durchgangslöcher in dem Trägersubstrat vorgesehen, die sich unmittelbar an der Kante befinden und seitlich offen sind, so dass im wesentlichen ein Trägersubstrat mit seitlichen Einkerbungen vorliegt. Die Querschnittsform der Vertiefungen bzw. der Durchgangslöcher ist im wesentlichen beliebig und kann viereckig, rund udgl. ausgebildet sein.

Bei der in 4 gezeigten Ausführungsform weist der Rand des Trägersubstrates eine längliche Ausnehmung auf, so dass das Gehäusematerial 5 das Trägersubstrat bedeckt und am Bereich der Ausnehmung umlappt.

In 5 ist ein zusammenhängendes Trägersubstrat 7 dargestellt, bei dem die Trägersubstrate 2 von mehreren herzustellenden Bausteinen aneinanderhängend ausgebildet sind. Die Trägersubstrate 2 sind mit den Chips 4 versehen und werden nach der Fertigstellung der Bausteine voneinander durch Sägen entlang von Sägelinien voneinander getrennt. Die zusammenhängenden Trägersubstrate 7 werden entsprechend der für die Bausteine vorgesehenen Bereiche mit den Chips versehen und diese elektrisch mit dem Trägersubstrat bzw. mit den auf der gegenüberliegenden Oberfläche angebrachten Kontaktelementen 3 verbunden. Anschließend werden entlang der Sägelinie mehrere Trennstrukturen 8 in Form von Vertiefungen eingebracht, um nach dem Trennen die Haltestrukturen 6 zu bilden. Die Trennstrukturen 8 sind im wesentlichen in regelmäßigen Abständen entlang der Sägelinien angeordnet und weisen eine Breite (in einer Richtung rechtwinkelig zum Verlauf der Sägelinie) auf, die im wesentlichen größer ist als die Breite des beim Auseinandertrennen der Bausteine anfallenden Säge- bzw. Trennverlustes. Auf diese Weise verbleiben Teile der Trennstrukturen 8 an den Rändern der Trägersubstrate 2 als Haltestrukturen 6 bestehen. Anstelle der Vertiefungen können als Trennstrukturen auch Durchgangslöcher oder Erhebungen vorgesehen sein, die nach dem Sägen entsprechend zum Teil an jeder so gebildeten Kante der Trägersubstrate 2 verbleiben und so entsprechende Haltestrukturen 6 bilden.

Anstelle der mehreren Vertiefungen bzw. Durchgangslöcher können als Trennstrukturen auch schlitzartige Vertiefungen bzw. durchgehende Schlitze entlang der Sägelinien auf dem zusammenhängenden Trägersubstrat 7 vorgesehen sein. Beim Aufbringen des Gehäusematerials dringt dieses wie zuvor beschrieben in die schlitzartigen Vertiefungen bzw. Schlitze ein, so dass beim nachfolgenden Auseinandertrennen der Trägersubstrate Bausteine gebildet werden, die der Ausführungsform der 4 entsprechen. Die Schlitze bzw. die schlitzartigen Vertiefungen sind mit einer Breite ausgebildet, die analog zu der Breite der Vertiefungen bzw. der Durchgangslöcher größer ist als der Sägeverlust beim Sägen entlang der Sägelinien.

Die Breite der Trennstrukturen ist vorzugsweise so vorzusehen, dass dem Trennen der Bausteine in den verbleibenden Haltestrukturen jeder Baustein ausreichend Gehäusematerial verbleibt, um thermische Spannungen in lateraler Richtung aufnehmen zu können, ohne dass Teile des Gehäuses, insbesondere die in den Haltestrukturen eingreifenden Teile ausbrechen.

1
Baustein
2
Trägersubstrat
3
Kontaktelement
4
Chip
5
Gehäuse
6
Haltestruktur
7
zusammenhängende Trägersubstrate
8
Trennstrukturen
9
Schlitze
10
Sägelinie


Anspruch[de]
Verfahren zum Aufbau eines integrierten Bausteins (1) mit folgenden Schritten:

– Bereitstellen eines Trägersubstrats (2), insbesondere mit einem darauf aufgebrachten Chip (4);

– Vorsehen einer Haltestruktur (6) in oder an dem Trägersubstrat (2);

– Aufbringen eines Gehäusematerials (8) zum Bilden eines Gehäuses (5), so dass das Gehäusematerial mit der Haltestruktur in dem Trägersubstrat zusammenwirkt, um nach dem Vorsehen des Gehäuses (5) eine laterale Spannung zwischen dem Gehäuse (5) und dem Trägersubstrat aufzunehmen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Haltestruktur (6) als eine Vertiefung, als eine Erhebung oder als ein Durchgangsloch in dem Trägersubstrat (2) vorgesehen wird. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei mehrere Trennstrukturen (8) entlang einer Sägelinie (10) von mehreren zusammenhängenden Trägersubstrate vorgesehen werden, wobei die Trägersubstrate entlang der Sägelinie (10) voneinander getrennt werden, nachdem das Gehäusematerial aufgebracht wurde, so dass Teile der Trennstrukturen (8) als Haltestrukturen (6) auf den jeweiligen Trägersubstraten verbleiben. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Trennstrukturen (8) mit einer Größe in dem zusammenhängenden Trägersubstrat (7) vorgesehen werden, so dass beim Trennen der Trägersubstrate (2) entlang der Sägelinie die Haltestrukturen (6) teilweise so an jedem der voneinander getrennten Trägersubstrate (2) verbleiben, dass die teilweise verbleibenden Haltestrukturen (6) mit dem Gehäuse (5) zusammenwirken. Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Trennstrukturen (8) als regelmäßig angeordnete Vertiefungen oder Durchgangslöcher entlang der Sägelinie (10) angeordnet werden. Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Trennstrukturen (8) als Längsschlitze ausgebildet werden. Baustein umfassend:

– ein Trägersubstrat, insbesondere mit einem darauf aufgebrachten Chip (4);

– eine Haltestruktur (6), die in oder an dem Trägersubstrat (2) angebracht ist

– ein Gehäuse (3), das der Haltestruktur (6) in dem Trägersubstrat (2) zusammenwirkt, so dass die Haltestruktur (6) eine laterale Spannung zwischen dem Gehäuse (3) und dem Trägersubstrat (2) aufnimmt.
Baustein nach Anspruch 7, wobei die Haltestruktur (6) zumindest eine Vertiefung, eine Erhebung oder ein Durchgangsloch in dem Trägersubstrat (2) aufweist. Bausteinsubstrat mit mehreren zusammenhängenden Trägersubstraten (7), wobei eine oder mehrere Trennstrukturen (8) entlang einer Sägelinie (10) angeordnet sind. Bausteinsubstrat nach Anspruch 9, wobei ein Gehäusematerial so auf die zusammenhängenden Trägersubstrate aufgebracht ist, dass das Gehäusematerial mit den Trennstrukturen zusammenwirkt. Bausteinsubstrat nach Anspruch 9 oder 10, wobei die Trennstrukturen (8) mit einer Breite in dem zusammenhängenden Trägersubstrat (7) vorgesehen sind, so dass nach dem Trennen der Trägersubstrate entlang der Sägelinie (10) die Trennstrukturen zum Teil an jedem der Trägersubstrate verblieben sind, so dass die zum Teil verbliebenen Trennstrukturen als Haltestrukturen (6) mit dem aufgebrachten Gehäusematerial zusammenwirken, um die laterale Spannung zwischen dem Gehäuse (3) und dem Trägersubstrat (7) aufzunehmen. Bausteinsubstrat nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei die Trennstrukturen (8) als regelmäßig angeordnete Vertiefungen oder Durchgangslöcher entlang der Sägelinie (10) angeordnet sind. Bausteinsubstrat nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei die Trennstrukturen (8) als Längsschlitze ausgebildet sind.






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