DE102004003275B4 - Halbleiterbauteil mit Verbindungselementen auf Halbleiterchips und Verfahren zur Herstellung derselben - Google Patents

Halbleiterbauteil mit Verbindungselementen auf Halbleiterchips und Verfahren zur Herstellung derselben Download PDF

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Abstract

Halbleiterbauteil mit elektrischen Verbindungen (5) zwischen Halbleiterchips (3) und übergeordneten Schaltungsplatinen (4), wobei die Verbindungselemente (1, 2) ein elektrisch leitendes elastisches Metall in gebogener Streifenform mit zwei Metallschenkeln (8, 9) und mit abgeflachten Schenkelenden (10, 11) aufweisen und wobei ein abgeflachtes Schenkelende (10) eines einzelnen gebogenen Metallstreifens (7) der Verbindungselemente (1, 2) auf einer einzelnen Kontaktfläche (12) von Kontaktflächen (12) einer aktiven Oberseite (13) des Halbleiterchips (3) elektrisch leitend fixiert ist und das zweite abgeflachte Schenkelende (11) auf der Oberseite (13) des Halbleiterchips (3) fixiert ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft Halbleiterbauteile mit Verbindungselemente auf Halbleiterchips, wobei die Verbindungselemente elektrische Verbindungen zwischen Halbleiterchips und übergeordneten Schaltungsplatinen gewährleisten. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung und Aufbringung von Verbindungselementen auf Halbleiterchips.
  • Mit zunehmender Chipgröße wird das Problem der thermischen Ausdehnungsdifferenzen zwischen einem Halbleiterchip, beispielsweise aus monokristallinem Silizium, und einer übergeordneten Schaltungsplatine oder einer Umverdrahtungsplatte, aus beispielsweise glasfaserverstärktem Epoxydharz, immer gravierender. So besteht die Gefahr bei den bisher eingesetzten Verbindungselementen, wie beispielsweise bei den Flipchip-Kontakten, die Außenkontakt kugeln oder Außenkontakthöcker aus einer Lotlegierung aufweisen, dass auftretende Scherspannungen nicht mehr durch plastisches Kriechen, oder durch plastische Deformation, der wenige Mikrometer großen Lotkugeln oder Lothöcker, abgebaut werden können. Die Folge sind eine mit zunehmender Chipgröße zunehmende Abrissgefahr der Verbindungselemente. Teilweise kann diese Abrissgefahr gemildert werden, indem geeignete Kunststoffe, die auch "Underfill" genannt werden, die Verbindungselemente, insbesondere die Flipchip-Kontakte stützen, was jedoch mit einem erhöhten Fertigungsaufwand verbunden ist.
  • Andere Lösungen des Problems sehen vor, elastische Außenkontakte einzusetzen, die einen gummielastischen Kern und eine metallische Leiterbahn, die sich an den Kern anschmiegt, aufweisen. Dabei ist die metallische Leiterbahn nicht selbsttragend, sondern auf die Stützung durch den gummielastischen Kern angewiesen, was mit einem erhöhten Fertigungsaufwand derartiger elastischer Verbindungselemente verbunden ist.
  • Eine weitere Lösung, die als "Microspring" bekannt ist, sieht drahtgebondete, federnde Metalldrahtkonstruktionen als Verbindungselemente vor, um den Ausgleich in den thermischen Ausdehnungskoeffizienten von beispielsweise Silizium und Epoxydharz zu ermöglichen. Auch diese Lösung weist aufgrund der eingesetzten Bonddrähte eine geringe mechanische Stabilität auf, so dass auch hier ein mechanischer Schutz erforderlich wird, was den Fertigungsaufwand derartiger "Microsprings", und somit die Fertigungskosten erhöht, insbesondere durch die serielle Fertigung der drahtgebondeten Verbindungselemente.
  • Aus der US 5,420,461 A ist ein Halbleiterbauteil bekannt, bei dem federnde Verbindungselemente auf den Außenkontaktflächen angeordnet sind.
    •
  • Aufgabe der Erfindung ist es, die obigen Probleme zu überwinden und Verbindungselemente, sowie Verfahren zu ihrer Herstellung und ihrer Aufbringung auf Halbleiterchips oder Halbleiterwafer anzugeben, die eine elastische, nachgiebige Verbindung zwischen Kontaktflächen eines Halbleiterchips oder eines Halbleiterwafers mit Kontaktanschlussflächen einer übergeordneten Schaltungsplatine ermöglichen und die Abrissgefahr derartiger Verbindungselemente vermindert.
  • Gelöst wird diese Aufgabe mit dem Gegenstand der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Erfindungsgemäß wird ein Halbleiterbauteil mit elektrischen Verbindungen zwischen Halbleiterchips und übergeordneten Schaltungsplatinen geschaffen, wobei die Verbindungselemente ein elektrisch leitendes elastisches Metall in gebogener Streifenform mit zwei Metallschenkeln und mit abgeflachten Schenkelenden aufweisen und wobei ein abgeflachtes Schenkelende eines einzelnen gebogenen Metallstreifens der Verbindungselemente auf einer einzelnen Kontaktfläche von Kontaktflächen einer aktiven Oberseite des Halbleiterchips elektrisch leitend fixiert ist. Das zweite abgeflachte Schenkelende ist auf der Oberseite des Halbleiterchips fixiert.
  • Ein Halbleiterbauteil mit derartigen Verbindungselementen hat den Vorteil, dass die Verbindungselemente sowohl in der x-Richtung und der y-Richtung elastisch sind, als auch z-Richtung, wobei sich die Schenkel elastisch spreizen oder elastisch zusammenfahren. Beim Spreizen und Zusammenfahren wird gleichzeitig auch eine Anpassung in z-Richtung möglich, so dass minimale Abstandsunterschiede zwischen einem Halbleiterchip und einer übergeordneten Schaltungsplatine ausgeglichen werden können. Diese Eigenschaft der erfindungsgemäßen Verbindungselemente ist besonders entscheidend für einen "Wafer-Level-Test", bei dem die Halbleiterchips in den Halbleiterpositionen eines Halbleiterwafers nicht mit der Platine eines Messkopfes fest verbunden werden, sondern diese Platine mit ihren Kontaktanschlussflächen des Messkopfes lediglich auf die einzelnen Halbleiterbauteilpositionen eines Halbleiterwafers aufgesetzt oder aufgedrückt wird.
  • Der weitere Vorteil dieser Verbindungselemente besteht darin, dass sie nicht an dem Messkopf angebracht sind, sondern auf dem Halbleiterchip und in jeder der Halbleiterbauteilpositionen eines Halbleiterwafers vorhanden sein können, so dass sie gleichzeitig nach dem Auftrennen des Halbleiterwafers in einzelne Halbleiterchips für ein Produktgehäuse als Außenkontakte eines Halbleiterbauteils zur Verfügung stehen.
  • In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, einen Halbleiterwafer in seinen Halbleiterbauteilpositionen mit derartigen Verbindungselementen auf seinen Kontaktflächen auszustatten. Dieses hat nicht nur den Vorteil der oben erwähnten Testbarkeit des Halbleiterwafers in seiner Gesamtheit, sondern auch den Vorteil, dass die einmal aufgebrachten Verbindungselemente während der nachfolgenden Fertigungsschritte des Halbleiterwafers zu beispielsweise halbleiterchipgroßen Bauteilen ohne zusätzliche Fertigungsschritte als selbsttragende Verbindungselemente zur Verfügung stehen. Diese selbsttragenden, elastischen und stabilen Verbindungselemente ersetzen somit die Außenkontakte eines Halbleiterbauteils.
  • Zur Verbesserung der Stabilität der Verbindungselemente als Außenkontakte von Halbleitbauteilen in der Halbleiterchipgröße ist es vorgesehen, nicht nur ein abgeflachtes Schenkelende auf der Oberseite des Halbleiterchips zu fixieren, sondern beide Schenkelenden auf der Oberseite des Halbleiterchips zu montieren. Mit dieser Fertigungstechnik wird ein Vorteil gegenüber den oben erwähnten bisherigen Lösungen erreicht, der sich nicht nur in der verbesserten Elastizität, sondern auch durch die verbesserte Stabilität der neuen Verbindungselemente auszeichnet. Diese erhöhte Stabilität durch Fixieren von zwei Schenkelenden auf der Oberseite eines Halbleiterchips, wobei mindestens eines elektrisch mit einem der Kontaktflächen des Halbleiterchips verbunden ist, ermöglicht eine Stabilisierung der Verbindungselemente, die mit den bisher bekannten Lösungen nicht erreichbar ist.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Verbindungselemente radial zu den Zentren von Halbleiterchippositionen eines Halbleiterwafers ausgerichtet. Das hat den Vorteil, dass beim Aufsetzen eines Testkopfes mit Kontaktanschlussflächen auf die gebogenen Metallstreifen der Verbindungselemente die Verbindungselemente mit ihrem freien Schenkel den Druck des Messkopfes in radialer Richtung nachgeben können, ohne dabei einer Torsionsbelastung ausgesetzt zu sein, was einen Abriss der elastischen Verbindungselemente verhindert. Um hohe Stabilität und gleichzeitig hohe elektrische Leitfähigkeit zu erreichen, weisen die Verbindungselemente Kupfer, Aluminium, Gold, Silber oder Legierungen derselben auf. Die Legierungszusätze dienen dabei der Erhöhung der Elastizität und der Verhinderung von Sprödbrüchen.
  • Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Verbindungselemente U-förmig oder V-förmig gebogene Metallstreifen. Die U- oder V-Form hat den Vorteil, dass die beiden Schenkel zu abgeflachten Schenkelenden abgebogen werden können, welche parallel zu der Oberseite des Halbleiterchips beim Aufbringen der Verbindungselemente angeordnet werden können.
  • Ein bevorzugter Bereich der Dicke der Verbindungselemente liegt zwischen 3 und 100 Mikrometern und ein vorteilhafter Bereich der Metallstreifenbreite der Verbindungselemente liegt zwischen 25 und 1000 Mikrometern. Diese Breiten- und Dickenabmessungen zeigen, dass es sich bei den erfindungsgemäßen Verbindungselementen um mikromechanische Komponenten handelt, die auf die Halbleiterchips bzw. auf entsprechende Halbleiterwafer aufgebracht werden können.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Verbindungselemente an den abgeflachten Schenkelenden eine geringere Breite aufweisen, als im Bereich der Schenkel. Derartige Verbindungselemente haben den Vorteil, dass ihre Schenkelenden auf die minimalen Abmessungen einer Kontaktanschlussfläche abgestimmt sein können, ohne dass unter diesen minimalen Abmessungen die Stabilität der Verbindungselemente abnimmt, zumal die größere stabile Breite der Schenkel beibehalten wird. Mit derartigen Verbindungselementen ist es möglich, Kontaktflächen mit Abmessungen von wenigen Mikrometern noch zu kontaktieren und mit Kontaktanschlussflächen auf einer übergeordneten Schaltungsplatine über die erfindungsgemäßen Verbindungselemente zu verbinden.
  • Ein Verfahren zur Herstellung und Aufbringung von Verbindungselementen auf Halbleiterchips und/oder auf einem Halbleiterwafer weist die nachfolgenden Verfahrensschritte auf. Zunächst wird eine Metallfolie oder ein Metallband bereitgestellt. Die Größe der Metallfolie bzw. des Metallbandes sollten den Mindestabmessungen eines Halbleiterchips oder eines Halbleiterwafers entsprechen. Anschließend findet ein Vorprägen der Metallfolie oder des Metallbandes statt. Dieses Vorprägen kann mit Stanzwerkzeugen oder mit Ätztechniken kombiniert werden, um eine Form von zweischenklig gebogenen Metallstreifen der Verbindungselemente mit abgeflachten Schenkelenden gemäß einem Lageplan der Kontaktflächen eines Halbleiterwafers oder eines Halbleiterchips durchzuführen.
  • Bei diesem Vorprägen wird darauf geachtet, dass die Verbindungselemente nicht vollständig aus der Metallfolie oder dem Metallband herausgeätzt oder herausgestanzt werden, sondern vielmehr in den vorgegebenen Positionen des Lageplans für die Kontaktflächen des Halbleiterwafers oder eines Halbleiter chips verbleiben. Der Abrissbereich kann eine Einkerbung oder eine Schwächung des Folien- oder Metallbandmaterials umfassen. Vorzugsweise wird der Abrissbereich in einem Bereich nahe den abgeflachten Schenkelenden der Verbindungselemente vorgesehen. Die Schenkelenden können vor dem Vorprägen der Metallfolie oder des Metallbandes oder auch nach dem Vorprägen der Metallfolie oder des Metallbandes mit einem Verbindungsstoff beschichtet werden.
  • Anstelle der Schenkelenden können aber auch die Kontaktflächen des Halbleiterchips mit einem derartigen Verbindungsstoff versehen werden. Diese Beschichtung mit dem Verbindungsstoff dient dazu, eine stoffliche Verbindung mindestens eines der Schenkelenden mit den Kontaktflächen zu ermöglichen. Vorzugsweise ist dieser Verbindungsstoff ein mit Metallgranulat gefüllter Klebstoff und damit ein elektrisch leitendes Material oder eine Lotlegierung.
  • Nach diesem Vorbereiten durch Vorprägen und Beschichten wird die vorgeprägte Metallfolie bzw. das vorgeprägte Metallband auf einen Halbleiterchips oder einen Halbleiterwafer aufgebracht und in der Weise justiert, dass mindestens ein Schenkelende eines Verbindungselements einer jeweiligen Kontaktfläche auf der Oberseite des Halbleiterchips oder des Halbleiterwafers gegenübersteht. Anschließend wird mindestens ein Schenkelende der Verbindungselemente auf den Kontaktflächen mit Hilfe des Verbindungsstoffes fixiert. Im Falle eines Leitklebers erfolgt dieses durch einfachen Andruck und Aushärten des Leitklebers, und im Falle einer Lotlegierung als Verbindungsstoff wird ein Lötprozess für alle Verbindungselemente eines Halbleiterchips oder eines Wafers parallel und gleichzeitig durchgeführt. Abschließend wird die Metallfolie oder das Metallband von dem Halbleiterchip bzw. dem Halblei terwafer unter Zurücklassung der fixierten Verbindungselemente und unter Abriss der Metallfolie bzw. des Metallbandes in den Abrissbereichen abgehoben.
  • Dieses Verfahren zum Herstellen und Aufbringen von Verbindungselementen auf Halbleiterchips und/oder auf Halbleiterwafern hat den Vorteil, dass das Befestigen oder Fixieren der Verbindungselemente nicht wie im Stand der Technik bei der "Microspring"-Technologie seriell erfolgt, sondern parallel und gleichzeitig für sämtliche Kontaktflächen eines Halbleiterchips oder eines Halbleiterwafers durchgeführt werden kann. Ein weiterer Vorteil dieses Verfahrens ist es, dass dieses Verfahren nicht auf die Größe eines Halbleiterchips begrenzt ist, sondern auf Halbleiterwafer beliebiger Größe mit beliebiger Anzahl von Kontaktanschlussflächen in den einzelnen Halbleiterbauteilpositionen des Halbleiterwafers übertragen werden kann. Schließlich hilft der vorgeprägte Abrissbereich die Halbleiterfolie bzw. das Halbleiterband ohne Probleme von dem jeweiligen Halbleiterchip bzw. dem Halbleiterwafer abzuziehen.
  • Ein alternatives Verfahren zur Herstellung und Aufbringung von Verbindungselementen auf Halbleiterchips und/oder auf Halbleiterwafern weist dem gegenüber die nachfolgenden Verfahrensschritte auf. Zunächst wird, wie im ersten Fall, eine Metallfolie oder ein Metallband bereitgestellt. Das Vorprägen ist jedoch mit einem vollständigen Ausstanzen von zweischenklig gebogenen Verbindungselementen mit abgeflachten Schenkelenden aus der Metallfolie oder aus dem Metallband vorgesehen. Somit liegen nach diesem Verfahrensschritt Verbindungselemente mit Abmessungen von wenigen Mikrometern vor, die nun in Vertiefungen einer Matrize eingerüttelt werden. Dieses Einrütteln kann durch Vibration der Matrize unter stützt werden, wobei die Matrize an die Verbindungselementform angepasste Vertiefungen aufweist. Diese Vertiefungen sind nach einem Lageplan der Kontaktflächen eines Halbleiterwafers oder eines Halbleiterchips angeordnet.
  • Nachdem sämtliche Positionen der Vertiefungen der Matrize mit Verbindungselementen aufgefüllt sind, wird ein Halbleiterchip oder ein Halbleiterwafer auf die Matrize aufgebracht und die Kontaktflächen werden nach den Vertiefungen der Matrize ausgerichtet. Anschließend erfolgt ein paralles Fixieren mindestens eines Schenkelendes der Verbindungselemente auf den Kontaktflächen des Halbleiterchips oder des Halbleiterwafers für alle Verbindungspositionen gleichzeitig. Dazu kann vorgesehen werden, dass ein Verbindungsstoff entweder auf dem zu verbindenden abgeflachten Schenkelende oder auf den Kontaktflächen vor dem Fixieren aufgebracht wird. Nachdem die Fixierung beendet ist, wird die Matrize von dem Halbleiterchip oder dem Halbleiterwafer abgehoben und kann wiederverwendet werden.
  • Auch bei diesem Verfahren ergibt sich der Vorteil, einer parallel Montage sämtlicher Verbindungselemente, so dass dieses Verfahren einen Fertigungsvorteil gegenüber der "Microspring"-Technologie liefert.
  • Darüber hinaus ist es möglich, aufgewölbte Strukturen aus einer Kunststoffmasse in den Bereich der Kontaktflächen eines Halbleiterwafers oder Halbleiterchips aufzubringen und auf diesen aufgewölbten Strukturen, unter gleichzeitigem Verbinden mit den Kontaktflächen einen gebogenen Metallstreifen mit entsprechenden Schenkeln und abgeflachten Schenkelenden selektiv galvanisch abzuscheiden. Bei dieser Verfahrensweise werden anschließend, nach der Abscheidung der gebogenen Verbindungselemente, die aufgewölbten Kunststoffstrukturen auf dem Halbleiterwafer oder dem Halbleiterchip aufgelöst, so dass an deren Stelle und in deren Positionen selbsttragende, stabile Verbindungselemente auf dem Halbleiterchips bzw. den Halbleiterwafer in Form der gebogenen Metallstreifen zurückbleiben.
  • Neben diesem Verfahren mit einem parallelen Aufbringen von Verbindungselementen auf einen Halbleiterchip oder einen Halbleiterwafer ist es auch möglich, in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens seriell entsprechend vorbereitete Verbindungselemente auf Halbleiterchips oder Halbleiterwafer aufzubringen. Dazu werden wie in den vorhergehenden Verfahren zunächst eine Metallfolie oder ein Metallband bereitgestellt, und durch Vorprägen und Ausstanzen von zweischenklig gebogenen Verbindungselementen mit abgeflachten Schenkelenden, stehen dann einzelne Verbindungselemente zur Verfügung. Diese Verbindungselemente werden einem Bestückungsautomaten zugeführt. Dieser Bestückungsautomat bestückt die Kontaktflächen der Halbleiterchips oder der Halbleiterwafer mit Verbindungselementen unter Fixieren mindestens eines der abgeflachten Schenkelenden auf den Kontaktflächen. Dieses serielle Verfahren hat den Vorteil, dass herkömmliche oder leicht modifizierte Bestückungsautomaten für das Aufbringen von Verbindungselementen eingesetzt werden können.
  • Zusammenfassend ist festzustellen, dass die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von glasfaserverstärkten Epoxyd-Schaltungsträgern und Silizium-Halbleiterchips bei Temperaturänderungen zu hohen mechanischen Spannungen im Verbindungselement zwischen Halbleiterchip und Schaltungsträger führen können. In der Regel übernehmen den Ausgleich dieser thermischen Ausdehnungen verschiedene Komponenten der Gehäuseverpackung zum Beispiel Lotbälle oder Leitkleber oder ande re Verbindungsstrukturen. Muss eine höhere Integrationsdichte auf einem übergeordneten Schaltungsträger erreicht werden, so ist auch das Packagegehäuse zu verkleinern. Dabei gewinnen immer mehr die halbleiterbauteilgroßen Gehäuse (chip scale packages), die als Verbindungselemente Flipchip-Kontakte aufweisen, eine steigende Bedeutung.
  • Die höchste Integrationsdichte versprechen solche mit Flipchip-Kontakten ausgestatteten Gehäuse, weil die Chipfläche gleich der Produktgehäusefläche ist. Jedoch ist bei Produktgehäusen, die auf Flipchip-Kontakten basieren der Einbau eines elastischen Elementes zwischen dem Halbleiterchip und dem Schaltungsträger aus Epoxydharz sehr schwierig. Somit werden die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungen nur von dem Verbindungselement, nämlich dem Flipchip-Kontakt, in Form einer Lötkugel oder eines Lothöckers aufgenommen. Eine belastbare Verbindung lässt sich mit zufriedenstellender Zuverlässigkeit jedoch nur für kleine Halbleiterchips mit sehr geringen Abmessungen und einer geringen Anzahl an Flipchip-Kontakten oder unter der Zusatzanwendung von "Underfill"-Kunststoffen zufriedenstellend erreichen. Jedoch für Speicherchips, die eine verhältnismäßig große Chipfläche besitzen, sind derartige Lösungen nicht zufriedenstellend.
  • In der vorliegenden Erfindung wird ein Verbindungselement zwischen Halbleiterchip und übergeordnetem Schaltungsträger vorgestellt, welches sich aufgrund seiner geometrischen Form und des verwendeten Materials elastisch verformen kann und das über gute thermische als auch über gute elektrische Eigenschaften verfügt. Zudem ist die mechanische Stabilität der erfindungsgemäßen Verbindungselemente groß genug, um auf zusätzliche Unterstützungskomponenten, wie bei den bisherigen Lösungen, verzichten zu können.
  • Insbesondere durch die V- oder U-förmige Verbindungselementstruktur aus einem elektrisch gut leitenden Material, wie Kupfer, Aluminium, Silber oder Gold, ergibt sich ein selbsttragendes, stabiles Verbindungselement. Wie die oben beschriebenen Verfahren zeigen, kann das Verbindungselement aus einer Folie oder einem Band herausgearbeitet werden. Das Verbindungselement wird mit seiner Öffnung der V- oder U-Form in Richtung auf den Halbleiterchip mittels einer stofflichen Verbindung, zum Beispiel Kleben, Löten oder Reibschweißen, befestigt. Dabei ist es denkbar, dass in einem ersten Schritt lediglich ein Schenkel des Verbindungselementes befestigt wird, um für einen nachfolgenden Testprozess auf Waferlevel eine Verformbarkeit, insbesondere in Z-Richtung zu gewährleisten. Nach einem derartigem Testschritt kann das freie Schenkelende dann in einem weiteren Prozessschritt am Halbleiterchip selbst zusätzlich befestigt werden.
  • Die Ausrichtung der Kontaktelemente wird so ausgeführt, dass die Beweglichkeit in der Hauptbelastungsrichtung, zum Beispiel in Form einer konzentrischen oder radialen Ausrichtung, sichergestellt wird. Sind die Verbindungselemente bereits an dem Halbleiterchip befestigt, kann mit den üblichen Fertigungsprozessen das Verbindungselement mit den Kontaktanschlussflächen auf dem Schaltungsträger verbunden werden.
  • Die V- oder U-Form hat darüber hinaus den Vorteil, dass sie sich leicht elastisch verformen kann und diese Geometrie wirkt praktisch wie ein Federelement, so dass zusätzliche gummielastische Komponenten im Gehäusebereich überflüssig werden. Damit wird gleichzeitig der Fertigungsaufwand vermindert und das Montageverfahren vereinfacht.
    •
  • Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
  • 1 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines Halbleiterchips bzw. eines Teilstücks eines Halbleiterwafers mit Verbindungselementen, gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
  • 2 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines Halbleiterchips bzw. eines Teilstücks eines Halbleiterwafers mit Verbindungselementen, gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
  • 3 zeigt eine prinzipielle perspektivische Ansicht eines Verbindungselementes, wie es für die erste Ausführung der Erfindung gemäß 1 eingesetzt wird;
  • 4 zeigt eine prinzipielle perspektivische Ansicht eines Verbindungselementes, wie es für die zweite Ausführung der Erfindung, gemäß 2 eingesetzt wird;
  • 5 zeigt eine prinzipielle perspektivische Ansicht eines Verbindungselementes, gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung, mit Beschichtungen aus einem Verbindungsstoff;
  • 6 zeigt eine prinzipielle perspektivische Ansicht eines Verbindungselementes, gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung, mit Beschichtungen aus einem Verbindungsstoff;
  • 7 zeigt eine prinzipielle perspektivische Ansicht eines Verbindungselementes, gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung, mit abgeflachten Schenkelenden, die eine verminderte Breite aufweisen;
  • 8 zeigt eine prinzipielle perspektivische Ansicht eines Verbindungselementes, gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung, mit abgeflachten Schenkelenden, die eine verminderte Breite aufweisen.
  • 1 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines Halbleiterchips 3 bzw. eines Teilstücks eines Halbleiterwafers mit Verbindungselementen 1, gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung. Das Verbindungselement 1 auf dem Halbleiterchip 3 bildet eine elektrische Verbindung 5 zwischen dem Halbleiterchip 3 und einer übergeordneten Schaltungsplatine 4. Das Verbindungselement 1 ist in dieser Ausführungsform U-förmig gebogen und weist zwei Schenkel 8 und 9 auf, die in abgeflachte Schenkelenden 10 und 11 übergehen. Das offene Ende des U-förmigen Verbindungselementes 1 ist in Richtung auf die aktive Oberseite 13 des Halbleiterchips 3 gerichtet. Somit stehen die abgeflachten Schenkelenden 10 und 11 auf dieser aktiven Oberseite, wobei mindestens ein Schenkelende 10 über einen Verbindungsstoff 14 mit jeweils einer Kontaktfläche 12 auf der aktiven Oberseite 13 des Halbleiterchips 3 elektrisch verbunden ist.
  • Das geschlossenen Ende des U-förmigen Verbindungselementes bzw. die Basis ist auf Kontaktanschlussflächen 6 einer übergeordneten Schaltungsplatine 4 fixiert, so dass zwischen dem Halbleiterchip 3 und der Schaltungsplatine 4 mindestens ein elastischer Schenkel 8 des U-förmigen Verbindungselementes eine elektrische Verbindung zwischen Halbleiterchip 3 und der übergeordneten Schaltungsplatine 4 herstellt. Diese übergeordnete Schaltungsplatine 4 kann ein Modul, das mehrere Halbleiterchips 3 aufweist, die beispielsweise zu einer Umverdrahtungsplatte gehörten, aufweisen. Dabei sind wenige Mikrometer großen Kontaktflächen 12 des Halbleiterchips 3 über die Kontaktanschlussflächen 6 der Schaltungsplatine 4 und über Umverdrahtungsleitungen mit einige hundert Mikrometer großen Außenkontakten eines Halbleiterbauteiles oder Halbleitermoduls verbunden.
  • Mit diesen Verbindungselementen 1 auf der aktiven Oberseite 13 des Halbleiterchips 3 wird eine hohe Kontaktdichte erreicht, zumal die abgeflachten Schaltungsenden in ihrer Größe den Kontaktflächen 12 des Halbleiterchips 3 angepasst werden können, ohne dass das Verbindungselement 1 in seiner Stabilität und Elastizität beeinträchtigt wird. So lange das zweite abgeflachte Schenkelende 11 der Verbindungselemente nicht auf der Oberseite 13 fixiert ist, sondern lediglich von der Oberseite 13 gestützt wird, ist eine hohe Flexibilität und Elastizität der Verbindungen zwischen Halbleiterchips 3 und übergeordneten Schaltungsplatine 4 auch in z-Richtung gewährleistet, so dass die Unterschiede in den thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem Halbleiterchip 3 und der übergeordneten Schaltungsplatine 4 nicht zu Defekten und Abrissen führen können. Andererseits kann auch das zweite abgeflachte Schenkelende 11 der Verbindungselemente 1 auf der aktiven Oberseite des Halbleiterchips 3 fixiert sein. Damit wäre die Verbindung zwischen Halbleiterchip 3 und übergeordneter Schaltungsplatine 4 etwas steifer, jedoch auf Grund der U-förmigen Biegung des Verbindungselementes 1 ist nach wie vor eine ausreichende und zufriedenstellende Elastizität vorhanden.
  • 2 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines Halbleiterchips 3 bzw. eines Teilstücks eines Halbleiterwafers mit Verbindungselementen 2 gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Komponenten mit gleichen Funktionen wie in 1 werden mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und nicht extra erörtert.
  • Das Verbindungselemente 2 der zweiten Ausführungsform der Erfindung unterscheidet sich von dem Verbindungselement 1, dadurch, dass das Verbindungselement 2 einen V-förmigen Querschnitt aufweist. Diese V-Förmigkeit erhöht weiterhin die Steifigkeit des Verbindungselementes und gewährleistet dennoch, dass die elastische Verschiebung in x- und y-Richtung, also parallel zu der Oberseite 13 des Halbleiterchips 3, aufgrund von Unterschieden in den Ausdehnungskoeffizienten von Halbleiterchip 3 und der hier nicht gezeigten übergeordneten Schaltungsplatine ausgeglichen werden können, ohne dass ein Abriss der Verbindungselemente zu befürchten ist.
  • 3 zeigt eine prinzipielle perspektivische Ansicht eines Verbindungselementes 1, wie es für die erste Ausführungsform der Erfindung gemäß 1 eingesetzt wird. Während in 1 lediglich der U-förmige Querschnitt des Verbindungselementes 1 und das Zusammenwirken der elektrischen Verbindung zwischen Kontaktflächen des Halbleiterchips und Kontaktanschlussflächen der übergeordneten Schaltungsplatine gezeigt wird, ist in 3 die Breite B des Verbindungselementes 1 zu sehen. Das Verbindungselement 1 besteht somit aus einem elektrisch leitenden Metallstreifen aus Kupfer, Aluminium, Silber, Gold oder Legierungen derselben, der derart gebogen ist, dass zwei freie Schenkel 8 und 9, ferner eine Basis 15 und abgeflachte Schenkelenden 10 und 11 aus den Metallstreifen entstehen.
  • Die Basis 15 kann mit der übergeordneten Schaltungsplatine und deren Kontaktanschlussflächen in Kontakt gebracht, oder stoffschlüssig mit den Kontaktanschlussflächen der übergeordneten Schaltungsplatine verbunden werden. Von den beiden abgeflachten Schenkelenden 10 und 11 ist das Schenkelende 10, wie es in 1 zu sehen ist, mit den Kontaktflächen des Halbleiterchips elektrisch verbunden, wobei der Öffnungsbereich 16 des U-förmig gebogenen Metallstreifens in Richtung auf die aktive Oberseite des Halbleiterchips ausgerichtet ist.
  • 4 zeigt eine prinzipielle perspektivische Ansicht eines Verbindungselementes 2, wie es für die zweite Ausführungsform der Erfindung gemäß 2 eingesetzt wird. Komponenten mit gleichen Funktionen, wie in den vorhergehenden Figuren, werden mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und nicht extra erörtert. Der Unterschied zwischen dem Verbindungselement 1 und dem Verbindungselement 2 liegt darin, dass der Metallstreifen in 4 V-förmig abgewinkelt ist und frei tragende Schenkel 8 und 9 aufweist, die in abgeflachte Schenkelenden 10 und 11 übergehen. Auch bei dieser Ausführungsform der Erfindung ist die Basis 15 der V-Form relativ elastisch gegenüber den Schenkelenden. Der Öffnungsbereich 16, kann wiederum zu der aktiven Oberseite des Halbleiterchips ausgerichtet sein.
  • 5 zeigt eine prinzipielle perspektivische Ansicht eines Verbindungselementes 1, gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung, mit Beschichtungen aus einem Verbindungsstoff 14.
  • Dieser Verbindungsstoff 14 kann ein Lotmaterial oder ein Klebstoffmaterial sein, oder eine reibschweißfähige Legierung darstellen. Diese Beschichtung mit dem Verbindungsstoff 14 ist einerseits auf mindestens einem der abgeflachten Schenkelenden 10 aufgebracht, um damit Kontaktflächen des Halbleiterchips zu kontaktieren und andererseits auf der Basis 15 angeordnet, um die Verbindung zu den Kontaktanschlussflächen eines übergeordneten Schaltungsträgers herzustellen.
  • 6 zeigt eine prinzipielle perspektivische Ansicht eines Verbindungselementes 2, gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung, mit Beschichtungen aus einem Verbindungsstoff 14. Komponenten mit gleichen Funktionen wie in 1 werden mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und nicht extra erörtert. 6 zeigt wiederum den V-Querschnitt des Verbindungselementes 2, der auf seiner Basis 15 mit dem Verbindungsstoff 14 bedeckt ist, so dass eine Verbindung zwischen Metallstreifen und Kontaktanschlussflächen eines übergeordneten Schaltungsträgers herstellbar wird und darüber hinaus ist eine Beschichtung aus Verbindungsstoff 14 auch auf einer der abgeflachten Schenkelenden 10 angeordnet.
  • Trotz dieser Beschichtung eines Verbindungsstoffes 14 auf einem der beiden abgeflachten Schenkelenden 10 und 11 des Verbindungselementes 2 ist es durchaus möglich, beide abgeflachte Schenkelenden 10 und 11 mit einem derartigen Verbindungsstoff 14 zu beschichten. Andererseits kann auch ein derartiger Verbindungsstoff 14 nur auf den Kontaktflächen des Halbleiterchips und/oder auf den Kontaktanschlussflächen des übergeordneten Schaltungsträgers angeordnet sein und der Metallstreifen, wie in den 3 und 4 gezeigt, vollständig frei von einem Verbindungsstoff gehalten sein.
  • 7 zeigt eine prinzipielle perspektivische Ansicht eines Verbindungselementes 1, gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung, mit abgeflachten Schenkelenden 10 und 11, die eine verringerte Breite b aufweisen. Die gegenüber der Breite B des Metallstreifens 7 verringerte Breite b kann notwendig werden, wenn die Kontaktanschlussflächen des Halbleiterchips oder des Halbleiterwafers sich im Bereich von wenigen Mikrometern bewegen, so dass durch die größere Breite B des Metallstreifens nach wie vor eine ausreichende Stabilität für das Verbindungselement erreicht wird und dennoch eine sichere Verbindung zu den wenige Mikrometern großen Kontaktanschlussflächen des Halbleiterchips gewährleistet werden kann.
  • 8 zeigt eine prinzipielle perspektivische Ansicht eines Verbindungselementes 2, gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung mit abgeflachten Schenkelenden 10 und 11, die eine verringerte Breite b aufweisen. Komponenten mit gleichen Funktionen, wie in den vorhergehenden Figuren, werden mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und nicht extra erörtert. Auch für die zweite Ausführungsform der Erfindung können die abgeflachten Schenkelenden 10 und 11 mit einer verringerte Breite b ausgeführt werden, um an die Größe von Kontaktflächen des Halbleiterchips angepasst zu werden. Andererseits ist es auch möglich, dass von den beiden abgeflachten Schenkelenden 10 und 11 nur ein Schenkelende eine verringerte Breite b aufweist, während das andere Schenkelende nach wie vor die volle Breite B des Metallstreifens besitzt. Dieses wird dann eingesetzt, wenn mindestens das in seiner Breite verringerte Schenkelenden auf einer Kontaktfläche fixiert werden soll, während sich das andere abgeflachte Schenkelende auf der Oberseite des Halbleiterchips außerhalb des Bereichs einer Kontaktfläche abstützen soll.

Claims (10)

  1. Halbleiterbauteil mit elektrischen Verbindungen (5) zwischen Halbleiterchips (3) und übergeordneten Schaltungsplatinen (4), wobei die Verbindungselemente (1, 2) ein elektrisch leitendes elastisches Metall in gebogener Streifenform mit zwei Metallschenkeln (8, 9) und mit abgeflachten Schenkelenden (10, 11) aufweisen und wobei ein abgeflachtes Schenkelende (10) eines einzelnen gebogenen Metallstreifens (7) der Verbindungselemente (1, 2) auf einer einzelnen Kontaktfläche (12) von Kontaktflächen (12) einer aktiven Oberseite (13) des Halbleiterchips (3) elektrisch leitend fixiert ist und das zweite abgeflachte Schenkelende (11) auf der Oberseite (13) des Halbleiterchips (3) fixiert ist.
  2. Halbleiterbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungselemente (1, 2) auf Kontaktflächen (12) von Halbleiterchippositionen eines Halbleiterwafers angeordnet sind.
  3. Halbleiterbauteil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungselemente (1, 2) radial zu dem Zentren von Halbleiterchippositionen eines Halbleiterwafers ausgerichtet sind.
  4. Halbleiterbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungselemente (1, 2) Kupfer, Aluminium, Gold, Silber, oder Legierungen derselben aufweisen.
  5. Halbleiterbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungselemente (1, 2) U-förmig oder V-förmig gebogenen sind.
  6. Halbleiterbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallstreifen (7) der Verbindungselemente (1, 2) eine Dicke von 3 bis 100 Mikrometern aufweist.
  7. Halbleiterbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallstreifen (7) der Verbindungselemente (1, 2) eine Breite (B) von 25 bis 1000 Mikrometern aufweist.
  8. Halbleiterbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungselemente (1, 2) an den abgeflachten Schenkelenden (10, 11) eine geringere Breite aufweisen als die Schenkel (8, 9).
  9. Verfahren zur Herstellung und zum Testen von Halbleiterchips in Positionen von Halbleiterwafern, wobei das Verfahren folgende Verfahrensschritte aufweist: – Bereitstellen eines Halbleiterwafers mit mehreren Chippositionen, – Bereitstellen einer Metallfolie oder eines Metallbandes, – Vorprägen der Metallfolie oder des Metallbandes in einer Form von zweischenklig gebogenen Metallstreifen (7) der Verbindungselemente (1, 2) mit abgeflachten Schenkelenden (10, 11) nach einem Lageplan der Kontaktflächen (12) des Halbleiterwafers, wobei ein Abrissbereich vorgesehen wird, über den die Verbindungselemente (1, 2) mit der Metallfolie bzw. dem Metallband mechanisch verbunden bleiben, – Beschichten mindestens eines der Schenkelenden (10, 11) und/oder der Kontaktflächen (12) mit einem Verbindungsstoff (14), – Aufbringen der vorgeprägten Metallfolie bzw. des vorgeprägten Metallbandes auf den Halbleiterwafer, – Elektrisch leitendes Fixieren des einen Schenkelendes der Verbindungselemente auf den Kontaktflächen mit Hilfe des Verbindungsstoffes, – Abheben der Metallfolie bzw. des Metallbandes von dem Halbleiterwafer unter Zurücklassung der fixierten Verbindungselemente (1, 2), – Testen des Halbleiterchips in den Positionen des Halbleiterwafers mittels eines Testkopfes mit Kontaktanschlussflächen, die auf die Verbindungselemente (1, 2) in den Halbleiterpositionen gedrückt werden; – Fixieren des zweiten Schenkelendes der Verbindungselemente (1, 2) auf der aktiven Seite der Halbleiterchips.
  10. Verfahren zur Herstellung und Aufbringung von Verbindungselementen (1, 2) auf Halbleiterchips (3) und/oder auf Halbleiterwafern, wobei das Verfahren folgende Verfahrensschritte aufweist: – Bereitstellen einer Metallfolie oder eines Metallbandes, – Vorprägen und Ausstanzen von zweischenklig gebogenen Verbindungselementen (1, 2) mit abgeflachten Schenkelenden (10, 11) aus der Metallfolie oder aus dem Metallband, – Einrütteln der Verbindungselemente (1, 2) in Vertiefungen einer Matrize, welche die Verbindungselemente (1, 2) nach einem Lageplan der Kontaktflächen (12) eines Halbleiterwafers oder eines Halbleiterchips (3) aufnimmt, – Aufbringen und Ausrichten von Kontaktflächen (12) einer aktiven Oberseite (13) eines Halbleiterchips (3) bzw. eines Halbleiterwafers auf die Schenkelenden (10, 11) der Verbindungselemente (1, 2) in den Vertiefungen der Matrize, – Fixieren mindestens eines Schenkelendes (10) der Verbindungselemente (1, 2) auf den Kontaktflächen (12), – Abheben der Matrize.
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