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Dokumentenidentifikation DE102005045767A1 24.05.2007
Titel Halbleiterbauteil mit Kunststoffgehäusemasse und Verfahren zur Herstellung desselben
Anmelder Infineon Technologies AG, 81669 München, DE
Erfinder Beer, Gottfried, Dipl.-Ing., 93152 Nittendorf, DE;
Fuergut, Edward, Dipl.-Ing., 86453 Dasing, DE
Vertreter Schweiger & Partner, 80333 München
DE-Anmeldedatum 23.09.2005
DE-Aktenzeichen 102005045767
Offenlegungstag 24.05.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 24.05.2007
IPC-Hauptklasse H01L 23/28(2006.01)A, F, I, 20050923, B, H, DE
IPC-Nebenklasse H01L 23/36(2006.01)A, L, I, 20050923, B, H, DE   C25B 11/12(2006.01)A, L, I, 20050923, B, H, DE   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauteil (1) mit Kunststoffgehäusemasse (3) und ein Verfahren zur Herstellung desselben. Dabei weist das Halbleiterbauteil (1) eine interne Verdrahtung (4) auf, die von der Kunststoffgehäusemasse (3) durch eine Isolationsschicht (5) elektrisch isoliert ist. Die Kunststoffgehäusemasse weist eine hohe Wärmeleitfähigkeit und einen geringen Ausdehnungskoeffizienten auf, wobei der Ausdehnungskoeffizient an den Halbleiterchip des Halbleiterbauteils angepasst ist. Dieses wird dadurch erreicht, dass die Kunststoffgehäusemasse elektrisch halbleitende und/oder elektrisch leitende Füllstoffpartikel aufweist. Insbesondere wird diese Kunststoffgehäusemasse für Halbleiterbauteile mit Flipchip-Kontakten und/oder für Halbleiterbauteile, die nach dem "Universal-Packaging-Konzept" aufgebaut sind, in vorteilhafter Weise eingesetzt.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauteil mit Kunststoffgehäusemasse und Verfahren zur Herstellung desselben. Dazu weist das Halbleiterbauteil eine interne Verdrahtung auf, die von der Kunststoffgehäusemasse durch eine Isolationsschicht elektrisch isoliert ist.

Derartige Halbleiterbauteile mit Kunststoffgehäusemasse sind in der Halbleiter-Elektronik weit verbreitet. Dabei soll die Kunststoffgehäusemasse einerseits die elektronischen Komponenten schützen und zusammenhalten und andererseits, soweit innerhalb des Halbleiterbauteils interne Verdrahtungen vorgesehen sind, sollen diese durch die Kunststoffgehäusemasse elektrisch voneinander isoliert werden. Schließlich werden in eine derartige Kunststoffgehäusemasse Füllstoffpartikel eingebracht, die einerseits den Ausdehnungskoeffizienten der Kunststoffgehäusemasse so weit herabsetzen sollen, dass die thermischen Spannungen zwischen Kunststoffgehäusemasse und Halbleiterchips vermindert werden und andererseits sollen die Füllstoffpartikel die thermische Leitfähigkeit heraufsetzen.

Dazu ist aus der Patentschrift US 5,011,872 eine Kunststoffmasse bekannt, die als Füllstoffpartikel Bornitrid aufweist und alternativ auch Siliziumkarbid und Aluminiumnitrid enthält, um die Wärmeleitfähigkeit der Kunststoffgehäusemasse zu verbessern und gleichzeitig den thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Kunststoffgehäusemasse zu verringern. Aus der Patentschrift US 4,265,755 ist ein Füllstoffmaterial bekannt, das thermisch gut leitendes Aluminiumnitrid, Bornitrid oder Zinkoxid enthält und die Komponenten des elektronischen Halbleiterbauteils elektrisch voneinander isolieren soll.

Schließlich ist aus der Patentschrift US 5,681,883 eine Kunststoffmasse für ein Spritzgussverfahren bekannt, bei dem Füllstoffpartikel aus Bornitrid zugemischt werden, um den thermischen Widerstand herabzusetzen und gleichzeitig den Ausdehnungskoeffizienten der Kunststoffgehäusemasse zu vermindern. All diesen Kunststoffmassen mit Füllstoffen ist gemeinsam, dass sie keramische Füllstoffe aufweisen, die in ihrer thermischen Leitfähigkeit begrenzt sind und auch den thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Kunststoffgehäusemasse selbst bei hohem Füllstoffgrad von 92 Vol.% nicht genügend heruntersetzen können.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Halbleiterbauteil mit einer Kunststoffgehäusemasse zu schaffen, bei dem neuartige Füllstoffpartikel eingesetzt werden, die in ihren thermischen Leitfähigkeitseigenschaften sowie in den Eigenschaften, die thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Kunststoffgehäusemasse herabzusetzen, besser geeignet sind.

Gelöst wird diese Aufgabe mit dem Gegenstand der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Erfindungsgemäß wird ein Halbleiterbauteil mit Kunststoffgehäusemasse geschaffen, wobei das Halbleiterbauteil eine interne Verdrahtung aufweist, die von der Kunststoffgehäusemasse durch eine Isolationsschicht elektrisch isoliert ist. Die Kunststoffgehäusemasse weist als Füllstoffpartikel elektrisch halbleitende und/oder elektrisch leitende Materialien auf.

Dieses Halbleiterbauteil hat den Vorteil, dass die thermischen Spannungen zwischen Halbleiterchips und Kunststoffgehäusemasse in einem derartigen Halbleiterbauteil weiter herabgesetzt werden können, denn es eröffnet sich nun die Möglichkeit, Füllstoffmaterialien einzusetzen, die bisher in der Halbleiter-Technologie keine Anwendung gefunden haben, da sie elektrisch nicht vollständig isolierend sind. Der Möglichkeit jedoch, die interne Verdrahtung eines Halbleiterbauteils durch eine Kunststoffgehäusemasse mit elektrisch halbleitenden und/oder elektrisch leitenden Füllstoffpartikeln zu gefährden, wird erfindungsgemäß dadurch begegnet, dass die interne Verdrahtung durch eine gesonderte Isolationsschicht elektrisch isoliert ist.

Dieses eröffnet die Möglichkeit, eine breite Palette von elektrisch halbleitenden und elektrisch leitenden Füllstoffpartikeln einzusetzen, die nicht nur den thermischen Ausdehnungskoeffizienten herabsetzen und damit die thermischen Spannungen zwischen Halbleiterchip und Kunststoffgehäusemasse verbessern, sondern vor allem auch die thermische Leitfähigkeit einer derartigen Kunststoffgehäusemasse deutlich heraufsetzen, so dass es innerhalb des Kunststoffgehäuses nicht zu Wärmestaus bei hoher Verlustleistung des Halbleiterbauteils kommt. Ferner eröffnet eine derartige Kunststoffgehäusemasse die Möglichkeit, dass direkt auf diese Kunststoffgehäusemasse ein weiterer Kühlkörper angeordnet wird, der die Verlustwärme über die Kunststoffgehäusemasse mit elektrisch halbleitenden und/oder elektrisch leitenden Füllstoffpartikeln aufnimmt und an die Umgebung abgibt.

Schließlich kann ein dritter Vorteil für eine derartige Kunststoffgehäusemasse mit elektrisch halbleitenden und/oder elektrisch leitenden Füllstoffpartikeln sprechen, da diese Füllstoffpartikel bereits eine Abschirmwirkung gegen elektromagnetische Störstrahlungen darstellen. Diese Abschirmung ist zudem äußerst intensiv, da die Kunststoffgehäusemasse mit ihren abschirmenden Partikeln direkt auf die Oberseiten des eingebetteten Halbleiterchips einwirkt.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Kunststoffgehäusemasse Siliziumpartikel auf. Siliziumpartikel verhalten sich von Natur aus in ihrem Ausdehnungsverhalten wie die Silizium-Halbleiterchips selbst, so dass es hier zu einer idealen Anpassung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten kommen kann. Außerdem besitzt polykristallines Silizium bei hoher Dotierung eine hohe Wärmeleitfähigkeit, so dass diese Partikel besonders geeignet sind, in der Kunststoffgehäusemasse als Füllstoffpartikel eingesetzt zu werden.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Kunststoffgehäusemasse mit Kohlefaserpartikeln aufgefüllt. Kohlefaserpartikel können ein gewisses Problem bei der Spritzgusstechnik darstellen. Es ist jedoch an Kohlefaserpartikel gedacht, die äußerst kurze Abschnitte aufweisen, so dass sie mehr oder weniger stäbchenförmige Außenkonturen annehmen. Derartige Kohlefaserpartikel lassen sich, gemischt mit Kunststoffgehäusemasse, relativ gut verarbeiten, zumal Kohlenstoff auch ein Gleitmittel ist, solange die Fasern aus der Graphitmodifikation des Kohlenstoffs bestehen.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Kunststoffgehäusemasse Kohlenstoff-Nanoröhrenpartikel auf. Derartige Nanoröhrenpartikel zeigen nicht nur hervorragende thermische Leitfähigkeitseigenschaften, sondern sind auch geeignet, besonders dicht in einer Kunststoffgehäusemasse eingebracht werden zu können. Durch den hohen Füllstoffgrad, der mit Kohlenstoff-Nanoröhrenpartikeln erreichbar ist, und die extrem guten Wärmeleitungseigenschaften derartiger Kohlenstoff-Nanoröhren liefert ein derartiges Kunststoffgehäuse eine deutliche Verbesserung gegenüber herkömmlichen Kunststoffgehäusemassen mit keramischen Partikeln.

Weiterhin ist es vorgesehen, ein Halbleiterbauteil zu schaffen, das als Füllstoffpartikel in der Kunststoffgehäusemasse Kohlenstoff-Fullerene aufweist. Derartige Fullerene haben den Vorteil, dass sie ein kugelförmiges Netzwerk aus hexagonal angeordneten Kohlenstoffatomringen darstellen, wobei die hexagonalen Ringstrukturen ähnlich wie beim Benzolring nun eine geschlossene kugelförmige Oberfläche bilden. Derartige kugelförmige Partikel haben den weiteren Vorteil, dass sie für das Spritzgussverfahren besonders gut geeignet sind. Gegenüber Fasern und Röhren können derartige kugelförmige Partikel mit einem hohen Füllstoffgrad in die Kunststoffgehäusemasse eingebracht werden.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Kunststoffgehäusemasse Metallpartikel auf. Jedoch sind nicht alle Metallpartikel, die thermisch ausgezeichnete Leitfähigkeiten besitzen, geeignet, um in eine Kunststoffgehäusemasse eingebaut zu werden, da ihr thermischer Ausdehnungskoeffizient den Ausdehnungskoeffizienten der Kunststoffgehäusemasse nicht wesentlich herabsetzt. Lediglich Metalle mit sehr hohem Schmelzpunkt zeigen einen minimalen thermischen Ausdehnungskoeffizienten und helfen somit, den Ausdehnungskoeffizienten der Kunststoffgehäusemasse an den Ausdehnungskoeffizienten des Halbleiterchips anzupassen. Vorzugsweise werden deshalb als Füllstoffe Molybdän- oder Wolframpartikel in die Kunststoffgehäusemasse eingemischt.

Füllstoffpartikel aus einem Halbleitermaterial wie Silizium eigenen sich außerdem hervorragend für den Einsatz als Füllstoff, wenn sie auf ihrer Oberseite durch eine einfache thermische Oxidation eine Oxidschicht aufweisen. Damit ist es möglich, in einem Halbleiterbauteil auf eine besondere Isolation der internen Verdrahtung zu verzichten. Eine andere Konstellation liefern diamantbeschichtete Siliziumpartikel. Dabei wird auf das Silizium ein Kohlenstoff aufgebracht und dieser entweder zu Siliziumkarbid oder zu Diamantpartikeln umgesetzt. Dabei kommt der Bildung von Diamantbeschichtungen die Kristallgitterstruktur des Siliziums entgegen, die exakt der Diamantgitterstruktur entspricht.

Die erfindungsgemäße Kunststoffgehäusemasse mit einem Füllstoff aus elektrisch halbleitenden und/oder elektrisch leitenden Partikeln ist besonders geeignet für Halbleiterbauteile mit einer koplanaren Fläche, auf der die interne Verdrahtung angeordnet ist, und/oder für Halbleiterbauteile mit Flipchip-Kontakten, wobei die Flipchip-Kontakte und die zugehörige interne Verdrahtung in ein isolierendes Unterfüllmaterial eingebettet sind. Somit verbessert die Erfindung Halbleiterbauteile, die eine koplanare Fläche aus einer Oberseite der Kunststoffgehäusemasse und der Oberseite mindestens eines Halbleiterchips aufweist.

Dabei ist auf der koplanaren Fläche eine isolierende Zwischenschicht angeordnet, die eine Verdrahtungsstruktur aus Leiterbahnen und Kontaktanschlussflächen trägt. Die Kontaktanschlussflächen sind über Leiterbahnen mit Kontaktflächen des Halbleiterchips auf der koplanaren Fläche elektrisch verbunden, so dass die Kunststoffgehäusemasse mit elektrisch halbleitenden und/oder elektrisch leitenden Füllstoffpartikeln weder mit den Leiterbahnen noch mit den Kontaktanschlussflächen oder mit den Kontaktflächen in Kontakt kommt. Das bedeutet, dass derartig aufgebaute Halbleiterbauteile bevorzugt mit einer erfindungsgemäßen Kunststoffgehäusemasse ausgestattet werden können und damit eine verbesserte thermische Leitfähigkeit aufweisen.

Halbleiterbauteile, die Halbleiterchips mit Flipchip-Kontakten auf den aktiven Oberseiten der Halbleiterchips aufweisen, besitzen ein Verdrahtungssubstrat, auf dem die Halbleiterchips mit den Flipchip-Kontakten angeordnet sind. Jedoch ist die Oberseite des Verdrahtungssubstrats mit den Flipchip-Kontakten in eine isolierende Unterfüllmatrix eingebettet, so dass die umgebende Kunststoffgehäusemasse mit elektrisch halbleitenden und/oder elektrisch leitenden Füllstoffpartikeln weder die Verdrahtungsstruktur des Verdrahtungssubstrats noch die Flipchip-Kontakte berührt. Bei diesem Halbleiterbauteiltyp muss demnach überhaupt keine Vorsichtsmaßnahme getroffen werden, um die interne Verdrahtung vor der elektrisch leitenden oder halbleitenden Kunststoffmasse zu schützen, da dieser Schutz durch das isolierende Unterfüllmaterial bereits gegeben ist.

Ein Verfahren zur Herstellung mehrerer Halbleiterbauteile mit einer Kunststoffgehäusemasse, die elektrisch halbleitende und/oder elektrisch leitende Füllstoffpartikel aufweist, wird mit folgenden Verfahrensschritten durchgeführt.

Zunächst werden elektrisch halbleitende und/oder elektrisch leitende Füllstoffpartikel hergestellt. Anschließend werden diese Füllstoffpartikel mit einer Kunststoffgehäusemasse gemischt. Danach werden in Zeilen und Spalten angeordnete Halbleiterchips in Halbleiterbauteilpositionen eines Nutzens in die Kunststoffgehäusemasse unter Ausbildung einer koplanaren Fläche aus Oberseiten von Halbleiterchips und Oberseiten der Kunststoffgehäusemasse verpackt. Anschließend wird auf diese koplanare Fläche selektiv eine strukturierte Isolationsschicht unter Freilassen von Kontaktflächen der Halbleiterchips aufgebracht. Auf diese strukturierte Isolationsschicht wird dann selektiv eine Verdrahtungsstruktur unter Verbinden der Kontaktflächen des Halbleiterchips mit Kontaktanschlussflächen der Verdrahtungsstruktur über Leiterbahnen der Verdrahtungsstruktur verbunden. Schließlich werden auf den Kontaktanschlussflächen Außenkontakte aufgebracht und anschließend kann der Nutzen mit seinen Halbleiterbauteilpositionen in einzelne Halbleiterbauteile aufgetrennt werden. Dabei ist es auch möglich, die Außenkontakte auf die Kontaktanschlussflächen erst nach dem Auftrennen der Halbleiterbauteilpositionen in einzelne Halbleiterbauteile aufzubringen.

Weist das Halbleiterbauteil Flipchip-Kontakte auf, so werden diese mit einem Verfahren hergestellt, das von dem oben beschriebenen Verfahren in einigen Schritten abweicht. Zunächst werden jedoch genauso elektrisch halbleitende und/oder elektrisch leitende Füllstoffpartikel hergestellt und mit einer Kunststoffgehäusemasse gemischt. Das weitere Herstellungsverfahren bezieht sich zunächst auf einen Halbleiterwafer mit Halbleiterchippositionen und Flipchip-Kontakten in den Halbleiterchippositionen sowie auf ein Auftrennen des Halbleiterwafers in einzelne Halbleiterchips mit Flipchip-Kontakten. Parallel dazu wird ein Verdrahtungssubstrat mit einer Verdrahtungsstruktur und entsprechenden Halbleiterbauteilpositionen vorbereitet. Danach werden die Halbleiterchips mit ihren Flipchip-Kontakten in den Halbleiterbauteilpositionen des Verdrahtungssubstrats aufgebracht.

Anschließend wird nicht gleich die Kunststoffgehäusemasse mit ihren elektrisch leitenden Partikeln aufgebracht, da die Flipchip-Kontakte und auch die Verdrahtungsstruktur noch ungeschützt sind und frei liegen. Deshalb werden zunächst die Flipchip-Kontakte und die aktive Oberseite der Halbleiterchips sowie die Verdrahtungsstruktur auf dem Verdrahtungssubstrat in eine isolierende Unterfüllmasse eingebettet, die in ihrem thermischen Ausdehnungsverhalten an den Halbleiterchip angepasst ist. Nach dem Einbringen des Unterfüllmaterials kann nun die Kunststoffgehäusemasse auf die Oberseite des Verdrahtungssubstrats unter Einbetten des Halbleiterchips und des Unterfüllmaterials in die Kunststoffgehäusemasse aufgebracht werden. Schließlich können auf das Verdrahtungssubstrat Außenkontakte, und zwar auf dessen Unterseite, aufgebracht werden und anschließend kann das Verdrahtungssubstrat in einzelne Halbleiterbauteile getrennt werden.

Mit diesem Verfahren ist es möglich, Halbleiterbauteile herzustellen, die als Kunststoffgehäusemasse eine Kunststoffgehäusemasse mit elektrisch halbleitenden und/oder elektrisch leitenden Füllstoffpartikeln aufweist, ohne dass die Gefahr besteht, dass die Flipchip-Kontakte durch die elektrisch halbleitenden und/oder elektrisch leitenden Füllstoffpartikel kurzgeschlossen werden.

In einem bevorzugten Verfahrensbeispiel wird zum Herstellen von elektrisch halbleitenden und/oder elektrisch leitenden Füllstoffpartikeln eine Schmelze des Füllstoffmaterials verdüst. Bei diesem Verdüsen entstehen nahezu kugelförmige, sehr kleine Füllstoffpartikel, die einen hohen Füllstoffgrad in der Kunststoffgehäusemasse ermöglichen. Anstelle eines Verdüsens kann auch eine Vertropfung eingesetzt werden, bei der kugelförmige Füllstoffpartikel mit größeren Dimensionen erzeugt werden.

In einem alternativen Verfahren werden nach dem Verdüsen oder Vertropfen die elektrisch halbleitenden und/oder elektrisch leitenden Füllstoffpartikel durch einen oxidierenden Gasstrom geführt, so dass die Oberflächen oxidieren. Dazu sind jedoch nur Füllstoffpartikelmaterialien geeignet, die selbst keine flüchtigen Oxide bilden. In ähnlicher Weise können beispielsweise in einem Wirbelschichtofen Siliziumpartikel mit einer Diamant- und/oder einer Siliziumkarbidbeschichtung versehen werden.

Außerdem können die Füllstoffpartikel in chemischen oder physikalischen Abscheideverfahren mit derartigen Schichten versehen werden. Ferner ist es auch möglich, mit klassischen Verfahren das Füllstoffpartikelmaterial zu zermahlen oder es sogar zu pulverisieren.

Um Kohlenstoff-Fullerene herzustellen, werden vorzugsweise Kohlenstoffelektroden in elektrischen Entladeblitzen pulverisiert, wobei ein hoher Anteil an Fullerenen gebildet wird.

Zusammenfassend ist festzustellen, dass für eine gute thermische Leitfähigkeit der Kunststoffgehäusemasse die Füllstoffe eine entsprechend gute Wärmeleitung aufweisen sollten. Diese gute Wärmeleitung bei gleichzeitiger Anforderung einer guten elektrischen Isolation und niedriger thermischer Ausdehnung ist nur bei reinem Diamant und wenigen keramischen Werkstoffen gegeben. Allerdings gibt es Bauteilformen, wie das "Universal-Packaging-Konzept", bei dem auf eine elektrische Isolierung der Kunststoffgehäusemasse verzichtet werden kann, da entsprechende isolierende Schichten zwischen dem Halbleiterchip bzw. der Kunststoffoberfläche und den metallischen Verdrahtungsstrukturen bei derartigen Halbleiterbauelementen vorgesehen sind.

Das bedeutet, dass in diesen Fällen auch leitende Werkstoffe mit entsprechend niedrigem Ausdehnungskoeffizienten und entsprechend hoher thermischer Leitfähigkeit zum Einsatz kommen können, wie es in den obigen Ausführungsbeispielen gezeigt wurde. Jedoch hängen die Fließeigenschaften der Kunststoffgehäusemasse stark von den geometrischen Abmessungen derartiger Füllstoffpartikel ab. Dabei sind als Füllstoffpartikel runde Körper mit entsprechenden Durchmesserverteilungen von Vorteil, so dass Volumenzwickel von kleineren Körnern gefüllt werden können. Daraus ergibt sich, dass Faserwerkstoffe nicht immer optimal in Bezug auf den Spritzgussprozess geeignet sind. Andererseits gibt es Siliziumpartikel, die in Verteilung und Form den Anforderungen der Kunststoffgehäusemasse und den Anforderungen des Spritzgussprozesses angepasst werden können. Dazu können diese Siliziumpartikel in der flüssigen Phase verdüst werden, sodass sie als kugelförmige Partikel vorliegen. Wird diese flüssige Phase nicht in inerter Atmosphäre verdüst, sondern in einer Sauerstoff- oder in einer Wasseratmosphäre, so entsteht automatisch eine Oxidhaut, die eine verbesserte Adhäsion zu der Kunststoffgehäusemasse aufweist und gleichzeitig elektrisch isolierend wirkt.

Außerdem ist es möglich, derartige Siliziumpartikel mit äußerst dünnen Diamantschichten zu überziehen, wobei ein Verfahren für die Diamantbeschichtung von Siliziumpartikeln preiswerter und kostengünstiger ist als die Diamantherstellung selbst, womit auch gleichzeitig die Wärmeleitfähigkeit der Siliziumpartikel zusätzlich bei gleichzeitiger Erhöhung der Übergangswiderstände zwischen den einzelnen Siliziumpartikeln verbessert wird. Wie oben bereits vorgesehen, kommen auch Metalle mit hohem Schmelzpunkt wie Wolfram und Molybdän in Frage, da diese einen sehr niedrigen Ausdehnungskoeffizienten bei hinreichender Wärmeleitung aufweisen. Auch hier sind eventuell eine Verdüsung und/oder eine Beschichtung durchführbar.

Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Figuren näher erläutert.

1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Halbleiterbauteil einer ersten Ausführungsform der Erfindung;

2 zeigt eine schematische Vergrößerung eines Teilbereichs der 1;

3 zeigt einen schematischen Querschnitt durch das Halbleiterbauteil gemäß 1 mit Kühlkörper;

4 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Halbleiterbauteil einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.

1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Halbleiterbauteil 1 einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Das Halbleiterbauteil 1 wurde nach dem "Universal-Packaging-Konzept" gefertigt. Dabei wird der Halbleiterchip 10 in eine erfindungsgemäße Kunststoffgehäusemasse 3 so eingebettet, dass die aktive Oberseite 9 des Halbleiterchips 10 mit der Oberseite 8 der Kunststoffgehäusemasse 3 eine koplanare Fläche 7 ausbildet. Auf dieser koplanaren Fläche 7 liegen nun frei zugängliche Kontaktflächen 15 auf der aktiven Oberseite 9 des Halbleiterchips 10. Auf die Oberseite 8 der Kunststoffgehäusemasse und auf die Oberseite 9 des Halbleiterchips, d. h. auf die koplanare Fläche 7, wird nun eine Isolationsschicht 5 unter Freilassung der Kontaktflächen 15 des Halbleiterchips 9 aufgebracht.

Damit wird automatisch sowohl die Oberseite 9 des Halbleiterchips 10 als auch die Oberfläche 8 der Kunststoffgehäusemasse 3 mit ihren elektrisch halbleitenden und/oder elektrisch leitenden Füllstoffpartikeln 6 isoliert. Auf diese isolierende und strukturierte Zwischenschicht 11 kann nun eine Verdrahtungsstruktur 12 als interne Verdrahtung 4 aufgebracht werden, die Leiterbahnen 13 und Kontaktanschlussflächen 14 aufweist. Auf den Kontaktanschlussflächen 14 können in einem abschließenden Fertigungsschritt Außenkontakte 19 angeordnet werden.

Der Vorteil eines derartigen Halbleiterbauteils 1 liegt in der hohen Anpassung des Ausdehnungskoeffizienten der Kunststoffgehäusemasse 3 durch die Füllstoffpartikel 6, die wie oben ausgeführt aus Fullerenen, Kohlenstoffnanoröhren, Silizium, Wolfram und/oder Molybdän bestehen können. Dabei weisen die einzelnen Füllstoffpartikel 6 vorzugsweise eine kugelförmige Oberfläche oder aber eine annähernd zylindrische Form auf. Diese Oberflächen können noch zusätzlich durch Siliziumkarbid, Diamant oder andere isolierende Überzüge, wie Siliziumdioxid, zu elektrisch isolierenden Füllstoffpartikeln 6 vor dem Einbringen in eine Kunststoffgehäusemasse 3 bearbeitet werden.

2 zeigt eine schematische Vergrößerung des Teilbereichs 22 der 1. In dem Teilbereich 22 ist ein Teil des monokristallinen Halbleiterchips 10 gezeigt, an den benachbart eine Kunststoffgehäusemasse 3 mit elektrisch halbleitenden und/oder elektrisch leitenden Füllstoffpartikeln 6 angrenzt. Dabei ist der Korndurchmesser dieser Füllstoffpartikel 6 unterschiedlich, um einen möglichst hohen Füllstoffgrad von bis 92 Vol.% zu erreichen. Auf der koplanaren Fläche 7 aus der Oberseite 9 des Halbleiterchips 10 und der Oberseite 8 der Kunststoffgehäusemasse 3 ist eine isolierende Zwischenschicht 11 aufgebracht, so dass weder das Halbleitermaterial noch die eventuell elektrisch halbleitende und/oder elektrisch leitende Kunststoffgehäusemasse 3 die auf der isolierenden Zwischenschicht 11 angeordnete Verdrahtungsstruktur 12 kontaktieren kann.

3 zeigt einen schematischen Querschnitt durch das Halbleiterbauteil 1 gemäß 1 mit Kühlkörper 23 auf der Kunststoffgehäusemasse 3. Da die Kunststoffgehäusemasse 3 eine gegenüber dem Stand der Technik deutlich höhere thermische Leitfähigkeit aufweist, kann die Verlustwärme des Halbleiterchips an den Kühlkörper 23 mit Kühlrippen 24 ohne Wärmestau in der Kunststoffgehäusemasse 3 weitergeleitet werden. Somit ist eine intensive Kühlung des mit einer erfindungsgemäßen Kunststoffgehäusemasse 3 ausgestatteten Halbleiterbauteils 1 erreichbar. Dieses Halbleiterbauteil 1 kann oberflächenmontiert auf einer übergeordneten Schaltungsplatine 25 angeordnet sein und auch über diese Schaltungsplatine 25 kann Verlustwärme des Halbleiterchips 10 an die Umgebung weitergeleitet werden.

4 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Halbleiterbauteil 2 einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Komponenten mit gleichen Funktionen wie in den vorhergehenden Figuren werden mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und nicht extra erläutert.

In diesem Fall bildet der Halbleiterchip 10 mit der Kunststoffgehäusemasse 3 keine koplanare Fläche, vielmehr ist der Halbleiterchip 10 auf seiner aktiven Oberseite 9 mit Flipchip-Kontakten 16 ausgestattet. Diese Flipchip-Kontakte 16 sind mit dem Halbleiterchip 10 über Kontaktflächen 15 elektrisch verbunden. Mit den Flipchip-Kontakten 15 ist der Halbleiterchip 10 auf einem Verdrahtungssubstrat 17 oberflächenmontiert, wobei das Verdrahtungssubstrat 17 auf seiner Oberseite 20 eine Verdrahtungsstruktur 12 mit Leiterbahnen 13 und Kontaktanschlussflächen 14 als interne Verdrahtung 4 aufweist.

Diese Verdrahtungsstruktur 12 sowie die Flipchip-Kontakte 16 und die aktive Oberseite 9 des Halbleiterchips 10 sind in ein isolierendes Unterfüllmaterial 18 bei derartigen Halbleiterbauteilen 2 eingebettet, so dass auch hier die erfindungsgemäße Kunststoffgehäusemasse 3 mit elektrisch halbleitenden und/oder elektrisch leitenden Füllstoffpartikeln 6 aufgebracht werden kann. Dabei wird der isolierende Anteil der Oberseite 20 des Verdrahtungssubstrats 17 sowie das Unterfüllmaterial 18 und der Halbleiterchip 10 in diese Kunststoffgehäusemasse eingebettet. Um von außen die Flipchip-Kontakte zu kontaktieren, sind auf der Unterseite 21 des Verdrahtungssubstrats 17 Außenkontakte 19 auf entsprechenden Außenkontaktflächen 26 angeordnet.

1
Halbleiterbauteil (1. Ausführungsform)
2
Halbleiterbauteil (2. Ausführungsform)
3
Kunststoffgehäusemasse
4
interne Verdrahtung
5
Isolationsschicht
6
Füllstoffpartikel
7
koplanare Fläche
8
Oberseite der Kunststoffgehäusemasse
9
Oberseite des Halbleiterchips
10
Halbleiterchip
11
isolierende Zwischenschicht
12
Verdrahtungsstruktur
13
Leiterbahnen
14
Kontaktanschlussflächen
15
Kontaktflächen des Halbleiterchips
16
Flipchip-Kontakt
17
Verdrahtungssubstrat
18
Unterfüllmaterial
19
Außenkontakt
20
Oberseite des Verdrahtungssubstrats
21
Unterseite des Verdrahtungssubstrats
22
Teilbereich
23
Kühlkörper
24
Kühlrippen
25
Schaltungsplatine
26
Außenkontaktflächen


Anspruch[de]
Halbleiterbauteil mit Kunststoffgehäusemasse (3) wobei das Halbleiterbauteil (1) eine interne Verdrahtung (4) aufweist, die von der Kunststoffgehäusemasse (3) durch eine Isolationsschicht (5) elektrisch isoliert ist, und die Kunststoffgehäusemasse (3) elektrisch halbleitende und/oder elektrisch leitende Füllstoffpartikel (6) aufweist. Halbleiterbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffgehäusemasse (3) Siliziumpartikel aufweist. Halbleiterbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffgehäusemasse (3) Kohlefaserpartikel aufweist. Halbleiterbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffgehäusemasse (3) Kohlenstoffnanoröhrenpartikel aufweist. Halbleiterbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffgehäusemasse (3) Kohlenstofffullerene aufweist. Halbleiterbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffgehäusemasse (3) Metallpartikel aufweist. Halbleiterbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffgehäusemasse (3) Molybdän- oder Wolframpartikel aufweist. Halbleiterbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffgehäusemasse (3) Siliziumpartikel mit Oxidschicht aufweist. Halbleiterbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffgehäusemasse (3) diamantbeschichtete Siliziumpartikel aufweist. Halbleiterbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterbauteil (1) eine koplanare Fläche (7) aus einer Oberseite (8) der Kunststoffgehäusemasse (3) und der Oberseite (9) mindestens eines Halbleiterchips (10) aufweist, wobei auf der koplanaren Fläche (7) eine isolierende Zwischenschicht (11) angeordnet ist, die eine Verdrahtungsstruktur (12) aus Leiterbahnen (13) und Kontaktanschlussflächen (14) trägt, wobei die Kontaktanschlussflächen (14) über die Leiterbahnen (13) mit Kontaktflächen (15) des Halbleiterchips (10) auf der koplanaren Fläche (7) elektrisch in Verbindung stehen, sodass die Kunststoffgehäusemasse (3) mit elektrisch halbleitenden und/oder elektrisch leitenden Füllstoffpartikeln (6) weder mit den Leiterbahnen (13) noch mit den Kontaktanschlussflächen (14) oder mit den Kontaktflächen (15) in Kontakt steht. Halbleiterbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterbauteil (2) einen Halbleiterchip (10) mit Flipchip-Kontakten (16) auf der aktiven Oberseite (9) aufweist, wobei der Halbleiterchip (10) auf einem Verdrahtungssubstrat (17) mit seinen Flipchipkontakten (16) angeordnet ist, und seine Oberseite (8) sowie die Flipchipkontakte (16) in ein elektrisch isolierendes Unterfüllmaterial (18) eingebettet sind, sodass die Kunststoffgehäusemasse (3) mit elektrisch halbleitenden und/oder elektrisch leitenden Füllstoffpartikeln (6) weder mit einer Verdrahtungsstruktur (12) des Verdrahtungssubstrats (17), noch mit den Flipchipkontakten (16) in Kontakt steht. Verfahren zur Herstellung mehrerer Halbleiterbauteile (1) mit einer Kunststoffgehäusemasse (3), die elektrisch halbleitende und/oder elektrisch leitende Füllstoffpartikel (6) aufweist, wobei das Verfahren folgende Verfahrensschritte aufweist:

– Herstellen von elektrisch halbleitenden und/oder elektrisch leitenden Füllstoffpartikeln (6);

– Mischen der Füllstoffpartikel (6) mit einer Kunststoffgehäusemasse (3);

– Verpacken von in Zeilen und Spalten angeordneten Halbleiterchips (10) für Halbleiterchippositionen eines Nutzens in die Kunststoffgehäusemasse (3) unter Ausbilden einer koplanaren Fläche (7) aus Oberseiten (9) von Halbleiterchips (10) und Oberseiten (8) der Kunststoffgehäusemasse(3);

– selektives Aufbringen einer strukturierten Isolationsschicht (5) auf die koplanare Fläche (7) unter Freilassen von Kontaktflächen (15) der Halbleiterchips (10);

– Aufbringen einer Verdrahtungsstruktur (12) auf die strukturierte Isolationsschicht (5) unter Verbinden der Kontaktflächen (15) mit Kontaktanschlussflächen (14) der Verdrahtungsstruktur (12) über Leiterbahnen (13) der Verdrahtungsstruktur (12);

– Aufbringen von Außenkontakten (19) auf die Kontaktanschlussflächen (14);

– Auftrennen der Halbleiterbauteilpositionen des Nutzens in einzelne Halbleiterbauteile (1).
Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauteils (2) mit Flipchipkontakten (16) und einer Kunststoffgehäusemasse (3), die elektrisch halbleitende und/oder elektrisch leitende Füllstoffpartikel (6) aufweist, wobei das Verfahren folgende Verfahrensschritte aufweist:

– Herstellen von elektrisch halbleitenden und/oder elektrisch leitenden Füllstoffpartikeln (6);

– Mischen der Füllstoffpartikel (6) mit einer Kunststoffgehäusemasse (3);

– Herstellen eines Halbleiterwafers mit Halbleiterchippositionen und Flipchip-Kontakten (16) in den Halbleiterchippositionen sowie Auftrennen des Halbleiterwafers in Halbleiterchips (10) mit Flipchip-Kontakten (16);

– Herstellen eines Verdrahtungssubstrats (17) mit Verdrahtungsstruktur (12) und Halbleiterbauteilpositionen;

– Aufbringen der Halbleiterchips (10) mit ihren Flipchip-Kontakten (16) in den Halbleiterbauteilpositionen;

– Einbetten der Flipchip-Kontakte (16) und der aktiven Oberseiten (9) der Halbleiterchips (10) in ein elektrisch isolierendes Unterfüllmaterial (18) zwischen Halbleiterchip (10) und Verdrahtungssubstrat (17);

– Aufbringen der Kunststoffgehäusemasse (3) auf die Oberseite (20) des Verdrahtungssubstrats (17) unter Einbetten des Halbleiterchips (10) und des Unterfüllmaterials (18) in die Kunststoffgehäusemasse (3);

– Aufbringen von Außenkontakten (19) auf die Unterseite (21) des Verdrahtungssubstrat (17);

– Auftrennen der Halbleiterbauteilpositionen des Verdrahtungssubstrats (17) in einzelne Halbleiterbauteile (2).
Verfahren nach Anspruch 12 oder Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass zum Herstellen von elektrisch halbleitende und/oder elektrisch leitende Füllstoffpartikeln (6) eine Schmelze des Füllstoffpartikelmaterials verdüst. Verfahren nach Anspruch 12 oder Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass beim Herstellen von elektrisch halbleitenden und/oder elektrisch leitenden Füllstoffpartikeln (6) die Füllstoffpartikel (6) oxidiert werden. Verfahren nach Anspruch 12 oder Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass beim Herstellen von elektrisch halbleitenden und/oder elektrisch leitenden Füllstoffpartikeln (6) die Füllstoffpartikel (6) mit Diamant oder Siliziumkarbid beschichtet werden. Verfahren nach Anspruch 12 oder Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass zum Herstellen von elektrisch halbleitenden und/oder elektrisch leitenden Füllstoffpartikeln (6) das Füllstoffmaterial zermahlen wird. Verfahren nach Anspruch 12 oder Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass zum Herstellen von elektrisch halbleitenden und/oder elektrisch leitenden Füllstoffpartikeln (6) das Füllstoffmaterial pulverisiert wird. Verfahren nach Anspruch 12 oder Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass zum Herstellen von Kohlenstofffullerenen Kohlenstoffelektroden in elektrischen Entladeblitzen pulverisiert werden.






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