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Dokumentenidentifikation DE102006033702B3 20.12.2007
Titel Herstellungsverfahren für eine elektronische Schaltung in einer Package-on-Package-Konfiguration und elektronisches Bauelement in einer solchen Konfiguration
Anmelder Infineon Technologies AG, 81669 München, DE
Erfinder Bauer, Michael, Dipl.-Ing. (FH), 93152 Nittendorf, DE;
Strobel, Peter, Dipl.-Ing. (FH), 93047 Regensburg, DE;
Pohl, Jens, Dipl.-Ing. (FH), 93170 Bernhardswald, DE;
Stümpfl, Christian, 92421 Schwandorf, DE;
Heitzer, Ludwig, Dipl.-Ing. (FH), 93049 Regensburg, DE
Vertreter Meissner, Bolte & Partner GbR, 80538 München
DE-Anmeldedatum 20.07.2006
DE-Aktenzeichen 102006033702
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 20.12.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 20.12.2007
IPC-Hauptklasse H01L 21/98(2006.01)A, F, I, 20070222, B, H, DE
IPC-Nebenklasse H01L 21/50(2006.01)A, L, I, 20070222, B, H, DE   C09J 9/00(2006.01)A, L, I, 20070222, B, H, DE   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren für eine elektronische Schaltung in einer Package-on-Package-Konfiguration und ein elektronisches Bauelement in einer solchen Konfiguration, umfassend eine untere Baugruppe (10) mit einem ersten Halbleiterelement (11), einem ersten Verdrahtungsträger (12), einem ersten Gehäuse mit einer ersten Umverdrahtungs-Leiterplatte (13) und eine auf der ersten Umverdrahtungs-Leiterplatte gelegene Anordnung aus Lötballen (14) und eine auf der unteren Baugruppe aufsitzende obere Baugruppe (15) mit einem zweiten Halbleiterelement (16). Das Herstellungsverfahren zeichnet sich durch den Einsatz eines strahlungsvernetzenden thermoplastischen Klebemittels (18) aus.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren für eine elektronische Schaltung in einer Package-on-Package-Konfiguration nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein elektronisches Bauelement in einer solchen Konfiguration nach dem Oberbegriff des Anspruchs 11.

Aus dem Stand der Technik bekannte Package-on-Package-Konfigurationen bestehen aus aufeinander aufgesetzten, elektrisch miteinander kontaktierten Baugruppen, den so genannten Packages. Die untere Baugruppe wird dabei als Bottom-Package bezeichnet, die auf der unteren Baugruppe aufsitzende und aufkontaktierte Baugruppe bildet das Top-Package.

Die untere Baugruppe umfasst ein eingehäustes erstes Halbleiterelement, insbesondere einen Halbleiterchip vom Flip-Chip-Typ, auf einem Verdrahtungsträger. Der Verdrahtungsträger ist oft als ein Ball-Grid-Array-Substrat (BGA-Substrat) in Verbindung mit einer Umverdrahtungsleiterplatte, dem so genannten Interposer, ausgebildet.

Auf diese untere Baugruppe ist die obere Baugruppe aufgelötet. Diese umfasst ein eingehäustes zweites Halbleiterelement, ebenfalls in der Regel einen Halbleiterchip, auf einem weiteren BGA-Substrat mit einer Pressmassenumhüllung, dem so genannten Moldcompound.

Derartige zur Kontaktierung und zur Baugruppenbefestigung verwendete BGA-Substrate weisen auf ihrer Unterseite regelmäßige Anordnungen aus Lötbällen auf. Diese Lötbälle werden bei einem Lötverfahren in einem auf die erforderliche Temperatur geheizten Ofen angeschmolzen und stellen dabei die elektrische und mechanische Verbindung mit der jeweils darunter befindlichen Kontaktierungsfläche her. Bei der oberen Baugruppe der Package-on-Package-Konfiguration ist dies vor allem die Verbindung zwischen deren Substrat und der Umverdrahtungsleiterplatte der unteren Baugruppe. Die untere Baugruppe ist in gleicher Weise mit einer Leiterplatte kontaktiert, auf der die gesamte Package-on-Package-Konfiguration letztlich verankert werden soll.

Zum Ausführen derartiger Lötprozesse wird auf die Fläche, auf die das BGA-Substrat aufgesetzt werden soll, zunächst ein pastöses Flussmittel gestempelt, oder es wird eine Lötpaste aus einem Flussmittel und darin eingebetteten kleinen Lötkügelchen eingesetzt. Die Lötkügelchen gleichen dabei Unebenheiten in der jeweiligen Unterlage elektrisch leitfähig aus. Die erforderliche Löttemperatur beträgt in der Regel ca. 220–240°C für bleihaltige Lote bzw. ca. 260°C für bleifreie Lote.

Bei Package-on-Package-Gehäusekonfigurationen werden auf die Umverdrahtungsleiterplatte zunächst das Flussmittel und dann auf das Flussmittel in einem weiteren Verfahrensschritt die Lötbälle aufgestempelt. Die Lötbälle halten zunächst durch die Klebekraft des Flussmittels, bis sie im nachfolgenden Schmelzprozess mit den Lötflächen des Interposers bzw. mit denjenigen auf der Oberfläche des Leadframes als Verdrahtungsträger des Bottom-Packages verschmelzen.

Bei derartigen aus dem Stand der Technik gebräuchlichen Verbindungstechniken ist es jedoch problematisch, die untere von der oberen Baugruppe zu trennen. Wird nämlich auf eine zusätzliche Klebeverbindung zwischen der Oberfläche des Halbleiterelementes in der unteren Baugruppe und der Unterseite der Umverdrahtungsleiterplatte verzichtet, ist es nicht möglich, vorab genau zu bestimmen, ob bei diesem Trennvorgang tatsächlich die untere von der oberen Baugruppe gelöst oder die untere Baugruppe an den Verbindungsstellen zwischen der Umverdrahtungsleiterplatte und dem Leadframe auseinander gerissen wird. Auf eine Klebverbindung zwischen dem Halbleiterelement und der Umverdrahtungsleiterplatte der unteren Baugruppe kann aus diesem Grunde nicht verzichtet werden.

Diese Klebeverbindung bringt andererseits zusätzliche Fertigungsprobleme mit sich. Zum Kleben werden bislang Standardkleber verwendet, die beim Verbringen in den Lötofen sogleich thermisch aushärten und eine starre mechanische Verbindung ausbilden. Dadurch kommt es häufig zu einem nur ungenügenden Kontakt zwischen den erwähnten Lötbällen und den ihnen zugeordneten Lötflächen. Die Umverdrahtungsleiterplatte ist in ihrer Lage praktisch nicht mehr beweglich und es kann kein Ausgleich von Höhentoleranzen oder Unebenheiten mehr erfolgen. Dies führt vielfach zu mangelhaften Lötverbindungen zwischen der Umverdrahtungsleiterplatte und dem Leadframe.

DE 10 2004 009 056 A1 beschreibt eine Package-on-Package Konfiguration, die auf der Rückseite des Halbleiterchips eine Adhäsionsschicht vorsieht, die mit dem Aufeinanderlöten der Außenkontakte gleichzeitig aushärtet.

Aus US 6 025 648 A ist ein halbleitendes Bauelement bekannt, bei dem ein Dämpfungsmaterial aus einem Harz zwischen der Oberseite des Chips und dem Substrat verwendet wird. Dieses Material wird aufgebracht, teilweise ausgehärtet und erst beim Reflow der Lotbälle vollständig ausgehärtet.

WO 03/032370 A2 betrifft eine Package-on-Package Konfiguration, wobei zwischen Chiprückseite und angrenzendem, nächstem Substrat eine Hitzetransferschicht aus einem Gel, Öl, Thermoplast oder einem unausgeheilten oder einem teilweise ausgeheilten Epoxy verwendet wird, wobei nach dem Stapeln ein Reflow der Lote erfolgt.

In EP 0 611 129 A2 wird einerseits einen Coploymer Mischung aus Epoxy/Polyimide als Haftschicht auf dem Montageband für die Chips und andererseits eine Vergussmasse aus Thermoplasten, Duroplasten und Mischungen aus Polymeren verwendet, welche mittels Einstrahlung oder Wärme ausgeheilt werden kann.

EP 1 308 179 A1 betrifft die Herstellung eines medizinischen Gerätes zur Verabreichung von Medikamenten, wozu ein Plastikkörper aus polymerem Material hergestellt wird, das aus thermoplastischem Material bestehet, und mit einem Vernetzer wie Triallylisocyanurate und durch Einstrahlen von UV Licht, energetischen Elektronen oder &ggr;-Strahlen ausheilt.

Es besteht somit die Aufgabe, ein verbessertes Herstellungsverfahren für eine elektronische Schaltung in einer Package-on-Package-Konfiguration anzugeben, welches die Herstellung von allen Qualitäts- und Zuverlässigkeitsanforderungen erfüllenden Bauelementen mit hoher Ausbeute ermöglicht. Des weiteren soll eine entsprechend verbesserte Bauelementstruktur angegeben werden.

Die Aufgabe wird zum einen mit einem Herstellungsverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst, wobei die Unteransprüche zweckmäßige bzw. vorteilhafte Ausgestaltungen des Herstellungsverfahrens enthalten. Sie wird in ihrem Vorrichtungsaspekt mit einem elektronischen Bauelement in einer Package-on-Package-Konfiguration mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst, wobei die Unteransprüche zweckmäßige bzw. vorteilhafte Ausführungsformen der Vorrichtung beinhalten.

Die Erfindung schließt den wesentlichen Gedanken ein, dass im Rahmen des vorgeschlagenen Verfahrens eine spezielle Art von Klebverbindung zwischen dem Halbleiterelement in der unteren Baugruppe und der Umverdrahtungsleiterplatte ausgebildet wird. Diese soll hinreichend lange eine Lagekorrektur der Umverdrahtungsleiterplatte bei allen nachfolgenden Fertigungsschritten, insbesondere dem Lötprozess der BGA-Substrate, erlauben und eine hinreichend feste Verbindung zwischen Halbleiterelement und Interposer so ermöglicht, dass ein definiertes Entfernen der oberen von der unteren Baugruppe erfolgen kann, ohne dass das Risiko besteht, dass dabei die untere Baugruppe auseinander gerissen und zerstört wird. Hierdurch ist ein wesentlich leichteres Rework einer PoP-Konfiguration, d.h. der Austausch fehlerhafter Teile oder eine Ergänzung einer bestehenden Konfiguration, möglich.

Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren zeichnet sich durch folgende Schritte aus:

Als erstes erfolgt ein Aufbringen eines strahlungsvernetzenden thermoplastischen Klebers auf eine Oberseite des ersten Halbleiterelementes oder eine zum ersten Halbleiterelement zeigende Seite des ersten Gehäuses der unteren Baugruppe. Im Anschluss daran erfolgt ein Aufsetzen des ersten Gehäuses mit der Umverdrahtungsleiterplatte auf das erste Halbleiterelement mit einer Benetzung einer Kontaktfläche zwischen beiden mit dem Kleber.

Im Anschluss daran erfolgt ein Auflöten der oberen Baugruppe auf die Umverdrahtungsleiterplatte bei einem nicht aushärtenden Zustand des Klebers. Schließlich wird die so gebildete Anordnung mit einer zur Aushärtung des Klebers geeigneten Strahlung bestrahlt. Durch die Bestrahlung wird eine Härtung des Klebers bewirkt und eine zugfeste Klebverbindung zwischen dem ersten Halbleiterelement und dem ersten Gehäuse ausgebildet.

Ein grundlegender Gedanke des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens ist es somit, den Lötprozess zwischen der oberen und der unteren Baugruppe einerseits und das Aushärten des Klebers zwischen dem Gehäuse der unteren Baugruppe und dem ersten Halbleiterelement im Herstellungsprozess vollständig voneinander zu entkoppeln, d.h. zu verschiedenen, prinzipiell frei wählbaren Zeitpunkten und bei unterschiedlichen Fertigungsschritten auszuführen.

Dies gelingt durch die Verwendung des erwähnten Klebemittels. Das Klebemittel ist so beschaffen, dass die Klebeverbindung zwischen dem ersten Halbleiterelement und der Umverdrahtungsleiterplatte bei den Temperaturen des Lötprozesses in einem pastös-zähflüssigen weichen Zustand verbleibt. Die Härtung des Klebemittels und die dadurch bewirkte feste Klebeverbindung erfolgt zu einem prinzipiell beliebigen anderen Zeitpunkt mittels einer Bestrahlung in einem gesonderten Fertigungsschritt.

Das Aufbringen des Klebemittels kann auf unterschiedlichen Wegen erfolgen. Bei einer vorwiegend zähflüssigen oder pastösen Konsistenz erfolgt ein Aufdrucken oder ein Aufdispensen. Bei einer vorwiegend festen Appkikationsform des Klebemittels ist ein Folientransfer vorteilhaft.

Sowohl das Aufdrucken bzw. das Aufdispensen, als auch der Folientransfer können dabei eine besondere Formgebung des Klebegebietes berücksichtigen. So erfolgt das Aufdrucken vorwiegend bei flächigen Klebestrukturen, während das Aufdispensen besonders bei Klebepunkten oder -linien vorteilhaft ist. Der Folienstransfer wiederum eignet sich sowohl für flächige als auch für punktförmige Strukturen.

Es ist zweckmäßigerweise eine Schichtdicke des Klebemittels zwischen dem ersten Halbleiterelement und dem Gehäuse vorzusehen, bei der während des Auflötens durch Kapillarkräfte ein Ausfließen des erweichenden Klebemittels aus dem Kontaktbereich verhindert wird. Dadurch wird gleichzeitig eine homogene Benetzung der Verbindungsfläche und eine Kontaminierung der Umgebung des ersten Halbleiterelementes mit dem Klebstoff vermieden.

Das strahlungsvernetzende thermoplastische Klebemittel ist insbesondere ein im wesentlichen zweikomponentiger Mischklebstoff mit einer thermoplastischen Komponente und einer strahlungsvernetzenden Komponente.

Als thermoplastische Komponente wird vorzugsweise ein thermoplastischer Kunststoff, beispielsweise Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymerisat (ABS), Polymetylmethacrylat (PMMA), Polycarbonat oder verschiedene Polyamide, insbesondere PA6, verwendet. Derartige Stoffe haben sich als thermoplastische Kunststoffe in weiten Anwendungsbereichen bewährt.

Als strahlungsvernetzende Komponente wird insbesondere auf Triallylisocyanat (TAIC) mit einem Anteil von 0,5 bis 10 Prozent, vorzugsweise 1 bis 5 Prozent, zurückgegriffen. TAIC ist mit den erwähnten thermoplastischen Kunststoffen mischbar und härtet diese Kunststoffe durch die Ausbildung einer polymeren Netzstruktur unter Bestrahlung.

Die Bestrahlung kann zu einem beliebigen Zeitpunkt während oder nach dem Auflöten erfolgen. Der Zeitpunkt, an dem die Klebeschicht verhärtet, kann somit vollständig frei geplant werden.

Zur Bestrahlung wird radioaktive Teilchenstrahlung, vorzugsweise &bgr;+- oder &bgr;-Strahlung, verwendet. Hierfür steht eine große Auswahl einschlägig bekannter kommerziell erhältlicher radioaktiver Präparate zur Verfügung.

Eine Bestrahlung in einer abgeschirmten Strahlenkammer durch Beaufschlagung mit hochenergetischer elektromagnetischer Strahlung, insbesondere Röntgenstrahlung oder &ggr;-Strahlung, ist ebenso möglich. Die von außen einwirkende Strahlung muss lediglich ein hinreichend hohes Durchdringungsvermögen aufweisen, um mit einer ausreichend hohen Intensität im Bereich der Klebstoffschicht einen vernetzenden und damit aushärtenden Effekt zu bewirken. Zudem sollten Strahlungsart und -dosis sowie ggf. auch die Ausrichtung der Strahlung derart gewählt werden, dass unbeabsichtigte Schädigungen der Halbleiterstruktur der fertigen Halbleiterelemente ausgeschlossen sind.

Ein erfindungsgemäßes elektronisches Bauelement in einer Package-on-Package-Konfiguration, umfassend eine untere Baugruppe mit einem eingehäusten ersten Halbleiterelement auf einem ersten Verdrahtungsträger, insbesondere einem BGA-Substrat, und einer ersten Umverdrahtungsleiterplatte mit einem auf die Umverdrahtungsleiterplatte aufgelöteten oberen Baugruppe, zeichnet sich durch eine die Unterseite der Umverdrahtungs-Leiterplatte mit einer Oberseite des ersten Halbleiterelementes verbindende Klebeschicht aus einem thermoplastischen, unter Bestrahlung aushärtenden Klebstoff aus.

Der Klebstoff ist zweckmäßigerweise als ein Mischklebstoff aus einer thermoplastischen, bei höheren Temperaturen, insbesondere bei Löttemperaturen, aufweichenden Komponente und einer unter Bestrahlung vernetzenden, den Mischklebstoff aushärtenden Komponente ausgeführt.

Das erste Halbleiterelement ist bei einer zweckmäßigen Ausführungsform ein Halbleiterchip vom Flip-Chip-Typ. Derartige Halbleiterchips werden bei Package-on-Package-Konfigurationen bevorzugt verwendet.

Die thermoplastische Komponente des Mischklebstoffs ist aus einem Polyamidwerkstoff, insbesondere Polyamid-6, ausgebildet. Die strahlungsvernetzende Komponente besteht aus Triallylisocyanurat (TAIC) mit einem Anteil von 0,5 bis 10 Prozent, vorzugsweise 1 bis 5 Prozent.

Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren und das erfindungsgemäße elektronische Halbleiterelement sollen im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben werden. Zur Verdeutlichung dient die beigefügte Figur. Diese zeigt schematisch ein elektronisches Bauelement 10 in einer Package-on-Package-Konfiguration mit der beschriebenen Klebeverbindung.

Die Figur zeigt ein eine untere Baugruppe in Form eines Bottom-Packages 10a mit einem ersten Halbleiterelement 11, das insbesondere als ein Flip-Chip ausgebildet ist. Der Flip-Chip ist auf einem ersten Verdrahtungsträger 12 auf kontaktiert. Der erste Verdrahtungsträger ist in dem hier gezeigten Beispiel ein Ball-Grid-Array-Substrat (BGA-Substrat). Die Oberseite des Bottom-Packages 10 wird durch eine Umverdrahtungsleiterplatte 13 gebildet, die auch als Interposer bezeichnet wird. Das BGA-Substrat und der Interposer bilden das Gehäuse für den Flip-Chip.

Die elektrische Kontaktierung des Bottom-Packages 10a mit einer in der Figur nicht dargestellten, darunter befindlichen Leiterplatte erfolgt über Lotbälle 14 auf der Unterseite des BGA-Substrates, d.h. dem Verdrahtungsträger 12.

Auf der Oberseite des Bottom-Packages ist ein Top-Package 15 auf kontaktiert und befestigt. Das Top-Package weist ein zweites Halbleiterelement 16, beispielsweise einen weiteren Flip-Chip, auf. Dieser ist auf einem zweiten Verdrahtungsträger 15a befestigt und elektrisch kontaktiert. Der zweite Verdrahtungsträger ist bei der dargestellten Ausführungsform ebenfalls als ein BGA-Substrat mit Lotbällen 14 ausgebildet. Diese stellen eine elektrisch leitfähige Verbindung zwischen einer Reihe von Kontaktstellen 17 auf der Umverdrahtungs-Leiterplatte 13 des Bottom-Packages 10a und dem Verdrahtungsträger 15a des Top-Packages 15 her. Die Lotbälle 14 werden auch als Lotbumps, die Kontaktstellen 17 als Landpads bezeichnet.

Die Oberseite des ersten Halbleiterelements 11 im Bottom-Package 10 ist mit der Unterseite der Umverdrahtungsleiterplatte 13 über eine Klebeverbindung 18 verbunden. Dies stellt sicher, dass das Entfernen des Top-Packages 15 entlang der Trennlinie A zwischen dem Verdrahtungsträger 15a und der Umverdrahtungs-Leiterplatte 13 erfolgt. Die Klebeverbindung verhindert insbesondere, dass ein etwa erforderliches Abnehmen des Top-Packages zu einem Aufreißen des Bottom-Packages 10 zwischen der Umverdrahtungsleiterplatte 13 und dem ersten Verdrahtungsträger 12 entlang der Trennlinie B und somit zu einer Zerstörung des Bottom-Packages führt.

Wie bereits eingehend erläutert, erfolgt das Verbinden der Komponenten des Top-Packages und des Bottom-Packages durch einen Lötprozess mit einem Anschmelzen der Lotbälle 14 in einem Ofenprozess.

Erfindungsgemäß wird die Klebeverbindung 18 unter Verwendung eines thermoplastischen und strahlungsvernetzenden Klebemittels, insbesondere eines Mischklebstoffs ausgeführt. Der Klebstoff ist dabei unter den Temperaturbedingungen des Lötprozesses weich bis fließfähig und härtet erst durch eine von außen einwirkende Bestrahlung aus.

Bei der in der Figur gezeigten beispielhaften Package-on-Package-Konfiguration erfolgt der Fertigungsprozess auf folgende Weise:

Zunächst wird das erste Halbleiterelement 11 auf dem ersten Verdrahtungsträger 12 elektrisch leitend befestigt. Die Oberseite des ersten Halbleiterelementes oder die Unterseite der Umverdrahtungsleiterplatte 13 wird sodann mit einer Beschichtung des Klebstoffes versehen. Der Klebstoff besteht aus einer mindestens zweikomponentigen Mischung aus einem thermoplastischen Kunststoff mit einer Beimengung der strahlungsvernetzenden Komponente TAIC und optional einem leicht flüchtigen Lösungsmittel und/oder Weichmacher. Bei Zimmertemperatur weist der Klebstoff, je nach konkreter Formulierung, eine feste, weiche, pastöse oder zähflüssige Konsistenz auf.

Bei einem Festklebstoff erfolgt das Aufbringen zweckmäßigerweise mittels eines Folientransfers. Dabei wird ein Endlosband über das erste Halbleiterelement oder die Umverdrahtungsleiterplatte geführt, im entsprechenden Bereich mit der Oberfläche in Kontakt gebracht und der auf dem Endlosband als Schicht aufgetragene Klebstoff übertragen. Das Übertragen kann mittels eines Stempels oder eine hinter dem Endlosband abrollenden Walze mit einer hinreichend großen Druckkraft erfolgen. Dabei können Stempel und/oder Walze den Kontaktbereich des Endlosbandes mit der Oberfläche des Halbleiterelementes gegebenenfalls erwärmen, um ein besseres und homogeneres Übertragen des Klebstoffes zu gewährleisten.

Zähflüssige oder pastöse Klebstoffzubereitungen können auch über einen erwärmten Dispenser- oder Druckkopf abgesetzt werden. Dabei empfiehlt sich das Dispens-Verfahren vorwiegend zum Absetzen punktförmiger Klebstoffmengen mit kreisförmigen oder elliptischen Grundflächen, während mit einem Druckkopf prinzipiell beliebige Druckflächen erzeugt werden können.

Nach dem Aufbringen des Klebstoffes kann der Klebstoff zunächst in der pastösen oder fließfähigen Konsistenz verbleiben oder unter Zimmertemperatur einen festen, allerdings nicht ausgehärteten Zustand annehmen.

Anschließend wird die Umverdrahtungsleiterplatte (Interposer) 13 aufgesetzt. Wie aus der Figur zu erkennen ist, kann auch die Umverdrahtungs-Leiterplatte mindestens abschnittsweise eine BGA-Struktur mit den bekannten Lotbällen 14 aufweisen. Das Aufsetzen der Umverdrahtungsleiterplatte 13 erfolgt unter den Bedingungen einer herkömmlichen Lotball-Kontaktierung, d.h. es kommen die üblichen Flussmittelbeschichtungen am Verdrahtungsträger 12 zum Einsatz, die eine vorübergehende Haftung und Lagefixierung der Umverdrahtungsleiterplatte bewirken. Hieran schließt sich ein erster Lötvorgang an, bei dem die Umverdrahtungsleiterplatte fest mit dem Verdrahtungsträger 12 verlötet wird. Dabei wird das Bottom-Package 10a erzeugt.

Es ist darauf hinzuweisen, dass bei diesem Fertigungsschritt kein Aushärten der Klebstoffschicht erfolgt. Vielmehr nimmt die Klebstoffschicht eine weiche, nachgiebige Konsistenz an und passt sich etwaigen Unebenheiten der Umverdrahtungsleiterplatte 13 an.

Das Aufsetzen des Top-Packages 15 auf die Umverdrahtungsleiterplatte 13 kann nun erfolgen. Hierzu wird wiederum auf die Lotball-Kontaktierung mit den entsprechenden Vorbereitungsschritten und den bekannten Betriebsparametern im Lötofen zurückgegriffen. Auch unter diesen Bedingungen härtet der Klebstoff nicht aus. Vielmehr erfolgt eine weitere Anpassung der weichen Klebstoffschicht an die nunmehr unter dem Einfluss des aufsitzenden Top-Packages ggf. leicht veränderte Position der Umverdrahtungsleiterplatte, während die Klebstoffschicht während des Auflötens des Top-Packages keinen nennenswerten mechanischen Widerstand bewirkt.

Das Top- und das Bottom-Package sind an diesem Punkt des Herstellungsverfahrens fest miteinander verlötet, während die Klebstoffschicht nachträglich ausgehärtet wird. Hierzu erfolgt nunmehr eine Bestrahlung der Klebstoffschicht zum Erzeugen eines vernetzten und den Klebstoff somit aushärtenden inneren Gefüges.

Zum Aushärten wird auf &bgr;-Strahlung aus handelsüblichen Strahlungsquellen, beispielsweise einer Ni-&bgr;-Quelle, zurückgegriffen. Anstelle der &bgr;-Strahlung ist auch die Verwendung einschlägig bekannter &ggr;-Quellen, wie beispielsweise 60Co, möglich. Alternativ kann auch eine Bestrahlung mit Röntgenstrahlung erfolgen. Die Verwendung von &bgr;- oder &ggr;-Strahlung mit der entsprechenden Wahl der Strahlungsquelle richtet sich nach dem Durchdringungsvermögen der Strahlung und dem Aufbau der Package-on-Package-Konfiguration, aber auch von der zur Verfügung stehenden Fertigungstechnik unter der Berücksichtigung des Strahlenschutzes.

&bgr;-Strahlung kann relativ leicht abgeschirmt werden, verliert aber einen beträchtlichen Teil ihrer Energie beim Durchdringen des Top- bzw. Bottom-Packages. &ggr;-Strahlung tritt weist ein hohes Durchdringungsvermögen auf und erfordert allerdings eine stärkere Abschirmung. Der Anteil der vernetzenden Komponente im Klebstoff und die Bestrahlungszeit sind dazu entsprechend zu planen. Sie beträgt in der Regel fünf bis zehn Sekunden, wonach die Klebeschicht vollkommen vernetzt und somit ausgehärtet ist und eine anschließende Ruhezeit nicht erforderlich ist.

Es ist zu betonen, dass die Bestrahlung zum Aushärten des Klebstoffs grundsätzlich zu jedem beliebigen Zeitpunkt während des Fertigungsprozesses erfolgen kann und unabhängig von der Temperatureinwirkung während des Lötprozesses ist. Zweckmäßigerweise erfolgt das Aushärten des Klebstoffes nach Abschluss des letzten Lötprozesses, d.h. nach dem Auflöten des Top-Packages oder in Kombination damit. Der dafür benötigte Lötofen kann für diesen Zweck als eine kombinierte Heiz- und Bestrahlungskammer ausgebildet sein. Von Vorteil ist ein timing, bei dem jedenfalls in der Abkühlphase nach Verlassen des Lötofens durch die Klebeverbindung eine hinreichende mechanische Steifigkeit der Konfiguration geliefert wird.

Es ist aber auch möglich, das Bestrahlen und Aushärten des Klebstoffes zu einem viel späteren Zeitpunkt, beispielsweise nach dem Verbinden der Package-on-Package-Konfiguration auf einem übergeordneten Träger, auszuführen.

Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen. Es können im Rahmen fachmännischen Handelns eine Reihe von Veränderungen an den gezeigten Ausführungsbeispielen erfolgen, ohne den erfindungsgemäßen Grundgedanken zu verlassen.

10
Package-on-Package-Konfiguration
10a
untere Baugruppe
11
erstes Halbleiterelement
12
Verdrahtungsträger
13
Umverdrahtungs-Leiterplatte (Interposer)
14
Lotbälle, Lotbumps
15
obere Baugruppe
15a
zweiter Verdrahtungsträger
16
zweites Halbleiterelement
17
Kontaktstellen, Landpads
18
Klebeverbindung


Anspruch[de]
Herstellungsverfahren für eine elektronische Schaltung in einer Package-on-Package-Konfiguration (10), umfassend eine untere Baugruppe (10a) mit einem ersten Halbleiterelement (11), einem ersten Verdrahtungsträger (12), einem ersten Gehäuse mit einer Umverdrahtungs-Leiterplatte (13) und eine auf der Umverdrahtungs-Leiterplatte gelegene Anordnung aus Lötballen (14) und eine auf der unteren Baugruppe aufsitzende obere Baugruppe (15) mit einem zweiten Halbleiterelement (16), mit folgenden Schritten:

– Aufbringen eines strahlungsvernetzenden thermoplastischen Klebemittels (18) auf eine Oberseite des ersten Halbleiterelementes oder eine zum ersten Halbleiterelement zeigende Seite des ersten Gehäuses,

– Aufsetzen des ersten Gehäuses mit der Umverdrahtungs-Leiterplatte auf das erste Halbleiterelement mit einer Benetzung einer Kontaktfläche zwischen Halbleiterelement und erstem Gehäuse mit dem Klebemittel,

– Auflöten der oberen Baugruppe auf die Umverdrahtungsleiterplatte bei einem nicht aushärtenden Zustand des Klebemittels,

– Bestrahlen der gebildeten Anordnung mit einem dadurch bewirkten Verhärten des Klebemittels und Ausbildung einer festen Klebverbindung zwischen dem ersten Halbleiterelement und dem ersten Gehäuse.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufbringen des Klebemittels in pastöser Form durch ein Aufdrucken oder ein Aufdispensen erfolgt. Herstellungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufbringen des Klebemittels (18) in fester Form durch einen Folientransfer erfolgt. Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine abgestimmte Formulierung und Schichtdicke des Klebemittels (18) zwischen dem ersten Halbleiterelement (11) und dem ersten Gehäuse vorgesehen ist, bei der während des Auflötens durch Kapillarkräfte ein Ausfließen des erweichenden Klebstoffs aus dem Kontaktbereich verhindert wird. Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Klebemittel ein im wesentlichen zweikomponentiger Mischklebstoff mit einer thermoplastischen Komponente und einer strahlungsvernetzenden Komponente eingesetzt wird. Herstellungsverfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass als thermoplastische Komponente ein thermoplastischer Kunststoff, beispielsweise Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymerisat (ABS), Polymethylmethacrylat (PMMA), Polycarbonat oder ein Polyamid, insbesondere PA6, verwendet wird. Herstellungsverfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass als strahlungsvernetzende Komponente Triallylisocyanurat (TAIC) mit einem Anteil von 0,5 bis 10 Prozent, vorzugsweise 1 bis 5 Prozent, verwendet wird. Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestrahlung nach dem Auflöten erfolgt. Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestrahlung radioaktive Teilchenstrahlung, vorzugsweise &bgr;- oder &bgr;+-Strahlung, verwendet wird. Herstellungsverfahren nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestrahlung in einer abgeschirmten Strahlenkammer erfolgt, wobei eine Beauschlagung mit hochenergetischer elektromagnetischer Strahlung, insbesondere Röntgenstrahlung oder &ggr;-Strahlung, erfolgt. Elektronisches Bauelement (10) in einer Package-on-Package-Konfiguration, umfassend eine untere Baugruppe (10a) mit einem eingehäusten ersten Halbleiterelement (11), insbesondere einem Halbleiterchip, auf einem ersten Verdrahtungsträger (12), insbesondere einem BGA-Substrat, und einer Umverdrahtungs-Leiterplatte (13) mit einer auf die Umverdrahtungs-Leiterplatte aufgelöteten oberen Baugruppe (15),

eine eine Unterseite der ersten Umverdrahtungs-Leiterplatte mit einer Oberseite des ersten Halbleiterelementes verbindende Klebeschicht (18),

dadurch gekennzeichnet, dass

die verbindende Klebeschicht (18) aus einem thermoplastischen, unter Bestrahlung aushärtenden Klebemittel besteht.
Elektronisches Bauelement nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Klebemittel einen Mischklebstoff aus einer thermoplastischen, bei höheren Temperaturen, insbesondere bei Löttemperaturen, weichen Komponente und einer unter Bestrahlung vernetzenden, den Mischklebstoff aushärtenden Komponente aufweist. Elektronisches Bauelement nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Halbleiterelement (11) ein Halbleiterchip vom Flip Chip-Typ ist. Elektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die strahlungsvernetzende Komponente aus Triallylisocyanurat (TAIC) mit einem Anteil von 0,5 bis 10 Prozent, vorzugsweise 1 bis 5 Prozent, ausgebildet ist.






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