DE10153609C2 - Verfahren zur Herstellung eines elektronischen Bauelements mit mehreren übereinander gestapelten und miteinander kontaktierten Chips - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines elektronischen Bauelements mit mehreren übereinander gesta­ pelten und miteinander kontaktierten Chips, das auf einem Bauele­ mentträger montierbar und über mehrere am Bauelement vorgesehene Kontaktelemente am Bauelementträger kontaktierbar ist.

Aus der US 3,579,056 A ist das Anordnen von Chips, das Verfüllen in einem elastischen Halterrahmen und das Erzeugen einer elektri­ schen Kontaktierung mit Kontaktierungselementen auf beiden Haupt­ flächen der Anordnung bekannt. Zudem wird das dreidimensionale Stapeln der so in den flexiblen Träger eingebetteten Bauelemente gelehrt.

Die EP 0 611 129 A2 offenbart Chips, die in einem Halterrahmen aus Kunststoff vergossen sind. Kontaktierungselemente in Form von In­ terconnect-Pins sind an der Unterseite des Halterrahmens freige­ legt. Auch hier werden separat hergestellte im Halterrahmen vergossene Chips gestapelt.

Die US 6,117,704 offenbart ein Bauelement mit verkapselten und geprüften Chips, die in mehreren Ebenen übereinander angeordnet sind.

Die US 5,324,687 A offenbart ebenfalls eine gestapelte Anordnung verpackter Chips.

Die DE 44 33 845 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung einer dreidimensionalen integrierten Schaltung, bei dem zwei fertig pro­ zessierte Substrate miteinander verbunden werden. Dabei wird erst das obere Substrat einem Funktionstest unterzogen, mit dem die in­ takten Chips des Substrats selektiert werden. Anschließend wird dieses Substrat von der Rückseite her gedünnt, in einzelne Chips zerlegt und nur selektierte intakte Chips auf das, mit einer Haft­ schicht versehene untere Substrat justiert aufgebracht. Die Gräben zwischen den aufgebrachten Chips werden aufgefüllt und zwischen der Metallisierungen der unteren und oberen Bauelemente eine vertikale Verbindung hergestellt.

Aus der US 5,455,455 A ist ein elektronisches Bauelement mit Chips in einem Halterrahmen aus Epoxyd bekannt, wobei übereinanderlie­ gende Chips mit in dem Bereich des Halterrahmens verlaufenden Um­ verdrahtungen miteinander kontaktiert sind, wobei das Bauelement schichtweise auf einem Träger aufgebaut bzw. erzeugt wird.

Bekannte Verfahren zum Herstellen eines Bauelements mit mehre­ ren übereinander gestapelten Chips in die dritte Dimension kön­ nen grob in zwei Gruppen eingeteilt werden. Zum einen das Sta­ peln von gehäusten Chips, zum anderen das Stapeln von Nackt­ chips. Beim Stapeln von gehäusten Chips werden diese übereinan­ der gestapelt und mit ihren Kontaktelementen (Beinchen) mitein­ ander verbunden. Beispiele hierfür sind z. B. gestapelte TSOP oder gestapelte BOC. Diese dreidimensionalen Bauformen zeichnen sich durch sogenannte Interposer (dünne oder dicke Boards oder Leadframes) zur Verbindung zwischen den Stapelebenen aus, wobei diese Interposer auf die Chips montiert und mit geeigneten Ver­ fahren mit den chipseitigen Kontaktelementen verbunden werden. Dieses Verfahren ist aufgrund seines Montageaufwands teuer, da es auf einem single - die Prozessflow basiert, d. h. es werden ausschließlich separate einzelne gehäuste Chips verarbeitet. Aufgrund der zum Teil notwendigen Interposer sind die resultie­ renden Bauelemente von erheblicher Bauhöhe. Ein Abdünnen der Chips während des Stapelprozesses ist aufgrund der bereits er­ folgten Häusung nicht möglich.

Ein durch Stapeln von Nacktchips erzeugtes Bauelement ermög­ licht demgegenüber eine geringere Aufbauhöhe. Das Chip/Chip- Verbindungs-System führt durch den jeweiligen Chip. Die dazu notwendigen feinen Kontaktierungsvias werden meist in einem Frontend-ähnlichen Prozess erzeugt (Via-Ätzen/Passivieren/­ Via-Füllen). Dieses Verfahren besitzt jedoch entscheidende Nachteile für die Anwendung. Zum einen setzt es ein besonderes Chipdesign voraus, das die Erzeugung von Kontaktierungs- oder Durchgangsvias erlaubt. Die Erzeugung der Vias ist sehr teuer, da sie in einer zusätzlichen, relativ langen Prozessfolge von Frontend-Prozessen erzeugt werden müssen. Obwohl die wesentli­ chen Prozesse auf Scheibenniveau durchgeführt werden können, ergeben sich bei dem Stapeln von Nacktchips auf Scheibenniveau dennoch Schwierigkeiten hinsichtlich der Ausbeute. Da jede Scheibe nur eine endliche Ausbeute an funktionierenden Chips hat, potenziert sich beim Stapeln der Scheiben das Risiko für einen funktionierenden Stapel, die Ausbeute sinkt exponenziell mit zunehmender gestapelter Scheibenanzahl. Eine ökonomische Bauelementherstellung durch dieses Verfahren ist nicht möglich.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein Verfahren an­ zugeben, das auf einfache Weise die Herstellung relativ niedrig aufgebauter Bauelemente mit hoher Ausbeute ermöglicht.

Zur Lösung dieses Problems ist erfindungsgemäß ein Verfahren nach Anspruch 1 vorgesehen.

Das erfindungsgemäße Verfahren schlägt zunächst die Schaffung eines Wafers bestehend ausschließlich aus in einem vorherigen Test als funktionstüchtig geprüften Chips vor. Dieser soge­ nannte "Known Good Wafer" wird durch rastermäßiges Positionie­ ren der Chips und entsprechendes Einbetten derselben in einen isolierenden Halterahmen, der bevorzugt mittels eines viskosen nicht-leitenden Polymers, das als Füllmittel verwendet wird, erzeugt wird, gefertigt. Dabei ist es denkbar, entweder gleich­ artige Chips oder auch unterschiedliche Chips, die in ihren Ei­ genschaften und/oder Dimensionen verschieden sind, in diesen Wafer zu integrieren. Dieser Wafer bzw. diese erste ebene Chip­ anordnung wird also durch fan-out-Wafer-Level-Packaging herge­ stellt. Dieser Halterahmen für das fan-out-Wafer-Level-Packa­ ging wird nun nicht nur für fan-out genutzt, vielmehr dient er auch dazu, die Durchkontaktierungen von der Chipvorderseite zur Chiprückseite zu übernehmen, d. h. die Durchkontaktierung wird auf den Halterahmenbereich verlagert. Nachfolgend wird nun auf diese Weise eine weitere Chipanordnung erzeugt, also aufgesta­ pelt, wobei die Chips und die Halterahmen deckungsgleich über­ einander positioniert werden, wenn der Multi-Chip-Stapel aus gleichartigen bzw. gleichgroßen Chips aufgebaut wird. Es ist aber auch möglich, in den einzelnen Ebenen verschiedenartige bzw. verschieden große Chips anzuordnen, wobei dann nicht immer eine deckungsgleiche Übereinanderstapelung aufgrund der Größen­ unterschiede möglich ist. Der vorgenannte Schritt wird so oft wiederholt wie separate Chiplagen vorzusehen sind. Sind alle Chiplagen übereinander gestapelt, so werden die einzelnen Bau­ elemente durch Auftrennen des Stacks im Bereich des Halterah­ mens vereinzelt.

Das erfindungsgemäße Verfahren hat gegenüber den bekannten Ver­ fahren beachtliche Vorteile. Zum einen handelt es sich um einen vollständigen Wafer-Level-Prozess, da auf Scheibenniveau gear­ beitet wird und erst nachdem die Bauelemente in ihrer Gesamt­ heit durch Bilden des Stacks erzeugt wurden die Vereinzelung erfolgt. Da ausschließlich funktionstüchtige Chips verwendet werden, ist die Ausbeute sehr hoch. Es können alle Standard­ chips verwendet werden, wobei gleichartige oder unterschiedli­ che Chips in jeder Ebene integriert werden können. Weiterhin ist es ein sehr kostengünstiger Prozess, da die Kontaktvias für die Kontaktierungen nicht durch das leitfähige Silizium-Kri­ stall mit teurer Technologie geführt werden müssen, sondern durch den Halterahmen, was in wesentlich einfacheren Dünnfilm- und/oder Dickschicht-Prozessen erfolgen kann. Weiterhin handelt es sich um eine Prozessabfolge, die bei sehr geringen Prozess­ temperaturen (< 150°C) durchgeführt werden kann, was keine zu­ sätzliche Belastung der Chips zufolge hat. Auch erlaubt das Stapeln der Chips, die de facto nackt sind, die Herstellung von Bauelementen mit extrem geringer Bauhöhe, wobei sich während der Herstellung ein sehr geringes Risiko hinsicht­ lich des Handlings und Bruchs ergibt.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht einen Aufbau einer Multi-Chip-Anordnung ohne Montage eines zusätzlichen Gegen­ stands, z. B. eines Interposers. Vielmehr werden hier die Chip­ anordnungen direkt aufeinander aufgebaut. Die Umverdrahtung der Chips erfolgt unmittelbar auf Wafer Level, also direkt in der Ebene des Wafers und kann in Wafer Level Techno­ logie (Dünnfilm/Dickschicht) prozessiert werden. Dies ermög­ licht der jeweils einen Chip umgebenden Halterahmen, der als Kontaktierungsbereich dient, d. h. die elektrische Chip-Chip- Kontaktierung (bzw. auch die zum Modulboard) erfolgt im Bereich des Halterahmens. Neben einem Minimum an erforderlichen Kon­ taktübergängen (mechanisch und v. a. elektrisch) zeichnet sich ein derart hergestelltes Multi-Chip-Bauelement auch durch seine niedrige Bauhöhe und die geringen seitlichen Abmessungen aus.

In Weiterbildung des Erfindungsgedankens kann vorgesehen sein, dass zumindest die erste Chipanordnung unter Verwendung eines Trägers, auf den die Chips mittels eines Klebemittels befestigt werden, erzeugt wird. Als Träger kann dabei eine selbstklebende Folie oder ein selbstklebendes Band verwendet werden, alterna­ tiv ist auch die Verwendung eines an seiner Oberfläche vorzugs­ weise passivierten Silizium-Trägers denkbar.

Eine Chipanordnung, die auf einer bereits vorhandenen aufgebaut wird, kann erfindungsgemäß mit folgenden Schritten erzeugt werden:

• - Erzeugen weiterer Kontaktierungselemente der weiteren Chipan­ ordnung auf den oberseitig freiliegenden Kontaktierungsele­ menten der unteren Chipanordnung,
• - Aufbringen der Chips der weiteren Chipanordnung oberhalb und vorzugsweise deckungsgleich mit den Chips der unteren Chipan­ ordnung,
• - Erzeugen des isolierenden Halterahmens derart, dass die Kon­ taktierungselemente noch aus dem Chip hervorragen und das Füllmittel die Chips oberseitig bis auf die chipseitigen Kon­ taktpads als Isolationsschicht abdeckt,
• - Erzeugen der Umverdrahtungen,

wobei die Schritte sooft wiederholt werden, wie Chipanordnun­ gen übereinander zu stapeln sind.

Durch die Erzeugung der jeweils weiteren Kontaktierungselemente werden die Durchkontaktierungen von oben nach unten realisiert. Anschließend werden die Chips im vorgegebenen Raster positio­ niert und der Halterahmen erzeugt. Dabei wird das Füllmittel so eingebracht, dass es die Chips bis auf die chipseitigen Kon­ taktpads oberseitig isoliert, was für die nachfolgende Erzeu­ gung der Umverdrahtung erforderlich ist.

Die erste Chipanordnung, also die unterste Anordnung, auf die eine weitere Chipanordnung aufgebaut wird, kann dabei mit fol­ genden Schritten erzeugt werden:

• - Erzeugen der Kontaktierungselemente der ersten Chipanordnung auf dem Träger, insbesondere einem Silizium-Träger,
• - Aufbringen der Chips der ersten Chipanordnung,
• - Erzeugen des isolierenden Halterahmens derart, dass die Kon­ taktierungselemente noch aus dem Halterahmen hervorragen und das Füllmittel die Chips oberseitig bis auf die chipeigenen Kontaktpads als Isolationsschicht abdeckt,
• - Erzeugen der Umverdrahtungen.

Zweckmäßig ist es, wenn nach der Erzeugung des Halterahmens einschließlich des die Chips teilweise abdeckenden Rahmenab­ schnitts ein das Füllmaterial gleichmäßig abtragender Reini­ gungsschritt erfolgt, wodurch eine ebene Fläche erzeugt wird, was für die nachfolgende Erzeugung der Umverdrahtung vorteil­ haft ist. Darüber hinaus wird die gesamte Bauhöhe etwas dünner.

Alternativ zu der Erzeugung der ersten und jeder weiteren Chip­ anordnung der vorbeschriebenen Art bei einem Aufbau einer Chip­ anordnung auf einer bereits vorhandenen sieht eine zweite Ver­ fahrensvariante vor, die erste Chipanordnung (und auch jede weitere) mit folgenden Schritten zu erzeugen:

• a) Erzeugen von Umverdrahtungsbahnen mit Kontaktierungspunkten auf einem Träger, insbesondere einem vorzugsweise passivier­ ten Silizium-Träger,
• b) Befestigen der bereits mit einer Umverdrahtung versehenen Chips mit ihrer die Umverdrahtung aufweisenden Seite zum Träger weisend, so dass die Umverdrahtung mit den Umverdrah­ tungsbahnen des Trägers verbunden werden,
• c) Erzeugen des Halterahmens derart, dass die Chips auch an ih­ rer freien Seite in das Füllmittel eingebettet werden, wobei in dem Halterahmen Kontaktvias zur Durchkontaktierung zu den darunter liegenden Kontaktierungspunkten ausgebildet werden,
• d) Erzeugen weiterer Umverdrahtungsbahnen mit Kontaktierungs­ punkten und -elementen, die die Kontaktvias füllen,

wonach die Schritte a) bis d) zur Bildung einer oder mehrere weiterer Chipanordnungen wiederholt werden.

Bei dieser Erfindungsausgestaltung werden also Chips auf den Träger bzw. eine bereits existierende Chipanordnung aufge­ bracht, die bereits mit einer Umverdrahtung versehen sind. Es werden lediglich auf dem Träger bzw. einer unteren Chipanord­ nung Umverdrahtungsbahnen, die einerseits von einem aufzuset­ zenden Chip kontaktiert werden und die andererseits in den Be­ reich des Halterahmens laufen, erzeugt.

Nach dem Befestigen der Chips kann vorteilhaft zur Reduzierung der Dicke Chipmaterial abgetragen werden, d. h. hier wird aktiv die Dicke eines Chips und damit die gesamte Bauhöhe des resul­ tierenden Bauelements verringert. Die Abtragung des Chipmateri­ als kann durch nasses oder trockenes Ätzen oder durch mechani­ sche Behandlung erfolgen.

Die Chips selbst werden mittels eines nicht-leitenden Klebers befestigt, da die eigentliche Kontaktierung über die Umverdrah­ tungsbahnen sowie die Kontaktierungspunkte und -elemente über die Kontaktvias erfolgt. Nach der Erzeugung der letzten Chipan­ ordnung werden an deren Oberseite Kontaktelemente zum Kontak­ tieren der nachfolgend zu vereinzelnden Bauelemente mit dem Träger erzeugt, wobei dies für beide verfahrensgemäße Ausfüh­ rungsformen, bei denen eine Chipanordnung auf einer bereits existierenden aufgebaut wird, gilt.

Während die vorangehenden Ausführungsformen des erfindungsgemä­ ßen Verfahrens zur Kontaktierung der Umverdrahtungsbahnen zweier Chipebenen den Halterahmen durchsetzende Kontaktierungs­ elemente vorsehen besteht grundsätzlich aber auch die Möglich­ keit, die Umverdrahtungsbahnen direkt miteinander zu kontaktie­ ren. Eine erste, eine quasi-direkte Kontaktierung darstellende Ausführungsform ist die vorher beschriebene Verfahrensvariante, bei der Kontaktvias im Halterahmen ausgebildet werden, die dann direkt bei der Erzeugung der Umverdrahtungsbahnen gefüllt wer­ den, d. h. die Umverdrahtungsbahnen und ihre Kontakte in den Kontaktvias zur darunter liegenden Umverdrahtungsebene werden gemeinsam hergestellt.

Eine einen unmittelbaren Umverdrahtungskontakt zweier Ebenen ermöglichende Ausführungsform sieht demgegenüber folgende Schritte vor:

• a) Anordnen der Chips auf einem Träger,
• b) Erzeugen des Halterahmens derart, dass die Chips zeitlich an ihren freien Seiten bis auf einen die Kontaktpads freilas­ senden Bereich in das Füllmittel eingebettet sind,
• c) Erzeugen von Umverdrahtungsbahnen, die sich bis in den Be­ reich der zwischen den Chips befindlichen Halterahmenab­ schnitte erstrecken, wobei die derart positionierten Enden der Umverdrahtungsbahnen die Kontaktelemente zur nachfolgend aufzubauenden oder anzuordnenden Chipanordnung bilden,
• d) Aufbringen eines nicht-leitenden Klebemittels zur Fixierung der Chips der zweiten Chipanordnung und zur Isolierung ge­ genüber den darunter liegenden Umverdrahtungsbahnen derart, dass die Kontaktelemente der ersten Chipanordnung frei lie­ gen, und Aufbringen der Chips der zweiten Chipanordnung,
• e) Aufbringen eines nicht-leitenden weiteren Füllmittels zur Bildung eines Halterahmens derart, dass es die Chips seit­ lich und oberseitig bis auf den Bereich der Kontaktie­ rungspads abdeckt, wobei die Kontaktelemente der ersten Chipanordnung nach wie vor frei bleiben,
• f) Erzeugen der Umverdrahtungsbahnen der zweiten Chipanordnung, die endseitig mit den Kontaktelementen der ersten Chipanord­ nung kontaktiert werden,
• g) gegebenenfalls ein- oder mehrmaliges Wiederholen der Schritte d) bis f).

Bei dieser Erfindungsausgestaltung dienen also die Enden der Umverdrahtungsbahnen selbst als Kontaktelemente zur jeweils be­ nachbarten Umverdrahtungsebene. Die einzelnen Halterahmen der Chips einer zweiten Chipanordnung werden dabei derart dimensio­ niert, dass sie zwar den Chip weitgehend einbetten, jedoch die Enden der Umverdrahtungsbahnen der darunter liegenden Chipebene nicht bedecken. Die Umverdrahtungsbahnen der zweiten Chipanord­ nung laufen nun auf dem Halterahmen seitlich in die darunter liegende Ebene, wo sie unmittelbar mit den dort endenden Umver­ drahtungsbahnen verbunden werden.

Die Kontaktierungselemente sowie die Umverdrahtungsbahnen und deren Kontaktierungspunkte werden zweckmäßigerweise aus einem leitfähigen Polymer erzeugt. Sie werden bevorzugt aufgedruckt.

Als Füllmittel wird wie beschrieben zweckmäßigerweise ein nicht-leitendes Polymer verwendet, das aufgedruckt, aufgesprüht oder aufgeschleudert wird. Generell kann nach dem Erzeugen des Halterahmens, insbesondere wenn dieser einen einen Chip bedec­ kenden Abschnitt aufweist, ein Schritt zur Reduzierung der Dicke des Füllmittels bei gleichzeitiger Einebnung der Fläche folgen.

Neben dem Verfahren betrifft die Erfindung ferner ein elektro­ nisches Bauelement mit mehreren gestapelten Chips, das nach ei­ ner der beschriebenen Verfahrensvarianten hergestellt ist.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung erge­ ben sich aus den im folgenden beschriebenen Ausführungsbeispie­ len. Dabei zeigen:

Fig. 1a-1l die einzelnen Verfahrensschritte zur Her­ stellung eines Bauelements, bei dem eine Chipanordnung auf ei­ ner bereits bestehenden Chipanordnung aufgebaut wird,

Fig. 2a-2o die Verfahrensschritte zur Herstellung ei­ nes Bauelements, bei dem eine Chipanordnung auf einer bereits bestehenden Chipanordnung aufgebaut wird, wobei einzelne Chips mit bereits angeordneter Umverdrahtung verwendet werden, und

Fig. 3a-3j die Verfahrensschritte zur Herstellung ei­ nes Bauelements, bei dem die Umverdrahtungsbahnen zweier Chips direkt miteinander kontaktiert werden.

Die Fig. 1a-1l zeigen die wichtigsten Verfahrensschritte zur Herstellung eines dreidimensionalen Bauelements im fan-out- Wafer-Level-Packaging, wobei hier eine Chipanordnung auf einer jeweils bestehenden Chipanordnung aufgebaut wird.

Zur Bildung der ersten "untersten" Chipanordnung werden zu­ nächst auf einem Träger 13, beispielsweise einem passivierten Silizium-Träger, Durchkontaktierungselemente 14, vorzugsweise aus leitfähigem Silikon, aufgebracht, vornehmlich aufgedruckt. Nach Fig. 1b wird ein Chip 15 mit seiner Kontaktierungsseite 16 nach oben weisend auf den Träger 13 unter Verwendung eines ge­ eigneten Klebers aufgeklebt. Nach Fig. 1c wird ein Halterahmen 17 unter Verwendung eines isolierenden Füllmittels 18, bei­ spielsweise Epoxyharz oder Silikon erzeugt. Das Füllmittel wird vornehmlich aufgedruckt. Der Halterahmen ist dabei derart be­ messen, dass die Durchkontaktierungselemente 14 oberseitig von ihm nicht abgedeckt sind. Ferner erstreckt sich der Halterahmen 17 weitgehend über den Chip 15, er lässt jedoch in der Mitte das oberseitige Kontaktpad 19 des Chips 15 frei. Im Schritt ge­ mäß Fig. 1d wird die Oberfläche des Halterahmens 17 beispiels­ weise durch Plasmaätzen oder Nassätzen gereinigt und der Halte­ rahmen etwas abgetragen. Im Schritt nach Fig. 1e werden nun Um­ verdrahtungen 20 auf die teilweise mit dem Halterahmen 17 be­ deckte Oberseite des Chips 15 aufgebracht. Diese Umverdrahtun­ gen 20 kontaktieren die Durchkontaktierungselemente 14 mit den Kontaktpads 19. Die Erzeugung der Umverdrahtungen 20 erfolgt durch Aufsputtern oder Aufplattieren einer Metallschicht, eine anschließende Lithografie und einen daran folgenden Nassätz­ schritt. Mit Abschluss des Verfahrensschritts nach Fig. 1e ist die erste "untere" Chipanordnung 21 fertiggestellt.

Auf diese untere Chipanordnung 21 werden nun, siehe Fig. 1f, deckungsgleich mit den Durchkontaktierungselementen 14 der un­ teren Chipanordnung 21 weitere Durchkontaktierungselemente 14 aufgebracht. Im Schritt nach Fig. 1g wird nun ein zweiter Chip 15 deckungsgleich über den bereits vorhandenen Chip 15 der er­ sten Chipanordnung gesetzt. Der Chip 15 ist zweckmäßigerweise an seiner Rückseite mit einer Passivierungsschicht versehen, so dass er gegenüber der Umverdrahtung der unteren Chipanordnung 21 isoliert ist.

Im Schritt nach Fig. 1h wird wiederum ein Halterahmen 17 unter Verwendung eines Füllmittels 18 in gleicher Weise wie bezüglich Fig. 1c beschrieben. Auch dieser wird anschließend (siehe Fig. 1d) gereinigt und etwas abgetragen. Im Schritt nach Fig. 1i er­ folgt die Erzeugung der Umverdrahtung 20 der zweiten Chipanord­ nung bzw. Ebene. Hieran schließen sich wiederum die Schritte nach den Fig. 1f ff. an. Diese werden so oft wiederholt, wie Chipanordnungen aufzubauen sind. Fig. 1j zeigt eine Konfigura­ tion mit vier Chipanordnungen 21, wobei auf die oberste Chipan­ ordnung 21 noch zwei Kontaktierungselemente 14 gesetzt sind. Ist die Konfiguration vollständig aufgebaut, werden die Bauele­ mente durch Auftrennen des Halterahmens aller übereinander ge­ setzten Chipanordnungen 21 vereinzelt. Fig. 1j zeigt ein ver­ einzeltes Bauelement 22.

Zur Montage des Bauelements 22 auf einem Bauelementträger 23 wird dieses nun umgedreht (Flipchip), auf die freiliegenden Kontaktelemente 14 werden Verbindungskleberpunkte 24, bei­ spielsweise aus leitfähigem Silikon, aufgebracht, über die das Bauelement 22 dann auf dem Bauelementträger 23 unter Kontaktie­ rung der Durchkontaktierungselemente 14 mit trägerseitigen Kon­ taktelementen 25 befestigt wird.

Die Fig. 2a-2o zeigen die relevanten Verfahrensschritte zur Herstellung eines Bauelements durch Aufbauen einer Chipan­ ordnung auf einer bereits bestehenden, wobei hier Chips verwendet werden, die bereits als funktionstüchtig getestet und mit einer Umverdrahtung versehen sind.

Ausgangspunkt ist ein in Fig. 2a gezeigter Chip 26, der bereits als funktionstüchtig getestet wurde. An seiner Kontaktierungs­ seite ist bereits eine Umverdrahtung 27 sowie entsprechende Kontaktpunkte 28 erzeugt.

Wie Fig. 2b zeigt, wird zur Herstellung der ersten unteren Chipanordnung auf einem Träger 29, (beispielsweise der passi­ vierten Oberfläche einer Silizium-Scheibe) vornehmlich mittels eines leitfähigen Polymers eine Umverdrahtung bzw. Umverdrah­ tungsbahnen 30 und Umverdrahtungskontaktpunkte 31 unter Verwen­ dung eines leitfähigen Polymers aufgebracht, vornehmlich aufge­ druckt. Mittels eines nicht-leitfähigen Klebers 32 wird nun, siehe Fig. 2c, der Chip 26 mit seiner Kontaktierungsseite, also der Seite, wo die Umverdrahtung aufgebracht ist, auf den Träger 29 geklebt. Dabei wird die chipseitige Umverdrahtung 27 und die Umverdrahtungskontaktpunkte 28 mit den entsprechenden Umver­ drahtungsbahnen 30 bzw. den Umverdrahtungskontaktpunkten 31 am Träger 29 kontaktiert. Ist die Verbindung ausgehärtet, so er­ folgt im Schritt nach Fig. 2e ein Materialabtrag am Chip 26, d. h. der Chip wird dünner gemacht. Das Material kann beispiels­ weise durch trockenes oder nasses Ätzen oder einer mechanischen Behandlung abgetragen werden. Ersichtlich verringert sich so die Bauhöhe der ersten Chipanordnung deutlich.

Im Schritt nach Fig. 2f wird nun die gegebene Konfiguration zur Bildung eines Halterahmens 33 in ein Füllmaterial 34 eingebet­ tet. Hierzu wird beispielsweise isolierendes Silikon aufge­ druckt und anschließend ausgehärtet. Der Halterahmen 33 weist Kontaktierungsvias 35 auf, die eine spätere Durchkontaktierung zu den Umverdrahtungsbahnen und Umverdrahtungskontaktpunkten 30, 31, die auf der Trägeroberfläche aufgebracht sind, ermög­ licht. Im Schritt 2g wird nun die Oberfläche des auch den Chip abdeckenden Halterahmens 33 durch trockenes oder nasses Ätzen oder durch mechanisches Behandeln eingeebnet und der Halterah­ men etwas dünner gemacht.

Im Schritt nach Fig. 2h werden nun die Umverdrahtungsbahnen 36 und Umverdrahtungspunkte für die nächste Chipanordnung durch Aufdrucken eines leitfähigen Polymers erzeugt. Ersichtlich füllt das leitfähige Polymer die Kontaktierungsvias 35, so dass eine Durchkontaktierung zu den darunter liegenden Umverdrahtun­ gen erfolgt.

Anschließend wird im Schritt nach Fig. 2i erneut ein nichtlei­ tender Kleber 32 aufgebracht, wonach im Schritt nach Fig. 2j ein weiterer Chip 26 mit seiner Kontaktierungsseite nach unten weisend aufgesetzt und aufgeklebt wird. Auch hier erfolgt beim Aufkleben die Kontaktierung der Umverdrahtung 27 mit den ent­ sprechenden Umverdrahtungsbahnen 36 auf der Oberfläche der un­ teren Chipanordnung 37.

Nach Aufkleben des Chips 26 (siehe Fig. 2k) wird auch hier der Chip 26 gedünnt (siehe Fig. 2i). Anschließend erfolgt erneut die Einbettung in ein Füllmaterial zur Erzeugung des Halterah­ mens mit den Kontaktierungsvias und die erneute Erzeugung der Umverdrahtungsbahnen, wie in den Fig. 2f-2h beschrieben.

Ist die gesamte Konfiguration aufgebaut, so ergibt sich ein Stapel aus Chipanordnungen 37, wie er in Fig. 2m gezeigt ist. Auch hier sind exemplarisch vier Chipanordnungen 37 übereinan­ der gestapelt. Nachfolgend werden die einzelnen Bauelemente durch Auftrennen der Halterahmen, die wie bei allen Ausfüh­ rungsformen selbstverständlich deckungsgleich übereinander lie­ gen, vereinzelt. Fig. 2m zeigt ein vereinzeltes Bauelement 38. Auf dessen freiliegende Oberseite werden anschließend im Schritt 3n Verbindungskleberpunkte 39 unter Verwendung eines leitfähigen Klebers aufgebracht, über die das Bauelement 38 anschließend (Fig. 2o) auf einen Bauelementträger 40, auf dessen Oberseite trägerseitige Kontaktpunkte 41 sind, aufgeklebt und kontaktiert.

Die Fig. 3a-3j zeigen eine vierte Verfahrensvariante zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Bauelements, wobei hier die Umverdrahtungsbahnen zweier übereinander liegender Chips direkt miteinander verbunden werden.

Auf einen Träger 42, z. B. eine Folie oder ein Glassubstrat, wird, wie Fig. 3a zeigt, eine nicht-leitende Polymerschicht 43, z. B. aufgedruckt oder aufgeschleudert. Anschließend wird, siehe Fig. 3b, ein Chip 44 auf die oberseitig vorzugsweise adhäsive Polymerschicht 43 aufgebracht, wonach die Polymerschicht ausge­ härtet wird.

Wie Fig. 3c zeigt, wird anschließend ein Füllmittel 45 zur Bil­ dung eines den Chip 44 sowohl seitlich als auch ersichtlich oberseitig bis auf den Bereich der Kontaktpads 46 abdeckenden Halterahmens aufgebracht und ausgehärtet. Wie Fig. 3d zeigt, werden anschließend die Umverdrahtungsbahnen 47 erzeugt, die ersichtlich bis in den Bereich der seitlichen Halterahmenab­ schnitte laufen. Die Enden der Umverdrahtungsbahnen 47 bilden dabei Kontaktelemente 48, die der anschließenden Kontaktierung zu einer darüber anzuordnenden Chipanordnung dienen.

Auf die aus Fig. 3d bekannte Anordnung wird nun beispielsweise in einem Druckverfahren ein nichtleitender Kleber 49 gebracht, wobei diese Klebeschicht derart bemessen ist, dass die Kontakt­ elemente 48, gebildet von den Enden der Umverdrahtungsbahn 47 frei bleiben. Anschließend wird ein zweiter Chip 50 aufgeklebt (Fig. 3f), wonach die Kleberschicht ausgehärtet wird.

Im Schritt gemäß Fig. 3g wird nun ein weiteres Füllmittel 51 aufgebracht, das zur Bildung eines den zweiten Chip 50 einbettenden und sowohl seitlich als auch oberseitig bis auf den Be­ reich der Kontaktpads 52 einbettet. Auch dieser Halterahmen ist seitlich derart bemessen, dass die Kontaktelemente 48 der Um­ verdrahtungsbahnen 47 der darunter befindlichen Chipebenen nach wie vor frei bleiben. Das Füllmittel kann beispielsweise in ei­ nem Druckverfahren aufgebracht werden.

Schließlich werden, siehe Fig. 3h, die Umverdrahtungsbahnen 53 des Chips 50 erzeugt, wobei die Umverdrahtungsbahnen 53 seit­ lich über den Halterahmen nach unten in die Umverdrahtungsbah­ nebene des Chips 44 laufen, wo sie ersichtlich mit den Kontakt­ elementen 48, also den Enden der Umverdrahtungsbahnen 47 kon­ taktiert werden. Die Umverdrahtungsbahnen können wie auch die Umverdrahtungsbahnen der darunter liegenden Chipebene durch Sputtern und Plattieren sowie mittels geeigneter fotolithogra­ fischer Schritte erzeugt werden.

Wie Fig. 31 zeigt, werden anschließend Kontaktelemente 54 und 55 an der aktiven Seite des Chips 50 erzeugt. Bei den Kontakt­ elementen 54 handelt es sich um leitfähige adhäsiv zu kontak­ tierende Interconnect-Elemente, bei den Kontaktelementen 55 im gezeigten Beispiel um Lotbällchen. Selbstverständlich kann auch nur eine Art von Kontaktelementen vorgesehen werden. Sie dienen dazu, den anschließenden Kontakt zu einem Träger herzustellen.

Der Träger 42 wird schließlich entfernt und die einzelnen Mul­ tichip-Module unter Bildung vereinzelter Bauelemente 56 durch Sägen (siehe die angedeuteten seitlichen Sägespalte) oder der­ gleichen vereinzelt. Die Vereinzelung erfolgt durch Auftrennen im Bereich des unteren Halterahmens, wobei dies auch beispiels­ weise durch Laserschneider oder dergleichen erfolgen kann.

Anschließend kann ein derartiges Bauelement 56 über die Kon­ taktelemente 54, 55 mit einem Modulboard 57, an dessen Ober­ seite Kontaktpunkte 58 vorgesehen sind, befestigt und kontaktiert werden. Im Falle der Kontaktelemente 54 geschieht dies unter Verwendung eines leitfähigen Klebers, die Kontaktelemente 55 werden in einem üblichen Lötprozess angeschmolzen, so dass der elektrische Kontakt entsteht.

An dieser Stelle ist darauf hinzuweisen, dass die Fig. 3a-­ 3j die Erzeugung eines Multichip-Bauelements 56 mit zwei Chips zeigen. Selbstverständlich ist es auch möglich, mehrere Chips übereinander zu stapeln, wobei die Umverdrahtungsbahnen der Chips jeweils von oben nach unten in die Ebene der Umverdrah­ tungsbahnen 47 des untersten Chips 44 geführt werden. Es ist aber auch denkbar, jede Umverdrahtungsbahnebene lediglich mit der darunter liegenden zu kontaktieren, so dass Umverdrahtungs­ bahnen nicht allzu weit seitlich entlang des Chipstapels nach unten geführt werden müssen. Bei diesen Ausführungsformen ver­ größert sich jedoch die seitliche Abmessung der jeweiligen Chiprahmen etwas.

Bezugszeichenliste

1

Träger

2

Durchkontaktierungselemente

3

Chip

4

Halterahmen

5

Füllmittel

6

Umverdrahtung

7

Kontaktpad

8

Verbindungskleber

9

Chipanordnung

10

Schutzabdeckung

11

Bauelement

12

Bahn

13

Träger

14

Durchkontaktierungselement

15

Chip

16

Kontaktierungsseite

17

Halterahmen

18

Füllmittel

19

Kontaktpad

20

Umverdrahtung

21

Chipanordnung

22

Bauelement

23

Bauelementträger

24

Verbindungskleberpunkte

25

Kontaktelement

26

Chip

27

Umverdrahtung

28

Kontaktpunkt

29

Träger

30

Umverdrahtungsbahn

31

Umverdrahtungskontaktpunkt

32

Kleber

33

Halterahmen

34

Füllmaterial

35

Kontaktierungsvia

36

Umverdrahtungsbahn

37

Chipanordnung

38

Bauelement

39

Verbindungskleberpunkt

40

Bauelementträger

41

Kontaktpunkt

42

Träger

43

Polymerschicht

44

Chip

45

Füllmittel

46

Kontaktpad

47

Umverdrahtungsbahn

48

Kontaktelement

49

Kleber

50

Chip

51

Füllmittel

52

Kontaktpad

53

Umvredrahtungsbahn

54

Kontaktelement

55

Kontaktelement

56

Bauelement

57

Modulboard

58

Kontaktpunkt

Claims (16)

1. Verfahren zur Herstellung eines elektronischen Bauelements (22; 38; 56) mit mehreren übereinander gestapelten und mit­ einander kontaktierten Chips (15; 26; 44, 50), das auf einem Träger (13; 29; 42) montiert wird; wobei die Chips (15; 26; 44, 50) über eine Kontakteinrichtung (14, 20, 24; 27, 28, 36, 39; 47, 48, 53, 54, 55) mit einem Bauelementträger (23; 40; 57) kontaktierbar sind, mit folgenden Schritten:

• a) Erzeugen einer ersten ebenen Chipanordnung (21; 37) durch zueinander beabstandetes Anordnen von funktionstüchtigen Chips (15; 26; 44) in einem Raster und Verfüllen zumindest der Abstände zwischen den Chips (15; 26; 44) mit einem Füll­ mittel (18; 34; 45) zur Bildung eines die Chips (15; 26; 44) fixierenden isolierenden Halterahmens (17; 33) mit chipeige­ nen, der elektrischen Kontaktierung zu einem anderen Chip einer anderen Chipanordnung dienenden, im Bereich des Halte­ rahmens seitlich des jeweiligen Chips (15; 26; 44) vorgese­ henen Kontaktelementen (14; 36; 48) der Kontakteinrichtung (14, 20, 24; 27, 28, 36, 39; 47, 48, 53, 54, 55), die mit chipeigenen Umverdrahtungen (20; 27, 28; 47) der Kontaktein­ richtung (14, 20, 24; 27, 28, 36, 39; 47, 48, 53, 54, 55) verbunden werden,
• b) Erzeugen einer weiteren ebenen Chipanordnung (21; 37) nach Schritt a) auf der ersten Chipanordnung (21; 37) derart, dass die Chips (15; 26; 44, 50) und die Halterahmen (17; 33) der beiden Chipanordnungen übereinander liegen und die je­ weiligen Kontaktelemente (14; 36; 48, 53) der beiden Chipan­ ordnungen für die elektrische Chip-Chip-Kontaktierung elek­ trisch miteinander verbunden werden,
• c) gegebenenfalls ein- oder mehrmaliges Wiederholen des Schritts b),
• d) gegebenenfalls Aufbringen von Interconnect-Elementen (24; 39; 54, 55) der Kontakteinrichtung (14, 20, 24; 27, 28, 36, 39; 47, 48, 53, 54, 55) zum Bauelementträger (23; 40; 57); und
• e) Vereinzeln der jeweils aus mehreren übereinander gestapelten Chips (15; 26; 44) der einzelnen Chipanordnungen (21; 37) bestehenden Bauelemente durch Auftrennen der Halterahmen (17; 33) der fest miteinander verbundenen Chipanordnungen (21; 37).

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Träger (13; 29; 42) eine selbstklebende Folie oder Band oder ein an seiner Oberfläche vorzugsweise passivierter Silizium-Träger verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
dass die weitere Chipanordnung (21) mit folgenden Schritten er­ zeugt wird:

• - Erzeugen weiterer Kontaktelemente (14) der weiteren Chipan­ ordnung (21) auf den oberseitig freiliegenden Kontaktele­ menten (14) der unteren Chipanordnung (21),
• - Aufbringen der Chips (15) der weiteren Chipanordnung (21) oberhalb und vorzugsweise deckungsgleich mit den Chips (15) der unteren Chipanordnung (21),
• - Erzeugen des isolierenden Halterahmens (17) derart, dass die Kontaktierungselemente (14) noch aus dem Halterahmen (17) hervorragen und das Füllmittel (18) die Chips (15) oberseitig bis auf die chipseitigen Kontaktpads (19) als Isolationsschicht abdeckt,
• - Erzeugen der Umverdrahtungen (20),

wobei diese Schritte sooft wiederholt werden wie Chipanordnun­ gen übereinander zu stapeln sind.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Chipanordnung (21), auf die die weitere Chipan­ ordnung (21) aufgebaut wird, mit folgenden Schritten erzeugt wird:

• - Erzeugen der Kontaktierungselemente (14) der ersten Chipan­ ordnung (21) auf dem Träger (13), insbesondere dem Silizium- Träger,
• - Aufbringen der Chips (15) der ersten Chipanordnung (21),
• - Erzeugen des isolierenden Halterahmens (17) derart, dass die Kontaktierungselemente (14) noch aus dem Halterahmen (17) hervorragen und das Füllmittel (18) die Chips (15) oberseitig bis auf die chipseitigen Kontaktpads (19) als Isolations­ schicht abdeckt,
• - Erzeugen der Umverdrahtungen (20).

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Erzeugung des Halterahmens (17) einschließlich des die Chips (15) teilweise abdeckenden Rahmenabschnitts (17) ein das Füllmittel (18) gleichmäßig abtragender Reinigungs­ schritt erfolgt.

6. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
dass die erste Chipanordnung (37) mit folgenden Schritten er­ zeugt wird:

• a) Erzeugen von Umverdrahtungsbahnen (30) mit Kontaktierungs­ punkten (31) auf dem Träger (29),
• b) Befestigen der bereits mit der chipeigenen Umverdrahtung (27) und zugehörigen Umverdrahtungskontaktpunkten (28) ver­ sehenen Chips (26) mit ihrer die Umverdrahtung (27) aufwei­ senden Seite zum Träger (29) weisend, so dass die Umverdrah­ tung (27) und die Umverdrahtungskontaktpunkte (28) mit ent­ sprechenden Umverdrahtungsbahnen (30) und zugehörigen Umver­ drahtungskontaktpunkten (31) des Trägers (29) verbunden wer­ den,
• c) Erzeugen des Halterahmens (33) derart, dass die Chips (26) auch an ihrer freien Seite in das Füllmittel (34) eingebet­ tet werden, wobei in dem Halterahmen (33) Kontaktvias (35) zur Durchkontaktierung zu den darunter liegenden Umverdrah­ tungskontaktpunkten (31) ausgebildet werden,
• d) Erzeugen weiterer Umverdrahtungsbahnen (36) mit Umverdrah­ tungskontaktpunkten und Kontaktelementen, die die Kontakt­ vias (35) füllen,

wonach die Schritte a) bis d) zur Bildung einer oder mehrere weiterer Chipanordnungen (37) wiederholt werden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Befestigen der Chips (26) zur Reduzierung der Dicke Chipmaterial abgetragen wird.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Chips (26) mittels eines nicht-leitenden Klebers (32) befestigt werden.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass nach Erzeugung der letzten Chipanordnung an deren Ober­ seite Kontaktelemente (14) zum Kontaktieren der nachfolgend zu vereinzelnden Bauelemente mit dem Bauelementträger (23) erzeugt werden.

10. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

• a) Anordnen der Chips (44) auf dem Träger (42),
• b) Erzeugen des Halterahmens (45) derart, dass die Chips (44) seitlich und an ihrer freien Seite bis auf einen Kontaktpads (46) der Chips (44) der ersten Chipanordnung freilassenden Bereich in das Füllmittel (45) eingebettet sind,
• c) Erzeugen von den Umverdrahtungen (47), die sich bis in den Bereich der zwischen den Chips befindlichen Halterahmenab­ schnitte erstrecken, wobei die derart positionierten Enden der Umverdrahtungsbahnen die Kontaktelemente (48) zur nach­ folgend aufzubauenden oder anzuordnenden Chipanordnung bil­ den,
• d) Aufbringen eines nicht-leitenden Klebemittels (49) zur Fi­ xierung der Chips (50) der zweiten Chipanordnung und zur Isolierung gegenüber den darunter liegenden Umverdrahtungs­ bahnen (47) derart, dass die Kontaktelemente (48) der ersten Chipanordnung frei liegen, und Aufbringen der Chips (50) der zweiten Chipanordnung,
• e) Aufbringen eines nicht-leitenden weiteren Füllmittels (51) zur Bildung eines Halterahmens derart, dass es die Chips (50) seitlich und oberseitig bis auf den Bereich Kontaktpads (52) der Chips (50) der zweiten Chipanordnung abdeckt, wobei die Kontaktelemente (48) der ersten Chipanordnung frei blei­ ben,
• f) Erzeugen der Umverdrahtungen (53) der zweiten Chipanordnung, die endseitig mit den Kontaktelementen (48) der ersten Chip­ anordnung kontaktiert werden, und
• g) gegebenenfalls ein- oder mehrmaliges Wiederholen der Schrit­ te d) bis f).

11. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktelemente (14; 36; 48) sowie die Umverdrahtungen (20; 27, 28; 47) aus einem leitfähigen Polymer erzeugt werden.

12. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktelemente (14; 36; 48) sowie die Umverdrahtungs­ bahnen (20; 27, 28; 47) aufgedruckt werden.

13. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Füllmittel (18; 34; 45) ein nicht-leitendes Polymer verwendet wird.

14. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllmittel (18; 34; 45) aufgedruckt, aufgesprüht oder aufgeschleudert wird.

15. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Erzeugen des Halterahmens (17; 33), insbesondere wenn dieser einen einen Chip (15; 26; 44, 50) bedeckenden Ab­ schnitt aufweist, ein Schritt zur Reduzierung der Dicke des Füllmittels (18; 34; 45) bei gleichzeitiger Einebnung der Flä­ che erfolgt.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Dickenreduktion durch nasses oder trockenes Ätzen oder durch mechanische Behandlung erfolgt.