EINEM GEGENSTÜCK DURCH LASER-LÖTEN, SOWIE ENTSPRECHENDE

ANORDNUNG MIT EINEM HALBLEITERBAUELEMENT

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden eines Halbleiterbauelements, das an wenigstens einer Seite elektrische Anschlusskontakte aufweist, mit einem Gegenstück, das den Anschlusskontakten zugeordnete elektrische Gegen-An- schlusskontakte aufweist, gemäß Anspruch 1 . Die Erfindung betrifft außerdem eine Anordnung mit einem derartigen Halbleiterbauelement und einem Foliensubstrat, wobei das Halbleiterbauelement an dem Foliensubstrat befestigt ist.

Allgemein betrifft die Erfindung das Gebiet des sogenannten Chip Bonding. Halbleiterbauelemente der eingangs erwähnten Art werden auch als„Chips" bezeichnet. Mit„Bonding" wird das Verbinden von Anschlusskontakten des Chips mit anderen Anschlüssen, z.B. auf einem Substrat, einer Leiterplatte oder einer flexiblen Folie, die als Substrat dient, bezeichnet.

Es sind diverse Chip-Bonding-Verfahren bekannt, z.B. Adhesive Bonding oder Thermal Fusion Bonding, wobei in der Praxis z.B. bei der Herstellung von RFID- Einheiten das Bonden mittels lokaler Erwärmung weitgehend eingesetzt wird. Dieses Verfahren erlaubt das Bonden eines RFID-Chip (als Halbleiterbauelement) an einem Foliensubstrat, auf dem mittels Metallisierung eine Antennenstruktur aufgebracht ist. Da das Foliensubstrat keine allzu starke Erwärmung (z.B. bis 20 Grad Celsius) verträgt, sind klassische Lötprozesse nicht anwendbar, weil dies zur Beschädigung des Foliensubstrats führen würde. Derzeit eingesetzte Erwärmungsverfahren sind jedoch vergleichsweise langwierig, da z.B. eine Aushärtezeit des verwendeten Klebstoffs (thermisches Aushärten) kurze Prozesszeiten verhindert.

Es gibt auch bereits Vorschläge zum Laserlöten von flexiblen Verdrahtungen, z.B. in der DE 32 47 338 A1 . Solche Vorschläge haben aber wegen schlechter Reproduzierbarkeit der Ergebnisse bisher keine nennenswerte Verbreitung gefunden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Chip-Bonding-Prozess sowie das damit hergestellte Produkt fertigungstechnisch zu optimieren. Diese Aufgabe wird gemäß Anspruch 1 gelöst durch ein Verfahren zum Verbinden eines Halbleiterbauelements, das an wenigstens einer Seite elektrische Anschlusskontakte aufweist, mit einem Gegenstück, das den Anschlusskontakten zugeordnete elektrische Gegen-Anschlusskontakte aufweist, mit folgenden Schritten: a) Anordnen des Halbleiterbauteils relativ zu dem Gegenstück derart, dass jeder der mit einem Gegen-Anschlusskontakt zu verbindenden Anschlusskontakte gegenüber dem zugeordneten Gegen-Anschlusskontakt ausgerichtet ist, wobei zwischen zu verbindenden Anschlusskontakten und Gegen-An- schlusskontakten jeweils wenigstens eine Lotschicht angeordnet ist, b) Bestrahlen einer jeweiligen Lotschicht zwischen zugeordneten Anschlusskontakten und Gegen-Anschlusskontakten mittels Laserstrahl durch das Halbleiterbauelement hindurch, bis die wenigstens eine Lotschicht aufschmilzt.

Die Erfindung erlaubt ein hocheffizientes elektrisches Kontaktieren des Halbleiterbauelements an dem Gegenstück mit kurzer Prozesszeit und hervorragender Haltbarkeit der Verbindung. So kann eine Lötverbindung innerhalb von wenigen zehntel Sekunden hergestellt werden. Verblüffenderweise ergeben sich besonders gute Ergebnisse, wenn der Laserstrahl durch das Halbleiterbauelement hindurch zu der Kontaktstelle gerichtet wird. Obwohl übliche Halbleiterbauelemente, z.B. auf Silizium-Basis, eigentlich nicht lichtdurchlässig erscheinen, weil sie für Licht im sichtbaren Bereich nicht transparent sind, wurde herausgefunden, dass das Halbleitermaterial zumindest in einem bestimmten Wellenlängenbereich eine ausreichende Transparenz aufweist, um den Verbindungsvorgang mit dem Laserstrahl durch das Halbleiterbauelement hindurch das Halbleiterbauelement hindurch auszuführen, ohne das Halbleiterbauelement dabei zu schädigen, z.B. durch zu starke Erhitzung. So weist beispielsweise ein Halbleiterbauelement aus Silizium für Laserstrahlung im Wellenlängenbereich von etwa 2 μιτι eine Lichtdurchlässigkeit von über 50% auf. Auf diese Weise kann mit der Erfindung ein Transmissions-Chip- Bonding-Prozess realisiert werden. Das Verfahren eignet sich auch für andere Halbleiterbauelemente, z.B. für Silizium-Carbid-Halbleiter. Gegenüber konventionellen Chip-Bonding-Verfahren besteht ein weiterer Vorteil darin, dass ein Laserstrahl wesentlich einfacher und präziser automatisch positionierbar ist als bisher verwendete Erwärmungsvorrichtungen. Zudem kann ein Löt- prozess statt bisher angewendeter Klebeprozesse realisiert werden.

Beim Verbindungsvorgang, insbesondere beim Bestrahlen mit dem Laserstrahl, kann ein Anpressen des Halbleiterbauelements gegen das Gegenstück erfolgen, z.B. mit einem Anpressdruck von ca. 1 ,5 MPa. Der Anpressdruck kann z.B. im Bereich von 0,6 MPa bis 4,7 MPa liegen. Für die Lotschicht kann z.B. eine Indium- Zinn-Kombination, eine Indium-Bismut-Kombination oder ITO (Indium-Titanoxid) eingesetzt werden. Das Halbleiterbauelement kann z.B. ein RFID-Chip sein. Das Gegenstück kann z.B. eine Leiterplatte, ein Foliensubstrat oder ein sonstiges Substrat, z.B. ein keramisches Substrat, oder ein anderes Halbleiterbauelement sein.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird es insbesondere möglich, Halbleiterbauelemente an einem Gegenstück anzubringen, z.B. einem Foliensubstrat, das relativ temperaturempfindlich ist. Dies ist möglich, da die Erwärmung durch den Laserstrahl sehr kurzzeitig und lokal eng begrenzt erfolgen kann, und zwar im Bereich der Lotschicht zwischen einem Anschlusskontakt und einem zugeordneten Gegen-Anschlusskontakt. Die entstehende Wärme wird somit in der Lotschicht aufgenommen, die nur kurz lokal aufgeschmolzen wird, sodass die entstehende Temperaturerhöhung in der Umgebung vernachlässigbar ist.

Der Laserstrahl kann z.B. für eine bestimmte, experimentell optimierte Abstrahldauer abgegeben werden, z.B. für 0,2 Sekunden oder 0,3 Sekunden. Die Abstrahldauer ist so festzulegen, dass das gewünschte Aufschmelzen der Lotschicht erfolgt, aber eine darüber hinausgehende Erwärmung der Verbindungsstelle minimiert wird.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass zwischen einem Anschlusskontakt und dem diesem zugeordneten Gegen-Anschlusskontakt wenigstens zwei Lotschichten aus unterschiedlichen Materialien gebildet sind, die sich erst beim Aufschmelzen durch den Laserstrahl zu einer das Lot bil- denden Legierung vermischen. Dies erlaubt eine geeignete Materialzusammenstellung der Materialien der zwei Lotschichten in Abstimmung auf die Erfordernisse des Gegenstücks und ggf. auch des Halbleiterbauelements, z.B. im Hinblick auf eine maximale Erwärmungstemperatur des Gegenstücks. So kann z.B. bei einem Foliensubstrat als Gegenstück, das maximal bis zu einer Temperatur von 120 Grad Celsius erwärmt werden darf, eine Zusammenstellung der Materialien der zwei Lotschichten aus Indium und Zinn oder Indium und Bismut gewählt werden. Die aus diesen Materialien beim Aufschmelzen entstehende Legierung hat eine relativ niedrige Temperatur des Eutektikums von ca. 1 17 Grad Celsius, sodass beim Lötvorgang eine Schädigung des Foliensubstrats vermieden werden kann.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die wenigstens eine Lotschicht eine eutektische Legierung ist oder zumindest nach dem Aufschmelzen eine eutektische Legierung bildet. Dies hat den Vorteil, dass eine relativ geringe Aufschmelztemperatur der wenigstens einen Lotschicht realisiert werden kann, was wiederum günstig für temperaturempfindliche Gegenstücke und Halbleiterbauelemente ist. Ein weiterer Vorteil ist, dass bei einem Eutekti- kum die flüssige Phase besser kontrolliert werden kann und das ungewollte Benetzen umliegender Strukturen verhindert werden kann.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die wenigstens eine Lotschicht oder mehrere Lotschichten auf den Anschlusskontakten und/oder dem Gegen-Anschlusskontakten mittels Gasphasenabscheidung aufgebracht werden. Für die Gasphasenabscheidung können bekannte Prozesse der chemischen Gasphasenabscheidung (CVD - chemical vapor deposition) oder der physikalischen Gasphasenabscheidung (PVD - physical vapor deposition) eingesetzt werden. Dies hat den Vorteil, dass die Halbleiterbauelemente und Gegenstücke vorab mit der Lotschicht versehen werden können, ggf. auch in einem separaten, zeitlich vom Lötverbindungsvorgang beabstandeten Prozess. Wenn wenigstens zwei Lotschichten verwendet werden, so kann beispielsweise die eine Lotschicht auf den Anschlusskontakten des Halbleiterbauteils und die andere Lotschicht auf den Gegen-Anschlusskontakten des Gegenstücks abgeschieden werden. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Laserstrahl eine Wellenlänge von mindestens 1 ,5 μιτι hat. Der Laserstrahl kann eine Wellenlänge von maximal 10 μιτι haben. Die Wellenlänge kann insbesondere im Bereich von 1 ,8 μιτι bis 2,2 μιτι liegen.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass an dem Anschlusskontakt und/oder dem diesem zugeordneten Gegenanschlusskon- takt eine zusätzliche Materialschicht als Haftvermittler und/oder als Diffusionsbarri- ere zur Lotschicht aufgebracht wird. Die zusätzliche Materialschicht kann somit als Haftvermittler zur Lotschicht dienen und somit die Haftung verbessern. Alternativ oder zusätzlich kann die zusätzliche Materialschicht auch als Diffusionsbarriere zur Lotschicht dienen, sodass das Material der Lotschicht nicht in das Halbleiterbauelement oder das Gegenstück eindiffundiert. Eine solche zusätzliche Materialschicht kann z.B. aus Chrom bestehen.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, der Laserstrahl über eine von einer Laserstrahlerzeugungseinheit separaten Optikeinheit, die über ein Lichtleitkabel mit der Laserstrahlerzeugungseinheit verbunden ist, abgegeben wird. Die Optikeinheit kann optische Elemente wie z.B. Linsen aufweisen, durch die der von der Optikeinheit abgegebene Laserstrahl gebündelt abgegeben wird, d.h. auf einen bestimmten Punkt fokussiert wird. Hierdurch kann die Effizienz des erfindungsgemäßen Verfahrens weiter gesteigert werden. Zudem wird die Flexibilität bei der Anwendung verbessert, da lediglich die relativ kompakte Optikeinheit automatisch positioniert werden muss, die Laserstrahlerzeugungseinheit kann positionsfest angeordnet sein. Versuche haben gezeigt, dass als Laserstrahlerzeugungseinheit z.B. ein DPSS-Laser mit einem Leistungsbereich von 5 W bis 70 W ausreichend ist.

Die eingangs genannte Aufgabe wird ferner gelöst durch eine Anordnung mit einem Halbleiterbauelement, das an wenigstens einer Seite elektrische Anschlusskontakte aufweist, und einem Foliensubstrat, das den Anschlusskontakten zugeordnete elektrische Gegen-Anschlusskontakte aufweist, wobei das Halbleiterbauelement an dem Foliensubstrat befestigt ist, wobei die Anschlusskontakte mit jeweils zugeordneten Gegen-Anschlusskontakten in einen Bereich zwischen dem Halbleiterbauelement und dem Foliensubstrat über wenigstens eine Lotschicht verlötet sind. Auch hierdurch können die zuvor erläuterten Vorteile realisiert werden. Das Foliensubstrat bildet somit das zuvor erwähnte Gegenstück. Die zuvor genannte Anordnung kann z.B. mit dem eingangs genannten, erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden. Dementsprechend kann die erfindungsgemäße Anordnung auch durch die zuvor erwähnten Merkmale vorteilhaft weitergebildet werden, z.B. durch eine oder mehrere Lotschichten zwischen einem Anschlusskontakt und dem diesen zugeordneten Gegen-Anschlusskontakt. Die wenigstens eine Lotschicht kann eine eutektische Legierung aufweisen.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Lotschicht zwischen einem Anschlusskontakt und dem diesen zugeordneten Gegen-Anschlusskontakt zumindest bereichsweise aus voneinander getrennten Materialschichten unterschiedlicher Materialien gebildet ist. Dies ist z.B. dann der Fall, wenn zwischen einem Anschlusskontakt und dem diesen zugeordneten Gegen-Anschlusskontakt ursprünglich wenigstens zwei Lotschichten aus unterschiedlichen Materialien vorhanden waren, die sich erst beim Aufschmelzen durch den Laserstrahl zu einer das Lot bildenden Legierung vermischen. In diesem Fall bildet sich im Einwirkbereich des Laserstrahls die genannte Legierung, in umgebenden Bereichen bleiben aber zumindest teilweise die voneinander getrennten Materialschichten (Lotschichten) vorhanden.

Das Foliensubstrat kann z.B. aus Polymethylmethacrylat (PMMA) oder Polycarbo- nat (PC) gebildet sein. Allgemein eignen sich thermoplastische Kunststoffe als Foliensubstrat. Auf dem Foliensubstrat können metallisierte Bereiche, z.B. eine Alu- miniumbeschichtung, zur Bildung von Leiterbahnen und/oder Gegen-Anschluss- kontakten vorhanden sein.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Verwendung von Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen Figur 1 - ein Halbleiterbauelement sowie ein Gegenstück vor deren Verbindung und

Figur 2 - den Verbindungsvorgang des Halbleiterbauelements mit dem Gegenstück gemäß Figur 1 und

Figur 3 - eine Ausschnittsvergrößerung an der Verbindungsstelle zwischen einem Anschlusskontakt und einem Gegen-Anschlusskontakt in vergrößerter, perspektivischer Darstellung und

Figur 4 - eine Schnittdarstellung der Verbindungsstelle in einer ersten Ausführungsform und

Figur 5 - eine Schnittdarstellung der Verbindungsstelle in einer zweiten Ausführungsform.

In den Figuren werden gleiche Bezugszeichen für einander entsprechende Elemente verwendet.

Die Figur 1 zeigt ein Halbleiterbauelement 1 mit Anschlusskontakten 2. Das Halbleiterbauelement kann als Silizium-Chip ausgebildet sein. Die Anschlusskontakte 2 müssen dabei keine metallischen Kontakte sein, sondern können entsprechende Anschlussstellen des Chips selbst sein. Erkennbar ist ferner in Seitenansicht ein Gegenstück 3, z.B. ein Foliensubstrat, mit Gegen-Anschlusskontakten 4, die sozusagen als Spiegelbild der Anschlusskontakte 2 angeordnet sind. Das Halbleiterbauelement 1 soll nun mit sämtlichen Anschlusskontakten 2 mit den jeweiligen zugeordneten Gegen-Anschlusskontakten 4 des Gegenstücks 3 verbunden werden.

Diesbezüglich zeigt Figur 2, dass das Halbleiterbauelement 1 passgenau auf dem Gegenstück 2 angeordnet ist, derart, dass jeweils ein Anschlusskontakt 2 einem zugeordneten Gegen-Anschlusskontakt 4 gegenüberliegt und dementsprechend passend dazu ausgerichtet ist. Jede der Verbindungsstellen zwischen einem Anschlusskontakt 2 und einem Gegen-Anschlusskontakt 4 wird nun durch einen Laserstrahl 5 bestrahlt, wobei der Laserstrahl 5 durch das Halbleiterbauelement 1 hindurchgeführt ist. Zwischen dem Anschlusskontakt 2 und einem zugeordneten Gegen-Anschlusskontakt 4 befindet sich bereits wenigstens eine Lotschicht, die durch den Laserstrahl 5 aufgeschmolzen wird, um eine Lötverbindung zu bilden. Der verwendete Laser weist eine stationäre Laserstrahlerzeugungseinheit 8 auf, die über ein Lichtleitkabel 7, z.B. ein Glasfaserkabel, mit einer Optikeinheit 6 verbunden ist. In der Optikeinheit 6 wird der Laserstrahl fokussiert, sodass ein fokus- sierter Laserstrahl 5 abgegeben wird.

Die Figur 3 zeigt in vergrößerter Darstellung die Verbindungsstelle zwischen einem Anschlusskontakt 2 und einem Gegen-Anschlusskontakt 4. Erkennbar ist eine zwischen dem Anschlusskontakt 2 und dem Gegen-Anschlusskontakt 4 angeordnete Lotschicht 9. Durch den fokussierten Laserstrahl 5 wird in der Lotschicht 9 ein bestimmter Bereich 10 aufgeschmolzen, der dann eine Lötstelle bildet. Der Bereich 10 kann z.B. einen Durchmesser im Bereich von 80 μιτι bis 200 μιτι aufweisen. Während dieses Verbindungsvorgangs kann ein Anpressen der Kontakte 2, 4 aneinander mittels einer Kraft F erfolgen.

Die Figur 4 zeigt den Schichtaufbau gemäß Figur 3 in weiter detaillierter, vergrößerter seitlicher Schnittdarstellung. Im oberen Bereich befindet sich das Halbleiterbauelement 1 mit dem Anschlusskontakt 2, z.B. mit einer Schichtdicke von 525 μιτι. Darunter befinden sich eine erste Lotschicht 12 und eine zweite Lotschicht 13. Durch die Linie 1 1 wird die Trennung zwischen dem Halbleiterbauelement 1 und dem Gegenstück 3 verdeutlicht. Dementsprechend ist zunächst die erste Lotschicht 12 an dem Halbleiterbauelement 1 angeordnet, die zweite Lotschicht 13 am Gegenstück 3. Die erste Lotschicht 12 kann z.B. aus Zinn mit einer Schichtdicke von z.B. 1 ,17 m oder Bismut mit einer Schichtdicke von 0,383 μιτι bestehen. Die zweite Lotschicht 13 kann z.B. aus Indium mit einer Schichtdicke von 1 μιτι bestehen. Hierdurch wird die Lotschicht 9 gebildet. Für die Auswahl der Schichtdicken der ersten und der zweiten Lotschicht 12, 13 ist es vorteilhaft, diese entsprechend den stöchiometrischen Verhältnissen festzulegen, mit denen nach dem Aufschmelzvorgang durch den Laserstrahl 5 die eutektische Legierung zwischen den verschiedenen Materialien der ersten und der zweiten Lotschicht 12, 13 gebildet wird.

Erkennbar ist die durch den Bereich 10 markierte Lötstelle, an der die eutektische Legierung gebildet ist. Unterhalb der zweiten Lotschicht 13 kann z.B. eine Schicht 14 aus Chrom, z.B. mit einer Schichtdicke von 50 nm, vorhanden sein. Diese Schicht 14 kann als Haftvermittler und/oder als Diffusionsbarriere zur Lotschicht 9, 12, 13 fungieren. Unterhalb der Schicht 14 kann der Gegen-Anschlusskontakt 4 sowie darunter das Gegenstück 3 vorhanden sein, z.B. eine Aluminiumschicht 4 sowie eine Polymerfolie 3. Alternativ kann an dieser Stelle ein weiteres Halbleiterbauelement vorhanden sein, z.B. mit einer Siliziumschicht.

Die Figur 5 zeigt einen alternativen Schichtaufbau, der sich von der Figur 4 dadurch unterscheidet, dass auch im oberen Bereich, d.h. zwischen dem Halbleiterbauelement 1 bzw. dessen Anschlusskontakt 2 und der Lotschicht 9, 12, 13 eine zusätzliche Materialschicht 16 vorhanden ist, die als Haftvermittler und/oder als Diffusionsbarriere zur Lotschicht 9, 12, 13 dient. Die Materialschicht 16 kann z.B. eine Schicht aus Chrom mit einer Dicke von 50 nm sein.