Beschreibung Herstellung einer Umverdrahtungslage auf einem Trägermaterial BGAs (Ball-Grid-Arrays) stellen die flächenmäßig kleinste Gehäusevariante für Chips dar. Ein Chip oder auch mehrere Chips werden hierbei auf einen Verdrahtungsträger gesetzt und durch bekannte Verfahren wie Flipchip oder Drahtbonden elektrisch kontaktiert. Durch den Verdrahtungsträger erfolgt bei mehreren Chips eine Verdrahtung dieser Chips untereinander sowie bei einem oder mehreren Chips eine Auffächerung der Kontaktpads in ein größeres Raster. Bei einem BGA wird die Kontaktierung des Packages durch Balls auf der Rückseite des Verdrahtungsträgers, auch Interposer genannt, erreicht. Dazu ist es notwendig, eine Durchkontaktierung von einer Seite zur anderen Seite des Verdrahtungsträgers herzustellen. Dies kostengünstig zu realisieren stellt je nach Material des Verdrahtungsträgers ein Problem dar.

Zur Lösung ist die Verwendung von Interposern auf organischer Basis bekannt. Dies sind spezielle Leiterplatten mit meist mit dem Laser oder mechanisch gebohrten Durchkontaktierungen.

Weiterhin sind analoge Lösungen bekannt, bei denen der Verdrahtungsträger aus Keramik mit gefüllten Durchkontaktierungen besteht. Solche Verdrahtungsträger existieren sowohl in LTCC (Low Temperature Cofired Ceramic)- als auch in HTCC (High Temperature Cofired Ceramic)- Technologie.

Außerdem ist es bekannt, Leiterbahnen um die Außenkante des Packages zu führen. Dies wird beim sogenannten PSGA (Plastic Stud Grid Array) durch eine relativ komplexe und teuere Laserstrukturierung erreicht. Aufgrund der Komplexität hat sich diese Lösung bisher noch nicht am Markt durchgesetzt.

In WO 99/17361 A2 ist eine Sonderlösung beschrieben, bei der ein spezielles Zwischenträgersubstrat mit hoher Verdrahtungsdichte zum Einsatz kommt. Ein Produkt mit dieser Sonderlösung ist bisher nicht bekannt.

Schließlich sind sogenannte CSPs (Chip Size Packages) bekannt, bei denen eine Umverdrahtungslage auf dem Chip hergestellt wird.

Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, neue und kostengünstige Möglichkeiten der Verdrahtung von elektronischen Bauelementen, insbesondere Chips, zur Verfügung zu stellen. Dabei soll insbesondere auch dem anhaltenden Trend zur Miniaturisierung Rechnung getragen werden.

Die Aufgabe wird durch die in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Erfindungen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den Unteransprüchen.

Hergestellt wird ein Package in Form einer Anordnung mit einem elektrischen Bauelement, insbesondere einem Chip, und einer Umverdrahtungslage für dieses elektrische Bauelement.

Dazu wird zunächst die Umverdrahtungslage auf einem Trägermaterial in Form einer Trägerplatte erzeugt. Dann wird das elektrische Bauelement an der Umverdrahtungslage befestigt. Schließlich wird das Trägermaterial von der Umverdrahtungslage entfernt.

Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, die Verdrahtungsschicht in Form der Umverdrahtungslage nicht mehr selbsttragend zu gestalten, sondern die Umverdrahtungslage jeweils vom Trägermaterial und/oder vom elektrischen Bauelement tragen zu lassen. Dadurch kann die Umverdrahtungslage wesentlich dünner und materialsparender realisiert werden als die Verdrahtungsträger nach dem Stand der Technik.

Gegenüber den bekannten CSPs hat das Verfahren den Vorteil, dass sich die Umverdrahtungslage über die Grenzen des Chips hinaus erstrecken kann, womit sich beispielsweise auch neue Möglichkeiten für das Drahtbonden ergeben. Weiterhin wird das elektrische Bauelement nicht dadurch belastet, dass die Umverdrahtung auf ihm hergestellt wird, sondern das Erzeugen der Umverdrahtungslagen erfolgt getrennt vom elektrischen Bauelement auf dem Trägermaterial.

Auch wenn die Umverdrahtungslage insofern kein Verdrahtungsträger mehr ist, als sie sich nicht unbedingt selbst tragen können muss, so werden bei einem mehrschichtigen Aufbau der Umverdrahtungslage noch isolierende Schichten vorhanden sein, die die eigentliche Verdrahtungsschicht tragen. Insofern kann auch hier noch von einem Verdrahtungsträger gesprochen werden.

Im Folgenden wird aufgezeigt, wie eine mehrschichtige Umverdrahtungslage auf dem Trägermaterial angeordnet und dabei erzeugt werden kann.

Dazu wird zunächst eine isolierende, also dielektrische, Schicht, als eine Schicht der Umverdrahtungslage auf dem Trägermaterial aufgebracht.

Vorzugsweise wird danach die erste isolierende Schicht strukturiert, indem zum Beispiel Öffnungen geschaffen werden, die auf das Trägermaterial durchgehen. Der Durchmesser dieser Öffnungen, die später mit Leitermaterial gefüllt werden, über das eine Kontaktierung des Packages erfolgt, kann durch dieses Verfahren extrem klein gehalten werden, etwa weniger als 30 um, insbesondere weniger als 20 um. Es können aber auch für BGAs übliche Öffnungsgrößen erzeugt werden, etwa im Bereich von 200 um.

Mit besonderem Vorteil wird dann auf die erste isolierende Schicht eine erste leitende Schicht aufgebracht. Für die leitende Schicht lassen sich leitende Metalle wie etwa Gold (Au), Silber (Ag), Aluminium (A1) oder Kupfer (Cu) sowie Legierungen daraus verwenden. Durch das Verfahren ist aber auch der Einsatz von Platin (Pt) und Platinlegierungen möglich, das bei herkömmlichen Interposern nicht verwendet werden kann.

Auf der ersten isolierenden Schicht und/oder der ersten leitenden Schicht können nun wahlweise weitere Schichten oder beim Einsatz von Luft als Isolator zwischen der ersten leitenden Schicht und dem elektrischen Bauelement direkt das elektrische Bauelement aufgebracht werden. Für eine ausreichende mechanische Stabilität ist es aber ratsam, zunächst zumindest eine zweite isolierende Schicht auf die erste isolierende Schicht und/oder die erste leitende Schicht aufzubringen. Beispielsweise für Kreuzverdrahtungen kann auf der zweiten isolierenden Schicht noch eine zweite leitende Schicht angeordnet werden usw.

Ein entscheidender Vorteil ist, dass bei dieser Vorgehensweise die Dicke einer, mehrerer oder aller isolierenden Schichten jeweils für sich geringer als 20 um, insbesondere geringer als 10 um gehalten werden kann.

Typische Schichtdicken liegen sogar im Bereich von 5 um.

Dadurch lässt sich ein mehrschichtiger Verdrahtungsträger in Form der Umverdrahtungslage realisieren, dessen Dicke im Bereich von 15 um und darunter liegt.

Die isolierenden Schichten bestehen vorzugsweise aus BCB oder enthalten dieses zumindest in einem großen Anteil.

Das elektrische Bauelement wird insbesondere auf die Umverdrahtungslage aufgeklebt. Dabei ist es auch denkbar, dass der Klebstoff die zweite isolierende Schicht ersetzt bzw. diese bildet.

Mit Vorzug wird das elektrische Bauelement an zumindest einer seiner nicht von der Umverdrahtungslage bedeckten Seiten mit einem Schutz versehen, insbesondere an allen seinen nicht von der Umverdrahtungslage bedeckten Seiten. Dies geschieht insbesondere während sich die Umverdrahtungslage und das elektrische Bauelement noch auf dem Trägermaterial befinden.

Das elektrische Bauelement kann dazu einfach mit Kunststoff umhüllt werden, wodurch die Anordnung aus elektrischem Bauelement und Umverdrahtungslage wesentlich stabilisiert wird.

Dies ist insbesondere für den Fall besonders vorteilhaft, in dem die Umverdrahtungslage sich seitlich über das elektrische Bauelement hinaus erstreckt. Hier fungiert der Schutz an den nicht von der Umverdrahtungslage bedeckten aber dieser benachbarten Seiten des elektrischen Bauelements als mechanischer Träger für die über das elektrische Bauelement hinausragenden Bereiche der Umverdrahtungslage.

Die Umverdrahtungslage wird auf ihrer einen Seite elektrisch mit dem elektrischen Bauelement kontaktiert. Auf der gegenüberliegenden Seite, also an den dem elektrischen Bauelement abgewandten Kontakten der Umverdrahtungslage werden vorzugsweise Lotkugeln angeordnet, nachdem das Trägermaterial entfernt ist. Bei wenigen großen Kontakten auf der Unterseite, sogenannten SMD-Pads, genügt das Lotangebot, das von der Boardseite kommt. In diesem Fall kann also auf Lotkugeln verzichtet werden.

Das elektrische Bauelement kann über Drahtbonden mit der Umverdrahtungslage verbunden werden und/oder im Flipchip- Verfahren, bei dem die Kontakte des Bauelements direkt mit Kontakten der Umverdrahtungslage verlötet werden.

Das Entfernen des Trägermaterials kann durch mechanisches oder chemisches Abtragen erfolgen. Ein Wegätzen hat sich als besonders praktikabel herausgestellt.

Eine Anordnung, die nach dem vorgenannten Verfahren hergestellt ist, lässt sich von anderen Anordnungen aus elektrischem Bauelement und Umverdrahtungslage beispielsweise dadurch unterscheiden, dass sich die Umverdrahtungslage seitlich über den Chip hinaus erstreckt und zumindest eine isolierende Schicht weniger als 20 um, insbesondere weniger als 10 um dick ist.

Weitere oder alternative Besonderheiten einer solchen Anordnung bestehen darin, dass eine isolierende Schicht BCB enthalten und/oder daraus bestehen kann und/oder dass eine leitende Schicht Platin enthalten und/oder daraus bestehen kann.

Weitere wesentliche Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung zweier Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung. Dabei zeigt Figur 1 ein Verfahren zur Herstellung einer Anordnung mit einem elektrischen Bauelement und einer Umverdrahtungslage und Figur 2 ein alternatives Verfahren zur Herstellung einer Anordnung mit einem elektrischen Bauelement und einer Umverdrahtungslage.

Auf einem in Figur 1 nicht dargestellt, 0, 5. mm dicken Kupferblech als Trägermaterial wird eine organische, erste isolierende Schicht 101 aufgebracht. Hierzu wird insbesondere ein lichtempfindliches Dielektrikum wie beispielsweise BCB verwendet. Dadurch lassen sich in der Schicht Öffnungen, sogenannte Vias, strukturieren.

Auf der ersten isolierenden Schicht wird durch Abscheiden und Strukturieren eine erste leitende Schicht 102 in Form einer ein-oder mehrlagigen Metallisierung, beispielsweise AuPtAu, angeordnet.

Darauf wird analog zur ersten isolierenden Schicht 101 eine zweite isolierende Schicht 103 angeordnet, also eine weitere organische Isolationslage mit Öffnungen zur Kontaktierung von elektrischen Bauelementen, zum Beispiel durch Verwendung eines lichtempfindlichen Dielektrikums wie etwa BCB.

Danach wird ein elektrisches Bauelement 104 in Form eines Chips auf der aus der ersten isolierenden Schicht, der ersten leitenden Schicht und der zweiten isolierenden Schicht bestehenden Umverdrahtungslage angebracht. Bei entsprechend großen Umverdrahtungslagen können diese statt mit nur einem Bauelement 104 auch mit mehreren Bauelementen bestückt werden.

Das Bauelement 104 wird mit der Umverdrahtungslage 101,102, 103 durch Golddrahtbonden mit einem Golddraht 105 kontaktiert.

Danach werden das Bauelement 104 sowie Bonddrähte 105 und Kontaktstellen durch einen Schutz in Form einer Moldmasse 106 im Overmoldverfahren abgedeckt.

Nachdem so die Umverdrahtungslage 101, 102 ; 103 durch das elektrische Bauelement 104 sowie dessen Schutz in Form der Moldmasse 106 die notwendige mechanische Stabilität erhalten hat, kann das Trägermaterial in Form des nicht dargestellten Kupferbleches entfernt werden. Dazu wird das Kupferblech in einem Ätzprozess aufgelöst.

Schließlich werden Lotkugeln 107 auf die dem elektrischen Bauelement 104 abgewandten Kontakte der Umverdrahtungslage 101,102, 103 aufgesetzt und umgeschmolzen.

Mit Bezug auf Figur 2 wird nun ein alternatives Herstellungsverfahren erläutert. Bei diesem wird ein in Figur 2 nicht dargestellter Siliziumwafer als Trägermaterial verwendet. Auf diesen wird zunächst eine Barriereschicht als späterer Ätzstopp aufgebracht, zum Beispiel thermisches SiO2.

Danach wird eine erste isolierende Schicht 201 in Form einer organischen Isolationslage mit Öffnungen, sogenannten Vias, beispielsweise durch Verwendung eines lichtempfindlichen Dielektrikums wie BCB auf der Barriereschicht des Trägermaterials erzeugt.

Darauf wird eine erste leitende Schicht 202 in Form einer Metallisierungslage aus Aluminium abgeschieden und strukturiert.

Darauf wird eine zweite isolierende Schicht 203 analog zur ersten isolierenden Schicht 201 erzeugt.

Nun wird dieser Aufbau mit einem elektrischen Bauelement 204 bestückt, das mit der ersten leitenden Schicht 202 der Umverdrahtungslage 201,202, 203 durch Golddrahtbonden über einen Golddraht 205 kontaktiert wird. Danach wird ein Abstandsgitter 208 aus Kunststoff auf die oberste Schicht der Umverdrahtungslage 201,202, 203 seitlich neben dem Bauelement 204 aufgeklebt.

Jetzt lassen sich die Felder zwischen dem Abstandsgitter mit Kunststoff 206 füllen. Auf diesem Kunststoff 206 und auf das Abstandsgitter 208 wird eine im Ausdehnungskoeffizienten an Silizium angepasste. Abdeckung 209, beispielsweise aus Stahl, aufgesetzt und mit der restlichen Anordnung verklebt.

Danach wird das Trägermaterial in Form des in Figur 2 nicht dargestellten Siliziumträgers von der die Umverdrahtungslage 201,202, 203 und das elektrische Bauelement 204 enthaltenden

Anordnung entfernt, indem der Siliziumträger in einem Ätzprozess aufgelöst wird.

Weiterhin wird die Barriereschicht aus SiO2 geätzt, womit die Aluminiumpads der ersten leitenden Schicht 202 freigelegt werden.

Auf diese freigelegten Aluminiumpads werden nun durch ein außenstromloses Verfahren Nickel (Ni) und Gold (Au) 210 abgeschieden. Auf das Nickel und Gold 210 setzt man Lotkugeln 207 auf und schmilzt sie um.

Schließlich werden die BGA-Packages in einem Sägeprozess durch Aussägen des schraffierten Bereiches 211 vereinzelt.

Insgesamt lässt sich das Verfahren auch so beschreiben, dass zur Entflechtung auf einem Trägermaterial in Form eines Trägersubstrats mindestens eine planare Verdrahtungslage aufgebracht, der Chip oder die Chips aufgesetzt, kontaktiert und durch einen Kunststoff oder eine sonstige geeignete Schutzmasse umhüllt und so mechanisch stabilisiert werden.

Anschließend wird das Trägersubstrat abgelöst oder aufgelöst.

Damit entfallen alle Prozessschritte zur Schaffung einer geeigneten Durchkontaktierung. Der Interposer besteht nur noch aus einer sehr dünnen, ein-oder mehrlagigen Verdrahtung.

Es ergibt sich so eine besonders kostengünstige Herstellung, da die Durchkontaktierungsprozesse entfallen. Zudem wird auf größeren Trägersubstraten gearbeitet, womit in wenigen Prozessschritten viele BGA-Packages gleichzeitig hergestellt werden können. Bei bestimmten Prozesskombinationen, wie etwa im zu Figur 1 beschriebenen Ausführungsbeispiel, entfällt ein zusätzlicher Vereinzelungsschritt, da mit der Ab-oder Auflösung des Trägersubstrats auch eine gleichzeitige Vereinzelung des Packages erfolgt.

Darüber hinaus weist das Verfahren den Vorteil auf, dass bei Verdrahtungstechnologien mit sehr feinen Strukturen, beispielsweise der Dünnfilmtechnik, mit sehr glatten Substraten gearbeitet werden kann. Hier kommen insbesondere Glas, Silizium oder Metalle wie Aluminium oder Kupfer in Frage. Für diese Substratmaterialien gibt es derzeit kein fertigungsgerechtes, kostengünstiges Verfahren um Durchkontaktierungen herzustellen. BGA-Packages konnten bei Verwendung derartiger Trägermaterialien daher bislang nicht in größeren Stückzahlen realisiert werden.

Durch das Verfahren und die daraus resultierenden Erzeugnisse wird die Package-Bauhöhe der Konstruktion deutlich verringert.

Schließlich ist das thermische Verhalten des Packages sehr robust, da die dünne, elastische Verdrahtungslage keine Kräfte auf die Chips ausüben kann. Bei den bisherigen Lösungen ist dagegen der Bimetalleffekt von Chip (Silizium, 2 ppm/K) und organischem Interposer (11 bis 18 ppm/K) störend.