Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einkapseln von mikroelektronischen Hybrid-Halbleiterschaltungen oder von mikroelektronischen Halbleiterbauelementen.

Hochzuverlässige, mikroelektronische Schaltungen für professionelle, medizinische und militärische Anwendun¬ gen erfordern einen langzeitigen Schutz gegen die Ein¬ wirkung von Feuchtigkeitsspuren oder korrosiven Stof¬ fen. Zumeist verwendet man hierfür metallische oder ke¬ ramische Gehäuse, die hermetisch dicht verschweißt oder verlötet sind. Derartige Gehäuse, z.B. Kovargehäuse, sowie die zugehörigen Verkapselungstechnologien, -z.B. das Rollnaht-, Ringbuckel-, Elektronen- oder Laser¬ strahl-Schweißen oder die Glaslot- sowie die Angla- sungstechniken sind sehr aufwendig bzw. kostspielig und für Mikroschaltungen thermisch nicht unkritisch.

Es wird daher seit Jahren versucht, die in der kommer¬ ziellen Elektronik, vor allem in der Konsumelektronik, bewährten, preiswerten sowie rationellen Kunststoffver¬ packungen für professionelle mikroelektronische Schal¬ tungen hochzuzüchten.

Es wurden hierfür zahlreiche spezielle Kunststoffmassen und Vergußtechniken entwickelt, die z.B. in DBP 2 347 049, DE-AS 25 38 119, DE-AS 26 28 823, DE-AS 25 45. 471, DE-OS 27 48 523, DE-OS 26 56 139, DE-OS 31 37 480 und DE-OS 31 51 902 beschrieben sind.

Es hat sich aber gezeigt, daß die vorgeschlagenen Lö¬ sungen nicht zu völlig gas- und wasserdichten Abdich¬ tungen führen. Der höhere Ausdehnungskoeffizient der Kunststoff-Verkapselung führt nämlich bei größeren Tem¬ peraturschwankungen an den Keramikgrenzflächen zu Span¬ nungen und damit zu Ablösungen und Rissen. Bei hohen Zuverlässigkeitsanforderungen und starken thermomecha- nischen Schockbeanspruchungen (-65°/+125° C) werden da¬ her Kunststoffkapselungen nicht verwendet. Auch nach MIL-M-385 0 werden bisher nur hermetisch verschweißte oder verlötete Metall- und Keramikgehäuse akzeptiert.

Es ist ferner beispielsweise aus der DE-PS 2 347 049 bekannt, daß sich gebondete Halbleiterschaltungen durch elastische Abdeckschichten aus Kunststoffschäum schüt¬ zen lassen. Bei starken Temperaturwechselbeanspruchun- gen muß aber insbesondere bei Schaumpolstern mit hohen thermomechanischen Spannungen in der Kapsel gerechnet werden, so daß sich die Grenzflächen trennen und Feuch¬ tigkeit bzw. korrosive Stoffe entlang der Fugen ein¬ dringen können. Vermeidet man die Kapsel und vergießt die Abdeckschicht direkt mit einem im Ausdehnungskoef¬ fizienten annähernd angepaßten Kunstharz (DE-OS 29 22 005), so ist die Wasserdamp ndurchlässig- keit bzw. Riß- sowie Porenfreiheit nicht gewährleistet. Auch ist bei Epoxidharz-Silikonelastomer-Kombinationen (DE-OS 29 22 005) bei starken Temperaturwechselbean¬ spruchungen infolge der geringen Haftfestigkeit mit ei¬ nem Ablösen zu rechnen, so daß sich bei Haarrissen die Feuchtigkeit über die gesamte Trennfuge verteilen kann.

Es ist nun ferner bekannt (DE-OS 25 51 778, DE-PS 15 14 478), Kondensatoren mit beidseitig kunststoff-ka- schierten Metallfolien feuchtdicht zu verkapseln. Diese Technik setzt aber eine geometrisch einfache Bauelemen¬ tenform und eine haftfest aufschrumpfende Kunststoff— Kaschierung voraus. Hybride, die mit gebondeten IC's oder kleinen diskreten Bauelementen dicht bestückt sind, lassen sich nicht drucklos fugen-, hohlraumfrei und haftfest kaschieren, so daß es bei Temperaturwech¬ selbeanspruchungen zwischen -65° und +125° C zu Ablö¬ sungen oder Drahtverformungen kommt, die sich auch auf die elektrischen Funktionseigenschaften auswirken.

Alle bekannten Verfahren sind also nicht dazu geeignet, die notwendige Sicherung der Verkapselung gegen Umwelt¬ einflüsse zu gewährleisten.

Es ist das Ziel der Erfindung, ein Verfahren zu schaf¬ fen, das die Vorteile der Kunststoffverpackung, u.a. die einfache, rationelle Formgebung, gute elektrische Isolation und geringe Materialkosten, mit den Vorteilen der Metall- und Keramikgehäuse, nämlich thermomechani- sche Schockfestigkeit und Dichtigkeit, weitgehend ver¬ bindet.

Gemäß der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß die auf einem Substrat befindlichen Bauelemente mit einer weichen, siegelfähigen Kunststoffschicht Übergossen, mit einer Kunststoff-Metall-Verbundfolie abgedeckt und anschließend mit Kunstharz verkapselt werden.

Die Unterfütterung der Folie mit einer porenfreien, nicht korrosiven, weichelastischen Abdeckung, die sich fest mit der Schaltung und mit der Kunststoff-Metall- Folie verbindet, löst in Verbindung mit der Metallfolie die bisher aufgetretenen Probleme.

Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Unter¬ ansprüchen und der Beschreibung, in der anhand der Zeichnung mehrere Ausführungsbeispiele erläutert wer¬ den. Es zeigen

Fig. 1 den Aufbau einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren eingekapselten Schaltung,

Fig. 2 schematisch die Schritte einer ersten und

Fig. 3 einer zweiten Variante des Verfahrens.

Fig. 1 zeigt den grundsätzlichen Aufbau einer nach dem er indungsgemäßen Verfahren eingekapselten Schaltung. Auf einem Substrat S, das zweckmäßig aus Al-,0 ₃ be¬ steht, haftet ein beispielsweise mit Si_N. passi- ^{3 4} vierter mikroelektronischer Baustein B, der in bekann¬ ter Weise mit Bonddrähten D, die aus Gold, Aluminium oder anderem hochleitfähigem Metall bestehen, mit den Leiterbahnen LB elektrisch verbunden ist. Der Baustein B und die Bonddrähte befinden sich innerhalb einer wei¬ chen Kunststoffschicht W. Diese ist mit einer Folie F abgedeckt, die eine Metallschicht enthält und deren Aufbau weiter unten beschrieben wird. Schließlich ist das Ganze mit Epoxidharz H mit hochreiner Si0_- oder Kreidefüllung eingekapselt.

In den letzten Jahren wurden von der Fa. Wacker Elasto¬ mere aus Silikon und (ca. 50 %) thermoplastischen Poly¬ meren entwickelt und zur Verfügung gestellt, die sich gegenüber den reinen Silikonelastomeren durch erhöhte mechanische Festigkeit, befriedigende Haftung auf Bau¬ teilen, Keramik, Metall usw. sowie vor allem durch ge¬ ringe Wasserdampfdurchlässigkeit auszeichnen und damit als Deckschicht hervorragend geeignet sind. Zudem wurde im Rahmen der der Erfindung zugrundeliegenden Untersu¬ chungen gefunden, daß sich die verwendeten Elastomere durch Thermokompression mit der Kunststoff-Folie ver¬ schweißen lassen.

Hieraus ergibt sich ein Verbundsystem aus Kunststoff-- Metallschichten. Die unterschiedlichen Ausdehnungskoef¬ fizienten, die elektrische Kontaktierung und weitere Schwierigkeiten stellen sich einer solchen Lösung, z.B. einer kombinierten Verguß- und Aufdampftechnik, zu¬ nächst entgegen. Die metallischen Aufdampfschichten sind nicht gasdicht und können durch Kunstharze, z.B. Epoxidharze, bei Wärme- und Feuchtigkeitseinwirkung an¬ gegriffen werden.

Eine vollständige Lösung nach der Erfindung besteht al¬ so darin, daß die z.B. mit Si N. passivierte, auf ein Substrat S gebondete mikroelektronische Schaltung B mit einer im Betriebstemperaturbereich weichen Kunst¬ stoffschicht W überzogen wird, die sich mit einer warm- und rißfrei verformbaren Kunststoff-Metall-Kunst¬ stoff-Verbundfolie F versiegeln oder verkleben läßt und ggf. mit einem hochgefüllten, stark vernetzten Kunst¬ harz H verkapselt und verfestigt wird.

Zur rationellen Durchführung des erfindungsgemäßen Ver¬ fahrens eignet sich besonders gut das bewährte Heißsie- gelverfahren nach Fig. 2.

Dabei befindet sich gemäß Schritt a) zunächst der ge¬ bondete Baustein B auf dem Substrat S. Die Bond-Drähte D verbinden den Baustein B elektrisch mit den Leiter¬ bahnen LB. Eine Passivierung P verhindert unerwünschte Korrosion. In diesem Zustand wird die vorbereitete Schaltung zunächst vorgewärmt.

Sodann wird gemäß Schritt b) ein niederviskoses, flüs¬ siges Elastomer W aufgebracht. Die hieraus hervorgehen¬ de Schicht W ist heißsiegelfähig. Beim dritten Schritt c) wird die Metall-Verbundfolie F aufgelegt und mit ei¬ nem auf etwa 200°C erhitzten Hohlstempel ST auf die weiche Schicht W aufgepreßt. Dabei verbindet sich die der Schicht W zugewandte Kunststoffseite der Folie F mit derselben unter dem Einfluß von Wärme und Druck. Beim nachfolgenden Abkühlen verfestigt sich die Füllung W. Daneben hat sich eine Verformung der Verbundfolie beim Ausstanzen als vorteilhaft erwiesen.

Sodann wird ggf. gemäß Verfahrensschritt d) das bisher erzeugte Element mit einem Epoxidharz H vergossen. Das in Fig. 2e dargestellte Endprodukt entspricht dem nach Fig. 1.

Dieses Verfahren beruht also darauf, daß z.B. mit Poly- olefinen modifizierte Silikone mit Polypropylenfolien bei 160 - 190° C unter Druck leicht verformt und ver¬ siegelt werden können. Als innere Metallschicht kommen

vorzugsweise gewalzte Kupfer- oder Aluminium-Folien, als Abdeckung hochreine Polypropylen-Polyäthylen-, Po- lyäthylentereplethalat-, Polycarbonat-, Polyimid-Folien in Frage. Eine Delaminierung oder Rißbildung ist bei derartigen Verbundfolien unbekannt, die Gas- und Feuch¬ tigkeitsdurchlässigkeit um viele Zehnerpotenzen kleiner als bei Epoxidharz- oder Silikonelastomer-Verpackungen. Eine Diffusion und Permeation ist nur entlang der ca. 10 - 100 μ dicken, aber millimeterlangen Grenzschicht zwischen Halbleiterschaltung und Aluminiumschicht mög¬ lich.

Die beidseitig elektrisch isolierte, gewalzte Metallfo¬ lie erleichtert bei Leistungshalbleiterschaltungen oder Leistungshybridschaltungen zudem einen schnellen Tempe¬ raturausgleich.

Vorteilhaft werden zum Aufbringen der Folien an sich bekannte automatische Die-Bonder verwendet. Diese sind zweckmäßig mit dem Stanzwerkzeug für die Folien im gleichen Arbeitstakt gekoppelt.

Fig. 3 zeigt eine andere Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens. Hierbei befindet sich auf einem aus Innen¬ teil Ti und Außenteil Ta bestehenden Träger das Sub¬ strat S mit den Bauelementen. Der Rand des Substrats ragt über den Innenteil Ti des Trägers hinaus und ist rückseitig mit einem Lotkranz LK bedruckt. Die Leiter¬ bahnen sind beim Dickschicht-Siebdruck mit einer Di¬ elektrikumsschicht gegen den Lotkranz isoliert. Der Verfahrensschritt b) erfolgt wie im Beispiel nach Fig. 2.

Im Verfahrensschritt c), also beim Aufbringen der Fo¬ lie, wird hier eine entsprechend der Topologie der Bau¬ elemente vorgeformte Folie F verwendet. Ebenso ist der Stempel ST der Formgebung der Folie angepaßt. Nach Auf¬ bringen der Folie wird diese an den Rändern des Sub¬ strates nach Entfernen des Außenteiles TA des Trägers umgefalzt und entsprechend Fig. 3d mit dem Lotkranz verlötet. Anschließend kann das Element mit Epoxidharz H vergossen werden.

Besonders geeignet zum Verlöten sind einseitig ka¬ schierte Kupferfolien. Der Epoxidharz-Quarz-Verguß dient als mechanischer Schutz.

Im folgenden werden drei Ausführungsbeispiele angegeben.

Beispiel 1:

Der Chip bzw. die passivierte Halbleiterschaltung wird auf den Carrier gelegt und an den Anschlüssen gebondet. Der Chip sowie alle Bondanschlüsse werden mit einem niederviskosen Kunststoff überzogen, der durch eine sehr geringe Gas- und Wasserdampfdurchlässigkeit, hohe Flexibilität und Siegelfähigkeit gekennzeichnet ist. In diesem Fall wird eine polyolefinmodifizierte Silikon— Lösung in Benzin auf das mit p-Methyldisiloxan-Methyl- methacrylat grundierte Substrat gebracht.

Aus einer Polypropylen- (75 μ) , Aluminium- (10 μ) , Polyäthylenterephtalat- (15 μ)-Verbundfolie wird heiß (ca. 120°) eine für den Chip dimensionierte Kappe aus-

gestanzt, mit einem Die-Bonder über den Chip-Carrier gestülpt und mittels eines heißen Hohlstempels mit dem Weichverguß dicht versiegelt. Der ca. 180° C heiße Hohlstempel preßt die Folie mit dem flüssigen Weichver¬ guß so auf das Substrat, daß die Siegelschicht unter ca. 20 μ liegt. Anschließend wird mit hochreinen, flexiblen Epoxidharz-/Quarzmehl-Vergußmassen die Kappe bzw. verkapselte Schaltung vergossen. Als Vergußmasse eignet sich ein Harz aus

100 Gew. T. ECN 1280 (CIBA) ,

120 Gew. T. Dodeceylbernsteinsäureanhydrid,

0,5 Gew. T. Piperidin,

2 Gew. T. p-Methyldisiloxan-Methylmethacrylat, 300 Gew. T. vakuumgetrocknetes, hochreines Quarzmehl (X=30 μ) .

Die thixotrope Vergußmasse wird bei 140° gemischt aufgebracht und fünf Stunden gehärtet.

Beispiel 2:

Eine Dickschicht-Hybridschaltung mit Halbleiterchips und diskreten Bauelementen wird mit einer heißen Poly- ethylen/Xylol-Lösung lackiert, mit einer entsprechend zugeschnittenen evtl. vorgeformten Verbundfolie abge¬ deckt, an das Substrat gepreßt, verklebt bzw. versie¬ gelt. Die verkapselte Hybridschaltung wird anschließend mit einem gefüllten Epoxidharz umpreßt bzw. vergossen.

Beispiel 3:

Eine gebondete Hybridschaltung wird auf ca. 100° C vor¬ gewärmt, auf eine Vakuum-Haltevorrichtung gebracht und mit einer Kupfer-(25 μ)-Klebefolie, die entsprechend der Schaltung vorgestanzt und vorgeformt ist, abge¬ deckt.

Die Leiterbahnen der Schaltung werden beim Siebdruck an den vorgesehenen Kontakt- bzw. Lötstellen mit Dielek¬ trikumspaste überschichtet. Vor der Folienversiegelung werden diese Stellen mit Lötpaste bedruckt.

Unter Vakuum wird die Folie gefalzt, mit dem Harz ver¬ siegelt, anschließend verlötet und mit einem gefüllten Epoxidharz umpreßt oder vergossen.