DE10033977A1

DE10033977A1 - Zwischenverbindungsstruktur zum Einsatz von Halbleiterchips auf Schichtträgern

Info

Publication number: DE10033977A1
Application number: DE10033977A
Authority: DE
Inventors: Cuong Van Pham; Frank Burke Dipiazza; Jay Deavis Baker; Mark Alan Straub; Vivek Amir Jairazbhoy
Original assignee: Ford Motor Co
Current assignee: Ford Motor Co
Priority date: 1999-07-06
Filing date: 2000-07-06
Publication date: 2001-03-22
Anticipated expiration: 2020-07-07
Also published as: GB0016165D0; US6303992B1; DE10033977B4; GB2356083A; GB2356083B; JP2001060645A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Zwischenverbindungsstruktur 10 zum elektrischen Verbinden eines Halbleiterchips 50 mit einem Schichtträger 70, umfassend: einen Zwischenverbindungsstruktur-Körper 12, der aus einem dielektrischen Material hergestellt ist und eine Kontaktfläche 14 sowie eine gegenüber liegende Bondfläche 16 aufweist; mehrere um den Randbereich der Kontaktfläche angeordnete Kontaktpads 18; mehrere im Wesentlichen über den gesamten Bereich der Bondfläche 16 angeordnete Bondpads 20; und mehrere elektrische Leiterbahnen 22, die im Wesentlichen innerhalb des Zwischenverbindungsstruktur-Körpers derart angeordnet sind, daß jede Leiterbahn 22 einen entsprechenden der Kontaktpads 18 mit einem entsprechenden der Bondpads 20 verbindet. Die Zwischenverbindungsstruktur 10 kann außerdem enthalten: einen abgedichteten Kühlkanal 28, der innerhalb des Zwischenverbindungsstruktur-Körpers 12 definiert ist; ein fluides Medium 30, das im Wesentlichen den Kühlkanal 28 ausfüllt; und ein piezoelektrisches Element 26, das an den Zwischenverbindungsstruktur-Körper derart angeschlossen ist, dass das piezoelektrische Element mit dem Kühlkanal 28 und dem fluiden Medium 30 in Verbindung steht, wobei das piezoelektrische Element mit zumindest zwei der elektrischen Leiterbahnen 22 betriebsfähig verbunden ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen Bauteile für integrierte Schalt kreise (IC) wie Halbleiterchips und insbesondere Zwischenverbindungsstruk turen zur Montage von Halbleiterchips auf Schichtträgern.

Bei normalen Verfahren der Flip-Chip-Montage wird ein integrierter Halbleiter chip 50 (siehe Fig. 1A) typischerweise mit Bondpads versehen, ein Verfahren, bei dem dicke Metallschichten (z. B. 25 bis 100 Mikrometer) aus Gold oder Löt metall 24 mit den Bondkontaktstellen 54 aus Aluminium des Halbleiterchips me tallurgisch gebondet werden. Der Halbleiterchip mit Bondpads wird anschlie ßend umgedreht ("upside down"), wobei die Bumps 24 nach unten gegen die entsprechenden Kontaktpads 72 auf einem Schichtträger 70 (beispielsweise einer Leiterplatte) zeigen. Danach werden Bondpads aus Lötmetall aufge schmolzen oder Bumps aus Gold diffusionsgebonded, um die Bumps, wie in Fig. 1 B dargestellt, mit ihren jeweiligen Kontaktpads auf dem Schichtträger zu bonden.

Da Halbleiterchips seit je an Leadframes drahtgebunden und dann in Polymer gehäusen oder keramischen Gehäusen (wie in DIPs (Dual Inline Packages), QFPs (Quad Flat Packages) usw.) gekapselt worden sind, sind die Bondpads auf einem Halbleiterchip typischerweise im Randbereich der Bondfläche des Chips (d. h. in der Nähe der Außenkante oder des Außenrandes des Chips) angeordnet. Dies stellt für die Nutzung des Flip-Chip-Bondens so lange kein Problem dar, wie es sich um große Chips handelt und/oder die Anzahl von Bondpads gering ist, so daß die Verwendung großer Pads ermöglicht wird. Wenn jedoch die Größe der Bondpads verringert wird und/oder die Anzahl der Bondpads größer wird, müssen kleinere Bondpads hergestellt werden, und/oder sie müssen enger, d. h. in einem geringeren Raster, voneinander beabstandet sein. Dies bedeutet, daß die Registrierung und das Bonden der Bondpads zu den Kontaktpads viel schwieriger wird.

Eine Möglichkeit dieses Problem anzugehen bestand darin, die Bondpads 24 über den größten Teil der gesamten Oberseite der Bondfläche (Fig. 2) zu ver teilen, statt die Bondpads auf die üblichen Stellen am Außenrand (Fig. 1A) zu beschränken. Wenn die Bondpads jedoch von ihren typischen Positionen am Außenrand nach innen zur Mitte der Bondfläche versetzt werden, sind sie über den Transistoren und den anderen dort angeordneten, empfindlichen Halbleiter bauelementen 52 angeordnet, die nur durch eine dünne Passivierungsschicht 56 von der Oberfläche getrennt sind. Dies stellt ein Problem dar, weil die Wär me und/oder der Druck, die zum Aufschmelzen oder Diffundieren der Bumps 24 erforderlich sind, um zwischen den Bondpads und Kontaktpads eine metallur gische Verbindung zu bilden, oft die benachbarten/darunter liegenden Transi storen und IC-Bauelemente 56 schädigen. Dieses Problem hat deshalb das Flip-Chip-Bonden praktisch auf die Verwendung des Aufschmelzlötverfahrens bei verhältnismäßig niedriger Temperatur und geringem Druck mit Bondpads ausschließlich am Außenrand beschränkt. Dies setzt aber, wie oben erwähnt, ernsthafte Grenzen hinsichtlich der Anzahl von nutzbaren Bondpads.

Es wäre daher wünschenswert, eine Möglichkeit zum Einsatz einer höheren Anzahl von Bondpads zu finden, ohne daß das oben erwähnte Risiko einer Schädigung der empfindlichen Transistoren und anderen IC-Bauelemente ein gegangen werden muß.

Mit der vorliegenden Erfindung werden die Nachteile der bekannten Möglich keiten überwunden, indem eine Zwischenverbindungsstruktur vorgesehen wird, mit der eine Verbindung eines Halbleiterchips mit einem Schichtträger unter Verwendung einer großen Anzahl von Bondpads und/oder größeren Bondpads ohne die oben erwähnten Nachteile ermöglicht wird. Diese Zwischenverbin dungsstruktur umfaßt einen aus einem dielektrischen Material hergestellten Zwischenverbindungsstruktur-Körper, der eine Kontaktfläche sowie eine ge genüber liegende Bondfläche aufweist, mehrere um den Randbereich der Kon taktfläche herum angeordnete Kontaktpads, mehrere im wesentlichen über den gesamten Bereich der Bondfläche angeordnete Bondpads und mehrere im we sentlichen innerhalb des Zwischenverbindungsstruktur-Körpers angeordnete elektrische Leiterbahnen, so daß jede Leitung eine der Kontaktpads mit einer entsprechenden der Bondpads verbindet. Die Zwischenverbindungsstruktur kann außerdem einen innerhalb des Zwischenverbindungsstruktur-Körpers defi nierten abgedichteten Kühlkanal, ein den Kühlkanal im wesentlichen ausfüllen des fluides Medium und ein piezoelektrisches Element umfassen, das an den Zwischenverbindungsstruktur-Körper derart angeschlossen ist, daß das piezo elektrische Element mit dem Kühlkanal und dem fluiden Medium in Verbindung steht, wobei das piezoelektrische Element mit mindestens zwei der elektrischen Leiterbahnen betriebsfähig verbunden ist.

Eine Aufgabe sowie ein Vorteil der Erfindung bestehen darin, daß die erfin dungsgemäße Zwischenverbindungsstruktur die Verwendung einer größeren Anzahl von Bondpads und/oder größere Bondpads ermöglicht als bei Nutzung bekannter Techniken möglich gewesen wäre.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die vorliegende Erfindung die Verwen dung von solchen größeren Bondpads und/oder einer größeren Anzahl von Bondpads ermöglicht, während das Risiko einer Schädigung der empfindlichen Transistoren und anderer IC-Bauelemente des Halbleiterchips bedeutend redu ziert wird.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß das piezoelektrische Element, die Kühl kanäle und das fluide Medium so zusammenwirken, daß für den angeschlos senen Halbleiterchip eine verbesserte Kühlung bewirkt wird.

Diese und andere Vorteile, charakteristische Merkmale und Aufgaben der Erfin dung ergeben sich aus den nachfolgenden Zeichnungen, der ausführlichen Be schreibung und den Patentansprüchen.

Es zeigen

Fig. 1A-B eine Draufsicht auf einen Flip-Chip bzw. eine Seitenansicht eines Flip-Chips mit Bondpads am Außenrand nach dem Stand der Technik;

Fig. 2 die Draufsicht auf einen Flip-Chip nach dem Stand der Technik mit Bondpads, die über dessen gesamte Bondfläche verteilt sind;

Fig. 3A-B eine Draufsicht bzw. eine Ansicht von unten auf eine Zwischen verbindungsstruktur zum Bonden eines Flip-Chips auf einem Schichtträger gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 4 eine Seitenansicht im Schnitt einer Zwischenverbindungsstruktur, eines Flip-Chips und eines Schichtträgers vor dem Bonden gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 5A-B Seitenansichten im Schnitt eines ersten Ausführungsbeispiels der Zwischenverbindungsstruktur nach der vorliegenden Erfindung je weils durch ihren Kühlkanal und durch deren Leiterbahnen;

Fig. 6A-B Seitenansichten im Schnitt eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Zwischenverbindungsstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung jeweils durch ihren Kühlkanal und durch deren Leiter bahnen;

Fig. 7A-B Seitenansichten im Schnitt eines dritten Ausführungsbeispiels einer Zwischenverbindungsstruktur nach der vorliegenden Erfin dung jeweils durch ihren Kühlkanal und durch deren Leiterbahnen;

Fig. 8A-B auseinander gezogene Seitenansichten im Schnitt des dritten Aus führungsbeispiels der Zwischenverbindungsstruktur jeweils der Fig. 7A-B.

Mit Bezug auf die Zeichnungen zeigen die Fig. 3 bis 8 eine Zwischenverbin dungsstruktur 10 zum elektrischen Verbinden eines Halbleiterchips 50 mit ei nem Schichtträger 70 gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Zwischenver bindungsstruktur 10 umfaßt: einen aus einem dielektrischen Material herge stellten Zwischenverbindungsstruktur-Körper 12, der eine Kontaktfläche 14 sowie eine gegenüber liegende Bondfläche 16 aufweist, mehrere um den Rand bereich der Kontaktfläche 14 herum angeordnete Kontaktpads 18, mehrere im wesentlichen über den gesamten Bereich der Bondfläche 16 angeordnete Bondpads 20 und mehrere im wesentlichen in dem Zwischenverbindungsstruk tur-Körper angeordnete elektrische Leiterbahnen 22, so daß jede Leiterbahn 22 einen der Kontaktpads 18 mit einem entsprechenden der Bondpads 20 verbin det.

Vorzugsweise ist der Zwischenverbindungsstruktur-Körper 12 aus einem kera mischen Material, wie Silizium, hergestellt, das leicht zur gewünschten Form und Anordnung unter Verwendung eines Verfahrens zur Mikrobearbeitung von Silizium oder einem anderen geeigneten Verfahren bearbeitet werden kann. Für die meisten Anwendungen sollte der Halbleiterchip 50 rechtwinklig sein, und der entsprechende Zwischenverbindungsstruktur-Körper 12 sollte ebenso im we sentlichen rechtwinklig sein und etwa die gleiche Größe wie der Chip 50 aufwei sen sowie im wesentlichen waferähnlich sein (d. h. eine Dicke aufweisen, die viel kleiner ist als dessen Länge und Breite).

Die Kontaktpads 18 sind um den Randbereich der Kontaktfläche 14 mit den ent sprechenden Bondpads 54 des Halbleiterchips 50 gepaart angeordnet. Damit bleibt ein mittlerer, normalerweise rechtwinkliger Bereich in der Mitte der Kon taktfläche 14 übrig, der frei von Kontaktpads ist. Dieser kontaktpadfreie Bereich entspricht im wesentlichen dem IC-Teil 52 des Halbleiterchips. Die Bondpads 20 sind einerseits nicht wie die Kontaktpads nur um den Randbereich der Flä che 16 des Zwischenverbindungsstruktur-Körpers 12 angeordnet. Vielmehr sind die Bondpads 20 im wesentlichen über den gesamten Bereich der Bondfläche 16 angeordnet. Diese Nutzung der im wesentlichen gesamten Unterfläche 16 der Zwischenverbindungsstruktur führt zu einem viel größeren Bereich, in dem die Kontaktpads verteilt sein können, als für den Fall, daß nur ein Bereich mit enger Randfläche genutzt wird. Dies ermöglicht die Nutzung von Bondpads 20, die erheblich größer sind als die Kontaktpads 18 der Zwischenverbindungs struktur.

Außerdem sind in dem Zwischenverbindungsstruktur-Körper 12 mehrere elek trische Leiterbahnen 22 vorgesehen, wobei jede mindestens ein Kontaktpad 18 mit mindestens einem Bondpad 20 verbindet. Diese Leitungen 22 sind vorzugs weise als durchkontaktierte Löcher oder Durchsteiger ausgebildet (d. h. als ma schinell bearbeitete, geätzte oder anderweitig in der Zwischenverbindungsstruk tur ausgebildete Löcher, die anschließend selektiv galvanisiert oder mit Kupfer oder einem anderen leitfähigen Metall beschichtet sind. Eine kleine Leiterbahn oder ein Fortsatz kann sich entlang der oberen Fläche 14 und der unteren Flä che 16 erstrecken, die den oberen und den unteren Teil jeder Leitung/jeder Durchkontaktierung mit deren jeweiligen Kontaktpads 18 oder Bondpads 20 verbinden.

Die Zwischenverbindungsstruktur 10 kann außerdem umfassen: einen inner halb des Zwischenverbindungsstruktur-Körpers 12 definierten abgedichteten Kühlkanal 28, ein im wesentlichen den Kühlkanal 28 ausfüllendes fluides Me dium 30 und ein piezoelektrisches Element 26, das an den Zwischenverbin dungsstruktur-Körper derart angeschlossen ist, daß das piezoelektrische Ele ment mit dem Kühlkanal 28 und dem fluiden Medium 30 in Verbindung steht. Der Kühlkanal 28 kann in dem Zwischenverbindungsstruktur-Körper 12 mit ei nem Verfahren zur Mikrobearbeitung von Silizium oder mit einem anderen ge eigneten Verfahren hergestellt werden. Die Zwischenverbindungsstruktur kann wahlweise zwei oder mehrere Kühlkanäle 28 enthalten. Welche Anzahl von Ka nälen 28 auch vorgesehen ist, zwei Kriterien sollten eingehalten werden, um den Grad der Wirksamkeit der Kühlkanäle zu maximieren:

1. Jeder Kanal 28 sollte abgedichtet und vorzugsweise vollständig mit dem fluiden Medium 30 gefüllt sein.
2. Jeder Kanal 28 sollte sich entlang eines größeren Teils (d. h. < 50%) der Länge und/oder der Breite des Zwischenverbindungsstruktur-Körpers und vorzugsweise im wesentlichen entlang der ganzen Länge und/oder der Breite erstrecken.

Das piezoelektrische Element 26 sollte in Bezug auf den Zwischenverbindungs struktur-Körper derart angeordnet sein, daß das Element 26 mit mindestens zwei der Bondinseln 20 _P, vorzugsweise durch Verbindung mit deren jeweiligen Leitungen 22 _P, betriebsfähig verbunden ist. Diese beiden Kontaktpads 20 _P ver binden das piezoelektrische Element 26 elektrisch mit dem Schaltkreis auf dem Schichtträger. Wenn das Element 26 durch den Schaltkreis auf dem Schicht träger elektrisch mit Impulsen beaufschlagt wird, schwingt es mit einer vorgege benen Frequenz, wobei innerhalb des fluiden Mediums bei geeigneter Auswahl der Elementgröße, der Anordnung des Elements in Bezug auf den Kanal, der Abmessungen des Kühlkanals, der Art des fluiden Mediums, der Schwingungs frequenz des Elements usw. eine stehende Welle erzeugt wird. Diese stehende Welle bewirkt, daß sich das fluide Medium 30 innerhalb des Kühlkanals 28 hin- und herbewegt. Dies erleichtert seinerseits eine gleichmäßigere Wärmeüber tragung innerhalb des Kanals. Somit wird Wärme von beliebigen, große Wärme erzeugenden Stellen in der Zwischenverbindungsstruktur/im Chip gleichmäßiger innerhalb des Kühlkanals verteilt, so daß örtliche Überhitzungen ("hot spots") vermieden werden. Damit werden die empfindlichen IC-Bauelemente des Chips vor thermischer Schädigung geschützt.

Die Frequenz der stehenden Welle wird über die nachstehende Gleichung be stimmt:

f = v/2L

wobei f die Frequenz, v die Geschwindigkeit der Wellenausbreitung im fluiden Medium und L der Abstand zwischen dem piezoelektrischen Bauelement an ei nem Ende des Kühlkanals und der entfernten (reflektierenden) Wand des Ka nals ist. Für die meisten Anwendungen wird v in den Bereich von 900 bis 1.600 Meter pro Sekunde und L in den Bereich von 1 bis 6,25 mm (40 bis 250 mil) fal len. Beispielsweise ergibt sich bei Verwendung von L = 1,25 mm (50 mil) und v = 1000 m/s eine Frequenz f von etwa 400 kHz. Ein vernünftiger Frequenzbe reich für die vorliegende Erfindung wäre etwa 40 bis 500 kHz.

Nachfolgend werden ein Verfahren zur Herstellung und Verwendung der Zwi schenverbindungsstruktur 10 angegeben:

Zuerst wird, wie in den Fig. 8A-B dargestellt ist, ein zweiteiliger Zwischenver bindungsstruktur-Körper mit einem Verfahren zur Mikrobearbeitung von Silizium hergestellt, das eine obere Hälfte 12 _T und eine ergänzende untere Hälfte 12 _B aufweist. Indem die Zwischenverbindungsstruktur zweiteilig ausgeführt wird, ist die Herstellung der Kühlkanäle 28 und Leitungs-Durchkontaktierungen in den beiden Hälften erleichtert. Vorzugsweise wird durch Mikrobearbeitung ein erster Siliziumwafer hergestellt, um mehrere obere Hälften 12 _T zu bilden, und ein zweiter Siliziumwafer, um mehrere entsprechende untere Hälften 12 _B zu bilden. Dies stellt eine bevorzugte Möglichkeit für solche Zwischenverbindungsstruk turen gemäß den Fig. 6-8 dar. Allerdings kann es für Zwischenverbindungs strukturen gemäß Fig. 5 günstiger sein, diese auf einem Wafer einzeln herzu stellen, statt daß jeweils viele gleichzeitig hergestellt werden.

In einem zweiten Schritt werden die elektrischen Leiterbahnen 22 gebildet. Dies kann zum Beispiel dadurch erreicht werden, daß die maschinell bearbeiteten Durchgangslöcher in jeder Hälfte der Zwischenverbindungsstruktur unter Kraft einwirkung mit Silberpaste, Goldpaste oder dergleichen gefüllt werden. Vor zugsweise wird eine Paste aus Edelmetall verwendet. Die mit Paste gefüllten Hälften der Zwischenverbindungsstruktur werden anschließend bei einer Tem peratur gebrannt, die hoch genug ist, um die Paste zu schmelzen und feste Lei tungen aus Metall innerhalb der Durchgangslöcher zu bilden.

In einem dritten Schritt werden der erste Wafer und der zweite Wafer justiert und miteinander verklebt, beispielsweise durch anodisches Schweißen, so daß jede obere Hälfte 12 _T der Zwischenverbindungsstruktur mit deren jeweiligen un teren Hälfte 12 _B justiert und auf diese aufgeklebt wird. Wahlweise umfaßt der obige zweite Schritt nur das Füllen der Durchgangslöcher mit Paste, wobei der Brennschritt mit hoher Temperatur bis nach dem dritten Schritt zurückgestellt wird, d. h. bis zu dem Zeitpunkt, nach dem die obere Hälfte und die untere Hälfte der Zwischenverbindungsstruktur miteinander verbunden worden sind.

In einem vierten Schritt werden die Kontaktpads 18 und die Bondpads 20 je weils auf der Kontaktfläche 14 und der Bondfläche 16 des Zwischenverbin dungsstruktur-Körpers ausgebildet, vorzugsweise durch Sputtern eines Edel metalls auf die gewünschten Positionen der Kontaktpads.

In einem fünften Schrift wird das Sandwich aus Zwischenverbindungsstruktur, erstem Wafer und zweitem Wafer mit einem kompletten Wafer aus integrierten Schaltkreisen justiert und mit diesem verbunden, so daß die Kontaktpads 18 jeder Zwischenverbindungsstruktur 10 mit den jeweiligen Bondpads 54 jedes Chips 50 verbunden sind. Alternativ dazu kann das Sandwich aus Zwischen verbindungsstruktur und Wafer auch in einzelne Zwischenverbindungsstruk turen 10 zersägt werden, wobei jede einzelne Zwischenverbindungsstruktur anschließend mit einem entsprechenden IC-Chip auf dem IC-Wafer verbunden wird. In jedem Fall kann mit anodischem Schweißen, Gold-Gold-Thermokom pressions-Bonden oder mit einem höhenfaltbaren Kleber (Z-axis-collapsing adhesive) eine Verbindung hergestellt werden.

In einem sechsten Schritt kann ein Verfahren zur Übertragung von Kugeln ("Ball transfer") genutzt werden, um die Bondpads 20 der Zwischenverbindungsstruk tur mit vorher hergestellten Lotkugeln 24 zu versehen. Dieses Verfahren ist dem ähnlich, das verwendet wird, um BGA-Packages (ball grid arrays packages) mit Lotkugeln zu versehen. Dazu wird folgendes Verfahren ange wendet:

1. Die Lotkugeln werden für jede Zwischenverbindungsstruktur in einem vorbestimmten Layout entsprechend dem Muster, in dem die Bondpads angeordnet sind, auf einem papierähnlichen Träger erzeugt.
2. Flußmittel wird auf die Bondpads 20 aufgebracht.
3. Der Papierträger wird derart benachbart zur Zwischenverbindungs struktur gebracht, daß die Lotkugeln die Bondpads kontaktieren und über das Flußmittel daran festkleben.
4. Die Baugruppe wird einem Aufschmelzprozeß bei niedriger Tempera tur ausgesetzt, so daß die Lotkugeln aufschmelzen, ihre jeweiligen Kon taktpads 20 benetzen und darauf fest werden. Während des Reflow (Auf schmelzen) schwimmt der Papierträger auf den geschmolzenen Lotku geln auf und kann abgenommen werden.

Die Lotkugeln 24 dienen als Anschluß-Metallisierungen, die eine anschließende Verbindung der Bondpads 20 mit den Montagestellen 72 des Schichtträgers erleichtern. Alternativ dazu können diese Anschluß-Metallisierungen 24 zu sätzlich zu Lotkugeln auch metallische Bumps aufweisen, die durch wire bumping, Mehrschichtabscheidung von Metallen, beispielsweise von Schichten aus Wolfram, Titan, Palladium usw., oder dergleichen gebildet werden. In einem siebten Schritt wird das Dreifachwafer-Sandwich aus unterer Zwi schenverbindungsstruktur, oberer Zwischenverbindungsstruktur und IC-Chip zersägt, um das Sandwich in einzelne Anordnungen von Chips zu vereinzeln. Jede Chip-Anordnung soll einen oder mehrere mit einer einzelnen Zwischen verbindungsstruktur 10 verbundene IC-Chips 50 aufweisen.

In einem achten Schritt werden die Kühlkanäle 28 mit dem fluiden Medium 30 gefüllt. Das fluide Medium 30 ist vorzugsweise eine Flüssigkeit und kein Gas Die Flüssigkeit weist vorzugsweise eine relativ niedrige Viskosität, eine ver hältnismäßig hohe Wärmekapazität und Leitfähigkeit und vorzugsweise einen Siedepunkt oberhalb von 160°C auf. Für nicht stationäre Anwendungen könnte ein Fluid genutzt werden, das einen niedrigeren Siedepunkt, beispielsweise ge nau unterhalb der maximalen Betriebstemperatur des Chips, etwa bei 125°C bis 150°C, und eine hohe Verdampfungswärme aufweist. Dies könnte während eines routinemäßigen Betriebes eine Wärmeübertragung durch Zirkulation und bei kurzen Temperaturüberschreitungen einen Phasenumwandlungsschutz be wirken. In diesen Fällen könnte das Fluid aus der Familie von "FLUORINERT"- Flüssigkeiten von Minnesota Mining and Manufacturing Co. ("3M") mit dem ge eigneten Siedepunkt ausgewählt werden. Für kurzzeitige oder nicht kurzzeitige Anwendungen kann es geeignet sein, als fluides Medium Weichlote mit niedri gem Schmelzpunkt, beispielsweise eine eutektische Mischung aus Sn und Bi, einzusetzen, vorausgesetzt, daß das Lot Oberflächen des Kanals auch be netzen kann. Unterhalb des Schmelzpunktes wird so die Wärmeleitung für ei nen Temperaturausgleich sorgen und oberhalb des Schmelzpunktes sowohl die Wärmeleitung als auch Konvektion. Vorteile einer Phasenumwandlung würden ebenfalls bewahrt werden. Dies wäre besonders nützlich, falls der Chip keine inhomogenen und diskontinuierlichen (d. h. kurzzeitig vorübergehenden) Wär mequellen aufweisen würde, die während kurzer Zeiträume "hot spots" verur sachen würden. Der Phasenumwandlungseffekt würde ein "Verschmieren" der örtlichen (kurzzeitig auftretenden) Temperaturüberschreitung ermöglichen, wäh rend sich eine Zirkulation oberhalb des Schmelztemperatur des fluiden Me diums ergibt.

In einem neunten Schritt werden mit dem Zwischenverbindungsstruktur-Körper 12 ein oder mehrere piezoelektrische Elemente 26 derart verbunden, daß jedes Element 26 mit einem oder mehreren Kühlkanälen 28 und dem darin befindli chen Fluid 30 in Verbindung steht und dagegen abgedichtet ist, während es außerdem mit den beiden oben erwähnten Bondpads 20 _P oder Leitungen 22 _P betriebsfähig verbunden ist. Das Element 26 kann durch Aufschmelzen von Lot (Weichlot), mit einem Kleber oder dergleichen an den Zwischenverbindungs struktur-Körper 12 angeschlossen sein. Alternativ dazu kann ein piezoelektri sches Material auf jede Position, an der ein piezoelektrisches Element 26 ge wünscht ist, aufgesputtert werden. Dadurch wird ein Piezoelement gebildet, das aus dem an jeder Position aufgesputterten piezoelektrischen Material herge stellt ist.

Nachfolgend wird ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Anwendung einer Zwischenverbindungsstruktur auf einen Halbleiterchip angegeben:

Für einen quadratischen Halbleiterchip 50, der eine Seitenlänge von 12,5 mm (500 mil) und im Außenbereich 160 Bondpads 54 aufweist, können zwei 12,5 mm (500 mil) große quadratische Stücke aus Silizium durch Mikrobearbeitung hergestellt werden, um die obere Körperhälfte 12 _T und die untere Körperhälfte 12 _B der Zwischenverbindungsstruktur gemäß den Fig. 8A-B zu bilden. Die Hälften 12 _T und 12 _B enthalten 160 Durchkontaktierungen und vier parallele Kühlkanäle 28, wobei jeder Kanal 28 ungefähr 11,25 mm (450 mil) lang ist und einen 250 µm (10 mil) großen quadratischen Querschnitt aufweist. In der unteren Körperhälfte 12 _B der Zwischenverbindungsstruktur wird ebenfalls eine Öffnung 29 für jeden Kanal 28 gebildet, im wesentlichen in der Mitte der äußeren Hauptfläche der unteren Hälfte 128. Ein piezoelektrisches Element 26 mit einer Leistung von 0,1 Watt, das Abmessungen von 1,25 mm × 1,25 mm × 50 µm (50 mil × 50 mil × 2 mil) hat, kann anschließend mit der Öffnung 29 jedes Kanals verbunden werden. Jeder Kanal 28 kann dann mit einem geeigneten flüssigen FLUORINERT-Medium 30 gefüllt und die beiden Zwischenverbin dungsstruktur-Hälften 12 _T und 12 _B miteinander gebondet werden, um die in den Fig. 7A-B dargestellte Endstruktur zu erzeugen.

Zusätzlich dazu, daß die vorliegende Erfindung die Nutzung einer höheren An zahl von Bondpads und/oder größeren Bondpads ermöglicht, zeigen Versuchs ergebnisse auch an, daß der Einbau einer akustisch gekühlten Zwischenver bindungsstruktur nach der vorliegenden Erfindung eine Verbesserung der Wär meübergangszahl von 500% bewirken kann, wie an dem Halbleiterchip 50 fest gestellt werden konnte.

Den Fachleuten, die sich mit dieser Erfindung befassen, können sich verschie dene weitere Modifizierungen der vorliegenden Erfindung erschließen. Bei spielsweise kann die Zwischenverbindungsstruktur 10 wahlweise zwei oder mehrere piezoelektrische Elemente 26 enthalten, wobei jedes Element 26 mit einem oder mehreren Kühlkanälen 28 und dem darin befindlichen Fluid 30 in Verbindung steht. Außerdem können die zur Herstellung und Verwendung der Zwischenverbindungsstruktur oben angegebenen Schritte umgeordnet und/oder je nach Wunsch anders kombiniert werden. Darüber hinaus sollte deutlich wer den, daß sich das Medium 30 nicht immer unter allen Bedingungen im flüssigen Zustand befindet, obwohl hauptsächlich auf ein "flüssiges" Medium 30 innerhalb der Kühlkanäle 28 Bezug genommen wurde. Beispielsweise kann das Medium 30, wie oben angemerkt, bei Betriebstemperaturen unter dem Schmelzpunkt des Mediums im wesentlichen fest sein, während es nur bei Temperaturen am Schmelzpunkt des Mediums oder darüber im wesentlichen "fluid" (flüssig) ist. Zudem sollte deutlich sein, daß die vorliegende Erfindung nicht nur genutzt werden kann, um ein Flip-Chip mit einem starren Schichtträger (beispielsweise mit einer FR4-Leiterplatte) zu verbinden, sondern daß sie auch genutzt werden kann, um den Flip-Chip mit TAB-Trägern (Träger für tape automated bonding = automatisches Folienbondverfahren), flexiblen Schaltkreisen und dergleichen zu verbinden. Weitere Modifizierungen, die hier nicht ausdrücklich erwähnt sind, sind ebenfalls innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung möglich. Die folgenden Patentansprüche, die alle Äquivalente einschließen, definieren den Umfang der vorliegenden Erfindung.

Bezugszeichenliste

10

Zwischenverbindungsstruktur

12

Körper der Zwischenverbindungsstruktur

12 _T

;obere Hälfte des Zwischenverbindungsstruktur-Körpers

12 _B

;untere Hälfte des Zwischenverbindungsstruktur-Körpers

14

(obere) Kontaktfläche des Zwischenverbindungsstruktur-Körpers

16

(untere) Bondfläche des Zwischenverbindungsstruktur-Körpers

18

Kontaktpads im Randbereich der Kontaktfläche

20

Bondpads im gesamten Bereich der Bondfläche

20 _P

mit piezoelektrischem Element verbundene Bondpads

22

Elektrische Leiterbahnen im Zwischenverbindungsstruktur-Körper

22 _P

mit piezoelektrischem Element verbundene Leiterbahnen

24

Verbindungsmetallisierungen auf Bondpads

26

Piezoelektrisches Element/akustischer Generator

28

Kühlkanal im Zwischenverbindungsstruktur-Körper

29

Öffnung in Kühlkanal für piezoelektrisches Element

30

fluides Medium innerhalb des Kühlkanals

50

Halbleiterchip

52

IC-Teil des Halbleiterchips

54

Bondkontaktstellen des Halbleiterchips

56

Passivierungsschicht auf Halbleiterchip

70

Schichtträger

72

Montagepads auf Schichtträger

74

Leiterbahnen auf Schichtträger

Claims

1. Zwischenverbindungsstruktur zum elektrischen Verbinden eines Halbleiter chips mit einem Schichtträger, umfassend:

a) einen aus einem dielektrischen Material hergestellten Zwischenverbin dungsstruktur-Körper, der eine Kontaktfläche und eine gegenüber liegen de Bondfläche aufweist;
b) mehrere um den Randbereich der Kontaktfläche angeordnete Kontaktpads;
c) mehrere im wesentlichen über den gesamten Bereich der Bondfläche angeordnete Bondpads; und
d) mehrere elektrische Leiterbahnen, die im wesentlichen innerhalb des Zwischenverbindungsstruktur-Körpers derart angeordnet sind, daß jede Leitung einen der Kontaktpads mit einem entsprechenden der Bondpads verbindet.

2. Zwischenverbindungsstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das dielektrische Material Silizium ist.

3. Zwischenverbindungsstruktur nach einem der vorstehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die Bondpads größer sind als die Kontaktpads.

4. Zwischenverbindungsstruktur nach einem der vorstehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die mehreren elektrischen Leiterbahnen mehrere durchkontaktierte Löcher sind.

5. Zwischenverbindungsstruktur nach einem der vorstehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß der Zwischenverbindungsstruktur-Körper im we sentlichen rechtwinklig und waferförmig ist.

6. Zwischenverbindungsstruktur nach einem der vorstehenden Ansprüche, ge kennzeichnet durch folgende weitere Merkmale:

a) einen innerhalb des Zwischenverbindungsstruktur-Körpers definierten abgedichteten Kühlkanal; und
b) ein im wesentlichen den Kühltunnel ausfüllendes fluides Medium.

7. Zwischenverbindungsstruktur nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Kühlkanal entlang eines größeren Teils einer Länge und/oder einer Breite des Zwischenverbindungsstruktur-Körpers erstreckt.

8. Zwischenverbindungsstruktur nach einem der Ansprüche 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß ferner ein mit dem Zwischenverbindungsstruktur-Körper derart verbundenes piezoelektrisches Element enthalten ist, daß das piezoelek trische Element mit dem Kühlkanal und dem fluiden Medium in Verbindung steht.

9. Zwischenverbindungsstruktur nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das piezoelektrische Element mit mindestens zwei der elektrischen Leiter bahnen betriebsfähig verbunden ist.

10. Zwischenverbindungsstruktur nach einem der vorstehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ferner mehrere jeweils an eine ent sprechende der Bondinseln angeschlossene Zwischenverbindungs-Metalli sierungen enthalten sind.

11. Zwischenverbindungsstruktur nach Anspruch 10, dadurch gekennzeich net, daß jede Zwischenverbindungs-Metallisierung eine Lotkugel, einen Metall bump oder eine mehrlagige Metallschicht aufweist.

12. Zwischenverbindungsstruktur zum elektrischen Verbinden eines Halbleiter chips mit einem Schichtträger, umfassend:

a) einen im wesentlichen rechtwinkligen, waferförmigen, aus einem di elektrischen Material hergestellten Zwischenverbindungsstruktur-Körper, der eine Kontaktfläche und eine gegenüber liegende Bondfläche auf weist;
b) mehrere um den Randbereich der Kontaktfläche angeordnete Kontakt pads;
c) mehrere im wesentlichen über den gesamten Bereich der Bondfläche angeordnete Bondpads;
d) mehrere jeweils an einen der entsprechenden Bondpads angeschlos sene Zwischenverbindungs-Metallisierungen; und
e) mehrere im wesentlichen innerhalb des Zwischenverbindungsstruktur- Körpers derart angeordnete elektrische Leiterbahnen, daß jede Leitung einen der Kontaktpads mit einem entsprechenden der Bondpads ver bindet.

13. Zwischenverbindungsstruktur nach Anspruch 12, dadurch gekennzeich net, daß das dielektrische Material Silizium ist.

14. Zwischenverbindungsstruktur nach einem der Ansprüche 12 und 13, da durch gekennzeichnet, daß die Bondpads größer sind als die Kontakpads.

15. Zwischenverbindungsstruktur nach einem der Ansprüche 12 bis 14, da durch gekennzeichnet, daß mehrere elektrische Leiterbahnen mehrere durch kontaktierte Löchern sind.

16. Zwischenverbindungsstruktur nach einem der Ansprüche 12 bis 15, gekennzeichnet durch folgende weitere Merkmale:

a) einen innerhalb des Zwischenverbindungsstruktur-Körpers definierten abgedichteten Kühlkanal und
b) ein im wesentlichen den Kühlkanal ausfüllendes fluides Medium.

17. Zwischenverbindungsstruktur nach Anspruch 16, dadurch gekennzeich net, daß sich der Kühlkanal entlang eines größeren Teils einer Länge und/oder einer Breite des Zwischenverbindungsstruktur-Körpers erstreckt.

18. Zwischenverbindungsstruktur nach einem der Ansprüche 16 und 17, da durch gekennzeichnet, daß ferner ein mit dem Zwischenverbindungsstruktur- Körper derart verbundenes piezoelektrisches Element vorgesehen ist, daß das piezoelektrische Element mit dem Kühlkanal und dem fluiden Medium in Ver bindung steht.

19. Zwischenverbindungsstruktur nach Anspruch 18, dadurch gekennzeich net, daß das piezoelektrische Element zumindest mit zwei der elektrischen Lei terbahnen betriebsfähig verbunden ist.

20. Zwischenverbindungsstruktur zum elektrischen Verbinden eines Halbleiter chips mit einem Schichtträger, umfassend:

a) einen im wesentlichen rechtwinkligen, waferförmigen, aus Silizium her gestellten Zwischenverbindungsstruktur-Körper, der eine Kontaktfläche und eine gegenüber liegende Bondfläche aufweist;
b) mehrere um den Randbereich der Kontaktfläche angeordnete Kontakt pads;
c) mehrere im wesentlichen über den gesamten Bereich der Bondfläche angeordnete Bondpads;
d) mehrere jeweils an eine der entsprechenden Bondpads angeschlosse ne Zwischenverbindungs-Metallisierungen; und
e) mehrere im wesentlichen innerhalb des Zwischenverbindungsstruktur- Körpers derart angeordnete elektrische Leiterbahnen, daß jede Leitung einen der Kontaktpads mit einem entsprechenden der Bondpads ver bindet.
f) einen innerhalb des Zwischenverbindungsstruktur-Körpers definierten abgedichteten Kühlkanal;
g) ein im wesentlichen den Kühlkanal ausfüllendes fluides Medium; und
h) ein mit dem Zwischenverbindungsstruktur-Körper derart verbundenes piezoelektrisches Element, daß das piezoelektrische Element mit dem Kühlkanal und dem fluiden Medium in Verbindung steht, wobei das pie zoelektrische Element mit mindestens zwei der elektrischen Leiterbah nen betriebsfähig verbunden ist.