DE10033977B4

DE10033977B4 - Zwischenverbindungsstruktur zum Einsatz von Halbleiterchips auf Schichtträgern

Info

Publication number: DE10033977B4
Application number: DE10033977A
Authority: DE
Inventors: Cuong Van Belleville Pham; Frank Burke Highland Dipiazza; Jay DeAvis W. Bloomfield Baker; Mark Alan Dearborn Heights Straub; Vivek Amir Farmington Hills Jairazbhoy
Original assignee: Ford Motor Co
Current assignee: Ford Motor Co
Priority date: 1999-07-06
Filing date: 2000-07-06
Publication date: 2005-08-04
Anticipated expiration: 2020-07-07
Also published as: GB0016165D0; GB2356083B; GB2356083A; US6303992B1; DE10033977A1; JP2001060645A

Abstract

Zwischenverbindungsstruktur zum elektrischen Verbinden eines Halbleiterchips mit einem Schichtträger, umfassend:
a. einen aus einem dielektrischen Material hergestellten Zwischenverbindungsstruktur-Körper, der eine Kontaktfläche und eine gegenüber liegende 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,
gekennzeichnet durch
e. einen innerhalb des Zwischenverbindungsstruktur-Körpers definierten abgedichteten Kühlkanal; und
f. ein im Wesentlichen den Kühltunnel ausfüllendes fluides Medium.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen Bauteile für integrierte Schaltkreise (IC) wie Halbleiterchips und insbesondere Zwischenverbindungsstrukturen zur Montage von Halbleiterchips auf Schichtträgern.

In der DE 196 51 122 A1 wird ein Halbleiterbauelement mit einer Zwischenverbindungsstruktur zum Verbinden des Halbleiterchips mit einem Schichtträger beschrieben. Der Zwischenverbindungsstrukturkörper besteht dabei aus einem dielektrischen Material und weist eine Kontaktfläche und eine gegenüberliegende Bondfläche auf. Um den Randbereich der Kontaktfläche sind mehrere Chipverbindungsstrukturen angeordnet, sowie mehrere im Wesentlichen über den gesamten Bereich der Bondfläche angeordnete Substratverbindungsstrukturen. Des Weiteren sind mehrere elektrische Leiterbahnen vorgesehen, die im Wesentlichen innerhalb des Zwischenverbindungsstrukturkörpers derart angeordnet sind, dass jede Leitung eine der Chipverbindungsstrukturen mit einer entsprechenden Substratverbindungsstruktur verbindet.

Bei normalen Verfahren der Flip-Chip-Montage wird ein integrierter Halbleiterchip 50 (siehe 1A) typischerweise mit Bondpads versehen, ein Verfahren, bei dem dicke Metallschichten (z. B. 25 bis 100 Mikrometer) aus Gold oder Lötmetall 24 mit den Bondkontaktstellen 54 aus Aluminium des Halbleiterchips metallurgisch gebondet werden. Der Halbleiterchip mit Bondpads wird anschließend 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 aufgeschmolzen oder Bumps aus Gold diffusionsgebonded, um die Bumps, wie in 1B dargestellt, mit ihren jeweiligen Kontaktpads auf dem Schichtträger zu bonden.

Da Halbleiterchips seit je an Leadframes drahtgebunden und dann in Polymergehäusen 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 (2) zu verteilen, statt die Bondpads auf die üblichen Stellen am Außenrand (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 Halbleiterbauelementen 52 angeordnet, die nur durch eine dünne Passivierungsschicht 56 von der Oberfläche getrennt sind. Dies stellt ein Problem dar, weil die Wärme und/oder der Druck, die zum Aufschmelzen oder Diffundieren der Bumps 24 erforderlich sind, um zwischen den Bondpads und Kontaktpads eine metallurgische Verbindung zu bilden, oft die benachbarten/darunter liegenden Transistoren 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 eingegangen werden muß.

Mit der vorliegenden Erfindung werden die Nachteile der bekannten Möglichkeiten 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 Zwischenverbindungsstrukturumfasst einen aus einem dielektrischen Material hergestellten Zwischenverbindungsstruktur-Körper, der eine Kontaktfläche sowie eine gegenüber liegende Bondfläche aufweist, mehrere um den Randbereich der Kontaktfläche herum angeordnete Kontaktpads, mehrere im Wesentlichen über den gesamten Bereich der Bondfläche angeordnete Bondpads und mehrere im Wesentlichen innerhalb des Zwischenverbindungsstruktur-Körpers angeordnete elektrische Leiterbahnen, so dass jede Leitung eine der Kontaktpads mit einer entsprechenden der Bondpads verbindet. Die Zwischenverbindungsstruktur umfasst erfindungsgemäß einen innerhalb des Zwischenverbindungsstruktur-Körpers definierten abgedichteten Kühlkanal, ein den Kühlkanal im Wesentlichen ausfüllendes fluides Medium und ein piezoelektrisches Element, das an den Zwischenverbindungsstruktur-Körper derart angeschlossen ist, dass das piezoelektrische 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 erfindungsgemäße 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 Verwendung 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 reduziert wird.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass das piezoelektrische Element, die Kühlkanäle und das fluide Medium so zusammenwirken, dass für den angeschlossenen Halbleiterchip eine verbesserte Kühlung bewirkt wird.

Diese und andere Vorteile, charakteristische Merkmale und Aufgaben der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgenden Zeichnungen, der ausführlichen Beschreibung und den Patentansprüchen.

Es zeigen

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

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

3A–B: eine Draufsicht bzw. eine Ansicht von unten auf eine Zwischenverbindungsstruktur zum Bonden eines Flip-Chips auf einem Schichtträger nach dem Stand der Technik;

4: eine Seitenansicht im Schnitt einer Zwischenverbindungsstruktur, eines Flip-Chips und eines Schichtträgers vor dem Bonden nach dem Stand der Technik;

5A–B: Seitenansichten im Schnitt eines ersten Ausführungsbeispiels der Zwischenverbindungsstruktur nach der vorliegenden Erfindung jeweils durch ihren Kühlkanal und durch deren Leiterbahnen;

6A–B: Seitenansichten im Schnitt eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Zwischenverbindungsstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung jeweils durch ihren Kühlkanal und durch deren Leiterbahnen;

7A–B: Seitenansichten im Schnitt eines dritten Ausführungsbeispiels einer Zwischenverbindungsstruktur nach der vorliegenden Erfindung jeweils durch ihren Kühlkanal und durch deren Leiterbahnen;

8A–B: auseinander gezogene Seitenansichten im Schnitt des dritten Ausführungsbeispiels der Zwischenverbindungsstruktur jeweils der 7A–B.

Mit Bezug auf die Zeichnungen zeigen die 5 bis 8 eine Zwischenverbindungsstruktur 10 zum elektrischen Verbinden eines Halbleiterchips 50 mit einem Schichtträger 70. Die Zwischenverbindungsstruktur 10 umfasst: einen aus einem dielektrischen Material hergestellten Zwischenverbindungsstruktur-Körper 12, der eine Kontaktfläche 14 sowie eine gegenüber liegende Bondfläche 16 aufweist, mehrere um den Randbereich 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 Zwischenverbindungsstruktur-Körper angeordnete elektrische Leiterbahnen 22, so dass jede Leiterbahn 22 einen der Kontaktpads 18 mit einem entsprechenden der Bondpads 20 verbindet.
Vorzugsweise ist der Zwischenverbindungsstruktur-Körper 12 aus einem keramischen Material, welches Silizium enthält, hergestellt, das leicht zur gewünschten Form und Anordnung bearbeitet werden kann. Für die meisten Anwendungen sollte der Halbleiterchip 50 rechtwinklig sein, und der entsprechende Zwischenverbindungsstruktur-Körper 12 sollte ebenso im Wesentlichen rechtwinklig sein und etwa die gleiche Größe wie der Chip 50 aufweisen sowie im Wesentlichen bezüglich des Aufbaus 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 entsprechenden Bondpads 54 des Halbleiterchips 50 gepaart angeordnet. Damit bleibt ein mittlerer, normalerweise rechtwinkliger Bereich in der Mitte der Kontaktfläche 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 Fläche 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 Zwischenverbindungsstruktur.
Außerdem sind in dem Zwischenverbindungsstruktur-Körper 12 mehrere elektrische Leiterbahnen 22 vorgesehen, wobei jede mindestens ein Kontaktpad 18 mit mindestens einem Bondpad 20 verbindet. Diese Leitungen 22 sind vorzugsweise als durchkontaktierte Löcher oder Durchsteiger ausgebildet (d.h. als maschinell bearbeitete, geätzte oder anderweitig in der Zwischenverbindungsstruktur 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 Fläche 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 umfasst nun erfindungsgemäß einen innerhalb des Zwischenverbindungsstruktur-Körpers 12 definierten abgedichteten Kühlkanal 28, ein im Wesentlichen den Kühlkanal 28 ausfüllendes fluides Medium 30 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. Der Kühlkanal 28 kann in dem Zwischenverbindungsstruktur-Körper 12 mit einem Verfahren zur Mikrobearbeitung von Silizium enthaltendem Material oder mit einem anderen geeigneten Verfahren hergestellt werden. Die Zwischenverbindungsstruktur kann wahlweise zwei oder mehrere Kühlkanäle 28 enthalten. Welche Anzahl von Kanälen 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 Zwischenverbindungsstruk tur-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 verbinden das piezoelektrische Element 26 elektrisch mit dem Schaltkreis auf dem Schichtträger. Wenn das Element 26 durch den Schaltkreis auf dem Schichtträger elektrisch mit Impulsen beaufschlagt wird, schwingt es mit einer vorgegebenen 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 Schwingungsfrequenz 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 Wärmeübertragung 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 bestimmt: f = v/2Lwobei f die Frequenz, v die Geschwindigkeit der Wellenausbreitung im fluiden Medium und L der Abstand zwischen dem piezoelektrischen Bauelement an einem Ende des Kühlkanals und der entfernten (reflektierenden) Wand des Kanals 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) fallen. Beispielsweise ergibt sich bei Verwendung von L = 1,25 mm (50 mil) und v = 1 000 m/s eine Frequenz f von etwa 400 kHz. Ein vernünftiger Frequenzbereich für die vorliegende Erfindung wäre etwa 40 bis 500 kHz.
Nachfolgend werden ein Verfahren zur Herstellung und Verwendung der Zwischenverbindungsstruktur 10 angegeben:
Zuerst wird, wie in den 8A–B dargestellt ist, ein zweiteiliger Zwischenverbin dungsstruktur-Körper mit einem Verfahren zur Mikrobearbeitung von Silizium enthaltenden Material 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 Zwischenverbindungsstrukturen gemäß den 6–8 dar. Allerdings kann es für Zwischenverbindungsstrukturen gemäß 5 günstiger sein, diese auf einem Wafer einzeln herzustellen, 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 Krafteinwirkung mit Silberpaste, Goldpaste oder dergleichen gefüllt werden. Vorzugsweise wird eine Paste aus Edelmetall verwendet. Die mit Paste gefüllten Hälften der Zwischenverbindungsstruktur werden anschließend bei einer Temperatur gebrannt, die hoch genug ist, um die Paste zu schmelzen und feste Leitungen 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 unteren 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 jeweils auf der Kontaktfläche 14 und der Bondfläche 16 des Zwischenverbindungsstruktur-Körpers ausgebildet, vorzugsweise durch Sputtern eines Edelmetalls auf die gewünschten Positionen der Kontaktpads.
In einem fünften Schritt 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 Zwischenverbindungsstruktur und Wafer auch in einzelne Zwischenverbindungsstrukturen 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 Zwischenverbindungsstruktur 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 angewendet:

(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 Zwischenverbindungsstruktur gebracht, dass die Lotkugeln die Bondpads kontaktieren und über das Flussmittel daran festkleben.
(4) Die Baugruppe wird einem Aufschmelzprozess bei niedriger Temperatur ausgesetzt, so dass die Lotkugeln aufschmelzen, ihre jeweiligen Kontaktpads 20 benetzen und darauf fest werden. Während des Reflow (Aufschmelzen) schwimmt der Papierträger auf den geschmolzenen Lotkugeln 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 zusätzlich zu Lot kugeln 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 Zwischenverbindungsstruktur, 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 Zwischenverbindungsstruktur 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 verhältnismäßig hohe Wärmekapazität und Leitfähigkeit und vorzugsweise einen Siedepunkt oberhalb von 160°C auf. Für nichtstationäre Anwendungen könnte ein Fluid genutzt werden, das einen niedrigeren Siedepunkt, beispielsweise genau 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 bewirken. In diesen Fällen könnte das Fluid aus der Familie von "FLUORINERT" -Flüssigkeiten von Minnesota Mining and Manufacturing Co. ("3M") mit dem geeigneten Siedepunkt ausgewählt werden. Für kurzzeitige oder nicht kurzzeitige Anwendungen kann es geeignet sein, als fluides Medium Weichlote mit niedrigem Schmelzpunkt, beispielsweise eine eutektische Mischung aus Sn und Bi, einzusetzen, vorausgesetzt, dass das Lot Oberflächen des Kanals auch benetzen kann. Unterhalb des Schmelzpunktes wird so die Wärmeleitung für einen 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) Wärmequellen aufweisen würde, die während kurzer Zeiträume "hot spots" verursachen würden. Der Phasenumwandlungseffekt würde ein "Verschmieren" der örtlichen (kurzzeitig auftretenden) Temperaturüberschreitung ermöglichen, während sich eine Zirkulation oberhalb des Schmelztemperatur des fluiden Mediums 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 befindlichen 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 Zwischenverbindungsstruktur-Körper 12 angeschlossen sein. Alternativ dazu kann ein piezoelektrisches Material auf jede Position, an der ein piezoelektrisehes Element 26 gewünscht ist, aufgesputtert werden. Dadurch wird ein Piezoelement gebildet, das aus dem an jeder Position aufgesputterten piezoelektrischen Material hergestellt 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 enthaltendem Material durch Mikrobearbeitung hergestellt werden, um die obere Körperhälfte 12_T und die untere Körperhälfte 12_B der Zwischenverbindungsstruktur gemäß den 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 12_B . 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 Zwischenverbindungsstruktur-Hälften 12_T und 12_B miteinander gebondet werden, um die in den 7A–B dargestellte Endstruktur zu erzeugen.
Zusätzlich dazu, dass die vorliegende Erfindung die Nutzung einer höheren Anzahl von Bondpads und/oder größeren Bondpads ermöglicht, zeigen Versuchsergebnisse auch an, dass der Einbau einer akustisch gekühlten Zwischenverbindungsstruktur nach der vorliegenden Erfindung eine Verbesserung der Wärmeübergangszahl von 500% bewirken kann, wie an dem Halbleiterchip 50 festgestellt werden konnte.
Den Fachleuten, die sich mit dieser Erfindung befassen, können sich verschiedene weitere Modifizierungen der vorliegenden Erfindung erschließen. Beispielsweise 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 werden, 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 Schicht-träger (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.

10: Zwischenverbindungsstruktur
12: Körper der Zwischenverbindungsstruktur
12_T: obere Hälfte des Zwischenverbindungsstruktur-Körpers
12_T: 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

Zwischenverbindungsstruktur zum elektrischen Verbinden eines Halbleiterchips mit einem Schichtträger, umfassend: a. einen aus einem dielektrischen Material hergestellten Zwischenverbindungsstruktur-Körper, der eine Kontaktfläche und eine gegenüber liegende 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, gekennzeichnet durch e. einen innerhalb des Zwischenverbindungsstruktur-Körpers definierten abgedichteten Kühlkanal; und f. ein im Wesentlichen den Kühltunnel ausfüllendes fluides Medium.
Zwischenverbindungsstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das dielektrische Material Silizium enthält.
Zwischenverbindungsstruktur nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bondpads größer sind als die Kontaktpads.
Zwischenverbindungsstruktur nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren elektrischen Leiterbahnen mehrere durchkontaktierte Löcher sind.
Zwischenverbindungsstruktur nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenverbindungsstruktur-Körper im Wesentlichen rechtwinklig und bezüglich des Aufbaus waferförmig ist.
Zwischenverbindungsstruktur nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Kühlkanal entlang eines größeren Teils einer Länge und/oder einer Breite des Zwischenverbindungsstruktur-Körpers erstreckt.
Zwischenverbindungsstruktur nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ferner ein mit dem Zwischenverbindungsstruktur-Körper derart verbundenes piezoelektrisches Element enthalten ist, dass das piezoelektrische Element mit dem Kühlkanal und dem fluiden Medium in Verbindung steht.
Zwischenverbindungsstruktur nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das piezoelektrische Element mit mindestens zwei der elektrischen Leiterbahnen betriebsfähig verbunden ist.
Zwischenverbindungsstruktur nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ferner mehrere jeweils an eine entsprechende der Bondinseln angeschlossene Zwischenverbindungs-Metallisierungen enthalten sind.
Zwischenverbindungsstruktur nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass jede Zwischenverbindungs-Metallisierung eine Lotkugel, einen Metallbump oder eine mehrlagige Metallschicht aufweist.