DE19634845C1 - Process for optimizing the adhesion between molding compound and passivation layer in a plastic chip housing - Google Patents
Process for optimizing the adhesion between molding compound and passivation layer in a plastic chip housingInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft die Verbesserung der Adhäsion zwischen einer duroplastischen Preßmasse und einer als Schutzschicht dienenden Polyimidschicht, die auf einem fertigstrukturierten Halbleiterchip aufgebracht ist.The invention relates to improving the adhesion between a thermosetting molding compound and one as a protective layer serving polyimide layer, which is on a finished structured Semiconductor chip is applied.
Bei der Weiterentwicklung von elektronischen Bauelementen mit einem Kunststoffgehäuse, das den Halbleiterchip und elektri sche Anschlüsse aufnimmt, ergeben sich regelmäßig Probleme aufgrund verschiedener Längen- oder Volumen- Ausdehnungskoef fizienten von verschiedenen darin enthaltenen Materialien. Um die elektronischen Bauelemente zu testen, werden sie ver schiedenen Temperatur-und Temperaturwechselbelastungen ausge setzt und mit Feuchtigkeit beaufschlagt. Ein kritischer Be reich innerhalb eines elektronischen Bauelementes ist die Zo ne, an der eine Passivierungsschicht auf dem Halbleiterchip mit der umgebenden das Bauelementgehäuse darstellenden Kunst stoffmasse zusammentrifft. In dieser Zone sollte eine optima le Haftung zwischen den verschiedenen Schichten vorliegen, da hier sehr große mechanische Spannungen auftreten können. Die größten Spannungen treten beispielsweise an den Chipkanten auf. Beschädigungen der Halbleiterbauelemente können durch Brüche, Deliminationen, Verbiegungen oder durch Abreißen von Bonddrähten auftreten.With the further development of electronic components with a plastic housing that the semiconductor chip and electri problems, there are regular problems due to different length or volume expansion coefficient efficient of various materials contained therein. Around to test the electronic components, they will ver different temperature and temperature changes sets and exposed to moisture. A critical issue The Zo is rich within an electronic component ne, on which a passivation layer on the semiconductor chip with the surrounding art representing the component housing material mass meets. In this zone an optima There is adhesion between the different layers because very high mechanical stresses can occur here. The The greatest stresses occur, for example, at the chip edges on. Damage to the semiconductor components can result from Fractures, deletions, bending or by tearing off Bond wires occur.
Ein fertigstrukturierter Halbleiterchip erhält fast ausnahms los eine erste Passivierungsschicht, die aus einem anorgani schen Material besteht. Dies kann beispielsweise Siliziumni trid (Si₃N₄) sein. Zur Beherrschung der genannten mechanischen Spannungen bzw. zum Ausgleich oder zum Abpuffern derselben werden mittlerweile zusätzliche Passivierungsschichten dar über aufgetragen. Ein bevorzugter Werkstoff für diese Passi vierungsschicht ist Polyimid. Polyimid kann relativ gut ver arbeitet werden und weist eine puffernde Wirkung aufgrund seiner relativ elastischen Eigenschaften auf.A fully structured semiconductor chip receives almost exceptionally los a first passivation layer, which consists of an inorganic material. This can be silicon ni, for example trid (Si₃N₄) be. To master the mechanical Tensions or to compensate or buffer them are now additional passivation layers applied over. A preferred material for this pass The coating layer is polyimide. Polyimide can be used relatively well be worked and has a buffering effect due to its relatively elastic properties.
Die in Zusammenhang mit einem elektronischen Bauelement ohne Funktionsausfall zu ertragenden Belastungen sind in verschie denen Normen niedergelegt (beispielsweise Jedec-Norm). Die dort zu findenden Kategorien beispielsweise für die Funkti onsfähigkeit beim Einsatz in einer feuchten Umgebung in Ver bindung mit entsprechenden Temperaturwechselbelastungen sind jeweils verknüpft mit unterschiedlichen Belastungstests, die elektronische Bauelemente im Betrieb überstehen müssen, bevor sie mit der entsprechenden Klassifizierung angeboten werden. Um beispielsweise die Klasse: Moisture Level 1 nach der Je dec-Norm zu erfüllen, soll die Haftung zwischen der Preßmasse und dem Polyimid weiter verbessert werden.The associated with an electronic component without Functional failures to be borne are different to which standards are laid down (e.g. Jedec standard). The Categories to be found there, for example for the functions Ability to use in a damp environment in Ver bond with corresponding temperature changes each linked to different stress tests that electronic components must survive in operation before they are offered with the appropriate classification. For example, to class: Moisture Level 1 according to your needs To meet dec standard, the liability between the molding compound and the polyimide can be further improved.
Eine Beeinflussung der Haftung zwischen zwei Schichten, insbe sondere Kunststoffschichten, läßt sich über eine Veränderung der Oberflächenrauhigkeit, eine Veränderung der Benetzbarkeit und über eine Veränderung des Bindungstyps der chemischen Bindung an der Grenzschicht erzielen. Nachdem die Benetzbar keit nicht besonders variabel ist, ist die Veränderung oder Verbesserung der Rauhigkeit ein gangbarer Weg. Eine Verände rung bzw. Verbesserung der chemischen Bindungen kann eine we sentliche Unterstützung einbringen.Influencing the adhesion between two layers, especially special plastic layers can be changed surface roughness, a change in wettability and about a change in the bond type of the chemical Achieve bond at the interface. After the wettable is not particularly variable, is the change or Improving roughness is a viable option. A change tion or improvement of the chemical bonds can be a little Bring substantial support.
Aus der JP 7-94540 A und dem dazugehörenden Patent Abstract of Japan No. 07094540 ist ein Herstellungsverfahren für Halb leiterelemente beschrieben, bei dem ein Polyamidfilm auf ei nem Substrat ausgebildet wird und mittels Ausheizens in einen Polyimidfilm umgewandelt wird. Weiterhin ist aus dieser Druckschrift bekannt, im Anschluß an den zuvor beschriebenen Verfahrensschritt die Oberfläche des Polyimidfilms zur Verbesserung der Haftung zwischen dem Polyimidfilm und einem Vergußharz einer Plasmaätzung zu unterziehen.From JP 7-94540 A and the associated patent abstract of Japan No. 07094540 is a manufacturing process for half conductor elements described, in which a polyamide film on egg Nem substrate is formed and by heating in a Polyimide film is converted. Furthermore, from this Document known, following the previously described Process step the surface of the polyimide film to improve liability between the polyimide film and a potting resin Undergo plasma etching.
Aus der US 4 715 941 ist weiterhin die Behandlung einer organischen Schicht auf der Oberfläche eines Halbleitersubstrats mit einem Sauerstoff-Plasmaätzverfahren zum Zwecke der Aufrauhung bekannt. Schließlich ist aus der US 5,219,787 bekannt, Halblei terelemente mittels Sauerstoff-Plasmaätzverfahren zu struktu rieren.The treatment is also from US Pat. No. 4,715,941 an organic layer on the surface of a semiconductor substrate known with an oxygen plasma etching process for the purpose of roughening. Finally, half lead is known from US Pat. No. 5,219,787 structure using oxygen plasma etching rieren.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die in einem elek tronischen Bauelement mit Kunststoffgehäuse notwendige Haf tung zwischen Preßmasse und Passivierungsschicht weiter zu optimieren.The invention has for its object in an elek tronic component with plastic housing necessary Haf device between the molding compound and the passivation layer optimize.
Die Lösung dieser Aufgabe geschieht durch die Merkmale des Anspruchs 1.This problem is solved by the features of Claim 1.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen zu ent nehmen. Advantageous refinements can be found in the subclaims to take.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß die Rauhigkeit der obersten Polyimid-Passivierungsschicht eines Halbleiter chips wesentlich verbessert werden kann, wenn ein Verfahren zur Aufrauhung nicht nach der Polymerisierung, sondern vor der Polymerisierung der Polyimidschicht angewandt wird. Dies kann durch ein Plasmaätzverfahren geschehen. Eine dabei erhal tene rauhe Oberflächenstruktur bleibt bei oder nach der Poly merisierung erhalten.The invention is based on the knowledge that the roughness the top polyimide passivation layer of a semiconductor chips can be improved significantly when a process for roughening not after the polymerization, but before the polymerization of the polyimide layer is applied. This can be done by a plasma etching process. Get one The rough surface structure remains with or after the poly receive merization.
Der Einsatz von Sauerstoff als Prozeßgas für das Plasmaätz verfahren ist besonders vorteilhaft. Es sind beispielsweise aus vorhergehenden Prozeßschritten Fluoratome in der Polyi midschicht eingelagert, so kann durch ein Plasmaätzverfahren mit Sauerstoff insbesondere die Herauslösung der Fluoratome betrieben werden. Die danach erhaltene rauhe Oberfläche äh nelt einer Gebirgslandschaft, wobei auch Hinterschneidungen, wie Löcher oder Höhlen, in Verbindung mit der großen Oberflä che eine Verbindung mit der Preßmasse verbessern können.The use of oxygen as a process gas for plasma etching process is particularly advantageous. For example from previous process steps fluorine atoms in the polyi mid layer, so can by a plasma etching process with oxygen in particular the removal of the fluorine atoms operate. The rough surface obtained afterwards uh nelt a mountain landscape, with undercuts, like holes or caves, in connection with the large surface che can improve a connection with the molding compound.
Wird darüber hinaus auf der Polyimidschicht vor der Kunst stoffumspritzung ein Haftvermittler (Primer) eingesetzt, so wird zusätzlich zur Verbesserung der Rauhigkeit der Oberflä che eine Verbesserung der chemischen Komponente zur Verbesse rung der allgemeinen Adhesion miteingebracht. Dies führt zu einer zusätzlichen chemischen Verankerung verbunden mit einer Vergleichmäßigung der Oberfläche hinsichtlich der chemischen Natur. Ein Haftvermittler weist in der Regel organofunktio nelle Gruppen auf, die sowohl zum einen als auch zum anderen zu verbindenden Material eine gute Haftung zeigen.Will also be on the polyimide layer before art used an adhesive agent (primer), so is also used to improve the roughness of the surface che an improvement of the chemical component for improvement general adhesion. this leads to an additional chemical anchorage combined with a Uniformity of the surface in terms of chemical Nature. An adhesion promoter usually shows organofunction nelle groups, both on the one hand and on the other material to be joined shows good adhesion.
Wird darüber hinaus ein fotosensitives Polyimid eingesetzt, so ergeben sich prozeßtechnische Vereinfachungen und Verbes serungen. So kann der Einsatz einer zusätzlichen bisher übli chen Maske entfallen, mittels der die erste anorganische Schutzschicht auf dem Halbleiterchip strukturiert wird. Mit tels des photosensitiven Polyimides (Fotoimid), das als Maske verwendet wird, läßt sich die erste anorganische Passivie rungsschicht strukturieren. Dies geschieht durch geringe Ak tivierung des Polyimids, wodurch das Polyimid höchstenfalls geringfügig polymerisiert wird, jedoch keine Aushärtung, d. h. vollständige Polymerisierung vorgenommen wird. Nach einer üb lichen Strukturierung mit einer Positiv- oder Negativ-Maske wird die unter dem strukturierten Polyimid liegende anorgani sche Passivierungsschicht (Plasmaoxid, Plasmanitrid) mittels eines Plasmaverfahrens strukturiert. Hierzu wird CF₄ (Tetrafluorkohlenstoff) verwendet. Dieser Prozeß führt bei spielsweise zu der Einlagerung von Fluoratomen im oberen Randbereich des Polyimids.If a photosensitive polyimide is also used, this results in process simplifications and verbs remarks. So the use of an additional previously usual Chen mask, by means of which the first inorganic Protective layer is structured on the semiconductor chip. With of the photosensitive polyimide (photoimide), which acts as a mask the first inorganic passive is used structure the layer. This happens through low Ak tivation of the polyimide, whereby the polyimide at most is polymerized slightly, but no curing, i. H. complete polymerization is carried out. After a practice structuring with a positive or negative mask becomes the inorganic under the structured polyimide cal passivation layer (plasma oxide, plasma nitride) by means of structured a plasma process. For this CF₄ (Tetrafluorocarbon) used. This process leads to for example, the storage of fluorine atoms in the upper Edge area of the polyimide.
Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel anhand von techni schen Daten näher erläutert.In the following an embodiment is based on techni data explained in more detail.
Die Erfindung betrifft eine Verbesserung der Adhäsion zwi schen Preßmasse und Polyimid. Ausgehend davon, daß die Haf tung von Preßmasse (Duroplast, Spritzgießverfahren) auf einem Metall relativ niedrig ist, werden viele Versuche unternom men, um geeignete beispielsweise Metalloxide oder andere Me tallverbindungen oder Kunststoffe zu prüfen, um insgesamt ei nen guthaftenden Schichtaufbau in einem elektronischen Bau element mit Kunststoffgehäuse zu erhalten. Um mechanische Spannungen zu puffern bzw. auszugleichen, ist der Einsatz mehrerer Passivierungsschichten sinnvoll. Dabei weist in der Regel die erste innere Passivierungsschicht eine geringere Elastizität auf, als die darüber liegende äußere Passivie rungsschicht, die mit der Preßmasse in Verbindung ist. Bis lang sind diese organischen Passivierungsschichten jedoch nur bei großen Chips mit einer Fläche von mehr als beispielsweise 81 mm² zum Schutz der anorganischen Passivierungsschicht aufgebracht worden. Die Erfindung behandelt eine Verbesserung der Haftung zwischen dieser anorganischen Passivierungs schicht und der Preßmasse (molding compound; MC).The invention relates to an improvement in adhesion between molding compound and polyimide. Assuming that the Haf processing of molding compound (thermoset, injection molding) on one Metal is relatively low, many attempts are made men to suitable for example metal oxides or other Me to test tall connections or plastics to a total ei an adhesive layer structure in an electronic building to receive element with plastic housing. To mechanical The task is to buffer or equalize tensions several passivation layers makes sense. It points in the Rule the first inner passivation layer a smaller one Elasticity than the outer passive layer above tion layer, which is in connection with the molding compound. See you However, these organic passivation layers are only long for large chips with an area larger than, for example 81 mm² to protect the inorganic passivation layer been applied. The invention addresses an improvement the liability between this inorganic passivation layer and the molding compound (MC).
Eine von den fertigen elektronischen Bauelementen zu beste hende Testreihe besteht beispielsweise aus einer Vorkonditio nierung auf die Lötbadtemperatur für eine bestimmte Zeit. We sentlich ist dabei die Erhöhung auf eine Temperatur die über der Siedetemperatur des Wassers liegt. Weiterhin werden be stimmte Temperaturwechseltests vorgenommen, wie beispielswei se 1.000 × -65°C/+150°C. Bedingt durch die verschiedenen Ausdehungskoeffizienten der im elektronischen Bauelement vor handenen Materialien werden relativ hohe innere thermisch be dingte Spannungen auftreten, die vor allem an den Chipkanten Spitzenwerte erreichen. Dadurch können Risse in der Passivie rungsebene entstehen. Im schlimmsten Fall treten Verschiebun gen der Aluminiumleiterbahnen auf. Bei neueren Gehäusebaufor men, wie beispielsweise TSOP, VTSOP, CSP (very thin small outline package, chip size package), soll beispielsweise eine sehr hohe Anforderung bezüglich der Widerstandsfähigkeit der Bauelemente gegenüber Feuchtigkeit gegeben sein. Dies nimmt demnach in der Montagetechnik einen vorrangigen Stellenwert ein.One of the best electronic components The existing test series consists, for example, of a precondition the solder bath temperature for a certain time. We What is significant is the increase to a temperature above the boiling point of the water. Furthermore, be agreed temperature change tests, such as se 1,000 × -65 ° C / + 150 ° C. Due to the different Expansion coefficients before in the electronic component existing materials will be relatively high internal thermal Contingent tensions occur, especially at the chip edges Reach peak values. This can cause cracks in the passive level. In the worst case, shifting occurs aluminum conductor tracks. With newer housing designs such as TSOP, VTSOP, CSP (very thin small outline package, chip size package) very high requirements regarding the resistance of the Components against moisture are given. This takes therefore a priority in assembly technology a.
Die Verbesserung der Haftung zwischen einer organischen Pas sivierungsschicht (Polyimid) und der Preßmasse wird insgesamt durch eine Erhöhung der Rauhigkeit der Polyimidoberfläche und durch zusätzliche chemische Verankerung erreicht. Die Erhö hung der Rauhigkeit ermöglicht eine bessere mechanische Ver ankerung, beispielsweise in den Hinterschneidungen der Preß masse auf oder an dem Polyimid. Durch die größere Oberfläche und den engeren Kontakt zwischen Polyimid und Preßmasse wer den mehr chemische Bindungen (van der Waals, Kovalenz) ausge bildet. Eine zusätzliche chemische Verankerung wird durch den Einsatz einer Haftvermittlerschicht erzielt. Somit können beispielsweise mehr kovalente Bindungen und festere Bindungen ausgebildet werden.Improving the adhesion between an organic pas sivierungsschicht (polyimide) and the molding compound is total by increasing the roughness of the polyimide surface and achieved through additional chemical anchoring. The increases Roughness enables better mechanical processing anchor, for example in the undercuts of the press mass on or on the polyimide. Due to the larger surface and the closer contact between polyimide and molding compound the more chemical bonds (van der Waals, covalence) forms. An additional chemical anchor is provided by the Achieved using an adhesion promoter layer. So you can for example, more covalent bonds and stronger bonds be formed.
Durch die intensive mechanische Kopplung und durch die chemi schen Bindungen wird verhindert, das Mikrospalten in der Grenzfläche entstehen. Somit kann praktisch keine Feuchtig keit in diesem Bereich eindringen und sog. Feuchteseen werden verhindert. Damit ist die wichtigste Ursache für den sog. Popkorneffekt, der beispielsweise beim Eintauchen in flüssi ges Lot auftritt, eliminiert.Due to the intensive mechanical coupling and the chemi bonds is prevented, the micro-splitting in the Interface arise. So practically no moisture can penetrate into this area and become so-called wet lakes prevented. The most important reason for the so-called Pop grain effect, which can be found, for example, when immersed in liquid total solder occurs, eliminated.
Die vorliegende Erfindung verwendet einen zusätzlichen Plas maätzprozeß, insbesondere mit dem Prozeßgas Sauerstoff. Durch die zeitliche Positionierung dieses Plasmaätzprozesses in den Bereich der Strukturierung der ersten anorganischen Passivie rungsschicht treten mehrere Vorteile auf. In diesem Fall wird ein photosensitives Polyimid (Fotoimid) eingesetzt und die Po lyamid bzw. Polyimidschicht wird als Maske zur Strukturierung der darunterliegenden anorganischen Passivierungsschicht ver wendet. Danach ist die Oberfläche der Polyimidschicht mit Fluor-Radikalen kontaminiert. Werden die vorliegenden Fluor verbindungen vor dem endgültigen Polymerisieren nicht ent fernt, so erhält man eine trübe und nicht sehr rauhe Polyimi doberfläche. Der besondere Vorteil der Erfindung liegt darin, daß in dem Plasmaätzprozeß mit Sauerstoff, wobei die Polyimi doberfläche schichtweise abgetragen wird, die Fluorverbindun gen entfernt werden. Wird dies vor dem Aushärten, d. h. vor dem endgültigen Polymerisieren bewerkstelligt, so wird die Oberfläche des Polyimids klar und erhält eine definierte strukturierte Form mit hoher Rauhigkeit. Diese Oberfläche bleibt auch nach dem Polymerisieren erhalten.The present invention uses an additional plas Maätz process, especially with the process gas oxygen. By the temporal positioning of this plasma etching process in the Area of structuring the first inorganic passiv There are several advantages to the interface layer. In this case a photosensitive polyimide (photoimide) is used and the bottom lyamide or polyimide layer is used as a mask for structuring the underlying inorganic passivation layer ver turns. Then the surface of the polyimide layer is with Contaminated by fluorine radicals. Will the present fluorine do not ent connections before the final polymerization distant, you get a cloudy and not very rough polyimi surface. The particular advantage of the invention is that that in the plasma etching process with oxygen, the Polyimi the fluorine compound is removed in layers gene can be removed. If this is before curing, i.e. H. in front accomplished the final polymerization, so Surface of the polyimide clear and receives a defined structured shape with high roughness. This surface remains even after polymerisation.
Die zusätzliche chemische Komponente für die erhöhte Haftung zwischen den Schichten wird durch einen Haftvermittler einge bracht. Der Einsatz von Haftvermittlern mit mehreren orga nofunktionellen Gruppen stellt dabei nur eine Variante dar. Die organofunktionellen Gruppen können dabei so gewählt wer den, daß die Reaktion sowohl zum Polyimid, als auch zur Pressmasse ideal ist. Die Zwischenschicht des Haftvermittlers übt somit eine Ankerwirkung zwischen Polyimid und Preßmasse aus.The additional chemical component for increased adhesion an adhesion promoter is inserted between the layers brings. The use of adhesion promoters with several orga Non-functional groups are only one variant. The organofunctional groups can be chosen in this way that the reaction to both polyimide and Molding compound is ideal. The intermediate layer of the adhesion promoter thus has an anchor effect between the polyimide and the molding compound out.
Die Kombination der Erhöhung der Rauhigkeit und die zusätzli che chemische Verankerung bewirkt einen besonderen Effekt an der Grenzfläche zwischen Polyimid und Preßmasse. Hierdurch wird die Voraussetzung geschaffen, ein gegen Feuchtigkeit ex trem gut abgedichtetes elektronisches Bauelement zu erhalten.The combination of increasing the roughness and the additional Chemical anchoring has a special effect the interface between polyimide and molding compound. Hereby the prerequisite is created, an against moisture ex obtain extremely well sealed electronic component.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 8100 | Publication of the examined application without publication of unexamined application | ||
| D1 | Grant (no unexamined application published) patent law 81 | ||
| 8364 | No opposition during term of opposition | ||
| 8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |