Beschreibungdescription
Elektronisches Bauelement-Modul und Verfahren zu dessen HerstellungElectronic component module and method for its production
Die Erfindung betrifft ein elektronisches Bauelement-Modul mit einem Anschluss-Substrat und mindestens einem elektronischen Bauelement sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.The invention relates to an electronic component module with a connection substrate and at least one electronic component and a method for its production.
In der EP 0782765 Bl ist bereits ein Anschluss-Substrat mit einem Halbleiterchip, ein sogenanntes PSGA (Polymer Stud Grid Array) beschrieben, wobei das spritzgegossene Substrat angeformte Polymerhöcker mit einer lötbaren Endoberfläche besitzt. Die Polymerhöcker haben nicht nur den Vorteil, dass sie in einem Arbeitsgang mit dem Grundkörper selbst ausgeformt werden können, sondern sie können aufgrund ihrer Elastizität auch Spannungen, beispielsweise aufgrund von Wärmeausdehnungen, aufnehmen und ausgleichen.EP 0782765 B1 describes a connection substrate with a semiconductor chip, a so-called PSGA (polymer stud grid array), the injection-molded substrate having molded polymer bumps with a solderable end surface. The polymer bumps not only have the advantage that they can be formed with the base body in one operation, but they can also absorb and compensate for stresses, for example due to thermal expansion, due to their elasticity.
Bei den bisher bekannten Substraten mit Polymerhöckern sind Letztere in ihrer Verteilung und Anordnung an das herkömmliche Raster anderer Anschlusselemente, insbesondere der Lotkugeln in der sogenannten BGA-Technik angepasst . Bei dieser Technik können die Rasterabstände wegen der Eigenschaften und der Verarbeitungsform der Lotkugeln nicht weiter verkleinert werden. Allerdings besteht mittlerweile ein Trend zu weiterer Miniaturisierung, wobei Halbleiterbauelemente mit Flip-Chip- Anschlüssen einen Rasterabstand von 0,2 mm und kleiner besitzen und die Rasterabstände der Kontakte auf Leiterplatten von früher 1 mm und mehr inzwischen auf 0,5 mm und weiter verkleinert wurden.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein Anschluss-Substrat für mindestens ein elektronisches Bauelement, insbesondere ein Halbleiterbauelement, zu schaffen und ein Verfahren zu dessen Herstellung anzugeben, welches einen Anschluss der Bauelemente in Flip-Chip-Technik mit extrem geringen Rasterabständen ermöglicht und zugleich eine besonders niedrige Bauhöhe des aus Bauelement und Anschluss-Substrat gebildeten Moduls ermöglicht.In the previously known substrates with polymer bumps, the latter are adapted in their distribution and arrangement to the conventional grid of other connection elements, in particular the solder balls in the so-called BGA technology. With this technique, the grid spacing cannot be further reduced due to the properties and processing form of the solder balls. However, there is now a trend towards further miniaturization, with semiconductor components with flip-chip connections having a grid spacing of 0.2 mm and smaller and the grid spacing of the contacts on printed circuit boards being reduced from 1 mm and more to 0.5 mm and further , The aim of the present invention is therefore to provide a connection substrate for at least one electronic component, in particular a semiconductor component, and to provide a method for its production which enables the components to be connected using flip-chip technology with extremely small grid spacings and at the same time a particularly low overall height of the module formed from the component and the connection substrate enables.
Erfindungsgemäß weist ein derartiges Modul folgende Merkmale auf :According to the invention, such a module has the following features:
ein flacher Substratkörper (1; 21, 22, 23; 31; 41) besitzt auf seiner ebenen Oberseite (la) einen Kontaktbereich mit Innenkontakten (4) für das Bauelement (7) und auf seiner Unterseite (lb) Außenkontakte (10) ; in dem Kontaktbereich sind durch Teilabtragung (2) oder Verformung des Substratmaterials jeweils vertieft angeordnete Innenkontakt-Höcker (3) im Abstand der Anschlüsse des Bauelementes ausgebildet; auf den Innenkontakt-Höckern (3) ist jeweils durch Metallisierung ein Innenkontakt (4) ausgebildet und mit einer Lotschicht versehen; auf den Innenkontakten ist das Bauelement (7) in Flip- Chip-Technik kontaktiert unda flat substrate body (1; 21, 22, 23; 31; 41) has on its flat top (la) a contact area with internal contacts (4) for the component (7) and on its underside (lb) external contacts (10); In the contact area, recessed inner contact bumps (3) are formed at a distance from the connections of the component by partial removal (2) or deformation of the substrate material; an inner contact (4) is formed on the inner contact bumps (3) by metallization and provided with a solder layer; on the internal contacts, the component (7) is contacted using flip-chip technology and
- von den Innenkontakten (4) erstrecken sich Leiterbahnen (6, 12, 13, 14, 33, 34, 43, 44) über Durchgangslδcher (5; 42) zu den Außenkontakten (10) auf der Unterseite des Substratkörpers (1; 21, 22, 23; 31; 41).- From the inner contacts (4), conductor tracks (6, 12, 13, 14, 33, 34, 43, 44) extend through passage holes (5; 42) to the outer contacts (10) on the underside of the substrate body (1; 21, 22, 23; 31; 41).
Durch die erfindungsgemäß vertiefte Anordnung der Innenkontakt-Höcker, die durch Teilabtragung, ringförmige Einkerbungen oder sonstige Verformung in der ansonsten ebenen Obersei-
te des Substratkörpers gebildet werden, ergibt sich eine besonders platzsparende Kontaktierung des Bauelementes in Flip- Chip-Technik mit besonders niedriger Gesamthöhe. Die Spitze der Höcker fluchtet dadurch im wesentlichen mit der ursprüng- liehen planen Oberfläche des Substratkörpers; lediglich der den Kontakt bildende Lotauftrag erhebt sich über diese Ebene.Due to the recessed arrangement of the internal contact bumps according to the invention, which is caused by partial removal, ring-shaped notches or other deformation in the otherwise flat upper surface. te of the substrate body are formed, there is a particularly space-saving contacting of the component in flip-chip technology with a particularly low overall height. The tip of the bumps is essentially aligned with the originally flat surface of the substrate body; only the lot order forming the contact rises above this level.
Im Vergleich mit der herkömmlichen BGA-Technik, die aufgrund der Größenverhältnisse der Lotkugeln eine Flip-Chip- Kontaktierung nur bis zu einem bestimmten Mindestabstand der Bauelementanschlüsse ermöglicht und mit der beispielsweise bei Abständen von weniger als 200μm nur eine Drahtbondverbindung möglich ist, ermöglicht die erfindungsgemäße Kontaktierung mit vertieften Polymerhöckern eine Flip-Chip- Kontaktierung bis zu etwa 100 μm. Der Grund liegt darin, daß die Lotkugeln in der BGA-Technik beim Aufschmelzen zur Kontaktierung zusammengedrückt werden und dadurch ihren Durchmesser gegenüber ihrem ursprünglichen Kugeldurchmesser vergrößern (auf das etwa 1,3-fache), während die bei der Erfin- düng auf den Höckern ausgebildete Lotschicht beim Aufschmelzen ihren Durchmesser nicht vergrößert, so daß die Kontaktstelle keinen größeren Durchmesser erreicht als der Anschluß (Pad) des Bauelementes selbst.In comparison with the conventional BGA technology, which due to the size relationships of the solder balls, flip-chip contacting is only possible up to a certain minimum distance between the component connections and with which, for example, only a wire bond connection is possible at distances of less than 200 μm, the contacting according to the invention enables with recessed polymer bumps, flip-chip contacting down to about 100 μm. The reason for this is that the solder balls in the BGA technique are pressed together for contacting during melting and thereby increase their diameter compared to their original ball diameter (about 1.3 times), while those formed on the bumps when invented Solder layer does not increase its diameter during melting, so that the contact point does not reach a larger diameter than the connection (pad) of the component itself.
Vorzugsweise sind auch auf der Unterseite des Substratkörpers durch Teilabtrag oder Verformung ebenfalls vertiefte Außenkontakt-Höcker gebildet, welche im Raster von Leiterplatten- Anschlüssen angeordnet sind und die Außenkontakte des Substrats tragen. Je nach der Anordnung und dem Herstellungsver- fahren der Höcker können diese auf der Oberseite bzw. auf derPreferably, recessed external contact bumps are also formed on the underside of the substrate body by partial removal or deformation, which are arranged in the grid of printed circuit board connections and carry the external contacts of the substrate. Depending on the arrangement and the manufacturing process of the bumps, they can be on the top or on the
Unterseite des Substratkörpers durch ringförmige oder auch annähernd gitterförmige Einkerbungen gebildet sein. Denkbar ist es auch, im gesamten Kontaktbereich die Oberfläche des
Substratkörpers mit Ausnahme der dann übrig bleibenden Höcker abzutragen oder durch Heißprägen zu verformen, so daß lediglich ein Randbereich und gegebenenfalls Zwischenstege in der ursprünglichen Oberflächenebene zusammen mit den Kontakthö- ckern stehen bleiben.The underside of the substrate body can be formed by annular or approximately grid-shaped notches. It is also conceivable for the surface of the With the exception of the then remaining bumps, remove the substrate body or deform it by hot stamping, so that only an edge region and possibly intermediate webs remain in the original surface plane together with the contact bumps.
Je nach Verlauf der Leiterbahnen von den Innenkontakten zu den Durchgangslöchern oder zu anderen Anschlüssen können die ringförmigen Einkerbungen teilweise, insbesondere an ihren Innenseiten metallisiert sein, während ein anderer Teil, vorzugsweise zumindest Teile der Außenbereiche der Einkerbung, zur Bildung von Isolationsstrecken von der Metallisierung freigehalten werden. Dies kann an den schräg verlaufenden Wänden der Einkerbung vorteilhaft durch Laserbestrahlung be- wirkt werden. Die Leiterbahnen auf der Oberseite und auf der Unterseite des Substratkörpers können in bevorzugter Ausgestaltung jeweils in nutenförmigen Längsgräben verlaufen, die in die Oberfläche des Substratkörpers eingearbeitet sind. Dabei ist es vorteilhaft, dass jeweils die schrägen Seitenwände dieser Gräben zur Bildung von Leiterbahnen metallisiert sind, während der Bodenbereich und die Außenränder der Gräben, die mit Laserstrahlung gut bearbeitet werden können, von der Metallisierung freigehalten werden und somit Isolationsstrecken bilden. Auf diese Weise können sehr platzsparend jeweils zwei Leiterbahnen in einem Graben untergebracht werden.Depending on the course of the conductor tracks from the internal contacts to the through holes or to other connections, the ring-shaped indentations can be partially metallized, in particular on their inner sides, while another part, preferably at least part of the outer regions of the indentation, are kept free from the metallization in order to form insulation paths , This can advantageously be effected on the sloping walls of the notch by laser radiation. In a preferred embodiment, the conductor tracks on the top side and on the bottom side of the substrate body can each run in groove-shaped longitudinal trenches which are incorporated into the surface of the substrate body. It is advantageous that the inclined side walls of these trenches are metallized to form conductor tracks, while the bottom region and the outer edges of the trenches, which can be easily processed with laser radiation, are kept free of the metallization and thus form isolation paths. In this way, two conductor tracks can be accommodated in a trench in a very space-saving manner.
Die Durchgangslöcher können mit rundem oder mit reckeckigem Querschnitt entweder von der oberseitigen Oberfläche bis zur unterseitigen Oberfläche vorgesehen werden, oder sie können vorteilhafterweise im Bereich einer, z.B. ringförmigen, Einkerbung direkt neben einem Höcker oder aber auch im Bereich eines Leiterbahnen führenden Grabens erzeugt werden. Im letzteren Fall ist es besonders vorteilhaft, ein rechteckiges
Durchgangsloch vorzusehen, wobei jeweils zwei gegenüberliegende Seitenwände metallisiert sind, während die dazwischenliegenden Seitenwände Isolationsstrecken bilden. Dadurch können zwei getrennte Leiterbahnen in einem rechteckigen Durch- gangsloch erzeugt werden, welche jeweils getrennt mit den beiden Leiterbahnen eines nutenförmigen Grabens verbunden werden können. Solche rechteckigen Durchgangslöcher können in einfacher Weise etwa beim Heißprägen des Substratkörpers erzeugt werden, wobei schräg verlaufende Seitenwände zur Erzeu- gung der Isolationsstrecken mit einem Laserstrahl bearbeitet werden können.The through holes can be provided with a round or rectangular cross section either from the top surface to the bottom surface, or they can advantageously be produced in the area of a, for example annular, notch directly next to a hump or else in the area of a trench guiding conductor tracks. In the latter case, it is particularly advantageous to use a rectangular one To provide through hole, wherein two opposite side walls are metallized, while the intermediate side walls form insulation sections. As a result, two separate conductor tracks can be produced in a rectangular through hole, which can each be connected separately to the two conductor tracks of a groove-shaped trench. Such rectangular through holes can be produced in a simple manner, for example when the substrate body is hot stamped, it being possible for oblique side walls to be machined with a laser beam in order to produce the insulation sections.
Der Substratkörper kann beispielsweise aus einer einzigen Folie hergestellt werden. Es kann aber auch von Vorteil sein, ein Basis-Substrat vorzusehen, auf dessen Oberseite und/oder Unterseite jeweils eine Hδckerschicht auflaminiert wird, wobei in der jeweiligen Höckerschicht die Innenkontakt-Höcker bzw. die Außenkontakt-Höcker ausgebildet sind. In diesem Fall können die Höckerschichten jeweils aus einem anderen Material bestehen als das Basis-Substrat. So ist es möglich, die Höckerschicht mit den Innenkontakt-Höckern aus einem Material vorzusehen, das bezüglich seiner Wärmeausdehnungs- Eigenschaften dem Material des aufzubringenden Bauelementes, vorzugsweise also einem Halbleitermaterial, angepasst ist, während für die Außenkontakt-Höcker ein Material verwendet werden kann, das hinsichtlich seiner Wärmeausdehnungs- Eigenschaften an eine Leiterplatte angepasst ist.The substrate body can be produced from a single film, for example. However, it can also be advantageous to provide a base substrate, on the top and / or bottom of which a backing layer is laminated, the inside contact bumps or the outside contact bumps being formed in the respective bump layer. In this case, the bump layers can each be made of a different material than the base substrate. So it is possible to provide the bump layer with the inner contact bumps made of a material that is adapted in terms of its thermal expansion properties to the material of the component to be applied, preferably a semiconductor material, while a material can be used for the outer contact bumps that is adapted to a printed circuit board with regard to its thermal expansion properties.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines An- schluss-Substrats weist die folgenden Schritte auf:A method according to the invention for producing a connection substrate has the following steps:
a) In der Oberfläche eines folienförmigen Substratkörpers aus Polymer-Material werden zumindest auf einer Seite durch
Teilabtragung oder Verformung der Oberfläche jeweils Innenkontakt-Höcker (3) geformt; b) zwischen der Oberseite und der Unterseite des Substrat- körpers werden Durchgangslöcher erzeugt; c) durch Metallisierung der Oberseite und der Unterseite des Substratkörpers sowie der Durchgangslδcher wird eine Leiterschicht erzeugt; d) durch gezielte Strukturierung der Leiterschicht werden Innenkontakte auf den Innenkontakt-Höckern der Oberseite, Außenkontakte auf der Unterseite und zur Bildung elektrisch leitender Verbindungen zwischen den Innenkontakten und den Außenkontakten erzeugt; e) die Innenkontakte werden mit einem Lot- Material beschichtet; und f) auf die Innenkontakte wird das Bauelement aufgesetzt, und seine Anschlüsse werden mit den Innenkontakten verlötet .a) In the surface of a film-shaped substrate body made of polymer material, at least on one side Partial removal or deformation of the surface formed in each case internal contact bumps (3); b) through holes are produced between the top and the bottom of the substrate body; c) a conductor layer is produced by metallizing the top and bottom of the substrate body and the through holes; d) through targeted structuring of the conductor layer, internal contacts are generated on the internal contact bumps on the top, external contacts on the underside and to form electrically conductive connections between the internal contacts and the external contacts; e) the internal contacts are coated with a solder material; and f) the component is placed on the internal contacts and its connections are soldered to the internal contacts.
Vorzugsweise werden im Schritt a) auch auf der Unterseite des Substratkörpers durch Verformung oder Teilabtragung, bei- spielsweise durch kreisförmiges Einkerben, jeweils Außenkontakt-Höcker geformt, und es werden auf diesen im Schritt c) jeweils die Außenkontakte erzeugt.In step a), external contact bumps are preferably also formed on the underside of the substrate body by deformation or partial removal, for example by circular notching, and the external contacts are produced on them in step c).
Grundsätzlich wäre es zwar möglich, das erfindungsgemäße An- schluss-Substrat mit den vertieften Kontakt-Höckern auch in bekannter Weise durch Spritzgießen herzustellen. Da es jedoch um besonders kleine Abmessungen der Höcker selbst und der Teilungsabstände zwischen den Höckern geht, kommen für die erfindungsgemäße Herstellung der Höcker, die Herstellung der Durchgangslδcher und ggf. die Herstellung von Nuten zur Führung von Leiterbahnen vorzugsweise ein Heißprägeverfahren o- der eine Strukturierung des Substratkörpers mit einem Laserstrahl in Betracht. Für die Strukturierung der Metallisie-
rungsschicht zur Bildung der Leiterbahnen wird vorzugsweise eine Strukturierung mittels Laserstrahl verwendet . Dabei ist es in einem Fall möglich, eine Ätzresistschicht mit einem Laserstrahl zu strukturieren und danach die freigelegten Struk- turen in einem Ätzverfahren abzutragen. Bei einer anderen Methode, die insbesondere für sehr dünne Leiterschichten Anwendung findet, kann auch die Metallschicht direkt mit dem Laserstrahl strukturiert werden.In principle, it would be possible to produce the connection substrate according to the invention with the recessed contact bumps in a known manner by injection molding. However, since it is a matter of particularly small dimensions of the bumps themselves and of the spacing between the bumps, the production of the bumps according to the invention, the production of the through-holes and possibly the production of grooves for guiding conductor tracks are preferably carried out using a hot stamping process or a structuring of the Substrate body with a laser beam into consideration. For structuring the metallization Structuring by means of a laser beam is preferably used to form the conductive layer. In one case it is possible to structure an etching resist layer with a laser beam and then to remove the exposed structures in an etching process. In another method, which is used in particular for very thin conductor layers, the metal layer can also be structured directly with the laser beam.
Bei der erfindungsgemäßen Gestaltung des Anschluss-Substrats ist es möglich, in Anpassung an die Anschlüsse von Halbleiterchips Anschluss-Höcker mit einem Durchmesser von etwa 50 bis 250 μm mit einem Rasterabstand von etwa 200 μm zu erzeugen, wobei die Höhe der Höcker größer als der Durchmesser ist und vorzugsweise mehr als das 1,3-fache des Durchmessers der Lδtverbindung betragen kann. Dadurch ergibt sich auf sehr engem Raum eine gute Elastizität der einzelnen Anschlüsse.When designing the connection substrate according to the invention, it is possible, in adaptation to the connections of semiconductor chips, to produce connection bumps with a diameter of approximately 50 to 250 μm with a grid spacing of approximately 200 μm, the height of the bumps being greater than the diameter is and can preferably be more than 1.3 times the diameter of the solder connection. This results in a good elasticity of the individual connections in a very small space.
Durch die Verwendung von vertieften Aussenkontakt-Höckern auf der Unterseite des Substratkörpers mit entsprechend kleinerem Durchmesser der Lötstellen der Außenanschlüsse wird auch auf der Leiterplatte, die das Modul aufnimmt, weniger Platz für die Kontakt selbst benötigt. Somit bleibt auf der Leiterplatte beispielsweise zwischen zwei Anschlüssen zusätzlicher Platz verfügbar, um anstelle einer Leiterbahn zwei oder drei Leiterbahnen hindurchzuführen.By using recessed external contact bumps on the underside of the substrate body with a correspondingly smaller diameter of the soldering points of the external connections, less space is also required for the contact itself on the circuit board that accommodates the module. This leaves additional space available on the circuit board, for example between two connections, in order to pass two or three conductor tracks instead of one conductor track.
Die Erfindung wird nachfolgend an Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung näher erläutert . Es zeigenThe invention is explained in more detail below using exemplary embodiments with reference to the drawing. Show it
Figur 1 einen Ausschnitt aus einem erfindungsgemäßen Anschluss-Substrat für ein erfindungsgemäßes Modul,
Figur 2 eine schematische Ansicht des Aufbaus von Innenkontakt-Höckern in Verbindung mit Durchgangslöchern im Schnitt, Figur 3 eine Schnittansicht eines Moduls mit Höckern auf der Ober- und Unterseite des Anschluss-Substrats, Figur 4 eine Schnittansicht eines Substrats mit einer zusätzlichen Höckerschicht auf der Oberseite,FIG. 1 shows a detail from a connection substrate according to the invention for a module according to the invention, Figure 2 is a schematic view of the structure of internal contact bumps in connection with through holes in section, Figure 3 is a sectional view of a module with bumps on the top and bottom of the connection substrate, Figure 4 is a sectional view of a substrate with an additional bump layer on the top .
Figur 5 eine Schnittansieht eines Substrats mit zusätzlichen Höckerschichten auf der Ober- und Unterseite, Figur 6 eine schematische Detaildarstellung von Nuten mit Leiterbahnen,5 shows a sectional view of a substrate with additional bump layers on the top and bottom, FIG. 6 shows a schematic detailed illustration of grooves with conductor tracks, FIG.
Figur 7 eine schematische Darstellung eines rechteckigen Durchgangsloches ,FIG. 7 shows a schematic illustration of a rectangular through hole,
Figur 8 eine schematische Ansicht einer Leiterbahnstruktur auf der Oberseite eines Anschluss-Substrats, und Figur 9 eine schematische Darstellung einer Leiterbahnstruktur auf der Unterseite eines Anschluss-Substrats, Figur 10 eine schematische Darstellung einer Substrat- Oberseite mit einer gegenüber Figur 2 abgewandelten Gestaltung der Innenkontakt-Höcker, Figur 11 eine gegenüber Figur 10 weiter abgewandelte Ausführungsform eines Substratkörpers zur Darstellung der Lotauf- bringung und8 shows a schematic view of a conductor track structure on the upper side of a connection substrate, and FIG. 9 shows a schematic representation of a conductor track structure on the underside of a connection substrate, Höcker, FIG. 11 shows an embodiment of a substrate body that is further modified compared to FIG. 10 to show the solder application and
Figur 12 eine schematische Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Moduls in einer weiteren Abwandlung.Figure 12 is a schematic sectional view of a module according to the invention in a further modification.
In Figur 1 ist schematisch ein Ausschnitt eines erfindungsgemäßen Anschluss-Substrats gezeigt. Dieses Anschluss-Substrat besteht im Wesentlichen aus einem Substratkörper 1 aus Isolierstoff, beispielsweise LCP oder einem sonstigen, vorzugs- weise thermoplastischen Kunststoff. In die Oberseite la dieses Substratkörpers 1 sind ringförmige Einkerbungen 2 eingebracht, beispielsweise mittels eines Prägestempels oder auch durch Abtragung mit- einem Laserstrahl. Durch diese ringförmi-
gen Einkerbungen 2, deren Tiefe beispielsweise 50 bis 200 μm betragen kann, sind Innenkontakt-Höcker 3 gebildet, deren Rasterabstände den Kontaktabständen eines Halbleiter-Bauelementes entsprechen, so dass eine Flip-Chip-Kontaktierung un- mittelbar auf der Oberseite des Anschluss-Substrats möglich ist. Zu diesem Zweck sind auf der Spitze der Höcker 3 jeweils Innenkontakte in Form einer Metallschicht aufgebracht.A section of a connection substrate according to the invention is shown schematically in FIG. This connection substrate essentially consists of a substrate body 1 made of insulating material, for example LCP or another, preferably thermoplastic. In the upper side la of this substrate body 1, annular notches 2 are made, for example by means of an embossing stamp or also by removal with a laser beam. This ring-shaped Against notches 2, the depth of which can be, for example, 50 to 200 μm, internal contact bumps 3 are formed, the grid spacings of which correspond to the contact spacings of a semiconductor component, so that flip-chip contacting is possible directly on the upper side of the connection substrate is. For this purpose, internal contacts in the form of a metal layer are applied to the top of the bumps 3.
Wie in Figur 1 weiter schematisch gezeigt ist, werden bei dieser Ausführungsform jeweils Durchgangslöcher 5 zwischen der Oberseite la und der Unterseite lb des Substratkörpers erzeugt, wobei in diesem Fall die Durchgangslöcher 5 jeweils in eine Einkerbung 2 münden. Über die Metallisierung dieser Durchgangslöcher und der Außenwand der Höcker 3 wird so eine unmittelbare leitende Verbindung von den Innenkontakten 4 ü- ber die Durchgangslöcher 5 zur Unterseite lb des Substratkörpers erzeugt .As shown schematically in FIG. 1, in this embodiment, through holes 5 are produced between the upper side la and the lower side lb of the substrate body, in which case the through holes 5 each open into a notch 2. Via the metallization of these through holes and the outer wall of the bumps 3, a direct conductive connection is thus produced from the inner contacts 4 via the through holes 5 to the underside 1b of the substrate body.
Figur 2 zeigt in einem Schnitt den Aufbau von Innenkontakt- Höckern 3. Nachdem die Einkerbungen 2 und die Durchgangslöcher 5 durch Heißprägen oder mittels Laserbestrahlung in dem Substratkörper 1 erzeugt sind, wird der Substratkörper mit einer Metallisierungsschicht überzogen, welche in einem Strukturierungsvorgang teilweise wieder abgetragen wird, so dass jeweils am Umfang der Innenkontakt-Höcker 3 eine Metall- schicht 6, vorzugsweise eine Kupferschicht, bestehen bleibt, während die Außenwände der Einkerbungen 2 von der Metallisierung befreit werden und somit als Isolationsstrecken wirken. Auf die Spitze der Höcker 3 wird ebenfalls eine Metallisie- rung zur Bildung der Innenkontakte 4 aufgebracht. Dazu kommt noch eine Lotschicht, die hier nicht eigens dargestellt ist. Die Durchgangslöcher 5 sind während des Metallisierungsvor-
gangs ebenfalls mit einer Metallschicht ausgekleidet worden. Die Löcher selbst können anschließend entweder mit Metall oder auch mit einer Kunststoffmasse verschlossen werden.FIG. 2 shows a section of the structure of internal contact bumps 3. After the notches 2 and the through holes 5 have been produced in the substrate body 1 by hot stamping or by means of laser radiation, the substrate body is coated with a metallization layer, which is partially removed again in a structuring process , so that a metal layer 6, preferably a copper layer, remains on the circumference of the inner contact bumps 3, while the outer walls of the notches 2 are freed from the metallization and thus act as insulation sections. Metallization is also applied to the tip of the bumps 3 to form the internal contacts 4. In addition there is a solder layer, which is not shown here. The through holes 5 are made during the metallization process. was also lined with a metal layer. The holes themselves can then be closed either with metal or with a plastic compound.
Figur 3 zeigt wiederum einen Schnitt durch ein schematisch dargestelltes Anschluss-Substrat 1, wobei auf der Oberseite jeweils Innenkontakt-Höcker 3 mit Innenkontakten 4 zur Flip- Chip-Kontaktierung mit Anschlüssen 17 eines Halbleiterchips 7 oder eines anderen Bauelementes ausgebildet sind. Auf der Un- terseite des Substratkörpers sind in gleicher Weise durch ringförmige Einkerbungen 8 jeweils Außenkontakt-Höcker 9 gebildet, welche ebenfalls in die Oberfläche des Substrats versenkt sind und auf ihrer Spitze jeweils einen Außenkontakt 10 tragen. Diese Außenkontakt-Höcker 9 sind in ihrer Größe und in ihrem Rasterabstand an die Anschlüsse einer LeiterplatteFIG. 3 in turn shows a section through a schematically illustrated connection substrate 1, with internal contact bumps 3 with internal contacts 4 for flip-chip contacting with connections 17 of a semiconductor chip 7 or another component being formed on the upper side. On the underside of the substrate body, external contact bumps 9 are formed in the same way by ring-shaped notches 8, which are also recessed into the surface of the substrate and each carry an external contact 10 on their tip. These external contact bumps 9 are in their size and in their grid spacing at the connections of a printed circuit board
11 angepasst. Die Verbindung zwischen den Innenkontakten 4 und den Außenkontakten 10 erfolgt über die metallisierten Durchgangslöcher 5 und eine entsprechende Leiterbahnstruktur11 adjusted. The connection between the inner contacts 4 and the outer contacts 10 takes place via the metallized through holes 5 and a corresponding conductor track structure
12 auf der Unterseite lb des Substratkörpers. Die Metallisie- rung und Strukturierung der Leiterschichten auf der Oberseite und der Unterseite des Substratkörpers können in einem Verfahrenschritt durchgeführt werden.12 on the underside lb of the substrate body. The metallization and structuring of the conductor layers on the top and the bottom of the substrate body can be carried out in one process step.
Figur 4 zeigt eine Abwandlung gegenüber Figur 3. In diesem Fall besteht der Substratkörper aus einem Basis-Substrat 21, auf dessen Unterseite die Außenkontakt-Höcker 9 wie im vorhergehenden Beispiel angeordnet sind. Auf der Oberseite dieses Basissubstrats 21 ist allerdings eine erste Höckerschicht 22 auflaminiert , in der die Innenkontakt-Höcker 3 wie in den vorherigen Beispielen geformt werden. Auf diese Weise kann die Höckerschicht 22 noch besser an die Eigenschaften, insbesondere die Wärmeausdehnungs-Eigenschaften eines aufzulegen-
den Bauelementes angepasst werden, etwa an die Eigenschaften eines Halbleitermaterials.Figure 4 shows a modification to Figure 3. In this case, the substrate body consists of a base substrate 21, on the underside of which the external contact bumps 9 are arranged as in the previous example. However, a first bump layer 22 is laminated onto the top of this base substrate 21, in which the internal contact bumps 3 are shaped as in the previous examples. In this way, the bump layer 22 can better match the properties, in particular the thermal expansion properties, of a can be adapted to the component, for example to the properties of a semiconductor material.
Figur 5 zeigt eine weitere Abwandlung, wobei in diesem Fall das Basis-Substrat 21 nicht nur auf der Oberseite eine erste Höckerschicht 22, sondern auch auf der Unterseite eine zweite Höckerschicht 23, trägt. Somit können die Höckerschichten 22 und 23 in unterschiedlicher Weise jeweils in Anpassung an ihre Kontaktpartner ausgewählt werden, also die erste Höcker- schicht 22 an ein Bauelement-Material und die zweite Höckerschicht 23 an die Eigenschaften eines Leiterplatten-Materials angepasst werden. In Figur 5 ist weiter die Möglichkeit gezeigt, Leiterbahnen auf der Oberseite und der Unterseite des Basis-Substrats 21 aufzubringen und zu strukturieren, bevor die Höckerschichten 22 und 23 auflaminiert werden. Somit durchsetzen die Durchgangslöcher 5 jeweils nur das Basissubstrat 21 und sind auf der Oberseite mit oberseitigen Leiterbahnen 24 und auf der Unterseite mit unterseitigen Leiterbahnen 25 verbunden, die ihrerseits mit Metallisierungen 6 in den Einkerbungen 2 bzw. 8 in Verbindung stehen.FIG. 5 shows a further modification, in which case the base substrate 21 carries not only a first bump layer 22 on the top but also a second bump layer 23 on the bottom. The bump layers 22 and 23 can thus be selected in different ways in each case to match their contact partners, that is to say the first bump layer 22 can be matched to a component material and the second bump layer 23 can be matched to the properties of a printed circuit board material. FIG. 5 also shows the possibility of applying and structuring conductor tracks on the top and the bottom of the base substrate 21 before the bump layers 22 and 23 are laminated on. Thus, the through holes 5 each penetrate only the base substrate 21 and are connected on the upper side to upper-side conductor tracks 24 and on the underside to lower-side conductor tracks 25, which in turn are connected to metallizations 6 in the notches 2 and 8, respectively.
Bei den Anschluss-Substraten gemäß den Figuren 1 bis 4 können Leiterbahnen auf der Unterseite oder auf der Oberseite eines Substratkörpers 31 jeweils in nutenförmigen Gräben 32 ange- ordnet sein, die in Figur 6 lediglich schematisch als kurze Abschnitte gezeigt sind. Solche Gräben können ebenfalls bei der Herstellung des Substrats, d. h. bei der Formung der Einkerbungen 2 durch Heißprägen oder durch Laserstrukturierung, mitgestaltet werden. Vorzugsweise werden in diesen Gräben 32 jeweils die schräg gestellten Seitenwände 33 und 34 metallisiert, während die Bodenflächen 35 und die oberen Randbereiche 36 nicht metallisiert sind und als Isolierstrecken dienen. Auf diese Weise können in einem Graben 32 jeweils zwei
Leiterbahnen an gegenüberliegenden Wänden erzeugt werden. Die Herstellung ist relativ einfach, da nach der Metallisierung der gesamten Oberfläche des Substratkörpers einschließlich der Grabenwände die oberflächlichen Bereiche 36 und die zu der Oberfläche parallelen Bodenbereiche 35 leicht mittels eines Laserstrahls strukturiert, d. h. von der Metallisierung befreit werden können. Lediglich beispielshalber seien hier noch Größenverhältnisse angegeben, die mit einer derartigen Grabenstruktur erreicht werden können. Ein Graben 32 kann im Bodenbereich 35 eine Breite bl von 50 μm besitzen, während der Grabenabstand im Oberflächenbereich eine Breite b2 von ebenfalls 50 μm aufweisen kann. Nimmt man ferner an, dass die schräg verlaufenden Seitenwände 33 und 34 jeweils eine Breite b3 von 25 μm einnehmen, so kann man mit dieser Technik auf einer Gesamtbreite von b4 = 150 μm zwei Leiterbahnen unterbringen. Die Tiefen der Gräben kann in diesem Beispiel ebenfalls bei etwa 50 μm liegen.In the connection substrates according to FIGS. 1 to 4, conductor tracks can be arranged on the underside or on the top of a substrate body 31 in groove-shaped trenches 32, which are shown only schematically in FIG. 6 as short sections. Such trenches can also be shaped during the manufacture of the substrate, ie during the formation of the notches 2 by hot stamping or by laser structuring. The inclined side walls 33 and 34 are preferably metallized in these trenches 32, while the bottom surfaces 35 and the upper edge regions 36 are not metallized and serve as insulating sections. In this way, two can each in a trench 32 Conductor tracks are created on opposite walls. The production is relatively simple, since after the entire surface of the substrate body including the trench walls has been metallized, the superficial regions 36 and the bottom regions 35 parallel to the surface can easily be structured by means of a laser beam, ie can be freed from the metallization. For the sake of example only, size ratios that can be achieved with such a trench structure are given here. A trench 32 can have a width bl of 50 μm in the bottom region 35, while the trench spacing in the surface region can also have a width b2 of 50 μm. If one also assumes that the inclined side walls 33 and 34 each have a width b3 of 25 μm, this technique can be used to accommodate two conductor tracks over a total width of b4 = 150 μm. The depths of the trenches can also be approximately 50 μm in this example.
Figur 7 zeigt ebenfalls schematisch die Gestaltung eines rechteckformigen, sich einseitig verengenden DurchgangslochesFIG. 7 also schematically shows the design of a rectangular through hole that narrows on one side
42. In einem nur angedeuteten Substratkörper 41 ist ein rechteckiges Durchgangsloch 42, beispielsweise durch Heißprägen des Substrats, angeformt. Dabei werden schräge Seitenwände 43, 44, 45 und 46 dadurch erzeugt, dass die Seitenlängen cl und dl an der Oberseite größer sind als die Seitenlängen c2 und d2 auf der Unterseite. Hier sei noch erwähnt, dass Oberseite und Unterseite beim Substratkörper auch vertauscht werden können, so dass beispielsweise die größere Lochweite wahlweise auf der Chipseite des Anschluss-Substrats oder auf der Leiterplattenseite vorgesehen werden kann.42. A rectangular through hole 42 is formed in a substrate body 41, which is only indicated, for example by hot stamping the substrate. In this case, inclined side walls 43, 44, 45 and 46 are produced in that the side lengths cl and dl on the upper side are greater than the side lengths c2 and d2 on the underside. It should also be mentioned here that the top and bottom sides of the substrate body can also be interchanged, so that, for example, the larger hole width can optionally be provided on the chip side of the connection substrate or on the circuit board side.
Nach der allseitigen Metallisierung des Substratkörpers 41 und auch des Durchgangslochs 42 werden dann zwei gegenüber-
liegende Seiten, beispielsweise die Seiten 45 und 46, von der Metallisierung befreit, so dass zwei mit Metall beschichtete, voneinander isolierte Seitenflächen 43 und 44 bestehen bleiben. Diese bilden dann zwei getrennte Leiterbahn- Durchführungen von der Oberseite zu der Unterseite des Substrats. Durchführungen dieser Art können im Substratkörper jeweils dort vorgesehen werden, wo es am günstigsten ist. Vorteilhaft ist beispielsweise ein derartiges Durchgangsloch im Bereich eines Grabens 32 gemäß Figur 6. So könnte bei- spielsweise eine Leiterbahn 33 von Figur 6 mit einer Durchführungs-Leiterbahn 43 und eine Leiterbahn 34 mit einer Durchführungs-Leiterbahn 44 verbunden werden.After the all-round metallization of the substrate body 41 and also the through hole 42, two opposing lying sides, for example sides 45 and 46, are freed from the metallization so that two side surfaces 43 and 44 coated with metal and insulated from one another remain. These then form two separate interconnect bushings from the top to the bottom of the substrate. Feedthroughs of this type can be provided in the substrate body where it is cheapest. Such a through hole in the region of a trench 32 according to FIG. 6 is advantageous, for example. For example, a conductor track 33 from FIG. 6 could be connected to a feed-through conductor track 43 and a conductor track 34 to a feed-through conductor track 44.
In den Figuren 8 und 9 sind jeweils schematisch mögliche Ges- taltungen der Oberseite eines Anschluss-Substrats (Figur 8) und der Unterseite (Figur 9) gezeigt. Die Schemata von Figur 8 und Figur 9 stehen jedoch nicht in Korrelation zueinander, es handelt sich lediglich um prinzipielle Anordnungsmöglichkeiten der jeweiligen Anschluss-Elemente des Substrats.FIGS. 8 and 9 each schematically show possible configurations of the top side of a connection substrate (FIG. 8) and the bottom side (FIG. 9). However, the diagrams in FIGS. 8 and 9 are not correlated with one another, they are merely basic arrangement options for the respective connection elements of the substrate.
So zeigt Figur 8 eine Reihe von Innenkontakt-Höckern 3, wie sie in Figur 1 bis 5 gezeigt sind. Diese tragen jeweils einen Innenkontakt 4. Von diesen Innenkontakt-Höckern gehen teilweise Leiterbahnen 13 ab, die bei entsprechender Gestaltung auch wie die Leiterbahnen 33 bzw. 34 (Figur 6) in Gräben angeordnet sein können. Jeweils zwei dieser Leiterbahnen 13 führen zu einem rechteckigen Durchgangsloch 42 gemäß Figur 7 mit Durchgangs-Leiterbahnen 43 und 44.8 shows a series of internal contact bumps 3, as shown in FIGS. 1 to 5. These each have an internal contact 4. From these internal contact bumps, conductor tracks 13 partially depart, which, with a corresponding design, can also be arranged in trenches like the conductor tracks 33 and 34 (FIG. 6). Two of these conductor tracks 13 lead to a rectangular through hole 42 according to FIG. 7 with through conductor tracks 43 and 44.
Weitere Innenkontakt-Höcker 3 in Figur 8 mit Innenkontakten 4 sind jeweils mit runden Durchgangslöchern 5 wie in den Figuren 1 bis 4 verbunden. Diese Durchgangslöcher können unmittelbar neben den Höckern 3 im Bereich der ringförmigen Ein-
kerbungen 2 angeordnet sein. Andere wiederum sind über zusätzliche Leiterbahnen 14 mit einem entfernten Durchgangsloch 5 verbunden.Further internal contact bumps 3 in FIG. 8 with internal contacts 4 are each connected to round through holes 5 as in FIGS. 1 to 4. These through holes can be located directly next to the bumps 3 in the area of the ring-shaped notches 2 may be arranged. Others in turn are connected to a remote through hole 5 via additional conductor tracks 14.
Figur 9 zeigt eine mögliche Anordnung einer Leiterplatten-FIG. 9 shows a possible arrangement of a printed circuit board
Anschluss-Seite im Ausschnitt. Auch auf dieser Seite sind Höcker vorgesehen, nämlich die Außenkontakt-Höcker 9 mit den Außenkontakten 10, die durch ringförmige Einkerbungen 8 gebildet sind. Auch in diesem Fall sind zwei Arten von Durch- gangslöchern dargestellt, nämlich runde Durchgangslöcher 5, die unmittelbar im Bereich einer ringförmigen Einkerbung 8 angelegt sein können, und rechteckfδrmige Durchgangslöcher 42, die gemäß Figur 7 ausgebildet sind. Diese Durchgangslöcher sind jeweils mit Leiterbahnen verbunden, beispielsweise Leiterbahnpaaren 33 und 34, die gemäß Figur 6 in einem gemeinsamen Graben 32 angeordnet sind. In Figur 9 ist gezeigt, wie diese beiden Leiterbahnen 33, 34 mit den beiden leitenden Seitenwänden 43 und 44 eines Durchgangsloches verbunden sind.Connection side in the cutout. Bumps are also provided on this side, namely the external contact bumps 9 with the external contacts 10, which are formed by annular notches 8. In this case too, two types of through holes are shown, namely round through holes 5, which can be created directly in the area of an annular notch 8, and rectangular through holes 42, which are designed according to FIG. These through holes are each connected to conductor tracks, for example conductor track pairs 33 and 34, which are arranged in a common trench 32 according to FIG. 6. FIG. 9 shows how these two conductor tracks 33, 34 are connected to the two conductive side walls 43 and 44 of a through hole.
In den Figuren 10 bis 12 sind schematisch weitere Abwandlungen des Anschluss-Substrats bzw. des erfindungsgemäßen Moduls gezeigt. Figur 10 zeigt schematisch einen Substratkδrper 51, auf dessen Oberseite Innenanschluss-Höcker 53 im Vergleich mit Figur 2 nicht durch ringförmige Einkerbungen, sondern durch großflächige Abtragung bzw. Verformung der Bereiche 52 unter die Oberflächenebene 55 erzeugt sind. Neben den Innenkontakt-Höckern 53 bleiben in diesem Fall lediglich Randbereiche 56 und ein Zwischensteg 57 in der ursprünglichen Höhe bestehen. Die Innenkontakt-Höcker 53 werden dann - nach einer vorherigen Grund-Metallisierung - mit einer Lotschicht 54 zurFIGS. 10 to 12 schematically show further modifications of the connection substrate or the module according to the invention. FIG. 10 schematically shows a substrate body 51, on the upper side of which internal connection bumps 53 are produced in comparison to FIG. 2 not by ring-shaped notches but by large-area removal or deformation of the areas 52 below the surface plane 55. In this case, in addition to the inner contact bumps 53, only edge regions 56 and an intermediate web 57 remain in the original height. The inner contact bumps 53 are then - after a previous basic metallization - with a solder layer 54
Bildung der lötbaren Innenkontakte versehen.
Vor dem Aufbringen der Lotschicht 54 werden zweckmäßigerweise die Bereiche um die Innenkontakt-Höcker 53 mit einem Lotre- sist 58 bedeckt (Figur 11) , um den notwendigen Isolationsabstand zwischen den einzelnen Höckern sicherzustellen. Dieses Lotresist wird beispielsweise durch Aufsprühen mit nachfolgender Laserstrukturierung oder durch Aufbringen einer lichtempfindlichen Schicht mit nachfolgender Belichtung erzeugt und strukturiert . Für das Aufbringen der Lotbeschichtung 54 kommen bekannte Verfahren, wie Siebdruck, in Betracht.Formation of the solderable internal contacts provided. Before the solder layer 54 is applied, the areas around the internal contact bumps 53 are expediently covered with a solder resist 58 (FIG. 11) in order to ensure the necessary insulation distance between the individual bumps. This solder resist is produced and structured, for example, by spraying with subsequent laser structuring or by applying a light-sensitive layer with subsequent exposure. Known methods, such as screen printing, are suitable for applying the solder coating 54.
Figur 12 zeigt noch einmal im Schnitt ein erfindungsgemäßes Modul, wobei auf einem Substratkδrper 61 die Oberseite zur Bildung von Innenkontakt-Höckern 63 abgetragen bzw. verformt ist, so daß lediglich Randbereiche 66 stehen bleiben. Auf diesen Innenkontakt-Höckern 63 mit ihrer Lotbeschichtung 64 wird ein Halbleiterchip 7 über seine Anschlüsse 17 im engen Rasterabstand kontaktiert.FIG. 12 once again shows a section of a module according to the invention, the upper side being removed or deformed on a substrate body 61 to form internal contact bumps 63, so that only edge regions 66 remain. On these internal contact bumps 63 with their solder coating 64, a semiconductor chip 7 is contacted via its connections 17 in a narrow grid spacing.
Die Unterseite des Substratkörpers 61 ist in gleicher Weise zur Bildung von Außenkontakt-Höckern 68 zwischen den Randbereichen 67 weitgehend abgetragen. Da aber die Außenkontakt- Höcker 68 in Anpassung an die Leiterplatten-Anschlüsse einen größeren Rasterabstand besitzen als die Innenkontakt-Höcker 63, können auf der Unterseite des Substratkörpers 61 weitere Zwischenstege 69 stehen bleiben, auf denen beispielsweiseThe underside of the substrate body 61 is largely removed in the same way to form external contact bumps 68 between the edge regions 67. However, since the external contact bumps 68 have a larger grid spacing than the internal contact bumps 63 in adaptation to the printed circuit board connections, further intermediate webs 69 can remain on the underside of the substrate body 61, on which, for example
Leiterbahnen oder dergleichen angeordnet sein können. Es sei darauf hingewiesen, daß die Gestaltung der Vertiefungen zwischen den einzelnen Höckern auf der Oberseite bzw. Unterseite des Substratkörpers beliebig sein kann, je nach dem angewen- deten Verformungsverfahren. In jedem Fall sind die Höcker unter das ursprüngliche Oberflächenniveau des Substratkörpers versenkt, also unter das oberseitige Oberflächenniveau 65 und
unter das unterseitige Oberflächenniveau 70 des Substratkörpers .
Conductor tracks or the like can be arranged. It should be pointed out that the design of the depressions between the individual bumps on the top or bottom of the substrate body can be as desired, depending on the deformation method used. In any case, the bumps are sunk below the original surface level of the substrate body, that is, below the upper surface level 65 and below the underside surface level 70 of the substrate body.