DE102006006561B4

DE102006006561B4 - Flip-Chip-Modul und Verfahren zum Austauschen eines Halbleiterchips eines Flip-Chip-Moduls

Info

Publication number: DE102006006561B4
Application number: DE102006006561A
Authority: DE
Inventors: Ernst-A Weißbach; Jürgen Ertl
Original assignee: HTC Beteiligungs GmbH
Current assignee: HTC Beteiligungs GmbH
Priority date: 2006-02-13
Filing date: 2006-02-13
Publication date: 2009-03-05
Anticipated expiration: 2026-02-14
Also published as: DE102006006561A1; US8084298B2; EP1987534A1; US20090085203A1; WO2007093350A1; KR20090055519A

Abstract

Flip-Chip-Modul umfassend
– zumindest einen Halbleiterchip (2), der an einer Oberfläche (3) etwa senkrecht zur Oberfläche (3) angeordnete Kontaktsäulen (4) aufweist, die an ihren freien Enden Stirnflächen (9) aufweisen,
– ein Substrat (8), das an einer Oberfläche Kontaktstellen (7) aufweist, die mit jeweils einer der Stirnflächen (9) einer der Kontaktsäulen (4) mittels jeweils einer Lötverbindung verbunden sind, wobei
die Stirnflächen der Kontaktsäulen die jeweilige Kontaktstelle vollständig überdecken, wobei die Stirnflächen der Kontaktsäulen größer als die jeweilige Fläche der entsprechenden Kontaktstellen sind, so dass die Stirnflächen am Rand der Kontaktstellen ein Stück überstehen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Flip-Chip-Modul und ein Verfahren zum Austauschen eines Halbleiterchips eines solchen Flip-Chip-Moduls. Das Flip-Chip-Modul umfasst einen Halbleiterchip, der an einer Oberfläche etwa senkrecht zur Oberfläche angeordnete Kontaktsäulen aufweist, und ein Substrat, das Kontaktstellen aufweist, die mit den freien Enden der Kontaktsäulen verlötet sind.
Ein solches Flip-Chip-Modul ist aus der US 6 578 754 B1 bekannt. Die Kontaktsäulen bestehen aus einem Abschnitt, der im wesentlichen Kupfer enthält und einen kürzeren Abschnitt, der aus dem mit den Kontaktstellen des Substrates in Verbindung stehenden Lötmaterial besteht. Die Länge des Kupferabschnittes beträgt zumindest 50 μm. Mit diesen Kontaktsäulen sollen Kontaktstellen kontaktierbar sein, die in einem regelmäßigen Raster angeordnet sind, dessen Rasterabstand kleiner als 100 μm vorzugsweise im Bereich von 80 bis 100 μm liegt. Durch das Vorsehen definierter Kontaktsäulen werden im Vergleich zu herkömmlichen Flip-Chip-Modulen erhebliche Vorteile erzielt, die vor allem darin liegen, dass die Gefahr eines Kurzschlusses zwischen benachbarten Kontaktstellen bei weitem geringer ist als bei herkömmlichen Flip-Chip-Modulen, bei welchen alleine mit etwa kugelförmigen Kontaktelementen aus Lötmaterial die Verbindung zwischen dem Substrat und dem Halb leiterchip bewerkstelligt wird. Daher ist es möglich zuverlässig Kontaktstellen in einem Raster von weniger als 100 μm zu kontaktieren.
Es wird auch auf die US 6 550 666 B2 und die US 6 592 019 B2 verwiesen, in welchen weitere Ausführungsformen des oben beschriebenen Flip-Chip-Moduls dargelegt sind.
Aus der US 6 225 206 B1 geht ein Flip-Chip-Modul hervor, das ein erstes Substrat aufweist, das ein Chip oder ein Modul ist, und ein zweites Substrat, das falls das erste Substrat ein Chip ist, ein Chipcarrier oder eine Schaltungskarte ist. Am ersten Substrat, dem Chip, ist an den Kontaktstellen jeweils ein Leitkörper aus Lötmaterial in der Form einer Säule ausgebildet. Die Säule kann eine Höhe von 50 mils bis etwa 87 mils aufweisen. Mit dieser Säule wird eine Kontaktstelle des zweiten Substrates elektrisch verbunden, wobei zwischen der Kontaktstelle und der Säule ein Lötabschnitt vorgesehen ist. Weiterhin besitzt das Material der Säule einen höheren Schmelzpunkt als das Material des Lötabschnittes.
Weiterhin besitzt dieses Flip-Chip-Modul alle Vorteile herkömmlicher Flip-Chip-Module gegenüber Drahtverbindungen (wire-bonding). Insbesondere ist der Weg der elektrischen Leitung zwischen dem Halbleiterchip und dem Substrat und damit der Signalweg sehr kurz.
Es besteht ein erheblicher Bedarf mehrere DRAM-Speicherchips mittels eines Flip-Chip-Moduls direkt ohne den Umweg einer zusätzlichen Verdrahtungsebene zu kontaktieren, da zum einem durch die Vielzahl der Verbindung das herkömmliche Kontaktieren mittels Drähten praktisch kaum mehr durchführbar ist und zum anderen die gewünschten Datentransferraten mit herkömmlichen Drahtverbindungen nicht möglich sind.
Die Kontaktstellen dieser DRAM-Speicherchips sind mit einem Rasterabstand von weniger als 100 μm angeordnet, was im Fachjargon als "Fine-Pitch" bezeichnet wird. Ein derartiger Fine-Pitch kann mit den oben erläuterten Kontaktsäulen kontaktiert werden. Herkömmliche Kontaktierungstechnologien für Flip-Chip-Module sind hierzu nicht geeignet. Weiterhin ist zu berücksichtigen, dass für die Leiterbahnen innerhalb des Chips zunehmend Materialien mit geringer Dielektrizität (low k passivation materials) verwendet werden, die mechanisch schwach sind, weshalb eine auf ein solchen Halbleiterchip ausgeübte mechanische Spannung zu Rissen und Brüchen in der Passivierungsschicht führt.
Aus der nicht vorveröffentlichten deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2005 043 910 A1 geht ein Flip-Chip-Modul mit einem Kontaktsäulen aufweisenden Halbleiterchip hervor, wobei die Kontaktsäulen mit einem Substrat elektrisch und mechanisch verbunden sind. Zwischen dem Substrat und dem Halbleiterchip ist ein Abstandshalter vorgesehen, der zumindest am Substrat mechanisch gekoppelt ist. Hierdurch werden thermische Spannungen im Flip-Chip-Modul durch den Abstandshalter aufgenommen und vom Halbleiterchip abgehalten.
Bei allen bekannten Ausführungsformen eines Flip-Chip-Moduls mit einem Kontaktsäulen aufweisenden Halbleiterchip ist zwischen den Kontaktstellen des Substrates und den Kontaktsäulen jeweils eine Schicht aus erstarrtem Lot angeordnet.
Bei Flip-Chip-Modulen können die einmal auf einem Substrat befestigten Halbleiterchips nicht ausgetauscht werden. Dies gilt gleichermaßen für die oben erläuterten Flip-Chip-Module mit senkrecht an der Oberfläche eines Halbleiterchips angeordneten Kontaktsäulen als auch für herkömmliche Flip-Chip-Module, wie zum Beispiel BGA-Flip-Chip-Module (ball grid array), bei welchen die Halbleiterchips direkt mittels einer Lötkugel mit den Kontaktstellen am Substrat verbunden sind. Die hierbei verwendeten Lötverfahren sind zudem sehr aufwändig, da eine Maske aus isolierendem Material vorgesehen werden muss, die sicherstellt, dass das Lot einer bestimmen Kontaktstelle nicht beim Löten in Berührung mit einer weiteren Kontaktstelle gelangt und einen Kurzschluss erzeugt. All diesen Flip-Chip-Modulen ist gemeinsam, dass beim Auftrennen der Lötverbindung ein Rest an Lot auf den jeweiligen Kontaktstellen des Substrates verbleibt. Die Menge dieses Restes ist nicht definiert, wodurch an den Kontaktstellen unterschiedliche Erhöhungen durch die Reste an Lot ausgebildet sind. Ein Substrat mit derart unebenen Kontaktstellen kann nicht mehr mit einem Halbleiterchip zuverlässig kontaktiert werden.
Andererseits gibt es bereits seit einiger Zeit Flip-Chip-Module, die auf einem Substrat mehrere Halbleiterchips umfassen. Stellt sich heraus, dass ein Halbleiterchip nicht korrekt funktioniert, dann ist das gesamte Flip-Chip-Modul Ausschuss, auch wenn die weiteren Halbleiterchips auf dem Flip-Chip-Modul in Ordnung sein sollten, da ein einzelner Halbleiterchip nicht ausgetauscht werden kann.
Um derartige Probleme zu vermeiden, müssten alle Halbleiterchips einzeln vorab getestet werden. Das Testen von Halbleiterchips ist jedoch sehr teuer. Das Testen eines Flip-Chip-Moduls ist hingegen wesentlich günstiger als das Durchführen von mehreren separaten Tests für die jeweiligen Halbleiterchips, da in einem Testvorgang das gesamte Flip-Chip-Modul getestet werden kann und die Kontaktstellen eines Flip-Chip-Moduls wesentlich einfacher zugänglich sind als die eines Halbleiterchips.
Je nach den wirtschaftlichen Rahmenbedingungen hat man deshalb entweder die hohen Kosten der mehreren einzelnen Tests der Halbleiterchips oder die hohen Kosten des Ausschusses vollständiger Flip-Chip-Module in Kauf genommen.
Die US 6 050 476 A offenbart ein Flip-Chip-Modul, bei dem ein Chip mittels Kaltlöten mit einem Substrat verbunden wird. Hierbei sind an den Oberflächen der Kontaktstellen des Chips und des Substrates dünne Schichten aus Indium vorgesehen. Werden zwei solche Kontaktstellen miteinander in Berührung gebracht und unter Druck gesetzt, dann verbinden sie sich mechanisch und elektrisch (Kaltlöten). Die Kontaktstellen des Chips sind hierbei vorzugsweise wesentlich größer als die Kontaktstellen des Substrates, wodurch es möglich ist, die Kontaktstellen des Substrates an mehreren unterschiedlichen Stellen der jeweiligen Kontaktfläche des Chips zu positionieren, die sich nicht überlappen. Dies erlaubt die Entfernung eines Chips von einem Substrat und die erneute Verwendung des Chips, wobei bei der erneuten Verwendung jeweils andere Bereiche der Kontaktstellen mit den Kontaktstellen des neuen Substrates in Verbindung gebracht werden.
Aus der US 6 182 884 B1 und der DE 199 03 957 A1 gehen relativ aufwendige Vorrichtungen und Verfahren zum Wiederbearbeiten von Flip-Chip-Modulen hervor, mit welchen eine Lötverbindung getrennt und das entsprechende Lot entfernt werden kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Flip-Chip-Modul zu schaffen, umfassend mindestens einen Halbleiterchip und ein Substrat, bei dem es möglich ist, den Halbleiterchip vom Substrat zu entfernen und zuverlässig das Substrat mit einem anderen Halbleiterchip wieder zu verbinden.
Diese Aufgabe wird durch ein Flip-Chip-Modul mit dem Merkmal des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben.
Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Austauschen eines Halbleiterchips eines solchen Flip-Chip-Moduls zu schaffen, das einfach und zuverlässig ausführbar ist.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Austauschen eines Halbleiterchips eines Flip-Chip-Moduls mit den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben.
Das erfindungsgemäße Flip-Chip-Modul umfasst:

– zumindest einen Halbleiterchip, der an einer Oberfläche etwa senkrecht zur Oberfläche angeordnete Kontaktsäulen aufweist, die an ihren freien Enden Stirnflächen aufweisen,
– ein Substrat, das an einer Oberfläche Kontaktstellen aufweist, die mit jeweils einer der Stirnflächen einer der Kontaktsäulen mittels jeweils einer Lötverbindung verbunden sind, wobei die Stirnflächen der Kontaktsäulen die jeweilige Kontaktstelle vollständig überdecken, wobei die Stirnflächen der Kontaktsäulen größer als die jeweilige Fläche der entsprechenden Kontaktstellen sind, so dass die Stirnflächen am Rand der Kontaktstellen ein Stück überstehen.

Da die Stirnflächen der Kontaktsäulen die jeweilige Kontaktstelle vollständig überdecken und an ihnen ein Stück am Rand überstehen, ist es möglich, dass bei einem erneuten Überführen des Lots von Lötverbindungen in den fließfähigen Zustand der Halbleiterchip und das Substrat zusammengedrückt werden können, wodurch aus dem Zwischenbereich zwischen den Stirnflächen der Kontaktsäulen und den Kontaktstellen das gesamte Lot heraus gedrückt wird. Da die Kontaktstellen von den Stirnflächen der Kontaktsäulen vollständig überdeckt werden, werden die Kontaktstellen im zusammengedrückten Zustand vollständig von den Stirnflächen der Kontaktsäulen bedeckt, wodurch die Kontaktstellen fast vollständig frei von Lot sind und wieder eine ebenflächige Kontaktfläche bilden.
Beim erneuten Aufsetzen eines Halbleiterchips auf die Kontaktstellen stört der am Umfangsbereich befindliche Rest an Lot nicht. Da die Kontaktstelle mit ihren Kontaktflächen frei liegen, kann ein weiterer Halbleiterchip exakt auf den Kontaktstellen positioniert werden und eine neue Lötverbindung am Umfangsbereich ausgebildet werden. Das neu zugeführte Lot verbindet sich hierbei mit den bereits vorhandenen Resten an Lot, ohne dass hierdurch irgendwelche Beeinträchtigungen verursacht werden.
Ein solches Flip-Chip-Modul erlaubt somit den Austausch des darauf befindlichen Halbleiterchips.
Bei solchen Flip-Chip-Modulen macht es somit Sinn, die einzelnen Halbleiterchips nicht separat zu testen, bevor sie auf das Substrat aufgebracht werden, sondern das gesamte Flip-Chip-Modul als Einheit zu testen, was wesentlich günstiger ist als die einzelnen Tests der Halbleiterchips. Defekte Halbleiterchips können nach einem entsprechenden Test ausgetauscht werden.
Vorzugsweise sind die Kontaktstellen des Substrats bezüglich der Oberfläche des Substrats etwas erhaben ausgebildet. Hierdurch wird sichergestellt, dass der Rest an Lot, der nach dem Trennen eines Halbleiterchips auf dem Substrat verbleibt, sich am Umfangbereich der Kontaktstellen anlagert und nicht auf den zum Halbleiterchip wei senden Flächen, den Kontaktflächen, der Kontaktstellen verbleibt. Der Rest an Lot befindet sich somit unterhalb des Niveaus der Kontaktflächen der Kontaktstellen.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren zum Austauschen eines Halbleiterchips eines solchen Flip-Chip-Moduls werden die bestehenden Lötverbindungen über den Fließpunkt erwärmt, der Halbleiterchip und das Substrat derart zusammengedrückt, dass das Lot fast vollständig aus den Bereichen zwischen den Stirnflächen der Kontaktsäulen und den Kontaktstellen herausgedrückt wird, der Halbleiterchip vom Substrat abgenommen und ein weiterer Halbleiterchip darauf befestigt.
Hierdurch wird sichergestellt, dass im Kontaktbereich zwischen den Kontaktstellen und den Kontaktsäulen keine Mengen an Lot verbleiben, die ein erneutes Befestigen eines weiteren Halbleiterchips behindern würden.
Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft anhand der Zeichnungen erläutert. Die Zeichnungen zeigen schematisch in:
1a und 1b das Befestigen eines Halbleiterchips auf einem Substrat eines Flip-Chip-Moduls,
2a bis 2c das Lösen des Halbleiterchips vom Substrat eines erfindungsgemäßen Flip-Chip-Moduls, und
3a bis 3c den Verbindungsbereich zwischen einer Kontaktsäule und einer Kontaktstelle während des Austauschens eines Halbleiterchips.
Ein Flip-Chip-Modul 1 (1a, 1b) umfasst einen Halbleiterchip 2, der an einer Oberfläche 3 I/O-Kontaktstellen aufweist. An den I/O-Kontaktstellen sind Kontaktsäulen 4 angeordnet, die jeweils senkrecht auf der Oberfläche 3 stehen.
Diese Kontaktsäulen werden gemäß einem Verfahren erzeugt, wie es in der US 6 578 754 B1 , US 6 550 666 B2 bzw. der US 6 592 019 B2 beschrieben ist. Es wird deshalb vollinhaltlich auf diese Patente Bezug genommen und sie werden in die vor liegende Anmeldung inkorporiert. Die Kontaktsäulen 4 weisen an ihren freien Enden Stirnflächen 9 auf, an welchen jeweils ein Lotabschnitt 6 angeordnet ist (1a). Die Länge der Kontaktsäulen beträgt mindestens 20 μm und liegt vorzugsweise im Bereich von 50 μm bis 100 μm. Die Metallsäule 5 ist vor allem aus Kupfer und/oder Gold ausgebildet, ist unmittelbar am Halbleiterchip 2 angeordnet und steht im elektrischen Kontakt mit einer Leiterbahn des Halbleiterchips 2. Die Lotabschnitte 6 sind an den vom Halbleiterchip 2 entfernten Enden der Kontaktsäulen 4 angeordnet und dienen zum mechanischen und elektrischen Verbinden mit Kontaktstellen 7 eines Substrates 8. Die Lotabschnitte 6 sind auf Stirnflächen 9 der freien Enden des Substrates 8 angeordnet. Das Lot der Lotabschnitte 6 ist beispielsweise eine Zinn/Blei-Legierung oder kann auch bleifreies Lot sein.
Das Flip-Chip-Modul 1 zeichnet sich dadurch aus, dass die Stirnflächen 9 der Kontaktsäulen 4 die Kontaktstellen 7 vollständig überdecken. Dies heißt, dass die Stirnflächen 9 zumindest die Größe der Fläche der jeweiligen Kontaktstelle 7 in der Draufsicht aufweisen und so angeordnet sind, dass die jeweilige Kontaktstelle 7 vollständig sich unterhalb der entsprechenden Stirnfläche 9 befindet. Die Stirnfläche 9 und die jeweilige Kontaktstelle 7 muss hierbei nicht in Kontakt stehen. Die Stirnfläche 9 kann und sollte in der Regel auch etwas beabstandet von der Kontaktstelle 7 angeordnet sein.
Vorzugsweise sind die Kontaktstellen 7 bezüglich der Oberfläche des Substrates 8 etwas erhaben ausgebildet.
In 1a ist das Flip-Chip-Modul während des Lötvorganges dargestellt. Der Lotabschnitt 6 und die Kontaktstellen 7 sind mit Flussmaterial 10 benetzt. Das Flussmaterial 10 kann vorab auf die Kontaktstellen 7 und/oder auf die Lotabschnitte 6 aufgebracht werden. Beim Lötvorgang wird durch Erwärmen das Lot in den fließfähigen Zustand und in Kontakt mit der jeweiligen Kontaktstelle 7 gebracht. Das Lot umfließt die Kontaktstelle 7 und bildet mit dieser eine intermetallische Verbindung aus. Nach dem Abkühlen erstarrt das Lot und der Halbleiterchip 2 ist sowohl mechanisch als auch elektrisch mit dem Substrat verbunden (1b).
Bei diesem Lötvorgang müssen keine Masken verwendet werden, wie sie bei BGA-Flip-Chip-Modulen üblich sind. Das Lot verbleibt in dem Zwischenbereich zwischen den Stirnflächen und der jeweiligen Kontaktstelle 7, wobei das erstarrte Lot 11 auch den Umfangsbereich der Kontaktstelle 7 umfassen kann.
In den 2a bis 2c ist das Lösen des Halbleiterchips 2 eines Flip-Chip-Moduls 1 gemäß der Erfindung, vom Substrat 8 gezeigt.
Zunächst werden die Lötverbindungen zwischen dem Halbleiterchip 2 und dem Substrat 8 erwärmt, damit das Lot 11 wieder einen fließfähigen Zustand einnimmt. Das Erwärmen erfolgt mittels eines heißen Stempels 12, der von oben auf den zu entfernenden Halbleiterchip 2 aufgesetzt wird. Die Wärme fließt dann vom Stempel 12 über den Halbleiterchip 2 und den Kontaktsäulen 4 zu dem Lot 11.
Ist das Lot 11 im fließfähigen Zustand, werden der Halbleiterchip 2 und das Substrat 8 zusammengedrückt. Dies wird mittels des Stempels 12 ausgeführt, der von oben auf den Halbleiterchip 2 drückt. Hierdurch wird das fließfähige Lot aus den Bereichen zwischen den Stirnflächen 9 und den der Stirnflächen 9 gegenüberliegenden Oberflächen der Kontaktstellen 7, den Kontaktflächen 5 herausgedrückt. Hierdurch stehen die Stirnflächen 9 in Berührung mit den jeweiligen Kontaktstellen 7. Da die Stirnflächen 9 die Kontaktstellen 7 vollständig überdecken, sind die Kontaktflächen 5 der Kontaktstellen 7 fast vollständig frei von Lot (2b).
Der Zustand, in dem die Stirnflächen 9 mit den Kontaktstellen 7 in Berührung stehen, wird mittels eines Drucksensors automatisch erkannt. Danach wird die Temperatur des Stempels 12 abgesenkt, so dass sich das Lot 11 wieder etwas unter den Fließpunkt abkühlt, wodurch das Lot 11 sich etwas verfestigt.
Der Halbleiterchip 2 wird vom Substrat abgenommen, beispielsweise indem an den Stempel ein Unterdruck angelegt wird, mit dem der Halbleiterchip 2 an den Stempel 12 gesaugt wird, so dass beim Anheben des Stempels 12 der Halbleiterchip 2 mitgenommen wird. Es kann jedoch auch ein mechanischer Greifer zum Abheben des Halbleiterchips 2 verwendet werden.
Es hat sich gezeigt, dass der Großteil des Lots 11 an den Kontaktsäulen 4 haftet. Lediglich geringe Restmengen bleiben an den Umfangsbereichen der Kontaktstellen 7 haften. Die Kontaktflächen 5 der Kontaktstellen 7 sind fast vollständig frei von Lot, so dass die Kontaktstellen 7 wieder definierte zur Aufnahme eines weiteren Halbleiterchips geeignet Kontaktflächen 5 ausbilden.
3a zeigt den Kontaktbereich zwischen einer Kontaktsäule 4 und der entsprechenden Kontaktstelle 7, die hier in Berührung stehen. Das Lot 11 ist aus dem Zwischenbereich herausgedrückt und haftet am Umfang der Kontaktsäule 4, dem Abschnitt der Stirnfläche 9, der über die Kontaktstelle 7 vorsteht und am Umfang der Kontaktstelle 7. Zwischen dem Lot und der Kontaktstelle 7 und der Kontaktsäule 4 bildet sich eine intermetallische Verbindung 13 aus. An der Grenzfläche 14 zwischen dem Substrat 8 und dem Lot haftet das Lot wesentlich schwächer am Substrat als an der metallischen Kontaktstelle 7 und der metallischen Kontaktsäule 4. Beim Hochziehen des Halbleiterchips 2 und der entsprechenden Kontaktsäule 4 reißt das Lot und bildet aufgrund der Scherkräfte von der jeweiligen Stirnfläche 9 schräg nach unten verlaufende Rissflächen 15. Das restliche Lot 16 an den Kontaktstellen 7 erstreckt sich somit von den Rändern der Kontaktstellen 7 schräg nach unten und steht somit nicht über die nach oben weisenden Kontaktflächen 5 der Kontaktstellen 7. Die Kontaktstellen 7 weisen somit wieder glatte, definierte Kontaktflächen 5 auf (3b).
Auf dem Substrat 8 kann erneut ein weiterer Halbleiterchip befestigt werden. Hierzu wird, wie es oben anhand der 1a und 1b beschrieben ist, ein Halbleiterchip 2 mit seinen Kontaktsäulen 4 mit den entsprechenden Kontaktstellen 2 des Substrates verlötet. Die Lotreste 16 an den Kontaktstellen 7 verbinden sich mit den neu hinzu geführten Lot 6 des neuen Halbleiterchips 2 (3c).
Das erfindungsgemäße Flip-Chip-Modul erlaubt somit auf einfache Art und Weise ein sicheres Entfernen eines Halbleiterchips, wobei wieder benutzbare Kontaktstellen 7 am Substrat freigelegt werden. Wesentlich hierfür ist, dass die Stirnflächen 9 die Kontaktstellen 7 bzw. deren Kontaktflächen 5 vollständig überdecken, damit das Lot durch Zusammendrücken der Stirnflächen 9 und der Kontaktflächen 5 fast vollständig aus dem Zwischenbereich herausgedrückt werden kann.
Gemäß der Erfindung sind die Stirnflächen 9 größer als die Kontaktflächen 5 ausgebildet, so dass sie zum Beispiel im Mittel etwa um 2 μm bis 10 μm und vorzugsweise etwa um 3 μm bis 5 μm am Rand der Kontaktstellen überstehen. Hierdurch wird sichergestellt, dass beim Abheben kein an den Kontaktstellen 7 haftendes Lot wieder mit den Kontaktflächen 5 in Berührung kommt.
Weiterhin ist von Vorteil, wenn die Kontaktstellen 7 erhaben bezüglich der Oberfläche des Substrates 8 ausgebildet sind, da dann nach dem Trennen eines Halbleiterchips 2 vom Substrat 8 die Lötreste 16 auf dem Substrat verbleiben können, wobei sie sich jedoch unter dem Niveau der Kontaktflächen 5 befinden und so eine weitere Kontaktierung nicht mehr stören. Die Höhe der Kontaktstellen beträgt etwa 10 μm bis 50 μm und liegt vorzugsweise im Bereich von 15 μm bis 25 μm.
Bei dem erfindungsgemäßen Flip-Chip-Modul ist die Qualität der Verbindung zwischen dem Substrat und dem Halbleiterchip 2 nach dem Austauschen eines Halbleiterchips 2 genau so gut wie nach dem erstmaligen Verbinden des Halbleiterchips mit dem Substrat.
Ferner hat sich gezeigt, dass dieses System aus Kontaktsäule, Lötabschnitt und erhabene Kontaktstelle selbstzentrierend ist.
Beim Zusammendrücken des Halbleiterchips 2 mit dem Substrat 8 bilden die Kontaktstellen 7 jeweils ein Stoppelement, an dem die Kontaktsäulen 4 anschlagen.
Die vorliegende Erfindung kann auch an einem Flip-Chip-Modul angewandt werden, wie es in der deutschen Patentanmeldung DE 10 2005 043 910 bzw. DE 10 2005 050 150 beschrieben ist. Auf diese Patentanmeldungen wird deshalb vollinhaltlich verwiesen und sie werden unter in-Bezug-Nahme in die vorliegende Anmeldung inkorporiert.
Die Erfindung kann folgendermaßen kurz zusammengefasst werden:
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Flip-Chip-Modul, ein Verfahren zum Austausch eines Halbleiterchips eines solchen Flip-Chip-Moduls sowie eine Vorrichtung zum Ausführen des Verfahrens.
Das Flip-Chip-Modul umfasst zumindest einen Halbleiterchip und ein Substrat. Der Halbleiterchip weist an einer Oberfläche etwa senkrecht zur Oberfläche angeordnete Kontaktsäulen auf. Mit diesen Kontaktsäulen ist er über eine Lötverbindung mit Kontaktstellen des Substrates verbunden. Die Kontaktsäulen überdecken mit ihren Stirnflächen die Kontaktstellen vollständig. Hierdurch ist es möglich, das Lot zwischen den Kontaktsäulen und Kontaktstellen nach einem erneuten Erwärmen vollständig aus dem Zwischenbereich zwischen den Kontaktstellen und den Kontaktsäulen zu drücken. Dies erlaubt eine erneute Befestigung eines weiteren Halbleiterchips.

1: Flip-Chip-Modul
2: Halbleiterchip
3: Oberfläche
4: Kontaktsäule
5: Kontaktfläche
6: Lotabschnitt
7: Kontaktstelle
8: Substrat
9: Stirnfläche
10: Flussmaterial
11: Lot
12: Stempel
13: Intermetallische Verbindung
14: Grenzfläche
15: Rissfläche
16: Lotrest

Claims

Flip-Chip-Modul umfassend – zumindest einen Halbleiterchip (2), der an einer Oberfläche (3) etwa senkrecht zur Oberfläche (3) angeordnete Kontaktsäulen (4) aufweist, die an ihren freien Enden Stirnflächen (9) aufweisen, – ein Substrat (8), das an einer Oberfläche Kontaktstellen (7) aufweist, die mit jeweils einer der Stirnflächen (9) einer der Kontaktsäulen (4) mittels jeweils einer Lötverbindung verbunden sind, wobei die Stirnflächen der Kontaktsäulen die jeweilige Kontaktstelle vollständig überdecken, wobei die Stirnflächen der Kontaktsäulen größer als die jeweilige Fläche der entsprechenden Kontaktstellen sind, so dass die Stirnflächen am Rand der Kontaktstellen ein Stück überstehen.
Flip-Chip-Modul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktstellen bezüglich der Oberfläche des Substrates erhaben ausgebildet sind.
Flip-Chip-Modul nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktstellen eine Höhe bezüglich der Oberfläche des Substrates von 10 μm–50 μm und vorzugsweise von 15 μm–25 μm aufweisen.
Flip-Chip-Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Stirnflächen der Kontaktsäulen im Mittel etwa um 2 μm–10 μm und vorzugsweise etwa um 3 μm–5 μm über den Rand der Kontaktstellen vorstehen.
Flip-Chip-Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktsäulen eine Länge von zumindest 20 μm und vorzugsweise eine Länge von 50 μm–100 μm aufweisen.
Verfahren zum Austauschen eines Halbleiterchips eines Flip-Chip-Moduls, das aus einem Halbleiterchip (2), der an einer Oberfläche (3) etwa senkrecht zur Oberfläche (3) angeordnete Kontaktsäulen (4) aufweist, die an ihren freien Enden Stirnflächen (9) aufweisen, und einem Substrat (8), das an einer Oberfläche Kontaktstellen (7) aufweist, die mit jeweils einer der Stirnflächen (9) einer der Kontaktsäulen (4) mittels Lötverbindungen verbunden sind, ausgebildet ist, wobei die Kontaktstellen bezüglich der Oberfläche des Substrates erhaben ausgebildet sind und die Stirnflächen der Kontaktsäulen die jeweilige Kontaktstelle vollständig bedecken, umfassend die folgenden Schritte: – Erwärmen der bestehenden Lötverbindungen über den Fließpunkt, – Zusammendrücken des Halbleiterchips (2) und des Substrates (8), so dass das Lot fast vollständig aus den Bereichen zwischen den Stirnflächen (9) der Kontaktsäulen (4) und den Kontaktstellen (7) herausgedrückt wird, – Abnehmen des Halbleiterchips (2) vom Substrat (8), – Befestigen eines weiteren Halbleiterchips (2).
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Abnehmen des Halbleiterchips (2) die Temperatur unter den Fließpunkt erniedrigt wird, um das Lot etwas zu verfestigen.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Erwärmen der bestehenden Lötverbindungen durch Erwärmen des Halbleiterchips (2) erfolgt, so dass die Wärme über die Kontaktsäulen (4) an die Lötverbindungen geleitet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Flip-Chip-Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 5 verwendet wird.