WO2006034670A1 - Semiconductor module with stacked semiconductor components and electrical connecting elements between the stacked semiconductor components - Google Patents

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WO2006034670A1
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semiconductor module
stacked
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Jochen Thomas
Wolfgang Hetzel
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    • H01L2924/1531Connection portion the connection portion being formed only on the surface of the substrate opposite to the die mounting surface
    • H01L2924/15311Connection portion the connection portion being formed only on the surface of the substrate opposite to the die mounting surface being a ball array, e.g. BGA

Definitions

  • Stacking of semiconductor devices into semiconductor modules is becoming increasingly interesting in order to achieve a high stack density, with two trends having emerged, namely stacking of multiple internal semiconductor chips within a package, also called “stacked FBGA” (fine pitch ball grid array) , and on the other hand stacking two or more individual housings on each other.
  • stacked FBGA fine pitch ball grid array
  • Another approach provides for a rewiring foil which leads from additional solder balls to the upper stacked semiconductor device, for which, however, an expensive lower alkaline semiconductor device has to be produced.
  • a threefold "reflow" provided in this structure results in additional manufacturing problems.
  • Another problem solution provides that an upper semiconductor device carries a separate small circuit board which is connected via solder contacts to the main circuit board of the semiconductor module. This results in difficulties in the surface mounting of
  • the object of the invention is to specify a semiconductor module with semiconductor components, wherein the semiconductor components are stacked on one another and have wiring structures on their undersides.
  • the semiconductor module should also be available for stacking semiconductor components with internal chip stacks.
  • this semiconductor module can be combined with differently constructed base components and with differently structured outer semiconductor components.
  • a semiconductor module with semiconductor components is created, wherein the semiconductor components are stacked on one another.
  • the undersides of the semiconductor components have rewiring structures and have outer edge terminals on at least one outer edge of the housing. These outer peripheral connections are electrically connected via the redistribution structures to internal connections of the semiconductor components.
  • the semiconductor module On at least one outer side, the semiconductor module has a grid of electrical connecting elements oriented vertically to the wiring structures of the semiconductor components. These electrical connection elements are materially connected and electrically connected to the outer edge connections.
  • This semiconductor module has the advantage that the three-dimensional wiring by the horizontally arranged wiring structures of each semiconductor component and by additional outer edge terminals, which are aligned when stacking the main conductor components, does not require any additional space for connecting these edge terminals verti ⁇ cal direction is required.
  • thin connecting wires or connecting webs extend as connecting elements in order to connect the outer edge terminals of the semiconductor components to one another in a straight line. Since these connection elements are arranged on the outside of the semiconductor module, in the case of malfunctions, the semiconductor module can be decomposed and defective semiconductor components can be replaced accordingly.
  • the individual testing of the semiconductor components prior to assembly of the semiconductor module is also possible without restriction. All thermal cycling tests, as well as vibration testing at a variety of loads, are possible in the assembly of semiconductor modules in each of the single semiconductor devices to be stacked.
  • the electrical connection elements are separated through contacts on an outer edge of a wiring substrate of one of the stacked semiconductor components. Since basically every semiconductor component in BGA technology or FBGA technology has such a wiring substrate on its underside, it is possible with the narrowest available and feasible connection grid on the circumference of the wiring substrate, which is sawn out of a utility, to provide a maximum number of vias on the traces of the benefit. When dividing the benefit into individual wiring substrates for the semiconductor devices, then arises a variety of Outer edge connections in the form of halved through-contacts. These outer edge terminals in the form of split through contacts may be connected to internal terminals which simultaneously connect an internal stack of semiconductor chips to the outer edge terminals.
  • a maximum increase of the storage capacity can be provided.
  • a first semiconductor chip with its rear side can be fi xed onto the wiring substrate and its active upper side can be connected to a wiring structure of the wiring via bonding connections ⁇ substrate the outer edge connections are achieved.
  • the central region of the logic chip can be used to adhere an insulating spacer plate and to accommodate a memory chip with a central bonding channel on this spacer plate.
  • the upper side of the stacked semiconductor chip with a central bonding channel can in turn have a rewiring structure in order to in turn lead the electrical connections from the electrodes in the central bonding channel to internal connections in the edge region of the stacked semiconductor chip. From these internal connections in the edge region of the stacked semiconductor chip, bond wires can again lead to corresponding contact pads on the wiring substrate, which in turn has a wiring structure which is connected to the outer edge terminals of the semiconductor module.
  • the housing outer edge of the stacked semiconductor devices has grooves formed vertically to the wiring structures. These molded grooves have the outer grooves of the individual semiconductor components, so that a vertical Verbin ⁇ tion between the semiconductor devices can be made in a confined space by arranging wire ridges in the shaped grooves.
  • the number of stacked Halbleiterbau- parts is arbitrary, but preferably two
  • a plurality of connecting elements are held in position by means of a leadframe, wherein the leadframe has a grid of wire webs between transverse webs.
  • the leadframe has a grid of wire webs between transverse webs.
  • all connection elements in the form of conductor bars are initially short-circuited via the transverse webs, which may be advantageous for the transport and for the transfer of the modules. Only shortly before the use of the semiconductor modules, the transverse webs are removed so that the line webs now connect the individual stacked semiconductor components vertically with one another.
  • the stacked semiconductor components also have internal semiconductor chip stacks which are electrically connected to the connecting elements of the semiconductor module via a common wiring structure of the stacked semiconductor component and via the outer edge terminals of the stacked semiconductor component.
  • the storage capacity of stacked Halbleiterbau ⁇ parts can be advantageously further increased.
  • the internal chip stack preferably has semiconductor chips which have contact surfaces on their active upper side in a central region. These contact areas in the central Raler region can be arranged in two rows and are electrically connected via conductor tracks with réellean gleichflachen on edge regions of the semiconductor chip. In contrast to memory components with a central bonding channel in a wiring foil or in a wiring substrate, these semiconductor chips have neither a wiring foil nor a wiring substrate, but rather conductor tracks formed by a structured metal coating on the active top side of the semiconductor chips become.
  • the contact surfaces arranged in the center can thus be accessed from the edge of the semiconductor chips via the inner contact surfaces arranged in the edge region and the conductor tracks of the metal coating.
  • the inner connection surfaces can be used as bonding surfaces for the chip stack.
  • the semiconductor module has external contacts on its underside. These are electrically connected via a wiring substrate and via outer edge connections of the wiring substrate to the conductor webs of the semiconductor terminal arranged vertically to the wiring substrate.
  • the semiconductor module has as an external contact on the underside of the wiring substrate uniformly distributed solder balls arranged.
  • solder balls is a simple Ober ⁇ surface mounting of the semiconductor module on a parent Circuit substrate possible by a short-term soldering process is performed.
  • the storage capacity of the individual stacked DRAMs may preferably be in the gigabere range.
  • Such DRAMs have the advantage that they are embedded in flat, large-area Kunststoffgeophu ⁇ sen, so that correspondingly large edge sides allow attachment of a plurality of edge contact terminals and thus the attachment of a plurality of vertically aligned th webs.
  • the semiconductor module has a stacked semiconductor component with a wiring substrate, which in turn has solder balls as internal connection contacts. With these solder balls, however, the overall height of the semiconductor module is increased, so that solutions without solder balls on the wiring substrates of the stacked semiconductor components are preferred.
  • the wiring structure may be accommodated on a wiring film, in particular if the semiconductor module has a stacked component memory component with a central bonding channel. Extremely densely packed semiconductor modules are possible through the wiring film if the wiring film is designed such that it makes outer edge connections available which can be contacted via vertical conductor webs.
  • Semiconductor components that are stacked on top of one another and have wiring structures on their undersides are characterized by the following method steps: First, individual semiconductor devices with outer edge connections are produced on at least one of their outer sides. Subsequently, the semiconductor devices are stacked to align the outer edge terminals in the vertical direction. Finally, the stacked outer edge terminals are electrically connected by applying connecting elements to the outer edge terminals.
  • the lower semiconductor component can already have solder balls distributed on the underside as external contacts on external contact surfaces of a wiring substrate.
  • the conductor tracks additionally to be led from the outer contact surfaces of each semiconductor component to the outer edge in order to realize outer edge connections can be taken into account already during the production of the layout for the wiring structure of the wiring substrate.
  • vias can already be provided on the edge sides during the production of the wiring substrate with the aid of a benefit, which are cut in half when the benefit is separated and thus form first outer edge connections or vertical connection elements for an internal semiconductor chip stack.
  • Wiring structures and in the positions of the considered brieflyrandan ⁇ connections grooves are formed for receiving cable webs.
  • This molding can preferably be carried out in the injection molding process by inserting line webs into the injection mold, so that grooves are present during molding at predetermined positions in the edge sides of the semiconductor component, into which conductor webs of the semiconductor module can then be introduced.
  • the connection of outer edge connections arranged one above the other by application of cable webs to the outer edge connections can be effected by means of laser welding technology or by means of soldering or by adhesive bonding with a conductive adhesive.
  • the cohesive compounds have proven themselves in semiconductor technology and form a reliable process basis for the production of semiconductor modules.
  • corresponding cable webs are located at the positions above the outer edge connections, so that these webs ensure that no molding compound settles there.
  • the shape of the outer edge connections for the connection of a corresponding vertically equipped flat conductor frame is lengthened, which is advantageous for the attachment of vertical conductor webs.
  • the individual partners are aligned so that the cavities or through contacts (either consisting only of through contacts or having vertical recesses or grooves having extended contact holes) are arranged one above the other. Furthermore, a preformed leadframe is placed over all contacts and by laser welding the individual connections are closed with the outer edge contact connections and by Laser ⁇ corresponding crossbars or Befest Trents ⁇ rails of the leadframe for the cable webs are ask ⁇ separated. After all contacts have been connected, the stacked semiconductor module can be tested again and then used.
  • connection grid is also sufficient to provide sufficient outer edge contact connections.
  • Figure 1 shows a schematic cross section through a
  • Figure 2 shows a schematic cross section through a
  • FIG. 3 shows a schematic plan view of a vertically aligned leadframe with electrical connecting elements
  • FIG. 4 shows a schematic cross section through a semiconductor module of a third embodiment of FIG.
  • FIG. 1 shows a schematic cross section through a semiconductor module 1 of a first embodiment of the invention.
  • This semiconductor module 1 has an internal Halbleiterchip ⁇ stack 40 of the semiconductor chips 13 and 14. Between the semiconductor chips 13 and 14, a spacer isol Schlieren ⁇ de layer 52 is arranged, since the semiconductor chips 13 and 14 have identical outer dimensions.
  • Both semiconductor chips 13 and 14 have central and double row arranged contact surfaces 54 on the active upper side of the semiconductor chips 13 and 14. Of the contact surfaces 54 in the central region 44 lead tracks 48 of a wiring structure, which is formed by a structured metal coating on the active Ober ⁇ sides of the semiconductor chips 13 and 14, to indoor Connections 29 in the edge regions of the semiconductor chips 13 and 14, from which the internal connections 29 are connected via bonding connections 49 with a wiring structure 25 on a wiring substrate 34.
  • the wiring substrate 34 has external contacts 42 on its underside 41, which are arranged on external contact surfaces 50.
  • the outer contact surfaces 50 are electrically connected via lines of the underside 41 and through contacts 51 to the wiring structure 25.
  • through-cut contacts 32 are arranged, which in turn are electrically connected to both the bonding connections 49 or with the external contacts 42.
  • three contact planes are joined together at the outer edge 33 of the wiring substrate 34, namely the contact plane of the external contacts 42 and the contact plane of the internal connections 29 of the two semiconductor chips 13 and 14. Furthermore, the contacts of the three contact planes can additionally be connected together via the through contacts 51.
  • FIG. 2 shows a schematic cross section through a semiconductor module 2 of a second embodiment of the invention. Components with the same functions as in FIG. 1 are identified by the same reference symbols and are not discussed separately.
  • This semiconductor module 2 also has an internal
  • FIG. 2A, FIG. 2B, FIG. 2C and FIG. 2D The difference between the embodiment according to FIG. 1 and the embodiment according to FIG. 2 can be seen on the sectional drawings FIG. 2A, FIG. 2B, FIG. 2C and FIG. 2D.
  • grooves or recesses are provided both in the area of the wiring substrate 34 and in the area of the plastic housing 47, as shown in FIGS. 2B and 2C. These recesses are filled up with line bars 36 as vertical connecting elements 31, via which a further semiconductor component with an internal semiconductor chip stack 40, as shown for example in FIG. 1, can be coupled to the present semiconductor module 1.
  • the recesses or grooves 35 in the plastic housing 47 can be produced by inserting corresponding guide webs 36 into an injection mold or an embossing mold, so that when the mold is removed, these conductor webs 36 either cast in the same way or subsequently into the resulting grooves 35 be inserted.
  • the electrical connection of the line webs 36 with the outer edge terminals 28 in the form of split Mandarin ⁇ contacts 32 can be achieved by laser welding. This is the most reliable cohesive method with which the cable webs 36 can be connected to the separated vias 32 of the wiring substrate 34. In general, it is also possible to solder these conductor webs 36 to the separated through contacts 32 or to electrically connect them with a conductive adhesive.
  • FIG. 3 shows a schematic plan view of a vertically aligned leadframe 37 with electrical connection elements 31.
  • the electrical connection elements 31 are in the form of line webs 36 a lead frame 37 is held in a grid shape.
  • the leadframe 37 has transverse webs 39, which hold the Lei ⁇ tion webs 36 in position.
  • the grid 38 can first be placed completely on the housing outer edge sides of a semiconductor module with stacked semiconductor components and then connected to the intended outer edge connections.
  • the short circuit that arises through the transverse webs 39, after attaching the frame and Contact the outer edge contacts 32 are removed by laser separation of the supernatant 46 of the grid 38.
  • FIG. 5 shows a schematic cross section through a semiconductor module 4 of a fourth embodiment of the invention.
  • FIG. 6 shows a schematic cross section through a semiconductor module 5 of a fifth embodiment of the invention, in which case two semiconductor components 11 and 12 are stacked on one another, which have semiconductor chips 23 and 24 with a central bonding channel 44.
  • contact surfaces 54 are arranged in two rows, which are connected via bonding wires 49 to conductor tracks 48 on a wiring foil 45.
  • external contacts 42 in the form of solder balls 43 are arranged in the case of the lower semiconductor device 11.
  • the upper stacked semiconductor component 12 has no solder balls 43.
  • the contact surfaces 54 arranged in two rows are here connected by way of bonding wires 49 to a wiring structure 25 of a central bonding channel 55, which are connected directly to outer edge terminals 28 and are connected via the connecting elements 31 in the form of conductor webs 36 to the outer edge of the housing.
  • Pages 26 and 27 are connected to the external contacts 42 of the lower Halb ⁇ ladder component 11 of the semiconductor module 5.
  • an adhesive compound 53 is arranged, with which the stacked semiconductor component 12 is fixed on the base semiconductor component 11.
  • the difference between the semiconductor module 5 and the preceding embodiments of the invention lies in the fact that the central bonding channels 55 of the stacked semiconductor components 11 and 12 are aligned in the direction of the external contacts 42 of the semiconductor module 5 and therefore on a self-supporting wiring substrate can be dispensed with semiconductor chips, zu ⁇ times no internal semiconductor chip stack is provided in this embodiment of the invention.

Abstract

The invention relates to a semiconductor module (3) with stacked semiconductor components (7, 8) and electrical connecting elements (31) between the stacked semiconductor components (7, 8), these stacked semiconductor components (7, 8) having wiring structures (25) on their undersides (41). Outer edge connections (28) are placed on at least one of their housing outer edge sides (26, 27). These outer edge connections (28) are connected via wiring structures (25) to inner connections (29) of the semiconductor components (7, 8). The semiconductor module (3) has, on at least one outer side (30), a grid of electrical connecting elements (31) that is vertically oriented with regard to the wiring structures (25), these electrical connecting elements being integrally and electrically connected to the outer edge connections (28).

Description

Halbleitermodul mit gestapelten Halbleiterbauteilen und e- lektrischen Verbindungselementen zwischen den gestapelten HalbleiterbauteilenSemiconductor module with stacked semiconductor devices and electrical interconnects between the stacked semiconductor devices
Die Erfindung betrifft ein Halbleitermodul mit gestapelten Halbleiterbauteilen und elektrischen Verbindungselementen zwischen den gestapelten Halbleiterbauteilen. Die aufeinander zu stapelnden Halbleiterbauteile weisen auf ihren Unterseiten Verdrahtungsstrukturen auf, die miteinander zu verbinden sind. Derartige substratbasierte Gehäuse werden auch BGA- Gehäuse (ball grid array - Gehäuse) genannt und haben auf¬ grund ihrer guten elektrischen Eigenschaften, verbunden mit geringem Formfaktor und vergleichsweise günstigen Herstel¬ lungskosten inzwischen 'eine weite Anwendung gefunden. Zuneh¬ mend werden BGA-Gehäuse auch für Speicherhalbleiterbauteile eingesetzt. Teilweise gibt es moderne Speicherarchitekturen, wie die DDR2-Halbleiterbauteile (Double Data Rate 2 -Halblei- terbauteile) , die nur noch mit BGA-Gehäusen realisiert werden können, weil diese die notwendigen elektrischen Voraussetzun¬ gen erfüllen, um eine Verdopplung der Datenrate von 200 bis 400 Megabit pro Sekunde zu erreichen.The invention relates to a semiconductor module with stacked semiconductor devices and electrical connection elements between the stacked semiconductor devices. The semiconductor components to be stacked on one another have wiring structures on their undersides which are to be connected to one another. Such substrate-based housings are also called BGA housings (ball grid array housings) and, owing to their good electrical properties, combined with a low form factor and comparatively low manufacturing costs, have meanwhile found wide application. Increasingly, BGA packages are also used for memory semiconductor components. In some cases, there are modern memory architectures, such as the DDR2 semiconductor components (double data rate 2 semiconductor components), which can only be realized with BGA packages, because they meet the necessary electrical requirements, by doubling the data rate of 200 to reach 400 megabits per second.
Zum Erreichen einer hohen Stapeldichte wird das Stapeln von Halbleiterbauteilen zu Halbleitermodulen immer interessanter, wobei sich zwei Trends herausgebildet haben, zum einen ein Stapeln von mehreren internen Halbleiterchips innerhalb eines Gehäuses, was auch "stacked die FBGA" (fine pitch ball grid array) genannt wird, und andererseits ein Stapeln von zwei oder mehr Einzelgehäusen aufeinander. Diese Lösungen haben unterschiedliche Nachteile, wobei der interne Halbleiterchip¬ stapel Testprobleme aufwirft, da die einzelnen Halbleiter- chips nach ihrer Endmontage nicht mehr testbar sind, und beim Stapeln von Einzelgehäusen entstehen hohe Kosten aufgrund der unterschiedlichen Maßnahmen, die zum Verbinden der fertigen Halbleiterbauteile untereinander getroffen werden müssen.Stacking of semiconductor devices into semiconductor modules is becoming increasingly interesting in order to achieve a high stack density, with two trends having emerged, namely stacking of multiple internal semiconductor chips within a package, also called "stacked FBGA" (fine pitch ball grid array) , and on the other hand stacking two or more individual housings on each other. These solutions have different disadvantages, with the internal semiconductor chip stack posing test problems, since the individual semiconductor devices Chips after their final assembly are no longer testable, and stacking of individual housings incur high costs due to the different measures that must be taken to connect the finished semiconductor devices with each other.
Die bisher bekannten Lösungsansätze für das Stapeln von zwei oder mehr Einzelgehäusen haben die nachfolgenden Nachteile. In einer ersten Lösung werden dünne Einzelsubstrate mit spe¬ ziellen peripheren Anordnungen von Kugelkontakten übereinan- der gestapelt. Dazu sind teuere Materialien erforderlich und spezielle Handhabungen in der Fertigung notwendig. Auch der Test der Einzelelemente ist mechanisch anspruchsvoll, da kei¬ ne Standardlotballkontakte mit ständiger Flächenzunahme mög¬ lich sind.The previously known approaches to the stacking of two or more individual housings have the following disadvantages. In a first solution, thin individual substrates with special peripheral arrangements of spherical contacts are stacked one above the other. This requires expensive materials and special handling in the production necessary. The test of the individual elements is also mechanically demanding, since no standard solder ball contacts with constant surface increase are possible.
Ein weiterer Lösungsansatz sieht eine Umverdrahtungsfolie vor, die von zusätzlichen Lotkugeln zum oberen gestapelten Halbleiterbauteil führt, wofür jedoch ein teueres unteres Ba¬ sishalbleiterbauteil hergestellt werden muss. Durch einen bei diesem Aufbau vorgesehenen dreifachen "Reflow" ergeben sich zusätzliche Fertigungsprobleme. Eine weitere Problemlösung sieht vor, dass ein oberes Halbleiterbauteil eine separate kleine Leiterplatte trägt, die über Lotkontakte mit der Hauptleiterplatte des Halbleitermoduls verbunden ist. Dabei ergeben sich Schwierigkeiten in der Oberflächenmontage derAnother approach provides for a rewiring foil which leads from additional solder balls to the upper stacked semiconductor device, for which, however, an expensive lower alkaline semiconductor device has to be produced. A threefold "reflow" provided in this structure results in additional manufacturing problems. Another problem solution provides that an upper semiconductor device carries a separate small circuit board which is connected via solder contacts to the main circuit board of the semiconductor module. This results in difficulties in the surface mounting of
Lotkontakte. Außerdem ergibt sich eine große Bauhöhe und eine zusätzliche Flächenzunahme, die den Raumbedarf des Halblei¬ termoduls aus gestapelten Halbleiterbauteilen vergrößert.Solder contacts. In addition, there is a high overall height and an additional area increase, which increases the space requirement of the semiconductor module of stacked semiconductor components.
Eine weitere Lösung des Stapelproblems ist aus der Druck¬ schrift DE 101 38 278 bekannt. Zum Stapeln von Halbleiterbau¬ teilen werden herkömmliche Halbleiterbauteile mit BGH- oder LBGA-Gehäuse (large ball grid array) mit zusätzlichen flexib- len ümverdrahtungsfolien versehen. Diese zusätzlichen Um- verdrahtungsfolien sind großflächiger als die zu stapelnden Halbleiterbauteile und ragen über den Rand der Halbleiterbau¬ teile hinaus, sodass sie in Richtung auf ein darunter ange- ordnetes Halbleiterbauteil eines Halbleiterbauteilstapels für ein Halbleitermodul gebogen und über die flexible Folie mit dem darunter angeordneten Halbleiterbauteil elektrisch ver¬ bunden werden können.Another solution to the stacking problem is known from the publication DE 101 38 278. For stacking Halbleitererbau¬ share conventional semiconductor devices with BGH or LBGA housing (large ball grid array) with additional flexible provided with wiring foils. These additional rewiring foils are larger than the semiconductor devices to be stacked and protrude beyond the edge of the semiconductor devices so as to bend toward a semiconductor device of a semiconductor device stack for a semiconductor module disposed thereunder and over the flexible film to the underlying semiconductor device can be electrically connected.
Ein Halbleitermodul mit derartig gestapelten Halbleiterbau¬ teilen hat den Nachteil, dass die Halbleiterbauteile nicht mit geringstmöglichem Raumbedarf gestapelt werden können, zu¬ mal auch die abgebogene Umverdrahtungsfolie einen Biegeradius erfordert, der nicht unterschritten werden kann, ohne Mikro- risse in den auf der Umverdrahtungsfolie angeordneten Um- verdrahtungsleitungen zu riskieren.A semiconductor module with semiconductor components stacked in this way has the disadvantage that the semiconductor components can not be stacked with the least possible space requirement, and sometimes the bent rewiring foil requires a bending radius which can not be undershot without micro-cracks in the rewiring foil Risk rewiring lines.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Halbleitermodul mit Halb¬ leiterbauteilen anzugeben, wobei die Halbleiterbauteile auf- einander gestapelt sind und auf ihren Unterseiten Verdrah¬ tungsstrukturen aufweisen. Außerdem soll das Halbleitermodul auch für ein Stapeln von Halbleiterbauteilen mit internen Chipstapeln bereitstehen. Ferner ist es Aufgabe der Erfin¬ dung, dass dieses Halbleitermodul mit unterschiedlich aufge- bauten Basisbauteilen und mit unterschiedlich aufgebauten o- beren Halbleiterbauteilen kombiniert werden kann. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, ein Halbleitermodul mit gestapelten Halbleiterchips anzugeben, mit dem ein Stapeln nicht auf we¬ nige vorgegebene Muster von Halbleiterbauteilen eingeschränkt ist, sondern bei dem die Anordnung und Zuordnung von verbin¬ denden Außenkontakten beliebig variiert werden kann. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, den Raumbedarf und den Flächen¬ bedarf eines Halbleitermoduls zu minimieren, insbesondere den Raumbedarf eines Speichermoduls aus DRAM-Halbleiterbauteilen und/oder Mikroprozessoren zu verkleinern.The object of the invention is to specify a semiconductor module with semiconductor components, wherein the semiconductor components are stacked on one another and have wiring structures on their undersides. In addition, the semiconductor module should also be available for stacking semiconductor components with internal chip stacks. Furthermore, it is an object of the invention that this semiconductor module can be combined with differently constructed base components and with differently structured outer semiconductor components. It is another object of the invention to provide a semiconductor module with stacked semiconductor chips, with which a stacking is not limited to we¬ nige predetermined pattern of semiconductor devices, but in which the arrangement and assignment of verbin¬ denden external contacts can be varied as desired. Furthermore, it is the object of the invention to minimize the space requirement and the space requirement of a semiconductor module, in particular the To reduce the size of a memory module of DRAM semiconductor devices and / or microprocessors.
Gelöst wird diese Aufgabe mit dem Gegenstand der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.This object is achieved with the subject of the independent claims. Advantageous developments of the invention will become apparent from the dependent claims.
Erfindungsgemäß wird ein Halbleitermodul mit Halbleiterbau¬ teilen geschaffen, wobei die Halbleiterbauteile aufeinander gestapelt sind. Die Unterseiten der Halbleiterbauteile weisen Umverdrahtungsstrukturen auf und besitzen auf mindestens ei¬ ner Gehäuseaußenrandseite Außenrandanschlüsse. Diese Außen- randanschlüsse sind über die Umverdrahtungsstrukturen mit In¬ nenanschlüssen der Halbleiterbauteile elektrisch verbunden. Auf mindestens einer Außenseite weist das Halbleitermodul ein vertikal zu den Verdrahtungsstrukturen der Halbleiterbauteile ausgerichtetes Gitter elektrischer Verbindungselemente auf. Diese elektrischen Verbindungselemente sind mit den Außen- randanschlüssen stoffschlüssig und elektrisch verbunden.According to the invention, a semiconductor module with semiconductor components is created, wherein the semiconductor components are stacked on one another. The undersides of the semiconductor components have rewiring structures and have outer edge terminals on at least one outer edge of the housing. These outer peripheral connections are electrically connected via the redistribution structures to internal connections of the semiconductor components. On at least one outer side, the semiconductor module has a grid of electrical connecting elements oriented vertically to the wiring structures of the semiconductor components. These electrical connection elements are materially connected and electrically connected to the outer edge connections.
Dieses Halbleitermodul hat den Vorteil, dass die dreidimensi¬ onale Verdrahtung durch die horizontal angeordneten Verdrah¬ tungsstrukturen jedes Halbleiterbauteils und durch zusätzli¬ che Außenrandanschlüsse, die beim Stapeln der Hauptleiterbau- teile aufeinander ausgerichtet sind, kein zusätzlicher Flä¬ chenbedarf für das Verbinden dieser Randanschlüsse in verti¬ kaler Richtung erforderlich wird. Außerdem reichen dünne Ver¬ bindungsdrähte oder Verbindungsstege als Verbindungselemente, um geradlinig die Außenrandanschlüsse der Halbleiterbauteile untereinander zu verbinden. Da diese Verbindungselemente auf der Außenseite des Halbleitermoduls angeordnet sind, kann bei Fehlfunktionen das Halbleitermodul zerlegt werden und defekte Halbleiterbauteile können entsprechend ausgewechselt werden. Auch das Einzeltesten der Halbleiterbauteile vor einem Zusam¬ menbau des Halbleitermoduls ist uneingeschränkt möglich. Sämtliche Wärmezyklentests wie auch Vibrationstests bei den unterschiedlichsten Belastungen sind beim Zusammenbau von Halbleitermodulen in jedem der Einzelhalbleiterbauteile, die gestapelt werden sollen, möglich.This semiconductor module has the advantage that the three-dimensional wiring by the horizontally arranged wiring structures of each semiconductor component and by additional outer edge terminals, which are aligned when stacking the main conductor components, does not require any additional space for connecting these edge terminals verti¬ cal direction is required. In addition, thin connecting wires or connecting webs extend as connecting elements in order to connect the outer edge terminals of the semiconductor components to one another in a straight line. Since these connection elements are arranged on the outside of the semiconductor module, in the case of malfunctions, the semiconductor module can be decomposed and defective semiconductor components can be replaced accordingly. The individual testing of the semiconductor components prior to assembly of the semiconductor module is also possible without restriction. All thermal cycling tests, as well as vibration testing at a variety of loads, are possible in the assembly of semiconductor modules in each of the single semiconductor devices to be stacked.
Das Anbringen vertikaler Verbindungselemente an den vorgese¬ henen Außenrandanschlüssen ist unproblematisch und kann mit geringem Fertigungsaufwand realisiert werden. Auch ein Verle¬ gen von Innenanschlüssen der Halbleiterbauteile auf die Rand¬ seiten der Halbleiterbauteile, ist, sofern sie nicht sowieso schon bei den Halbleiterbauteilen vorhanden sind, keine kos¬ tenintensive Aktion. Somit kann auf einfachste Weise kosten- günstig ein Halbleitermodul mit beliebiger Speicherkapazität durch Stapeln von DRAMs hergestellt ist. Es ist aber auch ge¬ nauso möglich, Speicherelemente mit Logikbauteilen zu verkop¬ peln, indem zusätzliche integrierte Logikschaltungen, wie beispielsweise Mikroprozessoren, in dem Halbleitermoduls als stapelbares Halbleiterbauteil eingebaut werden.The attachment of vertical connecting elements to the vorgese¬ Henen outer edge connections is not a problem and can be realized with little manufacturing effort. Also, a laying of internal connections of the semiconductor components to the edge sides of the semiconductor components is, unless they are already present in the semiconductor components anyway, not a cost-intensive action. Thus, in the simplest way, a semiconductor module with any storage capacity can be produced cost-effectively by stacking DRAMs. However, it is also equally possible to pack memory elements with logic components by incorporating additional integrated logic circuits, such as microprocessors, in the semiconductor module as a stackable semiconductor component.
In einer ersten Ausführungsform der Erfindung sind die elekt¬ rischen Verbindungselemente aufgetrennte Durchkontakte an ei¬ nem Außenrand eines Verdrahtungssubstrats eines der gestapel- ten Halbleiterbauteile. Da grundsätzlich jedes Halbleiterbau¬ teil in BGA-Technik oder FBGA-Technik ein derartiges Verdrah¬ tungssubstrat auf seiner Unterseite aufweist, ist es möglich, mit dem engsten zur Verfügung stehenden und realisierbaren Anschlussraster auf dem Umfang des Verdrahtungssubstrats, das aus einem Nutzen herausgesägt wird, eine maximale Anzahl an Durchkontakten auf den Trennspuren des Nutzens vorzusehen. Beim Zerteilen des Nutzens in einzelne Verdrahtungssubstrate für die Halbleiterbauteile, entsteht dann eine Vielzahl von Äußenrandanschlüssen in Form von halbierten Durchkontakten. Diese Außenrandanschlüsse in Form von aufgetrennten Durchkon¬ takten können mit Innenanschlüssen verbunden sein, die gleichzeitig einen internen Stapel von Halbleiterchips mit den Äußenrandanschlüssen verbinden.In a first embodiment of the invention, the electrical connection elements are separated through contacts on an outer edge of a wiring substrate of one of the stacked semiconductor components. Since basically every semiconductor component in BGA technology or FBGA technology has such a wiring substrate on its underside, it is possible with the narrowest available and feasible connection grid on the circumference of the wiring substrate, which is sawn out of a utility, to provide a maximum number of vias on the traces of the benefit. When dividing the benefit into individual wiring substrates for the semiconductor devices, then arises a variety of Outer edge connections in the form of halved through-contacts. These outer edge terminals in the form of split through contacts may be connected to internal terminals which simultaneously connect an internal stack of semiconductor chips to the outer edge terminals.
Somit lässt sich bereits mit dieser ersten Ausführungsform der Erfindung eine maximale Erhöhung der Speicherkapazität bereitstellen, dabei kann beispielsweise ein erster Halblei- terchip mit seiner Rückseite auf dem Verdrahtungssubstrat fi¬ xiert sein und mit seiner aktiven Oberseite können über Bond¬ verbindungen zu einer Verdrahtungsstruktur des Verdrahtungs¬ substrats die Außenrandanschlüsse erreicht werden. Da Logik¬ halbleiterchips ihre Kontaktflächen im Randbereich aufweisen, kann der Mittenbereich des Logikchips verwendet werden, um eine isolierende Abstandshalteplatte aufzukleben, und um auf dieser Abstandshalteplatte einen Speicherchip mit zentralem Bondkanal unterzubringen. Die Oberseite des gestapelten Halb¬ leiterchips mit zentralem Bondkanal kann ihrerseits eine Um- Verdrahtungsstruktur aufweisen, um wiederum die elektrischen Anschlüsse von den Elektroden im zentralen Bondkanal zu In¬ nenschlüssen im Randbereich des gestapelten Halbleiterchips zu führen. Von diesen Innenanschlüssen im Randbereich des ge¬ stapelten Halbleiterchips können dann wieder Bonddrähte zu entsprechenden Kontaktanschlussflächen auf dem Verdrahtungs¬ substrat führen, das seinerseits eine Verdrahtungsstruktur aufweist, die mit den Äußenrandanschlüssen des Halbleitermo¬ duls in Verbindung steht.Thus, even with this first embodiment of the invention, a maximum increase of the storage capacity can be provided. For example, a first semiconductor chip with its rear side can be fi xed onto the wiring substrate and its active upper side can be connected to a wiring structure of the wiring via bonding connections ¬ substrate the outer edge connections are achieved. Since logic semiconductor chips have their contact surfaces in the edge region, the central region of the logic chip can be used to adhere an insulating spacer plate and to accommodate a memory chip with a central bonding channel on this spacer plate. The upper side of the stacked semiconductor chip with a central bonding channel can in turn have a rewiring structure in order to in turn lead the electrical connections from the electrodes in the central bonding channel to internal connections in the edge region of the stacked semiconductor chip. From these internal connections in the edge region of the stacked semiconductor chip, bond wires can again lead to corresponding contact pads on the wiring substrate, which in turn has a wiring structure which is connected to the outer edge terminals of the semiconductor module.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Gehäuseaußenrand der gestapelten Halbleiterbauteile vertikal zu den Verdrahtungsstrukturen eingeformte Rillen auf. Diese eingeformten Rillen weisen die Außenrillen der einzelnen Halbleiterbauteile auf, sodass durch Anordnen von Leitungsstegen in den geformten Rillen eine vertikale Verbin¬ dung zwischen den Halbleiterbauteilen auf engstem Raum herge¬ stellt werden kann. Die Anzahl der gestapelten Halbleiterbau- teile ist dabei beliebig, vorzugsweise werden jedoch zweiIn a further preferred embodiment of the invention, the housing outer edge of the stacked semiconductor devices has grooves formed vertically to the wiring structures. These molded grooves have the outer grooves of the individual semiconductor components, so that a vertical Verbin¬ tion between the semiconductor devices can be made in a confined space by arranging wire ridges in the shaped grooves. The number of stacked Halbleiterbau- parts is arbitrary, but preferably two
Halbleiterbauteile mit internen Chipstapeln mit dieser Tech¬ nik über Außenrandanschlüsse und entsprechende Leitungsstege verbunden.Semiconductor components with internal chip stacks connected with this Tech¬ technology via outer edge connections and corresponding cable webs.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden mehre¬ re Verbindungselemente mithilfe eines Flachleiterrahmens in Position gehalten, wobei der Flachleiterrahmen ein Gitter aus Leitungsstegen zwischen Querstegen aufweist. Bei diesem Halb¬ leitermodul sind zunächst über die Querstege sämtliche Ver- bindungselemente in Form von Leitungsstegen kurzgeschlossen, was für den Transport und für die Weitergabe der Module von Vorteil sein kann. Erst kurz vor dem Einsatz der Halbleiter¬ module werden die Querstege entfernt, sodass nun die Lei¬ tungsstege die einzelnen gestapelten Halbleiterbauteile ver- tikal miteinander verbinden.In a further embodiment of the invention, a plurality of connecting elements are held in position by means of a leadframe, wherein the leadframe has a grid of wire webs between transverse webs. In this semiconductor module, all connection elements in the form of conductor bars are initially short-circuited via the transverse webs, which may be advantageous for the transport and for the transfer of the modules. Only shortly before the use of the semiconductor modules, the transverse webs are removed so that the line webs now connect the individual stacked semiconductor components vertically with one another.
Wie bereits erwähnt, weisen vorzugsweise die gestapelten Halbleiterbauteile auch interne Halbleiterchipstapel auf, die über eine gemeinsame Verdrahtungsstruktur des gestapelten Halbleiterbauteils und über die Außenrandanschlüsse des ge¬ stapelten Halbleiterbauteils mit den Verbindungselementen des Halbleitermoduls elektrisch in Verbindung stehen. Mit diesem Aufbau kann die Speicherkapazität gestapelter Halbleiterbau¬ teile vorteilhaft weiter erhöht werden.As already mentioned, preferably the stacked semiconductor components also have internal semiconductor chip stacks which are electrically connected to the connecting elements of the semiconductor module via a common wiring structure of the stacked semiconductor component and via the outer edge terminals of the stacked semiconductor component. With this structure, the storage capacity of stacked Halbleiterbau¬ parts can be advantageously further increased.
Vorzugsweise weist der interne Chipstapel Halbleiterchips auf, die auf ihrer aktiven Oberseite in einem zentralen Be¬ reich Kontaktflächen aufweisen. Diese Kontaktflächen im zent- ralen Bereich können zweireihig angeordnet sein und sind über Leiterbahnen mit Innenanschlussflachen auf Randbereichen der Halbleiterchips elektrisch verbunden. Im Gegensatz zu Spei¬ cherbauteilen mit zentralem Bondkanal in einer Verdrahtungs- folie oder in einem Verdrahtungssubstrat weisen diese Halb¬ leiterchips weder eine Verdrahtungsfolie noch ein Verdrah¬ tungssubstrat auf, sondern Leiterbahnen, die von einer struk¬ turierten Metallbeschichtung auf der aktiven Oberseite der Halbleiterchips gebildet werden. Auf die im Zentrum angeord- neten Kontaktflächen kann somit über die im Randbereich ange¬ ordneten Innenanschlussflächen und die Leiterbahnen der Me¬ tallbeschichtung vom Rand der Halbleiterchips aus zugegriffen werden. Die Innenanschlussflächen können für den Chipstapel als Bondflächen genutzt werden.The internal chip stack preferably has semiconductor chips which have contact surfaces on their active upper side in a central region. These contact areas in the central Raler region can be arranged in two rows and are electrically connected via conductor tracks with Innenanschlussflachen on edge regions of the semiconductor chip. In contrast to memory components with a central bonding channel in a wiring foil or in a wiring substrate, these semiconductor chips have neither a wiring foil nor a wiring substrate, but rather conductor tracks formed by a structured metal coating on the active top side of the semiconductor chips become. The contact surfaces arranged in the center can thus be accessed from the edge of the semiconductor chips via the inner contact surfaces arranged in the edge region and the conductor tracks of the metal coating. The inner connection surfaces can be used as bonding surfaces for the chip stack.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist das Halbleitermodul auf seiner Unterseite Außenkontakte auf. Die¬ se sind über ein Verdrahtungssubstrat und über Außenrandan- schlüsse des Verdrahtungssubstrats mit den vertikal zu dem Verdrahtungssubstrat angeordneten Leitungsstegen des Halblei¬ termoduls elektrisch verbunden. Somit ist es möglich, das Halbleitermodul auf einer übergeordneten Schaltungsplatine mit einer Vielzahl von auf der Unterseite befindlichen Außen¬ kontakten zu verbinden und gleichzeitig durch die vertikal ausgerichteten Leitungsstege die Schaltungskapazität der ge¬ stapelten Halbleiterbauteile an den auf der Unterseite ange¬ ordneten Außenkontakten zur Verfügung zu stellen.In a further embodiment of the invention, the semiconductor module has external contacts on its underside. These are electrically connected via a wiring substrate and via outer edge connections of the wiring substrate to the conductor webs of the semiconductor terminal arranged vertically to the wiring substrate. Thus, it is possible to connect the semiconductor module on a higher-level circuit board with a large number of external contacts located on the underside and at the same time make available the circuit capacitance of the stacked semiconductor components at the external contacts arranged on the underside by the vertically aligned line segments put.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das Halbleitermodul als Außenkontakt auf der Unterseite des Verdrahtungssubstrats gleichmäßig verteilt angeordnete Lotkugeln auf. Mit diesen Lotkugeln ist eine einfache Ober¬ flächenmontage des Halbleitermoduls auf einem übergeordneten Schaltungssubstrat möglich, indem ein kurzzeitiger Lötprozess durchgeführt wird.In a further preferred embodiment of the invention, the semiconductor module has as an external contact on the underside of the wiring substrate uniformly distributed solder balls arranged. With these solder balls is a simple Ober¬ surface mounting of the semiconductor module on a parent Circuit substrate possible by a short-term soldering process is performed.
Die Speicherkapazität der einzelnen gestapelten DRAMs kann vorzugsweise im Gigabereich liegen. Derartige DRAMs haben den Vorteil, dass sie in flachen, großflächigen Kunststoffgehäu¬ sen eingebettet sind, sodass entsprechend große Randseiten ein Anbringen einer Vielzahl von Randkontaktanschlüssen und somit das Anbringen einer Vielzahl von vertikal ausgerichte- ten Leitungsstegen ermöglichen.The storage capacity of the individual stacked DRAMs may preferably be in the gigabere range. Such DRAMs have the advantage that they are embedded in flat, large-area Kunststoffgehäu¬ sen, so that correspondingly large edge sides allow attachment of a plurality of edge contact terminals and thus the attachment of a plurality of vertically aligned th webs.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist es vorgese¬ hen, dass das Halbleitermodul ein gestapeltes Halbleiterbau¬ teil mit einem Verdrahtungssubstrat aufweist, das seinerseits als innere Anschlusskontakte Lötkugeln besitzt. Mit diesen Lötkugeln wird jedoch die Bauhöhe des Halbleitermoduls ver¬ größert, sodass Lösungen ohne Lötkugeln an den Verdrahtungs¬ substraten der gestapelten Halbleiterbauteile bevorzugt wer¬ den.In a further preferred embodiment, it is provided that the semiconductor module has a stacked semiconductor component with a wiring substrate, which in turn has solder balls as internal connection contacts. With these solder balls, however, the overall height of the semiconductor module is increased, so that solutions without solder balls on the wiring substrates of the stacked semiconductor components are preferred.
Die Verdrahtungsstruktur kann in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform auf einer Verdrahtungsfolie untergebracht sein, zumal, wenn das Halbleitermodul als gestapeltes Bauteil ein Speicherbauteil mit zentralem Bondkanal aufweist. Durch die Verdrahtungsfolie sind äußerst dichtgepackte Halbleiter¬ module möglich, wenn die Verdrahtungsfolie so ausgelegt ist, dass sie Außenrandanschlüsse zur Verfügung stellt, die über vertikale Leitungsstege kontaktierbar sind.In a further preferred embodiment, the wiring structure may be accommodated on a wiring film, in particular if the semiconductor module has a stacked component memory component with a central bonding channel. Extremely densely packed semiconductor modules are possible through the wiring film if the wiring film is designed such that it makes outer edge connections available which can be contacted via vertical conductor webs.
Ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleitermoduls mitA method for producing a semiconductor module with
Halbleiterbauteilen, die aufeinander gestapelt sind und auf ihren Unterseiten Verdrahtungsstrukturen aufweisen, ist durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet: Zunächst werden einzelne Halbleiterbauteile mit Außenrandan- schlüssen auf mindestens einer ihrer Außenseiten hergestellt. Anschließend werden die Halbleiterbauteile unter Ausrichten der Außenrandanschlüsse in vertikaler Richtung übereinander gestapelt. Schließlich werden die übereinander angeordneten Außenrandanschlüsse durch Aufbringen von Verbindungselementen auf die Außenrandanschlüsse elektrisch miteinander verbunden.Semiconductor components that are stacked on top of one another and have wiring structures on their undersides are characterized by the following method steps: First, individual semiconductor devices with outer edge connections are produced on at least one of their outer sides. Subsequently, the semiconductor devices are stacked to align the outer edge terminals in the vertical direction. Finally, the stacked outer edge terminals are electrically connected by applying connecting elements to the outer edge terminals.
Bei diesen Verbindungsschritten kann das untere Halbleiter¬ bauteil bereits auf der Unterseite verteilte Lotkugeln als Außenkontakte auf Außenkontaktflachen eines Verdrahtungssub¬ strats aufweisen. Die zusätzlich von den Außenkontaktflächen jedes Halbleiterbauteils zu dem Außenrand zu führenden Lei- terbahnen, um Außenrandanschlüsse zu realisieren, können be¬ reits beim Herstellen des Layouts für die Verdrahtungsstruk¬ tur des Verdrahtungssubstrats berücksichtigt werden. Außerdem können bereits beim Herstellen des Verdrahtungssubstrats mit- hilfe eines Nutzens auf den Randseiten Durchkontakte vorgese- hen werden, die beim Trennen des Nutzens halbiert werden und somit erste Außenrandanschlüsse bzw. vertikale Verbindungs¬ elemente für einen internen Halbleiterchipstapel bilden.In these connection steps, the lower semiconductor component can already have solder balls distributed on the underside as external contacts on external contact surfaces of a wiring substrate. The conductor tracks additionally to be led from the outer contact surfaces of each semiconductor component to the outer edge in order to realize outer edge connections can be taken into account already during the production of the layout for the wiring structure of the wiring substrate. In addition, vias can already be provided on the edge sides during the production of the wiring substrate with the aid of a benefit, which are cut in half when the benefit is separated and thus form first outer edge connections or vertical connection elements for an internal semiconductor chip stack.
Darüber hinaus können mindestens auf einer Gehäuseaußenrand- seite der zu stapelnden Halbleiterbauteile vertikal zu denIn addition, at least on a housing outer edge side of the semiconductor components to be stacked vertically to the
Verdrahtungsstrukturen und in den Positionen der Außenrandan¬ schlüsse Rillen zur Aufnahme von Leitungsstegen eingeformt werden. Dieses Einformen kann vorzugsweise beim Spritzguss- prozess durchgeführt werden, indem in die Spritzgussform Lei- tungsstege eingelegt werden, sodass beim Ausformen an vorge¬ gebenen Positionen in den Randseiten des Halbleiterbauteils Rillen vorhanden sind, in die dann Leitungsstege des Halblei¬ termoduls eingebracht werden können. Das Verbinden übereinander angeordneter Außenrandanschlüsse durch Aufbringen von Leitungsstegen auf die Außenrandan¬ schlüsse kann mittels Laserschweißtechnik oder mittels Löten oder mittels Klebetechnik mit einem Leitklebstoff erfolgen. Die stoffschlüssigen Verbindungen haben sich in der Halblei¬ tertechnologie bewährt und bilden eine zuverlässige Verfah¬ rensgrundlage zur Herstellung von Halbleitermodulen.Wiring structures and in the positions of the Außenrandan¬ connections grooves are formed for receiving cable webs. This molding can preferably be carried out in the injection molding process by inserting line webs into the injection mold, so that grooves are present during molding at predetermined positions in the edge sides of the semiconductor component, into which conductor webs of the semiconductor module can then be introduced. The connection of outer edge connections arranged one above the other by application of cable webs to the outer edge connections can be effected by means of laser welding technology or by means of soldering or by adhesive bonding with a conductive adhesive. The cohesive compounds have proven themselves in semiconductor technology and form a reliable process basis for the production of semiconductor modules.
Zusammenfassend ist festzustellen, dass durch Bereitstellen eines einfachen Flachleiterrahmens, der Flachleiter für das Anbringen von Leitungsstegen aufweist, eine kostengünstige Lösung des Stapelproblems bereitgestellt wird. Dazu wird der Flachleiterrahmen nicht horizontal, sondern vertikal zur Ver- fügung gestellt und verbindet speziell modifizierte Substrat¬ anschlüsse in Form von Außenrandanschlüssen übereinander. Da¬ bei wird vorteilhafterweise das Laserschweißen angewendet, zumal dieses Verfahren auch beim Stapeln anderer Halbleiter¬ bauteile bereits Erfolge verzeichnet.In summary, by providing a simple leadframe having flat leads for mounting leadbars, a cost effective solution to the stacking problem is provided. For this purpose, the leadframe is not provided horizontally but vertically and connects specially modified substrate connections in the form of outer edge connections one above the other. Da¬ in the laser welding is advantageously used, especially since this method is already successful in stacking other Halbleiter¬ components.
Die Modifikation des erforderlichen Verdrahtungssubstrats ist relativ gering. Von vorgesehenen Außenkontaktflecken jedes Halbleiterbauteils, auf denen sonst Lotbälle vorgesehen sind, werden zusätzliche Anschlussleitungen zum Randbereich ge- führt, was bei einer großen Zahl von Halbleiterbauteilen ohne Bondkanal bereits vorgesehen ist. Bei Gehäusen mit Bondkanal können diese Leitungen zu den Randbereichen ohne Schwierig¬ keiten hinzugefügt werden. An der Gehäusekante münden die zu¬ sätzlichen Leiterbahnen der Verdrahtungsstruktur in entspre- chende Durchkontaktierungen durch das Verdrahtungssubstrat und können zusätzlich durch eine Vergoldung ihrer Oberflä¬ cheneigenschaften verbessert werden. Bei dem Singulieren der Einzelgehäuse aus einem vorgesehenen gemeinsamen Substrat, wie einem Nutzen, für mehrere Halblei¬ terbauteile werden die Kontaktlöcher in dem Randbereich so in der Mitte durchgesägt, dass der Innenradius freigelegt wird. Vorteilhafterweise trennt eine Singulation zwei Gehäuse, so- dass die freigelegten halbierten Durchkontakte als Außenrand- anschlüsse und als vertikale Verbindungselemente für interne Halbleiterchipstapel dienen können.The modification of the required wiring substrate is relatively small. Provided external contact pads of each semiconductor device, on which solder balls are otherwise provided, additional connecting leads are led to the edge region, which is already provided in the case of a large number of semiconductor components without a bonding channel. In casings with a bonding channel, these lines can be added to the edge regions without difficulties. At the housing edge, the additional conductor tracks of the wiring structure lead into corresponding plated-through holes through the wiring substrate and can additionally be improved by gilding their surface properties. When singulating the individual housings from an intended common substrate, such as a benefit, for a plurality of semiconductor components, the contact holes in the edge area are sawed through in the middle such that the inner radius is exposed. Advantageously, a singulation separates two housings, so that the exposed halved through contacts can serve as outer edge connections and as vertical connection elements for internal semiconductor chip stacks.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung befinden sich in einem Spritzgusswerkzeug oder auch "mold tool" entspre¬ chende Leitungsstege an den Positionen oberhalb der Außen- randanschlüsse, sodass diese Stege dafür sorgen, dass sich dort keine Moldmasse absetzt. Durch die beim Ausformen ent- stehenden rillenförmigen Aussparungen wird die Form der Au- ßenrandanschlüsse für den Anschluss eines entsprechenden ver¬ tikal ausgestatteten Flachleiterrahmens verlängert, was für die Befestigung von vertikalen Leitungsstegen von Vorteil ist.In a further embodiment of the invention, in an injection molding tool or "mold tool" corresponding cable webs are located at the positions above the outer edge connections, so that these webs ensure that no molding compound settles there. As a result of the groove-shaped recesses formed during the molding, the shape of the outer edge connections for the connection of a corresponding vertically equipped flat conductor frame is lengthened, which is advantageous for the attachment of vertical conductor webs.
Derartig vorbereitete Halbleiterbauteile können nun zum Sta¬ peln von zwei und mehr Substrat basierenden Gehäusen zu einem Halbleitermodul zusammengebaut werden. Entscheidend ist, dass die zu verbindenden Randseitenkontakte an den gleichen Rand- Positionen übereinander liegen. Die Stapelpartner selbst kön¬ nen zwei oder mehr gleichartige Bauteile mit gleichen Chips bzw. Speicherchips aufweisen oder sie können zwei oder mehr gleichartige Bausteine mit unterschiedlichen Halbleiterchips, zum Beispiel in einem Multichip-Package, oder in einem "sta- cked die FBGA" aufweisen. Schließlich ist es möglich, dass verschiedenartige Halbleiterbauteile, wie Logikhalbleiterbau¬ teile und Speicherhalbleiterbauteile oder eine beliebige an- dere Kombination dieser Halbleiterbauteile, miteinander ge¬ stapelt werden.Semiconductor components prepared in this way can now be assembled to form a semiconductor module for stacking two or more substrate-based packages. The decisive factor is that the edge side contacts to be connected are located one above the other at the same edge positions. The stacking partners themselves can have two or more similar components with the same chips or memory chips, or they can have two or more similar components with different semiconductor chips, for example in a multichip package, or in a "staked the FBGA". Finally, it is possible for various semiconductor components, such as logic semiconductor components and memory semiconductor components, or any other semiconductor components to be used. The combination of these semiconductor devices are stacked together.
Die einzelnen Stapelpartner können selbst wieder mit Lotbäl- len ausgerüstet sein und so mit einem Standardprozess getes¬ tet werden. Andererseits ist es auch möglich, über die Außen- kontaktflachen, auf denen derartige Außenkontakte von Halb¬ leiterbauteilen angeordnet sind, entsprechende Nadelkontakte beim Testen aufzubringen und somit auch Halbleiterbauteile ohne derartige Lotkugeln auf einfache Weise zu testen, bevor ein Halbleitermodul zusammengestellt wird.The individual stacking partners can themselves again be equipped with solder balls and thus tested with a standard process. On the other hand, it is also possible to apply corresponding needle contacts during testing via the outer contact surfaces on which such external contacts of semiconductor components are arranged and thus also to test semiconductor components without such solder balls in a simple manner before a semiconductor module is assembled.
Zur Herstellung der Stapelverbindung werden die einzelnen Partner so ausgerichtet, dass die Aushöhlungen oder Durchkon- takte (entweder nur aus Durchkontakten bestehend oder durch vertikale Aussparungen bzw. Rillen verlängerte Kontaktlöcher aufweisend) übereinander liegend angeordnet sind. Ferner wird ein vorgeformter Flachleiterrahmen über alle Kontakte gelegt und durch Laserschweißen werden die Einzelverbindungen mit den Außenrandkontaktanschlüssen geschlossen und durch Laser¬ trennen werden entsprechende Querstege bzw. Befestigungs¬ schienen des Flachleiterrahmens für die Leitungsstege abge¬ trennt. Nachdem alle Kontakte angeschlossen sind, kann das gestapelte Halbleitermodul nochmals getestet und danach ein- gesetzt werden.To produce the stacked connection, the individual partners are aligned so that the cavities or through contacts (either consisting only of through contacts or having vertical recesses or grooves having extended contact holes) are arranged one above the other. Furthermore, a preformed leadframe is placed over all contacts and by laser welding the individual connections are closed with the outer edge contact connections and by Laser¬ corresponding crossbars or Befestigungs¬ rails of the leadframe for the cable webs are abge¬ separated. After all contacts have been connected, the stacked semiconductor module can be tested again and then used.
Zusammenfassend ergeben sich daraus folgende Vorteile:In summary, the following advantages result:
1. eine kostengünstige Stapeltechnologie; 2. ein Nutzbarmachen von substratbasierten Gehäusen, wie z.B. FBGA-Gehäuse für die Stapeltechnologie; 3. eine Erhöhung der elektrischen Leistungsfähigkeit; 4. eine Verringerung der vertikalen Größenausdehnung eines Halbleitermoduls;1. a cost-effective stacking technology; 2. Utilization of substrate-based packages, such as FBGA packages for stacking technology; 3. an increase in electrical performance; 4. a reduction in the vertical size extent of a semiconductor module;
5. ein Vorabtesten der einzelnen zu stapelnden Halbleiter¬ bauteile, sodass ein verminderter Ausschuss für die Halbleitermodule auftritt;5. a pre-testing of the individual semiconductor components to be stacked so that a reduced rejection of the semiconductor modules occurs;
6. eine hohe Vielfalt von Stapelmöglichkeiten durch Einzel¬ chipgehäuse, Multichipgehäuse und Kombinationen dersel¬ ben.6. a high variety of stacking possibilities by Einzel¬ chip housing, multi-chip housing and combinations dersel¬ ben.
Mit dieser Technologie wird ein Verdoppeln oder Vervierfachen der Speicherdichte im Vergleich zu Standardspeicherdichten möglich. Bei beispielsweise 120 nötigen vertikalen Verbindun¬ gen ergeben sich zum Beispiel 30 Durchkontakte pro Randseite der Halbleiterbauteile, bei einem Anschlussraster von 0,65 mm ergibt sich eine Mindestlänge, um eine derartige Anzahl von Leitungsstegen auf den Randseiten unterzubringen, von 20 mm. Die für ein derartiges Stapeln in einem Halbleitermodul inte¬ ressanten Speicherchips sind die Chips mit großer Speicher¬ dichte, beispielsweise von 1 Gigabit bis 2 Gigabit, da diese Halbleiterchips bereits heute eine Kantenlänge von größer als 18 mm aufweisen. Somit ist auch das Anschlussraster ausrei¬ chend, um genügend Außenrandkontaktanschlüsse bereitzustel¬ len.With this technology, it is possible to double or quadruple the storage density compared to standard storage densities. In the case of, for example, 120 necessary vertical connections, there are, for example, 30 vias per edge side of the semiconductor components; with a connection raster of 0.65 mm, a minimum length of 20 mm is required to accommodate such a number of line ridges on the edge sides. The memory chips which are of interest for such stacking in a semiconductor module are the chips having a high memory density, for example from 1 gigabit to 2 gigabit, since these semiconductor chips already have an edge length of greater than 18 mm. Thus, the connection grid is also sufficient to provide sufficient outer edge contact connections.
Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Figuren näher erläutert.The invention will now be explained in more detail with reference to the accompanying figures.
Figur 1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einFigure 1 shows a schematic cross section through a
Halbleitermodul einer ersten Ausführungsform der Erfindung; Figur 2 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einSemiconductor module of a first embodiment of the invention; Figure 2 shows a schematic cross section through a
Halbleitermodul einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;Semiconductor module of a second embodiment of the invention;
Figur 3 zeigt eine schematische Draufsicht auf einen verti¬ kal ausgerichteten Flachleiterrahmen mit elektri¬ schen Verbindungselementen;FIG. 3 shows a schematic plan view of a vertically aligned leadframe with electrical connecting elements;
Figur 4 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Halbleitermodul einer dritten Ausführungsform derFIG. 4 shows a schematic cross section through a semiconductor module of a third embodiment of FIG
Erfindung;Invention;
Figur 5 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einFigure 5 shows a schematic cross section through a
Halbleitermodul einer vierten Ausführungsform der Erfindung;Semiconductor module of a fourth embodiment of the invention;
Figur 6 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einFigure 6 shows a schematic cross section through a
Halbleitermodul einer fünften Ausführungsform der Erfindung.Semiconductor module of a fifth embodiment of the invention.
Figur 1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Halb¬ leitermodul 1 einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Dieses Halbleitermodul 1 weist einen internen Halbleiterchip¬ stapel 40 aus den Halbleiterchips 13 und 14 auf. Zwischen den Halbleiterchips 13 und 14 ist eine abstandhaltende isolieren¬ de Schicht 52 angeordnet, da die Halbleiterchips 13 und 14 identische Außenmaße aufweisen. Beide Halbleiterchips 13 und 14 weisen zentral und zweireihig angeordnete Kontaktflächen 54 an der aktiven Oberseite der Halbleiterchips 13 und 14 auf. Von den Kontaktflächen 54 in dem zentralen Bereich 44 führen Leiterbahnen 48 einer Verdrahtungsstruktur, die von einer strukturierten Metallbeschichtung auf den aktiven Ober¬ seiten der Halbleiterchips 13 und 14 gebildet wird, zu Innen- anschlüssen 29 in den Randbereichen der Halbleiterchips 13 und 14, von wo aus die Innenschlüsse 29 über Bondverbindungen 49 mit einer Verdrahtungsstruktur 25 auf einem Verdrahtungs¬ substrat 34 verbunden sind.FIG. 1 shows a schematic cross section through a semiconductor module 1 of a first embodiment of the invention. This semiconductor module 1 has an internal Halbleiterchip¬ stack 40 of the semiconductor chips 13 and 14. Between the semiconductor chips 13 and 14, a spacer isolieren¬ de layer 52 is arranged, since the semiconductor chips 13 and 14 have identical outer dimensions. Both semiconductor chips 13 and 14 have central and double row arranged contact surfaces 54 on the active upper side of the semiconductor chips 13 and 14. Of the contact surfaces 54 in the central region 44 lead tracks 48 of a wiring structure, which is formed by a structured metal coating on the active Ober¬ sides of the semiconductor chips 13 and 14, to indoor Connections 29 in the edge regions of the semiconductor chips 13 and 14, from which the internal connections 29 are connected via bonding connections 49 with a wiring structure 25 on a wiring substrate 34.
Das Verdrahtungssubstrat 34 weist auf seiner Unterseite 41 Außenkontakte 42 auf, die auf Außenkontaktflächen 50 angeord¬ net sind. Die Außenkontaktflächen 50 stehen über Leitungen der Unterseite 41 und Durchkontakte 51 mit der Verdrahtungs- struktur 25 elektrisch in Verbindung. Beim Außenrand 33 des Verdrahtungssubstrats 34 sind durchtrennte Durchkontakte 32 angeordnet, die ihrerseits sowohl mit den Bondverbindungen 49 oder mit den Außenkontakten 42 elektrisch verbunden sind. So¬ mit werden zumindest über diese aufgetrennten Durchkontakte 32, die auch Hohlkontakte genannt werden, am Außenrand 33 des Verdrahtungssubstrats 34 drei Kontaktebenen zusammengeschlos¬ sen, nämlich die Kontaktebene der Außenkontakte 42 sowie die Kontaktebene der Innenanschlüsse 29 der beiden Halbleiter¬ chips 13 und 14. Ferner können die Kontakte der drei Kontakt- ebenen zusätzlich über die Durchkontakte 51 zusammen ge¬ schlossen sein.The wiring substrate 34 has external contacts 42 on its underside 41, which are arranged on external contact surfaces 50. The outer contact surfaces 50 are electrically connected via lines of the underside 41 and through contacts 51 to the wiring structure 25. At the outer edge 33 of the wiring substrate 34 through-cut contacts 32 are arranged, which in turn are electrically connected to both the bonding connections 49 or with the external contacts 42. At least via these separated through contacts 32, which are also called hollow contacts, three contact planes are joined together at the outer edge 33 of the wiring substrate 34, namely the contact plane of the external contacts 42 and the contact plane of the internal connections 29 of the two semiconductor chips 13 and 14. Furthermore, the contacts of the three contact planes can additionally be connected together via the through contacts 51.
Den Schnittzeichnungen A, B, C und D, die unter Figur 1 mit Figur IA, Figur IB, Figur IC und Figur ID gekennzeichnet sind, wird die unterschiedliche Struktur des Außenrandes 33 im Bereich des Verdrahtungssubstrats 34 und die Struktur der Außenseite 30 im Bereich des Kunststoffgehäuses 47 deutlich. In dieser ersten Ausführungsform der Erfindung weisen ledig¬ lich die Hohl- oder Durchkontakte 32 in dem Randbereich eine Aussparung bzw. Rillen auf, während die Außenseite 30 des Halbleitermoduls 1, wie es die Figuren IB und IC zeigen, vollständig glatt ist. Zur Verbesserung des Widerstandes gegen Korrosion und Oxida- tion können die Durchkontakte 32 aus einer Kupferlegierung mit einer Goldschicht in dem Außenrand 33 des Verdrahtungs¬ substrats 34 beschichtet sein. Der Vorteil dieser Außenrand- anschlüsse 28 dieser ersten Ausführungsform der Erfindung ist es, dass eine Vielzahl von Durchkontakten 32 im Randbereich des Halbleiterbauteils 6 angebracht werden können, sodass ü- ber diese Außenrandanschlüsse 28 aus aufgetrennten Durchkon¬ takten 32 ein Test möglich ist, ohne dass die Lotkugeln 43 belastet werden müssen. Selbst bei einer Oberflächenmontage dieses Halbleitermoduls 1 auf einer übergeordneten Schal¬ tungsplatine kann noch auf die Außenrandanschlüsse 28 auf den Gehäuseaußenrandseiten 26 und 27 zugegriffen werden, was beim Testen des Bauteils vorteilhaft ist.The sectional drawings A, B, C and D, which are identified in Figure 1 with Figure IA, Figure IB, Figure IC and Figure ID, the different structure of the outer edge 33 in the region of the wiring substrate 34 and the structure of the outer surface 30 in the region Plastic housing 47 clearly. In this first embodiment of the invention, only the hollow contacts or through contacts 32 have a recess or grooves in the edge region, while the outside 30 of the semiconductor module 1, as shown in FIGS. 1B and 1C, is completely smooth. To improve the resistance to corrosion and oxidation, the through contacts 32 made of a copper alloy may be coated with a gold layer in the outer edge 33 of the wiring substrate 34. The advantage of these outer edge connections 28 of this first embodiment of the invention is that a large number of vias 32 can be provided in the edge area of the semiconductor component 6 so that a test is possible via these outer edge terminals 28 from separated through contacts 32 without the solder balls 43 must be charged. Even with a surface mounting of this semiconductor module 1 on a higher-level circuit board, it is still possible to access the outer edge terminals 28 on the housing outer edge sides 26 and 27, which is advantageous when testing the component.
Figur 2 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Halb¬ leitermodul 2 einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Komponenten mit gleichen Funktionen wie in Figur 1 werden mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und nicht extra erör- tert. Auch dieses Halbleitermodul 2 weist einen internenFIG. 2 shows a schematic cross section through a semiconductor module 2 of a second embodiment of the invention. Components with the same functions as in FIG. 1 are identified by the same reference symbols and are not discussed separately. This semiconductor module 2 also has an internal
Halbleiterchipstapel 40 mit Speicherchips von einigen Gigabit auf. Der Unterschied zwischen der Ausführungsform gemäß Figur 1 und der Ausführungsform gemäß Figur 2 wird an den Schnitt¬ zeichnungen Figur 2A, Figur 2B, Figur 2C und Figur 2D sicht- bar. In dieser Ausführungsform der Erfindung sind Rillen oder Aussparungen sowohl im Bereich des Verdrahtungssubstrats 34 als auch im Bereich des Kunststoffgehäuses 47 vorgesehen, wie die Figuren 2B und 2C zeigen. Diese Aussparungen sind aufge¬ füllt mit Leitungsstegen 36 als vertikale Verbindungselemente 31, über die ein weiteres Halbleiterbauteil mit einem inter¬ nen Halbleiterchipstapel 40, wie es z.B. Figur 1 zeigt, an das vorliegende Halbleitermodul 1 angekoppelt werden kann. Durch die vertikal gegenüber der Verdrahtungsstruktur 25 aus¬ gerichteten Leitungsstege 36 ist es möglich, auf geringstem Raum eine Verbindung zwischen zu stapelnden Halbleiterbautei¬ len herzustellen. Dazu können die Aussparungen bzw. Rillen 35 in dem Kunststoffgehäuse 47 dadurch hergestellt werden, dass in eine Spritzgussform oder eine Prägeform entsprechende Lei¬ tungsstege 36 eingelegt werden, sodass beim Herausnehmen der Form diese Leitungsstege 36 entweder gleich mit eingegossen oder in die entstehenden Rillen 35 anschließend eingefügt werden. Die elektrische Verbindung der Leitungsstege 36 mit den Außenrandanschlüssen 28 in Form von aufgeteilten Durch¬ kontakten 32 kann durch ein Laserschweißen erreicht werden. Dieses ist das zuverlässigste stoffschlüssige Verfahren, mit dem die Leitungsstege 36 mit den aufgetrennten Durchkontakten 32 des Verdrahtungssubstrats 34 verbunden werden können. Ge¬ nerell ist es auch möglich, diese Leitungsstege 36 auf die aufgetrennten Durchkontakte 32 aufzulöten oder sie mit einem Leitkleber elektrisch zu verbinden.Semiconductor chip stack 40 with memory chips of a few gigabits. The difference between the embodiment according to FIG. 1 and the embodiment according to FIG. 2 can be seen on the sectional drawings FIG. 2A, FIG. 2B, FIG. 2C and FIG. 2D. In this embodiment of the invention, grooves or recesses are provided both in the area of the wiring substrate 34 and in the area of the plastic housing 47, as shown in FIGS. 2B and 2C. These recesses are filled up with line bars 36 as vertical connecting elements 31, via which a further semiconductor component with an internal semiconductor chip stack 40, as shown for example in FIG. 1, can be coupled to the present semiconductor module 1. As a result of the conductor webs 36 aligned vertically with respect to the wiring structure 25, it is possible to establish a connection between semiconductor components to be stacked in the smallest possible space. For this purpose, the recesses or grooves 35 in the plastic housing 47 can be produced by inserting corresponding guide webs 36 into an injection mold or an embossing mold, so that when the mold is removed, these conductor webs 36 either cast in the same way or subsequently into the resulting grooves 35 be inserted. The electrical connection of the line webs 36 with the outer edge terminals 28 in the form of split Durch¬ contacts 32 can be achieved by laser welding. This is the most reliable cohesive method with which the cable webs 36 can be connected to the separated vias 32 of the wiring substrate 34. In general, it is also possible to solder these conductor webs 36 to the separated through contacts 32 or to electrically connect them with a conductive adhesive.
Figur 3 zeigt eine schematische Draufsicht auf einen vertikal ausgerichteten Flachleiterrahmen 37 mit elektrischen Verbin¬ dungselementen 31. Um gleichzeitig mehrere Verbindungselemen¬ te 31 auf die Gehäuseaußenrandseiten eines Halbleitermoduls in den vorgesehenen Rillen aufzubringen, sind die elektri- sehen Verbindungselemente 31 in Form von Leitungsstegen 36 über einen Flachleiterrahmen 37 gitterförmig gehalten. Der Flachleiterrahmen 37 weist Querstege 39 auf, welche die Lei¬ tungsstege 36 in ihrer Position halten. Das Gitter 38 kann zunächst komplett auf die Gehäuseaußenrandseiten eines HaIb- leitermoduls mit gestapelten Halbleiterbauteilen aufgelegt werden und anschließend mit den vorgesehenen Außenrandan¬ schlüssen verbunden werden. Der Kurzschluss, der durch die Querstege 39 entsteht, kann nach Anbringen des Rahmens und Kontaktieren der Außenrandkontakte 32 durch Lasertrennen des Überstandes 46 des Gitters 38 entfernt werden.FIG. 3 shows a schematic plan view of a vertically aligned leadframe 37 with electrical connection elements 31. In order to simultaneously apply a plurality of connection elements 31 to the housing outer edge sides of a semiconductor module in the grooves provided, the electrical connection elements 31 are in the form of line webs 36 a lead frame 37 is held in a grid shape. The leadframe 37 has transverse webs 39, which hold the Lei¬ tion webs 36 in position. The grid 38 can first be placed completely on the housing outer edge sides of a semiconductor module with stacked semiconductor components and then connected to the intended outer edge connections. The short circuit that arises through the transverse webs 39, after attaching the frame and Contact the outer edge contacts 32 are removed by laser separation of the supernatant 46 of the grid 38.
Figur 4 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein HaIb- leitermodul 3 einer dritten Ausführungsform der Erfindung. Das untere Halbleiterbauteil 7 entspricht den Halbleiterbau¬ teilen 6, die in Figur 1 und 2 gezeigt werden, und weist ei¬ nen internen Halbleiterchipstapel 40 mit den Halbleiterchips 15 und 16 auf. Das gestapelte Halbleiterbauteil 8 mit seinem internen Halbleiterchipstapel 40 der Halbleiterchips 17 und 18 ist auf die Oberseite des unteren Halbleiterbauteils 8 un¬ mittelbar geklebt und weist keine Lotbälle oder Lotkugeln auf, zumal die beiden gestapelten Halbleiterchips 17 und 18 über ihre Innenanschlüsse 29 und die Verdrahtungsstruktur 25 mit entsprechenden Außenrandanschlüssen 28 verbunden sind, sodass Lotkugeln 43 auf den Außenkontaktflächen 50 des gesta¬ pelten Halbleiterbauteils 8 überflüssig sind. Die elektrische Verbindung zum oberen und unteren Halbleiterbauteil erfolgt in diesem Fall durch Verbindungselemente 31, die als Flach- leiter ausgebildet sind. Durch den Wegfall von Lotbällen zwi¬ schen den beiden Halbleiterbauteilen 7 und 8 wird das gesamte Halbleitermodul 3 in seiner Höhe h vermindert.FIG. 4 shows a schematic cross section through a semiconductor module 3 of a third embodiment of the invention. The lower semiconductor component 7 corresponds to the semiconductor components 6, which are shown in FIGS. 1 and 2, and has an internal semiconductor chip stack 40 with the semiconductor chips 15 and 16. The stacked semiconductor device 8 with its internal semiconductor chip stack 40 of the semiconductor chips 17 and 18 is indirectly bonded to the upper side of the lower semiconductor device 8 and has no solder balls or solder balls, especially since the two stacked semiconductor chips 17 and 18 via their inner terminals 29 and the wiring structure 25th are connected to corresponding outer edge terminals 28 so that solder balls 43 on the outer contact surfaces 50 of the sta¬ pelten semiconductor device 8 are superfluous. The electrical connection to the upper and lower semiconductor device takes place in this case by connecting elements 31, which are formed as a flat conductor. By eliminating solder balls between the two semiconductor components 7 and 8, the entire semiconductor module 3 is reduced in height h.
Figur 5 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein HaIb- leitermodul 4 einer vierten Ausführungsform der Erfindung.FIG. 5 shows a schematic cross section through a semiconductor module 4 of a fourth embodiment of the invention.
Komponenten mit gleichen Funktionen wie in den vorhergehenden Figuren werden mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und nicht extra erörtert.Components having the same functions as in the previous figures are identified by the same reference numerals and will not be discussed separately.
Diese vierte Ausführungsform der Erfindung entspricht wei- testgehend der dritten Ausführungsform der Erfindung gemäß Figur 4, jedoch ist die Bauhöhe h des Halbleitermoduls 4 grö¬ ßer, weil Lotkugeln 43 des gestapelten Halbleiterbauteils 9 beibehalten wurden. Mit dem internen Halbleiterchipstapel 40 aus den Halbleiterchips 19 und 20 ist das gestapelte Halblei¬ terbauteil 9 genauso aufgebaut wie die Ausführungsform gemäß Figur 2. Auch das Basishalbleiterbauteil 10 weist einen in- ternen Halbleiterchipstapel 40 mit den Halbleiterchips 21 und 22 auf und entspricht in seinem Aufbau dem Halbleiterbauteil 6, das in Figur 2 gezeigt wird. Der Vorteil dieses Halblei¬ termoduls ist es, dass keine Modifikationen und Änderungen an den zu stapelnden Halbleiterbauteilen 9 und 10 ausgeführt werden müssen, sodass gleichartige Halbleiterbauteile 9 und 10 übereinander gestapelt und miteinander über die Leitungs¬ stege 36 auf den Außenseiten 30 des Halbleitermoduls 4 ver¬ bunden werden können. Dieses bringt Vorteile beim Testen der Halbleiterbauteile 9.This fourth embodiment of the invention largely corresponds to the third embodiment of the invention according to FIG. 4, but the overall height h of the semiconductor module 4 is greater because solder balls 43 of the stacked semiconductor component 9 were maintained. With the internal semiconductor chip stack 40 from the semiconductor chips 19 and 20, the stacked semiconductor component 9 is constructed in the same way as the embodiment according to FIG. 2. The base semiconductor component 10 also has an internal semiconductor chip stack 40 with the semiconductor chips 21 and 22 and corresponds in its construction the semiconductor device 6 shown in FIG. The advantage of this semiconductor module is that no modifications and changes have to be made to the semiconductor components 9 and 10 to be stacked, so that similar semiconductor components 9 and 10 are stacked on top of each other via the conductor bars 36 on the outside 30 of the semiconductor module 4 ¬ can be tied. This brings advantages in testing the semiconductor devices 9.
Figur 6 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Halb¬ leitermodul 5 einer fünften Ausführungsform der Erfindung, wobei in diesem Fall zwei Halbleiterbauteile 11 und 12 auf¬ einander gestapelt sind, die Halbleiterchips 23 und 24 mit einem zentralen Bondkanal 44 aufweisen. In dem zentralen Bondkanal 44 sind zweireihig Kontaktflächen 54 angeordnet, die über Bonddrähte 49 mit Leiterbahnen 48 auf einer Verdrah¬ tungsfolie 45 verbunden sind. Auf der Verdrahtungsfolie 45 sind Außenkontakte 42 in Form von Lotkugeln 43 im Falle des unteren Halbleiterbauteils 11 angeordnet. Das obere gestapel¬ te Halbleiterbauteil 12 weist demgegenüber keine Lotkugeln 43 auf.FIG. 6 shows a schematic cross section through a semiconductor module 5 of a fifth embodiment of the invention, in which case two semiconductor components 11 and 12 are stacked on one another, which have semiconductor chips 23 and 24 with a central bonding channel 44. In the central bonding channel 44, contact surfaces 54 are arranged in two rows, which are connected via bonding wires 49 to conductor tracks 48 on a wiring foil 45. On the wiring film 45, external contacts 42 in the form of solder balls 43 are arranged in the case of the lower semiconductor device 11. In contrast, the upper stacked semiconductor component 12 has no solder balls 43.
Die in zwei Reihen angeordneten Kontaktflächen 54 sind hier über Bonddrähte 49 mit einer Verdrahtungsstruktur 25 eines zentralen Bondkanals 55 verbunden, die direkt mit Außenrand- anschlüssen 28 verbunden sind und über die Verbindungselemen¬ te 31 in Form von Leitungsstegen 36 auf den Gehäuseaußenrand- Seiten 26 und 27 mit den Außenkontakten 42 des unteren Halb¬ leiterbauteils 11 des Halbleitermoduls 5 verbunden sind. Zwi¬ schen den Halbleiterbauteilen 11 und 12 ist eine Klebstoff¬ masse 53 angeordnet, mit der das gestapelte Halbleiterbauteil 12 auf dem Basishalbleiterbauteil 11 fixiert ist. Der Unter¬ schied des Halbleitermoduls 5 zu den vorhergehenden Ausfüh¬ rungsformen der Erfindung liegt darin, dass die zentralen Bondkanäle 55 der gestapelten Halbleiterbauteile 11 und 12 in Richtung auf die Außenkontakte 42 des Halbleitermoduls 5 aus- gerichtet sind und deshalb auf ein selbsttragendes Verdrah¬ tungssubstrat für Halbleiterchips verzichtet werden kann, zu¬ mal auch kein interner Halbleiterchipstapel in dieser Ausfüh¬ rungsform der Erfindung vorgesehen ist. The contact surfaces 54 arranged in two rows are here connected by way of bonding wires 49 to a wiring structure 25 of a central bonding channel 55, which are connected directly to outer edge terminals 28 and are connected via the connecting elements 31 in the form of conductor webs 36 to the outer edge of the housing. Pages 26 and 27 are connected to the external contacts 42 of the lower Halb¬ ladder component 11 of the semiconductor module 5. Between the semiconductor components 11 and 12, an adhesive compound 53 is arranged, with which the stacked semiconductor component 12 is fixed on the base semiconductor component 11. The difference between the semiconductor module 5 and the preceding embodiments of the invention lies in the fact that the central bonding channels 55 of the stacked semiconductor components 11 and 12 are aligned in the direction of the external contacts 42 of the semiconductor module 5 and therefore on a self-supporting wiring substrate can be dispensed with semiconductor chips, zu¬ times no internal semiconductor chip stack is provided in this embodiment of the invention.

Claims

Patentansprüche claims
1. Halbleitermodul mit Halbleiterbauteilen (6 - 12), wobei die Halbleiterbauteile (6 - 12) aufeinander gestapelt sind und auf ihren Unterseiten Verdrahtungsstrukturen (25) aufweisen und auf mindestens einer Gehäuseaußen¬ randseite (26, 27) Außenrandanschlüsse (28) besitzen, wobei die Außenrandanschlüsse (28) über die Verdrah¬ tungsstrukturen (25) mit Innenanschlüssen (29) der HaIb- leiterbauteile (6 - 12) elektrisch in Verbindung stehen und wobei das Halbleitermodul (1 - 5) auf mindestens ei¬ ner Außenseite (30) ein vertikal zu den Verdrahtungs¬ strukturen (25) ausgerichtetes Gitter (38) elektrischer Verbindungselemente (31) aufweist, die mit den Außen- randanschlüssen (28) stoffschlüssig und elektrisch ver¬ bunden sind.1. Semiconductor module with semiconductor components (6-12), wherein the semiconductor components (6-12) are stacked on one another and on their underside wiring structures (25) and on at least one Gehäuseaußen¬ edge side (26, 27) have outer edge terminals (28), wherein the outer edge terminals (28) are electrically connected to inner terminals (29) of the semiconductor components (6-12) via the wiring structures (25), and wherein the semiconductor module (1-5) adjoins at least one outer side (30) Lattice (38), which is aligned vertically with respect to the wiring structures (25), has electrical connection elements (31) which are connected to the outer edge connections (28) in a materially bonded and electrically connected manner.
2. Halbleitermodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass die elektrischen Verbindungselemente (31) aufgetrennte Durchkontakte (32) an einem Außenrand (33) eines Ver¬ drahtungssubstrats (34) der gestapelten Halbleiterbau¬ teile (6 - 10) aufweisen.2. The semiconductor module according to claim 1, characterized in that the electrical connection elements (31) have cut through contacts (32) on an outer edge (33) of a wiring substrate (34) of the stacked semiconductor components (6 - 10).
3. Halbleitermodul nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , dass die Gehäuseaußenrandseiten (26, 27) der gestapelten Halbleiterbauteile (6 - 12) vertikal zu den Verdrah¬ tungsstrukturen (25) eingeformte Rillen (35) aufweist, in denen Leitungsstege (36) als elektrische Verbindungs¬ elemente (31) angeordnet und mit den Außenrandanschlüs- sen (28) elektrisch verbunden sind. 3. Semiconductor module according to claim 1 or claim 2, characterized in that the housing outer edge sides (26, 27) of the stacked semiconductor components (6-12) vertical to the Verdrah¬ processing structures (25) molded grooves (35), in which line webs (36 ) are arranged as electrical connection elements (31) and are electrically connected to the outer edge terminals (28).
4. Halbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass mehrere Verbindungselemente (31) mithilfe eines Flach¬ leiterrahmens (37) in Position gehalten sind und ein Gitter (38) aus Leitungsstegen (36) zwischen Querstegen (39) aufweisen.4. Semiconductor module according to one of the preceding claims, characterized in that a plurality of connecting elements (31) by means of a Flach¬ ladder frame (37) are held in position and a grid (38) of wire webs (36) between transverse webs (39).
5. Halbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass die gestapelten Halbleiterbauteile (6 - 10) interne5. Semiconductor module according to one of the preceding claims, characterized in that the stacked semiconductor components (6 - 10) internal
Halbleiterchipstapel (40) aufweisen, die über eine ge¬ meinsame Verdrahtungsstruktur (25) des gestapelten Halb¬ leiterbauteils (6 - 12) und über die Außenrandanschlüsse (28) des gestapelten Halbleiterbauteils (6 - 12) mit den Verbindungselementen (31) des Halbleitermoduls (1 - 5) elektrisch in Verbindung stehen.Semiconductor chip stacks (40) which have a common wiring structure (25) of the stacked semiconductor component (6-12) and the outer edge terminals (28) of the stacked semiconductor component (6-12) with the connection elements (31) of the semiconductor module (40). 1 - 5) are electrically connected.
6. Halbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass das Halbleitermodul (1 - 5) auf seiner Unterseite (41) Außenkontakte (42) aufweist, die über ein Verdrahtungs¬ substrat (34) und über Außenrandanschlüsse (28) des Ver¬ drahtungssubstrats (34) mit den vertikal zu dem Verdrah¬ tungssubstrat (34) angeordneten Leitungsstegen (36) des Halbleitermoduls (1 - 5) elektrisch in Verbindung ste¬ hen.6. Semiconductor module according to one of the preceding claims, characterized in that the semiconductor module (1 - 5) on its underside (41) has external contacts (42) via a wiring substrate (34) and via outer edge terminals (28) of Ver¬ Wiring substrate (34) with the vertical to the wiring substrate (34) arranged wire webs (36) of the semiconductor module (1-5) electrically connected hen hen.
7. Halbleitermodul nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , dass der interne Chipstapel (40) Halbleiterchips (13, 14) aufweist, die auf ihrer aktiven Oberseite in einem zent¬ ralen Bereich (44) Kontaktflächen (54) aufweisen, die über Leiterbahnen (48) mit Innenanschlussflachen (29) auf Randbereichen der Halbleiterchips (13, 14) in Ver¬ bindung stehen, wobei die Leiterbahnen (48) von einer strukturierten Metallbeschichtung auf den aktiven Ober¬ seiten der Halbleiterchips (13, 14) gebildet sind.7. The semiconductor module as claimed in claim 5, characterized in that the internal chip stack (40) has semiconductor chips (13, 14) which have contact surfaces (54) on their active upper side in a central region (44) which are connected via conductor tracks (48 ) with inner connection surfaces (29) on edge regions of the semiconductor chips (13, 14) are in Ver¬ binding, wherein the conductor tracks (48) of a structured metal coating on the active Ober¬ sides of the semiconductor chips (13, 14) are formed.
8. Halbleitermodul nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet , dass der interne Halbleiterchipstapel (40) Speicherbauteile, vorzugsweise DRAMs aufweist mit Speicherkapazitäten im Gigabitbereich.8. The semiconductor module according to one of claims 5 to 7, characterized in that the internal semiconductor chip stack (40) has memory components, preferably DRAMs, with memory capacities in the gigabit range.
9. Halbleitermodul nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet , dass der interne Halbleiterchipstapel (40) mindestens ein Lo- gikchip vorzugsweise einen Mikroprozessor aufweist.9. Semiconductor module according to one of claims 5 to 7, characterized in that the internal semiconductor chip stack (40) at least one logic chip preferably has a microprocessor.
10. Halbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass für das Halbleitermodul (1 - 5) ein gestapeltes Halblei- terbauteil (6 - 10) mit einem Verdrahtungssubstrat (34), das Lotkugeln (43) als Außenkontakte (42) aufweist, vor¬ gesehen ist.10. Semiconductor module according to one of the preceding claims, characterized in that a stacked semiconductor component (6 - 10) with a wiring substrate (34) having solder balls (43) as external contacts (42) for the semiconductor module (1 - 5), vor¬ is seen.
11. Halbleitermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleitermodul (1 - 5) ein Speicherbauteil mit zentralem Bondkanal (55) und Verdrahtungsfolie (45) auf¬ weist, die eine Verdrahtungsstruktur (25) besitzt, wel¬ che mit den Außenrandanschlüssen (28) elektrisch in Ver- bindung steht.11. The semiconductor module according to one of the preceding claims, characterized in that the semiconductor module (1-5) has a memory component with a central bonding channel (55) and wiring foil (45), which has a wiring structure (25), wel¬ che with the External edge connections (28) is electrically connected.
12. Verfahren zur Herstellung eines Halbleitermoduls (1 - 5) mit Halbleiterbauteilen (β - 12), wobei die Halbleiter- bauteile (6 - 12) aufeinander gestapelt sind und auf ih¬ ren Unterseiten Verdrahtungsstrukturen (25) aufweisen, wobei das Verfahren die folgende Verfahrensschritte auf¬ weist: - Herstellen einzelner Halbleiterbauteile (6 - 12) mit Außenrandanschlüssen (28) auf mindestens einer Außenseite (30) ;12. A method for producing a semiconductor module (1-5) with semiconductor components (β-12), wherein the semiconductor components (6 - 12) are stacked on top of one another and have wiring structures (25) on their undersides, the method comprising the following method steps: - producing individual semiconductor components (6 - 12) with outer edge connections (28) on at least one outer side ( 30);
Stapeln der Halbleiterbauteile (6 - 12) unter Aus¬ richten der Außenrandanschlüsse (28) in vertikaler Richtung übereinander;Stacking the semiconductor components (6 - 12) while aligning the outer edge terminals (28) in the vertical direction one above the other;
Verbinden übereinander angeordneter Außenrandan¬ schlüsse (28) durch Aufbringen von Verbindungsele¬ menten (31) auf die Außenrandanschlüsse (28) .Connecting superposed Außenrandan¬ connections (28) by applying Verbindungsele¬ elements (31) on the outer edge terminals (28).
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet , dass in mindestens einer der Gehäuseaußenrandseiten (26, 27) der zu stapelnden Halbleiterbauteile (6 - 12) vertikal zu den Verdrahtungsstrukturen (34) und in den Positionen der Außenrandanschlüsse (28) Rillen (35) zur Aufnahme von Leitungsstegen (36) eingeformt werden.13. The method according to claim 12, characterized in that in at least one of the housing outer edge sides (26, 27) of the semiconductor components to be stacked (6-12) vertical to the wiring structures (34) and in the positions of the outer edge terminals (28) grooves (35). for receiving wire webs (36) are formed.
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet , dass zunächst ein Flachleiterrahmen (37) mit parallel ange¬ ordneten Leitungsstegen (36) gefertigt wird, die über Querstege (39) in Position gehalten werden, wobei die Abstände der Leitungsstege (36) den Abständen der Außen¬ randanschlüsse (28) der Halbleiterbauteile (6 - 12) ent- spricht und die Länge der Leitungsstege (36) größer als die Gesamthöhe (h) des Halbleitermoduls (1 - 5) ist, so- dass beim Verbinden der Leitungsstege (36) mit den Au¬ ßenrandanschlüssen (28) die Querstege (39) über das Halbleitermodul (1 - 5) hinausragen und die Überstände (46) mit den Querstegen (39) entfernt werden.14. The method according to claim 12 or claim 13, characterized in that first a flat conductor frame (37) with parallel ange¬ arranged wire webs (36) is made, which are held in position via transverse webs (39), wherein the distances of the wire webs (36 ) corresponds to the spacings of the outer edge terminals (28) of the semiconductor components (6 - 12) and the length of the line webs (36) is greater than the total height (h) of the semiconductor module (1-5), so that when joining Cable webs (36) with the Au¬ ßenrandanschlüssen (28) the transverse webs (39) over the Semiconductor module (1-5) protrude and the supernatants (46) are removed with the transverse webs (39).
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet , dass das Verbinden übereinander angeordneter Außenrandan- schlüsse (28) durch Aufbringen von Leitungsstegen (36) auf die Außenrandanschlüsse (28) mittels Laserschwei߬ technik erfolgt.15. The method according to any one of claims 12 to 15, characterized in that the connecting superposed Außenrandan- connections (28) by applying wire webs (36) on the outer edge terminals (28) by means of Laserschwei߬ technology takes place.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet , dass das Verbinden übereinander angeordneter Außenrandan¬ schlüsse (28) durch Aufbringen von Leitungsstegen (36) auf die Außenrandanschlüsse (28) mittels Löten der Lei¬ tungsstege (36) auf die Außenrandanschlüsse (28) er¬ folgt.16. The method according to any one of claims 12 to 14, characterized in that the connecting superposed Außenrandan¬ connections (28) by applying line webs (36) on the outer edge terminals (28) by means of soldering Lei¬ tion webs (36) on the outer edge terminals (28) follows.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet , dass das Verbinden übereinander angeordneter Außenrandan¬ schlüsse (28) durch Aufbringen von Leitungsstegen (36) auf die Außenrandanschlüsse (28) mittels Klebetechnik mit einem Leitklebstoff erfolgt.17. The method according to any one of claims 12 to 14, characterized in that the connecting superposed Außenrandan¬ connections (28) by applying line webs (36) on the outer edge terminals (28) by means of adhesive technology with a conductive adhesive.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet , dass das Einformen von Rillen (35) zur Aufnahme von Leitungs¬ stegen (36) in mindestens einer der Gehäuseaußenrandsei- ten (26, 27) der zu stapelnden Halbleiterbauteile (6 - 12) mittels Einlegen von Leitungsstegen (36) in ein Spritzgusswerkzeug vor einem Spritzgießen der Kunst- stoffgehäuse (47) der zu stapelnden Halbleiterbauteile (6 - 12) erfolgt. 18. The method according to any one of claims 13 to 17, characterized in that the molding of grooves (35) for receiving Leitungs¬ webs (36) in at least one of the Gehäuseaußenrandsei- th (26, 27) of the semiconductor components to be stacked (6 12) by inserting wire webs (36) into an injection mold before injection molding the plastic Housing (47) of the semiconductor components to be stacked (6-12) takes place.
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