DE10139681A1 - Bauelement mit einem auf einem Träger montierten Halbleiterkörper - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektronisches Bauelement, das ein plattenförmiges Trägerelement (2) mit einer Kontaktzone (24) und einen Halbleiterkörper (4), der auf die Kontaktzone (24) aufgebracht ist, aufweist. Zur Aufnahme thermisch bedingter mechanischer Spannungen zwischen dem Trägerelement (2) und dem Halbleiterkörper (4) weist das Trägerelement (2) im Bereich der Kontaktzone (24) eine Struktur mit sich abwechselnden Erhebungen (22) und Vertiefungen (21) auf.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektronisches Bauelement mit einem auf einem plattenförmigen Träger angeordneten Halbleiterkörper.
• Es ist hinlänglich bekannt, Halbleiterchips fest auf einem plattenförmigen Träger, dem sogenannten Leadframe, zu montieren. Der Leadframe trägt zur mechanischen Stabilität des Bauelements bei und kann auch zur Ableitung von Wärme aus dem Halbleiterchip an einen an dem Leadframe anliegenden Kühlkörper und auch als Kontaktanschluss dienen.
• Der Leadframe besteht üblicherweise aus einem Metall, beispielsweise Kupfer oder einer Kupferlegierung. Der thermische Ausdehnungskoeffizient des Leadframe und der des aufgebrachten Halbleiterchips unterscheiden sich üblicherweise erheblich, so beträgt die thermische Ausdehnung von Kupfer etwa das 5-fache der thermischen Ausdehnung von Silizium.
• Da Halbleiterbauelemente während des Betriebs und auch während des Herstellungsverfahrens, nachdem der Chip bereits auf dem Leadframe montiert ist, Temperaturschwankungen von 100°C und mehr unterliegen können, sind Maßnahmen erforderlich, die verhindern, dass die unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten des Leadframe und des Halbleiterkörpers zu Verspannungen in dem Halbleiterkörper führen, die dessen Funktionsfähigkeit beeinträchtigen oder diesen beschädigen. Hierzu ist es bekannt, eine Verbindungsschicht, die den Halbleiterkörper auf dem Leadframe befestigt, so zu wählen und auszubilden, dass sie die temperaturbedingt auftretenden mechanischen Spannungen zwischen dem Leadframe und dem Halbleiterkörper aufnimmt. Diese Verbindungsschicht besteht beispielsweise aus einem Klebstoff, der aufgrund seiner Elastizität in der Lage ist, die Verspannungen aufzunehmen, wobei die Kleberschicht um so dicker ist, je größer die erwarteten mechanischen Verspannungen sind.
• Die Verwendung eines Klebers ist insbesondere bei Halbleiterbauelementen nachteilig, bei denen der Leadframe einen Kontaktanschluss des Bauelements bildet, wie beispielsweise bei vertikalen Leistungs-MOSFET, bei denen eine Rückseite des Halbleiterchips den Drain-Anschluss oder den Source- Anschluss des Bauelements bildet. Für den den Halbleiterchip und den Leadframe verbindenden Kleber ist dabei ein elektrisch leitender Kleber gewählt. Dieser die mechanischen Spannungen aufnehmende Kleber, der neben einer Rückseitenmetallisierung des Halbleiterchips vorhanden ist und der die mechanischen Spannungen aufnimmt, erhöht dabei den elektrischen Widerstand des Bauelements.
• Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Halbleiterbauelement mit einem Trägerelement und einem fest auf dem Trägerelement montierten Halbleiterkörper zur Verfügung zu stellen, das über einen weiten Temperaturbereich einsetzbar ist und das gegenüber bekannten derartigen Bauelementen einen geringeren Widerstand aufweist.
• Dieses Ziel wird durch ein Bauelement gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
• Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
• Bei dem erfindungsgemäßen elektronischen Bauelement weist das Trägerelement eine Kontaktzone zum Aufbringen eines Halbleiterkörpers auf, wobei die Kontaktzone eine Struktur mit sich abwechselnden Erhebungen und Vertiefungen aufweist.
• Der Halbleiterkörper liegt dabei auf den Erhebungen auf, wobei die einzelnen Erhebungen jeweils durch die Vertiefungen voneinander getrennt sind. Die Erhebungen, die insbesondere wandförmig oder säulen- oder borstenförmig ausgebildet sind, weisen eine von den Materialeigenschaften des Trägerelements bzw. des Leadframes abhängige Flexibilität quer zu der Richtung, in der der Halbleiterkörper auf das Trägerelement aufgebracht ist, auf. Die Erhebungen sind dadurch in der Lage, Spannungen, die aufgrund unterschiedlicher temperaturbedingter Ausdehnungen des Halbleiterkörpers und des Leadframes auftreten, aufzunehmen.
• Bei dem erfindungsgemäßen Halbleiterbauelement, bei welchem die besondere, Erhebungen und Vertiefungen aufweisende Struktur des Leadframes in der Lage ist, thermisch bedingte Spannungen zwischen dem Leadframe und dem Halbleiterkörper aufzunehmen, kann der Halbleiterkörper mittels einer gut elektrisch leitenden metallischen Verbindungsschicht auf der Kontaktzone des Leadframes, d. h. auf den Erhebungen der Kontaktzone des Leadframes, aufgebracht werden. Diese elektrisch leitende Verbindungsschicht kann - da sie keine thermisch bedingten mechanischen Spannungen aufnehmen muss - sehr dünn sein und erhöht dementsprechend den durch Anschlüsse bedingten Anteil am elektrischen Widerstand des Bauelements nur wenig.
• Diese Verbindungsschicht besteht vorzugsweise aus Gold, Silber, Zinn, Kupfer oder aus Legierungen dieser Metalle. Bei einem Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Bauelements wird zuerst eine erste Verbindungsschicht, beispielsweise Gold oder eine Goldlegierung, auf eine Seite, insbesondere die Rückseite, des Halbleiterkörpers aufgebracht. Entsprechend wird eine zweite Verbindungsschicht, beispielsweise Silber oder eine Silberlegierung, auf die Erhebungen der Kontaktzone des Leadframe aufgebracht. Anschließend wird der Halbleiterkörper mit der Seite der ersten Verbindungsschicht auf die zweite Verbindungsschicht auf der Kontaktzone gelegt und die Anordnung mit dem Trägerelement und dem Halbleiterkörper wird erwärmt, um die beiden Verbindungsschichten miteinander zu verschmelzen, und dadurch den Halbleiterkörper auf den Erhebungen des Leadframe zu befestigen.
• Die während dieses Temperaturschrittes auftretenden mechanischen Spannungen, die sich aufgrund unterschiedlicher temperaturbedingter Ausdehnungen des Leadframe und des Halbleiterkörpers ergeben, werden durch die Struktur des Leadframe mit den Erhebungen und den Vertiefungen aufgenommen. Auch während des Einsatzes des Halbleiterbauelements bei unterschiedlichen Umgebungsbedingungen, bei welchen je nach Einsatzort des Halbleiterbauelements Temperaturen zwischen -40°C und 150°C auftreten können, werden temperaturbedingte mechanische Spannungen von der Struktur des Leadframe mit den Erhebungen und Vertiefungen aufgenommen.
• Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand von Figuren näher erläutert.
• In den Figuren zeigt
• Fig. 1 ein erfindungsgemäßes Bauelement mit einem auf einem Trägerelement aufgebrachten Halbleiterkörper in Seitenansicht im Querschnitt (Fig. 1a) und in Draufsicht auf das Trägerelement (Fig. 1b),
• Fig. 2 eine Draufsicht auf ein Trägerelement gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
• In den Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen gleiche Teile mit gleicher Bedeutung.
• Fig. 1a zeigt ein erfindungsgemäßes Halbleiterbauelement in Seitenansicht im Querschnitt. Das Bauelement weist einen plattenförmigen Leadframe 2 und einen auf den Leadframe aufgebrachten Halbleiterchip 4 auf, wobei der Halbleiterchip 4 die aktiven Bereiche des Halbleiterbauelements umfasst, die mittels nicht näher dargestellter Verbindungen, üblicherweise mittels Bonddrähten, mit ebenfalls nicht näher dargestellten Anschlussbeinen verbunden sind. Die Anordnung mit dem Halbleiterchip 4 und dem Leadframe 2 ist üblicherweise zum Schutz des Halbleiterchips vor äußeren mechanischen Einflüssen von einer Kunststoffummantelung umgeben, wobei bei Leistungsbauelementen eine Rückseite 200 des Leadframe zur Montage auf einem nicht näher dargestellten Kühlkörper frei bleibt.
• Der dargestellte Leadframe 2 weist eine Kontaktzone oder Kontaktinsel 20 auf, die den Bereich des Leadframe 2 darstellt, auf welchem der Halbleiterkörper 4 aufgebracht ist. Erfindungsgemäß ist die Kontaktzone 20 strukturiert ausgebildet, wobei die Struktur abwechselnd Erhebungen 22 und Vertiefungen 21 aufweist.
• Fig. 1b zeigt eine Draufsicht auf einen Leadframe gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung, wobei in Fig. 1b der auf der Kontaktzone 20 angeordnete Halbleiterkörper gestrichelt dargestellt ist. In den Leadframe 2 sind bei diesem Ausführungsbeispiel im Bereich der Kontaktzone 20 grabenförmige Vertiefungen 21 eingebracht, zwischen denen die Erhebungen 22 ausgebildet sind. Diese Erhebungen 22 besitzen eine wandförmige oder streifenförmige Kontur, wobei der Halbleiterkörper 4 auf diesen Erhebungen 22 aufliegt.
• Der Halbleiterkörper 4 ist dabei mittels einer Verbindungsschicht 6, die insbesondere aus einem gut elektrisch leitenden Metall, besteht auf den Erhebungen 22 im Bereich der Kontaktzone 20 des Leadframe befestigt.
• Aufgabe der aus den grabenförmigen Erhebungen resultierenden streifenförmigen Erhebungen, auf welchen der Halbleiterkörper 4 aufgebracht ist, ist es, temperaturbedingte mechanische Spannungen zwischen dem Leadframe 2 und dem Halbleiterkörper 4, die bei sich ändernden Einsatztemperaturen des Bauelements auftreten können, aufzunehmen. Die durch die Vertiefungen 21 voneinander getrennten Erhebungen 22 besitzen eine von den Materialeigenschaften des Leadframe 2 abhängige Flexibilität in einer Richtung Q quer zu der Richtung, in der der Halbleiterkörper 4 auf den Leadframe 2 aufgebracht ist. Diese Flexibilität ermöglicht es, dass die Erhebungen die zwischen dem Leadframe 2 und dem Halbleiterkörper 4 auftretenden mechanischen Spannungen aufnehmen, wodurch mechanische Spannungen des Leadframe 2, der üblicherweise einer wesentlich größeren mechanischen Ausdehnung als der Halbleiterkörper 4 unterliegt, nicht auf den Halbleiterkörper 4 übertragen werden.
• Um die Flexibilität der streifenförmigen Erhebungen 22 zu erhöhen, ist bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1b ein ringförmiger Graben bzw. eine ringförmige Vertiefung 23 um die streifenförmigen Erhebungen 22 angeordnet, um freistehende Erhebungen 22 zu erhalten.
• Fig. 2 zeigt in Draufsicht ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements, bei welchem die Kontaktzone 20 des Leadframe 2 eine Vielzahl von säulenförmigen oder borstenförmigen Erhebungen 22 aufweist, die durch Einbringen einer gitterartigen Vertiefungsstruktur in dem Leadframe 20 ausgebildet sind. Wie auch die in Fig. 1b dargestellten streifenförmigen Erhebungen 22 weisen die säulenförmigen oder borstenförmigen Erhebungen 22 ebenfalls eine Flexibilität quer zur Aufbringrichtung des Halbleiterkörpers 4 auf, wodurch diese Erhebungen 22 in der Lage sind, temperaturbedingte mechanische Spannungen zwischen dem Leadframe 2 und dem Halbleiterkörper 4 aufzunehmen. Auch bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 ist um die Struktur mit den säulenförmigen Erhebungen 22 ein ringförmiger Graben bzw. eine ringförmige Vertiefung 23 ausgebildet.
• Die Abmessungen der streifenförmigen oder säulenförmigen Erhebungen sind so gewählt, dass die Erhebungen eine möglichst hohe Flexibilität aufweisen, um die auftretenden mechanischen Spannungen bestmöglich aufzunehmen.
• Während des Herstellungsprozesses unterliegt das Bauelement erheblichen Temperaturschwankungen. Zur Befestigung des Halbleiterkörpers mittels der Verbindungsschicht auf dem Leadframe wird das Bauelement auf Temperaturen zwischen 350°C bis 450°C aufgeheizt und anschließend auf Raumtemperatur, oder etwas darüber, abgekühlt. Hierbei hat sich gezeigt, dass bei einer Dicke des Leadframe von 125 µm Erhebungen mit einer Höhe von h = 50 µm, einer Breite von d = 50 µm und einem Abstand von a = 50 µm in der Lage waren, den Halbleiterchip 4 vor Beschädigungen in Folge mechanischer Spannungen bei diesen Temperaturschwankungen zu schützen.
• Die säulenförmige Erhebungen 22 gemäß Fig. 2 weisen in Draufsicht vorzugsweise einen quadratischen Querschnitt auf, können jedoch auch einen beliebigen anderen Querschnitt, der eine Verformung der Säulen zulässt, aufweisen.
• Fig. 3 veranschaulicht ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements, wobei zunächst eine erste Verbindungsschicht 6 A auf eine Rückseite 4 des Halbleiterkörpers aufgebracht wird. In entsprechender Weise wird eine zweite Verbindungsschicht 6B auf die Erhebungen 22 der Kontaktzone 20 aufgebracht. Anschließend wird der Halbleiterkörper 4 mit der ersten Verbindungsschicht 6A auf die zweite Verbindungsschicht 6B der Erhebungen 22 aufgebracht.
• Anschließend wird die Anordnung mit dem Halbleiterkörper 4 und dem Leadframe 2 erwärmt, bis die Verbindungsschichten 6A, 6B miteinander verschmelzen, um dadurch den Halbleiterkörper 4 fest auf dem Leadframe 2 zu befestigen, wie dies in Fig. 1A dargestellt ist.
• Die erste und/oder zweite Verbindungsschicht 6A, 6B besteht vorzugsweise aus Gold, Silber, Kupfer, Zinn, Legierungen dieser Metalle oder anderen geeigneten Metallen oder Legierungen.
• Als Halbleiterkörper 4 dient insbesondere ein Halbleiterkörper aus Silizium, der Leadframe 2 besteht vorzugsweise aus Kupfer oder einer Kupferlegierung, insbesondere einer Kupfer-Eisen-Legierung. Bezugszeichenliste 2 Trägerelement
  4 Halbleiterkörper
  6 Verbindungsschicht
  6A erste Verbindungsschicht
  6B zweite Verbindungsschicht
  22 Erhebung
  21 Vertiefung
  23 grabenförmige Vertiefung
  200 Unterseite des Leadframe
  

Claims (12)

1. Elektronisches Bauelement das ein plattenförmiges Trägerelement (2) mit einer Kontaktzone (24) und einen Halbleiterkörper (4), der auf die Kontaktzone (24) des Trägerelements (2) aufgebracht ist, aufweist dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerelement (2) wenigstens im Bereich der Kontaktzone (24) eine Struktur mit sich abwechselnden Erhebungen (22) und Vertiefungen (21) aufweist.

2. Bauelement nach Anspruch 1, bei dem das Trägerelement (2) im Bereich der Kontaktzone (24) streifenförmige Erhebungen (22) aufweist.

3. Bauelement nach Anspruch 1, bei dem das Trägerelement im Bereich der Kontaktzone (24) borstenförmige Erhebungen (22) aufweist.

4. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Erhebungen (22) von einer ringförmigen Vertiefung (23) umgeben sind.

5. Bauelement nach Anspruch 1, bei dem der Halbleiterkörper (4) mittels einer Verbindungsschicht (6) an dem Trägerelement (2) befestigt ist.

6. Bauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Trägerelement (2) aus Kupfer oder einer Kupferlegierung besteht.

7. Bauelement nach einem der Ansprüche 4 oder 5, bei dem die Verbindungsschicht (6) wenigstens eine der folgenden Metalle enthält: Gold, eine Goldverbindung, Silber, eine Silberverbindung, Zinn, eine Zinnverbindung, Kupfer oder eine Kupferverbindung.

8. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die Vertiefungen zwischen 25% und 75% der Dicke des plattenförmigen Trägerelements ausmachen.

9. Verfahren zur Herstellung eines elektronischen Bauelements, das folgende Merkmale aufweist:

- Bereitstellen eines plattenförmigen Trägerelements (2) mit einer Kontaktzone (24), die eine Struktur mit sich abwechselnden Erhebungen (22) und Vertiefungen (21) aufweist,

- Bereitstellen eines die aktiven Bereiche des Bauelements aufweisenden Halbleiterkörpers (4),

- Aufbringen einer ersten Verbindungsschicht (6A) auf eine Rückseite (41) des Halbleiterkörpers (4),

- Aufbringen einer zweiten Verbindungsschicht (6B) auf die Kontaktzone (24) des Trägerelements (2),

- Aufbringen des Halbleiterkörpers (4) mit der Rückseite (41) auf die Kontaktzone (24),

- Erwärmen der Anordnung mit dem Halbleiterkörper (4) und dem Trägerelement (2), um die erste und zweite Verbindungsschicht (6A, 6B) miteinander zu verbinden.

10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem die erste Verbindungsschicht (6 A) aus Gold, einer Goldlegierung, Zinn oder einer Zinnlegierung besteht.

11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, bei dem die zweite Verbindungsschicht (6B) aus Silber, einer Silberlegierung, Kupfer oder einer Kupferlegierung besteht.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, bei dem die Anordnung zum Verbinden der ersten und zweiten Verbindungsschichten auf eine Temperatur zwischen 350°C und 450°C erwärmt wird.