DE102005006333B4

DE102005006333B4 - Halbleiterbauteil mit mehreren Bondanschlüssen und gebondeten Kontaktelementen unterschiedlicher Metallzusammensetzung und Verfahren zur Herstellung desselben

Info

Publication number: DE102005006333B4
Application number: DE102005006333A
Authority: DE
Inventors: Ralf Dipl.-Ing. Dipl.-Phys. Otremba
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2005-02-10
Filing date: 2005-02-10
Publication date: 2007-10-18
Anticipated expiration: 2025-02-11
Also published as: US20060186554A1; DE102005006333A1; US7391121B2

Abstract

Halbleiterbauteil mit mehreren Bondanschlüssen (1, 2, 3), wobei mehr als ein einzelner Bondanschluss (1) auf einer einzelnen Kontaktfläche (4) eines Halbleiterchips (5) oder einer Verdrahtungskomponente (6) des Halbleiterbauteils (7) angeordnet ist, und wobei die Bondanschlüsse (1, 2, 3) einen Stapel (8) von mindestens zwei übereinander angeordneten Kontaktelementen (9, 10) bilden, wobei das Material des unteren ersten Kontaktelementes (9) mit dem Material der Kontaktfläche (4) einen ohmschen Kontaktübergang (11) aufweist, und wobei das Material des gestapelten zweiten Kontaktelementes (10) zu dem Material des darunter angeordneten ersten Kontaktelementes (9) einen ohmschen Kontaktübergang (12) aufweist, und wobei die Materialien der aufeinander gestapelten und gebondeten ersten und zweiten Kontaktelemente (9, 10) unterschiedliche Metallzusammensetzungen aufweisen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauteil mit mehreren Bondanschlüssen und ein Verfahren zur Herstellung desselben. Dabei weist das Halbleiterbauteil mehr als einen einzelnen Bondanschluss auf einer einzelnen Kontaktfläche eines Halbleiterchips oder einer Verdrahtungskomponente des Halbleiterbauteils auf. Unter Verdrahtungskomponente wird in diesem Zusammenhang ein Verdrahtungssubstrat, auf dem der Halbleiterchip angeordnet sein kann, oder eine Flachleiterkonstruktion mit einer Chipinsel, auf der der Halbleiterchip montiert sein kann, oder eine andere Schaltungskomponente, die für das Verbinden von Kontaktflächen auf der aktiven Oberseite des Halbleiterchips zu entsprechenden Außenkontakten des Halbleiterbauteils erforderlich ist, verstanden.
Unter Bondanschlüssen wird in diesem Zusammenhang jede Art von Kontaktierung der Kontaktflächen des Halbleiterchips oder der Kontaktanschlussflächen einer Verdrahtungskomponente verstanden, die der Weiterführung von elektrischen Versorgungsleitungen und/oder elektrischen Signalleitungen dienen. Eine derartige Verdrahtungskomponente kann auch Bondanschlüsse aufweisen, die in einem Großteil von Leistungshalbleiterbauteilen eingesetzt werden, um elektrische Ströme mittels Bonddrähten von einer aktiven Oberseite eines Halbleiterchips zu entsprechenden Kontaktanschlüssen bzw. zu entsprechenden Kontaktanschlussflächen einer Verdrahtungskomponente zu transportieren. Dabei beschränkt der Gesamtquerschnitt derartiger Bonddrähte die maximale Strombelastbarkeit des gesamten Bauteils.
In der Druckschrift JP 2000 082721-A werden in einem MOSFET-Leistungshalbleiterbauteil anstelle von Aluminium-Bonddrähten Kupferbügel eingesetzt, welche die Strombelastbarkeit erhöhen. Derartige Kupferbügel haben jedoch den Nachteil, dass sie für jede Kontaktfläche eines Halbleiterchips speziell entworfen und angepasst werden müssen. Außerdem ist die Prozessführung teurer als bei einer einfachen Erhöhung der Anzahl von Bondanschlüssen bzw. Bonddrähten in einem Halbleiterbauteil.
Aus der JP 2000 323514-A ist es bekannt, zur Verbesserung der Bondverbindung, insbesondere bei einem engen Raster von Kontaktanschlussflächen auf einem Halbleiterchip, unterschiedlich große Nailheads auf den Kontaktanschlussflächen auf dem Halbleiterchip und auf einem Substrat einzusetzen.
Aus der Druckschrift EP 0 265 927 A2 sind Anordnungen bekannt, die wahlweise mehrere übereinander angeordnete Bonddrähte auf einer Kontaktfläche einer aktiven Oberseite eines Halbleiterchips bzw. auf entsprechenden Kontaktanschlussflächen einer Verdrahtungskomponente aufweisen. Die Bonddrähte sind in dieser bekannten Druckschrift aus Gold. Jedoch sind Goldbonddrähte mit einem Durchmesser zwischen 20 μm bis 50 μm gegenüber Aluminium-Bonddrähten mit 50 μm bis 600 μm für Leistungshalbleiterbauteile nicht empfehlenswert. Einerseits wäre, um den gleichen Querschnitt zu erreichen, eine große Anzahl von Goldbonddrähten für eine Verdrahtung des Halbleiterchips erforderlich, was diese Technologie schnell an ihre Grenzen führt, und zum anderen sind massive dicke Goldbonddrähte in der Größenordnung von Aluminiumdrähten eine Kosten frage, welche die Kosten für die Fertigung derartiger Leistungshalbleiterbauteile nachteilig in die Höhe treiben würde.
Aus der Druckschrift DE 1 032 40 69 A1 ist eine Schaltungsanordnung mit einem Verfahren zur leitenden Verbindung von Kontaktflächen bei Halbleiterchips bekannt. Auch bei dieser Veröffentlichung kommen Aluminiumbonddrähte für Leistungshalbleiterbauteile zum Einsatz, wobei die Bondanschlüsse gesta pelt werden, um die erforderlichen Chipkontaktflächen zu vermindern, welche für Aluminiumdrähte mit einem Durchmesser von 600 μm bereits einen erheblichen Flächenbedarf auf einem Halbleiterchip erfordern, um selbst im gestapelten Zustand den Halbleiterchip an eine Verdrahtungskomponente elektrisch anzuschließen. Während auf dem Halbleiterchip die Bondanschlüsse übereinander gestapelt werden, da die verfügbare Fläche des Halbleiterchips gegenüber der verfügbaren Fläche einer Verdrahtungskomponente relativ gering ist, können die Bonddrähte auf der Kontaktanschlussfläche einer Verdrahtungskomponente durchaus nebeneinander angeordnet werden, indem die Bonddrähte von der gemeinsamen Kontaktfläche ausgehend entsprechend gespreizt und auf einer größeren Fläche der Kontaktanschlussfläche der Verdrahtungskomponente angebracht werden.
Dennoch hat sich gezeigt, dass derartige Bonddrahtstapel, sei es für Leistungshalbleiterbauteile mit gestapelten Aluminiumbonddrähten oder für signalverarbeitende Halbleiterbauteile mit dünnen gestapelten Goldbonddrähten, eine Gefahr für die Ausbildung eines geringen Kontaktübergangswiderstandes darstellen, zumal ein Bonden von Aluminiumbonddraht auf Aluminiumbonddraht oder von Goldbonddraht auf Goldbonddraht oder von Kupferbonddraht auf Kupferbonddraht bei den bisher bekannten Stapeltechnologien verwendet wird. Bei diesen gestapelten Bondanschlüssen konnte beobachtet werden, dass nachteilig die Grenzschichten zwischen den Kontaktelementen teilweise verspröden aufgrund der Oxidationsanfälligkeit von Kupfer- und/oder Aluiminiumbonddrähten. Außerdem müssen beim Bonden nachteilig die relativ hohen Schmelztemperaturen dieser Metalle lokal begrenzt erreicht werden, was sich ebenfalls nachteilig auf die Eigenschaften der gestapelten Bondanschlüsse sowie auf das darunter liegende einkristalline Halb leitermaterial oder das Material der Verdrahtungskomponente auswirken kann.
Aufgabe der Erfindung ist es, negative Auswirkungen auf ein Halbleiterchipmaterial oder ein Material einer Verdrahtungskomponente, wie eine Überhitzung, ein Verspröden oder eine Mikrorissbildung beim Bonden mehrerer Bondanschlüsse auf einer einzelnen Kontaktfläche- oder Kontaktanschlussfläche unter Stapelung von Kontaktelementen auf der Kontakt- bzw. Kontaktanschlussfläche zu vermindern und ein Halbleiterbauteil zu schaffen, das gestapelte Bondanschlüsse mit verminderten Kontaktübergangswiderständen aufweist.
Gelöst wird diese Aufgabe mit dem Gegenstand der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Erfindungsgemäß wird ein Halbleiterbauteil mit mehreren Bondanschlüssen geschaffen, wobei mehr als ein einzelner Bondanschluss auf einer einzelnen Kontaktfläche eines Halbleiterchips oder einer Verdrahtungskomponente des Halbleiterbauteils angeordnet ist. Die Bondanschlüsse bilden dabei einen Stapel von mindestens zwei übereinander angeordneten Kontaktelementen. Das Material des unteren ersten Kontaktelements weist einen ohmschen Kontaktübergang zu dem Material der Kontaktfläche auf. Das Material des gestapelten zweiten Kontaktelements weist einen ohmschen Kontaktübergang zu dem Material des darunter angeordneten ersten Kontaktelementes auf. Dabei weisen die Materialien der aufeinander gestapelten und gebondeten ersten und zweiten Kontaktelemente unterschiedliche Metallzusammensetzungen auf.
Dieses Halbleiterbauteil hat den Vorteil, dass aufgrund der unterschiedlichen Materialzusammensetzungen der gebondeten ersten Kontaktelemente die Bondanschlüsse mit gestapelten Kontaktelementen in dem Halbleiterbauteil beim Bonden die Überhitzungsgefahr vermindern, weil weder Aluminium auf Aluminium noch Kupfer auf Kupfer oder Gold auf Gold aufeinander zu bonden sind. Vielmehr können die Materialien in ihrer Zusammensetzung aufeinander abgestimmt werden, so dass in den Grenzflächen niedrig schmelzende Legierungen bzw. Metallphasen beim Bonden auftreten und somit die Gefahr der Überhitzung vermindern, und für einen perfekten ohmschen Kontakt zwischen den aufeinander gebondeten Bonddrähten sorgen.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden unterschiedliche Metallzusammensetzungen durch unterschiedliche Metalllegierungen erreicht, deren Basismetall identisch ist und deren Legierungselemente sich derart unterscheiden, dass eines der Kontaktelemente härter ist als das andere der Kontaktelemente. Durch das härtere Material eines der Kontaktelemente wird die Kontaktrobustheit in dem Halbleiterbauteil verbessert, da die aufgebrachte Verbindungsenergie zu einem größeren Anteil zur Bildung des Kontaktes zwischen den Bonddrähten und weniger in die plastische Verformung des Übergang zwischen Bonddrähten und Kontaktfläche eingebracht bzw. verbraucht wird. Somit werden die unterschiedlichen Bondddrahtmaterialien zur Optimierung der Kontaktrobustheit bei übereinander angeordneten Bonddrähten in vorteilhafter Weise verwendet. Diese Kontaktrobustheit ist auch für ein zuverlässiges Einbringen bzw. Einbetten des Halbleiterchips und der gestapelten Kontaktelemente in eine Gehäusekunststoffmasse von Bedeutung. Somit entstehen Halbleiterbauteile mit gestapelten Kontaktelementen von verbesserter Zuverlässigkeit.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weisen die unterschiedlichen Materialzusammensetzungen Aluminiumlegierungen auf, wobei das härtere Kontaktelement als Legierungselement Silizium enthält. Dieses hat den Vorteil, dass für die Erhöhung der Zuverlässigkeit der Halbleiterbauteile und durch Einsatz von Aluminiumdrähten mit unterschiedlicher Härte eine für Leistungshalbleiterbauteile entscheidende Verbesserung der Zuverlässigkeit erreicht werden kann.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung werden die unterschiedlichen Metallzusammensetzungen mittels Kupferlegierungen erreicht, wobei das härtere Kontaktelement aus Kupfer als Legierungselemente Eisen, Phosphor, Zink, Nickel, Kobalt oder Zinn aufweist. Für Kupferlegierungen ist bekannt, dass derartige Legierungselemente eine verbesserte Verschleißfestigkeit der Kupferlegierung ermöglichen. Somit tritt beim Bonden für das härtere Kontaktelement aus einer Kupferlegierung mit Silizium eine größere Formstabilität auf, so dass das Material des Kontaktelementes aus einer weichen, duktilen Kupferlegierung sich um den härteren Kupferdraht legt und somit eine vergrößerte Kontaktübergangsfläche und damit einen verminderten Kontaktübergangswiderstand ausbildet.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weisen die unterschiedlichen Metallzusammensetzungen unterschiedliche Basismetalle auf, die sich in ihren Härtegraden derart unterscheiden, dass eines der Kontaktelemente härter ist als das andere Kontaktelement. Dabei kann das weichere Kontaktelement vorzugsweise Aluminium, Silber oder Gold oder Legierungen derselben aufweisen und das härtere Kontaktelement kann aus Kupfer, Nickel oder Legierungen derselben gebildet sein. Die damit erreichbaren Vorteile für das Halbleiterbauteil und insbesondere für den Stapel aus Kontaktelementen sind dabei gleichwertig wie bei den vorher ausgeführten Beispielen. Ein besonderer Vorteil liegt jedoch in Metallkombinationen der Basismetalle, die untereinander eutektische Schmelzphasen mit einem niedrigen Schmelzpunkt bilden, so dass der Bondvorgang vor Überhitzungen geschützt ist.
Beim Stapeln der Bonddrähte mit unterschiedlicher Härte ergeben sich zwei Möglichkeiten, wobei jede der Möglichkeiten unterschiedliche Vorteile für das Halbleiterbauteil aufweist. Einerseits können die Kontaktelemente in dem Stapel eine derartige Härte aufweisen, dass die Härte der gestapelten Kontaktelemente von der Kontaktfläche zu dem oberen Kontaktelement hin zunimmt. In diesem Fall dient das untere, weichere und damit duktilere Kontaktelement dazu, die eingebrachte Bondenergie auf einen größeren Flächenbereich der Kontaktfläche eines Halbleiterchips bzw. der Kontaktanschlussfläche einer Verdrahtungskomponente zu verteilen und damit das Material des Halbleiterchips bzw. das Material der Verdrahtungskomponete entsprechend zu schonen. Damit können Gefahren der Mikrorissbildung im Bereich der mit Bondanschlüssen versehenen Kontaktflächen bzw. Kontaktanschlussflächen minimiert werden.
Alternativ besteht die Möglichkeit, dass die Kontaktelemente in dem Stapel eine derartige Härte aufweisen, dass die Härte der gestapelten Kontaktelemente von dem oberen Kontaktelement zu der Kontaktfläche hin zunimmt. Somit liegt das härteste Kontaktelement unmittelbar auf der Kontaktfläche bzw. Kontaktanschlussfläche auf und die Bondverbindungsenergie wird zu einem größeren Anteil in die Grenzfläche zwischen den Bonddrähten eingebracht, wenn das gestapelte Kontaktelement auf das bereits gebondete untere Kontaktelement aufgebracht wird. Dabei ist eine bevorzugte Materialkombination der Leistungshalbleiterbauteile, dass der untere Bonddraht aus Kupfer oder einer Kupferlegierung besteht und der obere Bonddraht aus einer Aluminium bzw. Aluminiumlegierung aufgebaut ist.
Das Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauteils mit mehreren Bondanschlüssen, wobei mehr als ein einzelner Bondanschluss auf einer einzelnen Kontaktfläche eines Halbleiterchips oder einer Verdrahtungskomponente angeordnet wird, weist die nachfolgenden Verfahrensschritte auf.
Zunächst wird ein Halbleiterchip oder eine Verdrahtungskomponente des Halbleiterbauteils mit mindestens einer einzelnen Kontaktfläche bzw. Kontaktanschlussfläche für mehrere Bondanschlüsse, die auf der Kontaktfläche bzw. Kontaktanschlussfläche gestapelt werden, hergestellt. Ferner werden mindestens zwei übereinander anzuordnende Kontaktelemente, die unterschiedliche Materialzusammensetzungen aufweisen, bereit gestellt. Mit diesen unterschiedlichen Kontaktelementen erfolgt dann ein gestaffeltes Bonden der Kontaktelemente, wobei das Material des untersten ersten Kontaktelementes, das beim Bonden der Kontaktfläche oder der Kontaktanschlussfläche eingebracht wird, einen ohmschen Kontaktübergang zu der Kontaktfläche bzw. Kontaktanschlussfläche bildet. Beim Bonden des zu stapelnden zweiten Kontaktelementes bildet dessen Material mit dem darunter angeordneten ersten Kontaktelement einen ohmschen Kontaktübergang.
In vorteilhafter Weise sorgen dabei die unterschiedlichen Materialzusammensetzungen der beiden aufeinander zu bondenden Bonddrähte dafür, dass ein hoher Anteil der Bondenergie in die Grenzschicht zwischen den beiden Bonddrähten eingebracht wird, insbesondere dann, wenn das untere Kontaktelement ein härteres Material aufweist als das obere Kontaktelement, so dass weniger Energie in die Verformung des unteren Kontaktelements einfließt.
Zum Bonden selbst wird vorzugsweise ein sog. "Wedge-Bonden" eingesetzt, bei dem eine relativ hohe Bondgrenzfläche zwischen den Bonddrähten in vorteilhafter Weise realisiert werden kann. Außerdem hat das "Wedge-Bonden" den Vorteil, dass ein Gehäuse für das Halbleiterbauteil relativ niedrig und damit raumsparend ausgeführt werden kann.
In einem alternativen Verfahren wird zunächst das Kontaktelement mit dem weicheren Material auf die Kontaktfläche gebondet. Diese Variante des Verfahrens hat den Vorteil, dass beim Bonden eines härteren Kontaktelements als oberen Bondanschluss die Kontaktfläche bzw. die Kontaktanschlussfläche des darunter angeordneten Materials des Halbleiterchips bzw. des Materials der Verdrahtungskomponente geringer belastet wird, da ein Großteil der Bondenergie in Verformungsarbeit des unteren Bonddrahtes einfließt, der somit als mechanischer Puffer dient.
Alternativ kann zunächst ein Kontaktelement, das Kupfer oder eine Kupferlegierung aufweist, auf die Kontaktfläche gebondet werden, und anschließend kann dann ein Kontaktelement, das Aluminium oder eine Aluminiumlegierung aufweist auf das bereits gebondete Kontaktelement gebondet werden. In diesem Fall bildet die härtere Kupferlegierung den unteren Bondanschluss, während die weichere Aluminiumlegierung nun auf das Kontaktelement aus Kupfer oder einer Kupferlegierung aufgebracht wird. Dabei kann davon ausgegangen werden, dass sich das härtere untere Kontaktelement nun nicht mehr weiter verformt und die gesamte Bondenergie in die Kontaktbildung zu dem Kupferbonddraht einfließt, womit ein verbesserter und geringerer Kontaktübergangswiderstand zwischen den beiden gestapelten Kontaktelemente erreicht werden kann.
In einem weiteren Verfahren wird auf eine Kupferfläche, die eine Bondbeschichtung aufweisen kann, zunächst ein Aluminiumbonddraht aufgebracht. Als weiterer Bonddraht kann nun auf den Aluminiumbonddraht ein Goldbonddraht aufgebracht werden, so dass auch für den zweiten Kontaktübergang zwischen den beiden Kontaktelementen die Bildung eutektischer Schmelzen ausgenutzt werden kann, um eine minimale Erhitzung der Umgebung beim Bonden sicherzustellen. Jedoch ist der geringere Durchmesser des Goldbonddrahts besser geeignet, Signalübertragungen zu gewährleisten als nur Ströme zu transportieren. Den Stromtransport kann jedoch der Aluminiumdraht übernehmen, wobei das zweite Ende des Aluminiumdrahtes auf eine separate Kontaktanschlussfläche gebondet ist.
Zusammenfassend ist festzustellen, dass mit der vorliegenden Erfindung Halbleiterbauteile mit Schaltungen realisiert werden können, wobei Aluminium-Wedge-Bonddrähte mit unterschiedlicher Härte eine Verbesserung und Optimierung der gestapelten Bondanschlüsse ergeben, zumindest wenn das härtere Material für den unteren Bonddraht bereitgestellt wird. Anstelle eines härteren Aluminiumbonddrahtes kann auch als unterer Bonddraht ein Kupferbonddraht auf der Kontaktfläche eines Halbleiterchips oder eines Halbleiterchipträgers gebondet werden und danach kann ein Aluminiumbonddraht auf dem Kupferbonddraht kontaktiert werden.
Weitere Möglichkeiten bestehen darin, zunächst einen Aluminiumbonddraht auf der Kontaktfläche oder der Kontaktanschlussfläche des Halbleiterchips oder eines Halbleiterchipträgers, wie einer Verdrahtungskomponente eines Halbleiterbauteils, anzubringen und danach einen Goldbonddraht auf dem Aluminiumbonddraht zu kontaktieren. Mit diesen Beispielen werden bei den Bondprozessen jeweils weichere Materialien auf härteren Materialien kontaktiert, und damit wird die Nutzung der Verbindungsenergie für die Kontaktfläche zwischen den Bonddrähten optimiert.
Andererseits ist es auch denkbar, diese Anordnung umzudrehen und die harten Bonddrähte auf weichere Bonddrähte zu kontaktieren. Damit können die unterhalb des Bonddrahtes liegenden Halbleiterchipstrukturen bzw. die Strukturen einer Verdrahtungskomponete während des Bonddrahtprozesses geschont werden, da der unten liegende Bonddraht als ein Pufferelement die Verbindungsenergie aufnimmt und nicht weiter an den spröden Halbleiterchip bzw. an das Material der Verdrahtungskomponente weitergibt.
Die Variation der Bonddrahteigenschaften lässt sich auch über eine Modifikation der Legierungsbestandteile realisieren. So lässt sich z.B. die Härte von Aluminium bei Bonddrähten durch die Zugabe von 1 Gew.-% Silizium deutlich erhöhen. Dabei ist die Form der Kontaktelemente relativ beliebig wählbar. So können auch Gold-Kugelkontakte auf einem Aluminium-Wedge-Kontakt realisiert werden. Dabei entsteht ein derartiger Gold-Kugelkontakt durch das Bilden einer Schmelzperle aus einem Goldbonddraht an der Spitze eines Bondstichels.
Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Figuren näher erläutert.
1 zeigt eine aufgeschnittene perspektivische Prinzipskizze eines Halbleiterbauteils einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
2 zeigt eine schematische Draufsicht auf ein Halbleiterbauteil einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
3 zeigt eine Prinzipskizze von einem Photo gestapelter Bondanschlüsse auf einer einzelnen Kontaktfläche.
4 zeigt eine schematische Draufsicht auf ein Halbleiterbauteil einer dritten Ausführungsform der Erfindung.
1 zeigt eine aufgeschnittene perspektivische Prinzipskizze eines Halbleiterbauteils 7 einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Das Halbleiterbauteil 7 weist einen Halbleiterchip 5 auf, der auf seiner aktiven Oberseite 15 in einem Eckbereich 16 eine Kontaktfläche 4 aufweist, die der Stromversorgung des Halbleiterchips 5 dient. Um eine ausreichende Stromstärke über entsprechende Bonddrähte 17, 18 und 19 dem Halbleiterchip 5 über die Kontaktfläche 4 zuzuführen, sind die Bonddrähte 17, 18 und 19 mit ihren Bondanschlüssen 1, 2 und 3 auf der relativ kleinen Kontaktfläche 4 gestapelt übereinander angeordnet.
Durch die Stapelung kann gewährleistet werden, dass der Halbleiterchip mit einer ausreichenden Stromstärke versorgt wird, ohne dass die Bonddrähte 17, 18 und 19 überlastet werden. Die Bonddrähte 17, 18 und 19 werden ihrerseits durch eine Verdrahtungskomponete 6, welche auf ihrer Oberseite 21 eine Kon taktanschlussfläche 14 aufweist, mit Strom von außen versorgt. Die Außenanschlüsse, die auf der Unterseite 20 der Verdrahtungskomponente 6 angeordnet sind, sind in dieser Darstellung der 1 nicht sichtbar.
Die Kontaktanschlussfläche 14 ist in ihrer flächigen Erstreckung bedeutend größer als die Kontaktfläche 4 auf dem Halbleiterchip 5, zumal die aktive Oberseite 15 des Halbleiterchips 5 begrenzt ist, während die verfügbare Fläche auf der Oberseite 21 der Verdrahtungskomponente 6 je nach Bedarf beliebig vergrößert werden kann. Diese größere Kontaktanschlussfläche 14 ermöglicht es, dass die drei Bondanschlüsse 1, 2 und 3, die auf der Kontaktfläche 4 noch übereinander gestapelt sind, nun auseinander gezogen und gespreizt werden und einzelne Kontaktanschlüsse 22, 23, 24 auf der Kontaktanschlussfläche 14 auf der Oberseite 21 der Verdrahtungskomponente 6 übergehen.
Die Bondanschlüsse 1, 2 und 3 weisen ihrerseits unterschiedliche Materialien auf. In dieser Ausführungsform der Erfindung ist das Material des Bondanschlusses 1 härter als das Material der darüber angeordneten Bondanschlüsse 2 und 3. Damit wird gewährleistet, dass die aufgebrachte Verbindungsenergie beim Bonden zunehmend für die Erzeugung eines niederohmigen Kontaktübergangswiderstands in den Kontaktübergängen 12 und 13 eingebracht wird und somit eine robuste Bondverbindung entsteht. Darüber hinaus zeigt die Prinzipskizze, dass der Stapel 8 aus Bondanschlüssen 1, 2 und 3 im Wedge-Bondverfahren hergestellt ist. Dieses Wedge-Bondverfahren sorgt dafür, dass relativ flache Bondschleifen von der Kontaktfläche 4 auf dem Halbleiterchip 5 zu der Kontaktanschlussfläche 14 auf der Verdrahtungskomponente 6 verwirklicht werden.
Auf der Oberseite 21 der Verdrahtungskomponente 6 ist eine Kunststoffgehäusemasse 25 angeordnet, deren Kontur durch gestrichelte Linien 26 dargestellt wird. In diese Kunststoffgehäusemasse sind der Halbleiterchip 2 mit den Bondanschlüssen 1, 2 und 3 sowie den Bonddrähten 17, 18 und 19 eingebettet. Außerdem deckt die Kunststoffgehäusemasse 25 die Oberseite 21 der Verdrahtungskomponente 6 und die Kontaktanschlussfläche 14 der Verdrahtungskomponente 6 ab.
2 zeigt eine schematische Draufsicht auf ein Halbleiterbauteil 7 einer zweiten Ausführungsform der Erfindung mit zwei Bondanschlüssen 1 und 2. Bei dieser Draufsicht wurde die Kunststoffgehäusemasse weggelassen, um die Verdrahtung durch die Bonddrähte 17 und 18 zu zeigen. Außerdem zeigt dieser Draufsicht des Halbleiterbauteils 7 zwei seitlich herausgeführte Außenanschlüsse 27, die als Flachleiter ausgebildet sind und innerhalb des Halbleiterbauteils 7 jeweils in Kontaktanschlussflächen 14 übergehen, auf denen die Bonddrähte 17 und 18 gebondet sind. Auf der aktiven Oberseite 15 des Halbleiterchips 5 sind zwei Kontaktflächen 4 angeordnet, zu denen die Bonddrähte 17 und 18 paarweise führen und dort übereinander gestapelte Bondanschlüsse 1 und 2 bilden, um den Oberflächenbedarf für Kontaktanschlüsse 4 auf der Oberseite 15 des Halbleiterchips 5 möglichst gering zu halten.
Der Bonddraht 17 geht in einen unteren Bondanschluss 1 über und weist als Bonddrahtmaterial Kupfer oder eine Kupferlegierung auf. Der Bonddraht 18 wird im Bereich der Kontaktfläche 14 auf dem Bondanschluss 1 gestapelt und weist als Bonddrahtmaterial eine Aluminiumlegierung auf. Diese Aluminiumlegierung ist in dieser Ausführungsform der Erfindung als Bonddraht 18 mit einem Durchmesser von 60 μm eingesetzt, um einen entsprechend großen Querschnitt für hohe Stromstärken von den Außenanschlüssen 7 über die Kontaktfläche 14 an die Bonddrähte 17 und 18 bis zur Kontaktfläche 4 fließen zu lassen. Von der Kontaktfläche 4 aus werden die Halbleiterelemente auf der aktiven Oberseite 15 des Halbleiterbauteils 7 mit diesem Strom versorgt.
3 zeigt eine Prinzipskizze von einem Photo gestapelter Bondanschlüsse 1 und 2 auf einer einzelnen Kontaktfläche 4. Diese Kontaktfläche 4 ist auf einem Halbleiterchip 5 angeordnet und geht in eine Leiterbahn 28 über, die zu entsprechenden Halbleiterelementen auf der aktiven Oberseite 15 des Halbleiterchips 5 führt. Der Stapel 8 aus Bondanschlüssen 1 und 2 weist ein erstes unteres Kontaktelement 9 auf, dessen Material eine Kupferlegierung ist, während der zweite Bondanschluss 2 ein Kontaktelement 10 aufweist, das aus einer Aluminiumlegierung besteht.
In dieser Ausführungsform der Erfindung sind deutlich die Spuren des Bondstichels zu erkennen, die beim Bonden der Kontaktelemente 9 und 10 entstehen. Dabei bildet sich ein ohmscher Kontaktübergang 11 zwischen dem unteren Kontaktelement 9 und der Kontaktfläche 4 des Halbleiterchips 5 aus. In einem zweiten Bondvorgang entsteht ein Kontaktübergang 12 zwischen dem zweiten oberen Kontaktelement 10 und dem ersten unteren Kontaktelement 9. Die bei diesem zweiten Bondschritt aufgebrachte Bond- bzw. Verbindungsenergie wird aufgrund der größeren Härte der Kupferlegierung des unteren Kontaktelements 9 in die Kontaktbildung des Kontaktübergangs 12 eingebracht, so dass ein verbesserter ohmscher Kontaktübergang für diese Grenzschicht zwischen erstem Kontaktelement 9 und zweitem Kontaktelement 10 gewährleistet ist.
4 zeigt eine schematische Draufsicht auf ein Halbleiterbauteil 7 einer dritten Ausführungsform der Erfindung. Komponenten mit gleichen Funktionen wie in den vorhergehenden Figuren werden mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und nicht extra erörtert. Die dritte Ausführungsform unterscheidet sich von der zweiten Ausführungsform gemäß 2 dadurch, dass die Stapel 8 von Bondanschlüssen auf den Kontaktanschlussflächen 14 der Leiterbahnfahnen zu den Außenanschlüssen 27 angeordnet sind, während auf den Kontaktflächen 4 des Halbleiterchips 5 mehrere einzelne Bondanschlüsse 22, 23 und 24 angeordnet sind.

1: Bondanschluss
2: Bondanschluss
3: Bondanschluss
4: Kontaktfläche
5: Halbleiterchip
6: Verdrahtungskomponente
7: Halbleiterbauteil
8: Stapel von Bondanschlüssen
9: erstes unteres Kontaktelement
10: zweites oberes Kontaktelement
11: Kontaktübergang
12: Kontaktübergang
13: Kontaktübergang
14: Kontaktanschlussfläche
15: aktive Oberseite
16: Eckbereich
17: Bonddraht
18: Bonddraht
19: Bonddraht
20: Unterseite des Halbleiterbauteils
21: Oberseite der Verdrahtungskomponente
22: Bondanschluss
23: Bondanschluss
24: Bondanschluss
25: Kunststoffgehäusemasse
26: gestrichelte Linie
27: Außenanschlüsse
28: Leiterbahn

Claims

Halbleiterbauteil mit mehreren Bondanschlüssen (1, 2, 3), wobei mehr als ein einzelner Bondanschluss (1) auf einer einzelnen Kontaktfläche (4) eines Halbleiterchips (5) oder einer Verdrahtungskomponente (6) des Halbleiterbauteils (7) angeordnet ist, und wobei die Bondanschlüsse (1, 2, 3) einen Stapel (8) von mindestens zwei übereinander angeordneten Kontaktelementen (9, 10) bilden, wobei das Material des unteren ersten Kontaktelementes (9) mit dem Material der Kontaktfläche (4) einen ohmschen Kontaktübergang (11) aufweist, und wobei das Material des gestapelten zweiten Kontaktelementes (10) zu dem Material des darunter angeordneten ersten Kontaktelementes (9) einen ohmschen Kontaktübergang (12) aufweist, und wobei die Materialien der aufeinander gestapelten und gebondeten ersten und zweiten Kontaktelemente (9, 10) unterschiedliche Metallzusammensetzungen aufweisen.
Halbleiterbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die unterschiedlichen Metallzusammensetzungen Metalllegierungen sind, deren Basismetall identisch ist und deren Legierungselemente sich derart unterscheiden, dass eines der Kontaktelemente (9, 10) härter ist als das andere Kontaktelement (9, 10).
Halbleiterbauteil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die unterschiedlichen Metallzusammensetzungen Aluminiumlegierungen sind, wobei das härtere Kontaktelement (9, 10) als Legierungselement Silizium aufweist.
Halbleiterbauteil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die unterschiedlichen Metallzusammensetzungen Kupferlegierungen sind, wobei das härtere Kontaktelement (9, 10) als Legierungselement Fe, Ni, P, Zn, Sn und/oder Co aufweist.
Halbleiterbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die unterschiedlichen Metallzusammensetzungen unterschiedliche Basismetalle aufweisen, die sich in ihren Härtegraden derart unterscheiden, dass eines der Kontaktelemente (9, 10) härter ist als das andere Kontaktelement
Halbleiterbauteil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eines der Kontaktelemente (9, 10) Aluminium, Silber oder Gold oder Legierungen derselben aufweist, und das härtere Kontaktelement Kupfer, Nickel oder Legierungen derselben aufweist.
Halbleiterbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche,, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktelemente (9, 10) in dem Stapel (8) eine derartige Härte aufweisen, dass die Härte der gestapelten Kontaktelemente (9, 10) von der Kontaktfläche (4) zu dem oberen Kontaktelement (10) hin zunimmt.
Halbleiterbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktelemente (9, 10) in dem Stapel (8) eine derartige Härte aufweisen, dass die Härte der gestapelten Kontaktelemente (9, 10) von dem oberen Kontaktelement (10) zu der Kontaktfläche (4) hin zunimmt.
Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauteils (4) mit mehreren Bondanschlüssen (1, 2, 3), wobei mehr als ein einzelner Bondanschluss (1) auf einer einzelnen Kontaktfläche (4) eines Halbleiterchips (5) angeordnet wird, und wobei das Verfahren folgende Verfahrenschritte aufweist: – Herstellen eines Halbleiterchips (5) oder einer Verdrahtungskomponente (6) des Halbleiterbauteils (7) mit mindestens einer einzelnen Kontaktfläche (4) für mehrere Bondanschlüsse (1, 2, 3), die auf der Kontaktfläche (4) gestapelt werden; – Bereitstellen von mindestens zwei übereinander anzuordnenden Kontaktelementen (9, 10), die unterschiedliche Materialzusammensetzungen aufweisen; – gestaffeltes Bonden der Kontaktelemente (9, 10), wobei das Material des untersten ersten Kontaktelementes (9) beim Bonden auf der Kontaktfläche (4) einen ohmschen Kontaktübergang zu der Kontaktfläche (9) bildet, und – wobei das gestapelte zweite Kontaktelement (10) beim Bonden zu dem Material des darunter angeordneten ersten Kontaktelements (9) einen ohmschen Kontaktübergang bildet.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktelemente (9, 10) mittels Wedge-Bonden auf der Kontaktfläche (4) gestapelt werden.
Verfahren nach Anspruch 9 oder Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst das Kontaktelement, das ein härteres Material als ein zu stapelndes Kontaktelement (10) aufweist, auf die Kontaktfläche (4) gebondet wird.
Verfahren nach Anspruch 9 oder Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst das Kontaktelement, das ein weicheres Material als ein zu stapelndes Kontaktelement (10) aufweist, auf die Kontaktfläche (4) gebondet wird.
Verfahren nach Anspruch 9 oder Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst ein Kontaktelement (9), das Kupfer oder eine Kupferlegierung aufweist, auf die Kontaktfläche (4) gebondet wird und anschließend ein Kontaktelement (10), das Aluminium oder eine Aluminiumlegierung aufweist, auf das bereits gebondete Kontaktelement (9) gebondet wird.
Verfahren nach Anspruch 9 oder Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst ein Kontaktelement (9), das Aluminium, Kupfer, Nickel oder Legierungen derselben aufweist, auf eine Kontaktfläche (4), die eine Beschichtung aus Al, Pt, Pd oder Au aufweist, gebondet wird und anschießend ein Kontaktelement (10), das Gold aufweist, auf das bereits gebondete Kontaktelement (9) gebondet wird.