DE102005034485A1

DE102005034485A1 - Verbindungselement für ein Halbleiterbauelement und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102005034485A1
Application number: DE102005034485A
Authority: DE
Inventors: Joachim Dipl.-Phys. Krumrey; Gerhard Nöbauer; Khalil Dr. Hosseini; Joachim Dr. Mahler
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2005-07-20
Filing date: 2005-07-20
Publication date: 2007-02-01
Anticipated expiration: 2025-07-21
Also published as: US20070018338A1; US8581371B2; DE102005034485B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verbindungselement (1) eines Halbleiterbauelements (41), wobei das Halbleiterbauelement (41) mindestens eine Verbindungsfläche (10) mit einem darauf angeordneten Verbindungselement (1) aufweist. Das Verbindungselement (1) umfasst mindestens ein auf der Verbindungsfläche (10) fixiertes Bonddrahtstück (6). Die Verbindungsfläche (10) ist von einem elektrisch leitenden Material (9) bedeckt, wobei das fixierte Bonddrahtstück (6) von dem elektrisch leitenden Material (9) umgeben oder eingebettet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verbindungselement eines Halbleiterbauelements und ein Halbleiterbauelement mit einem derartigen Verbindungselement, sowie ein Verfahren zu deren Herstellung. Dabei ist das Verbindungselement auf einer Verbindungsfläche angeordnet und weist mindestens ein fixiertes Bonddrahtstück auf. Ein derartiges Verbindungselement ist in der Druckschrift DE 10 2004 042 101 beschrieben und wird insbesondere für Halbleiterleistungsbauteile eingesetzt.

Bei Halbleiterleistungsbauteilen kommt es darauf an, dass innerhalb eines Halbleiterbauteilgehäuses der Leitungswiderstand minimiert wird und die Stromdichte möglichst gleichmäßig auf entsprechende Verbindungselemente verteilt wird. Dennoch ist es nicht ohne Weiteres möglich, eine homogene Stromverteilung zu erreichen. Es sind vielmehr aufwändige Maßnahmen notwendig, um beispielsweise bei dem beschriebenen Verbindungselement aus mehreren Bonddrahtstücken diese zu einem großflächigen gemeinsamen Bondstreifen so zusammenzufassen, dass dieser Bondstreifen über die Verbindungselemente den hohen Stromfluss zu einem Außenflachleiter oder einem Außenanschluss des Hochleistungsbauteils führt. Bereits heute werden für die Beherrschung der hohen Ströme entsprechend dicke Aluminiumdrähte mit einem Durchmesser von größer als 100 µm eingesetzt, um Ströme größer als 5 A über entsprechende Verbindungselemente fließen zu lassen.

Dazu werden mehrere Bonddrähte, wie es aus der Druckschrift US 2003/0162 330 A1 bekannt ist, auf die aktiven Strukturen eines Halbleiterleistungschips aufgebracht, über denen sich die entsprechenden Transistorschaltungen befinden. Dabei ist für den Gesamtverbindungswiderstand bzw. den Packagewiderstand auf der Halbleiterchipoberseite bei derartigen Aluminiumbonddrahtstücken sowohl ein vertikaler als auch ein lateraler Stromfluss entscheidend. Ein Problem besteht bei großflächigen Verbindungsflächen in dem lateralen Stromfluss, der einen begrenzenden Faktor für das Verbindungselement bildet, da die Stromtragfähigkeit durch die dünne Metallisierungsschicht, welche die Verbindungsfläche bildet, begrenzt ist. Die vertikale Komponente bildet ein geringeres Problem, da hier die Dicke des Aluminiumbonddrahtes entscheidend ist.

Eine Erhöhung der Dicke der Metallisierung im Bereich der Verbindungsfläche bedeutet jedoch für die Halbleiterherstellung eine Verteuerung der Fertigung, wobei die Berührungsfläche zwischen dem Aluminiumbonddraht und der Verbindungsfläche nach wie vor nicht vergrößert wird, so dass an dieser Stelle die flächige Begrenzung in lateraler Richtung nach wie vor auftritt.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verbindungselement für Halbleiterleistungsbauteile anzugeben, das die laterale Kontaktflächen-Verbindung verbessert und die Kontaktierung in vertikaler Richtung nicht vernachlässigt.

Gelöst wird diese Aufgabe mit dem Gegenstand der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Erfindungsgemäß wird ein Verbindungselement eines Halbleiterbauelements angegeben, wobei das Halbleiterbauelement mindestens eine Verbindungsfläche mit einem darauf angeordneten Verbindungselement aufweist. Das Verbindungselement selbst umfasst mindestens ein auf der Verbindungsfläche fixiertes Bonddrahtstück und ein die Verbindungsfläche bedeckendes leitendes Material, wobei das fixierte Bonddrahtstück in das elektrisch leitende Material eingebettet ist oder von elektrisch leitendem Material umgeben ist.

Mit dem Aufbringen eines elektrisch leitfähigen Materials auf ein Bonddrahtstück ist der Vorteil verbunden, dass ein derartiges Verbindungselement eine kostengünstige Lösung darstellt, um den lateralen Kontaktwiderstand an den entsprechenden Bondstellen drastisch zu vermindern und den Stromfluss homogen auf die von dem erfindungsgemäßen Verbindungselement ausgehenden Bonddrähte zu verteilen.

Als elektrisch leitendes Material wird vorzugsweise ein Lotmaterial oder eine Metallpaste eingesetzt. Außerdem weist das Verbindungselement vorzugsweise mindestens ein Aluminiumbonddrahtstück oder ein Bonddrahtstück mit Legierungen des Aluminiums auf. Wie oben erwähnt, können derartige Bonddrähte mit einem wesentlich größeren Durchmesser eingesetzt werden als es für Golddrähte üblich ist. Um dennoch beispielsweise auf einer Aluminiumverbindungsfläche einen Aluminiumbonddraht zuverlässig zu bonden, ist es von Vorteil, wenn das Verbindungselement ein goldbeschichtetes Aluminiumbonddrahtstück aufweist. In dem Fall kann sich bei einem Thermosonic-Kompressionsbonden bzw. beim Fixieren des Bondkeilstückes auf der Verbindungsfläche eine eutektische Schmelze bei niedriger Temperatur zwischen Gold und Aluminium ausbilden.

Weiterhin ist es vorzugsweise vorgesehen, dass das Verbindungselement auf einer Kontaktfläche eines Halbleiterchips insbesondere eines Halbleiterleistungschips angeordnet ist.

Da die Verbindungsfläche von der Metallpaste oder dem Lot des Verbindungselements vollständig benetzt wird, und das Bonddrahtstück in dieser Metallpaste oder dem Lot eingebettet ist, ergeben sich keine lateralen Probleme, da die Stromverteilung auch in lateraler Richtung durch die Metallpaste bzw. durch das Lotmaterial gewährleistet wird.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind mehrere Bonddrahtstücke auf einer großflächigen Kontaktfläche nebeneinander angeordnet und gemeinsam von einem elektrisch leitenden Material eingebettet. Diese Ausführungsform der Erfindung hat gegenüber der Ausführungsform, wie sie in der Druckschrift DE 10 2004 024 104 beschrieben wird, den Vorteil, dass die Bonddrahtstücke nicht exakt lediglich den Bonddrahtkeil umfassen müssen, sondern dass die Bonddrahtstücke in eine Bondschleife übergehen und mit Kontaktanschlussflächen eines übergeordneten Schaltungsträgers verbunden werden. Das bedeutet, dass auf ein präzises Ablängen der Bonddrahtstücke nach der Verbindungsfläche verzichtet werden kann, zumal die Bonddrahtstücke in einen Bonddrahtschleife übergehen. Auch das Aufbringen des elektrisch leitenden Materials ist unkritisch und muss nicht innerhalb eines hoch präzisen Bereichs erfolgen, sondern kann sich auf die gesamte Verbindungsfläche verteilen.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die großflächige Verbindungsfläche mehrere Bonddrahtstücke auf, die auf einer großflächigen Elektrode gleichmäßig nebeneinander verteilt angeordnet sind, wobei die großflächige Elektrode die Source-Elektrode eines Feldeffekt-Leistungstransistors oder die Kathode oder Anode einer Leistungsdiode bildet. Derartige Feldeffekt-Halbleiterleistungsbauteile weisen einen vertikalen Strompfad von einer unteren Elektrode zu einer auf der Oberseite des Halbleiterleistungschips befindlichen oberen Kontaktfläche auf, wobei der Strom durch das erfindungsgemäße Verbindungselement nun homogen auf die weiterführenden Bonddrähte verteilt wird. Zu diesen Halbleiterbauelementen zählen die IGBT-Strukturen, MOSFET-Strukturen, PIN-Dioden oder auch Schottky-Dioden. Immer wenn hohe Ströme homogen auf Bonddrähte zu verteilen sind, stellt das erfindungsgemäße Verbindungselement eine vorteilhafte Lösung dar.

Eine Vorrichtung zur Herstellung eines Verbindungselements weist eine Bondvorrichtung mit einer Bondposition auf, wobei die Bondvorrichtung zusätzlich eine Position mit einem Metallpastenspender oder eine Löteinrichtung zum Aufbringen einer Metallpaste bzw. eines Lotmaterials auf die fixierten Bonddrahtstücke für mindestens ein Verbindungselement aufweist. Ein derartiger Metallpastenspender kann eine Dispenseinrichtung aufweisen. Entscheidend ist nur, dass diese Dispenseinrichtung in den Bondablauf der Bondeinrichtung integriert wird. Ferner ist es bevorzugt, dass die Position, die einen Metallpastenspender oder eine Lötvorrichtung aufweist, mit einer Dosiervorrichtung ausgestattet ist, welche die Metallpastenmenge bzw. die Lotmenge, abhängig von der Größe des Verbindungselementes, dosiert. Das hat den Vorteil, dass bei optimaler Dosierung die Metallpaste bzw. das Lot lediglich auf die Oberflächenelektrode mit den Bonddrahtstücken begrenzt bleibt.

Eine weitere Position ist in vorteilhafter Weise für die Bondeinrichtung vorgesehen, in der eine Metallpaste des Verbindungselements unter Erwärmen ausgehärtet werden kann. Vorzugsweise ist für die Aushärteposition ein Laserstrahlgerät vorgesehen, wobei der Laserstrahl des Laserstrahlgeräts die Metallpaste des Verbindungselements derart erhitzt, dass flüchtige Lösungsmittel entweichen und für die enthaltenden Bindemittel in der Metallpaste ein Sinterprozess einsetzt, der eine dichte Sintermetallmatrix auf der Verbindungsfläche unter Einbetten der Bondstücke hinterlässt.

Ein Verfahren zur Herstellung eines Verbindungselements, wie es oben beschrieben ist, mittels einer Vorrichtung, wie sie ebenfalls bereits beschrieben ist, weist die nachfolgenden Verfahrensschritte auf. Zunächst wird eine Verbindungsfläche eines Halbleiterbauelements unter einem Bondstichel der Bondeinrichtung in einer ersten Bondposition ausgerichtet. Es wird ein Bonddraht, vorzugsweise aus einer Aluminiumlegierung, durch eine Bonddrahtzufuhröse zwischen Bondstichel und Bondfläche eingeführt. Dann wird das Drahtbonden mit einem Bonddrahtstück des Bonddrahtes durchgeführt.

Nach einem Ausbilden eines Bonddrahtkeiles auf der Verbindungsfläche wird der Bonddraht zu einer zweiten Bondposition geführt und ein Bonden des Bonddrahtes auf einer zweiten Verbindungsfläche und ein Trennen des Bonddrahtes mittels eines Trennstichels nach erfolgter formschlüssiger Verbindung zwischen Bonddrahtende und der zweiten Verbindungsfläche werden durchgeführt. Sollen mehrere Bonddrähte aufgebracht werden, so können auch nebeneinander mehrere Bonddrähte auf der Verbindungsfläche fixiert werden. Anschließend wird eine Metallpaste in einer Position der Bondvorrichtung mit einem entsprechenden Metallpastenspender oder ein Lot mittels einer Löteinrichtung auf die Bondstücke unter Einbetten der Bonddrahtstücke in die Metallpaste bzw. das Lot aufgebracht.

Dieses Verfahren hat den Vorteil gegenüber bekannten anderen Verfahren, dass ein Standard-Bonddrahtbonden anwendbar ist und lediglich die entsprechenden Bondstellen mit einer Me tallpaste bzw. einem Lot eingebettet werden, um die laterale Leitfähigkeit der Bondverbindungen zu verbessern. Dazu kann der Bonddraht auch mehrfach auf der Verbindungsfläche gebondet werden, bevor er zur nächsten Bondstelle geführt wird. Mit Hilfe eines Laserstrahls kann dann die Metallpaste erhitzt werden, so dass ein Lösungsmittel entweicht und die Metallpartikel der Metallpaste zu einer elektrisch leitenden Paste zusammensintern. Dabei wird vorzugsweise eine Sintertemperatur T in einem Bereich von 100°C ≤ T ≤ 250°C eingestellt.

Zusammenfassend ist festzustellen, dass mit dem erfindungsgemäßen Verbindungselement die Kontaktfläche zwischen dem Bonddraht und der Verbindungsfläche auf dem Halbleiterleistungschip deutlich erhöht werden kann. Auch kann durch mehrere Bonddrahtstücke eine homogenere Stromverteilung und zugleich eine Reduzierung des lateralen Stromflusses bewirkt werden. Durch den Einsatz einer elektrisch leitfähigen Paste nach dem Anbringen der Bonddrahtverbindungen auf den Verbindungsflächen des Halbleiterchips bzw. der Oberseite der Halbleiterleistungschips wird eine zusätzliche homogene, leitfähige Fläche um den Bonddraht herum geschaffen, und damit erhöht sich die Kontaktfläche zwischen Bonddraht und Verbindungsfläche der Halbleiteroberseite deutlich, wodurch der laterale Stromdurchfluss verbessert und erhöht werden kann. Weitere Vorteile dieses Verbindungselements sind:

1. die Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit aufgrund der elektrisch und thermisch leitfähigen Partikel in der Metallpaste,
2. die Erhöhung der Zuverlässigkeit der Drahtanschlussverbindung gegen Stress und eventuelle Ablösung der Drähte durch die entsprechende Pressmasse.

Die auf die Verbindungsstelle aufgebrachte leitfähige Paste bzw. das Lotmaterial schützt gleichzeitig diese Verbindungen gegenüber mechanischen und thermischen Spannungen und verringert die Gefahr der Ablösung aufgrund von mechanischen Belastungen durch die einzubringende Gehäusepressmasse. Dieses Verbindungselement muss nicht nur auf die internen Verbindungen eines Halbleiterbauteils beschränkt sein, sondern kann auch die Stromtragfähigkeit der Verbindung zu den inneren Flachleitern bzw. zu entsprechenden Kontaktanschlussflächen von entsprechenden Verdrahtungssubstraten verbessern, indem auch hier nach dem Bonden des Bonddrahtes diese in eine entsprechende elektrisch leitfähige Paste eingebettet werden. Somit erhöhen sich auch an dieser Stelle die thermische Leitfähigkeit, die elektrische Leitfähigkeit und die mechanische Stabilität und damit die Zuverlässigkeit der Drahtverbindung deutlich gegenüber herkömmlichen Verbindungstechnologien.

Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Figuren näher erläutert.

1 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht eines Halbleiterleistungschips mit einem Verbindungselement einer ersten Ausführungsform der Erfindung;

2 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Halbleiterleistungsbauteil mit einem Verbindungselement einer zweiten Ausführungsform der Erfindung

3 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Halbleiterleistungsbauteil mit einem Verbindungselement einer dritten Ausführungsform der Erfindung;

4 zeigt ein Diagramm der Abnahme des Ausbreitungswiderstands in Abhängigkeit von der Materialdicke des Verbindungselements;

5 bis 9 zeigen schematische Ansichten des Halbleiterleistungschips gemäß 1 beim Aufbringen des Verbindungselements der ersten Ausführungsform der Erfindung;

5 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht des Halbleiterleistungschips gemäß 1;

6 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Teilbereich des Halbleiterchips beim Aufbringen eines Bonddrahtstückes in einer Bondposition;

7 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Teilbereich des Halbleiterleistungschips gemäß 6 beim Aufbringen einer Metallpaste in einer Metallpastenposition;

8 zeigt einen schematischen Querschnitt durch den Teilbereich des Halbleiterchips gemäß 7 nach Aushärten der Metallpaste in einer Aushärteposition;

9 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht des Halbleiterleistungschips gemäß 5 nach Aufbringen mehrerer Bonddrahtstücke auf eine großflächige Verbindungsfläche auf der Oberseite des Halbleiterleistungschips;

10 zeigt ein prinzipielles Diagramm der Stromdichteverteilung in A/mm² für die in 9 gezeigte Anordnung der Kontaktierung von Bonddrahtstücken ohne Einbetten des elektrisch leitenden Materials;

11 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht des Halbleiterleistungschips gemäß 9 nach Einbetten der Bonddrahtstücke in ein elektrisch leitendes Material;

12 zeigt ein prinzipielles Diagramm der Stromdichteverteilung in A/mm² nach Verstärken der Verbindungsfläche mit einer 500 μm dicken Lotschicht als elektrisch leitendes Material zu einem Verbindungselement;

13 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht eines Halbleiterleistungschips mit einem Verbindungselement einer vierten Ausführungsform der Erfindung;

14 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht eines Halbleiterleistungschips nach Aufbringen von Bonddrahtstücken auf eine Verbindungsfläche des Halbleiterleistungschips gemäß 5;

15 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht eines Halbleiterleistungschips mit einem Verbindungselement gemäß einer fünften Ausführungsform der Erfindung.

1 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht eines Halbleiterleistungschips 11 mit einem Verbindungselement 1 einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Der Halbleiterleistungschip 11 ist ein vertikaler MOSFET (Feldeffekttransistor mit Metall-Oxid-Silizium-Struktur), der auf seiner Unterseite 33 eine großflächige Drainelektrode D aufweist und auf seiner Oberseite 38 eine großflächige Source-Elektrode S und eine kleinere Gate-Elektrode G besitzt. Der vertikale Strompfad von der Drain-Elektrode D zu der Source-Elektrode S wird über das erfindungsgemäße Verbindungselement 1 zu einem Source-Außenkontakt geleitet, der in 1 nicht dargestellt ist. Außerdem werden über einen Gate-Bonddraht 34 Schaltsignale an den Halbleiterleistungschip 11 über die Gate-Elektrode G gelegt.
Auf einer großflächigen Verbindungsfläche 10 sind Bonddrahtstücke 6, 7 und 8 in fixierten Positionen 12, 14 und 16 angeordnet, wobei die Berührungsfläche in den fixierten Positionen 12, 14 und 16 der Bonddrähte 35, 36 und 37 vergleichsweise gering ist gegenüber der flächigen Erstreckung der Verbindungsfläche 10. Da die Dicke der zugehörigen Verbindungsschicht der Verbindungsfläche 10 äußerst gering ist, ergibt sich für die Stromverteilung zu den drei Bonddrähten 35, 36 und 37 ein Problem, das dadurch gelöst wird, dass die fixierten Bondstücke 6, 7 und 8 in eine Metallpaste 25 eingebettet sind, wobei die Metallpaste 25 als elektrisch leitendes Material 9 die gesamte Verbindungsfläche 10 bedeckt. Somit ist bei diesem Verbindungselement 1 auch der laterale Widerstand minimiert und eine optimale und nahezu homogene Stromverteilung auf die drei Bonddrähte 35, 36 und 37 gewährleistet.
2 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Halbleiterleistungsbauteil 41 mit einem Verbindungselement 2 einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Komponenten mit gleichen Funktionen wie in 1 werden mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und nicht extra erläutert.
In diesem Fall weist das Verbindungselement 2 zur Behebung des Problems der lateralen Stromverteilung ein zusätzliches Lotmaterial 40 als elektrisch leitendes Material 9 auf der Verbindungsfläche 10 auf, welches das Bonddrahtstück 6, das auf der Bondfläche 30 fixiert ist, umgibt. Dieses zusätzliche Kontaktmaterial 40 verstärkt die Dicke der großflächigen Elektrode 21, die für dieses Halbleiterleistungsbauteil 41 eine Source-Elektrode S darstellt. Der Halbleiterleistungschip 11 ist in dieser Ausführungsform der Erfindung auf einem Schaltungsträger 39 mit seiner Drain-Elektrode D fixiert.
3 zeigt einen schematischen Querschnitt durch das Halbleiterleistungsbauteil 41 der 2 mit einem Verbindungselement 3 einer dritten Ausführungsform der Erfindung. Komponenten mit gleichen Funktionen wie in den vorhergehenden Figuren werden mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und nicht extra erläutert.
Die dritte Ausführungsform des Verbindungselements 3 unterscheidet sich von der zweiten Ausführungsform gemäß 2 dadurch, dass das Bonddrahtstück 6, welches auf der Bondfläche 30 fixiert ist, in ein Lotmaterial 40 vollständig eingebettet ist, so dass hier eine optimale Stromverteilung erreicht werden kann, die über den Bonddraht 28 zu einem Außenkontakt des Halbleiterleistungsbauteils 41 weitergeleitet werden kann.
4 zeigt ein Diagramm der Abnahme des Ausbreitungswiderstands R in μΩ in Abhängigkeit von der in 3 gezeigten Lotdicke d in μm. Dieses Diagramm 42 verdeutlicht, welchen Einfluss der laterale Widerstand einer dünnen Verbindungsfläche ausübt, wenn davon ausgegangen wird, dass die Schichtdicke für die Verbindungsfläche im μm-Bereich liegt. Ferner verdeutlicht das Diagramm die überproportionale Abnahme des Ausbreitungswiderstandes R, wenn die Dicke d des Verbindungselementes mehrere 100 μm aufweist.
Die 5 bis 9 zeigen schematisch Ansichten des Halbleiterleistungschips 11 gemäß 1 beim Aufbringen des Verbindungselements 1 der ersten Ausführungsform der Erfindung. Dazu weist der Halbleiterleistungschip 11 eine Source-Elektrode S auf der Oberseite 38 auf und eine Drain-Elektrode D auf der Rückseite 33 des Halbleiterleistungschips 11 auf. Ferner befindet sich auf der Oberseite 38 noch eine kleine Elektrode in Form der Gate-Elektrode G für diesen Halbleiterleistungschip 11.
6 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Teilbereich 32 des Halbleiterleistungschips 11 beim Aufbringen eines Bonddrahtstückes 6 in einer Bonddrahtposition 22 einer Bondvorrichtung. Dazu wird der Bonddraht 28 durch die Bonddrahtzuführöse 29 unter den Bondstichel 27 geführt und mit einem Thermosonic-Kompressionsvorgang wird das Bonddrahtstück 6 auf der Bondfläche 30 fixiert. Der Trennstichel 31 tritt erst in Aktion, wenn der Bonddraht 28 und der Bondstichel 27 die zweite Bondposition nach Bilden einer Bondschleife innerhalb des Halbleiterleistungsbauteils erreicht haben.
7 zeigt einen schematischen Querschnitt durch den Teilbereich 32 des Halbleiterleistungschips 11 gemäß 6 beim Aufbringen einer Metallpaste 25 in einer Metallpastenposition 23. In dieser Durchführung des Verfahrens wird kein Lot aufgebracht, sondern eine Metallpaste 25, die aus einem Metall pastenspender 24 zugeführt werden kann, wobei der Metallpastenspender 24 in den Pfeilrichtungen A, B und C bewegt werden kann, um die gesamte Verbindungsfläche 10 mit der Metallpaste 25 zu bedecken und gleichzeitig das Bonddrahtstück 6 in der Metallpaste einzubetten, nachdem der Bonddraht 28 bereits fixiert ist.
8 zeigt einen schematischen Querschnitt durch den Teilbereich 32 des Halbleiterleistungschips 11 gemäß 7 nach Aushärten der Metallpaste 25 zu einem elektrisch leitenden Material 9. Dazu wird das Verbindungselement 1 auf eine Temperatur T mit 100 °C ≤ T ≤ 250 °C erwärmt.
9 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht des Halbleiterleistungschips 11 gemäß 5 nach Aufbringen mehrerer Bonddrahtstücke 6, 7 und 8 auf einer gemeinsamen großflächigen Verbindungsfläche 10 auf der Chipoberseite 38. In den fixierten Positionen 12, 14 und 16 der Bonddrahtstücke 6, 7 und 8 sind die Berührungsflächen der Bonddrahtstücke 6, 7 und 8 im Vergleich zu der flächigen Erstreckung der Verbindungsfläche 10 äußerst gering, so dass die laterale Stromverteilung in diesem Zustand des Halbleiterleistungsbauteils äußerst kritisch ist. Dieses wird in der nächsten 10 gezeigt.
10 zeigt ein prinzipielles Diagramm der Stromdichteverteilung in A/mm² für die in 9 gezeigte Anordnung der Kontaktierung von drei Bonddrahtstücken 6, 7 und 8 ohne Einbetten der Bonddrahtstücke in ein elektrisch leitendes Material. Deutlich ist hier zu erkennen, dass die vertikale Stromdichteverteilung durch die drei Bonddrähte bereits relativ hoch ist, während über die Verbindungsfläche verteilt eine deutlich geringere Stromdichte erreicht werden kann. Dazu wurde als konkretes Ausführungsbeispiel ein DMOS-Halbleiterleistungschip in einem TO263-33-Geäuse für die Spannungsklasse von 40 V untersucht. Für einen maximalen spezifischen Einschaltwiderstand R_on·A von 25 mΩ mm² bei einer Gatespannung von 10 V und einer aktiven Chipfläche von 27 mm² lässt sich mit der herkömmlichen Kontaktierung durch Bonddrähte, wie in 9 gezeigt ein maximaler Einschaltwiderstand R_on des Bauteils von 1,9 mΩ realisieren, einschließlich eines Ausbreitungswiderstands von 316 μΩ, eines Widerstands der Bonddrähte von 308 μm und eines Widerstands der Anschlussbeinchen von 201 μΩ.
Dabei wird für die Berechnung des Ausbreitungswiderstands von einer Oberseitenmetallisierung für die Source-Elektrode aus Aluminium von einer Dicke von 5 μm ausgegangen, die durch drei Aluminiumbonddrähte mit einem Durchmesser von 500 μm jeweils einmal kontaktiert ist, wie es in 9 zu sehen ist. Durch die Forderung zur Beschränkung der Temperatur der Bonddrähte auf maximal 220 °C ergibt sich für diese Konfiguration ein maximaler kontinuierlicher Drainstrom von 10 A. Die berechnete Stromdichteverteilung ist in 10 zu sehen.
11 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht des Halbleiterleistungschips gemäß 9 nach Einbetten der Bonddrahtstücke 6, 7 und 8 in ein elektrisch leitendes Material 9. Damit entspricht 11 der ursprünglichen 1.
12 zeigt ein prinzipielles Diagramm 42 der Stromdichteverteilung in A/mm² nach Verstärken der Verbindungsfläche 10 mit einer 500 μm dicken elektrisch leitenden Schicht 9 zu einem Verbindungselement. Bei dem in 11 gezeigten erfindungsgemäßen Verbindungselement wird der Halbleiterleistungschip ebenso mit drei 500 µm dicken Bonddrähten kontaktiert und anschließend wird eine lötbare Verbindungsfläche 10 durch eine für diese Berechnung 500 µm dicke Lotschicht mit einem spezifischen Widerstand von 17 μΩcm verstärkt. Durch die deutlich größere Metallisierungsdicke beträgt der Ausbreitungswiderstand dann nur noch 30 µΩ.
Zudem können die Bonddrähte ohne Nachteil im Ausbreitungswiderstand auch notfalls am Rand der Source-Elektrode, die als Verbindungsfläche 10 hier eingesetzt ist, angeordnet werden und damit können die Bonddrähte auch kürzer gehalten werden, so dass der Widerstand der Bonddrähte dann nur noch 241 µΩ ausmacht. Bei gleichem maximalem Einschaltwiderstand R_on des Bauteils von 1,9 mΩ wird so nur eine aktive Chipfläche von 19,6 mm² benötigt, was einem Flächengewinn von 27 % entspricht. Gleichzeitig steigt infolge der kleineren Drahtlänge der maximale kontinuierliche Drainstrom auf 120 A an und kann somit um 20 % verstärkt werden. Durch die größere Kontaktfläche ist die Stromdichteverteilung homogener, wie es 12 zeigt, und es ergeben sich trotz der kleineren aktiven Fläche bei gleichem Drainstrom keine höheren Stromdichten.
13 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht eines Halbleiterleistungschips 11 mit einem Verbindungselement 4 einer vierten Ausführungsform der Erfindung. Komponenten mit gleichen Funktionen wie in vorhergehenden Figuren werden mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und nicht extra erläutert. Der Unterschied zu den bisher diskutierten Ausführungsformen der Erfindung liegt darin, dass die Gate-Elektrode zum Schutz vor dem elektrisch leitfähigen Material 9, das auf die Source-Elektrode S aufgebracht wird, durch ein isolierendes Material 44 geschützt wird. Dieses isolierende Material 44 wird vor dem Aufbringen des elektrisch leitenden Materials 9 aufgebracht.
14 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht eines Halbleiterleistungschips 11 nach Aufbringen von Bonddrahtstücken 6, 7 und 8 auf eine Verbindungsfläche 10 des Halbleiterleistungschips 11 gemäß 5. Komponenten mit gleichen Funktionen wie in vorhergehenden Figuren werden mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und nicht extra erläutert. Der Unterschied zu den bisherigen Ausführungsformen des Verbindungselements besteht darin, dass hier die Bonddrähte 35, 36 und 37 für die Source-Elektrode S nicht nur an einer Bondstelle auf der Source-Elektrode fixiert sind, sondern an jeweils zwei Stellen. So ist der Bonddraht 35 einmal in den Positionen 12 und 13 fixiert, der Bonddraht 36 ist in den Positionen 14 und 15 fixiert und der Bonddraht 37 ist in den Positionen 16 und 17 fixiert. Zwischen den beiden Positionen ergeben sich jeweils die drei Bondbögen 18, 19 und 20 für die Bonddrahtstücke 6, 7 und 8. Dadurch, dass die Bondpositionen 13, 15 und 17 nahe am Rand des Halbleiterleistungschips angeordnet sind, können die Bonddrähte 35, 36 und 37 zu den nachgeordneten Außenkontaktflächen deutlich verkürzt werden, was wiederum den oben bereits besprochenen Ausbreitungswiderstand verringert.
15 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht eines Halbleiterleistungschips 11 mit einem Verbindungselement 5 gemäß der fünften Ausführungsform der Erfindung. Vorbereitet wurde dieses Verbindungselement 5 durch die spezielle Anbringung der Bonddrähte 35, 36 und 37, wie sie in 14 gezeigt werden. Die in 14 gezeigten Bonddrahtstücke 6, 7 und 8 sind nun in ein gemeinsames elektrisch leitendes Material 9 eingebettet, das sowohl ein Lotmaterial sein kann als auch eine Metallpaste, wobei für ein Lotmaterial die Gate-Elektrode G mit dem Bonddraht 34 durch eine Lötstopplack schicht 43 vor einem Benetzen durch Lotmaterial geschützt werden kann.

1: Verbindungselement (1. Ausführungsform)
2: Verbindungselement (2. Ausführungsform)
3: Verbindungselement (3. Ausführungsform)
4: Verbindungselement (4. Ausführungsform)
5: Verbindungselement (5. Ausführungsform)
6: Bonddrahtstück
7: Bonddrahtstück
8: Bonddrahtstück
9: elektrisch leitendes Material
10: Verbindungsfläche
11: Halbleiterleistungschip
12, 13: fixierte Positionen
14, 15: fixierte Positionen
16, 17: fixierte Positionen
18: Bondbogen
19: Bondbogen
20: Bondbogen
21: großflächige Elektrode
22: Bondposition
23: Metallpastenposition
24: Metallpastenspender
25: Metallpaste
26: Aushärteposition
27: Bondstichel
28: Bonddraht
29: Bonddrahtzufuhröse
30: Bondfläche
31: Trennstichel
32: Teilbereich des Halbleiterleistungschips
33: Rückseite des Halbleiterleistungschips
34: Gate-Bonddraht
35: Source-Bonddraht
36: Source-Bonddraht
37: Source-Bonddraht
38: Oberseite des Halbleiterleistungschips
39: Schaltungsträger
40: Lotmaterial
41: Halbleiterleistungsbauteil
42: Diagramm
43: Lötstopplackschicht
44: isolierendes Material
A: Pfeilrichtung
B: Pfeilrichtung
C: Pfeilrichtung
D: Drain-Elektrode
d: Dicke des Verbindungselements
G: Gate-Elektrode
R: Ausbreitungswiderstand
S: Source-Elektrode

Claims

Verbindungselement eines Halbleiterbauelements (2), wobei das Halbleiterbauelement (2) mindestens eine Verbindungsfläche (5) mit einem darauf angeordneten Verbindungselement (1) aufweist, und wobei das Verbindungselement mindestens ein auf der Verbindungsfläche (5) fixiertes Bonddrahtstück (6, 7, 8) umfasst und die Verbindungsfläche (5) von einem elektrisch leitenden Material (9) bedeckt ist, und wobei das fixierte Bonddrahtstück (6, 7, 8) von dem elektrisch leitenden Material (9) umgeben und/oder eingebettet ist.
Verbindungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch leitende Material eine Metallpaste ist.
Verbindungselement nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch leitende Material ein Lotmaterial ist.
Verbindungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (1) ein Aluminium-Bonddrahtstück oder ein Bonddrahtstück mit Legierungen des Aluminiums aufweist.
Verbindungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (1) ein goldbeschichtetes Aluminium-Bonddrahtstück aufweist.
Verbindungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (1) auf einer Kontaktfläche (10) eines Halbleiterchips angeordnet ist.
Verbindungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Bonddrahtstücke (6, 7, 8) auf einer großflächigen Kontaktfläche (10) nebeneinander angeordnet sind und gemeinsam von einem elektrisch leitenden Material (9) eingebettet sind.
Verbindungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Bonddrahtstück (6, 7, 8) auf einer großflächigen Kontaktfläche (10) mehrfach hintereinander fixiert angeordnet ist und zwischen den fixierten Positionen (12, 13) einen Bondbogen (18) aufweist, wobei der Bondbogen (18) und die fixierten Bereiche (12, 13) des Verbindungselementes (1) von einer auf der Verbindungsfläche (5) angeordneten elektrisch leitenden Paste oder einem Lotmaterial (9) eingebettet sind.
Verbindungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine großflächige Verbindungsfläche (5) mehrere Bonddrahtstücke (6, 7, 8) aufweist, die auf einer großflächigen Elektrode (21) gleichmäßig nebeneinander verteilt angeordnet sind, wobei die großflächige Elektrode (21) die Source-Elektrode (S) eines Leistungstransistors oder die Kathode einer Leistungsdiode aufweist.
Halbleiterbauelement, das mindestens ein Verbindungselement (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 aufweist.
Vorrichtung zur Herstellung eines Verbindungselementes (1), wobei die Vorrichtung eine Bondeinrichtung mit einer Bondposition (22) aufweist, wobei die Bondeinrichtung zusätzlich eine Position (23) mit einer Lötstation und/oder mit einem Metallpastenspender (24) zum Aufbringen eines Lotes bzw. einer Metallpaste (25) auf die fixierten Bonddrahtstücke (6) und/oder zum Aufbringen um die Bonddrahtstücke herum aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass an der Position mit einem Metallpastenspender (24) eine Dosiervorrichtung angeordnet ist, welche die Metallpastenmenge abhängig von der Größe der Verbindungsfläche (5) dosiert.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Aushärteposition (26) mit einer Aushärteeinrichtung aufweist, an der die Metallpaste (25) des Verbindungselementes (1) auf eine Aushärtetemperatur erwärmt wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Aushärteposition (26) ein Laserstrahlgerät aufweist, wobei der Laserstrahl des Laserstrahlgerätes die Metallpaste des Verbindungselementes (1) erhitzt.
Verfahren zur Herstellung eines Verbindungselements (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 mittels einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei das Verfahren folgende Verfahrensschritte aufweist: – Ausrichten einer Verbindungsfläche (5) eines Halbleiterbauelements (2) unter einem Bondstichel (27) der Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 10 bis 13 in einer ersten Bondposition (22), – Zuführen eines Bonddrahtes (28) durch eine Bonddrahtzufuhröse (29) zwischen Bondstichel (27) und Bondfläche (30), – Durchführen eines Drahtbondens mit einem Bonddrahtstück (6) des Bonddrahtes (28), – Führen des Bonddrahtes (28) zu einer zweiten Bondposition und Bonden des Bonddrahts (28) auf einer zweiten Verbindungsfläche und Trennen des Bonddrahts (28) mittels eines Trennstichels (31) nach erfolgter stoffschlüssiger Verbindung zwischen Bonddrahtende und zweiter Verbindungsfläche; – Aufbringen eines Lotes oder einer Metallpaste (25) in einer Position (23) der Bondvorrichtung mit einer Lötvorrichtung oder mit einem Metallpastenspender (24) auf die fixierten Bonddrahtstücke (6) und/oder um die fixierten Bonddrahtstücke herum in mindestens der ersten Bondposition.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Bonddraht (28) mehrfach auf der ersten Verbindungs fläche (5) gebondet wird, bevor er zur zweiten Verbindungsfläche geführt wird.
Verfahren nach Anspruch 14 oder Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallpaste (25) von einem Laserstrahl erhitzt wird, so dass Lösungsmittel entweichen und Metallpartikel der Metallpaste (25) zu meiner elektrisch leitfähigen Paste (9) zusammensintern.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass eine Sintertemperatur T in einem Bereich von 100°C ≤ T ≤ 250°C eingestellt wird.