DE102007002156A1

DE102007002156A1 - Halbleiteranordnung mit Wärmesenke

Info

Publication number: DE102007002156A1
Application number: DE102007002156A
Authority: DE
Inventors: Friedrich Dr. Kröner
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2007-01-15
Filing date: 2007-01-15
Publication date: 2008-07-17

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Halbleiteranordnung mit Wärmesenke zum Abführen von Wärme aus einem Halbleiterbaustein (1), wobei die Wärmesenke einen elektrisch leitfähigen Körper (23) mit einer Aussparung (3) zum Aufnehmen des Halbleiterbausteins (1) aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Halbleiteranordnung mit Wärmesenke und insbesondere auf eine Leistungs-Halbleiteranordnung mit verbesserter Wärmeabfuhr.
In der Halbleitertechnik und insbesondere in der Leistungs-Halbleitertechnik werden zunehmend immer dünnerwerdende Halbleiterbausteine bzw. -Chips mit Schichtdicken kleiner 200 μm hergestellt. Ferner besteht zunehmend die Notwendigkeit beidseitig prozessierte Halbleiterbausteine zur Realisierung von Halbleiterbauelementen zu realisieren, die sich durch das gesamte Bausteinsubstrat erstrecken.
Die Wärmeabfuhr von derartigen immer dünner werdenden Halbleiterbausteinen rückt hierbei zusehends in den Vordergrund der Entwicklungsaktivitäten. Einerseits muss hierbei eine Wärmeleitfähigkeit vom Halbleiterbaustein zu einer Wärmesenke bzw. zu einem Kühlkörper verbessert werden. Andererseits müssen die auf Grund einer thermischen Beanspruchung entstehenden mechanischen Spannungen zwischen Halbleiterbaustein und Wärmesenke minimiert werden, um beispielsweise eine unerwünschte Delamination zu vermeiden. Ferner gilt es die letzten Bearbeitungsschritte zu vereinfachen, insbesondere bei sehr dünnen Halbleiterbausteinen oder Halbleiterwafern vor dem Vereinzeln und Löten der Bausteine auf die Wärmesenke bzw. den Kühlkörper beinhaltende Substrate wie beispielsweise Anschlussdrahtrahmen (lead frames). Ferner sollen die elektrischen Anschlussmöglichkeiten einer derartigen Halbleiteranordnung zur Montage auf einer Leiterplatte verbessert werden.
1 zeigt eine vereinfachte Schnittansicht einer herkömmlichen Halbleiteranordnung, wie sie beispielsweise aus der EP 0 488 783 A2 bekannt ist. Gemäß 1 ist ein Halbleiterbaustein 1 auf eine Trägerplatte 30 eines Anschlussdraht- Rahmens gelötet, wobei der Halbleiterbaustein 1 über Bonddrähte 40 mit Anschlussdrähten 50 verbunden ist. Eine Wärmesenke WS in Form eines Kühlkörpers wird hierbei über eine elektrisch isolierende aber Wärme leitende Verbindungsschicht 60 an der Vorderseite des Halbleiterbausteins 1 befestigt, wodurch eine Abfuhr von Wärme aus dem Halbleiterbaustein 1 realisiert werden kann. Der so mit dem Kühlkörper WS verbundene Halbleiterbaustein 1 ist ferner in einem Gehäuse 70 gehäust, wobei lediglich die äußeren Teilabschnitte der Anschlussdrähte 50 sowie eine Kühlfläche oder Kühlrippen (gestrichelt gezeichnet) der Wärmesenke WS nach außen ragen.
Insbesondere für beidseitig prozessierte Halbleiterbausteine ist eine derartige Halbleiteranordnung unzureichend. Ferner ist bei starker thermischer Beanspruchung eine erhöhte Delamination zu beobachten und zum Teil kann eine nur unzureichende Wärmeabfuhr realisiert werden.
Ferner ist eine Verarbeitung von sehr dünnen Wafern wegen deren Verbiegung auf Grund von thermisch verspannender Schichten stark erschwert. Aus diesem Grund sind der Dicke von Vorderseiten-Metallisierungen und -Passivierungen Grenzen gesetzt, da ansonsten die Waferverbiegung bis zu einem zylindrischen Einrollen eskalieren kann. Ferner werden bei immer stärker werdenden Stromdichten insbesondere für Leistungs-Halbleiteranordnungen immer mehr Bonddrähte notwendig, wobei eine Anwendung auf die sogenannte Flip-Chip-Technologie insbesondere auf Grund der beidseitigen Anschlüsse am Halbleiterbaustein nicht möglich sind.
Es besteht daher ein Bedürfnis eine Halbleiteranordnung mit Wärmesenke zu schaffen, welche verbesserte Eigenschaften hinsichtlich einer Wärmeabfuhr, einer Delamination und einer Verarbeitbarkeit von sehr dünnen Halbleiterbaustein-Substraten ermöglicht.
Erfindungsgemäß wird eine Halbleiteranordnung mit Wärmesenke zum Abführen von Wärme aus einem Halbleiterbaustein geschaffen, wobei die Wärmesenke einen elektrisch leitfähigen Körper mit einer Aussparung zum Aufnehmen des Halbleiterbausteins aufweist.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben.
Es zeigen:
1 eine vereinfachte Schnittansicht einer herkömmlichen Halbleiteranordnung mit Wärmesenke;
2 eine vereinfachte Schnittansicht eines Wärmesenken-Ausgangskörpers mit zugehörigen Halbleiterbausteinen;
3 eine vereinfachte Schnittansicht einer Halbleiteranordnung mit Wärmesenke gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
4 eine vereinfachte Schnittansicht einer Halbleiteranordnung mit Wärmesenke gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel; und
5 eine vereinfachte Schnittansicht einer Halbleiteranordnung mit Wärmesenke gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Wärmesenke aus einem elektrisch leitfähigen Körper bestehen, der eine Aussparung zum Aufnehmen des Halbleiterbausteins aufweist. Insbesondere bei Verarbeitung von sehr dünnen Halbleiterbausteinen ist somit eine Passivierung erst nach dem Einbringen in den Wärmesenken-Körper möglich, wodurch sich verbesserte Wärmeleitfähigkeiten ergeben. Ferner wird dadurch die Realisierung von Flip-Chip-Bauelementen ermöglicht.
Die Form der Aussparung ist beispielsweise an die Form des Halbleiterbausteins angepasst, wodurch sich eine weiter verbesserte Wärmeabfuhr und eine weiter verringerte Delaminierung ergibt.
Beispielsweise kann zumindest zwischen den Seitenwänden der Aussparung und den Seitenwänden des Halbleiterbausteins eine erste Isolierschicht ausgebildet sein, wodurch sich eine weitergehende mechanische Stabilisierung und eine oftmals notwendige Seitenwand-Passivierung von Halbleiterbausteinen effektiv realisieren lässt. Weiterhin ist dadurch eine Delaminierung auch bei sehr hohen thermischen Beanspruchungen stark verringert.
Beispielsweise kann eine Vorderseite des Halbleiterbausteins um eine Höhe von 20 bis 100 μm über eine Vorderseite des Wärmesenken-Körpers hinausragen, wodurch sich insbesondere bei einer galvanischen Ausbildung von Anschluss-Lötballen oder Anschluss-Feldern ein geeigneter Höhenausgleich zwischen den Lötballen bzw. -Feldern auf dem Halbleiterbaustein und den entsprechenden Lötballen und -Feldern auf dem Wärmesenken-Körper erreichen lässt.
Beispielsweise besteht der Wärmesenken-Körper aus Cu oder aus einem Verbundwerkstoff mit Kohlenstoffteilchen und Cu, wodurch man eine gute Anpassung an den thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Halbleitersubstrats insbesondere bei Silizium-Substraten erhält.
Beispielsweise kann ein Anschluss-Lötballen auf einer Vorderseite des Halbleiterbausteins und zumindest ein weiterer Anschluss-Lötballen auf einer Vorderseite des Wärmesenken-Körpers ausgebildet sein. Hierbei besteht weder die Notwendigkeit der Verwendung eines Draht-Bondens noch einer Pressmasse zur Realisierung eines Gehäuses, wodurch sich die Kosten wesentlich reduzieren lassen. Ferner können auch für Halbleiterbausteine mit sehr kleinen Abmessungen Flip-Chiptaugliche Bauelemente realisiert werden.
Beispielsweise kann die erste Isolierschicht ferner zumindest auf einem Teilabschnitt der Vorderseite des Wärmesenken-Körpers, darauf eine Baustein-Anschlussschicht zum Anschließen des Halbleiterbausteins und darauf ein weiterer Anschluss-Lötballen oder ein weiteres Anschluss-Feld an der Vorderseite des Wärmesenken-Körpers neben der Aussparung ausgebildet sein, wodurch nicht nur eine einfache Vorderseiten- und Rückseitenkontaktierung, sondern darüber hinaus komplexere Kontaktierungsmöglichkeiten des Halbleiterbausteins effektiv gelöst werden können.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Figuren dargestellt, die lediglich der Illustration dienen und den Umfang der Erfindung nicht beschränken.
2 zeigt eine vereinfachte Schnittansicht zur Darstellung eines Ausgangs-Wärmesenken-Körpers 2, der zum Aufnehmen von jeweiligen Halbleiterbausteinen 1 eine Vielzahl von Aussparungen 3 an seiner Vorderseite aufweist. Beispielsweise kann der Wärmesenken-Körper 2 die Form eines Wafers mit in etwa gleichen Abmessungen aufweisen wie ein zugehöriger Halbleiterwafer, aus dem die Halbleiterbausteine 1 vereinzelt werden.
Beispielsweise kann der Wärmesenken-Körper 2 aus einem Verbundwerkstoff aus Kohlenstoffteilchen und Cu bestehen. Ein derartiger Verbundwerkstoff kann z. B. aus verkupferten Kohlefasern bei ca. 1000 Grad Celsius und einigen Dutzend Atmosphären Druck als Wafer gesintert werden. An seiner Vorderseite sind hierbei Sicken bzw. Aussparungen 3 ausgebildet, die zur Aufnahme der Halbleiterbausteine 1 geeignet sind. Ferner können an seiner Rückseite, ebenfalls durch die Negativ-Form des Presswerkzeugs, (nicht dargestellte) Kühlrippen ausgebildet sein. Grundsätzlich kann der Wärmesenken-Körper 2 auch nur ein Metall wie z. B. Cu aufweisen.
Gemäß 2 können anschließend die vereinzelten Halbleiterbausteine 1 in die Aussparungen 3 gelötet werden. Hierbei können als Löt-Depot zumindest im Bodenbereich der Aussparung 3 Lötplättchen aus Gold/Zinn verwendet werden.
Ferner kann nicht nur eine hervorragende elektrische Leitfähigkeit sowie Wärmeleitfähigkeit realisiert werden, sondern wegen der Aussparung darüber hinaus eine sehr stabile mechanische Verbindung zu einer (nicht dargestellten) Passivierung aus Photoimid geschaffen werden, die somit gegenüber einer Delamination auf Grund thermischer Beanspruchung unempfindlich ist. Bei Verwendung von Silizium für das Substrat der Halbleiterbausteine 1 und dem Verbundwerkstoff aus Kohlenstoffteilchen und Cu ergibt sich ferner der Vorteil, dass die thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Wärmesenken-Körper 2 und Halbleiterbaustein 1 optimal angepasst, d. h. sehr ähnlich, sind und sich dadurch eine mechanische Beanspruchung insbesondere der Lötschicht weiter verringert wird. Ferner kann ein jeweiliges (nicht dargestelltes) Lötplättchen wesentlich dünner sein als bei herkömmlichen Halbleiteranordnungen zum Befestigen entsprechender Wärmesenken, weshalb sich eine Wärmeleitfähigkeit stark verbessert.
Gemäß 2 kann nach dem Einbringen der Halbleiterbausteine 1 in die Aussparungen 3 des Wärmesenken-Körpers 2 zunächst eine erste Isolierschicht zumindest zwischen den Seitenwänden der Aussparung 3 und den Seitenwänden des Halbleiterbausteins 1 ausgebildet werden. Beispielsweise besitzen die Halbleiterbausteine 1 zu diesem Zeitpunkt lediglich dünne Isolations- sowie Metallisierungsschichten, weshalb eine Verbiegung selbst bei ultradünnen Halbleiterbausteinen vermindert ist.
Damit sind bereits die Voraussetzungen gegeben, selbstjustierende galvanische Anschluss-Lötballen oder Anschluss-Felder zu erzeugen, ohne auf Keimschichten und Fotolithographie zurückgreifen zu müssen.
Alternativ zum vorstehend beschriebenen gesinterten Wärmesenken-Körper bzw. -Wafer kann dieser auch galvanisch hergestellt werden. Hierbei werden die beispielsweise bereits vereinzelten oder noch unvereinzelten Halbleiterbausteine 1 auf einem Trägersubstrat positioniert und darauf eine Vielzahl von elektrisch leitenden Werkstoffteilchen wie beispielsweise Kohlenstofffasern aufgebracht. In gleicher Weise können selbstverständlich auch elektrisch leitende Körner oder Kugeln auf das Trägersubstrat mit den darauf liegenden Halbleiterbausteinen aufgebracht werden. Die gesamte Anordnung wird anschließend in ein Galvanik-Bad gelegt und ein Galvanisieren durchgeführt. Beispielsweise weist das Galvanik-Bad Kupferionen Cu⁺ auf, wodurch eine Kupferschicht an der Oberfläche der Werkstoffteilchen bzw. Kohlenstofffasern zum Verbinden der Vielzahl von Fasern erzeugt und an der Oberfläche des Trägersubstrats und der Halbleiterbausteine ein galvanisch erzeugter Wärmesenken-Körper 2 mit ausreichender Dicke (> 100 μm) ausgebildet wird.
Letztendlich entsteht auch hierbei der gleiche Wärmesenken-Körper 2 wie er in 2 dargestellt ist, wobei jedoch die Halbleiterbausteine 1 nicht eingelötet werden müssen, sondern bereits auf Grund der durchgeführten Galvanisierung elektrisch leitend mit dem Körper 2 verbunden und vollständig in den Aussparungen 3 eingebettet sind.
Während beim gesinterten Wärmesenken-Körper 2 die Form der Aussparungen 3 durch ein geeignetes Press-Werkzeug beispielsweise an die Form der Halbleiterbausteine 1 angepasst sein kann (z. B. rechteckförmig), ergibt sich diese Anpassung bei der galvanischen Herstellung des Wärmesenken-Körpers automatisch.
3 zeigt eine vereinfachte Schnittansicht einer Halbleiteranordnung mit Wärmesenke gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel.
Gemäß 3 kann der Halbleiterbaustein 1 ein Leistungshalbleiter-Bauelement beinhalten, welches eine erhöhte Wärmeabfuhr erfordert. Der Halbleiterbaustein 1 kann demzufolge ein n-dotiertes monokristallines Si-Substrat 4 aufweisen, in dem ein sogenannter p-Body bzw. ein p-dotiertes Gebiet 5 zur Realisierung der dargestellten pn-Diode D vorderseitig ausgebildet wird. Ferner können an der Vorderseite des Halbleiterbausteins 1 bzw. an der Oberfläche des p-dotierten Gebietes 5 dicke Feldoxidschichten 6 sowie ein dünnes Gatedielektrikum 7 ausgebildet sein, welche beispielsweise aus SiO₂ bestehen.
Ferner kann zur Realisierung eines Source-Kontaktes eine dünne Metallisierungsschicht 8A unmittelbar an der Oberfläche des Halbleitersubstrats bzw. des p-Gebietes 5 und als Gate eine Steuerschicht 8B an der Oberfläche des Gateoxids bzw. Gatedielektrikums 7 ausgebildet werden.
Wie bereits vorstehend beschrieben wurde, kann ein derartiger sehr dünner Halbleiterbaustein 1 in der Sicke bzw. Aussparung 3 abgelegt werden und über die Lötschicht 9 mit dem Wärmesenken-Körper 2 elektrisch, mechanisch sowie wärmeleitfähig verbunden werden. Die Lötschicht 9 kann beispielsweise galvanisch auf den aus Verbundwerkstoff bestehenden Wärmesenken-Körper 2 aufgebracht werden, wobei sie in diesem Fall ganzflächig eingezeichnet werden müsste.
In gleicher Weise können jedoch auch sehr dünne Lötplättchen zur Realisierung der dargestellten Lötschicht 9 nur in den Aussparungen 3 des Wärmesenken-Körpers 2 abgelegt werden. Das Löt-Depot besteht z. B. aus Gold/Zinn, wodurch auch ein eventuelles Protonen-Ausheilen bei 400 Grad Celsius ermöglicht wird. Grundsätzlich ist auch sogenanntes Diffusions-Löten zum Befestigen der vereinzelten Halbleiterbausteine 1 in den Aussparungen 3 des Wärmesenken-Körpers 2 möglich.
Beispielsweise kann eine Vorderseite des Halbleiterbausteins 1 bzw. dessen Niveau um eine Höhe H von 20 bis 100 μm über eine Vorderseite des Wärmesenken-Körpers 2 hinaus ragen, wodurch ein Höhenausgleich beim Aufwachsen von Anschluss-Lötballen 11, 12 mittels Galvanisierung automatisch kompensiert werden kann.
Anschließend kann mit herkömmlichem Wafer-Equipment eine erste Isolierschicht bzw. Passivierung 10 zumindest zwischen den Seitenwänden der Aussparung 3 und den Seitenwänden des Halbleiterbausteins 1 ausgebildet werden. Diese erste Isolierschicht 10 stellt eine Passivierungsschicht dar und besteht beispielsweise aus Photoimid. Obwohl die erste Isolierschicht bzw. das Photoimid 10 beispielsweise ganzflächig ausgebildet werden kann, kann es auch lediglich in den Randbereichen des Halbleiterbausteins 1 und der Aussparung 3 zwischen den jeweiligen Seitenwänden eingebracht werden, wobei es hinsichtlich seines Querschnitts T-förmig ausgebildet wird.
Auf diese Weise erhält man nicht nur eine hervorragende Seitenwand-Passivierung für den Halbleiterbaustein 1, sondern darüber hinaus eine verbesserte mechanische Befestigung der Passivierung innerhalb der Aussparung 3. Vorher kann die Metallisierungsschicht noch für den Source-Anschlussbereich 8A und für das Gate 8B strukturiert werden. Nach einem geeigneten Strukturieren der Isolierschicht 10 können nunmehr beispielsweise durch eine selbstjustierte Galvanik sowohl an dem Source-Anschlussbereich 8A des Halbleiterbausteins 1 als auch an freigelegten Bereichen des Wärmesenken-Körpers neben der Aussparung 3 die Anschluss-Lötballen 11 und 12 ausgebildet werden. Die erste Isolierschicht 10 dient hierbei als Galvanisierungsmaske und ermöglicht somit das selbstjustierte Aufwachsen der Source-Anschluss-Lötballen 11 über dem Halblei terbaustein und der Drain-Anschluss-Lötballen 12 über dem Wärmesenkenkörper.
Hinsichtlich eines nicht dargestellten Gate-Anschluss-Lötballens oberhalb der Steuerschicht 8B bzw. des Gatedielektrikums 7 sei darauf hingewiesen, dass durch geeignete Führung dieser Steuerschicht zu einem elektrischen Anschlusspunkt (z. B. in einem Randbereich des Halbleiterbausteins) auch ein entsprechender Gate-Anschluss-Lötballen galvanisch ausgebildet werden kann, wobei jedoch nachfolgend der entsprechende elektrische Anschlusspunkt wieder entfernt werden muss. Auf diese Weise können für Flip-Chip-Montage erforderliche Anschluss-Lötballen ohne Verwendung von Keimschichten oder Lithographie sehr einfach hergestellt werden, wobei nunmehr auch beidseitig strukturierte Bauelemente sehr einfach angeschlossen werden können.
Eine üblicherweise (auf Grund der pn-Diode D) zu beobachtende ungleichmäßige Aufwachsrate für den Source-Anschluss-Lötballen 11 und den Drain-Anschluss-Lötballen 12 kann neben der vorstehend beschriebenen Höhenanpassung zwischen Vorderseite des Halbleiterbausteins 1 und Vorderseite des Wärmesenken-Körpers 2 auch durch eine geeignete Puls-Galvanik ausgeglichen werden.
Obwohl in 3 an der Rückseite des Wärmesenken-Körpers 2 keine Kühlrippen dargestellt sind, können selbstverständlich derartige Kühlstrukturen insbesondere rückseitig ausgebildet sein.
Bevor die Halbleiterbausteine 1 mit ihren z. B. Leistungs-Halbleiterbauelementen gemeinsam mit dem Wärmesenken-Körper 2 und den Lötballen 11 und 12 mit einer geeigneten Wafersäge vereinzelt und mittels Flip-Chip-Technologie auf einer (nicht dargestellten) Leiterplatte montiert werden, kann weiterhin noch auf Wafer-Ebene ein erneuter Test für diese Anordnung durchgeführt werden.
Bei der nicht dargestellten alternativen Ausgestaltung, bei der der Halbleiterwafer für die Herstellung der Leistungs-Halbleiterbauelemente bereits vor oder nach dem Dünnen mit Trenngräben ausgestattet wird und auf den Wafer mit den Trenngräben dann eine Verbundwerkstoff-Füllgalvanik mit beispielsweise Kupfer und Kohlenstoffteilchen direkt aufgebracht wird, können die Zwischenräume zwischen den Halbleiterbausteinen und dem Wärmesenke-Verbundwerkstoff galvanisch, mit geeigneten Metallen wie beispielsweise Nickel und Kupfer anschließend verfüllt werden. Bei dieser alternativen Variante ergibt sich der Vorteil, dass während des gesamten Produktionsablaufes zu keinem Zeitpunkt ein gedünnter und somit bruchgefährdeter Wafer vorliegt.
Auf diese Weise erhält man eine Halbleiteranordnung, die eine stark verbesserte Wärmeabfuhr zu einem Wärmesenken-Körper aufweist. Ferner besteht die Möglichkeit auch beidseitig prozessierte Halbleiterbausteine mittels Flip-Chip-Technologie zu verarbeiten, wobei ferner die Gefahr einer Delamination stark verringert und die mechanischen Eigenschaften stark verbessert sind. Die Verarbeitung von ultradünnen Halbleiterbausteinen wird auf diese Weise wirtschaftlich möglich.
4 zeigt eine vereinfachte Schnittansicht einer Halbleiteranordnung mit Wärmesenke gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche oder entsprechende Elemente bezeichnen wie in 3, weshalb auf eine wiederholte Beschreibung nachfolgend verzichtet wird.
Gemäß 4 kann die Halbleiteranordnung nicht nur zur Flip-Chip-Montage, sondern auch in einem gewöhnlichen Anschlussdrahtrahmen bzw. „lead frame" verwendet werden, wie er beispielsweise in 1 dargestellt ist. Gemäß 4 wird hierbei wiederum ein Halbleiterbaustein 1 mit beispielsweise einem Leistungshalbleiterbauelement in einer Aussparung 3 eines Wärmesenken-Körpers 2 eingelötet, wobei jedoch diesmal an der Oberfläche des gesamten Wärmesenken-Körpers eine Lötschicht 9 aus Au/Sn ausgebildet werden kann. Dieser Lötvorgang wird beispielsweise mittels Diffusionslöten durchgeführt. Wiederum weist der Halbleiterbaustein 1 eine erste Metallisierungsschicht zur Realisierung einer Source-Anschlussschicht 8A und einer Steuerschicht 8B auf, wobei bereits auch Isolationsschichten 6 und 7 zur Realisierung eines Feldoxids und eines Gatedielektrikums an der Vorderseite des Halbleiterbausteins 1 ausgebildet sind. Wiederum ergeben sich dadurch auch bei sehr dünnen Halbleiterbausteinen nur geringe Biegekräfte, was eine relativ einfache Verarbeitung von ultradünnen Halbleiterbausteinen ermöglicht.
Der Wärmesenken-Körper 2 kann wiederum beispielsweise aus einem Kohlenstoff-Kupfer-Verbundwerkstoff bestehen, wobei jedoch grundsätzlich auch vollständig aus Kupfer bestehende Körper verwendet werden können. Anschließend wird wiederum eine erste Isolierschicht 10, die beispielsweise aus Photoimid besteht, aufgeschleudert, wodurch auch zwischen den Seitenwänden des Halbleiterbausteins 1 und den Seitenwänden der Aussparung 3 eine ausreichende Passivierung ausgebildet wird.
Gemäß 4 sind die Seitenwände der Aussparung 3 beispielsweise angeschrägt, wodurch ein unbeabsichtigter Kantenabbruch zuverlässig vermieden werden kann. Ein Höhenunterschied H zwischen der Vorderseite des Halbleiterbausteins 1 und des mit der Lötschicht 9 beschichteten Wärmesenken-Körpers 2 kann wiederum zwischen 20 bis 100 μm aufweisen, um einen anschließenden Höhenunterschied der fertiggestellten Halbleiteranordnung mit Lötanschluss-Pads SP und DP auszugleichen.
Gemäß 4 kann nunmehr eine weitere Strukturierung der ersten Isolierschicht 10 zum Freilegen von zumindest der Source-Anschlussschicht 8A durchgeführt werden, wobei eine anschließend ausgebildete Baustein-Anschlussschicht 15 über z. B. der Source-Anschlussschicht 8A und ferner über der ers ten Isolierschicht 10 derart ausgebildet wird, dass sie den Source-Kontakt neben die Aussparung 3 an der Vorderseite des Wärmesenken-Körpers 2 herausführt. Abschließend kann eine zweite Isolierschicht 16, welche beispielsweise wiederum aus Photoimid besteht, als Galvanisierungsmaske an der Oberfläche der Baustein-Anschlussschicht 15, der ersten Isolierschicht 10 sowie der Lötschicht 9 oder bei Fehlen dieser Schicht unmittelbar auf dem Wärmesenken-Körper 2 derart ausgebildet werden, dass in einem abschließenden Herstellungsschritt ein Source-Anschlussfeld SP und ein Drain-Anschlussfeld DP als Lötanschluss-Pads selbstjustierend galvanisch ausgebildet werden können.
Durch das Herausführen von Halbleiterbausteinkontakten, wie beispielsweise dem Source-Kontakt auf eine größere und somit bondbare Fläche neben dem Halbleiterbaustein 1 bzw. der Aussparung 3, ergeben sich Halbleiteranordnungen, die nunmehr auch, wie in 1 dargestellt ist, auf herkömmliche Weise in Anschlussdrahtrahmen verbaut werden können.
Nach dem Sägen bzw. Vereinzeln der Wärmesenken-Körper 2 kann der Wärmesenken-Körper gemäß 4 auf einer Trägerplatte 30 des Anschlussdrahtrahmens mittels einer weiteren Lötschicht 14 beispielsweise diffusionsgelötet werden. Ferner können die Lötanschluss-Pads SP und DP mittels beispielsweise Kupfer-Bonddrähten 40 mit (nicht dargestellten) Anschlussdrähten in üblicher Weise verbunden werden. Die Kupfer-Bonddrähte 40 können auf Grund der entspannten Geometrie der Lötanschluss-Pads bzw. Anschluss-Lötfelder SP und DP Durchmesser bis zu 350 μm aufweisen, wodurch sich außerordentlich hohe Stromdichten transportieren lassen. Wiederum erhält man eine insbesondere für Leistungs-Halbleiterbauelemente ausreichende Wärmeabfuhr, geringe Delaminationsneigung sowie mechanische Festigkeit insbesondere für ultradünne Halbleiterbausteine bei ausreichend hohen Stromdichten.
5 zeigt eine vereinfachte Schnittansicht einer Halbleiteranordnung mit Wärmesenke gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche oder entsprechende Elemente wie in den 3 und 4 bezeichnen, weshalb auf eine wiederholte Beschreibung nachfolgend verzichtet wird.
Gemäß 5 sind an der Rückseite des Wärmesenken-Körpers Kühlrippen 2A zum Abgeben der vom Halbleiterbaustein 1 aufgenommenen Wärme an eine Umgebung (z. B. Luft, Gas oder Flüssigkeit) dargestellt. Der Wärmesenken-Körper 2 mit seinen Kühlrippen 2A kann hierbei wieder als gesinterter oder galvanisch hergestellter Verbundwerkstoff oder aus einem einzigen elektrisch leitenden Material, wie beispielsweise Kupfer, hergestellt werden.
Im Gegensatz zur 4 ist die Halbleiteranordnung gemäß 5 wiederum als Flip-Chip-taugliches Modul ausgestaltet, wobei beispielsweise bei Realisierung eines Leistungs-Halbleiterbauelements mit einem Source, Drain, und Gate im Halbleiterbaustein 1, ein Source-Anschluss-Lötballen 11, ein Drain-Anschluss-Lötballen 12 und ein Gate-Anschluss-Lötballen 13 an der Vorderseite des Wärmesenken-Körpers 2 bzw. des Halbleiterbausteins 1 ausgebildet werden kann.
Genauer gesagt kann in ähnlicher Weise wie bei den vorstehend genannten Ausführungsbeispielen nach dem Verlöten des Halbleiterbausteins 1 innerhalb der Aussparung 3 des Wärmesenken-Körpers 2 eine Isolierschicht 10 aus beispielsweise Photoimid zumindest zwischen die Seitenwände der Aussparung 3 und des Halbleiterbausteins 1 ausgebildet werden.
Gemäß 5 befindet sich die Lötschicht 9 nur im Bodenbereich der Aussparung 3. Sie kann jedoch in gleicher Weise auch an der gesamten vorderen Oberfläche des Wärmesenken-Körpers 2 ausgebildet sein. Die Isolierschicht 10 ist ferner derart ausgebildet, dass sie zumindest einen Teil der Ober fläche des Wärmesenken-Körpers 2 für den Drain-Anschluss-Lötballen 12 frei lässt, während sie einen weiteren Abschnitt an der Vorderseite des Wärmesenken-Körpers 2 neben der Aussparung 3 zur Realisierung eines Gate-Anschluss-Lötballens 13 vollständig bedeckt.
Ferner dient eine erste Metallisierungsschicht, die an der Oberfläche der ersten Isolierschicht 10, der Oberfläche des Wärmesenken-Körpers 2 und der Oberfläche des Halbleiterbausteins 1 ausgebildet ist, nach einer entsprechenden Strukturierung als jeweilige erste Baustein-Anschlussschicht 17A zum Anschließen des Source-Anschluss-Lötballens 11, als zweite Baustein-Anschlussschicht 17B zum Anschließen des Drain-Anschluss-Lötballens 12 und als dritte Baustein-Anschlussschicht 17C zum Anschließen des Gate-Anschluss-Lötballens. Diese Metallisierungsschicht kann wiederum auf Waferebene des Wärmesenken-Körpers 2 ausgebildet werden und durch eine zweite Isolierschicht 18, welche wiederum aus Photoimid bestehen kann, auf einfache Weise fotolithographisch strukturiert werden.
Auf Grund einer geeigneten Strukturierung der ersten Isolierschicht 10 kann die erste Metallisierungsschicht einen Kontaktabschnitt 17D aufweisen, der einen elektrisch leitenden Kontakt zum Wärmesenken-Körper 2 im Sägebereich SB herstellt (gestrichelt dargestellt). Auf Grund dieses elektrischen Kontakts können anschließend mittels der vorstehend beschriebenen z. B. galvanischen Verfahren die Lötballen 11 bis 13 selbstjustierend hergestellt werden. Beim abschließenden Vereinzeln der Wärmesenken-Körper 2 im (gestrichelt dargestellten) Sägebereich SB kann dieser Kontaktabschnitt 17D wieder entfernt werden, wodurch ein Kurzschluss für den Gate-Anschluss-Lötballen 13 zuverlässig verhindert werden kann. Sicherheitshalber kann auch noch in einem Randbereich RB lithographisch oder mit einem Laser die entsprechende Metallisierungsschicht entfernt werden, wie in 5 dargestellt ist.
Auf diese Weise erhält man wiederum eine Halbleiteranordnung mit Wärmesenke, die ohne zusätzliches Drahtbonden oder einer zusätzlichen Pressmasse für ein Gehäuse ein unmittelbar für eine Flip-Chip-Technologie verwendbares Modul bereitstellt. Dieses Modul mit den Lötballen 11 bis 13 kann anschließend auf eine Leiterplatte 19 mit darauf ausgebildeten Leitbahnen 20 aufgelötet werden. Die Leitbahnen 20 können hierbei z. B. mit Dickschicht-Silberpaste aufgedruckt werden. Somit erhält man eine Flip-Chip-taugliche Halbleiteranordnung, welche ohne Verwendung von Kunststoff-Pressmasse hergestellt werden kann und darüber hinaus verbesserte Delaminierungseigenschaften sowie Wärmeleitfähigkeiten aufweist.
Gemäß 5 kann die Zusammensetzung des Verbundwerkstoffs für den Wärmesenken-Körper 2, d. h. der Anteil von Kohlenstoffteilchen, nicht nur an den Halbleiterbaustein 1 sondern darüber hinaus an die Leiterplatte 19 angepasst sein, um die thermischen Ausdehnungskoeffizienten der verschiedenen Materialien optimal aufeinander anzupassen. Eine thermische Beanspruchung wird dadurch weiter verringert.
Beispielsweise besitzen gemäß 3 oder 5 die Anschluss-Lötballen 11, 12 oder 13 einen Durchmesser d, der kleiner 100 μm ist.
Die Erfindung wurde vorstehend anhand eines Leistungs-Halbleiterbauelements mit galvanisch ausgebildeten Lötballen bzw. -Pads beschrieben. Sie ist jedoch nicht darauf beschränkt und umfasst in gleicher Weise auch alternative Halbleiterbauelemente mit alternativ realisierten Lötballen bzw. -Pads. Ferner wurde die Erfindung dahingehend beschrieben, dass das Löten der Halbleiterbausteine sowie das galvanische Ausbilden der Lötballen bzw. Kontakt-Pads und die Erzeugung einer abschließenden Passivierung auf Waferebene durchgeführt wird. Die Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt und kann in gleicher Weise auch für bereits vereinzelte Halbleiterbau steine an bereits vereinzelten Wärmesenken-Körpern 2 oder für jeweilige Gruppen von Halbleiterbausteinen und Wärmesenken-Körpern 2 angewendet werden. Ferner können alternativ zu den verwendeten Silizium-Halbleitermaterialien und dem Photoimid als erste Isolierschicht auch alternative Materialien verwendet werden.

1: Halbleiterbaustein
2: Wärmesenken-Körper
3: Aussparung
4: n-Substrat
5: p-Body
6: Feldisolationsschicht
7: Gatedielektrikum
8A: Source-Anschlussschicht
8B: Gate-Anschlussschicht
9: Lötschicht
10: erste Isolierschicht
11: Source-Anschluss-Lötballen
12: Drain-Anschluss-Lötballen
13: Gate-Anschluss-Lötballen
14: weitere Lötschicht
15, 17A, 17B, 17C: Baustein-Anschlussschichten
16, 18: zweite Isolierschicht
17D: Kontaktschicht
19: Leiterplatte
20: Leitbahnen
30: Trägerplatte
40: Bonddrähte
50: Anschlussdrähte
60: isolierende Verbindungsschicht
70: Gehäuse
WS: Wärmesenke
SP: Source-Pad
DP: Drain-Pad
SB: Sägebereich
RB: Randbereich
D: Diode

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- EP 0488783 A2 [0004]

Claims

Halbleiteranordnung mit Wärmesenke zum Abführen von Wärme aus einem Halbleiterbaustein (1), dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmesenke einen elektrisch leitfähigen Körper (2) mit einer Aussparung (3) zum Aufnehmen des Halbleiterbausteins (1) aufweist.
Halbleiteranordnung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Form der Aussparung (3) an die Form des Halbleiterbausteins (1) angepasst ist.
Halbleiteranordnung nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwischen den Seitenwänden der Aussparung und den Seitenwänden des Halbleiterbausteins (1) eine erste Isolierschicht (10) ausgebildet ist.
Halbleiteranordnung nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Lötschicht (9) zumindest im Bodenbereich der Aussparung (3) zum elektrischen und mechanischen Verbinden einer Rückseite des Halbleiterbausteins (1) mit dem Wärmesenken-Körper (2) ausgebildet ist.
Halbleiteranordnung nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorderseite des Halbleiterbausteins (1) um eine Höhe (H) von 20 bis 100 μm über eine Vorderseite des Wärmesenken-Körpers (2) hinausragt.
Halbleiteranordnung nach einem der Patentansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmesenken-Körper (2) hinsichtlich seines Materials Cu aufweist.
Halbleiteranordnung nach einem der Patentansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmesenken-Körper (2) hinsichtlich seines Materials einen Verbundwerkstoff aus Kohlenstoffteilchen und Cu aufweist.
Halbleiteranordnung nach einem der Patentansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmesenken-Körper (2) hinsichtlich seiner Form Kühlrippen (2A) zum Abgeben der aufgenommenen Wärme an eine Umgebung aufweist.
Halbleiteranordnung nach einem der Patentansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Anschluss-Lötballen (11) auf einer Vorderseite des Halbleiterbausteins (1) und zumindest ein weiterer Anschluss-Lötballen (12) auf einer Vorderseite des Wärmesenken-Körpers (2) ausgebildet ist.
Halbleiteranordnung nach Patentanspruch 3 mit 9, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Isolierschicht (10) ferner zumindest auf einem Teilabschnitt der Vorderseite des Wärmesenken-Körpers (2) ausgebildet ist; eine Bausteinanschlussschicht (17C) zum Anschließen des Halbleiterbausteins (1) auf der ersten Isolierschicht (10) ausgebildet ist; und ein weiterer Anschluss-Lötballen (13) neben der Aussparung (3) auf der Baustein-Anschlussschicht (17C) an der Vorderseite des Wärmesenken-Körpers (2) ausgebildet ist.
Halbleiteranordnung nach Patentanspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschluss-Lötballen (11, 12, 13) einen Durchmesser (d) kleiner 100 μm aufweisen.
Halbleiteranordnung nach einem der Patentansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Isolierschicht (10) zumindest auf einem Teilabschnitt der Vorderseite des Wärmesenken-Körpers (2) ausgebildet ist; eine Baustein-Anschlussschicht (15) zum Anschließen des Halbleiterbausteins (1) auf der ersten Isolierschicht (10) ausgebildet ist; ein Anschlussfeld (SP) neben der Aussparung (3) auf der Bausteinanschlussschicht (15) an der Vorderseite des Wärmesenken-Körpers (2) ausgebildet ist; und ein weiteres Anschlussfeld (DP) neben der Aussparung (3) auf der Lötschicht (9) an der Vorderseite des Wärmesenken-Körpers (2) ausgebildet ist.
Halbleiteranordnung nach Patentanspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmesenken-Körper (2) auf einer Trägerplatte (30) eines Anschlussdraht-Rahmens angeordnet ist; und auf den Anschlussfeldern (SP, DP) Bonddrähte (40) befestigt sind, die den Halbleiterbaustein (1) mit Anschlussdrähten verbinden.
Halbleiteranordnung nach einem der Patentansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterbaustein (1) ein Leistungs-Halbleiterbauelement mit rückseitigem Kontakt darstellt.
Halbleiteranordnung mit einer Wärmesenke zum Abführen von Wärme aus einem Halbleiterbaustein (1), dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmesenke (WS) einen elektrisch leitfähigen Körper (2) mit einer Aussparung (3) zum Aufnehmen des Halbleiterbausteins (1) aufweist; eine Lötschicht (9) im Bodenbereich der Aussparung (3) ausgebildet ist; zwischen den Seitenwänden und den Rändern der Aussparung (3) und des Halbleitersubstrats (1) eine erste Isolierschicht (10) hinsichtlich ihres Querschnitts T-förmig ausgebildet ist; an der Vorderseite des Halbleiterbausteins (1) ein erster Anschluss-Lötballen (11); und an der Vorderseite des Wärmesenken-Körpers (2) neben der Aussparung (3) zumindest ein zweiter Anschluss-Lötballen (12) ausgebildet ist.
Halbleiteranordnung mit einer Wärmesenke zum Abführen von Wärme aus einem Halbleiterbaustein (1), dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmesenke (WS) einen elektrisch leitfähigen Körper (2) mit einer Aussparung (3) zum Aufnehmen des Halbleitersubstrats (1) aufweist; eine Lötschicht (9) an der Vorderseite des Wärmesenken-Körpers (2) ausgebildet ist; zwischen den Seitenwänden der beschichteten Aussparung (3) und des Halbleiterbausteins (1) und zumindest auf einem Teilabschnitt der Vorderseite des beschichteten Wärmesenken-Körpers (2) eine erste Isolierschicht (10) ausgebildet ist; zumindest auf einem Teilabschnitt der ersten Isolierschicht (10) eine Bausteinanschlussschicht (15) ausgebildet ist; auf der Bausteinanschlussschicht (15) neben der Aussparung (3) ein erstes Anschlussfeld (SP) ausgebildet ist; und auf einem freigelegten Teilabschnitt der Lötschicht (9) neben der Aussparung (3) zumindest ein zweites Anschlussfeld (DP) ausgebildet ist.
Halbleiteranordnung mit einer Wärmesenke zum Abführen von Wärme aus einem Halbleiterbaustein (1), dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmesenke (WS) einen elektrisch leitfähigen Körper (2) mit einer Aussparung (3) zum Aufnehmen des Halbleiterbausteins (1) aufweist; eine Lötschicht (9) zumindest im Bondbereich der Aussparung (3) ausgebildet ist; zwischen den Seitenwänden der beschichteten Aussparung (3) und des Halbleiterbausteins (1) und zumindest auf einem Teilabschnitt der Vorderseite des Wärmesenken-Körpers (2) eine erste Isolierschicht (10) ausgebildet ist; auf einer freiliegenden Vorderseite des Halbleiterbausteins (1) und des Wärmesenken-Körpers (2) sowie zumindest auf einem Teilabschnitt der ersten Isolierschicht (10) eine erste, zweite und dritte Bausteinanschlussschicht (17A, 17B, 17C) ausgebildet ist; und auf der ersten, zweiten und dritten Bausteinanschlussschicht (17A, 17B, 17C) ein erster, zweiter und dritter Anschluss-Lötballen (11, 12, 13) ausgebildet ist.
Halbleiteranordnung nach einem der Patentansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Form der Aussparung (3) an die Form des Halbleiterbausteins (1) angepasst ist.
Halbleiteranordnung nach einem der Patentansprüche 15 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorderseite des Halbleiterbausteins (1) um eine Höhe (H) von 20 bis 100 μm über eine Vorderseite des Wärmesenken-Körpers (2) hinausragt.
Halbleiteranordnung nach einem der Patentansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmesenken-Körper (2) hinsichtlich seines Materials Cu aufweist.
Halbleiteranordnung nach einem der Patentansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmesenken-Körper (2) hinsichtlich seines Materials einen Verbundwerkstoff aus Kohlenstoffteilchen und Cu aufweist.
Halbleiteranordnung nach einem der Patentansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmesenken-Körper (2) hinsichtlich seiner Form Kühlrippen (2A) zum Abgeben der aufgenommenen Wärme an eine Umgebung aufweist.