DE102017211058A1

DE102017211058A1 - Verfahren zur Herstellung eines elektronischen Bauelements und elektronisches Bauelement

Info

Publication number: DE102017211058A1
Application number: DE102017211058.9A
Authority: DE
Inventors: Christian Ehrhardt; Jan Höfer; Martin Schneider-Ramelow
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2017-06-29
Filing date: 2017-06-29
Publication date: 2019-01-03
Anticipated expiration: 2037-06-30
Also published as: DE102017211058B4

Abstract

Die vorliegende Anmeldung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines elektronischen Bauelements. Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird ein Halbleiterchip bereitgestellt. Der Halbeiterchip weist auf einer Oberseite eine Kontaktfläche auf. Anschließend wird ein Bonddrahtstück auf die Kontaktfläche des Halbleiterchips aufgebracht. Danach wird der Halbleiterchip derart in ein Embedding-Material eingebettet, dass das Bonddrahtstück mit dem Embedding-Material bedeckt wird. Anschließend wird das Embedding-Material so durch Laserbohren geöffnet, dass eine Bohrung gebildet wird, durch die das Bonddrahtstück, insbesondere die Oberseite des Bonddrahtstücks, zumindest teilweise freigelegt wird. Weiterhin wird ein Metallkontakt so in die Bohrung eingebracht, dass der Metallkontakt elektrisch leitfähig mit dem Bonddrahtstück verbunden wird.

Description

Die vorliegende Anmeldung liegt auf dem Gebiet der Mikroelektronik und insbesondere auf dem Gebiet elektronischer Bauelemente. Die Anmeldung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines elektronischen Bauelements. Außerdem betrifft die vorliegende Anmeldung ein elektronisches Bauelement.
Aus dem Stand der Technik sind unterschiedliche Aufbauten elektronischer Bauelemente bekannt, die Halbleiterchips aufweisen. Diese Halbleiterchips können in ein isolierendes Material, bspw. Epoxidharz, eingebettet, insbesondere eingegossen, sein.
Bei einer Herstellung miniaturisierter Baugruppen kann es vorgesehen sein, dass Halbleiterchips in ein elektrisch isolierendes Material (z.B. ein Polymer) eingebettet werden. Insbesondere Verbundmaterialien aus Polymer und nichtmetallisch anorganischem Material wie z.B. FR4-Material oder Transfermoldmasse ist hierbei als Embedding-Material geeignet, auch da dieses Material schwer entflammbar ist. Nach dem Einbetten muss der Halbleiterchip elektrisch kontaktiert werden, weshalb zunächst Bohrungen in das FR4-Material eingebracht werden. Die Bohrungen können beispielsweise mithilfe eines CO₂-Lasers erzeugt werden. Anschließend können die Bohrungen, beispielsweise unter Verwendung von chemischen Reinigern oder mittels Plasmaätzen, gereinigt werden und die Bohrlöcher können anschließend durch Abscheiden von Kupfer gefüllt werden um Kontaktflächen auf einer Oberseite des Halbleiterchips elektrisch zu kontaktieren. Dieses Verfahren ist jedoch für gewisse Arten von einzubettenden und zu kontaktierenden Halbleiterchips ungeeignet. Beispielsweise tritt bei Halbleiterchips mit Kontaktflächen aus Aluminium das Problem auf, dass diese nicht hinreichend robust sind, um das Laserbohren und das Reinigen unbeschadet zu überstehen. Somit besteht die Gefahr, dass der Halbleiterchip während der Herstellung der Baugruppe beschädigt wird.
Zur Vermeidung dieser Probleme kann es vorgesehen sein, dass die Oberseite des Halbleiterchips vor dem Einbetten mit Kupfer beschichtet wird, um eine Beschädigung des Halbleiterchips beim Laserbohren durch Absorption der Laserenergie zu verhindern. Zudem kann durch eine Kupferbeschichtung auch eine Beschädigung des Halbleiterchips beim anschließenden Reinigen der Bohrungen verhindert werden. Allerdings ist der zusätzliche Herstellungsschritt des Beschichtens vergleichsweise aufwendig und somit auch kostenintensiv. Außerdem kann es, insbesondere bei vergleichsweise dünnen Halbleiterchips, aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten des Halbleiterchips und der Kupferbeschichtung durch ein Abkühlen oder auch ein Erwärmen zu ungewünschten Verwölbungen des Halbleiterchips kommen (Bimetall-Effekt).
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Anmeldung ein verbessertes Verfahren zur Herstellung eines elektronischen Bauelements vorzuschlagen, durch das die oben genannten Probleme überwunden werden. Insbesondere soll durch das Verfahren ein Risiko einer Beschädigung des Halbleiterchips während der Herstellung des elektronischen Bauelements reduziert werden, wobei das Verfahren zugleich kostengünstig sein soll. Zudem soll ein entsprechend vorteilhaftes elektronisches Bauelement vorgeschlagen werden.
Gelöst werden diese Aufgaben durch die Merkmale des Anspruchs 1 sowie durch die Merkmale eines nebengeordneten Anspruchs. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich mit den Merkmalen der abhängigen Ansprüche und der Ausführungsbeispiele.
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren zur Herstellung eines elektronischen Bauelements wird ein Halbleiterchip bereitgestellt. Der Halbeiterchip weist auf einer Oberseite eine Kontaktfläche auf. Anschließend wird ein Bonddrahtstück auf die Kontaktfläche des Halbleiterchips aufgebracht. Danach wird der Halbleiterchip derart in ein Embedding-Material eingebettet, dass das Bonddrahtstück mit dem Embedding-Material bedeckt wird. Anschließend wird das Embedding-Material so durch Laserbohren geöffnet, dass eine Bohrung gebildet wird, durch die das Bonddrahtstück, insbesondere die Oberseite des Bonddrahtstücks, zumindest teilweise freigelegt wird. Weiterhin wird ein Metallkontakt so in die Bohrung eingebracht, dass der Metallkontakt elektrisch leitfähig mit dem Bonddrahtstück verbunden wird.
Das Bonddrahtstück wird hierbei entgegen seiner sonst üblicherweise vorgesehenen Funktion nicht als flexibler elektrischer Verbindungsdraht eingesetzt. Stattdessen stellt das Bonddrahtstück nach dem Aufbringen auf die Kontaktfläche in der Regel lediglich einen elektrischen Kontakt mit der Kontaktfläche des Halbleiterchips her und verbindet in der Regel nicht zwei unterschiedliche Kontaktbereiche bzw. Kontaktflächen elektrisch. Nach dem Einbringen des Metallkontaktes stellt das Bonddrahtstück typischerweise die elektrische Verbindung zwischen der Kontaktfläche des Halbleiterchips und dem Metallkontakt her. In typischen Ausführungen liegen die Kontaktfläche und das Bonddrahtstück zur Herstellung einer elektrisch leitfähigen Verbindung direkt aneinander an. Auch liegen in der Regel das Bonddrahtstück und der Metallkontakt direkt aneinander an.
Das Bonddrahtstück lässt sich durch an sich bekannte und etablierte Verfahren in kostengünstiger Weise auf die Kontaktfläche aufbringen. Hierfür kann das Bonddrahtstück beispielsweise mittels eines herkömmlichen Drahtbondgeräts bzw. eines Bondautomaten in an sich bekannter und kostengünstiger Weise aufgebracht werden. Hierbei kann das Bonddrahtstück zudem präzise in der gewünschten Position auf der Kontaktfläche positioniert werden.
Indem das Bonddrahtstück vor dem Einbetten auf der Kontaktfläche angeordnet wird, wird eine Gefahr einer Beschädigung des Halbleiterchips während der Herstellung des elektronischen Bauelements verringert. Das Laserbohren erfolgt durch Bestrahlung des Embedding-Materials mit einem Laser, insbesondere mit einem CO₂-Laser. Die auf diese Weise hergestellte Bohrung verläuft in der Regel zwischen der Oberseite des Embedding-Materials und dem Bonddrahtstück. Beim Laserbohren kann auch in geringem Maße Material von dem Bonddrahtstück abgetragen werden. Die Bohrung erstreckt sich im Bereich des Bonddrahtstücks jedoch nicht bis zur Kontaktfläche des Halbleiters. Indem das Bonddrahtstück die Kontaktfläche beim Öffnen des Embedding-Materials durch Laserbohren abdeckt, wird eine Beschädigung der Kontaktfläche und/oder des Halbleiterchips durch die Laserstrahlung verhindert, indem das Bonddrahtstück als Laserstopp dient und die Laserstrahlung reflektiert und/oder absorbiert. Dadurch, dass eine Abtraggeschwindigkeit des Lasers beim Laserbohren abhängig vom Material ist und dass das Embedding-Material in der Regel im Vergleich zu einem Material des Bonddrahtstücks um ein Vielfaches schneller abgetragen wird, wird zudem erreicht, dass die Laserbohrung zuverlässig bis zu einer gewünschten Tiefe, d.h. bis auf die Oberseite des Bonddrahtstücks oder in das Bonddrahtstück hinein, eingebracht wird, ohne dass Material vom Halbleiterchip oder der Kontaktfläche des Halbleiterchips abgetragen wird.
Es kann zudem vorgesehen sein, dass die Bohrung nach dem Öffnen des Embedding-Materials und vor dem Einbringen des Metallkontakts gereinigt wird, beispielsweise mit einem chemischen oder einem Plasma-Reiniger. Durch das Reinigen der Bohrung kann bei dem späteren Einbringen des Metallkontaktes in die Bohrung ein zuverlässiges Füllen der Bohrung und somit eine zuverlässige Kontaktierung des Bonddrahtstücks erfolgen. Während dieser Säuberung der Bohrungen kann durch das Bonddrahtstück ebenfalls eine Beschädigung des Halbleiterchips verhindert werden, insbesondere wenn die Kontaktfläche empfindliches Material enthält, das durch den verwendeten Reiniger angegriffen oder zerstört werden würde. Somit erlaubt das vorgeschlagene Verfahren, dass auch empfindliche Materialien wie beispielsweise Aluminium für die Kontaktflächen verwendet werden können, ohne dass infolge des Reinigungsschritts eine Beschädigung des Halbleiterchips auftritt. Insbesondere Leistungshalbleiter können solche empfindlichen Kontaktflächen aufweisen, so dass das Einbetten und Kontaktieren dieser Halbleiterchips durch das vorgeschlagene Verfahren auf vergleichsweise einfache Weise möglich wird. Durch die Möglichkeit der Verwendung verschiedenartiger Halbleiterchips beim Einbetten wird die Designfreiheit bei der Herstellung des elektronischen Bauelements daher gesteigert.
Durch die Verwendung des Bonddrahtstücks ist ein Aufbringen einer weiteren Schutzschicht, beispielsweise einer großflächigen, mehrere µm dicken und ggfs. strukturierten Kupferschicht, zur Verhinderung einer Beschädigung des Halbleiterchips während des Laserbohrens oder während des Reinigens der Bohrungen nicht erforderlich, was zu einer Vereinfachung des Herstellungsprozesses führt. Somit kann durch das vorgeschlagene Verfahren zudem vermieden werden, dass aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten des Halbleiterchips und der Schutzschicht eine unerwünschte Verwölbung des Halbleiterchips beziehungsweise des elektronischen Bauelements auftritt.
Die vorliegende Anmeldung betrifft auch ein entsprechend vorteilhaftes elektronisches Bauelement, das durch das oben beschriebene Verfahren hergestellt werden kann. Das elektronische Bauelement kann den Halbleiterchip umfassen, der auf seiner Oberseite die Kontaktfläche aufweisen kann. Außerdem kann das elektronische Bauelement das Bonddrahtstück aufweisen, das auf die Kontaktfläche des Halbleiterchips aufgebracht ist. Weiterhin kann das elektronische Bauelement Embedding-Material aufweisen, in das der Halbleiterchip eingebettet ist. Der Halbleiterchip ist hierbei in der Regel derart eingebettet, dass das Bonddrahtstück bereichsweise mit dem Embedding-Material bedeckt ist. Ferner kann das Embedding-Material durch Laserbohren geöffnet sein, insbesondere derart, dass eine Bohrung in dem Embedding-Material gebildet ist, die zur Oberseite des Bonddrahtstücks verläuft. Auch kann in die Bohrung ein Metallkontakt derart eingebracht sein, dass der Metallkontakt elektrisch leitfähig mit dem Bonddrahtstück verbunden ist.
In einigen Ausführungen ist der Halbleiterchip ein Leistungshalbleiter und/oder das elektronische Bauelement ein Leistungsmodul, so dass das elektronische Bauelement zum Steuern und Schalten großer Ströme und/oder Spannungen eingerichtet ist. In einigen Ausführungen ist der Halbleiterchip ein Si-, GaAs- oder ein SiC-basierter Chip. Aber auch alle anderen Arten von Halbleitern auf Si-Basis können durch das vorgeschlagene Verfahren ankontaktiert werden. Ein mögliches Anwendungsgebiet für das elektronische Bauelement liegt in sensorischen Anwendungen, bei Automobilen, insbesondere im Bereich der Elektromobilität, oder in Anlagen zur Energieübertragung, beispielsweise als Umrichter.
Das Embedding-Material ist in der Regel elektrisch isolierend. Das Embedding-Material kann vorgesehen sein, um dem elektronischen Bauelement eine mechanische Stabilität zu verleihen und um den Halbleiterchip zu schützen. Es kann, insbesondere wenn der Halbleiterchip ein Leistungshalbleiter ist, sinnvollerweise vorgesehen sein, dass das Embedding-Material aus einem schwer entflammbaren Material ist. Bei aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren entstehen in diesem Fall häufig Probleme, da das Öffnen der schwer entflammbaren Materialien in der Regel ein Laserbohren bei hohen Energien erfordert, wodurch die oben beschriebenen Gefahren der Beschädigung des Halbleiterchips während der Herstellung des elektronischen Bauelements verstärkt auftreten. Somit ist das vorgeschlagene Verfahren in diesem Fall besonders vorteilhaft anwendbar. Das Embedding-Material kann ein Verbundwerkstoff sein, insbesondere aus einem organischen und einem nichtmetallisch organischen Material, oder ein ungefülltes Polymer, beispielsweise Polyimid, sein. Beispielsweise enthält das Embedding-Material in einigen Ausführungen einen Kunststoff, insbesondere Epoxidharz oder PU, und/oder Fasern oder Partikel, insbesondere aus Glas, z.B. ein Glasfasergewebe. Die Fasern sind in der Regel in dem Epoxidharz eingebettet. Beispielsweise ist das Embedding-Material aus der Klasse FR (engl. für flame retardant). Besonders bevorzugt ist das Embedding-Material FR4.
Beim Einbetten des Halbleiterchips in das Embedding-Material wird typischerweise die Oberseite des Halbleiterchips in Bereichen, die nicht mit dem Bonddrahtstück bedeckt sind, mit dem Embedding-Material bedeckt. Zudem können Seitenflächen des Halbleiterchips beim Einbetten mit Embedding-Material bedeckt werden. Beim Embedding können typische Verfahren zur Herstellung einer Leiterplatte oder einer gemoldeten Baugruppe, wie Laminieren, Vergießen, Molden, Umspritzen sowie Bohren und Strukturieren zum Einsatz kommen. Diese Verfahren können zur Miniaturisierung von elektrischen Baugruppen eingesetzt werden, da so funktionale Bauteile (wie z.B. Mikrochips oder Leistungshalbleiter) während des Herstellungsverfahrens in isolierendes Material integriert werden.
Das Bonddrahtstück ist typischerweise ein abgetrenntes Ende eines Bonddrahtes. In einigen Ausführungen hat das Bonddrahtstück nach dem Aufbringen auf die Kontaktfläche des Halbleiterchips und vor dem Einbetten zunächst keinen leitfähigen Kontakt zu anderen Elementen außer der Kontaktfläche. Erst durch das Einbringen des Metallkontakts in die Bohrung wird hierbei ein weiterer leitfähiger Kontakt hergestellt. In typischen Ausführungen wird das Bonddrahtstück vollständig eingebettet. Der verwendete Bonddraht kann zumindest vor dem Aufbringen des Bonddrahtstückes auf die Kontaktfläche beispielsweise einen runden Querschnitt, einen abgeflachten oder einen rechteckigen Querschnitt aufweisen. Es kann beispielsweise sein, dass das Bonddrahtstück ein Ball-Bond, ein Bändchen-Bond (Ribbon-Bond), ein Wedge-Bond, ein Stitch-Bond oder ein Studbump ist. Derartige Bonddrahtstücke sind an sich im Stand der Technik etabliert und diese lassen sich somit in vergleichsweise einfacher Weise präzise auf die Kontaktfläche des Halbleiterchips aufbringen. Zudem lassen sich derartige Bonddrahtstücke bei einem durch das vorgeschlagene Verfahren hergestellten elektronischen Bauelement nachweisen. Beispielsweise lassen sich die für einen Ball-, Wedge-, Stich-Bond oder einen Studbump charakteristischen Formen am fertig hergestellten Bauteil, gegebenenfalls unter Betrachtung eines Querschliffs, erkennen. Der Wedge- und der Stitch-Bond haben typischerweise charakteristisch abgeflachte Eindruckstellen an ihrer Oberseite. Insbesondere bei einer Verwendung von dicken Bändchen kann die Eindruckstelle bspw. eine charakteristische Waffeleisenstruktur aufweisen.
Das Bonddrahtstück weist in typischen Ausführungen eine Höhe, d.h. eine Ausdehnung in einer Richtung senkrecht zur Kontaktfläche des Halbleiterchips, von mindestens 5 µm und/oder höchstens 500 µm auf. Zudem weist das Bonddrahtstück typischerweise eine Breite, d.h. eine Ausdehnung in einer Richtung senkrecht zu der Höhe des Bonddrahtstücks, von minimal 15 µm und/oder maximal 3000 µm auf. Die Breite des Bonddrahtstücks entspricht in der Regel mindestens einem Durchmesser eines zur Herstellung des Bonddrahtstücks verwendeten Bonddrahts. Typischerweise weisen als Studbumps ausgeführte Bonddrahtstücke eine geringere Breite auf als als Bändchen-Bonds ausgeführte Bonddrahtstücke. Eine Breite und/oder eine Höhe eines Studbumps beträgt in der Regel minimal 10 µm und/oder maximal 75 µm. Eine Breite eines Bändchen-Bonds beträgt in der Regel minimal 30 µm und/oder maximal 3000 µm. Eine Höhe eines Bändchen-Bonds beträgt in der Regel minimal 5 µm und/oder maximal 500 µm.
Das Bonddrahtstück besteht in der Regel aus Metall (typische Materialien sind Cu, Au, Ag oder Pd) Das Bonddrahtstück kann beispielsweise Kupfer enthalten. Beispielsweise kann das Bonddrahtstück reines Kupfer oder legiertes Kupfer enthalten oder daraus bestehen. Es kann auch vorgesehen sein, dass das Bonddrahtstück aus einem Verbund von zwei oder mehreren Metallen besteht.
Bändchen-Bonds werden in der Regel aus einem Bonddraht mit abgeflachtem oder insbesondere einem rechteckigen Querschnitt hergestellt. Wenn das Bonddrahtstück ein Bändchen-Bond ist, kann dieses beispielsweise zwei Schichten unterschiedlicher Metalle aufweisen, beispielsweise eine erste Schicht aus Kupfer und eine zweite Schicht aus Aluminium, wobei die zweite Schicht dem Halbleiterchip zugewandt und die erste Schicht von dem Halbleiterchip abgewandt sein kann. Auf diese Weise können Materialien des Bändchen-Bonds derart angepasst werden, dass eine zuverlässige Verbindung sowohl zwischen dem Bonddrahtstück und der Kontaktfläche als auch zwischen dem Bonddrahtstück und dem Metallkontakt erreicht wird.
Studbumps werden in typischen Ausführungen aus einem Bonddraht mit rundem Querschnitt hergestellt, der typischerweise aus einem Metall wie Cu oder Ag bzw. einer Legierung dieser Metalle besteht. Ebenso könnte der Studbump aus einem beschichteten Draht hergestellt werden, der beispielsweise ein mit Au, Pd, Pt oder Al beschichteter Cu- oder Ag-basierter Draht ist. In einigen Ausführungen kann das Bonddrahtstück auch aus zwei oder mehreren übereinander angeordneten Studbumps bestehen.
Die Kontaktfläche des Halbleiterchips ist typischerweise eine Metallisierung. Beispielsweise kann die Kontaktfläche des Halbleiterchips Aluminium enthalten. Es kann insbesondere vorgesehen sein, dass die Kontaktfläche eine Aluminium-Legierung, beispielsweise AlSiCu, AlCu oder AISi, enthält, die sich sehr zur Kontaktierung von Halbleitern durch Drahtbonden eignet. Hierbei kann das vorgeschlagene Verfahren besonders vorteilhaft angewendet werden, da Aluminium bzw. Aluminium-Legierungen auf die oben beschriebenen Reinigungs- bzw. Laserbohr-Prozesse besonders empfindlich reagieren können, sofern die Kontaktfläche nicht wie beschrieben durch das Bonddrahtstück abgedeckt und geschützt wird.
Der Metallkontakt wird in der Regel so in die Bohrung eingebracht, dass dieser die Bohrung ausfüllt, insbesondere vollständig ausfüllt, oder eine Hülse ausbildet. In typischen Ausführungen wird der Metallkontakt durch galvanisches Abscheiden in die Bohrung eingebracht. Nach dem Einbringen in die Bohrung liegt der Metallkontakt in der Regel direkt an dem Bonddrahtstück an. Typischerweise enthält der Metallkontakt Kupfer. Es kann vorgesehen sein, dass der Metallkontakt die Bohrung bis zu der Oberseite des Embedding-Materials ausfüllt. Auf der Oberseite des Embedding-Materials kann eine elektrisch leitfähige Struktur, insbesondere eine metallische Struktur, angeordnet werden, die mit dem Metallkontakt elektrisch leitfähig verbunden ist bzw. wird. Beispielsweise kann die leitfähige Struktur ein Kontaktpad oder eine Umverdrahtungslage sein.
Es kann in einigen Ausführungen vorgesehen sein, dass ein Substrat bereitgestellt wird. Vor dem Einbetten des Halbleiterchips kann der Halbleiterchip mit einer Unterseite des Halbleiterchips auf dem Substrat angeordnet werden. Hierbei kann es vorgesehen sein, dass der Halbleiterchip mit dem Substrat verbunden wird. Hierfür können gängige Verfahren, wie beispielsweise ein Kleben, Löten, Ag-Sintern oder Diffusionslöten angewendet werden. Bei letztgenanntem Verfahren wird ein Fügespalt zwischen dem Halbleiterchip und dem Substrat in intermetallische Phasen umgewandelt. Anschließend kann das Substrat gemeinsam mit dem Halbleiterchip in das Embedding-Material eingebettet werden. Hierbei wird typischerweise eine Oberseite des Substrats in Bereichen, die nicht von dem Halbleiterchip bedeckt sind, mit dem Embedding-Material bedeckt. Zudem können auch seitliche Flächen des Substrats mit dem Embedding-Material bedeckt werden.
Das Substrat ist beispielsweise typisches Leiterplattenmaterial wie FR4 (Epoxidharz-Glasfaser-Verbund), aber auch Substratmaterialien aus Keramik wie DCB (Direct Copper Bond), AMB (active metal braze) oder mit Pasten metallisiertes Substrat oder Leadframe-Material können für Anwendungen z.B. in der Leistungselektronik eingesetzt werden.
Besonders vorteilhaft sind Ausführungen, in denen verschiedene Arten von Bonddrahtstücken kombiniert werden, um eine Anpassung an unterschiedliche Arten von Kontaktflächen auf dem Halbleiterchip zu erreichen. Die unterschiedlichen Arten von Bonddrahtstücken können unterschiedliche Abmessungen aufweisen, so dass beispielsweise Bonddrahtstücke mit geringerer Breite, insbesondere ein Studbump, verwendet werden können, wenn eine kleinere Kontaktfläche des Halbleiterchips kontaktiert werden soll, beispielsweise wenn die Kontaktfläche ein Gate-Kontakt eines Transistors ist. Typischerweise breitere Bonddrahtstücke wie Bändchen-Bonds können verwendet hingegen werden, wenn vergleichsweise große Kontaktflächen kontaktiert werden sollen. Somit kann in einigen Ausführungen beispielsweise ein Bändchen-Bond wie oben oder unten beschrieben auf die Kontaktfläche aufgebracht werden. Der Halbleiterchip kann in typischen Ausführungen auf der Oberseite zumindest eine zweite Kontaktfläche aufweisen. Auf diese zweite Kotaktfläche kann beispielsweise ein Studbump aufgebracht werden. Dieser Studbump kann anschließend beim Einbetten mit dem Embedding-Material bedeckt werden, insbesondere gemeinsam mit dem Bändchen-Bond. Beim Öffnen des Embedding-Materials kann danach eine zweite Bohrung gebildet werden, durch die der Studbump zumindest teilweise freigelegt wird. Anschließend kann ein zweiter Metallkontakt in die zweite Bohrung eingebracht und elektrisch leitfähig mit dem Studbump verbunden werden. Auf diese Weise ist das vorgeschlagene Verfahren in einfacher Weise an unterschiedlich große Kontaktflächen des Halbleiterchips anpassbar. Aber auch andere Halbleiter mit besonders kleinen Padgeometrien von z.B. 50 µm × 50 µm können auf diese Weise verarbeitet werden.
Oben oder unten in Bezug auf das Verfahren zur Herstellung des elektronischen Bauelements genannte Merkmale sind auf das elektronische Bauelement übertragbar und umgekehrt.
Ausführungsbeispiele werden nachfolgend anhand der Abbildungen beschrieben. Es zeigen

1 bis 5 schematische Schnittansichten während der Herstellung eines elektronischen Bauelements,
6 eine perspektivische Ansicht eine Halbleiterchips mit darauf angeordneten Bonddrahtstücken,
7 eine schematische Detailansicht eines Studbumps auf dem Halbleiterchip im Querschnitt und
8 eine schematische Detailansicht eines Bändchen-Bonds auf dem Halbleiterchip in einer perspektivischen Ansicht.

1 bis 6 illustrieren schematisch verschiedene Schritte während einer Herstellung eines elektronischen Bauelements. In einem ersten Schritt wird ein Substrat 1 bereitgestellt. Das Substrat 1 kann beispielsweise aus Leiterplattenmaterial wie FR4 (Epoxidharz-Glasfaser-Verbund) oder aus Keramik wie DCB (Direct Copper Bond), AMB (active metal braze) oder mit Pasten metallisiert sein oder aus Leadframe-Material sein.
Anschließend wird ein Halbleiterchip 2 mit einer Unterseite 3 des Halbleiterchips 2 auf einer Oberseite 4 des Substrats 1 angeordnet. Hierbei wird der Halbleiterchip 2 zudem mit dem Substrat 1 vorzugsweise wärmeleitend und häufig auch elektrisch leitend verbunden. Hierfür können an sich bekannte Die-Attach-Verfahren Anwendung finden, durch die eine zuverlässige Verbindung zwischen dem Halbleiterchip 2 und dem Substrat 1 in einem Verbindungsbereich 5 erzeugt wird. Der Verbindungsbereich 5 ist abhängig vom verwendeten Die-Attach-Verfahren ausgebildet und kann beispielsweise Lot, Klebstoff, intermetallische Phasen oder gesinterte Metalle aufweisen. Beispielsweise kann der Halbleiterchip 2 durch Löten, Kleben, Diffusionslöten, TLPS oder Ag-Sintern mit dem Substrat 1 verbunden werden.
Der Halbleiterchip 2 kann z.B. ein Leistungshalbleiter sein und weist beispielsweise Si-, GaN- oder SiC-basierte Schaltkreise, insbesondere Transistorschaltungen, auf. Der Halbleiterchip 2 weist zur Kontaktierung seiner Schaltkreise auf einer Oberseite 6 Kontaktflächen (Kontakt-Pads) auf, die durch eine Oberflächenmetallisierung gebildet werden. Zwei der Kontaktflächen sind beispielhaft mit den Bezugszeichen 7 und 7' versehen. In dem dargestellten Beispiel weist die Kontaktfläche mit dem Bezugszeichen 7' eine geringere Fläche auf und bildet beispielsweise den Gate-Kontakt eines Transistors. Die Kontaktflächen 7, 7' können beispielsweise eine Dicke zwischen 1 und 10 µm aufweisen. In typischen Ausführungen enthalten die Kontaktflächen 7, 7' Aluminium und werden beispielsweise durch eine AI-Legierung wie AlSiCu oder AISi gebildet.
In einem weiteren Schritt werden Bonddrahtstücke auf den Kontaktflächen 7, 7' angeordnet, wie 2 zeigt. Wiederkehrende Merkmale sind in dieser und in den folgenden Abbildungen mit denselben Bezugszeichen versehen. Zwei der Bonddrahtstücke sind beispielhaft mit den Bezugszeichen 8 und 8' versehen. Eines der Bonddrahtstücke 8' ist ein Studbump, während die weiteren Bonddrahtstücke 8 als Bändchen-Bonds ausgeführt sind. Es sind aber auch weitere Arten von Bonddrahtstücken möglich, wie beispielsweise Wedge-Bonds oder Stitch-Bonds aus einem kreisförmigen Bonddraht sowie als Wedge- bzw. Stitch-Bonds ausgeführte Bändchen-Bonds.
Bei der Bestückung der Kontaktflächen 7, 7' mit den Bonddrahtstücken 8, 8' werden Bonddrähte zunächst mit den Kontaktflächen 7, 7', beispielsweise unter Einwirkung von Wärme und/oder Ultraschall, verbunden. Hierfür wird beispielsweise ein an sich bekanntes und nicht dargestelltes Drahtbondgerät verwendet. Nach dem Verbinden des jeweiligen Bonddrahtes mit einer jeweiligen der Kontaktflächen 7, 7' kann der Bonddraht abgetrennt, insbesondere abgerissen werden, so dass das Bonddrahtstück 8, 8' auf dem Halbleiterchip 2 verbleibt. Zur Herstellung des Studbumps 8' kann ein Drahtbondprozess verwendet werden, bei dem der Bonddraht mit dem Drahtbonder wie beim Ball-Wedge-Verfahren aufgebracht wird. Nach der Erzeugung des Balls und dem Aufbringen auf die Kontaktfläche 7' wird der Bonddraht zur Bildung des Studbumps 8' direkt über dem Ball abgerissen. Die Herstellung von Wedge-, Stitch- oder Bändchenbonds erfolgt an verschiedenen Drahtbondgeräten, aber nach dem gleichen Prinzip: durch Kraft und Ultraschalleinfluss wird eine stoffschlüssige Verbindung zwischen den Fügepartnern hergestellt. Wenn der Bändchen-Bond 8 hergestellt wird, dann weist der Bondkontakt in der Regel einen abgeflachten, insbesondere einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt auf. Hierbei wird der Bonddraht nach dem Verbinden mit der Kontaktfläche 7 ebenfalls abgerissen, so dass der Bändchen-Bond 8 auf dem Halbleiterchip 2 verbleibt.
Das Bändchenmaterial kann z.B. aus reinem Kupfer, legierten Kupfer oder einem Verbund von zwei oder mehreren Metallen (bei zwei Metallen spricht man von Bimetall) bestehen. Das Verbundmaterial setzt sich beispielsweise aus einer Schicht Kupfer und einer Schicht Aluminium zusammen. Auf der von dem Halbleiterchip 2 abgewandten Seite besteht es dann typischerweise aus Kupfer und auf der dem Halbleiterchip 2 zugewandten Seite aus Aluminium.
Das Drahtmaterial zur Realisierung der StudBumps kann beispielsweise aus reinem Cu-, legiertem Cu- oder beschichtetem Cu-Draht bestehen. Drahtbeschichtungen könnten beispielsweise aus Au, Pd, Pt oder Al sein. Ein Basismaterial der runden oder abgeflachten Bonddrähte bzw. Bändchen kann neben Cu auch aus Ag, Au, Pt und Pd oder auch aus legierten Materialien bestehen. Breiten der beschriebenen Bändchen-Bonds liegen beispielsweise im Bereich von 30 bis 3000 µm und die Dicken der Bändchen-Bonds beispielsweise zwischen 5 und 500 µm. Der zur Herstellung der Studbumps oder auch der Wedge- oder Stitch-Bonds verwendete Bonddraht kann einen runden Querschnitt und beispielsweise einen Durchmesser von 15 bis 100 µm ausweisen.
Die Bonddrahtstücke 8, 8' erfüllen bei der Herstellung des elektronischen Bauelements unterschiedliche Aufgaben. Nämlich dienen die Bonddrahtstücke 8, 8' in nachfolgenden Herstellungsschritten erstens als Laserstopp beim Bohren, zweitens als Schutzschicht beim Reinigen von beim Bohren gebildeten Bohrungen sowie drittens als Kontaktschicht beim galvanischen Füllen der Bohrungen, wie nachfolgend genauer ausgeführt wird.
Nachdem die Kontaktflächen 7, 7' des Halbleiterchips 2 mit den Bonddrähten 8, 8' bestückt sind wird der Halbleiterchip 2 gemeinsam mit dem Substrat 1 in ein Embedding-Material 9, beispielsweise ein gefülltes Epoxidharz, eingebettet.
Das Embedding-Material 9 bedeckt anschließend die Bonddrahtstücke 8, 8', die Oberseite 6 des Halbleiterchips 2, Seitenflächen 10, 10' des Halbleiterchips 2 sowie Seitenflächen des Substrats 1 vollständig, wie 3 zeigt.
Um die Kontaktflächen 7 des Halbleiterchips 2 elektrisch zu kontaktieren und um gegebenenfalls in weiteren Schritten eine Umverdrahtung herzustellen, wird das Embedding-Material 9 in einem weiteren Schritt geöffnet. Hierbei werden Bohrungen in das Embedding-Material 9 eingebracht. Zwei der Bohrungen sind in 4 in einer vergrößerten Ansicht dargestellt und beispielhaft mit den Bezugszeichen 11 und 11' versehen. Die Bohrungen 11, 11' werden mittels Laserbohren in das Embedding-Material 9 eingebracht. Beim Öffnen wird beispielsweise von einem CO₂-Laser erzeugte Laserstrahlung so von oben auf das Embedding-Material 9 gerichtet, dass dieses bereichsweise aufschmilzt und/oder verdampft. Die Bohrungen 11, 11' sind Sacklöcher, die sich von einer Oberseite 12 des Embedding-Materials 9 bis zu den Bonddrahtstücken 8, 8' erstrecken, so dass eine Oberseite der Bonddrahtstücke 8, 8' teilweise freigelegt ist. Die Bonddrahtstücke 8, 8' decken die Kontaktflächen 7, 7' und darunter liegendes Halbleitermaterial im Bereich der Bohrungen 11, 11' ab, so dass eine Beschädigung des Halbleiterchips 2 während des Laserbohrens verhindert wird. Indem eine Laser-Abtraggeschwindigkeit des Embedding-Materials 9 um eine Vielfaches höher ist als eine Laser-Abtraggeschwindigkeit der Bonddrahtstücke 8, 8', wirken die Bonddrahtstücke 8, 8' als Laserstopp während des Laserbohrens.
Nach dem Laserbohren werden die Bohrungen 11, 11' gereinigt, beispielsweise mit einem chemischen Reiniger oder mit einem Plasma-Reiniger. Indem die Bonddrahtstücke 8, 8' die Kontaktflächen 7, 7' während der Säuberung der Bohrungen abdecken, wird verhindert, dass der Reiniger mit den Kontaktflächen 7, 7' in Berührung kommt und diese beschädigt.
In einem nächsten Schritt werden die Bohrungen 11, 11' mit Metallkontakten z.B. galvanisch gefüllt. In 5 sind zwei der Metallkontakte beispielhaft mit den Bezugszeichen 13 und 13' versehen. Die Metallkontakte 13, 13' füllen in dem gezeigten Beispiel die Bohrungen 11, 11' vollständig aus und stellen einen elektrisch leitfähigen Kontakt mit den Bonddrahtstücken 8, 8' her. Die Metallkontakte 13, 13' sind typischerweise galvanisch abgeschiedene Kupfer-Kontakte. Einige der Metallkontakte 13' bilden auf der Oberseite 12 des Embedding-Materials 9 ein Bond-Pad 14 aus. Es kann auch vorgesehen sein, dass auf der Oberseite 12 des Embedding-Materials 9 eine Umverdrahtungslage erzeugt wird.
6 zeigt eine perspektivische Ansicht des Halbleiterchips 2 mit den auf den Kontaktflächen 7, 7' angeordneten Bonddrahtstücken 8, 8' bevor der Halbleiterchip 2 in das Embedding-Material 9 eingebettet wurde.
Eine detailliertere Ansicht des als Studbump ausgebildeten Bonddrahtstücks 8' vor dem Herstellen der Metallkontakte 13, 13' ist in 7 gezeigt. Dieses Bonddrahtstück 8' ist auf der Kontaktfläche 7' des Halbleiterchips 2 angeordnet und in das Embedding-Material 9 eingebettet. Die Bohrung 11' erstreckt sich durch das Embedding-Material 9 bis auf die Oberseite des Bonddrahtstücks 8'. Der Studbump 8' weist in einem unteren Bereich eine Form auf, die im Wesentlichen der einer abgeflachten Kugel entspricht. Eine Breite dieser Kugel beträgt beispielsweise 50 µm. Eine Gesamthöhe des Studbumps beträgt beispielsweise 45 µm. Auf seiner Oberseite weist der Studbump 8' Überreste eines abgerissenen Bonddrahtes auf, aus dem der Studbump 8' hergestellt wurde. Ein Durchmesser dieses Bonddrahts beträgt beispielsweise 50 µm. In alternativen Ausführungen können auch zwei oder mehrere übereinander angeordnete Studbumps auf die Kontaktfläche 7' des Halbleiterchips 2 aufgebracht und gemeinsam in das Embedding-Material 9 eingebettet werden.
8 zeigt eine perspektivische Ansicht eines der als Bändchen-Bonds ausgeführten Bonddrahtstücke 8. Dieses Bonddrahtstück 8 ist auf einer der Kontaktflächen 7 des Halbleiterchips 2 angeordnet und wurde aus einem abgerissenen Bonddraht mit rechteckigem Querschnitt hergestellt. Der Bändchen-Bond 8 weist eine Kupfer- und eine Aluminiumschicht auf, wobei die Aluminiumschicht mit der Kontaktfläche 7 direkt in Kontakt steht und die Kupferschicht später nach dem Laserbohren freigelegt und ankontaktiert wird. Der Bändchen-Bond 8 ist weitgehend quaderförmig, wobei Abweichungen von der Quaderform, insbesondere Eindruckstellen und Verformungen, charakteristisch für den mittels Drahtbondgerät aufgebrachten Bändchen-Bond 8 sind. Abmaße des Bändchen-Bonds 8 werden vorrangig durch den zu seiner Herstellung verwendeten Bonddraht bestimmt. Eine Breite des Bändchen-Bonds 8 beträgt beispielweise 200 µm und eine Länge 400 µm. Eine Höhe des Bändchen-Bonds 8 kann zum Beispiel 30 µm betragen.
Lediglich in den Ausführungsbeispielen offenbarte Merkmale der verschiedenen Ausführungsformen können miteinander kombiniert und einzeln beansprucht werden.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines elektronischen Bauelements, umfassend folgende Schritte: - Bereitstellen eines Halbleiterchips (2), wobei der Halbeiterchip (2) auf einer Oberseite eine Kontaktfläche (7, 7') aufweist, - Aufbringen eines Bonddrahtstückes (8, 8') auf die Kontaktfläche (7, 7') des Halbleiterchips (2), - Einbetten des Halbleiterchips (2) in ein Embedding-Material (9), derart dass das Bonddrahtstück (8, 8') mit dem Embedding-Material (9) bedeckt wird, - Öffnen des Embedding-Materials (9) durch Laserbohren, derart dass eine Bohrung (11, 11') gebildet wird, durch die das Bonddrahtstück (8, 8') zumindest teilweise freigelegt wird und - Einbringen eines Metallkontakts (13, 13') in die Bohrung (11, 11'), derart dass der Metallkontakt (13, 13') elektrisch leitfähig mit dem Bonddrahtstück (8, 8') verbunden wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bonddrahtstück (8, 8') ein Bändchen-Bond, ein Ball-Bond, ein Wedge-Bond, ein Stitch-Bond oder ein Studbump ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Bonddrahtstück (8, 8') eine Höhe von mindestens 5 µm und/oder höchstens 500 µm aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Bonddrahtstück (8, 8') eine minimale Breite von 15 µm und/oder eine maximale Breite von 3000 µm aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Bonddrahtstück (8, 8') Kupfer enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktfläche (7, 7') des Halbleiterchips (2) Aluminium, insbesondere eine Aluminium-Legierung, enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallkontakt (13, 13') durch galvanisches Abscheiden in die Bohrung (11, 11') eingebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallkontakt (13, 13') Kupfer enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch folgende Schritte: - Bereitstellen eines Substrats (1), - Anordnen des Halbleiterchips (2) mit einer Unterseite des Halbleiterchips (2) auf dem Substrat (1) vor dem Einbetten und - Einbetten des Substrats (1) gemeinsam mit dem Halbeiterchip (2) in das Embedding-Material (9).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Bonddrahtstück (8) ein Bändchen-Bond ist, wobei der Halbleiterchip (2) auf der Oberseite eine zweite Kontaktfläche (7') aufweist, auf die ein Studbump aufgebracht wird, der beim Einbetten mit dem Embedding-Material (9) bedeckt wird, wobei beim Öffnen des Embedding-Materials (9) eine zweite Bohrung (11') gebildet wird, durch die der Studbump zumindest teilweise freigelegt wird, und wobei ein zweiter Metallkontakt (13') in die zweite Bohrung (11') eingebracht und elektrisch leitfähig mit dem Studbump verbunden wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Embedding-Material (9) Kunststoff, insbesondere Epoxidharz oder PU, und weiterhin Glasfasern oder Glaspartikel enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterchip (2) ein Leistungshalbleiter ist.
Elektronisches Bauelement, hergestellt durch ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Elektronisches Bauelement, umfassend einen Halbleiterchip (2), der auf einer Oberseite eine Kontaktfläche (7, 7') aufweist, ein Bonddrahtstück (8, 8'), das auf die Kontaktfläche (7, 7') des Halbleiterchips (2) aufgebracht ist, und Embedding-Material (9), in das der Halbleiterchip (2) derart eingebettet ist, dass das Bonddrahtstück (8, 8') bereichsweise mit dem Embedding-Material (9) bedeckt ist, wobei das Embedding-Material (9) durch Laserbohren derart geöffnet ist, dass eine Bohrung (11, 11') in dem Embedding-Material (9) gebildet ist, die zum Bonddrahtstück (8, 8') verläuft, wobei in die Bohrung (11, 11') ein Metallkontakt (13, 13') derart eingebracht ist, dass der Metallkontakt (13, 13') elektrisch leitfähig mit dem Bonddrahtstück (8, 8') verbunden ist.