Ziel
der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zum Befestigen
eines starren Anschlussbeins oder Anschlussbügels an einer Anschlussfläche eines
Halbleiterchips unter Verwendung eines Anschlussbeines oder eines
Anschlussbügels
zur Verfügung
zu stellen, das zu einer temperaturbeständigen und einen niedrigen
elektrischen Widerstand aufweisenden Verbindung zwischen dem Halbleiterchip
und dem Bein/Bügel
führt und
das darüber
hinaus nicht zu Delaminationen und Korrosionen führt.
Dieses
Ziel wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1
gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
zum Befestigen eines eine Kontaktfläche aufweisenden starren Anschlussbeins
oder Anschlussbügels
an einer Anschlussfläche
eines Halbleiterchips, ist vorgesehen, den Anschlussbügel oder
das Anschlussbein unter Verwendung eines Diffusionslötverfahrens
an der Anschlussfläche
des Chips zu befestigen. Hierzu wird ein Diffu sionslotes auf die
Kontaktfläche
des Anschlussbeins oder Anschlussbügels aufgebracht und die Kontaktfläche mit
dem Diffusionslot wird auf die Anschlussfläche des Halbleiterchips, vorzugsweise unter
Ausübung
von Druck, aufgesetzt. Anschließend
wird wenigstens die Kontaktfläche
und die Anschlussfläche
erwärmt,
um das Diffusionslot aufzuschmelzen, woran sich ein Abkühlen anschließt. Zum Erwärmen wir
die Anordnung vorzugsweise in einen Ofen eingebracht.
Die
Anwendung eines Diffusionslötverfahrens,
das beispielsweise in Reichl: „Technologien
der Mikrosysteme II",
Technische Universität
Berlin, April 2003, Seite Seiten 2–23 bis 2–24 grundsätzlich beschrieben ist, bietet
gegenüber
Weichlötverfahren oder
Klebeverfahren eine höhere
Zuverlässigkeit
der entstehenden Verbindung. Darüber
hinaus besitzen die aus einem Diffusionslötverfahren resultierenden Verbindungsschichten
gegenüber
den aus den herkömmlichen
Verfahren resultierenden Verbindungsschichten einen niedrigen Wärmewiderstand
und einen niedrigeren elektrischen Widerstand, da die Schichten
im Vergleich zu herkömmlichen
Schichten dünner
ausgeführt
werden können.
Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
ist nach dem Abkühlen
eine feste Verbindungsschicht zwischen dem Anschlussbein/-bügel und dem Halbleiterchip
vorhanden. Diese entstehende Verbindungsschicht besitzt einen Schmelzpunkt,
der über der
Temperatur liegt, die zum Aufschmelzen des aufgebrachten Lotes benötigt wird.
Abhängig
vom verwendeten Lot beträgt
diese Temperatur zwischen 270°C
und 300°C,
während
der Schmelzpunkt der resultierenden Verbindung bei Temperaturen
von über 450°C liegt.
Hierdurch besteht die Möglichkeit
mehrere Anschlussbeine/-bügel
nacheinander auf Anschlussflächen
des Chips aufzulöten,
ohne dass die Gefahr besteht, dass sich zuvor hergestellte Verbindungen
wieder lösen.
Das Aufbringen des Lots auf die jeweiligen Anschlussbeine/-bügel bietet
hierbei den Vorteil, dass die Anschlussbeine/-bügel für die Montage vorbereitet und
nacheinander unter Verwendung der Tem perschritte an dem Chip befestigt werden
können.
Würde das
Lot für
mehrere Anschlussbeine/-bügel
auf den Chip aufgebracht, so würde
das Lot bereits nach dem ersten Temperschritt seinen Schmelzpunkt
erhöhen
und dadurch ein Auflöten
der weiteren Beine/Bügel
erschweren oder unmöglich
machen.
Das
zuvor erläuterte
Phänomen
des erhöhten
Schmelzpunktes der entstehenden Verbindung beruht darauf, dass das
Diffusionslot mit dem Material der Anschlussfläche des Chips und der Kontaktfläche des
Anschlussbeins/-bügels
eine intermetallische Verbindung eingeht, die einen höheren Schmelzpunkt
als das Lot besitzt.
Als
Diffusionslot eignet sich beispielsweise eine Gold-Zinn-Legierung, wie beispielsweise
eine Legierung mit einem Anteil von etwa 80% Gold und 20% Zinn.
Weiterhin sind Silber-Zinn-, Gold-Silizium-, Gold-Germanium-, Silber-Indium-,
Silber-Zinn- oder Zinn-Kupfer-Verbindungen
oder reines Zinn als Diffusionslote geeignet.
Geeignete
Materialien für
die Anschlussfläche
des Halbleiterchips und die Kontaktfläche des Bügels/Beins, die eine intermetallische
Verbindung mit dem ... eingehen, sind Silber, Kupfer, Nickel oder Gold,
wobei es genügt,
wenn eine der zu verlötenden Flächen, also
die Anschlussfläche
des Halbleiterchips oder die Kontaktfläche des Bügels/Beins dieses Material
aufweist.
Die
vorliegende Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand von
Figuren näher erläutert.
1 veranschaulicht anhand
einzelner Verfahrensschritte das erfindungsgemäße Verfahren zum Kontaktieren
einer Anschlussfläche
eines Halbleiterchips mittels eines Anschlussbeins.
2 zeigt im Querschnitt einen
Halbleiterchip mit einer Anschlussfläche, die mittels eines starren
Anschlussbügels
an ein Anschlussbein angeschlossen ist.
In
den Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen
gleiche Teile mit gleicher Bedeutung.
Anschlussbeine
und Anschlussbügel
können sich
grundsätzlich
in ihrer Struktur und hinsichtlich des verwendeten Materials gleichen.
Im folgenden wird ein Kontaktelement, das einer einerends an einem
Halbleiterchip befestigt wird und an einem anderen Ende aus einem
den Halbleiterchip umgebenden Gehäuse herausragt, um einen externen
Anschluss des Halbleiterbauelements zu bilden, als Anschlussbein
bezeichnet. Kontaktelemente, die einerends ebenfalls an dem Halbleiterchip
befestigt sind, die jedoch nicht unmittelbar als Anschlussbein dienen, sondern
beispielsweise solche Anschlussbeine oder weitere Halbleiterchips
kontaktieren, werden im folgenden als Anschlussbügel bezeichnet.
1 veranschaulicht anhand
einzelner Verfahrensschritte ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens
zum Befestigen eines Anschlussbeins 200 an einer Anschlussfläche 110 eines
Halbleiterchips 100. Die Anschlussfläche 110 ist in dem
dargestellten Ausführungsbeispiel
an der Vorderseite 101 des Halbleiterchips angeordnet und kontaktiert
ein Halbleiterbauelement, das in nicht näher dargestellter Weise in
dem Halbleiterchip 100 integriert ist. Das Halbleiterbauelement
ist beispielsweise ein vertikales Bauelement, dessen einer Lastanschluss
an der Vorderseite 101 und dessen anderer Lastanschluss
in nicht näher
dargestellter Weise an der Rückseite 102 des
Halbleiterbauelements gebildet ist. Derartige vertikale Bauelemente
sind beispielsweise Leistungs-MOSFET, Leistungs-IGBT, Leistungsthyristoren
oder Leistungsdioden.
Zum
Befestigen des Anschlussbeins 200 auf dieser Anschlussfläche 110 wird
auf eine Kontaktfläche 201 des
Anschlussbeins ein Diffusionslot 30 aufgebracht wie im
Ergebnis in 1a dargestellt
ist. Dieses Diffusionslot besteht beispielsweise aus einer Gold-Zinn-,
Silber-Zinn-, Gold-Silizium-, Gold-Germanium-, Silber-Indium-, Silber-Zinn-
oder Zinn-Kupfer-Verbindung
oder aus reinem Zinn.
In
einem nächsten
Verfahrensschritt, der in 1b veranschaulicht
ist, wird das Anschlussbein 200 mit der Kontaktfläche 210 auf
die Anschlussfläche 110 des
Halbleiterchips 100 aufgebracht, so dass sich das Diffusionslot 30 zwischen
der Kontaktfläche 210 und
der Anschlussfläche 110 befindet.
Anschließend
wird die Anordnung mit dem Halbleiterchip 100 und dem Anschlussbein 200 wenigstens
im Bereich des Diffusionslotes 30 erwärmt, um das Diffusionslot aufzuschmelzen.
Nach
dem anschließenden
Abkühlen
entsteht eine Verbindungsschicht 32 zwischen dem Anschlussbein 200 und
der Anschlussfläche 110 des Halbleiterchips 100,
die einen höheren
Schmelzpunkt als das Diffusionslot 30 besitzt. Typische
Temperaturen zum Aufschmelzen des Diffusionslotes liegen zwischen
270°C und
300°C, während die Schmelztemperaturen
der resultierenden Verbindungsschicht 32 üblicherweise
bei über
450°C liegen.
Während
des Lötvorganges,
also während
des Aufschmelzens des Diffusionslotes 30 werden der Halbleiterchip 100 und
das Anschlussbein 200 vorzugsweise mit einem Druck von
etwa 3 bar gegeneinander gepresst.
Der
Grund für
die höhere
Schmelztemperatur der Verbindungsschicht 32 im Vergleich
zur Schmelztemperatur des Diffusionslotes 30 liegt darin, dass
das Diffusionslot 30 nach dem Aufschmelzen eine intermetallische
Verbindung mit dem Material der Anschlussfläche 110 des Halbleiterchips 100 und/oder
der Kontaktfläche 210 des
Anschlussbeins 200 eingeht. Geeignete Materialien, die
solche intermetallische Verbindungen mit dem Diffusionslot bilden,
sind Silber, Kupfer, Nickel oder Gold.
In
diesem Zusammenhang besteht die Möglichkeit, dass die gesamte
Anschlussfläche 110 aus einem
dieser Materialien und das gesamte Anschlussbein 200 aus
einem dieser Materialien besteht, oder dass lediglich die mit dem
Diffusionslot 30 in Verbindung gebrachten Flächen mit
einem solchen Material beschichtet sind.
Vorzugsweise
ist zumindest die Anschlussfläche 110 des
Halbleiterchips 100 als Mehrschichtstruktur aufgebaut,
wie in 1c veranschaulicht
ist. Diese Anschlussfläche 110 weist
im Anschluss an den Halbleiterchip 100, der beispielsweise
aus Silizium besteht, eine Dehnungspufferschicht 111, beispielsweise
aus Aluminium auf, die dazu dient, unterschiedliche temperaturbedingte
Ausdehnungen des Halbleiterchips 100 und der übrigen Schichten
der Anschlussfläche 110 auszugleichen. Die
Anschlussfläche 110 umfasst
wenigstens eine weitere Schicht 113, die während des
Diffusionslötvorganges
in Kontakt mit dem Diffusionslot 30 gebracht wird, bzw.
auf welche das Diffusionslot 30 aufgebracht wird. Diese
Schicht 113 besteht aus einem der vorgenannten Materialen
Silber, Kupfer, Nickel oder Gold, die als Reaktionspartner für das Diffusionslot 30 nach
dem Aufschmelzen des Diffusionslotes 30 dienen. In dem
dargestellten Ausführungsbeispiel
ist zwischen dieser Reaktionsschicht 113 und der Dehnungspufferschicht 111 eine
weitere Schicht 112 angeordnet, die als Diffusionsbarriere
dient. Ein geeignetes Material für
diese Schicht 112 ist Nickel, wobei Nickel gleichzeitig
als weiterer Reaktionspartner für
das Diffusionslot 30 dient.
Es
ist ausreichend, wenn eine Reaktionsmittelschicht entweder auf der
Anschlussfläche 110 des Halbleiterchips 100 oder
an der Kontaktfläche
des Anschlussbeins 200 zur Verfügung steht. Vorteilhafterweise
weist jedoch auch die Kontaktfläche 210 eine
solche Reaktionsmittelschicht 211 auf, die aus einem der
vorgenannten Materialien, Silber, Kupfer, Nickel oder Gold, besteht,
wie in 1c dargestellt ist.
Anhand
des zuvor erläuterten
Verfahrens wurde die Kontaktierung nur einer Anschlussfläche 110 eines
Halbleiterchips 100 mittels eines Anschlussbeins 200 erläutert. Es
sei darauf hingewiesen, dass das erfindungsgemäße Verfahren die Kontaktierung
mehrerer auf einem Halbleiterchip vorhandener Anschlussflächen zeitlich
aufeinanderfolgend durch Anschlussbeine/Anschlussbügel ermöglicht, da
aus dem Diffusionslötverfahren
eine Verbindungsschicht resultiert, deren Schmelztemperatur höher liegt,
als die Temperatur, die zum Aufschmelzen des Diffusionslotes benötigt wird.
Eine bereits hergestellte Verbindung, kann während nachfolgender Diffusionslötverfahren
daher nicht mehr gelöst
werden.
In
dem Beispiel gemäß 1 dient das Anschlussbein 200 als
externer Anschluss für
das Halbleiterbauelement und ragt hierfür aus einem in 1b gestrichelt dargestellten Gehäuse 300 heraus,
wobei das Gehäuse
nach Abschluss des Diffusionslötverfahrens üblicherweise
durch Umspritzen oder Umpressen des Halbleiterchips 100 und
von Teilen des Anschlussbeins 200 mit einem Gehäusematerial
hergestellt wird.
Das
erfindungsgemäße Verfahren
ist selbstverständlich
auch auf die Kontaktierung einer Anschlussfläche 110 eines Halbleiterchips 100 mittels eines
Anschlussbügels 201 anwendbar,
was im Ergebnis in 2 dargestellt
ist. 2 zeigt in Seitenansicht
im Querschnitt eine Halbleiterbauelementanordnung mit einem Halbleiterchip 100,
der eine Anschlussfläche 110 aufweist,
an der mittels eines Diffusionslötverfahrens
ein starrer Anschlussbügel 201, beispielsweise
aus Kupfer befestigt ist. Dieser Anschlussbügel 201 kontaktiert
an anderer Stelle ein Anschlussbein 400, das aus dem in 2 ebenfalls gestrichelt
dargestellten Gehäuse 300 herausragt.
Der
Anschlussbügel
oder Kontaktbügel 201 ist
dabei vorzugsweise ebenfalls mittels eines Diffusionslötverfahrens
an dem Anschlussbein 400 befestigt, wobei zwischen dem
Kontaktbügel 201 und
dem Anschlussbein 400 eine bei hohen Temperaturen schmelzende
Verbindungsschicht 34 gebildet ist. Im Bereich der Kontaktstellen
weist das Anschlussbein 400 eine Reaktionsmittelschicht 410 beispielsweise aus
Silber, Kupfer, Nickel oder Gold auf, wobei selbstverständlich auch
die Möglichkeit
besteht, dass das Anschlussbein 400 vollständig aus
einem dieser Materialien besteht, wobei dann auf diese Reaktionsmittelschicht 410 verzichtet
werden kann.
Die
Befestigung des beispielsweise aus Kupfer bestehenden Bügels 201 an
der Anschlussfläche des
Halbleiterchips 100 und an dem Anschlussbein 400 erfolgt
vorzugsweise in einer einzigen Abfolge von Verfahrensschritten mit
einem Temperschritt. Zunächst
wird hierbei ein Diffusionslot auf eine erste Kontaktfläche 211,
die an dem Chip 100 befestigt werden soll, und auf eine
zweite Kontaktfläche 221, die
an dem Anschlussbein befestigt werden soll, aufgebracht. Anschließend wird
der Bügel
mit seinen das Lot tragenden Kontaktflächen 211, 221 auf
die Anschlussfläche 110 des
Chips 100 und eine Anschlussfläche des Beins 400 gepresst,
und die Anordnung wird erwärmt,
um das Lot aufzuschmelzen. Nach dem Abkühlen resultieren aus dem aufgeschmolzenen
und mit Reaktionspartnern reagierenden Lot die hochschmelzenden
Verbindungsschichten 32, 34 zwischen dem Bügel 201 und
dem Chip 100 und dem Bein 400. Das Bein 400 kann
dabei aus demselben Material wie der Bügel bestehen, beispielsweise
aus Kupfer.
Der
in 2 dargestellte Halbleiterchip
ist außerdem
mit seiner Rückseite 102 an
einem Leadframe 500 befestigt, wobei der Chip 100 vorzugsweise
ebenfalls mittels eines Diffusionslötverfahrens auf diesen Leadframe 500 aufgebracht
ist. Der Leadframe 500 besteht vorzugsweise aus Kupfer,
so dass auf eine zusätzliche
Reaktionsmittelschicht zwischen dem Leadframe 500 und dem
Diffusionslot, wobei aus letzterem die in 2 dargestellte Verbindungsschicht 36 resultiert,
verzichtet werden kann. Vorteilhafterweise ist auf die Rückseite 102 des
Halbleiterchips 100 in der in 2 dargestellten Weise eine Reaktionsmittelschicht
aufgebracht.
Bei
dem in Figur dargestellten Bauelement, bei dem sowohl der Chip 100 mittels
eines Diffusionslötverfahrens
an dem Leadframe 500 und der Bügel 201 mittels eines
Diffusionslötverfahrens
auf dem Chip 100 befestigt wird, wird das Diffusionslot
vorzugsweise auf den Kontaktbügel 201 aufgebracht,
da bei einem Aufbringen des Lots auf den Chip 100 bei dem
zuerst durchgeführten
Verfahrensschritt des Auflötens
des Chips 100 auf den Leadframe 500 dieser zum
Befestigen des Bügels
dienende Lot aufgeschmolzen würde
und nach dem Erstarren einen erhöhten
Schmelzpunkt besäße.
Der
Leadframe 500 dient bei einem vertikalen Halbleiterbauelement,
bei dem die Rückseite 102 einen
Anschluss des Bauelements bildet, als einer der Lastanschlüsse des
Bauelements. Bei einem vertikalen Leistungs-MOSFET, bei dem die
Rückseite des
Halbleiterchips üblicherweise
die Drain-Zone bildet, dient der Leadframe als Drain-Anschluss.
Die in 2 dargestellte
Anschlussfläche 110 bildet
bei einem solchen Bauelement beispielsweise die Anschlussfläche für den Source-Anschluss oder den Gate-Anschluss,
wobei eine weitere, von dieser Anschlussfläche 110 elektrisch
isolierte Anschlussfläche,
die den jeweils anderen Anschluss bildet, in 2 nicht näher dargestellt ist.
Bei
dem Bauelement gemäß 2 kann der Kontaktbügel 201 in
der erläuterten
Weise in einer einzigen Verfahrensabfolge an der Anschlussfläche 110 des
Halbleiterchips 100 und an der Kontaktfläche 410 des
Anschlussbeins 400 befestigt werden Weiterhin besteht auch
die Möglichkeit,
den Kontaktbügel 201 zunächst durch
das erläuterte
Diffusionslötverfahren
an dem Halbleiterchip 100 und danach an dem Anschlussbein 400 zu
befestigen, ohne dass die Gefahr besteht, dass die zuerst hergestellte
Lötverbindung
während
des nachfolgenden Lötvorgangs aufschmilzt.
Die Anwendung des Diffusionslötverfahrens
bietet somit eine hohe Flexibilität bei der Befestigung von Kontakt- und Anschlusselementen
an einem Halbleiterchip.