DE10349477A1

DE10349477A1 - Halbleiterbauteile mit einem Gehäuse und mit einem Halbleiterchip, sowie Verfahren zur Herstellung desselben

Info

Publication number: DE10349477A1
Application number: DE2003149477
Authority: DE
Inventors: Klaus Schiess; Joachim Mahler; Robert Bergmann
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2003-10-21
Filing date: 2003-10-21
Publication date: 2005-02-24

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauteil (1) mit einem Gehäuse (2) und mit einem Halbleiterchip (3) sowie ein Verfahren zur Herstellung desselben. Der Halbleiterchip (3) weist auf seiner Oberseite eine großflächige Kontaktmetallisierungsfläche (5) auf, auf der ein großflächiger elektrischer Übergang (4) mit einer Übergangsschicht (9) aus Kontakthöckern (11) und adhäsivem elektrisch leitendem Material (12) angeordnet ist. Ein derartiges Halbleiterbauteil (1) ist insbesondere für Niederspannungs-Leistungsbauteile von Vorteil.

Description

Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauteil mit einem Gehäuse und mit einem Halbleiterchip, der einen großflächigen, elektrischen Übergang von einer Kontaktmetallisierungsfläche auf dem Halbleiterchip zu Außenkontakten außerhalb des Gehäuses aufweist.
Unter einem großflächigen, elektrischen Übergang wird in diesem Zusammenhang ein Übergang von einer großflächigen Kontaktmetallisierungsfläche zu entsprechenden Außenkontakten verstanden, wobei sich die Großflächigkeit darauf bezieht, dass viele kleinflächige Elektroden von Halbleiterelementen eines Halbleiterchips durch den großflächigen elektrischen Übergang bzw. die großflächige Kontaktmetallisierungsfläche kurzgeschlossen werden. Die Vielzahl der kleinflächigen Elektroden kann dabei mehrere tausend betragen, wobei die Kleinflächigkeit im Bereich von mehreren μm² liegen kann.

Ein derartiges Bauteil ist aus der Druckschrift US 6,040,626 bekannt, wobei der großflächige Übergang mit Hilfe eines leitfähigen Epoxydharzklebers erreicht wird, auf dem eine Metallelektrode mit einer Abwinkelung zu Außenkontakten aufgeklebt ist. Ein derartig leitfähiger Epoxydharzkleber hat als Übergang den Nachteil einer verminderten thermischen und elektrischen Leitfähigkeit, so dass sich ein erhöhter, thermischer und elektrischer Widerstand ergibt. Andererseits ist ein Anbringen einer Vielzahl parallel geschalteter Bonddrähte auf der Kontaktmetallisierungsfläche anstelle eines elektrisch leitenden Klebstoffs und einer großflächigen Metall elektrode mit hohen Fertigungskosten verbunden. Aufgrund der Feinheit der Bonddrähte wird darüber hinaus der thermische Widerstand vergrößert.

Ein hoher elektrischer Übergangswiderstand im Bereich des Übergangs von dem Halbleiterchip zu den Außenkontakten ist insbesondere bei Niedervolt-Leistungsbauteilen mit einer Ladungskompensationsstruktur nachteilig, da die Ladungskompensationsstruktur des Halbleiterchips einen geringeren Anteil am Gesamtdurchlasswiderstand aufweist, als die elektrische innere Verdrahtung des Halbleiterbauteils. Der Gesamtwiderstand bestimmt seinerseits die Verlustwärme eines Niedervolt-Leistungsbauteils im durchgeschalteten Zustand. Somit kommt es darauf an, den Übergangswiderstand vom Halbleiterchip zu den Außenkontakten so gering wie möglich zu halten, um damit die Verlustwärmeentwicklung zu vermindern.

Aufgabe der Erfindung ist es, den Gesamtdurchlasswiderstand eines Halbleiterbauteils zu verringern, und die Verlustwärme im durchgeschalteten Zustand zu minimieren.

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

Erfindungsgemäß wird ein Halbleiterbauteil mit einem Gehäuse und einem Halbleiterchip geschaffen. Der Halbleiterchip weist auf seiner Oberseite einen großflächigen, elektrischen Übergang von einer Kontaktmetallisierungsfläche auf dem Halbleiterchip zu Außenkontakten außerhalb des Gehäuses auf. Der Halbleiterchip weist auf seiner aktiven Oberseite eine Vielzahl von kleinflächigen Elektroden auf, wobei die Vielzahl der Elektroden über die Kontaktmetallisierungsfläche elekt risch kurzgeschlossen sind. Die Kontaktmetallisierungsfläche steht über eine Übergangsschicht mit mindestens einem der Außenkontakte elektrisch in Verbindung. Die Übergangsschicht weist auf der Kontaktmetallisierungsfläche verteilt angeordnete flache Kontakthöcker auf, welche von einem athäsiven elektrisch leitenden Material umgeben sind, welches den Rest der Kontaktmetallisierungsfläche abdeckt und die Kontakthöcker einhüllt.

Eine derartige Übergangsschicht hat gegenüber einer leitenden Klebstoffschicht den Vorteil, dass die auf der Kontaktmetallisierungsfläche verteilten Kontakthöcker aus einem Metall hergestellt sind, das einen geringeren Widerstand als das elektrisch leitende adhäsive Material, in das die Kontakthöcker eingehüllt sind, aufweist. Auch der thermische Widerstand ist gegenüber einem elektrisch leitenden Klebstoff vermindert, da ein überwiegender Teil der Kontaktmetallisierungsfläche von den metallischen Kontakthöckern eingenommen wird. Durch Anordnung der Kontakthöcker in einer dichten Matrix auf der Kontaktmetallisierungsfläche, kann der Durchgangswiderstand der Übergangsschicht erheblich verringert werden, so dass der gesamte Durchlasswiderstand für ein Halbleiterbauteil im durchgeschalteten Zustand eine verminderte Verlustwärme entwickelt.

Darüber hinaus kann über die verbesserte thermische Leitfähigkeit Verlustwärme günstiger an die Außenkontakte abgeführt werden. Schließlich tragen die Kontakthöcker dazu bei, die Montage einer großflächigen Metallelektrode, welche über einen Flachleiterabschnitt die Übergangsschicht mit den Außenkontakten verbindet, zu stabilisieren und thermische Spannungen beim Betrieb des Halbleiterbauteils abzubauen.

Vorzugsweise ist auf der Übergangsschicht mit Kontakthöckern und adhäsivem Material eine Metallelektrode angeordnet. Die Metallelektrode ist über einen Flachleiterabschnitt innerhalb des Gehäuses mit dem Außenkontakt außerhalb des Gehäuses verbunden, wobei Metallelektrode und Flachleiterabschnitt einen Clip bilden. Ein derartiger Clip kann dadurch erreicht werden, dass die Metallelektrodenplatte auf einer Randseite abgewinkelt ist und mit ihrer abgewinkelten Fläche innerhalb des Gehäuses mit Außenkontakten elektrisch verbunden ist.

Der Clip kann im Bereich der Metallelektrode eine großflächige Lotschicht aufweisen. Diese Lotschicht ist so ausgerichtet, dass sie mit den Kontakthöckern verlötet ist. Eine derartige Lotschicht hat den Vorteil, dass der Clip, sowohl auf den Kontakthöckern der Übergangsschicht, als auch auf den inneren Abschnitten von Flachleitern eines Flachleiterrahmens aufgelötet werden kann. Gleichzeitig mit dem Verlöten entsteht eine innige Verbindung mit dem adhäsivem, elektrisch leitenden Material, das die Kontakthöcker umschließt. Somit ist es möglich, einen geringeren Übergangswiderstand bei verbesserter elektrischer Leitfähigkeit vom Halbleiterchip zu den Außenkontakten zu schaffen, womit gleichzeitig die Verlustleistung vermindert wird und zusätzlich eine verbesserte Abführung der Verlustwärme erreicht wird.

Aufgrund der Adhäsivität des elektrisch leitenden Materials, das die Kontakthöcker umgibt, ist es auch möglich, dass der Clip in den Bereich der Metallelektrode über das adhäsive Material der großflächigen Übergangsschicht mit der Kontaktmetallisierungsfläche auf dem Halbleiterchip verklebt ist. Auch mit dieser Variante wird sowohl die thermische Leitfähigkeit, als auch die elektrische Leitfähigkeit der Übergangsschicht vergrößert, womit der Gesamtdurchlasswiderstand eines Halbleiterbauteils vermindert wird.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Kontaktmetallisierungsfläche einer Aluminiumlegierung mit den Legierungskomponenten Silicium und/oder Kupfer aufweist. Dabei liegt der Siliciumanteil zwischen 2 und 5 % und der Kupferanteil zwischen 1 % und 10 %. Eine derartige Aluminiumlegierung hat den Vorteil, dass bereits die Kontaktmetallisierungsfläche eine hohe elektrische Leitfähigkeit aufweist und darüber hinaus wird die Oxidationsneigung des Aluminiums durch die Siliciumlegierungskomponente vermindert und die Volumenleitfähigkeit der Aluminiumlegierung durch die Kupferkomponente verbessert. Darüber hinaus ist diese Aluminiumlegierung geeignet, mit Kontakthöckern aus Gold oder einer Goldlegierung ein niedrig schmelzendes Eutektikum einzugehen, was eutektisches Auflöten der Kontakthöcker auf die Aluminiumlegierungen enthaltende Kontaktmetallisierungsfläche ermöglicht.

Zu dem Gesamtdurchgangswiderstand trägt auch der Rückseitenkontakt des Halbleiterchips bei. Zur Verminderung des Rückseitenwiderstands kann der Halbleiterchip auf eine metallische Chipinsel eines Flachleiters eutektisch gelötet sein, oder mit einer entsprechend elektrisch leitenden Klebstoffschicht auf der Chipinsel eines Flachleiters aufgeklebt werden.

Das adhäsive Material der Übergangsschicht kann ein isotopleitender Stoff sein, der den Vorteil hat, dass beim Einhüllen der Kontakthöcker keine bevorzugten Richtungen für eine erhöhte Leitfähigkeit entstehen, vielmehr kann der isotoplei tende Klebstoff in sämtliche Ecken und Winkel eindringen und dort eine leitfähige Verbindung herstellen.

Weiterhin kann das adhäsive, elektrisch leitende Material einen Polymerkunststoff mit einem Metallpartikel-Füllstoffgrad zwischen 80 und 98 Gew.% aufweisen. Durch den hohen Füllstoffgrad wird gewährleistet, dass das adhäsive Material beim Zusammenbau des Halbleiterbauteils eine hohe elektrische Leitfähigkeit entwickelt. Aus verfahrenstechnischen Gründen ist ein Füllstoffgrad von 90 bis 95 Gew.% bevorzugt. Für eine hohe Leitfähigkeit wird ein Füllstoffgrad zwischen 95 und 98 Gew.% bevorzugt.

Weiterhin ist es vorgesehen, dass die Metallpartikel des athesiven Materials Nanopartikel sind, die einen mittleren Partikeldurchmesser von einigen 10 μm aufweisen. Dieses Material hat den Vorteil, dass eine hochdichte Packung mit einem Füllstoffgrad von bis zu 98 Gew.% erreicht werden kann, wenn es mit Metallpartikeln im μm-Bereich gemischt wird. Bei einem hohen Anteil an Nanopartikeln kann sich das adhäsive Material an jede beliebige Kontur der Kontakthöcker anpassen.

Weiterhin ist es vorgesehen, dass die Kontakthöcker gebondete Thermokompressionsköpfe mit Gold oder einer Goldlegierung aufweisen. Derartige Thermokompressionsköpfe haben den Vorteil, dass sie in schneller Folge auf der Kontaktmetallisierungsfläche gebondet werden können und eine zuverlässige Verbindung mit dem Material der Kontaktmetallisierungsfläche beim Bonden durch Bilden eutektischer Legierungen eingehen.

Vorzugsweise ist das Halbleiterbauteil ein Niedervolt-Leistungsverstärker und/oder ein Leistungsschalter. Die Vielzahl von kleinflächigen Elektroden sind in diesem Fall Sour ceelektroden von Zellenfeldern, wobei jede der Zelle einen vertikalen MOS-Transistor darstellt. Diese kleinflächigen Sourceelektroden von wenigen μm²-Größe sind mittels der großflächigen Kontaktmetallisierungsfläche, sowie durch die Übergangsschicht und durch die Metallelektrode zu einer großflächigen, gemeinsamen Sourceelektrode kurzgeschlossen. Über vergrabene Leiterbahnen werden auch die an der aktiven Oberseite des Halbleiterchips angeordneten Gateanschlüsse der MOS-Leistungstransistoren zu einem gemeinsamen Gatekontakt zusammengefasst, der jedoch in einer Kontaktfläche auf dem Halbleiterchip endet, die nur einige 10 μm Seitenlänge aufweist. Da über den Gatekontakt keine Leistung transportiert wird, reicht eine Bondverbindung mit einem Bonddraht aus, um die gemeinsame Gateelektrode für die Vielzahl von Gatestrukturen auf dem Halbleiterchip zu versorgen.

Über den großflächigen Kontakt, den die Rückseite des Halbleiterchips mit der Chipinsel bildet, wird der Drainanschluß bzw. die Drainelektrode eines derartigen vertikalen MOS-Leistungstransistors verwirklicht. Innerhalb des Halbleitermaterials bilden die Zellen der Zellenfelder eine Ladungskompensationsstruktur, wobei aufgrund des Niedervoltbereichs die Dicke des Halbleiterchips und damit auch die Dicke der Ladungskompensationsstruktur nur wenige 10 μm beträgt. Der Durchlasswiderstand eines derart dünnen und hochdotierten Halbleiterchips ist im Verhältnis zu dem Elektrodenaufbau auf der aktiven Oberseite des Halbleiterchips gering, so dass der Durchlasswiderstand großenteils von dem Elektrodenaufbau insbesondere von dem Sourceelektrodenaufbau, bestimmt wird.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden jedoch noch auf dem Halbleiterwafer in den Halbleiterchippositionen Thermokompressionsköpfe als Kontakthöcker aufgebracht. Dabei werden diese Kontakthöcker in einer Matrix auf den Kontaktmetallisierungsflächen der Halbleiterchippositionen gebondet. Dieses Verfahren hat gegenüber dem Bonden auf der jeweiligen Chipoberfläche den Vorteil, dass für die Fertigstellung des Wafers mit Thermokompressionskontakten eine geringere Produktionszeit erforderlich ist, als für das Einspannen jedes einzelnen Halbleiterchips in eine Bondmaschine, um dann die Bondvorgänge zur Herstellung der Thermokompressionsköpfe als Kontakthöcker zu realisieren.

Ein weiterer Schritt zur Vollendung einer Umverdrahtungsschicht auf einer Kontaktmetallisierungsfläche eines Halbleiterchips besteht darin, dass in jeder der Halbleiterchipposition des Halbleiterwafers ein adhäsives, elektrisch leitendes Material unter Umhüllen der Thermokompressionsköpfe auf die Kontaktmetallisierungsflächen aufgebracht wird. Dieses kann auf dem Wafer gleichzeitig für mehrere Halbleiterchips vorgenommen werden, beispielsweise durch Drucktechnik, wie Sieb drucktechnik oder Schablonendrucktechnik. Aufgrund dieser Gleichzeitigkeit kann wiederum der Fertigungsprozess verbilligt werden.

Ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauteils mit einem Gehäuse und mit einem Halbleiter, der einen großflächigen elektrischen Übergang von einer Kontaktmetallisierungsfläche auf dem Halbleiterchip zu Außenkontakten außerhalb des Gehäuses aufweist, erfordert vorzugsweise die nachfolgenden Verfahrensschritte.

Zunächst wird ein Flachleiterrahmen mit Halbleiterbauteilpositionen hergestellt, wobei die Halbleiterbauteilpositionen Chipinseln, Flachleiteraußenkontakte und mindestens eine Clipanschlussfläche bereitstellen. Parallel zur Herstellung des Flachleiters können Halbleiterchips hergestellt werden, wobei die Halbleiterchips eine Kontaktmetallisierungsfläche unter Kurzschließen einer Vielzahl von kleinflächigen Elektroden bereitstellen. Anschließend wird eine Matrix von Kontakthöckern durch Aufbonden einer Matrix von Thermokompressionsköpfen auf den Kontaktmetallisierungsflächen der Halbleiterchips hergestellt, sofern nicht die Halbleiterchips durch ein Trennen eines geeignet ausgebildeten Wafers bereits eine derartige Matrix von Kontakthöckern aufweisen.

Anschließend wird selektiv adhäsives, elektrisch leitendes Material unter Umhüllen der Thermokompressionsköpfe auf die Halbleiterchips aufgebracht. Auch hier gilt, wenn diese Umhüllung bereits auf einem Halbleiterwafer zur Verfügung gestellt wird, dann weist der fertige Halbleiterchip bereits die Übergangsschicht aus Kontakthöckern und adhäsiv elektrisch leitendem Material auf.

Die so präparierten Halbleiterchips werden dann in den Halbleiterbauteilpositionen auf Chipinseln des Flachleiterrahmens aufgebracht. Als nächstes werden die Clips auf die Übergangsschicht des Halbleiterchips aufgesetzt und die Clipanschlussfläche des Flachleiterrahmens mit einer abgewinkelten Fahne eines Clips verbunden. Danach wird das Gehäuse in der jeweiligen Halbleiterbauteilposition angebracht. Schließlich kann der Flachleiterrahmen zu Halbleiterbauteilen aufgetrennt werden.

Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass soweit wie möglich zunächst alle Schritte der Metallisierung und Kontaktierung der Halbleiterchips auf einem Waferlevel durchgeführt werden.

Darüber hinaus hat das Verfahren den Vorteil, dass eine geschlossene, elektrisch leitende Übergangsschicht geschaffen wird, die den Gesamtdurchlasswiderstand des Halbleiterbauteils reduziert und somit die Verlustwärme minimiert.

Die Kontaktmetallisierungsfläche, welche kleinflächigen Elektroden miteinander zu einer gemeinsamen großflächigen Elektrode verbindet, kann mittels Sputtertechnik, Aufdampftechnik, oder durch Abscheiden aus der Gasphase oder mittels Drucktechnik aufgebracht werden. Diese Techniken haben den Vorteil, dass sie bereits auf dem Waferlevel anwendbar sind. Soweit es die Sputtertechnik, die Aufdampftechnik und die Abscheidung aus der Gasphase betrifft, werden die entstehenden Metallbeschichtungen nach dem Aufbringen der Metallisierung zu Kontaktmetallisierungsflächen strukturiert. Bei Drucktechniken, zu denen Siebdrucktechnik und Schablonendrucktechnik gehört, wird von vornherein eine strukturierte Metallisierung zur Verfügung gestellt.

Ein Herstellen einer Matrix von Kontakthöckern kann auch durch Aufdrucken und Sintern einer Metallpaste auf den Kontaktmetallisierungsflächen der Halbleiterchips bzw. des Halbleiterwafers erfolgen. Diese Verfahrensvariante hat gegenüber der Herstellung von Kontakthöckern mit Hilfe des Thermokompressions- oder des Thermosonicverfahrens den Vorteil, dass die Kontakthöcker durch das Drucken gleichzeitig und parallel aufgebracht werden, und nicht wie beim Thermokompressionsverfahren seriell und damit nacheinander hergestellt werden müssen. Auch das Aufbringen eines athesiven, elektrisch leitenden Materials unter Umhüllung der fertigen Kontakthöcker kann durch Schablonendruck oder auch durch Dispensen erfolgen. Während der Schablonendruck wieder ein Parallelverfahren ist, das gleichzeitig für viele Halbleiterchips auf einem Halbleiterwafer anwendbar ist, ist das Dispensen ein serieller Vorgang, der jeden Halbleiterchip eines Wafers oder jeden Halbleiterchip auf einem Flachleiterstreifen einzeln mit dem athesiven, elektrisch leitenden Material beschichtet.

Um die Halbleiterchips auf den Chipinseln des Flachleiterrahmens unterzubringen, kann eine Löttechnik und/oder eine Klebetechnik eingesetzt werden. Die Klebetechnik hat den Vorteil, dass sie bei Raumtemperatur durchführbar ist, und höchstens zum Aushärten des elektrisch leitenden Klebstoffs eine etwas erhöhte Temperatur benötigt, der Nachteil ist aber wiederum eine geringe elektrische und thermische Leitfähigkeit, so dass es von Vorteil ist, den Halbleiterchips mittels eines Lotmetalls auf die Chipinsel des Flachleiterrahmens aufzubringen.

Das Aufbringen des Clips auf die Übergangsschicht des Halbleiterchips und auf die Clipanschlussfläche des Flachleiter rahmens kann durch Löten erfolgen. Dazu wird die Seite des Clips mit einer Lotschicht überzogen, die zu den Kontakthöckern bzw. zu der Clipanschlussfläche hin ausgerichtet sind. Ein geeignetes Lot wird bei einer Temperatur unter 150°C schmelzen, wobei vorzugsweise die Schmelztemperatur zwischen 0°C und 120°C liegt.

In einer weiteren Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein zweiteiliges Gehäuse in den Bauteilpositionen in zwei Stufen montiert. In der ersten Stufe wird zunächst ein offenes Hohlgehäuse vor dem Aufbringen der Halbleiterchips in den Bauteilpositionen angeordnet und mit dem Flachleiterrahmen verbunden. Nach dem Aufbringen der Chips und der Clips wird das Hohlgehäuse mit einer zweiten Gehäusehälfte verschlossen. Dabei kann das Hohlgehäuse aus Keramik sein, wenn das Halbleiterbauteil für Hochfrequenzanwendungen oder für Hochtemperaturanwendungen bestimmt ist. Zum Schutz vor Streufeldern kann das Hohlgehäuse von Abdeckschichten und Abdeckwänden bedeckt sein, die ein Einkoppeln von Streufeldern dämpfen.

Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Figuren näher erläutert.
1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Ausschnitt eines Übergangs von einem Halbleiterchip zu einer großflächigen Metallelektrode, gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung.
2 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Halbleiterbauteil, gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
3 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Halbleiterbauteil, gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung.
4 zeigt eine prinzipielle perspektivische Ansicht eines Ausschnitts eines Halbleiterbauteils, gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung.
1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Ausschnitt eines Übergangs 4 von einem Halbleiterchip 3 zu einer großflächigen Metallelektrode 13, gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Zur Verdeutlichung der Struktur ist der Aufbau der Elektroden und Verbindungsleitungen bis zur großflächigen Metallelektrode 13 stark vergrößert gegenüber der Struktur des Halbleiterchips 3 dargestellt. So weisen die Metall- und Isolationsschichten unmittelbar auf der aktiven Oberseite 8 des Halbleiterchips 3 nur eine geringe Dicke H von wenigen Mikrometern auf, während die Dicke h des Halbleiterchips 3 zwischen 50 und 120 μm liegt.
Entscheidend für den Durchlasswiderstand zwischen der Drainelektrode D auf der Rückseite 26 des Halbleiterchips 3 und der großflächigen Metallelektrode 13, die eine gemeinsame Sourceelektrode S bildet, ist der Durchgangswiderstand der Elektrodenkonstruktion auf der aktiven Oberseite 8 des Halbleiterchips 3. Im durchgeschalteten Zustand des in 1 dargestellten Niedervolt-Leistungsbauteils bildet der relativ dünne Halbleiterchip 3 mit 0–100 μm einen niedrigen Widerstand. Die Verlustwärme des dünnen Halbleiterchips 3 kann durch die metallische Drainelektrode D an die Umgebung abgegeben werden, während die Metallelektrode 13 von dem thermisch schlechter leitenden Kunststoff des Gehäuses 2 eingehüllt ist. Die Sperrspannung derartiger Halbleiterbauteile liegt im Niedervoltbereich zwischen 30 bis 100 V.
Um die thermische und elektrische Leitfähigkeit des Übergangs von der Oberseite 8 des Halbleiterchips 3 zu der großflächigen Metallelektrode 13 zu verbessern, weist die Übergangsschicht 9 neben einem hochgefüllten, elektrisch leitenden adhäsivem Material 12, metallische Kontakthöcker 11 auf. Diese metallischen Kontakthöcker 11 sind in dieser ersten Ausführungsform der Erfindung auf die Kontaktmetallisierungsfläche 5 gebondet und über eine Lotschicht 16 mit der Metallelektrode 13 verlötet.
Das hochgefüllte, leitende und adhäsive Material 12 ist zwischen der Kontaktmetallisierungsfläche 5 und der Metallelektrode 13 angeordnet und bis zu einem Füllgrad von 98 Gew.% mit elektrisch leitenden Metallpartikeln 21 aufgefüllt. Um den hohen Füllgrad zu erreichen, umfassen die Metallpartikel 21 nicht nur Partikel mit einem mittleren Durchmesser von einigen μm, sondern auch Nanopartikel mit Durchmessern von einigen nm, welche die Zwischenräume zwischen den großvolumigen Partikeln 21 mit einem Durchmesser von einigen μm auffüllen. Darüber hinaus haben die Nanopartikel die Eigenschaft, jede Lücke zwischen den μm-Partikeln zu füllen und sich den Konturen der Kontakthöcker anzupassen. Somit entsteht eine kompakte Schicht aus Kontakthöckern 11 und dem elektrisch leitenden adhäsivem Material 12, welche den Übergangswiderstand der Elektrodenkonstruktion eines Niedervolt-Leistungsbauteils herabsetzt.
Der hohe Füllstoffgrad von bis zu 98 Gew.% und die metallischen Kontakthöcker 11 ergeben eine Übergangsschicht 9, die gleichzeitig eine hohe thermische Leitfähigkeit besitzt, so dass diese Übergangsschicht 9 zur Abfuhr der Verlustwärme des Halbleiterchips 3 beitragen kann, obgleich großflächige Kontaktmetallisierungsflächen 5 nicht unmittelbar die Oberseite 8 des Halbleiterchips 3 berührt. Von der Kontaktmetallisierungsfläche 5 gehen vielmehr metallische Verbindungen zu einer Vielzahl von kleinflächigen Elektroden 7 auf der Oberseite 8 des Halbleiterchips 3 aus, welche die Vielzahl der Sourceanschlüsse s, an der Oberseite 8 des Halbleiterchips 3 bilden.
Zwischen den Sourceanschlüssen s sind auf der Oberseite 8 des Halbleiterchips 3 Gateoxid 27 angeordnet, welche die Vielzahl der Gatemetallisierungen 28 der MOS-Transistoren von dem Halbleitermaterial des Halbleiterchips 3 isolieren. Die Vielzahl der Gatemetallisierungen 28 werden über vergrabene Leiterbahnen 29 zu einer gemeinsamen, in 1 nicht gezeigten Gateelektrode, zusammengeführt und mit einem, hier nicht gezeigten Außenkontakt des Halbleiterbauteils 1 elektrisch verbunden.
Auf die Funktion und Struktur des vertikalen MOS-Leistungstransistors mit einer Leistungskompensationsstruktur aus einer Vielzahl von Transistorzellen wird lediglich der Vollständigkeit halber kurz eingegangen. Der Halbleiterchip 3 ist auf einem hochdotierten n⁺-leitenden monokristallinem Siliciumsubstrat aufgebaut. Auf diesem hochdotierten und damit elektrisch leitenden Substratmaterial sind mehrere schwach dotierte n^–-leitende Epitaxieschichten 31 bis 34 aufgewachsen, die zellenweise mit Donatoren dotiert wurden, so dass abwechselnd n^–-leitende und p^–-leitende Bereiche in dem Halbleiterchip 3 eine Ladungskompensationsstruktur aus einem Zellenfeld 22 bilden. Diese Ladungskompensationsstruktur kann durch Anlegen einer Spannung an die isolierte Gatemetallisierung 28 durchgeschaltet werden, so dass ein hoher Strom von der gemeinsamen großflächigen Sourceelektrode S zu der gemeinsamen großflächigen Drainelektrode D fließen kann und durch Ausschalten der Gatespannung unterbrochen werden kann.
2 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Halbleiterbauteil 10, gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Der innere Aufbau dieses Halbleiterbauteils 10 kann dem Halbleiterbauteil 1, wie es 1 zeigt, entsprechen, so dass Komponenten mit gleichen Funktionen, wie in 1, mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet sind.
Bei dieser zweiten Ausführungsform der Erfindung sind, sowohl die Drainelektrode D, als auch die großflächige Sourceelektrode S von einem Kunststoffgehäuse 2 umhüllt und auf einem Flachleiterrahmen montiert. Dabei weist der Flachleiterrahmen eine Chipinsel 18 auf, die gleichzeitig die Drainelektrode D bildet, und über einen hier nicht gezeigten, inneren Flachleiter mit einem Außenflachleiter als Außenkontakt 6 verbunden ist.
Die Sourceelektrode S stellt einen Clip 15 dar, der über einen inneren Flachleiterabschnitt 14 mit einem Innenflachleiter 24 des Flachleiterrahmens über eine Clipanschlußfläche 25 verbunden ist. Der Innenflachleiter 24 ist innerhalb des Gehäuses 2 angeordnet und geht in einen Außenkontakt 6 über, der aus dem Gehäuse 2 herausragt. Der Clip 15 ist mit seiner großflächigen Metallelektrode 13 auf eine Vielzahl von Kontakthöckern 11 aufgelötet, die beispielsweise durch ein Thermokompressionsbonden auf der Kontaktmetallisierungsfläche 5 angeordnet sind. Zwischen den Thermokompressionsköpfen 23 ist ein mit Metallpartikeln hochgefülltes elektrisch leitendes adhäsives Material 12 angeordnet, das sowohl die thermische Leitung, als auch die elektrische Leitung des Übergangs 4 von der Kontaktmetallisierungsfläche 5 zu dem Clip 15 verbessert.
Auf der linken Seite dieser Darstellung ist eine Gateelektrode G auf dem Halbleiterchip 3 angeordnet. Die Gateelektrode G ist über vergrabene Leiterbahnen mit einer Vielzahl von Gateanschlüssen des Halbleiterchips 3 verbunden. Über einen Bonddraht 35 ist die Gateelektrode G mit einem weiteren Innenflachleiter 24 verbunden, der seinerseits in einen aus dem Gehäuse 2 herausragenden Außenkontakt 6 übergeht. Die Flachleiter 19, die sowohl die Innenflachleiter 24 als auch die Außenkontakte 6 und die Chipinsel 18 bilden, gehören zu einem Flachleiterrahmen, auf dem mehrere Bauteilpositionen angeordnet sind, so dass aus dem Flachleiterrahmen die hier gezeigten Flachleiter 19 und die Chipinsel 18 abgetrennt werden können.
3 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Halbleiterbauteil 20, gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung. Komponenten mit gleichen Funktionen, wie in den vorgehenden Figuren, werden mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und nicht extra erörtert.
Der Unterschied dieses Halbleiterbauteils 20 gegenüber der zweiten Ausführungsform, wie sie in 2 gezeigt wird, besteht darin, dass die Außenkontakte 6 nicht aus dem Gehäuse 2 herausragen, sondern mit der Außenkontur des Gehäuses 2 abschließen. Auch die Chipinsel 18 und damit die Drainelektrode D ist nicht in eine Kunststoffmasse eingehüllt, sondern bildet einen Teil der Unterseite 36 des Gehäuses 2 und ist über einen elektrisch leitenden Klebstoff 39 mit der Rückseite 26 des Halbleiterchips 3 verbunden. Sowohl die Außenkontakte 6, die mit der Sourceelektrode S zusammenwirken, als auch der Außenkontakt 6, der mit der Gateelektrode G verbunden ist, weisen Außenkontaktflächen 38 auf der Unterseite 36 des Gehäuses 2 auf.
Somit kann auf alle Elektroden S, D und G des MOS-Leistungstransistors des Halbleiterchips 3 von der Unterseite 36 des Gehäuses 2 des Halbleiterbauteils 20 aus zugegriffen werden. Gleichzeitig wird durch das Herausführen der Chipinsel 18 bis an die Außenkontur des Gehäuses 2 auf der Unterseite 36 eine verbesserte Wärmeabfuhr dieses Leistungsbauteils gewährleistet.
4 zeigt eine prinzipielle perspektivische Ansicht eines Ausschnitts eines Halbleiterbauteils 30, gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung. Für die perspektivische Darstellung ist zur Verdeutlichung der Erfindung, das in den 1–3 gezeigte Gehäuse 2, weggelassen. Komponenten mit gleichen Funktionen, wie in den vorhergehenden Figuren, werden mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und nicht extra erörtert.
Die Drainelektrode D wird bei dieser vierten Ausführungsform der Erfindung von einer Wärmesenke 37 gekühlt, auf welche die Drainelektrode D gelötet oder geklebt ist. Die großflächige Sourceelektrode S ist über eine dichte Matrix von Thermokompressionsköpfen 23 oder sogenannten "Stud-Bumps" mit der großflächigen Kontaktmetallisierungsfläche 5 verbunden, welche die hier nicht gezeigte Vielzahl von kleinflächigen Sourceanschlüssen s des Halbleiterchips 3 kurzschließt.
Die großflächige Sourceelektrode S kann in mehrere Flachleiterabschnitte 14 innerhalb des Gehäuses 2 übergehen, wobei diese Flachleiterabschnitte 14 in Richtung auf innere Flach leiter hin abgebogen werden und mit diesen verbunden werden, während gleichzeitig die Matrix der Thermokompressionsköpfe 23 mit der gemeinsamen Sourceelektrode S verbunden wird. Die Gateelektrode G ist über vergrabene Leiterbahnen mit einer Vielzahl von Gateanschlüssen verbunden, so dass über die hier gezeigte Gateelektrode G ein Außenkontakt als Gatekontakt für alle Gateanschlüsse gebildet werden kann.

1: Halbleiterbauteil
2: Gehäuse
3: Halbleiterchip
4: Übergang (elektrisch)
5: Kontaktmetallisierungsfläche
6: Außenkontakt
7: kleinflächige Elektrode
8: aktive Oberseite
9: Übergangsschicht
10: Halbleiterbauteil
11: Kontakthöcker
12: adhäsives leitendes Material
13: Metallelektrode
14: Flachleiterabschnitt
15: Clip
16: Lotschicht
18: Chipinsel
19: Flachleiter
20: Halbleiterbauteil
21: Metallpartikel
22: Zellenfeld
23: Thermokompressionskopf
24: Innenflachleiter
25: Clipanschlussfläche
26: Rückseite des Halbleiterchips
27: Gateoiyd
28: Gatemetallisierung
29: Leiterbahnen
30: Halbleiterbauteil
31–34: Epitaxischichten
35: Bonddraht
36: Unterseite des Gehäuses
37: Wärmesenke
38: Außenkontaktfläche
39: elektrisch leitender Klebstoff
D: Drainelektrode
G: Gatelektrode
h: Dicke des Halbleiterchips
H: Dicke der Elektrodenstruktur
S: Sourceelektrode
s: Sourceanschluss

Claims

Halbleiterbauteil mit einem Gehäuse (2) und mit einem Halbleiterchip (3), der einen großflächigen elektrischen Übergang (4) von einer Kontaktmetallisierungsfläche (5) auf dem Halbleiterchip (3) zu Außenkontakten (6) außerhalb des Gehäuses (2) aufweist, wobei der Halbleiterchip (3) eine Vielzahl von kleinflächigen Elektroden (7) an seiner aktiven Oberseite (8) aufweist, wobei die Vielzahl der Elektroden (7) über die Kontaktmetallisierungsfläche (5) elektrisch kurzgeschlossen sind und mit mindestens einem der Außenkontakte (6) elektrisch in Verbindung stehen, und wobei der Halbleiterchip (3) als großflächiger elektrischer Übergang (4) eine Übergangsschicht (9) aufweist, die auf der Kontaktmetallisierungsfläche (5) verteilt angeordnete flache Kontakthöcker (11) aufweist, welche von einem athesiven, elektrisch leitenden Material (12) umgeben sind, welches den Rest der Kontaktmetallisierungsfläche (5) abdeckt und die Kontakthöcker (11) einhüllt.
Halbleiterbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Übergangsschicht (9) mit Kontakthöckern (11) und adhäsivem elektrisch leitendem Material (12) eine Metallelektrode (13) angeordnet ist, die über einen Flachleiterabschnitt (14) innerhalb des Gehäuses (2) mit dem Außenkontakt (6) außerhalb des Gehäuses (2) verbunden ist, wobei Metallelektrode (13) und Flachleiterabschnitt (14) einen Chip (15) bilden.
Halbleiterbauteil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Clip (15) in dem Bereich der Metallelektrode (13) eine großflächige Lotschicht (16) aufweist, die auf die Kontakthöcker (11) ausgerichtet ist und mit den Kontakthöckern (11) verlötet ist.
Halbleiterbauteil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Clip (15) in dem Bereich der Metallelektrode (13) über das adhäsive elektrisch leitende Material (12) der großflächigen Übergangsschicht (9) mit der Kontaktmetallisierungsfläche (5) auf dem Halbleiterchip (3) verklebt ist.
Halbleiterbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktmetallisierungsfläche (5) eine Aluminiumlegierung mit den Legierungskomponenten Silicium und/oder Kupfer aufweist.
Halbleiterbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückseite (26) des Halbleiterchips (3) auf einer metallischen Chipinsel (18) eines Flachleiters (19) angeordnet ist, der außerhalb des Gehäuses einen Außenkontakt (6) bildet.
Halbleiterbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das adhäsive elektrisch leitende Material (12) ein isotrop leitender Klebstoff ist.
Halbleiterbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das adhäsive elektrisch leitende Material (12) einen Polymerkunststoff mit einem Metallpartikel (21) Füllstoffgrad zwischen 80 und 98 Gew.%, vorzugsweise mit einem Füllstoffgrad zwischen 90 und 95 Gew.% aufweist.
Halbleiterbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallpartikel (21) des adhäsiven elektrisch leitenden Materials (12) Nanopartikel sind.
Halbleiterbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontakthöcker (11) gebondete Thermokompressionsköpfe (23) mit einer Gold oder eine Goldlegierung aufweisen.
Halbleiterbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterbauteil (1) ein Niedervolt-Leistungsverstärker und/oder ein Leistungsschalter ist, wobei die Vielzahl der kleinflächigen Elektroden (7) die Sourceelektroden (S) von Zellenfelder (22) sind, die mittels der großflächigen Kontaktmetallisierungsfläche (5), der Übergangsschicht (9) und der Metallelektrode (13) eine großflächige gemeinsame Sourceelektrode (S) bildet, während mittels der Chipinsel (18) eines Flachleiterrahmens die Drainelektrode (D) gebildet ist.
Verfahren zur Herstellung einer Übergangsschicht (9) auf einer Kontaktmetallisierungsfläche (5) eines Halbleiterchips (3), wobei das Verfahren folgende Verfahrensschritte aufweist: – Herstellen eines Halbleiterwafers mit in Zeilen und Spalten angeordneten Halbleiterchippositionen, in denen Halbleiterchips (3) mit einer Vielzahl von kleinflächigen Elektroden (7) auf aktiven Oberseiten (8) der Halbleiterchips (3) angeordnet sind, wobei die Vielzahl von Elektroden (7) von einer Kontaktmetallisierungsfläche (5) kurzgeschlossen werden, – Herstellen einer Matrix von Kontakthöckern (11) durch Aufbonden einer Matrix von Thermokompressionsköpfen (23) auf den Kontaktmetallisierungsflächen (5) der Halbleiterchips (3), – Auftrennen des Halbleiterwafers in einzelne Halbleiterchips (3).
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Aufbringen der Kontakthöcker (11) auf die Halbleiterchips (3) ein adhäsives elektrisch leitendes Material (12) unter Umhüllen der Thermokompressionsköpfe (23) auf die Kontaktmetallisierungsflächen (5) aufgebracht wird.
Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauteils (1) mit einem Gehäuse (2) und mit einem Halbleiterchip (3), der einen großflächigen elektrischen Übergang (4) von ei ner Kontaktmetallisierungsfläche (5) auf dem Halbleiterchip (3) zu Außenkontakten (6) außerhalb des Gehäuses (2) aufweist, wobei das Verfahren folgende Verfahrensschritte aufweist: – Herstellen eines Flachleiterrahmens mit Halbleiterbauteilpositionen, welche eine Chipinsel (18), Innenflachleiter (24), Außenkontakte (6) und mindestens eine Clipanschlussfläche (25) bereitstellen, – Herstellen von Halbleiterchips (3), wobei die Halbleiterchips (3) eine Kontaktmetallisierungsfläche (5) unter Kurzschließen einer Vielzahl von kleinflächigen Elektroden (7) bereitstellen, – Herstellen einer Matrix von Kontakthöckern (11) durch Aufbonden einer Matrix von Thermokompressionsköpfen (23) auf den Kontaktmetallisierungsflächen (5) der Halbleiterchips (3), – selektives Aufbringen eines adhäsiven elektrisch leitenden Materials (12) unter Umhüllen der Thermokompressionsköpfe (23), – Aufbringen der Halbleiterchips (3) auf die Chipinseln (18) des Flachleiterrahmens in den Halbleiterbauteilpositionen, – Aufbringen des Clips (15) auf die Übergangsschicht (9) des Halbleiterchips (3) und die Clipanschlussfläche (25) des Flachleiterrahmens, – Aufbringen eines Gehäuses (2) in den Halbleiterbauteilpositionen, – Auftrennen des Flachleiterrahmens zu Halbleiterbauteilen (1).
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktmetallisierungsfläche (5) mittels Sputter technik, Aufdampftechnik, Abscheidung aus der Gasphase oder mittels Drucktechnik aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Herstellen einer Matrix von Kontakthöckern (11) durch Aufdrucken und Sintern einer Metallpaste auf den Kontaktmetallisierungsflächen (5) der Halbleiterchips (3) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das selektive Aufbringen eines adhäsiven elektrisch leitenden Materials (12) unter Umhüllen der Kontakthöcker (11) durch Schablonendruck und/oder durch Dispensen erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufbringen der Halbleiterchips (3) auf die Chipinseln (18) des Flachleiterrahmens in den Halbleiterbauteilpositionen durch Klebetechnik auf die Chipinseln (18) des Flachleiterrahmens erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufbringen des Clips (15) auf die Übergangsschicht (9) des Halbleiterchips (3) und die Clipanschlussfläche (25) des Flachleiterrahmens durch Löten erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufbringen eines Gehäuses (2) in den Halbleiterbau teilpositionen in zwei Stufen erfolgt, indem zunächst noch vor dem Aufbringen der Halbleiterchips (3) eine erste Gehäusehälfte als offenes Hohlgehäuse in den Halbleiterbauteilpositionen des Flachleiterrahmens eingebracht wird, und nach dem Aufbringen der Clips (15) das Hohlgehäuse mit einer zweiten Gehäusehälfte verschlossen wird.