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WO2006012847A1 - Vertikales leistungshalbleiterbauteil mit einem halbleiterchip und verfahren zur herstellung desselben - Google Patents

Vertikales leistungshalbleiterbauteil mit einem halbleiterchip und verfahren zur herstellung desselben Download PDF

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WO2006012847A1
WO2006012847A1 PCT/DE2005/001296 DE2005001296W WO2006012847A1 WO 2006012847 A1 WO2006012847 A1 WO 2006012847A1 DE 2005001296 W DE2005001296 W DE 2005001296W WO 2006012847 A1 WO2006012847 A1 WO 2006012847A1
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WO
WIPO (PCT)
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power semiconductor
semiconductor chip
metal plate
semiconductor device
upper side
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/DE2005/001296
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Khalil Hosseini
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Infineon Technologies AG
Original Assignee
Infineon Technologies AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Infineon Technologies AG filed Critical Infineon Technologies AG
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Definitions

  • the invention relates to a vertical deskleiterbau ⁇ part with a semiconductor chip and method for producing the same.
  • Vertical power semiconductor components have semiconductor chips whose semiconductor elements, such as diodes and transistors, are vertically structured, the back side of the semiconductor chip forming a large-area electrode of the vertical structure.
  • Such vertical power semiconductor components with a corresponding semiconductor chip structure are also known as "COOL-MOS" semiconductor elements.
  • the publication DE 101 34 943 discloses a vertical power semiconductor component in which no solder balls are used between the semiconductor chip and the flat conductors, but a multiplicity of parallel connected bonding connections, in the form of thermocompression heads on the top side of a
  • the upper side of the semiconductor chip is not sufficient to apply a sufficient number of bonding connections.
  • the power semiconductor component known from DE 101 34 943 has the disadvantage that the power supply can not be uniformly distributed to the active top side of the semiconductor chip, so that local overheating can occur.
  • the known structure has the disadvantage that in the production of the multiplicity of bonding connections, the semiconductor chip is subject to multiple mechanical high loads locally, which is too high
  • Microcracks and thus can lead to failure of the power semiconductor component.
  • the object of the invention is to overcome the disadvantages of the prior art and to provide a vertical cruschleiter ⁇ component, and a method for its preparation, so that the mechanical stress is reduced in the manufacture. Furthermore, the number of parallel bond connections should be made possible regardless of the size of the surface of the semiconductor chip. Finally, local overheating of the active top side of the semiconductor chip during operation of the power semiconductor device should be prevented.
  • a vertical power semiconductor component is created with a semiconductor chip and a method for its production.
  • the semiconductor chip has on its upper side a multiplicity of distributed contact surfaces of a common upper-side electrode.
  • a counterelectrode is arranged on the rear side and connected to a first external connection of the power semiconductor component.
  • the upper side of the semiconductor chip has a metal plate, the back side of which is connected to the plurality of contact surfaces of the top side electrode in a materially bonded manner.
  • An upper side of the metal plate opposite the rear side has bonding connections to contact connection surfaces, which are electrically connected to at least one common second external connection of the power semiconductor component.
  • Such a power semiconductor device has the advantage that a plurality of a few square micrometer-sized Kon ⁇ contact surfaces on the upper side of the semiconductor device can be connected in parallel through the metal plate to a common upper side electrode.
  • This metal plate is self-supporting, so that the size of its top is independent of the size of the top of the semiconductor chip.
  • the number of bond connections and thus of the bond connections on the upper side of the metal plate can be increased as desired so that the maximum permissible current density per boron connection is not exceeded and premature failure of the power semiconductor device due to overloading of one of these bond connections is thus prevented.
  • a further advantage of this solution is that the common upper-side electrode in the form of a metal plate seals the current densities onto the multiplicity of contact areas on the upper side of the semiconductor chip which are only a few square micrometers in size evenly distributed, thus preventing local current density peaks and thus local overheating of the power semiconductor elements of the power semiconductor chip.
  • the metal plate compares advantageously the heat distribution on the upper side of the semiconductor chip and additionally ensures a uniform current distribution.
  • the material of this metal plate preferably has copper or a copper alloy, especially since this material is characterized by its high electrical and thermal conductivity compared to other metals.
  • the planar extent of this metal plate is greater than the areal extent of the semiconductor chip. The bond connections originating from the upper side of the metal plate are connected to contact connection surfaces.
  • der ⁇ like contact pads are arranged on comb-shaped flat conductors. These comb-shaped flat conductors have inner comb conductors with the contact pads for the bond connections as comb teeth. The comb back closes these inner flat conductors and merges into an outer flat conductor as a second outer connection.
  • This embodiment of the invention has the advantage that the sensitive Bondverbin ⁇ applications and the transition to inner flat conductors are still arranged within a plastic housing, while outwardly only a single second outer terminal is guided by corre sponding training of the comb back.
  • the power semiconductor device is a vertically structured power diode.
  • the first external connection is the cable
  • the mode of the power diode and the second external terminal forms the anode of the power diode.
  • the anode of such a power semiconductor device has a multiplicity of a few square micrometre-sized contact surfaces, which are joined together by the metal plate of the component according to the invention to form a common top side electrode and are then led via a corresponding number of bond connections to the second external connection.
  • the metal plate As a common anode of a plurality of anode electrodes of the semiconductor chip, local forward current peaks are prevented, especially as the metal plate distributes the current supply via the bond bonds uniformly to the multiplicity of a few square micrometer-sized anode electrodes. By avoiding local current peaks, local overheating of the power semiconductor diode is avoided at the same time.
  • the first outer terminal which is connected to the rear side of the semiconductor chip, is a drain outer terminal of a semiconductor chip with vertically structured MOS elements.
  • the second outer terminal is a source outer terminal which is electrically connected via a plurality of bond connections and via the metal plate to a multiplicity of source contact areas of the semiconductor chip distributed on the upper side of the semiconductor chip.
  • this embodiment of the invention has at least one further external connection as a gate external connection, which is electrically connected via at least one bond connection to a gate contact surface on the upper side of the semiconductor chip. This gate contact surface is in turn connected to a plurality of gate electrodes on the
  • the rear side of the semiconductor chip which is connected as a cathode or as a drain electrode of the power semiconductor component, may preferably have a solderable metallization, so that soldering on a chip island of a printed circuit board or a flat conductor structure is possible.
  • the chip island can be designed as a heat conduction block, which at the same time forms the first external connection of the power semiconductor component.
  • Such a structure of the power semiconductor device has the advantage that to even out the current and heat distribution on the upper side of the semiconductor chip through the metal plate, a further dissipation of heat loss through the heat conduction block is now possible. Due to the massive homogenization of heat and heat dissipation, it is possible to allow a higher current density in the semiconductor chip and thus smaller structures in the semiconductor chip.
  • a metal diffusion-inhibiting multilayer coating is arranged between the metal plate on the upper side of the semiconductor chip and the bonding connections on the upper side of the metal plate. This metal-diffusion-inhibiting multi-layer coating ensures that metal atoms do not diffuse into the boundary layer for bonding the bonding wires and embrittle the bonding connections.
  • such a metal diffusion-inhibiting multilayer coating improves the adhesion of the bonding wires on the metal plate.
  • the metal layers of the multilayer coating improve bonding when bonding the bonding wires to the metal plate.
  • a so-called "purple plague" namely an effect in which a diffusion of copper ions from the metal plate takes place into the surface of the bonding connection takes place.
  • gold ions may also diffuse from the bonding pad into the surface of the metal plate.
  • Such diffusion is prevented, for example, by a nickel layer or a titanium or tungsten layer.
  • the additional working steps to be provided for the diffusion barrier on the metal plate are not particularly expensive.
  • Such diffusion barriers may, for example, be sputtered, applied chemically or electrochemically by deposition.
  • the metal diffusion-inhibiting coating has a lower layer Layer of titanium or titanium alloy on.
  • This titanium layer serves mainly to improve the adhesion of the metal-diffusion-inhibiting coating.
  • a middle layer represents the actual metal-diffusion-inhibiting metallization, while an upper layer improves the bondability of the entire metal-diffusion-inhibiting coating.
  • the top layer of the diffusion-inhibiting coating has a layer of gold, silver, aluminum, palladium or alloys thereof. These layers are characterized by being bondable and undergoing intermetallic or eutectic bonding with the bonding wire material.
  • the bonding wires themselves have gold, aluminum, palladium or alloys thereof. These materials have the advantage that they are electrically highly conductive and have a low contact resistance.
  • the bonding wires are led from the metal plate to corresponding contact pads. These contact pads are arranged on inner flat conductors or on a wiring structure of a printed circuit board.
  • the contact pads preferably have a coating of gold, silver, aluminum, Ni, NiP, palladium or alloys thereof.
  • the type of coating for the contact pads depends on the material of the bonding wires and is adapted according to the bonding wires. In a further embodiment, it is provided that the cohesive connection between the back of the metal plate and the contact surfaces has a conductive adhesive.
  • This solution has the advantage that the conductive adhesive can be applied over a large area to the large number of contact areas on the top side of the semiconductor chip, which are only a few square micrometers in size, without already exerting locally a bond compression pressure.
  • a eutectic solder connection or a diffusion solder connection can also be provided for this coherent connection between the rear side of the metal plate and the multiplicity of contact surfaces.
  • the corresponding components of a eutectic solder connection or a diffusion solder connection both on the back of the metal plate and on the entire surface of the semiconductor chip, leaving contact surfaces that are not datazupar applied.
  • the advantage here is that both the eutectic solder connection and the diffusion solder connection can be performed simultaneously for a multiplicity of contact surfaces.
  • the design of the external connections is relatively variable.
  • the outer terminals of a plastic housing composition protrude laterally at the level of the underside of the power semiconductor component. This has the advantage that the plastic housing compound can mechanically fix and anchor these outstanding external connections via corresponding internal flat conductors in the plastic housing.
  • the outer terminals are on the underside, e.g. in
  • the structure of the power semiconductor component preferably corresponds to a "COOL-MOS" power semiconductor element.
  • Derar ⁇ term "COOL-MOS" power semiconductor elements are characterized by their high withstand voltage at the same time high permissible current density.
  • a method for producing a power semiconductor component from a plurality of component components comprises the following method steps. First, a semiconductor chip is produced. This semiconductor chip has on its upper side a multiplicity of contact surfaces which belong to a common upper-side electrode. Furthermore, the semiconductor chip has a rear side, on which a back side contact is arranged as a counterelectrode.
  • either a flat conductor frame or a printed circuit board can be produced. These have at least one chip island, which is connected to a first external connection. Furthermore, they have contact connection surfaces for bond connections, which are electrically connected to at least one second external connection. After producing the leadframe or a circuit board, the semiconductor chip can be fi xed with its rear side on the chip island and is thus connected to the first external terminal of the power semiconductor component.
  • a material-locking connection of a metal plate as a common upper-side electrode is materially connected to the plurality of contact surfaces on the upper side of the semiconductor chip.
  • a common upper side electrode is created for the semiconductor chip, which in its planar extent is independent of the semiconductor chip.
  • a plurality of bond connections are now attached, which connect the metal plate to the contact connection surfaces of the second external connection.
  • the components of the component are connected in a plastic housing composition leaving the external connections free.
  • a power semiconductor diode having a cathode as the first external terminal and an anode as the second external terminal can preferably be produced. While the cathode is connected to the first outer terminal via the rear side of the semiconductor chip, the anode is connected to the metal plate and is connected to the corresponding outer terminal via a plurality of bonding wires.
  • the surface of the metal plate is crucial for a secure bond.
  • the metal plate is a free-floating plate, so that bond connections outside the planar extent of the semiconductor chip are also possible.
  • an increased current density as occurs in a miniaturized semiconductor chip, can still be produced with correspondingly many bond connections to the second external connection.
  • the reliability of the bond connection can be further increased by coating the metal plate selectively or as a whole with a multilayer metal diffusion-inhibiting coating for bonding with the subsequent process steps in a method example.
  • the top of the metal plate is cleaned by back sputtering or dry etching.
  • a first lower Layer of titanium or a titanium alloy applied to the metal plate to improve adhesion.
  • the actual metal diffusion-inhibiting layer is applied to the adhesion-promoting layer as a second middle layer of nickel, vanadium or alloys thereof.
  • a third upper layer of gold, silver, aluminum, palladium or alloys thereof is applied as a bonding agent and / or as a metal connector for corresponding bonding wires.
  • This application of the first to third layers can also be done selectively by applying the three metal layers only at the positions where bonding wires are subsequently connected to the metal plate.
  • a selective application of the layers can be done by photolithography. Such selective application of the layers can also be achieved by means of
  • Printing technique with a screen printing technique and / or a stencil printing technique are preferred.
  • the application of the layers can also be realized selectively by means of a jet printing technique. If no selective application takes place, the bonding connections on the metal plate can be randomly distributed.
  • the contact pads on corresponding inner flat conductors or on a corresponding wiring structure of a printed circuit board can be coated with a gold and / or aluminum alloy to improve the bondability.
  • This has the advantage that the bonded wires of an aluminum or gold alloy can enter into a eutectic connection whose melting point is lower than the melting points of gold or aluminum.
  • a heat conduction block are applied, which also forms the first outer terminal. This has the advantage that the dissipation of heat from the rear side of the semiconductor chip for the power semiconductor component is improved.
  • the service life of the power semiconductor component can thus be extended considerably or specific values, such as, for example, the power loss, can be correspondingly increased without damaging the component and without reducing the service life of the power semiconductor component.
  • FIG. 1 schematically shows a perspective view of components of a power semiconductor component of a first embodiment of the invention before being packaged in a plastic housing composition
  • FIG. 2 shows a schematic cross section through the power semiconductor component of the first embodiment according to FIG.
  • FIG. 1 A first figure.
  • FIG. 3 shows a schematic perspective view of FIG
  • FIG. 4 shows a schematic cross section through the power semiconductor component of the first embodiment of the invention according to FIG. 3;
  • FIGS. 5 to 8 show schematic, perspective views of the assembly of the components of a power semiconductor device according to the first embodiment of the invention
  • FIG. 5 shows a schematic, perspective view of a heat conduction block with chip island and applied semiconductor chip
  • FIG. 6 shows a schematic, perspective view according to FIG. 5 after applying a cohesive material to the active upper side of the semiconductor chip
  • FIG. 7 shows a schematic, perspective view according to FIG. 6 after application of a metal plate as upper side electrode to the active upper side of FIG
  • FIG. 8 shows a schematic, perspective view according to FIG. 7 after application of bonding connections to the metal plate according to the embodiment according to FIG. 1.
  • FIG. 1 shows a schematic, perspective view of components of a power semiconductor component of a first embodiment of the invention prior to packaging of the components in a plastic housing composition.
  • the components are constructed in this embodiment of the invention on a dressinglei ⁇ processing block 20, which is formed at the same time as Drainauße- nan gleich 19 and forms part of the underside 22 'of the power semiconductor device.
  • This heat conduction block 20 is connected to the rear side 7 of the semiconductor chip 2 via a chip island 9.
  • the semiconductor chip 2 via a rear side contact 8 on its back 7 and the chip island 9 and the heat conduction block 20 are electrically connected to the drain outer terminal 19.
  • a gate contact surface 6 is arranged, which is guided via a bond connection 26 to a gate external connection.
  • This gate contact surface 6 is connected to a multiplicity of gate electrodes of the vertical power semiconductor component via printed conductors (not shown) on the upper side 3 of the semiconductor chip 2. Since the gate of such a power semiconductor component is potential-controlled, the switching currents are relatively low, so that a single bond connection 26 can ensure the supply of the gate electrodes.
  • the total current between source and drain to be switched via the source electrodes is substantially greater, so that a multiplicity of bond connections 14 is required in order to conduct the source-drain current.
  • the few square-micron-sized source electrodes on the upper side 3 of the semiconductor chip 2 are connected in parallel through a metal plate 10 to a common upper-side electrode 30.
  • this metal plate 10 is larger in its planar extent than the active upper side 3 of the semiconductor chip 2.
  • a top electrode 30 can be provided whose areal extent is independent of the planar extent of the upper side 3 of the semiconductor chip 2.
  • a plurality of bonding connections 36 are arranged on the upper side 11 of the metal plate 10, which pass into bonding connections 14 and supply the metal plate 10 formed as a top side electrode 30 with current.
  • this metal plate 10 provides a uniform distribution of the current density from the discrete bonding connections 14 to the multiplicity of source electrodes, so that current peaks which could lead to thermal overheating are avoided.
  • the metal plate 10 provides for a thermal and also for an electrical equal distribution of the energy flows into the semiconductor chip.
  • FIG. 2 shows a schematic cross section through the power semiconductor component 1 of the first embodiment of the invention according to FIG. 1. This cross section illustrates that the components shown in FIG. 1 are now packaged in a plastic housing composition 21. Furthermore, the construction of the power semiconductor device 1 according to the invention is shown in detail.
  • the heat conduction block 20 forms the drain outer terminal 19 and at the same time a part of the lower side 22 of the power semiconductor component 1.
  • a gate outer terminal 18 and a source outer terminal 15 are led out laterally from the semiconductor component 1, which are in turn connected to corresponding inner flat conductors 16.
  • coatings 24 are arranged as contact pads 13, these coatings 24 consisting of a bondable material, preferably of a silver alloy.
  • the gate outer terminal 18 is connected via the inner flat conductor 16, the coating 24 and the bonding connection 26 to the gate contact surface 6 on the active upper side 3 of the semiconductor chip 2.
  • the outer external contact connection 15 is connected via an inner flat conductor 16, a coating 24 and a contact terminal surface 13 via a plurality of bond connections.
  • gene 14 connected to the metal plate 10, wherein this Metall ⁇ plate 10 has a multi-layer, not shown metal diffusion-inhibiting coating, which ensures that the Me ⁇ tallmaterial of the bond 14 is not embrittled by diffusion processes of the metal material of the metal plate 10.
  • the multi-layer coating of the metal plate 10 promotes the bonding process.
  • the metal plate 10 is connected to the plurality of source contact areas 5 on the upper side 3 of the semiconductor chip 2 via a substance-coherent connection 25.
  • the rear side 7 of the semiconductor chip 2 is electrically connected via a coating 23 to the upper side 34 of the heat conduction block 20 and thus to the drain outer connection 19.
  • FIG. 3 shows a schematic, perspective view of components of a power semiconductor component of a second embodiment of the invention prior to packaging the components in a plastic housing composition.
  • Components with the same functions as in the preceding figures are identified by the same reference numerals and are not discussed separately.
  • the components form a vertical power semiconductor diode.
  • the common top contact 30 in the form of a metal plate 10 forms the anode 27, which is composed on the upper side 3 of the semiconductor chip 2 of a plurality of anode electrodes. These anode electrodes of a few square microns in size are closed in parallel via the common top electrode 30 in the form of the metal plate 10, so that a plurality of
  • Bond connections 14 can lead the diode current.
  • the bonding connections 14 are in electrical contact via bonding connections 36 with the metal plate 10.
  • the cathode 28 of this The power semiconductor diode is formed by the rear side 7 of the semiconductor chip 2 and is electrically connected via a rear-side contact 8 to a chip island 9, which merges into a heat conduction block 20.
  • the heat conduction block 20 is in turn connected to an outer flat conductor 17 as the cathode connection 37 and forms a counter electrode 29 to the upper side electrode 30.
  • FIG. 4 shows a schematic cross section through the vertical power semiconductor component 40 of the second embodiment of the invention according to FIG. 3.
  • the plurality of anode electrodes 38 form contact surfaces 4 on the top side of the semiconductor chip 2 and become a common top side electrode 30 the metal plate 10 interconnected.
  • the underside 12 of the metal plate 10 has a material-like connection 25 with the contact surfaces 4.
  • This cohesive connection 25 may be a conductive adhesive or a eutectic solder connection or else a diffusion solder connection.
  • the metal plate 10 can be connected to the plurality of anode electrodes 38 as a common top electrode 30 via the integral connection 25.
  • a plurality of bonding connections 36 are arranged, which are connected via bonding wires 33 and corresponding contact pads 13 to an inner flat conductor 16, which merges into an outer flat conductor 17 and forms a second outer connection 32, which is connected to the Anode 27 of the vertical power semiconductor device 40 is connected.
  • the heat conduction block 20 passes directly into a first Cru ⁇ connection 31, which is designed as discourseflachleiter 17 and has a bore 39, with which the cathode 28 of vertical power semiconductor diode, for example, with a Massepo ⁇ potential, can be connected.
  • FIGS. 5 to 8 show schematic, perspective views of the assembly of the components of a vertical one
  • FIG. 5 shows a schematic, perspective view of a heat conduction block 20 with chip island 9 and applied semiconductor chip 2.
  • This semiconductor chip 2 is connected with its rear side 7 to the chip island 9 via a back side contact 8.
  • the semiconductor chip 2 On its upper side 3, the semiconductor chip 2 has a plurality of source electrodes which are a few square microns in size.
  • the upper side 3 has a single gate contact surface 6, via which a multiplicity of gate electrodes can be reached on the upper side 3 of the semiconductor chip 2.
  • FIG. 6 shows a schematic, perspective view according to FIG. 5 after applying a material-locking material 35 to the active upper side 3 of the semiconductor chip 2.
  • This material-locking material 35 is applied only to the region of the upper side 3 of the semiconductor chip 2, which is the source - Contact surfaces 5, as shown in Figure 2, auf ⁇ has.
  • This cohesive material 35 may be a conductive adhesive or a solder material.
  • FIG. 7 shows a schematic, perspective view according to FIG. 6 after applying a metal plate 10 as upper side electrode 30 to the active upper side 3 of the semiconductor chip 2.
  • the metal plate 10 almost completely covers the upper side 3 of the semiconductor chip 2 and leaves only in one Recess 41 access to the gate contact surface 6 to.
  • the self-supporting metal plate 10 is larger than the upper side 3 of the semiconductor chip 2 and can thus accommodate a plurality of bonding connections.
  • FIG. 8 shows a schematic, perspective view according to FIG. 7 after application of bonding connections 36 to the metal plate 10 according to the first embodiment of the invention according to FIG. 1.
  • Components having the same functions as in the preceding figures are identified by the same reference numerals and not discussed separately. A de ⁇ detailed description of Figure 8 is unnecessary, since this embodiment of the invention corresponds exactly to the representation of Figure 1.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein vertikales Leistungshalbleiterbauteil (1) mit einem Halbleiterchip (2), der eine Vielzahl von auf der Oberseite (3) verteilten Kontaktflächen (4) einer gemeinsamen Oberseitenelektrode (30) aufweist. Die Rückseite (7) des Halbleiterchips bildet eine Gegenelektrode (29) mit einem ersten Außenanschluss des Leistungshalbleiterbauteils, während die Oberseite (3) des Halbleiterchips (2) eine Metallplatte (10) als gemeinsame Oberseitenelektrode (30) aufweist, die stoffschlüssig mit den Kontaktflächen verbunden ist. Die Oberseite (11) der Metallplatte ist über Bondverbindungen (14) mit einem zweiten Außenanschluss des Leistungshalbleiterbauteils elektrisch verbunden.

Description

Beschreibung
Vertikales Leistungshalbleiterbauteil mit einem Halbleiter¬ chip und Verfahren zur Herstellung desselben
Die Erfindung betrifft ein vertikales Leistungshalbleiterbau¬ teil mit einem Halbleiterchip und Verfahren zur Herstellung desselben. Vertikale Leistungshalbleiterbauteile weisen Halb¬ leiterchips auf, deren Halbleiterelemente, wie Dioden und Transistoren, vertikal strukturiert sind, wobei die Rückseite des Halbleiterchips eine großflächige Elektrode der vertika¬ len Struktur bildet. Derartige vertikale Leistungshalbleiter¬ bauteile mit entsprechender Halbleiterchipstruktur sind auch als "COOL-MOS"-Halbleiterelemente bekannt.
Ein weiteres Leistungshalbleiterbauteil ist aus der Druck¬ schrift PCT/US 99/12411 mit Figur 3 bekannt, bei dem ein Halbleiterchip 202 über Lotbälle an Flachleitern 206 und 208 befestigt ist. Bei diesem Design ist von Nachteil, dass die Kontaktierungen über Lotbälle nicht besonders zuverlässig sind. Insbesondere bei höheren Temperaturen und längerer Be¬ triebsdauer besteht die Gefahr von Ausfällen dieser Leis¬ tungshalbleiterbauteile aufgrund erhöhter thermischer Span¬ nungen zwischen Lotbällen und Flachleitern.
Aus der Druckschrift DE 101 34 943 ist ein vertikales Leis¬ tungshalbleiterbauteil bekannt, bei dem keine Lotbälle zwi¬ schen Halbleiterchip und Flachleitern eingesetzt werden, son¬ dern eine Vielzahl parallel geschalteter Bondanschlüsse, in Form von Thermokompressionsköpfen auf der Oberseite eines
Leistungshalbleiterchips, angeordnet sind. Diese technische Lösung ist jedoch nur dann einsetzbar, wenn eine ausreichend große Halbleiterchipoberseite für das Anbringen der Vielzahl von Bondanschlüssen zur Verfügung steht und die Größe der Kontaktflächen ausreichend ist, um darauf Bondanschlüsse auf- zubonden.
Bei ständig kleiner werdenden Strukturen und gleichzeitig größer werdenden Stromdichten der Leistungshalbleiterchips reicht die Oberseite des Halbleiterchips nicht aus, um eine ausreichende Anzahl von Bondanschlüssen aufzubringen. Ferner hat das aus DE 101 34 943 bekannte Leistungshalbleiterbauteil den Nachteil, dass die Stromeinspeisung nicht gleichmäßig auf die aktive Oberseite des Halbleiterchips verteilt werden kann, sodass es zu lokaler Überhitzung kommen kann. Schlie߬ lich hat die bekannte Struktur den Nachteil, dass bei der Herstellung der Vielzahl von Bondanschlüssen der Halbleiter- chip mehrfach lokal mechanisch hoch belastet wird, was zu
Mikrorissen und damit zum Ausfall des Leistungshalbleiterbau- teils führen kann.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile im Stand der Technik zu überwinden und ein vertikales Leistungshalbleiter¬ bauteil, sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung anzugeben, sodass die mechanische Belastung bei der Herstellung redu¬ ziert ist. Ferner soll die Anzahl paralleler Bondanschlüsse unabhängig von der Größe der Oberfläche des Halbleiterchips ermöglicht werden. Schließlich sollen lokale Überhitzungen der aktiven Oberseite des Halbleiterchips beim Betrieb des Leistungshalbleiterbauteils verhindert werden.
Gelöst wird diese Aufgabe mit dem Gegenstand der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen. Erfindungsgemäß wird ein vertikales Leistungshalbleiterbau¬ teil mit einem Halbleiterchip und einem Verfahren zu dessen Herstellung geschaffen. Der Halbleiterchip weist auf seiner Oberseite eine Vielzahl verteilter Kontaktflächen einer ge- meinsamen Oberseitenelektrode auf. Eine Gegenelektrode ist auf der Rückseite angeordnet und mit einem ersten Außenan- schluss des Leistungshalbleiterbauteils verbunden. Die Ober¬ seite des Halbleiterchips weist eine Metallplatte auf, deren Rückseite mit der Vielzahl von Kontaktflächen der Oberseiten- elektrode Stoffschlüssig verbunden ist. Eine, der Rückseite gegenüber liegenden Oberseite der Metallplatte weist Bondver¬ bindungen zu Kontaktanschlussflächen auf, die mit mindestens einem gemeinsamen zweiten Außenanschluss des Leistungshalb¬ leiterbauteils elektrisch in Verbindung steht.
Ein derartiges Leistungshalbleiterbauteil hat den Vorteil, dass eine Vielzahl von wenigen quadratmikrometergroßen Kon¬ taktflächen auf der Oberseite des Halbleiterbauteils durch die Metallplatte zu einer gemeinsamen Oberseitenelektrode pa- rallel geschaltet werden können. Diese Metallplatte ist selbsttragend, sodass die Größe ihrer Oberseite unabhängig von der Größe der Oberseite des Halbleiterchips ist. Die An¬ zahl der Bondanschlüsse und damit der Bondverbindungen auf der Oberseite der Metallplatte kann beliebig erhöht werden, sodass die maximal zulässige Stromdichte pro Borverbindung nicht überschritten wird und ein vorzeitiges Versagen des Leistungshalbleiterbauteils durch Überlastung eines dieser Bondverbindungen somit verhindert wird.
Ein weiterer Vorteil dieser Lösung ist es, dass die gemeinsa¬ me Oberseitenelektrode in Form einer Metallplatte die Strom¬ dichten auf die Vielzahl der nur wenige Quadratmikrometer großen Kontaktflächen auf der Oberseite des Halbleiterchips gleichmäßig verteilt und somit lokale Stromdichtespitzen und damit lokale Überhitzungen der Leistungshalbleiterelemente des Leistungshalbleiterchips verhindert. Somit vergleichmä¬ ßigt die Metallplatte in vorteilhafter Weise die Wärmevertei- lung auf der Oberseite des Halbleiterchips und sorgt zusätz¬ lich für eine gleichmäßige Stromverteilung.
Das Material dieser Metallplatte weist vorzugsweise Kupfer oder eine Kupferlegierung auf, zumal sich dieses Material durch seine hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit ge¬ genüber anderen Metallen auszeichnet. Um eine genügende An¬ zahl an Bondanschlüssen an der Oberseite der Metallplatte an¬ zubringen, ist die flächige Erstreckung dieser Metallplatte größer als die flächige Erstreckung des Halbleiterchips. Die von der Oberseite der Metallplatte ausgehenden Bondverbindun¬ gen stehen mit Kontaktanschlussflächen in Verbindung.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind der¬ artige Kontaktanschlussflächen auf kammförmigen Flachleitern angeordnet. Diese kammförmigen Flachleiter weisen als Kamm¬ zinken Innenflachleiter mit den Kontaktanschlussflächen für die Bondverbindungen auf. Der Kammrücken schließt diese In¬ nenflachleiter zusammen und geht in einen Außenflachleiter als zweiter Außenanschluss über. Diese Ausführungsform der Erfindung hat den Vorteil, dass die empfindlichen Bondverbin¬ dungen und der Übergang zu Innenflachleitern noch innerhalb eines Kunststoffgehäuses angeordnet sind, während nach außen lediglich ein einzelner zweiter Außenanschluss durch entspre¬ chende Ausbildung des Kammrückens geführt ist.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Leistungshalbleiterbauteil eine vertikal strukturier¬ te Leistungsdiode. Dabei ist der erste Außenanschluss die Ka- thode der Leistungsdiode und der zweite Außenanschluss bildet die Anode der Leistungsdiode. Die Anode eines derartigen Leistungshalbleiterbauteils weist eine Vielzahl von wenigen quadratmikrometergroßen Kontaktflächen auf, die durch die Me- tallplatte des erfindungsgemäßen Bauteils zu einer gemeinsa¬ men Oberseitenelektrode zusammengeschlossen werden und dann über entsprechend viele Bondverbindungen zu dem zweiten Au¬ ßenanschluss geführt werden. Durch die Metallplatte als ge¬ meinsame Anode einer Vielzahl von Anodenelektroden des HaIb- leiterchips werden lokale Durchlassstromspitzen verhindert, zumal die Metallplatte die Stromzuführung über die Bondver¬ bindungen gleichmäßig auf die Vielzahl von wenigen quadrat¬ mikrometergroßen Anodenelektroden verteilt. Durch das Vermei¬ den von lokalen Stromspitzen wird gleichzeitig eine lokale Überhitzung der Leistungshalbleiterdiode vermieden.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der ers¬ te Außenanschluss, der mit der Rückseite des Halbleiterchips verbunden ist, ein Drainaußenanschluss eines Halbleiterchips mit vertikal strukturierten MOS-Elementen. Der zweite Außen¬ anschluss ist ein Sourceaußenanschluss, der über mehrere Bondverbindungen und über die Metallplatte mit einer Vielzahl von auf der Oberseite des Halbleiterchips verteilten Source- kontaktflachen des Halbleiterchips elektrisch in Verbindung steht. Darüber hinaus weist diese Ausführungsform der Erfin¬ dung mindestens einen weiteren Außenanschluss als Gateauße- nanschluss auf, der über mindestens eine Bondverbindung mit einer Gatekontaktfläche auf der Oberseite des Halbleiterchips elektrisch in Verbindung steht. Diese Gatekontaktfläche steht ihrerseits mit einer Vielzahl von Gateelektroden auf dem
Halbleiterchip über eine strukturierte Leiterbahnschicht in Verbindung. Da die Gateelektroden eines derartigen Leistungshalbleiter- bauteils nur einen vernachlässigbaren kleinen Schaltstrom be¬ nötigen, können sämtliche Gateelektroden des Halbleiterchips zu einem Gatekontakt an der Oberseite des Halbleiterchips zu- sammengefasst werden und über einen einzelnen Bonddraht zu einem Gateaußenanschluss geführt werden. Diese geringe Strom¬ aufnahme liegt daran, dass die Gateelektroden des Halbleiter¬ chips potenzialgesteuert werden und folglich äußerst geringe Ströme erforderlich sind, um das elektronische Leistungshalb- leiterbauteil über die Gateelektroden durchzusehalten. Ent¬ sprechend ist in der Metallplatte auf der Oberseite des Halb¬ leiterchips eine Aussparung vorgesehen, welche die Gatekon¬ taktfläche für ein Anbringen eines einzelnen Bonddrahts zur Versorgung der Gateelektroden freilässt.
Die Rückseite des Halbleiterchips, die als Kathode oder als Drainelektrode des Leistungshalbleiterbauteils geschaltet ist, kann vorzugsweise eine lötbare Metallisierung aufweisen, sodass eine Lötung auf einer Chipinsel einer Platine oder ei- ner Flachleiterstruktur möglich ist. Außerdem kann die Chip¬ insel als ein Wärmeleitungsblock ausgebildet sein, der gleichzeitig den ersten Außenanschluss des Leistungshalblei- terbauteils bildet.
Eine derartige Struktur des Leistungshalbleiterbauteils hat den Vorteil, dass zur Vergleichmäßigung der Strom- und Wärme¬ verteilung auf der Oberseite des Halbleiterchips durch die Metallplatte nun eine weitere Ableitung von Verlustwärme durch den Wärmeleitungsblock möglich wird. Durch die massive Wärmevergleichmäßigung und Wärmeableitung ist es möglich, ei¬ ne höhere Stromdichte im Halbleiterchip und damit kleinere Strukturen im Halbleiterchip zuzulassen. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist zwischen der Metallplatte auf der Oberseite des Halblei¬ terchips und den Bondverbindungen auf der Oberseite der Me¬ tallplatte eine metalldiffusionshemmende mehrlagige Beschich- tung angeordnet. Diese metalldiffusionshemmende mehrlagige Beschichtung sorgt dafür, dass Metallatome nicht in die Grenzschicht zur Bondverbindung der Bonddrähte diffundieren und die Bondanschlüsse verspröden. Ferner verbessert eine derartige metalldiffusionshemmende mehrlagige Beschichtung die Haftung der Bonddrähte auf der Metallplatte. Schließlich sorgen die Metalllagen der mehrlagigen Beschichtung für ein Verbessern des Bondvorgangs beim Verbinden der Bonddrähte mit der Metallplatte. Mit einer derartigen diffusionshemmenden Beschichtung wird eine so genannte "Purpurpest" , nämlich ein Effekt, bei dem eine Diffusion von Kupferionen aus der Me¬ tallplatte in die Oberfläche des Bondanschlusses stattfindet. Es können andererseits auch Goldionen von dem Bondanschluss in die Oberfläche der Metallplatte hinein diffundieren.
Innerhalb der metalldiffusionshemmenden mehrlagigen Beschich¬ tung wird bspw. durch eine Nickelschicht oder eine Titan¬ bzw. Wolframschicht eine derartige Diffusion verhindert. Die für die Diffusionssperre vorzusehenden zusätzlichen Arbeits¬ schritte auf der Metallplatte sind nicht besonders aufwendig. Solche Diffusionssperren können bspw. aufgesputtert, chemisch oder elektrochemisch durch Abscheidung aufgebracht werden. Mit einer derartigen Gestaltung der Oberseite der Metallplat¬ te lässt sich auf besonders einfache Weise ein elektrisches Bauteil herstellen, das auch bei hohen Temperaturen über lan- ge Zeit zuverlässig betrieben werden kann.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die metalldiffusionshemmende Beschichtung als untere Lage eine Schicht aus Titan oder aus einer Titanlegierung auf. Diese Titanschicht dient hauptsächlich der Haftverbesserung der me- talldiffusionshemmenden Beschichtung. Eine mittlere Schicht stellt die eigentliche metalldiffusionshemmende Metallisie- rung dar, während eine obere Schicht die Bondfähigkeit der gesamten metalldiffusionshemmenden Beschichtung verbessert.
Als mittlere Schicht und damit als metalldiffusionshemmende Schicht wird ein Material, das aus Titan, Nickel, Vanadium oder Legierungen derselben besteht, eingesetzt. Diese Materi¬ alien verhindern als geschlossene Schicht das Eindringen von Kupferatomen in die Bondanschlüsse, bspw. aus Gold. In einer weitern Ausführungsform der Erfindung weist die obere Lage der diffusionshemmenden Beschichtung eine Schicht aus Gold, Silber, Aluminium, Palladium oder Legierungen derselben auf. Diese Schichten zeichnen sich dadurch aus, dass sie bondbar sind und intermetallische oder eutektische Verbindungen mit dem Material der Bonddrähte eingehen.
Die Bonddrähte selbst weisen Gold, Aluminium, Palladium oder Legierungen derselben auf. Diese Materialien haben den Vor¬ teil, dass sie elektrisch gut leitend sind und einen niedri¬ gen Kontaktwiderstand aufweisen. Die Bonddrähte werden von der Metallplatte zu entsprechenden Kontaktanschlussflächen geführt. Diese Kontaktanschlussflächen sind auf Innenflach- leitern oder auf einer Verdrahtungsstruktur einer Platine an¬ geordnet. Die Kontaktanschlussflächen weisen vorzugsweise ei¬ ne Beschichtung aus Gold, Silber, Aluminium, Ni, NiP, Palla¬ dium oder Legierungen derselben auf. Die Art der Beschichtung für die Kontaktanschlussflächen hängt von dem Material der Bonddrähte ab und wird entsprechend den Bonddrähten ange- passt. In einer weiteren Ausführungsform ist es vorgesehen, dass die Stoffschlüssige Verbindung zwischen der Rückseite der Metall¬ platte und den Kontaktflächen einen leitenden Klebstoff auf¬ weist. Diese Lösung hat den Vorteil, dass der leitende Kleb- Stoff großflächig auf die Vielzahl der wenige Quadratmikrome¬ ter großen Kontaktflächen auf der Oberseite des Halbleiter- chips aufgetragen werden kann, ohne bereits lokal einen Bond¬ kompressionsdruck auszuüben. Außerdem kann für diese stoff- schlüssige Verbindung zwischen der Rückseite der Metallplatte und der Vielzahl von Kontaktflächen auch eine eutektische Lotverbindung oder eine Diffusionslotverbindung vorgesehen werden. Dazu werden die entsprechenden Komponenten einer eu- tektischen Lotverbindung bzw. einer Diffusionslotverbindung, sowohl auf die Rückseite der Metallplatte als auch auf die gesamte Oberfläche des Halbleiterchips unter Freilassung von Kontaktflächen, die nicht parallel zusammenzuschalten sind, aufgebracht. Hier besteht der Vorteil darin, dass sowohl die eutektische Lotverbindung als auch die Diffusionslotverbin- dung gleichzeitig für eine Vielzahl von Kontaktflächen durch- geführt werden kann.
Die Gestaltung der Außenanschlüsse ist relativ variabel. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ragen die Au¬ ßenanschlüsse aus einer Kunststoffgehäusemasse auf dem Niveau der Unterseite des Leistungshalbleiterbauteils seitlich her¬ aus. Das hat den Vorteil, dass die Kunststoffgehäusemasse diese herausragenden Außenanschlüsse über entsprechende In- nenflachleiter im Kunststoffgehäuse mechanisch fixieren und verankern kann. Bei alternativen Ausführungsformen der Erfin- düng sind die Außenanschlüsse auf der Unterseite, z.B. in
Form von BGA-Anordnungen (Ball Grid Array) , angeordnet. Bei anderen Gehäuseformen ist es vorgesehen, dass Außenanschlüsse sowohl auf der Unterseite als auch auf den Randseiten ange¬ ordnet sind.
Vorzugsweise entspricht die Struktur des Leistungshalbleiter- bauteils einem "COOL-MOS"-Leistungshalbleiterelement. Derar¬ tige "COOL-MOS"-Leistungshalbleiterelemente zeichnen sich durch ihre hohe Spannungsfestigkeit bei gleichzeitig hoher zulässiger Stromdichte aus.
Ein Verfahren zur Herstellung eines Leistungshalbleiterbau¬ teils aus mehreren Bauteilkomponenten weist die nachfolgenden Verfahrensschritte auf. Zunächst wird ein Halbleiterchip her¬ gestellt. Dieser Halbleiterchip weist auf seiner Oberseite eine Vielzahl von Kontaktflächen auf, die zu einer gemeinsa- men Oberseitenelektrode gehören. Ferner weist der Halbleiter¬ chip eine Rückseite auf, auf der ein Rückseitenkontakt als Gegenelektrode angeordnet ist.
Zur Aufnahme des Halbleiterchips kann entweder ein Flachlei- terrahmen oder eine Platine hergestellt werden. Diese weisen mindestens eine Chipinsel auf, welche mit einem ersten Außen- anschluss verbunden ist. Ferner weisen sie Kontaktanschluss¬ flächen für Bondverbindungen auf, welche mit mindestens einem zweiten Außenanschluss elektrisch in Verbindung stehen. Nach dem Herstellen des Flachleiterrahmens bzw. einer Platine kann der Halbleiterchip mit seiner Rückseite auf der Chipinsel fi¬ xiert werden und wird somit mit dem ersten Außenanschluss des Leistungshalbleiterbauteils verbunden.
Anschließend wird ein Stoffschlüssiges Verbinden einer Me¬ tallplatte als gemeinsame Oberseitenelektrode mit der Viel¬ zahl der Kontaktflächen auf der Oberseite des Halbleiterchips Stoffschlüssig verbunden. Mit dieser Stoffschlüssigen Verbin- dung wird aus einer Vielzahl von Kontaktflächen durch die Me¬ tallplatte eine gemeinsame Oberseitenelektrode für den Halb¬ leiterchip geschaffen, die in ihrer flächigen Erstreckung un¬ abhängig von dem Halbleiterchip ist. Auf der Oberseite dieser Metallplatte werden nun mehrere Bondverbindungen angebracht, welche die Metallplatte mit Kontaktanschlussflachen des zwei¬ ten Außenanschlusses verbinden. Abschließend werden die Bau- teilkomponenten in einer Kunststoffgehäusemasse unter Frei¬ lassen der Außenanschlüsse verbunden.
Mit einem derartigen Verfahren kann vorzugsweise eine Leis- tungshalbleiterdiode mit einer Kathode als ersten Außenan- schluss und einer Anode als zweiten Außenanschluss herge¬ stellt werden. Während die Kathode über die Rückseite des Halbleiterchips mit dem ersten Außenanschluss verbunden ist, steht die Anode mit der Metallplatte in Verbindung und ist über eine Mehrzahl von Bonddrähten mit dem entsprechenden Au¬ ßenanschluss verbunden. Die Oberfläche der Metallplatte ist für eine sichere Bondverbindung entscheidend. Dazu ist die Metallplatte eine frei tragende Platte, sodass auch Bondver¬ bindungen außerhalb der flächigen Erstreckung des Halbleiter¬ chips möglich werden. Somit kann eine erhöhte Stromdichte, wie sie in einem verkleinerten Halbleiterchip auftritt den¬ noch mit entsprechend vielen Bondverbindungen dem zweiten Au- ßenanschluss hergestellt werden.
Die Zuverlässigkeit der Bondverbindung kann weiter dadurch erhöht werden, dass in einem Verfahrensbeispiel die Metall¬ platte selektiv oder insgesamt mit einer mehrlagigen metall- diffusionshemmenden Beschichtung für Bondverbindungen mit den nachfolgenden Verfahrensschritten beschichtet wird. Zunächst wird die Oberseite der Metallplatte mittels Rücksputtern oder Trockenätzen gereinigt. Anschließend wird eine erste untere Lage aus Titan oder einer Titanlegierung auf die Metallplatte zur Verbesserung der Haftvermittlung aufgebracht. Danach wird die eigentliche metalldiffusionshemmende Lage als zweite mittlere Lage aus Nickel, Vanadium oder Legierungen derselben auf die Haftvermittlungslage aufgebracht. Schließlich wird eine dritte obere Lage aus Gold, Silber, Aluminium, Palladium oder Legierungen derselben als Haftvermittler und/oder als Metallverbinder für entsprechende Bonddrähte aufgebracht.
Dieses Aufbringen der ersten bis dritten Lage kann auch se¬ lektiv erfolgen, indem nur an den Positionen die drei Metall¬ lagen aufgebracht werden an denen anschließend Bonddrähte mit der Metallplatte verbunden werden. Ein selektives Aufbringen der Lagen kann mittels Photolithographie erfolgen. Ein derar- tiges selektives Aufbringen der Lagen kann auch mittels
Drucktechnik erfolgen, wobei eine Siebdrucktechnik und/oder eine Schablonendrucktechnik bevorzugt werden. Doch lässt sich auch selektiv durch eine Strahldrucktechnik das Aufbringen der Lagen verwirklichen. Wenn kein selektives Aufbringen er- folgt, können die Bondverbindungen auf der Metallplatte be¬ liebig verteilt werden.
Die Kontaktanschlussflächen auf entsprechenden Innenflachlei- tern oder auf einer entsprechenden Verdrahtungsstruktur einer Leiterplatte können zur Verbesserung der Bondmöglichkeit mit einer Gold- und/oder Aluminiumlegierung beschichtet werden. Das hat den Vorteil, dass die aufgebondeten Drähte aus einer Aluminium- bzw. Goldlegierung eine eutektische Verbindung eingehen können, deren Schmelzpunkt niedriger als die Schmelzpunkte von Gold bzw. Aluminium sind.
Noch vor einem Verpacken der Leistungshalbleiterbauteilkompo- nenten in eine Kunststoffgehäusemasse kann auf die Rückseite der Chipinsel ein Wärmeleitungsblock aufgebracht werden, der gleichzeitig auch den ersten Außenanschluss bildet. Das hat den Vorteil, dass die Ableitung von Wärme von der Rückseite des Halbleiterchips für das Leistungshalbleiterbauteil ver- bessert wird. Die Lebensdauer des Leistungshalbleiterbauteils kann somit erheblich verlängert werden bzw. spezifische Wer¬ te, wie bspw. die Verlustleistung können entsprechend erhöht werden, ohne das Bauteil zu schädigen und ohne die Lebensdau¬ er des Leistungshalbleiterbauteils zu vermindern.
Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Figuren näher erläutert .
Figur 1 zeigt schematisch eine perspektivische Ansicht von Komponenten eines Leistungshalbleiterbauteils einer ersten Ausführungsform der Erfindung vor einem Verpa¬ cken in eine Kunststoffgehäusemasse;
Figur 2 zeigt einen schematischen Querschnitt durch das Leis- tungshalbleiterbauteil der ersten Ausführung gemäß
Figur 1;
Figur 3 zeigt eine schematische, perspektivische Ansicht von
Komponenten eines Leistungshalbleiterbauteils einer zweiten Ausführungsform der Erfindung vor einem Ver¬ packen in eine Kunststoffgehäusemasse;
Figur 4 zeigt einen schematischen Querschnitt durch das Leis¬ tungshalbleiterbauteil der ersten Ausführungsform der Erfindung gemäß Figur 3 ;
Figuren 5 bis 8 zeigen schematische, perspektivische Ansich¬ ten vom Zusammenbau der Komponenten eines Leistungs- halbleiterbauteils gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung;
Figur 5 zeigt eine schematische, perspektivische Ansicht ei- nes Wärmeleitungsblocks mit Chipinsel und aufgebrach¬ tem Halbleiterchip;
Figur 6 zeigt eine schematische, perspektivische Ansicht ge¬ mäß Figur 5 nach Aufbringen eines Stoffschlüssigen Materials auf die aktive Oberseite des Halbleiter¬ chips;
Figur 7 zeigt eine schematische, perspektivische Ansicht ge¬ mäß Figur 6 nach Aufbringen einer Metallplatte als Oberseitenelektrode auf die aktive Oberseite des
Halbleiterchips;
Figur 8 zeigt eine schematische, perspektivische Ansicht ge¬ mäß Figur 7 nach Aufbringen von Bondanschlüssen auf die Metallplatte entsprechend der Ausführungsform nach Figur 1.
Figur 1 zeigt eine schematische, perspektivische Ansicht von Komponenten eines Leistungshalbleiterbauteils einer ersten Ausführungsform der Erfindung vor einem Verpacken der Kompo¬ nenten in einer Kunststoffgehäusemasse. Die Komponenten sind in dieser Ausführungsform der Erfindung auf einem Wärmelei¬ tungsblock 20 aufgebaut, der gleichzeitig als Drainauße- nanschluss 19 ausgebildet ist und einen Teil der Unterseite 22 'des Leistungshalbleiterbauteils bildet. Dieser Wärmelei¬ tungsblock 20 ist über eine Chipinsel 9 mit der Rückseite 7 des Halbleiterchips 2 verbunden. Somit ist der Halbleiterchip 2 über einen Rückseitenkontakt 8 auf seiner Rückseite 7 und die Chipinsel 9 und den Wärmeleitungsblock 20 mit dem Drai- naußenanschluss 19 elektrisch verbunden.
Auf der Oberseite 3 des Halbleiterchips 2 ist eine Gatekon- taktfläche 6 angeordnet, die über eine Bondverbindung 26 zu einem Gateaußenanschluss geführt wird. Diese Gatekontaktflä¬ che 6 steht über nicht gezeigte Leiterbahnen auf der Obersei¬ te 3 des Halbleiterchips 2 mit einer Vielzahl von Gatee¬ lektroden des vertikalen Leistungshalbleiterbauteils in Ver- bindung. Da das Gate eines derartigen Leistungshalbleiterbau¬ teils potenzialgesteuert ist, sind die Schaltströme relativ gering, sodass eine einzelne Bondverbindung 26 die Versorgung der Gateelektroden sicherstellen kann.
Im Gegensatz dazu ist der über die Sourceelektroden zu schal¬ tende Gesamtstrom zwischen Source und Drain wesentlich grö¬ ßer, sodass eine Vielzahl von Bondverbindungen 14 erforder¬ lich ist, um den Source-Drain-Strom zu führen. Die wenige quadratmikrometergroßen Sourceelektroden auf der Oberseite 3 des Halbleiterchips 2 werden durch eine Metallplatte 10 zu einer gemeinsamen Oberseitenelektrode 30 parallel geschaltet. Diese Metallplatte 10 ist in dieser Ausführungsform in ihrer flächigen Erstreckung größer als die aktive Oberseite 3 des Halbleiterchips 2. Im Prinzip kann somit eine Oberseiten- elektrode 30 geschaffen werden, deren flächige Erstreckung unabhängig von der flächigen Erstreckung der Oberseite 3 des Halbleiterchips 2 ist.
Während die Rückseite 12 der Metallplatte 10 mit der Vielzahl der Sourceelektroden verbunden ist, sind auf der Oberseite 11 der Metallplatte 10 mehrere Bondanschlüsse 36 angeordnet, die in Bondverbindungen 14 übergehen und die als Oberseitenelekt¬ rode 30 ausgebildete Metallplatte 10 mit Strom versorgen. Durch diese Metallplatte 10 wird einerseits eine gleichmäßige Verteilung der Stromdichte von den diskreten Bondverbindungen 14 zu der Vielzahl von Sourceelektroden geschaffen, sodass Stromspitzen, die zu thermischer Überhitzung führen könnten, vermieden werden. Somit sorgt die Metallplatte 10 für eine thermische und auch für eine elektrische Gleichverteilung der Energieströme in den Halbleiterchip hinein.
Figur 2 zeigt einen schematischen Querschnitt durch das Leis- tungshalbleiterbauteil 1 der ersten Ausführungsform der Er¬ findung gemäß Figur 1. Dieser Querschnitt verdeutlicht, dass die in Figur 1 gezeigten Komponenten nun in einer Kunststoff- gehäusemasse 21 verpackt sind. Ferner wird der Aufbau des er¬ findungsgemäßen Leistungshalbleiterbauteils 1 im Detail ge- zeigt.
Der Wärmeleitungsblock 20 bildet den Drainaußenanschluss 19 und gleichzeitig einen Teil der Unterseite 22 des Leistungs- halbleiterbauteils 1. Auf gleichem Niveau werden seitlich aus dem Halbleiterbauteil 1 ein Gateaußenanschluss 18 und ein Sourceaußenanschluss 15 herausgeführt, die ihrerseits mit entsprechenden Innenflachleitern 16 in Verbindung stehen. Auf den Innenflachleitern 16 sind Beschichtungen 24 als Kontakt¬ anschlussflächen 13 angeordnet, wobei diese Beschichtungen 24 aus einem bondbaren Material, vorzugsweise aus einer Silber¬ legierung, bestehen. Im Falle des Gateaußenanschlusses 18 ist dieser über den Innenflachleiter 16, die Beschichtung 24 und die Bondverbindung 26 mit der Gatekontaktfläche 6 auf der ak¬ tiven Oberseite 3 des Halbleiterchips 2 verbunden.
Im Falle des Sourceaußenkontaktanschlusses 15 ist dieser über einen Innenflachleiter 16, eine Beschichtung 24 und eine Kon¬ taktanschlussfläche 13 über eine Mehrzahl von Bondverbindun- gen 14 mit der Metallplatte 10 verbunden, wobei diese Metall¬ platte 10 eine mehrlagige nicht gezeigte metalldiffusionshem- mende Beschichtung aufweist, die dafür sorgt, dass das Me¬ tallmaterial der Bondverbindungen 14 nicht durch Diffusions- Vorgänge des Metallmaterials der Metallplatte 10 versprödet. Außerdem fördert die mehrlagige Beschichtung der Metallplatte 10 den Bondvorgang. Die Metallplatte 10 ist über eine Stoff- schlüssige Verbindung 25 mit der Vielzahl von Sourcekon- taktflächen 5 auf der Oberseite 3 des Halbleiterchips 2 ver- bunden. Außerdem ist die Rückseite 7 des Halbleiterchips 2 über eine Beschichtung 23 mit der Oberseite 34 des Wärmelei¬ tungsblocks 20 und damit mit dem Drainaußenanschluss 19 e- lektrisch verbunden.
Figur 3 zeigt eine schematische, perspektivische Ansicht von Komponenten eines Leistungshalbleiterbauteils einer zweiten Ausführungsform der Erfindung vor einem Verpacken der Kompo¬ nenten in einer Kunststoffgehäusemasse. Komponenten mit glei¬ chen Funktionen, wie in den vorhergehenden Figuren, werden mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und nicht extra erörtert.
Bei dieser Ausführungsform der Erfindung bilden die Komponen¬ ten eine vertikale Leistungshalbleiterdiode. Der gemeinsame Oberseitenkontakt 30 in Form einer Metallplatte 10 bildet die Anode 27, die sich auf der Oberseite 3 des Halbleiterchips 2 aus einer Vielzahl von Anodenelektroden zusammensetzt. Diese Anodenelektroden von wenigen Quadratmikrometern Größe werden über die gemeinsame Oberseitenelektrode 30 in Form der Me- tallplatte 10 parallel geschlossen, sodass eine Mehrzahl von
Bondverbindungen 14 den Diodenstrom führen kann. Die Bondver¬ bindungen 14 stehen über Bondanschlüsse 36 mit der Metall¬ platte 10 in elektrischem Kontakt. Die Kathode 28 dieser Leistungshalbleiterdiode wird von der Rückseite 7 des Halb¬ leiterchips 2 gebildet und steht über einen Rückseitenkontakt 8 mit einer Chipinsel 9 elektrisch in Verbindung, die in ei¬ nen Wärmeleitungsblock 20 übergeht. Der Wärmeleitungsblock 20 ist seinerseits mit einem Außenflachleiter 17 als Kathodenan- schluss 37 verbunden und bildet eine Gegenelektrode 29 zu der Oberseitenelektrode 30.
Figur 4 zeigt einen schematischen Querschnitt durch das ver- tikale Leistungshalbleiterbauteil 40 der zweiten Ausführungs¬ form der Erfindung gemäß Figur 3. Die Vielzahl von Anoden¬ elektroden 38 bilden Kontaktflächen 4 auf der Oberseite des Halbleiterchips 2 und werden zu einer gemeinsamen Oberseiten¬ elektrode 30 durch die Metallplatte 10 zusammengeschaltet . Dazu weist die Unterseite 12 der Metallplatte 10 eine stoff¬ schlüssige Verbindung 25 mit den Kontaktflächen 4 auf. Diese stoffschlüssige Verbindung 25 kann ein leitender Klebstoff sein oder eine eutektische Lotverbindung oder auch eine Dif¬ fusionslotverbindung.
Die Metallplatte 10 kann als gemeinsame Oberseitenelektrode 30 über die stoffschlüssige Verbindung 25 mit der Vielzahl von Anodenelektroden 38 verbunden werden. Auf der Oberseite 11 der Metallplatte 10 sind eine Mehrzahl von Bondanschlüssen 36 angeordnet, die über Bonddrähte 33 und entsprechende Kon¬ taktanschlussflächen 13 mit einem Innenflachleiter 16 verbun¬ den sind, der zu einem Außenflachleiter 17 übergeht und einen zweiten Außenanschluss 32 bildet, der mit der Anode 27 des vertikalen Leistungshalbleiterbauteils 40 verbunden ist. Der Wärmeleitungsblock 20 geht unmittelbar in einen ersten Außen¬ anschluss 31 über, der als Außenflachleiter 17 ausgebildet ist und eine Bohrung 39 aufweist, mit dem die Kathode 28 der vertikalen Leistungshalbleiterdiode, bspw. mit einem Massepo¬ tenzial, verbunden werden kann.
Die Figuren 5 bis 8 zeigen schematische, perspektivische An- sichten vom Zusammenbau der Komponenten eines vertikalen
Leistungshalbleiterbauteils gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung.
Figur 5 zeigt eine schematische, perspektivische Ansicht ei- nes Wärmeleitungsblocks 20 mit Chipinsel 9 und aufgebrachtem Halbleiterchip 2. Dieser Halbleiterchip 2 ist mit seiner Rückseite 7 über einen Rückseitenkontakt 8 mit der Chipinsel 9 verbunden. Auf seiner Oberseite 3 weist der Halbleiterchip 2 eine Vielzahl von Sourceelektroden auf, die wenige Quadrat- mikrometer groß sind. Ferner weist die Oberseite 3 eine ein¬ zelne Gatekontaktfläche 6 auf, über die eine Vielzahl von Ga¬ teelektroden auf der Oberseite 3 des Halbleiterchips 2 er¬ reichbar sind.
Figur 6 zeigt eine schematische, perspektivische Ansicht ge¬ mäß Figur 5 nach Aufbringen eines Stoffschlüssigen Materials 35 auf die aktive Oberseite 3 des Halbleiterchips 2. Dieses Stoffschlüssige Material 35 wird nur auf den Bereich der O- berseite 3 des Halbleiterchips 2 aufgebracht, der die Source- kontaktflächen 5, wie sie in Figur 2 gezeigt werden, auf¬ weist. Dieses Stoffschlüssige Material 35 kann ein Leitkleber oder ein Lotmaterial sein.
Figur 7 zeigt eine schematische, perspektivische Ansicht ge- maß Figur 6 nach Aufbringen einer Metallplatte 10 als Ober¬ seitenelektrode 30 auf die aktive Oberseite 3 des Halbleiter¬ chips 2. Die Metallplatte 10 bedeckt fast vollständig die O- berseite 3 des Halbleiterchips 2 und lässt lediglich in einer Aussparung 41 einen Zugriff auf die Gatekontaktfläche 6 zu. Die selbsttragende Metallplatte 10 ist größer als die Ober¬ seite 3 des Halbleiterchips 2 und kann somit eine Mehrzahl von Bondanschlüssen aufnehmen.
Figur 8 zeigt eine schematische, perspektivische Ansicht ge¬ mäß Figur 7 nach Aufbringen von Bondanschlüssen 36 auf die Metallplatte 10 entsprechend der ersten Ausführungsform der Erfindung gemäß Figur 1. Komponenten mit gleichen Funktionen, wie in den vorhergehenden Figuren, werden mit gleichen Be¬ zugszeichen gekennzeichnet und nicht extra erörtert. Eine de¬ taillierte Beschreibung der Figur 8 erübrigt sich, da diese Ausführungsform der Erfindung exakt der Darstellung der Figur 1 entspricht.

Claims

Patentansprüche
1. Vertikales Leistungshalbleiterbauteil mit einem Halblei¬ terchip (2), der eine Vielzahl von auf der Oberseite (3) verteilten Kontaktflächen (4) einer gemeinsamen Obersei¬ tenelektrode (30) und auf der Rückseite (7) eine Gegen¬ elektrode (29) mit einem ersten Außenanschluss (31) des Leistungshalbleiterbauteils (1) aufweist, wobei die O- berseite (3) des Halbleiterchips (2) eine Metallplatte (10) aufweist, deren Unterseite (12) mit den Kontaktflä¬ chen (4) der Oberseitenelektrode (30) Stoffschlüssig verbunden ist und wobei eine der Unterseite (12) gegenü¬ berliegende Oberseite (11) der Metallplatte (10) Bond¬ verbindungen (14) zu Kontaktanschlussflächen (13) auf- weist, die mit mindestens einem gemeinsamen zweiten Au¬ ßenanschluss (32) des Leistungshalbleiterbauteils (1) elektrisch in Verbindung stehen.
2. Leistungshalbleiterbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass der zweite Außenanschluss (32) einen kammförmigen Flach¬ leiter aufweist, dessen Kammzinken Innenflachleiter (16) mit Kontaktanschlussflächen (13) für Bondverbindungen (14) aufweisen und dessen Kammrücken einen Außenflach- leiter (17) als zweiten Außenanschluss (32) bildet.
3. Leistungshalbleiterbauteil nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , dass die flächige Erstreckung der Metallplatte (10) größer als die flächige Erstreckung des Halbleiterchips (2) ist.
4. Leistungshalbleiterbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass der erste Außenanschluss (31) eine Kathode (28) eines Halbleiterchips (2) mit vertikal strukturierter Leis¬ tungsdiode und der zweite Außenanschluss (32) eine Anode (27) des Halbleiterchips (2) mit vertikal strukturierter Leistungsdiode ist.
5. Leistungshalbleiterbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass der erste Außenanschluss (31) ein Drainaußenanschluss (19) eines Halbleiterchips (2) mit vertikal strukturier- ten MOS-Elementen und der zweite Außenanschluss (32) ein Sourceaußenanschluss (15), der über mehrere Bondverbin¬ dungen (14) und über die Metallplatte (10) mit einer Vielzahl von auf der Oberseite (3) des Halbleiterchips (2) verteilten Sourcekontaktflachen (5) des Halbleiter- chips (2) elektrisch in Verbindung steht.
6. Leistungshalbleiterbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass das Leistungshalbleiterbauteil (1) mindestens einen wei¬ teren Außenanschluss als Gateaußenanschluss (18) auf¬ weist, der über mindestens eine Bondverbindung (26) mit einer Gatekontaktfläche (6) auf der Oberseite (3) des Halbleiterchips (2) elektrisch in Verbindung steht.
7 . Leistungshalbleiterbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s der Halbleiterchip (2) mit seiner Rückseite (7) auf ei¬ nem Wärmeleitungsblock (20) angeordnet ist, der den ers¬ ten Außenanschluss (31) des Leistungshalbleiterbauteils (1) bildet.
8. Leistungshalbleiterbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass der Halbleiterchip (2) auf seiner Rückseite (7) eine lötbare Metallisierung aufweist, die eine Lötung auf ei¬ ner Chipinsel (9) einer Platine oder einer Flachleiter¬ struktur ermöglicht.
9. Leistungshalbleiterbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass zwischen der Metallplatte (10) und den Bondverbindungen (14) eine metalldiffusionshemmende mehrlagige Beschich- tung angeordnet ist.
10. Leistungshalbleiterbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass die metalldiffusionshemmende Beschichtung als eine unte- re Lage eine Schicht aus Titan oder aus einer Titanle¬ gierung aufweist.
11. Leistungshalbleiterbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass die metalldiffusionshemmende Beschichtung als mittlere Schicht eine Schicht aus Titan, Nickel, Vanadium oder Legierungen derselben aufweist.
12. Leistungshalbleiterbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass die metalldiffusionshemmende Beschichtung als oberste
Lage eine Schicht aus Gold, Silber, Aluminium, Palladium oder Legierungen derselben aufweist.
13. Elektronisches Leistungshalbleiterbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass die Bondverbindungen (14) Bonddrähte (33) aus Gold, Alu¬ minium, Palladium oder Legierungen derselben aufweisen.
14. Leistungshalbleiterbauteil nach einem der Ansprüche 2 bis 13, dadurch gekennzeichnet , dass die Kontaktanschlussflächen (13) auf Innenflachleiter (16) oder auf einer Verdrahtungsstruktur einer Platine eine Beschichtung (24) aus Silber oder einer Silberle¬ gierung aufweisen.
15. Leistungshalbleiterbauteil nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass die Stoffschlüssige Verbindung (25) zwischen der Unter¬ seite (12) der Metallplatte (10) und den Kontaktflächen (4) einen leitenden Klebstoff aufweist.
16. Leistungshalbleiterbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass die stoffschlüssige Verbindung (25) zwischen der Unter- Seite (12) der Metallplatte (10) und den Kontaktflächen (4) eine eutektische Lotverbindung oder eine Diffusions- lotverbindung aufweist.
17. Leistungshalbleiterbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass die Außenanschlüsse (17) aus einer Kunststoffgehäusemas- se (21) auf dem Niveau der Unterseite (22) des Leis- tungshalbleiterbauteils (1) seitlich herausragen.
18. Leistungshalbleiterbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass Außenanschlüsse (17) auf der Unterseite (22) und/oder den Randseiten des Leistungshalbleiterbauteils (1) ange¬ ordnet sind.
19. Leistungshalbleiterbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass der Aufbau und die Struktur des Leistungshalbleiterbau¬ teils (1) einem „COOL-MOS" - Leistungshalbleiterelement entspricht.
20. Verfahren zur Herstellung eines Leistungshalbleiterbau¬ teils (1) aus mehreren Bauteilkomponenten, das folgende Verfahrensschritte aufweist:
Herstellen eines Halbleiterchips (2) , der auf sei- ner Oberseite (3) eine Vielzahl von Kontaktflächen
(4) einer gemeinsamen Oberseitenelektrode (30) auf¬ weist und dessen Rückseite (7) einen Rückseitenkon¬ takt (8) aufweist; Herstellen eines Flachleiterrahmens oder einer Pla¬ tine mit einer Chipinsel (9), die mit einem ersten Außenanschluss (31) verbunden ist, und mit Kontakt- anschlussflachen (13) für Bondverbindungen (14), die mit mindestens einem zweiten Außenanschluss
(32) elektrisch in Verbindung stehen; Fixieren des Halbleiterchips (2) mit seiner Rück¬ seite (7) auf der Chipinsel (9); Stoffschlüssiges Verbinden einer Metallplatte (10) als gemeinsame Oberseitenelektrode (30) mit der
Vielzahl der Kontaktflächen (4) auf der Oberseite (3) des Halbleiterchips (2);
Herstellen von mehreren Bondverbindungen (14) zwi¬ schen der Oberseite (11) der Metallplatte (10) und Kontaktanschlussflächen (13) des zweiten Außenan¬ schlusses (32) ;
Verpacken der Bauteilkomponenten in einer Kunst¬ stoffgehäusemasse (34) unter Freilassen der Außen¬ anschlüsse (17) .
21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet , dass die Metallplatte (10) selektiv mit einer mehrlagigen me- talldiffusionshemmenden Beschichtung für Bondverbindun- gen mit folgenden Verfahrensschritten beschichtet wird: Reinigen der Oberseite (11) der Metallplatte (10) mittels Rücksputtern oder Trockenätzen; selektives Aufbringen einer ersten unteren Lage aus Titan oder einer Titanlegierung als Haftvermittler auf die Metallplatte (10) ; selektives Aufbringen einer zweiten mittleren Lage aus Nickel, Vanadium, oder Legierungen derselben als metalldiffusionshemmende Lage auf die Haftver¬ mittlerlage; selektives Aufbringen einer dritten oberen Lage aus Gold, Silber, Aluminium, Palladium oder Legierungen derselben als Haftvermittler oder Metallverbinder zu entsprechenden Bonddrähten (33) .
22. Verfahren nach Anspruch 20 oder Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet , dass das selektive Aufbringen der Lagen mittels Photolitho¬ graphietechnik erfolgt.
23. Verfahren nach Anspruch 20 oder Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet , dass das selektive Aufbringen der Lagen mittels Drucktechnik erfolgt.
24. Verfahren nach Anspruch 20 oder Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet , dass das selektive Aufbringen der Lagen mittels Siebdruck o- der Schablonendruck erfolgt.
25. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 24, dadurch gekennzeichnet , dass die Kontaktanschlussflächen (13) vor einem Aufbringen eines Halbleiterchips (2) mit einer Gold- und/oder Alu¬ miniumlegierung beschichtet werden.
26. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Verpacken zu Leistungshalbleiterbauteilen (1) auf die Rückseite der Chipinsel (9) ein Wärmeleitungs- block (20) aufgebracht wird, der gleichzeitig als erster Außenanschluss (31) dient.
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