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Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Leistungshalbleiterbauteil mit mindestens einem auf einem Flachleiterrahmen angeordneten Leistungshalbleiterchip, der mit seiner Rückseite auf einen als Chippad vorgesehenen Bereich des Flachleiterrahmens gelötet ist.

Solche Leistungshalbleiterbauteile weisen extrem niedrige elektrische Widerstände von beispielsweise weniger als 2 m&OHgr; und hohe Verlustleistungen auf. Problematisch ist bei diesem Bauteilen, die flächige Lotverbindung in der gewünschten, gleichmäßigen Dicke einzustellen. Kleine Abweichungen von der angestrebten Dicke oder auch Verkippungen des Halbleiterchips, die zu lokalen Variationen in der Dicke führen, bedingen verhältnismäßig starke Schwankungen im Widerstand des Bauteils. Lokale Schwankungen in der Schichtdicke führen darüber hinaus zu unerwünschten lokalen Schwankungen im elektrischen und thermischen Widerstand. Durch Verkippungen des Leistungshalbleiterchips und durch zu dünne Lotschichten kommt es zu Rissen in der Lotschicht, die besonders während des Temperaturzykelns auftreten und die zu Zuverlässigkeitsproblemen des Bauteils führen.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Leistungshalbleiterbauteil anzugeben, das besonders zuverlässig ist und das einen geringen und über die gesamte Rückseite des Leistungshalbleiterchips konstanten elektrischen und thermischen Widerstand aufweist.

Darüber hinaus ist es eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Leistungshalbleiterbauteils anzugeben.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit dem Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.

Ein erfindungsgemäßes Leistungshalbleiterbauteil weist mindestens einen auf einem als Chippad vorgesehenen Bereich eines Flachleiterrahmens angeordneten Leistungshalbleiterchip auf. Der Leistungshalbleiterchip ist über eine Lotverbindung beziehungsweise eine Lotschicht mit dem Chippad verbunden. Die Lotschicht weist kugelförmige Abstandshalter mit einer elektrisch leitenden Oberfläche und einem Durchmesser d mit d ≤ 45 &mgr;m auf.

Gemäß einem der Erfindung zugrunde liegenden Gedanken ist ein über die gesamte Rückseite des Leistungshalbleiterchips konstanter elektrischer und thermischer Widerstand gleichzeitig mit einer besonders zuverlässigen Lotschicht dadurch zu erreichen, dass eine definierte Dicke der Lotschicht sichergestellt wird. Die Lotschicht sollte also weder zu dick noch zu dünn und auch nicht ungleichmäßig dick sein, also möglichst keine lokalen Dickevariationen aufweisen. Durch die in dem Lotgut verteilten kugelförmigen Abstandshalter wird eine gleichmäßige Mindestdicke der Schicht gewährleistet. Das Eigengewicht des Leistungshalbleiterchips und gegebenenfalls ein leichter Druck, der den Leistungshalbleiterchip während des Lötprozesses gegen das Chippad drückt, stellen eine Maximaldicke der Schicht sicher.

Bei ausreichendem Eigengewicht der Leistungshalbleiterchips bzw. ausreichendem Druck entspricht die Maximaldicke dann im Prinzip der gleichmäßigen Minimaldicke, so dass die Lotschicht über die gesamte Rückseite des Leistungshalbleiterchips eine gleichmäßige Dicke, nämlich die Dicke, die dem Durchmesser der Abstandshalter entspricht, aufweist.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung sind als kugelförmige Abstandshalter metallische Kugeln vorgesehen, die Kupfer, Nickel, Silber, Zinn, Gold und/oder Palladium und/oder Legierungen aus diesen Metallen aufweisen. Bei einer alternativen Ausführungsform sind als kugelförmige Abstandshalter keramische Kugeln vorgesehen, die eine metallische Oberfläche aufweisen. Bei einer weiteren alternativen Ausführungsform sind als kugelförmige Abstandshalter Polymerkugeln vorgesehen, die eine metallische Oberfläche aufweisen.

Durch die metallischen Oberflächen der Abstandshalter ist eine gute elektrische Leitfähigkeit der Lotschicht sichergestellt. Die Verwendung von Polymerkugeln hat den Vorteil, dass diese verhältnismäßig elastisch sind und daher eine Pufferfunktion übernehmen und mechanische Spannungen in der Lotschicht bis zu einem gewissen Grad ausgleichen können, was die Zuverlässigkeit des Bauteils erhöht und Rissen in der Lotschicht vorbeugt. Die Verwendung von Keramikkugeln dagegen hat den Vorteil, dass diese eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit aufweisen, was insbesondere bei Leistungshalbleiterbauteilen vorteilhaft ist.

Die keramischen Kugeln weisen vorteilhafterweise einen Kern aus mindestens einem der Materialien SiO2, Al2O3, TiO2, ZrO2, MgO, BeO, Y2O3, AlN, BN, Si3N4 auf. Besonders vorteilhaft sind Keramiken wie MgO, deren thermische Ausdehnungskoeffizient nahe dem des Flachleiterrahmens liegt.

Die Polymerkugeln weisen vorteilhafterweise einen Kern aus mindestens einem der Materialien PI, PEEK, PAEK, PTFE, SI auf. Diese Polymere sind ausreichend temperaturbeständig, um auch verhältnismäßig hohe Löttemperaturen von mehr als 300°C kurzzeitig überstehen können ohne aufzuschmelzen. Es sind auch andere hochtemperaturbeständige Thermoplaste denkbar.

Die metallische Oberfläche der Keramik- oder Polymerkugeln weist vorteilhafterweise Kupfer, Nickel, Silber, Zinn, Gold und/oder Palladium und/oder Legierungen aus diesen Metallen auf, die mit dem Zinn des Lotguts beim Verlöten reagieren und intermetallische Phasen ausbilden können.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat den Vorteil, dass eine verhältnismäßig geringe Dicke d der Lotschicht sozusagen automatisch eingestellt wird. Dabei kann die Dicke in einem engen Bereich so gewählt werden, dass ihr elektrischer und thermischer Widerstand möglichst klein ist, weil Schichtdicke nicht unnötig groß ist. Ein kleiner thermischer und elektrischer Widerstand sind besonders bei Leistungshalbleiterbauteilen sehr wichtig. Gleichzeitig kann aber durch die Verwendung der Abstandshalter auch gewährleistet werden, dass die Schichtdicke ausreichend groß ist für eine gute Zuverlässigkeit des Leistungshalbleiterbauteils.

Nach der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren zur Herstellung eines Leistungshalbleiterbauteils folgende Schritte: Zunächst wird ein Halbleiterchip mit einer aktiven Oberseite und einer metallisierten Rückseite bereitgestellt. Ferner wird ein Flachleiterrahmen mit einem als Chippad oder Chipinsel vorgesehenen Bereich bereitgestellt. Auf das Chippad wird ein Lotgut aufgebracht, wobei in dem Lotgut im Wesentlichen kugelförmige Abstandshalter mit einer elektrisch leitenden Oberfläche und einem Durchmesser d mit d ≤ 45 &mgr;m verteilt sind. Der Leistungshalbleiterchip wird auf das Chippad unter Verlöten mit dem Chippad aufgebracht, wobei sich eine Lotschicht der Dicke d ausbildet.

Während des Verlötens des Leistungshalbleiterchips mit dem Chippad wird auf die Oberseite des Leistungshalbleiterchips vorteilhafterweise ein Druck ausgeübt, der ausreichend ist, um ein Aufschwimmen des Halbleiterchips auf dem verflüssigten Lot und ein Verkippen zu verhindern und gleichzeitig sicherzustellen, dass sich eine Lotschicht mit der definierten Dicke d ausbildet, die dem Durchmesser der kugelförmigen Abstandshalter entspricht. Das Lotgut weist vorteilhafterweise Zinn auf.

Das Lotgut kann in Form einer Lotpaste, einer Lotfolie oder eines Lotpulvers vorliegen und aufgebracht werden.

In einer Ausführungsform werden als kugelförmige Abstandshalter metallische Kugeln verwendet, die Kupfer, Nickel, Silber, Zinn, Gold und/oder Palladium und/oder Legierungen daraus aufweisen. In einer alternativen Ausführungsform ist es auch möglich, keramische Kugeln mit einer metallischen Oberfläche zu verwenden, die einen Kern aus mindestens einem der Materialien SiO2, Al2O3, TiO2, ZrO2, MgO, BeO, Y2O3, AlN, BN, Si3N4 aufweisen. Ferner können als kugelförmige Abstandshalter Polymerkugeln verwendet werden, die eine metallische Oberfläche und einen Kern aus mindestens einem der Materialien PI, PEEK, PAEK, PTFE, SI oder einem anderen hochtemperaturbeständigen Thermoplast aufweisen.

Die metallische Oberfläche der kugelförmigen Abstandshalter weist vorteilhafterweise Kupfer, Nickel, Silber, Zinn, Gold und/oder Palladium und/oder Legierungen daraus auf. Beim Verlöten bildet dann das Metall der Oberfläche mit dem Zinn in dem Lotgut intermetallische Phasen aus.

Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt es, auf einfache und schnelle Weise besonders zuverlässige Leistungshalbleiterbauteile herzustellen. Verkippungen der Halbleiterchips und/oder ungleichmäßig dicke oder zu dicke oder zu dünne Lotschichten, die zu Zuverlässigkeitsproblemen des Bauteils und zu einem erhöhten Ausschuss bei der Produktion führen, werden vermieden, ohne dass dazu aufwendige Verfahrensschritt notwendig wären.

Dadurch ist das erfindungsgemäße Verfahren besonders zur Herstellung zuverlässiger Leistungshalbleiterbauteile geeignet. Bei Leistungshalbleiterbaiteilen ist ein geringer thermischer und elektrischer Widerstand der Lotverbindung zwischen Leistungshalbleiterchip und Chippad nämlich besonders entscheidend. Diese geringen Widerstände werden durch dünne Lotschichten erzielt. Jedoch besteht gerade bei dünnen Lotschichten die Gefahr, dass es durch winzige Risse oder durch Unregelmäßigkeiten in der Lotschicht zu Zuverlässigkeitsproblemen kommt. Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt die zuverlässige Ausbildung besonders dünner und gleichmäßiger Lotschichten.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der beigefügten Figuren näher erläutert. Darin zeigen

1a einen ersten Schritt eines Verfahrens zur Herstellung eines Leistungshalbleiterbauteils gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;

1b einen zweiten Schritt eines Verfahrens zur Herstellung eines Leistungshalbleiterbauteils gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung;

1c das fertige Leistungshalbleiterbauteil gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung;

2a einen ersten Schritt eines Verfahrens zur Herstellung eines Leistungshalbleiterbauteils gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;

2b einen zweiten Schritt eines Verfahrens zur Herstellung eines Leistungshalbleiterbauteils gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung und

2c das fertige Leistungshalbleiterbauteil gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung.

Gleiche Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

In einem ersten Schritt der Herstellung des Leistungshalbleiterbauteils 1, der in 1a dargestellt ist, wird ein Flachleiterrahmen 8 bereitgestellt, der auf seiner Oberseite 12 einen als Chippad vorgesehenen Bereich 11 aufweist. Auf diesem Flachleiterrahmen 8 wird ein Leistungshalbleiterchip 2 mit einer aktiven Oberseite 3 und einer Rückseite 4 aufgebracht. Die aktive Oberseite 3 weist typischerweise eine Umverdrahtungsstruktur 6 mit Kontaktanschlussflächen 7 auf, während die Rückseite 4 mit einer Rückseitenmetallisierung 5 versehen ist. Der Leistungshalbleiterchip 2 wird so auf den Flachleiterrahmen 8 aufgebracht, dass seine metallisierte Rückseite 4 über eine Lotschicht mit dem als Chippad vorgesehenen Bereich 11 verbunden wird. Dabei stellt die Lotverbindung gleichzeitig eine elektrische und thermische Kontaktierung des Leistungshalbleiterchips 2 sowie seine mechanische Verbindung mit dem Flachleiterrahmen 8 dar.

Zur Herstellung der Lotverbindung wird Lotgut, beispielsweise eine Lotpaste 9, auf den als Chippad vorgesehenen Bereich 11 aufgebracht, wobei die Lotpaste 9 kugelförmige Abstandshalter 10 mit einem Durchmesser d enthält. Bei der in 1 gezeigten Ausführungsform der Erfindung sind als kugelförmige Abstandshalter 10 metallische Kugeln, beispielsweise aus Kupfer, Nickel, Silber, Zinn, Gold und/oder Palladium oder Legierungen daraus vorgesehen.

In einem zweiten Schritt des Verfahrens, der in 1b dargestellt ist, wird der Leistungshalbleiterchip 2 auf den mit der Lotpaste 9 versehenen Bereich 11 aufgebracht. Dazu wirkt entweder durch das Eigengewicht des Leistungshalbleiterchips 2 oder zusätzlich durch einen leichten Druck, der auf den Leistungshalbleiterchip 2 ausgeübt wird, eine Kraft in Richtung des Pfeils 14. Diese Kraft bewirkt, dass die Lotpaste 9 so weit verläuft und an Schichtdicke verliert, wie es die in ihr verteilten kugelförmigen Abstandshalter 10 erlauben. Mit anderen Worten: Es stellt sich während des Lötprozesses durch das Zusammenwirken der Kraft in Richtung des Pfeils 14 mit dem Widerstand, den die Abstandshalter 10 einer weiteren Verringerung der Schichtdicke entgegensetzen, automatisch eine definierte Schichtdicke der Lotverbindung ein.

Die Kraft, die in Richtung des Pfeils 14 wirkt, verhindert dabei auch ein Aufschwimmen und Verkippen des Leistungshalbleiterchips 2 während des Lötens, das zu unerwünscht großen und/oder ungleichmäßigen Schichtdicken führen würde.

In 1c ist erkennbar, dass die Schichtdicke d der fertigen Lotschicht 13 dem Durchmesser der kugelförmigen Abstandshalter 10 entspricht. Auf diese Weise lassen sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auch geringe Schichtdicken von 45 &mgr;m oder weniger zuverlässig und gleichmäßig herstellen. Solche geringen Schichtdicken sind besonders bei Leistungshalbleiterbauteilen von Vorteil, weil sie eine Minimierung des elektrischen und thermischen Widerstandes des Bauteils zulassen.

Ein Verfahren zur Herstellung eines Leistungshalbleiterbauteils 1 gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist in 2 gezeigt. Bei dieser Ausführungsform kommen kugelförmige Abstandshalter 10 zum Einsatz, die einen Kern 15 aus einem keramischen Material oder aus einem Polymer und eine metallische Oberfläche 16 aufweisen. Durch die Kombination der Keramik oder des Polymers mit einer metallischen Schicht auf der Oberfläche 16 lassen sich die Eigenschaften der Abstandshalter 10 noch genauer auf den jeweiligen Zweck abstimmen.

Die Verwendung von verhältnismäßig elastischen Polymerkugeln hat den Vorteil, dass diese eine Pufferfunktion übernehmen und mechanische Spannungen in der Lotschicht bis zu einem gewissen Grad ausgleichen können, was die Zuverlässigkeit des Bauteils erhöht und Rissen in der Lotschicht 13 vorbeugt. Besteht der Kern 15 dagegen aus einem keramischen Material, weist die fertige Lotschicht 13 eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit auf, was insbesondere bei Leistungshalbleiterbauteilen 1, bei denen die Abführung der entstehenden Wärme ein wichtiges Problem ist, vorteilhaft ist. Durch die metallischen Oberflächen 16 der Abstandhalter bilden sich während des Lötprozesses intermetallische Phasen mit dem Zinn der Lotpaste aus.

1
Leistungshalbleiterbauteil
2
Leistungshalbleiterchip
3
aktive Oberseite
4
Rückseite
5
Metallisierung
6
Umverdrahtungsstruktur
7
Kontaktanschlussfläche
8
Flachleiterrahmen
9
Lotpaste
10
kugelförmige Abstandshalter
11
Bereich
12
Oberseite
13
Lotschicht
14
Pfeil
15
Kern
16
Oberfläche
d
Dicke


Anspruch[de]
Leistungshalbleiterbauteil (1) mit mindestens einem auf einem als Chippad vorgesehenen Bereich (11) eines Flachleiterrahmens (8) angeordneten Leistungshalbleiterchip (2), wobei der Leistungshalbleiterchip (2) über eine Lotschicht (13) mit dem Chippad verbunden ist und die Lotschicht (13) kugelförmige Abstandshalter (10) mit einer elektrisch leitenden Oberfläche (16) und einem Durchmesser d mit d ≤ 45 &mgr;m aufweist. Leistungshalbleiterbauteil (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als kugelförmige Abstandshalter (10) metallische Kugeln vorgesehen sind, die Kupfer, Nickel, Silber, Zinn, Gold und/oder Palladium und/oder Legierungen aus diesen Metallen aufweisen. Leistungshalbleiterbauteil (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als kugelförmige Abstandshalter (10) Kugeln mit einem Kern (15) aus einem keramischen Material vorgesehen sind, die eine metallische Oberfläche (16) aufweisen. Leistungshalbleiterbauteil (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (15) mindestens eins der Materialien SiO2, Al2O3, TiO2, ZrO2, MgO, BeO, Y2O3, AlN, BN, Si3N4 aufweist. Leistungshalbleiterbauteil (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als kugelförmige Abstandshalter (10) Kugeln mit einem Kern (15) aus einem Polymer vorgesehen sind, die eine metallische Oberfläche (16) aufweisen. Leistungshalbleiterbauteil (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (15) mindestens eins der Materialien PI, PEEK, PAEK, PTFE, SI aufweist. Leistungshalbleiterbauteil (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Oberfläche (16) Kupfer, Nickel, Silber, Zinn, Gold und/oder Palladium und/oder Legierungen daraus aufweist. Verfahren zur Herstellung eines Leistungshalbleiterbauteils (1), das folgende Schritte aufweist:

– Bereitstellen eines Halbleiterchips (2) mit einer aktiven Oberseite (3) und einer metallisierten Rückseite (4);

– Bereitstellen eines Flachleiterrahmens (8) mit einem als Chippad vorgesehenen Bereich (11);

– Aufbringen eines Lotguts auf das Chippad, wobei in dem Lotgut kugelförmige Abstandshalter (10) mit einer elektrisch leitenden Oberfläche (16) und einem Durchmesser d mit d ≤ 45 &mgr;m verteilt sind;

– Aufbringen des Leistungshalbleiterchips (2) auf das Chippad unter Verlöten mit dem Chippad, wobei sich eine Lotschicht (13) der Dicke d ausbildet.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Lotgut eine Lotpaste (9) verwendet wird. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Lotgut eine Lotfolie verwendet wird. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Lotgut ein Lotpulver verwendet wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass während des Verlötens des Leistungshalbleiterchips (2) mit dem Chippad auf die Oberseite (3) des Leistungshalbleiterchips ein Druck ausgeübt wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Lotgut Zinn aufweist. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass als kugelförmige Abstandshalter (10) metallische Kugeln verwendet werden, die Kupfer, Nickel, Silber, Zinn, Gold und/oder Palladium und/oder Legierungen aus diesen Metallen aufweisen. Verfahren nach Anspruch einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass als kugelförmige Abstandshalter (10) Kugeln mit einem Kern (15) aus einem keramischen Material mit einer metallischen Oberfläche (16) verwendet werden. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (15) mindestens eins der Materialien SiO2, Al2O3, TiO2, ZrO2, MgO, BeO, Y2O3, AlN, BN, Si3N4 aufweist. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass als kugelförmige Abstandshalter (10) Kugeln mit einem Kern (15) aus einem Polymer verwendet werden, die eine metallische Oberfläche (16) aufweisen. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (15) mindestens eins der Materialien PI, PEEK, PAEK, PTFE, SI aufweist. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Oberfläche (16) Kupfer, Nickel, Silber, Zinn, Gold und/oder Palladium und/oder Legierungen aus diesem Metallen aufweist. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Metall der Oberfläche (16) der kugelförmigen Abstandshalter (10) beim Verlöten mit dem Zinn in dem Lotgut intermetallische Phasen ausbildet.






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