DE10015962C2 - High temperature solder for semiconductor device - Google Patents

High temperature solder for semiconductor device

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DE10015962C2 DE2000115962 DE10015962A DE10015962C2 DE 10015962 C2 DE10015962 C2 DE 10015962C2 DE 2000115962 DE2000115962 DE 2000115962 DE 10015962 A DE10015962 A DE 10015962A DE 10015962 C2 DE10015962 C2 DE 10015962C2
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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine hochtemperaturfeste Lotverbindung aus einer Metallschicht, die zwischen einem Halbleiterkörper und einem mit diesem verbundenen Kühlkörper vorgesehen ist und eine schaumartig vernetzte Struktur hat, deren Hohlräume von Trennwänden umgeben sind, die sich ohne Unter brechung zwischen dem Halbleiterkörper und dem Kühlkörper erstrecken. The present invention relates to a high-temperature-resistant solder of a metal layer between a semiconductor body and a provided with this bonded heat sink and has a foam-like cross-linked structure, whose cavities are surrounded by partition walls which extend without interruption between the semiconductor body and the cooling body. Außerdem bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Lotverbindung. The invention also relates to a method for manufacturing such a solder joint.

Leistungshalbleiterbauelemente entwickeln im Betrieb be trächtliche Wärmemengen, die erhebliche Temperatursteigerun gen bewirken, welche zu einer Zerstörung der Leistungshalb leiterbauelemente führen können. Power semiconductor components develop during operation be trächtliche amounts of heat, which cause considerable Temperatursteigerun gen, which can lead conductor devices to destruction of the power semiconductors. Aus diesem Grund werden Lei stungshalbleiterbauelemente mit Kühlkörpern ausgestattet, die die in den Leistungshalbleiterbauelementen entwickelte Wärme aufnehmen. For this reason, Lei are stungshalbleiterbauelemente equipped with heat sinks that absorb developed in the power semiconductor devices heat.

Leistungshalbleiterbauelemente bestehen zumeist aus Silizium, während für die Kühlkörper vorzugsweise Kupfer verwendet wird. Power semiconductor components consist mostly of silicon, while being used for the cooling body is preferably copper.

Wird nun ein Silizium-Leistungshalbleiterbauelement mit einem Kupfer-Kühlkörper versehen, so treten infolge der durch die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Silizium und Kupfer bedingten thermische Fehlanpassungen zwischen dem Leistungshalbleiterbauelement und dem Kühlkörper im Halblei terkörper des Leistungshalbleiterbauelementes große mechani sche Spannungen auf, die zu Rißbildungen und Brüchen führen können. Now, a silicon power semiconductor device provided with a copper heat sink, as occur as a result of due to the different thermal expansion coefficients of silicon and copper thermal mismatches between the power semiconductor component and the heat sink in the semiconducting terkörper of the power semiconductor component great mechanical specific voltages to cracks and fractures being able to lead.

An der Lösung dieses Problemes wird seit vielen Jahren inten siv gearbeitet. To solve this problem is worked inten sive for many years. Dabei ist zu beachten, daß das Leistungshalb leiterbauelement einerseits möglichst nahe an dem Kühlkörper vorgesehen werden sollte, um eine gute Wärmeableitung zu dem Kühlkörper gewährleisten zu können. It should be noted that the power semiconductors should be provided as close as possible to the heat sink conductor component-on the one hand, to ensure good heat dissipation to the heat sink. Andererseits sollte aber ein bestimmter Mindestabstand durch eine zwischen dem Leistungshalbleiterbauelement und dessen Kühlkörper vorgesehene Verbindungsschicht eingehalten werden, damit diese die bei der Verformung des Leistungshalbleiterbauelementes und des Kühlkörpers auftretenden Scherspannungen aufnehmen kann. On the other hand, a certain minimum distance should be maintained through an opening provided between the power semiconductor device and its heatsink link layer so that it can absorb the shear stresses occurring in the deformation of the power semiconductor component and the heat sink.

Bisher werden verbreitet Keramik/Kupfer-Substrate (DCB-Sub strate) eingesetzt, auf die ein Silizium-Leistungshalbleiter bauelement mittels einer Blei-Zinn-Weichlot-Verbindungs schicht aufgebracht wird, und die gegebenenfalls noch mit ei nem zusätzlichen Kupfer-Kühlkörper auf der dem Leistungs halbleiterbauelement gegenüberliegenden Seite versehen werden können. Yet widespread ceramic / copper substrates (DCB sub strate) is used, on which a silicon power semiconductor device by means of a lead-tin solder-connecting layer is applied, and which optionally also with egg nem additional copper heat sink on the power semiconductor component opposite side can be provided. Die Weichlot-Verbindungsschicht reagiert auf die auf tretenden mechanischen Scherspannungen mit plastischer Ver formung und trägt somit dazu bei, diese Scherspannungen abzu bauen. The solder-bonding layer reacts to the deformation on passing mechanical shear stresses with plastic Ver and thus helps build ERS these shear stresses.

Obwohl die DCB-Substrate thermisch an Silizium angepaßt sind, hat dieser Ansatz zur Lösung der oben aufgezeigten Problema tik gewisse Nachteile: durch das DCB-Substrat und die Blei- Zinn-Weichlot-Verbindungsschicht wird die Wärmeableitung aus dem Leistungshalbleiterbauelement verschlechtert. Although the DBC substrates are thermally matched to silicon, this approach has to solve the above-identified Problema tik certain disadvantages: by the DCB substrate and the lead-tin solder bonding layer, the heat dissipation from the power semiconductor device is deteriorated. Weiterhin vermag die Weichlot-Verbindungsschicht höhere Betriebstempe raturen im Bereich von 200°C, wie sie derzeit in der Elek tronik gelegentlich gefordert werden, nicht auszuhalten, da Weichlot in diesem Temperaturbereich zu fließen beginnt. Furthermore, the solder connection layer can higher operating temperatures Tempe in the range of 200 ° C, as currently required by occasionally for electronics, unbearable as solder begins to flow in this temperature range.

Damit Stabilität und Betriebssicherheit auch bei höheren Tem peraturen gewährleistet sind, werden gelegentlich sogenannte Diffusionslötverbindungen zwischen einem Leistungshalbleiter bauelement und einem Kühlkörper, wie insbesondere einem DCB- Substrat, eingesetzt. Thus, stability and reliability are ensured even at higher temperatures Tem called Diffusionslötverbindungen occasionally component between a power semiconductor and a heat sink, such as especially a DCB substrate, are used. Bei solchen Diffusionslötverbindungen ist aber die Lotnaht hart und extrem dünn, so daß die auftre tenden mechanischen Spannungen nicht zuverlässig ausgeglichen werden können und ein Ausfall des Leistungshalbleiterbauele mentes nicht auszuschließen ist. In such Diffusionslötverbindungen but the solder seam is hard and extremely thin, so that the occurring defects Tenden mechanical stresses can not be reliably compensated, and a failure of the Leistungshalbleiterbauele mentes can not be excluded.

Derzeit wird als Verbindungsschicht, auch "Interposer" ge nannt, zwischen einem Leistungshalbleiterbauelement und einem Kühlkörper bevorzugt entweder eine etwa 100 µm dicke Weichlotschicht oder eine etwa gleich dicke organische Schicht aus Kunststoff eingesetzt. Currently, as a tie layer, also called "interposer" ge Nannt, preferably between a power semiconductor device and a heat sink either an approximately 100 micron thick soft solder layer or an organic layer of approximately equal thickness of plastic used. Unter "Leistungshalblei terbauelement" ist dabei gegebenenfalls auch eine integrierte Schaltung zu verstehen, während ein Kühlkörper die Platte bzw. das Board dieses Leistungshalbleiterbauelementes umfas sen kann. Under "Leistungshalblei terbauelement" is where appropriate to understand an integrated circuit, while a heat sink to the plate or the board of this power semiconductor component umfas sen.

Eine derartige Weichlotschicht ist aber, wie bereits oben er wähnt wurde, für Anwendungen in Temperaturbereichen um 200°C und darüber ungeeignet, während eine organische Schicht für die Wärmeableitung wenig geeignet ist. Such a soft solder layer is, as already mentioned above it has been imagines unsuitable for applications in temperature ranges of around 200 ° C and above, while an organic layer for heat dissipation is not very suitable.

In der EP 0 590 232 A1 sind eine Halbleiterlaser anordnung und ein Montageverfahren für diese beschrieben. In EP 0590232 A1 a semiconductor laser are arrangement and an assembly process for this described. Bei dieser Halblei terlaseranordnung weist ein Halbleiter-Laserbarren 3 einen mit diesem verbun denen Kühlkörper 1 auf, der über eine Metallschicht 26 mit dem Halbleiter-La serbarren 3 verbunden ist. In this semiconducting terlaseranordnung comprises a semiconductor laser bar 3 a verbun which cooling body 1, which is connected via a metal layer 26 with the semiconductor La serbarren 3 with this. Die Metallschicht 26 hat eine anisotrope Wärmeleitfä higkeit (vgl. Seite 10, Zeilen 8 bis 11) und besteht aus einem porösen polykristal linen Film (vgl. Seite 10, Zeilen 25 und 26). The metal layer 26 has an anisotropic Wärmeleitfä capability (see FIG. Page 10, lines 8 to 11) and consists of a porous film polykristal linen (See p. 10, lines 25 and 26).

Die US 5,986,885 beschreibt ein Halbleiter gehäuse mit einer internen Wärmesenke, bei der eine Scheibe 30 mit Bondpads 31 auf ihrer Rückseite mit einem leitenden Metallschaum 40 versehen ist, der als Wärmesenke wirkt. The US 5,986,885 describes a semiconductor housing having an internal heat sink, in which a disc 30 is provided with bond pads 31 on its rear side with a conductive metal foam 40 which acts as a heat sink. Zwischen dem Metallschaum 40 und der Scheibe 30 befindet sich ein wärmeleitender Klebstoff 66 (vgl. auch Spalte 7, Zeilen 56 bis 59). Between the metal foam 40 and the disc 30 is a thermally conductive adhesive 66 (see. Also column 7, lines 56 to 59).

Schließlich ist aus der EP 0 213 774 A1 ein anisotrop elek trisch leitender Gegenstand bekannt, der mit Poren versehen ist, die insbesonde re zur Aufnahme von Lot dienen (vgl. Spalte 3, Zeilen 26 bis 36). Finally 0213774 A1 an anisotropically elec trically conductive article is known from EP, which is provided with pores insbesonde re for receiving solder are used (see., Column 3, lines 26 to 36).

Auch aus der DE 195 07 547 C2 ist es bekannt, Poren in eine Silizium-Trägerplatte einzubringen und diese Poren zur Herstellung einer elektrisch und thermisch leitfähigen Verbindung mittels CVD mit Metallen zu füllen. Also, from DE 195 07 547 C2 it is known to introduce pores in a silicon support plate and fill these pores for producing an electrically and thermally conductive connection by means of CVD with metals. Auch gibt diese Druckschrift an, daß durch Ändern der Stromstärke beim Anodischen Ätzen ein Zusammenwachsen der Poren zum Ablösen der porösen Schicht vom Substrat erreicht werden kann. This document also indicates that a coalescence of pores for removing the porous layer from the substrate can be achieved by changing the current intensity in the anodic etching. Jedoch fehlt es an einem Hinweis, dadurch eine schaumartig vernetzte metallene Struktur herzustellen. However, there is a lack of a reference, thereby to produce a foam-like cross-linked metal structure.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine mecha nisch stabile, elastisch verformbare hochtemperaturfeste Lot verbindung zwischen einem Halbleiterkörper und einem mit die sem verbundenen Kühlkörper anzugeben; It is therefore an object of the present invention to provide a mecha nically stable provide elastically deformable high-temperature resistant solder connection between a semiconductor body and a part connected to the sem heatsink; außerdem sollen ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen einer solchen Lotverbindung geschaffen werden. In addition, a method and apparatus for producing such a soldered connection to be created.

Diese Aufgabe wird bei einer hochtemperaturfesten Lotverbin dung bzw. einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch die in den Patentansprüchen 1 und 6 angegebenen Merkmale gelöst. This object is dung at a high temperature resistant Lotverbin and a method of the type mentioned according to the invention by the features indicated in claims 1 and 6 Characteristics dissolved.

Die erfindungsgemäße Lotverbindung aus der Metallschicht mit einer schaumartig vernetzten Struktur bildet eine flexible Zwischenschicht ("Interposer") zwischen dem Halbleiterkörper und dem Kühlkörper, welche in hervorragender Weise bei höhe ren Temperaturen auftretende mechanische Spannungen abbaut und gleichzeitig eine hervorragende Wärmeleitfähigkeit zeigt. The solder joint according to the invention from the metal layer with a foam-like crosslinked structure forms a flexible intermediate layer ( "interposer") between the semiconductor body and the cooling body, which degrades in an excellent manner occurring in height ren temperatures, mechanical stresses, and at the same time exhibits an excellent thermal conductivity. Die erfindungsgemäße Lotverbindung kann dabei bereits auf Waferebene zwischen dem Halbleiterkörper und dem Kühlkörper eingefügt werden, so daß die Verwendung von Lotbändern nicht erforderlich ist. The solder according to the invention can already be inserted at the wafer level between the semiconductor body and the heat sink while so that the use of Lotbändern is not required.

Die Herstellung der erfindungsgemäßen Hochtemperaturlotver bindung wird vorzugsweise wie folgt vorgenommen: The production of the bond Hochtemperaturlotver invention is preferably carried out as follows:
Auf die Rückseite eines Siliziumwafers, aus welchem in einem späteren Herstellungsschritt durch Zerlegen die Halbleiter körper einer Vielzahl von Halbleiterbauelementen gewonnen werden, wird ein dünner Metallfilm aus beispielsweise Kupfer durch galvanische Abscheidung aufgetragen. On the back side of a silicon wafer, from which in a later production step, the semiconductor body are obtained a plurality of semiconductor devices by cutting, a metal thin film is, for example, copper is applied by electrodeposition. Dieser dünne Me tallfilm, dessen Schichtdicke in der Größenordnung von eini gen µm liegt, erfüllt die Funktion einer Keimschicht für eine spätere galvanische Abscheidung. This thin Me tallfilm whose layer thickness is in the order of microns eini gen, fulfills the function of a seed layer for subsequent electroplating. Selbstverständlich kann der Wafer auch aus einem anderen Material als Silizium bestehen, und für den Metallfilm können ebenfalls von Kupfer abwei chende Materialien eingesetzt werden. Of course, the wafer made of another material may be made as silicon, and the metal film of copper deviate sponding materials may also be used.

Auf den Metallfilm wird sodann eine dünne, etwa 100 µm dicke, vorzugsweise aus Kunststoff bestehende Folie geklebt, die ei ne offenporige Struktur hat. a thin, approximately 100 microns thick, preferably made of plastic film is then adhered to the metal film has the egg ne open-pore structure. Diese Folie ist vorzugsweise selbstklebend oder einseitig mit einem Kleber beschichtet. This film is preferably self-adhesive or coated on one side with an adhesive. Die Poren der Folie haben vorzugsweise einen Durchmesser im Bereich zwischen 5 und 20 µm und sind miteinander verbunden. The pores of the film preferably have a diameter in the range between 5 and 20 microns and are connected together.

Der auf diese Weise präparierte Wafer wird sodann in einem Galvanikbad mit beispielsweise Kupfer oder Nickel metalli siert. The thus prepared wafer is then Siert in an electroplating bath with for example copper or nickel metalli. Bei dieser Metallisierung wächst das Metall, also ins besondere Kupfer oder Nickel, im Bereich der Poren auf dem dünnen Metallfilm (aus beispielsweise ebenfalls Kupfer und/oder Nickel) zu einem vielfach durch den Kunststoff un terbrochenen metallischen Schaum auf, wobei die mit Metall gefüllten Poren der Folie miteinander vernetzen, die Wände der Folie aber gleichzeitig verhindern, daß diese Metall schicht kompakt zusammenwächst. In this metallization, the metal grows, so in particular copper or nickel, in the area of ​​the pores on the thin metal film (of, for example also of copper and / or nickel) to a multiple un terbrochenen by the plastic metallic foam, wherein the metal-filled pores cross-link the film with each other, but prevent the walls of the film at the same time that this metal layer grows compact together.

Infolge des relativ geringen Volumenanteiles der Wände der Folie im Verhältnis zum Volumen der Poren besteht die aufge wachsene Metallschicht überwiegend aus festem Metall, das durch die Kunststoffwände der Folie unterbrochen ist. As a result of the relatively low volume fraction of the walls of the film in relation to the volume of the pores of the grown metal layer consisting predominantly of solid metal, which is interrupted by the plastic walls of the film. Durch den galvanischen Prozeß und die dreidimensionale Vernetzung der aufgewachsenen Metallschicht wird außerdem sicherge stellt, daß diese aufgewachsene Metallschicht in vertikaler Richtung keine Unterbrechungen aufweist. By the electroplating process and the three-dimensional crosslinking of the grown metal layer also is sicherge provides that these grown metal layer having no discontinuities in the vertical direction. Mit anderen Worten, es sind eine hohe Wärmeleitfähigkeit und eine gute elektri sche Leitfähigkeit der aufgewachsenen Metallschicht in verti kaler Richtung zwischen dem Halbleiterkörper und einem Kühl körper gewährleistet. ensures In other words, it is a high thermal conductivity and good electrical conductivity cal of the grown metal layer in verti Kaler direction between the semiconductor body and a heat sink.

Die Metallschicht braucht nicht unbedingt bis zu der Ober kante der Folie aufzuwachsen. The metal layer need not necessarily up to the upper edge of the film grow. Ihre Dicke hängt vielmehr von der späteren Verwendung des Halbleiterbauelementes ab und kann zwischen 10 und 30 µm liegen. Its thickness rather depends on the subsequent use of the semiconductor component and can be between 10 and 30 microns.

Nach dem oben beschriebenen galvanischen Prozeß wird die Fo lie vorzugsweise mit einem geeigneten Lösungsmittel entfernt. After the above-described electroplating process, the Fo lie is preferably removed with a suitable solvent. Dies ist ohne weiteres möglich, da die Wände der Folie eben falls wie die Poren ein zusammenhängendes, nach oben offenes Gerüst bilden. This is readily possible because the walls of the film just as if the pores form a continuous, upwardly open frame.

Die auf diese Weise gebildete Metallschicht kann nun direkt verlötet, dh mit einer Lotschicht versehen werden. The metal layer formed in this way can now be directly soldered, ie provided with a solder layer. Diese Lotschicht sollte relativ dünn sein und eine Schichtdicke in der Größenordnung von 2,5 µm aufweisen, damit sich die Poren der aufgewachsenen Metallschicht nicht verschließen. This solder layer should be relatively thin and have a layer thickness in the order of 2.5 microns, so that the pores of the grown metal layer not close.

Ein geeignetes Lotverfahren ist das bereits erwähnte Diffusi onslöten, mit dem sich bei niedrigen Fügetemperaturen sehr hochtemperaturfeste Verbindungen erreichen lassen. A suitable soldering process is onslöten the diffusi already mentioned, with which can reach very high temperature resistant compounds at low joining temperatures.

Die dünne Lotschicht kann auch auf der Metallschicht bei spielsweise durch einen galvanischen Prozeß, stromlose Ab scheidung, thermisches Verdampfen oder Sputtern von reinem Zinn oder einer noch niedriger schmelzenden Legierung, wie beispielsweise eutektischem Zinn/Indium aufgetragen werden. The thin layer of solder may also be on the metal layer for example by an electroplating process, electroless From divorce, thermal evaporation or sputtering of pure tin or a still lower melting point alloy, such as eutectic tin / indium are applied. Dies kann, speziell bei Massenprozessen, gegebenenfalls noch vor Entfernung der Folie erfolgen. This can, especially in mass trials, where appropriate, take place before removing the foil.

Anstelle einer Kunststoffolie können auch keramische Werk stoffe eingesetzt werden, von welchen ebenfalls Schäume mit stark offenporiger Struktur bekannt sind. Instead of a plastic, ceramic plant materials can be used, from which foams with highly open-pored structure are also known. Mit anderen Worten, bei dieser Variante wird ein Schaum auf der Basis eines kera mischen Werkstoffes als dielektrische Schicht auf dem Wafer abgeschieden und in gleicher Weise wie die Kunststoffolie in ihren Poren galvanisch gefüllt. In other words, in this variant a foam based on a Kera mix material as a dielectric layer on the wafer is filled galvanically deposited in its pores and in the same way as plastic film. Dieser Keramikschaum braucht nach der Füllung mit Metall, also insbesondere Kupfer und/oder Nickel, nicht entfernt zu werden, da er die notwen dige Temperaturfestigkeit aufweist. This ceramic foam needs after filling with metal, thus in particular copper and / or nickel, not to be removed, because it has the notwen digested temperature strength. In diesem Fall kann die Metallfüllung sogar bis über die Oberkante der durch den Ke ramikschaum gebildeten Schicht hinauswachsen, so daß sich schließlich eine geschlossene Oberfläche ergibt. In this case, the metal fill can rise even up above the upper edge of the layer formed by the ramikschaum Ke, so that eventually results in a closed surface.

Die erfindungsgemäße hochtemperaturfeste Lotverbindung kann auch bei strukturierten Oberflächen, wie beispielsweise Kon taktpads bzw. -kissen zu deren Metallisierung angewandt wer den: hierzu wird die offenporige Folie (oder ein Keramik schaum) ganzflächig auf die bereits strukturierte Oberfläche aufgeklebt oder auf dieser abgeschieden. The high temperature-resistant solder joint according to the invention can be applied to the metallization also on structured surfaces such as Kon taktpads or pillows who the: this is the open-pore sheet (or a ceramic foam) over the entire surface adhered to the already structured surface, or deposited thereon. Für eine Metallisie rung zur Bildung der Metallschicht mit der schaumartig ver netzten Struktur kann dann kein galvanisches Verfahren mehr verwendet werden, da die durchgehend leitende Metallschicht aus insbesondere Kupfer oder Nickel fehlt. For a metallization tion to form the metal layer with the foam-like crosslinked structure ver no more galvanic process can then be used as the continuous conductive metal layer of copper or nickel, particularly missing. Durch stromlose Abscheidung von speziell Nickel läßt sich die Folie oder der Keramikschaum aber ohne weiteres selektiv nur im Bereich der Kontaktpads füllen. By electroless deposition of nickel specifically the film or the ceramic foam can fill but only in the area of ​​the contact pads readily selectively. Dabei ist zu beachten, daß Nickel ebenso wie Kupfer für Diffusionslöten geeignet ist. It should be noted that nickel is just as suitable for copper diffusion soldering.

Eine andere Möglichkeit zur Bildung der schaumartig vernetz ten Struktur für die Metallschicht besteht darin, auf den Me tallfilm Kunststoffkugeln aufzutragen und die Hohlräume zwi schen diesen Kugeln mit Metall zu füllen. Another way of forming the foam-like Road network th structure for the metal layer consists in applying to the Me tallfilm plastic spheres and the cavities Zvi rule to fill these spheres with metal. Dabei können Kugeln unterschiedlicher Größe verwendet werden, um gegebenenfalls nach deren Entfernung Poren zu erhalten, deren Größe sich stetig zwischen dem Halbleiterkörper und dem Kühlkörper än dert. In this case, balls of different sizes can be used to obtain, if appropriate after removal of the pores, the size changed continuously between the semiconductor body and the cooling body Su. Die Kugeln sollten dabei aus einem Material bestehen, das nicht galvanisiert wird und das sich leicht absetzt, also in einer entsprechenden Galvanisiervorrichtung zu Boden sinkt. The balls should be made of a material which is not plated and easily settles out, so decreases in a corresponding plating to the ground.

Eine solche Galvanisiervorrichtung ist vorzugsweise mit einem Rührer versehen, der die Kugeln zunächst aufwirbelt. Such a plating apparatus is preferably provided with a stirrer, which stirs the beads initially. Nach Ab schalten dieses Rührers setzen sich die Kugeln auf den Me tallfilm des Wafers ab, wobei die größeren Kugeln infolge ih res höheren Gewichtes nach unten sinken. Following from this agitator switch the balls to sit on the Me tallfilm of the wafer, with the larger balls fall due ih res higher weight down. Sobald die Kugeln auf den Wafer abgelagert sind, wird der galvanische Prozeß begonnen, um die Hohlräume zwischen den Kugeln mit Metall, also insbesondere Kupfer oder Nickel, zu füllen. Once the balls are deposited on the wafer, the electroplating process is started to fill the voids between the spheres with metal, ie, in particular copper or nickel.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. The invention based on the drawings is explained in detail. Es zeigen: Show it:

Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung eines Wafers mit einem Metallfilm und einer teilweise mit Kupfer gefüllten Folie; Figure 1 is a schematic sectional view of a wafer having a metal film and a partially filled with copper foil.

Fig. 2 eine schematische Schnittdarstellung zur Erläute rung einer strukturierten Metallisierung auf Kon taktpads; Figure 2 is a schematic sectional view for Erläute tion of a structured metallization on Kon taktpads.

Fig. 3 eine schematische Schnittdarstellung zur Erläute rung der Gewinnung einer schaumartig vernetzten Struktur mit Kugeln; Fig. 3 is a schematic cross-sectional view Erläute tion of obtaining a foam-like cross-linked structure with balls; und and

Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Erzeugung der schaumartig vernetzten Struktur mit tels Kugeln. Fig. 4 is a schematic representation of an apparatus for producing the foam-like crosslinked structure by means of balls.

Auf einem Wafer 1 aus Silizium oder einem anderen Halbleiter material, wie beispielsweise Siliziumcarbid oder einer AIII- BV-Verbindung, ist ein Metallfilm 2 aus Kupfer oder Nickel mit einer Schichtdicke von 100 nm bis einigen µm als Keim schicht aufgetragen. On a wafer 1 made of silicon or another semiconductor material such as silicon carbide or a AIII- BV compound, a metal film 2 made of copper or nickel with a layer thickness of 100 nm to several microns deposited layer as a seed. Auf diesen Metallfilm 2 wird eine offen porige Folie 3 aufgebracht, die aus Kunststoff, wie bei spielsweise Polymer, oder Keramik besteht. On this metal film 2 is an open porous film 3 is applied, which consists of plastic, as in play, polymer, or ceramic. Diese offenporige Folie 3 hat eine schwammartige Struktur mit Hohlräumen 4 und mit Kunststoff- bzw. Keramikbereichen 5 . This open-pore film 3 has a sponge-like structure with cavities 4 and with plastic or ceramic areas. 5

Die Hohlräume 4 sind zusammenhängend, so daß die gewünschte offenporige Struktur vorliegt, während die Bereiche 5 eben falls untereinander vernetzt sind. The cavities 4 are connected, so that the desired open-pored structure is present, whereas the areas 5 just in case are interconnected. Diese Vernetzung kann durch Verbindungen der Bereiche 5 in verschiedenen Ebenen ge schehen. This crosslinking can Schehen ge in different levels by compounds of areas. 5 Da Fig. 1 lediglich einen Schnitt in einer bestimm ten Ebene zeigt, ist hier die Vernetzung der Bereiche 5 un tereinander nicht zu sehen. As Fig. 1 only shows a section in a limited hours th level, here is un behind the other not to see the networking of regions 5.

Der Metallfilm 2 kann durch galvanische Abscheidung aufgetra gen werden. The metal film 2 can be gen aufgetra by electrodeposition. Die Folie 3 wird auf die Metallschicht 2 vorzugs weise aufgeklebt, weshalb sie einseitig mit einem Kleber auf der dem Metallfilm 2 zugewandten Seite beschichtet ist oder selbstklebend sein kann. The film 3 is adhered to the metal layer 2 as preferential, which is why it is coated on one side with an adhesive on the metal film 2 facing side, or may be self-adhesive. Die Poren, also Hohlräume 4 , haben einen Durchmesser im Bereich zwischen 5 und 20 µm und sind alle miteinander verbunden. The pores, so cavities 4 have a diameter in the range between 5 and 20 microns and are all connected.

Der auf diese Weise mit dem Metallfilm 2 und der Folie 3 prä parierte Wafer 1 wird sodann in einem Galvanikbad mit bei spielsweise Kupfer oder Nickel metallisiert. The in this way with the metal film 2 and the film 3 pre parried wafer 1 is then metallized in an electroplating bath with at play as copper or nickel. Dabei wächst das Metall im Bereich der Hohlräume 4 zu einem vielfach unterbro chenen metallischen Schaum 6 auf, wobei sich die mit dem Metall gefüllten Hohlräume miteinander vernetzen und die Berei che 5 der Folie 3 aber verhindern, daß eine durch den Schaum 6 gebildete Metallschicht 7 kompakt zusammenwächst. The metal grows in the region of the cavities 4 to a multiple metallic unterbro rupted foam 6, wherein the cavities filled with the metal cross-link with each other and the preparation surface but prevent 5 of the sheet 3, that a metal layer 7 is formed by the foam 6 compact growing together.

Durch den geringen Volumenanteil der Bereiche 5 im Verhältnis zu dem Volumen der Hohlräume 4 besteht die Metallschicht 7 überwiegend aus Metall. Due to the low volume fraction of the areas 5 in relation to the volume of the cavities 4, the metal layer 7 mainly consists of metal. Außerdem ist durch den galvanischen Prozeß und die dreidimensionale Vernetzung des Schaumes 6 der Metallschicht 7 sichergestellt, daß diese Metallschicht 7 in vertikaler Richtung nirgends unterbrochen ist. It is also ensured by the electroplating process and the three-dimensional crosslinking of the foam 6 the metal layer 7, that this metal layer is interrupted anywhere in the vertical direction. 7 Damit sind so wohl eine hohe Wärmeleitfähigkeit als auch eine gute elektri sche Leitfähigkeit der Metallschicht in vertikaler Richtung zwischen dem Halbleiterwafer 1 und einem Kühlkörper gewähr leistet, der auf der dem Halbleiterwafer 1 gegenüberliegenden Oberfläche der Metallschicht 7 mittels einer dünnen Lot schicht mit einer Schichtdicke von 2 bis 5 µm aufgetragen ist. This means that as well a high thermal conductivity and good electrical specific conductivity of the metal layer in the vertical direction between the semiconductor wafer 1 and a heat sink warrants, the layer on the semiconductor wafer 1 opposite surface of the metal layer 7 by a thin solder with a layer thickness of 2 is applied to 5 microns.

Die Metallschicht 7 muß nicht bis zu der Oberkante der Folie 3 aufwachsen. The metal layer 7 does not have up to the upper edge of the foil 3 grow. Vielmehr hängt ihre Dicke von der späteren Ver wendung des Halbleiterbauelementes ab und kann zwischen 10 und 100 µm, vorzugsweise 10 und 30 µm, liegen. Rather, its thickness depends on the later Ver application of the semiconductor device, and may be between 10 and 100 microns, preferably 10 to 30 .mu.m.

Nach dem galvanischen Prozeß wird die Folie 3 mittels eines geeigneten Lösungsmittels wie z. After the electroplating process, the film 3 by means of a suitable solvent such as is. B. Azeton entfernt, was ohne weiteres möglich ist, da die Bereiche 5 der Folie 3 ebenfalls wie die Hohlräume 4 ein zusammenhängendes und nach oben offe nes Gerüst bilden. As acetone removed, which is readily possible since the portions 5 of the foil 3 4 form also as the cavities a continuous and offe upward nes backbone.

Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungs gemäßen Lotverbindung, bei der die Folie 3 auf eine mit Kon taktpads 8 versehene Oberfläche des Halbleiter-Wafers 1 auf getragen ist. Fig. 2 shows another embodiment of the modern fiction, solder, wherein the film is supported on a provided with Kon taktpads 8 surface of the semiconductor wafer 1 at 3. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der durchge hende Metallfilm 2 also nicht vorhanden. In this embodiment, the Runaway rising metal film 2 is therefore not present. Da diese durchgehend leitende Basisschicht fehlt, kann kein galvanisches Verfahren vorgenommen werden, um auf den Kontakt 8 Metall-Schäume 6 zu bilden. Since these continuous conductive base layer is missing, a galvanic process can be carried out to form on the contact 8 metal foams. 6 Eine dünne, durchgängige Keimschicht läßt sich nach träglich durch einen kurzen Naßätzschritt entfernen, wobei die wesentlich dickeren Pads nicht angegriffen werden. A thin, uniform seed layer can be removed after a short wet etching step träglich through, wherein the much thicker pads are not attacked.

Durch stromlose Abscheidung von beispielsweise Nickel ist es aber möglich, die Folie 3 selektiv lediglich im Bereich der Kontaktpads 8 mit den Metallschichten 7 zu füllen. But by electroless deposition of nickel, for example, it is possible to fill the film 3 selectively only in the region of the contact pads 8 with the metal layers. 7

Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungs gemäßen hochtemperaturfesten Lotverbindung. Fig. 3 shows a further embodiment of the fiction, modern high temperature resistant solder joint. Bei diesem Aus führungsbeispiel besteht die "Folie" 3 aus Kugeln oder Kör nern 9 oder kugelähnlichen Gebilden unterschiedlicher Größe, die auf dem Metallfilm 2 abgelagert sind. In this operation example from the "film" 3 consists of balls or Kör partners 9 or ball-like structures of different sizes, which are deposited on the metal film. 2 Die Hohlräume 4 zwischen den Kugeln 9 sind, wie im Ausführungsbeispiel von Fig. 1 mit Metall gefüllt, so daß eine zusammenhängende Me tallschicht 7 vorliegt. The cavities 4 between the balls 9 are, as in the embodiment of FIG. 1 is filled with metal so that a continuous Me tallschicht present. 7

Nach Herstellung der Metallschicht 7 werden die Kugeln 9 durch ein Lösungsmittel entfernt, was ohne weiteres möglich ist, da die Kugeln 9 aneinandergrenzen und somit ein zusam menhängendes Gerüst bilden. After preparation of the metal layer 7, the balls 9 can be removed by a solvent, which is readily possible since the balls adjoin each other and thus form a 9 together menhängendes backbone. Schließlich wird auf die Metall schicht 7 noch eine dünne Lotschicht 10 mit einer Schicht dicke von 2 bis 5 µm aufgetragen, auf der dann ein Kühlkörper 11 aus beispielsweise Kupfer angebracht werden kann. Finally, layer on the metal 7 is still a thin solder layer 10 with a layer thickness of 2 to 5 microns is applied, on which then a heat sink 11 made of, for example, copper can be attached.

Das Entfernen der Folie 3 bzw. der Kugeln 9 ist nicht erfor derlich, wenn für diese ein hochtemperaturfestes Material, wie beispielsweise Keramik, Glas oder Halbleiter (Si) verwen det wird. The removal of the film 3 and the balls 9 is not erfor ed if for this is a high temperature resistant material such as ceramic, glass or semiconductor (Si) is USAGE det.

Fig. 4 zeigt noch eine Vorrichtung zur Herstellung der hochtemperaturfesten Lotverbindung von Fig. 3: in einem Gal vanikbad 12 befindet sich ein Rührer 13 , mit dem die Kugeln 9 zunächst aufgewirbelt werden, bevor sie sich nach Abschalten des Rührers 13 auf dem Metallfilm 2 ablagern. Fig. 4 shows yet a device for producing the high temperature-resistant solder joint of FIG. 3 in a Gal vanikbad 12 is a stirrer 13, with which the balls 9 are first whirled before they are deposited after switching off the stirrer 13 on the metal film 2 ,

Durch Verwendung von Kugeln unterschiedlicher Größe kann eine entsprechende Strukturierung der Metallschicht 7 erhalten werden, da sich die kleinen Kugeln bevorzugt in den unteren Zwischenräumen der nach unten absinkenden großen Kugeln abla gern. By the use of balls of different sizes a corresponding structuring of the metal layer 7 can be obtained because the small balls preferably abla in the lower spaces of the sinking down large balls like. Nach Abschalten des Rührers 13 wird mittels Elektroden 14 , 15 die galvanische Abschaltung von Kupfer oder Nickel zur Bildung der Metallschicht 7 vorgenommen. After switching off the stirrer 13 15 galvanic disconnection of copper or nickel, to form the metal layer 7 is made by means of electrodes 14.

Claims (11)

  1. 1. Hochtemperaturfeste Lotverbindung aus einer Metall schicht ( 7 ), die zwischen einem Halbleiterkörper ( 1 ) und ei nem mit diesem verbundenen Kühlkörper ( 11 ) vorgesehen ist und eine schaumartig vernetzte Struktur ( 6 ) hat, deren Hohlräume ( 9 ) von Trennwänden umgeben sind, die sich ohne Unterbrechung zwischen dem Halbleiterkörper ( 1 ) und dem Kühlkörper ( 11 ) er strecken, dadurch gekennzeichnet , dass die Metallschicht ( 7 ) auf einen auf dem Halbleiterkörper ( 1 ) vorgesehenen Metallfilm ( 2 ) oder strukturiert auf Kon taktpads ( 8 ) aufgetragen und auf der dem Halbleiterkörper ( 1 ) gegenüberliegenden Seite mit einer Lotschicht ( 10 ) versehen ist. 1. High-temperature solder of a metal layer (7) interposed between a semiconductor body (1) and is provided egg nem connected to this heat sink (11) and a foam-like crosslinked structure (6), the cavities (9) surrounded by partition walls that is without interruption between the semiconductor body (1) and the heat sink (11) it extend, characterized in that the metal layer (7) provided on a on the semiconductor body (1) metal film (2) or patterned on Kon taktpads (8) is provided and applied to the semiconductor body (1) opposite side with a solder layer (10).
  2. 2. Hochtemperaturfeste Lotverbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallschicht aus Kupfer oder Nickel gebildet ist. 2. High temperature solder connection according to claim 1, characterized in that the metal layer is formed of copper or nickel.
  3. 3. Hochtemperaturfeste Lotverbindung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke der Metallschicht ( 7 ) zwischen 10 und 100 µm, vorzugsweise zwischen 10 und 30 µm liegt. 3. High temperature solder connection according to claim 1 or 2, characterized in that the layer thickness of the metal layer (7) between 10 and 100 microns, preferably between 10 and 30 microns.
  4. 4. Hochtemperaturfeste Lotverbindung nach einem der Ansprü che 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Lotschicht ( 10 ) eine Schichtdicke von 2 bis 5 µm aufweist. 4. High-temperature solder connection according to one of Ansprü che 1 to 3, characterized in that the solder layer (10) has a layer thickness of 2 to 5 microns.
  5. 5. Hochtemperaturfeste Lotverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass Hohlräume der Metallschicht ( 7 ) mit Keramik gefüllt sind. 5. High temperature solder connection according to one of claims 1 to 4, characterized in that cavities of the metal layer (7) are filled with ceramic.
  6. 6. Verfahren zum Herstellen der hochtemperaturfesten Lot verbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: 6. The method of manufacturing the high temperature-resistant solder connection according to one of claims 1 to 5, characterized by the steps of:
    • a) Auftragen einer offenporigen Folie ( 3 ) auf einen Halbleiterkörper ( 1 ), wobei die Folie ( 3 ) aus Kugeln oder Körnern ( 9 ) gebildet ist, die auf einen Metallfilm ( 2 ) abge lagert sind, a) applying an open-porous sheet (3) on a semiconductor body (1), wherein the film (3) consists of balls or grains (9) is formed (on a metal film 2) are superimposed abge,
    • b) Füllen der Hohlräume der Folie ( 3 ) mit Metall und b) filling the cavities of the foil (3) with metal and
    • c) Auftragen einer Lotschicht ( 10 ) auf die mit Metall gefüllte Folie ( 3 ). c) applying a solder layer (10) to the filled with metal foil (3).
  7. 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie ( 3 ) nach dem Füllen der Hohlräume mit Metall entfernt wird. 7. The method according to claim 6, characterized in that the film (3) is removed after filling the cavities with metal.
  8. 8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Folie ( 3 ) und dem Halbleiterkörper ( 1 ) der Metallfilm ( 2 ) vorgesehen wird. 8. The method of claim 6 or 7, characterized in that (3) and the semiconductor body (1) of the metal film (2) is provided between the film.
  9. 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlräume der Folie ( 3 ) galvanisch mit dem Metall gefüllt werden. 9. A method according to any one of claims 6 to 8, characterized in that the cavities of the sheet (3) are galvanically filled with the metal.
  10. 10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass für die Kugeln bzw. Körner ( 9 ) der Folie Kunststoff oder Keramik verwendet wird. 10. The method according to any one of claims 6 to 9, characterized in that for the balls or grains (9) of the sheet of plastic or ceramic is used.
  11. 11. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugeln bzw. Körner ( 9 ) mit unterschiedlicher Größe versehen werden. 11. The method according to any one of claims 6 to 10, characterized in that the balls or grains (9) are provided with different sizes.
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