DE10124141A1 - Verbindungseinrichtung - Google Patents

Verbindungseinrichtung

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Abstract

Um bei der thermomechanischen Entlastung bei der Verbindung einer Schaltungseinheit (2) mit einer Kontakteinrichtung (4) einer Schaltungsanordnung (1) durch die Verbindungseinrichtung (10) möglichst wenig Platz zu beanspruchen, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, die Verbindungseinrichtung (10) im wesentlichen als vorgefertigten metallischen oder Legierungsbereich im Bereich der Schaltungseinheit (2) und im Bereich der Kontakteinrichtung (4) unter weitestgehender Vermeidung von Klebeelementen und Lotelementen auszubilden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Verbindungseinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, deren Verwendung gemäß Anspruch 12 sowie eine Schaltungsanordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 13.
Beim Aufbau von Schaltungsanordnungen ist es oft notwendig, verschiedenartige Materialien miteinander in mechanischen und/oder elektrischen Kontakt zu bringen. Dies trifft zum Beispiel für die Kontaktierung von Schaltungseinheiten, zum Beispiel von Chips oder dergleichen, mit entsprechenden Kon­ takteinrichtungen zu. Aufgrund der unterschiedlichen thermo­ mechanischen Eigenschaften, insbesondere aufgrund unter­ schiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten, können im Betrieb Verspannungen der die Schaltungseinheit bildenden elektroni­ schen Bauelemente oder dergleichen auftreten, was zu Nachtei­ len im Hinblick auf die Verlässlichkeit und die Lebensdauer der entsprechenden Schaltungsanordnungen führt und wodurch eine Schaltungseinrichtung nur mit limitierter Fläche verwen­ det werden kann.
Dementsprechend wurden bei bekannten Schaltungsanordnungen zwischen den Schaltungseinheiten und den Kontakteinrichtungen Verbindungseinrichtungen vorgesehen, durch welche die thermo­ mechanischen Belastungen zumindest zum Teil aufgefangen wer­ den konnten. Bei Halbleitermodulen zum Beispiel werden zwi­ schen einem zu kontaktierenden oder zu befestigenden Chip und einem sogenannten Leadframe oder einer anderen Diebondein­ richtung an den Kontakt- oder Berührungsstellen entsprechend Klebebereiche oder Lötungen vorgesehen, durch welche die un­ terschiedlichen Ausdehnungen bei thermischen Belastungen im Betrieb teilweise ausgeglichen werden können.
Diese Vorgehensweise ist insofern nachteilig, als das Auf­ bringen einer Klebung oder Lötung einen im Vergleich zu ande­ ren Fertigungsschritten relativ aufwendigen und zusätzlichen Produktionsschritt darstellt. Ferner haben entsprechende Kleb- oder Lotstoffe den Nachteil, dass sie beim Aufbringen auch einer vergleichsweise kleinen Menge auf einer ver­ gleichsweise großen Fläche sogenannte Höfe bilden. Diese Kle­ be- bzw. Lothöfe vergrößern quasi diejenige Fläche, die von einer Schaltungseinheit, zum Beispiel einem Chip oder der­ gleichen, auf einem Kontaktbereich, zum Beispiel einem Lead­ frame oder dergleichen, effektiv benötigt wird, im Übermaß.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verbindungs­ einrichtung anzugeben, mit welcher die thermomechanischen Verspannungen an einer Grenzfläche zwischen einer Schaltungs­ einheit und einer Kontakteinrichtung bei möglichst geringem Flächenaufwand aufgefangen werden können.
Die Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Verbindungsein­ richtung erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der er­ findungsgemäßen Verbindungseinrichtung sind Gegenstand der abhängigen Unteransprüche. Eine erfindungsgemäße Verwendung der erfindungsgemäßen Verbindungseinrichtung und eine erfin­ dungsgemäße Schaltungsanordnung sind Gegenstand der Ansprüche 15 bzw. 16.
Die gattungsgemäße Verbindungseinrichtung für eine Schal­ tungsanordnung, insbesondere für ein Halbleitermodul oder dergleichen, ist ausgebildet, im Betrieb mindestens eine Schaltungseinheit, insbesondere einen Chip oder dergleichen, der Schaltungsanordnung mit mindestens einer Kontakteinrich­ tung der Schaltungsanordnung mechanisch und/oder elektrisch zu verbinden und dabei die Schaltungseinheit und die Kontakt­ einrichtung thermomechanisch im wesentlichen zu entkoppeln und zu entlasten.
Die erfindungsgemäße Verbindungseinrichtung ist dadurch ge­ kennzeichnet, dass die Verbindungseinrichtung im wesentlichen als - vorzugsweise vorgefertigter - metallischer oder Legie­ rungsbereich zumindest teilweise im Bereich der Schaltungs­ einheit und/oder im Bereich der Kontakteinrichtung unter wei­ testgehender Vermeidung von Klebeelementen und Lotelementen ausgebildet ist.
Es ist somit eine grundlegende Idee der erfindungsgemäßen Verbindungseinrichtung, anstelle einer Klebung oder Lötung einen metallischen oder Legierungsbereich vorzusehen. Durch diese Maßnahme werden im Gegensatz zum Stand der Technik Kle­ behöfe oder Lothöfe vermieden, und es wird erfindungsgemäß somit Platz eingespart. Des Weiteren sind metallische oder Legierungsbereiche besonders geeignet, thermomechanische Ver­ spannungen zwischen einer Schaltungseinheit und einer zu kon­ taktierenden Kontakteinrichtung aufzufangen, weil durch eine entsprechend gewählte Zusammensetzung - insbesondere im Rah­ men eines Vorfertigungsprozesses - günstige thermomechanische oder Wärmeausdehnungseigenschaften erreicht werden können. Des Weiteren ist ein Metallisierungs- oder Legierungsvorgang produktionstechnisch einfacher integrierbar als eine Klebung oder Lötung.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltungsform der erfindungsgemä­ ßen Verbindungseinrichtung ist mindestens ein Pufferbereich, insbesondere in Form einer Schicht, vorgesehen. Dieser ist so ausgebildet, dass im Betrieb die thermomechanischen Verspan­ nungen zwischen der Schaltungseinheit und der Kontakteinrich­ tung aufgefangen werden können. Somit wird durch den vorgese­ henen Pufferbereich eine thermomechanische Entkopplung und Entlastung zwischen der Schaltungseinheit und der Kontaktein­ richtung der Schaltungsanordnung realisiert.
Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn der Pufferbereich im Be­ trieb zumindest mit einem Oberflächenbereich davon als im we­ sentlichen integraler Bestandteil, insbesondere als Schicht, in einem Bereich der bestehenden Struktur der Schaltungsein­ heit und/oder der Kontakteinrichtung ausgebildet ist. Dadurch wird ein besonders dünner, inniger und/oder stabiler Kontakt zwischen der Schaltungseinheit oder der Kontakteinrichtung einerseits und der Verbindungseinrichtung andererseits ge­ währleistet. Des weiteren kann eine entsprechende Integration des Pufferbereichs in die Schaltungseinheit bzw. Kontaktein­ richtung in einem zur Automation geeigneten Vorfertigungspro­ zess durchgeführt werden.
Bei einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Ver­ bindungseinrichtung ist ein Verbindungsbereich, insbesondere in Form einer Schicht, vorgesehen, durch welchen im Betrieb eine mechanische und/oder elektrische Verbindung zwischen der Schaltungseinheit und der Kontakteinrichtung ausbildbar ist. Der Verbindungsbereich übernimmt die Funktion des mechani­ schen Befestigens und/oder Halterns sowie der mechanischen und/oder elektrischen Verbindung zwischen der Schaltungsein­ heit einerseits und der Kontakteinrichtung andererseits.
Insbesondere durch das Vorsehen sowohl des Pufferbereichs als auch des Verbindungsbereichs wird eine Entkopplung dieser beiden Bereiche und ihren Funktionen erreicht, wodurch sich aufgrund der dann gesteigerten Wahlmöglichkeiten für die ein­ zelnen, diese Bereiche bildenden Materialien eine besonders hohe Flexibilität bei der Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Verbindungseinrichtung ergibt. Eine Abfolge mehrerer Bereiche oder Schichten schafft mithin einen thermomechanisch kompati­ blen Übergang zwischen Schaltungseinheit und Kontakteinrich­ tung.
Grundsätzlich ist es aber auch denkbar, dass die Verbindungs­ einrichtung aus einem einzigen Materialbereich oder einer Schicht z. B. dem Puffer, besteht, durch welchen dann sowohl die Puffereigenschaft als auch die Verbindungsfunktion reali­ siert werden.
Vorteilhafterweise ist der Verbindungsbereich im Betrieb zu­ mindest mit einem Oberflächenbereich davon als im wesentli­ chen integraler Bestandteil, insbesondere als Schicht, in ei­ nem Bereich der bestehenden Struktur der Kontakteinrichtung und/oder der Schaltungseinheit ausgebildet. Die Integration in eine bestehende Struktur ermöglicht auch im Hinblick auf die Ausgestaltung des Verbindungsbereichs eine automatisierte Fertigung, vorzugsweise in einem Vorfertigungsschritt.
Die Verbindungseinrichtung kann so ausgebildet sein, dass der Pufferbereich mit der Schaltungseinheit und der Verbindungs­ bereich mit der Kontakteinrichtung verbunden ist. Es bietet sich aber auch die umgekehrte Vorgehensweise an, bei welcher der Verbindungsbereich der Schaltungseinheit zugewandt und mit dieser verbunden ist und andererseits der Pufferbereich mit der Kontakteinrichtung in Kontakt steht.
Dabei können der Pufferbereich und der Verbindungsbereich im Betrieb zumindest mit jeweils einem weiteren Oberflächenbe­ reich davon direkt verbunden sein, so dass der Pufferbereich und der Verbindungsbereich ohne eine zusätzliche Zwischen­ schicht in Kontakt stehen und aneinander befestigt sind.
Bei einer anderen vorteilhaften Ausführungsform der erfin­ dungsgemäßen Verbindungseinrichtung ist aber gerade ein zu­ sätzlicher Zwischenbereich, insbesondere in Form einer Zwi­ schenschicht vorgesehen, um den Pufferbereich und den Verbin­ dungsbereich im Betrieb miteinander indirekt mechanisch und/oder elektrisch zu verbinden. Dadurch kann erreicht wer­ den, dass sowohl die Schaltungseinheit und die Kontaktein­ richtung als auch der Pufferbereich und der Verbindungsbe­ reich thermomechanisch weiter voneinander entkoppelt werden, so dass auch die thermomechanische Verspannung dieser beiden Bereiche in bezug aufeinander möglichst gering gehalten wer­ den, wodurch sich eine besonders hohe thermomechanische Kom­ patibilität zwischen Schaltungseinheit und Kontakteinrichtung erreichen läßt.
Vorteilhafterweise sind der Pufferbereich, der Zwischenbe­ reich und/oder der Verbindungsbereich schichtförmig oder schichtartig ausgebildet. Dabei können diese Schichten ihrer­ seits eine Mehrzahl metallischer und/oder Legierungsbereiche oder -schichten aufweisen, so dass im Betrieb im Übergang von der Schaltungseinheit zur Kontakteinrichtung hin ein im we­ sentlichen schichtartiger oder schichtförmiger Verlauf oder Aufbau vorliegt.
Für den Pufferbereich wird bevorzugt - insbesondere bei einer Schaltungseinheit im Halbleiterbereich - dass dieser Alumini­ um enthält oder im wesentlichen aus Aluminium gefertigt ist. Aluminium hat hinsichtlich der Aufnahme mechanischer Verspan­ nungen aufgrund der eigenen mechanischen und thermomechani­ schen Eigenschaften besondere Vorteile.
Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verbindungseinrichtung weist der Ver­ bindungsbereich einen ersten Bereich auf, welcher Silber ent­ hält oder im wesentlichen daraus gebildet ist und welcher im Betrieb direkt mit der Kontakteinrichtung verbunden ist. Des weiteren weist der Verbindungsbereich einen zweiten Bereich auf, welcher Gold und Zinn enthält oder im wesentlichen daraus gebildet ist und welcher im Betrieb auf einer von der Kontakteinrichtung abgewandten Seite angeordnet ist, vorzugs­ weise in Verbindung mit der Schaltungseinheit, gegebenenfalls in direkter Verbindung mit einem Zwischenbereich oder Puffer­ bereich.
Weitere Vorteile hinsichtlich des Ausgleichs der thermomecha­ nischen Verspannungen ergeben sich, wenn gemäß einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verbindungseinrichtung der Zwischenbereich einen ersten Bereich aufweist, welcher Silber enthält oder im wesentlichen daraus gebildet ist und welcher im Betrieb mit dem Verbindungsbereich verbunden ist. Ferner ist es von Vorteil, wenn der Zwischenbereich einen zweiten Bereich aufweist, welcher Titan enthält oder im we­ sentlichen daraus gebildet ist und welcher im Betrieb mit dem Pufferbereich verbunden ist.
Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausführungsform der erfin­ dungsgemäßen Verbindungseinrichtung weist der Verbindungsbe­ reich ebenfalls einen ersten Bereich auf, wobei aber Kupfer als wesentlicher Bestandteil vorgesehen ist. Des Weiteren weist der Verbindungsbereich ebenfalls einen zweiten Bereich auf, welcher aber wesentlich oder ausschließlich aus Zinn be­ steht und welcher im Betrieb auf einer von der Kontaktein­ richtung abgewandten Seite angeordnet ist, vorzugsweise in Verbindung mit der Schaltungseinheit, gegebenenfalls in di­ rekter Verbindung mit einem Zwischenbereich oder Pufferbe­ reich.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfin­ dungsgemäßen Verbindungseinrichtung weist der Zwischenbereich einen ersten Bereich auf, welcher Kupfer enthält oder im We­ sentlichen daraus gebildet ist. Dieser erste Bereich ist im Betrieb mit dem Verbindungsbereich verbunden. Es ist ferner von Vorteil, wenn der Zwischenbereich einen zweiten Bereich aufweist, welcher - wie bei dem oben genannten Ausführungs­ beispiel - Titan enthält oder im Wesentlichen daraus gebildet ist und welcher im Betrieb mit dem Pufferbereich verbunden ist.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfin­ dungsgemäßen Verbindungseinrichtung ist es vorgesehen, dass zumindest ein Teil des Verbindungsbereichs, insbesondere der jeweilige erste Bereich davon, als Teil oder Bestandteil der Kontakteinrichtung, insbesondere eines Leadframes oder der­ gleichen, und/oder als integraler Bestandteil davon ausgebil­ det ist. Insbesondere dann, wenn der erste Bereich des Ver­ bindungsbereichs aus Kupfer besteht, muß keine explizit vor­ zusehende Schicht oder Beschichtung ausgebildet werden, weder auf der Chiprückseite noch auf der Oberfläche des Leadframes, weil dann nämlich gerade die Kupferoberfläche des Leadframes selbst ohne weitere Vorbehandlung als erster Bereich des Ver­ bindungsbereichs verwendet werden kann, wodurch der Aufbau und die Herstellung maßgeblich vereinfacht werden.
Die oben beschriebene erfindungsgemäße Verbindungseinrichtung wird bevorzugt in einer Schaltungsanordnung, insbesondere in einem Halbleitermodul oder dergleichen, zur mechanischen und/oder elektrischen Verbindung einer Schaltungseinheit, insbesondere eines Chips oder dergleichen mit mindestens ei­ ner Kontakteinrichtung verwendet.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ist insbesondere als Halbleitermodul ausgebildet und weist mindestens eine Schal­ tungseinheit, insbesondere einen Chip oder dergleichen, sowie eine Kontakteinrichtung zur Kontaktierung der Schaltungsein­ heit auf. Gekennzeichnet ist die erfindungsgemäße Schaltungs­ anordnung dadurch, dass zur mechanischen und/oder elektri­ schen Verbindung der Schaltungseinheit mit der Kontaktein­ richtung mindestens eine erfindungsgemäß Verbindungseinrich­ tung vorgesehen ist.
Einige weitere Aspekte der vorliegenden Erfindung ergeben sich zusammenfassend wie folgt:
So wird vorgeschlagen, einen Puffer oder Pufferbereich für die Aufnahme von thermomechanischen Verspannungen an der Grenzfläche zwischen einer Schaltungseinheit, nämlich an ei­ ner Chiprückseite und einem Diebond aufzubauen. Bisher wurden diese thermomechanischen Verspannungen zwischen einem Chip und zum Beispiel einem Leadframe durch eine Klebung oder Lö­ tung ausgeglichen.
Durch die erfindungsgemäße Verbindungseinrichtung und insbe­ sondere durch den Puffer oder Pufferbereich können die auf­ tretenden Verspannungen aufgrund unterschiedlicher Wärmeaus­ dehnungskoeffizienten von zum Beispiel Silizium und Kupfer je nach Dimensionierung aufgefangen werden. Durch die Verwendung eines Pufferbereichs oder Puffers werden die montagebedingten maximalen Chipflächen der einzelnen Gehäusetypen deutlich er­ höht. So stehen für jeden Gehäusetyp insgesamt größere Chip­ flächen zur Verfügung, die beim herkömmlichen Verfahren durch Klebung oder Lötung durch die entsprechenden Klebe- oder Löt­ höfe eingeschränkt wären.
Des weiteren begünstigt die Pufferschicht den Legierungspro­ zess. Gewöhnlich sind die dünnen Legierungsschichten - von z. B. 1 µm - nur bei kleinen Chipflächen anwendbar. Durch die Pufferschicht werden erfindungsgemäß auch große Chipflächen möglich, wie sie auch beim Kleben oder Löten erreichbar sind.
Ferner ist auch der Legierprozess erheblich einfacher zu rea­ lisieren als der Klebeprozess oder der Lötprozess. Dies führt insgesamt zu einer deutlichen Prozessverbilligung.
Ein weiterer Vorteil liegt in der weitaus besseren Zuverläs­ sigkeit der Legierverbindung gegenüber anderen Diebondprozes­ sen.
Maßgeblich für die oben beschriebenen Vorteile der erfin­ dungsgemäßen Verbindungseinrichtung ist auch die Entkopplung zwischen Pufferschicht und Verbindungsschicht. Dabei wird der Puffer in eine andere bereits bestehende Struktur, nämlich der Struktur der Schaltungseinheit oder der Struktur der Kon­ takteinrichtung, integriert.
Durch die Verwendung eines Pufferbereichs mit den oben ange­ gebenen Eigenschaften würde die maximale diebondbare Chipflä­ che in einem Gehäuse gegebener Dimension deutlich erhöht, weil die Verbindungsschicht sich bereits auf der Chiprücksei­ te oder auf dem Leadframe befindet und somit nicht beim Die­ bondprozess selbst aufgebracht werden muss.
Die so frei werdende Fläche auf der Kontakteinrichtung, wel­ che bisher von Klebehöfen oder Lothöfen benetzt wurde, steht nunmehr dann als mögliche zusätzliche Chipfläche nutzbar zur Verfügung.
Weitere Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung erge­ ben sich aus den nachfolgenden Darstellungen:
Wie oben bereits erwähnt wurde, wird vorgeschlagen, eine Ver­ bindungsschicht im Verbindungsbereich, insbesondere in einem ersten Bereich davon, aus Gold und Zinn oder aus Zinn allein auszubilden. Der Verbindungsbereich insgesamt und insbesonde­ re der erste Bereich davon, welcher Zinn zumindest enthält, wird vorteilhafterweise möglichst dünn realisiert und dabei zwischen zwei Bereichen oder Schichten aus demselben Material - nämlich entweder zwischen zwei Silberschichten oder zwi­ schen zwei Kupferschichten - angeordnet.
Durch dieses Vorgehen bildet sich durch Wechselwirkung der Materialien der Zwischenschicht und der Verbindungsschicht im Rahmen eines Legierungsaustausches eine neue Legierungsver­ bindung zwischen Zinn Sn und Silber Ag bzw. Kupfer Cu im Be­ reich der ersten und zweiten Bereiche des Verbindungsbereichs und des ersten Bereichs des Zwischenbereichs aus.
Dabei ergibt sich in vorteilhafter Weise eine relativ niedri­ ge Herstellungs- oder Verarbeitungstemperatur im Bereich von etwa 230°C bis 280°C, nämlich im Bereich der Schmelztempera­ turen von Zinn bzw. der Gold-Zinn-Mischkristalle. In diesem Temperaturbereich der Schmelztemperaturen von Zinn oder der Gold-Zinn-Mischkristalle wird dann die Legierungsumbildung zu Silber-Zinn bzw. zu Kupfer-Zinn bewirkt. Die neue Legierung Silber-Zinn bzw. Kupfer-Zinn hat im Vergleich zur Prozessie­ rungstemperatur zwischen 230°C bis 280°C eine relativ hohe Schmelztemperatur oberhalb von 400°C. Insgesamt ergibt sich also der Vorteil, dass bei niedriger Verarbeitungstemperatur eine vergleichsweise hohe mechanisch-thermische Stabilität mit vergleichsweise gesteigerter Schmelztemperatur der neuen Legierungsverbindung entsteht.
Die Wahl einer besonders dünnen Verbindungsschicht bzw. eines besonders dünnen Verbindungsbereichs liefert beim Prozessie­ ren eine besonders schnelle und darüber hinaus im Wesentli­ chen vollständige Umwandlung in die Silber-Zinn- bzw. Kupfer- Zinn-Legierung. Im Endergebnis erhält man eine besonders vollständige isotherme Erstarrung bei einem beschleunigten Montageprozess.
Besonders vorteilhaft ist dabei, dass im Gegensatz zum Stand der Technik der umzusetzende Legierungsbestandteil, welcher dem Zinn hinzugesetzt wird, nämlich Silber bzw. Kupfer, von beiden Seiten der das Zinn enthaltenden Schicht angeboten wird. Das heißt, indem der zweite Bereich des Verbindungsbe­ reichs, also der Au/Sn- oder Sn-Bereich, über den ersten Be­ reich des Verbindungsbereichs und über den ersten Bereich des Zwischenbereichs in Silber bzw. in Kupfer eingebettet ist, wird ein besonders vollständiger und beschleunigter Montage­ prozess, d. h. also eine besonders vollständige und beschleu­ nigte isotherme Erstarrung der Verbindung erreicht.
Dabei kann die eine Silberschicht bzw. Kupferschicht als Rückseitenmetallisierung des entsprechenden Chips integriert sein, und sie kann direkt vor der Ausbildung der Zinnschicht oder der Gold/Zinn-Schicht aufgebracht werden. Die zweite Silberschicht oder Kupferschicht kann auf dem Chipträger, beispielsweise auf einem Leadframe, aufgebracht werden. Dabei wird dann während des Montageprozesses der zu verbindende Chip mit der Rückseitenmetallisierung auf dem Chipträger an­ geordnet, wodurch dann eine entsprechende Montagekonstella­ tion zur Ausbildung der Verbindung erreicht wird.
Ein Erfindungsgedanke liegt also in der konstruktiven Bereit­ stellung der für die isotherme Erstarrung benötigten Metalle - nämlich Kupfer bzw. Silber - von beiden Seiten in Bezug auf die Zinn enthaltende Schicht, d. h. vom Chipträger her und von der Rückseitenmetallisierung des Chips her. Das Auslegen der Verbindungsschicht, welche Zinn enthält, als möglichst dünnen Bereich erzwingt die gewünschte vollständige und möglichst schnelle isotherme Erstarrung während des Montagevorgangs.
Eine weitere Idee der vorliegenden Erfindung wird darin gese­ hen, dass nunmehr eine Trennung des eigentlichen Verbindungs­ bereichs in einen ersten Bereich, welcher Kupfer oder gegebe­ nenfalls Silber enthält, und einen zweiten Bereich, welcher das Zinn enthält, in räumlich separierter Form vor dem Monta­ geprozess möglich ist. Das bedeutet, dass der erste Bereich des Verbindungsbereichs als integraler Bestandteil - z. B. als Oberflächenbereich - des eigentlichen Chipträgers oder des Leadframes ausgebildet sein kann. Es kann sich dabei z. B. um eine integrierte Silberschicht im Oberflächenbereich des Lead­ frames oder Chipträgers handeln. Besteht der Chipträger oder Leadframe ohnehin aus Kupfer, so ist eine Oberflächenbehand­ lung oder Beschichtung des Chipträgers obsolet.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer schematischen Zeichnung auf der Grundlage bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung weiter erläutert.
Fig. 1 zeigt in Form einer schematischen und teilweise geschnittenen Seitenansicht eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung unter Verwendung der erfin­ dungsgemäßen Verbindungseinrichtung.
Fig. 2 zeigt in Form einer geschnittenen Seitenansicht im Detail den Schichtaufbau einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verbindungseinrichtung.
Fig. 3 zeigt eine Schaltungsanordnung aus dem Stand der Technik.
Fig. 4 zeigt eine andere Ausführungsform der erfindungs­ gemäßen Verbindungseinrichtung.
In der schematischen und teilweise geschnittenen Seitenan­ sicht der Fig. 1 ist eine erfindungsgemäße Schaltungsanord­ nung 1 unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Verbindungs­ einrichtung 10 dargestellt.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung 1 weist in einem aus einer Vergussmasse bestehenden Gehäuse 6 eine Schaltungsein­ heit 2 auf, welche über eine schichtförmig aufgebaute erfin­ dungsgemäße Verbindungseinrichtung 10 mit einer als Leadframe ausgebildeten Kontakteinrichtung 4 mechanisch und/oder elek­ trisch verbunden ist. Auf der Oberseite der Schaltungseinheit 2 oder des Chips ist ebenfalls über einen Bonddraht 8 mit Kontaktpunkten 8-1 und 8-2 eine weitere Kontakteinrichtung S angeschlossen. Die Kontakteinrichtungen 4, 5 oder Leadframes sind zusammen mit der Schaltungseinheit 1 und der Verbin­ dungseinrichtung 10 in der Vergussmasse des Gehäuses 6 einge­ gossen und fixiert.
Ein Detail X der mit einer Pufferschicht 12, einer Zwischen­ schicht 14 und einer Verbindungsschicht 16 versehenen Verbin­ dungseinrichtung 10 ist in einer teilweise geschnittenen Sei­ tenansicht in der Fig. 2 dargestellt.
Dort ist gezeigt, dass im oberen Bereich von der Schaltungs­ anordnung 2, welche aus einem Siliziumchip besteht, ausge­ hend, sich eine aus Aluminium gefertigte Pufferschicht 12 an­ schließt. Es folgt eine Zwischenschicht 14 im Übergang zur Verbindungsschicht 16, wobei die Zwischenschicht 14 einen Be­ reich 14-2 aus Titan und nachfolgend einen anderen Bereich 14-1 aus Silber aufweist, welche beide in etwa eine Schicht­ stärke von 0,5 µm aufweisen. Die Titanschicht 14-2 liegt an der Aluminiumpufferschicht 12 an, während die Silberschicht 14-1 mit der nachfolgenden Schicht 16-2 des Verbindungsbe­ reichs 16 verbunden ist.
Der Verbindungsbereich 16 bei dieser Ausführungsform besteht ebenfalls aus zwei Schichten nämlich einer mit der Zwischen­ schicht 14 verbundenen Schicht 16-2 aus Gold und Zinn mit ei­ ner Stärke von 1 µm sowie nachfolgend einer anderen Schicht 16-1, welche aus Silber besteht und welche im Oberflächenbe­ reich 16b mit dem Kupfer des Leadframes oder der Kontaktein­ richtung 4 verbunden ist.
Fig. 3 zeigt in teilweise geschnittener Seitenansicht eine Ausführungsform einer Schaltungsanordnung 30 aus dem Stand der Technik.
Bei dieser sind ebenfalls in einem Gehäuse 36 aus einer Ver­ gussmasse Kontakteinrichtungen 34 und 35 eingelassen. Die Schaltungseinheit 32 der herkömmlichen Schaltungsanordnung 30 ist über eine Klebung oder Lötung 31 mit der Kontakteinrich­ tung 34 verbunden.
Im Gegensatz zur Erfindung, bei welcher die Verbindungsein­ richtung 10 aus einer Schichtstruktur besteht, welche als Me­ tallisierungs- oder Legierungsschicht den Kanten der Schal­ tungseinheit 2 zu folgen vermag, weist die Verbindungsein­ richtung 31 bei der herkömmlichen Schaltungsanordnung 30 so­ genannte Höfe 31a und 31b auf, welche dazu führen, daß die von der Schaltungseinheit 32 auf der Kontakteinrichtung 34 effektiv eingenommene Fläche nicht durch die Kantenlänge x der Schaltungseinheit 32 bestimmt wird, sondern vielmehr durch die Kantenlänge y, welche sich durch das Auseinander­ laufen der Lötung oder Klebung, also durch die Höfe auf der Oberfläche der Kontakteinrichtung 34 ergibt.
Ausgehend vom Stand der Technik gemäß der Anordnung 30 ergibt sich zum Beispiel eine erfindungsgemäß erhaltene Flächenein­ sparung von etwa 30%, wenn man eine Benetzungsfläche durch die Klebung oder Lötung zugrundelegt, welche durch eine Kan­ tenlänge y = 1,9 mm definiert ist, sofern man eine rechtecki­ ge Grundfläche für die Klebung oder Lötung und auch für den Chip 32 voraussetzt. Durch den erfindungsgemäßen Wegfall der Höfe 31a und 31b ergibt sich, dass bei einer Chipkantenlänge x von 1,6 mm eine Flächendifferenz von 1,05 mm2 resultiert, welche im Verhältnis zur Klebefläche auf der Kontakteinrich­ tung 34 von 3,61 mm2 eine Flächeneinsparung von 30% liefert, wenn man von der Klebung oder Lötung zur erfindungsgemäßen Verbindungseinrichtung übergeht.
Fig. 4 zeigt das Detail X der mit einer Pufferschicht 12, ei­ ner Zwischenschicht 14 und einer Verbindungsschicht 16 verse­ henen Verbindungseinrichtung 10 gemäß einer anderen Ausfüh­ rungsform der Erfindung in einer teilweise geschnittenen Sei­ tenansicht in analoger Weise wie bei Fig. 2.
Im Gegensatz zur Ausführungsform der Fig. 2 ist bei der Aus­ führungsform der Fig. 4 der erste Bereich 14-1 des Zwischen­ bereichs 14 aus Kupfer gebildet. Das Gleiche gilt für den er­ sten Bereich 16-1 des Verbindungsbereichs 16. Zusätzlich ist dieser erste Bereich 16-1 der Verbindungsschicht 16 als in­ tegraler Bestandteil des Leadframes 4, nämlich von dessen Oberfläche, ausgebildet. Des Weiteren besteht der zweite Be­ reich 16-2 der Verbindungsschicht 16 ausschließlich aus Zinn und enthält somit keine Mischkristalle wie bei der Ausfüh­ rungsform der Fig. 2.
Bezugszeichenliste
1
erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
2
Schaltungseinheit
4
Kontakteinrichtung
5
Kontakteinrichtung
6
Gehäuse, Vergussmasse
8
Bonddraht
8-1/2
Kontaktpunkte
10
Verbindungseinrichtung
12
Pufferbereich, Pufferschicht
12
a, b Oberflächenbereich
14
Zwischenbereich, Zwischenschicht
14-1
erster Bereich
14-2
zweiter Bereich
16
Verbindungsbereich
16
a, b Oberflächenbereich
16-1
erster Bereich
16-2
zweiter Bereich
30
Schaltungsanordnung Stand der Technik
31
Lot-/Klebeverbindung
31
a, b Höfe
32
Schaltungseinheit
34
Kontakteinrichtung
35
Kontakteinrichtung
36
Gehäuse, Vergussmasse
x Kantenlänge Schaltungseinheit
y Kantenlänge Lot-/Klebebereich

Claims (16)

1. Verbindungseinrichtung für eine Schaltungsanordnung, ins­ besondere für ein Halbleitermodul oder dergleichen, welche ausgebildet ist, im Betrieb mindestens eine Schaltungseinheit (2), insbesondere einen Chip oder dergleichen, der Schal­ tungsanordnung (1) mit mindestens einer Kontakteinrichtung (4) der Schaltungsanordnung (1) mechanisch und/oder elek­ trisch zu verbinden und dabei die Schaltungseinheit (2) und die Kontakteinrichtung (4) thermomechanisch im wesentlichen zu entkoppeln, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungseinrichtung (10) im wesentlichen als - vorzugsweise vorgefertigter - metallischer oder Legierungs­ bereich zumindest teilweise im Bereich der Schaltungseinheit (2) und/oder im Bereich der Kontakteinrichtung (4) unter wei­ testgehender Vermeidung von Klebeelementen und Lotelementen ausgebildet ist.
2. Verbindungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Pufferbereich (12), insbesondere in Form einer Schicht, vorgesehen ist, durch welchen im Betrieb ther­ momechanische Verspannungen zwischen der Schaltungseinheit (2) und der Kontakteinrichtung (4) auffangbar und somit die Schaltungseinheit (2) und die Kontakteinrichtung (4) thermo­ mechanisch entkoppelbar sind.
3. Verbindungseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Pufferbereich (12) im Betrieb zumindest mit einem Oberflächenbereich (12a) davon als im wesentlichen integraler Bestandteil, insbesondere als Schicht, in einem Bereich der bestehenden Struktur der Schaltungseinheit (2) und/oder der Kontakteinrichtung (4) ausbildbar ist.
4. Verbindungseinrichtung nach einem der vorangehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Verbindungsbereich (16), insbesondere in Form einer Schicht, vorgesehen ist, durch welchen im Betrieb eine mechanische und/oder elektrische Verbindung im wesentli­ chen zwischen der Schaltungseinheit (2) und der Kontaktein­ richtung (4) ausbildbar ist.
5. Verbindungseinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungsbereich (16) im Betrieb zumindest mit ei­ nem Oberflächenbereich (16b) davon als im wesentlichen in­ tegraler Bestandteil, insbesondere als Schicht, in einem Be­ reich der bestehenden Struktur der Kontakteinrichtung (4) und/oder der Schaltungseinheit (2) ausgebildet ist.
6. Verbindungseinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Pufferbereich (12) und der Verbindungsbereich (16) im Betrieb zumindest mit jeweils einem weiteren Oberflächen­ bereich (12b, 16a) davon direkt verbunden sind.
7. Verbindungseinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Pufferbereich (12) und der Verbindungsbereich (16) im Betrieb über einen vorgesehenen Zwischenbereich (14), ins­ besondere über eine Zwischenschicht, miteinander mechanisch und/oder elektrisch verbunden sind.
8. Verbindungseinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Pufferbereich (12), der Zwischenbereich (14) und/oder der Verbindungsbereich (16) schichtförmig ausgebil­ det sind und/oder eine Mehrzahl metallischer und/oder Legie­ rungsschichten aufweisen, so dass im Betrieb im Übergang von der Schaltungseinheit (2) zur Kontakteinrichtung (4) hin ein im wesentlichen schichtförmiger Verlauf vorliegt.
9. Verbindungseinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Pufferbereich (12) Aluminium aufweist oder im we­ sentlichen daraus gebildet ist.
10. Verbindungseinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet,
dass der Verbindungsbereich (16) einen ersten Bereich (16-1) aufweist, welcher Silber enthält oder im wesentlichen daraus gebildet ist und welcher im Betrieb direkt mit der Kontakteinrichtung (4) verbunden ist, und
dass der Verbindungsbereich (16) einen zweiten Bereich (16-2) aufweist, welcher Gold und Zinn enthält oder im we­ sentlichen daraus gebildet ist und welcher im Betrieb auf einer von der Kontakteinrichtung (4) abgewandten Seite an­ geordnet ist, vorzugsweise in Verbindung mit der Schal­ tungseinheit (2), gegebenenfalls in direkter Verbindung mit einem Zwischenbereich (14) oder Pufferbereich (12).
11. Verbindungseinrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet,
dass der Zwischenbereich (14) einen ersten Bereich (14-1) aufweist, welcher Silber enthält oder im wesentlichen dar­ aus gebildet ist und welcher im Betrieb mit dem Verbin­ dungsbereich (16) verbunden ist, und
dass der Zwischenbereich (14) einen zweiten Bereich (14-2) aufweist, welcher Titan enthält oder im wesentlichen daraus gebildet ist und welcher im Betrieb mit dem Pufferbereich (12) verbunden ist.
12. Verbindungseinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet,
dass der Verbindungsbereich (16) einen ersten Bereich (16-1) aufweist, welcher Kupfer enthält oder im wesentlichen daraus gebildet ist und welcher im Betrieb direkt mit der Kontakteinrichtung (4) verbunden ist, und
dass der Verbindungsbereich (16) einen zweiten Bereich (16-2) aufweist, welcher Zinn enthält oder im wesentlichen daraus gebildet ist und welcher im Betrieb auf einer von der Kontakteinrichtung (4) abgewandten Seite angeordnet ist, vorzugsweise in Verbindung mit der Schaltungseinheit (2), gegebenenfalls in direkter Verbindung mit einem Zwi­ schenbereich (14) oder Pufferbereich (12).
13. Verbindungseinrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9 oder 12, dadurch gekennzeichnet,
dass der Zwischenbereich (14) einen ersten Bereich (14-1) aufweist, welcher Kupfer enthält oder im wesentlichen dar­ aus gebildet ist und welcher im Betrieb mit dem Verbin­ dungsbereich (16) verbunden ist, und
dass der Zwischenbereich (14) einen zweiten Bereich (14-2) aufweist, welcher Titan enthält oder im wesentlichen daraus gebildet ist und welcher im Betrieb mit dem Pufferbereich (12) verbunden ist.
14. Verbindungseinrichtung nach einem der vorangehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil des Verbindungsbereichs (16), insbe­ sondere der erste Bereich (16-1) davon, als Teil der Kon­ takteinrichtung (4), insbesondere des Leadframes, und/oder als integraler Bestandteil davon ausgebildet ist.
15. Verwendung einer Verbindungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14 in einer Schaltungsanordnung, insbesondere in einem Halbleitermodul oder dergleichen, zur mechanischen und/oder elektrischen Verbindung einer Schaltungseinheit (2), insbesondere eines Chips oder dergleichen mit mindestens ei­ ner Kontakteinrichtung (4).
16. Schaltungsanordnung, insbesondere Halbleitermodul oder dergleichen, mit mindestens einer Schaltungseinheit (2), insbesondere ei­ nem Chip oder dergleichen, und mit mindestens einer Kon­ takteinrichtung (4) zur Kontaktierung der Schaltungseinheit (2), dadurch gekennzeichnet, dass zur mechanischen und/oder elektrischen Verbindung der Schaltungseinheit (2) mit der Kontakteinrichtung (4) minde­ stens eine Verbindungseinrichtung (10) nach einem der Ansprü­ che 1 bis 14 vorgesehen ist.
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