DE102005006281A1

DE102005006281A1 - Halbleiterbauteil mit Goldbeschichtungen und Verfahren zur Herstellung desselben

Info

Publication number: DE102005006281A1
Application number: DE102005006281A
Authority: DE
Inventors: Volker Dr.-Ing. Güngerich; Jochen Dipl.-Ing. Dangelmaier; Donald San Jose Fowlkes; Henrik Los Gatos Hoyer
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2005-02-10
Filing date: 2005-02-10
Publication date: 2006-08-24
Anticipated expiration: 2025-02-11
Also published as: US7911041B2; DE102005006281B4; US20060175691A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauteil (7) mit Goldbeschichtungen (1 bis 5) und Verfahren zur Herstellung desselben. Dazu werden bzw. sind die Goldbeschichtungen (1 bis 4) auf metalischen oder keramischen Komponenten (6) des Halbleiterbauteils (7) aufgebracht, wobei die Goldbeschichtungen (1 bis 4) eine multifuktionale mehrlagige Metallbeschichtung (8) mit minimaler Goldauflage (9) aufweisen. Die Goldauflage hat eine Dicke d¶G¶ mit d¶G¶ 0,5 mum. Außerdem ist mindestens eine metallische Zwischenlage (10) zwischen der Goldauflage (9) und den metallischen bzw. keramischen Komponenten (6) angeordnet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauteil mit Goldbeschichtungen auf metallischen oder keramischen Komponenten des Halbleiterbauteils. Goldbeschichtungen auf Oberseiten von Halbleiterbauteilkomponenten sind teilweise erforderlich, um die darunter liegenden metallischen Schichten vor Korrosion, Oxidation und/oder Sulfidation zu schützen. Dieses trifft besonders für Außenkontakte zu, die aus einem Kunststoffgehäuse eines Halbleiterbauteils herausragen.

Diese Goldbeschichtungen sind jedoch in ihrer Dicke zwischen 2,5 μm und 5 μm für den Lötprozess störend, zumal das Gold mit dem aufgebrachten Lötzinn intermetallische, spröde Phasen bilden kann, welche die Lötfuge verspröden. Somit ist der Anwender, bzw. der Abnehmer gezwungen, vor einem Auflöten der Außenkontakte auf eine übergeordnete Schaltungsplatine die Goldbeschichtung zu entfernen. Andererseits würden die hauptsächlich aus Kupfer oder Kupferlegierungen bestehenden Außenanschlüsse bzw. Außenkontakte eines Halbleiterbauteils ohne den Goldschutz in ihrer Lagerfähigkeit stark begrenzt sein, da das Kupfer anläuft und eine Benetzung der angelaufenen Schicht aus Kupferoxid und Kupfersulfid nicht sicher benetzbar ist.

Goldbeschichtungen sind außerdem auf Komponenten des Halbleiterbauteils eingesetzt, auf denen Halbleiterchips mit ihren Rückseiten zu befestigen sind. In diesen Fällen haben sich ebenfalls Goldschichten mit einer Dicke von 2,5 μm bis 5 μm bewährt, um eine sichere eutektische Verschmelzung zwischen der Goldbeschichtung und dem Silizium der Rückseite des Halbleiterchips zu erreichen. Weiterhin werden in einem Halbleiterbauteil Goldbeschichtungen auf Kontaktanschlussflächen von Verdrahtungsstrukturen in einer Dicke von 2,5 μm bis 5 μm eingesetzt, um daran Bonddrähte über eutektisches Verschmelzen mit dem Aluminium der Bonddrähte zu bewirken.

Auch Innenflachleiter zeigen bei herkömmlichen Bauteilen eine derartige Goldbeschichtung über 2,5 μm Dicke, sodass sichergestellt ist, dass der Bonddraht von den Kontaktflächen des Halbleiterchips kommend auf Kontaktanschlussflächen eines Flachleiters gebondet werden kann. Bei der Dicke der Schichten wird versucht, Fertigungskosten dadurch einzusparen, dass das Gold selektiv auf die Stellen der Komponenten aufgebracht wird, auf denen eine Goldbeschichtung erforderlich ist. Jedoch zeigt es sich, dass Justage und selektives Aufbringen einer derartigen Goldbeschichtung die Fertigungskosten in die Höhe treibt.

Aufgabe der Erfindung ist es, für Komponenten mit mehrlagiger Beschichtung eine Goldauflage anzugeben, die großflächig auf den Halbleiterkomponenten angewandt werden kann, ohne selektive Zwischenschritte durchführen zu müssen und die dennoch die Fertigungskosten vermindert. Außerdem ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauteils mit Goldbeschichtungen anzugeben.

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

Erfindungsgemäß wird ein Halbleiterbauteil mit Goldbeschichtungen auf metallischen oder keramischen Komponenten des Halbleiterbauteils geschaffen, wobei die Goldbeschichtungen eine multifunktionale mehrlagige Metallbeschichtung mit minimaler Goldauflage aufweisen. Dabei hat die Goldauflage eine Dicke d_G mit d_G ≤ 0,5 μm. Außerdem ist mindestens eine metallische Zwischenlage zwischen der Goldauflage und den metallischen bzw. keramischen Komponenten angeordnet.

Dieses Halbleiterbauteil mit Goldbeschichtungen hat den Vorteil, dass die Dicke d_G mit d_G ≤ 0,5 μm sowohl für ein Bonden von Halbleiterchips auf derartigen Goldbeschichtungen einer Chipinsel eines Flachleiterrahmens als auch ein Anbringen von Bonddrähten auf derartigen Goldbeschichtungen ermöglicht, und außerdem diese Dicke ausreicht, Außenkontaktflächen und Außenkontakte des Halbleiterbauteils vor Korrosion, Oxidation und/oder Sulfidation zu schützen, ohne dass die dünne Goldauflage einen nachfolgenden Lötvorgang behindert oder zu Versprödungen des Lotzinns führt.

Ein weiterer Vorteil dieses Halbleiterbauteils liegt darin, dass die Goldbeschichtungen nicht selektiv aufzubringen sind, da mit dieser Goldbeschichtung sowohl Zinnlote benetzt werden können, als auch die üblichen Bondvorgänge zum Aufbringen von Halbleiterchips oder zum Anbringen von Bonddrähten durchgeführt werden können. Damit ist gleichzeitig eine erhebliche Kosteneinsparung in der Fertigungstechnik verbunden, zumal eine große Anzahl von Fertigungsschritten für ein selektives Aufbringen von dicken Goldbeschichtungen mit d_G > 0,5 μm entfallen.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die mehrlagige Metallbeschichtung neben der Goldauflage eine Zwischenlage aus diffusionshemmendem Material auf. Dieses diffusionshemmende Material verhindert einerseits, dass Gold sich mit dem darunter liegenden Metall der metallischen Komponenten des Halbleiterbauteils verbindet und somit für ein Bonden oder ein Verlöten nicht mehr zur Verfügung steht, und zum anderen schützt es davor, dass Kupfer in die sich bildende Verbindung aus Lotzinn und Gold, bzw. aus Bondmaterial und Gold eindiffundiert, und für eine Versprödung dieser Verbindungen sorgt.

Weiterhin kann in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die mehrlagige Metallbeschichtung als Zwischenlage eine Schichtfolge aus Nickel mit einer Dicke d_N und Palladium mit einer Dicke d_P aufweisen. Dabei beträgt die Dicke d_N von Nickel zwischen 3 μm ≤ d_N ≤ 5 μm und die Dicke d_P von Palladium zwischen 0,1 μm ≤ d_P ≤ 0,3 μm. Die Kombination aus Nickel und Palladium hat den Vorteil, dass sich keine intermetallischen Phasen zwischen Nickel als diffusionshemmendes Material und der Goldauflage bilden können. Dieses wird durch die zweite Zwischenlage aus Palladium oder durch weitere Zwischenlagen behindert.

Schließlich ist es möglich, für die mehrlagige Metallbeschichtung eine Zwischenlage aus NiCo mit einer Dicke d_NiCo zwischen 3 μm ≤ d_NiCo ≤ 5 μm vorzusehen. Die Zwischenschicht aus NiCo hat den Vorteil, dass sie sowohl als Diffusionssperre in der einen Richtung bspw. von einer kupfernen Komponente zu der Goldauflage und umgekehrt von der Goldauflage zu der Kupferkomponente dienen kann, und außerdem verbessert die NiCo-Zwischenschicht die Adhäsion der Goldauflage auf der Komponente und stellt somit einen Haftvermittler zwischen Kupferkomponente und Goldauflage dar. Die Adhäsion oder Haftung der mehrlagigen Metallbeschichtung kann auch durch eine Titanschicht auf der metallischen Komponente des Halbleiterbauteils verbessert werden, wobei als Sperrschicht für Nickel auch Wolfram eingesetzt werden kann. Anstelle der NiCo-Schicht kann auch eine Schichtfolge aus Kobalt und Palladium eingesetzt werden, wobei Kobalt in einer Dicke d_Co von 3 μm ≤ d_Co ≤ 5 μm auf der metallischen Komponente angeordnet ist.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Halbleiterbauteil ein Hochfrequenzleistungsbauteil mit einem Hohlraumgehäuse aus Kunststoff und einem metallischen Bodenbereich, der die mehrlagige Metallbeschichtung mit Goldauflage aufweist. Insbesondere bei Leistungsbauteilen, die eine hohe Verlustwärme entwickeln ist es entscheidend, dass es zu keiner Diffusion zwischen der Goldauflage und dem darunter angeordneten Metall der metallischen Komponente kommt. Außerdem ist es von Vorteil, wenn die Verlustwärme über einen metallischen Bodenbereich an die Umgebung abgegeben werden kann, zumal, wenn das übrige Gehäuse nicht aus Keramik, die üblicherweise für Hochfrequenzbauteile eingesetzt wird, besteht, sondern aus dem preiswerteren Kunststoff.

Ein derartiges Halbleiterbauteil hat den Vorteil, dass durch das Kunststoffhohlraumgehäuse eine erhebliche Kosteneinsparung möglich ist, zumal derartige Kunststoffgehäuse in Massenproduktion mit Spritzgussverfahren hergestellt werden können, während für die Keramikhohlraumgehäuse kostenintensive Sinterverfahren mit entsprechenden Druck- und Temperaturversorgungsmitteln einzusetzen sind.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der metallische Bodenbereich einen in einen Hohlraumgehäuserahmen eingelöteten Bodenflansch auf. Dieser Bodenflansch weist Kupfer und/oder eine Kupferlegierung auf. Dabei ist der Bodenflansch derart in dem Hohlraumgehäuserahmen an geordnet, dass die mehrlagige Metallbeschichtung mit Goldauflage dem Hohlraum des Hohlraumgehäuses zugewandt ist.

Dieser Aufbau hat den Vorteil, dass durch eine neuartige Beschichtung des aus Kunststoff bestehenden Hohlraumgehäuserahmen, die ebenfalls eine erfindungsgemäße Goldauflage zum Abschluss aufweist, nun mit einem einfachen Zinnlot eine flächige Verbindung zwischen Hohlraumgehäuserahmen aus Kunststoff mit Spezialbeschichtung und dem Bodenflansch mit erfindungsgemäßer Beschichtung fertig gestellt werden kann.

Darüber hinaus weist vorzugsweise der Bodenflansch auf einer einem Halbleiterchip zugewandten Fläche die mehrlagige erfindungsgemäße Metallbeschichtung mit Goldauflage auf. Das bedeutet, dass der gesamte metallische Bodenbereich mit der erfindungsgemäßen Beschichtung großflächig versehen werden kann, und auf dieser großflächigen erfindungsgemäßen Beschichtung nun auch Halbleiterchips aus Silizium vor dem Zusammenbau mit dem Kunststoffgehäuserahmen aufgebracht werden können. Dabei wird der Bodenflansch extern auf eine Temperatur von etwa 430 °C erwärmt, sodass sich zwischen Silizium und der dünnen Goldauflage eine eutektische Schmelze ausbildet, die den metallischen Bodenbereich mit der Rückseite des Halbleiterchips mechanisch und elektrisch verbindet. Andererseits ist es auch von Vorteil, wenn die dem Bodenflansch zugewandte Seite einer Komponente des Halbleiterbauteils die mehrlagige erfindungsgemäße Metallbeschichtung mit Goldauflage aufweist.

Vorzugsweise weist der Bodenflansch eine Legierung aus Kupfer und Wolfram auf. Diese Legierung hat den Vorteil, dass sie durch den Anteil an Wolfram eine höhere Verlustleistung weiterleiten kann. Gleichzeitig ermöglicht diese Legierung ein Aufbringen einer Diffusionssperre aus reinem Wolfram, ohne dass eine adhäsionsverbessernde Schicht aus Titan erforderlich wird.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist der Bodenflansch eine Legierung aus Kupfer und Molybdän aus. Auch diese Legierung hat den Vorteil der höheren Temperaturbelastbarkeit und ist somit prädestiniert für Hochfrequenzleistungsbauteile.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das Hohlraumgehäuse aus Kunststoff Flachleiter auf. Diese Flachleiter sind in dem Hohlraum angeordnet und in einem Kunststoffgehäuserahmen eingebettet und ragen aus dem Hohlraumgehäuserahmen heraus, wobei die Flachleiter Kupfer und/oder eine Kupferlegierung aufweisen und die mehrlagige Metallbeschichtung mit Goldauflage auf beiden Oberflächen der Flachleiter aufgebracht ist.

Das hat den Vorteil, dass im Hohlraumbereich die Flachleiterenden Bonddrähte aufnehmen können, bzw. auf diesen Flachleiterenden gebondet werden kann, während die Unterseiten der Flachleiter im Außenbereich mit einer übergeordneten Schaltungsplatine verlötet werden können. Somit ermöglicht die erfindungsgemäße mehrlagige Metallbeschichtung mit einer Goldauflage, dass sie vielseitig einsetzbar ist, einmal zum Bonden, zum anderen zum Löten und schließlich zum Fixieren von Silizium-Halbleiterchips, wie oben erwähnt. Somit ist das Halbleiterbauteil mit seinen Flachleitern aus Kupfer und/oder einer Kupferlegierung mit mehrlagiger Metallbeschichtung und Goldauflage auf eine übergeordnete Schaltungsplatine lötbar, ohne dass die Goldauflage vorher vom Anwender abgeätzt werden muss, wie dass bei konventionellen Goldbeschichtungen von über 2,5 μm Dicke nachteilig der Fall ist.

Vorzugsweise weist das Halbleiterbauteil ein Gehäuse mit Keramikrahmen auf, der besonders gut für Hochfrequenzbauteile geeignet ist. Auch bei dieser Komponente wird erfolgreich und vorteilhaft die erfindungsgemäße Metallbeschichtung mit dünner Goldauflage eingesetzt.

Ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauteils mit Goldbeschichtungen, weist folgende Verfahrensschritte auf. Zunächst werden metallische oder keramische Komponenten eines Halbleiterbauteils hergestellt. Danach erfolgt das mehrlagige Beschichten der Oberseiten der Komponenten mit mindestens einer metallischen Zwischenlage. Schließlich wird auf diese metallische Zwischenlage eine Goldauflage in einer Dicke d_G mit d_G ≤ 0,5 μm aufgebracht. Nachdem die Komponenten in dieser Weise beschichtet wurden, wird der Zusammenbau des Halbleiterbauteils unter Einsatz der Komponenten mit Goldauflage durchgeführt.

Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass sämtliche metallischen Komponenten sowohl auf ihrer Oberseite als auch auf ihrer Unterseite mit identischen metallischen Beschichtungen versehen werden können und sowohl für ein Löten als auch für ein Bonden zum Verbinden der Komponenten untereinander zur Verfügung stehen. Es muss folglich kein Unterschied in der Dicke der Goldauflage vorgesehen werden, und außerdem wird die Goldauflage auf ein Minimum reduziert, sodass ein selektives Aufbringen der Goldauflage nicht erforderlich ist.

Somit entfallen bei diesem Verfahren die sonst üblichen und kostenintensiven Schritte, um ein selektives Beschichten der Komponenten mit entsprechend dicken Goldauflagen durchzuführen. Die Fertigung von derartigen Halbleiterbauteilen wird dadurch vereinfacht und gleichzeitig werden Kosten eingespart. Zusätzlich wird die Zuverlässigkeit von Lötverbindungen innerhalb des Halbleiterbauteils, aber auch außerhalb des Halbleiterbauteils zu übergeordneten Schaltungsplatinen verbessert, da aufgrund der geringen Goldauflage eine Versprödung durch intermetallische Phasen mit den Lotmaterialien unterbunden wird.

In einem weiteren Verfahrensschritt wird vor dem mehrlagigen Beschichten der Oberseiten der Komponenten mit mindestens einer metallischen Zwischenlage die Oberseite mit Alkohol gereinigt. Dieser Verfahrensschritt hat den Vorteil, dass die Oberseiten und Oberflächen entfettet werden, bevor die mehrlagige Metallbeschichtung aufgebracht wird.

Weiterhin wird vor dem mehrlagigen Beschichten der Oberseiten der Komponenten mit mindestens einer metallischen Zwischenlage die Oberseite mittels Glimmentladungs-Techniken sensibilisiert. Dieses Sensibilisieren mit einer Glimmentladungstechnik hat neben dem Reinigen durch Alkohol den Effekt, dass die Oberseiten leicht aufgeraut werden und somit die Haftfähigkeit zwischen mehrlagiger Beschichtung und der Oberseite der Komponente verbessert wird.

Weiterhin kann vor dem Aufbringen einer Zwischenlage eine Plasmavorbehandlung der Oberfläche der metallischen Komponenten mittels Metallionenbehandlung durchgeführt werden. Die Metallionenbehandlung unterscheidet sich von der Glimmentladung dadurch, dass anstelle der bei der Glimmentladung überwiegend auftreffenden Elektronen nun Metallionen auf die Oberseite der metallischen Komponente auftreffen, womit insbe sondere größere Kontaminationspartikel und Korrosions-, Oxidations- und/oder Sulfidationsrückstände abpoliert werden können.

Zum mehrlagigen Beschichten der Oberseiten metallischer Komponenten mit mindestens einer metallischen Zwischenlage werden vorzugsweise hoch aktive PVD-Verfahren eingesetzt. Derartige physikalische Abscheideverfahren haben den Vorteil, dass sie unabhängig vom Schmelzpunkt eines Metalls eine hohe Abscheiderate ermöglichen. Insbesondere für hochschmelzende Metalle wie Wolfram, Nickel oder Kobalt ist ein derartiges PVD-Verfahren von besonderem Vorteil.

Zum Aufbringen des Bodenflansches auf einen Hohlraumgehäuserahmen wir auf dem Bodenflansch nach dem Aufbringen der mehrlagigen Metallbeschichtung mit Goldauflage auf dieser Goldauflage zumindest im Randbereich des Bodenflansches eine Lotschicht galvanisch abgeschieden. Dieses galvanische Abscheiden einer Lotschicht hat den Vorteil, dass eine gleichmäßig dicke Lotschicht erreicht werden kann.

Besteht die metallische Komponente aus Kupfer oder einer Kupferlegierung, so ist es von Vorteil, dass als erste Zwischenlage Ni in einer Dicke d_N mit 3 μm ≤ d_N ≤ 5 μm aufgebracht wird. Als eine zweite Zwischenlage kann Pd in einer Dicke d_P mit 0,1 μm ≤ d_P ≤ 0,3 μm auf die erste Zwischenlage aus Ni aufgebracht werden. Während das Ni als Diffusionssperre dient, verbessert das Pd die Haftfähigkeit der Metalle aufeinander. Dabei ist von besonderem Vorteil die hohe Affinität des Palladiums zur Goldauflage.

Schließlich wird auf die mindestens eine Zwischenlage die Goldauflage in einer Dicke d_G ≤ 0,5 μm, vorzugsweise mit ei ner Dicke d_G zwischen 0,3 μm ≤ d_G ≤ 0,5 μm aufgebracht. Mit dieser Goldauflage ist die erfindungsgemäße mehrlagige Beschichtung abgeschlossen, wobei diese Goldauflage nicht selektiv aufgebracht werden muss, sondern aufgrund ihrer Dünne auf sämtlichen metallischen Komponenten aufbringbar ist. Die dünne Goldauflage ermöglicht sowohl ein Bonden von Drähten als auch ein Bonden von Halbleiterchips sowie eine Verbindung von Komponenten des Halbleiterbauteils mithilfe der Löttechnik. Weiterhin wird eine Zwischenlage als Diffusionssperrschicht aus NiCo einer Dicke von d_NiCo mit 3 μm ≤ d_NiCo ≤ 5 μm aufgebracht. Diese intermetallische Verbindung aus Ni und Co hat den Vorteil einer niedrigeren Schmelztemperatur, sodass diese auch mit einer Aufdampftechnik aufbringbar ist, womit die hohen Kosten eines PVD-Verfahrens vermieden werden.

Zusammenfassend ist festzustellen, dass die Chipmontage und das Drahtbonden eine Mindestgoldschichtdicke auf den metallischen Komponenten erfordern. Andererseits erfordern zuverlässige Lötverbindungen in den Applikationen wesentlich dünnere maximale Goldschichtdicken. Schließlich ist ein selektives Vergolden von Komponenten für Halbleiterbauteile kostenmäßig nicht effektiv. Auch werden durch eine Gesamtvergoldung der Komponenten, insbesondere wenn es sich um Außenkontakte handelt, die Kosten beim Kunden erhöht, da ein Entgolden und ein Verzinnen der Außenkontakte erforderlich wird.

Die erfindungsgemäßen mehrlagigen Metallschichten auf metallischen Komponenten können demgegenüber ganzflächig mit gleichbleibender Dicke abgeschieden werden und sind sowohl für die Chipmontage, für das Drahtbonden als auch für das Löten in der Applikation einsetzbar, sodass hier eine multifunktionale mehrlagige Metallbeschichtung mit minimaler Goldauflage sowohl die Kosten für die Herstellung eines Halblei terbauteils als auch die Kosten für das Herstellen einer Schaltungsplatine mit entsprechenden Halbleiterbauteilen vermindert und die Zuverlässigkeit des Halbleiterbauteils erhöht.

Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Figuren näher erläutert.
1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Halbleiterbauteil mit Goldbeschichtungen auf metallischen oder halbleitenden Komponenten des Halbleiterbauteils gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
2 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine metallische Komponente eines Halbleiterbauteils mit einer Zwischenschicht und einer Goldauflage;
3 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine metallische Komponente eines Halbleiterbauteils mit zwei Zwischenschichten und einer Goldauflage;
4 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen beidseitig beschichteten Bodenflansch;
5 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Halbleiterbauteil mit übergeordneter Schaltungsplatine und Kühlkörper;
6 zeigt eine Vergrößerung des Ausschnitts A der 5 mit Hohlraumgehäuserahmen aus Kunststoff und Flachleitern auf einer Schaltungsplatine.
1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Halbleiterbauteil 7 mit Goldbeschichtungen 1 bis 5 auf metallischen oder halbleitenden Komponenten 6 des Halbleiterbauteils 7 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. In dieser Ausführungsform der Erfindung ist das Halbleiterbauteil 7 ein Hochfrequenzleistungsbauteil, das ein Hohlraumgehäuse 12 aus einem Kunststoff 13 aufweist, wobei das Hohlraumgehäuse 12 aus drei Komponenten zusammengesetzt ist. Eine der Komponenten ist ein metallischer Bodenbereich 14, der aus einer Kupferplatte als Bodenflansch 16 besteht, welcher beidseitig mit einer erfindungsgemäßen mehrlagigen Metallbeschichtung 8 beschichtet ist. Dieser Bodenflansch 16 ist mit seiner Fläche 17 dem Hohlraum 22 zugewandt und weist eine Goldbeschichtung 3 auf, die sowohl für ein Löten mit einem Zinnlot, als auch zum eutektischen Löten mit entsprechenden Halbleiterchips 18, 19 und 20 geeignet ist.
Dieser Bodenflansch 16 kann außerhalb des Kunststoffgehäuses 12 sowohl auf seiner Fläche 17 als auch auf seiner gegenüberliegenden Fläche 28 zunächst mit einer Beschichtungsfolge aus mehreren Beschichtungslagen beschichtet werden, wobei zunächst die Zwischenlage aufgebracht wird und zum Abschluss eine Goldauflage beidseitig abgeschieden wird. Unabhängig von dem Kunststoffgehäuse 12 können auf diesem Bodenflansch 16 mit einer Goldauflage von ≤ 0,5 μm die Halbleiterchips 18, 19 und 20 mittels einer eutektischen Schmelze auflegiert werden, was bei ca. 430 °C Lottemperatur geschieht, da die Temperatur der eutektischen Schmelze bei 377 °C liegt.
Aufgrund der erfindungsgemäßen Goldauflage kann in den Randbereichen des Bodenflansches 16 eine Lötschicht galvanisch aufgebracht werden, die ein Verlöten mit einer speziellen Beschichtung des Kunststoffgehäuserahmens 18 ermöglicht. Dazu sind auf dem Kunststoffgehäuserahmen zwei Haftvermittlungsschichten aus Chrom und Kupfer aufgebracht, die von einer diffusionshemmenden Schicht aus Nickel abgeschlossen werden. Wird die Komponente 6 bzw. der Bodenflansch 16 mit einer Lotschicht im Randbereich auf der Goldauflage bei entsprechender Lotschmelztemperatur in Kontakt gebracht, so verbindet sich mechanisch und elektrisch der Bodenflansch 16 mit dem Kunststoffgehäuserahmen 15, ohne dass zusätzliche Ankerelemente vorzusehen sind.
Neben dem Bodenflansch 16 weist das Halbleiterbauteil 7 als weitere metallische Komponenten Flachleiter 21 aus einer Kupferlegierung auf. Die Flachleiter 21 sind mit einem ersten Ende in dem Hohlraum 23 des Hohlraumgehäuses 12 angeordnet und mit einem mittleren Bereich in dem Hohlraumgehäuserahmen 15 aus Kunststoff eingebettet und mit einem zweiten Ende stehen sie als Außenkontakte aus dem Kunststoffgehäuse heraus. Bevor die Flachleiter 21 in den Kunststoffgehäuserahmen 15 des Hohlraumgehäuses 12 eingebettet werden, werden die Flachleiter 21 großflächig mit der erfindungsgemäßen Beschichtung beaufschlagt.
Auch hier wird ein beidseitiges Beschichten mit der erfindungsgemäßen metallischen Beschichtung 8 vorgesehen, um einerseits ein Bonden im Inneren des Hohlraums 22 zu ermöglichen und andererseits ein Anbringen der Unterseite 28 der Flachleiter 21 auf einem übergeordneten Schaltungsträger. Somit werden identische Beschichtungen auf den Ober- und Unterseiten (24, 28) der Flachleiter und auf den Ober- und Unterseiten (24, 28) des Bodenflansches großflächig aufgebracht, und es werden keine selektiven Aufbringungsverfahren, die kostenintensiv sind, eingesetzt.
Danach werden diese Komponenten 6 mithilfe einer Spritzgusstechnik in einem Spritzgussrahmen befestigt, wobei die Flachleiter 21 in den Spritzgussrahmen eingebettet werden, während der Bodenflansch 16 an den Hohlraumgehäuserahmen 15 aus Kunststoff 13 unter Bilden einer Lotschicht 25 angelötet wird. Danach stehen die auf dem Bodenflansch 16 angeordneten Halbleiterchips 18, 19 und 20 zum Verbinden mit Bonddrähten 32 zur Verfügung. Auf den Oberseiten 24 der Halbleiterchips 18, 19 und 20 sind Goldbeschichtungen 5 angeordnet, die als Kontaktflächen dienen und genauso eine mehrlagige Metallbeschichtung 8 aufweisen wie die übrigen metallischen Komponenten 6. Nun können Bondverbindungen 29 zwischen den mehrlagigen Metallbeschichtungen 8 hergestellt werden und damit steht ein Hochfrequenzleistungshalbleiterbauteil 7 mit einem Kunststoffgehäuse 12 zur Verfügung.
Zur Abschirmung der Halbleiterchips 18, 19 und 20 kann auf den Kunststoffgehäuserahmen 15 eine metallische Abdeckung 30 aufgebracht werden, die auf ihrer dem Hohlraum 22 zugewandten Seite ebenfalls eine erfindungsgemäße mehrlagige Metallbeschichtung 8 aufweist und auf den Kunststoffgehäuserahmen 15 über eine oben bereits erwähnte Lötschicht 25 aufgelötet ist. Diese metallische Abdeckung 30 schirmt gleichzeitig das Hochfrequenzleistungsbauteil gegen Störstrahlungen ab.
2 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine metallische Komponente 6 eines Halbleiterbauteils mit einer metallischen Zwischenschicht 10 und einer Goldauflage 9. Die Zwischenschicht 10 ist auf der Oberseite 24 der metallischen Komponente 6 aufgebracht und besteht in diesem Ausführungsbeispiel aus NiCo mit einer Dicke d_NiCo zwischen 3 μm ≤ d_NiCo ≤ 5 μm. Auf dieser Zwischenschicht 10 aus diffusionshemmendem Material 11 ist die Goldauflage 9 in eine Di cke d_G ≤ 0,5 μm aufgebracht. Mit dieser Schichtkombination, die gleichmäßig auf alle metallischen Komponenten 6 eines Halbleiterbauteils, insbesondere eines Hochfrequenzleistungsbauteils aufgebracht werden kann, ergibt sich eine Kostenreduzierung aufgrund der einheitlichen Art der Abscheidung der einzelnen Metalllagen dieser mehrlagigen Metallbeschichtung 8.
3 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine metallische Komponente 6 eines Halbleiterbauteils mit zwei Zwischenschichten 10 und einer Goldauflage 9. Dabei besteht die erste Zwischenschicht 10, die unmittelbar auf der Oberseite 24 der metallischen Komponente 6 aufgebracht ist, aus Nickel bzw. einer Nickellegierung und hat eine Dicke von d_N, die zwischen 3 μm ≤ d_N ≤ 5 μm liegt, während darüber eine Metalllage aus Palladium mit einer Dicke d_P zwischen 0,1 μm ≤ d_P ≤ 0,3 μm aufgebracht ist. Eine derartige Beschichtung kann einseitig auf die metallische Komponente 6 aufgebracht werden wie in 3 gezeigt oder auch beidseitig auf eine metallische Komponente 6 aufgebracht werden, wie es die nachfolgende 4 zeigt.
4 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen beidseitig beschichteten Bodenflansch 16. Komponenten mit gleichen Funktionen wie in den vorhergehenden Figuren werden mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und nicht extra erörtert. Die Schichtfolge der mehrlagigen Metallbeschichtung 8 entspricht der Schichtfolge in 3, jedoch ist diese Bauteilkomponente 6 in Form eines Bodenflansches 16 beidseitig beschichtet, sodass innerhalb des Hohlraumes des Hohlraumgehäuses Silizium-Halbleiterchips auf eine Oberseite 24 des Bodenflansches 16 aufgebracht werden können und im Außenbereich des Halbleiterbauteils auf dem Bodenflansch 16 und auf dessen Unterseite 28 eine Lotverbindung zu einem Kühlkörper 27 möglich wird.
5 zeigt einen schematischen Querschnitt eines Halbleiterbauteils 7 mit übergeordneter Schaltungsplatine 23 und einem Kühlkörper 27. Komponenten mit gleichen Funktionen, wie in den vorhergehenden Figuren, werden mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und nicht extra erörtert. Die übergeordnete Schaltungsplatine 23 weist eine Aussparung 31 auf, sodass das Halbleiterbauteil 7, wie es in 1 dargestellt wird, mit seinem metallischen Bodenbereich 14 und der mehrlagigen Metallbeschichtung 8 mit Goldauflage unmittelbar auf den Kühlkörper 27 aus einem wärmeleitenden Metall aufgelötet werden kann.
6 zeigt eine Vergrößerung des Ausschnitts A der 5 mit Hohlraumgehäuserahmen 15 aus Kunststoff 13 und mit einem Flachleiter 21 auf einer Schaltungsplatine 23. Mit dieser 6 wird die Multifunktionalität der erfindungsgemäßen Goldbeschichtung demonstriert, indem innerhalb des Flachleiterrahmens 13 die multifunktionale mehrlagige Metallbeschichtung 8 mit minimaler Goldauflage 9 zum Anbringen eines Bonddrahtes 32 eingesetzt wird und außerhalb des Hohlraumgehäuserahmens 15 wird die gleiche identische Beschichtung auf der Unterseite des Flachleiters 21 zum Auflöten auf die übergeordnete Schaltungsplatine 23 eingesetzt.
Dazu weist die übergeordnete Schaltungsplatine 23 eine Kupferkaschierung 26 mit einer Schichtfolge aus Chrom, Kupfer und Nickel auf, auf die dann die Lotschicht 25 aufgebracht werden kann, die einen engen metallischen und elektrischen Kontakt mit der mehrlagigen Metallbeschichtung 8 gemäß dieser Erfindung eingeht. Zwischen dem Kunststoffmaterial 13 des Ge häuserahmens 15 und dem Flachleiter 21 ist ein Löten nicht notwendig, da beim Spritzgießen des Hohlraumgehäuserahmens 15 ein inniger Kontakt zu der Goldauflage des Flachleiters 21 entsteht. Die Haftung kann jedoch noch verbessert werden, wenn zusätzlich auf die Goldauflage 9 eine haftverbessernde keramische Beschichtung aufgebracht wird.

1: Goldbeschichtung (Oberseite von Flachleitern)
2: Goldbeschichtung (Unterseite von Flachleitern)
3: Goldbeschichtung (Oberseite von Metallböden)
4: Goldbeschichtung (Unterseite eines Metallbodens)
5: Beschichtung auf Bondkontaktfläche
6: Komponenten eines Halbleiterbauteils
7: Halbleiterbauteil
8: mehrlagige Metallbeschichtung
9: Goldauflage
10: metallische Zwischenlage
11: diffusionshemmendes Material
12: Hohlraumgehäuse
13: Kunststoff
14: Bodenbereich (metallisch)
15: Hohlraumgehäuserahmen
16: Bodenflansch
17: Fläche des Bodenflansches (dem Hohlraum zugewandt)
18: Halbleiterchip
19: Halbleiterchip
20: Halbleiterchip
21: Flachleiter
22: Hohlraum
23: übergeordnete Schaltungsplatine
24: Oberseite einer Komponente
25: Lotschicht
26: Kupferkaschierung der Schaltungsplatine
27: Kühlkörper
28: Unterseite einer Komponente
29: Bondverbindung
30: Abdeckung
31: Aussparung
32: Bonddraht
A Ausschnitt

Claims

Halbleiterbauteil mit Goldbeschichtungen (1–4) auf metallischen oder keramischen Komponenten (6) des Halbleiterbauteils (7), wobei die Goldbeschichtungen (1–4) eine multifunktionale mehrlagige Metallbeschichtung (8) mit minimaler Goldauflage aufweisen und wobei die Goldauflage (9) eine Dicke d_G mit d_G ≤ 0,5 μm aufweist, und wobei mindestens eine metallische Zwischenlage (10) zwischen der Goldauflage und den metallischen bzw. keramischen Komponenten (6) angeordnet ist.
Halbleiterbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mehrlagige Metallbeschichtung (8) eine Zwischenlage (10) aus diffusionshemmendem Material (11) aufweist.
Halbleiterbauteil nach Anspruch 1 Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mehrlagige Metallbeschichtung (8) als Zwischenlagen (10) eine Schichtfolge aus Nickel mit einer Dicke d_N und Palladium mit einer Dicke d_P aufweist, wobei 3 μm ≤ d_N ≤ 5 μm und 0,1 μm ≤ d_P ≤ 0,3 μm ist.
Halbleiterbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mehrlagige Metallbeschichtung (8) als Zwischenlage (10) eine Schicht aus NiCo mit einer Dicke 3 μm ≤ d_NiCo ≤ 5 μm aufweist.
Halbleiterbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterbauteil ein Hochfrequenzleistungsbauteil mit einem Hohlraumgehäuse (12) aus Kunststoff (13) und einem metallischen Bodenbereich (14) ist, der die mehrlagige Metallbeschichtung (8) mit Goldauflage (9) aufweist.
Halbleiterbauteil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der metallische Bodenbereich (14) einen in einen Hohlraumgehäuserahmen (15) eingelöteten Bodenflansch (16) aufweist, der Kupfer und/oder eine Kupferlegierung aufweist, wobei der Bodenflansch (16) auf seiner dem Hohlraumgehäuserahmen zugewandten Fläche (17) die mehrlagige Metallbeschichtung (8) mit Goldauflage (9) aufweist.
Halbleiterbauteil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Bodenflansch (16) auf seiner einem Halbleiterchip (18–19) zugewandten Fläche (17) die mehrlagige Metallbeschichtung (8) mit Goldauflage (9) aufweist.
Halbleiterbauteil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteilkomponente auf ihrer dem Bodenflansch zugeordneten Seite die mehrlagige Metallbeschichtung (8) mit Goldauflage (9) aufweist.
Halbleiterbauteil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Bodenflansch (16) eine Legierung aus Kupfer und Wolfram aufweist.
Halbleiterbauteil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Bodenflansch (16) eine Legierung aus Kupfer und Molybdän aufweist.
Halbleiterbauteil nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Hohlraumgehäuse (12) aus Kunststoff (13) Flachleiter (21) aufweist, die in dem Hohlraum (22) angeordnet und in den Kunststoff (13) eines Hohlraumgehäuserahmens (15) eingebettet sind und die aus dem Hohlraumgehäuserahmen (15) herausragen, wobei die Flachleiter (21) Kupfer und/oder eine Kupferlegierung und die mehrlagige Metallbeschichtung (8) mit Goldauflage (9) aufweisen.
Halbleiterbauteil nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterbauteil (7) mit seinen Flachleitern (21) aus Kupfer und/oder eine Kupferlegierung mit mehrlagiger Metallbeschichtung (8) und Goldauflage (9) auf eine übergeordnete Schaltungsplatine (23) lötbar ist.
Halbleiterbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterbauteil ein Gehäuse mit Keramikrahmen aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauteils (7) mit Goldbeschichtungen (1–5), das folgende Verfahrensschritte aufweist: – Herstellen von metallischen oder keramischen Komponenten (6) eines Halbleiterbauteils (7); – mehrlagiges Beschichten der Oberseiten (24) der Komponenten (6) mit mindestens einer metallischen Zwischenlage (11); – Aufbringen einer Goldauflage (9) in einer Dicke d_G mit d_G ≤ 0,5 μm auf Oberflächen der metallischen Zwischenlage (10); – Zusammenbau des Halbleiterbauteils unter Einsatz der Komponenten (6) mit Goldauflage (9).
Verfahren nach Anspruch 14 dadurch gekennzeichnet, dass vor dem mehrlagigen Beschichten der Oberseiten (24) der Komponenten (6) mit mindestens einer metallischen Zwischenlage (10) die Oberseiten (24) mit einem Alkohol gereinigt werden.
Verfahren nach Anspruch 14 oder Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem mehrlagigen Beschichten der Oberseiten (24) der Komponenten (6) mit mindestens einer metallischen Zwischenlage (10) die Oberseiten (24) mittels Glimmentladungs-Techniken sensibilisiert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass vor einem Aufbringen einer Zwischenlage (10) eine Plasmavorbehandlung der Oberfläche der metallischen Komponenten (6) mittels Metallionenbehandlung durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass zum mehrlagigen Beschichten der Oberseiten (24) metalli scher Komponenten (6) mit mindestens einer metallischen Zwischenlage (10) hoch aktive PVD-Verfahren eingesetzt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 18, – dadurch gekennzeichnet, dass zum Aufbringen des Bodenflansches (16) auf einen Hohlraumgehäuserahmen (15) eine Lotschicht (25) galvanisch auf die Goldauflage (9) aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass als eine erste Zwischenlage (10) Ni in einer Dicke d_N mit 3 μm ≤ d_N ≤ 5 μm aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass als eine zweite Zwischenlage (10) Pd in einer Dicke d_P mit 0,1 μm ≤ d_P ≤ 0,3 μm auf die erste Zwischenlage (10) aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass als eine Goldauflage (9) Au in einer Dicke d_G ≤ 0,5 μm, vorzugsweise mit 0,3 μm ≤ d_G ≤ 0,5 μm aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zwischenlage (10) als Diffusionssperrschicht (11) aus NiCo einer Dicke d_NiCo mit 3 μm ≤ d_NiCo ≤ 5 μm aufgebracht wird.