DE102005028704A1

DE102005028704A1 - Halbleiterbauteil mit in Kunststoffgehäusemasse eingebetteten Halbleiterbauteilkomponenten

Info

Publication number: DE102005028704A1
Application number: DE102005028704A
Authority: DE
Inventors: Thomas Dipl.-Ing. Bemmerl; Michael Dipl.-Ing. Bauer; Edward Dipl.-Ing. Fürgut
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2005-06-20
Filing date: 2005-06-20
Publication date: 2006-12-28
Anticipated expiration: 2025-06-21
Also published as: US20070001319A1; DE102005028704B4; US7800241B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauteil mit in Kunststoffgehäusemasse eingebetteten Halbleiterbauteilkomponenten (3) und insbesondere die Verwendung von silicium- und metallorganischen Verbindungen zur Erzeugung einer Haftvermittlerschicht (5). Diese Haftvermittlerschicht (5) auf den Oberflächen (4) der Halbleiterbauteilkomponenten (3) eines Halbleiterbauteils weist eine mikroporöse Morphologie (6) auf und hat eine mittlere Dicke D zwischen 5 nm D 300 nm. Dabei weist die Haftvermittlerschicht (5) nasschemisch aufgebrachte nanoskalige keramische Körner auf.

Description

Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauteil mit in einer Kunststoffgehäusemasse eingebetteten Halbleiterbauteilkomponenten, wobei die Oberflächen der Halbleiterbauteilkomponenten teilweise eine Haftvermittlerschicht aufweisen. Ferner betrifft die Erfindung Verfahren zur Herstellung von Halbleiterbauteilen, Systemträgern und einer derartigen Haftvermittlerschicht.
Eine mangelnde Haftung zwischen einem Systemträger und der Kunststoffgehäusemasse führt bei Halbleiterbauteilen dazu, dass sich Feuchtigkeit in der Grenzschicht zwischen Systemträger und Kunststoffgehäusemasse ansammelt. Diese Feuchtigkeit expandiert schlagartig, wenn das Halbleiterbauteil beim Auflöten auf eine Leiterplatte in kürzester Zeit von Raumtemperatur auf Temperaturen bis 260°C aufgeheizt wird. Folge der schlagartigen Expansion des Feuchtigkeitsgehalts sind Risse und/oder Brüche in dem Kunststoffgehäuse des Halbleiterbauteils, was als "Popcorn-Effekt" bezeichnet wird.

Um diesen Popcorn-Effekt zu verhindern, muss das Ansammeln von Feuchtigkeit in der Grenzschicht zwischen Halbleiterbauteilkomponenten und Kunststoffgehäusemasse verhindert werden. Das Ansammeln der Feuchtigkeit kann durch Verbesserung der Haftung zwischen den Oberflächen der Halbleiterbauteilkomponenten und der Oberfläche der Kunststoffgehäusemasse reduziert werden. Es sind verschiedene Ansätze bekannt, um diese Haftung zu verbessern. Aus der US-5,554,569 ist ein Verfahren zur mechanischen Aufrauung der Oberfläche eines Flachleiter rahmens bekannt. Die aufgeraute Oberfläche ermöglicht eine Verzahnung mit der Kunststoffgehäusemasse und somit eine bessere Haftung. Dieses Verfahren ist jedoch in seiner Durchführung schwierig und kostenintensiv.

Aus der Druckschrift US-5,205,036 ist ein Verfahren bekannt, mit dem die von einem Schutzfilm frei zu haltenden Oberflächenbereiche elektrischer Verbindungselemente von Halbleiterbauteilkomponenten eines Halbleiterbauteils innerhalb einer Kunststoffmasse vor dem Zusammenbau der Komponenten frei gehalten werden können, wobei der Schutzfilm Siliciumnitride, Siliciumoxide, Siliciumcarbide und/oder diamantartigen Kohlenstoff aufweisen kann.

Aus der Druckschrift DE 101 24 047 ist ein elektronisches Bauteil mit Halbleiterchips und Systemträgern, sowie Verfahren zur Herstellung derselben bekannt, wobei ein metallischer Systemträger eine galvanisch abgeschiedene Haftschicht aus Metalloxiden, insbesondere der Metalle Zink und Chrom unter Ausbildung einer dendritischen Morphologie aufweist. Dieses Bauteil und das Herstellungsverfahren haben den Nachteil, dass eine derartige dendritische Morphologie durch galvanische Abscheidung ausschließlich auf metallischen Oberflächen hergestellt werden kann, sodass diese Haftvermittlerschicht nicht für Halbleiterbauteilkomponenten, wie Systemträgern aus Keramik oder Leiterplattenmaterial, ohne vorherige Beschichtung mit einer kurzschließenden aber metallisch leitfähigen Schicht, herstellbar ist.

Aus der Druckschrift DE 102 21 503 ist ein teilweise in einem Oberflächenabschnitt mit Nanoporen versehener Metallgegenstand bekannt, der als Verbindungs-, Trag-, oder Leitungskomponente für ein Halbleiterbauteil eingesetzt werden kann. Da bei verbessern die Nanoporen in Oberflächenbereichen des Metallgegenstandes die Haftung zu einer Kunststoffgehäusemasse eines Halbleiterbauteils. Auch dieser bekannte Gegenstand hat den Nachteil, dass eine Haftungsverbesserung nur auf Oberflächen von Metallen erfolgen kann und nicht für unterschiedliche Materialien von Halbleiterbauteilkomponenten eines Halbleiterbauteils einsetzbar ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein Halbleiterbauteil mit Halbleiterbauteilkomponenten anzugehen, wobei die Halbleiterbauteilkomponenten eine zuverlässige Haftung zu einer sie umgebenden Kunststoffgehäusemasse aufweisen. Diese zuverlässige Haftung zwischen der Kunststoffgehäusemasse und den unterschiedlichen Materialien der Halbleiterbauteilkomponenten aus Metall, Keramik oder anderen Kunststoffmaterialien soll vor dem Aufbringen bzw. vor einem Einbetten der Halbleiterbauteilkomponenten in die Kunststoffgehäusemasse erreicht werden.

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

Erfindungsgemäß wird ein Halbleiterbauteil mit in Kunststoffgehäusemasse eingebetteten Halbleiterbauteilkomponenten geschaffen. Die Oberflächen der Halbleiterbauteilkomponenten weisen teilweise eine Haftvermittlerschicht mit mikroporöser Morphologie zwischen den Halbleiterbauteilkomponenten und der Kunststoffgehäusemasse auf. Die mittlere Dicke D dieser Haftvermittlerschicht mit mikroporöser Morphologie liegt zwischen 5 nm ≤ D ≤ 300 nm. Dazu weist die Haftvermittlerschicht nasschemisch aufgebrachte nanoskalige keramische Körner auf.

„Keramisch" wird hier verwendet, Zusammensetzungen aus Halbleiter- oder Metalloxiden, Halbleiter- oder Metallcarbiden, Halbleiter- oder Metallnitriden und Halbleiter- oder Metallcarbonitriden einzuschließen. „Nanoskalige" wird hier verwendet, Körner mit einer Durchschnittsgröße von zwischen 0,1 nm und 100 nm zu beschreiben.

Die Haftvermittlerschicht wird erfindungsgemäß auf den Halbleiterbauteilkomponenten mittels einer nasschemischen Technik abgeschieden. „Nasschemisch" wird hier verwendet, Abscheidungstechniken anzudeuten, die keine Stromquelle benötigen. „Nasschemisch" schließt somit galvanische Abscheidung, elektrophoretische Abscheidung sowie elektrochemische Techniken nicht ein.

Erfindungsgemäß wird die Haftvermittlerschicht auf den Halbleiterbauteilkomponenten mittels einer nasschemischen Technik aufgebracht, die die Beschichtung elektrisch nicht leitender sowie elektrisch leitender Oberflächen ermöglicht. Die Haftvermittlerschicht kann zum Beispiel mittels einer Sol-Gel Technik oder mittels einer Lösung, die Nanopartikel enthält, abgeschieden werden. Nach dem Verdampfen des Lösungsmittels kann eine dünne Schicht, beispielsweise aus wenigen Atomlagen, hergestellt werden.

Ein Vorteil dieses Halbleiterbauteils ist es, dass die Haftvermittlerschicht auf allen Oberflächen von Halbleiterbauteilkomponenten aus unterschiedlichsten Materialien angeordnet sein kann, sodass sie eine feuchtigkeits- und korrosionsfeste Grenzschicht zwischen Metalloberflächen, Keramikoberflächen und/oder anderen Kunststoffoberflächen der Halbleiterbauteile und dem Material der Kunststoffgehäusemasse, die bspw. aus einem Epoxidharz besteht, bildet. Die Haftvermitt lerschicht aus nasschemisch aufgebrachten nanoskaligen keramischen Körnern ist somit nicht mehr, wie bekannte Haftvermittlerschichten im Stand der Technik, auf metallische Oberflächen beschränkt, sondern kann auch auf Systemträgern aufgebracht werden, die eine Keramikplatte oder eine Leiterplatte mit entsprechend strukturierter metallischer Beschichtung darstellen.

Mit der erfindungsgemäßen Haftvermittlerschicht wird eine verbesserte Haftung zwischen den unterschiedlichen Materialien von Halbleiterbauteilkomponenten und der Kunststoffgehäusemasse erreicht, die eine hohe Zuverlässigkeit auch unter extremen Feuchte- und Temperatur-Wechsellastbeanspruchung der Halbleiterbauteile gewährleistet.

Die nasschemisch aufgebrachte Haftvermittlerschicht führt zu einer deutlichen Vergrößerung der Oberfläche und bedingen eine hohe Mikrorauhigkeit. Dadurch wird die Benetzungsfähigkeit der Kunststoffgehäusemasse deutlich erhöht. Diese größere Kontaktfläche bedeutet zugleich eine deutliche Zunahme der Haftung des Moldmaterials bzw. der Kunststoffgehäusemasse zu den Halbleiterbauteilkomponenten. Dies führt zu einer verbesserten Zuverlässigkeit des Bauteils.

Außerdem wird die Verwendung von preiswerten Pressmassen durch die Haftvermittlerschicht ermöglicht, da die Haftung zu den Halbleiterbauteilkomponenten verbessert ist. Die Haftvermittlerschicht ermöglicht auch, die Verwendung eines höheren Anteils an Formtrennmitteln in der Kunststoffgehäusemasse, da die Haftung zwischen den eingebetteten Halbleiterkomponenten und der Kunststoffmasse verbessert ist. Durch den höheren Anteil an Formtrennmitteln kommt es zu geringerer Haftung zum Moldtool und eine niedrigere Ausfallquote.

Nasschemische Prozesse sind auch einfach und können verwendet werden, nicht elektrisch leitende sowie elektrisch leitende Oberfläche gleichzeitig zu beschichten. Dies ermöglicht die Beschichtung eines keramischen Substrats, eines Halbleiterchips und eines Leadframes, ohne dass das Herstellungsverfahren geändert werden muss.

Es ergibt sich mit der erfindungsgemäßen Haftvermittlerschicht auf den Oberflächen der Halbleiterbauteilkomponenten ein optimales Verbundsystem aus der Gesamtheit von Trägersubstrat-Oberfläche-Grenzfläche-Kunststoffgehäusemasse. Dieses Verbundsystem wird durch das Spannungsverhalten in der Grenzfläche im Ergebnis von Polymerisationsschrumpfungen, Kunststoffquellungen und im besonderen Maße durch die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Keramiken, Metallen und Kunststoffen bestimmt.

So ergeben sich Unterschiede um mehr als eine Größenordnung im thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen Metallen und Kunststoffen und bis zu zwei Größenordnungen zwischen Keramiken und Kunststoffen. Zwar konnte durch die Entwicklung von gefüllten, organischen Polymeren der thermische Ausdehnungskoeffizient der Kunststoffgehäusemasse um mehr als den Faktor 2 reduziert werden, jedoch ist das mit einer Reduzierung der Elastizität der Kunststoffgehäusemasse verbunden, was wiederum den Spannungsabbau in der Grenzfläche von Kunststoffgehäusemasse und Halbleiterbauteilkomponenten einschränkt. So kann es im mikroskopischen Bereich der Grenzfläche zu irreversiblen Materialverschiebungen und Spaltbildungen kommen, solange die chemische und mikromechanische Verankerung der Verbundpartner in der Grenzfläche nicht eine Umverteilung der Kräfte möglich macht.

Um diese Umverteilung der Kräfte zu ermöglichen, muss eine Grenzfläche somit eine bestimmte Dicke aufweisen, welche die wirkenden Kräfte auf ein größeres Volumen verteilt. Es kommt also nicht allein darauf an, einen hohen Verankerungsgrad zwischen Halbleiterbauteilkomponenten und der einbettenden Kunststoffgehäusemasse zu erreichen, sondern auch eine optimale Elastizität durch Eigenschaftsgradienten in der Polymerschicht der Kunststoffgehäusemasse sicherzustellen. Die Verbundfestigkeit wird somit nicht allein durch Mikroverankerungen bestimmt, sondern summarisch durch eine chemisch adhäsive, eine mikroretentive und eine mikroelastische Komponente erreicht. Die chemische Komponente wird von der chemischen Oberflächenstruktur des Trägersubstrats bestimmt und von den reaktiven oder adhesiven Gruppen der Haftvermittlerschicht beeinflusst.

Dazu weist erfindungsgemäß die Haftvermittlerschicht eine Dicke zwischen 5 nm ≤ D ≤ 300 nm, vorzugsweise zwischen 1 nm ≤ D ≤ 40 nm, auf. Vorzugsweise weisen die keramischen Körner der Haftvermittlerschicht eine Durchschnittsgröße von weniger als 33%, vorzugsweise 20%, der Dicke der Haftvermittlerschicht auf. Die Körner weisen eine Durchschnittsgröße zwischen 0,1 nm und 100 nm, vorzugsweise zwischen 0,1 nm und 50 nm, vorzugsweise zwischen 0,1 nm und 10 nm, auf.

Die Dicke der Haftvermittlerschicht ist deshalb genügend dick, um eine ausreichende Abdeckung der Oberflächen zuverlässig zu erreichen, aber genügend dünn, dass die Wirkung die inhärente Sprödigkeit eines keramischen Materials vermindert wird. Die erfindungsgemäße Haftvermittlerschicht ist folglich einigermaßen flexibel.

Nasschemische Abscheidungstechniken haben den weiteren Vorteil, dass die Mikrostruktur und Morphologie der Haftvermittlerschicht durch die Wahl der Abscheidungstechnik, der Abscheidungsbedingungen und der Schichtdicke bestimmt werden kann. Insbesondere kann die Porosität und die Rauhigkeit der äußeren Oberfläche der Schicht eingestellt werden. Durch die Einstellung der Abscheidungsbedingungen können die Schichtabdeckung sowie die Morphologie gleichzeitig optimiert werden. Die Verzahnung zwischen der Kunststoffgehäusemasse und den Halbleiterbauteilkomponenten kann somit optimiert werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Haftvermittlerschicht Halbleiter- und/oder Metalloxide oder Halbleiter- und/oder Metallcarbide oder Halbleiter- und/oder Metallnitride oder Halbleiter- und/oder Metallcarbonitride auf, die jeweils eines oder mehrere der Elemente Al, B, Ce, Co, Cr, Ge, Hf, In, Mn, Mo, Nb, Nd, Ni, Pb, Pr, Pt, Rb, Re, Rh, Ru, S, Sb, Sc, Si, Sm, Sn, Sr, Ta, Te, Ti, Tl, Tm, U, V, W, Yb, Zr oder Zn aufweist. Oxide, Nitride, Carbide und Carbonitride haben den Vorteil, dass sie sich als Schichten mit nasschemischen Techniken einfach herstellen lassen.

Vorzugsweise weist die entstehende Haftvermittlerschicht die Haftvermittlerschicht (5) ein Halbleiter- und/oder Metalloxid der Gruppe Al₂O₃, B₂O₃, Ce₂O₃, CoO, Co₂O₃, GeO₂, HfO₂, In₂O₃, Mn₂O₃, Mn₃O₄, MoO₂, Mo₂O₅, Nb₂O₃, NbO₂, Nd₂O₃, Ni₂O₃, NiO, PbO, Pr₂O₃, PrO₂, PtO, Pt₃O₄, Rb₂O, ReO₂, ReO₃, RhO₂, Rh₂O₃, RuO₂, SO₃, Sb₂O₄, Sb₄O₆, Sc₂O₃, SiO₂, Sm₂O₃, SnO, SnO₂, SrO, Te₂O₅, TeO₂, TeO₃, TiO, TiO₂, Ti₂O₃, Tl₂O₃ Tm₂O₃, UO₂, U₃O₈, UO₃, VO, V₂O₃, V₂O₄, V₂O₅, WO₂, WO₃, Yb₂O₃, ZrO₂ oder ZnO oder Mischungen davon oder SiC oder TiN, oder TiCN oder WC auf. Diese Materialien haben den Vorteil, dass sie eine intensive Kopplung zu metallischen Oberflächen bereitstellen können. Doch sind auch die Oxide der Halbleiter, wie SiO₂ und GeO₂ in der Lage mit Leiterplattenoberflächen und Keramikoberflächen eine Verbindung mit hoher Haftfestigkeit einzugehen. Bevorzugte Materialien sind Al₂O₃, ZrO₂, SiC, TiN, TiCN und WC. Diese Materialien haben den Vorteil, dass sie eine geringe Polarität aufweisen.

In dieser Ausführungsform weist die Haftvermittlerschicht eine wesentlich rein anorganische Schicht auf, die fest und hart ist. Diese Haftvermittlerschicht hat eine geringe Neigung zur Ausbildung von kovalenten Bindungen und eine hohe Oberflächenenergie und ist eher hydrophil.

In einer weiteren Ausführungsform weist die Haftvermittlerschicht organisch modifizierte Nanokomposite auf, die mittels einer Sol-Gel Technik hergestellt werden können: Die Oberfläche der Nanopartikel wird modifiziert, während die Nanopartikel durch eine Kondensationsreaktion aus einer Lösung bzw. eines Sols gebildet werden. Die Nanopartikel werden mit einem festen Kern und einer organisch oder organisch-anorganisch Hülle einer Polymerstruktur gebildet. Die Hüllpolymer können so ausgewählt werden, dass die Oberflächen der Nanopartikel und die aufgebrachte Schicht gewünschte Eigenschaften aufweisen. Diese Ausführungsform der Haftvermittlerschicht kann eine niedere Oberflächenenergie aufweisen und hydro- und oleophob sein.

Das Aufbringen organisch bzw. anorganisch modifizierter Nanopartikel auf den Halbleiterbauteilkomponenten kann vorteilhaft zu einer Reduzierung der Sintertemperatur führen. Das Risiko ungewünschter Reaktionen zwischen der Haftvermittlerschicht und den Halbleiterkomponenten kann somit verringert werden.

In einer weiteren Ausführungsform weist die Haftvermittlerschicht zwei Schichte auf. Die erste Schicht besteht im wesentlichen aus nanoskaligen keramischen Körner und die zweite Schicht besteht im wesentlichen aus perfluoroalkylmodifizierter Polysiloxan. Die zweite Schicht deckt die erste Schicht über. Diese Hybridstruktur hat den Vorteil, dass die Hybridmatrix hart und chemisch beständig ist, während die Deckschicht die Eigenschaften der modifizierten Nanokomposite aufweist.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung nimmt die Porosität der Haftvermittlerschicht von einer porenfreien Beschichtung auf den Oberflächen der Halbleiterbauteilkomponenten zu einer mikroporösen Morphologie im Übergangsbereich zu der Kunststoffgehäusemasse graduell zu. Durch die graduelle Zunahme der Porosität von einer zunächst geschlossenen Haftvermittlerschicht zu einer mikroporösen Morphologie der Oberfläche wird die Oberfläche der Halbleiterbauteilkomponenten vor einer Grenzflächenkorrosion im Metall-Kunststoffverbund geschützt, während durch die graduelle Zunahme der Porosität mit der Dicke der Haftvermittlerschicht die Verzahnung mit der Kunststoffgehäusemasse intensiviert wird. Dabei geht das Material der Haftvermittlerschicht mit der polymeren Kunststoffgehäusemasse komplexe Bindungen ein. Durch diese innere Struktur der Haftvermittlerschicht werden ebenfalls Spannungen in den Grenzflächen abgebaut.

Die dabei nasschemisch abgeschiedene mittlere Schichtdicke D liegt zwischen 5 nm ≤ D ≤ 300 nm, vorzugsweise liegt die mittlere Schichtdicke D zwischen 5 nm ≤ D ≤ 40 nm. Diese Schichtdickenbereiche haben den Vorteil, dass die Schicht in einem Abscheidungsschritt abgeschieden werden kann, so dass das Beschichtungsverfahren schnell und kostengünstig durchgeführt werden kann. Durch die Verwendung dieses Dickenbereichs wird auch das Risiko von Rissbildung innerhalb der Schicht sowie Delamination der Schicht von den Halbleiterbauteilkomponenten vermieden.

Die Haftvermittlerschicht auf den Oberflächen der Halbleiterbauteilkomponenten weist vorzugsweise eine dickenabhängige Morphologie, wie oben erwähnt, auf. Die Rauhigkeit der Grenzfläche zwischen der Kunststoffmasse und der Haftvermittlerschicht ermöglicht eine verbesserte mechanische Verzahnung zwischen den unterschiedlichen Materialien. Die Spannung in der Grenzfläche, die durch die unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten verursacht wird, wird besser ausgeglichen. Die Zuverlässigkeit des Bauteils wird dadurch erhöht.

In einer Ausführungsform weist der Systemträger eine Chipinsel auf. Mindestens die Oberseite der Chipinsel ist mit der Haftvermittlerschicht beschichtet. Der Halbleiterchip wird auf der Oberseite der Chipinsel über eine Adhäsionsschicht aus einem Die Attach Material befestigt. Die Haftvermittlerschicht verbessert die Haftung zwischen dem Die Attach Material und der Chipinsel. Die Rückseite der Chipinsel kann auch eine Haftvermittlerschicht aufweisen. Dies ist zum Beispiel der Fall, wenn der Systemträger ein Leadframe aufweist, der vollständig in die Kunststoffgehäusemasse eingebettet werden soll. Eine verbesserte Verzahnung zwischen der Chipinsel und dem Die Attach Material sowie zwischen der Chipinsel und der Kunststoffgehäusemasse wird somit gegeben.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das Halbleiterbauteil als Halbleiterbauteilkomponente ein Verdrahtungssubstrat mit strukturierter Metallbeschich tung auf. Derartige Verdrahtungssubstrate sind mit den bisher bekannten Technologien lediglich in dem Bereich der strukturierten Metallbeschichtung mit den üblichen Haftvermittlerschichten belegbar, während die isolierenden Oberflächenbereiche mit den konventionellen Verfahren nicht galvanisch beschichtet werden können, es sei denn, man riskiert eine dünne, kurzschließende, metallische Beschichtung des gesamten Verdrahtungssubstrats. Das aber widerspricht dem Zweck und der Aufgabe eines derartigen Verdrahtungssubstrats, das mithilfe der strukturierten Metallbeschichtung Verbindungsleitungen und Leiterbahnen zwischen verschiedenen Elementen des Halbleiterbauteils herstellen soll. Bei der erfindungsgemäßen Haftvermittlerschicht kann sowohl der Bereich des Verdrahtungssubstrats, der nicht leitend ist, als auch der Bereich des Substrats mit strukturierter Metallbeschichtung vollständig und gleichbleibend mit einer Haftvermittlerschicht versehen werden.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist das Halbleiterbauteil als Halbleiterbauteilkomponente ein Keramiksubstrat mit strukturierten Metalllagen auf. Derartige mehrlagige Keramiksubstrate werden zum Aufbau von Halbleiterbauteilen in der Hochfrequenztechnik eingesetzt. Auch hier ist es möglich, durch die erfindungsgemäße Haftvermittlerschicht nun auch die Keramikoberflächen der Halbleiterbauteilkomponente vollständig mit einer Haftvermittlerschicht zu versehen.

Weiterhin ist es vorgesehen, dass das Halbleiterbauteil als Halbleiterbauteilkomponente eine Leiterplatte mit strukturierter Metallbeschichtung aufweist. Auch in diesem Fall können Bereiche der isolierenden Platte genauso mit der erfindungsgemäßen Haftvermittlerschicht beschichtet werden, wie die strukturierte Metallbeschichtung auf der Leiterplatte, sodass eine intensive Verbindung zu der die Leiterplatte bedeckenden Kunststoffgehäusemasse möglich wird.

Die häufigste Anwendung der Haftvermittlerschicht ist für Halbleiterbauteile vorgesehen, die als Halbleiterbauteilkomponenten innere Flachleiter aufweisen, welche außerhalb der Kunststoffgehäusemasse in Außenflachleiter als Außenkontakte übergehen. Derartige Innenflachleiter weisen einen massiven Metallkörper auf, dessen Oberflächen nun mithilfe der erfindungsgemäßen Haftvermittlerschicht eine intensive Verbindung mit der umgebenden Kunststoffgehäusemasse eingehen können. Darüber hinaus ist es möglich, auch Oberflächen von Halbleiterchips innerhalb der Halbleiterbauteile mit der Haftvermittlerschicht zu versehen und auch innere Flipchip-Kontakte und/oder Bondverbindungsdrähte als Verbindungselemente vollständig in eine Haftvermittlungsschicht einzuhüllen.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung bezieht sich auf einen Systemträger mit mehreren nacheinander und/oder hintereinander in Zeilen und/oder Spalten angeordneten Halbleiterbauteilpositionen. Derartige Systemträger dienen der Aufnahme von Halbleiterbauteilkomponenten auf eine räumliche Verdrahtungsstruktur mit Chipanschlussflächen für Halbleiterchips und Kontaktanschlussflächen für elektrische Verbindungen zu Elektroden des Halbleiterchips. Die Oberflächen des erfindungsgemäßen Systemträgers weisen eine selektiv nasschemisch aufgebrachte Haftvermittlerschicht auf, die nanoskalige keramische Körner aufweist. Die Haftvermittlerschicht weist eine mikroporöser Morphologie auf. Die Haftvermittlerschicht ihrerseits weist eine Dicke D zwischen 5 nm ≤ D ≤ 300 nm auf. Dabei bleiben die Chipanschlussflächen und die Kontaktan schlussflächen des Systemträgers frei von der Haftvermittlerschicht.

Die Haftvermittlerschicht an sich entspricht in ihrer Zusammensetzung und in ihrer Morphologie der Haftvermittlerschicht, wie sie bereits für das Aufbringen auf Halbleiterbauteilkomponenten im Detail oben beschrieben wurde. Der Systemträger kann demnach ein Keramiksubstrat oder ein Verdrahtungssubstrat mit strukturierter Metallbeschichtung oder eine Leiterplatte mit strukturierter Beschichtung aufweisen. In allen Fällen kann der Systemträger auf den Oberflächen, die bei der Herstellung der Halbleiterbauteile mit Kunststoffgehäusemasse in Berührung kommen, selektiv mit einer erfindungsgemäßen Haftvermittlerschicht beschichtet sein.

Insbesondere ist das der Fall, wenn der Systemträger Innenflachleiter mit Kontaktanschlussflächen und Chipanschlussflächen aufweist. Diese Kontaktanschlussflächen und/oder Chipanschlussflächen gehen in Außenflachleiter über und werden von einem Flachleiterrahmen des Systemträgers gehalten. Dabei kann der Flachleiterrahmen ein Flachleiterband mit einer Vielzahl hintereinander angeordneter Halbleiterbauteilpositionen aufweisen.

Die Innenflachleiter weisen auf ihren Oberflächen die Haftvermittlerschicht auf, deren Zusammensetzung und Struktur bereits oben im Detail beschrieben wurde. Jedoch die Kontaktanschlussflächen, die Chipanschlussflächen, die Außenflachleiter und der Flachleiterrahmen bleiben frei von der Haftvermittlerschicht. Ein derartiger Systemträger ist ein Vorprodukt für die Herstellung von Halbleiterbauteilen und kann von Zulieferfirmen der Halbleiterindustrie als Vorprodukt hergestellt werden. Die Möglichkeit des Freibleibens der Oberflä chen von Kontaktanschlussflächen, Chipanschlussflächen, Außenflachleitern und Flachleiterrahmen kann durch unterschiedliche Verfahren erreicht werden, wie sie bspw. in der oben erwähnten Druckschrift US-5,205,036 beschrieben werden. Auf alternative Verfahren wird nachfolgend eingegangen.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Systemträgers mit einer selektiv angeordneten Haftvermittlerschicht weist dieser zu seiner Positionierung in einer Bestückungsmaschine eine Perforation entlang eines Systemträgerrahmens auf. Dieses hat den Vorteil, dass eine Vielzahl von Halbleiterbauteilen auf einem derartigen bandförmigen Systemträger automatisiert hergestellt werden kann.

Darüber hinaus kann der Systemträger vorzugsweise auf den Kontaktanschlussflächen und den Chipanschlussflächen eine Metall-Legierungs-Plattierung aus Silber und/oder einer Lot-Legierung aufweisen. In diesem Fall bleiben die Kontaktanschlussflächen und/oder die Chipanschlussflächen nicht nur frei von Haftvermittlerschicht, sondern sind selbst mit einer einen Löt- oder Bondvorgang fördernden Beschichtung bedeckt.

Der Systemträger selbst weist in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung Reinstkupfer und/oder eine Kupferlegierung auf, welche durch ihre hohe elektrische Leitfähigkeit von Vorteil sind.

Ein Verfahren zur Herstellung eines Systemträgers für Halbleiterbauteile weist die nachfolgenden Verfahrensschritte auf. Zunächst wird eine Substratplatte, die mindestens eine Metalloberfläche aufweist zu einem Systemträger strukturiert. Bei der Strukturierung wird eine Mehrzahl aufeinander folgender Muster zur Aufnahme von Halbleiterbauteilkomponenten in Halbleiterbauteilpositionen erzeugt. Anschließend werden die Oberflächen des Systemträgers, die mit einer Kunststoffgehäusemasse bei der Fertigung von Halbleiterbauteilen eine Grenzfläche bilden, mit einer Haftvermittlerschicht beschichtet. Die Haftvermittlerschicht wird mittels einer nasschemischen Technik aufgebracht.

Die Haftvermittlerschicht wird vorzugsweise mit mindestens zwei Verfahrensschritte hergestellt. In einem ersten Schritt wird eine Flüssigkeit auf den Oberflächen der Halbleiterbauteilkomponente aufgebracht.

Die Flüssigkeit kann ein oder mehrere der Elemente, die die Haftvermittlerschicht bildet, in verschiedenen Formen aufweisen. Die Elemente können als feste Nanopartikel kolloidal in einer Lösung liegen. Alternativ können die Elemente als gelöste Metall- bzw. Halbleiterorganischenkomplexe in einer Lösung vorgesehen werden.

Die Flüssigkeit kann mittels verschiedener Techniken auf den Halbleiterbauteilkomponenten aufgebracht werden. Mögliche Techniken sind Tauchen, Gießen, Sprühen, Drucken und Rollen. Tauchen eignet sich, wenn die Oberseite und Rückseite eines Systemträgers beschichtet werden sollen und wird vorteilhaft für die Beschichtung von Leadframes verwendet. Sprühen eignet sich, wenn nur eine Oberfläche beschichtet werden soll und wird vorteilhaft für die Beschichtung der Oberseite keramischer oder dielektrischer Substrate verwendet.

Nachdem die Flüssigkeit auf den Oberflächen aufgebracht wird, wird in einem weiteren Schritt die Lösung verdampft bzw. zersetzt und eine Schicht gebildet.

Die Dicke der Haftvermittlerschicht kann durch die Dicke der aufgebrachten Schicht und durch die Konzentration der Nanopartikel bzw. der gelösten Komplexe in der Ausgangsflüssigkeit bestimmt werden. Eine dickere Schicht kann beispielsweise durch mehrere Abscheidungs- und Verdampfensschritte abgebaut werden.

Bei der Beschichtung entsteht eine mikroporöse Morphologie der Halbleitervermittlerschicht, die nanoskalige keramische Körner aufweist. Diese Haftvermittlerschicht wird in einer mittleren Dicke D zwischen 5 nm ≤ D ≤ 300 nm vorzugsweise zwischen 5 nm ≤ D ≤ 40 nm aufgebracht. Bei dieser Beschichtung scheidet sich auf den Oberflächen des Systemträgers eine wenige nanometerdicke geschlossene Schicht, die gleichzeitig die Oberflächen vor Erosion und Korrosion schützen kann. Mit dicker werdender Beschichtung nimmt die Porendichte zu, sodass eine mikroporöse Morphologie auftritt, die eine hohe Affinität zur Kunststoffgehäusemasse und eine hohe Adhäsion mit der Kunststoffgehäusemasse ausbilden kann.

In einer ersten Durchführungsform wird ein Gemisch, das ein Lösungsmittel und Kolloid-Nanopartikeln aufweist, auf den Oberflächen des Systemträgers aufgebracht. Das Lösungsmittel wird verdampft zur Erzeugung einer Schicht auf den Oberflächen des Systemträgers. Diese Schicht wird häufig als Grünschicht genannt und kann dicker sein als die zu bildende Haftvermittlerschicht. Diese Ausgangsform der Nanopartikel hat den Vorteil, dass vorgefertigte Nanopartikel der gewünschten Zusammensetzung verwendet werden können. Das Lösungsmittel kann bei niedrigen Temperaturen verdampft werden, so dass ungewünschte Nebenreaktionen zwischen der Schicht und den Halbleiterbauteilkomponenten vermieden werden können.

In einer alternativen Durchführungsform erfolgt das Beschichten mittels eines Sol-Gel-Verfahrens. Die Nanopartikel können als feste Nanopartikel in dem Sol vorgesehen werden oder die Elemente, die die Nanopartikel bilden, können als gelöste Komplexe in dem Sol enthalten sein. Die Sol-Gel-Technik hat den Vorteil, dass die Oberfläche der Nanopatikel durch die weiteren Komponente des Sols modifiziert werden können, so dass die Eigenschaften der aufgebrachten Schicht eingestellt werden können. In dieser Weise kann zum Beispiel die Sintertemperatur reduziert werden.

Nach dem Aufbringen der Haftvermittlerschicht auf den Oberflächen des Systemträgers wird vorzugsweise ein Sinterprozess oder Legierensprozess oder ein Brennprozess oder eine Koronabehandlung durchgeführt. Verbliebendes Lösungsmittel wird dadurch entfernt, die aufgebrachte Schicht verdichtet und auf der Oberfläche fester fixiert. Die Morphologie der Schicht kann auch in diesem Schritt wachsen und kann auch zumindest teilweise durch die Verfahrensbedingungen bestimmt werden. Insbesondere ist es möglich, die Porosität und Korngröße durch die Bedingungen einzustellen und zu optimieren, um die Mikrorauhigkeit der Schichtoberfläche zu erhöhen.

In einer weiteren bevorzugten Durchführung des Verfahrens werden vor dem Beschichten des Systemträgers mit Haftvermittler freizuhaltende Oberflächenbereiche mit einer Schutzschicht bedeckt. Nach dem Beschichten kann diese Schutzschicht in vorteilhafter Weise zum Aufquellen gebracht werden, sodass sie mit der sich überlagernden Haftvermittlerschicht an den freizuhaltenden Oberflächenbereichen entfernt werden kann.

In einer weiteren bevorzugten Durchführung des Verfahrens werden die freizuhaltenden Oberflächenbereiche erst nach dem Beschichten der Oberflächen des Systemträgers mit Haftvermittler wieder freigelegt. Bei diesem Verfahren können vor dem Freilegen die Oberflächenbereiche geschützt werden, auf denen der Haftvermittler verbleiben soll. Das Freilegen kann mittels Laserabtrag oder mittels Plasmaätzverfahren erfolgen.

Ein Verfahren zur Herstellung mehrerer Halbleiterbauteile unter Verwendung eines Systemträgers mit mehreren Halbleiterbauteilpositionen weist zusätzlich die nachfolgenden Verfahrensschritte auf. Zunächst wird ein Systemträger mit selektiv aufgebrachter Haftvermittlerschicht auf seinen Oberflächen bereitgestellt. Die Selektivität bezieht sich darauf, dass nur die Oberflächenbereiche des Systemträgers mit einer Haftvermittlerschicht bedeckt werden, die eine Grenzschicht mit einer Kunststoffgehäusemasse bilden sollen. Kontaktanschlussflächen für elektrische Verbindungen und/oder Chipanschlussflächen zum Kontaktieren eines Halbleiterchips sind hingegen von der Haftvermittlerschicht freigehalten.

Auf einen derartigen Systemträger werden nun die Halbleiterbauteilkomponenten, wie Halbleiterchips, in den Halbleiterbauteilpositionen unter Verbinden der Halbleiterchips mit Kontaktanschlussflächen des Systemträgers über elektrische Verbindungselemente aufgebracht. Nach dem Aufbringen sämtlicher Halbleiterbauteilkomponenten auf dem Systemträger, werden die Halbleiterbauteilkomponenten in einer Kunststoffgehäusemasse eingebettet. Abschließend kann dann der Systemträger in einzelne Halbleiterbauteile aufgetrennt werden.

Der Systemträger selbst kann bei diesem Verfahren eine Leiterplatte mit Metallstruktur sein oder eine mehrlagige Keramikplatte oder ein metallischer Flachleiterrahmen. Der Vorteil dieses Verfahrens ist, dass das Aufbringen der Haftver mittlerschicht unabhängig von dem Material der Halbleiterbauteilkomponenten ist. So können metallische Flipchip-Kontakte, wie auch metallische Bonddrähte, genauso mit einer Haftvermittlerschicht nasschemisch versehen werden, wie die Oberflächen des Halbleiterchips und die Oberflächen des Systemträgers. Diese Eigenschaft der Haftvermittlerschicht und eines nasschemischen Verfahrens werden insbesondere dann angewandt, wenn vor dem Einbetten der Halbleiterbauteilkomponenten in eine Kunststoffgehäusemasse die noch nicht beschichteten Oberflächen von Halbleiterbauteilkomponenten ebenfalls mit dem Haftvermittler beschichtet werden sollen.

Bei einem alternativen Verfahren zur Herstellung von Halbleiterbauteilen unter Verwendung eines Systemträgers kann auch ein Systemträger eingesetzt werden, der zunächst keinerlei Haftvermittlerschicht aufweist. Auf diesen werden in einem ersten Schritt Halbleiterbauteilkomponenten, wie Halbleiterchips, in Halbleiterbauteilpositionen unter Verbinden der Halbleiterchips mit Kontaktanschlussflächen des Systemträgers für elektrische Verbindungen aufgebracht. Erst danach wird eine Haftvermittlerschicht auf sämtliche Oberflächen der Halbleiterbauteilkomponenten aufgebracht, die in eine Kunststoffgehäusemasse eingebettet werden sollen. Dazu weist die Haftvermittlerschicht die oben erwähnten Eigenschaften in Bezug auf die mittlere Dicke D und Porosität auf. Anschließend werden die nun mit einer Haftvermittlerschicht versehenen Halbleiterbauteilkomponenten in eine Kunststoffgehäusemasse eingebettet.

Abschließend kann der Systemträger in einzelne Halbleiterbauteile aufgetrennt werden. Bei diesem Verfahren obliegt es dem Halbleiterhersteller, auf einem konventionellen Trägersubstrat zunächst die gesamten Halbleiterbauteilkomponenten zu montieren und dann selber die Haftvermittlerschicht auf die Oberflächen dieser Halbleiterbauteilkomponenten aufzubringen. Ein Vorteil dieses alternativen Verfahrens ist es, dass keine der mit einer Kunststoffgehäusemasse zu bedeckenden Oberflächen frei von einer Haftvermittlerschicht sind.

Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Figuren näher erläutert.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Haftvermittlerschicht auf einem metallischen Systemträger eines Halbleiterbauteils;
2 zeigt einen schematischen Querschnitt eines in eine Kunststoffgehäusemasse eingebetteten beidseitig beschichteten Innenflachleiters;
3 zeigt einen schematischen Querschnitt eines Verdrahtungssubstrats aus einer isolierenden Leiterplatte mit einer strukturierten Metallbeschichtung und einer Haftvermittlerschicht;
4 zeigt eine schematische Draufsicht auf einen metallischen Systemträger, dessen Oberfläche teilweise mit einer Haftvermittlerschicht versehen ist;
5 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Halbleiterbauteil mit Halbleiterbauteilkomponenten, deren Oberflächen eine Haftvermittlerschicht aufweisen;
6 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Halbleiterbauteil, in dem die Oberflächen des Flachleiterrahmens eine Haftvermittlerschicht aufweisen.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Haftvermittlerschicht 5 auf einem metallischen Systemträger 20 eines Halbleiterbauteils. Die Haftvermittlerschicht 5 weist eine mittlere Dicke D auf, die zwischen 5 und 300 nm liegt und in der dargestellten Ausführungsform der Erfindung eine bevorzugte Dicke, die zwischen 5 und 40 nm schwankt, aufweist. Die unteren 5 bis 10 nm der Haftvermittlerschicht 5 bedecken die Oberfläche 4 dieser metallischen Halbleiterbauteilkomponente 3 in einer vollständig geschlossenen Morphologie, sodass die Oberfläche 4 vor einer Grenzflächenkorrosion und -erosion geschützt ist.
Oberhalb dieses Bereichs zwischen 5 und 10 nm nimmt die Porosität der Haftvermittlerschicht 5 zu und weist im obersten Bereich eine mikroporöse Morphologie 6 auf. Diese mikroporöse Morphologie 6 der Haftvermittlerschicht 5 unterstützt die Verzahnung mit einer auf die Oberfläche 4 aufzubringenden Kunststoffgehäusemasse. Außerdem fördert diese mikroporöse Morphologie 6 der Haftvermittlerschicht 5 das Bilden chemischer Brücken zwischen der Kunststoffgehäusemasse und der Haftvermittlerschicht 5. Die Haftvermittlerschicht 5 bildet dabei eine Art Gel-Struktur aus, welche die Kunststoffgehäusemasse oberflächlich penetriert und so eine elastische Übergangsschicht zwischen dem Systemträger 20 und der nicht gezeigten Kunststoffgehäusemasse ausbildet. Diese Übergangsschicht zwischen mikroporöser Morphologie 6 der Haftvermittlerschicht 5 und der Kunststoffgehäusemasse sorgt für einen Ausgleich der thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem metallischen Systemträgermaterial und dem polymeren Kunststoff der Kunststoffgehäusemasse. Der in 1 gezeigte Ausschnitt eines Systemträgers 20 stellt einen Oberflächenbereich einer Chipinsel 3 dar.
Die Haftvermittlerschicht 5 weist Zirkonoxid auf und wurde mittels einem Gemisch, in dem Nanopartikel aus Zirkonoxid kolloidal gelöst waren, hergestellt. Dieses Gemisch wurde durch Eintauchen auf dem Leadframe 3 aufgebracht. Das Lösungsmittel wurde verdampft und die Schicht gesintert, um die Haftvermittlerschicht 5 mit nanoskaligen Körnern zu bilden.
2 zeigt einen schematischen Querschnitt eines in einer Kunststoffgehäusemasse 2 eingebetteten beidseitig beschichteten Innenflachleiters 10. Dieser schematische Querschnitt zeigt nicht die wahren Dickenverhältnisse zwischen der mittleren Dicke D der Haftvermittlerschicht 5 und der Dickenerstreckung des Innenflachleiters 10. Derartige Innenflachleiter 10 können eine Dicke in der Größenordnung von Millimetern aufweisen, während die mittlere Dicke D der haftvermittelnden Schicht 5 im Bereich von einigen 5 Nanometern liegen. Wird anstelle des Innenflachleiters 10 ein Bonddraht 14 mit einer Haftvermittlerschicht 5 umgeben, so sind auch in diesem Fall die Dickenunterschiede beträchtlich, da Bonddrähte 14 als Verbindungselemente 13 einen Durchmesser von mehr als 10 μm aufweisen.
Auch die Oberfläche 4, die hier als gerade Linie und Grenzfläche gezeigt wird, ist wie die Untersuchungen und Ergebnisse der Diagramme der 3 und 4 zeigen, nicht glatt und gerade, sondern es bildet sich auch hier ein Übergang von einigen Nanometern in dem die Zusammensetzung der Haftvermittlerschicht 5 in die Zusammensetzung des Innenflachleiters 10 übergeht. Die Ursache für einen graduellen Übergang zwischen Haftvermittlerschicht und Metallmaterial liegt zumindest teilweise in der Aktivierungswirkung des Beschichtungsprozesses, mit dem die Haftvermittlerschicht 5 auf das Material der Halbleiterbauteilkomponente 3 aufgebracht wird. Die Morphologie wird auch durch den Sinterprozess eingestellt, da die erhöhte Sintertemperatur die Keimbildung und das Kornwachstum der aufgebrachten Schicht bewirkt.
3 zeigt einen schematischen Querschnitt eines Verdrahtungssubstrats 7 aus einer Leiterplatte 9 mit einer strukturierten Metallbeschichtung 8 und einer Haftvermittlerschicht 5. Anstelle der Leiterplatte 9 aus einem Epoxidharz kann auch eine Keramikplatte den Systemträger 20 bilden. Die Grenzfläche zwischen Haftvermittlerschicht 5 und Systemträger 20 weist somit unterschiedliche Grenzflächenmaterialien auf und zeigt, dass die erfindungsgemäße nasschemische Abscheidung prinzipiell auf allen Materialien zu einer Haftvermittlerschicht 5 mit mikroporiger Morphologie führt. Somit ist die Haftvermittlerschicht 5 nicht nur für metallische Systemträger 20, wie Flachleiterrahmen, einsetzbar, sondern kann auch zur Haftverbesserung der Oberflächen eines Nutzens und der darüber angeordneten Kunststoffgehäusemasse eingesetzt werden. Die mikroporige Morphologie kann neben Kugelgeometrien auch dendritische oder schwammartige Strukturen aufweisen.
4 zeigt eine schematische Draufsicht auf einen metallischen Systemträger 20, dessen Oberflächen 19 teilweise mit einer Haftvermittlerschicht 5 versehen sind. Dieser Systemträger 20 basiert auf einem Flachleiterrahmen 21, der mehrere Halbleiterbauteilpositionen 23 auf einem Flachleiterband 22 aufweist. Um sicherzustellen, dass beim Bestücken des Flachleiterbandes 22 die Halbleiterchips auf der dafür vorgesehenen Chipanschlussfläche 16 positioniert werden können, weist der Flachleiterrahmen 21 eine Perforation 25 auf. Die Oberflächen 24 der Innenflachleiter 10 sind bis auf Kontaktanschlussflächen 17 mit der erfindungsgemäßen Haftvermittler schicht 5 bedeckt, was durch die Schraffur der entsprechenden Flächen verdeutlicht wird.
Die Kontaktanschlussflächen 17, die von der Haftvermittlerschicht 5 frei gehalten werden, sind für das Anbringen von Verbindungselementen in Form von Bonddrähten vorgesehen. Die mit einer Haftvermittlerschicht 5 versehenen Innenflachleiter 10 gehen in Außenflachleiter 11 über, die keine Haftvermittlerschicht aufweisen. Somit ergibt sich innerhalb des Flachleiterrahmens 21 eine räumliche Verdrahtungsstruktur 15 aus Flachleitern 10, 11, die teilweise mit einer Kunststoffgehäusemasse in Berührung kommen werden und teilweise von der Kunststoffgehäusemasse frei bleiben. Die freibleibenden Kontaktanschlussflächen 17 können zur Verbesserung der Bondeigenschaften mit einer entsprechenden Metallplattierung 26, aus bspw. einem Silberlot, versehen sein.
5 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Halbleiterbauteil 1 mit Halbleiterbauteilkomponenten 3, deren Oberflächen 4 eine Halbleitervermittlerschicht 5 aufweisen. Bei diesem Halbleiterbauteil ist zur Verbesserung der Oberflächenhaftung zwischen den Oberflächen der Halbleiterbauteilkomponenten 3 der Kunststoffgehäusemasse 2 sämtliche Halbleiterbauteilkomponenten 3 nach ihrem Zusammenbau auf einem Systemträger 20 mit einer nasschemisch aufgebrachten Haftvermittlerschicht 5 versehen worden. Diese Beschichtung ist nicht nur auf metallischen Oberflächen 24 der inneren Flachleiter 10 oder der Verbindungselemente 13 in Form von Bonddrähten 14 möglich, sondern auch auf den Oberflächen des Halbleiterchips 12 und dessen Elektroden 18. Somit unterscheidet sich das erfindungsgemäße Halbleiterbauteil 1 von Halbleiterbauteilen im Stand der Technik dadurch, dass auch nichtmetallische Oberflächen 4 vollständig von der Haftvermittlerschicht 5 bedeckt sind.
Die Haftvermittlerschicht 5 wird aus aufgebrachten Nanopartikeln gebildet, die nach ihrer Abscheidung zu einer verdichteten Schicht gesintert wurde. Folglich weist die Haftvermittlerschicht 5 nanoskalige Körner aus Zirkonoxid auf und hat die Morphologie, die typisch für diese Abscheidungstechnik ist.
Auf allen Oberflächen 4, 19, 24, die ungeschützt diesem Prozess ausgesetzt werden, kann eine deutliche Verbesserung der Pressmassenhaftung der Kunststoffgehäusemasse 2 erreicht werden. Der Substratträger kann auch vor dem Zusammenbau der Halbleiterbauteilkomponenten 3 einer Beschichtung mit nasschemisch aufgebrachten Nanopartikeln unterzogen werden, jedoch muss dann dafür gesorgt werden, dass sowohl die Kontaktanschlussflächen 17 als auch die Chipanschlussflächen 16 des Systemträgers frei von der Beschichtung bleiben. Der Vorteil dieses Prozesses ist es, dass es sich um einen leicht zu handhabenden Beschichtungsprozess handelt, der allseitig auf die zu verankernden Oberflächen 4 der Halbleiterbauteile angewendet werden kann.
6 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Halbleiterbauteil 27 nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. In diesem Ausführungsbeispiel weisen die Oberflächen des Flachleiterrahmens 20, die innerhalb der Kunststoffgehäusemasse 2 angeordnet sind, eine Haftvermittlerschicht 5 auf.
Die Haftvermittlerschicht 5 wurde auf dem Innenflachleiter 10 sowie der Chipinsel 3 des Flachleiterrahmens 20 aufgebracht.
Die Haftvermittlerschicht 5 wurde mittels einer nasschemischen Technik von Tauchen auf der Oberseite und Rückseite des Flachleiterrahmens 20 aufgebracht und weist nach einem Sinterprozess nanoskalige keramische Körner aus ZrO₂ auf.
Nach dem Aufbringen der Haftvermittlerschicht 5 wurde der Halbleiterchip 12 über eine Kleberschicht 28 auf der Chipinsel 3 des Flachleiterrahmens 20 befestigt. Bonddrähte 13 wurden danach zwischen den Elektroden des Halbleiterchips 12 und den Kontaktflächen 26 der Innenflachleiter 10 erzeugt, um den Halbleiterchip 12 mit dem Innenflachleiter 10 elektrisch zu verbinden. Der Halbleiterchip 12, Bondrähte 13 und Innenflachleiter 10 wurden in einer Kunststoffmasse 2 eingebettet.
Die Haftvermittlerschicht 5 verbessert die Adhäsion zwischen der Oberseite 16, der Chipinsel 3 und der Kleberschicht 28 sowie zwischen dem Flachleiterrahmen 20 und der Kunststoffgehäusemasse 2. Im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel der 5 sind die Bonddrähte 13 und der Halbleiterchip 12 nicht mit der Haftvermittlerschicht 5 beschichtet.
Dieses Halbeiterbauteil 27 hat den Vorteil, dass der Schaltungsträger 20 bzw. Flachleiterrahmen mit der Haftvermittlerschicht 5 beschichtet wird. Der beschichtete Schaltungsträger 20 kann im bekannten Herstellungsverfahren verwendet werden, um das Halbleiterbauteil 27 aufzubauen. Eine verbesserte Verzahnung zwischen dem metallischen Flachleiterrahmen 20 und der Kunststoffmasse 2 sowie der Kleberschicht 28 wird gegeben, ohne dass das Herstellungsverfahren erheblich modifiziert werden muss.

1: Halbleiterbauteil
2: Kunststoffgehäusemasse
3: Halbleiterbauteilkomponenten
4: Oberflächen der Halbleiterbauteilkomponenten
5: Haftvermittlerschicht bzw. Haftvermittler
6: mikroporöse Morphologie
7: Verdrahtungssubstrat
8: Metallbeschichtung
9: Leiterplatte
10: innere Flachleiter bzw. Innenflachleiter
11: äußere Flachleiter bzw. Außenflachleiter
12: Halbleiterchip
13: Verbindungselement
14: Bondverbindungsdraht
15: räumliche Verdrahtungsstruktur
16: Chipanschlussfläche
17: Kontaktanschlussfläche
18: Elektroden des Halbleiterchips
19: Oberflächen des Systemträgers
20: Systemträger
21: Flachleiterrahmen bzw. Systemträgerrahmen
22: Flachleiterband
23: Halbleiterbauteilposition
24: Oberflächen der Innenflachleiter
25: Perforation des Systemträgerrahmens
26: Metallplattierung
27: zweites Halbleiterbauteil
D: mittlere Dicke der Haftvermittlerschicht

Claims

Halbleiterbauteil mit in Kunststoffgehäusemasse (2) eingebetteten Halbleiterbauteilkomponenten (3), wobei die Oberflächen (4) der Halbleiterbauteilkomponenten (3) eine Haftvermittlerschicht (5) mit mikroporöser Morphologie zumindest teilweise (6) zwischen den Halbleiterbauteilkomponenten (3) und der Kunststoffgehäusemasse (2) in einer mittleren Dicke D zwischen 5 nm ≤ D ≤ 300 nm, vorzugsweise zwischen 5 nm ≤ D ≤ 40 nm, aufweisen, und wobei die Haftvermittlerschicht (5) nasschemisch aufgebrachte nanoskalige keramische Körner aufweist.
Halbleiterbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Haftvermittlerschicht (5) Halbleiter- und/oder Metalloxide oder Halbleiter- und/oder Metallcarbide oder Halbleiter- und/oder Metallnitride oder Halbleiter- und/oder Metallcarbonitride eines oder mehrere der Elemente Al, B, Ce, Co, Cr, Ge, Hf, In, Mn, Mo, Nb, Nd, Ni, Pb, Pr, Pt, Rb, Re, Rh, Ru, S, Sb, Sc, Si, Sm, Sn, Sr, Ta, Te, Ti, Tl, Tm, U, V, W, Yb, Zr oder Zn aufweist.
Halbleiterbauteil nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Haftvermittlerschicht (5) ein Halbleiter- und/oder Metalloxid der Gruppe Al₂O₃, B₂O₃, Ce₂O₃, CoO, Co₂O₃, GeO₂, HfO₂, In₂O₃, Mn₂O₃, Mn₃O₄, MoO₂, Mo₂O₅, Nb₂O₃, NbO₂, Nd₂O₃, Ni₂O₃, NiO, PbO, Pr₂O₃, PrO₂, PtO, Pt₃O₄, Rb₂O, ReO₂, ReO₃, RhO₂, Rh₂O₃, RuO₂, SO₃, Sb₂O₄, Sb₄O₆, Sc₂O₃, SiO₂, Sm₂O₃, SnO, SnO₂, SrO, Te₂O₅, TeO₂, TeO₃, TiO, TiO₂, Ti₂O₃, Tl₂O₃ Tm₂O₃, UO₂, U₃O₈, UO₃, VO, V₂O₃, V₂O₄, V₂O₅, WO₂, WO₃, Yb₂O₃, ZrO₂ oder ZnO oder Mischungen davon oder SiC oder TiN, oder TiCN oder WC aufweist.
Halbleiterbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Haftvermittlerschicht (5) organisch modifizierte Nanokomposite aufweist.
Halbleiterbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Haftvermittlerschicht (5) zwei Schichten aufweist, wobei die erste Schicht im wesentlichen aus nanoskaligen keramischen Körnern besteht und die zweite Schicht im wesentlichen aus perfluoroalkylmodifiziertem Polysiloxan besteht, und wobei die zweite Schicht die erste Schicht überdeckt.
Halbleiterbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Porosität der Haftvermittlerschicht (5) von einer porenfreien Beschichtung auf den Oberflächen (4) der Halbleiterbauteilkomponenten (3) zu einer mikroporösen Morphologie (6) im Übergangsbereich zu der Kunststoffgehäusemasse (2) graduell zunimmt.
Halbleiterbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Systemträger eine Chipinsel aufweist, und dass mindestens die Oberseite der Chipinsel mit der Haftvermittlerschicht (5) beschichtet ist.
Halbleiterbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterbauteil (1) als Halbleiterbauteilkomponente (3) ein Verdrahtungssubstrat (7) mit strukturierter Metallbeschichtung (8) aufweist.
Halbleiterbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterbauteil (1) als Halbleiterbauteilkomponente (3) ein Keramiksubstrat mit strukturierten Metalllagen aufweist.
Halbleiterbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterbauteil (1) als Halbleiterbauteilkomponente (3) eine Leiterplatte (9) mit strukturierter Metallbeschichtung (8) aufweist.
Halbleiterbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterbauteil (1) als Halbleiterbauteilkomponente (3) innere Flachleiter (10) aufweist, die außerhalb der Kunststoffgehäusemasse (3) in Außenflachleiter (11) als Außenkontakte übergehen.
Halbleiterbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterbauteil (1) als Halbleiterbauteilkomponente (3) einen Halbleiterchip (12) aufweist.
Halbleiterbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterbauteil (1) als Halbleiterbauteilkomponente (3) innere Flipchip-Kontakte und/oder Bondverbindungsdrähte (14) als Verbindungselemente (13) aufweist.
Systemträger mit mehreren nacheinander und/oder hintereinander in Zeilen und/oder Spalten angeordneten Halbleiterbauteilpositionen (23), die zur Aufnahme von Halbleiterbauteilkomponenten (3) eine räumliche Verdrahtungsstruktur (15) mit Chipanschlussflächen (16) für Halbleiterchips (12) und Kontaktanschlussflächen (17) für elektrische Verbindungen zu Elektroden (18) des Halbleiterchips (12) aufweisen, wobei die Oberflächen (19) des Systemträgers (20) selektiv eine nasschemisch aufgebrachte nanoskalige keramische Körner aufweisende Haftvermittlerschicht (5) mit mikroporöser Morphologie (6) in einer mittleren Dicke D zwischen 5 nm ≤ D ≤ 300 nm, vorzugsweise zwischen 5 nm ≤ D ≤ 40 nm, aufweisen und wobei die Chipanschlussflächen (16) und die Kontaktanschlussflächen (17) frei von der Haftvermittlerschicht (5) sind.
Systemträger nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Haftvermittlerschicht (5) Halbleiter- und/oder Metalloxide oder Halbleiter- und/oder Metallcarbide oder Halbleiter- und/oder Metallnitride oder Halbleiter- und/oder Metallcarbonitride eines oder mehrere der Elemente Al, B, Ce, Co, Cr, Ge, Hf, In, Mn, Mo, Nb, Nd, Ni, Pb, Pr, Pt, Rb, Re, Rh, Ru, S, Sb, Sc, Si, Sm, Sn, Sr, Ta, Te, Ti, Tl, Tm, U, V, W, Yb, Zr oder Zn aufweist.
Systemträger nach Anspruch 14 oder Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Haftvermittlerschicht (5) ein Halbleiter- und/oder Metalloxid der Gruppe Al₂O₃, B₂O₃, Ce₂O₃, CoO, Co₂O₃, GeO₂, HfO₂, In₂O₃, Mn₂O₃, Mn₃O₄, MoO₂, Mo₂O₅, Nb₂O₃, NbO₂, Nd₂O₃, Ni₂O₃, NiO, PbO, Pr₂O₃, PrO₂, PtO, Pt₃O₄, Rb₂O, ReO₂, ReO₃, RhO₂, Rh₂O₃, RuO₂, SO₃, Sb₂O₄, Sb₄O₆, Sc₂O₃, SiO₂, Sm₂O₃, SnO, SnO₂, SrO, Te₂O₅, TeO₂, TeO₃, TiO, TiO₂, Ti₂O₃, Tl₂O₃ Tm₂O₃, UO₂, U₃O₈, UO₃, VO, V₂O₃, V₂O₄, V₂O₅, WO₂, WO₃, Yb₂O₃, ZrO₂ oder ZnO oder Mischungen davon oder SiC oder TiN, oder TiCN oder WC aufweist.
Systemträger nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Haftvermittlerschicht (5) einen organisch modifizierten Nanokomposit aufweist.
Systemträger nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Haftvermittlerschicht (5) zwei Schichten aufweist, wobei die erste Schicht im wesentlichen aus nanoskalige keramische Körner besteht und die zweite Schicht im wesentlichen aus perfluoroalkylmodifizierter Polysiloxan besteht, und wobei die zweite Schicht die erste Schicht abdeckt.
Systemträger nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Porosität der Haftvermittlerschicht (5) von einer porenfreien Beschichtung auf den Oberflächen (4) des Systemträgers (20) zu einer mikroporösen Morphologie (6) im Bereich der freie Oberfläche der Haftvermittlerschicht (5) graduell zunimmt.
Systemträger nach einem der Ansprüche 14 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Systemträger eine Chipinsel aufweist, und dass mindestens die Oberseite der Chipinsel mit der Haftvermittlerschicht (5) beschichtet ist.
Systemträger nach einem der Ansprüche 14 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Systemträger (20) ein Verdrahtungssubstrat (7) mit strukturierter Metallbeschichtung (8) aufweist.
Systemträger nach einem der Ansprüche 14 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Systemträger (20) ein Keramiksubstrat mit strukturierten Metalllagen aufweist.
Systemträger nach einem der Ansprüche 14 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Systemträger (20) eine Leiterplatte (9) mit strukturierter Metallbeschichtung (8) aufweist.
Systemträger nach einem der Ansprüche 14 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Systemträger (20) Innenflachleiter (10) mit Kontaktanschlussflächen (17) und Chipanschlussflächen (16) aufweist, die in Außenflachleiter (11) übergehen und von einem Flachleiterrahmen (21) gehalten werden, wobei der Flachleiterrahmen (21) ein Flachleiterband (22) mit einer Vielzahl hintereinander angeordneter Halbleiterbauteilpositionen (23) aufweist, wobei die Innenflachleiter (10) auf ihren Oberflächen (24) die Haftvermittlerschicht (5) aufweisen, und wobei die Kontaktanschlussflächen (17), die Chipanschlussflächen (16), die Außenflachleiter (11) und der Flachleiterrahmen (21), frei von der Haftvermittlerschicht (5) sind.
Systemträger nach einem der Ansprüche 14 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass der Systemträger (20) ein Vorprodukt für die Herstellung von Halbleiterbauteilen (1) ist.
Systemträger nach einem der Ansprüche 14 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass der Systemträger (20) mit selektiv angeordneter Haftvermittlerschicht (5) zu seiner Positionierung in einer Bestückungsmaschine eine Perforation (25) entlang eines Systemträgerrahmens (21) aufweist.
Systemträger nach einem der Ansprüche 14 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Systemträger (20) auf den Kontaktanschlussflächen (17) und den Chipanschlussflächen (16) eine Metall-Legierungs-Plattierung (26) vorzugsweise aus Silber und/oder eine Lot-Legierung aufweist.
Systemträger nach einem der Ansprüche 14 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Systemträger (20) Reinstkupfer und/oder eine Kupferlegierung aufweist.
Systemträger nach einem der Ansprüche 14 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Systemträger (20) eine kupferkaschierte Leiterplatte (9) aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines Systemträgers (20) für Halbleiterbauteile (1), das folgende Verfahrensschritte aufweist, – Strukturieren einer Substratplatte, die mindestens eine Metalloberfläche aufweist, zu einem Systemträger (20) mit einer Mehrzahl aufeinander folgender Muster zur Aufnahme von Halbleiterbauteilkomponenten (3) in Halbleiterbauteilpositionen (23) des Systemträgers (20); – Beschichten von Oberflächen (19) des Systemträgers (20), die mit einer Kunststoffgehäusemasse (2) bei der Fertigung von Halbleiterbauteilen (1) eine Grenzfläche bilden, mit einer Haftvermittlerschicht (5), die eine mikroporöse Morphologie (6) und nanoskalige keramische Körner aufweist, wobei die Haftvermittlerschicht (5) in einer Dicke D zwischen 5 nm ≤ D ≤ 300 nm, vorzugsweise zwischen 5 nm ≤ D ≤ 40 nm, aufgebracht wird, wobei das Beschichten der Oberflächen (19) des Systemträgers (20) mittels einer nasschemischen Technik erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass zur Beschichtung ein Gemisch, das ein Lösungsmittel und Kolloid-Nanopartikeln aufweist, auf den Oberflächen des Systemträgers aufgebracht wird und das Lösungsmittel verdampft wird.
Verfahren nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichten mittels einem Sol-Gel-Verfahren erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 30 bis 32 dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung mittels Tauchen, Gießen, Sprühen, Drucken und/oder Rollen durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 30 bis 33, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Aufbringen der Haftvermittlerschicht auf den Oberflächen des Systemträgers ein Sinterprozess oder Legierensprozess oder einen Brennprozess oder eine Koronabehandlung durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 30 bis 34, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Beschichten des Systemträgers (20) mit Haftvermittler (5), freizuhaltende Oberflächenbereiche mit einer Schutzschicht bedeckt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 30 bis 34, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Beschichten des Systemträgers (20) mit Haftvermittler (5) freizuhaltende Oberflächenbereiche freigelegt werden.
Verfahren zur Herstellung mehrerer Halbleiterbauteile (1) unter Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 30 bis 36, das folgende zusätzliche Verfahrensschritte aufweist, – Bereitstellen eines Systemträgers (20) mit selektiv aufgebrachter Haftvermittlerschicht (5) auf den Oberflächen (19), die mit einer Kunststoffgehäusemasse (2) eine Grenzschicht aufweisen, unter Freilassen von Kontaktanschlussflächen (17) und/oder Chipanschlussflächen (16); – Aufbringen von Halbleiterbauteilkomponenten (3) wie Halbleiterchips (12) auf den Systemträger (20) in den Halbleiterbauteilpositionen (23) unter Verbinden der Halbleiterchips (12) mit Kontaktanschlussflächen (17) des Systemträgers (20) über elektrische Verbindungselemente (13); – Einbetten der Halbleiterbauteilkomponenten (3) in eine Kunststoffgehäusemasse (2); – Auftrennen des Systemträgers (20) in einzelne Halbleiterbauteile (1).
verfahren nach Anspruch 37, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Einbetten der Halbleiterbauteilkomponenten (3) in eine Kunststoffgehäusemasse (2) die noch nicht beschichteten Oberflächen (4) von Halbleiterbauteilkomponenten (3) ebenfalls mit dem Haftvermittler (5) beschichtet werden.
Verfahren zur Herstellung mehrerer Halbleiterbauteile (1) unter Verwendung eines zunächst nicht mit Haftvermittler (5) beschichteten Systemträgers (20), – Aufbringen von Halbleiterbauteilkomponenten (3) wie Halbleiterchips (12) auf einen Systemträger (20) in Halbleiterbauteilpositionen (23) unter Verbinden der Halbleiterchips (12) mit Kontaktanschlussflä chen (17) des Systemträgers (20) über elektrische Verbindungselemente (13); – Aufbringen einer Haftvermittlerschicht (5) mittels einer nasschemischen Technik auf die Oberflächen (4) der Bauteilkomponenten (3), die in eine Kunststoffgehäusemasse (2) eingebettet werden sollen, wobei die Haftvermittlerschicht (5) eine mikroporöse Morphologie (6) und nanoskalige keramische Körner aufweist und in einer Dicke D zwischen 5 nm ≤ D ≤ 300 nm, vorzugsweise zwischen 5 nm ≤ D ≤ 40 nm, aufgebracht wird; – Einbetten der Halbleiterbauteilkomponenten (3) in eine Kunststoffgehäusemasse (2); – Auftrennen des Systemträgers (20) in einzelne Halbleiterbauteile (1).