DE102005028951A1 - Anordnung zur elektrischen Verbindung einer Halbleiter-Schaltungsanordnung mit einer äusseren Kontakteinrichtung und Verfahren zur Herstellung derselben - Google Patents

Anordnung zur elektrischen Verbindung einer Halbleiter-Schaltungsanordnung mit einer äusseren Kontakteinrichtung und Verfahren zur Herstellung derselben Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Verbindungsanordnung zwischen einer Halbleiter-Schaltungsanordnung 1 und einer äußeren Kontakteinrichtung 3 und ein Verfahren zum Herstellen der Verbindungsanordnung. Dabei wird auf mindestens einen Kontaktanschluss 4 oder 5 und/oder die Kontakte und den Draht 6 eine metallische Schicht 7 abgeschieden, die den Kontaktanschluss bzw. die elektrische Verbindung gegen Umwelteinflüsse schützt und eine hohe Zuverlässigkeit gewährleistet.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine elektrische Verbindungsanordnung zwischen einer Halbleiter-Schaltungsanordnung und einer äusseren Kontakteinrichtung und ein Verfahren zum Herstellen der Verbindungsanordnung.
  • Bei der Herstellung von Modulen, die integrierte Schaltungen enthalten, oder oberflächenmontierbaren Bauelementen (SMD) werden üblicherweise die Schaltungen und Bauelemente zuerst auf bzw. in Halbleiter-Wafern mit mikroelektronischen Technologien erzeugt und so Schaltungsanordnungen gebildet, wobei auf der Oberfläche der Halbleiter-Schaltungsanordnungen Kontaktanschlüsse zur elektrischen Verbindung mit einer äusseren Kontakteinrichtung aufgebracht werden. Die Halbleiter-Schaltungsanordnungen bzw. Halbleiter-Chips werden dann vereinzelt, mit äusseren Kontakteinrichtungen verbunden und mit einem Gehäuse umschlossen. Innerhalb dieses Prozesses werden die Halbleiter-Schaltungsanordnungen elektrisch charakterisiert, auf einem Träger montiert und die elektrische Verbindung zu äusseren Anschlüssen hergestellt.
  • Kontaktanschlüsse auf der Oberfläche von Halbleiter-Schaltungsanordnungen unterliegen während des Prozessierens, der elektrischen Charakterisierung der enthaltenen Bauelemente und Schaltungen und der anschliessenden Herstellung der elektrischen Verbindung zu einer äusseren Kontakteinrichtung verschiedenen Umwelteinflüssen. So können beispielsweise durch Nadelkarten-Abdrücke während des Messvorganges oder durch das Bonden Risse in der Metallisierung des Kontaktanschlusses entstehen, die eine Diffusion von Alkalimetall-Ionen, z.B. Na-Ionen, in die Halbleiter-Schaltungsanordnung, speziell in die aktiven Gebiete, begünstigen und damit beispielsweise zu einer Verschiebung der Einsatzspannung von Transistoren führen.
  • Die elektrischen Verbindungen zwischen einer Halbleiter-Schaltungsanordnung und einer äusseren Kontakteinrichtung können auf verschiedene Weise ausgeführt werden. Eine sehr verbreitete Methode ist das Drahtbonden mit einem Au- oder Al-Draht. Dabei wird ein erstes Ende des Drahtes auf dem inneren Kontaktanschluss auf der Oberfläche der Halbleiter-Schaltungsanordnung befestigt, der Draht anschliessend von dort zu einem äusseren Kontaktanschluss auf der Oberfläche der äusseren Kontakteinrichtung geführt und das zweite Ende des Drahtes auf diesem befestigt.
  • Beim Drahtbonden sind verschiedene Verfahren, die sich bezüglich der eingesetzten Materialien und der verwandten Prozessparameter, wie z.B. Druck und Temperatur, unterscheiden, gebräuchlich. Beim Thermokompressionsbonden wird ein Au-Draht verwandt, dessen Ende aufgeschmolzen und auf dem Kontaktanschluss aufgedrückt wird. Beim Ultraschallbonden wird beispielsweise ein Al-Draht mit einer Kaltschweisspressverbindung, das heisst bei Raumtemperatur unter der Anwendung von Ultraschall, auf dem Kontaktanschluss befestigt. Auch eine Kombination beider Verfahren ist möglich.
  • Das Herstellen der elektrischen Verbindung mittels Bonden bringt einige gravierende Probleme mit sich. Beim Bonden auf der Oberfläche der Halbleiter-Schaltungsanordnung kann es, vor allem bei Prozessparametern, die zu einer starken Verformung des Bonds führen (Über bonden), zu Rissen in der Kontaktmetallisierung kommen, die eine Diffusion von Alkalimetall-Ionen, z.B. von Na-Ionen, in die aktiven Bereiche der Halbleiter-Schaltungsanordnung begünstigen und so zu einer Veränderung der elektrischen Eigenschaften der Halbleiter-Schaltungsanordnung führen. Die Bondausbeute und die Zuverlässigkeit der Bondverbindungen, z.B. die Power-Cycling-Festigkeit, sind von den gewählten Prozessparametern abhängig. So kann ein niedriger Druck bei der Herstellung der Bondverbindung die Ausbeute erhöhen, er verringert aber gleichzeitig die Zuverlässigkeit, während ein erhöhter Druck bei der Herstellung der Bondverbindung und damit eine vergrößerte Auflagefläche des Drahtes auf dem Kontaktanschluss zwar die Zuverlässigkeit erhöht, aber beispielsweise zu den oben erwähnten Problemen mit Rissen in der Metallisierung führt.
  • Dieses Problem ist besonders bei der Verwendung von dicken Drähten relevant, wie sie beim Bonden von Leistungshalbleitermodulen aufgrund der notwendigen hohen Stromtragfähigkeit eingesetzt werden.
  • Weiterhin kann es zum Angriff von korrosiven Moldcompound-Materialien auf den Bondkontakt kommen, der die Festigkeit und Zuverlässigkeit des Kontaktes verringert. Diese Materialien sind Bestandteil des Gehäuses, das die Halbleiter-Schaltungsanordnung und die äussere Kontakteinrichtung umschliesst. Weiterhin werden Abätzungen des Bondkontaktes vom Kontaktanschluss bei nachfolgenden Prozessschritten aufgrund unterschiedlicher chemischer Potentiale beobachtet.
  • Um diese Probleme zu lösen, sind bisher aufwendige Optimierungsprozesse für die elektrische Charakterisierung mittels Nadelkarten und für die Bondparameter durchgeführt worden, die zwar eine Verbesserung hervorgerufen haben, aber keine endgültige Lösung des Problems darstellen. Weiterhin wurde die Metallisierung auf der Oberfläche der Halbleiter-Schaltungsanordnung als sehr dicke Schicht ausgeführt oder durch die gezielte Beimengung von zusätzlichen Materialien mechanisch gehärtet, um beim Bonden Prozessparameter einsetzen zu können, die eine hohe Ausbeute und Zuverlässigkeit ermöglichen. Zur mechanischen Stabilisierung des Bondkontaktes auf der Oberfläche der Halbleiter-Schaltungsanordnung, welche besonders bei Bondprozessen ohne starke Verformung des Bonddrahtes notwendig ist, sowie zum Schutz vor aggressiven Mouldcompound-Materialien wird auf den Bondkontakt ein harter, hochtemperaturfester Kunststoff aufgebracht. Alle diese Lösungsansätze führen allerdings zu einer wesentlichen Erhöhung der Kosten. Für das Problem des Abätzens des Bondkontaktes aufgrund unterschiedlicher chemischer Potentiale gibt es zur Zeit keine Lösung.
  • Aus der US 6,825,564 ist ein Verfahren bekannt, bei dem eine NiP-Schicht stromlos auf einem Kontaktanschluss aus Cu abgeschieden wurde, um die Oxidierung der Cu-Oberfläche zu verhindern und damit die Bondfähigkeit des Kontaktanschlusses zu verbessern.
  • In der US 6,564,449 ist ein Verfahren zur Verstärkung des Kontaktanschlusses auf der Oberfläche der Halbleiter-Schaltungsanordnung beschrieben, bei dem ein zusätzliches Schichtsystem aus Ti, Cr oder TiW und Au oder aus Ni und Au auf dem Kontaktanschluss abgeschieden wird, um die Zu verlässigkeit und Reproduzierbarkeit des Bondkontaktes beim reverse wire bonding mit Au-Draht zu erhöhen.
  • In der DE 26 50 348 A1 ist eine Verbindungsanordnung beschrieben, bei der auf die stiftförmigen elektrischen Anschlussleiter eines diskreten elektrischen Bauelementes und auf die damit zu verbindende Leiterbahn auf einer Leiterplatte ein Schichtsystem aus einer Ni- und einer Au-Schicht aufgebracht wurde, um die Lötbarkeit der Kontaktanschlüsse zu verbessern.
  • Ein Einsatz von Cu als Material für den Draht ist aufgrund der guten elektrischen Eigenschaften von Cu in Zukunft vorgesehen. Dies ist zum jetzigen Zeitpunkt aber noch nicht möglich, da grosse Kräfte bei der Herstellung des Kontaktes des Cu-Drahtes zum Kontaktanschluss notwendig sind, was bei der jetztigen Ausführung der Kontaktanschlüsse auf der Oberfläche der Halbleiter-Schaltungsanordnung zu Schäden im Kontaktanschluss und den darunter liegenden Bereichen der Halbleiter-Schaltungsanordnung führt.
    •
  • Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Verbindungsanordnung zwischen einer Halbleiter-Schaltungsanordnung und einer äusseren Kontakteinrichtung, bei der mittels eines Drahtes die elektrische Verbindung zwischen einem inneren Kontaktanschluss auf der Oberfläche der Halbleiter-Schaltungsanordnung und einem äusseren Kontaktanschluss auf der Oberfläche der äusseren Kontakteinrichtung hergestellt wird, zur Verfügung zu stellen, die resistent gegenüber Umwelteinflüssen ist, eine stabile, zuverlässige elektrische Verbindung bei hoher Prozessausbeute gewährleistet und den Einsatz von Cu als Material für den Draht ermöglicht. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Verbindungsanordnung bereitzustellen.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die in den Patentansprüchen 1 bis 4 und 7 angegebenen Merkmale gelöst. Die diese Aufgabe lösenden Verfahren sind in den Patentansprüchen 12 bis 14 angegeben. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich jeweils aus den Unteransprüchen.
  • Bei einer Verbindungsanordnung der erfindungsgemässen Art ist auf mindestens dem inneren Kontaktanschluss und auf dem Draht oder auf der Oberfläche von mindestens einem mit dem Draht verbundenen Kontaktanschluss und dem Draht oder auf beiden Kontaktanschlüssen eine zusätzliche metallische Schicht aufgebracht. Bei einer weiteren Verbindungsanordnung der erfindungsgemässen Art ist eine zusätzliche metallische Schicht nur auf dem inneren Kontaktanschluss aufgebracht, wobei der Durchmesser des Drahtes mindestens 500 μm beträgt oder der Draht aus Cu besteht. Der Durchmesser des Cu-Drahtes beträgt mindestens 50 μm für einen dünnen Draht und mindestens 300 μm für einen dicken Draht.
  • Die metallische Schicht schützt den Kontaktanschluss vor Umwelteinflüssen während der elektrischen Charakterisierung und der weiteren Prozessierung, insbesondere indem Risse in der Metallisierung, die die Diffusion von Alkalimetall-Ionen begünstigen, vermieden oder abgedeckt werden und gegebenenfalls eine Oxidation der Metallisierungs-Oberfläche verhindert wird. Weiterhin ermöglicht die metallische Schicht den Einsatz von Cu als Material für den Draht und von besonders günstigen Prozessparametern bei der Herstellung der elektrischen Verbindung mit tels eines Drahtes, stabilisiert die elektrische Verbindung mechanisch und macht sie gegen chemische Prozesse resistent.
  • Vorteile der erfindungsgemässen Verbindungsanordnung liegen in der hohen Ausbeute des Bondprozesses aufgrund der möglichen günstigen Prozessparameter und in der hohen Zuverlässigkeit der elektrischen Verbindung, wobei besondere Anforderungen an die Metallisierung auf der Oberfläche der Halbleiter-Schaltungsanordnung, wie z.B. mechanische Härte und/oder grosse Dicke, bei Verwendung von dicken Al- oder Au-Drähten (Durchmesser mindestens 500 μm) entfallen. Auch Ausfälle der elektrischen Verbindung, die aus Brüchen innerhalb des Drahtes nahe des Bondkontaktes resultieren, wie sie im Falle der Bondbeschichtung mit einem Kunststoff auftreten, werden vermieden. Die metallische Schicht wirkt ausserdem als Schutzschicht gegen Ätz- und Diffusionsprozesse bei der weiteren Prozessierung und beim späteren Einsatz des Moduls, das die Verbindungsanordnung enthält. Bei einer Abscheidung der metallischen Schicht auf dem Draht verhindert diese die Korrossion des Drahtes und erhöht damit die Zuverlässigkeit.
  • Weiterhin ist das Aufbringen einer solchen metallischen Schicht auch auf andere Verbindungsanordnungen, bei denen der elektrische Kontakt auf andere Weise hergestellt wurde, z.B. durch Löten, vorteilhaft.
  • Die metallische Schicht umfasst beliebige Ni-Verbindungen, insbesondere NiP, NiB, NiMo, NiRe oder tertiäre Materialkompositionen NiPX, wobei X Cu, W, Sn, Mo oder Sb umfasst. In diesem Zusammenhang beschreibt die Bezeichnung NiY oder NiPX eine Ni-Y- bzw. NiP-X- Legierung, das heisst elementares Ni mit einer Beimengung von Y bzw. P und X. Alternativ umfasst die metallische Schicht Cu, Ag, Sn, SnAg oder Au. Die Schicht hat eine Dicke von 0,1 bis 100 μm, wobei eine typische Dicke 1 bis 5 μm beträgt. Vorteile von NiP, NiB, NiMo, NiRe sowie den erwähnten tertiären Materialkompositionen sind die grosse Härte und die Möglichkeit, diese Metalle mit einem stromlosen Verfahren abscheiden zu können. Der Phosphor-Gehalt von 5 bis 10 % in NiP bzw. der Bor-Gehalt von 1 bis 5 % in NiB verhindert die Oxidation der Oberfläche der Ni-Schicht. Auf die metallische Schicht kann eine weitere Schicht aufgebracht werden, die Pd oder Au umfasst und die metallische Schicht passiviert und chemisch resistent macht und für weitere Prozessschritte vorteilhaft ist. Beispielsweise verhindert sie die Oxidation der Oberfläche der metallischen Schicht und verbessert die Bondfähigkeit. Weiterhin ist eine einheitliche Beschichtung der Verbindungsanordnung mit einem Edelmetall vorteilhaft hinsichtlich weiterer Prozesse und der Zuverlässigkeit der Verbindungsanordnung. Die Pd oder Au umfassende Schicht ist im Vergleich zur metallischen Schicht mit einer Dicke von einigen hundert nm dünn.
  • Die metallische Schicht bzw. das Schichtsystem kann den Erfordernissen und Gegebenheiten der Halbleiter-Schaltungsanordnung und der äusseren Kontakteinrichtung sowie des Herstellungsprozesses der elektrischen Verbindung angepasst werden, insbesondere bezüglich der verwandten Materialien und den Prozessparametern der Abscheidung.
  • In einer besonders bevorzugten Ausführungsform kann noch eine weitere mechanische Stabilisierung der elektrischen Verbindung und ein Schutz des Bondkontaktes vor dem An griff von Moldcompound-Materialien durch das Aufbringen eines harten, hochtemperaturfesten Kunststoffes auf den Bondkontakt erfolgen.
  • In bevorzugter Weise wird bei dem erfindungsgemässen Verfahren die metallische Schicht nach dem Herstellen der elektrischen Verbindung zwischen der Halbleiter-Schaltungsanordnung und der äusseren Kontakteinrichtung aufgebracht und umhüllt damit mindestens einen der mit dem Draht verbundenen Kontaktanschlüsse als auch den Draht selbst.
  • In einer anderen bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens wird die metallische Schicht vor dem Herstellen der elektrischen Verbindung zur äusseren Kontakteinrichtung abgeschieden. Dies kann sowohl im Wafer-Verband als auch auf der schon vereinzelten Halbleiter-Schaltungsanordnung geschehen, so dass sich die metallische Schicht nur auf dem inneren Kontaktanschluss befindet. Wird die metallische Schicht erst nach der Montage der Halbleiter-Schaltungsanordnung auf einem Träger, der auch die äussere Kontakteinrichtung enthält, abgeschieden, so befindet sie sich sowohl auf dem inneren als auch dem äusseren Kontaktanschluss.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die metallische Schicht erstmals wie oben beschrieben vor dem Herstellen der elektrischen Verbindung und dann nochmals nach dem Herstellen der elektrischen Verbindung abgeschieden. Sie befindet sich damit auf mindestens dem inneren Kontaktanschluss und umhüllt mindestens einen der mit dem Draht verbundenen Kontaktanschlüsse als auch den Draht selbst.
  • Weitere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden durch Kombinationen der oben beschriebenen Ausführungsformen gebildet.
  • Eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemässen Verbindungsanordnung ist durch eine zusätzliche Schicht aus hartem, hochtemperaturfestem Kunststoff über dem mit dem Draht verbundenen inneren Kontaktanschluss gekennzeichnet, die in einer besonderen Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens aufgebracht wird und eine zusätzliche mechanische Stabilisierung des Kontaktes bewirkt.
  • Für die Halbleiter-Schaltungsanordnung sind in besonderer Weise Leistungshalbleitermodule, wie beispielsweise IGBT-Module, vorgesehen, die Auswahl ist aber nicht darauf beschränkt.
  • Als äussere Kontakteinrichtung können verschiedene Trägersubstrate, Multichipmodule, Gehäuseformen und auch andere Halbleiter-Schaltungsanordnungen (chip-to-chip-Bonden) zum Einsatz kommen.
  • Als Draht zur Herstellung der elektrischen Verbindung zwischen der Halbleiter-Schaltungsanordnung und der äusseren Kontakteinrichtung können beispielsweise Al- und Au-Drähte und in einer besonderen Ausführungsform auch Cu-Drähte verwandt werden. Es sind aber auch andere Materialien möglich. Der Draht 6 kann dabei einen runden oder mehreckigen Querschnitt haben. Unter einem „Draht" soll also beispielsweise auch ein Band oder dergleichen verstanden werden.
  • Die metallische Schicht kann stromlos oder in einem elektrogalvanischen Prozess abgeschieden werden. Für eine stromlose Beschichtung ist zuerst die Benetzung der Oberfläche mit Benetzungskeimen notwendig, die sich auf allen freiliegenden metallischen Oberflächen ablagern. Danach erfolgt die Abscheidung der metallischen Schicht aus NiP oder NiB stromlos an den Stellen, wo die Benetzung stattgefunden hat. Auf nichtmetallischen Oberflächen, wie beispielsweise der Passivierung der Halbleiter-Schaltungsanordnung, wird keine Schicht abgeschieden. Weiterhin kann eine Passivierungsschicht, die Pd oder Au umfasst, auf der metallischen Schicht abgeschieden werden.
  • Bei Nutzung eines elektrogalvischen Abscheideprozesses entfällt die Benetzung, da keine Bekeimung der zu beschichtenden Oberfläche notwendig ist. Die metallische Schicht wird dabei nur auf metallischen Oberflächen, die ein bestimmtes elektrisches Potential aufweisen, abgeschieden. Weitere Vorteile sind die Möglichkeit, auch andere Metalle, wie z.B. Cu, Sn, SnAg, Ag und Au, abzuscheiden und dabei höhere Abscheideraten zu erzielen. Da diese Abscheidung unter Stromfluss erfolgt, ist es wichtig, dass eine elektrische Verbindung zwischen der Halbleiter-Schaltungsanordnung und der äusseren Kontakteinrichtung besteht.
  • Das Verfahren zur Erzeugung der erfindungsgemässen metallischen Schicht ist einfach und leicht in den Herstellungsprozess der Halbleiter-Schaltungsanordnung auf Wafer-Ebene oder in den Gesamt-Montage-Prozess der Halbleiter-Schaltungsanordnung zu integrieren und ersetzt damit aufwändige oder komplizierte Alternativverfahren, wie beispielsweiese eine Stabilisierung des Bondkontaktes mit einer Kunststoff-Beschichtung oder die Optimierung der Metallisierung auf der Oberfläche der Halbleiter-Schaltungsanordnung und der Parameter des Bondprozesses.
    •
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert, wobei für einander entsprechende Bauteile und Schichten die gleichen Bezugszeichen verwendet werden. Es zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung einer herkömmlichen Verbindungsanordnung,
  • 2A bis 2D schematische Darstellungen einer Verbindungsanordnung gemäss der vorliegenden Erfindung in jeweils besonders bevorzugten Ausführungsformen,
  • 3A bis 3D schematische Darstellungen eines Verfahrens gemäss der vorliegenden Erfindung in jeweils besonders bevorzugten Ausführungsformen in Flussdiagrammen,
  • 4 perspektivische Darstellung einer fertig montierten Halbleiter-Schaltungsanordnung unter Verwendung der erfindungsgemäßen Verbindungsanordnung.
  • In 1 ist eine herkömmliche Verbindungsanordnung dargestellt. Eine Halbleiter-Schaltungsanordnung 1 hat eine Oberseite 11 und eine Unterseite 12. Eine äussere Kontakteinrichtung 3 weisst eine Oberseite 31 auf. Die Halbleiter-Schaltungsanordnung 1 ist mittels einer Verbindungsschicht 2 auf der äusseren Kontakteinrichtung 3 so befestigt, dass sich die Unterseite 12 der Halbleiter- Schaltungsanordnung 1 und die Oberseite 31 der äusseren Kontakteinrichtung 3 gegenüber stehen. Auf der Oberfläche der Oberseite 11 der Halbleiter-Schaltungsanordnung 1 befindet sich ein innerer Kontaktanschluss 4, und auf der Oberfläche der Oberseite 31 der äusseren Kontakteinrichtung 3 ist ein äusserer Kontaktanschluss 5 angeordnet. Dabei sind der Bereich der äusseren Kontakteinrichtung 3, der sich unterhalb der Halbleiter-Schaltungsanordnung 1 befindet, und der Bereich der äusseren Kontakteinrichtung 3, auf dem sich der äussere Kontakt 5 befindet, elektrisch voneinander isoliert und können sogar mechanisch voneinander getrennt sein. Die elektrische Verbindung zwischen dem inneren Kontaktanschluss 4 und dem äusseren Kontaktanschluss 5 ist mittels eines Drahtes 6 aus beispielsweise Al oder Au oder Cu hergestellt. Der Draht 6 kann durch ein Wedge-Wedge- oder ein Ball-Wedge-Verfahren mit den Kontaktanschlüssen 4 und 5 verbunden werden.
  • In 2 ist nun eine erfindungsgemässe Verbindungsanordnung in besonders bevorzugten Ausführungsformen dargestellt. In 2A umhüllt eine metallische Schicht 7 die noch freiliegenden Oberflächen der mit dem Draht 6 verbundenen inneren und äusseren Kontaktanschlüsse 4 und 5 sowie den Draht 6.
  • Die Schicht 7 besteht beispielsweise aus Zn-Keimen 71, einer Ni-Legierungs-Schicht 72, insbesondere NiP oder NiB, und optional aus einer Pd-Schicht 73 und/oder einer Au-Schicht 74 (vgl. Einzelheit A in 2A). Mit anderen Worten: Die Schicht 7 kann beispielsweise bestehen aus einer Ni-Legierungs-Schicht 72, einer Ni-Legierungs-Schicht 72 und einer Pd-Schicht 73, einer Ni-Legierungs-Schicht 72 und einer Au-Schicht 74 oder aus einer Ni- Legierungs-Schicht 72, einer Pd-Schicht 73 und einer Au-Schicht 74.
  • In 2B ist die metallische Schicht 7 auf dem inneren und dem äusseren Kontaktanschluss 4 und 5 aufgebracht. In einer anderen (nicht dargestellten) Ausführungsform ist die metallische Schicht 7 nur auf dem inneren Kontaktanschluss 4 aufgebracht, wobei der Draht 6 einen Durchmesser von mindestens 500 μm aufweist oder aus Cu besteht.
  • Die metallische Schicht 7 kann aber auch auf dem inneren und äusseren Kontaktanschluss 4 und 5 und zusätzlich auf den noch freiliegenden Oberflächen der mit dem Draht 6 verbundenen inneren und äusseren Kontaktanschlüsse 4 und 5 sowie dem Draht 6, wie in 2A dargestellt, aufgebracht sein. Eine solche Verbindungsanordnung ist in 2C gezeigt, wobei die zweite metallische Schicht mit 7' bezeichnet und mit der ersten metallischen Schicht 7 im Aufbau identisch ist. Ebenfalls möglich (hier aber nicht dargestellt) ist es, dass sich die metallische Schicht 7 auf dem inneren Kontaktanschluss 4 und zusätzlich auf den noch freiliegenden Oberflächen der mit dem Draht 6 verbundenen inneren und äusseren Kontaktanschlüsse 4 und 5 sowie dem Draht 6, wie in 2A dargestellt, befindet.
  • Eine weitere Ausführungsform ist in 2D gezeigt, wo sich die metallische Schicht 7 auf dem inneren und äusseren Kontaktanschluss 4 und 5 wie im Ausführungsbeispiel von 2B befindet und auf dem mit dem Draht 6 verbundenen inneren Kontaktanschluss 4 noch eine zusätzliche Schicht 8 aus hartem, hochtemperaturfestem (Tschmelz > 200°C) Kunststoff aufgebracht ist. In einer weiteren (hier nicht dargestellten) Ausführungsform ist die metallische Schicht 7 nur auf dem inneren Kontaktanschluss 4 aufgebracht und der mit dem Draht verbundene innere Kontaktanschluss 4 zusätzlich mit einer Schicht 8 aus einem oben beschriebenen Kunststoff umhüllt.
  • In 3 sind schematisch die Verfahrensabläufe zur Herstellung der in 2 dargestellten Verbindungsanordnungen aufgezeigt. In einem Schritt 41 wird die metallische Schicht 7 aufgebracht und in einem Schritt 42 wird die elektrische Verbindung zwischen der Halbleiter-Schaltungsanordnung 1 und der äusseren Kontakteinrichtung 3 mittels des Drahtes 6 gebildet.
  • Bei Nutzung eines stromlosen Abscheideverfahrens gliedert sich der Schritt 41 in folgende Unterschritte:
    • A Eintauchen in ein Benetzungsbad und Abscheidung von Keimen auf allen freiliegenden Metall-Oberflächen,
    • B Eintauchen in ein Bad aus einer Ni-Legierung und Abscheidung einer Ni-Legierungs-Schicht, insbesondere NiP oder NiB, und optional
    • C Eintauchen in ein Pd- und/oder Au-Bad und Abscheidung einer Pd- oder einer Au-Schicht oder einer Pd- und einer Au-Schicht.
  • Das Benetzungsbad enthält im Allgemeinen Zn, das als Keim für die Ni-Legierungs-Abscheidung, insbesondere NiP oder NiB, dient. Besteht die Metallisierung der Kontaktanschlüsse aus Cu, so dient Pd als Keim für die spätere NiP- oder NiB-Abscheidung. Die Dicke der abgeschiedenen NiP- oder NiB-Schicht liegt im Bereich von 0,1 bis 100 μm, wobei eine typische Dicke 1 bis 5 μm beträgt. Der Phosphor-Gehalt in NiP beträgt typischerweise 5 bis 10 und der Bor-Gehalt in NiB typischerweise 1 bis 5 %. Die optionale Schicht aus Pd oder Au bzw. das Schichtsystem aus Pd und Au ist im Vergleich zur NiP- oder NiB-Schicht dünn. Die Dicke der Pd- oder Au-Schicht beträgt typischerweise 20 bis 400 nm, die Dicke einer zusätzlichen Au-Schicht auf einer Pd-Schicht typischerweise 40 bis 80 nm. Die optionale Schicht bzw. das Schichtsystem passiviert die Oberfläche der NiP- oder NiB-Schicht, verhindert deren Oxidation und verbessert die Bondfähigkeit.
  • Die Schicht 7 besteht so beispielsweise aus Zn-Keimen 71, einer Ni-Legierungs-Schicht 72 und optional aus einer Pd-Schicht 73 und/oder einer Au-Schicht 74 (vgl. Einzelheit A in 2A).
  • Die Abscheidung der metallischen Schicht kann sowohl nach dem Vereinzeln der Halbleiter-Schaltungsanordnung und der Montage auf der äusseren Kontakteinrichtung als auch vor dem Vereinzeln im Wafer-Verband durchgeführt werden.
  • Bei Nutzung eines elektrogalvischen Abscheideprozesses in Schritt 41 entfällt der Unterschritt A, da keine Bekeimung der zu beschichtenden Oberfläche notwendig ist. Weitere Vorteile sind die Möglichkeit, auch andere Metalle, wie z.B. Cu, Sn, Ag, SnAg und Au, abzuscheiden und dabei höhere Abscheideraten zu erzielen.
  • Der Schritt 42 beinhaltet die Herstellung der elektrischen Verbindung zwischen der Halbleiter-Schaltungsanordnung 1 und der äusseren Kontakteinrichtung 3 mittels des Drahtes 6.
  • 3A stellt eine erste bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens zum Herstellen einer erfingungsgemässen Verbindungsanordnung dar, bei der zuerst die elektrische Verbindung mittels des Drahtes 6 hergestellt und danach die metallische Schicht 7 aufgebracht wird. Dabei können die Prozessparameter so gewählt werden, dass es zu keiner starken Verformung des Drahtes 6 auf dem inneren Kontaktanschluss 4 kommt, was die Prozessausbeute erhöht und Schäden in der Metallisierung der Halbleiter-Schaltungsanordnung 1 vermeidet. Die notwendige Zuverlässigkeit der elektrischen Verbindung wird durch die zusätzliche metallische Schicht 7 erreicht. Im Ergebnis erhält man eine Verbindungsanordnung, wie sie in 2A dargestellt ist.
  • 3B zeigt eine zweite bevorzugte Ausführungsform des erfingungsgemässen Verfahrens zum Herstellen einer Verbindungsanordnung, bei der nach der Montage der Halbleiter-Schaltungsanordnung 1 auf der äusseren Kontakteinrichtung 3 zuerst die metallische Schicht 7 aufgebracht und dann die elektrische Verbindung mittels des Drahtes 6 hergestellt wird. Dabei können die Prozessparameter so gewählt werden, dass es zu einer grossen Auflagefläche des Drahtes 6 auf dem inneren Kontaktanschluss 4 kommt, was die Zuverlässigkeit erhöht, ohne die Prozessausbeute zu verringern und Schäden in der Metallisierung der Halbleiter-Schaltungsanordnung 1 zu verursachen. Im Ergebnis erhält man eine Verbindungsanordnung, wie sie in 2B dargestellt ist.
  • 3C zeigt eine dritte bevorzugte Ausführungsform des erfingungsgemässen Verfahrens zum Herstellen einer Verbindungsanordnung, bei der sowohl vor dem Herstellen der elektrischen Verbindung zwischen der Halbleiter-Schaltungsanordnung 1 und der äusseren Kontakteinrichtung 3 als auch danach die metallische Schicht 7 aufgebracht wird. Dabei können die Prozessparameter so gewählt werden, dass es zu einer grossen Auflagefläche des Drahtes 6 auf dem inneren Kontaktanschluss 4 kommt, was die Zuverlässigkeit erhöht, ohne die Prozessausbeute zu verringern und Schäden in der Metallisierung der Halbleiter-Schaltungsanordnung zu verursachen. Die zweite metallische Schicht 7' auf den Kontakten und dem Draht 6 selbst stabilisiert die elektrische Verbindung nochmals und erhöht die Zuverlässigkeit weiter. Im Ergebnis erhält man eine Verbindungsanordnung, wie sie in 2C dargestellt ist.
  • In 3D ist eine weitere Ausführungsform dargestellt, bei der nach dem Prozessablauf, wie er in der zweiten Ausführungsform erläutert ist, die elektrische Verbindung auf dem inneren Kontaktanschluss 4 durch das Aufbringen der Schicht 8 aus einem harten, hochtemperaturfesten Kunststoff in einem Schritt 43 mechanisch stabilisiert und damit die Zuverlässigkeit weiter erhöht wird. Im Ergebnis erhält man eine Verbindungsanordnung, wie sie in 2D dargestellt ist.
  • 4 zeigt eine perspektivische Darstellung einer fertig montierten Halbleiter-Schaltungsanordnung 1 unter Verwendung der erfindungsgemäßen Verbindungsanordnung. Dabei sind die inneren Kontaktanschlüsse 4 auf der Oberseite 11 der Halbleiter-Schaltungsanordnung 1 jeweils mittels eines Drahtes 6 mit den äusseren Kontaktanschlüssen 5 auf der Oberseite 31 der äusseren Kontakteinrichtung 3 verbunden. Auf den nach dem Herstellen der Verbindung mittels Draht 6 noch freiliegenden Oberflächen der Kontaktanschlüsse 4 und 5 sowie auf den Drähten 6 befindet sich gemäß einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Verbindungsanordnung eine zusätzliche metallische Schicht 7 (vgl. 2A).
    • 1
    Halbleiter-Schaltungsanordnung
    11
    Oberseite der Halbleiter-Schaltungsanordnung
    12
    Unterseite de Halbleiter-Schaltungsanordnung
    2
    Verbindungsschicht
    3
    äussere Kontakteinrichtung
    31
    Oberseite der äusseren Kontakteinrichtung
    4
    innerer Kontaktanschluss
    5
    äusserer Kontaktanschluss
    6
    Draht
    7
    metallische Schicht
    7'
    zweite metallische Schicht
    8
    Kunststoff
    41
    Aufbringen der metallischen Schicht
    42
    Herstellen der elektrischen Verbindung zwischen Halblei
    ter-Schaltungsanordnung und äusserer Kontakteinrichtung
    mittels Draht
    43
    Aufbringen eines Kunststoffes auf den inneren Kontakt
    71
    Keime
    72
    Ni-Legierungs-Schicht
    73
    Pd-Schicht
    74
    Au-Schicht

Claims (17)

  1. Verbindungsanordnung zwischen einer Halbleiter-Schaltungsanordnung (1) und einer äusseren Kontakteinrichtung (3), bei der die Unterseite (12) der Halbleiter-Schaltungsanordnung (1) und die Oberseite (31) der äusseren Kontakteinrichtung (3) gegenüber zueinander vorgesehen sind und eine elektrische Verbindung zwischen einem inneren Kontaktanschluss (4) auf der zur Unterseite gegenüberliegenden Oberseite (11) der Halbleiter-Schaltungsanordnung (1) und einem äusseren Kontaktanschluss (5) auf der Oberfläche der äusseren Kontakteinrichtung (3) aus einem elektrisch leitenden Draht (6) besteht, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Oberfläche mindestens des inneren Kontaktanschlusses (4) und auf der Oberfläche des Drahtes (6) eine zusätzliche metallische Schicht (7) angeordnet ist.
  2. Verbindungsanordnung zwischen einer Halbleiter-Schaltungsanordnung (1) und einer äusseren Kontakteinrichtung (3), bei der die Unterseite (12) der Halbleiter-Schaltungsanordnung (1) und die Oberseite (31) der äusseren Kontakteinrichtung (3) gegenüber zueinander vorgesehen sind und eine elektrische Verbindung zwischen einem inneren Kontaktanschluss (4) auf der zur Unterseite gegenüberliegenden Oberseite (11) der Halbleiter-Schaltungsanordnung (1) und einem äusseren Kontaktanschluss (5) auf der Oberfläche der äusseren Kontakteinrichtung (3) aus einem elektrisch leitenden Draht (6) besteht, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Oberfläche von mindestens einem mit dem Draht (6) verbundenen Kontaktanschluss (4 oder 5) und auf der Ober fläche des Drahtes (6) eine zusätzliche metallische Schicht (7) angeordnet ist.
  3. Verbindungsanordnung zwischen einer Halbleiter-Schaltungsanordnung (1) und einer äusseren Kontakteinrichtung (3), bei der die Unterseite (12) der Halbleiter-Schaltungsanordnung (1) und die Oberseite (31) der äusseren Kontakteinrichtung (3) gegenüber zueinander vorgesehen sind und eine elektrische Verbindung zwischen einem inneren Kontaktanschluss (4) auf der zur Unterseite gegenüberliegenden Oberseite (11) der Halbleiter-Schaltungsanordnung (1) und einem äusseren Kontaktanschluss (5) auf der Oberfläche der äusseren Kontakteinrichtung (3) aus einem elektrisch leitenden Draht (6) besteht, dadurch gekennzeichnet, dass eine zusätzliche metallische Schicht (7) auf der Oberfläche beider Kontaktanschlüsse (4 und 5) angeordnet ist.
  4. Verbindungsanordnung zwischen einer Halbleiter-Schaltungsanordnung (1) und einer äusseren Kontakteinrichtung (3), bei der die Unterseite (12) der Halbleiter-Schaltungsanordnung (1) und die Oberseite (31) der äusseren Kontakteinrichtung (3) gegenüber zueinander vorgesehen sind und eine elektrische Verbindung zwischen einem inneren Kontaktanschluss (4) auf der zur Unterseite gegenüberliegenden Oberseite (11) der Halbleiter-Schaltungsanordnung (1) und einem äusseren Kontaktanschluss (5) auf der Oberfläche der äusseren Kontakteinrichtung (3) aus einem elektrisch leitenden Draht (6) besteht, dadurch gekennzeichnet, dass eine zusätzliche metallische Schicht (7) auf der Oberfläche des inneren Kontaktanschlusses (4) angeordnet ist und der Draht (6) aus Cu besteht.
  5. Verbindungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des Drahtes mindestens 50 μm beträgt.
  6. Verbindungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des Drahtes mindestens 300 μm beträgt.
  7. Verbindungsanordnung zwischen einer Halbleiter-Schaltungsanordnung (1) und einer äusseren Kontakteinrichtung (3), bei der die Unterseite (12) der Halbleiter-Schaltungsanordnung (1) und die Oberseite (31) der äusseren Kontakteinrichtung (3) gegenüber zueinander vorgesehen sind und eine elektrische Verbindung zwischen einem inneren Kontaktanschluss (4) auf der zur Unterseite gegenüberliegenden Oberseite (11) der Halbleiter-Schaltungsanordnung (1) und einem äusseren Kontaktanschluss (5) auf der Oberfläche der äusseren Kontakteinrichtung (3) aus einem elektrisch leitenden Draht (6) besteht, dadurch gekennzeichnet, dass eine zusätzliche metallische Schicht (7) auf der Oberfläche des inneren Kontaktanschlusses (4) angeordnet ist und der Durchmesser des Drahtes (6) mindestens 500 μm beträgt.
  8. Verbindungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Schicht (7) Cu, Ag, Sn, SnAg oder Au oder eine beliebige Ni-Verbindung, insbesondere NiP, NiB, NiMo oder NiRe, oder tertiäre Materialkompositionen NiPX, wobei X Cu, W, Sn, Mo oder Sb sein kann, umfasst.
  9. Verbindungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine zusätzliche Schicht (73, 74), die aus Pd und/oder Au besteht, für die metallische Schicht (7) vorgesehen ist.
  10. Verbindungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass auf der metallischen Schicht (7) über dem mit dem Draht (6) verbundenen inneren Kontaktanschluss (4) auf der Oberfläche der Halbleiter-Schaltungsanordnung (1) eine zusätzliche Schicht (8) aus hartem, hochtemperaturfestem Kunststoff aufgebracht ist.
  11. Verbindungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 oder 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Draht (6) aus Al oder Au besteht.
  12. Verfahren zum Herstellen einer Verbindungsanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 7 mit den Schritten – Bereitstellen der Halbleiter-Schaltungsanordnung (1) mit einem inneren Kontaktanschluss (4) auf der Oberfläche, – Bereitstellen der äusseren Kontakteinrichtung (3) mit einem äusseren Kontaktanschluss (5) auf der Oberfläche und – Herstellen der elektrischen Verbindung zwischen innerem und äusserem Kontaktanschluss (4 und 5) dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Herstellen der elektrischen Verbindung eine metallische Schicht (7) auf den inneren Kontaktanschluss (4) oder auf den inneren und den äusseren Kontaktanschluss (4 und 5) abgeschieden wird.
  13. Verfahren zum Herstellen einer Verbindungsanordnung nach Anspruch 2 mit den Schritten – Bereitstellen der Halbleiter-Schaltungsanordnung (1) mit einem inneren Kontaktanschluss (4) auf der Oberfläche, – Bereitstellen der äusseren Kontakteinrichtung (3) mit einem äusseren Kontaktanschluss (5) auf der Oberfläche und – Herstellen der elektrischen Verbindung zwischen innerem und äusserem Kontaktanschluss (4 und 5) dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Herstellen der elektrischen Verbindung eine metallische Schicht (7) auf mindestens einen der mit dem Draht (6) verbundenen Kontaktanschlüsse (4 oder 5) und auf den Draht (6) abgeschieden wird.
  14. Verfahren zum Herstellen einer Verbindungsanordnung nach Anspruch 1 mit den Schritten – Bereitstellen der Halbleiter-Schaltungsanordnung (1) mit einem inneren Kontaktanschluss (4) auf der Oberfläche, – Bereitstellen der äusseren Kontakteinrichtung (3) mit einem äusseren Kontaktanschluss (5) auf der Oberfläche und – Herstellen der elektrischen Verbindung zwischen innerem und äusserem Kontaktanschluss (4 und 5), dadurch gekennzeichnet, dass eine metallische Schicht (7) vor dem Herstellen der elektrischen Verbindung auf den inneren Kontaktanschluss (4) oder auf den inneren und den äusseren Kontaktanschluss (4 und 5) und nach dem Herstellen der elektrischen Verbindung auf mindestens einen der mit dem Draht (6) verbundenen Kontaktanschlüsse (4 oder 5) und auf den Draht (6) abgeschieden wird.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Schicht (7) stromlos abgeschieden wird.
  16. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Schicht (7) mit einem elektrogalvanischen Prozess abgeschieden wird.
  17. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 16, gekennzeichnet durch einen Schritt des Aufbringens einer zusätzlichen Schicht (8) aus hartem, hochtemperaturfestem Kunststoff auf die metallischen Schicht (7) über dem mit einem Draht (6) verbundenen inneren Kontaktanschluss (4) auf der Oberfläche der Halbleiter-Schaltungsanordnung (1).
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