DE102005028951B4 - Anordnung zur elektrischen Verbindung einer Halbleiter-Schaltungsanordnung mit einer äusseren Kontakteinrichtung - Google Patents

Anordnung zur elektrischen Verbindung einer Halbleiter-Schaltungsanordnung mit einer äusseren Kontakteinrichtung Download PDF

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    • H01L2224/48225Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation
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    • H01L2224/48601Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Gold (Au) with a principal constituent of the bonding area being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of less than 400°C
    • H01L2224/48611Tin (Sn) as principal constituent
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    • H01L2224/48505Material at the bonding interface
    • H01L2224/48599Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Gold (Au)
    • H01L2224/486Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Gold (Au) with a principal constituent of the bonding area being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof
    • H01L2224/48638Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Gold (Au) with a principal constituent of the bonding area being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
    • H01L2224/48639Silver (Ag) as principal constituent
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    • H01L2224/47Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
    • H01L2224/48Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of an individual wire connector
    • H01L2224/485Material
    • H01L2224/48505Material at the bonding interface
    • H01L2224/48599Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Gold (Au)
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    • H01L2224/48638Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Gold (Au) with a principal constituent of the bonding area being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
    • H01L2224/48644Gold (Au) as principal constituent
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    • H01L2224/48505Material at the bonding interface
    • H01L2224/48599Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Gold (Au)
    • H01L2224/486Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Gold (Au) with a principal constituent of the bonding area being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof
    • H01L2224/48638Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Gold (Au) with a principal constituent of the bonding area being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
    • H01L2224/48647Copper (Cu) as principal constituent
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    • H01L2224/48505Material at the bonding interface
    • H01L2224/48599Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Gold (Au)
    • H01L2224/486Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Gold (Au) with a principal constituent of the bonding area being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof
    • H01L2224/48638Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Gold (Au) with a principal constituent of the bonding area being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
    • H01L2224/48655Nickel (Ni) as principal constituent
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    • H01L2224/48699Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Aluminium (Al)
    • H01L2224/487Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Aluminium (Al) with a principal constituent of the bonding area being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof
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    • H01L2224/48699Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Aluminium (Al)
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    • H01L2224/485Material
    • H01L2224/48505Material at the bonding interface
    • H01L2224/48699Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Aluminium (Al)
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    • H01L2224/48505Material at the bonding interface
    • H01L2224/48699Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Aluminium (Al)
    • H01L2224/487Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Aluminium (Al) with a principal constituent of the bonding area being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof
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    • H01L2224/48755Nickel (Ni) as principal constituent
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    • H01L2224/485Material
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    • H01L2224/48799Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Copper (Cu)
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    • H01L2224/48839Silver (Ag) as principal constituent
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    • H01L2224/48799Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Copper (Cu)
    • H01L2224/488Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Copper (Cu) with a principal constituent of the bonding area being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof
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    • H01L2224/48799Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Copper (Cu)
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    • H01L2224/48838Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Copper (Cu) with a principal constituent of the bonding area being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
    • H01L2224/48847Copper (Cu) as principal constituent
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    • H01L2224/48838Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Copper (Cu) with a principal constituent of the bonding area being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
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Abstract

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, wobei auf der Oberfläche mindestens des inneren Kontaktanschlusses (4) und auf der Oberfläche des Drahtes (6) eine zusätzliche metallische Schicht (7, 72) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Schicht (7) aus Zn-Keimen (71), einer Ni-Legierungsschicht (72), einer Pd-Schicht (73) und einer Au-Schicht (74) besteht.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine elektrische Verbindungsanordnung zwischen einer Halbleiter-Schaltungsanordnung und einer äusseren Kontakteinrichtung.
  • 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 (Überbonden), 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 Bond-drahtes 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 B2 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 GB 2 362 510 A ist eine elektrische Verbindung mittels eines Au- oder Al-bond-Drahtes zwischen einem Halbleiter-Chip und einer äußeren Kontakteinrichtung sowie ein Verfahren zur Herstellung dieser Verbindung beschrieben. Dabei weisen die inneren und äußeren Kontaktanschlüssen aus Cu eine Beschichtung mit Ta auf.
  • In der US 6 564 449 B1 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 Zuverlässigkeit 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.
  • In der JP S54- 149 578 A ist eine elektrische Verbindung zwischen einem Ag-Draht und einem Halbleiter-Chip beschrieben, bei dem der Draht eine Beschichtung mit Ni und der Kontaktanschluss eine Beschichtung mit Ni und PbSn zur Verbesserung der Lötverbindung aufweist.
  • In der JP S64- 48 434 A ist eine elektrische Verbindung mittels eines Al-Bond-Drahtes zwischen einem Halbleiter-Chip und einer äußeren Kontakteinrichtung beschrieben, bei der der Draht und die äußere Kontakteinrichtung eine Beschichtung mit Au aufweisen, um die Ausbildung stabiler intermetallischer Phasen in den Kontakten zu verbessern.
  • In der JP H06- 302 639 A ist eine elektrische Verbindung mittels eines Al-Bond-Drahtes mit einem Durchmesser von 550 µm zwischen einem Halbleiter-Chip und einer äußeren Kontakteinrichtung beschrieben.
  • In der JP H11- 37 022 A ist ein Halbleiter-Bauelement mit einem verstärkten Bond-Kontaktanschluss zum Vermeiden von Schäden am Bondkontakt beschrieben. Dabei ist die Dicke des Kontaktanschlussgebietes durch die Erhöhung der Dicke der Kontaktanschluss-Schicht aus Al selbst oder durch das Aufbringen einer zusätzlichen Schicht unter dem Kontaktanschluss vergrößert.
  • In der DE 699 12 565 T2 ist ein Halbleiter-Bauelement mit einem verstärkten Bond-Kontaktanschluss über aktiven Gebieten des Halbleiter-Bauelementes beschrieben. Der verstärkte Kontaktanschluss soll Schädigungen der darunter liegenden Gebiete des Halbleiter-Bauelementes beim Bonden vermeiden. Dazu wird auf dem Bondpad 5 ein zusätzlicher Bump aus Ni, Cu, einer Ni- oder einer Cu-Legierung aufgebracht. Auf diese kann eine weitere Schicht aus Au, Pt oder Ag aufgebracht werden.
  • Ein Einsatz von Cu als Material für den Draht ist aufgrund der guten elektrischen Eigenschaften von Cu in Zukunft vorgesehen. Dies ist schwierig, 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.
  • In der JP S62- 158 338 A ist eine elektrische Verbindung mittels eines Cu-Bond-Drahtes zwischen einem Halbleiter-Chip und einer äußeren Kontakteinrichtung beschrieben. Dabei weisen sowohl der Draht als auch die inneren und äußeren Kontaktanschlüsse eine Beschichtung mit einem Lötzinn auf.
  • In der JP H02- 94 452 A ist eine elektrische Verbindung zwischen einem Cu-Bond-Draht und einem Halbleiter-Chip sowie ein Verfahren zur Herstellung dieser Verbindung beschrieben. Dabei weist der Kontaktanschluss eine Beschichtung mit Au auf.
  • Weiterhin wird in der JP H04- 322 435 A und in der JP S62-219 628 A eine elektrische Verbindng mittels eines Bond-Drahtes zwischen einem Halbleiter-Chip und einer äußeren Kontakteinrichtung beschrieben. Dabei befindet sich eine zusätzliche metallische bzw. antioxidative Schicht auf der hergestellten Verbindung.
  • Aus der JP S55- 78 536 A ist eine Halbleitervorrichtung bekannt, bei der ein mit Gold beschichteter Draht aus Kupfer oder Aluminium zwischen einem inneren Kontaktanschluss einer Halbleiter-Schaltungsanordnung und einem äußeren Kontaktanschluss gelegen ist.
  • Weiterhin beschreibt die JP S63- 300 522 A einen elektrischen Verbindungsdraht aus Kupfer, Nickel oder Silber, der mit Lot beschichtet ist.
  • Aus der US 2004 / 0 217 488 A1 ist eine bandförmige Verbindungsanordnung bekannt, bei der ein Band zwischen zwei Kontaktanschlüssen aus Kupfer, Gold oder Silber besteht.
  • Die JP 2002- 222 826 A beschreibt eine Halbleitervorrichtung bei der ein Bonddraht aus Aluminium einen Durchmesser von 300 µm oder mehr hat.
  • Weiterhin sind Bonddrähte auch noch aus der US 2003 / 0 173 659 A1 und der US 2003 / 0 102 563 A1 bekannt.
  • Schließlich ist aus der US 5 917 707 A eine Halbleiteranordnung bekannt, die mit einer äußeren Kontakteinrichtung durch eine elektrische Verbindung aus einem elektrisch leitenden Draht verbunden ist. Diese Halbleiteranordnung hat einen inneren Kontaktanschluss, an den der Draht angeschlossen ist. Auf der Oberfläche der äußeren Kontakteinrichtung ist ein äußerer Kontaktanschluss vorgesehen, der zur Kontaktgabe für den Draht dient.
  • Weiterhin ist auf der Oberfläche des inneren Kontaktanschlusses, der Oberfläche des Drahtes und der Oberfläche des äußeren Kontaktanschlusses eine zusätzliche metallische Schicht vorgesehen. Für diese zusätzliche metallische Schicht können unter anderem auch Nickel oder Kupfer gewählt werden. Schließlich ist auch noch eine Polymer-Schutzschicht für den inneren Kontaktanschluss erwähnt.
  • 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.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die in Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ergibt sich aus dem Unteranspruch.
  • Bei einer Verbindungsanordnung 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 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, die aus Zn-Keimen, einer Ni-Legierungsschicht, einer Pd-Schicht und einer Au-Schicht besteht, 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 mittels eines Drahtes, stabilisiert die elektrische Verbindung mechanisch und macht sie gegen chemische Prozesse resistent.
  • Vorteile der 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. 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. Die metallische Schicht weist eine weitere Schicht auf, die Pd und 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 und 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 Angriff von Moldcompound-Materialien durch das Aufbringen eines harten, hochtemperaturfesten Kunststoffes auf den Bondkontakt erfolgen.
  • Die metallische Schicht wird 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.
  • Die metallische Schicht wird 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 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 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 bevorzugt Al- und Au-Drähte und auch Cu-Drähte verwandt werden. Es sind aber auch andere Materialien möglich. Der Draht 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 wird eine Passivierungsschicht, die Pd und Au umfasst, auf der metallischen Schicht abgeschieden.
  • 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 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, wobei die 2A und 2C jeweils Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung und die 2B und 2D jeweils erläuternde Beispiele zeigen,
    • 3A bis 3D schematische Darstellungen eines Verfahrens zum Herstellen der Halbleiteranordnung in Flussdiagrammen, wobei die 3B und 3D jeweils erläuternde Beispiele zeigen, und
    • 4 eine 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 weist 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 2A, die eine erfindungsgemässe Verbindungsanordnung darstellt, 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 aus Zn-Keimen 71, einer Ni-Legierungs-Schicht 72, insbesondere NiP oder NiB, und aus einer Pd-Schicht 73 und einer Au-Schicht 74 (vgl. Einzelheit A in 2A) .
  • In 2B, die ein erläuterndes Beispiel darstellt, ist die metallische Schicht 7 auf dem inneren und dem äusseren Kontaktanschluss 4 und 5 aufgebracht. In einer anderen (nicht dargestellten) Verbindungsanordnung 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 Verbindungsanordnung ist in einem erläuternden Beispiel in 2D gezeigt, wo sich die metallische Schicht 7 auf dem inneren und äusseren Kontaktanschluss 4 und 5 wie in der Verbindungsanordnung 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) Verbindungsanordnung 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:
  1. A Eintauchen in ein Benetzungsbad und Abscheidung von Keimen auf allen freiliegenden Metall-Oberflächen,
  2. B Eintauchen in ein Bad aus einer Ni-Legierung und Abscheidung einer Ni-Legierungs-Schicht, insbesondere NiP oder NiB, und optional
  3. C Eintauchen in ein Pd- und Au-Bad und Abscheidung 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 %. 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. 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 aus einer Pd-Schicht 73 und 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, 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 Ausführungsform eines Verfahrens zum Herstellen einer erfindungsgemässen 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 ein erstes erläuterndes Beispiel eines 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 zweite Ausführungsform eines 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 ein weiteres erläuterndes Beispiel dargestellt, bei dem nach dem Prozessablauf, wie er in dem ersten erläuternden Beispiel beschrieben 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 der erfindungsgemässen Verbindungsanordnung eine zusätzliche metallische Schicht 7 (vgl. 2A).
  • Claims (2)

    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, wobei auf der Oberfläche mindestens des inneren Kontaktanschlusses (4) und auf der Oberfläche des Drahtes (6) eine zusätzliche metallische Schicht (7, 72) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Schicht (7) aus Zn-Keimen (71), einer Ni-Legierungsschicht (72), einer Pd-Schicht (73) und einer Au-Schicht (74) besteht.
    2. Verbindungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Draht (6) aus Al oder Au besteht.
    DE102005028951.7A 2005-06-22 2005-06-22 Anordnung zur elektrischen Verbindung einer Halbleiter-Schaltungsanordnung mit einer äusseren Kontakteinrichtung Active DE102005028951B4 (de)

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