DE102005054268B4 - Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauteils mit mindestens einem Halbleiterchip - Google Patents

Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauteils mit mindestens einem Halbleiterchip Download PDF

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Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauteils (1) mit mindestens einem Halbleiterchip (2), das folgende Schritte umfasst: – Bereitstellen eines Halbleiterchips (2) mit einer aktiven Oberseite (3) mit einer Vielzahl von elektrischen Kontakten; – Bereitstellen eines Montagesubstrats (4) mit einer Vielzahl von elektrischen Kontakten (5); – Aufbringen des Halbleiterchips (2) auf das Montagesubstrat (4) und herstellen von elektrischen Verbindungen zwischen den elektrischen Kontakten auf der aktiven Oberseite (3) des Halbleiterchips (2) und dem Montagesubstrat (4) über Bonddrähte (6); – Abscheiden einer lötbaren Zwischenschicht (7) auf die aktive Oberseite (3) des Halbleiterchips (2) unter Auslassen der elektrischen Kontakte; – Umhüllen des Halbeiterchips (2) und zumindest von Teilen des Montagesubstrats (4) mit einem Kunststoffgehäuse (8), wobei in dem Kunststoffgehäuse (8) eine Öffnung für einen Kühlkörper (9) freigehalten wird; – danach Auflöten eines Kühlkörpers (9) auf die Zwischenschicht (7), wobei der Kühlkörper (9) elektrisch mit dem Halbleiterchip (2) verbunden...

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauteils mit mindestens einem Halbleiterchip, der auf einem Montagesubstrat angeordnet und über Bonddrähte elektrisch mit diesem verbunden ist.
  • Beim Betrieb von Halbleiterbauteilen entstehende Wärme muss ausreichend schnell abgeführt werden, weil es sonst zu einem Versagen des Bauteils kommen kann. Je kleiner und gleichzeitig komplexer Halbleiterbauteile werden, umso größer ist die mit der effektiven Abfuhr von Wärme verbundene Herausforderung.
  • Typischerweise wird ein metallischer Kühlkörper auf den Halbleiterchip aufgeklebt, wobei der Klebstoff mit metallischen Partikeln versetzt sein kann, um eine bessere Wärmeleitung zu ermöglichen. Eine Erhöhung der Wärmeleitung wäre durch ein direktes Auflöten des Kühlkörpers auf den Halbleiterchip erzielbar. Weil jedoch das Material des Halbleiterchips, beispielsweise SiO2, nicht lötbar ist, wurde bisher auf Klebstoffe zurückgegriffen.
  • Aus der US 6 770 513 B1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauteils bekannt, bei der auf die inaktive Rückseite eines Flip-Chips eine lötbare Zwischenschicht aufgebracht wird, auf die anschließend ein metallischer Kühlkörper aufgelötet werden kann. Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass es gegenüber dem Aufbringen eines Kühlkörpers mittels eines Klebstoffes eine wesentlich bessere Wärmeleitung ermöglicht.
  • Es ist jedoch nur bedingt für den Einsatz bei einem Halbleiterchip geeignet, der nicht als Flip-Chip ausgeführt, sondern der mit seiner Rückseite auf einem Montagesubstrat angeordnet und durch Bonddrähte elektrisch mit diesem verbunden ist.
  • Die US 5 625 226 A1 offenbart ein Halbleiterbauteil mit einem auf einem Flachleiterrahmen montierten Halbleiterchip, der durch Bonddrähte kontaktiert wird und auf seiner aktiven Oberseite einen auf diese aufgelöteten, elektrisch und/oder thermisch mit ihr verbundenen Kühlkörper aufweist.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein möglichst einfaches Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauteils, das auf einem Montagesubstrat angeordnet und mit diesem über Bonddrähte verbunden ist, anzugeben, das eine möglichst effektive Wärmeabfuhr gewährleistet.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit dem Gegenstand des unabhängigen Patentanspruchs gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
  • Nach der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauteils mit mindestens einem Halbleiterchip folgende Schritte: Zunächst wird ein Halbleiterchip mit einer aktiven Oberseite bereitgestellt, der auf seiner aktiven Oberseite eine Vielzahl elektrischer Kontakte aufweist. Ferner wird ein Montagesubstrat, beispielsweise ein Umverdrahtungssubstrat oder ein Flachleiterrahmen, mit einer Vielzahl elektrischer Kontakte bereitgestellt.
  • Der Halbleiterchip wird mit seiner passiven Rückseite auf das Montagesubstrat aufgebracht und es werden mittels Bonddrähten elektrische Verbindungen zwischen den Kontakten auf der aktiven Oberseite und den Kontakten auf dem Montagesubstrat hergestellt.
  • Anschließend wird eine lötbare Zwischenschicht auf die aktive Oberseite unter Auslassen der elektrischen Kontakte aufgebracht und ein beispielsweise metallischer Kühlkörper auf die lötbare Zwischenschicht aufgelötet.
  • Vor dem Auflöten des Kühlkörpers wird das Halbleiterbauteil mit einem Kunststoffgehäuse versehen. Dazu werden der Halbleiterchip und die Bonddrähte sowie Teile des Montagesubstrats mit einer Kunststoffgehäusemasse umhüllt. Da der Kühlkörper erst nach dem Umhüllen aufgelötet werden soll, wird für ihn eine Öffnung im Kunststoffgehäuse freigehalten, in die er später eingefügt werden kann.
  • Ein Einbau des Kühlkörpers nach Umhüllen des Halbleiterbauteils mit der Kunststoffmasse hat den Vorteil, dass der Kühlkörper nicht durch die Kunststoffmasse verschmutzt werden kann. Außerdem können Kühlkörper mit ganz verschiedenen Strukturen, insbesondere ganz verschiedenen Oberflächen eingesetzt werden, da ein Abdichten der Kühlkörperoberseite während des Umhüllens nicht notwendig ist.
  • Das erfindungsgemäß hergestellte Halbleiterbauteil mit mindestens einem Halbleiterchip mit einer aktiven Oberseite ist auf einem Montagesubstrat angeordnet, wobei die aktive Oberseite des Halbleiterchips eine Vielzahl von elektrischen Kontakten aufweist, die mit elektrischen Kontakten des Montagesubstrats über Bonddrähte elektrisch verbunden sind. Auf der aktiven Oberseite des Halbleiterchips ist ein Kühlkörper angeordnet. Zwischen der aktiven Oberseite des Halbleiterchips und dem Kühlkörper ist eine lötbare Zwischenschicht angeordnet, mit der der Kühlkörper über eine Lotverbindung verbunden ist.
  • Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass bei einem über Bonddrähte kontaktierten Halbleiterchip der Kühlkörper nicht auf der passiven Rückseite, sondern auf der aktiven Oberseite des Halbleiterchips angeordnet werden sollte. Einerseits ist diese Anordnung im Hinblick auf eine effektive Wärmeabfuhr besser, weil die Wärme gleich dort, wo sie entsteht, nämlich auf der aktiven Oberseite, abgeführt wird und nicht erst den Weg durch ein schlecht wärmeleitendes Substrat nehmen muss.
  • Andererseits stellt diese Anordnung aber auch eine besondere Herausforderung dar, weil bei dem Aufbringen der lötbaren Zwischenschicht und des Kühlkörpers auf die aktive Oberseite Rücksicht auf die dort ebenfalls angeordneten elektrischen Kontakte und auf die Bonddrähte genommen werden muss, die um den Halbleiterchip herum auf das Montagesubstrat geführt werden müssen.
  • Vorteilhafterweise weist daher der Kühlkörper einen oberen Teil mit einer Querschnittsfläche A und einen unteren Teil mit einer Querschnittsfläche a auf, wobei A > a. Der obere Teil, dessen Aufgabe es ist, die auf der aktiven Oberseite des Halbleiterchips entstandene Wärme an die Umgebung abzuführen, hat also eine größere Querschnittsfläche als der untere Teil, dessen Aufgabe es ist, die Wärme von der aktiven Oberfläche in den oberen Teil des Kühlkörpers zu leiten, und der sich mit den elektrischen Kontakten und den Bonddrähten den knappen Platz auf der aktiven Oberseite teilen muss. Damit ist die Form des Kühlkörpers optimal an die an ihn gestellten Anforderungen angepasst.
  • Die lötbare Zwischenschicht kann beispielsweise Nickel, eine Nickel-Palladium-Legierung oder Kupfer enthalten. Diese Materialien liefern eine gut lötbare Oberfläche und bieten gleichzeitig gute Wärmeleitungseigenschaften.
  • Der Kühlkörper ist vorteilhafterweise elektrisch mit dem Halbleiterchip verbunden. Der Halbleiterchip kann dann beispielsweise über den Kühlkörper geerdet werden.
  • Als Montagesubstrat ist vorteilhafterweise ein Umverdrahtungssubstrat vorgesehen. Es ist auch ein Flachleiterrahmen als Montagesubstrat denkbar.
  • Zum Schutz der empfindlichen Komponenten vor Beschädigungen, insbesondere vor Korrosionsschäden, weist das Halbleiterbauteil vorteilhafterweise ein Kunststoffgehäuse auf. Dabei sind beispielsweise der Halbleiterchip, die Bonddrähte sowie Teile des Kühlkörpers und Teile des Montagesubstrates von der Kunststoffgehäusemasse umschlossen.
  • Der obere Teil des Kühlkörpers, der für die Abgabe der Wärme an die Umgebung vorgesehen ist, ragt aus der Kunststoffgehäuse heraus, während der untere Teil von der Kunststoffgehäusemasse umschlossen ist.
  • Bei dieser Anordnung ist einerseits der Platzbedarf für den Kühlkörper auf der aktiven Oberseite des Halbleiterchips so gering wie möglich. Andererseits kann der Kühlkörper auch mit einer großen Fläche zur schnellen Abfuhr der Wärme außerhalb des Kunststoffgehäuses versehen werden, wo ausreichend Platz vorhanden ist.
  • Das erfindungsgemäß hergestellte Halbleiterbauteil hat den Vorteil, dass die Lotverbindung gegenüber einem Klebstoff eine deutlich verbesserte Wärmeleitung ermöglicht, außerdem ist eine elektrische Verbindung von Kühlkörper und Halbleiterchip möglich. Zudem nimmt die Lotverbindung nicht so leicht Feuchtigkeit auf wie eine Klebstoffverbindung. Es kommt also bei dem Bauteil nicht so leicht zu einem korrosionsbedingten Ausfall oder zu einem Aufplatzen des Kunststoffgehäuses bei Erwärmen aufgrund des „Popcorn-Effektes”.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der beigefügten Figuren näher erläutert.
  • 1 zeigt einen auf ein Montagesubstrat aufgebrachten Halbleiterchip mit einer lötbaren Zwischenschicht auf seiner aktiven Oberseite;
  • 2 zeigt den Halbleiterchip nach Umhüllen mit einer Kunststoffgehäusemasse;
  • 3 zeigt einen Halbleiterchip nach Auflöten eines Kühlkörpers in einem nicht die Erfindung zeigenden Beispiel;
  • 4 zeigt das fertige Halbleiterbauteil mit dem Kühlkörper und dem Kunststoffgehäuse.
  • Gleiche Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
  • Das Halbleiterbauteil 1 gemäß 1 umfasst einen Halbleiterchip 2 mit einer aktiven Oberseite 3, der auf einem Montagesubstrat 4 angeordnet ist. Das Montagesubstrat 4 kann beispielsweise ein Umverdrahtungssubstrat oder ein Flachleiterrahmen sein.
  • Der Halbleiterchip 2 weist auf seiner aktiven Oberseite eine Vielzahl von elektrischen Kontakten 10 auf, die mit elektrischen Kontakten 5 auf dem Montagesubstrat über Bonddrähte 6 elektrisch verbunden sind. Dazu ist der Halbleiterchip 2 mit seiner Rückseite auf dem Montagesubstrat 4 angeordnet, so dass Bonddrähte 6 von der aktiven Oberseite 3 zum Montagesubstrat 4 gezogen werden können.
  • Beim Betrieb des Halbleiterbauteils 1 entsteht vor allem auf der aktiven Oberseite 3 des Halbleiterchips 2 Wärme, die abgeführt werden muss, weil es sonst zu einem Versagen des Halbleiterbauteils 1 kommen kann. Da das Halbleitersubstrat, aus dem der Halbleiterchip 2 größtenteils besteht, beispielsweise Silizium, kein besonders guter Wärmeleiter ist, ist es zweckmäßig, die Wärme gleich dort, wo sie entsteht, nämlich an der aktiven Oberseite 3 durch einen Kühlkörper abzuführen.
  • Eine besonders effektive Abfuhr der Wärme erzielt man dadurch, dass der Kühlkörper auf die aktive Oberseite 3 nicht aufgeklebt, sondern aufgelötet wird, da eine Lotverbindung Wärme im Allgemeinen besser leitet als Klebstoffe.
  • Die aktive Oberseite 3 des Halbleiterchips 2 muss vor dem Auflöten eines Kühlkörpers mit einer lötbaren Zwischenschicht 7 versehen werden. Diese wird vor oder nach der Montage des Halbleiterchips 2 auf dem Montagesubstrat 4 auf der aktiven Oberseite 3 abgeschieden. Die lötbare Zwischenschicht 7 muss einerseits gute Hafteigenschaften auf dem Material der aktiven Oberseite 3, das beispielsweise SiO2 sein kann, aufweisen und andererseits eine lötbare Oberfläche zum Auflöten eines Kühlkörpers 9 bereitstellen.
  • Zudem muss die lötbare Zwischenschicht 7 unter Freilassen der elektrischen Kontakte 10 des Halbleiterchips 2 derart auf der aktiven Oberseite 3 aufgebracht sein, dass die Kontaktierung des Halbleiterchips 2 durch Bonddrähte 6 nicht behindert wird. Allerdings sollte für die lötbare Zwischenschicht 7 auch eine möglichst große Fläche auf der aktiven Oberseite 3 des Halbleiterchips 2 zur Verfügung gestellt werden, um eine effektive Abfuhr der Wärme zu gewährleisten.
  • Die lötbare Zwischenschicht 7 wird daher zweckmäßigerweise auf einen Bereich der aktiven Oberseite 3 aufgebracht, der keine elektrischen Kontakte 10 aufweist, beispielsweise auf den Zentralbereich.
  • Das Halbleiterbauteil 2 kann nach dem Aufbringen der lötbaren Zwischenschicht 7 wie in 2 dargestellt mit einem Kunststoffgehäuse 8 umhüllt werden. In einem nicht zur Erfindung gehörenden Beispiel kann auch vor dem Umhülllen zunächst wie in 3 dargestellt der Kühlkörper 9 auf die lötbare Zwischenschicht 7 aufgelötet werden.
  • Der Kühlkörper 9 umfasst einen oberen Teil 11, der typischerweise aus dem Kunststoffgehäuse 8 herausragt, und einen unteren Teil 12, der von dem Kunststoffgehäuse 8 umschlossen ist, wobei der obere Teil 11 eine Breite D aufweist, aus der sich abhängig von der Geometrie des Kühlkörpers 9 die Querschnittsfläche A ergibt. Der untere Teil 12 weist eine Breite d und eine Querschnittsfläche a auf. Die Breiten D und d können gleich, aber auch unterschiedlich sein. Während der obere Teil 11 die Aufgabe hat, Wärme an die Umgebung abzugeben, hat der untere Teil 12 die Aufgabe, die Wärme von der aktiven Oberseite 3 des Halbleiterchips 2 in den oberen Teil 11 zu leiten.
  • Wird das Halbleiterbauteil 1 zuerst mit dem Kunststoffgehäuse 8 umhüllt, so wird zweckmäßigerweise die lötbare Oberfläche 7 oder Teile von ihr beim Umhüllen freigehalten, so dass sich eine Öffnung 13 bildet, in die der Kühlkörper 9 anschließend einfach eingesetzt werden kann. Dabei wird er auf die lötbare Zwischenschicht 7 aufgelötet. Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass der Kühlkörper 9 durch die Kunststoffmasse nicht verschmutzt werden kann.
  • 4 zeigt das Halbleiterbauteil 1 nach dem Auflöten des Kühlkörpers 9 und dem Umhüllen mit dem Kunststoffgehäuse 8. Der Kühlkörper 9 muss verschiedene Anforderungen erfüllen. Er sollte aus einem gut wärmeleitenden Material wie Metall bestehen. Er muss einerseits eine möglichst große Oberfläche aufweisen, um die entstehende Wärme möglichst schnell abführen zu können. Andererseits muss er wegen seiner Anordnung auf der aktiven Oberseite 3 des Halbleiterchips 2, auf der er mit den elektrischen Kontakten 10 und den Bonddrähten 6 um den begrenzten Platz konkurriert, so geformt sein, dass er ein Bonden mittels Bonddrähten 6 überhaupt ermöglicht.
  • In dem in 3 beziehungsweise 4 gezeigten Beispiel beziehungsweise Ausführungsbeispiel ist diesen unterschiedlichen Anforderungen dadurch Rechnung getragen, dass die Breite D des oberen Teils 11 größer ist als die Breite d des unteren Teils 12, so dass der Kühlkörper 9 im unteren Teil 12 eine kleinere Grundfläche aufweist als in im oberen Teil 11, der nach dem Umhüllen des Halbleiterbauteils 1 mit dem Kunststoffgehäuse 8 aus dem Kunststoffgehäuse 8 herausragt und für die Abgabe der Wärme an die Umgebung sorgt.
  • Auf diese Weise können die elektrischen Kontakte 10 problemlos freigelassen und die Bonddrähte 6 an dem Kühlkörper 9 vorbeigeführt werden.

Claims (7)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauteils (1) mit mindestens einem Halbleiterchip (2), das folgende Schritte umfasst: – Bereitstellen eines Halbleiterchips (2) mit einer aktiven Oberseite (3) mit einer Vielzahl von elektrischen Kontakten; – Bereitstellen eines Montagesubstrats (4) mit einer Vielzahl von elektrischen Kontakten (5); – Aufbringen des Halbleiterchips (2) auf das Montagesubstrat (4) und herstellen von elektrischen Verbindungen zwischen den elektrischen Kontakten auf der aktiven Oberseite (3) des Halbleiterchips (2) und dem Montagesubstrat (4) über Bonddrähte (6); – Abscheiden einer lötbaren Zwischenschicht (7) auf die aktive Oberseite (3) des Halbleiterchips (2) unter Auslassen der elektrischen Kontakte; – Umhüllen des Halbeiterchips (2) und zumindest von Teilen des Montagesubstrats (4) mit einem Kunststoffgehäuse (8), wobei in dem Kunststoffgehäuse (8) eine Öffnung für einen Kühlkörper (9) freigehalten wird; – danach Auflöten eines Kühlkörpers (9) auf die Zwischenschicht (7), wobei der Kühlkörper (9) elektrisch mit dem Halbleiterchip (2) verbunden wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für die lötbare Zwischenschicht (7) ein nickelhaltiges Material verwendet wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass für die lötbare Zwischenschicht (7) ein eine Nickel-Palladium-Legierung enthaltendes Material verwendet wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für die lötbare Zwischenschicht (7) ein kupferhaltiges Material verwendet wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Montagesubstrat (4) ein Umverdrahtungssubstrat vorgesehen ist.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Montagesubstrat (4) ein Flachleiterrahmen vorgesehen ist.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (9) einen oberen Teil (11) mit einer Querschnittsfläche A und einen unteren Teil (12) mit einer Querschnittsfläche a aufweist mit A > a.
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