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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements
in Halbleiterchipgröße mit einem
Halbleiterchip. Ein Beispiel bezieht sich auf Leistungshalbleiterbauelemente,
die oberflächenmontierbare
Außenkontakte
aufweisen und eine Rückseitenelektrode
besitzen, welche mit den oberflächenmontierbaren
Außenkontakten
zu verbinden ist.
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Ein
derartiges Leistungshalbleiterbauelement ist aus der Druckschrift
WO 01/78144 A1 bekannt.
Die anliegende
17 zeigt einen schematischen
Querschnitt durch ein derartiges Leistungshalbleiterbauelement
31 mit
Durchkontakten
32, die durch einen Siliziumchip
3 zur
Rückseite
7 des
Siliziumchips
3 eingebracht sind, um eine Drainelektrode D
als Rückseitenelektrode
13 mit
mehreren oberflächenmontierbaren
Außenkontakten
9 auf
der Oberseite
8 des Leistungshalbleiterbauelements
31 in Halbleiterchipgröße zu verbinden.
Dabei bilden die Durchkontakte
32 Verbindungselemente
12,
die sich zu Außenkontaktflächen
33 auf
der Oberseite
8 des Halbleiterchips
3 erweitern
und mit Beschichtungen
34 versehen sind, auf denen Lotkugeln
35 als
oberflächenmontierbare
Außenkontakte
9 aufgelötet sind, die
gemeinsam einen oberflächenmontierbaren
Drainanschluss D bilden. Eine großflächige Leistungselektrode
18 für den Sourceanschluss
S des Leistungshalbleiterbauelements
31 ist mit mehreren
weiteren Lotkugeln
35 als Außenkontakte
9 ausgestattet.
Die hohe Strombelastung zwischen Source- und Drainanschluss wird
somit auf mehrere Lotkugeln
35 verteilt.
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Die
Drainelektrode D auf der Rückseite 7 ist darüber hinaus
durch ein isolierendes Rückseitensubstrat 36 vor
Beschädigungen
geschützt,
während die
Randseiten 5 und 6 des Halbleiterchips 3 weder einen
Schutz noch eine Beschichtung aufweisen und somit nachteilig mechanischen
Beschädigungen ausgesetzt
sind.
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Ein
weiterer Nachteil dieses Leistungshalbleiterbauelements 31 ist
es, dass ein erheblicher Volumenanteil des Siliziumchips 3 durch
das Einbringen der Durchkontakte 32 dem nutzbaren Halbleitervolumen
des Siliziumchips 3 verloren geht. Ferner wird die Strombelastbarkeit
des Siliziumleistungshalbleiterbauelements 31 durch die
begrenzte Anzahl an möglichen
Durchkontakten 32 durch den Halbleiterchip 3 deutlich
begrenzt. Schließlich
ist ein weiterer Nachteil die komplexe und kostenintensive Fertigung eines
derartigen Leistungshalbleiterbauteils 31 mit Verbindungselementen 12 in
Form von Durchkontakten 32 durch den Halbleiterchip 3.
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Aus
der Druckschrift
US
6,858,799 B2 ist das in der anliegenden
16 abgebildete
Halbleiterbauteil
27 bekannt. Dieses Halbleiterbauteil
27 der
16 unterscheidet
sich von dem Leistungshalbleiterbauelement
31 der
17 dadurch,
dass das Halbleiterbauteil
27 der
16 in
Halbleiterchipgröße durch
eine Kunststoffummantelung
37 auf der Rückseite
7 und den
Randseiten
5 und
6 vor mechanischer Beschädigung geschützt ist.
Die Oberseite
8 trägt
eine aktive integrierte Schaltung, die über oberflächenmontierbare Außenkontakte
9 in
Form von Lotkugeln
35 mit einer übergeordneten Schaltungsplatine
durch Auflöten
verbunden werden kann. Ein Verbindungselement wie es aus der Druckschrift
WO 01/78144 A1 bekannt
ist, ist jedoch für
dieses Halbleiterbauelement
27, das in
16 abgebildet
ist, nicht vorgesehen. Somit ist eine Verbindung der Rückseite
7 mit
den oberflächenmontierbaren
Außenkontakten
9 auf
der Oberseite
8 bei diesem Halbleiterbauelement
27 in
Halbleiterchipgröße nachteilig nicht
möglich.
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Aus
der
US 2005/0104165
A1 ist ein Halbleiterbauteil mit oberflächenmontierbaren Außenkontakten
bekannt, dessen Halbleiterchip eine metallische Umhüllung aufweist.
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Weitere
Halbleiterelemente mit metallischen Umhüllungen sind aus den Patentschriften
US 2001/0016369 A1 ,
DE 103 51 028 A1 ,
US 2002/0038890 A1 und
DE 103 32 009 A1 bekannt.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements
aus einem Halbleiterchip vorzusehen, das eine multifunktionale Ummantelung
aufweist, die einerseits kostengünstig
herstellbar ist und andererseits unterschiedlichste Einsatzmöglichkeiten
für das
Halbleiterbauelement eröffnet.
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Gelöst wird
diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäß der Anspruch 1 mit den nachfolgenden Verfahrensschritten:
Zunächst
wird ein Halbleiterwafer mit Halbleiterbauteilstrukturen unter Einbringen von
Trennfugen nach Fixieren des Halbleiterwafers auf einem ersten Träger strukturiert.
Anschließend wird
auf die Oberseite des Halbleiterwafers eine Lackschutzschichtstruktur
in Bereichen aufgebracht, die vor einem Abscheiden einer metallischen
Umhüllung
und metallischen Außenkontakten
zu schützen sind.
Danach kann ein Abscheiden einer metallischen Umhüllung und
von metallischen Außenkontakten
auf dem Halbleiterwafer erfolgen, so dass mindestens die Seiten
der Trennfugen der metallischen Umhüllung und die Oberseite teilweise
mit der metallischen Umhüllung
und teilweise mit metallischen Außenkontakten beschichtet sind.
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Anschließend wird
die Lackschutzschichtstruktur entfernt und der Halbleiterwafer mit seiner
Oberseite auf einem zweiten Träger
fixiert. Außerdem
wird nun der erste Träger
von der Rückseite entfernt,
so dass eine Metallisierung der Rückseite des Halbleiterwafers
unter Vollenden der Umhüllung von
Rückseite,
Randseiten und Bereichen der Oberseiten der Halbleiterbauelemente
des Halbleiterwafers erfolgt. Dazu ist Voraussetzung, dass beim
Einbringen der Trennfugen am Anfang des Verfahrens die Trennfugen
die Halbleiterwafer vollständig
durchtrennen. In dem Fall können
nach dem Metallisieren der Rückseiten
fertig gestellte einzelne Halbleiterbauelemente von dem zweiten
Träger
abgenommen werden.
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Weitere
Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Bei
einem derart hergestellten Halbleiterbauelement aus einem Halbleiterchip
weist der Halbleiterchip eine metallische Ummantelung auf, welche die
Randseiten und die Rückseite
vollständig
und die Oberseite, auf der oberflächenmontierbare Außenkontakte
angeordnet sind, teilweise bedeckt.
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Dieses
Halbleiterbauelement hat den Vorteil, dass es durch die metallische
Ummantelung, welche die Randseiten und die Rückseite vollständig bedeckt,
vor mechanischen Beschädigungen
geschützt ist.
Während
eine Kunststoffummantelung, wie sie 16 aus
dem Stand der Technik zeigt, bei Schockbeanspruchung teilweise absplittern
kann, wird die metallische Ummantelung lediglich plastisch verformt,
ohne dass das Halbleitermaterial des Halbleiterchips beschädigt wird,
vielmehr wird die einwirkende Kraft durch die metallische Ummantelung
einerseits gedämpft
und andererseits auf eine größere Fläche verteilt.
Somit schützt
die metallische Ummantelung das Halbleiterbauelement in Halbleiterchipgröße besser
als es durch eine Kunststoffummantelung, wie sie aus dem Stand der
Technik bekannt ist, erreicht werden kann.
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Beispielsweise
ist zwischen der metallischen Ummantelung und dem Halbleiterchipmaterial
eine Isolations- und/oder Passivierungsschicht angeordnet. Während reine
Isolationsschichten durch Beschichten des Halbleiterchips auf den
Flächen,
die durch die metallische Ummantelung zu schützen sind, auf einfache Weise
durch Nitrieren oder Oxidieren des Halbleiterkörpers oder durch Beschichten
mit einem Isolationsmaterial wie Polyamid möglich ist, wird von einer Passivierungsschicht
erwartet, dass sie einen pn-Übergang
im Halbleiterbauelement schützt,
indem durch die Passivierungsschicht das Wandern von Ionen aus dem
Isolationsmaterial in Richtung auf den pn-Übergang behindert wird. Dies ist
von besonderer Bedeutung für
Leistungshalbleiterbauelemente in Chipgröße, zumal pn-Übergänge teilweise
bis an die Randseiten 5 und 6 der Halbleiterchips
heranreichen.
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Entsprechend
einem weiteren Beispiel ist die metallische Ummantelung an ein Abschirmpotential angeschlossen.
Ein derartiges Abschirmpotential ist normalerweise das niedrigste
Potential, an welches das Halbleiterbauelement angeschlossen ist.
Durch das Einprägen
eines Abschirmpotentials auf die metallische Ummantelung kann somit
das halbleiterchipgroße
Halbleiterbauelement gegen elektromagnetische Störfelder abgeschirmt werden.
Ferner kann die metallische Ummantelung in vorteilhafter Weise mit
einer Wärmesenke
in Wirkverbindung stehen. Diese Wirkverbindung kann durch Auflöten eines Kühlkörpers auf
die metallische Ummantelung realisiert werden, so dass die thermische
Stabilität
des Halbleiterbauelements verbessert wird.
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Schließlich kann
die metallische Ummantelung als Verbindungselement vorgesehen werden,
indem eine elektrische Verbindung zwischen einer Rückseitenelektrode
des Halbleiterchips mit einem Außenkontakt des Halbleiterchips
auf der Oberseite hergestellt wird. Dieses Verbindungselement in
Form einer metallischen Ummantelung hat gegenüber den Durchkontakten, wie
sie aus der Druckschrift
WO 01/78144
A1 gemäß anliegender
17 mit
dem Leistungshalbleiterbauelement
31 bekannt sind, den Vorteil,
dass der Stromleitungsquerschnitt des Verbindungselements beliebig
vergrößert werden
kann, indem eine dickere Ummantelung auf der Rückseite und auf den Randseiten
sowie auf Bereichen der Oberseite des Halbleiterchips abgeschieden
wird. Ferner kann diese Ummantelung als Verbindungselement mit deutlich
geringeren Kosten hergestellt werden als die Verbindungselemente
in Form von Durchkontakten
12 durch das Halbleitermaterial,
wie es in
17 gezeigt wird.
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Beispielsweise
wird somit ein Leistungshalbleiterbauelement mit großflächigen Leistungselektroden
auf Oberseite und Rückseite
eines Leistungshalbleiterchips und mit einer kleinflächigen Steuerelektrode
auf der Oberseite des Leistungshalbleiterchips geschaffen, wobei
der Leistungshalbleiterchip eine metallische Ummantelung aufweist,
welche die Randseiten und die Rückseite
vollständig
bedeckt. Diese Ummantelung reicht bis zur Oberseite, auf der oberflächenmontierbare
Außenkontakte
für die
großflächigen Leistungselektroden
und die Steuerelektrode angeordnet sind, so dass die Ummantelung
ein elektrisches Verbindungselement zwischen der Leistungselektrode
auf der Rückseite
und einem Außenkontakt
auf der Oberseite des Leistungshalbleiterbauelements bildet.
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Die
Vorteile eines derartigen Leistungshalbleiterbauelements mit metallischer
Ummantelung sind neben der großflächigen Verbindung
zwischen Rückseite
des Leistungshalbleiterbauelements und Oberseite des Leistungshalbleiterbauelements,
dass die metallische Ummantelung zusätzlich als Abschirmung gegen
elektromagnetische Störfelder
eingesetzt werden kann. Ferner ist es von Vorteil, dass zwischen
der metallischen Ummantelung und dem Halbleiterchipmaterial eine
Isolations- und/oder Passivierungsschicht angeordnet ist, wie es
bereits oben erwähnt
wurde. Schließlich
kann die metallische Ummantelung mit einer Wärmesenke in Wirkverbindung stehen,
um die Verlustwärme
des Leistungshalbleiterbauelements wirksam abzuführen.
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Beispielsweise
weist das Leistungshalbleiterbauelement als Leistungselektrode der
Rückseite eine
Drainelektrode eines MOSFET's
auf. Diese Drainelektrode ist über
die metallische Ummantelung mit einem oberflächenmontierbaren Drainaußenkontakt
der Oberseite elektrisch verbunden. Somit sind beide Leistungselektroden
für Drain
und Source sowie die Steuerelektrode für das Gate auf einer Seite, nämlich der
Oberseite des Leistungshalbleiterbauteils in Chipgröße angeordnet
und können
somit auf einer übergeordneten
Schaltungsplatine oberflächenmontiert
werden.
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Ein
weiteres Beispiel sieht vor, dass die Leistungselektrode der Rückseite
eine Kollektorelektrode eines IGBT's ist (Insulated Gate Bipolar Transistor). Diese
Kollektorelektrode des IGBT's
ist über
die metallische Ummantelung mit einem oberflächenmontierbaren Kollektoraußenkontakt
der Oberseite elektrisch verbunden.
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Auch
hier ergibt sich der Vorteil, dass nun sämtliche Elektroden mit Außenkontakten
auf einer einzigen Seite des Leistungshalbleiterbauelements ausgestattet
sind, wobei die Kollektorelektrode und die Emitterelektrode großflächig ausge bildet
sind, während
die Steuerelektrode bzw. die isolierte Gateelektrode kleinflächig vorgesehen
ist.
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Vorzugsweise
weisen die oberflächenmontierbaren
Außenkontakte
Mesastrukturen aus Lotmaterial oder aus Diffusionslotmaterial oder
aus einer Kupferlegierung auf. Derartige Mesastrukturen bilden Außenkontaktflächen, die
sich über
das Niveau der Oberseite des Halbleiterchips herausheben, so dass ein
Auflöten
auf entsprechende Kontaktanschlussflächen bei einer übergeordneten
Schaltungsplatine erleichtert wird. Andererseits ist es auch möglich, dass die
oberflächenmontierbaren
Außenkontakte
des Leistungshalbleiterchips aus einem Metall wie Kupfer, Aluminium,
Gold oder Silber oder Legierungen derselben von Beschichtungen bedeckt
sind, die ein Lotmaterial oder ein Diffusionslotmaterial aufweisen.
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Schließlich ist
es auch möglich,
dass die oberflächenmontierbaren
Außenkontakte
auf Flachleitern stoffschlüssig
montiert sind, wobei die stoffschlüssige Montage über ein
Diffusionslotmaterial oder ein normales Lotmaterial sowie über Leitklebstoffe
erfolgen kann. Mit Hilfe von Flachleitern kann der Zugriff auf die
oberflächenmontierbaren
Außenkontakte
auf der Oberseite des halbleiterchipgroßen Halbleiterbauelements für den Endkunden
erleichtert werden.
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Beispielsweise
ist es vorgesehen, dass das Leistungshalbleiterbauelement einen
von der Rückseite
aus gedünnten
Leistungshalbleiterchip aufweist. Das Dünnen der Leistungshalbleiterchips
kann noch im Zustand des Halbleiterwafers für eine Mehrzahl von Leistungshalbleiterchips
durchgeführt
werden, so dass nach dem Dünnen
durch eine entsprechend mechanisch stabile und dicke Metallabscheidung
eine Ummantelung geschaffen wird, welche dafür sorgt, dass der gedünnte Halbleiterchip
mechanisch ein selbsttragendes Bauelement bildet, das in eine metallische
Ummantelung eingebettet ist. Die Handhabung des gedünnten und
ummantelten Halbleiterchips kann dadurch in der Fertigung erleichtert werden.
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Ein
modifiziertes Verfahren zur Herstellung von mehreren Halbleiterbauelementen
weist die folgenden Verfahrensschritte auf. Zunächst wird ein Halbleiterwafer
mit einer großflächigen Rückseitenelektrode
und mit in Zeilen und Spalten angeordneten Halbleiterchippositionen
mit Halbleiterbauelementstrukturen und dazwischen angeordneten Trennspuren
hergestellt. Dieser Halbleiterwafer wird mit seiner Rückseite
auf einem ersten Träger
fixiert und es werden Trennfugen entlang der Trennspuren eingebracht.
Danach wird eine elektrisch leitende Keimschicht auf den Halbleiterwafer
und den Seitenwänden
der Trennfugen aufgebracht. Anschließend erfolgt wieder ein Aufbringen
einer strukturierten Lackschutzschicht auf die Keimschicht in Bereichen,
die vor einem Abscheiden einer metallischen Umhüllung und einem Abscheiden
metallischer Außenkontakte zu
schützen
sind.
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Dann
erfolgt das Abscheiden einer metallischen Umhüllung und das Abscheiden von
metallischen Außenkontakten
auf der freiliegenden Keimschicht. Dazu wird an die Keimschicht
ein elektrisches Potential angelegt und die metallische Umhüllung mit
den Außenkontakten
galvanisch abgeschieden. Nach der Abscheidung der metallischen Umhüllung und
der metallischen Außenkontakte
auf der Keimschicht wird zunächst
die Lackschutzschichtstruktur und danach die Keimschicht entfernt. Anschließend wird
der Halbleiterwafer mit seiner Oberseite auf einem zweiten Träger fixiert
und der erste Träger
von der Rückseite
entfernt. Schließlich erfolgt
ein Metallisieren der Rückseite
des Halbleiterwafers unter Vollenden der Umhüllung von Rückseiten, Randseiten und Bereichen
der Oberseiten der Halbleiterbauelemente in den Halbleiterchippositionen.
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Danach
kann ein Abnehmen von Halbleiterbauelementen von dem zweiten Träger erfolgen. Auch
in diesem Fall ist es Voraussetzung, dass im ersten Schritt die
Trennfugen den gesamten Halbleiterwafer durchtrennen.
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Ein
weiteres Verfahren zur Herstellung von mehreren Leistungshalbleiterbauelementen
unterscheidet sich von den bisher angegebenen Verfahren dadurch,
dass Leistungshalbleiterbauelemente großflächige Leistungselektroden aufweisen,
die schon bei der Herstellung des Halbleiterwafers mit in Zeilen und
Spalten angeordneten Leistungshalbleiterchippositionen einzubringen
sind. Dazu weist die Oberseite des Halbleiterwafers eine Leistungselektrode und
eine Steuerelektrode in den jeweiligen Leistungshalbleiterchippositionen
auf, während
die Rückseite
die zweite Leistungselektrode bildet. Außerdem verlaufen wie bei den
vorhergehenden Verfahren zwischen den Leistungshalbleiterchippositionen Trennspuren.
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Ein
derartiger Halbleiterwafer wird dann mit seiner Rückseite
auf einem ersten Träger
fixiert und es können
Trennfugen entlang der Trennspuren eingebracht werden. Auch bei
diesen Leistungshalbleiterbauelementen ist es möglich, zunächst eine Keimschicht aufzubringen,
dann eine Lackschutzschichtstruktur auf der Keimschicht vorzusehen
und schließlich
die metallische Umhüllung
und die metallischen Außenkontakte
auf der Keimschicht abzuscheiden. Nach dem Entfernen der Lackschutzschichtstruktur
und der darunter angeordneten Keimschicht kann dann ein Fixieren
des Halbleiterwafers mit seiner Ober seite auf einem zweiten Träger erfolgen
und der erste Träger
entfernt werden.
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Schließlich wird
die Rückseite
des Halbleiterwafers zur Vollendung der Umhüllung von Rückseiten, Randseiten und Bereichen
der Oberseiten der Leistungshalbleiterbauelemente in den Halbleiterchippositionen
metallisiert, so dass anschließend einzelne
Leistungshalbleiterbauelemente von dem zweiten Träger abgenommen
werden können.
Bei allen drei oben angegebenen Verfahrensvarianten besteht der
Vorteil, dass zum Kontaktieren einer Rückseitenelektrode mit oberflächenmontierbaren
Außenkontakten
auf der Oberseite des Halbleiterchips keine Durchgangsöffnungen
und Durchgangslöcher durch
den Halbleiterkörper
des Halbleiterchips geätzt oder
in anderer Weise hergestellt werden müssen. Vielmehr werden die Trennspuren
und die entlang der Trennspuren eingebrachten Trennfugen eingesetzt,
um eine metallische Umhüllung
des Halbleiterchips und damit eine Verbindung zwischen Rückseite und
Oberseite zu schaffen.
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Bei
allen drei Verfahren kann nach dem Einbringen der Trennfugen eine
Isolations- oder Passivierungsschicht auf den Halbleiterwafer und
auf die Seitenwände
der Trennfugen aufgebracht werden, um sicherzustellen, dass das
halbleitende Material, insbesondere die pn-Übergänge im halbleitenden Material
nicht von der metallischen Ummantelung kurzgeschlossen werden.
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In
einer weitern bevorzugten Verfahrensvariante werden die Trennfugen
bei allen drei oben angegebenen Fällen derart eingebracht, dass
sie den Halbleiterwafer nicht schon zu Beginn der Verfahren vollständig durchtrennen,
sondern dass lediglich Trennnuten entstehen. Erst nach dem Aufbringen des
zwei ten Trägers
wird der Halbleiterwafer mit den Trennnuten bis zum Erreichen der
Trennfugen soweit gedünnt,
dass einzelne Halbleiterbauelemente in Halbleiterchipgröße vorliegen.
Danach wird auf die gedünnte
Rückseite
der Halbleiterbauelemente eine Metallisierung aufgebracht um die
Umhüllung
zu vollenden und die Stabilität
der Halbleiterbauteile in Halbleiterchipgröße zu gewährleisten. Mit dieser Verfahrensvariante
können äußerst dünne Halbleiterbauelemente
mit einer stabilen metallischen Ummantelung hergestellt werden.
Für Leistungshalbleiterbauelemente
ergibt sich mit dieser Verfahrensvariante der Vorteil, dass der
Substratwiderstand minimiert und damit der Einschaltwiderstand Ron optimiert werden kann.
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Weiterhin
ist es von Vorteil, zum Abscheiden einer metallischen Umhüllung und
zum Abscheiden von metallischen Außenkontakten eine stromlose chemische
Abscheidung vorzusehen, denn diese kommt ohne die oben erwähnte Keimschicht
in den beiden letzten Verfahrensvarianten aus. Andererseits ist
es auch möglich,
wenn eine Keimschicht vorhanden ist, eine elektrolytische Metallabscheidung durchzuführen. Zum
Abscheiden einer elektrisch leitenden Keimschicht wird vorzugsweise
ein Sputterverfahren eingesetzt.
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Zum
Entfernen der Lackschutzschichtstruktur kann eine Plasmaveraschung
oder ein Lösungsmittel
verwendet werden. Bei der Plasmaveraschung wird die Lackschutzschicht
in einem oxidierenden Plasma praktisch verbrannt, während bei
einer Entfernung mittels eines Lösungsmittels
die Lackschutzschichtstruktur in dem Lösungsmittel lösbar sein muss.
Zum Entfernen der Keimschicht kann ein Trockenätzverfahren eingesetzt werden,
bei dem durch Ionenbeschuss die Keimschicht zerstäubt wird,
dazu ist keine strukturierende Maske erforderlich, zumal die zu
zerstäubende
Dicke der Keimschicht ein minimaler Bruchteil der abgeschiedenen
Dicke der metallischen Ummantelung und der Außenkontakte aufweist.
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Die
Erfindung wird nun anhand der beigefügten Figuren näher erläutert.
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1 zeigt
eine prinzipielle perspektivische Ansicht eines Leistungshalbleiterbauelements
in Halbleiter chipgröße;
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2 zeigt
eine prinzipielle perspektivische Ansicht eines Leistungshalbleiterbauelements
in Halbleiterchipgröße;
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3 bis 13 zeigen
schematische Querschnitte durch einen Abschnitt eines Halbleiterwafers
im Bereich einer Trennfuge zur Ummantelung der Rückseite, der Randseiten und
teilweise der Oberseite von Halbleiterbauelementen in Halbleiterbauteilpositionen;
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3 zeigt
einen schematischen Querschnitt durch einen Abschnitt eines Halbleiterwafers mit
eingebrachter Trennfuge in Form einer Trennnut;
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4 zeigt
einen schematischen Querschnitt durch den Abschnitt des Halbleiterwafers
gemäß 3 nach
Aufbringen einer Isolations- und Passivierungsschicht;
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5 zeigt
einen schematischen Querschnitt durch den Abschnitt des Halbleiterwafers
gemäß 4 nach
Strukturieren der Isolations- und Passivierungsschicht;
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6 zeigt
einen schematischen Querschnitt durch den Abschnitt des Halbleiterwafers
gemäß 5 nach
Aufbringen einer elektrisch leitenden Keimschicht;
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7 zeigt
einen schematischen Querschnitt durch den Abschnitt des Halbleiterwafers
gemäß 6 nach
Aufbringen einer strukturierten Lackschutzschicht;
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8 zeigt
einen schematischen Querschnitt durch den Abschnitt des Halbleiterwafers
gemäß 7 nach
Abscheiden einer metallischen Ummantelung und oberflächenmontierbaren
Außenkontakten;
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9 zeigt
einen schematischen Querschnitt durch den Abschnitt des Halbleiterwafers
gemäß 8 nach
Entfernender Lackschutzschichtstruktur;
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10 zeigt
einen schematischen Querschnitt durch den Abschnitt des Halbleiterwafers
gemäß 9 nach
Entfernen der elektrisch leitenden Keimschicht;
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11 zeigt
einen schematischen Querschnitt durch den Abschnitt des Halbleiterwafers
gemäß 10 nach
Dünnen
des Halbleiterwafers;
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12 zeigt
einen schematischen Querschnitt durch den Abschnitt des gedünnten Halbleiterwafers
gemäß 11 nach
Metallisieren der Rückseite
des Halbleiterwafers;
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13 zeigt
einen schematischen Querschnitt durch den Abschnitt des gedünnten Halbleiterwafers
gemäß 12 nach
Auftrennen der Rückseitenmetallisierung
und damit des Halbleiterwafers in einzelne Halbleiterbauelemente
in Halbleiterchipgröße;
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14 zeigt
eine schematische Draufsicht auf die Oberseite eines Abschnitts
eines Halbleiterwafers;
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15 zeigt
einen schematischen Querschnitt durch den Abschnitt des Halbleiterwafers
gemäß 14 vor
einem Auftrennen des Halbleiterwafers in einzelne Halbleiterbauelemente;
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16 zeigt
eine perspektivische Ansicht eines Halbleiterbauelements in Halbleiterchipgröße gemäß dem Stand
der Technik mit einer Kunststoffummantelung;
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17 zeigt
einen schematischen Querschnitt durch ein Leistungshalbleiterbauelement
mit Durchkontakten durch den Leistungshalbleiterchip zur Verbindung
der Rückseitenelektrode
mit oberflächenmontierbaren
Außenkontakten
auf der Oberseite des Leistungshalbleiterbauelements.
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1 zeigt
eine prinzipielle perspektivische Ansicht eines Leistungshalbleiterbauelements 1 in Halbleiterchipgröße. Das
Leistungshalbleiterbauelement 1 weist einen Halbleiterchip 3 auf,
der auf seiner Rückseite 7 eine
Leistungselektrode 14 als Rückseitenelektrode 13 aufweist,
die in dieser Ausführungsform
der Erfindung der Drainanschluss D eines MOSFET-Bauelements ist.
Diese Rückseitenelektrode 13 ist über eine
Ummantelung 4, welche die Rückseite 7, die Randseiten 5 und 6 sowie
teilweise die Oberseite 8 des Halbleiterchips 3 bedeckt,
mit einem der Außenkontakte 9 auf
der Oberseite 8 des Halbleiterchips 3 als Oberseitenleistungselektrode 18 verbunden.
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Damit
ist die Rückseitenelektrode 13 nun
von der Oberseite 3 des Leistungshalbleiterbauelements 1 aus
kontaktierbar. In dieser ersten Ausführungsform der Erfindung umgibt
die Leistungselektrode 18 in Form der Ummantelung 4 den
Halbleiterchip 3 in seinen Randbereichen. Im Zentrum der
Oberseite 8 des Halbleiterchips 3 ist darüber hinaus
eine weitere Oberseitenleistungselektrode 18 angeordnet,
die den Sourceanschluss S eines MOSFET-Leistungsbauelements darstellt.
Eine kleinflächige
Steuerelektrode 19 bildet schließlich den Gateanschluss G dieses MOSFET-Leistungsbauelements.
Somit sind von der Oberseite 8 aus mit Hilfe der drei oberflächenmontierbaren
Außenkontakte 9 alle
Elektroden des Leistungshalbleiterchips 3 erreichbar und
anschließbar.
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Durch
die allseitige Ummantelung 4 der Randbereiche des Halbleiterchips 3 kann
der Drainanschluss D zusätzlich
als Abschirmung des Halbleiterchips 3 gegen elektromagnetische
Streufelder dienen. Um sicherzustellen, dass durch die Ummantelung 4 insbesondere
auf den Randseiten 5 und 6 keine pn-Übergänge kurzgeschlossen werden,
ist eine Isolierungs- und Passivierungsschicht 11 zwischen der
Ummantelung 4 und dem Halbleitermaterial 10 im Bereich
der Randseiten 5 und 6 sowie der Oberseite 8 des
Halbleiterchips 3 angeordnet. Die Ummantelung 4 dient
somit in dieser Ausführungsform
der Erfindung als Verbindungselement 12 zwischen Rückseite 7 und
Oberseite 8 des Halbleiterchips 3 und bildet praktisch
ein metallisches Gehäuse
des Halbleiterbauelements 1 in Halbleiterchipgröße.
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2 zeigt
eine prinzipielle perspektivische Ansicht eines Leistungshalbleiterbauelements 2 in Halbleiterchipgröße.
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Komponenten
mit gleichen Funktionen wie in 1 werden
mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und nicht extra erörtert. Der
Unterschied zu 1 liegt darin, dass in der zweiten
Ausführungsform
die Ummantelung 4 lediglich als Verbindungselement 12 zu
einer Leistungselektrode 18 als oberflächenmontierbarer Außenkontakt 9 auf
der Oberseite 8 des Halbleiterchips 3 eingesetzt
wird. Dementsprechend wird die Ummantelung 4 nur im Bereich
des oberflächenmontierbaren
Außenkontakts 9 für den Drainanschluss
D auf die Oberseite 8 geführt, während die übrigen Bereiche der Ummantelung 4 lediglich
die Randseiten 5 und 6 und die in dieser perspektivischen
Darstellung nicht sichtbaren weiteren Randbereiche des Halbleiterchips 3 bedecken.
Wird ein Halbleiterchip 3 eingesetzt, der eine IGBT-Struktur aufweist,
so bilden die großflächigen Leistungselektroden 14 und 18 einen
Emitteranschluss E und einen Kollektoranschluss K anstelle von Source
S bzw. Drain D aus.
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Die 3 bis 13 zeigen
schematische Querschnitte durch einen Abschnitt eines Halbleiterwafers 20 im
Bereich einer Trennfuge 21 einer Trennspur 26 mit
Ummantelung 4 für
die Rückseite 7,
die Randseiten 5 und 6 und teilweise für die Oberseite 8 von
Halbleiterbauelementen in Halbleiterbauteilpositionen 25 des
Halbleiterwafers 20.
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3 zeigt
einen schematischen Querschnitt durch einen Abschnitt eines Halbleiterwafers 20 mit
eingebrachter Trennfuge 21 in Form einer Trennnut, die
den Halbleiterwafer 20 nicht vollständig durchtrennt, sondern lediglich
den aktiven Bereich eines Leistungshalbleiterbauelements entlang
der Trennspuren 26 des Halbleiterwafers 20 auftrennt. Beim
Einbringen der Trennfuge 21 bilden sich die Seitenwände 29 und 30 der
Trennfuge aus, die im weiteren Verfahren die Randseiten 5 und 6 der
Leistungshalbleiterchips der Leistungshalbleiterbauelemente bilden.
Die Oberseite 8 des Halbleiterwafers 20 ist von
einer mehrschichtigen Oberseitenstruktur 38 auf dem Halbleiterchipmaterial 10 bedeckt,
die hier beispielhaft einen Teil einer Leistungselektrode 18 sowie
eine Steuerelektrode 19 aufweist.
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4 zeigt
einen schematischen Querschnitt durch den Abschnitt des Halbleiterwafers 20 gemäß 3 nach
Aufbringen einer Isolations- und Passivierungsschicht 11.
Diese Isolations- und Passivierungsschicht kann auf den gesamten
Halbleiterwafer 20 mit seinen Halbleiterbauteilpositionen 25 ohne
Maskierung aufgebracht werden und die Seitenwände 29 und 30 der
Trennfugen 21 sowie den Bodenbereich vollständig bedecken.
Ein derartiges Aufbringen einer Isolationsschicht erfolgt vorzugsweise
durch chemische Abscheidung aus der Gasphase oder durch einen Sputterprozess.
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5 zeigt
einen schematischen Querschnitt durch den Abschnitt des Halbleiterwafers 20 gemäß 4 nach
Strukturieren der Isolations- und Passivierungsschicht 11.
Dieses Strukturieren kann mittels eines photolithographischen Prozesses
erfolgen, bei dem zunächst
die Oberseiten durch eine Isolations- und Passivierungsschicht 11 vor
einem Ätzangriff
durch eine Photolackstruktur geschützt werden, während Bereiche,
in denen die Elektroden 18 und 19 freizulegen
sind, frei geätzt
werden. Nach dieser Strukturierung und Freilegung der Elektroden 18 und 19 folgt
nun die Abscheidung einer Keimschicht.
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6 zeigt
einen schematischen Querschnitt durch den Abschnitt des Halbleiterwafers 20 gemäß 5 nach
Aufbringen einer elektrisch leitenden Keimschicht 28. Diese
elektrisch leitende Keimschicht 28 kann aufgesputtert werden
und aus einem hochdotierten Polysilizium und/oder Graphit und/oder
einem Metall bestehen. Diese Keimschicht 28 wird wiederum
auf den gesamten Halbleiterwafer 20 gleichzeitig für alle Halbleiterbauelementpositionen 25 aufgebracht
und zunächst
nicht strukturiert, da sie dazu dient, an die Oberseite 8 des
Halbleiterwafers 20 ein elektrisches Potential anzulegen.
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7 zeigt
einen schematischen Querschnitt durch den Abschnitt des Halbleiterwafers 20 gemäß 6 nach
Aufbringen einer strukturierten Lackschutzschicht 22. Die
Strukturierung dieser Lackschutzschicht 22 kann wiederum
durch einen photolithographischen Schritt erfolgen, wobei die Bereiche
der Oberseite des Halbleiterwafers 20 vor einem Abscheiden
einer metallischen Schicht geschützt
werden, die nicht mit Metall beschichtet werden sollen. Die Keimschicht 28 verbleibt
jedoch unterhalb der Lackschutzschicht 22, um einen durchgehenden
elektrischen Anschluss auf der Oberseite des Halbleiterwafers 20 zu
gewährleisten.
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8 zeigt
einen schematischen Querschnitt durch den Abschnitt des Halbleiterwafers 20 gemäß 7 nach
Abscheiden einer metallischen Ummantelung 4 und oberflächenmontierbaren
Außenkontakten 9.
Die metallische Ummantelung 4 insbesondere der Randseiten 5 und 6 des
Halbleiterchips ist im Bereich der Trennfugen 21 deutlich
zu sehen. Es ist jedoch auch möglich,
dass die Trennfugen 21 beim Abscheiden der Ummantelung 4 vollständig zuwachsen.
Um eine derartige Schicht aus Metall für Außenkontakte 9 und
Ummantelung 4 aufzuwachsen wird vorzugsweise ein isotropes
Aufwachsen beispielsweise in einem galvanischen oder elektrolytischen
Bad gewählt,
bei dem die Keimschicht 28 auf ein entsprechendes elektrisches
Potential gelegt wird, an dem sich die Metallionen der Ummantelung 4 und
der oberflächenmontierbaren
Außenkontakte 9 abscheiden.
Während
der Gateanschluss G mit einer kleinflächigen Steuerelektrode 19 durch
die strukturierte Lackschutzschicht 22 begrenzt wird, bildet
die abgeschiedene Metallschicht für die Leistungselektrode 18 eine
großflächige Struktur,
die eine Vielzahl von einzelnen Sourceelektroden S in der Oberseitenstruktur 38 des
Halbleiterwafers 20 zusammenschließt.
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9 zeigt
einen schematischen Querschnitt durch den Abschnitt des Halbleiterwafers 20 gemäß 8 nach
Entfernen der Lackschutzschichtstruktur. Mit dem Entfernen der Lackschutzschichtstruktur
wird die elektrisch leitende Keimschicht 28 freigelegt
und kann nun mit einem weiteren Trockenätzverfahren oder Nassätzverfahren
entfernt werden. Da die Keimschicht 28 eine geringe Dicke
aufweist, kann die Keimschicht 28 entfernt werden, ohne
dass zusätzlich
eine Ätzmaske
aufgebracht wird, zumal die Dicke der Außenkontakte 9 für Source
S, Drain D und Gate G lediglich um die geringe Dicke der Keimschicht 28 bei
diesem Abtragen der Keimschicht 28 minimiert wird.
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10 zeigt
einen schematischen Querschnitt durch den Abschnitt des Halbleiterwafers 20 gemäß 9 nach
Entfernen der elektrisch leitenden Keimschicht. Durch das Wegätzen der
Keimschicht wird der Kurzschluss, der ursprünglich von der Keimschicht 28 für die galvanische
Abscheidung vorgesehen war, aufgehoben, so dass die einzelnen oberflächenmontierbaren
Außenkontakte 9 nun
elektrisch nicht mehr kurzgeschlossen sind.
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11 zeigt
einen schematischen Querschnitt durch den Abschnitt des Halbleiterwafers 20 gemäß 10 nach
Dünnen
des Halbleiterwafers 20. Durch das Dünnen des Halbleiterwa fers 20 von seiner
Rückseite
her entsteht eine Rückseite 17,
welche für
den gesamten Halbleiterwafer 20 nicht mehr zusammenhängt. Deshalb
wird noch vor dem Dünnen
der Rückseite 7 des
Halbleiterwafers zu einer gedünnten
Rückseite 17 ein
entsprechender Träger
auf die fertig gestellten Außenkontakte 9 aufgebracht und
derart fixiert, dass die bei dem so genannten CMP-Verfahren (Chemomechanischem
Polieren) auftretenden Kräfte
den Halbleiterwafer 20 nicht in einzelne Halbleiterbauteile
auseinander fallen lassen.
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12 zeigt
einen schematischen Querschnitt durch den Abschnitt des gedünnten Halbleiterwafers 20 mit
seiner neuen Rückseite 17 gemäß 11 nach
Metallisieren der Rückseite 17 des Halbleiterwafers.
Dazu kann vorher oder gleichzeitig eine Rückseitenstruktur in die gedünnte Rückseite 17 eingebracht
werden und/oder Diffusions- und Ionenimplantationsvorgänge durchgeführt werden,
um eine spezielle Rückseitenstruktur
des Halbleiterchipmaterials 10 zu erreichen. Die Metallisierung
kann derart dick aufgebracht werden, dass sie zur Stabilität der Halbleiterbauelemente
beiträgt.
Außerdem wird
durch diese Metallisierung die Ummantelung 4 vervollständigt und
somit ein Verbindungselement 12 zwischen der Rückseite 17 und
der auf der Oberseite 8 angeordneten Oberseitenstruktur 38 geschaffen.
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13 zeigt
einen schematischen Querschnitt durch den Abschnitt des gedünnten Halbleiterwafers 20 gemäß 12 nach
Auftrennen der Rückseitenmetallisierung 39 in
Leistungselektroden 14, so dass nun einzelne Halbleiterbauelemente
in Halbleiterchipgröße mit einer
metallischen Ummantelung 4 vorliegen.
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14 zeigt
eine schematische Draufsicht auf die Oberseite 8 eines
Abschnitts eines Halbleiterwafers 20 im Bereich, in dem
sich zwei Trennspuren 26 kreuzen und somit die Anordnung
der Halbleiterchippositionen 25 auf dem Halbleiterwafer 20 in
Zeilen 23 und Spalten 24 zeigen. Die schraffierten
Bereiche zeigen oberflächige
Metallisierungen. Die gestrichelten Linien 40 zeigen die
Randseiten 5, 6, 15 und 16 der
vier Halbleiterchips 3. Die stichpunktierten Linien 41 bilden
die Mittellinie der Trennspuren 26. Die doppelpunktierten
Linien 42 markieren die Grenzen der Sägespuren, die zum Trennen der
Halbleiterbauteile in die mit Metall aufgefüllten Trennfugen 21 eingebracht
werden, um die Halbleiterbauelemente voneinander zu trennen. Die
dreifachpunktierte Linie 43 ist eine Schnittlinie A-A,
um die Lage des Querschnitts durch den Halbleiterwafer 20 der
nachfolgenden Figur zu markierten.
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15 zeigt
einen schematischen Querschnitt durch den Abschnitt des Halbleiterwafers 20 gemäß 14 vor
einem Auftrennen des Halbleiterwafers 20 in einzelne Halbleiterbauelemente.
Dazu wird in den Metallbereich, der die Ummantelung 4 bilden
soll, entlang der Trennfugen 21 eine deutlich schmalere
Auftrennung vorgenommen als beim Einbringen von Trennfugen in den
Halbleiterwafer, so dass eine Ummantelung 4 beim Auftrennen
des Halbleiterwafers 20 für jedes der Halbleiterbauelemente
in Halbleiterchipgröße auf den
Randseiten 5 und 6 entlang der doppelpunktierten
Linien 42 stehen bleibt.
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16 zeigt
eine perspektivische Ansicht eines Halbleiterbauelements 27 gemäß dem Stand
der Technik mit einer Kunststoffummantelung 37, wie es bereits
eingangs beschrieben wurde.
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17 zeigt
einen schematischen Querschnitt durch ein Leistungshalbleiterbauelement 31 mit
Durchkontakten 32 als Verbindungselemente 12 durch
das Halbleiterchipmaterial 10 eines Leistungshalbleiterchips
hindurch zur Verbindung der Rückseitenelektrode 13 mit
oberflächenmontierbaren
Außenkontakten 9,
die auf der Oberseite 8 des Leistungshalbleiterbauelements 31 in
Form von Lotkugeln 35 angeordnet sind.
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- 1
- Halbleiterbauelement
bzw. Leistungshalbleiterbauelement
- 2
- Halbleiterbauelement
bzw. Leistungshalbleiterbauelement
- 3
- Halbleiterchip
bzw. Leistungshalbleiterchip
- 4
- metallische
Ummantelung
- 5
- Randseite
des Halbleiterchips
- 6
- Randseite
des Halbleiterchips
- 7
- Rückseite
des Halbleiterchips bzw. Halbleiterwafers
- 8
- Oberseite
des Halbleiterchips bzw. Halbleiterwafers
- 9
- oberflächenmontierbare
Außenkontakte
- 10
- Halbleiterchipmaterial
- 11
- Isolations-
und/oder Passivierungsschicht
- 12
- Verbindungselement
(aus Ummantelung)
- 13
- Rückseitenelektrode
bzw. Leistungselektrode der Rückseite
- 14
- Leistungselektrode
- 15
- Randseite
des Halbleiterchips
- 16
- Randseite
des Halbleiterchips
- 17
- Rückseite
des gedünnten
Halbleiterchips bzw. Halbleiterwafers
- 18
- Oberseitenleistungselektrode
- 19
- Steuerelektrode
- 20
- Halbleiterwafer
- 21
- Trennfuge
- 22
- Lackschutzschicht
- 23
- Zeile
- 24
- Spalte
- 25
- Halbleiterchipposition
bzw. Leistungshalbleiterchipposition
- 26
- Trennspuren
- 27
- Halbleiterbauelement
(Stand der Technik)
- 28
- Keimschicht
- 29
- Seitenwand
der Trennfuge
- 30
- Seitenwand
der Trennfuge
- 31
- Leistungshalbleiterbauelement
- 32
- Durchkontakt
- 33
- Außenkontaktflächen
- 34
- Beschichtung
- 35
- Lotkugel
- 36
- Substrat
- 37
- Kunststoffummantelung
- 38
- Oberseitenstruktur
- 39
- Rückseitenmetallisierung
- 40
- gestrichelte
Linie
- 41
- strichpunktierte
Linie
- 42
- doppelpunktierte
Linie
- 43
- dreifachpunktierte
Linie
- D
- Drain
- S
- Source
- G
- Gate
- K
- Kollektor
- E
- Emitter