DE102006038875A1 - Herstellungsverfahre für ein elektronisches Bauelement und elektronisches Bauelement - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren für ein elektronisches Bauelement, umfassend mindestens ein auf einem Substrat befestigtes, insbesondere aufgelötetes oder aufgeklebtes Halbleiterelement, insbesondere einen Halbleiterchip (5), mit einem Drahtbond-Kontakt in einer down-set-Anordnung (6) zwischen dem Halbleiterelement und dem Substrat (7). Das Verfahren ist gekennzeichnet durch ein Aufbringen mindestens einer leitfähigen Kontaktschwelle (11) für mindestens ein auf der Kontaktschwelle vorgesehenes Substrat-Pad (6b) mit einem nachfolgenden Ausführen des Drahtbond-Kontaktierens zwischen dem mindestens einen Substrat-Pad auf der mindestens einen Kontaktschwelle und mindestens einem Bond-Pad (6a) auf dem Halbleiterelement.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren für ein elektronisches Bauelement nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein elektronisches Bauelement nach dem Oberbegriff des Anspruchs 9.
  • Für die elektrische Kontaktierung zwischen einem Halbleiterelement, beispielsweise einem Halbleiterchip oder Die, und einem Träger oder Leadframe wird üblicherweise das Drahtbonden in Form eines Ball- oder Wedgebondens angewendet. Dabei kommen häufig Bonddrähte aus Gold zum Einsatz. Bei dieser Methode werden Bondpads auf dem Halbleiterelement mit Pads auf dem Träger elektrisch leitend verbunden.
  • Bei manchen Bonddiagrammen oder Gehäuselayouts wird ein so genanntes „down set bonding" ausgeführt. Dabei erfolgt das Bonden zwischen den jeweiligen Bond-Pads auf dem Halbleiterelement und dem Träger derart, dass beim Träger auf den das Halbleiterelement tragenden Trägerteil gebondet wird. Dieser Teil des Trägers wird auch als Die-Pad bezeichnet. Dies wird in manchen Fällen auch als Ground-Bonding bezeichnet. Der Bondkontakt auf dem Die, der als Bond-Pad bezeichnet wird, befindet sich somit bei dieser Konfiguration über der mechanischen Bindefläche zwischen Halbleiterelement und Träger.
  • 1 zeigt ein aus dem Stand der Technik bekanntes beispielhaftes Bonddiagramm für ein elektronisches Leistungsbauelement mit einem Träger und auf dem Träger befestigten Halbleiterelementen. Der Träger besteht aus einem Kupfermaterial oder einer Kupferlegierung, wobei dessen Oberfläche auf den Die-Pads und auf Golddraht-Bond-Pads mit Silber beschichtet sein kann und auf dessen Oberfläche Einbauplätze für die Halbleiterelemente auf den Die-Pads ausgebildet sind.
  • Das Bonddiagramm enthält zwei verschiedene Arten von Bondkontaktierungen. Die erste Art der Bondkontaktierung verläuft zwischen Leadframe-Pads 1, die auf Lead-Fingern 2 des Leadframes angeordnet sind, über Bonddrähte 3 und 4 zu den Halbleiterelementen 5, die als Halbleiterchips ausgebildet sind.
  • Als zweite Art der Bondkontaktierungen sind im Bonddiagramm zwei Bondkontaktierungen 6 in einer down-set-Anordnung vorgesehen. Diese down-set-Kontaktierungen befinden sich auf dem Die-Pad des Leadframes des Packages und verbinden den entsprechenden Halbleiterchip 5 unmittelbar mit der Oberfläche des Die-Pads 7, auf dem auch der Halbleiterchip aufgeklebt bzw. aufgelötet ist. Die down-set-Bondkontaktierungen verlaufen von einem Bondpad auf dem jeweiligen Halbleiterelement 5 zu jeweils dafür vorgesehenen Bondstellen auf den Die-Pads 7. Im Gegensatz zu den erwähnten Lead-Fingern 2 befinden sich die Die-Pads 7 in unmittelbarer Nähe der Einbauplätze der Halbleiterelemente.
  • Die von dem Halbleiterelement 5 zum Leadframe des Packages führenden Bonddrähte 3 bestehen aus Aluminium und weisen einen Durchmesser von 50 μm bis 500 μm auf. Die ebenfalls zum Package-Leadframe führenden Bonddrähte 4 sind als Golddrähte mit einem Durchmesser von 12,5 μm bis 75 μm ausgebildet. Der Leadframe des Packages besteht aus Kupfer oder einer Kupferlegierung und ist mit Silber beschichtet. Für die down-set-Bondkontaktierungen werden Gold-Bonddrähte 4 verwendet.
  • Die beiden Halbleiterelemente 5 sind wie aus 2 zu entnehmen ist, auf ihren Einbauplätzen auf dem Leadframe über eine Lötstelle 8 bzw. eine Klebestelle 9 aufgeklebt bzw. aufgelötet. Der auf der Klebestelle aufgebrachte Klebstoff besteht aus einem Epoxidharz oder einem vergleichbaren Material. Das auf der Lötstelle aufgebrachte Lot ist ein für derartige Einsatzzwecke gebräuchliches Weichlot. Die down-set-Bondkontaktierungen 6 befinden sich in unmittelbarer räumlicher Nähe der Klebestelle 9 bzw. der Lötstelle 8. Für eine sichere Bondkontaktierung zwischen dem Goldbonddraht und der Kupferoberfläche des Leadframes ist das Leadframe mit einer Metallisierung 10 versehen, die aus Silber besteht.
  • Das bereits beschriebene Problem bei einer derartigen Leadframe-Kontaktierung bei einer down-set-Anordnung besteht darin, dass beim Bonden entweder Klebstoff aus der Klebestelle 9 oder Lot bzw. Flussmittel von der Lötstelle 8 auf die Metallisierung 10 gelangt und die Metallisierung kontaminiert und die später aufgebrachte Pressmassenverkapselung im Bereich der Silber-Metallisierung delaminiert. Dadurch wird die Qualität des Bondkontaktes am Die-Pad erheblich verschlechtert oder das Ausführen des Drahtbonden sogar unmöglich gemacht. Die Ausschussquote liegt somit bei einem derartigen down-set-Bonden vergleichsweise hoch.
  • Die genannten Probleme können mit den derzeitigen, aus dem Stand der Technik bekannten Mitteln nicht beseitigt werden. Für ein Drahtbonden mit einem Gold-Bonddraht sind jedoch Silber-Metallisierungen des Die-Pads praktisch zwingend erforderlich. Ebenso ist die Kontaminierung der Die-Pads beim Bondvorgang praktisch unausweichlich, weil durch eine ungünstige Führung des flüssigen Lotes oder Klebers zwischen Halbleiterelement und Substrat Lot bis zur Kante des Die-Pads vordringt oder beim Die-Bonden Kleber auf das Die-Pad ausgast, und oft die Miniaturisierung des Bauelementes jedoch eine derartige Nähe erzwingt.
  • Aus den genannten Problemen ergibt sich somit einerseits die Aufgabe, ein Herstellungsverfahren für ein elektronisches Bauelement mit einem auf einem Träger befestigten, insbesondere aufgelöteten oder aufgeklebten, Halbleiterelement mit einer Drahtbond-Kontaktierung zwischen dem Halbleiterelement und dem Träger anzugeben, welches Bauelemente höherer Qualität und/oder eine höhere Ausbeute liefert.
  • Außerdem besteht die Aufgabe, einen Aufbau für ein elektronisches Bauelement anzugeben, das aus einer in einem Gehäuse verkapselten Anordnung aus mindestens einem Halbleiterelement insbesondere einem Halbleiterchip, und mindestens einem Träger mit einer Reihe von zwischen Stellen auf dem Träger nahe eines Halbleiterelementes und Bond-Pads auf dem Halbleiterelement verlaufenden Bonddrähten besteht, das eine erhöhte Qualität aufweist und/oder mit erhöhter Ausbeute hergestellt werden kann.
  • Die Aufgabe wird hinsichtlich ihres Verfahrensaspektes mit einem Herstellungsverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und hinsichtlich ihres Vorrichtungsaspektes durch ein elektronisches Bauelement mit den Merkmalen das Anspruchs 9 gelöst. Die jeweiligen Unteransprüche beinhalten zweckmäßige bzw. vorteilhafte Ausgestaltungen bzw. Ausführungsformen des Herstellungsverfahrens bzw. des elektronischen Bauelementes.
  • Das Herstellungsverfahren zeichnet sich erfindungsgemäß durch folgende Verfahrensschritte aus:
    Als erstes erfolgt ein Aufbringen mindestens einer leitfähigen erhabenen Kontaktschwelle auf den Träger. Diese Kontaktschwelle bildet ein Träger-Pad. Anschließend wird ein Drahtbond-Kontaktieren zwischen dem Substrat-Pad auf der Kontaktschwelle und einem Bond-Pad auf dem Halbleiterelement ausgeführt.
  • Das Bonden des Halbleiterelementes erfolgt somit in zwei Schritten. Zunächst wird auf dem Träger eine gegenüber dem Niveau des Trägers erhabene Kontaktschwelle erzeugt. Diese ragt somit etwas über das Niveau der Bindefläche zwischen Halbleiterelement und Träger heraus und liegt somit nicht mehr unmittelbar im Kontaminierungsbereich des Lotes bzw. Flussmittels oder Klebers, das/der zum Befestigen des Halbleiterelementes eingesetzt wird. Sie nimmt aber im wesentlichen den gleichen Platz ein wie eine konventionelle Kontaktstelle auf dem Die-Pad.
  • Die Kontaktschwelle bildet dabei im Unterschied zu der aus dem Stand der Technik bekannten Metallisierung ein durch ihre Form klar abgegrenztes Konstruktionselement. Damit können teilweise vorhandene Ausflüsse des Lotes überdeckt oder eingegrenzt werden. Die Kontaktschwelle weist auf ihrem Gipfel eine in ihrer Beschaffenheit eindeutig definierte Kontaktierungsfläche auf, die für das nachfolgende Drahtbond-Kontaktieren genutzt wird.
  • Zum Aufbringen der Kontaktschwelle erfolgt ein Absetzen eines Metalls in körperlich definierter Form oder Tropfenform auf dem Träger, in Verbindung mit einem Verschmelzen mit der Trägeroberfläche.
  • Das Absetzen und Verschmelzen des Metalls mit dem Träger kann auf unterschiedliche Weise erfolgen. Bei einer ersten Ausführungsform wird die Metallkörper oder -tropfen durch ein Wedge-Bonden unter Einwirkung eines Ultraschallimpulses auf dem Träger verankert. Bei einer zweiten Ausführungsform erfolgt das Verschmelzen des Metallkörpers oder -tropfens mit dem Träger über einen Lichtbogen oder ein lokales Aufschmelzen durch einen elektrischen Stromfluss. Auch hier können grundlegende Betriebsabläufe eines Bond-Verfahrens insbesondere eines Ball-Bond-Verfahrens angewendet werden.
  • Als besonders zweckmäßig erweist sich der Einsatz von Aluminium oder Aluminiumlegierungen. Diese führen zu keiner später einsetzenden Delamination der Pressmasse. Sie können die aus dem Stand der Technik bekannten Silber-Metallisierungen des Trägers vollständig ersetzen.
  • Das darauf folgende Drahtbond-Kontaktieren zwischen der Kontaktschwelle und dem Bond-Pad auf dem Halbleiterelement kann durch ein Wedge-Bond-Verfahren erfolgen. Alternativ dazu ist auch die Verwendung eines Ball-Bond-Verfahrens möglich.
  • Das elektronische Bauelement umfasst eine in einem Gehäuse verkapselte Anordnung aus einem Halbleiterelement, insbesondere einem Halbleiterchip, einem Träger und eine unmittelbar auf dem Träger aufgebrachte, mit einer Trägeroberfläche fest verbundene und erhabene Kontaktschwelle mit einer Drahtbond- Kontaktierung zwischen der Kontaktschwelle und einem Bond-Pad auf dem Halbleiterelement.
  • Die Kontaktschwelle weist bei einer zweckmäßigen Ausführungsform eine verbreiterte Grundfläche und im Bereich der Kontaktstelle zum Bonddraht eine verjüngte Deckfläche auf. Diese Gestaltung erhöht die mechanische Stabilität der Kontaktschwelle beim nachfolgenden Bondvorgang.
  • Die Kontaktschwelle ist zweckmäßigerweise aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung ausgebildet. Die Trägeroberfläche besteht üblicherweise aus Kupfer oder einer Kupferlegierung.
  • Insbesondere ist der Träger als ein aus Kupfer bestehender Leadframe und die Kontaktschwelle als ein aus Aluminium bestehender Wedge- oder Ball-Bump und die Drahtbond-Kontaktierung mit einem Golddraht ausgebildet. Bei einer derartigen Ausführungsform entfällt die bei herkömmlichen Bond-Kontaktierungen mit einem Golddraht übliche Silber-Metallisierung vollständig.
  • Das Herstellungsverfahren und das elektronische Bauelement sollen nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Zur Verdeutlichung dienen die 1 bis 4. Es werden für gleiche oder gleich wirkende Teile dieselben Bezugszeichen verwendet.
  • Es zeigen:
  • 1 ein Bonddiagramm eines beispielhaften elektronischen Bauelementes mit zwei Halbleiterelementen und zwei Drahtbond-Kontaktierungen in einer down-set-Anordnung nach dem Stand der Technik,
  • 2 eine Darstellung des Trägers des in 1 gezeigten Bauelements mit vorgesehenen Einbauplätzen der Halbleiterelemente und Kontaktstellen für die down-set-Kontaktierungen nach dem Stand der Technik,
  • 3A und 3B eine beispielhafte Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Drahtbond-Kontaktierung,
  • 4 eine Darstellung der erfindungsgemäßen Drahtbond-Kontaktierung nach 3 in Anwendung auf das beispielhafte elektronische Bauelement aus 1.
  • 3A und 3B zeigen eine Prinzipdarstellung einer beispielhaften erfindungsgemäßen Ausführungsform der down-set-Bondkontaktierung. Der Halbleiterbaustein 5 ist wie üblich auf dem Träger 7 verankert, d.h. aufgelötet bzw. aufgeklebt. Der Träger besteht wie bei der konventionellen Ausführungsform aus Kupfer oder einer Kupferlegierung.
  • Im Unterschied zu den konventionellen Ausführungsformen weist der Träger eine Kontaktschwelle 11 auf, die anstelle der üblichen Silber-Metallisierung auf dem Träger unmittelbar aufgebracht und mit dessen Oberfläche fest verbunden (auflegiert) ist. Die Kontaktschwelle besteht aus einem Al-Wedge-Bump, der mittels eines Bond-Wedges unter Anwendung eines üblichen Wedge-Bond-Verfahrens direkt auf der Oberfläche des Trägers abgesetzt wird und dessen Oberfläche ein Leadframe-Bondpad 6b bildet.
  • Wie aus 3B zu erkennen ist, erfolgt das Bonden des Halbleiterelementes 5 so, dass die Leadframe-Bondpads 6b auf der Kontaktschwelle 11 angeordnet sind. Als Bonddraht wird ein Golddraht 12 verwendet.
  • 3B zeigt außerdem, dass sich durch die Kontaktschwelle 11 die Leadframe-Bondpads auf einem höheren Niveau als die Befestigungsfläche zwischen Halbleiterelement und Substrat befinden. Dadurch kann ausfließendes Lot oder ausgasender Klebstoff die Leadframe-Bondpads 6b nicht verunreinigen, weil die Erhabenheit der Kontaktschwelle 11 in einem ausreichenden Abstand von den Substrat-Pads 12 deren kontaminierenden Einfluss stoppt.
  • Durch den Verzicht auf die Silber-Metallisierung erhöht sich die Haftfestigkeit der später aufgebrachten Pressmasse auf dem Träger, wobei die Kontaktschwelle 11 in Form des Al-Wedges die mechanische Verankerung der Pressmasse zusätzlich verbessert. Zudem führt der Fortfall der Silber-Metallisierung zu einer Kostenreduzierung beim Bond-Prozess.
  • 4 zeigt ein entsprechend dem in 3A und 3B gezeigten Prinzip verändertes Bonddiagramm. Der Substrat-Leadframe mit dessen down-set-Bondkontaktierungen zwischen den Halbleiterelementen 5 und dem Substrat 7 weist nunmehr die Kontaktschwellen 11 mit den darauf angeordneten Substrat-Pads 6b auf. Zwischen den Halbleiterelementen und den Kontaktschwellen 11 verlaufen die Gold-Bonddrähte 12.
  • Der Träger ist bei diesem Beispiel als ein aus Kupfer bestehender Leadframe ausgeführt. Die Kontaktschwellen 11 sind in Form von Wedge-Bumps, d.h. kleinen, mittels eines Wedges abgesetzten Höckern oder Erhebungen direkt auf dem Leadframe abgesetzt und ersetzen die sonst übliche Silbermetallisierung.
  • Die Ausführung der Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Beispiele und hervorgehobenen Aspekte beschränkt, sondern im Rahmen der anhängigen Ansprüche in einer Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachgemäßen Handelns liegen.
    • 1
    Leadframe-Pads
    2
    Lead-Finger
    3
    erste Bonddrähte
    4
    zweite Bonddrähte
    5
    Halbleiterelement
    6
    down-set-Bondkontaktierung
    6a
    Halbleiterelement-Bondpad
    6b
    Leadframe-Bondpad
    7
    Träger
    8
    Lötstelle
    9
    Klebestelle
    10
    Ag-Metallisierung
    11
    Kontaktschwelle
    12
    Au-Bonddraht

Claims (13)

  1. Herstellungsverfahren für ein elektronisches Bauelement, umfassend mindestens ein auf einem Träger (7) befestigtes, insbesondere aufgelötetes oder aufgeklebtes, Halbleiterelement, insbesondere einen Halbleiterchip (5), mit einer Drahtbond-Verbindung zwischen dem Halbleiterelement und dem Träger, mit folgenden Schritte: – Aufbringen mindestens einer leitfähigen erhabenen Kontaktschwelle (11) auf den Träger, – Ausführen des Drahtbond-Kontaktierens zwischen der Kontaktschwelle und einem Bond-Pad (6a) auf dem Halbleiterelement.
  2. Herstellungsverfahren nach Anspruch 1, wobei das Aufbringen der leitfähigen Kontaktschwelle (11) durch Absetzen eines Metallkörpers oder -tropfens auf dem Träger (7) in Verbindung mit einem festen Verbinden mit der Trägeroberfläche erfolgt.
  3. Herstellungsverfahren nach Anspruch 2, wobei das Absetzen und Verbinden des Metallkörpers oder -tropfens durch Wedge-Bonden unter Einwirkung eines Ultraschallimpulses erfolgt.
  4. Herstellungsverfahren nach Anspruch 2, wobei das Verbinden des Metallkörpers oder -tropfens durch einen Lichtbogen oder ein lokales Aufschmelzen unter Anlegen eines elektrischen Stromes erfolgt.
  5. Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Metall Aluminium oder eine Aluminiumlegierung ist.
  6. Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Aufbringen der metallischen Kontaktschwelle unmittelbar auf der Trägeroberfläche erfolgt.
  7. Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Drahtbond-Kontaktieren zwischen der Kontaktschwelle (11) und dem Bond-Pad (6a) auf dem Halbleiterelement (5) durch ein Wedge-Bond-Verfahren erfolgt.
  8. Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Drahtbond-Kontaktieren zwischen der Kontaktschwelle (11) und dem Bond-Pad (6a) auf dem Halbleiterelement (5) durch ein Ball-Bond-Verfahren erfolgt.
  9. Elektronisches Bauelement, umfassend eine in einem Gehäuse verkapselte Anordnung mit einem Halbleiterelement (5), insbesondere einem Halbleiterchip, und einem Träger (7), mit einer mit einer Trägeroberfläche fest verbundenen und erhabenen Kontaktschwelle (11) mit einer Drahtbond-Kontaktierung zwischen der Kontaktschwelle und einem Bond-Pad (6a) auf dem Halbleiterelement.
  10. Elektronisches Bauelement nach Anspruch 9, wobei die Kontaktschwelle (11) eine gegenüber einer Grundfläche verjüngte Deckfläche aufweist.
  11. Elektronisches Bauelement nach Anspruch 9 oder 10, wobei die Kontaktschwelle (11) aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung ausgebildet ist.
  12. Elektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei die Trägeroberfläche aus Kupfer oder einer Kupferlegierung ausgebildet ist.
  13. Elektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei der Träger (7) als ein Kupfer aufweisender Leadframe, die Kontaktschwelle (11) als ein aus Aluminium bestehender Wedge- oder Ball-Bump und die Drahtbond-Kontaktierung (6) mit einem Gold-Bonddraht (12) ausgebildet ist.
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