DE102007016061B4 - Modul mit Halbleiterchip und Verfahren - Google Patents

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Abstract

Modul, umfassend:
einen Leistungs-Halbleiterchip (1) mit mindestens einer ersten Anschlusskontaktoberfläche (6) aus Cu und einer zweiten Anschlusskontaktoberfläche (2), wobei der Leistungs-Halbleiterchip (1) einen Transistor umfasst und die erste Anschlusskontaktoberfläche (6) des Leistungs-Halbleiterchips (1) ein Gate-Kontakt des Transistors und die zweite Anschlusskontaktoberfläche (2) des Leistungs-Halbleiterchips (1) ein Drain- oder Source-Kontakt des Transistors ist,
ein erstes Kontaktelement (7), welches ein erster aus einem Cu-basierten Material hergestellter Kontaktdraht ist und an der ersten Anschlusskontaktoberfläche (6) befestigt ist,
ein zweites Kontaktelement (8), welches an der zweiten Anschlusskontaktoberfläche (2) befestigt ist, worin das zweite Kontaktelement (8) aus einem von dem Material des ersten Kontaktelements (7) verschiedenen Material hergestellt ist, und
einen Träger (10), auf welchem der Leistungs-Halbleiterchip (1) montiert ist, wobei der Träger (10) Leitungen (3, 4) umfasst, an welchen das erste Kontaktelement (7) und das zweite Kontaktelement (8) befestigt sind, wobei die Leitungsoberflächen, an welchen das erste Kontaktelement (7) und das zweite Kontaktelement (8) befestigt sind, aus Cu hergestellt sind.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein einen Halbleiterchip umfassendes Modul und spezieller den Aspekt der elektrischen Kontaktierung des Halbleiterchips.
  • Verschiedene Techniken stehen zur Verfügung, einen Halbleiterchip in einem Modul mit externen Anschlüssen des Moduls elektrisch zu verbinden. Beispielsweise sind Clipkontaktierung, Bandkontaktierung oder Drahtkontaktierung in der Technik bekannt. Ferner werden verschiedene Materialien für das Kontaktelement verwendet, darunter Al, Cu oder Au. Die Wahl der Kontaktierungstechnik kann eine signifikante Auswirkung auf die Gesamtherstellungskosten und die Performance des Moduls haben.
  • Die Druckschrift US 5 530 284 A offenbart ein Modul mit einem Halbleiterchip, wobei ein erstes mit einem Chipkontakt in Verbindung stehendes Kontaktelement aus einem kupferbasierten Material und ein zweites mit einem anderen Chipkontakt in Verbindung stehendes Kontaktelement aus einem aluminiumbasierten Material hergestellt sind.
  • Die Druckschrift US 2003/0 209 804 A1 offenbart ein Modul mit einem auf einem Leadframe angebrachten Halbleiterchip, wobei eine Kontaktoberfläche des Leadframes aus Kupfer besteht und an einen Aluminiumdraht gebondet ist.
  • Die Druckschrift US 6 249 041 B1 offenbart ein Modul mit einem auf einem Leadframe angebrachten Halbleiterchip. Clipkontaktelemente aus strukturiertem Metallblech kontaktieren Kontaktoberflächen des Halbleiterchips auf der dem Leadframe abgewandten Seite. Die Kontaktierung erfolgt mittels eines Klebers.
  • Eine der Erfindung zugrundeliegende Aufgabenstellung kann darin gesehen werden, ein kostengünstiges Halbleitermodul mit guten Antikorrosionseigenschaften zu schaffen.
  • Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabenstellung wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weiterbildungen und Ausführungsbeispiele sind den abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.
  • Die Erfindung wird im folgenden anhand von beispielhaften Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Figuren verdeutlicht, in welchen:
  • 1 eine Draufsicht einer Ausführungsform eines Moduls ist;
  • 2 eine Querschnittansicht entlang der in 1 gezeigten Linie A-A ist;
  • 3 eine Draufsicht einer anderen Ausführungsform eines Moduls ist;
  • 4 eine Querschnittansicht entlang der in der 3 gezeigten Linie B-B ist;
  • 5 eine Draufsicht einer weiteren Ausführungsform eines Moduls ist;
  • 6 eine Querschnittansicht entlang der in 5 gezeigten Linie C-C ist;
  • 7 eine Draufsicht des in 3 gezeigten, eine Vergussmasse umfassenden Moduls ist;
  • 8 eine Seitenansicht des in 7 gezeigten Moduls ist;
  • 9 eine Grundfläche des in 7 gezeigten Moduls ist;
  • 10 eine Draufsicht einer nicht erfindungsgemäßen Ausführungsform ist;
  • 11 Darstellungen eines für die Wedge-Drahtkontaktierung verwendeten Kapillar-Werkzeug zeigt;
  • 12 Darstellungen eines für die Ball-Drahtkontaktierung verwendeten Kapillar-Werkzeugs zeigt;
  • 13 ein Ablaufdiagramm zeigt, welches Prozeßschritte für die Herstellung eines Moduls darstellt;
  • 14 eine schematische Darstellung zeigt, welche eine Ausführungsform eines Arbeitsablaufs zur Herstellung von Modulen darstellt; und
  • 15 eine schematische Darstellung zeigt, welche eine weitere Ausführungsform eines Arbeitsablaufs zur Herstellung von Modulen darstellt.
  • Im Folgenden beschriebene Module umfassen mindestens einen Halbleiterchip. Der Halbleiterchip ist erfindungsgemäß ein Leistungshalbleiterchip. Nicht zur Erfindung gehörig ist ein Chip, welcher im Normalleistungs-(d. h. Nichtleistungs-)Betrieb arbeitet, z. B. eine logische integrierte Schaltung oder ein Sensorchip, z. B. ein CCD (charge coupled device) oder zum Beispiel ein MEMS (micro-electronical mechanical structure), wie ein Drucksensor etc.
  • Ein Leistungshalbleiterchip kann einen Leistungsverbrauch haben, welcher einen weiten Bereich umfasst, beginnend bei etwa einem oder mehreren Ampere und etwa fünf oder mehr Volt bis zu mehreren hundert Ampere oder mehreren hundert Volt. Zum Beispiel kann ein Leistungshalbleiterchip ein MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), JFET (Junction Field Effect Transistor), IGBT (Insulated-Gate Bipolar Transistor), BJT (Bipolar Junction Transistor) oder ein Thyristor sein.
  • Der Halbleiterchip kann ein Vertikal-Halbleiterbauelement oder ein Lateral-Halbleiterbauelement sein. Ein Vertikal-Halbleiterbauelement hat eine Oberseite mit einer ersten Kontaktfläche und eine Unterseite mit einer zweiten Kontaktfläche. Der Laststrom fließt in einer vertikalen Richtung zwischen der oberen Kontaktfläche und der unteren Kontaktfläche. Im Gegensatz dazu sind in einem Lateral-Halbleiterbauelement beide Laststromkontaktflächen auf der Oberseite des Halbleiterchips angeordnet.
  • Das Modul kann gehäust sein, d. h. es kann eine Vergussmasse umfassen. Die Vergussmasse kann beispielsweise aus einem thermoplastischen Harz oder einem duroplastischen Kunststoff, beispielsweise Epoxidharz, hergestellt sein. Typischerweise schließt die Vergussmasse den einen oder die mehrere Chips des Moduls ein. Eine Rückseite eines Trägers, auf welchem der Chip oder die Chips montiert sind, kann entweder durch die Vergussmasse umspritzt sein oder kann freiliegend bleiben. Es ist auch möglich, dass der/die Chipträger oder der/die Chip(s) mit einer Wärmesenke verbunden sind, welche wenigstens teilweise von der Vergussmasse unbedeckt bleibt.
  • 1 zeigt ein einen Halbleiterchip 1 umfassendes Modul mit einer Oberfläche 2 und Leitungen 3, 4, welche externe Anschlüsse für die elektrische Verbindung des Halbleiterchips 1 mit einer externen Anordnung, z. B. eine Platine (Leiterplatte) oder eine andere Montageplatte, auf welcher das Modul montiert wird darstellen können. Die obere Oberfläche 2 des Halbleiterchips 1 umfasst zwei leitende Kontaktbereiche 5, 6. Die Kontaktbereiche 5, 6 sind voneinander isoliert.
  • Der Kontaktbereich 6 des Halbleiterchips 1 ist mit einem Stützbereich 4a der Leitung 4 durch einen Kontaktdraht 7 verbunden, welcher auf Cu-Basis hergestellt ist, z. B. aus Cu oder einer Cu-Metalllegierung hergestellt sein kann. Solche Cu-Drähte können mehr als 90 wt% Cu und Beiträge anderer Metallelemente wie Ni, Fe etc. enthalten. Weitere Elemente, wie P, S, können in niedrigen Konzentrationen (üblicherweise kleiner als 1 wt%) hinzugefügt werden, um die physikalischen Eigenschaften des Drahtes zu steuern. Der Kontaktbereich 5 des Halbleiterchips 1 ist mit einem Stützbereich 3a der Leitung 3 durch ein elektrisch leitendes Kontaktelement 8 verbunden.
  • In Nicht-Leistungshalbleiterchips können die Kontaktbereiche 5, 6 gewöhnliche Chipkontaktfelder sein, welche für jegliche Signale, wie digitale Eingabe-/Ausgabesignale, oder Stromversorgung verwendet werden können. In Leistungshalbleiterchips kann der Kontaktbereich 5 ein Laststromkontaktbereich sein, z. B. die Drain- oder Source-Elektrode eines in den Halbleiterchip 1 eingebauten Transistors. Der Kontaktbereich 6 kann ein Steuersignalkontaktbereich sein, z. B. die Gate-Elektrode eines solchen Leistungstransistors.
  • Gemäß einem ersten Aspekt kann das Kontaktelement 8 aus einem Material hergestellt sein, welches von dem Material, aus welchem der Kontaktdraht 7 hergestellt ist, verschieden ist, d. h. verschieden von Cu oder einer Cu-Metalllegierung. Das Kontaktelement 8 kann zum Beispiel ein Al- oder Au-Kontaktdraht sein. Al-Kontaktdrähte werden typischerweise dazu verwendet, Lastelektroden eines Leistungshalbleiterchips mit externen Anschlußleitungen zu verbinden, da Al (anders als Cu) die Möglichkeit bietet, Drähte mit großem Durchmesser zu verwenden, welche geeignet sind, Hochströme zu transportieren. Für die Bereitstellung eines großen Querschnitts für Hochstromtransport kann das Kontaktelement 8 jedoch auch ein Clip- oder Bandkontaktelement sein, welches aus einem von dem Material des Kontaktdrahtes 7 verschiedenen Material hergestellt ist. Solch ein Clip- oder Bandkontaktelement kann ebenfalls aus Al hergestellt sein.
  • Wie später detaillierter beschrieben wird, kann die Idee einer Verwendung unterschiedlicher Kontaktelementmaterialien eine Verringerung der Gesamtkosten, welche bei der Kontaktierung des Halbleiterchips 1 mit den Leitungen 3, 4 beteiligt sind, bieten. Das liegt daran, dass die auf Cu-Basis hergestellten Kontaktdrähte durch einen preiswerten Ball-Drahtkontaktierungsprozess kontaktiert werden können und Cu ein preiswertes Material ist. Ferner ist die Ball-Kontaktierung eines Cu-Kontaktdrahtes mehr als eine Größenordnung schneller als z. B. die Wedge-Drahtkontaktierung eines Al-Kontaktdrahtes. Diese Effekte können mögliche Extraaufwändungen, welche durch die Verwendung zweier unterschiedlicher Kontaktelementmaterialien verursacht werden können, überkompensieren.
  • Gemäß einem anderen Aspekt können sich der Kontaktdraht 7 und das Kontaktelement 8 dadurch voneinander unterscheiden, dass sie notwendigerweise verschiedener Ausführung (d. h. von verschiedenem Typ) sind. Das Kontaktelement 8 hat einen rechteckförmigen Querschnitt, d. h. es ist kein Draht. Wieder ist der Kontaktdraht 7 auf Cu-Basis hergestellt, z. B. kann er aus Cu oder einer Cu-Metalllegierung hergestellt werden. Das Kontaktelement 8 kann ein Clip- oder Bandkontaktelement sein. Es kann aus einem Cu-basierten Material hergestellt sein. Wie bereits mit Bezug auf den zuvor erwähnten Aspekt der Verwendung unterschiedlicher Kontaktelementmaterialien angegeben, kann das Kontaktelement 8 ferner aus von Cu verschiedenen Materialien hergestellt sein, z. B. Al oder Au.
  • Typischerweise ist die laterale Abmessung W des Kontaktelements 8 größer als der Durchmesser des Kontaktdrahtes 7. Daher können höhere Ströme durch das Kontaktelement 8 als durch den Kontaktdraht 7 fließen. Die laterale Abmessung W des Kontaktelements 8 kann größer als 0,5 mm für ein Bandkontaktelement 8 (vgl. 2) sein und kann auch größer als 0,5 mm (aber kann selbst eine laterale Abmessung W der gleichen Größenordnung wie die laterale Abmessung des Halbleiterchips 1 haben) für ein Clipkontaktelement (vgl. 6) sein.
  • Die Aspekte der Verwendung eines auf Cu-Basis für die Kontaktierung eines Kontaktbereiches 6 des Halbleiterchips 1 hergestellten Kontaktdrahtes unter Verwendung eines Kontaktelements aus unterschiedlichem Material und/oder unterschiedlicher Ausführung für die Kontaktierung eines anderen Kontaktbereichs 5 des Halbleiterchips 1, kann einen technologischen Vorteil bieten, da sie es erlauben ein Material und/oder eine Ausführung des Kontaktelements 8 zu verwenden, welche optimal für die physikalischen Anforderungen (zum Beispiel Hochstrom) der jeweiligen elektrischen Verbindungen ist.
  • In 3 ist der Halbleiterchip 1 auf einem Diepad 10 montiert. Die gleichen für alle Figuren verwendeten Bezugszeichen kennzeichnen darin ähnliche Teile. Das Diepad 10 bildet einen Teil eines Leadframes 11 aus. Der Leadframe 11 ist ein strukturiertes Metallblech, zum Beispiel Cu. Dieses strukturierte Metallblech umfasst ferner eine durch den Stützbereich 3a abgeschlossene Leitung 3, eine durch den Stützbereich 4a abgeschlossene Leitung 4 und eine eine integrale Verlängerung des Diepads 10 ausbildende Leitung 12.
  • Der Halbleiterchip 1 kann ein senkrechter p-Typ Leistungstransistor sein. In diesem Fall ist das Diepad 10 mit dem Drain- (D) Kontaktbereich des Transistors verbunden, da sich der Drain-(D)Kontaktbereich auf der Unterseite des Halbleiterchips 1 befindet. Die Oberseite des Halbleiterchips 1 trägt einen Source-(S)Kontaktbereich 5 und einen Gate-(G)Kontaktbereich 6. Der Source-Kontaktbereich 5 ist mit dem Stützbereich 3a der Leitung 3 durch ein Kontaktelement 8 (z. B. ein dicker Al- oder Au-Kontaktdraht oder ein aus z. B. Cu oder Al hergestelltes Bandkontaktelement) verbunden, und der Gate-Kontaktbereich 6 ist mit dem Stützbereich 4a der Leitung 4 durch einen Kontaktdraht 7 auf Cu-Basis verbunden.
  • Die Leitungen 3, 4, 12 können als externe Anschlüsse des Moduls dienen. Die Leitungen 13 kennzeichnen eine Biegezone, bei welcher die Leitungen 3, 4, 12 voraussichtlich aus dem Gehäuse herausstehen werden, welches später angebracht wird. Ferner werden die die Leitungen 3, 4, 12 verbindende Rahmenstangen 14 in einer späteren Phase des Herstellungsprozesses abgeschnitten, so dass die Leitungen 3, 4, 12 im fertigen Modul voneinander isoliert sind.
  • Der Kontaktdraht 7 kann einen Durchmesser im Bereich zwischen 10 und 200 μm haben. Da typischerweise nur kleine Ströme durch den Kontaktdraht 7 übertragen werden, kann der Durchmesser des Kontaktdrahtes 7 in vielen Fällen kleiner als 50 μm sein. Je kleiner der Durchmesser, desto kleiner der unvermeidbare Schaden des jeweiligen Kontaktbereichs und der Struktur unter dem Kontaktbereich. Dies gilt insbesondere für einen Cu-Kontaktdraht, welcher gewöhnlicherweise härter als beispielsweise ein Al-Kontaktdraht ist.
  • Falls der Halbleiterchip 1 erfindungsgemäß ein Leistungsbauelement ist, sollten die Querschnittabmessungen des Kontaktelements 8 groß genug sein, um die Übertragung von Lastströmen zu ermöglichen, welche eine beträchtliche Größe haben können (zum Beispiel bis zu einigen hundert Ampere). Falls das Kontaktelement 8 somit ein Kontaktdraht ist, kann der Kontaktdraht 8 (hergestellt z. B. aus Al) einen Durchmesser im Bereich zwischen 500 und 800 μm haben.
  • Es wird angemerkt, dass ein Kontaktdraht 7 auf Cu-Basis einen Faktor von 3 billiger als ein aus Al hergestellter Kontaktdraht ist. Wie ferner im Folgenden detaillierter beschrieben, benötigt der Kontaktierungsprozess eines Cu-Kontaktdrahtes beträchtlich weniger Kosten als der Kontaktierungsprozess eines Al-Kontaktdrahtes, da der Kontaktierungsprozess eines Cu-Kontaktdrahtes etwa zehn mal schneller als der Kontaktierungsprozess eines Al-Kontaktdrahtes ist (0,1 s im Vergleich zu 1 s). Daher bietet das Konzept der hierin vorgeschlagenen ”gemischten Kontaktierung” (”mixed bonding”) bedeutende Vorteile im Vergleich zu einem Prozess, in welchem ausschließlich Al-Kontaktdrähte verwendet werden.
  • Falls das Kontaktelement 8 andernfalls einen rechteckigen Querschnitt, vgl. 4, hat, kann das Kontaktelement 8 ein aus Cu oder Al hergestellter Bandkontakt sein. Die laterale Abmessung W kann gewählt werden wie oben für Bandkontakte angedeutet.
  • 5 zeigt ein Modul, welches sich von den in den 3 und 4 gezeigten Modulen im Wesentlichen darin unterscheidet, dass das Kontaktelement 8 ein Clipkontaktelement ist. Wie in 6 gezeigt, hat ein Clipkontaktelement 8 ähnlich zu einem Bandkontaktelement 8 einen rechteckigen Querschnitt. Im Gegensatz zum Bandkontaktelement 8 hat das Clipkontaktelement 8 jedoch eine flache untere Oberfläche 8a, welche den Kontaktbereich des Chips 1 über eine große Fläche kontaktiert. Falls der Chip 1 zum Beispiel ein senkrechter p-Typ Leistungstransistor wie in 3 ist, wird die untere Oberfläche 8a des Clipkontaktelements 8 so gewählt, dass sie den ganzen oder fast den ganzen Source-Kontaktbereich 5 bedeckt. Auf diese Weise kann, verglichen zu einem Bandkontaktelement 8, ein bedeutend größerer Strom vom Clipkontaktelement 8 zum Chip 1 transportiert werden. Ferner sind die Clipkontaktelemente 8, im Unterschied zu einem Bandkontaktelement 8, an den jeweiligen Kontaktbereich des Chips 1 angelötet. Typischerweise ist, wie bereits erwähnt, die Breite W eines Clipkontaktelements 8 größer als die Breite W eines Bandkontaktelements 8. Somit können zum Beispiel mehrere Leitungen 3 mit dem Clipkontaktelement 8 kontaktiert werden, um Hochstromanforderungen zu genügen.
  • Ähnlich zu einem Bandkontaktelement 8 kann das Clipkontaktelement 8 aus einem Cu- oder Al-basierten Material hergestellt sein, und der Kontaktdraht 7 kann aus einem Cu-basierten Material hergestellt sein.
  • Es wird darauf hingewiesen, dass die Korrosion auf einem Cu-Pad minimal ist, falls ein aus Cu hergestellter Kontaktdraht 7 ein Cu-Pad kontaktiert. Somit wird in allen Ausführungsformen eine hohe Korrosionsbeständigkeit des Halbleiterchipkontakts erreicht, falls der Kontaktbereich 6 auf dem Halbleiterchip 1 aus Cu hergestellt ist.
  • Es wird ferner angemerkt, dass es, falls der Leadframe 11 aus einem Cu-basierten Material hergestellt ist, nicht nötig ist, irgendeine Beschichtung auf die Stützbereiche 3a und 4a anzuwenden, da sowohl der Cu-Kontaktdraht, als auch der Al-Kontaktdraht direkt an eine Cu-Fläche kontaktiert werden können. Bei dem Cu-Cu-Kontakt ist die Korrosion wiederum minimiert. Ferner reduziert dies im Vergleich zu alternativen Kontaktansätzen die Kosten. Zum Beispiel würde es die Verwendung von Au-Kontaktdrähten 7, 8 erfordern, jeweils eine Ag- oder Au-Beschichtung auf die Stützbereiche 4a und 3 anzuwenden.
  • Andererseits können Cu-basierte Kontaktdrähte härter als Kontaktdrähte sein, welche aus alternativen Materialien wie Al oder Au hergestellt sind. Daher könnte, falls dicke Cu-Kontaktdrähte verwendet werden, insbesondere eine Gefahr bestehen, dass der Kontakt den leitenden Kontaktbereich des Halbleiterchips 1 beschädigt oder sogar aufbricht und somit den Ausfall des Halbleiterchips 1 bewirken könnte. Da das Kontaktelement 8 ein aus einem von Cu verschiedenen Material hergestellter Draht oder ein Kontaktelement einer Ausführung (Typ) unterschiedlich von einem Draht ist (z. B. ein Band- oder Clipkontaktelement 8), wird das durch dicke Cu-Drähte am Kontaktbereich 5 verursachte Problem von Beschädigungen vermieden.
  • 10 zeigt einen nicht erfindungsgemäßen Normalleistungs-(d. h. Nicht-Leistungs-)Halbleiterchip 1, welcher ein Sensorchip, z. B. ein CCD oder MEMS (beispielsweise ein Drucksensorchip) oder ein logischer Schaltkreis sein kann. Der Halbleiterchip 1 ist ein Horizontal-Halbleiterbauelement. Ein aktiver Bereich 20 des Halbleiterchips 1 ist in einem mittleren Teil auf der Oberseite des Halbleiterchips 1 angeordnet.
  • In dem aktiven Bereich 20 befinden sich Kontaktbereiche 5, welche aus Cu oder Al hergestellt sein können. Diese Kontaktbereiche 5 sind mit Stützbereichen 3a verbunden, welche auf einem Leadframe oder einem anderen Halbleiterchipträger (nicht dargestellt) durch aus Al hergestellten Kontaktdrähten 8 bereitgestellt sind. Die Kontaktdrähte 8 sind mit den Stützbereichen 3a verbunden und kontaktieren Bereiche 5 durch einen Wedge-Kontaktierungsprozess.
  • Ein nichtaktiver Bereich 21 des Halbleiterchips 1 erstreckt sich zwischen dem aktiven Bereich 20 und einer Peripherie des Halbleiterchips 1 aus. In diesem nichtaktiven Bereich 21 befinden sich Kontaktbereiche 6. Diese Kontaktbereiche 6 sind mit Stützbereichen 4a verbunden, welche auf dem Leadframe oder Halbleiterchipträger (nicht dargestellt) durch aus einem Cu-basierten Material hergestellte Kontaktdrähte 7 bereitgestellt sind. Die Kontaktdrähte 7 sind jeweils mit den Stützbereichen 4a durch einen Wedge-Kontaktierungsprozess und mit Kontaktbereichen 6 durch einen Ball-Kontaktierungsprozess verbunden.
  • Solche Ausführungen können vorteilhaft sein, da einerseits keine Gefahr besteht, dass die Cu-Kontaktdrähte 7, welche durch einen kostengünstigen, aber Druck anwendenden Ball-Kontaktierungsprozess chipkontaktiert sein können, aktive Strukturen des Halbleiterchips 1 beschädigen, und andererseits die Kontaktbereiche 5, welche durch Al-Kontaktdrähte 8 unter Verwendung eines Niedrigdruck-Wedge-Kontaktierungsverfahrens kontaktiert sind, im aktiven Bereich 20 des Halbleiterchips 1 platziert sein können. Da der aktive Bereich 20 und der nichtaktive Bereich 21 für eine Kontaktierung des Halbleiterchips 1 verwendet werden können, kann daher die Größe des Halbleiterchips 1 verringert werden.
  • Im Hinblick auf oben Stehendes können die in den 1 bis 10 gezeigten Module insbesondere gemäß den folgenden Prinzipien gestaltet sein:
    • – Ein nicht erfindungsgemäßer Nicht-Leistungshalbleiterchip 1, z. B. ein logischer Schaltkreischip mit Cu-Kontaktbereichen 6, ist auf einem aus Cu hergestellten Leadframe 11 montiert. Der Kontaktdraht 7 ist aus Cu hergestellt, um Korrosion an dem leitenden Kontaktbereich 6 auf dem Halbleiterchip 1 und dem Stützbereich 4a auf der Leitung 4 zu minimieren. Der Kontaktdraht 8 ist zum Beispiel aus Au hergestellt, um eine Schädigung des leitenden Kontaktbereichs 5 auf dem Halbleiterchip 1 zu verhindern oder eine Schädigung des sich direkt unter dem Kontaktbereich befindlichen aktiven Bereichs (z. B. des Sensorbereichs) des Chips zu verhindern.
    • – Ein Leistungshalbleiterchip 1 ist auf einem aus Cu hergestellten Leadframe 11 montiert. Der Kontaktdraht 7 ist aus Cu hergestellt, um Korrosion an dem leitenden Kontaktbereich 6 des Halbleiterchips 1 und dem Stützbereich 4a an der Leitung 4 zu minimieren. Der Kontaktdraht 8 ist aus Al hergestellt, um einen großen Durchmesser für Hochströme bereitzustellen.
    • – Ein Leistungshalbleiterchip 1 ist auf einem aus Cu hergestellten Leadframe 11 montiert. Der Kontaktdraht 7 ist aus Cu hergestellt, um Korrosion an dem leitenden Kontaktbereich 6 auf dem Halbleiterchip 1 und dem Stützbereich 4a auf der Leitung 4 zu minimieren. Das Kontaktelement 8 ist ein aus Al oder Cu hergestelltes Bandkontaktelement, um noch höhere Ströme als sie durch einen Al Kontaktdraht erreichbar sind zu ermöglichen.
    • – Ein Leistungshalbleiterchip 1 ist auf einem aus Cu hergestellten Leadframe 11 montiert. Der Kontaktdraht 7 ist aus Cu hergestellt, um Korrosion an dem leitenden Kontaktbereich 6 auf dem Halbleiterchip 1 und dem Stützbereich 4a auf der Leitung 4 zu minimieren. Das Kontaktelement 8 ist ein aus Al oder Cu hergestelltes Clipkontaktelement, um noch höhere Ströme, als sie durch ein Bandkontaktelement erreichbar sind, zu ermöglichen.
  • Typischerweise sind die in den 1 bis 10 gezeigten Module gehäust. 7 stellt eine Ausführungsform dar, in welcher das in 3 gezeigte Modul ein Vergussmassengehäuse 15 umfasst. Als Beispiel kann ein Drei-Anschluss TO 252 Gehäuse 15 verwendet werden. Mögliche Abmessungen eines solchen Gehäuses 15 sind in den 7 bis 9 in Einheiten von Millimetern angedeutet. Wie in der Unteransicht (9) gesehen werden kann, kann das Gehäuse 15 eine Grundfläche von 5,8 mm × 6,4 mm haben. Einschließlich der Leitungen 3, 4 kann das Modul eine Länge von 10,6 mm haben. Natürlich sind auch andere Abmessungen als die in den 3 bis 5 angedeuteten Abmessungen möglich.
  • Eine Wärmesenke 16 kann mit dem Boden des Diepads 10 kontaktiert werden und aus dem Gehäuse 15 hervorstehen.
  • 11 stellt Schritte eines Wedge-Kontaktierungsprozesses dar, welcher angewendet werden kann, um den Kontaktdraht 8 an den Kontaktbereich 5 des Halbleiterchips 1 zu kontaktieren. Der Kontaktdraht 8 durchläuft ein Kapillar-Werkzeug 20 und kann darin durch eine Drahtklemme 21 geklemmt werden. In einem ersten Schritt wird das Kapillar-Werkzeug 20 über dem Kontaktbereich 5 positioniert und auf die Oberfläche des Kontaktbereichs 5 abgesenkt. Der Kontaktdraht 8 wird unter Anwendung eines bestimmten Drucks mit Hilfe des Kapillar-Werkzeugs 20 (linker Teil von 11) auf die Oberfläche des Kontaktbereichs 5 gedrückt. Ferner wird Ultraschallenergie angewendet. Die Kombination von Druck und Ultraschallenergie bei Raumtemperatur bewirkt eine Verschmelzung des Drahtmaterials und des Kontaktbereichsmaterials, welche den Kontaktdraht 8 dazu bringt, am Kontaktbereich anzuhaften. Dann wird das Kapillar-Werkzeug 20 mit gelöster Drahtklemme 21 (mittlerer Teil von 11) angehoben, zum Stützbereich 3a der Leitung 3 verlagert und über ihm neu positioniert. Auf dem Stützbereich 3a wird ein zweiter Wedge-Kontaktierungsprozess durchgeführt. Dann wird der Kontaktdraht 8 durch die Drahtklemme 21 eingespannt und das Kapillar-Werkzeug 20 wird angehoben. Aufgrund der Haftung des Kontaktdrahts 8 auf dem Stützbereich 3a, bricht der Kontaktdraht B (rechter Bereich der 12) und die Wedge-Kontaktverbindung ist fertig. Die Wedge-Kontaktierung wird typischerweise mit aus Al oder Cu hergestellten Drähten durchgeführt. Die Kontaktierung eines Drahts mit dem ”Keil” (wedge) eines Kapillar-Werkzeugs hinterläßt einen typischen fußförmigen Kontakt auf dem Kontaktbereich, welcher einen flachen Bereich und einen Absatz (siehe 11 in der Mitte) hat. Um die Absatzregion des Kontaktbereichs nicht zu überbiegen oder zu zerbrechen, muss der Kontaktdraht 8 in eine Richtung vom Wedge-Kontaktfuß weg gezogen werden
  • 12 zeigt Prozeßschritte eines Ball-Drahtkontaktierungsprozesses. In dem Ball-Drahtkontaktierungsprozess wird auch ein mit einer Drahtklemme 21 ausgestattetes Kapillar-Werkzeug 20 verwendet. In einem ersten Schritt wird eine Kugel (”ball”) 23 am Ende des Drahts 7 (auf Cu Basis hergestellt) ausgebildet, welcher aus den Kapillar-Werkzeug 20 hervorsteht. Die Ausbildung der Kugel kann durch einen elektrischen Flammentrennungsfunken ausgeführt werden, welcher zwischen einer Funkenelektrode 22 und dem Ende des Kontaktdrahtes 7 (linker Teil der 12) erzeugt wird. Nach der Ausbildung der Kugel wird das Kapillar-Werkzeug 20 über dem Kontaktbereich 6 des Halbleiterchips 1 positioniert und auf die Fläche desselben abgesenkt (mittlerer Teil der 12). Dann wird die Kugel 23 auf den Kontaktbereich 6 unter Anwendung von Druck, Ultraschallenergie und thermischer Energie, d. h. Wärme, geschweißt (rechter Teil von 12). Nach der Schweißformung wird das Kapillar-Werkzeug 20 mit gelöster Drahtklemme 21 angehoben und über dem Stützbereich 4a der Leitung 4 neu positioniert. Auf dem Stützbereich 4a kann ein Wedge-Kontaktierungsprozess ähnlich zu dem in Verbindung mit 11 beschriebenen durchgeführt werden, um den Kontaktdraht 7 zu brechen. Alternativ kann ein Ball-Kontaktierungsprozess oder ein Nagelkopf-(”nailhead-”)Kontaktierungsprozess auf dem Stützbereich 4a verwendet werden.
  • Ball-Kontaktierung wird typischerweise mit aus Au oder Cu hergestellten Kontaktdrähten durchgeführt. Da eine Ball-Kontaktierung einen rotationssymmetrischen Fuß erzeugt (siehe 12 auf der rechten Seite) kann der Kontaktdraht 7 in jeder lateralen Richtung weg gezogen werden, wenn er am Kontaktfuß beginnt.
  • Es wird darauf hingewiesen, dass die Begriffe Wedge-Kontaktierung und Ball-Kontaktierung sich jeweils auf die Ausführung der Kontaktierung der Kontaktdrähte 7, 8 an den Chipkontaktbereiche 6 und 5 bezieht. Die Kontakte an den Stützbereiche 4a, 3a auf den Leitungen 4 und 3 können beide durch einen Wedge-Kontaktierungsprozess ausgeführt werden. Genauer gesagt umfasst der Begriff Ball-Kontaktierung die Prozesskombinationen Ball-Wedge, Ball-Nagelkopf und Ball-Ball, wobei der Begriff Wedge-Kontaktierung die Kombination Wedge-Wedge umfasst.
  • 13 stellt ein Ablaufdiagramm eines für die Herstellung eines Moduls verwendeten Prozesses dar. Im Schritt S1 wird ein Halbleiterchip 1 mit einem Steuersignalkontaktbereich 6 und einem Laststromkontaktbereich 5 bereitgestellt. Dann wird in Schritt 52 der Laststromkontaktbereich 5 durch einen Wedge-Kontaktierungsprozess mit der externen Anschlußleitung 3 des Moduls am Kontaktbereich 6 verbunden. In Schritt S3 wird der Steuersignalkontaktbereich 6 des Halbleiterchips 1 durch einen am Kontaktbereich 6 durchgeführten Ball-Kontaktierungsprozess mit einer anderen externen Anschlußleitung 4 verbunden. Der Schritt S2 kann vor dem Schritt 53 durchgeführt werden, aber es ist auch möglich, dass der Schritt 53 vor oder gleichzeitig zum Schritt S2 ausgeführt wird.
  • 14 zeigt schematisch einen Herstellungsablauf, welcher eine erste Drahtkontaktierungsvorrichtung 100 und eine zweite Drahtkontaktierungsvorrichtung 110 umfasst, die im Herstellungsablauf für die Fertigung von Modulen verwendet werden. Als Beispiel verwendet die erste Drahtkontaktierungsvorrichtung 100 einen Wedge-Wedge-Drahtkontaktierungsprozess (vgl. 11), wohingegen die zweite Drahtkontaktierungsvorrichtung 110 einen Ball-Wedge-Drahtkontaktierungsprozess (vgl. 13) verwendet. Die erste Drahtkontaktierungsvorrichtung 100 wird durch einen Leadframestreifen 120 versorgt, welcher eine Folge von verbundenen Leadframes umfasst, wie z. B. in 3 gezeigt. Ein Halbleiterchip 1 wird auf jedem Leadframe 11 montiert. In der ersten Drahtkontaktierungsvorrichtung 100 werden die Al-Kontaktdrähte 8 angelegt. Der Leadframestreifen 120, welcher zusammenhängend bleibt, wird dann in die zweite Drahtkontaktierungsvorrichtung 110 eingeführt, welche hier eine Ball-Drahtkontaktierungsvorrichtung ist. In der Balldrahtkontaktierungsvorrichtung 110 werden die Cu-Drahtkontaktierungen angebracht. Die Leadframes 11 werden dann hinter der zweiten Drahtkontaktierungsvorrichtung 110 getrennt (nicht dargestellt).
  • Alternativ, wie in 15 gezeigt, kann die erste Drahtkontaktierungsvorrichtung 100 den zusammenhängenden Leadframestreifen 120 bearbeiten, wohingegen die zweite Drahtkontaktierungsvorrichtung 110 (z. B. eine Ball-Drahtkontaktierungsvorrichtung) einen Satz (eine Charge) aus einen oder mehreren getrennten Leadframes 11 mit daran befestigten Halbleiterchips 1 bearbeiten kann. Eine Trennung des Leadframestreifens 120 in einzelne Leadframes 11 wird durch eine Trennstation 130 ausgeführt, welche zwischen der ersten Drahtkontaktierungsvorrichtung 100 und der zweiten Drahtkontaktierungsvorrichtung 111 angeordnet ist. Wieder wird darauf hingewiesen, dass die Abfolge des Wedge-Kontaktierungsschrittes und des Ball-Kontaktierungsschrittes umgedreht werden kann, und dass es auch möglich ist, beide Kontaktierungsprozesse in einer gemeinsamen Drahtkontaktierungsvorrichtung durchzuführen.

Claims (26)

  1. Modul, umfassend: einen Leistungs-Halbleiterchip (1) mit mindestens einer ersten Anschlusskontaktoberfläche (6) aus Cu und einer zweiten Anschlusskontaktoberfläche (2), wobei der Leistungs-Halbleiterchip (1) einen Transistor umfasst und die erste Anschlusskontaktoberfläche (6) des Leistungs-Halbleiterchips (1) ein Gate-Kontakt des Transistors und die zweite Anschlusskontaktoberfläche (2) des Leistungs-Halbleiterchips (1) ein Drain- oder Source-Kontakt des Transistors ist, ein erstes Kontaktelement (7), welches ein erster aus einem Cu-basierten Material hergestellter Kontaktdraht ist und an der ersten Anschlusskontaktoberfläche (6) befestigt ist, ein zweites Kontaktelement (8), welches an der zweiten Anschlusskontaktoberfläche (2) befestigt ist, worin das zweite Kontaktelement (8) aus einem von dem Material des ersten Kontaktelements (7) verschiedenen Material hergestellt ist, und einen Träger (10), auf welchem der Leistungs-Halbleiterchip (1) montiert ist, wobei der Träger (10) Leitungen (3, 4) umfasst, an welchen das erste Kontaktelement (7) und das zweite Kontaktelement (8) befestigt sind, wobei die Leitungsoberflächen, an welchen das erste Kontaktelement (7) und das zweite Kontaktelement (8) befestigt sind, aus Cu hergestellt sind.
  2. Modul nach Anspruch 1, worin das zweite Kontaktelement (8) aus einem Al-basierten Material hergestellt ist.
  3. Modul nach Anspruch 1 oder 2, worin das zweite Kontaktelement (8) ein zweiter Kontaktdraht ist.
  4. Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin der erste Kontaktdraht (7) einen Durchmesser im Bereich zwischen 10 und 200 μm, spezieller 10 und 50 μm hat.
  5. Modul nach Anspruch 3, worin der zweite Kontaktdraht (8) einen Durchmesser im Bereich zwischen 50 und 800 μm, spezieller 100 und 750 μm hat.
  6. Modul nach Anspruch 1, worin der Träger ein Metall-Diepad umfasst, auf welchem der Leistungs-Halbleiterchip montiert ist.
  7. Modul, umfassend: einen Leistungs-Halbleiterchip (1) mit mindestens einer ersten Anschlusskontaktoberfläche (6) aus Cu und einer zweiten Anschlusskontaktoberfläche (2), wobei der Leistungs-Halbleiterchip (1) einen Transistor umfasst und die erste Anschlusskontaktoberfläche (6) des Leistungs-Halbleiterchips (1) ein Gate-Kontakt des Transistors und die zweite Anschlusskontaktoberfläche (2) des Leistungs-Halbleiterchips (1) ein Drain- oder Source-Kontakt des Transistors ist, ein erstes Kontaktelement (7), welches ein aus einem Cu-basierten Material hergestellter Kontaktdraht mit einem kreisförmigen Querschnitt ist und an der ersten Anschlusskontaktoberfläche (6) befestigt ist, ein zweites Kontaktelement (8), welches einen rechteckigen Querschnitt hat und an der zweiten Anschlusskontaktoberfläche (2) befestigt ist, und einen Träger (10), auf welchem der Leistungs-Halbleiterchip (1) montiert ist, wobei der Träger (10) Leitungen (3, 4) umfasst, an welchen das erste Kontaktelement (7) und das zweite Kontaktelement (8) befestigt sind, wobei die Leitungsoberflächen, an welchen das erste Kontaktelement (7) und das zweite Kontaktelement (8) befestigt sind, aus Cu hergestellt sind.
  8. Modul nach Anspruch 7, worin das zweite Kontaktelement (8) ein Bandkontakt ist.
  9. Modul nach Anspruch 8, worin das zweite Kontaktelement (8) aus einem Cu-basierten Material hergestellt ist.
  10. Modul nach Anspruch 8, worin das zweite Kontaktelement (8) aus einem Al-basierten Material hergestellt ist.
  11. Modul nach Anspruch 7, worin das zweite Kontaktelement (8) ein Clipkontakt ist.
  12. Modul nach Anspruch 11, worin das zweite Kontaktelement (8) aus einem Cu-basierten Material hergestellt ist.
  13. Modul nach Anspruch 11, worin das zweite Kontaktelement (8) aus einem Al-basierten Material hergestellt ist.
  14. Modul nach einem der Ansprüche 7 bis 13, worin der erste Kontaktdraht (7) einen Durchmesser im Bereich zwischen 10 und 200 μm, spezieller 10 und 50 μm hat.
  15. Modul nach Anspruch 8, worin eine laterale Abmessung des Bandkontakts (8) größer als 0,5 mm ist.
  16. Modul nach Anspruch 11, worin eine laterale Abmessung des Clipkontakts (8) größer als 0,5 mm ist.
  17. Verfahren zur Herstellung eines Moduls, umfassend: Bereitstellen eines Leistungs-Halbleiterchips (1) mit mindestens einer ersten Anschlusskontaktoberfläche (6) aus Cu und einer zweiten Anschlusskontaktoberfläche (2), wobei der Leistungs-Halbleiterchip (1) einen Transistor umfasst und die erste Anschlusskontaktoberfläche (6) des Leistungs-Halbleiterchips (1) ein Gate-Kontakt des Transistors und die zweite Anschlusskontaktoberfläche (2) des Leistungs-Halbleiterchips (1) ein Drain- oder Source-Kontakt des Transistors ist, Kontaktieren eines ersten Kontaktelementes (7), welches ein erster aus einem Cu-basierten Material hergestellter Kontaktdraht ist, an der ersten Anschlusskontaktoberfläche (6), Kontaktieren eines zweiten Kontaktelementes (8) an der zweiten Anschlusskontaktoberfläche (2), worin das zweite Kontaktelement (8) aus einem von dem Material des ersten Kontaktelements (7) verschiedenen Material hergestellt ist, Montieren des Leistungs-Halbleiterchips (1) auf einem Leadframe (10), und Kontaktieren des ersten Kontaktelementes (7) und des zweiten Kontaktelementes (8) an Leitungen (3, 4) des Leadframes (10), wobei die Leitungsoberflächen, an welchen das erste Kontaktelement (7) und das zweite Kontaktelement (8) befestigt sind, aus Cu hergestellt sind.
  18. Verfahren gemäß Anspruch 17, worin das Kontaktieren der ersten Anschlusskontaktoberfläche (6) des Halbleiterchips (1) an eine erste Leitung (4) des Moduls durch den aus einem Cu-basierten Material hergestellten Kontaktdraht (7) über Drahtkontaktieren geschieht, und das Kontaktieren der zweiten Anschlusskontaktoberfläche (2) des Halbleiterchips (1) an eine zweite Leitung (3) des Moduls über Wedge-Kontaktieren geschieht.
  19. Verfahren nach Anspruch 18, worin das Drahtkontaktieren der ersten Anschlusskontaktoberfläche (6) des Leistungs-Halbleiterchips (1) an die erste Leitung (4) ein Ball-Drahtkontaktierungsprozess ist.
  20. Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, worin das Wedge-Drahtkontaktieren vor dem Drahtkontaktieren der ersten Anschlusskontaktoberfläche (6) des Leistungs-Halbleiterchips (1) an die erste Leitung (4) durchgeführt wird.
  21. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 20, worin das Drahtkontaktieren der ersten Anschlusskontaktoberfläche (6) des Leistungs-Halbleiterchips (1) an die erste Leitung (4) vor dem Wedge-Drahtkontaktieren durchgeführt wird.
  22. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 21, worin das Wedge-Drahtkontaktieren in einer Wedge-Drahtkontaktierungsvorrichtung durchgeführt wird und das Ball-Drahtkontaktieren in einer gesonderten Ball-Drahtkontaktierungsvorrichtung durchgeführt wird.
  23. Verfahren nach Anspruch 22, ferner umfassend die Schritte: Bereitstellen eines eine Folge von verbundenen Leadframes (10) umfassenden Leadframestreifens (120), und Montieren eines Leistungs-Halbleiterchips (1) auf jedem Leadframe (10).
  24. Verfahren nach Anspruch 23, worin der zuerst durchgeführte Drahtkontaktierungsprozess unter Verwendung des Leadframestreifens (120) durchgeführt wird, die Leadframes (10) des Leadframestreifens (120) getrennt werden, und der als zweites durchgeführte Drahtkontaktierungsprozess unter Verwendung der getrennten Leadframes (10) durchgeführt wird.
  25. Verfahren nach Anspruch 23, worin beide Drahtkontaktierungsprozesse unter Verwendung des Leadframestreifens (120) durchgeführt werden.
  26. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 21, worin die Wedge-Drahtkontaktierung und Ball-Drahtkontaktierung in einer einzelnen Drahtkontaktierungsvorrichtung durchgeführt werden.
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