DE102009044641A1

DE102009044641A1 - Einrichtung mit einem Halbleiterchip und Metallfolie

Info

Publication number: DE102009044641A1
Application number: DE102009044641A
Authority: DE
Inventors: Georg Meyer-Berg; Andreas Schloegl
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2008-12-02
Filing date: 2009-11-24
Publication date: 2010-09-09
Anticipated expiration: 2029-11-25
Also published as: DE102009044641B4; US8680668B2; US20130069211A1; US20100133666A1; US8124449B2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung (100), mit einem Halbleiterchip (10), der eine erste Elektrode (13) auf einer ersten Fläche (14) und eine zweite Elektrode (15) auf einer der ersten Fläche (14) gegenüberliegenden zweiten Fläche (16) umfasst, einer ersten Metallfolie (11), die auf elektrisch leitende Weise an der ersten Elektrode (13) des Halbleiterchips (10) angebracht ist, und einer zweiten Metallfolie (12), die auf elektrisch leitende Weise an der zweiten Elektrode (15) des Halbleiterchips (10) angebracht ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung mit einem Halbleiterchip und Metallfolien sowie ein Verfahren zur Herstellung davon.
Die in den Einrichtungen enthaltenen Halbleiterchips können Leistungshalbleiterchips sein. Leistungshalbleiterchips eignen sich insbesondere für das Schalten und Steuern von Strömen und/oder Spannungen. Leistungshalbleiterchips können beispielsweise als Leistungs-MOSFETs, IGBTs, JFETs, Leistungsbipolartransistoren oder Leistungsdioden implementiert sein.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine kostengünstig herstellbare Einrichtung mit einem Halbleiterchip zu schaffen. Ferner soll ein entsprechendes Herstellungsverfahren angegeben werden.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabenstellung wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die beiliegenden Zeichnungen sind aufgenommen, um ein eingehenderes Verständnis von Ausführungsformen zu vermitteln, und sind in diese Spezifikation aufgenommen und stellen einen Teil dieser dar. Die Zeichnungen veranschaulichen Ausführungsformen und dienen zusammen mit der Beschreibung der Erläuterung von Prinzipien von Ausführungsformen. Andere Ausführungsformen und viele der beabsichtigten Vorteile von Ausführungsformen lassen sich ohne weiteres verstehen, wenn sie durch Bezugnahme auf die folgende ausführliche Beschreibung besser verstanden werden. Die Elemente der Zeichnungen sind relativ zueinander nicht notwendigerweise maßstabsgetreu. Gleiche Bezugszahlen bezeichnen entsprechende ähnliche Teile.
1 zeigt schematisch eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform einer Einrichtung mit einem Halbleiterchip und zwei Metallfolien.
2A und 2B zeigen schematisch eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform eines Verfahrens zum Herstellen einer Einrichtung unter Verwendung von mehreren Halbleiterchips und zwei Metallfolien.
3A bis 3K zeigen schematisch eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform eines Verfahrens zum Herstellen einer Einrichtung mit einem zwischen zwei Metallfolien angeordneten Leistungshalbleiterchip.
4A bis 4D zeigen schematisch eine Querschnittsansicht einer Variation des in 3A bis 3K gezeigten Verfahrens.
5A und 5B zeigen schematisch Querschnittsansichten von Ausführungsformen von auf Leiterplatten montierten Einrichtungen.
6 zeigt schematisch eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform einer Einrichtung mit einem Leistungshalbleiterchip und zwei Metallfolien.
7 zeigt schematisch eine Querschnittsansicht einer Variation des in 3A bis 3K gezeigten Verfahrens.
8 zeigt schematisch eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform einer Einrichtung mit zwei als eine Halbbrückenschaltung angeordneten Leistungshalbleiterchips.
9 zeigt eine Grundschaltung einer Halbbrückenschaltung.
10A bis 10L zeigen schematisch eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform eines Verfahrens zum Herstellen einer Einrichtung mit einem zwischen zwei Metallfolien angeordneten Leistungshalbleiterchip.
11A bis 11M zeigen schematisch eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform eines Verfahrens zum Herstellen einer Einrichtung mit einem zwischen zwei Metallfolien angeordneten Leistungshalbleiterchip.
In der folgenden ausführlichen Beschreibung wird auf die beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen, die einen Teil hiervon bilden und in denen als Veranschaulichung spezifische Ausführungsformen gezeigt sind, in denen die Erfindung praktiziert werden kann. In dieser Hinsicht wird Richtungsterminologie wie etwa ”Oberseite”, ”Unterseite”, ”Vorderseite”, ”Rückseite”, ”vorderer”, ”hinterer”, usw. unter Bezugnahme auf die Orientierung der beschriebenen Figur(en) verwendet. Weil Komponenten von Ausführungsformen in einer Reihe verschiedener Orientierungen positioniert sein können, wird die Richtungsterminologie zu Zwecken der Darstellung verwendet und ist in keinerlei Weise beschränkend. Es versteht sich, dass andere Ausführungsformen benutzt und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Die folgende ausführliche Beschreibung ist deshalb nicht in einem beschränkenden Sinne zu verstehen, und der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung wird durch die beigefügten Ansprüche definiert.
Es versteht sich, dass die Merkmale der verschiedenen hierin beschriebenen Ausführungsformen miteinander kombiniert werden können, sofern nicht spezifisch etwas anderes angegeben ist.
Die Ausdrücke ”gekoppelt” und/oder ”elektrisch gekoppelt” sollen, wie sie in dieser Spezifikation verwendet werden, nicht bedeuten, dass die Elemente direkt gekoppelt sein müssen; dazwischenliegende Elemente können zwischen den ”gekoppelten” oder ”elektrisch gekoppelten” Elementen vorgesehen sein.
Einrichtungen, die einen oder mehrere Halbleiterchips enthalten, sind unten beschrieben. Die Halbleiterchips können von unterschiedlichen Arten sein, können durch verschiedene Technologien hergestellt sein und können beispielsweise integrierte elektrische, elektrooptische oder elektromechanische Schaltungen und/oder passive Elemente enthalten. Die Halbleiterchips können beispielsweise als Leistungsghalbleiterchips konfiguriert sein, wie etwa Leistungs-MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors), IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors), JFETs (Junction Gate Field Effect Transistors), Leistungsbipolartransistoren oder Leistungsdioden. Weiterhin können die Halbleiterchips Steuerschaltungen, Mikroprozessoren oder mikroelektromechanische Komponenten enthalten. Halbleiterchips mit einer vertikalen Struktur können involviert sein, das heißt, dass die Halbleiterchips derart hergestellt sein können, dass elektrische Ströme in einer Richtung senkrecht zu den Hauptflächen der Halbleiterchips fließen können. Ein Halbleiterchip mit einer vertikalen Struktur kann Kontaktelemente aufweisen, beispielsweise auf seinen beiden Hauptflächen, das heißt auf seiner Oberseite und Unterseite. Leistungshalbleiterchips können eine vertikale Struktur aufweisen. Beispielhaft können sich die Source-Elektrode und Gate-Elektrode eines Leistungs-MOSFET auf einer Fläche befinden, während die Drain-Elektrode des Leistungs- MOSFET auf der anderen Hauptfläche angeordnet ist. Weiterhin können die unten beschriebenen Einrichtungen integrierte Schaltungen zum Steuern der integrierten Schaltungen von anderen Halbleiterchips enthalten, beispielsweise die integrierten Schaltungen von Leistungshalbleiterchips. Die Halbleiterchips brauchen nicht aus spezifischem Halbleitermaterial hergestellt zu sein, beispielsweise Si, SiC, SiGe, GaAs, GaN, und können weiterhin anorganische und/oder organische Materialien enthalten, die keine Halbleiter sind wie etwa beispielsweise Isolatoren, Kunststoffe oder Metalle.
Die Halbleiterchips weisen Elektroden (oder Kontaktpads oder Kontaktflächen) auf, die das Herstellen eines elektrischen Kontakts mit den in den Halbleiterchips enthaltenen integrierten Schaltungen gestatten. Eine oder mehrere Metallschichten können auf die Elektroden der Halbleiterchips aufgebracht sein. Die Metallschichten können mit einer beliebigen gewünschten geometrischen Gestalt und mit einer beliebigen gewünschten Materialzusammensetzung hergestellt sein. Die Metallschichten können beispielsweise in Form einer einen Bereich bedeckenden Schicht vorliegen. Als das Material kann ein beliebiges gewünschtes Metall oder eine beliebige gewünschte Metalllegierung verwendet werden, beispielsweise Aluminium, Titan, Gold, Silber, Kupfer, Palladium, Platin, Nickel, Chrom oder Nickel-Vanadium. Die Metallschichten brauchen nicht homogen oder aus nur einem Material hergestellt zu sein, das heißt, verschiedene Zusammensetzungen und Konzentrationen der in den Metallschichten enthaltenen Materialien sind möglich. Die Elektroden können sich auf den aktiven Hauptflächen der Halbleiterchips oder auf anderen Flächen der Halbleiterchips befinden.
Die Einrichtungen können eine oder mehrere Metallfolien enthalten. Die Metallfolien können aus Metallen oder Metalllegierungen, beispielsweise Kupfer, Kupferlegierungen, Eisen- Nickel, Aluminium, Aluminiumlegierungen oder anderen angebrachten Materialien hergestellt sein. Die Metallfolien können mit einem elektrisch leitenden Material elektrochemisch beschichtet werden, beispielsweise Kupfer, Silber, Eisen-Nickel oder Nickelphosphor. Die Metallfolien können beispielsweise dazu verwendet werden, eine Umverdrahtungsschicht herzustellen. Die Metallfolien können als Verdrahtungsschichten verwendet werden, um einen elektrischen Kontakt mit den Halbleiterchips von außerhalb der Einrichtungen herzustellen oder um einen elektrischen Kontakt mit anderen Halbleiterchips und/oder Komponenten, die in den Einrichtungen enthalten sind, herzustellen. Die Metallfolien können mit einer beliebigen gewünschten geometrischen Gestalt hergestellt werden. Die Metallfolien können beispielsweise aus Leiterbahnen bestehen, können aber auch in Form einer einen Bereich bedeckenden Schicht vorliegen. Die Metallfolien können im Verlauf der Fabrikation unterteilt werden, was durch Sägen, einen Laserstrahl, Schneiden, Stanzen, Fräsen, Ätzen oder irgendein anderes angemessenes Verfahren ausgeführt werden kann.
Die Einrichtungen können elektrisch isolierendes Material enthalten. Das elektrisch isolierende Material kann einen beliebigen Anteil einer beliebigen Anzahl von Flächen der Komponenten der Einrichtung bedecken, wie etwa der Metallfolien und des Halbleiterchips, der in die Einrichtung integriert ist. Das elektrisch isolierende Material kann verschiedenen Funktionen dienen. Es kann beispielsweise dazu verwendet werden, Komponenten der Einrichtung elektrisch voneinander und/oder von externen Komponenten zu isolieren, es kann aber auch als eine Plattform zum Montieren von anderen Komponenten verwendet werden, beispielsweise Verdrahtungsschichten oder Kontaktelementen. Das elektrisch isolierende Material kann unter Verwendung verschiedener Techniken hergestellt werden, beispielsweise unter Verwendung von Schablonendruck, Siebdruck oder einer beliebigen anderen angebrachten Drucktech nik. Weiterhin kann das elektrisch isolierende Material aus einer Gasphase oder einer Lösung abgeschieden oder kann als Folien laminiert werden. Das elektrisch isolierende Material kann beispielsweise aus organischen Materialien wie etwa Imid, Epoxid oder anderen wärmehärtenden Materialien, Photoresist, Siliziumnitrid, Metalloxiden, Silikon, Halbleiteroxiden, Keramiken oder diamantartigem Kohlenstoff hergestellt sein. Weiterhin kann ein Formmaterial als das elektrisch isolierende Material verwendet werden. Bei dem Formmaterial kann es sich um ein beliebiges angebrachtes thermoplastisches oder wärmehärtendes Material handeln. Verschiedene Techniken können verwendet werden, um die Komponenten mit dem Formmaterial zu bedecken, beispielsweise Formpressen, Spritzgießen, Pulversintern oder Liquid-Molding.
Die unten beschriebenen Einrichtungen enthalten externe Kontaktelemente (oder externe Kontaktoberflächen), die von beliebiger Gestalt oder Größe sein oder aus einem beliebigen Material bestehen können. Die externen Kontaktelemente können von außerhalb der Einrichtung zugänglich sein und können somit das Herstellen eines elektrischen Kontakts mit den Halbleiterchips von außerhalb der Einrichtung gestatten. Weiterhin können die externen Kontaktelemente thermisch leitend sein und können als Kühlkörper zum Ableiten der von den Halbeiterchips erzeugten Wärme dienen. Die externen Kontaktelemente können aus einem beliebigen gewünschten elektrisch leitenden Material bestehen. Die externen Kontaktelemente können externe Kontaktpads enthalten. Lötmaterial kann auf den externen Kontaktpads abgeschieden werden. Das Lötmaterial kann als Lötabscheidungen verkörpert sein und kann beispielsweise aus SnPb, SnAg, SnAgCu, SnAgCuNi, SnAu, SnCu und/oder SnBi bestehen.
1 zeigt schematisch eine Querschnittsansicht einer Ein richtung 100. Die Einrichtung 100 enthält einen Halbleiterchip 10, eine erste Metallfolie 11 und eine zweite Metallfolie 12. Der Halbleiterchip 10 weist eine auf einer ersten Fläche 14 des Halbleiterchips 10 angeordnete erste Elektrode 13 und eine auf einer zweiten Fläche 16 des Halbleiterchips 10 angeordnete zweite Elektrode 15 auf. Die erste Metallfolie 11 ist auf elektrisch leitende Weise an der ersten Elektrode 13 angebracht. Die zweite Metallfolie 12 ist auf elektrisch leitende Weise an der zweiten Elektrode 15 angebracht.
2A und 2B zeigen schematisch eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform eines Verfahrens. Wie in 2A gezeigt, sind eine erste Metallfolie 11 und eine zweite Metallfolie 12 vorgesehen. Weiterhin sind mehrere Halbleiterchips 10 vorgesehen. Jeder Halbleiterchip 10 weist eine auf einer ersten Fläche 14 des jeweiligen Halbleiterchips 10 angeordnete erste Elektrode 13 und eine auf einer zweiten Fläche 16 des jeweiligen Halbleiterchips 10 angeordnete zweite Elektrode 15 auf. Wie in 2B gezeigt, ist die erste Metallfolie 11 auf elektrisch leitende Weise an den ersten Elektroden 13 der Halbleiterchips 10 und die zweite Metallfolie 12 auf elektrisch leitende Weise an den zweiten Elektroden 15 der Halbleiterchips 10 angebracht.
Die 3A bis 3K zeigen schematisch eine Ausführungsform eines Verfahrens zum Herstellen einer Einrichtung 300, die in 3K gezeigt ist. Die Einrichtung 300 ist eine Implementierung der in 1 gezeigten Einrichtung 100. Die Details der Einrichtung 300, die unten beschrieben sind, können deshalb gleichermaßen auf die Einrichtung 100 angewendet werden. Analoge oder identische Komponenten der Einrichtungen 100 und 300 sind mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet. Weiterhin ist das in 3A bis 3K gezeigte Verfahren eine Implementierung des in 2A und 2B gezeigten Verfahrens. Die Details des Verfahrens, die unten beschrieben sind, können deshalb gleichermaßen auf das Verfahren der 2A und 2B angewendet werden.
Wie in 3A gezeigt, wird eine erste Metallfolie 11 bereitgestellt. Die erste Metallfolie 11 ist in einer Draufsicht (oben) und einer Querschnittsansicht (unten) entlang der in der Draufsicht gezeigten Linie A-A' gezeigt. Die erste Metallfolie 11 kann aus einem starren Material hergestellt sein, beispielsweise einem Metall oder einer Metalllegierung wie etwa Kupfer, Aluminium, Nickel, CuFeP, Stahl oder rostfreiem Stahl. Zudem kann die erste Metallfolie 11 mit einem elektrisch leitenden Material beschichtet sein, beispielsweise Kupfer, Silber, Eisen-Nickel oder Nickelphosphor. Die erste Metallfolie 11 kann eine flache oder planare erste Fläche 20 aufweisen, auf der die Halbleiterchips 10 später platziert werden. Zudem kann die erste Metallfolie 11 eine flache oder planare zweite Fläche 21 gegenüber der ersten Fläche 20 aufweisen. Die Gestalt der ersten Metallfolie 11 ist nicht auf eine beliebige geometrische Gestalt begrenzt, und die erste Metallfolie 11 kann eine beliebige angebrachte Größe aufweisen. Beispielsweise kann die Dicke d₁ der ersten Metallfolie 11 im Bereich von 30 μm bis 1,3 mm und bei einer Ausführungsform von 50 bis 150 μm und insbesondere von 70 bis 120 μm sein. Die Dicke d₁ der ersten Metallfolie 11 kann bei einer Ausführungsform derart gewählt werden, dass die erste Metallfolie 11 in einer Richtung orthogonal zu der ersten Fläche 20 eine angebrachte Wärmekapazität besitzt. Weiterhin kann die erste Metallfolie 11 strukturiert sein. Bei der in 3A gezeigten Ausführungsform weist die erste Metallfolie 11 Aussparungen (oder Durchgangslöcher oder Vertiefungen) 22 auf, die sich alle von der ersten Fläche 20 zu der zweiten Fläche 21 der ersten Metallfolie 11 erstrecken. Das Strukturieren der ersten Metallfolie 11, um die Aussparungen 22 herzustellen, kann vor dem in 3A bis 3K gezeigten Verfahren unter Verwendung von mechanischem Sägen, einem Laserstrahl, Schneiden, Stanzen, Fräsen, Ätzen oder irgendeinem anderen angebrachten Verfahren ausgeführt worden sein.
Ein elektrisch isolierendes Material 23 kann auf der zweiten Fläche 21 der ersten Metallfolie 11 abgeschieden werden, wie in 3B gezeigt. Die Abscheidung des elektrisch isolierenden Materials 23 kann beispielsweise durch Schablonendruck, Siebdruck oder eine beliebige andere angebrachte Drucktechnik durchgeführt werden. Das elektrisch isolierende Material 23 kann als eine Folie oder eine Lage auf die erste Metallfolie 11 laminiert werden, indem ein Vakuum sowie Wärme und Druck für eine geeignete Zeit einwirken. Es kann auch vorgesehen sein, dass das elektrisch isolierende Material 23 aus einer Lösung oder einer Gasphase abgeschieden wird, und es kann Schicht für Schicht bis zu einer gewünschten Dicke aufgebaut werden. Techniken, die für diese Art von Abscheidung eingesetzt werden können, sind beispielsweise physikalische oder chemische Abscheidung aus der Dampfphase, Aufschleudern, Dispensieren, Tauchen oder Sprühen. Das elektrisch isolierende Material 23 kann aus einem Polymermaterial wie etwa Parylen, Photoresistmaterial, Imid, Epoxid, Duroplast, Silikon, Siliziumnitrid oder einem anorganischen, keramikartigen Material wie etwa Silikon-Kohlenstoff-Verbindungen hergestellt werden.
Das elektrisch isolierende Material 23 kann wie in 3B gezeigt strukturiert werden. Mehrere Aussparungen (oder Vertiefungen) 24 werden in dem elektrisch isolierenden Material 23 erzeugt. Die Aussparungen 24 exponieren (freilegen) Abschnitte der zweiten Fläche 21 auf der ersten Metallfolie 11.
Die Aussparungen 24 können hergestellt werden, wenn das elektrisch isolierende Material 23 auf die erste Metallfolie 11 gedruckt wird. Wenn das elektrisch isolierende Material 23 photoaktive Komponenten enthält, kann zudem das elektrisch isolierende Material 23 photolithographisch strukturiert wer den. Das elektrisch isolierende Material 23 kann beispielsweise durch Laserabtragung, mechanisches Bohren oder einen beliebigen anderen geeigneten Prozess, der einem Fachmann bekannt ist, strukturiert werden.
Bei einer in den Figuren nicht gezeigten Ausführungsform wird das elektrisch isolierende Material 23 als eine Polymerfolie oder -lage mit mehreren Aussparungen 24 bereitgestellt, bevor es auf die erste Metallfolie 11 laminiert wird. Die Aussparungen 24 können durch Ausstanzen von Gebieten der Polymerfolie oder -lage bereitgestellt werden.
Der Abstand d₂ zwischen den Aussparungen 24 in dem elektrisch isolierenden Material 23 und den Aussparungen 22 in der ersten Metallfolie 11 kann von den Halbleiterchips 10 abhängen, die später auf der ersten Metallfolie 11 platziert werden, und von den Spannungen, die an die Halbleiterchips 10 während ihres Betriebs angelegt werden. Wenn beispielsweise eine Spannung von 1 kV an die Halbleiterchips 10 angelegt wird, kann der Abstand d₂ in der Regel etwa 2,9 mm betragen.
Wie in 3C gezeigt, kann ein elektrisch isolierendes Material 25 auf der ersten Fläche 20 auf der ersten Metallfolie 11 abgeschieden werden. Für die Abscheidung des elektrisch isolierenden Materials 25 können die gleichen Abscheidungsverfahren verwendet werden, wie oben in Verbindung mit der Abscheidung des elektrisch isolierenden Materials 23 beschrieben. Beispielsweise kann das elektrisch isolierende Material 25 auf die erste Fläche 20 der ersten Metallfolie 11 gedruckt werden. Weiterhin können die gleichen Materialien für das elektrisch isolierende Material 25 verwendet werden, wie oben in Verbindung mit dem elektrisch isolierenden Material 23 beschrieben.
Das elektrisch isolierende Material 25 kann derart aufge bracht werden, dass Sektionen 26 der ersten Fläche 20 der ersten Metallfolie 11 exponiert werden, wie in 3C gezeigt. Mit anderen Worten bildet das elektrisch isolierende Material 25 Rahmen um die Sektionen 26 herum. Jede der exponierten Sektionen 26 kann einen Flächeninhalt ähnlich dem Flächeninhalt der ersten oder zweiten Fläche 14, 16 der Halbleiterchips 10 aufweisen. Die Sektionen 26 können in einem Array angeordnet sein.
Die von dem elektrisch isolierenden Material 25 exponierten Sektionen 26 können mit einem Lötmaterial 27 bedeckt werden, wie in 3D gezeigt. Das Lötmaterial 27 kann beispielsweise SnPb, SnAg, SnAgCu, SnAgCuNi, SnAu, SnCu und/oder SnBi sein. Das Lötmaterial 27 kann während seiner Abscheidung eine Lötpaste sein, die beispielsweise durch Schablonendruck, Siebdruck oder irgendeine andere angebrachte Abscheidungstechnik abgeschieden wird. Die Höhe der Lötschicht 27 kann gleich der Höhe der elektrisch isolierenden Schicht 25 sein, kann aber auch verschieden sein.
Als eine Alternative zu dem Lötmaterial 27 können auf den exponierten Sektionen 26 andere elektrisch leitende Materialien wie etwa elektrisch leitender Kleber oder Metall-(Nano-)Teilchen abgeschieden werden. Der elektrisch leitende Kleber kann auf Epoxidharzen oder Silikon basieren und kann mit Gold, Silber, Nickel oder Kupfer angereichert sein, um die elektrische Leitfähigkeit herzustellen. Die Metallteilchen können beispielsweise aus einem Metall wie etwa Silber, Gold, Kupfer, Zinn oder Nickel bestehen. Die Abmessungen (mittlerer Durchmesser) der Metallteilchen kann kleiner als 100 nm und kleiner als 50 nm oder 10 nm sein. Es kann auch vorgesehen sein, dass nur ein Bruchteil der Metallteilchen solche Abmessungen aufweist. Beispielsweise können mindestens 10% oder 20% oder 30% oder 40% oder 50% oder 60% oder 70% der Metallteilchen Abmessungen kleiner als 100 nm oder 50 nm oder 10 nm aufweisen. Die anderen Metallteilchen können größere Abmessungen aufweisen.
Als eine weitere Alternative wird das Lötmaterial 27 (oder der elektrisch leitende Kleber oder die Metallteilchen) nicht auf der ersten Metallfolie 11 abgeschieden, sondern die ersten Flächen 14 der Halbleiterchips 10 werden mit diesen Materialien beschichtet. Wenn nicht-kriechende Materialien verwendet werden, um die elektrische Verbindung zwischen der ersten Metallfolie 11 und den Halbleiterchips 10 herzustellen, kann zudem auch die Abscheidung des Materials 25 entfallen.
Wie in 3E gezeigt, können die Halbleiterchips 10 über der ersten Fläche 20 der ersten Metallfolie 11 platziert werden, ein jeweiliger der Halbleiterchips 10 kann über jeder der Sektionen 26 platziert werden. Eine beliebige Anzahl der Halbleiterchips 10 kann über der ersten Metallfolie 11 platziert werden, beispielsweise mindestens zwei Halbleiterchips 10. In 3E sind vier Halbleiterchips 10 gezeigt, jedoch können weitere Halbleiterchips 10 zusätzlich über der ersten Metallfolie 11 platziert werden, die nicht in 3E gezeigt sind. Beispielsweise können mehr als 50 oder 100 oder 500 Halbleiterchips 10 über der ersten Metallfolie 11 platziert werden. Die Halbleiterchips 10 können in einem Array angeordnet werden. Die Halbleiterchips 10 werden auf der ersten Metallfolie 11 in einem größeren Abstand umgeordnet, als sie in dem Wafer-Verbund gewesen sind. Einige der Halbleiterchips können auch auf der ersten Metallfolie mit fast keinem Raum zwischen ihnen platziert werden und einige der Halbleiterchips sind möglicherweise noch nicht getrennt worden, so dass sie sich immer noch in dem Wafer-Verbund befinden. Die Halbleiterchips 10 können auf dem gleichen Halbleiter-Wafer hergestellt worden sein, können aber auch auf verschiedenen Wafern hergestellt worden sein. Weiterhin können die Halbleiterchips 10 physikalisch identisch sein, können aber auch verschiedene integrierte Schaltungen enthalten und/oder andere Komponenten darstellen und/oder können verschiedene Außenabmessungen und/oder Geometrien aufweisen. Die Halbleiterchips 10 können eine Dicke im Bereich zwischen 50 μm und mehreren hundert Mikrometern, insbesondere im Bereich zwischen 60 und 80 μm aufweisen. Die Halbleiterchips 10 können über der ersten Metallfolie 11 platziert werden, wobei ihre ersten Flächen 14 der ersten Metallfolie 11 zugewandt sind und ihre zweiten Flächen 16 von der ersten Metallfolie 11 abgewandt sind.
Jeder der Halbleiterchips 10 kann eine erste Elektrode 13 auf der ersten Fläche 14 und eine zweite Elektrode 15 auf der zweiten Fläche 16 aufweisen. Die ersten und zweiten Elektroden 13, 15 können Lastelektroden sein. Weiterhin kann jeder der Halbleiterchips 10 eine dritte Elektrode 28 auf seiner zweiten Fläche 16 aufweisen, die als eine Steuerelektrode fungiert. Die Elektroden 13, 15 und 28 können auch anders als in der Darstellung von 3E angeordnet sein. Beispielsweise können die Steuerelektroden 28 in den Ecken der zweiten Flächen 16 der Halbleiterchips 10 angeordnet sein. Zudem können sich die ersten Elektroden 13 zu den Seitenflächen der Halbleiterchips 10 erstrecken und können sogar Abschnitte der Seitenfläche bedecken. Die Halbleiterchips 10 können als Leistungshalbleiterchips konfiguriert sein und können Leistungsdioden oder Leistungstransistoren enthalten, beispielsweise Leistungs-MOSFETs, IGBTs, JFETs oder Leistungsbipolartransistoren. Im Fall eines Leistungs-MOSFET oder eines JFET ist die erste Lastelektrode 13 eine Drain-Elektrode, die zweite Lastelektrode 15 eine Source-Elektrode und die Steuerelektrode 28 eine Gate-Elektrode. Im Fall eines IGBT ist die erste Lastelektrode 13 eine Kollektorelektrode, die zweite Lastelektrode 15 eine Emitterelektrode und die Steuerelektrode 28 eine Gate-Elektrode. Im Fall eines Leistungsbipolartransistors ist die erste Lastelektrode 13 eine Kollektore lektrode, die zweite Lastelektrode 15 eine Emitterelektrode und die Steuerelektrode 28 eine Basiselektrode. Im Fall einer Leistungsdiode sind die ersten und zweiten Lastelektroden 13 und 15 Kathode und Anode. Beim Betrieb können Spannungen von bis zu 5, 50, 100, 500 oder 1000 V oder sogar noch höher zwischen den Lastelektroden 13 und 15 angelegt werden. Die an die Steuerelektrode 28 angelegte Schaltfrequenz kann im Bereich von 1 kHz bis 500 kHz für CMOS-Halbleiterchips 10 und bis zu mehreren GHz, wenn Halbleiterchips 10 verwendet werden, die über bestimmte Technologien wie etwa Bipolarleistungstransistoren hergestellt werden, liegen. Zudem können die Halbleiterchips 10 auch ohne Schalten des Potentials der Steuerelektrode 28 betrieben werden.
Nach der Platzierung der Halbleiterchips 10 kann das Lötmaterial 27 durch eine Wärmebehandlung bei moderaten Temperaturen, beispielsweise Temperaturen zwischen 100 und 120°C, für etwa 30 Minuten gehärtet werden. Während des Härteprozesses kann in dem Lötmaterial 27 enthaltenes Lösemittel verdampfen. Die Wärmebehandlung kann durch Verwenden einer Heizplatte oder eines Ofens durchgeführt werden. Wenn anstelle des Lötmaterials 27 elektrisch leitender Kleber oder Metallteilchen verwendet werden, kann die Wärmebehandlung entfallen oder bei angepassten Temperaturen ausgeführt werden.
Lötmaterial 29 kann auf den zweiten Elektroden 15 und den Steuerelektroden 28 der Halbleiterchips 10 beispielsweise durch Schablonendruck, Siebdruck oder eine beliebige andere angebrachte Abscheidungstechnik abgeschieden werden. Das Lötmaterial 29 kann derart abgeschieden werden, dass das auf der zweiten Elektrode 15 von einem der Halbleiterchips 10 abgeschiedene Lötmaterial nicht mit dem auf der Steuerelektrode 28 des gleichen Halbleiterchips 10 abgeschiedenen Lötmaterial 29 in Kontakt steht. Anstelle des Lötmaterials 29 kann oder können elektrisch leitender Kleber oder Metall-(Nano-)Teil chen abgeschieden werden. Weiterhin kann die Abscheidung des Lötmaterials 29 (oder des elektrisch leitenden Klebers oder der Metallteilchen) entfallen, wenn das Lötmaterial 29 (oder der elektrisch leitende Kleber oder die Metallteilchen) auf den Halbleiterchips 10 abgeschieden worden sind, bevor sie über der ersten Metallfolie 11 platziert werden.
Auf die Abscheidung des Lötmaterials 29 kann eine weitere Wärmebehandlung bei moderaten Temperaturen, beispielsweise Temperaturen zwischen 100 und 120°C, für etwa 30 Minuten zum Härten des Lötmaterials 29 folgen. Wenn elektrisch leitender Kleber oder Metallteilchen anstelle des Lötmaterials 29 verwendet werden, kann die Wärmebehandlung entfallen oder bei justierten Temperaturen ausgeführt werden. Weiterhin kann das Härten der Lötmaterialien 27 und 29 zur gleichen Zeit ausgeführt werden.
Wie in 3G gezeigt, wird eine zweite Metallfolie 12 über den Halbleiterchips 10 platziert. Die zweite Metallfolie 12 kann aus einem starren Material bestehen, beispielsweise einem Metall oder einer Metalllegierung wie etwa Kupfer, Aluminium, Nickel, CuFeP, Stahl oder rostfreiem Stahl. Zudem kann die zweite Metallfolie 12 mit einem elektrisch leitenden Material plattiert werden, beispielsweise Kupfer, Silber, Eisen-Nickel oder Nickelphosphor. Die zweite Metallfolie 12 kann eine flache oder plane obere und untere Fläche aufweisen. Die Gestalt der zweiten Metallfolie 12 ist nicht auf eine beliebige geometrische Gestalt begrenzt, und die zweite Metallfolie 12 kann eine angebrachte Größe aufweisen. Beispielsweise kann die Dicke d₃ der zweiten Metallfolie 12 im Bereich von 30 μm bis 1,3 mm und insbesondere von 50 bis 150 μm und insbesondere von 70 bis 120 μm liegen. Die Dicke der zweiten Metallfolie 12 kann ähnlich der Dicke der ersten Metallfolie 11 sein, oder die zweite Metallfolie 12 kann dünner sein als die erste Metallfolie 11. Die Dicke der zweiten Metallfolie 12 kann derart gewählt werden, dass sie ein Biegen der zweiten Metallfolie 12 gestattet.
Die zweite Metallfolie 12 kann strukturiert werden. Bei der in 3G gezeigten Ausführungsform weist die zweite Metallfolie 12 ein Array von Aussparungen (oder Vertiefungen) 30 auf, die sich alle von der oberen Fläche zu der unteren Fläche der zweiten Metallfolie 12 erstrecken. Das Strukturieren der zweiten Metallfolie 12, um die Aussparungen 30 herzustellen, kann vor dem in 3A bis 3K dargestellten Verfahren unter Verwendung von Sägen, einem Laserstrahl, Schneiden, Stanzen, Fräsen, Ätzen oder eines beliebigen anderen angebrachten Verfahrens ausgeführt worden sein. Die zweite Metallfolie 12 kann derart über den Halbleiterchips 10 platziert werden, dass jede der Aussparungen 30 zwischen der zweiten Lastelektrode 15 und der Steuerelektrode 28 eines jeweiligen der Halbleiterchips 10 angeordnet ist.
Die zweite Metallfolie 12 kann auch kleine Löcher enthalten, die in 3G nicht gezeigt sind. Diese Löcher können das Ausgasen des Lötmaterials 29 oder des elektrisch leitenden Klebers gestatten. Diese Löcher können durch Stanzen, Ätzen oder eine beliebige andere angebrachte Technik hergestellt werden.
Nach der Platzierung der zweiten Metallfolie 12 kann eine Temperatur, die hoch genug ist, um die Lötmaterialien 27 und 29 zu schmelzen, ausgeübt werden. Diese Temperatur kann beispielsweise im Bereich zwischen 260 und 390°C liegen. Das Schmelzen der Lötmaterialien 27 und 29 führt zu gelöteten Verbindungen zwischen der ersten Metallfolie 11 und den Halbleiterchips 10 sowie der zweiten Metallfolie 12 und den Halbleiterchips 10. Folglich haften die erste und zweite Metallfolie 11, 12 und die Halbleiterchips 10 fest aneinander. Wenn anstelle der Lötmaterialien 27 und 29 der elektrisch leitende Kleber verwendet wird, kann eine Temperatur ausgeübt werden, die ausreicht, um den elektrisch leitenden Kleber zu härten und dadurch zu verfestigen. Diese Temperatur kann beispielsweise in dem Bereich zwischen 150 und 200°C liegen. Wenn anstelle der Lötmaterialien 27 und 29 Metall-(Nano-)Teilchen verwendet werden, kann eine Temperatur, die hoch genug ist, um die Metallteilchen zu sintern, angewendet werden. Diese Temperatur kann beispielsweise höher als 150 oder 200°C liegen und hängt von dem Durchmesser der Metallteilchen ab.
Wie in 3H gezeigt, können die erste und zweite Metallfolie 11, 12 unterteilt werden, wodurch die Halbleiterchips 10 von einander getrennt werden, beispielsweise durch Sägen, Schneiden, Fräsen oder Laserabtragung. Vor dem Unterteilen der ersten und zweiten Metallfolie 11, 12 können sie auf einem Träger 31 platziert werden, der eine weiche und klebrige Oberfläche aufweisen kann, damit die elektrisch isolierende Schicht 23 leicht in den Träger 31 sinken kann. Dazu kann der Träger 31 beispielsweise Silikon oder ein beliebiges anderes angebrachtes Material enthalten. Die zweite Metallfolie 12 kann derart unterteilt werden, dass Abschnitte 32 der zweiten Metallfolie 12, die elektrisch an die zweiten Elektroden 15 der Halbleiterchips 10 gekoppelt sind, und Abschnitte 33 der zweiten Metallfolie 12, die elektrisch an die Steuerelektroden 28 gekoppelt sind, über den Aussparungen 22 in der ersten Metallfolie 11 angeordnet sind. Die Abschnitte 32 und 33, die an einem der Halbleiterchips 10 angeschlossen sind, sind beispielhaft in 3H durch gestrichelte Linien angegeben. Weiterhin kann die zweite Metallfolie 12 so unterteilt werden, dass die zweite Elektrode 15 und die Steuerelektrode 28 jedes Halbleiterchips 10 durch die jeweilige Aussparung 30 elektrisch voneinander isoliert sind.
Nach der Trennung der ersten und zweiten Metallfolie 11, 12 können die Abschnitte 32 und 33 der zweiten Metallfolie 12, die die Aussparungen 22 in der ersten Metallfolie 11 überlappen, so gebogen werden, dass die Oberflächen 34 der zweiten Metallfolie 12 im Wesentlichen in der durch die zweite Fläche 21 der ersten Metallfolie 11 definierten Ebene oder in einer Ebene parallel zu dieser Ebene liegen, wie in 3I gezeigt. Die Enden der gebogenen Abschnitte 32 und 33 befinden sich in den in der ersten Metallfolie 11 ausgebildeten Aussparungen 22. Das Biegen zu der zweiten Metallfolie 12 kann unter Verwendung entsprechender Werkzeuge ausgeführt werden. Es wird angemerkt, dass zur besseren Veranschaulichung die in 3A bis 3K gezeigten Komponenten in einer Richtung orthogonal zu den Hauptflächen der Halbleiterchips 10 um etwa einen Faktor von 10 komprimiert sind.
Nach oder vor dem Biegen der zweiten Metallfolie 12 kann ein elektrisch isolierendes Material 35 auf dem Träger 31 und den auf dem Träger 31 platzierten Komponenten aufgebracht werden, wie in 3J gezeigt. Das elektrisch isolierende Material 35 kann die Seitenflächen der ersten Metallfolie 11 und andere Oberflächen bedecken. Das elektrisch isolierende Material 35 darf jedoch nicht die obere Fläche der zweiten Metallfolie 12 bedecken. Weiterhin darf das elektrisch isolierende Material 35 nicht die Aussparungen 24 in dem elektrisch isolierenden Material 23 bedecken, die Abschnitte der zweiten Fläche 21 der ersten Metallfolie 11 exponieren, weil die Aussparungen 24 von dem Träger 31 geschützt werden. Das elektrisch isolierende Material 35 kann beispielsweise Silikon enthalten und kann im flüssigen, dünnflüssigen oder viskosen Zustand aufgebracht werden. Nach seiner Aufbringung kann das elektrisch isolierende Material 35 bei einer angemessenen Temperatur gehärtet werden.
Wie in 3K gezeigt, kann das elektrisch isolierende Material 35 unterteilt werden, wodurch die Einrichtungen 300 voneinander getrennt werden, beispielsweise durch Sägen, Schnei den, Fräsen oder Laserabtragung. Weiterhin können die Einrichtungen 300 von dem Träger 31 gelöst werden. Die Einrichtungen 300 können derart getrennt werden, dass die Seitenflächen der ersten Metallfolie 11 immer noch mit dem elektrisch isolierenden Material 35 beschichtet sind.
Für einen Fachmann ist es offensichtlich, dass die Einrichtungen 300 nur ein Ausführungsbeispiel sein sollen und dass viele Variationen möglich sind. Wenngleich jede der Einrichtungen 300 in der in 3K gezeigten Ausführungsform genau einen Halbleiterchip enthält, der der Leistungshalbleiterchip 10 ist, können die Einrichtungen 300 zwei oder mehr Halbleiterchips und/oder passive Elemente enthalten. Die Halbleiterchips und passiven Elemente können hinsichtlich Funktion, Größe, Herstellungstechnologie usw. differieren. Beispielsweise kann ein den Leistungshalbleiterchip 10 steuernder Halbleiterchip in jeder der Einrichtungen 300 enthalten sein.
Eine weitere Variante des in 3A bis 3K gezeigten Verfahrens ist schematisch in den 4A bis 4D gezeigt. Der in 4A gezeigte Fabrikationsprozess entspricht dem in 3E gezeigten Fabrikationsprozess, wo die Halbleiterchips 10 auf dem Lötmaterial 27 (oder dem elektrisch leitenden Kleber oder den Metallteilchen) platziert werden.
Wie in 4B gezeigt, können die Seitenflächen der Halbleiterchips 10 und Abschnitte der zweiten Flächen 16 der Halbleiterchips 10 mit einem elektrisch isolierenden Material 40 bedeckt sein. Das elektrisch isolierende Material 40 kann beispielsweise zwischen der zweiten Elektrode 15 und der Steuerelektrode 28 jedes Halbleiterchips 10 abgeschieden werden, um diese beiden Elektroden elektrisch voneinander zu isolieren. Weiterhin kann das elektrisch isolierende Material 40 so aufgebracht werden, dass Arrays von unbedeckten Bereichen 41 auf den zweiten Elektroden 15 der Halbleiterchips 10 entstehen. Für die Abscheidung des elektrisch isolierenden Materials 40 können die gleichen Abscheidungsverfahren wie oben in Verbindung mit der Abscheidung des elektrisch isolierenden Materials 23 beschrieben verwendet werden, beispielsweise können Druckverfahren verwendet werden. Weiterhin können die gleichen Materialien für das elektrisch isolierende Material 40 verwendet werden, wie oben in Verbindung mit dem elektrisch isolierenden Material 23 beschrieben.
Das Lötmaterial 29 (oder der elektrisch leitende Kleber oder die Metallteilchen) können auf den Bereichen 41, die nicht mit dem elektrisch isolierenden Material 40 bedeckt sind, und den Steuerelektroden 28 abgeschieden werden, wie in 4C gezeigt.
Danach kann die die Aussparungen 30 enthaltende zweite Metallfolie 12 über den Halbleiterchips 10 platziert werden, wie in 4D gezeigt. Die zweite Metallfolie 12 kann auf das elektrisch isolierende Material 40 laminiert werden, indem Vakuum sowie Wärme und Druck für eine geeignete Zeit einwirken. Die für die Laminierung der zweiten Metallfolie 12 ausgeübte Wärme kann auch die Lötmaterialien 27 und 29 schmelzen, was zu Lötfügestellen zwischen der ersten und zweiten Metallfolie 11, 12 und den Halbleiterchips 10 führt. Falls elektrisch leitender Kleber oder Metallteilchen anstelle der Lötmaterialien 27 und 29 verwendet werden, kann die für die Laminierung der zweiten Metallfolie 12 aufgebrachte Wärme den elektrisch leitenden Kleber härten oder die Metallteilchen sintern. Danach können die gleichen oder ähnliche Fabrikationsprozesse durchgeführt werden, wie in 3H bis 3K gezeigt.
5A zeigt schematisch eine Querschnittsansicht eines Systems 500. Das System 500 enthält die Einrichtung 300, ein Kühlelement 50 und eine Leiterplatte 51. Die Einrichtung 300 ist in der Richtung orthogonal zu den Hauptflächen des Halbleiterchips 10 in 5A im Vergleich zu 3K weniger komprimiert. Die Einrichtung 300 ist auf der Leiterplatte 51 montiert, wobei ihre Montageoberfläche, die die zweite Fläche 21 der ersten Metallfolie 11 ist, der Leiterplatte 51 zugewandt ist. Die Leiterplatte 51 kann eine PCB (Printed Circuit Board; gedruckte Leiterplatte) sein und kann Kontaktpads 52 auf ihrer oberen Fläche enthalten, an der die Einrichtung 300 angebracht ist. Beispielsweise können die externen Kontaktoberflächen der Einrichtung 300 unter Verwendung von Lötabscheidungen 53 (und Surface-Mount-Technologie) an die Kontaktpads 52 der Leiterplatte 51 gelötet worden sein. Die externen Kontaktoberflächen der Einrichtung 300 sind die Oberfläche 24 der ersten Metallfolie 11, die elektrisch an die erste Elektrode 13 des Halbleiterchips 10 gekoppelt ist, und die Oberflächen 34 der zweiten Metallfolie 12, die im Wesentlichen in der durch die zweite Fläche 21 der ersten Metallfolie 11 definierten Ebene liegen und die elektrisch an die zweite Elektrode 15 beziehungsweise die Steuerelektrode 28 des Halbleiterchips 10 gekoppelt sind. Die Oberfläche 34 der zweiten Metallfolie 12, die elektrisch an die zweite Elektrode 15 gekoppelt ist, ist in 5A nicht gezeigt.
Das Kühlelement 50 (oder der Kühlkörper) kann an der Oberseite der Einrichtung 300 angebracht sein. Das Kühlelement 50 kann elektrisch von der oberen Fläche der zweiten Metallfolie 12 isoliert sein (nicht gezeigt). Beispielsweise kann eine aus einer Folie, einer Paste oder einem beliebigen anderen elektrisch isolierenden Material mit einer ausreichenden Wärmeleitfähigkeit hergestellte elektrisch isolierende Schicht zwischen der zweiten Metallfolie 12 und dem Kühlelement 50 angeordnet sein. Das Kühlelement 50 leitet die von dem in der Einrichtung 300 enthaltenen Halbleiterchip 10 beim Betrieb erzeugte Wärme ab. Falls das Kühlelement 50 direkt an der zweiten Metallfolie 12 angebracht ist, kann das Kühlelement 50 nur an dem Abschnitt der zweiten Metallfolie 12 angebracht sein, der elektrisch an die zweite Elektrode 15 des Halbleiterchips 10 gekoppelt ist, und nicht an die Steuerelektrode 28.
Weitere Einrichtungen, die in 5 nicht gezeigt sind, können zusätzlich auf der Leiterplatte 51 montiert sein. Beispielsweise kann eine Steuereinrichtung auf der Leiterplatte 51 montiert und konfiguriert sein, die Einrichtung 300 zu steuern. Die Steuereinrichtung kann das elektrische Potential der Steuerelektrode 28 ansteuern, wodurch das Schalten des Halbleiterchips 10 gesteuert wird.
5B zeigt schematisch eine Querschnittsansicht eines Systems 501. Das System 501 ist ähnlich dem System 500, enthält aber eine Einrichtung 301, bei der die zweite Fläche 16 des Halbleiterchips 10 der ersten Metallfolie 11 zugewandt ist. Deshalb ist die erste Metallfolie 11 zum elektrischen Kontaktieren der zweiten Elektrode 15 und der Steuerelektrode 28 strukturiert. Die erste Elektrode 13 ist elektrisch an die zweite Metallfolie 12 gekoppelt. Die Einrichtung 301 kann beispielsweise unter Verwendung eines Fabrikationsverfahrens analog zu dem in 3A bis 3K gezeigten Verfahren hergestellt werden.
Eine weitere Variation der Einrichtung 300 ist in 6 schematisch in einer Draufsicht gezeigt. Die in 6 gezeigte Einrichtung 600 kann unter Verwendung der Through-Hole-Technologie auf einer Leiterplatte montiert werden. Dazu enthält die Einrichtung 600 vorstehende externe Kontaktelemente 24, 32 und 33, die in in eine Leiterplatte gebohrte Löcher eingesetzt werden und an Pads auf der gegenüberliegenden Seite der Leiterplatte gelötet werden können. Das externe Kontaktelement 24 ist Teil der ersten Metallfolie 11 und elektrisch an die erste Elektrode 13 des Halbleiterchips 10 gekoppelt. Die externen Kontaktelemente 32 und 33 sind Teile der zweiten Metallfolie 12 und elektrisch an die zweite Elektrode 15 beziehungsweise die Steuerelektrode 28 des Halbleiterchips 10 gekoppelt. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist die zweite Metallfolie 12 möglicherweise nicht gebogen, wie in 3I gezeigt. Während der Produktion der Einrichtungen 600 können die Einrichtungen 600 Linie für Linie angeordnet werden, jeweils um 180° derart in der Ebene gedreht, dass die vorstehenden externen Kontaktelemente 24, 32 und 33 von zwei benachbarten Einrichtungen 600 einander zugewandt sind und überlappen.
Eine weitere Variation des in 3A bis 3K gezeigten Verfahrens ist schematisch in 7 gezeigt. Der in 7 gezeigte Fabrikationsprozess kann den in 3J gezeigten Fabrikationsprozess ersetzen und kann auf die in 6 gezeigte Einrichtung 600 angewendet werden. Wie in 7 gezeigt, werden die externen Kontaktelemente 24, 32 und 33 der Einrichtungen 600 derart an einer magnetischen Folie (oder Kette oder Draht oder Kabel) 55 angebracht, dass die Einrichtungen 600 in ein das elektrisch isolierende Material 35 enthaltendes Bad 56 getaucht werden. Dadurch werden die Komponenten der Einrichtungen 600 mit dem elektrisch isolierenden Material 35 beschichtet, aber die externen Kontaktelemente 24, 32 und 33 bleiben unbedeckt. Falls die Einrichtungen 300 mit dem elektrisch isolierenden Material 35 in dem Bad 56 beschichtet werden, müssen die externen Kontaktoberflächen 24 und 34 geschützt werden, bevor die Einrichtung 300 in das Bad 56 getaucht wird.
8 zeigt schematisch eine Einrichtung 800 in einer Draufsicht (oben) und einer Querschnittsansicht (unten) entlang der in der Draufsicht gezeigten Linie A-A'. Die Einrichtung 800 kann unter Verwendung des in 3A bis 3K gezeigten Verfahrens hergestellt werden. Die Einrichtung 800 kann den Leistungshalbleiterchip 10 und einen weiteren Leistungshalbleiterchip 60, der mit dem Leistungshalbleiterchip 10 identisch sein kann, enthalten. Beide Leistungshalbleiterchips 10 und 60 können in einer Halbbrückenschaltung aneinander gekoppelt sein.
Eine Grundschaltung einer zwischen zwei Knoten N1 und N2 angeordneten Halbbrücke 900 ist in 9 gezeigt. Die Halbbrücke 900 besteht aus zwei in Reihe geschalteten Schaltern S1 und S2. Konstante elektrische Potentiale können an die Knoten N1 und N2 angelegt sein. Beispielsweise kann ein hohes elektrisches Potential, wie etwa 10, 50, 100, 200, 500 oder 1000 V oder irgendein anderes Potential an den Knoten N1 und ein niedriges elektrisches Potential, beispielsweise 0 V, an den Knoten N2 angelegt sein. In diesem Fall wird der Schalter S1 als der High-Side-Schalter (Hoch-Potential-Schalter) bezeichnet und der Schalter S2 als der Low-Side-Schalter (Niedrig-Potential-Schalter) bezeichnet. Die Schalter S1 und S2 können mit Frequenzen im Bereich von 1 kHz bis 100 MHz geschaltet werden, doch können die Schaltfrequenzen auch außerhalb dieses Bereichs liegen.
In der Einrichtung 800 können die Leistungshalbleiterchips 10 und 60 als die Schalter S1 und S2 implementiert sein. Der Leistungshalbleiterchip 60 kann auf der ersten Metallfolie 11 derart montiert sein, dass seine zweite Elektrode 15 an die erste Metallfolie 11 gekoppelt ist. Weiterhin ist die erste Elektrode 13 des Leistungshalbleiterchips 10 mit Hilfe der ersten Metallfolie 11 an die zweite Elektrode 15 des Leistungshalbleiterchips 60 gekoppelt. Die zweite Metallfolie 12 ist derart strukturiert, dass die zweite Elektrode 15 des Leistungshalbleiterchips 10 und die erste Elektrode 13 des Leistungshalbleiterchips 60 elektrisch voneinander isoliert sind. Zudem sind die Steuerelektroden 28 von beiden Halbleiterchips 10 und 60 elektrisch von den anderen Elektroden iso liert. Die Einrichtung 800 kann auch als ein SMD (Surface Mount Device – oberflächenmontiertes Bauelement) verkörpert sein. In diesem Fall können die an die zweite Elektrode 15 und die Steuerelektrode 28 des Halbleiterchips 10 gekoppelten Abschnitte der zweiten Metallfolie 12 als die jeweiligen Komponenten in der Einrichtung 500 verkörpert sein. Der an die erste Elektrode 13 des Halbleiterchips 60 gekoppelte Abschnitt der zweiten Metallfolie 12 kann als die jeweilige Komponente in der Einrichtung 501 verkörpert sein. Weiterhin können die vorstehenden externen Kontaktelemente von beiden Metallfolien 11, 12 entfallen. Gemäß einer Ausführungsform koppelt die erste Metallfolie 11 möglicherweise die erste Elektrode 13 des Halbleiterchips 10 nicht elektrisch an die zweite Elektrode 15 des Halbleiterchips 60. Diese elektrische Verbindung kann beim Montieren der Einrichtung 800 auf einer Leiterplatte hergestellt werden.
Die Halbbrückeneinrichtung 800 kann beispielsweise in Elektronikschaltungen implementiert werden, um Gleichspannungen umzuwandeln, Gleichspannungswandler. Gleichspannungswandler können dazu verwendet werden, eine von einer Batterie oder einem Akkumulator gelieferte Eingangsgleichspannung in eine Ausgangsgleichspannung umzuwandeln, die an den Bedarf von nachgeschalteten Elektronikschaltungen angepasst ist. Gleichspannungswandler können als Step-Down-Wandler (Abwärtswandler) verkörpert sein, bei denen die Ausgangspannung kleiner ist als die Eingangsspannung, oder als Step-Up-Wandler (Aufwärtswandler), bei denen die Ausgangsspannung größer ist als die Eingangsspannung. Frequenzen von mehreren MHz oder höher können an Gleichspannungswandler angelegt werden. Weiterhin können Ströme von bis zu 50 A oder höher durch die Gleichspannungswandler fließen.
Die 10A bis 10L zeigen schematisch eine Ausführungsform eines Verfahrens zum Herstellen einer Einrichtung 1000, die in 10L gezeigt ist. Das in 10A bis 10L gezeigte Verfahren ist fast identisch mit dem in 3A bis 3K gezeigten Verfahren. Die Unterschiede zwischen beiden Verfahren sind nachfolgend beschrieben.
Wie in 10A gezeigt, wird die erste Metallfolie 11 bereitgestellt. Die erste Metallfolie 11 ist in einer Draufsicht (oben) und einer Querschnittsansicht (unten) entlang der in der Draufsicht gezeigten Linie A-A' gezeigt. Im Gegensatz zu der in 3A gezeigten ersten Metallfolie 11 ist die erste Metallfolie 11 von 10A nicht strukturiert, so dass die erste und zweite Fläche 20 und 21 der ersten Metallfolie 11 gleichförmig und nichtunterbrochen sind.
Das elektrisch isolierende Material 23 kann auf der zweiten Fläche 21 der ersten Metallfolie 11 abgeschieden werden, wie in 10B gezeigt. Das elektrisch isolierende Material 23 kann strukturiert sein. Mehrere Aussparungen 24, 70 und 71 sind in dem elektrisch isolierenden Material 23 hergestellt, die Abschnitte der zweiten Fläche 21 der ersten Metallfolie 11 exponieren. Die Aussparungen 70 befinden sich an Plätzen, wo die strukturierte erste Metallfolie 11 von 3A Aussparungen 22 aufweist, und entlang den Aussparungen 71 werden die Einrichtungen 1000 später getrennt.
Die in 10C bis 10G gezeigten Fabrikationsprozesse entsprechen den in 3C bis 3G gezeigten Fabrikationsprozessen, wobei die zweite Metallfolie 12 von 10G nicht strukturiert ist, sondern gleichförmig und nichtunterbrochen ist.
Nach der Produktion der gelöteten Fügestellen (oder geklebten oder gesinterten Fügestellen) zwischen der ersten und zweiten Metallfolie 11, 12 und den Halbleiterchips 10 kann ein Material 71 auf der zweiten Metallfolie 12 abgeschieden werden, wie in 10H gezeigt. Für die Abscheidung des Materials 71 können die gleichen Abscheidungsverfahren verwendet werden, wie oben in Verbindung mit der Abscheidung des elektrisch isolierenden Materials 23 beschrieben. Das Material 71 kann auf die zweite Metallfolie 12 gedruckt werden. Weiterhin können die gleichen Materialien für das Material 71 verwendet werden, wie oben in Verbindung mit dem elektrisch isolierenden Material 23 beschrieben.
Das Material 71 kann strukturiert werden. Mehrere Aussparungen 72 und 73 werden in dem Material 71 hergestellt, die Abschnitte der zweiten Metallfolie 12 exponieren. Die Aussparungen 72 befinden sich an Plätzen, wo die strukturierte zweite Metallfolie 12 von 3G Aussparungen 30 aufweist, und entlang der Aussparungen 73 werden die Einrichtungen 1000 später getrennt. Weiterhin werden die die erste Metallschicht 11 exponierenden Aussparungen 72 von einem entsprechenden Material 74 geschützt, beispielsweise Wachs, das gegenüber dem Ätzmittel, das in dem nächsten Fabrikationsschritt verwendet wird, beständig ist.
Danach werden die untere Fläche der ersten Metallfolie 11 und die obere Fläche der zweiten Metallfolie 12 einem geeigneten flüssigen Ätzmittel ausgesetzt, das die exponierten Abschnitte der ersten und zweiten Metallfolie 11, 12 ätzt. Danach kann das Material 74 entfernt werden, es kann aber auch während eines späteren Fabrikationsschritts entfernt werden. Weiterhin kann das Material 71 von der zweiten Metallfolie 12 entfernt werden, wenn das Material 71 nur als eine Ätzmaske verwendet wird. Das Material 71 kann auch auf der zweiten Metallfolie 12 zurückbleiben, wenn das Material 71 elektrisch isoliert und eine entsprechende Wärmeleitfähigkeit aufweist. Das Ergebnis des Ätzprozesses ist in 10I gezeigt.
Die in 10J bis 10L gezeigten Fabrikationsprozesse entsprechen den in 3I bis 3K gezeigten Fabrikationsprozessen.
11A bis 11M zeigen schematisch eine Ausführungsform eines Verfahrens zum Herstellen einer Einrichtung 1100, die in 11M gezeigt ist. Das in 11A bis 11M gezeigte Verfahren ist fast identisch mit dem in 10A bis 10L gezeigten Verfahren. Die Unterschiede zwischen beiden Verfahren werden nachfolgend beschrieben.
Die in 11A bis 11G gezeigten Fabrikationsprozesse entsprechen den in 10A bis 10H gezeigten Fabrikationsprozessen, doch entfällt die Abscheidung des elektrisch isolierenden Materials 23 auf der zweiten Fläche 21 der ersten Metallfolie 11, wie in 10B gezeigt. Die Abscheidung des elektrisch isolierenden Materials 23 wird in dem in 11H gezeigten Fabrikationsprozess ausgeführt, was bedeutet, dass das elektrisch isolierende Material 23 nach dem Löten, Kleben oder Sintern der ersten und zweiten Metallfolie 21, 22 und der Halbleiterchips 10 miteinander abgeschieden wird. Das Strukturieren des elektrisch isolierenden Materials 23 ist das gleiche wie in 10B gezeigt.
Wie in 11I gezeigt, werden die die erste Metallschicht 11 exponierenden Aussparungen 24 in dem elektrisch isolierenden Material 23 durch das Material 74 geschützt, beispielsweise Wachs, das gegenüber dem Ätzmittel beständig ist.
Wie in 11J gezeigt, wird nur die untere Fläche der ersten Metallschicht 11 dem Ätzmittel ausgesetzt, das die exponierten Abschnitte der ersten Metallfolie 11 ätzt, um die Aussparungen 22 in der ersten Metallfolie 11 zu erhalten.
Ähnlich dem in 3J gezeigten Fabrikationsprozess kann das elektrisch isolierende Material 35 auf den Seitenflächen der ersten Metallfolie 11 und den Halbleiterchips 10 aufgebracht werden, wie in 11K gezeigt. Das elektrisch isolierende Material 35 darf jedoch die untere Fläche der ersten Metallfolie 11 und die obere Fläche der zweiten Metallfolie 12 nicht bedecken. An Stellen, wo die zweite Metallfolie 12 später gebogen wird, können Löcher 80 in dem elektrisch isolierenden Material 35 angeordnet sein. Gemäß einer Ausführungsform, die in 11K unten gezeigt ist, bedeckt das elektrisch isolierende Material 35 nur eine der Einrichtungen, wenn es zwischen zwei benachbarten Einrichtungen aufgebracht wird. Bei der Darstellung von 11K ist die linke der beiden Einrichtungen mit dem elektrisch isolierenden Material 35 bedeckt, dessen zweite Metallfolie 12 später gebogen wird.
Wie in 11L gezeigt, wird dann nur die obere Fläche der zweiten Metallschicht 12 dem Ätzmittel ausgesetzt, das die exponierten Abschnitte der zweiten Metallfolie 12 ätzt. Das Material 71 kann von der zweiten Metallfolie 12 entfernt werden, wenn das Material 71 nur als eine Ätzmaske verwendet wird. Das Material 71 kann auch auf der zweiten Metallfolie 12 verbleiben, wenn das Material 71 elektrisch isoliert und eine entsprechende Wärmeleitfähigkeit aufweist. Das Material 74 kann entfernt werden, wenn es elektrisch isoliert. Wenn das Material 74 elektrisch leitend ist, kann es auf den Einrichtungen 1100 verbleiben.
Das elektrisch isolierende Material 35 kann ausreichend weich sein, dass es ein Biegen der zweiten Metallfolie 12 derart gestattet, dass Oberflächen 34 der zweiten Metallfolie 12 in einer Ebene parallel zu der durch die zweite Fläche 21 der ersten Metallfolie 11 definierten Ebene liegen, wie in 11M gezeigt. Dieser Fabrikationsprozess ist ähnlich dem in 3I gezeigten Fabrikationsprozess. Zudem kann das elektrisch isolierende Material 35 unterteilt werden, wodurch die Einrichtungen 1100 voneinander getrennt werden, beispielswei se durch Sägen, Schneiden, Fräsen oder Laserabtragung.
Wenngleich ein bestimmtes Merkmal oder ein bestimmter Aspekt einer Ausführungsform der Erfindung bezüglich nur einer von mehreren Implementierungen offenbart worden sein mag, kann außerdem ein derartiges Merkmal oder ein derartiger Aspekt mit einem oder mehreren anderen Merkmalen oder Aspekten der anderen Implementierungen kombiniert werden, wie für eine gegebene oder bestimmte Anwendung erwünscht und vorteilhaft sein kann. Weiterhin versteht sich, dass Ausführungsformen der Erfindung in diskreten Schaltungen, teilweise integrierten Schaltungen oder ganz integrierten Schaltungen oder Programmierungsmitteln implementiert sein können. Außerdem ist der Ausdruck ”beispielhaft” lediglich als ein Beispiel anstatt das Beste oder Optimale gemeint. Es ist auch zu verstehen, dass hierin dargestellte Merkmale und/oder Elemente mit bestimmten Abmessungen relativ zueinander zum Zweck der Vereinfachung und zum leichten Verständnis dargestellt worden sind und dass tatsächliche Abmessungen von den hierin dargestellten wesentlich differieren können.
Wenngleich hierin spezifische Ausführungsformen dargestellt und beschrieben worden sind, versteht der Durchschnittsfachmann, dass eine Vielzahl alternativer und/oder äquivalenter Implementierungen für die gezeigten und beschriebenen spezifischen Ausführungsformen substituiert werden können, ohne von dem Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Die vorliegende Anmeldung soll alle Adaptationen oder Variationen der hierin erörterten spezifischen Ausführungsformen abdecken. Deshalb soll die vorliegende Erfindung nur durch die Ansprüche und die Äquivalente davon beschränkt werden.

Claims

Einrichtung (100), umfassend: einen Halbleiterchip (10), der eine erste Elektrode (13) auf einer ersten Fläche (14) und eine zweite Elektrode (15) auf einer der ersten Fläche (14) gegenüberliegenden zweiten Fläche (16) umfasst, eine erste Metallfolie (11), die auf elektrisch leitende Weise an der ersten Elektrode (13) des Halbleiterchips (10) angebracht ist, und eine zweite Metallfolie (12), die auf elektrisch leitende Weise an der zweiten Elektrode (15) des Halbleiterchips (10) angebracht ist.
Einrichtung (100) nach Anspruch 1, wobei der Halbleiterchip (10) eine dritte Elektrode (28) auf der zweiten Fläche (16) aufweist.
Einrichtung (100) nach Anspruch 2, wobei die zweite Metallfolie (12) auf elektrisch leitende Weise an der dritten Elektrode (28) angebracht ist.
Einrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Halbleiterchip (10) einen Transistor umfasst und die erste Elektrode (13) eine Drain- oder Kollektor-Elektrode ist und die zweite Elektrode (15) eine Source- oder Emitter-Elektrode ist.
Einrichtung (100) nach Anspruch 4, wobei der Transistor (10) ein Leistungstransistor ist.
Einrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Metallfolie (11) und/oder die zweite Metallfolie (12) auf elektrisch leitende Weise durch Löten und/oder Kleben und/oder Sintern angebracht ist.
Einrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Abschnitte der ersten Metallfolie (11) und der zweiten Metallfolie (12) externe Kontaktoberflächen sind.
Einrichtung (100) nach Anspruch 7, wobei die externe Kontaktoberfläche der ersten Metallfolie (11) von der ersten Metallfolie (11) vorsteht.
Einrichtung (100) nach Anspruch 7 oder 8, wobei die externen Kontaktoberflächen der ersten und zweiten Metallfolie (11, 12) in einer im Wesentlichen gemeinsamen Ebene angeordnet sind.
Einrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Abschnitt der zweiten Metallfolie (12) in einer durch die erste Metallfolie (11) definierten Ebene liegt.
Einrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Abschnitt der zweiten Metallfolie (12) auf eine S-förmige Weise gebogen ist.
Einrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Metallfolie (11) und/oder die zweite Metallfolie (12) eine Dicke größer als 50 μm und kleiner als 150 μm aufweist.
Einrichtung (800) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Einrichtung (800) einen weiteren Halbleiterchip (60) umfasst, der in einer Halbbrückenschaltung an den Halbleiterchip (10) gekoppelt ist.
Einrichtung (800) nach Anspruch 13, wobei der weitere Halbleiterchip (60) eine erste Elektrode (13) auf einer ersten Fläche (14) und eine zweite und dritte Elektrode (15, 28) auf einer der ersten Fläche (14) gegenüberliegenden zweiten Fläche (16) aufweist und die zweite Metallfolie (12) auf elektrisch leitende Weise an der ersten Elektrode (13) des weiteren Halbleiterchips (60) angebracht ist.
Einrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend ein zwischen der ersten Metallfolie (11) und der zweiten Metallfolie (12) angeordnetes elektrisch isolierendes Material.
Verfahren, umfassend: Bereitstellen einer ersten Metallfolie (11) und einer zweiten Metallfolie (12); Bereitstellen von mehreren Halbleiterchips (10), die jeweils eine erste Elektrode (13) auf einer ersten Fläche (14) und eine zweite Elektrode (15) auf einer der ersten Fläche (14) gegenüberliegenden zweiten Fläche (16) aufweisen; und Anbringen der ersten Metallfolie (11) an den ersten Elektroden (13) der Halbleiterchips (10) und der zweiten Metallfolie (12) an den zweiten Elektroden (15) der Halbleiterchips (10).
Verfahren nach Anspruch 16, wobei die Halbleiterchips (10) durch Unterteilen der ersten Metallfolie (11) und/oder der zweiten Metallfolie (12) voneinander getrennt werden.
Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, wobei die erste Metallfolie (11) und/oder die zweite Metallfolie (12) durch Löten und/oder Kleben und/oder Sintern an den Halbleiterchips (10) angebracht werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, wobei Lötmaterial zwischen der ersten Metallfolie (11) und den Halbleiterchips (10) und zwischen den Halbleiterchips (10) und der zweiten Metallfolie (12) platziert wird und das Lötmate rials nach dem Anordnen der ersten Metallfolie (11), der Halbleiterchips (10) und der zweiten Metallfolie (12) aufeinander geschmolzen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 19, umfassend: Platzieren eines elektrisch leitenden Klebers zwischen der ersten Metallfolie (11) und den Halbleiterchips (10) und zwischen den Halbleiterchips (10) und der zweiten Metallfolie (12); und Verfestigen des elektrisch leitenden Klebers nach dem Anordnen der ersten Metallfolie (11), der Halbleiterchips (10) und der zweiten Metallfolie (12) aufeinander.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 20, wobei Metallteilchen zwischen der ersten Metallfolie (11) und den Halbleiterchips (10) und zwischen den Halbleiterchips (10) und der zweiten Metallfolie (12) platziert werden und die Metallteilchen nach dem Anordnen der ersten Metallfolie (11), der Halbleiterchips (10) und der zweiten Metallfolie (12) aufeinander gesintert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 21, wobei ein erster Abschnitt der zweiten Metallfolie (12) zu der ersten Metallfolie (11) gebogen wird oder ein erster Abschnitt der ersten Metallfolie (11) zu der zweiten Metallfolie (12) gebogen wird.
Verfahren nach Anspruch 22, wobei der erste Abschnitt der zweiten Metallfolie (12) nach dem Unterteilen der zweiten Metallfolie (12) gebogen wird.
Verfahren nach Anspruch 22 oder 23, wobei der erste Abschnitt der zweiten Metallfolie (12) an der zweiten Elektrode (15) des Halbleiterchips (10) angebracht wird und ein zweiter Abschnitt der zweiten Metallfolie (12), der an einer dritten Elektrode (28) des Halbleiterchips (10) angebracht wird, zu der ersten Metallfolie gebogen wird.
Einrichtung (300), umfassend: einen Halbleiterchip (10), der eine erste Elektrode (13) auf einer ersten Fläche (14) und eine zweite Elektrode (15) auf einer der ersten Fläche (14) gegenüberliegenden zweiten Fläche (16) umfasst, eine erste Metallfolie (11), die auf elektrisch leitende Weise an der ersten Elektrode (13) des Halbleiterchips (10) angebracht ist, und eine zweite Metallfolie (12), die auf elektrisch leitende Weise an der zweiten Elektrode (15) des Halbleiterchips (10) angebracht ist, wobei ein Abschnitt der zweiten Metallfolie (12) derart gebogen ist, dass der Abschnitt der zweiten Metallfolie (12) im Wesentlichen in einer durch die erste Metallfolie (11) definierten Ebene liegt.