DE102011109226A1 - Verfahren zur Herstellung einer Verbindungsschicht mit einem Sintermaterial, Verwendung einer Mischung zur Herstellung einer Verbindungsschicht, Verbindungsschicht mit einem Sintermaterial und Bauelement mit einer Verbindungsschicht - Google Patents

Verfahren zur Herstellung einer Verbindungsschicht mit einem Sintermaterial, Verwendung einer Mischung zur Herstellung einer Verbindungsschicht, Verbindungsschicht mit einem Sintermaterial und Bauelement mit einer Verbindungsschicht Download PDF

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Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung einer Verbindungsschicht (1), insbesondere zwischen einem Träger (2) und einem Halbleiterchip (3), angegeben mit den Schritten: – Bereitstellung einer Mischung (4) mit partikelförmigem Sintermaterial (5) und einem Lösungsmittel (6), wobei das Sintermaterial (5) ein erstes Metall aufweist und das Lösungsmittel (6) zusätzlich ein zweites Metall in gelöster und/oder dispergierter Form enthält, – Zuführung von Wärme zur Versinterung des Sintermaterials (5). Weiterhin werden eine Verwendung einer Mischung zur Herstellung einer solchen Verbindungsschicht, eine Verbindungsschicht mit einem Sintermaterial und ein Bauelement mit einer solchen Verbindungsschicht angegeben.

Description

  • Es werden ein Verfahren zur Herstellung einer Verbindungsschicht mit einem Sintermaterial, eine Verwendung einer Mischung zur Herstellung einer solchen Verbindungsschicht, eine Verbindungsschicht mit einem Sintermaterial und ein Bauelement mit einer solchen Verbindungsschicht angegeben.
  • Sinterverbindungen werden zur Montage von Halbleiterchips, etwa Leuchtdiodechips, auf Trägern eingesetzt, da gesinterte Schichten beispielsweise eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen können.
  • Sintermaterialien zur elektrischen und thermischen Anbindung enthalten typischerweise Metallpartikel und Lösungsmittel. Die Lösungsmittel werden dazu verwendet, die Verarbeitbarkeit des Sintermaterials sicherzustellen. Der Sinterprozess basiert auf dem teilweisen Verschmelzen (Sintern) der Partikel durch verschiedene Diffusionsmechanismen, während die Lösungsmittel verdampfen und/oder zersetzt werden.
  • Sinterprozesse werden in der Regel unter Einwirkung von Druck und Temperatur durchgeführt. Darüber hinaus sind auch so genannte drucklose Sinterprozesse bekannt, bei denen Sinterverbindungen bei einem im Vergleich zur Umgebung nicht erhöhten Druck hergestellt werden. Bei solchen Prozessen ist es erforderlich, Partikelgrößen und Partikelverteilungen sowie die Temperatur entsprechend aufeinander abzustimmen.
  • Aufgrund der sensiblen Oberfläche beispielsweise von Leuchtdiodenchips wird für diese ein druckloser Prozess bevorzugt. Jedoch Weist druckloses Sintern das Problem auf, dass die Bildung von Poren in der Sinterschicht verhindert oder zumindest verringert oder die Porengröße minimiert werden sollten, um eine ausreichende Wärmeleitfähigkeit der Sinterschicht zu erreichen.
  • Zumindest einige Aufgaben von bestimmten Ausführungsformen liegen darin, ein Verfahren zur Herstellung einer Verbindungsschicht mit einem Sintermaterial, eine Verwendung einer Mischung zur Herstellung einer Verbindungsschicht, eine Verbindungsschicht mit einem Sintermaterial oder ein Bauelement mit einer Verbindungsschicht anzugeben.
  • Diese Aufgaben werden durch im Folgenden beschriebene Gegenstände und Verfahren gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet und gehen weiterhin aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen hervor.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird bei einem Verfahren zur Herstellung einer Verbindungsschicht eine Mischung bereitgestellt, die ein Sintermaterial enthält. Die Verbindungsschicht kann beispielsweise dafür vorgesehen sein, zwischen einem Träger und einem Halbleiterchip angeordnet zu werden, um den Halbleiterchip auf dem Träger zu montieren. Das kann insbesondere bedeuten, dass der Halbleiterchip auf dem Träger mittels der Verbindungsschicht befestigt und thermisch angeschlossen wird. Weiterhin kann die Verbindungsschicht auch einen elektrischen Anschluss des Halbleiterchips am Träger ermöglichen.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist ein Bauelement einen Halbleiterchip und einen Träger auf, wobei der Halbleiterchip mittels einer Verbindungsschicht auf dem Träger montiert ist, die ein versintertes Sintermaterial enthält.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist eine Verbindungsschicht ein versintertes Sintermaterial auf.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird eine Mischung mit einem Sintermaterial verwendet, um eine Verbindungsschicht herzustellen.
  • Die im Folgenden beschriebenen Ausführungsformen und Merkmale gelten gleichermaßen für das Verfahren zur Herstellung der Verbindungsschicht, für das Bauelement mit der Verbindungsschicht, für die Verbindungsschicht sowie für die Verwendung der Mischung zur Herstellung der Verbindungsschicht.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird die Mischung mit einem partikelförmigen Sintermaterial bereitgestellt. Partikelförmig kann hier und im Folgen insbesondere bedeuten, dass das Sintermaterial in Form von Pulver, Granulat und/oder Flocken vorliegt. Die Partikel des Sintermaterials können beispielsweise eine Größe von einigen Mikrometern bis in den Sub-Mikrometer-Bereich aufweisen, beispielsweise im Bereich von größer oder gleich 0,01 μm bis zu 10 μm.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Mischung ein Lösungsmittel auf, in dem das partikelförmige Sintermaterial enthalten ist. Das Lösungsmittel kann beispielsweise eines oder mehrere organische Lösungsmittel, Wasser oder Mischungen daraus enthalten oder daraus sein.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird die Mischung mit dem Sintermaterial und dem Lösungsmittel in Form einer Flüssigkeit, eines Gels oder einer Paste bereitgestellt.
  • Beispielsweise kann der Anteil des Sintermaterials gerechnet auf die gesamte Mischung größer oder gleich 50 Gew.-% und kleiner oder gleich 90 Gew.-% sein. Es ist auch möglich, dass der Anteil des Sintermaterials gerechnet auf die gesamte Mischung größer als 90 Gew.-% ist. Der Anteil des Lösungsmittels an der gesamten Mischung kann insbesondere größer oder gleich 10 Gew.-% und kleiner oder gleich 30 Gew.-% sein, er kann aber auch kleiner als 10 Gew.-% sein.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das partikelförmige Sintermaterial ein erstes Metall auf. Das erste Metall kann insbesondere ein Edelmetall aufweisen oder sein. Besonders bevorzugt kann das erste Metall Gold und/oder Silber aufweisen oder sein. Zusätzlich oder alternativ kann das erste Metall auch Nickel und/oder Kupfer aufweisen oder daraus sein.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform enthält das Lösungsmittel zusätzlich ein zweites Metall, das im Lösungsmittel in gelöster und/oder dispergierter Form vorliegt. Das zweite Metall kann dabei das oder die gleichen Metalle wie das erste Metall aufweisen. Alternativ dazu ist es auch möglich, dass das erste und das zweite Metall verschieden sind.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform enthält die Mischung das erste Metall des Sintermaterials in elementarer metallischer Form als Pulver, Granulat und/oder Flocken, während das zweite Metall in der Mischung in nicht-elementarer Form im Lösungsmittel enthalten ist.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das zweite Metall in ionischer Form in das Lösungsmittel eingebracht. Beispielsweise kann das zweite Metall in Form eines Salzes im Lösungsmittel gelöst sein. Beispielweise kann das zweite Metall Silber sein und als AgCl oder AgN gelöst sein.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das zweite Metall in das Lösungsmittel in kollodialer Form eingebracht. Insbesondere kann das zweite Metall in elementarer Form in ultrafeinen Partikeln oder in Form von schwerlöslichen Verbindungen mit dem zweiten Metall vorliegen, die im Lösungsmittel dispergiert sind. Die Kolloidteilchen können bevorzugt größer oder gleich 1 nm und kleiner oder gleich 100 nm groß sein und entsprechend ihrer Größe in einer Größenordnung von 103 bis 109 Metallatome oder Moleküle der entsprechenden Verbindung enthalten. Besonders bevorzugt kann das zweite Metall in kollodialer Form als kollodiales Silber und/oder als kollodiales Gold vorliegen. Dabei sind ultrafeine elementare Silber- und/oder Goldpartikel oder schwerlösliche Verbindungen dieser im Lösungsmittel dispergiert.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das zweite Metall in das Lösungsmittel in Form von Metallclustern eingebracht.
  • Insbesondere können die Metallcluster im Lösungsmittel dispergiert sein. Als Metallcluster werden üblicherweise Verbindungen mit mindestens drei Metallatomen bezeichnet, wobei jedes Metallatom an mindestens zwei weitere gebunden ist. Die Metallcluster können insbesondere bis zu mehrere 104 Atome des zweiten Metalls aufweisen. Die Metallcluster können als reine Metallcluster im Lösungsmittel oder in Form von ligandenstabilisierten Clustern vorliegen.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das zweite Metall in Form von Metallliganden beispielsweise mit einer organischen Verbindung eingebracht.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Lösungsmittel zumindest einen oder mehrere Alkohole, Wasser oder Ammoniak oder eine Mischung daraus auf oder ist daraus. Insbesondere in Ammoniak als Lösungsmittel kann das zweite Metall durch Bildung von Amminkomplexen der Form [M(NH3)m]n enthalten sein, wobei M für ein Kation des zweiten Metalls, n für die Anzahl der Ladungen und m für die Anzahl der Liganden steht.
  • Die Konzentration des zweiten Metalls kann insbesondere von der Art, wie das zweite Metall im Lösungsmittel enthalten ist, und weiterhin beispielsweise auch von der Art des Lösungsmittels und/der von weiteren Parametern abhängen. Beispielsweise beträgt die Löslichkeit von AgCl in Wasser etwa 0,0016 g pro 1000 g Lösungsmittel bei 20°C, in Ammoniak etwa 78 g pro 1000 g Lösungsmittel bei 20°C. Die Löslichkeit von AgN beträgt in Wasser etwa 2220 g pro 1000 g Lösungsmittel bei 20° und etwa 19000 g pro 1000 g Lösungsmittel bei 120°C. Besonders bevorzugt wird der Mischung abhängig von den genannten Parametern soviel zweites Metall wie möglich zugefügt.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform eignet sich die hier beschriebene Mischung mit dem partikelförmigen Sintermaterial und dem Lösungsmittel, wobei das Sintermaterial ein erstes Metall aufweist und wobei das Lösungsmittel zusätzlich ein zweites Metall in gelöster Form enthält, zur Herstellung einer Verbindungsschicht, insbesondere einer Verbindungsschicht zwischen einem Träger und einem Halbleiterchip.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird die Mischung mit dem partikelförmigen Sintermaterial und dem Lösungsmittel, das zusätzlich das zweite Metall enthält, auf den Träger und/oder den Halbleiterchip, beispielsweise auf geeignete Kontaktflächen dieser, aufgebracht. Der Halbleiterchip und der Träger können anschließend zusammengefügt werden, sodass die Mischung zwischen dem Träger und dem Halbleiterchip angeordnet ist.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird in einem weiteren Verfahrensschritt Wärme zugeführt, um das Sintermaterial zu versintern. Insbesondere kann die Versinterung in einem drucklosen Sinterschritt durchgeführt werden. Das kann bedeuten, dass die Versinterung und damit die Zuführung von Wärme in einer Umgebung oder einer Atmosphäre durchgeführt wird, die einen Druck aufweist, der dem Umgebungsdruck bzw. dem Normaldruck entspricht. Besonders für empfindliche Leuchtdiodenchips kann ein druckloses Sinterverfahren bevorzugt sein. Alternativ dazu ist es auch möglich, dass die Versinterung bei einem im Vergleich zur Umgebung erhöhten Druck durchgeführt wird. Beispielsweise kann dazu die Versinterung in einem Autoklav stattfinden. Beispielsweise kann die Versinterung in einer Inertgasatmosphäre bei Normaldruck oder auch bei einem Überdruck durchgeführt werden.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird das Versintern bei einer Temperatur von größer oder gleich 150°C durchgeführt. Weiterhin kann insbesondere bei drucklosem Sintern, also bei einem Druck, der dem Umgebungsdruck entspricht, eine Sintertemperatur von bis zu 175°C oder sogar von größer oder gleich 175°C geeignet sein.
  • Der hier beschriebene Sinterprozess kann mit verschiedenen Metallpartikel sowie metallbasierten Lösungsmitteln durchgeführt werden. Beispielsweise können silberbasierte Lösungsmittel und silberbasierte Metallpartikel besonders bevorzugt sein. Weiterhin kann der Sinterprozess mit Lösungsmitteln auf unterschiedlicher metallischer Basis durchgeführt werden, beispielsweise silber- und goldbasiertes Lösungsmittel oder auch Lösungsmittel mit anderen Edelmetallen.
  • Durch die Bereitstellung der Mischung mit dem partikelförmigen Sintermaterial mit dem ersten Metall und dem Lösungsmittel mit dem zweiten Metall können das erste und zweite Metall in unterschiedlicher Form und Größe für den Sinterschritt zur Verfügung gestellt werden. Insbesondere kann das zweite, im Lösungsmittel enthaltene Metall während des Sinterschritts und der Zuführung von Wärme, durch die ein Verdampfen und/oder ein Zersetzen des Lösungsmittels bewirkt werden kann, in eine elementare Form übergeführt werden. Dadurch, dass das zweite Metall zuvor im Lösungsmittel gelöst und/oder dispergiert war, kann sich das zweite Metall an Oberflächen anlagern. Die Oberflächen können beispielsweise Oberflächen des ersten Metalls, also des partikelförmigen Sintermaterials, sein. Weiterhin können die Oberflächen auch Oberflächen des Trägers und/oder des Halbleiterchips sein. Bevorzugt kann sich das zweite Metall an allen genannten Oberflächen sowie an Grenzflächen zwischen diesen zumindest teilweise oder auch flächendeckend anlagern. Mit anderen Worten kann das zusätzliche zweite Metall aus dem Lösungsmittel aufgrund seiner Mobilität im Lösungsmittel zur Anlagerung auf den Oberflächen und insbesondere für den Sinterprozess auch an den Grenzflächen zwischen den genannten Oberflächen zur Verfügung stehen.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Verbindungsschicht das versinterte Sintermaterial mit dem ersten Metall auf, wobei das zweite Metall an Oberflächen des Sintermaterials mit dem ersten Metall angelagert ist. Weiterhin kann das zweite Metall auch an Grenzflächen zwischen den versinterten Sinterpartikeln angelagert sein. Darüber hinaus kann das zweite Metall auch an Oberflächen und Grenzflächen des Halbleiterchips, des Trägers und des versinterten Sintermaterials mit dem ersten Metall angelagert sein.
  • Durch die Anlagerung des zweiten Metalls an die Oberflächen und Grenzflächen kann es zu einer Verbesserung der Kontaktflächen zwischen den einzelnen Partikeln des Sintermaterials mit dem ersten Metall und den Oberflächen des Trägers und des Halbleiterchips kommen. Insbesondere kann es auch zum verbesserten Ausbilden von Verbindungshälsen zwischen den einzelnen Partikeln des Sintermaterials bzw. zwischen dem Sintermaterial und den Oberflächen des Halbleiterchips und des Trägers kommen. Die Anlagerung des zweiten Metalls kann weiterhin dazu führen, dass die Anzahl von Poren und/oder die mittlere Porengröße in der Verbindungsschicht im Vergleich zu Verfahren ohne das zweite im Lösungsmittel enthaltene Metall verringert werden. Insbesondere kann sich hinsichtlich der Stabilität bezüglich Korrosion und Oxidation durch eine porenfreie Verbindungsschicht oder zumindest eine Verbindungsschicht mit reduzierter Porengröße und/oder Porenanzahl eine signifikante Verbesserung ergeben. Die Verbindung zwischen dem Träger und dem Halbleiterchip kann dadurch kompakter werden, wodurch die thermische Leitfähigkeit der Verbindungsschicht im Vergleich zu mit bisher bekannten Verfahren hergestellten Verbindungsschichten verbessert wird. Dadurch ergibt sich ein geringerer thermischer Widerstand zwischen dem Träger und dem Halbleiterchip, wodurch durch die hier beschriebene Verbindungsschicht ein effektiverer Wärmeabtransport vom Halbleiterchip zum Träger ermöglicht werden kann.
  • Weiterhin kann es auch möglich sein, dass die Verbindungsschicht als kompakte Sinterverbindung hergestellt werden kann, die bei geringeren Temperaturen erzeugt werden kann als bekannte Sinterschichten. Insbesondere kann sich die hier beschriebene Verbindungsschicht beispielsweise für Bauelemente eignen, deren Verarbeitungstemperatur begrenzt ist, beispielsweise Kunststoffgehäusen als Trägern bisher nur bei höheren Temperaturen verarbeitet werden konnten. Damit kann sich insbesondere auch eine Verbesserung der Verbindung zwischen dem Halbleiterchip und dem Träger für Anwendungen im Hochleistungsbereich ergeben, also beispielsweise bei der Verwendung von Hochleistungs-Halbleiterchips, die auch eine hohe Abwärme im Betrieb erzeugen.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Träger ein Kunststoffgehäuse mit einem Leiterrahmen, einen Keramikträger mit Leiterbahnen, einen Kunststoffträger mit Leiterbahnen oder einen Kunststofffilm mit Leiterbahnen auf. Die Verbindungsschicht kann insbesondere auf dem Leiterrahmen oder einer Leiterbahn angeordnet sein.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Halbleiterchip als optoelektronischer Halbleiterchip ausgebildet, beispielsweise als strahlungsemittierender oder strahlungsdetektierender Halbleiterchip. Insbesondere kann der Halbleiterchip dazu eine Halbleiterschichtenfolge aufweisen, die auf einem Halbleitermaterial basiert, das zumindest teilweise eine Elektrolumineszenz aufweist. Als Halbleitermaterialien können beispielsweise Verbindungen aus Elementen verwendet werden, die aus Indium, Gallium, Aluminium, Stickstoff, Phosphor, Arsen, Sauerstoff, Silizium, Kohlenstoff oder Kombinationen daraus sein können. Beispielsweise kann der Halbleiterchip auf einem Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial basieren. Weiterhin kann der Halbleiterchip beispielsweise auf einem Phosphid-Verbindungshalbleitermaterial oder einem Arsenid-Verbindungshalbleitermaterial basieren. Mittels derartiger Halbleitermaterialien können insbesondere Halbleiterchips ermöglicht werden, die im Betrieb Licht in einem ultravioletten bis infraroten Wellenlängenbereich abstrahlen oder absorbieren können. Der Halbleiterchip kann weiterhin Elektrodenschichten zur Kontaktierung der Halbleiterschichtenfolge aufweisen. Insbesondere kann zumindest eine Elektrodenschicht mittels der hier beschriebenen Verbindungsschicht am Träger elektrisch und thermisch angeschlossen werden.
  • Weitere Vorteile, vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispielen.
  • Es zeigen:
  • 1A bis 1C Verfahrensschritte zur Herstellung eines Bauelements mit einer Verbindungsschicht gemäß einem Ausführungsbeispiel und
  • 2A bis 3B Verfahrensschritte gemäß weiteren Ausführungsbeispielen.
  • In den Ausführungsbeispielen und Figuren können gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen sein. Die dargestellten Elemente und deren Größenverhältnisse untereinander sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen, vielmehr können einzelne Elemente, wie zum Beispiel Schichten, Bauteile, Bauelemente und Bereiche, zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
  • In den 1A bis 1C ist ein Ausführungsbeispiel für ein Verfahren zur Herstellung einer Verbindungsschicht sowie eines Bauelements mit einer Verbindungsschicht gezeigt.
  • Für die Herstellung der Verbindungsschicht 1 wird eine Mischung 4 verwendet, die ein partikelförmiges Sintermaterial 5 und ein Lösungsmittel 6 aufweist. Das Sintermaterial weist ein erstes Metall auf, das in Form von Partikeln, also beispielsweise einem Pulver, einem Granulat und/oder in Form von Flocken bereitgestellt wird. Im Lösungsmittel 6 ist ein zweites Metall zusätzlich enthalten, das im Lösungsmittel 6 in gelöster und/oder dispergierter Form vorliegt.
  • Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist das erste Metall und das zweite Metall jeweils Silber. Alternativ dazu können das erste und/oder das zweite Metall auch ein anderes Metall, insbesondere ein Edelmetall, etwa Gold, aufweisen oder daraus sein. Insbesondere können das erste und das zweite Metall abweichend vom gezeigten Ausführungsbeispiel, in dem das erste und das zweite Metall gleich sind, auch verschieden voneinander sein. Das Lösungsmittel 6 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel somit ein silberbasiertes Lösungsmittel, kann alternativ dazu aber beispielsweise auch ein silber- und/oder goldbasiertes Lösungsmittel oder ein Lösungsmittel mit einem anderen Edelmetall sein.
  • Das zweite Metall liegt im Lösungsmittel 6 beispielsweise in Form eines gelösten Salzes, also in ionischer Form, in kollodialer Form, in Form von Metallliganden mit einer organischen Verbindung und/oder als Metall-Cluster vor, wie im allgemeinen Teil beschrieben.
  • Im gezeigten Ausführungsbeispiel wird das erste Metall als Partikel mit einer Partikelgröße im Bereich von etwa 1 μm bis in den Sub-Mikrometer-Bereich verwendet und das zweite Metall mit einer Konzentration von etwa 0,1 g/ml im Lösungsmittel.
  • Alternativ oder zusätzlich können auch andere im allgemeinen Teil beschriebenen Partikelgrößen und/oder Konzentrationen verwendet werden.
  • Die Mischung 4 kann dabei in Form einer Flüssigkeit, in Form einer Paste oder in Form eines Gels bereitgestellt werden.
  • Die Mischung 4 wird, wie in 1A gezeigt, nach dem Bereitstellen auf einem Träger 2 und insbesondere auf eine Oberfläche 20 des Trägers 2 aufgebracht. Der Träger 2 kann im gezeigten Ausführungsbeispiel beispielsweise ein Kunststoffgehäuse mit einem Leiterrahmen, ein Keramikträger mit Leiterbahnen, ein Kunststoffträger mit Leiterbahnen oder ein Kunststofffilm mit Leiterbahnen oder zumindest ein Teil dieser sein. Insbesondere kann die Oberfläche 20 Teil eines Leiterrahmens oder einer Leiterbahn sein.
  • In einem weiteren Verfahrensschritt gemäß 1B wird über dem Träger 2 auf der Mischung 4 ein Halbleiterchip 3 positioniert. Der Halbleiterchip 3 kann beispielsweise als strahlungsemittierender oder strahlungsempfangender Halbleiterchip, wie im allgemeinen Teil beschrieben, ausgeführt sein. Insbesondere weist der Halbleiterchip 3 eine Oberfläche 30 auf, die besonders bevorzugt als Elektrodenschicht ausgeführt ist.
  • In einem weiteren Verfahrensschritt gemäß 1C wird der Mischung 4 Wärme zugeführt, sodass das Sintermaterial 5 versintert wird, während das Lösungsmittel 6 verdampfen und/oder sich zersetzen kann. Als Sintertemperatur für das gezeigte Ausführungsbeispiel ist insbesondere eine Temperatur von großer oder gleich etwa 150°C und kleiner oder gleich etwa 175°C geeignet. Durch die Zuführung von Wärme schmelzen die Partikel des Sintermaterials 5 mit dem ersten Metall zumindest teilweise auf, sodass zwischen den einzelnen Partikeln und den Oberflächen 20 und 30 des Trägers 2 und des Halbleiterchips 3 jeweils Verbindungen ausgebildet werden. Weiterhin wird das zweite Metall, das im Lösungsmittel 6 enthalten ist, durch die Entfernung des Lösungsmittels 6 in eine elementare Form überführt.
  • In 2A ist hierzu ein Teil der Mischung 4 mit exemplarisch gezeigten Partikeln des Sintermaterials 5 in der Lösung 6 gezeigt. Während der Zuführung von Warme zur Versinterung der Partikel des Sintermaterials 5 lagert sich das zweite Metall aufgrund seiner vorzugsweise homogenen Verteilung im Lösungsmittel 6 an den Oberflächen 50 der Sinterpartikel 5 an. Insbesondere kann sich dadurch auf den Oberflächen 50 der Sinterpartikel 5 eine Schicht, vorzugsweise eine möglichst homogene und durchgehende Schicht bzw. Anlagerung 7 mit dem zweiten Metall ergeben. Dadurch kann es zu einem verbesserten Wachstum bzw. zu einer verbesserten Ausbildung von Verbindungshälsen bzw. Verbindungsstellen zwischen den einzelnen Partikeln des Sintermaterials 5 kommen. Weiterhin können durch das zweite Metall auch Poren zwischen den Partikeln des Sintermaterials 5 zumindest teilweise gefüllt werden. Dadurch können sich die Anzahl der Poren und/oder die mittlere Porengröße in der so gebildeten Verbindungsschicht 1 im Vergleich zu üblichen Herstellungsverfahren mittels Sinterpasten, die kein zusätzliches zweites Metall enthalten, verringern. Insbesondere kann so eine kompaktere und hinsichtlich der thermischen Leitfähigkeit verbesserte Verbindungsschicht 1 erreicht werden, die im Vergleich zu bekannten Verbindungsschichten aus Sintermaterialien einen geringeren Wärmewiderstand aufweisen kann.
  • In 3A ist ein Teil der Mischung 4 auf einem Teil der Oberfläche 20 des Trägers 2 gezeigt, wobei rein exemplarisch auch ein Partikel des Sintermaterials 5 auf der Oberfläche 20 des Trägers 2 gezeigt ist. Wie schon in Verbindung mit den 2A und 2B beschrieben, lagert sich das zweite Metall in Form einer Schicht oder Anlagerung 7 auf der Oberfläche 50 der Partikel des Sintermaterials 5 sowie auch, wie in 3B gezeigt, auf der Oberfläche 20 des Trägers 2 ab. Weiterhin lagert sich das zweite Metalls auch an die Oberfläche 30 des Halbleiterchips 3 an (nicht gezeigt). Dadurch kann die Verbindung zwischen dem Sintermaterial 5 und der Oberfläche 20 des Trägers 2 bzw. der Oberfläche 30 des Halbleiterchips 3 verbessert werden.
  • Die Zuführung von Wärme und die Versinterung des Sintermaterials 5 kann vorzugsweise in einem drucklosen Sinterverfahrensschritt durchgeführt werden. Weiterhin kann das Versintern beispielsweise in einer Inertgasatmosphäre durchgeführt werden. Darüber hinaus ist es auch möglich, die Versinterung bei einem im Vergleich zur Umgebung erhöhten Druck durchzuführen.
  • Das derart hergestellte Bauelement 100 weist, wie in 1C gezeigt, zwischen dem Träger 2 und dem Halbleiterchip 3 die Verbindungsschicht 1 auf, die das versinterte Sintermaterial mit dem ersten Metall aufweist, wobei das zweite Metall an Oberflächen des Sintermaterials angelagert ist. Weiterhin ist das zweite Material auch an Oberflächen des Halbleiterchips 3 und des Trägers 2 angelagert. Das Bauelement 100 und insbesondere die Verbindungsschicht 1 zeichnen sich dadurch vor allem im Hinblick auf die thermomechanischen Eigenschaften der Verbindungsschicht 1 aus. Insbesondere für Halbleiterchips mit einer hohen Leistung, die im Betrieb eine hohe Abwärme erzeugen können, ist eine derartige Verbindungsschicht 1 von Vorteil, weil die erzeugte Abwärme effektiv und mit einem geringen Wärmewiderstand durch die Verbindungsschicht 1 zum Träger 2 abgeleitet werden kann. Besonders bevorzugt kann die Verbindungsschicht 1 in Form einer kompakten Sinterverbindung auch bei geringeren Temperaturen erzeugt werden, sodass sich das hier beschriebene Verfahren beispielsweise auch für mit Kunststoff gehäuste Halbleiterchips, so genannte Packages, eignet, die bisher nur bei höheren Temperaturen verarbeitet werden konnten.
  • Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.

Claims (14)

  1. Verfahren zur Herstellung einer Verbindungsschicht (1), insbesondere zwischen einem Träger (2) und einem Halbleiterchip (3), mit den Schritten: – Bereitstellung einer Mischung (4) mit partikelförmigem Sintermaterial (5) und einem Lösungsmittel (6), wobei das Sintermaterial (5) ein erstes Metall aufweist und das Lösungsmittel (6) zusätzlich ein zweites Metall in gelöster und/oder dispergierter Form enthält, – Zuführung von Wärme zur Versinterung des Sintermaterials (5).
  2. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem das zweite Metall in das Lösungsmittel in ionischer Form, in kollodialer Form, in Form von Metallliganden mit einer organischen Verbindung und/oder als Metallcluster eingebracht ist.
  3. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem das erste und/oder das zweite Metall ein Edelmetall aufweisen.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem das erste und/oder zweite Metall Gold und/oder Silber aufweisen.
  5. verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem das erste und zweite Metall gleich sind.
  6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die Versinterung in einem drucklosen Sinterschritt durchgeführt wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Versinterung bei einem im Vergleich zur Umgebung erhöhten Druck durchgeführt wird.
  8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die Versinterung in einer Inertgasatmosphäre durchgeführt wird.
  9. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem sich während des Versinterns des Sintermaterials (5) an Oberflächen (50) des ersten Metalls zweites Metall anlagert.
  10. Verwendung einer Mischung mit partikelförmigem Sintermaterial (5) und einem Lösungsmittel (6), wobei das Sintermaterial (5) ein erstes Metall aufweist und das Lösungsmittel (6) zusätzlich ein zweites Metall in gelöster Form enthält, zur Herstellung einer Verbindungsschicht (1).
  11. Verbindungsschicht mit einem versinterten Sintermaterial (5) mit einem ersten Metall, wobei ein zweites Metall an Oberflächen (50) des Sintermaterials (5) mit dem ersten Metall angelagert ist.
  12. Bauelement mit einem Halbleiterchip (3) und einem Träger (2), wobei der Halbleiterchip (3) mittels einer Verbindungsschicht (1) hergestellt nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 auf dem Träger (2) montiert ist und wobei das zweite Metall an Oberflächen (50) des versinterten Sintermaterials (5) mit dem ersten Metall und an Oberflächen (20, 30) des Halbleiterchips (3) und des Trägers (2) angelagert ist.
  13. Bauelement nach Anspruch 12, wobei der Träger (2) ein Kunststoffgehäuse mit einem Leiterrahmen, einen Keramikträger mit Leiterbahnen, einen Kunststoffträger mit Leiterbahnen oder einen Kunststofffilm mit Leiterbahnen aufweist.
  14. Bauelement nach Anspruch 12 oder 13, wobei der Halbleiterchip (3) ein optoelektronischer Halbleiterchip ist.
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