DE102013219990B4 - Verbindungsanordnung mit einem mittels Thermokompression gebondeten Verbindungsmittel und Verfahren - Google Patents
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Abstract
Verbindungsanordnung (1, 21) umfassend ein Substrat (2, 22) und einen Halbleiterbaustein (3, 23) wobei der Halbleiterbaustein (3, 23) einen elektrischen Anschluss (4) aufweist, der durch einen Oberflächenbereich des Halbleiterbausteins (3, 23) gebildet ist,wobei der Anschluss (4) mit dem Substrat (2, 22) mittels eines elektrisch leitfähigen Verbindungsmittels (5, 29) stoffschlüssig verbunden ist,wobei das Verbindungsmittel (5, 29) eine Silberschicht ist, in der zu dem Anschluss (4) weisende Höcker (6, 7, 8, 16, 17, 18) und zwischen den Höckern (6, 7, 8, 16, 17, 18) ausgebildete Aussparungen (10, 11, 12, 13, 30, 31, 32, 33, 34, 35) ausgebildet sind und der Halbleiterbaustein (3, 23) und das Substrat (2, 22) mittels Thermokompressionsbonden miteinander verbunden sind,dadurch gekennzeichnet, dassein durch die Höcker (6, 7, 8, 16, 17, 18) jeweils gebildeter Flächenbereich wenigstens auf einem Radialabschnitt nach außen hin abnehmend ausgebildet ist.
Description
- Stand der Technik
- Die Erfindung betrifft eine Verbindungsanordnung. Die Verbindungsanordnung umfasst ein Substrat und einen Halbleiterbaustein. Der Halbleiterbaustein weist einen elektrischen Anschluss auf, wobei der elektrische Anschluss durch einen Oberflächenbereich des Halbleiterbausteins gebildet ist. Der Anschluss ist mit dem Substrat mittels eines elektrisch leitfähigen Verbindungsmittels stoffschlüssig verbunden.
- Bei aus dem Stand der Technik bekannten Verbindungsanordnungen umfassend einen Halbleiterbaustein und ein Substrat sind Verbindungsmittel in Form von Silber-Sinter-Verbindungen bekannt. Das Problem bei solchen Sinter-Verbindungen ist, dass solche Sinter-Verbindungen unter Anwendung hoher Temperaturen von mehr als 200 Grad Hilfsmittel auf Basis lösungsmittelhaltiger organischer Fettsäuren erfordern, wodurch - bewirkt durch ein Ausgasen der Lösungsmittelreste und/oder der Fettsäuren - ein poröses, unzuverlässiges Verbindungsmaterial entsteht, welches bei diesen Temperaturen ein ausgeprägtes Kriechverhalten aufweist. Weiter nachteilig ist eine Fließgrenze des Materials auch bei niedrigen Temperaturen sehr hoch, wodurch der Halbleiterbaustein womöglich beschädigt werden könnte.
- Aus der Offenlegungsschrift
DE 100 03 671 A1 , die den Oberbegriff bildet, ist eine Kontaktanordnung eines Chips mit einem Unterbau gezeigt. Dabei ist der Chip mittels einer Silberschicht und mittels eines Thermokompressionsverfahrens mit dem Unterbau verbunden. Dem Chip zugewandt weist die Silbersicht eine Oberflächenstruktur von gleichsam ausgebildeten Erhebungen und Vertiefungen auf. - Die Patentschrift
US 4 257 156 A offenbart eine Anordnung, bei welcher ein Halbleiterwafer zwischen zwei beschichteten Pufferkupferelementen angeordnet ist und mit diesen verbondet ist. - In der Patentschrift
AT 231 568 B - Die Offenlegungsschrift
US 2010 / 0 275 989 A1 - Offenbarung der Erfindung
- Erfindungsgemäß ist das Verbindungsmittel der Verbindungsanordnung der eingangs genannten Art eine Silberschicht oder eine silberhaltige Schicht, in der zu dem Anschluss weisende Höcker und zwischen den Höckern ausgebildete Aussparungen ausgebildet sind. Der Halbleiterbaustein und das Substrat sind mittels Thermokompressionsbonden miteinander verbunden.
- Durch das so ausgebildete Verbindungsmittel und die Verbindungsart des Thermokompressionsbonden kann vorteilhaft eine gleichmäßige Druckverteilung beim Aufbonden, weiter vorteilhaft eine nachgiebige, elastische Verbindung zwischen dem Halbleiterbaustein und dem Substrat erzeugt werden.
- Ferner ist erfindungsgemäß ein durch die Höcker jeweils gebildeter Flächenbereich wenigstens auf einem Radialabschnitt nach außen hin abnehmend ausgebildet. Die Höcker weisen so radial nach außen eine kleinere Fläche - in der durch das Substrat gebildeten Ebene - auf. So können vorteilhaft Zug- beziehungsweise Druckspannungen bei Temperaturwechseln, welche auf die Verbindungsanordnung einwirken, klein gehalten werden.
- In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Aussparungen jeweils durch sich längs erstreckende Rinnen gebildet.
- So können die Höcker vorteilhaft mittels Fräsen, Sägen oder Schneiden in dem Verbindungsmittel erzeugt werden.
- Bevorzugt sind die Aussparungen mittels Laserstrahlen, insbesondere mittels Laserpulsen erzeugt. Dadurch wird vorteilhaft ein großes Aspektverhältnis, insbesondere ein Verhältnis zwischen einer Breite und einer Tiefe der Aussparung, erzeugt. Durch die so erzeugten schmalen und tiefen Aussparungen kann über eine Anbindungsfläche der Höcker Verlustwärme beim Betrieb des Halbleiterbausteins gut abgeführt werden.
- Bevorzugt ist eine Tiefe der Aussparungen größer als eine Breite der Aussparungen. Die Tiefe erstreckt sich bevorzugt orthogonal zu einer flachen Erstreckung des Substrates, wobei die Breite der Aussparung in einer flachen Erstreckung des Substrates verläuft.
- Mittels des so gebildeten großen Aspektverhältnisses wird eine gleichmäßige Druckverteilung beim Thermokompressionsbonden erzeugt. Weiter vorteilhaft wird durch das Verbindungsmittel so eine auch bei Scherbelastung elastische, nachgiebige Verbindung erzeugt, was vorteilhaft eine hohe Lebensdauer der Verbindungsanordnung und keine oder nur eine geringe Schädigung des Halbleiterbausteins bewirkt.
- In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt eine Tiefe der Aussparung mindestens das Zehnfache der Breite der Aussparungen. Vorteilhaft kann so eine gute Elastizität der Verbindung erzeugt werden.
- In einer bevorzugten Ausführungsform der Verbindungsanordnung erstrecken sich wenigstens ein Teil der Aussparungen in der flachen Erstreckung des Substrats radial nach außen zu einem Rand eines durch das Verbindungsmittel besetzten Flächenbereichs auf dem Substrat hin.
- Mittels der so ausgebildeten Aussparungen und der so zwischen den Aussparungen erzeugten Höckern können vorteilhaft bei einer thermischen Belastung der Verbindungsanordnung nur relativ geringe Scherkräfte auf das Verbindungsmittel erzeugt werden.
- In einer bevorzugten Ausführungsform der Verbindungsanordnung ist wenigstens eine ringförmige Aussparung in dem Verbindungsmittel ausgebildet. Weiter bevorzugt sind wenigstens zwei Aussparungen durch insbesondere konzentrische Ringe mit zueinander verschiedenem Durchmesser in dem Verbindungsmittel gebildet, wobei eine der zwei Aussparungen mit einem größeren Durchmesser die Aussparung mit dem kleineren Durchmesser umschließt.
- Durch die ringförmigen Aussparungen kann vorteilhaft bei auf die Verbindungsanordnung einwirkenden Temperaturwechseln nur eine geringe Stressbelastung in dem Verbindungsmittel und an den stoffschlüssigen Übergängen zwischen dem Verbindungsmittel und dem Halbleiterbaustein, beziehungsweise dem Substrat, erzeugt werden.
- Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Verschweißen eines Halbleiterbausteins mit einem Substrat.
- Bei dem Verfahren wird auf dem Substrat eine Silberschicht ausgebildet, und in einem Verfahrensschritt werden in der Silberschicht zu dem Anschluss weisende Höcker und zwischen den Höckern ausgebildete Aussparungen erzeugt, wobei ein durch die Höcker jeweils gebildeter Flächenbereich wenigstens auf einem Radialabschnitt nach außen hin abnehmend ausgebildet wird.
- In einem weiteren Schritt wird ein elektrischer Anschluss des Halbleiterbausteins auf die Silberschicht gelegt und mit dem Substrat mittels Thermokompression verbondet.
- Bevorzugt werden die Aussparungen mittels eines Lasers erzeugt. Dadurch kann vorteilhaft eine Aussparung mit einem großen Verhältnis zwischen Tiefe und Breite einer sich längserstreckenden, rinnenförmigen Aussparung im Querschnitt erzeugt werden.
- Bevorzugt ist der Laser ein Festkörperlaser, insbesondere ein Halbleiterlaser. Eine Wellenlänge der Laserstrahlung beträgt beispielsweise weniger als 1600 Nanometer, bevorzugt kleiner oder gleich 532 Nanometer.
- Bevorzugt ist die Laserstrahlung gepulst, wobei eine Pulsdauer eines Laserpulses bevorzugt kleiner als 100 Nanosekunden, bevorzugt weniger als 10 Nanosekunden, weiter bevorzugt zwischen 0,5 und 10 Nanosekunden beträgt.
- Es wurde erkannt, dass bei einer derart kurzen Pulsdauer beim Erzeugen der Aussparungen in der Verbindungsmittelschicht, insbesondere Silberschicht, die so strukturierte Oberfläche des Verbindungsmittels keine oder nur wenig Schlacke oder Schmelze an Rändern aufweist, und ein Verschmelzen der Ränder der so erzeugten Höcker gering ist. Vorteilhaft kann nämlich bei derart kurzen Laserpulsen im Pikosekunden- oder Femtosekundenbereich die Pulsdauer kleiner sein, als eine Zeitdauer, in der eine Elektronen-Phononen-Kopplung stattfinden kann, so dass nur ein Minimum der in das Silbermaterial eingekoppelten Energie der Laserstrahlen in das feste Material der Verbindungsmittelschicht fließt, sondern vielmehr zum Verdampfen des Materials im Bereich der Aussparungen verbraucht wird. Dadurch entsteht vorteilhaft weniger Schmelze in der Verbindungsmittelschicht und so auch weniger Temperaturbelastung auf den Halbleit.
- Bevorzugt ist die Laserstrahlung frequenzverdoppelt oder frequenzverdreifacht. Eine Wellenlänge der frequenzverdoppelten Laserstrahlung beträgt bei einer zuvor genannten vom Halbleiterlaser erzeugten Wellenlänge 532 beziehungsweise 515 Nanometer, im Falle der Frequenzverdreifachung 354 beziehungsweise 343 Nanometer.
- Es wurde erkannt, dass mittels der frequenzverdoppelten oder frequenzverdreifachten Laserstrahlung ein Verschmelzen der Ränder der Höcker noch besser vermieden werden kann, insoweit diese Strahlen von Silber besonders gut absorbiert werden können.
- Die Erfindung wird nun im Folgenden anhand von Figuren und weiteren Ausführungsbeispielen beschrieben. Weitere vorteilhafte Ausführungsvarianten ergeben sich aus den in den anhängigen Ansprüchen und den Figuren beschriebenen Merkmalen.
-
1 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel für eine Verbindungsanordnung 1, bei der ein Halbleiterbaustein mittels eines Rinnen und Höcker aufweisenden Verbindungsmittels, insbesondere einer Silberschicht oder silberhaltigen Schicht, mit einem Substrat mittels Thermokompression verbunden ist; -
2 zeigt schematisch eine Aufsicht auf das in1 gezeigte Verbindungsmittel, in der die rinnenförmigen Aussparungen und Höcker in einer flachen Erstreckung des Verbindungsmittels erkennbar sind; -
3 zeigt schematisch eine Verbindungsanordnung mit einem Schichtaufbau wie in1 dargestellt, die einem Biegetest unterzogen worden ist. -
1 zeigt - schematisch - ein Ausführungsbeispiel für eine Verbindungsanordnung 1 in einer Schnittdarstellung. Die Verbindungsanordnung 1 weist ein Substrat 2 auf, welches in diesem Ausführungsbeispiel durch ein keramisches Substrat gebildet ist. Das Substrat 2 weist eine elektrisch leitfähige Schicht 20 auf, welche beispielsweise durch eine Kupferkaschierung gebildet ist. - In einer anderen Ausführungsform kann das Substrat 2 durch ein Blech, insbesondere ein Kupferblech, gebildet sein.
- Die Verbindungsanordnung 1 weist auch einen Halbleiterbaustein 3 auf. Der Halbleiterbaustein 3 ist in diesem Ausführungsbeispiel durch einen Transistor, insbesondere Feldeffekttransistor, gebildet. Der Halbleiterbaustein 3 weist in diesem Ausführungsbeispiel eine quaderförmige Form auf und ist als sogenannter Bare Die ausgebildet. Der Halbleiterbaustein 3 weist einen elektrischen Anschluss 4 auf, welcher zu dem Substrat 2 hinweist. Zwischen dem elektrischen Anschluss 4 und dem Substrat 2, insbesondere der elektrisch leitfähigen Schicht 20 des Substrats 2, ist ein elektrisch leitfähiges Verbindungsmittel 5 in Form eines Silberbleches oder einer Silberschicht angeordnet.
- Das elektrisch leitfähige Verbindungsmittel 5 weist in diesem Ausführungsbeispiel eine in einer flachen Erstreckung des Verbindungsmittels 5, insbesondere zentral angeordnete, zylinderförmige Aussparung 10 auf.
- Das Verbindungsmittel 5 weist auch drei kreisförmige Aussparungen 11, 12 und 13 auf, welche jeweils einen zueinander verschiedenen Durchmesser aufweisen und konzentrisch angeordnet sind. Die kreisförmige Aussparung 11 weist einen kleineren Durchmesser auf als die Aussparung 12, wobei die Aussparung 12 einen kleineren Durchmesser aufweist als die Aussparung 13. Zwischen der Aussparung 10 und der Aussparung 11 ist ein Höcker 8 ausgebildet. Zwischen der Aussparung 11 und der Aussparung 12 ist ein Höcker 7 ausgebildet und zwischen der Aussparung 12 und der Aussparung 13 ist ein Höcker 6 ausgebildet.
- Das in
1 in einer Schnittdarstellung dargestellte Verbindungsmittel 5 weist auch einen zum Höcker 8 spiegelsymmetrisch angeordneten Höcker 16, einen zum Höcker 7 spiegelsymmetrisch angeordneten Höcker 17 und einen zum Höcker 6 spiegelsymmetrisch angeordneten Höcker 18 auf. Die Symmetrieachse der zuvor beschriebenen spiegelsymmetrischen Anordnung der Höcker 16, 17 und 18 verläuft in diesem Ausführungsbeispiel durch ein Zentrum der zylinderförmigen Aussparung 10. - Dargestellt ist auch eine Presse 14, welche ausgebildet ist, den Halbleiterbaustein 3 mit einer Anpresskraft 15 gegen das Verbindungsmittel 5 zu pressen.
- Die Aussparungen 10, 11, 12 und 13 weisen jeweils eine Tiefe 41 auf, welche in diesem Ausführungsbeispiel tiefer, insbesondere um ein Vielfaches tiefer ist als eine Breite 42 der Aussparungen 11, 12 und 13. Die Breite der Aussparung 10, insbesondere ein Durchmesser der zylinderförmigen Aussparung 10, beträgt in diesem Ausführungsbeispiel das 1,5-Fache der Tiefe 41 der Aussparung 10.
- Wenn mittels der Presse 14 die Presskraft 15 auf den Halbleiterbaustein 3 einwirkt, so wird das Verbindungsmittel 5 mit der Presskraft 15 gegen das Substrat 2 gepresst.
- Die Verbindungsanordnung 1 wird dabei auf eine Temperatur von etwa 300 Grad Celsius erwärmt. Das Verbindungsmittel 5 kann dann durch die Einwirkung von Temperatur- und Anpressdruck mittels des sogenannten Thermokompressionsbondens schmelzen und mit dem elektrischen Anschluss 4 des elektrischen Halbleiterbausteins 3 und der elektrisch leitfähigen Schicht 20 des Substrats 2 eine stoffschlüssige elektrisch leitende Verbindung ausbilden.
-
2 zeigt eine Aufsicht auf das in1 dargestellte Verbindungsmittel 5. Dargestellt ist die zentral angeordnete zylinderförmige Aussparung 10, die kreisförmigen, in diesem Ausführungsbeispiel hohlzylinderförmigen Aussparungen 11, 12 und 13, welche wie bereits in1 beschrieben konzentrisch zueinander angeordnet sind. - Dargestellt ist auch eine Schnittlinie 40 zu der in
1 dargestellten Schnittdarstellung. Von der Schnittlinie 14 sind die Aussparungen 10, 11, 12 und 13 und die Höcker 6, 7, 8, 16, 17 und 18 angeschnitten. - Das Verbindungsmittel 5 weist auch radial nach außen weisende, in diesem Ausführungsbeispiel gerade rinnenförmige Aussparungen 30, 31, 32, 33, 34 und 35 ausgebildet. Die Aussparungen 32 und 33 weisen in jeweils zueinander entgegengesetzte Richtungen und schließen einen Winkel von 180 Grad zwischeneinander ein. Die Aussparungen 31 und 34 weisen jeweils in sogenannte entgegengesetzte Richtungen und schließen einen Winkel von 180 Grad zwischeneinander ein. Die Aussparungen 34 und 32 schließen einen Winkel von 45 Grad zwischeneinander ein. Die Aussparungen 30 und 35 weisen in zueinander entgegengesetzte Richtungen und schließen einen Winkel von 180 Grad zwischeneinander ein. Die Aussparungen 30 und 34 schließen einen Winkel von 90 Grad zwischeneinander ein.
- Mittels der radial nach außen weisenden Aussparungen 30, 31, 32, 33, 34 und 35, und den kreisförmigen Aussparungen 10, 11, 12 und 13 können thermomechanische Spannungen, welche bei Temperaturänderungen des Verbindungsmittels 5 beim Betrieb der Verbindungsanordnung, insbesondere beim elektrischen Betrieb des Halbleiterbausteins 3 auftreten können, reduziert werden.
- Die Fläche der Höcker des Verbindungsmittels 5 ist dabei - wie in
2 gezeigt - radial nach außen abnehmend ausgebildet. So können die Höcker radial nach außen angeordneten Höcker nach außen hin zunehmend mehr Scherkraft - insbesondere durch schwenkende elastische Verformung - aufnehmen, wobei die Schweißverbindung zum Anschluss des Halbleiterbausteins hin und zum Substrat hin unversehrt bleibt und nicht abreißt. -
3 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine Verbindungsanordnung 21, bei der die Verbindungsanordnung 21, umfassend ein Substrat 22, ein Verbindungsmittel 29 und ein Halbleiterbaustein 23 gemeinsam einem Biegetest unterzogen worden sind. Die Verbindungsanordnung 21 ist dabei in einer Schnittdarstellung dargestellt. Sichtbar ist, dass sämtliche Höcker, wie die Höcker 27 und 28, wo beide Höcker 27 zwischen zwei Aussparungen 24 und 25 und der Höcker 28 zwischen der Aussparung 25 und einer weiteren Aussparung 26 angeordnet ist, mit dem Halbleiterbaustein 23 während des Verbiegens der Verbindungsanordnung 21 verbunden bleiben. Das wird auch dadurch deutlich, dass der Halbleiterbaustein 23 entlang seiner in der Schnittdarstellung in3 dargestellten Längserstreckung gleichmäßig zerbricht. - Die Verbindung des Halbleiterbausteins 23 mit dem Substrat 22 mittels Thermokompression, mittels des Höckers und Aussparungen aufweisenden Verbindungsmittels 29 bewirkt vorteilhaft eine sich über die gesamte Fläche des Halbleiterbausteins 23 erstreckende, gute stoffschlüssige Anbindung an das Verbindungsmittel 29 und somit auch an das Substrat 22.
Claims (9)
- Verbindungsanordnung (1, 21) umfassend ein Substrat (2, 22) und einen Halbleiterbaustein (3, 23) wobei der Halbleiterbaustein (3, 23) einen elektrischen Anschluss (4) aufweist, der durch einen Oberflächenbereich des Halbleiterbausteins (3, 23) gebildet ist, wobei der Anschluss (4) mit dem Substrat (2, 22) mittels eines elektrisch leitfähigen Verbindungsmittels (5, 29) stoffschlüssig verbunden ist, wobei das Verbindungsmittel (5, 29) eine Silberschicht ist, in der zu dem Anschluss (4) weisende Höcker (6, 7, 8, 16, 17, 18) und zwischen den Höckern (6, 7, 8, 16, 17, 18) ausgebildete Aussparungen (10, 11, 12, 13, 30, 31, 32, 33, 34, 35) ausgebildet sind und der Halbleiterbaustein (3, 23) und das Substrat (2, 22) mittels Thermokompressionsbonden miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass ein durch die Höcker (6, 7, 8, 16, 17, 18) jeweils gebildeter Flächenbereich wenigstens auf einem Radialabschnitt nach außen hin abnehmend ausgebildet ist.
- Verbindungsanordnung (1, 21) nach
Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparungen (11, 12, 13, 30, 31, 32, 33, 34, 35) jeweils durch sich längserstreckende Rinnen gebildet sind. - Verbindungsanordnung (1, 21) nach
Anspruch 1 oder2 , dadurch gekennzeichnet, dass eine Tiefe (41) der Aussparungen (11, 12, 13, 30, 31, 32, 33, 34, 35) größer ist als eine Breite (42) der Aussparungen. - Verbindungsanordnung (1, 21) nach
Anspruch 3 , dadurch gekennzeichnet, dass eine Tiefe (41) der Aussparungen (11, 12, 13, 30, 31, 32, 33, 34, 35) um mindestens das zehnfache größer ist als eine Breite (42) der Aussparungen (11, 12, 13, 30, 31, 32, 33, 34, 35). - Verbindungsanordnung (1, 21) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparungen (10, 11, 12, 13, 30, 31, 32, 33, 34, 35) mittels Laserstrahlen erzeugt sind.
- Verbindungsanordnung (1, 21) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Teil der Aussparungen (30, 31, 32, 33, 34, 35) sich in der flachen Erstreckung des Verbindungsmittels (5, 29) radial nach außen zu einem Rand eines durch das Verbindungsmittel (5, 29) gebildeten Flächenbereich hin erstrecken.
- Verbindungsanordnung (1, 21) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine ringförmige Aussparung (11, 12, 13) in dem Verbindungsmittel (5, 29) ausgebildet ist.
- Verbindungsanordnung (1, 21) nach
Anspruch 7 , dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Aussparungen (11, 12, 13, 30, 31, 32, 33, 34, 35) durch insbesondere konzentrische Ringe mit zueinander verschiedenem Durchmesser gebildet sind, wobei eine der zwei Aussparungen mit einem größeren Durchmesser die Aussparung (11, 12, 13) mit kleinerem Durchmesser umschließt. - Verfahren zum Verschweißen eines Halbleiterbausteins (3, 23) mit einem Substrat (2, 21), bei dem auf dem Substrat (2, 21) eine Silberschicht ausgebildet wird, und in einem Verfahrensschritt in der Silberschicht zu dem Anschluss weisende Höcker und zwischen den Höckern (6, 7, 8, 16, 17, 18) ausgebildete Aussparungen (11, 12, 13, 30, 31, 32, 33, 34, 35) erzeugt werden, und in einem weiteren Schritt ein elektrischer Anschluss des Halbleiterbausteins auf die Silberschicht gelegt und mit dem Substrat mittels Thermokompression verbondet wird, wobei ein durch die Höcker (6, 7, 8, 16, 17, 18) jeweils gebildeter Flächenbereich wenigstens auf einem Radialabschnitt nach außen hin abnehmend ausgebildet wird.
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