DE102014008587A1

DE102014008587A1 - Halbleiterschaltung und Verfahren zur Herstellung der Halbleiterschaltung

Info

Publication number: DE102014008587A1
Application number: DE102014008587.2A
Authority: DE
Inventors: Nico Kohl; Martin Metzler; Sven Engelkraut; Markus Leicht
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2014-06-10
Filing date: 2014-06-10
Publication date: 2015-12-17
Anticipated expiration: 2034-06-11
Also published as: DE102014008587B4; US20150357303A1; US9406592B2

Abstract

Es wird ein Leistungs-Halbleiterschaltung (10) mit mindestens einem Halbleiter (20a–d) beschrieben, der mindestens eine Kontaktfläche (K; 122, 124) aufweist. Die Halbleiterschaltung weist ferner mindestens ein Bonding-Leiterband (80a, b) mit mindestens einem Kontaktbereich (B1–B5) auf. Dieser ist an zumindest einer der Kontaktflächen (K; 122, 124) befestigt. Der Kontaktbereich (B1–B5) des Bonding-Leiterbands weist Ausnehmungen (A) auf. Ferner wird ein Verfahren zum Herstellen einer Leistungs-Halbleiterschaltung (110) beschrieben.

Description

Zur Herstellung leistungselektronischer Baugruppen werden Leistungshalbleiter verwendet, die mittels Dickdrahtbonddrähte kontaktiert werden. Diese Bonddrähte werden üblicherweise auf eine Aluminiummetallisierung auf dem Chip mittels ultraschallaktiviertem Bonden aufgebracht.
Die Lebensdauer der Baugruppen wird maßgeblich durch den Halbleiterkontakt limitiert, der mittels Dickdrahtbondtechnologie erzeugt wird. Diese Aluminiumbonddrähte können abhängig vom zu führenden Strom bis zu einem Durchmesser von 500 μm ausgeführt werden wobei mit steigendem Durchmesser die Lebensdauer weiter abnimmt. Gerade für leistungselektronische Anwendungen wird mit zunehmender Technologieoptimierung eine sinkende Chipfläche bei gleicher Leistung erwartet und damit der Trend nach einer weiter steigenden Drahtstärke fortgesetzt.
Es besteht daher die Aufgabe, eine Möglichkeit aufzuzeigen, mit der die Lebensdauer von Leistungs-Halbleiterschaltungen erhöht werden kann.
Offenbarung der Erfindung
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Leistungs-Halbleiterschaltung und durch das Verfahren nach den unabhängigen Ansprüchen. Weitere Ausführungsformen, Eigenschaften und Merkmale ergeben sich mit den Merkmalen der abhängigen Ansprüche sowie mit der folgenden Beschreibung sowie mit den Figuren.
Es wird vorgeschlagen, zur Kontaktierung bzw. zur elektrischen Anbindung von Halbleitern (insbesondere von deren Kontaktfläche oder Kontaktflächen) ein Bonding-Leiterband zu verwenden, so dass die Oberfläche des Bonding-Leiterbands (die sich in Längsrichtung des Leiterbands erstreckt) zur großflächigen Kontaktierung verwendet werden kann. Anstatt der stirnseitigen Kontaktierung wie in der Beschreibungseinleitung erwähnt, wird somit die Mantelfläche (bzw. eine Seite hiervon) des Leiterbands verwendet. Diese bietet eine große Fläche und somit einen hohen Kontaktleitwert. Um zu verhindern, dass diese großflächige Kontaktierung nicht zu einer starken Verkürzung der Lebensdauer führt, sind Ausnehmungen in dem Kontaktbereich vorgesehen. Diese Ausnehmungen erstrecken sich in dem Bonding-Leiterband bzw. an dessen Oberfläche. Es wurde erkannt, dass die Verkürzung des Lebensdauer durch wechselnde Spannungen hervorgerufen werden, die bei zyklischen Temperaturbelastungen auftreten, wobei gerade bei großflächigen, vollständig (flächig) durchgehenden Kontaktierungen diese Spannungen zur Ablösung der Kontaktierung führen. Es wird daher vorgeschlagen, den Kontaktbereich des Bonding-Leiterbands mit Ausnehmungen zu versehen, die die Spannungen signifikant verringern und gleichzeitig einen hohen elektrischen Querschnitt der Kontaktierung erlauben.
Um ein in der Herstellung und der Lebensdauer optimiertes Leistungsmodul abzubilden, werden die Bonddrähte des Stands der Technik durch eine Kontaktfolie (auch Bondband oder Bonding-Leiterband genannt) ersetzt. Durch die Kontaktfolie werden im Betrieb der Leistungselektronik (d. h. der Leistungs-Halbleiterschaltung), also durch die zyklische Erwärmung und Abkühlung des Bauelementes, mechanische Spannungen in die darunterliegenden Schichten eingebracht. Dadurch werden Alterungsmechanismen hervorgerufen und die Verbindung wird in der Lebensdauer limitiert.
Die Erfindung hat eine wesentliche Erhöhung der Lebensdauer der oberseitigen Halbleiterkontaktierung eines Leistungsmoduls zum Ziel. Für die Kontaktierung werden metallische Bänder oder Folien verwendet, welche flächig auf dem Chip (allgemein hier als Halbleiter bezeichnet) angebracht werden. Diese haben den Vorteil, dass sie den Strom vom Substrat zum Chip tragen und durch ihre Verbindungstechnik die Lebensdauer massiv im Vergleich zum Stand der Technik erhöhen. Zwischen Chip und Bonding-Leiterband befindet sich vorzugsweise eine gesinterte Verbindungsschicht zur Kontaktierung der beiden Verbindungspartner (Chip und Folie). In das Bonding-Leiterband werden erfindungsgemäß Strukturen bzw. Ausnehmungen eingebracht. Es sind dabei als Ausnehmungen verschiedenste Muster oder Einprägungen denkbar, welche mit verschiedensten Fertigungsverfahren eingebracht werden können. Die Strukturschwächungen (erzeugt durch die Strukturen bzw. Ausnehmungen) in der Kontaktfolie führen dazu, dass die bei thermomechanischen Lasten, welche im Betrieb der Leistungsmodule entstehen, aufkommenden mechanischen Spannungen erheblich verringern, insbesondere indem diese eine Verformung des Leiterbbands an den Ausnehmungen erlauben. Die geringeren Spannungen führen zu stark verringerter Alterungsgeschwindigkeit, was sich durch eine stark erhöhte Lebensdauer der gesamten Halbleiterschaltung äußert.
Es wird eine Leistungs-Halbleiterschaltung mit mindestens einem Halbleitervorgeschlagen. Die Leistungs-Halbleiterschaltung ist insbesondere eine Fahrzeug-Leistungs-Halbleiterschaltung, etwa ein Stromwandler, Spannungswandler, Inverter oder Gleichrichter. Als Halbleiter werden ungehäuste Halbleiter verwendet, insbesondere sogenannte ”Bare Chips” oder ”Bare Dies”. Die Halbleiter sind beispielsweise Transistoren, Thyristoren oder Dioden, insbesondere IGBTs oder Feldeffekttransistoren wie MOSFETs. Die Halbleiter sind für Nennströme von mehr als 1 A, 10 A, vorzugsweise von mehr als 15, 30, 50 oder 100 A ausgestaltet. Die Leistungs-Halbleiterschaltung kann mehrere parallel (oder seriell) geschaltete Halbleiter aufweisen, um so die Stromtragfähigkeit oder sie Nennspannung der Schaltung zu erhöhen. Die Leistungs-Halbleiterschaltung umfasst insbesondere eine B6C- oder B6U-Brücke, die von den Halbleiter gebildet wird, oder auch Brücken mit einer geringeren (oder auch höheren Anzahl) an Phasen.
Der oder die Halbleiter weisen mindestens eine Kontaktfläche auf, etwa die Kontaktflächen der Anschlüsse, durch die der zu steuernde Strom geführt wird (Emitter, Kollektor, Source, Drain, Kathode oder Anode). Die Kontaktfläche ist die Oberfläche eines Halbleitersubstrats, das den Halbleiter bildet, oder ist eine Metallisierungsschicht auf dem Halbleitersubstrat. Ferner wird nicht nur der Halbleiter, sondern zusätzlich oder alternativ ein Abschnitt einer Leiterbahn (etwa ein Verbindungspad), die wie hier beschrieben kontaktiert wird.
Die Halbleiterschaltung weist ferner mindestens ein Bonding-Leiterband mit mindestens einem Kontaktbereich auf. Der Kontaktbereich erstreckt sich vorzugsweise über die gesamte Breite des Leiterbands oder über zumindest 50%, 80%, 90% oder 95% der Breite. Das Bonding-Leiterband weist vorzugsweise zumindest am Kontaktbereich eine Silberschicht an der Oberfläche auf oder ist aus Silber, insbesondere um die Kontaktierung zu verbessern. Anstatt von Silber kann auch ein anderes leitendes Material verwendet werden, dass für den hier beschriebenen Sinterprozess tauglich ist. Das Bonding-Leiterband kann insbesondere ein Kupferband sein, das eine Silberschicht trägt. Das Kupferband kann aus Kupfer oder aus Kupfer mit Zinnzusatz (d. h. Bronze) ausgebildet sein. Das Bonding-Leiterband hat beispielsweise eine Dicke von mindestens 50, 70, 80 oder 100 μm. Das Bonding-Leiterband hat kann jedoch auch eine Dicke von 100 μm, 120 μm, 150 μm oder 200 μm oder auch 300 μm haben, wobei die Dicke vom Betrag her um bis zu 10%, 25% oder 50% von diesen Dickenangaben abweichen kann. Die Dicke beträgt insbesondere 50–200 μm und vorzugsweise 70–150 μm, wobei bei einer bevorzugten, beispielhaften Ausgestaltung das Leiterband von einem Folienstreifen mit einer Dicke von ca. 100 μm gebildet wird.
Der Kontaktbereich ist der Bereich, innerhalb dem das Leiterband mit den Kontaktflächen befestigt ist. Somit der Kontaktbereich an zumindest einer der Kontaktflächen (oder Leiterbahnabschnitten) befestigt. Die Befestigungsart ist hier bei prinzipiell beliebig (Löten, insbesondere Diffusionslöten, Ultraschallschweissen, Kleben, ...) wobei eine Befestigung mittels einer Sinterschicht bevorzugt wird.
Um die Spannungen zu verringern ist der Kontaktbereich des Bonding-Leiterbands mit Ausnehmungen versehen. Diese erstrecken sich ausgehend von einer Oberfläche des Leiterbands. Die Ausnehmungen sind vorzugsweise geätzt oder mit einem anderen Verfahren geschaffen, das vorzugsweise keine zusätzlichen Spannungen im Inneren des Leiterbands am Rand der Ausnehmung erzeugt, etwa ein Trennverfahren. Alternativ kann auch ein Umformverfahren verwendet werden, etwa Stanzen oder Walzen, um die Ausnehmung zu schaffen.
Die Ausnehmung ist in Dickenrichtung des Leiterbands durchgehend (im Sinne eines Durchgangslochs) oder nicht durchgehend (im Sinne eines Sacklochs). Mit anderen Worten erstrecken sich die Ausnehmungen durch das Bonding-Leiterband hindurch, oder die Ausnehmungen erstrecken sich nur über einen Teil der Dicke des Bonding-Leiterbands. Im letztgenannten Fall bilden diese eine Vertiefung mit einem Boden (etwa eine Nut) und im erstgenannten Fall bilden diese eine durchgehende Ausnehmung ohne Boden.
Die Ausnehmungen kann einen kreisförmigen oder ovalen Querschnitt aufweisen, kann einen polygonalen Querschnitt aufweisen, oder kann die Form einer durchgängigen Nut aufweisen. Ein weiterer Aspekt ist die Erstreckung senkrecht zur Dickenrichtung des Leiterbands, d. h. in einer Richtung entlang der Länge oder Breite des Leiterbands. Die Längsrichtung der Ausnehmung kann sich entlang einer Geraden, entlang einer gekrümmten Linie, entlang eines Kreisbogens oder eines ovalen Abschnitts oder entlang einer Linie mit geraden Abschnitten, die zueinander gewinkelt sind, erstrecken. Die Linie mit geraden Abschnitten, die zueinander gewinkelt sind, entspricht insbesondere dem Verlauf einer Sägezahn- oder Dreieckswelle. Spezifische Ausführungsformen sind beispielhaft in den Figuren dargestellt, wobei insbesondere die Verlaufsform (gerade, gekrümmt, kreisbogenförmig) und die örtliche Beziehung mehrerer Ausnehmungen zueinander und zum Rand oder zum Mittelpunkt der Kontaktfläche eine besondere Rolle spielen und den Figuren zu entnehmen sind.
Es ist ferner vorgesehen, dass die Ausnehmungen über den Kontaktbereich verteilt sind, insbesondere über einen Flächenabschnitt des Kontaktbereichs, der einen Großteil des gesamten Kontaktbereichs ausmacht. Beispielsweise macht der Flächeninhalt des Flächenabschnitts mindestens 50%, 70% oder 90% des Kontaktbereichs aus. Der Kontaktbereich ist der Bereich des Leiterbands, in dem eine Oberfläche des Leiterbands befestigt ist, etwa an dem Halbleiter oder an einer Leiterbahn.
Eine bevorzugte Möglichkeit ist es, den zumindest einen Kontaktbereich des Bonding-Leiterbands über eine gesinterte Verbindungsschicht mit der mindestens einen Kontaktfläche des Halbleiters (oder mit einem Abschnitt der Leiterbahn) zu verbinden. Die Verbindungsschicht befindet sich auf einer Oberfläche des Kontaktbereichs. Die Verbindungsschicht befindet sich auf einer Kontaktfläche des Halbleiters oder auf einem Abschnitt einer Leiterbahn. Die Verbindungsschicht befindet sich zwischen dem Kontaktbereich des Leiterbands einerseits und der Kontaktfläche des Halbleiters oder dem Abschnitt der Leiterbahn andererseits und bildet eine mechanische (stoffschlüssige) Verbindung, die ferner leitet. Die gesinterte Verbindungsschicht ist elektrisch leitend. Die Verbindungsschicht umfasst insbesondere Silber. Die Verbindungsschicht ist ferner porös, insbesondere mit einer Porosität von > 50%, > 70%, > 80% oder > 95%, vorzugsweise von 50%–99% oder 75%–99%.
Die Leistungs-Halbleiterschaltung kann zudem Leiterbahnen umfassen, insbesondere Leiterbahnen an einer Oberfläche einer Leiterplatte. Die Leiterbahnen weisen mindestens einen Kontaktabschnitt auf. Dieser Kontaktabschnitt ist zur oberflächigen Kontaktierung vorgesehen, insbesondere zur Verbindung mit dem Bonding-Leiterband. Mindestens ein Kontaktbereich des Bonding-Leiterbands ist an dem Kontaktabschnitt befestigt. Diese Befestigung kann vorgesehen sein wie die Verbindung zwischen Halbleiter und Leiterband (Löten, insbesondere Diffusionslöten, Ultraschallschweissen, Kleben, ...). Insbesondere ist der Kontaktbereich des Leiterbands an dem Kontaktabschnitt über eine gesinterte Verbindungsschicht befestigt. Diese gesinterte Verbindungsschicht zwischen Leiterband und Leiterbahn ist ausgestaltet wie die hier beschriebene gesinterte Verbindungsschicht zwischen Kontaktbereich des Leiterbands und Kontaktfläche des Halbleiters.
Es kann daher vorgesehen sein, dass die Leistungs-Halbleiterschaltung eine Leiterplatte umfasst, auf der mittels einer gesinterten Schicht die Kontaktfläche des Halbleiters befestigt ist. Auf einer weiteren der Kontaktflächen des Halbleiters ist der Kontaktbereich des Bonding-Leiterbands mittels einer weiteren gesinterten Schicht befestigt. Bezogen auf den Halbleiter ist die weitere Kontaktfläche entgegengesetzt zu derjenigen Kontaktfläche angeordnet, die an der Leiterplatte befestigt ist. Mit anderen Worten kann der Halbleiter zwei Kontaktflächen aufweisen, die sich an entgegengesetzten Seiten des Halbleiters erstrecken. Eine der Kontaktflächen ist über eine gesinterte Verbindungsschicht mit dem Kontaktbereich des Bonding-Leiterbands verbunden, während die hierzu entgegengesetzte Kontaktfläche des Halbleiters über eine weitere gesinterte Verbindungsschicht mit der Leiterplatte (insbesondere mit dem Kontaktabschnitt der Leiterbahn) verbunden ist.
Das Leiterband umfasst insbesondere zwei Kontaktbereiche, wobei sich an jedem der beiden Enden des Leiterbands ein Kontaktbereich (mit Ausnehmungen) befindet. Ein Kontaktbereich an einem der Enden kann an der Kontaktfläche des Halbleiters befestigt sein, während der andere Kontaktbereich am entgegengesetzten Ende des Leiterbands an dem Kontaktabschnitt der Leiterbahn befestigt ist. Die Ausnehmungen am Kontaktabschnitt, der mit der Leiterbahn verbunden ist, ist optional. Anstatt an dem Kontaktabschnitt der Leiterbahn kann das Leiterband an einer anderen Anschlussoberfläche befestigt sein, etwa an einer Oberfläche eines Steckerpins oder eines anderen elektrischen Verbindungsbauteils.
Ferner wird ein Verfahren zum Herstellen einer Leistungs-Halbleiterschaltung vorgeschlagen, insbesondere einer Leistungs-Halbleiterschaltung wie sie hier beschrieben ist.
Das Verfahren umfasst die Schritte:

– Erzeugen von Ausnehmungen in einem Bereich eines Bonding-Leiterbands (etwa ein wie hier beschriebenes Bonding-Leiterband); und
– Befestigen des Bereichs des Bonding-Leiterbands, in dem die Ausnehmungen erzeugt wurden, als ein Kontaktbereich an einer Kontaktfläche eines Halbleiters oder an einem Kontaktabschnitt einer Leiterbahn.

Die im Herstellungsverfahren erzeugten Ausnehmungen können insbesondere wie die Ausnehmungen in der hier beschriebenen Halbleiterschaltung ausgestaltet sein und werden beispielsweise mittels Ätzen oder Prägen oder Stanzen erzeugt.
Der Schritt des Befestigens kann folgenden Schritt umfassen: Aufbringen von Sintermasse (etwa der hier beschriebenen Sintermasse) als Grünling auf die Kontaktfläche oder auf den Kontaktabschnitt. Ferner wird der Kontaktbereich des Bonding-Leiterbands auf die Sintermasse gepresst bzw. der Kontaktbereich wird in die Sintermasse hineingedrückt. Darauffolgende wird die Sintermasse gesintert.
Das Pressen geschieht mit einem Druck von 0.1–10 kg Bestückkraft (bei einer Fläche von 1 cm²). Das Pressen wird für eine Zeitdauer von 2 s–60 s, vorzugsweise 5–30 s, beispielsweise 5 bis 10 oder bis 20 s ausgeführt. Während dem Pressen des Leiterbands auf bzw. in die Sintermasse ist die Sintermasse oder der Halbleiter oder ein Bestückkopf, der den Halbleiter positioniert, erwärmt, etwa auf eine Temperatur von 100°C, 140°C oder 170°C.
Der Schritt des Sinterns umfasst das Erwärmen der Sintermasse und das Ausüben von Druck (gleichzeitig) auf die Sintermasse. Ein Sinterwerkzeug übt den Druck aus, etwa von 5–30 MPa oder 15–25 oder 30 MPa, und erwärmt (u. a.) die Sintermasse, indem das Werkzeug eine Temperatur von 200–300°C oder 250–300°C aufweist. Das Sintern wird für eine Zeitdauer von 10–600 s ausgeführt, etwa von 20–360 s, insbesondere von 45 s–90 s.
Ferner kann eine Sintermasse auf einen Leiterbahnabschnitt einer Leiterplatte aufgebracht werden. Der Halbleiter wird auf die Sintermasse aufgepresst, etwa mit der vorangehend genannten Bestückkraft. Darauffolgend wird weitere Sintermasse auf die Kontaktfläche des Halbleiters aufgebracht. In diese Sintermasse (als Grünling) wird der Kontaktbereich des Bonding-Leiterbands gedrückt und diese weitere Sintermasse wird gesintert.
Zwischen dem Aufbringen der Sintermasse und dem Aufdrücken des Halbleiters und/oder dem Aufdrücken des Kontaktbereichs kann (jeweils) ein Trocknungsschritt vorgesehene sein, in dem insbesondere Lösungsmittel innerhalb der Sintermasse zumindest zum Teil entfernt werden.
Die Sintermasse wird durch Drucken aufgebracht.
Im Folgenden ist ein Beispiel für einen Herstellungsprozess dargestellt:

1. Schritt: Bedrucken der Leiterplatte, insbesondere einer ”Direct bonded copper” – Leiterplatte (auch DCB-Substrat genannt), mit Sintermasse (insbesondere Silber-Sintermasse).
2. Schritt: Trocknen der in Schritt 1 aufgebrachten Sintermasse
3. Schritt: Aufdrücken des Halbleiters (als Bare-Die) auf die getrocknete Sintermasse.
4. Schritt: Sintern der Sintermasse zum Befestigen des Halbleiters. Dadurch wird aus der Sintermasse eine erste gesinterte Verbindungsschicht ausgebildet.
5. Schritt: Auf den Halbleiter, insbesondere auf eine Kontaktfläche des Halbleiters (auf der der Leiterplatte abgewandten Seite), wird eine weitere Sintermasse aufgebracht.
6. Schritt: Trocknen der in Schritt 5 aufgebrachten weitere Sintermasse.
7. Schritt: Aufdrücken eines Kontaktbereichs eines Bonding-Leiterbands in die getrocknete Sintermasse des Schritts 6.
8. Schritt: Sintern der Sintermasse des Schritts 7 zum Befestigen des Kontaktbereichs des Bonding-Leiterbands. Dadurch wird aus der weiteren Sintermasse des Schritts 5 eine zweite gesinterte Verbindungsschicht ausgebildet.

Die Schritte werden vorzugsweise gemäß Ihrer Nummerierung nacheinander ausgeführt.
Die Kontaktfläche des Halbleiters umfasst insbesondere Palladium, etwa als Nickel-Palladium-Schicht oder als Nickel-Palladium-Gold-Schicht oder kann als Nickel-Gold-Schicht ausgebildet sein.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die 1 ist eine Draufsicht auf eine Ausführungsform einer hier beschriebenen Leistungs-Halbleiterschaltung;
Die 2 ist eine Draufsicht auf eine erste Ausführungsform eines hier beschriebenen Bonding-Leiterbands;
Die 3 ist eine Draufsicht auf eine zweite Ausführungsform eines hier beschriebenen Bonding-Leiterbands;
Die 4 ist eine Draufsicht auf eine dritte Ausführungsform eines hier beschriebenen Bonding-Leiterbands; und
Die 5 ist eine Querschnittsdarstellung einer Ausführungsform einer hier beschriebenen Leistungs-Halbleiterschaltung;
Detaillierte Beschreibung der Zeichnung
Die 1 zeigt eine Halbleiterschaltung 10 mit mehreren Halbleitern 20a–d, die jeweils Kontaktflächen K aufweisen. Mehrere Bonding-Leiterbänder 80a, b sind auf den Kontaktflächen K befestigt. Hierzu weisen die Bonding-Leiterbänder 80a, b Kontaktbereiche B1–B5 auf, in denen die Bonding-Leiterbänder 80a, b Oberflächen aufweisen, die an den Kontaktflächen K der Halbleiter 20a–d mechanisch und elektrisch leitend befestigt sind. Eine Leiterplatte 30 dient als Träger der Halbleiterschaltung und umfasst ein Substrat 32 (als elektrischer Isolator ausgeführt), auf dem eine strukturierte Leiterschicht Leiterbahnen 34 ausbildet. Die Leiterbahnen umfassen Kontaktabschnitte 36 (mittels gestrichelter Linie dargestellt), auf denen jeweils zumindest ein Kontaktbereich B3 der Leiterbänder 30a, b befestigt ist. Diese an den Kontaktabschnitte 36 der Leiterbahnen befestigten Kontaktbereiche B3 sind nicht notwendigerweise mit Ausnehmungen versehen und können etwa gelötet oder mittels einer gesinterten Schicht aufgebracht werden. Auf weiteren Kontaktabschnitten 38 (mit Punktlinie dargestellt) der Leiterbahnen sind die Halbleiter 20a–d befestigt, insbesondere mit zu den Leiterbahnen zugewandten Kontaktflächen der Halbleiter (nicht dargestellt da durch die Halbleiter abgedeckt). Diese Befestigung sowie die Befestigung der Kontaktbereiche des Leiterbands auf den Kontaktflächen werden jeweils von einer gesinterten Befestigungsschicht realisiert.
Um die mechanische Spannung an den Kontaktbereichen B1, B2 und B4, B5, die mit Kontaktflächen K der Halbleiter 20a, b verbunden sind, zu verringern, weisen zumindest diese Kontaktbereiche B1, B2 und B4, B5 der Leiterbänder Ausnehmungen auf, die in den 2–4 näher beispielhaft dargestellt sind. Die Kontaktbereiche B1, B2 und B4, B5 der Leiterbänder sind vorzugsweise über eine gesinterte Verbindungsschicht auf den betreffenden Kontaktflächen K befestigt. Die Halbleiter 20a, b sind mit einer (weiteren) gesinterte Verbindungsschicht auf den Leiterbahnen 34 befestigt.
Die 2 zeigt eine erste Ausführungsform des Leiterbands 80a, wobei nur die Kontaktbereiche B1, B2 mit Ausnehmungen versehen sind und der Kontaktbereich B3, welcher mit der Leiterplatte verbunden ist, durchgängig und insbesondere als flacher Abschnitt ohne Ausnehmung ausgeführt ist. Die Kontaktbereiche B1 und B2 weisen in Zeilen und Spalten angeordnete kreisförmige Ausnehmungen auf. Die Ausnehmungen haben die gleiche Form und die gleiche Größe. Die Ausnehmungen sind regelmäßig verteilt, wobei in der Mitte der Kontaktbereiche B1 und B2 die Ausnehmungen mit geringerer Dichte vorgesehen sind, als in Bereichen außerhalb der Mitte. Insbesondere sind die Ausnehmungen regelmäßig verteilt bis jeweils auf eine Stelle in der Mitte der Kontaktbereiche, wobei an dieser Stelle der Reihen- und Spaltenanordnung gemäß eine Ausnehmung vorgesehen sein sollte, diese jedoch ausgelassen ist. Aufeinanderfolgende Reihen sind um ein halbes Rastermaß (der Reihe) versetzt, so dass alle Ausnehmungen, die zu einer bestimmten Ausnehmung direkt benachbart sind, den gleichen Abstand zu dieser Ausnehmung haben.
Zwischen den Kontaktbereichen B1–B3 des Leiterbands 80a sind Verbindungsbereiche V1, V2, die die Kontaktbereiche miteinander verbinden und die ohne Ausnehmungen ausgebildet sind. Die Verbindungsbereiche V1, V2 haben einen größeren Abstand zur Leiterplatte als die Kontaktbereiche, um Kurzschlüsse zu vermeiden. Die Die Verbindungsbereiche sind zu den Kontaktbereichen in Normalenrichtung der Verbindungsbereiche V1, V2 bzw. der Kontaktbereichen versetzt.
Die 3 zeigt eine zweite Ausführungsform des Leiterbands 80a, wobei nur die Kontaktbereiche B1 und B2 mit Ausnehmungen versehen sind. Eine erste Gruppe G1 der Ausnehmungen ist in Form von geraden Langlöchern ausgebildet, die radial zu der Mitte des jeweiligen Kontaktbereichs ausgebildet sind. Eine erste Untergruppe dieser ersten Gruppe G1 reicht bis zur Kante des Kontaktbereichs (bzw. des Leiterbands), so dass das Langloch an einer Seite offen ist. Eine zweite Untergruppe dieser ersten Gruppe reicht nicht bis zur Kante, so dass die betreffenden Langlöcher an beiden Enden abgeschlossen sind. Eine zweite Gruppe G2 der Ausnehmungen ist in Form von Langlöchern ausgebildet, die sich im Wesentlichen entlang eines Kreisabschnitts erstrecken. Der Kreisabschnitt umgreift jeweils weniger als 180° und mehr als 90°, insbesondere mehr als 120° oder 150°. Die erste Gruppe G1 ist um die zweite Gruppe G2 herum verteilt. Die Langlöcher der ersten Gruppe G1 sind umfänglich um die Mitte des Kontaktbereichs herum hinsichtlich des Winkels zueinander gleich verteilt. Die zweite Gruppe G2 umgreift die Mitte des Kontaktbereichs, wobei in der Mitte selbst keine Ausnehmung vorgesehen ist, sondern die zweite Gruppe G2 sich um die Mitte herum erstreckt.
Die 4 zeigt eine dritte Ausführungsform des Leiterbands 80a, wobei nur die Kontaktbereiche B1 und B2 mit Ausnehmungen versehen sind. Die Ausnehmungen erstrecken sich entlang von Linien, die einer Dreieckskurve (in der Form eines gleichseitigen Dreiecks) folgen. Eine erste Gruppe G3 von Ausnehmungen erstreckt sich im Wesentlichen über die gesamte Länge des Kontaktbereichs, während eine zweite Gruppe G4 von Ausnehmungen in der Mitte des Kontaktbereichs unterbrochen ist. Die zweite Gruppe G4 erstreckt sich über die Mitte des Kontaktbereichs hinweg und die erste Gruppe G3 erstreckt sich weiter von der Mitte entfernt als die zweite Gruppe G4.
Die 5 ist eine Querschnittsdarstellung einer Ausführungsform einer hier beschriebenen Leistungs-Halbleiterschaltung 110. Eine Leiterplatte 130 umfasst ein Substrat 132, das beidseits von Leiterschichten umgeben sind. Eine der Leiterschichten ist strukturiert und bildet Leiterbahnen 134. Die gegenüberliegende Leiterschicht ist durchgehend und ist an einem Kühlkörper 140 befestigt.
Auf einem Kontaktabschnitt 138 der Leiterbahn 134 befindet sich eine erste gesinterte Verbindungsschicht 150, mittels der eine erste Kontaktfläche 122 eines Halbleiters 120 auf dem Kontaktabschnitt 138 der Leiterbahn befestigt ist. Eine zweite Kontaktfläche 124, die auf der Seite des Halbleiters 120 liegt, die zur ersten Kontaktfläche entgegengesetzt ist, ist eine zweite gesinterte Verbindungsschicht 154 vorgesehen. Diese befestigt die zweite Kontaktfläche 124 des Halbleiters 120 an einem Kontaktbereich B1 eines Bonding-Leiterbands 180. In diesem Kontaktbereich B1 sind in dem Bonding-Leiterbands 180 Ausnehmungen A vorgesehen, die sich nur durch einen Teil der Dicke des Leiterbands erstrecken und die zur Kontaktfläche 124 bzw. zum Halbleiter 129 hin offen sind. Die Verbindung zwischen einem weiteren Kontaktbereich B3 ist lediglich schematisch dargestellt und umfasst eine weitere gesinterte Verbindungsschicht 152, mittels der der Kontaktbereich B3 an dem Kontaktabschnitt 136 bzw. dessen Oberfläche der Leiterbahn 134 befestigt ist. Die Verbindungsschichten 150 und 152 werden gleichzeitig mit den identischen Prozessschritten erzeugt. Die Prozessschritte zur Erzeugung der Verbindungsschicht 154 finden nach den vorgenannten Prozessschritten statt.
Die gesinterten Verbindungsschichten sind gesinterte Silberschichten. Verbindungsschichten an der Kontaktfläche eines Halbleiters sind vorzugsweise gesinterte Verbindungsschichten. Verbindungsschichten an Kontaktabschnitten einer Leiterbahn können ebenso gesinterte Verbindungsschichten sein, können jedoch auch Lotschichten sein oder können durch eine mittels Ultraschallschweißen des Leiterbands erzeugte Verbindungen sein.
Elemente, deren letzten beiden Ziffern der Bezugszeichen überstimmen, sind gleiche Elemente und können die gleiche Funktion, Eigenschaften, und Ausgestaltungsformen haben. Die Kontaktflächen K können der Kontaktfläche 124 entsprechen und umgekehrt. Die Kontaktfläche 122 kann wie die Kontaktfläche 124 ausgeführt und insbesondere befestigt sein.

Claims

Leistungs-Halbleiterschaltung (10) mit mindestens einem Halbleiter (20a–d), der mindestens eine Kontaktfläche (K; 122, 124) aufweist, wobei die Halbleiterschaltung ferner mindestens ein Bonding-Leiterband (80a, b) mit mindestens einem Kontaktbereich (B1–B5) aufweist, der an zumindest einer der Kontaktflächen (K; 122, 124) befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontaktbereich (B1–B5) des Bonding-Leiterbands Ausnehmungen (A) aufweist.
Leistungs-Halbleiterschaltung nach Anspruch 1, wobei sich die Ausnehmungen (A) durch das Bonding-Leiterband (80a, b) hindurch erstrecken, oder wobei sich die Ausnehmungen (A) nur über einen Teil der Dicke des Bonding-Leiterbands (80, b) erstrecken und eine Vertiefung bilden.
Leistungs-Halbleiterschaltung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Ausnehmungen (A) einen kreisförmigen oder ovalen Querschnitt aufweisen, einen polygonalen Querschnitt aufweisen, oder die Form einer durchgängigen Nut aufweisen, deren Längsrichtung sich entlang einer Gerade, entlang einer gekrümmten Linie, entlang eines Kreisbogens oder entlang einer Linie mit geraden Abschnitten, die zueinander gewinkelt sind, erstreckt.
Leistungs-Halbleiterschaltung nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei sich die Ausnehmungen (A) über einen Flächenabschnitt des Kontaktbereichs verteilt sind, der mindestens 50%, 70% oder 90% des Kontaktbereichs ausmacht.
Leistungs-Halbleiterschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Kontaktbereiche (B1–B5) des Bonding-Leiterbands (80a, b) über eine gesinterte Verbindungsschicht (154) mit den Kontaktflächen (124) verbunden sind.
Leistungs-Halbleiterschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Halbleiterschaltung ferner Leiterbahnen (34, 134) umfasst, die mindestens einen Kontaktabschnitt (138) aufweisen, wobei mindestens ein Kontaktbereich (B1–B5) des Bonding-Leiterbands an dem Kontaktabschnitt (136) befestigt ist, insbesondere über eine gesinterte Verbindungsschicht (152).
Leistungs-Halbleiterschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, die ferner eine Leiterplatte (130) umfasst, auf der mittels einer gesinterten Schicht (150) die Kontaktfläche (122) des Halbleiters (120) befestigt ist, wobei auf eine weiteren der Kontaktflächen (124) des Halbleiters (120) der Kontaktbereich (B1) des Bonding-Leiterbands (180) mittels einer weiteren gesinterten Schicht (154) befestigt ist und wobei, bezogen auf den Halbleiter, die weitere Kontaktfläche (124) entgegengesetzt zu derjenigen Kontaktfläche (122) ist, die an der Leiterplatte (130) befestigt ist.
Verfahren zum Herstellen einer Leistungs-Halbleiterschaltung (110) mit den Schritten: – Erzeugen von Ausnehmungen (A) in einem Bereich (B1–B5) eines Bonding-Leiterbands (80, 180); – Befestigen des Bereichs (B1) des Bonding-Leiterbands (80, 180), in dem die Ausnehmungen (A) erzeugt wurden, als ein Kontaktbereich (B1) an einer Kontaktfläche (124) eines Halbleiters (120) oder an einem Kontaktabschnitt (136) einer Leiterbahn (134).
Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Schritt des Befestigens umfasst: Aufbringen von Sintermasse als Grünling auf die Kontaktfläche (124) oder auf den Kontaktabschnitt (136), Aufpressen des Kontaktbereichs (B1) des Bonding-Leiterbands (180) auf die Sintermasse und darauffolgendes Sintern der Sintermasse.
Verfahren nach Anspruch 9, ferner umfassend: Aufbringen einer Sintermasse auf einen Leiterbahnabschnitt (138) einer Leiterplatte (130) und Aufpressen des Halbleiters (120) auf die Sintermasse, wobei darauffolgend der Schritt des Aufbringens der Sintermasse auf die Kontaktfläche (124) des Halbleiters ausgeführt wird.