DE102015109856A1 - Verfahren zum Herstellen einer für die Anbindung eines elektrischen Leiters geeigneten metallischen Kontaktfläche zur Kontaktierung eines Leistungshalbleiters, Leistungshalbleiter, Bond Buffer und Verfahren zur Herstellung eines Leistungshalbleiters - Google Patents

Verfahren zum Herstellen einer für die Anbindung eines elektrischen Leiters geeigneten metallischen Kontaktfläche zur Kontaktierung eines Leistungshalbleiters, Leistungshalbleiter, Bond Buffer und Verfahren zur Herstellung eines Leistungshalbleiters Download PDF

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Holger Ulrich
Jacek Rudzki
Lars Paulsen
Martin Becker
Frank Schefuss
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Danfoss Silicon Power GmbH
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Abstract

Verfahren zum Herstellen einer für die Anbindung eines elektrischen Leiters geeigneten metallischen Kontaktfläche zur Kontaktierung eines Leistungshalbleiters (10), mit den Schritten: Aufbringen einer Trägerfolie (20) auf den Leistungshalbleiter (10) unter Aussparen eines Steuer- oder Leistungskontakts des Leistungshalbleiters (10), Anordnen eines Metallformkörpers (30´) auf der Trägerfolie (20) unter Ausbilden eines auf der Trägerfolie (20) angeordneten ersten Metallformkörperabschnitts und eines oberhalb des Steuer- oder Leistungskontakts über die Fläche der Trägerfolie (20) hinausragenden zweiten Metallformkörperabschnitts, wobei die Trägerfolie (20) für den über die Fläche der Trägerfolie (20) hinausragenden Abschnitt des Metallformkörpers (30´) ein einseitiges Auflager bildet, Verbinden des über die Fläche der Trägerfolie (20) hinausragenden Abschnitts des Metallformkörpers (30´) mit dem Steuer- oder Leistungskontakt unter Verformen des Metallformkörpers (30´).

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer für die Anbindung eines elektrischen Leiters geeigneten metallischen Kontaktfläche zur Kontaktierung eines Leistungshalbleiters. Des Weiteren betrifft die Erfindung einen Bond Buffer zur Verwendung mit diesem Verfahren und einen mit dem Verfahren hergestellten Leistungshalbleiter.
  • Die Kontaktierung von Leistungshalbleitern erfolgt üblicherweise mit Drähten oder Bändchen, die auf eine durch Passivierungen eingegrenzte Leistungshalbleitermetallisierung gebondet werden.
  • Zur Herstellung einer solchen Leistungshalbleitermetallisierung wird der Leistungshalbleiter bevorzugt mit einer als Bond Buffer bezeichneten Folie belegt, die aus einer organischen Trägerfolie mit strukturierten Metallformkörpern besteht. Dabei sind in der Trägerfolie eines solchen Bond Buffers Ausnehmungen vorgesehen, die von den Metallformkörpern überspannt werden. Die Metallformkörper liegen also der Trägerfolie am Rand der Ausnehmungen auf und sind bevorzugt an dieser fixiert.
  • Die Metallformkörper bestehen vorzugsweise aus Kupfer (Cu) und werden vorteilhafterweise durch Silber-Sintern an die jeweilige Leistungshalbleiter-Anschlussfläche elektrisch leitfähig angeschlossen.
  • Ein typischer Verfahrensablauf sieht vor, dass ein Bond Buffer zunächst auf seiner der Leistungshalbleiterkontaktfläche zugewandten Seite mit einem Fügewerkstoff, z. B. Silbersinterpaste, beschichtet wird. Darauf wird der Bond Buffer mittels einer ebenfalls dem Leistungshalbleiter zugewandten Adhäsionsschicht an den Leistungshalbleiter angeheftet und die dem Leitungshalbleiter abgewandten Metallformkörper des Bond Buffers in einem Drucksinterschritt, in dem die Metallformkörper durch die Ausnehmungen hindurchtreten, mit den Leistungshalbleiteranschlussflächen versintert. Schließlich werden die Metallformkörper in einem weiteren Schritt kontaktiert, beispielsweise mittels Drahtbonden, insbesondere Cu-Drahtbonden.
  • Dieses Verfahren stößt immer dann auf Probleme, wenn die Steuerkontaktanschlussfläche des Leistungshalbleiters (sehr) klein ist. Da die Dicke der Trägerfolien einschließlich ihrer Adhäsionsschicht unter Umständen etwa in der Größenordnung der lateralen Ausdehnung des Metallformkörpers liegen kann, besteht beim Sinterschritt die Gefahr, dass die notwendige Verformung des Metallformkörpers zur Überbrückung des Höhenunterschieds zwischen der Oberfläche der Trägerfolie und der Oberfläche des Leistungshalbleiters nicht oder nur eingeschränkt gelingt.
  • Falls die Kontaktierung überhaupt gelingt, ist die aus dem bekannten Verfahren resultierende Sinterverbindung qualitativ ungenügend, da der Metallformkörper im Zentrum der Ausnehmung nur auf einer äußerst kleinen Fläche mit dem Steueranschluss des Leistungshalbleiters verbinden wird.
  • Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Herstellung einer Metallisierung auf der Anschlussfläche, insbesondere des Steueranschlusses eines Leistungshalbleiters zu schaffen, das eine Sinterverbindung zwischen Metallisierung und Leistungshalbleiteranschlussfläche mit hoher Qualität schafft.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1, durch den Leistungshalbleiter mit den Merkmalen von Anspruch 5, den Bondbuffer mit den Merkmalen von Anspruch 7 und dem Verfahren nach Anspruch 9 gelöst. Die Unteransprüche geben jeweils vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung wieder.
  • Grundgedanke der Erfindung ist es, die Trägerfolie und den Metallformkörper zueinander so anzuordnen, dass die Trägerfolie lediglich einseitig ein Auflager für den Metallformkörper bildet. Der Metallformkörper besteht also aus einem ersten Abschnitt, der auf der Trägerfolie aufliegend gelagert ist, und einem zweiten Abschnitt, der mit seinem freien Ende über den Rand der Trägerfolie hinauskragt.
  • Der Metallformkörper ist erfindungsgemäß nur einseitig gelagert. Im Gegensatz zum Stand der Technik überspannt der Metallformkörper also keine von der Trägerfolie freilassend ausgesparten Bereiche. Die Trägerfolie bildet in Bezug auf den Metallformkörper entsprechend kein zweiseitiges Auflager.
  • Dabei mag sich der Metallformkörper mit seinem freien Ende über eine einzige Kante der Trägerfolie hinaus erstrecken. Der Metallformkörper kann aber auch einseitig auf zwei benachbarten Kanten gelagert sein, soweit ein sich über die Fläche der Trägerfolie hinaus erstreckendes Ende des Metallformkörpers frei von jeglicher Lagerung bleibt. Eine Lagerung des Metallformkörpers an seinem einen Ende und einem diesem Ende gegenüberliegenden Ende ist ausdrücklich nicht als zur Erfindung gehörend anzusehen.
  • Das aus dem Stand der Technik bekannte Problem wird also dadurch gelöst werden, dass insbesondere die relativ kleinen Metallformkörper nicht auf allen Abschnitten ihrer Umrandungsfläche überlappend mit der Trägerfolie verbunden sind. Im extremsten Fall, ist der Metallformkörper freihängend und nur über einen schmalen Steg auf einer Seite mit der Trägerfolie verbunden.
  • Erfindungsgemäß ist also ein Verfahren zum Herstellen einer für die Anbindung eines elektrischen Leiters geeigneten metallischen Kontaktfläche zur Kontaktierung eines Leistungshalbleiters vorgesehen. Dieses weist die folgenden Schritte auf:
    • 1. Aufbringen einer Trägerfolie auf den Leistungshalbleiter unter Aussparen der Leistungskontakte des Leistungshalbleiters;
    • 2. Anordnen eines Metallformkörpers auf der Trägerfolie unter Ausbilden eines auf der Trägerfolie angeordneten ersten Metallformkörperabschnitts und eines oberhalb eines Steuer- oder Leistungskontakts über die Fläche der Trägerfolie hinausragenden zweiten Metallformkörperabschnitts, wobei die Trägerfolie für den über die Fläche der Trägerfolie hinausragenden Abschnitt des Metallformkörpers ein einseitiges Auflager bildet; und
    • 3. Verbinden des über die Fläche der Trägerfolie hinausragenden Abschnitts des Metallformkörpers mit dem Steuer- oder Leistungskontakt unter Verformen des Metallformkörpers.
  • Insbesondere erfolgt das Verbinden des über die Fläche der Trägerfolie hinausragenden Abschnitts des Metallformkörpers mit dem Leistungskontakt durch Silbersintern.
  • Das Kontaktieren des elektrischen Leiters erfolgt bevorzugt mit dem auf der Trägerfolie angeordneten ersten Metallformkörperabschnitt. Die Kontaktierung kann aber auch auf dem zweiten Metallformkörperabschnitt erfolgen, sofern hierfür ausreichend Platz ist.
  • Der elektrische Leiter ist bevorzugt als Draht oder Bändchen ausgebildet.
  • Als handelbares Produkt wird ebenso ein Leistungshalbleiter beansprucht. Dieser weist erfindungsgemäß einen Steuer- und einen Leistungskontakt und eine auf dem Leistungshalbleiter angeordnete, den Steuer- und/oder Leistungskontakt aussparende Trägerfolie auf. Auf der Trägerfolie ist ein Metallformkörper angeordnet, der aus einem auf der Trägerfolie angeordneten ersten Metallformkörperabschnitt und einem oberhalb des Steuer- oder Leistungskontakts angeordneten, mit diesem verbundenen zweiten Metallformkörperabschnitt besteht. Der erste Metallformkörperabschnitt ist mit dem zweiten Metallformkörperabschnitt über einen die Trägerfolie überbrückenden Verformungsbereich verbunden.
  • Nach einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Verformungsbereich als Steg ausgebildet.
  • Darüber hinaus wird ein Bond Buffer beansprucht, der eine Trägerfolie, und einen auf der Trägerfolie angeordneten Metallformkörper aufweist. Der Metallformkörper besteht aus einem auf der Trägerfolie angeordneten ersten Metallformkörperabschnitt und einem über die Fläche der Trägerfolie hinausragenden zweiten Metallformkörperabschnitt. Der erste Metallformkörperabschnitt ist mit dem zweiten Metallformkörperabschnitt über einen Verformungsbereich verbunden. Insbesondere ist der Verformungsbereich als Steg ausgebildet.
  • Die Bereitstellung eines derartigen Bondbuffers ermöglicht ein besonders vorteilhaftes Verfahren zum Herstellen einer für die Anbindung eines elektrischen Leiters geeigneten metallischen Kontaktfläche zur Kontaktierung eines Leistungshalbleiters. Hierfür wird zunächst der erfindungsgemäß ausgestaltete Bondbuffer auf den Leistungshalbleiter derart aufgebracht, dass der über die Trägerfolie hinausragende Metallformkörperabschnitt oberhalb eines Steuer- oder Leistungskontakts eines Leistungshalbleiters angeordnet ist. Darauf wird der über die Fläche der Trägerfolie hinausragende Metallformkörperabschnitt mit dem Steuer- oder Leistungskontakt unter Verformen des Metallformkörpers verbunden.
  • Die Anbindung eines elektrischen Leiters kann wie oben genannt erfolgen.
  • Die Erfindung wird anhand in den beigefügten Zeichnungen dargestellter bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 einen ersten Leistungshalbleiter mit erfindungsgemäßer Verbesserung des Bond Buffers vor dem Sintern;
  • 2 den Leistungshalbleiter aus 1 mit erfindungsgemäßer Verbesserung des Bond Buffers nach dem Sintern;
  • 3 einen zweiten Leistungshalbleiter mit erfindungsgemäßer Verbesserung des Bond Buffers in der Draufsicht;
  • 4 den schematischen Ablauf eines ersten Verfahrens zum Herstellen einer für die Anbindung eines elektrischen Leiters geeigneten metallischen Kontaktfläche zur Kontaktierung eines Leistungshalbleiters; und
  • 5 den schematischen Ablauf eines zweiten Verfahrens zum Herstellen einer für die Anbindung eines elektrischen Leiters geeigneten metallischen Kontaktfläche zur Kontaktierung eines Leistungshalbleiters.
  • 1 zeigt einen Leistungshalbleiter 10, dessen Leistungskontakt mit einem umlaufend mit der Trägerfolie 2 verbundenen Metallformkörper 30 belegt ist. Noch ist der Metallformkörper nicht mit dem Leistungskontakt versintert. Ebenso noch nicht versintert ist der kleine Steuerkontakt mit einem in seinem Randbereich nur auf einer Seite auf der Trägerfolie 20 aufliegenden Metallformkörper 30´ belegt.
  • 2 zeigt die gleiche Struktur nach dem Sintern. Der Metallformkörper 30, der mit dem großen Leistungsanschluss versintert ist, wurde durch den Sinterdruck derart verformt, dass dessen Randbereiche eine S-förmige Rampe aufweisen. Dabei ist Dank der relativen Größe des Metallformköpers in dessen Zentrum eine große Fläche sicher mit dem Leistungskontakt des Leistungshalbleiters versintert. Würde auch der Metallformkörper 30´ in seinem umrandenden Bereich auf der Trägerfolie aufliegen, so bestünde die Gefahr einer schlechten Anbindung an den Steueranschluss des Leistungshalbleites, da die umlaufenden S-förmigen Rampen kaum noch einen zentralen Bereich übrig lassen würden. In der ist jedoch der Metallformkörper 30´ nicht umlaufend angebunden, sondern frei hängend nur auf einer Seite auf der Trägerfolie angebracht. Daher kann sich der Metallformkörper 30´ gut an die Steueranschlusskontakte anschmiegen und sicher verbinden.
  • zeigt eine derartige Struktur in der Draufsicht. Hierbei ist beispielhaft die Anbindung von 30´ über einen schmalen Steg dargestellt. Über den schmalen Steg wird der auf dem Steueranschluss des Leistungshalbleiters angebundene Abschnitt des Metallformkörpers mit einem z. B. für die Drahtkontaktierung vorgesehenen Abschnitt des gleichen Metallformkörpers verbunden.
  • Natürlich könnte der Drahtanschluss auch direkt auf den an den Steuerkontakt gesinterten zentralen Bereich des Metallformkörpers 30´ gebondet werden.
  • Für die Herstellung derartiger Bond Buffer kann es von Vorteil sein, dass der Metallformkörper umlaufend überlappend auf der Trägerfolie angeordnet ist. Dann jedoch sollte der Metallformkörper nicht umlaufend durch eine Adhäsionsschicht mit der Trägerfolie verbunden sein.
  • Entscheidend für die erfindungsgemäße Verbesserung des Standes der Technik ist die hinreichende Verformbarkeit des Metallformkörpers 30´, der nicht umlaufend fest mit der Trägerfolie verbunden ist.
  • 4 zeigt den schematischen Ablauf eines ersten Verfahrens zur Herstellung eines Leistungshalbleiters nach der Erfindung.
  • Zunächst wird in einem ersten Verfahrensschritt 100 eine Trägerfolie 20 auf einen Leistungshalbleiter 10 aufgebracht, wobei ein Steuer- oder Leistungskontakt des Leistungshalbleiters nicht mit der Trägerfolie bedeckt wird. Der Steuer- oder Leistungskontakt bleibt also von der Trägerfolie 20 frei.
  • In einem zweiten Schritt 110 wird ein Metallformkörper 30´ auf der Trägerfolie 20 derart angeordnet, dass ein erster Metallformkörperabschnitt auf der Trägerfolie angeordnet ist und sich ein zweiter Metallformkörperabschnitt mit seinem freien Ende oberhalb des Steuer- oder Leistungskontakts befindet. Dabei ragt der zweite Metallformkörperabschnitt über die Fläche der Trägerfolie 20 hinaus, die ein einseitiges Auflager für den Metallformkörper 30´ bildet.
  • Schließlich wird der über die Fläche der Trägerfolie 20 hinausragende Abschnitt des Metallformkörpers 30´ in einem dritten Schritt 120 derart verformt, dass dieser mit dem Steuer- oder Leistungskontakt verbunden wird.
  • Alternativ zu diesem Verfahren kann zunächst ein Bond Buffer durch Verbinden einer Trägerfolie 20 mit einem darüber angeordneten Metallformkörper 30´ geschaffen werden. 5 zeigt den schematischen Ablauf dieses zweiten Verfahrens zum Herstellen einer für die Anbindung eines elektrischen Leiters geeigneten metallischen Kontaktfläche zur Kontaktierung eines Leistungshalbleiters.
  • Im ersten Schritt 200 wird der Bond Buffer auf den Leistungshalbleiter aufgebracht, so dass der über die Trägerfolie hinausragende Metallformkörperabschnitt oberhalb eines Steuer- oder Leistungskontakts angeordnet ist.
  • In einem zweiten Schritt 210 wird der über die Fläche der Trägerfolie hinausragende Abschnitt des Metallformkörpers mit dem Steuer- oder Leistungskontakt verformt und mit dem Steuer- oder Leistungskontakt verbunden.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Leistungshalbleiter
    20
    Organische Trägerfolie mit Adhäsionsschicht
    30
    Metallformkörper zur Belegung des Leistungskontakts des Leistungshalbleiters
    30´
    Metallformkörper zur Belegung des Steuerkontakts des Leistungshalbleiters

Claims (9)

  1. Verfahren zum Herstellen einer für die Anbindung eines elektrischen Leiters geeigneten metallischen Kontaktfläche zur Kontaktierung eines Leistungshalbleiters (10), mit den Schritten: – Aufbringen einer Trägerfolie (20) auf den Leistungshalbleiter (10) unter Aussparen eines Steuer- oder Leistungskontakts des Leistungshalbleiters (10), – Anordnen eines Metallformkörpers (30´) auf der Trägerfolie (20) unter Ausbilden eines auf der Trägerfolie (20) angeordneten ersten Metallformkörperabschnitts und eines oberhalb des Steuer- oder Leistungskontakts über die Fläche der Trägerfolie (20) hinausragenden zweiten Metallformkörperabschnitts, wobei die Trägerfolie (20) für den über die Fläche der Trägerfolie (20) hinausragenden Abschnitt des Metallformkörpers (30´) ein einseitiges Auflager bildet, – Verbinden des über die Fläche der Trägerfolie (20) hinausragenden Abschnitts des Metallformkörpers (30´) mit dem Steuer- oder Leistungskontakt unter Verformen des Metallformkörpers (30´).
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbinden des über die Fläche der Trägerfolie (20) hinausragenden Abschnitts des Metallformkörpers (30´) mit dem Leistungskontakt durch Silbersintern erfolgt.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Kontaktieren des elektrischen Leiters mit dem ersten Metallformkörperabschnitt.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Leiter ein Draht oder ein Bändchen ist.
  5. Leistungshalbleiter (10) mit – einem Steuer- und einem Leistungskontakt, – einer auf dem Leistungshalbleiter (10) angeordneten, den Steuer- und/oder Leistungskontakt aussparenden Trägerfolie (20), – einem auf der Trägerfolie (20) angeordneten Metallformkörper (30´), der aus einem auf der Trägerfolie (20) angeordneten ersten Metallformkörperabschnitt und einem oberhalb des Steuer- oder Leistungskontakts angeordneten, mit diesem verbundenen zweiten Metallformkörperabschnitt besteht, wobei der erste Metallformkörperabschnitt mit dem zweiten Metallformkörperabschnitt über einen die Trägerfolie (20) überbrückenden Verformungsbereich verbunden ist.
  6. Leistungshalbleiter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Verformungsbereich als Steg ausgebildet ist.
  7. Bond Buffer mit – einer Trägerfolie (20), und – einem auf der Trägerfolie (20) angeordneten Metallformkörper (30´), wobei – der Metallformkörper (30´) aus einem auf der Trägerfolie (20) angeordneten ersten Metallformkörperabschnitt und einem über die Fläche der Trägerfolie (20) hinausragenden zweiten Metallformkörperabschnitt besteht, und – der erste Metallformkörperabschnitt mit dem zweiten Metallformkörperabschnitt über einen Verformungsbereich miteinander verbunden ist.
  8. Bond Buffer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Verformungsbereich als Steg ausgebildet ist.
  9. Verfahren zum Herstellen einer für die Anbindung eines elektrischen Leiters geeigneten metallischen Kontaktfläche zur Kontaktierung eines Leistungshalbleiters (10), mit den Schritten: – Aufbringen eines Bondbuffers nach einem der Ansprüche 7 und 8 auf den Leistungshalbleiter (10), sodass der über die Trägerfolie (20) hinausragende Metallformkörperabschnitt oberhalb eines Steuer- oder Leistungskontakts des Leistungshalbleiters (10) angeordnet ist, – Verbinden des über die Fläche der Trägerfolie (20) hinausragenden Metallformkörperabschnitts mit dem Steuer- oder Leistungskontakt unter Verformen des Metallformkörpers (30´).
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