DE102018118717A1

DE102018118717A1 - Verfahren zur Herstellung eines elektronischen Bauelements und elektronisches Bauelement

Info

Publication number: DE102018118717A1
Application number: DE102018118717.3A
Authority: DE
Inventors: Mathias Wendt; Simeon Katz; Pascal Porten
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2018-08-01
Filing date: 2018-08-01
Publication date: 2020-02-06

Abstract

In mindestens einer Ausführungsform umfasst das Verfahren zur Herstellung eines elektronischen Bauelements (100) einen Schritt A), in dem ein Halbleiterchip (2) mit einer Unterseite (20) und einer Mehrzahl von Kontaktstiften (21), die von der Unterseite hervorstehen, bereitgestellt wird. In einem Schritt B) wird ein Anschlussträger (1) mit einer Oberseite (10), in die mehrere Vertiefungen (11) eingebracht sind, bereitgestellt. Die Vertiefungen sind jeweils mit einem Lötmaterial (12) zumindest teilweise gefüllt. Die Lötmaterialien unterschiedlicher Vertiefungen hängen nicht zusammen. Die Vertiefungen weisen einen größeren Durchmesser als die Kontaktstifte auf und die Anordnung der Vertiefungen in der Oberseite des Anschlussträgers ist an die Anordnung der Kontaktstifte an der Unterseite des Halbleiterchips angepasst, so dass beim Aufsetzen des Halbleiterchips auf den Anschlussträger jeder Kontaktstift einer Ausnehmung zugeordnet werden kann. In einem Schritt C) wird das Lötmaterial in den Vertiefungen auf eine Fügetemperatur erhitzt, bei der das Lötmaterial zumindest teilweise schmilzt. In einem Schritt D) wird der Halbleiterchip auf den Anschlussträger aufgesetzt, wobei die Kontaktstifte jeweils einer Vertiefung zugeordnet werden und dabei in das aufgeschmolzene Lötmaterial eingetaucht werden.

Description

Es wird ein Verfahren zur Herstellung eines elektronischen Bauelements angegeben. Darüber hinaus wird ein elektronisches Bauelement angegeben.
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, ein Verfahren anzugeben, mit dem ein Halbleiterchip justiert auf einen Anschlussträger gesetzt wird. Eine weitere zu lösende Aufgabe besteht darin, ein elektronisches Bauelement anzugeben, das mit diesem Verfahren herstellbar ist.
Diese Aufgaben werden unter anderem durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Verfahren zur Herstellung eines elektronischen Bauelements einen Schritt A), in dem ein Halbleiterchip bereitgestellt wird. Der Halbleiterchip umfasst eine Unterseite und eine Mehrzahl von Kontaktstiften, die von der Unterseite hervorstehen.
Das elektronische Bauelement ist bevorzugt ein optoelektronisches Bauelement. Der Halbleiterchip ist bevorzugt ein optoelektronischer Halbleiterchip zur Emission oder Absorption elektromagnetischer Strahlung.
Der Halbleiterchip umfasst zum Beispiel zumindest vier oder zumindest 16 oder zumindest 36 oder zumindest 64 oder zumindest 100 Kontaktstifte. Die Kontaktstifte dienen insbesondere zur externen elektrischen Kontaktierung des Halbleiterchips. Die Kontaktstifte sind bevorzugt metallisch ausgebildet. Zum Beispiel umfassen oder bestehen die Kontaktstifte aus einem oder mehreren der folgenden Materialien: Platin, Nickel oder Gold. Bevorzugt sind die Kontaktstifte einstückig beziehungsweise einteilig ausgebildet.
Die Kontaktstifte ragen von der Unterseite beispielsweise zumindest 1 µm oder zumindest 2 µm oder zumindest 5 µm hervor. Alternativ oder zusätzlich können die Kontaktstifte höchstens 20 µm oder höchstens 15 µm oder höchstens 10 µm von der Unterseite hervorragen. Ein Durchmesser der Kontaktstifte, gemessen parallel zur Unterseite, beträgt beispielsweise zumindest 1 µm oder zumindest 2 µm oder zumindest 5 µm. Alternativ oder zusätzlich kann der Durchmesser der Kontaktstifte höchstens 20 µm oder höchstens 15 µm oder höchstens 10 µm sein. Die Kontaktstifte sind beispielsweise zylinderförmig oder quaderförmig ausgebildet. Bevorzugt ist eine Ausdehnung der Kontaktstifte senkrecht zur Unterseite größer als parallel zur Unterseite.
Der Halbleiterchip ist bevorzugt ein optoelektronischer Halbleiterchip. Der Halbleiterchip umfasst beispielsweise eine Halbleiterschichtenfolge mit einer aktiven Schicht zur Erzeugung oder zur Absorption elektromagnetischer Strahlung. Die Halbleiterschichtenfolge basiert zum Beispiel auf einem III-V-Verbindungshalbleitermaterial. Bei dem Halbleitermaterial handelt es sich zum Beispiel um ein Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial, wie Al_nIn_1-n-mGa_mN, oder um ein Phosphid-Verbindungshalbleitermaterial, wie Al_nIn_1-n-mGa_mP, oder um ein Arsenid-Verbindungshalbleitermaterial, wie Al_nIn_1-n-mGa_mAs oder Al_nIn_1-n-mGa_mAsP, wobei jeweils 0 ≤ n ≤ 1, 0 ≤ m ≤ 1 und m + n ≤ 1 ist. Dabei kann die Halbleiterschichtenfolge Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen. Der Einfachheit halber sind jedoch nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters der Halbleiterschichtenfolge, also Al, As, Ga, In, N oder P, angegeben, auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt und/oder ergänzt sein können. Bevorzugt basiert die Halbleiterschichtenfolge auf AlInGaN.
Die aktive Schicht der Halbleiterschichtenfolge beinhaltet insbesondere wenigstens einen pn-Übergang und/oder mindestens eine Quantentopfstruktur und kann zum Beispiel im bestimmungsgemäßen Betrieb elektromagnetische Strahlung im blauen oder grünen oder roten Spektralbereich oder im UV-Bereich erzeugen oder absorbieren. Bevorzugt umfasst der Halbleiterchip eine, insbesondere genau eine, zusammenhängende, insbesondere einfach zusammenhängende, aktive Schicht. Alternativ kann die aktive Schicht auch segmentiert sein.
Unter einem Halbleiterchip wird hier und im Folgenden ein separat handhabbares und elektrisch kontaktierbares Element verstanden. Ein Halbleiterchip entsteht insbesondere durch Vereinzelung aus einem Waferverbund. Insbesondere weisen Seitenflächen eines solchen Halbleiterchips dann zum Beispiel Spuren aus dem Vereinzelungsprozess des Waferverbunds auf. Ein Halbleiterchip umfasst bevorzugt genau einen ursprünglich zusammenhängenden Bereich der im Waferverbund gewachsenen Halbleiterschichtenfolge. Die Halbleiterschichtenfolge des Halbleiterchips ist bevorzugt zusammenhängend ausgebildet. Die laterale Ausdehnung des Halbleiterchips, gemessen parallel zur Haupterstreckungsrichtung der aktiven Schicht, ist beispielsweise höchstens 1 % oder höchstens 5 % größer als die laterale Ausdehnung der aktiven Schicht oder der Halbleiterschichtenfolge.
Eine der Unterseite des Halbleiterchips gegenüberliegende Oberseite des Halbleiterchips ist zum Beispiel als Strahlungsseite ausgebildet. Über die Strahlungsseite werden beispielsweise zumindest 50 % der aus dem Halbleiterchip ausgekoppelten oder der in den Halbleiterchip eingekoppelten Strahlung aus- oder eingekoppelt.
Im Schritt A) umfasst der Halbleiterchip beispielsweise noch ein Aufwachssubstrat, auf dem die gesamte Halbleiterschichtenfolge gewachsen ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Verfahren einen Schritt B), in dem ein Anschlussträger mit einer Oberseite bereitgestellt wird. In die Oberseite sind mehrere Vertiefungen eingebracht.
Bei dem Anschlussträger handelt es sich insbesondere um einen elektronischen Anschlussträger zur elektronischen Kontaktierung des Halbleiterchips. Beispielsweise ist der Anschlussträger ein Halbleiterträger, wie ein Siliziumträger, mit einer integrierten elektronischen Schaltung. Auch kann der Anschlussträger eine Leiterplatte oder ein auf Keramik basierender Träger sein.
Die Vertiefungen sind in die Oberseite des Anschlussträgers eingebracht. Das heißt, die Vertiefungen erstrecken sich von der Oberseite hinein in den Anschlussträger. Beispielsweise haben die Vertiefungen eine Tiefe, gemessen senkrecht zur Oberseite, von zumindest 2 µm oder zumindest 5 µm. Alternativ oder zusätzlich können die Vertiefungen eine Tiefe von höchstens 20 µm oder höchstens 15 µm oder höchstens 10 µm haben. Die unterschiedlichen Vertiefungen sind bevorzugt voneinander getrennt. Das heißt, die Vertiefungen sind nicht durch in die Oberseite eingebrachte Gräben miteinander verbunden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Vertiefungen jeweils mit einem Lötmaterial zumindest teilweise gefüllt. Beispielsweise füllt das Lötmaterial die Vertiefungen zu zumindest 50 % oder zumindest 60 % oder zumindest 70 %. Alternativ oder zusätzlich kann das Lötmaterial die Vertiefungen jeweils zu höchstens 90 % oder höchstens 80 % füllen.
Das Lötmaterial ist bevorzugt ein Metall, insbesondere eine Metalllegierung, besonders bevorzugt ein Eutektikum. Beispielsweise umfasst das Lötmaterial Gallium, Indium, Wismut, Silber, Kupfer, Gold, Zink, Blei oder Zinn oder besteht aus einem dieser Materialien. Das Lötmaterial umfasst zum Beispiel Galinstan (GaInSn), GaIn, BiIn, SnAgCu, SnCu, AuSn, InSn, AgIn, SnZn, AgSn, AuBi, AgBi oder besteht daraus.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform hängen die Lötmaterialien unterschiedlicher Vertiefungen nicht zusammen. Das Lötmaterial in einer Vertiefung ist also von dem Lötmaterial in den anderen Vertiefungen getrennt. Insbesondere sind die Lötmaterialien der verschiedenen Vertiefungen elektrisch voneinander isoliert.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen die Vertiefungen einen größeren Durchmesser als die Kontaktstifte auf. Der Durchmesser einer Vertiefung wird dabei parallel zur Oberseite oder parallel zu einer Haupterstreckungsebene des Anschlussträgers gemessen. Zum Beispiel weisen die Vertiefungen einen um zumindest 10 % oder zumindest 20 % oder zumindest 50 % größeren Durchmesser als die Kontaktstifte auf. Alternativ oder zusätzlich kann der Durchmesser der Vertiefungen höchstens 100 % oder höchstens 75 % oder höchstens 50 % größer als der Durchmesser der Kontaktstifte sein. Die Vertiefungen sind beispielsweise zylindrische oder quaderförmige Ausnehmungen in dem Anschlussträger.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Anordnung der Vertiefungen in der Oberseite des Anschlussträgers an die Anordnung der Kontaktstifte auf der Unterseite des Halbleiterchips angepasst, so dass bei dem Aufsetzen des Halbleiterchips auf den Anschlussträger jeder Kontaktstift einer Ausnehmung zugeordnet werden kann. Anders ausgedrückt, sind die Vertiefungen so angeordnet, dass beim Aufsetzen des Halbleiterchips jeder Kontaktstift in eine eigens zugeordnete Vertiefung eingeführt werden kann.
Zum Beispiel sind die Kontaktstifte auf der Unterseite des Halbleiterchips in regelmäßigen Abständen, zum Beispiel auf den Gitterpunkten eines Rechteckgitters oder eines hexagonalen Gitters, angeordnet. Entsprechend sind dann die Vertiefungen in dem Anschlussträger mit den gleichen Abständen und in dem gleichen regelmäßigen Muster angeordnet. Insbesondere umfasst der Anschlussträger zumindest so viele Ausnehmungen wie der Halbleiterchip Kontaktstifte umfasst.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Verfahren einen Schritt C), in dem das Lötmaterial in den Vertiefungen auf eine Fügetemperatur erhitzt wird, bei der das Lötmaterial zumindest teilweise, bevorzugt vollständig, schmilzt. Die Fügetemperatur liegt also oberhalb der Solidustemperatur, bevorzugt oberhalb der Liquidustemperatur, des Lötmaterials. Zum Beispiel liegt die Fügetemperatur zwischen einschließlich 100 °C und 400 °C.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Verfahren einen Schritt D), in dem der Halbleiterchip auf den Anschlussträger aufgesetzt wird, wobei die Kontaktstifte jeweils einer Vertiefung zugeordnet werden und dabei in das aufgeschmolzene Lötmaterial eingetaucht werden. Jeder Kontaktstift wird dabei einer Vertiefung bevorzugt eineindeutig zugeordnet.
Beim Aufsetzen dringen die Kontaktstifte in die zugeordneten Vertiefungen ein. Bevorzugt wird jeder Kontaktstift in aufgeschmolzenes Lötmaterial eingetaucht und kommt dabei in direkten mechanischen Kontakt mit dem Lötmaterial.
Beim Eintauchen der Kontaktstifte in das Lötmaterial werden die Kontaktstifte jeweils in einem dem Anschlussträger zugewandten Bereich mit dem Lötmaterial benetzt. Ein dem Anschlussträger abgewandter Bereich der Kontaktstifte bleibt zum Beispiel frei von dem Lötmaterial.
Nach dem Aufbringen des Halbleiterchips kann das Lötmaterial abgekühlt werden, so dass es aushärtet. Alternativ ist es auch möglich, dass durch eine Reaktion mit den Kontaktstiften eine isotherme Erstarrung des Lötmaterials stattfindet.
Bevorzugt werden die Schritte A) bis D) in der angegebenen Reihenfolge und nacheinander ausgeführt.
In mindestens einer Ausführungsform umfasst das Verfahren zur Herstellung eines elektronischen Bauelements einen Schritt A), in dem ein Halbleiterchip mit einer Unterseite und einer Mehrzahl von Kontaktstiften, die von der Unterseite hervorstehen, bereitgestellt wird. In einem Schritt B) wird ein Anschlussträger mit einer Oberseite, in die mehrere Vertiefungen eingebracht sind, bereitgestellt. Die Vertiefungen sind jeweils mit einem Lötmaterial zumindest teilweise gefüllt. Die Lötmaterialien unterschiedlicher Vertiefungen hängen nicht zusammen. Die Vertiefungen weisen einen größeren Durchmesser als die Kontaktstifte auf und die Anordnung der Vertiefungen in der Oberseite des Anschlussträgers ist an die Anordnung der Kontaktstifte an der Unterseite des Halbleiterchips angepasst, so dass beim Aufsetzen des Halbleiterchips auf den Anschlussträger jeder Kontaktstift einer Ausnehmung zugeordnet werden kann. In einem Schritt C) wird das Lötmaterial in den Vertiefungen auf eine Fügetemperatur erhitzt, bei der das Lötmaterial zumindest teilweise schmilzt. In einem Schritt D) wird der Halbleiterchip auf den Anschlussträger aufgesetzt, wobei die Kontaktstifte jeweils einer Vertiefung zugeordnet werden und dabei in das aufgeschmolzene Lötmaterial eingetaucht werden.
Der vorliegenden Erfindung liegt insbesondere die Erkenntnis zu Grunde, dass bei hoch pixelierten, optoelektronischen Halbleiterchips, beispielsweise mit einer Pixelgröße von zirka 10 µm und einer Gesamtabmessung von zirka 20 mm x 20 mm, diese Halbleiterchips mit einer Justagetoleranz von höchstens 10 µm gesetzt werden müssen. Dabei sollen auch Randbedingungen, wie die Verbiegung des Halbleiterchips sowie die Zuverlässigkeit und mechanische Stabilität der elektrischen Kontakte berücksichtigt werden.
Mit dem vorliegenden Verfahren kann der Halbleiterchip auch bei sehr geringen Abständen der Kontaktstifte zuverlässig aufgebracht werden. Auf eine aufwändige Planarisierung, wie beim Hybrid-Direktbonden, kann verzichtet werden. Innerhalb der Justagetoleranz, die durch die Hälfte der Differenz zwischen dem Durchmesser der Vertiefungen und dem Durchmesser der Kontaktstifte gegeben ist, kann eine stabile Fixierung erreicht werden. Eine besonders hohe Justagetoleranz ist bei sehr dünnen Kontaktstiften, also mit einem kleinen Durchmesser, erreichbar. Über die Höhe der Kontaktstifte kann die Höhe des gesamten Bauelements variiert werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind das Lötmaterial und das Material der Kontaktstifte so gewählt, dass im Schritt D) und bei der Fügetemperatur das Lötmaterial und die Kontaktstifte durch isotherme Erstarrung stoffschlüssig miteinander verbunden werden. Im Schritt D) findet also zwischen dem Lötmaterial und dem Material der Kontaktstifte eine Reaktion statt, durch die das Lötmaterial isotherm erstarrt. Die Fügetemperatur ist in diesem Fall so gewählt, dass sie unterhalb der Schmelztemperatur der bei der isothermen Erstarrung entstehenden Verbindung liegt.
Beispielsweise kann das Lötmaterial AuSn sein, die Kontaktstifte können aus Platin sein. Die Schmelztemperatur des Lötmaterials liegt dann bei zirka 280 °C. AuSn reagiert mit Platin, wodurch es zu einer isothermen Erstarrung kommt. Die Schmelztemperatur der dabei entstehenden Verbindung liegt bei über 400 °C. Bei Zinn- oder Indium-basierten Lötmaterialien eignen sich auch Ni- oder Au-basierte Kontaktstifte, um eine isotherme Erstarrung zu erzielen.
Vorteilhaft kann bei dem Aufbringen des Halbleiterchips auf dem Anschlussträger die Fügetemperatur im Bereich zwischen der Schmelztemperatur des Lötmaterials und der Schmelztemperatur der bei der isothermen Erstarrung entstehenden Verbindung frei gewählt werden, so dass Verspannungen beziehungsweise Entspannungen in der Halbleiterschichtenfolge des Halbleiterchips eingestellt werden können. Insbesondere wenn die Halbleiterschichtenfolge des Halbleiterchips auf einem Aufwachssubstrat angeordnet ist, kann diese stark verspannt sein. Beim Aufsetzen auf den Anschlussträger und durch Einstellung einer entsprechenden Fügetemperatur kann dieser Verspannung entgegengewirkt werden. Danach kann das Aufwachsubstrat beispielsweise abgelöst werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird mit dem Verfahren der Halbleiterchip auf dem Anschlussträger elektrisch angeschlossen. Anders ausgedrückt werden die Kontaktstifte mit entsprechenden Kontaktelementen des Anschlussträgers elektrisch leitend verbunden. Die elektrisch leitende Verbindung wird dabei durch das Lötmaterial vermittelt. Nach dem Schritt D) kann der Halbleiterchip dann beispielsweise über den Anschlussträger bestromt und bestimmungsgemäß betrieben werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Halbleiterchip ein pixelierter, optoelektronischer Halbleiterchip. Das heißt, der Halbleiterchip umfasst eine Mehrzahl von Feldern, Englisch Pixel, die bevorzugt einzeln und unabhängig voneinander ansteuerbar sind und so einzeln und unabhängig voneinander elektromagnetische Strahlung emittieren oder absorbieren können.
Die aktive Schicht der Halbleiterschichtenfolge des Halbleiterchips kann dabei zusammenhängend ausgebildet sein und sich über alle Pixel erstrecken. Alternativ kann die aktive Schicht aber auch in einzelne Segmente unterteilt sein, wobei jedes Segment einem Pixel eineindeutig zugeordnet ist.
Jedes Pixel kann beispielsweise eine laterale Ausdehnung, gemessen parallel zur Unterseite des Halbleiterchips, von höchstens 250 µm oder höchstens 150 µm oder höchstens 50 µm oder höchstens 10 µm aufweisen. Alternativ oder zusätzlich können die Pixel jeweils eine laterale Ausdehnung von mindestens 2 µm oder mindestens 5 µm aufweisen. Der Halbleiterchip umfasst beispielsweise zumindest vier oder zumindest 16 oder zumindest 36 oder zumindest 64 oder zumindest 100 solcher Pixel.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist jedem Kontaktstift ein Pixel beziehungsweise Feld zugeordnet, insbesondere eineindeutig zugeordnet. Es können einem Kontaktstift aber auch mehrere Pixel zugeordnet sein. Durch Zuführung von Ladungsträgern über den Kontaktstift können also das oder die zugeordneten Pixel, bevorzugt ausschließlich das oder die zugeordneten Pixel, betrieben werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der Anschlussträger eine Mehrzahl von elektronischen Schaltern. Die elektronischen Schalter können in dem Anschlussträger integriert sein. Die Schalter sind beispielsweise Transistoren. Insbesondere handelt es sich bei dem Anschlussträger um einen Si-Träger mit integrierter Schaltung.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist jeder Vertiefung ein Schalter zugeordnet, insbesondere eineindeutig zugeordnet. Nach dem Aufbringen des Halbleiterchips ist bevorzugt jeder Kontaktstift elektrisch leitend mit einem Schalter verbunden. Über die Schalter können die einzelnen Pixel des pixelierten Halbleiterchips einzeln und unabhängig voneinander angesteuert und betrieben werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform werden im Schritt D) die Kontaktstifte so weit in das aufgeschmolzene Lötmaterial eingetaucht, dass in jeder Vertiefung das Volumen des verdrängten Lötmaterials zumindest 10 % oder zumindest 15 % oder zumindest 20 % oder zumindest 30 % oder zumindest 50 % oder zumindest 70 % des Gesamtvolumens des Lötmaterials in der Vertiefung beträgt. Alternativ oder zusätzlich beträgt das Volumen des verdrängten Lötmaterials jeweils höchstens 90 % oder höchstens 80 % oder höchstens 50 % oder höchstens 20 % des Gesamtvolumens des Lötmaterials. Insbesondere ist also die Menge des Lötmaterials, die Form der Vertiefung und die Form des Kontaktstifts jeweils so gewählt, dass viel aufgeschmolzenes Lötmaterial mit dem Kontaktstift in Kontakt tritt, was die isotherme Erstarrung begünstigt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Oberseite des Anschlussträgers im Bereich außerhalb der Vertiefungen schlechter mit dem aufgeschmolzenen Lötmaterial benetzbar als die Kontaktstifte. Bevorzugt sind die Bereiche der Oberseite außerhalb der Vertiefungen nicht mit dem aufgeschmolzenen Lötmaterial benetzbar. Beim Aufbringen des Halbleiterchips ist damit die Gefahr reduziert, dass sich die Lötmaterialien benachbarter Vertiefungen miteinander verbinden und so ein Kurzschluss entsteht.
Bevorzugt ist die Oberseite des Anschlussträgers im Bereich außerhalb der Vertiefungen elektrisch isolierend gebildet. Zum Beispiel ist die Oberseite in diesen Bereichen durch undotiertes Halbleitermaterial gebildet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Oberseite des Anschlussträgers durch eine elektrisch isolierende Schicht gebildet, durch die hindurch sich die Vertiefungen erstrecken. Die elektrisch isolierende Schicht kann beispielsweise eine Siliziumoxid-Schicht, beispielsweise eine SiO₂-Schicht, sein. Die mittlere Dicke der elektrisch isolierenden Schicht, gemessen senkrecht zur Oberseite, beträgt beispielsweise zumindest 5 nm oder zumindest 10 nm oder zumindest 50 nm oder zumindest 1 µm. Alternativ oder zusätzlich kann die elektrisch isolierende Schicht eine Dicke von höchstens 100 µm oder höchstens 10 µm oder höchstens 3 µm aufweisen.
Die elektrisch isolierende Schicht umgibt beispielsweise in Draufsicht auf die Oberseite betrachtet jede der Vertiefungen vollständig. Die elektrisch isolierende Schicht ist bevorzugt zusammenhängend ausgebildet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird nach dem Schritt D) ein Füllmaterial zwischen den Halbleiterchip und den Anschlussträger eingefüllt. Das heißt, nach dem Aufsetzen des Halbleiterchips im Schritt D) ist zwischen der Unterseite des Halbleiterchips und der Oberseite des Anschlussträgers ein gasgefüllter Zwischenraum gebildet, der mit dem Füllmaterial aufgefüllt wird.
Das Füllmaterial füllt den Zwischenraum bevorzugt zu zumindest 50 % auf. Das Füllmaterial ist fest oder flüssig.
Das Füllmaterial kann elektrisch isolierend ausgebildet sein. Bevorzugt weist das Füllmaterial eine thermische Leitfähigkeit von zumindest 10 W/(m·K) auf. Dazu kann das Füllmaterial wärmeleitende Partikel, beispielsweise metallische Partikel, umfassen. Das Füllmaterial kann die Stabilität der Verbindung zwischen dem Halbleiterchip und dem Anschlussträger erhöhen. Beispielsweise ist das Füllmaterial klebend ausgebildet.
Bei dem Füllmaterial kann es sich zum Beispiel um eines oder mehrere der folgenden Materialien handeln: Polymer, Wachs, isolierende Paste, Silikon. Das Füllmaterial wird beispielsweise durch Injection-Molding eingebracht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform beträgt der Abstand zwischen jeweils zwei benachbarten Kontaktstiften zumindest 1 µm oder zumindest 2 µm oder zumindest 5 µm. Alternativ oder zusätzlich kann der Abstand zwischen je zwei benachbarten Kontaktstiften höchstens 50 µm oder höchstens 20 µm oder höchstens 10 µm betragen. Die Abstände werden dabei beispielsweise als die Abstände zwischen den Schwerpunkten der Kontaktstifte definiert. Entsprechend können die Abstände zwischen Schwerpunkten oder Mittelpunkten der Vertiefungen gewählt sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird vor dem Schritt D) ein Aufwachssubstrat des Halbleiterchips abgelöst. Der Halbleiterchip umfasst also beispielsweise im Schritt A) noch ein Aufwachssubstrat, beispielsweise ein Saphirsubstrat, auf dem die Halbleiterschichtenfolge epitaktisch gewachsen wurde.
Alternativ ist es aber auch denkbar, dass das Aufwachssubstrat des Halbleiterchips erst nach dem Aufsetzen und Befestigen auf dem Anschlussträger abgelöst wird.
Darüber hinaus wird ein elektronisches Bauelement, insbesondere ein optoelektronisches Bauelement, angegeben. Das elektronische Bauelement kann beispielsweise mit dem hier beschriebenen Verfahren hergestellt werden. Alle im Zusammenhang mit dem Verfahren offenbarten Merkmale sind daher auch für das elektronische Bauelement offenbart und umgekehrt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das elektronische Bauelement einen Halbleiterchip mit einer Mehrzahl von Kontaktstiften, die von einer Unterseite des Halbleiterchips hervorstehen.
Der Halbleiterchip kann ein so genannter Volumenemitter, insbesondere ein Flip-Chip, sein. In diesem Fall umfasst der Halbleiterchip bevorzugt noch das Aufwachssubstrat, das beispielsweise aus Saphir gebildet ist. Bevorzugt ist der Halbleiterchip jedoch ein Oberflächenemitter, insbesondere ein so genannter Dünnfilm-Chip, bei dem das Aufwachssubstrat abgelöst ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das elektronische Bauelement einen Anschlussträger mit einer Oberseite, in die mehrere Vertiefungen eingebracht sind.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Vertiefungen jeweils mit einem Lötmaterial zumindest teilweise gefüllt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform hängen die Lötmaterialien unterschiedlicher Vertiefungen nicht zusammen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Halbleiterchip mit der Unterseite voran auf der Oberseite des Anschlussträgers montiert. Das heißt, die Oberseite des Anschlussträgers ist der Unterseite des Halbleiterchips zugewandt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist jedem Kontaktstift eine Vertiefung zugeordnet. Die Zuordnung zwischen Kontaktstiften und Vertiefungen ist zum Beispiel eineindeutig.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ragen die Kontaktstifte jeweils in eine Vertiefung hinein. Bevorzugt sind die Kontaktstifte aber nicht vollständig in den Vertiefungen angeordnet, sondern sind bereichsweise außerhalb der Vertiefung angeordnet. Das heißt, in eine Richtung weg von der Oberseite des Anschlussträgers und hin zur Unterseite des Halbleiterchips überragen die Kontaktstifte die Oberseite des Anschlussträgers, beispielsweise um zumindest 500 nm oder zumindest 1 µm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Kontaktstifte jeweils mit dem Lötmaterial der Vertiefungen stoffschlüssig verbunden. Beispielsweise sind untere Bereiche der Kontaktstifte, die innerhalb der Vertiefungen angeordnet sind, mit dem Lötmaterial benetzt. Obere Bereiche der Kontaktstifte, die dem Anschlussträger abgewandt sind und beispielsweise außerhalb der Vertiefungen liegen, sind bevorzugt frei von dem Lötmaterial.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Halbleiterchip über die Kontaktstifte und über das Lötmaterial elektrisch an den Anschlussträger angeschlossen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Unterseite des Halbleiterchips und die Oberseite des Anschlussträgers voneinander beabstandet, so dass ein Zwischenraum zwischen dem Halbleiterchip und dem Anschlussträger gebildet ist, der von den Kontaktstiften durchkreuzt ist. Der Abstand zwischen der Unterseite des Halbleiterchips und der Oberseite des Anschlussträgers beträgt beispielsweise zumindest 500 nm oder zumindest 1 µm oder zumindest 5 µm. Die Oberseite des Anschlussträgers und die Unterseite des Halbleiterchips verlaufen beispielsweise im Wesentlichen parallel zueinander. Die Kontaktstifte erstrecken sich in Form von Säulen von der Unterseite bis zur Oberseite.
Der Zwischenraum zwischen der Oberseite und der Unterseite kann beispielsweise gasgefüllt sein. In diesem Fall ist der Halbleiterchip bevorzugt ausschließlich durch die Kontaktstifte auf dem Anschlussträger befestigt und getragen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Zwischenraum zwischen der Unterseite und der Oberseite mit einem Füllmaterial aufgefüllt. Das Füllmaterial ist zusammenhängend ausgebildet und von den Kontaktstiften durchkreuzt. Das Füllmaterial kann man mit der Oberseite und/oder der Unterseite und/oder auch mit den Kontaktstiften in direktem Kontakt stehen. Beispielsweise füllt das Füllmaterial zumindest 50 % des Zwischenraums zwischen der Oberseite des Anschlussträgers und der Unterseite des Halbleiterchips.
Nachfolgend wird ein hier beschriebenes Verfahren zur Herstellung eines elektronischen Bauelements sowie ein hier beschriebenes elektronisches Bauelement unter Bezugnahme auf Zeichnungen anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Gleiche Bezugszeichen geben dabei gleiche Elemente in den einzelnen Figuren an. Es sind dabei jedoch keine maßstäblichen Bezüge dargestellt, vielmehr können einzelne Elemente zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
Es zeigen:

1A bis 1C verschiedene Positionen in einem Ausführungsbeispiel des Verfahrens zur Herstellung eines elektronischen Bauelements sowie ein Ausführungsbeispiel eines elektronischen Bauelements,
2 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines elektronischen Bauelements.

In der 1A ist eine erste Position in einem Ausführungsbeispiel des Verfahrens zur Herstellung eines elektronischen Bauelements gezeigt. In dieser Position ist ein Anschlussträger 1 bereitgestellt. Bei dem Anschlussträger 1 handelt es sich beispielsweise um einen siliziumbasierten Träger mit einer integrierten Schaltung. Insbesondere umfasst der Anschlussträger eine Mehrzahl von elektronischen Schaltern 13. Bei den Schaltern 13 handelt es sich beispielsweise um Transistoren.
Der Anschlussträger 1 weist eine Oberseite 10 auf, in die eine Mehrzahl von Vertiefungen 11 eingebracht ist. Die Oberseite 10 des Anschlussträgers 1 ist dabei durch eine elektrisch isolierende Schicht 14 gebildet. Bei der elektrisch isolierenden Schicht 14 handelt es sich vorliegend beispielsweise um eine SiO₂-Schicht. Die Vertiefungen 11 erstrecken sich vollständig durch die elektrisch isolierende Schicht 14.
Jede der Vertiefungen 11 ist teilweise mit einem Lötmaterial 12 gefüllt. Bei dem Lötmaterial 12 handelt es sich beispielsweise um AuSn. Das Lötmaterial 12 ist elektrisch leitend mit den Schaltern 13 verbunden. Zu erkennen ist, dass die Lötmaterialien 12 aus unterschiedlichen Vertiefungen 11 nicht miteinander zusammenhängen und elektrisch voneinander isoliert sind. Insbesondere sind die Bereiche der Oberseite 10 des Anschlussträgers außerhalb der Vertiefungen 11 frei von dem Lötmaterial 12.
Außerdem ist in der 1A zu erkennen, dass ein Halbleiterchip 2 mit einer Unterseite 20 bereitgestellt ist. Von der Unterseite 20 stehen mehrere Kontaktstifte 21 hervor. Bei dem Halbleiterchip 2 handelt es sich vorliegend zum Beispiel um einen pixelierten, optoelektronischen Halbleiterchip. Die Kontaktstifte 21 sind dabei beispielsweise jeweils einem Pixel oder Emissionsfeld des Halbleiterchips 2 eineindeutig zugeordnet und dienen zur elektrischen Kontaktierung des Halbleiterchips 2 beziehungsweise des zugeordneten Pixels. Über ein elektrisch kontaktiertes Pixel oder Emissionsfeld wird im bestimmungsgemäßen Betrieb des Halbleiterchips 2 Strahlung emittiert.
Eine Halbleiterschichtenfolge des Halbleiterchips 2 basiert beispielsweise auf GaN. Die Kontaktstifte 21 sind beispielsweise aus Platin gebildet. Ein Abstand zwischen je zwei benachbarten Kontaktstiften 21 beträgt beispielsweise höchstens 10 µm. Die Kontaktstifte 21 haben beispielsweise jeweils einen Durchmesser von höchstens 5 µm und stehen höchstens 10 µm von der Unterseite 20 hervor.
In der 1B ist eine Position in dem Verfahren gezeigt, in der der Halbleiterchip 2 mit den Kontaktstiften 21 voran auf die Oberseite 10 des Anschlussträgers 1 aufgebracht ist. Dabei wird jeder Kontaktstift 21 in eine der Vertiefungen 11 eingeführt und in das Lötmaterial 12 der Vertiefung 11 eingetaucht. Zuvor wurde dazu das Lötmaterial 12 auf eine Fügetemperatur oberhalb der Solidustemperatur des Lötmaterials 12 erhitzt, sodass das Lötmaterial 12 teilweise aufgeschmolzen wurde.
In der 1B ist zu erkennen, dass jeder Kontaktstift 21 einer Vertiefung 11 eineindeutig zugeordnet ist und zumindest teilweise in diese Vertiefung 11 hineinragt. Dazu sind insbesondere die Durchmesser der Vertiefungen 11 größer gewählt als die Durchmesser der Kontaktstifte 21. Ferner ist die Anordnung der Vertiefungen 11 in der Oberseite 10 des Anschlussträgers 1 an die Anordnung der Kontaktstifte 21 an der Unterseite 20 des Halbleiterchips 2 angepasst. So sind die Zentren benachbarter Vertiefungen 11 in etwa so weit voneinander beabstandet wie zwei benachbarte Kontaktstifte 21.
In der 1C ist eine Position in dem Verfahren gezeigt, in der das Lötmaterial 12 untere, dem Anschlussträger 1 zugewandte Bereiche der Kontaktstifte 21 benetzt hat und dabei eine isotherme Erstarrung des Lötmaterials 12 stattgefunden hat. Dadurch ist es zu einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen dem Lötmaterial 12 und den Kontaktstiften 21 gekommen. Obere Bereiche der Kontaktstifte 21, die dem Anschlussträger 1 abgewandt sind, wurden nicht von dem Lötmaterial 21 benetzt.
Durch die stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Lötmaterial 12 und den Kontaktstiften 21 sind die Schalter 13 elektrisch mit den Pixeln des Halbleiterchips 2 verbunden worden. Über die einzelnen Schalter 13 können nun die einzelnen Pixel einzeln und unabhängig voneinander angesteuert und betrieben werden.
Die 1C zeigt zudem ein Ausführungsbeispiel eines fertiggestellten optoelektronischen Bauelements 100. Bei dem Bauelement 100 sind die Unterseite 20 des Halbleiterchips 2 und die Oberseite 10 des Anschlussträgers 1 voneinander beabstandet und durch einen Zwischenraum getrennt. Der Zwischenraum ist von den Kontaktstiften 21 durchkreuzt. Ansonsten ist der Zwischenraum zum Beispiel mit Gas gefüllt.
In der 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines optoelektronischen Bauelements 100 gezeigt. Anders als in der 1C ist der Zwischenraum zwischen der Unterseite 20 des Halbleiterchips 2 und der Oberseite 10 des Anschlussträgers 1 nicht mit einem Gas gefüllt, sondern mit einem Füllmaterial 3. Das Füllmaterial 3 kann beispielsweise zumindest 50 % des Zwischenraums zwischen der Unterseite 20 des Halbleiterchips 2 und der Oberseite 10 des Anschlussträgers 1 auffüllen. Das Füllmaterial 3 ist bevorzugt elektrisch isolierend ausgebildet und weist zum Beispiel eine thermische Leitfähigkeit von zumindest 10 W/(m·K) auf. Außerdem sorgt das Füllmaterial 3 für eine zusätzliche Stabilisierung des Halbleiterchips 2 auf dem Anschlussträger 1. Anders als in der 1C ist der Halbleiterchip 2 also nicht ausschließlich durch die Kontaktstifte 21 auf dem Anschlussträger 1 getragen.
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 diese Merkmale oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
Bezugszeichenliste

1: Anschlussträger
2: Halbleiterchip
3: Füllmaterial
10: Oberseite des Anschlussträgers 1
11: Vertiefungen in der Oberseite 10
12: Lötmaterial
13: Schalter
14: elektrisch isolierende Schicht
20: Unterseite des Halbleiterchips 2
21: Kontaktstifte
100: elektronisches Bauelement

Claims

Verfahren zur Herstellung eines elektronischen Bauelements (100), umfassend die Schritte: A) Bereitstellen eines Halbleiterchips (2) mit einer Unterseite (20) und einer Mehrzahl von Kontaktstiften (21), die von der Unterseite (20) hervorstehen; B) Bereitstellen eines Anschlussträgers (1) mit einer Oberseite (10), in die mehrere Vertiefungen (11) eingebracht sind, wobei - die Vertiefungen (11) jeweils mit einem Lötmaterial (12) zumindest teilweise gefüllt sind, - die Lötmaterialien (12) unterschiedlicher Vertiefungen (11) nicht zusammenhängen, - die Vertiefungen (11) einen größeren Durchmesser als die Kontaktstifte (21) aufweisen, - die Anordnung der Vertiefungen (11) in der Oberseite (10) des Anschlussträgers (1) an die Anordnung der Kontaktstifte (21) auf der Unterseite (20) des Halbleiterchips (2) angepasst ist, sodass bei einem Aufsetzen des Halbleiterchips (2) auf den Anschlussträger (1) jeder Kontaktstift (21) einer Ausnehmung (11) zugeordnet werden kann; C) Erhitzen des Lötmaterials (12) in den Vertiefungen (11) auf eine Fügetemperatur, bei der das Lötmaterial (12) zumindest teilweise schmilzt; D) Aufsetzen des Halbleiterchips (2) auf den Anschlussträger (1), wobei die Kontaktstifte (21) jeweils einer Vertiefung (11) zugeordnet werden und dabei in das aufgeschmolzene Lötmaterial (12) eingetaucht werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Lötmaterial (12) und das Material der Kontaktstifte (21) so gewählt sind, dass im Schritt D) und bei der Fügetemperatur das Lötmaterial (12) und die Kontaktstifte (21) durch isotherme Erstarrung stoffschlüssig miteinander verbunden werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei mit dem Verfahren der Halbleiterchip (2) auf dem Anschlussträger (1) elektrisch angeschlossen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - der Halbleiterchip (1) ein pixelierter, optoelektronischer Halbleiterchip (1) ist, - jedem Kontaktstift (21) ein oder meherere Pixel (22) des pixelierten Halbleiterchips (1) zugeordnet sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - der Anschlussträger (1) eine Mehrzahl von elektronischen Schaltern (13) umfasst, - jeder Vertiefung (11) ein Schalter (13) zugeordnet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei im Schritt D) die Kontaktstifte (21) soweit in das aufgeschmolzene Lötmaterial (12) eingetaucht werden, dass in jeder Vertiefung (11) das Volumen des verdrängten Lötmaterials (12) zumindest 10 % des Gesamtvolumens des Lötmaterials (12) in der Vertiefung (11) beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Oberseite (10) des Anschlussträgers (1) im Bereich außerhalb der Vertiefungen (11) schlechter mit dem aufgeschmolzenen Lötmaterial (12) benetzbar ist als die Kontaktstifte (21).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Oberseite (10) durch eine elektrisch isolierende Schicht (14) gebildet ist, durch die hindurch sich die Vertiefungen (11) erstrecken.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei nach dem Schritt D) ein Füllmaterial (3) zwischen den Halbleiterchip (2) und den Anschlussträger (1) eingefüllt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Abstand zwischen jeweils zwei benachbarten Kontaktstiften (21) zwischen einschließlich 1 µm und 50 µm beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Aufwachssubstrat des Halbleiterchips (2) vor dem Schritt D) abgelöst wird.
Elektronisches Bauelement (100), umfassend: - einen Halbleiterchip (2) mit einer Mehrzahl von Kontaktstiften (21), die von einer Unterseite (20) des Halbleiterchips (2) hervorstehen, - einen Anschlussträger (1) mit einer Oberseite (10), in die mehrere Vertiefungen (11) eingebracht sind, wobei - die Vertiefungen (11) jeweils mit einem Lötmaterial (12) zumindest teilweise gefüllt sind, - die Lötmaterialien (12) unterschiedlicher Vertiefungen (11) nicht zusammenhängen, - der Halbleiterchip (2) mit der Unterseite (20) voran auf der Oberseite (10) des Anschlussträgers (1) montiert ist, - jedem Kontaktstift (21) eine Vertiefung (11) zugeordnet ist, - die Kontaktstifte (21) jeweils in eine Vertiefung (11) hineinragen, - die Kontaktstifte (21) jeweils mit dem Lötmaterial (12) der Vertiefungen (11) stoffschlüssig verbunden sind.
Elektronisches Bauelement (100) nach Anspruch 12, wobei der Halbleiterchip (2) über die Kontaktstifte (21) und das Lötmaterial (12) elektrisch an den Anschlussträger (1) angeschlossen ist.
Elektronisches Bauelement (100) nach einem der Ansprüche 12 oder 13, wobei die Unterseite (20) des Halbleiterchips (2) und die Oberseite (10) des Anschlussträgers (1) voneinander beabstandet sind, sodass ein Zwischenraum zwischen dem Halbleiterchip (2) und dem Anschlussträger (1) gebildet ist, der von den Kontaktstiften (21) durchkreuzt ist.
Elektronisches Bauelement (100) nach Anspruch 14, wobei der Zwischenraum mit einem Füllmaterial (3) aufgefüllt ist.