DE102021122591A1

DE102021122591A1 - Mehrlagiges verbindungsband

Info

Publication number: DE102021122591A1
Application number: DE102021122591.4A
Authority: DE
Inventors: Emil Lamco Jocson; Mohd Kahar Bajuri; Ryan Tordillo Comadre
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2020-09-02
Filing date: 2021-09-01
Publication date: 2022-03-03
Also published as: US20220068770A1; US11705387B2; CN114203659A

Abstract

Eine Halbleitergehäuseanordnung enthält einen Träger mit einer Chipbefestigungsfläche und einem von der Chipbefestigungsfläche getrennten Kontaktpad, einen auf der Chipbefestigungsfläche angeordneten Halbleiterchip, wobei der Halbleiterchip eine Vorderseitenmetallisierung aufweist, die von der Chipbefestigungsfläche abgewandt ist, ein Verbindungsband, das an dem Halbleiterchip und dem Kontaktpad derart angebracht ist, dass das Verbindungsband die Vorderseitenmetallisierung mit dem Kontaktpad elektrisch verbindet, und einen elektrisch isolierenden Verkapselungskörper, der den Halbleiterchip und zumindest einen Teil des Verbindungsbandes einkapselt. Das Verbindungsband enthält einen Schichtstapel aus einer ersten Metallschicht und einer zweiten Schicht, die auf der ersten Metallschicht ausgebildet ist. Die erste Metallschicht enthält ein anderes Metall als die zweite Metallschicht. Die erste Metallschicht ist der Vorderseitenmetallisierung zugewandt.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beziehen sich im Allgemeinen auf Halbleitergehäuse und im Besonderen auf elektrische Verbindungsstrukturen und -techniken.
HINTERGRUND
Halbleitergehäuse sind dazu bestimmt, eine Verbindungskompatibilität zwischen einem Halbleiterchip und einem externen Gerät, wie z. B. einer Leiterplatte (PCB), herzustellen und den Halbleiterchip vor potenziell schädlichen Umgebungsbedingungen, wie Temperaturschwankungen, Feuchtigkeit, Staubpartikeln usw., zu schützen. Leistungshalbleiter-Vorrichtungen, z. B. Leistungstransistoren, Dioden usw., werden in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, um große Ströme (z. B. mindestens 1 Ampere) und/oder große Spannungen (z. B. mindestens 100 Volt) zu steuern.
Halbleitergehäuse für Leistungshalbleiter-Vorrichtungen sind auf niedrigen elektrischen Widerstand und effiziente Wärmeableitung ausgelegt. Aktuelle Verbindungslösungen in Halbleitergehäusen leiden unter verschiedenen Nachteilen. Zum Beispiel haben Bonddrähte eine geringe Strombelastbarkeit und erhöhen somit den Gehäusewiderstand. Auf der anderen Seite erfordern metallische Verbindungsclips große Bondflächen.
Es besteht also ein Bedarf an verbesserten Verbindungstechniken in Halbleitergehäusen.
KURZFASSUNG
Es wird eine Halbleitergehäuseanordnung offenbart. Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Halbleitergehäuseanordnung einen Träger, der eine Chipbefestigungsfläche und ein von der Chipbefestigungsfläche getrenntes Kontaktpad umfasst, einen auf der Chipbefestigungsfläche angeordneten Halbleiterchip, wobei der Halbleiterchip eine Vorderseitenmetallisierung umfasst, die von der Chipbefestigungsfläche weg weist, ein Verbindungsband, das an dem Halbleiterchip und dem Kontaktpad befestigt ist, so dass das Verbindungsband die Vorderseitenmetallisierung mit dem Kontaktpad elektrisch verbindet, und einen elektrisch isolierenden Verkapselungskörper, der den Halbleiterchip und zumindest einen Teil des Verbindungsbands einkapselt. Das Verbindungsband umfasst einen Schichtstapel aus einer ersten Metallschicht und einer zweiten Metallschicht, die auf der ersten Metallschicht ausgebildet ist. Die erste Metallschicht umfasst ein anderes Metall als die zweite Metallschicht. Die erste Metallschicht ist der Vorderseitenmetallisierung zugewandt.
Getrennt oder in Kombination kontaktiert die erste Metallschicht direkt die Vorderseitenmetallisierung.
Getrennt oder in Kombination ist die erste Metallschicht mit der Vorderseitenmetallisierung verschmolzen.
Getrennt oder in Kombination umfassen die erste Metallschicht und die Vorderseitenmetallisierung jeweils ein erstes Metall, und die zweite Metallschicht umfasst ein zweites Metall, das sich von dem ersten Metall unterscheidet.
Getrennt oder in Kombination ist das erste Metall AI oder eine Legierung von AI.
Getrennt oder in Kombination ist das zweite Metall Cu oder eine Legierung von Cu.
Getrennt oder in Kombination hat das zweite Metall eine höhere Leitfähigkeit als das erste Metall, und die zweite Metallschicht ist dicker als die erste Metallschicht.
Getrennt oder in Kombination ist eine obere Oberfläche des Verbindungsbandes an einer oberen Oberfläche des Verkapselungskörpers freigelegt.
Getrennt oder in Kombination umfasst das Verbindungsband eine flache Spanne, die im Wesentlichen parallel zu der oberen Oberfläche des Verkapselungskörpers ist, und die obere Oberfläche des Bandes, die freigelegt ist, umfasst einen oberen Oberflächenbereich der zweiten Metallschicht in der flachen Spanne.
Getrennt oder in Kombination ist der Träger ein metallischer Leiterrahmen, der ein Die-Pad und eine Vielzahl von Leitern umfasst, die sich von dem Die-Pad weg erstrecken, wobei das Die-Pad die Chipbefestigungsfläche umfasst, und das Kontaktpad ein elektrischer Verbindungspunkt zu einem oder mehreren der Leiter der Vielzahl von Leitern ist.
Ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleitergehäuseanordnung wird offenbart. Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren das Bereitstellen eines Trägers, der eine Chipbefestigungsfläche und ein von der Chipbefestigungsfläche getrenntes Kontaktpad umfasst, das Anordnen eines Halbleiterchips auf der Chipbefestigungsfläche, wobei der Halbleiterchip eine Vorderseitenmetallisierung umfasst, die nach dem Anordnen von der Chipbefestigungsfläche weg weist, das Anbringen eines Verbindungsbands an dem Halbleiterchip und dem Kontaktpad, so dass das Verbindungsband die Vorderseitenmetallisierung mit dem Kontaktpad elektrisch verbindet, und das Bilden eines elektrisch isolierenden Verkapselungskörpers, der den Halbleiterchip und zumindest einen Teil des Verbindungsbands einkapselt. Das Verbindungsband umfasst einen Schichtstapel aus einer ersten Metallschicht und einer zweiten Metallschicht, die auf der ersten Metallschicht ausgebildet ist. Die erste Metallschicht umfasst ein anderes Metall als die zweite Metallschicht. Die erste Metallschicht ist nach dem Aufbringen der Vorderseitenmetallisierung zugewandt.
Getrennt oder in Kombination umfasst das Anbringen des Verbindungsbands an der Vorderseitenmetallisierung das Bilden einer direkten elektrischen Verbindung zwischen der ersten Metallschicht und der Vorderseitenmetallisierung.
Getrennt oder in Kombination umfasst das Ausbilden der direkten elektrischen Verbindung das Zusammenschmelzen der ersten Metallschicht und der Vorderseitenmetallisierung ohne ein dazwischenliegendes Verbindungsmaterial.
Getrennt oder in Kombination umfasst das Zusammenschmelzen der ersten Metallschicht und der Vorderseitenmetallisierung einen Ultraschall-Drahtbondprozess ohne Anwendung von Wärme.
Getrennt oder in Kombination umfassen die erste Metallschicht und die Vorderseitenmetallisierung jeweils ein erstes Metall, und die zweite Metallschicht umfasst ein zweites Metall, das sich von dem ersten Metall unterscheidet.
Getrennt oder in Kombination ist eine obere Oberfläche des Bandes an einer oberen Oberfläche des Verkapselungskörpers nach dem Formen des Verkapselungskörpers freigelegt.
Getrennt oder in Kombination umfasst das Verfahren ferner das Ausbilden einer flachen Spanne in dem Verbindungsband während oder nach dem Anbringen des Verbindungsbandes, und die obere Oberfläche des Bandes, die freigelegt ist, umfasst einen oberen Oberflächenbereich der zweiten Metallschicht in der flachen Spanne.
Getrennt oder in Kombination umfasst das Ausbilden des flachen Bereichs eine Schleifentechnik, die während des Anbringens des Verbindungsbands durchgeführt wird.
Getrennt oder in Kombination umfasst das Ausbilden des flachen Bereichs das Zusammendrücken des Verbindungsbands während des Ausbildens des elektrisch isolierenden Verkapselungskörpers.
Getrennt oder in Kombination umfasst das Bilden des flachen Bereichs das Planarisieren des Verbindungsbands nach dem Formen des elektrisch isolierenden Verkapselungskörpers.
Figurenliste
Die Elemente der Zeichnungen sind nicht unbedingt maßstabsgetreu zueinander. Gleiche Bezugsziffern bezeichnen entsprechende ähnliche Teile. Die Merkmale der verschiedenen dargestellten Ausführungsformen können kombiniert werden, sofern sie sich nicht gegenseitig ausschließen. Ausführungsformen sind in den Zeichnungen gezeigt und werden in der folgenden Beschreibung detailliert beschrieben.

1, die 1A und 1B umfasst, zeigt ein Verbindungsband gemäß einer Ausführungsform. 1A zeigt eine Seitenansicht des Verbindungsbandes, und 1B zeigt eine Querschnittsansicht des Verbindungsbandes entlang der in 1A identifizierten Ebene I - I'.
2 zeigt eine Seitenansicht einer Halbleitergehäuseanordnung, die das Verbindungsband und einen Umriss eines Verkapselungskörpers gemäß einer Ausführungsform enthält.
3, die die 3A und 3B enthält, zeigt eine Draufsicht auf die Halbleitergehäuseanordnung gemäß einer Ausführungsform. 3A zeigt eine Draufsicht auf die Anordnung des Halbleitergehäuses mit einem Umriss eines Verkapselungskörpers, und 3B zeigt eine Draufsicht auf die Anordnung des Halbleitergehäuses mit dem Verkapselungskörper.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Ausführungsformen einer Halbleitergehäuseanordnung mit einem Verbindungsband, das vorteilhaft für eine lotfreie Befestigung und eine hohe Stromtragfähigkeit konfiguriert ist, werden hierin beschrieben. Das Verbindungsband hat eine mehrlagige Konfiguration mit einer ersten Metallschicht und einer zweiten Metallschicht, die auf der ersten Metallschicht ausgebildet ist. Die erste und die zweite Metallschicht umfassen unterschiedliche Metalle, die so ausgewählt werden, dass sie verschiedene Designkriterien erfüllen. Zum Beispiel kann die erste Metallschicht ein Metall enthalten, das eine mechanische Verbindung mit einem Halbleiterchip und/oder einer Kontaktfläche begünstigt. Währenddessen kann die zweite Metallschicht ein Metall mit einer höheren elektrischen Leitfähigkeit als die erste Metallschicht enthalten, wodurch der elektrische Widerstand des Verbindungsbands gesenkt wird. Das Verbindungsband kann so konfiguriert sein, dass eine obere Fläche des Bandes vom Verkapselungskörper freigelegt ist. Dieser freiliegende obere Oberflächenbereich des Bandes kann eine Schnittstelle mit einem externen Kühlkörper bilden, wodurch eine effiziente Kühlung der Halbleitergehäuseanordnung ermöglicht wird.
In 1 ist ein Verbindungsband 100 gemäß einer Ausführungsform gezeigt. Der Begriff „Verbindungsband“ bezieht sich auf eine bestimmte Art von elektrischem Verbinder, der verwendet wird, um eine elektrische Verbindung zwischen zwei leitenden Oberflächen herzustellen, wie z. B. einem Bond-Pad eines Halbleiterchips und einer Bondfläche eines Leiters. Ein Verbindungsband ist aus leitendem Metall hergestellt und hat einen abgeflachten Querschnitt mit einer Breite, die seine Dicke übersteigt. Zum Vergleich: Eine andere Art von elektrischem Verbinder, der zur Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen zwei leitenden Oberflächen verwendet wird, ist ein Bonddraht. Ein Bonddraht wird aus mechanisch flexiblen leitenden Drähten gebildet, die einen kreisförmigen oder nahezu kreisförmigen Querschnitt haben. Bonddrähte haben typischerweise eine kleinere Querschnittsfläche als Verbindungsbänder. Aus diesem Grund haben Verbindungsbänder eine höhere Strombelastbarkeit als Bonddrähte gleicher Länge, wenn alle anderen Faktoren gleich sind. Eine andere Art von elektrischen Verbindern, die zur Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen zwei leitenden Oberflächen verwendet werden, ist ein Verbindungsclip. Ein Verbindungsclip wird aus einer im Wesentlichen starren Blechplatte gebildet. Während ein Verbindungsclip eine höhere Strombelastbarkeit als ein Verbindungsband gleicher Länge bieten kann, bietet er unter sonst gleichen Bedingungen eine geringere mechanische Vielseitigkeit, da seine Form nicht so leicht wie die eines Verbindungsbandes geformt werden kann. Außerdem müssen Verbindungsclips in der Regel mit den Kontaktflächen verlötet werden. Dies erhöht die Kosten und die Komplexität des Prozesses und erfordert größere Klebeflächen, um dem „Lotbluten“ Rechnung zu tragen, d. h. einem Nebenprodukt des Lötens, bei dem sich das aufgeschmolzene Lotmaterial aus der Grundfläche der gelöteten Elemente heraus ausdehnt.
Das Verbindungsband 100 wird aus einem Band aus leitfähigem Metall hergestellt, das um eine Spule gewickelt sein kann. Eine Breite (W) des Verbindungsbandes 100 kann größer sein als eine Dicke (T) des Verbindungsbandes 100. Wie in der Querschnittsansicht von 1B gezeigt, kann das Verbindungsband 100 beispielsweise ein Seitenverhältnis (d. h. das Verhältnis von Breite (W) zu Dicke (T)) von größer als eins aufweisen. In verschiedenen Ausführungsformen kann dieses Seitenverhältnis in der Größenordnung von 3:1, 5:1, 10:1, usw. liegen. In Zahlen ausgedrückt kann die Breite (W) des Verbindungsbandes 100 im Allgemeinen im Bereich von 0,5 mm - 10 mm, vorzugsweise im Bereich von 0,5 mm - 2 mm, liegen, und die Dicke (T) des Verbindungsbandes 100 (während sie geringer als die Breite ist) kann beispielsweise im Allgemeinen im Bereich von 0,05 mm - 5 mm, vorzugsweise im Bereich von 0,05 mm - 0,4 mm, liegen.
Das Verbindungsband 100 umfasst einen Schichtstapel aus einer ersten Metallschicht 102 und einer zweiten Metallschicht 104, die auf der ersten Metallschicht 102 ausgebildet ist. Das bedeutet, dass in einer Querschnittsebene des Verbindungsbandes 100 (z.B. wie in 1B dargestellt) die erste und zweite Metallschicht 102, 104 übereinander gestapelt sind. Die zweite Metallschicht 104 bildet eine untere Oberfläche 106 des Verbindungsbandes 100 und die erste Metallschicht 102 bildet eine obere Oberfläche 108 des Verbindungsbandes 108. Die untere Oberfläche 106 des Verbindungsbandes 100 kann die Oberfläche sein, die mit den Kontaktflächen der Elemente, die durch das Verbindungsband 100 verbunden werden, in Berührung kommt. Anstelle der gezeigten zweischichtigen Konfiguration umfassen andere Ausführungsformen des Verbindungsbands 100 einen Schichtstapel mit drei oder mehr Metallschichten, die in ähnlicher Weise übereinander gestapelt sind.
Die erste Metallschicht 102 umfasst ein anderes Metall als die zweite Metallschicht 104. Beispielsweise kann die erste Metallschicht 102 ein beliebiges oder mehrere der Metalle AI, Cu, Ni, Ag, Au, Pd, Pt, Ni usw. und deren Legierungen umfassen, und die zweite Metallschicht 104 kann ein beliebiges anderes oder mehrere der Metalle AI, Cu, Ni, Ag, Au, Pd, Pt, Ni usw. und deren Legierungen umfassen. Die Auswahl dieser verschiedenen Metalle kann auf verschiedenen Kriterien basieren. Beispielsweise kann die erste Metallschicht 102 aus einem Metall bestehen, das für die Befestigung einer bestimmten Kontaktfläche verträglicher ist als das Metall der zweiten Metallschicht 104. Gleichzeitig kann die zweite Metallschicht 104 ein Metall umfassen, das relativ zum Metall der ersten Metallschicht 102 wärmeabführender und/oder -leitender ist. Einzeln oder in Kombination kann die zweite Metallschicht 104 dicker sein als die erste Metallschicht 102. Diese Anordnung nutzt die verbesserte Leitfähigkeit zwischen den beiden Schichten aus, indem die zweite Metallschicht 104 den größten Teil der Querschnittsdicke des Verbindungsbandes 100 einnimmt. In einer weiteren Ausführungsform kann die zweite Metallschicht 104 ein Metall umfassen, das lötfähig ist, was den zusätzlichen Vorteil bietet, dass ein externer Wärmeverteiler an die zweite Metallschicht 104 gelötet oder angebracht werden kann.
Unter Bezugnahme auf 2 und 3 ist gemäß einer Ausführungsform eine Halbleitergehäuseanordnung 200 gezeigt, die das Verbindungsband 100 enthält. Die Halbleitergehäuseanordnung 200 umfasst einen Träger 202. Der Träger 202 umfasst eine Chipbefestigungsfläche 204 und ein Kontaktpad 206, das von der Chipbefestigungsfläche 204 physisch getrennt ist. Die Chipbefestigungsfläche 204 und das Kontaktpad 206 können eine Vielzahl von leitenden Metallen wie Cu, AI, Ni, Ag, Au, Pd, Pt, Ni usw. umfassen oder damit beschichtet sein. In der gezeigten Ausführungsform ist der Träger 202 eine Leiterrahmenstruktur, die ein Die-Pad 208 und eine Vielzahl von Leitern 210 umfasst, die sich von dem Die-Pad 208 weg erstrecken. Die Chipbefestigungsfläche 204 ist auf dem Die-Pad 208 angeordnet und das Kontaktpad 206 ist Teil einer Struktur, die in die Leiter 210 übergeht. Das Kontaktpad 206 kann aus blankem, freiliegendem Metall des Leiterrahmens bestehen, z. B. Cu, AI usw., oder aus einer Plattierungsschicht aus Ni, NiP usw., die das Grundmetall des Leiterrahmens bedeckt. In einer anderen Ausführungsform kann der Träger 202 ein Leadframe für ein leiterfreies Gehäuse sein, was bedeutet, dass die Leiter 210 an der Unterseite des fertigen leiterfreien Gehäuses freiliegen.
In der gezeigten Ausführungsform sind das Kontaktpad 206 und die Leiter 210 vertikal von der Chipbefestigungsfläche 204 versetzt. In anderen Ausführungsformen (nicht dargestellt) können das Kontaktpad 206 und/oder die Leiter 210 in der gleichen Ebene wie die Chipbefestigungsfläche 204 angeordnet sein. In der gezeigten Ausführungsform ist das Kontaktpad 206 auf einer gemeinsamen Pad-Struktur angeordnet, die mit jedem der Leiter 210 verschmolzen ist. In anderen Ausführungsformen kann das Kontaktpad 206 von einem einzelnen Leiter 210 bereitgestellt oder mit diesem verbunden sein.
In anderen Ausführungsformen kann der Träger 202 ein bereitgestellter globaler Schaltungsträger sein, auf dem mehrere elektronische Komponenten untergebracht sind. Beispiele für diese globalen Schaltungsträger sind PCBs (Printed Circuit Boards) und Leistungsmodulsubstrate wie DBC-Substrate (Direct Bonded Copper), AMB-Substrate (Active Metal Brazed) usw. In diesem Fall können die Chipbefestigungsfläche 204 und das Kontaktpad 206 von zwei separaten Bondpads bereitgestellt werden, die auf dem globalen Schaltungsträger ausgebildet sind.
Die Halbleitergehäuseanordnung 200 umfasst einen Halbleiterchip 212, der auf der Chipbefestigungsfläche 204 angeordnet ist. Zwischen dem Halbleiterchip 212 und der Chipbefestigungsfläche 204 kann ein Klebstoff, wie z. B. Lot, Sinter, Klebeband, Leim usw., vorgesehen sein, um diese Verbindung zu bewirken. Der Halbleiterchip 212 umfasst eine Vorderseitenmetallisierung 214, die von der Chipbefestigungsfläche 204 abgewandt ist. Die Vorderseitenmetallisierung 214 ist eine oberste Metallschicht des Halbleiterchips 212, die von außen zugänglich ist. Die Vorderseitenmetallisierung 214 kann in Bondpads strukturiert sein, die eine Anschlussverbindung (z.B. Source, Drain, Anode, Emitter, etc.) zum Halbleiterchip 212 herstellen. Die Vorderseitenmetallisierung 214 kann aus einer Vielzahl von leitfähigen Metallen bestehen, wie z.B. Cu, AI, Ni, Ag, Au, Pd, Pt, Ni, usw., und deren Legierungen.
Im Allgemeinen kann der Halbleiterchip 212 eine Vielzahl von Vorrichtungskonfigurationen aufweisen. Beispiele für diese Vorrichtungskonfigurationen sind diskrete Halbleiterchips wie Transistorchips, Diodenchips usw. und integrierte Halbleiterchips wie Logikbausteine, Controller, Sensoren usw. Der Halbleiterchip 212 kann als vertikale Vorrichtung konfiguriert sein, d. h. als eine Vorrichtung, die in einer Richtung senkrecht zur Hauptfläche (Oberseite) des Halbleiterkörpers über eine Dicke des Halbleiterchips 212 leitet. Alternativ kann der Halbleiterchip 212 als laterale Vorrichtung konfiguriert sein, d.h. eine Vorrichtung, die in einer Richtung parallel zur Haupt-(Ober-)fläche des Halbleiterkörpers leitend ist. Der Halbleiterkörper des Halbleiterchips 212 kann eine Vielzahl von Halbleitermaterialien aufweisen, einschließlich Typ-IV-Halbleitern, z.B. Silizium, Siliziumgermanium, Siliziumkarbid usw., und Typ-III-V-Halbleitern, z.B. Galliumnitrid, Galliumarsenid, usw.
Gemäß einer Ausführungsform ist der Halbleiterchip 212 als eine Leistungsvorrichtung konfiguriert, d. h. eine Vorrichtung, die so konfiguriert ist, dass sie Spannungen in der Größenordnung von 100 V oder mehr und/oder Ströme von 1 Ampere oder mehr steuern kann. Beispiele für diese Vorrichtungen sind Leistungsdioden und Leistungstransistorvorrichtungen wie MOSFETs (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren), IGBTs (Bipolartransistoren mit isoliertem Gate), HEMTs (Transistoren mit hoher Elektronenbeweglichkeit). In diesen Ausführungsformen kann die Vorderseitenmetallisierung 214 einen Lastanschluss der Vorrichtung (z. B. Source, Emitter, Anode usw.) umfassen. Der gegenüberliegende Lastanschluss des Halbleiterchips 212 (z. B. Drain, Kollektor, Kathode usw.) kann von der Rückseitenmetallisierung 216 des Halbleiterchips 216 bereitgestellt werden. Die gezeigte Ausführungsform enthält nur ein Bondpad auf der Hauptfläche des Halbleiterchips, das einer Anode oder Kathode einer Leistungsdiode entsprechen kann. Ein Leistungstransistor kann eine ähnliche Konfiguration aufweisen, jedoch mit einem separaten Steueranschluss (z. B. Gate), der auf der oberen Hauptoberfläche vorgesehen ist und separat mit einer anderen Leitung verbunden ist.
Die Halbleitergehäuseanordnung 200 umfasst Verbindungsbänder 100, die an dem Halbleiterchip 212 und dem Kontaktpad 206 angebracht sind und eine elektrische Verbindung zwischen der Vorderseitenmetallisierung 214 und dem Kontaktpad 206 herstellen. Die gezeigte Halbleitergehäuseanordnung 200 umfasst zwei der Verbindungsbänder 100, die parallel zueinander geschaltet sind. Allgemeiner ausgedrückt, kann eine Anordnung von Halbleitergehäusen 200 eine beliebige Anzahl von Verbindungsbändern 100 enthalten, z.B. ein, zwei, drei, usw. Die Verbindungsbänder 100 können parallel zueinander geschaltet sein (wie dargestellt), um den Widerstand einer bestimmten elektrischen Verbindung zu verringern. Zusätzlich oder alternativ können mehrere Verbindungsbänder 100 in einem Gehäuse verwendet werden, um verschiedene elektrische Verbindungen herzustellen.
Das Verbindungsband 100 ist so angeordnet, dass die erste Metallschicht 102 der Vorderseitenmetallisierung 214 und dem Kontaktpad 206 zugewandt ist. Gemäß einer Ausführungsform kontaktiert die erste Metallschicht 102 direkt die Vorderseitenmetallisierung 214. In diesem Fall wird die elektrische Verbindung zwischen dem Verbindungsband 100 und der ersten Metallschicht 102 durch direkten physikalischen Kontakt zwischen diesen Elementen hergestellt. In einem konkreteren Beispiel ist die erste Metallschicht 102 mit der Vorderseitenmetallisierung 214 verschmolzen. Das bedeutet, dass zwischen dem Metall der ersten Metallschicht 102 und dem Metall der Vorderseitenmetallisierung 214 eine metallische Verbindung (durch Ultraschall) hergestellt wird, so dass diese Elemente miteinander kohäsiv verbunden sind. Dadurch besteht eine stabile mechanische Verbindung zwischen dem Verbindungsband 100 und der Vorderseitenmetallisierung 214. Die erste Metallschicht 102 kann auch in ähnlicher Weise mit dem Kontaktpad 206 verschmolzen sein.
Gemäß einer Ausführungsform weisen die erste Metallschicht 102 und die Vorderseitenmetallisierung 214 jeweils ein erstes Metall auf. Indem die erste Metallschicht 102 und die Vorderseitenmetallisierung 214 so ausgebildet werden, dass sie ein gemeinsames erstes Metall aufweisen, ist es möglich, die erste Metallschicht 102 mit der Vorderseitenmetallisierung 214 unter Verwendung einer lotfreien Befestigungstechnik, wie z. B. dem Ultraschall-Wedge-Drahtbonden, zu verschmelzen, dessen Einzelheiten weiter unten beschrieben werden. In einem spezifischen Beispiel ist das erste Metall AI oder eine Legierung von AI. Währenddessen umfasst die zweite Metallschicht 104 ein zweites Metall, das sich von dem ersten Metall unterscheidet. In einem spezifischen Beispiel ist das zweite Metall Cu oder eine Legierung von Cu. Da die elektrische Leitfähigkeit von Cu etwa doppelt so hoch ist wie die von AI, nutzt diese Anordnung vorteilhaft die Materialeigenschaften von Cu, um den Widerstand des Verbindungsbandes 100 zu senken. Die Dicke der zweiten Metallschicht 104 kann größer sein als die der ersten Metallschicht 102, um den günstigen Einfluss des zweiten Metalls auf den Widerstand des Verbindungsbandes 100 zu verstärken. In einem Beispiel hat das Verbindungsband 100 eine Gesamtdicke zwischen etwa 0,1 mm und 0,5 mm, wobei die zweite Metallschicht 104 eine Dicke von mindestens 60 % der Gesamtdicke des Verbindungsbandes 100 hat.
Die Halbleitergehäuseanordnung 200 umfasst einen Verkapselungskörper 218, der den Halbleiterchip 212 einkapselt. Der Verkapselungskörper 218 umfasst ein elektrisch isolierendes Verkapselungsmaterial, das den Halbleiterchip 212 und mindestens einen Teil des Verbindungsbands 100 versiegelt und schützt. Dieses Verkapselungsmaterial kann Epoxidmaterialien, duroplastische Kunststoffe, usw. umfassen. Der Verkapselungskörper 218 umfasst eine untere Fläche 220, eine obere Fläche 222, die der unteren Fläche 220 gegenüberliegt, und eine Randfläche 224, die sich zwischen der unteren und oberen Fläche erstreckt. In der gezeigten Konfiguration liegt die untere Fläche des Die-Pads 208 an der unteren Fläche 220 des Verkapselungskörpers 218 frei und die Leiter 210 ragen aus der Randfläche 224 heraus, wobei jede dieser Strukturen einen von außen zugänglichen Anschluss des Gehäuses bildet. Eine Vielzahl anderer Gehäusekonfigurationen ist möglich, z. B. leiterfrei, flache Leitung, gebogene Leitung, usw. Für den Fall, dass der Träger 202 ein bereitgestellter globaler Schaltungsträger 202 ist, z.B. PCB oder Leistungsmodulsubstrat, kann der Verkapselungskörper 218 durch einen Bereich eines Isolators, wie z.B. Epoxid, bereitgestellt werden, der direkt auf dem Träger 202 gebildet ist, oder der Verkapselungskörper 218 kann gänzlich weggelassen werden.
Gemäß einer Ausführungsform ist die obere Fläche 108 des Verbindungsbandes 100 an der oberen Fläche 222 des Verkapselungskörpers 218 freigelegt. In dieser Anordnung stellt die freiliegende Fläche 108 des Verbindungsbandes 100 eine Schnittstelle für einen externen Kühlkörper (nicht gezeigt) dar, wodurch ein thermischer Übertragungspfad für die vom Halbleiterchip 212 erzeugte Abwärme bereitgestellt wird. Zu diesem Zweck kann das Metall der zweiten Metallschicht 104 so ausgewählt sein, dass es im Vergleich zur ersten Metallschicht 102 eine bessere thermische Leistung aufweist und/oder sich gut für die Schnittstelle zu einem externen Kühlkörper eignet. Das oben beschriebene Beispiel, bei dem die zweite Metallschicht 104 Cu oder eine Legierung von Cu umfasst, stellt ein Beispiel für eine vorteilhafte Materialauswahl in dieser Hinsicht dar.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verbindungsband 100 eine flache Spanne 110, die im Wesentlichen parallel (z.B. innerhalb von +/- 5 Grad) zur oberen Fläche 222 des Verkapselungskörpers 218 ist. Die flache Spanne 228 ist ein Abschnitt des Verbindungsbandes 100, der sich entlang einer einzigen Ebene erstreckt. Die obere Fläche 108 des Verbindungsbandes 100, die freiliegt, umfasst einen oberen Oberflächenbereich der zweiten Metallschicht 104 in der flachen Spanne 110. Die obere Fläche 108 des Verbindungsbandes 100 verläuft im Wesentlichen parallel (z. B. innerhalb von +/- 5 Grad) zur oberen Fläche 222 des Verkapselungskörpers 218. Wie dargestellt, ist die freiliegende obere Fläche 108 des Verbindungsbandes 100 leicht von der oberen Fläche 222 des Verkapselungskörpers 218 versetzt. In anderen Ausführungsformen kann die freiliegende obere Fläche 108 des Verbindungsbandes 100 komplanar mit der oberen Fläche des Verkapselungskörpers 218 sein.
Die Halbleitergehäuseanordnung 200 kann nach dem folgenden Verfahren hergestellt werden. Zunächst wird der Träger 202 bereitgestellt. In dem Fall, dass der Träger 202 ein Leiterrahmen ist, kann der Leiterrahmen im Streifenformat mit mehreren Einheitsleiterrahmen in jedem Streifen bereitgestellt werden. Anschließend wird der Halbleiterchip 212 auf der Chipbefestigungsfläche 204 angeordnet, z. B. mit einem Klebstoff wie Lot, Klebeband usw.
Nach dem Anordnen des Halbleiterchips 212 kann das Verbindungsband 100 an der Vorderseitenmetallisierung 214 und dem Kontaktpad 206 befestigt werden. Diese Befestigung bildet eine elektrische Verbindung und eine stabile mechanische Verbindung zwischen den Oberflächen. Gemäß einer Ausführungsform wird die erste Metallschicht 102 mit der Vorderseitenmetallisierung 214 verschmolzen, ohne dass zwischen dem Verbindungsband 100 und der Vorderseitenmetallisierung 214 ein leitendes Verbindungsmaterial angeordnet ist. Das heißt, zwischen der ersten Metallschicht 102 und der Vorderseitenmetallisierung 214 ist kein Lötmaterial vorgesehen. In einem Beispiel für eine lotfreie Verbindungstechnik werden die Vorderseitenmetallisierung 214 und die zweite Metallschicht 104 durch Ultraschall-Drahtbonden miteinander verschmolzen. Bei dieser Technik werden die Vorderseitenmetallisierung 214 und die zweite Metallschicht 104 in direkten Kontakt miteinander gebracht und seitlich mit hohen Frequenzen oberhalb des hörbaren Bereichs (d. h. mit Ultraschall) beschallt. Diese Energie induziert das Verschmelzen zwischen den beiden Metallbereichen. Die Anwendung von Ultraschallenergie kann mit mechanischem Druck kombiniert werden, um den Prozess zu beschleunigen. Dieser Prozess kann ohne Wärmezufuhr durchgeführt werden. Die gleiche Technik kann verwendet werden, um die erste Metallschicht 102 des Verbindungsbands 100 mit dem Kontaktpad 206 zu verbinden.
Nach dem Anbringen des Verbindungsbands 100 an dem Halbleiterchip 212 und dem Kontaktpad 206 kann ein Verkapselungsprozess durchgeführt werden, um den Verkapselungskörper 218 zu bilden. Der Verkapselungskörper 218 kann durch einen Formgebungsprozess wie Spritzgießen, Transfergießen, Formpressen usw. gebildet werden.
Eine Vielzahl verschiedener Techniken kann verwendet werden, um das Verbindungsband 100 so zu formen, dass es die flache Spanne 110 aufweist und/oder dass die obere Fläche 108 des Verbindungsbandes 100 von der oberen Fläche 222 des Verkapselungskörpers 218 freiliegt. Gemäß einer Technik wird die Geometrie des Verbindungsbands 100 während des Anbringungsprozesses manipuliert, z. B. durch Ausführen einer Schleifenbildungstechnik. Bei diesem Verfahren wird das Verbindungsband 100 durch die Prozesswerkzeuge, die das Band befestigen, gleichzeitig so manipuliert, dass es eckige Biegungen ausbildet und so die flache Spanne 110 entsteht. Die Grundgeometrie des Verbindungsbandes 100 kann beim Umspritzen erhalten bleiben, so dass die obere Fläche 108 des Verbindungsbandes 100 bündig an der Formkavität anliegt und somit von der Formmasse freigelegt ist. Alternativ oder zusätzlich kann das Verbindungsband 100 vor dem Vergießen eine gekrümmte Geometrie aufweisen, und das Formwerkzeug kann das Verbindungsband 100 während der Bildung des Verkapselungskörpers 218 zusammendrücken, so dass die Oberseite des Verbindungsbandes 100 nach dem Vergießen im Wesentlichen parallel zur oberen Fläche 222 des Verkapselungskörpers 222 verläuft. Alternativ oder zusätzlich kann nach dem Formen des Verkapselungskörpers 218 ein Schleifvorgang durchgeführt werden. Bei dieser Technik wird der Verkapselungskörper 218 absichtlich so geformt, dass ein Teil des Verbindungsbands 100 aus dem Verkapselungskörper 218 herausragt. In dem Maße, in dem eine Krümmung in dem Teil des Verbindungsbands 100 vorhanden ist, der aus dem Verkapselungskörper 218 herausragt, kann diese Krümmung durch eine Planarisierungstechnik wie Schleifen oder Polieren beseitigt werden, so dass die freiliegende obere Fläche des Verbindungsbands 100 im Wesentlichen parallel (und optional komplanar) mit der oberen Fläche 222 des Verkapselungskörpers 218 wird.
Räumlich relative Begriffe wie „unter“, „unterhalb“, „untere“, „über“, „ober“ und dergleichen werden zur Vereinfachung der Beschreibung verwendet, um die Positionierung eines Elements relativ zu einem zweiten Element zu erklären. Diese Begriffe sollen verschiedene Ausrichtungen der Vorrichtung zusätzlich zu anderen als den in den Figuren gezeigten Ausrichtungen umfassen. Des Weiteren werden Begriffe wie „erstes“, „zweites“ und ähnliches verwendet, um verschiedene Elemente, Bereiche, Abschnitte usw. zu beschreiben, und sind ebenfalls nicht als einschränkend zu verstehen. Gleiche Begriffe beziehen sich in der gesamten Beschreibung auf gleiche Elemente.
Wie hierin verwendet, sind die Begriffe „mit“, „enthaltend“, „einschließend“, „umfassend“ und dergleichen offene Begriffe, die das Vorhandensein von angegebenen Elementen oder Merkmalen anzeigen, aber zusätzliche Elemente oder Merkmale nicht ausschließen. Die Artikel „ein“, „eine“ und „die“ schließen sowohl den Plural als auch den Singular ein, sofern der Kontext nicht eindeutig etwas anderes angibt.
Mit dem oben genannten Bereich von Variationen und Anwendungen im Hinterkopf, sollte verstanden werden, dass die vorliegende Erfindung nicht durch die vorstehende Beschreibung begrenzt ist, noch ist sie durch die begleitenden Zeichnungen begrenzt. Stattdessen wird die vorliegende Erfindung nur durch die folgenden Ansprüche und ihre gesetzlichen Entsprechungen begrenzt.

Claims

Halbleitergehäuseanordnung, umfassend: einen Träger mit einer Chipbefestigungsfläche und einem von der Chipbefestigungsfläche getrennten Kontaktpad; einen Halbleiterchip, der auf der Chipbefestigungsfläche angeordnet ist, wobei der Halbleiterchip eine Vorderseitenmetallisierung aufweist, die von der Chipbefestigungsfläche weg weist; ein Verbindungsband, das an dem Halbleiterchip und dem Kontaktpad befestigt ist, so dass das Verbindungsband die Vorderseitenmetallisierung elektrisch mit dem Kontaktpad verbindet; und einen elektrisch isolierenden Verkapselungskörper, der den Halbleiterchip und mindestens einen Teil des Verbindungsbandes einkapselt, wobei das Verbindungsband einen Schichtstapel aus einer ersten Metallschicht und einer zweiten Metallschicht, die auf der ersten Metallschicht ausgebildet ist, umfasst, wobei die erste Metallschicht ein anderes Metall als die zweite Metallschicht umfasst, und wobei die erste Metallschicht der Vorderseitenmetallisierung zugewandt ist.
Halbleitergehäuseanordnung nach Anspruch 1, wobei die erste Metallschicht die Vorderseitenmetallisierung direkt kontaktiert.
Halbleitergehäuseanordnung nach Anspruch 2, wobei die erste Metallschicht mit der Vorderseitenmetallisierung verschmolzen ist.
Halbleitergehäuseanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Metallschicht und die Vorderseitenmetallisierung jeweils ein erstes Metall umfassen, und wobei die zweite Metallschicht ein zweites Metall umfasst, das von dem ersten Metall verschieden ist.
Halbleitergehäuseanordnung nach Anspruch 4, wobei das erste Metall AI oder eine Legierung von AI ist.
Halbleitergehäuseanordnung nach Anspruch 4 oder 5, wobei das zweite Metall Cu oder eine Legierung von Cu ist.
Halbleitergehäuseanordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei das zweite Metall eine höhere Leitfähigkeit aufweist als das erste Metall und wobei die zweite Metallschicht dicker ist als die erste Metallschicht.
Halbleitergehäuseanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine obere Fläche des Verbindungsbandes an einer oberen Fläche des Verkapselungskörpers freiliegt.
Halbleitergehäuseanordnung nach Anspruch 8, wobei das Verbindungsband eine flache Spanne umfasst, die im Wesentlichen parallel zu der oberen Fläche des Verkapselungskörpers verläuft, und wobei die obere Fläche des Bandes, die freiliegt, einen oberen Oberflächenbereich der zweiten Metallschicht in der flachen Spanne umfasst.
Halbleitergehäuseanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Träger ein metallischer Leiterrahmen ist, der ein Die-Pad und eine Vielzahl von Leitern umfasst, die sich von dem Die-Pad weg erstrecken, wobei das Die-Pad die Chipbefestigungsfläche umfasst, und wobei das Kontaktpad ein elektrischer Verbindungspunkt zu einem oder mehreren der Leiter der Vielzahl von Leitern ist.
Verfahren zur Herstellung einer Halbleitergehäuseanordnung, wobei das Verfahren umfasst: Bereitstellen eines Trägers mit einer Chipbefestigungsfläche und einem von der Chipbefestigungsfläche getrennten Kontaktpad; Anordnen eines Halbleiterchips auf der Chipbefestigungsfläche, wobei der Halbleiterchip eine Vorderseitenmetallisierung aufweist, die nach dem Anordnen von der Chipbefestigungsfläche weg zeigt; Anbringen eines Verbindungsbandes an dem Halbleiterchip und dem Kontaktpad, so dass das Verbindungsband die Vorderseitenmetallisierung elektrisch mit dem Kontaktpad verbindet; und Bilden eines elektrisch isolierenden Verkapselungskörpers, der den Halbleiterchip und mindestens einen Teil des Verbindungsbandes einkapselt, wobei das Verbindungsband einen Schichtstapel aus einer ersten Metallschicht und einer zweiten Metallschicht, die auf der ersten Metallschicht ausgebildet ist, umfasst, wobei die erste Metallschicht ein anderes Metall als die zweite Metallschicht umfasst, und wobei die erste Metallschicht nach dem Anbringen der Vorderseitenmetallisierung zugewandt ist.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Anbringen des Verbindungsbands an der Vorderseitenmetallisierung das Bilden einer direkten elektrischen Verbindung zwischen der ersten Metallschicht und der Vorderseitenmetallisierung umfasst.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Ausbilden der direkten elektrischen Verbindung das Zusammenschmelzen der ersten Metallschicht und der Vorderseitenmetallisierung ohne ein dazwischenliegendes Verbindungsmaterial umfasst.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Zusammenschmelzen der ersten Metallschicht und der Vorderseitenmetallisierung einen Ultraschall-Drahtbondprozess ohne Anwendung von Wärme umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei die erste Metallschicht und die Vorderseitenmetallisierung jeweils ein erstes Metall umfassen, und wobei die zweite Metallschicht ein zweites Metall umfasst, das sich von dem ersten Metall unterscheidet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, wobei nach dem Ausbilden des Verkapselungskörpers eine obere Fläche des Bandes an einer oberen Fläche des Verkapselungskörpers freigelegt ist.
Verfahren nach Anspruch 16, ferner umfassend das Bilden einer flachen Spanne in dem Verbindungsband während oder nach dem Anbringen des Verbindungsbandes, und wobei die obere Fläche des Bandes, die freigelegt ist, einen oberen Oberflächenbereich der zweiten Metallschicht in der flachen Spanne umfasst.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei das Ausbilden des flachen Bereichs eine Schleifentechnik umfasst, die während des Anbringens des Verbindungsbands durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei das Ausbilden der flachen Spanne das Zusammendrücken des Verbindungsbandes während des Ausbildens des elektrisch isolierenden Verkapselungskörpers umfasst.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei das Ausbilden des flachen Bereichs das Planarisieren des Verbindungsbands nach dem Ausbilden des elektrisch isolierenden Verkapselungskörpers umfasst.