DE102022121193A1

DE102022121193A1 - Elektronische struktur und verfahren zu deren herstellung

Info

Publication number: DE102022121193A1
Application number: DE102022121193.2A
Authority: DE
Inventors: Mohammad Goushegir; Martin Becker; David Benning; Jacek Rudzki
Original assignee: Danfoss Silicon Power GmbH
Current assignee: Danfoss Silicon Power GmbH
Priority date: 2022-08-22
Filing date: 2022-08-22
Publication date: 2024-02-22
Also published as: WO2024042023A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektronische Struktur , die einen Halbleiterchip (1) umfasst, wobei der Halbleiterchip (1) mindestens eine obere Metallschicht (5) auf einer Oberseite des Halbleiterchips (1) umfasst, wobei ein Metallelement (7) auf der oberen Metallschicht (5) angeordnet ist, wobei das Metallelement (7) eine Kontaktfläche (9) zum Kontaktieren eines elektrischen Verbindungsmittels umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass Nanodrähte (8) zwischen der oberen Metallschicht (5) und dem Metallelement (7) angeordnet sind, die den Halbleiterchip (1) und das Metallelement (7) miteinander verbinden.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektronische Struktur und ein Verfahren zu deren Herstellung.
In der Regel umfasst ein Leistungshalbleitermodul einen oder mehrere Halbleiterchips. Die Halbleiterchips sind mit ihren Unterseiten auf sich oben auf einem Substrat befindenden Leiterbahnen angeordnet. Somit sind die Halbleiterchips mit den Leiterbahnen des Substrats elektrisch verbunden.
Ein Halbleiterchip umfasst mindestens eine obere Metallschicht auf seiner Oberseite. Die obere Metallschicht wird als eine Potenzialfläche verwendet, die über ein elektrisches Verbindungsmittel mit einem anderen Teil einer elektronischen Struktur, in der der Halbleiterchip verwendet wird, verbunden werden soll.
In der Regel werden Halbleiterchips unter Verwendung eines Sinter- oder Lötprozesses an dem Substrat angebracht, und Drahtbonds aus Aluminium werden unter Verwendung eines Ultraschallschweißprozesses an den Halbleiterchip gebondet.
Halbleiterchips sind im Wesentlichen spröde, und es besteht zum Beispiel aufgrund von während der zum Montieren von Halbleiterleistungsmodulen verwendeten Herstellungsprozesse angelegten Lasten eine Bruchgefahr der Halbleiterchips. Solche Lasten treten zum Beispiel durch Bonden von besonders dicken Drähten an die obere Metallschicht des Halbleiterchips oder durch Bonden von härtere Materialien, wie beispielsweise Kupfer umfassenden Drähten, auf.
Um die Bruchgefahr zu reduzieren und um die Lebensdauer eines Leistungsmoduls zu verbessern, ist bekannt, ein Metallelement auf der oberen Metallschicht des Halbleiterchips aufzubringen und das elektrische Verbindungsmittel mit einer oben auf dem Metallelement vorgesehenen Kontaktfläche zu verbinden. Das Metallelement kann unter Verwendung einer Anzahl von verschiedenen bekannten Prozessen, wie beispielsweise Diffusionsschweißen, Löten oder Kleben, an dem Halbleiterchip fixiert werden, aber zuverlässige Verbindungen können auch durch Verwendung eines Sinterprozesses erhalten werden.
In solch einem Prozess wird eine eine Paste von beispielsweise Silberteilchen umfassende Beschichtung auf einer unteren Seite des Metallelements vorgesehen, und diese wird mit der oberen Metallschicht des Halbleiterchips in Kontakt gebracht. Dann werden Druck und/oder Wärme zugeführt, um das Metallelement elektrisch und thermisch gut leitend an der Oberseite des Halbleiterchips zu fixieren.
Die Verwendung einer Sinterpastenbeschichtung verursacht einen zusätzlichen Aufwand. Ferner stellt die Handhabung eine Herausforderung dar und ist mit einer Verunreinigungsgefahr verbunden.
Eine Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung einer Möglichkeit zum Fixieren eines Metallelements an einem Halbleiterchip, die die Nachteile des Stands der Technik vermeidet.
Diese Aufgabe wird durch eine elektronische Struktur, die die Merkmale von Anspruch 1 umfasst, und durch ein Verfahren nach Anspruch 14 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen werden in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Die oben beschriebene Aufgabe wird durch eine elektronische Struktur gelöst, die einen Halbleiterchip umfasst, wobei der Halbleiterchip mindestens eine obere Metallschicht auf einer Oberseite des Halbleiterchips umfasst, wobei ein Metallelement auf der oberen Metallschicht angeordnet ist, wobei das Metallelement eine Kontaktfläche zum Kontaktieren eines elektrischen Verbindungsmittels umfasst, wobei Nanodrähte zwischen der oberen Metallschicht und dem Metallelement angeordnet sind, die den Halbleiterchip und das Metallelement miteinander verbinden.
Die Nanodrähte stellen eine mechanisch stabile Verbindung mit guter elektrischer und thermischer Leitfähigkeit zwischen dem Metallelement und dem Halbleiterchip bereit. Die Flexibilität der Nanodrähte kann verschiedene temperaturabhängige Ausdehnungen zwischen dem Metallelement und dem Halbleiterchip ausgleichen. Dadurch wird jegliche thermo-mechanische Spannung reduziert. Die Nanodrähte können integral mit dem Metallelement oder der oberen Metallschicht ausgebildet sein. Eine zusätzliche Beschichtung wird vermieden, und die Herstellung wird vereinfacht.
Vorzugsweise wird die Kontaktfläche durch eine obere Seite des Metallelements gebildet, wobei die Nanodrahtstruktur auf einer unteren Seite des Metallelements angeordnet ist. Die Herstellung von Nanodrähten kann durch Galvanisieren der Nanodrähte auf der unteren Seite des Metallelements vereinfacht werden. Die obere Seite des Metallelements kann als eine Kontaktfläche verwendet werden. Mit anderen Worten sind die Nanodrähte und die Kontaktfläche integrale Teile des Metallelements. Dies führt zu einer leichten Handhabung.
Vorzugsweise weist das Metallelement eine Dicke von 30 pm bis 70 pm auf. Insbesondere weist das Metallelement eine Dicke von etwa 50 pm auf. Solch ein Metallelement kann die während des Herstellungsprozesses, zum Beispiel durch einen Ultraschallschweißprozess, anfallenden Lasten aufnehmen. Damit schützt es den Halbleiterchip vor jeglichen mechanischen Spannungen.
Es ist von Vorteil, dass die Nanodrähte Metall, insbesondere Kupfer, umfassen. Metall, insbesondere Kupfer, weist eine hohe elektrische Leitfähigkeit und Langlebigkeit auf. Ferner ermöglicht es eine einfache gegenseitige Verbindung.
Es wird bevorzugt, dass die Nanodrähte Durchmesser zwischen 0,2 pm und 1,2 pm haben. Insbesondere liegt der Durchmesser zwischen 0,3 pm und 0,5 pm oder bei etwa 0,4 µm. Dies ermöglicht es, dass eine hohe Anzahl von Nanodrähten eine ausreichende Flexibilität aufweist.
Ferner wird bevorzugt, dass die Nanodrähte eine Länge zwischen 0,5 pm und 50 pm aufweisen. Insbesondere liegt die Länge zwischen 5 pm und 40 um. Dies führt zu einem kurzen Abstand zwischen dem Halbleiterchip und dem Metallelement und zu einer geringen Höhe der Struktur.
Es ist von Vorteil, die Nanodrähte in einer Dichte, die der Prozentanteil der Oberfläche der Fläche ist, die Nanodrähte umfasst, von zwischen 10% und 90%, vorzugsweise zwischen 10% und 30%, anzuordnen. Dies führt zu einer hohen Flexibilität. Gleichzeitig ist relativ wenig Material erforderlich.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das Metallelement aus Kupfer hergestellt und bilden die Nanodrähte einen integralen Teil des Metallelements. Kupfer ist relativ kostengünstig und weist eine gute thermische und elektrische Leitfähigkeit auf. Die Nanodrähte können durch einen Galvanisierungsprozess gebildet werden. Bei einem aus Kupfer hergestellten Metallelement kann ein Kupfer umfassendes elektrisches Verbindungsmittel ohne jeglichen Aufwand gebondet werden, und es wird eine zuverlässige Bondung erreicht.
Bei einer alternativen bevorzugten Ausführungsform bilden die Nanodrähte einen integralen Teil der oberen Metallschicht. Dies vereinfacht die Form des Metallelements und ermöglicht verschiedene Materialien des Metallelements und der Nanodrähte.
Vorzugsweise umfasst die elektronische Struktur eine untere Metallschicht auf einer Unterseite. Diese untere Metallschicht wird insbesondere für eine elektrische Leitungsverbindung mit der leitenden Schicht verwendet, die Teil eines Substrats bildet, auf dem die elektronische Struktur angebracht ist. Dieses Substrat kann zum Beispiel ein DBC-Substrat (DBC, direct bonded copper), ein DBA-Substrat (DBA, direct bonded aluminium), einen Leiterrahmen oder andere in der Technik bekannte Substrattypen umfassen. Dies vereinfacht die Herstellung eines Leistungsmoduls, das mehrere elektronische Strukturen aufweist.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist die elektronische Struktur mittels einer Nanodrahtstruktur mit der leitenden Schicht verbunden. Dies kann das Anfügen der elektronischen Struktur an das Substrat vereinfachen.
Vorzugsweise umfasst die zweite Nanodrahtstruktur ein Metallblech mit Nanodrähten auf mindestens einer Seite davon. Solch eine Nanodrahtstruktur kann getrennt hergestellt werden und in Position platziert werden, wenn das Anfügen von Komponenten erforderlich ist.
Gemäß einer anderen Ausführungsform ist ein elektrisches Verbindungsmittel an die Kontaktfläche des Metallelements gebondet.
Das elektrische Verbindungsmittel kann ein Metall, wie zum Beispiel Aluminium oder Kupfer, umfassen. Zusätzlich oder alternativ kann das elektrische Verbindungsmittel ein Drahtbond, ein Bändchenbond, ein elektrisch leitendes Band, ein geflochtenes Band, ein Leiterrahmen oder ein Clip sein.
Die oben genannte Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung einer elektronischen Struktur wie oben beschrieben gelöst, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:

- das Metallelement wird auf der Metallschicht mit den Nanodrähten dazwischen platziert,
- der Halbleiterchip mit dem Metallelement und den Nanodrähten wird durch einen Zusammenfügungsprozess verbunden, wobei eine in dem Zusammenfügungsprozess verwendete Prozesstemperatur zwischen Raumtemperatur und 270°C, vorzugsweise zwischen 170°C und 270°C, liegt, wobei ein in dem Zusammenfügungsprozess verwendeter Prozessdruck zwischen 10 MPa und 50 MPa liegt, und wobei der Zusammenfügungsprozess für eine Prozesszeit zwischen 10 Sekunden und 10 Minuten durchgeführt wird.

Die Verwendung dieses Verfahrens führt zu einer elektrisch und thermisch gut leitenden und mechanisch stabilen Verbindung zwischen dem Metallelement und dem Halbleiterchip. Das Metallelement schützt den Halbleiterchip vor hohen mechanischen Lasten, wobei die Nanodrähte die vorteilhafte Verbindung bereitstellen.
Der Zusammenfügungsprozess kann ein Bondingprozess oder ein Sinterprozess sein.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird ein elektrisches Verbindungsmittel an die Kontaktfläche des Metallelements gebondet. Das Metallelement schützt den Halbleiterchip vor thermischen und mechanischen Spannungen, die während des Bondingprozesses auftreten.
Das elektrische Verbindungsmittel kann dicke Drähte oder Streifen umfassen, die zur Übertragung von hohen Strömen, wie zum Beispiel 10 Ampere, vorzugsweise 100 Ampere, oder darüber, konfiguriert sind.
Vorteilhafterweise wird die elektronische Struktur mit einem Substrat verbunden, bevor das Metallelement mit dem Halbleiterchip verbunden wird, oder gleichzeitig damit. Dies vereinfacht den Herstellungsprozess.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die angehängten Figuren hervor, darin zeigen:

1 eine schematische Struktur einer elektronischen Struktur gemäß einer ersten Ausführungsform,
2 eine schematische Struktur einer elektronischen Struktur gemäß einer zweiten Ausführungsform.

1 zeigt eine elektronische Struktur 14, die einen auf einem Substrat 2 angebrachten Halbleiterchip 1 umfasst. Eine obere Schicht 3 des Substrats 2 bildet eine Leiterbahn zum elektrischen Verbinden des Halbleiterchips 1. Eine Sinterschicht 4, wie zum Beispiel eine aus einer Silbersinterpaste gebildete Schicht, ist zwischen dem Halbleiterchip 1 und dem Substrat 2 platziert, um ein zuverlässiges Miteinanderverbinden zu gewährleisten. Solch eine Anordnung kann Teil eines Leistungsmoduls bilden, die mehrere elektronische Strukturen 14 umfasst.
Der Halbleiterchip 1 umfasst eine obere Metallschicht 5 auf einer Oberseite und eine untere Metallschicht 6 auf einer Unterseite. Ein Metallelement 7 ist mittels Nanodrähten 8 mit der oberen Metallschicht 5 verbunden. Die Nanodrähte 8 sind an einer unteren Fläche des Metallelements 7 angeordnet. Auf einer oberen Seite des Metallelements ist eine Kontaktfläche 9 vorgesehen. Ein elektrisches Verbindungsmittel 15 kann wahlweise an die Kontaktfläche 9 gebondet sein. Das elektrische Verbindungsmittel 15 kann ein Metall, wie zum Beispiel Aluminium oder Kupfer, umfassen und kann als ein Drahtbond, ein Bändchenbond, ein elektrisch leitendes Band, ein geflochtenes Band, ein Leiterrahmen oder ein Clip gebildet sein.
Das Metallelement 7 kann als eine Metallfolie hergestellt sein, die vorzugsweise Kupfer mit Nanodrähten 8 auf einer Seite umfasst. Die Nanodrähte 8 können in einem galvanischen Prozess auf dem Metallelement 7 aufgewachsen sein. Die Nanodrähte 8 können unterschiedliche Längen L zwischen 5 pm und 50 µm, zum Beispiel 40 µm, und Dicken, zum Beispiel 0,4 µm, aufweisen. Sie bedecken typischerweise die Fläche zwischen 10% und 80%. Das Metallelement kann eine Dicke T von ungefähr 50 pm aufweisen.
Das Metallelement 7 mit den Nanodrähten 8 wird in einem Zusammenfügungsprozess, der zum Beispiel einen Prozessdruck von 25 MPa, eine Prozesstemperatur von 250°C und eine Prozesszeit von 5 Minuten hat, mit der oberen Metallschicht 5 des Halbleiterchips 1 zusammengefügt. Es können jedoch Prozesse verwendet werden, die wesentlich geringere Druckwerte, weniger Zeit und geringere Temperaturen erfordern.
Nach der Verbindung des Metallelements 7 mit dem Halbleiterchip 1 wird ein elektrisches Verbindungsmittel 15 mit der Kontaktfläche des Metallelements 7 verbunden. Solch ein elektrisches Verbindungsmittel 15 kann zum Beispiel einen Kupferdrahtbond oder Kupferbändchenbond umfassen. Das elektrische Verbindungsmittel kann zum Leiten von hohen Strömen verwendet werden.
2 zeigt eine Ausführungsform der elektronischen Struktur 14, wobei eine Nanodrahtstruktur 10 zwischen dem Halbleiterchip 1 und dem Substrat 2 angeordnet ist. Die Nanodrahtstruktur 10 umfasst ein Metallblech 11 und Nanodrähte 12, 13 auf beiden Seiten.
Die Verwendung von Nanodrähten zum Verbinden des Metallelements 7 mit dem Halbleiterchip 1 und/oder zum Verbinden des Halbleiterchips 1 mit dem Substrat 2 weist gegenüber den herkömmlichen Verbindungsverfahren mehrere Vorteile auf. Es ist keine zusätzliche Metallisierung erforderlich, und die Herstellung ist relativ einfach. Ferner kann im Vergleich zu dem in Silbersinterprozessen verwendeten Silber weniger teures Material, wie Kupfer, verwendet werden. Ferner reduzieren die Nanodrähte aufgrund ihrer Elastizität die thermo-mechanischen Spannungen. Dadurch wird die Lebensdauer der elektronischen Struktur verbessert.
Bezugszeichen

1: Halbleiterchip
2: Substrat
3: leitende Schicht
4: Sinterschicht
5: obere Metallschicht
6: untere Metallschicht
7: Metallelement
8: Nanodrähte
9: Kontaktfläche
10: Nanodrahtstruktur
11: Metallblech
12: Nanodrähte
13: Nanodrähte
14: elektronische Struktur
15: elektrisches Verbindungsmittel

Claims

Elektronische Struktur (14), die einen Halbleiterchip (1) umfasst, wobei der Halbleiterchip (1) mindestens eine obere Metallschicht (5) auf einer Oberseite des Halbleiterchips (1) umfasst, wobei ein Metallelement (7) auf der oberen Metallschicht (5) angeordnet ist, wobei das Metallelement (7) eine Kontaktfläche (9) zum Kontaktieren eines elektrischen Verbindungsmittels umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass Nanodrähte (8) zwischen der oberen Metallschicht (5) und dem Metallelement (7) angeordnet sind, die den Halbleiterchip (1) und das Metallelement (7) miteinander verbinden.
Elektronische Struktur (14) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktfläche (9) durch eine obere Seite des Metallelements (7) gebildet wird, wobei die Nanodrähte (8) auf einer unteren Seite des Metallelements (7) angeordnet sind.
Elektronische Struktur (14) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallelement (7) eine Dicke von 30 pm bis 70 pm aufweist.
Elektronische Struktur (14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanodrähte (8) Metall, insbesondere Kupfer, umfassen.
Elektronische Struktur (14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanodrähte (8) Durchmesser zwischen 0,2 pm und 1,2 pm haben.
Elektronische Struktur (14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanodrähte (8) eine Länge zwischen 0,5 pm und 50 pm aufweisen.
Elektronische Struktur (14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanodrähte (8) mit einer Dichte von zwischen 10% und 90% angeordnet sind.
Elektronische Struktur (14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallelement (7) aus Kupfer hergestellt ist und die Nanodrähte (8) einen integralen Teil des Metallelements bilden.
Elektronische Struktur (14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanodrähte (8) einen integralen Teil der oberen Metallschicht (5) bilden.
Elektronische Struktur (14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterchip (1) eine untere Metallschicht (6) auf einer Unterseite umfasst.
Elektronische Struktur (14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterchip (1) auf einer leitenden Schicht (3) eines Substrats (2) angeordnet ist.
Elektronische Struktur (14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterchip (1) mittels einer Nanodrahtstruktur (10) mit der leitenden Schicht (3) verbunden ist.
Elektronische Struktur (14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanodrahtstruktur (10) ein Metallblech (11) mit Nanodrähten (12, 13) auf mindestens einer Seite davon umfasst.
Elektronische Struktur (14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektrisches Verbindungsmittel (15) an die Kontaktfläche (9) des Metallelements (7) gebondet ist.
Verfahren zur Herstellung einer elektronischen Struktur (14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das durch die folgenden Schritte gekennzeichnet ist: - das Metallelement (7) wird auf der Metallschicht (5) mit den Nanodrähte (8) dazwischen platziert, - der Halbleiterchip (1) mit dem Metallelement (7) und den Nanodrähten (8) wird durch einen Zusammenfügungsprozess verbunden, wobei eine in dem Zusammenfügungsprozess verwendete Prozesstemperatur zwischen Raumtemperatur und 270°C, liegt, wobei ein in dem Zusammenfügungsprozess verwendeter Prozessdruck zwischen 10 MPa und 50 MPa liegt, und wobei der Zusammenfügungsprozess für eine Prozesszeit zwischen 10 Sekunden und 10 Minuten durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektrisches Verbindungsmittel (15) an die Kontaktfläche des Metallelements (7) gebondet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterchip (1) mit einem Substrat (2) verbunden wird, bevor das Metallelement (7) mit dem Halbleiterchip (1) verbunden wird, oder gleichzeitig damit.