DE10204157B4 - Drahtbondverbindung für Leistungshalbleiterbauelemente - Google Patents

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Abstract

Drahtbondverbindung für die Strom leitende Verbindung einer Stromzuführung (2) mit einem Leistungshalbleiterbauelement (1) , wobei bei einer aus einer Mehrzahl von Teilgruppen (32, 33, 34, 35), ihrerseits bestehend aus einer Mehrzahl gleichlanger parallel angeordneter Bonddrähte (3), bestehenden Drahtbondverbindung, wobei der Abstand (D) der einzelnen Teilgruppen (32, 33, 34, 35) zueinander kleiner ist als das Dreifache des mittleren Abstandes der Bonddrähte (3) innerhalb jeder Teilgruppe, der Abstand zweier benachbarter Bonddrähte (3) mit Ausnahme des Abstandes zweier zu unterschiedlichen Teilgruppen (32, 33, 34, 35) gehörender Bonddrähten (3), zum Rand des Leistungshalbleiterbauelements (1) hin geringer wird, wobei die Abnahme stetig oder unstetig erfolgt.

Description

  • Die Erfindung betrifft Drahtbondverbindungen für Leistungshalbleiterbauelemente wie sie beispielhaft in Leistungshalbleitermodulen vielfältig Anwendung finden. Die Anforderungen und damit die Leistungsfähigkeit derartiger Leistungshalbleitermodule sowie der zu deren Aufbau notwendigen Leistungshalbleiterbauelemente sind in den letzten Jahren stetig gestiegen. Es stieg beispielhaft die Stromstärke pro Fläche der Leistungshalbleiterbauelemente. Weiterhin werden aus wirtschaftlichen Notwendigkeiten heraus die Leistungshalbleiterbauelemente immer näher an Ihrer Leistungsgrenze betrieben.
  • Entscheidende externe Faktoren für die Leistungsfähigkeit von Leistungshalbleitermodulen bzw. Leistungshalbleiterbauelementen sind die Wärmeabfuhr sowie die Stromzu- und -abführung. Stand der Technik in der Stromzu- und -abführung von Leistungshalbleiterbauelementen sind voll- oder teilflächige Lotverbindungen sowie Drahtbondverbindungen in verschiedenen Ausgestaltungen. Hier soll die Leistungsfähigkeit der Drahtbondverbindungen betrachtet werden.
  • Derartige Drahtbondverbindungen für Leistungshalbleiterbauelemente sind beispielhaft aus der DE 195 49 011 A1 oder der EP 0 750 345 A2 bekannt. In diesen dort vorgestellten Leistungshalbleitermodulen werden die Leistungshalbleiterbauelemente mittels Lotverbindungen auf einem Substrat angeordnet. Diese Lotverbindung der zweiten Hauptfläche des Leistungshalbleiterbauelements stellt einen Teil der Stromzu- bzw. -abführung dar. Weitere Stromanschlüsse werden mittels Drahtbondverbindungen mit der ersten Hauptfläche des Leistungshalbleiterbauelements hergestellt. Charakteristisch für alle bekannten Drahtbondverbindungen, seien sie aus einer oder mehreren Gruppen von einzelnen Bonddrähten aufgebaut, ist, dass die Bonddrähte innerhalb der Gruppe alle gleiche Abstände zueinander aufweisen.
  • Nach dem Stand der Technik werden Leistungshalbleiterbauelemente nicht nur mittels einzelner nebeneinander angeordneter Bonddrähte mit der Stromzuführung kontaktiert, sondern häufig mit zwei oder mehreren in z-Richtung übereinander liegenden einzelnen Bonddrähten (vgl. 2). Die einzelnen Bonddrähte werden häufig auch zur Verbesserung der Stromverteilung auf dem Leistungshalbleiterbauelement und/oder auf der Stromzuführung mittels mehrerer sog. Bondfüße kontaktiert. Unter dem Begriff „Gruppe" soll immer eine Mehrzahl von im Rahmen der Fertigungstoleranzen gleich langen Bonddrähten verstanden werden. Unter dem Begriff „Teilgruppe" wird verstanden, dass diese Gruppe sich in eine Mehrzahl einzelner Teilgruppen aufteilt. Die untereinander liegenden Bonddrähte nach 2 bilden somit keine Gruppe. Im Folgenden wird nur eine Gruppe oder eine Mehrzahl von Teilgruppen betrachtet. Für weitere Gruppen mit einer signifikant größeren oder kleineren Länge der Bonddrähte gelten die gleichen Überlegungen wie sie im Folgenden für eine Gruppe bzw. deren Teilgruppen dargestellt werden.
  • Simulationen zeigen, dass bei einer Anordnung der Bonddrähte zwischen einer Stromführung und dem Leistungshalbleiterbauelement nach dem Stand der Technik die jeweils außen liegenden Bonddrähte die höchsten Ströme transportieren. Die Stromdichte pro Bonddraht nimmt zur Mitte des Leistungshalbleiterbauelements stetig ab.
  • Ausfallbilder realer Leistungshalbleitermodule bestätigen die theoretisch gewonnenen Ergebnisse dahingehend, dass typischerweise die Zerstörung der äußersten Bonddrähte zu einem Leistungshalbleiterbauelement die Ursache des Ausfalls war.
    •
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Drahtbondverbindung für Leistungshalbleiterbauelemente vorzustellen, wobei die Stromtragfähigkeit der Drahtbondverbindung in ihrer Gesamtheit gegenüber dem Stand der Technik verbessert wird.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch die Maßnahmen der Ansprüche 1 und 2. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen genannt.
  • Der Grundgedanke der Erfindung liegt darin, die Stromdichte in jedem Bonddraht annähernd gleich groß zu gestalten.
  • Bei Teilgruppen von Bonddrähten mit einem Abstand der Teilgruppen von mehr als dem Dreifachen des Mittelwertes der Abstände aller Bonddrähte, sind die Bonddrähte derart angeordnet, dass der Abstand zweier benachbarter Bonddrähte innerhalb der Teilgruppe von innen nach außen geringer wird, wobei die Abnahme stetig oder unstetig erfolgt.
  • Unter stetig geringer werdendem Abstand soll verstanden werden, dass von Bonddraht zu Bonddrahte der jeweilige Abstand zueinander geringer wird. Unter unstetig geringer werdendem Abstand wird verstanden, dass der Abstand von Bonddraht zu Bonddraht entweder geringer wird oder gleich bleibt. In beiden Fällen ist eine Vergrößerung des Abstandes ausgeschlossen.
  • Bei gleicher Anzahl der Bonddrähte entsprechend dem Stand der Technik kann somit insgesamt ein höherer Strom zum Halbleiterbauelement transportiert werden. Alternativ kann bei gleichem Strom die Anzahl der Bonddrähte verringert werden, da alle einzelnen Bonddrähte annähernd gleich stark belastet werden und somit nicht mehr die äußeren Bonddrähte den Strom begrenzen.
    •
  • Die Merkmale und Ausgestaltungen der Erfindung werden an Hand der 1 bis 9 beispielhaft erläutert.
  • 1a zeigt eine Gruppe einer Drahtbondverbindung eines Leistungshalbleiterbauelements nach dem Stand der Technik.
  • 1b zeigt zwei Teilgruppen einer Drahtbondverbindung eines Leistungshalbleiterbauelements nach dem Stand der Technik.
  • 2 zeigt einen Schnitt durch ein Leistungshalbleiterbauelement, ein Substrat und eine Stromzuführung nach dem Stand der Technik.
  • 3 zeigt die Verteilung des Stromes in den einzelnen Bonddrähten einer Drahtbondverbindung nach 1a.
  • 4 und 5 zeigen verschiedene Ausgestaltungen einer Gruppe einer Drahtbondverbindung eines Leistungshalbleiterbauelements.
  • 6 bis 9 zeigen erfinderische Ausgestaltungen verschiedener Teilgruppen einer Drahtbondverbindung eines Leistungshalbleiterbauelements.
  • In 1 dargestellt ist ein Leistungshalbleiterbauelement (1) und eine Stromzuführung (2), wobei die Stromeinspeisung darin aus y-Richtung (Pfeil) erfolgt. Die Lage der einzelnen Bonddrähte (3) der Drahtbondverbindung weist für alle jeweils benachbarten Bonddrähte nach dem Stand der Technik den gleichen Abstand auf. Es handelt sich bei der in 1a dargestellten Anordnung um eine Gruppe einer Drahtbondverbindung, wie sie häufig bei Dioden, aber auch bei Thyristoren mit Randgate verwendet wird. 1b zeigt unter sonst gleichen Bedingungen wie in 1a zwei Teilgruppen einer Drahtbondverbindung, wie sie beispielsweise bei IGBTs (Insulated Gate Bipolar-Transistoren) verwendet wird, um noch das zentral angeordnete Gate mit einer weiteren Drahtbondverbindung kontaktieren zu können, wie es beispielhaft in der DE 298 23 316 U1 offen gelegt ist.
  • 2 zeigt einen Schnitt in x-Richtung durch ein Leistungshalbleiterbauelement (1), ein Substrat (4), darauf angeordnete Flächen (2, 5) zur Stromzu- und -abführung, sowie zwei in z-Richtung übereinander angeordnete Bonddrähte (3). Die Bonddrähte weisen Bondfüße (6) zur Kontaktierung mit dem Leistungshalbleiterbauelement (1) und der Stromzuführung (2) auf. Zum Stand der Technik zählen ein oder mehrere Bondfüße (6) pro Kontaktierung am Leistungshalbleiterbauelement und/oder an der Stromzuführung.
  • 3 zeigt die Computersimulation einer Verteilung der relativen Strombelastung einer Drahtbondverbindung nach 1a. Berechnet wurde die Stromverteilung in einer Gruppe von 15 Bonddrähten mit einem konstanten Abstand von 2mm bei einer Stromeinspeisung in der Stromzuführung (2) in y-Richtung. Es zeigt sich eine um 60% über dem Mittelwert liegende Strombelastung des aus Stromrichtung gesehen ersten Bonddrahtes (vgl. auch Tabelle 1). Weiterhin ersichtlich ist, dass die Strombelastung nicht nur durch die Richtung der Stromeinspeisung bestimmt wird, sondern dass die Strombelastung der jeweiligen Bonddrähte auf der Außenseite des Leistungshalbleiterbauelements deutlich höher ist als in dessen Mitte. Der Grund hierfür liegt in der Potentialverteilung der Metallisierung der Oberfläche des Leistungshalbleiterbauelements. Bei einer Stromzufuhr aus x-Richtung würde sich eine vergleichbare, allerdings symmetrische Verteilung der Strombelastung der einzelnen Bonddrähte ergeben.
  • 4a zeigt eine Anordnung eines Leistungshalbleiterbauelements sowie einer Stromzuführung nach 1a. Basierend auf den Simulationsergebnissen nach 3 wurde Tabelle 1 erstellt. Diese zeigt für ausgewählte Bonddrähte, wobei die Nummerierung links beginnt, die relative Strombelastung, sowie deren Kehrwert. Dieser Kehrwert wird in der Lösung nach 4a verwendet, um den Abstand der einzelnen Bonddrähte zueinander zu bestimmen. Ausgehend von einem konstanten Abstand der Bonddrähte in einer Anordnung nach 1a von 2mm ergibt sich hier der Abstand in der Anordnung als Mittelwert der Kehrwerte der relativen Strombelastung zweier benachbarter Bonddrähte. Es ergeben sich unter diesen Voraussetzungen beispielhaft folgende Werte: der erste vom zweiten Bonddraht hat einen Abstand von 0,715mm, der fünfte vom sechsten Bonddraht von 1,115mm und der vierzehnte vom fünfzehnten von 0,84mm. Die Unsymmetrie, dass der Abstand der jeweils äußersten Bonddrähte zu ihrem nächstliegenden ungleich, d.h. auf der linken Seite 0,715mm und auf der rechten Seite 0,84mm beträgt, liegt in der Tatsache begründet, dass die zusätzliche Annahme einer Stromeinspeisung in die Stromzuführung (2) von links erfolgt. In der 4a ist schematisch diese Zunahme des Abstandes benachbarter Bonddrähte von außen nach innen bzw. die Abnahme dieses Abstandes von innen nach außen dargestellt. In dieser Darstellung handelt es sich um eine stetige Zu- bzw. Abnahme dieses Abstandes.
  • Das hier dargestellte Verfahren stellte eine einfach Berechnung für die Abstandes der erfinderischen Drahtbondverbindung dar. Die besten Ergebnisse werden durch eine Simulation der physikalischen Gegebenheiten der Bonddrähte sowie der Oberfläche des Leistungshalbleiterbauelements erzielt.
  • Eine Simulation des in diesem Beispiel vorgestellten Berechungsverfahren der Anordnung der Bonddrähte ergab eine Abweichung der relativen Strombelastung jedes Bonddrahtes vom Mittelwert aller Bonddrähte von unter 5%, während es bei gleichem Abstand der Bonddrähte bis über 50% sind.
  • Figure 00060001
    Tabelle 1
  • 4b zeigt eine Anordnung vergleichbar 4a, wobei allerdings die Stromzufuhr aus x-Richtung, nicht aus y-Richtung erfolgt. Daher ergibt sich eine ähnliche Anordnung der Bonddrähte, allerdings in diesem Fall symmetrisch zur Mitte des Leistungshalbleiterbauelements (1).
  • 5 zeigt eine Ausgestaltung der Anordnung einer Gruppe (31) einer Drahtbondverbindung. Hierbei weisen die äußeren Bonddrähte (3) einen konstanten, allerdings geringeren Abstand zueinander auf als die weiter innen liegenden Bonddrähte, die zueinander ebenfalls einen konstanten Abstand aufweisen.
  • Alle Teilgruppen in den 6 bis 8 weisen voneinander einen Abstand D auf, der geringer ist als der dreifache mittlere Abstand aller benachbarten Bonddrähte innerhalb der Teilgruppen zueinander.
  • 6 zeigt eine Ausgestaltung der erfinderischen Drahtbondverbindung mit einer Anordnung der Bonddrähte in zwei Teilgruppen (32). Hier weisen ebenfalls, vergleichbar mit 5; die äußeren und die inneren Bonddrähte (3) einen konstanten Abstand zueinander auf, wobei die Abstände außen geringer als innen sind.
  • 7 zeigt eine weitere Ausgestaltung der erfinderischen Anordnung der Bonddrähte (3). Hierbei handelt es sich um drei Teilgruppen von Bonddrähten, wobei die zentrale Bonddrahtteilgruppe (34) einen konstanten Abstand der Bonddrähte aufweist. Die beiden näher am Rand des Halbleiterbauelements gelegenen Teilgruppen (33) weisen ebenfalls einen konstanten Abstand der benachbarten Bonddrähte zueinander auf. Erfinderisch ist, dass der Abstand der Bonddrähte in der mittig angeordneten Teilgruppe (34) größer ist als der Abstand der Bonddrähte in den äußeren Teilgruppen (33). Bei dieser Anordnung der Bonddrähte handelt es sich um eine mit unstetig geringer werdendem Abstand der Bonddrähte von innen nach außen.
  • 8 zeigt eine weitere Ausgestaltung der erfinderischen Anordnung der Bonddrähte (3). Hierbei handelt es sich ebenfalls um drei Teilgruppen von Bonddrähten, wobei die zentrale Bonddrahtteilgruppe (34) einen konstanten Abstand der Bonddrähte aufweist. Die beiden näher am Rand des Halbleiterbauelements gelegenen Teilgruppen (35) weisen keinen konstanten Abstand der benachbarten Bonddrähte (3) zueinander auf. Hier weisen die äußeren Bonddrähte der Teilgruppe einen konstanten Abstand auf, ebenfalls weisen die inneren Bonddrähte dieser Teilgruppe einen konstanten Abstand zueinander auf. Erfinderisch ist hier, dass der Abstand der Bonddrähte in der mittig angeordneten Teilgruppe (34) größer ist als der Abstand der Bonddrähte in den äußeren Teilgruppen (35) und dass der Abstand der Bonddrähte in den äußeren Teilgruppen unstetig von innen nach außen geringer wird.
  • 9 zeigt eine erfinderische Ausgestaltung der Drahtbondverbindung mit einer Anordnung der Bonddrähte in zwei Teilgruppen, wobei die Teilgruppen (36) voneinander einen Abstand D aufweisen, der größer ist als der dreifach mittlere Abstand aller benachbarten Bonddrähte innerhalb der Teilgruppe zueinander. Bei dieser Anordnung ist der Abstand zweier Bonddrähte (3) derart gestaltet, dass innerhalb jeder Teilgruppe der Abstand zweier Bonddrähte von innen nach außen hin geringer wird, wobei die Abnahme stetig oder unstetig erfolgt.

Claims (5)

  1. Drahtbondverbindung für die Strom leitende Verbindung einer Stromzuführung (2) mit einem Leistungshalbleiterbauelement (1) , wobei bei einer aus einer Mehrzahl von Teilgruppen (32, 33, 34, 35), ihrerseits bestehend aus einer Mehrzahl gleichlanger parallel angeordneter Bonddrähte (3), bestehenden Drahtbondverbindung, wobei der Abstand (D) der einzelnen Teilgruppen (32, 33, 34, 35) zueinander kleiner ist als das Dreifache des mittleren Abstandes der Bonddrähte (3) innerhalb jeder Teilgruppe, der Abstand zweier benachbarter Bonddrähte (3) mit Ausnahme des Abstandes zweier zu unterschiedlichen Teilgruppen (32, 33, 34, 35) gehörender Bonddrähten (3), zum Rand des Leistungshalbleiterbauelements (1) hin geringer wird, wobei die Abnahme stetig oder unstetig erfolgt.
  2. Drahtbondverbindung für die Strom leitende Verbindung einer Stromzuführung (2) mit einem Leistungshalbleiterbauelement (1) , wobei bei einer aus einer Mehrzahl von Teilgruppen (36), ihrerseits bestehend aus einer Mehrzahl gleichlanger parallel angeordneter Bonddrähte, bestehenden Drahtbondverbindung, wobei der Abstand (D) der einzelnen Teilgruppen (36) zueinander größer oder gleich dem Dreifachen des mittleren Abstandes der Bonddrähte (3) innerhalb der Teilgruppe ist, der Abstand zweier Bonddrähte (3), innerhalb der Teilgruppen (36), von der Mitte der jeweiligen Teilgruppe (36) zu deren Rand hin geringer wird, wobei die Abnahme stetig oder unstetig erfolgt.
  3. Drahtbondverbindung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Leistungshalbleiterbauelement eine Diode, ein Thyristor, ein IGBT oder ein MOSFET ist.
  4. Drahtbondverbindung nach einem der Ansprüche 1, oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilung der Bonddrähte (3) auf dem Leistungshalbleiterbauelement (1) symmetrisch ist zu der durch den Verlauf der Bonddrähte (3) definierten Mittelachse des Leistungshalbleiterbauelements (1) bei einer Stromeinspeisung aus der durch den Verlauf der Bonddrähte (3) definierten Richtung.
  5. Drahtbondverbindung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilung der Bonddrähte (3) auf dem Leistungshalbleiterbauelement (1) unsymmetrisch ist zu der durch den Verlauf der Bonddrähte (3) definierten Mittelachse des Leistungshalbleiterbauelements (1) bei einer Stromeinspeisung unter einem Winkel zu der durch den Verlauf der Bonddrähte definierten Richtung.
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