DE10301091A1

DE10301091A1 - Leistungs-Halbleiterbauelement, Multichip-Anordnung und Verfahren zur Verbindung von einem gemeinsamen Substratträger zugeordneten Halbleitereinrichtung

Info

Publication number: DE10301091A1
Application number: DE10301091A
Authority: DE
Inventors: Xaver Schlögel; Ralf Otremba
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2003-01-14
Filing date: 2003-01-14
Publication date: 2004-07-22
Anticipated expiration: 2023-01-15
Also published as: DE10301091B4

Abstract

Ein Leistungs-Halbleiterbauelement weist zwei oder mehrere übereinander angeordnete Halbleitereinrichtungen (1, 2, ...) auf, die einem gemeinsamen Substratträger (5) zugeordnet sind. Dabei werden zwischen den Halbleitereinrichtungen (1, 2, ...) jeweils Kontaktbügel (61, ...) vorgesehen, die zunächst die Anforderungen an die Abmessungen der Halbleitereinrichtungen (1, 2, ...) voneinander entkoppeln, die Halbleitereinrichtungen (1, 2, ...) elektrisch untereinander verbinden und in vorteilhafter Weise als niederohmige Verbindungen zu Anschlusselementen (51, ...) des Substratträgers (5) ausgebildet werden. Das Leistungs-Halbleiterbauelement lässt sich in besonders vorteilhafter Weise als Halb- oder Vollbrückenschaltkreis ausbilden. Ferner wird eine Multichip-Anordnung mit Kontaktbügeln (61, ...) und ein Verfahren zur Verbindung von Halbleitereinrichtungen (1, 2, ...) mittels Kontaktbügeln (61, ...) beschrieben.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur elektrischen Verbindung von mindestens zwei auf einem gemeinsamen Substratträger mit Anschlusselementen vorzusehenden Halbleitereinrichtungen, wobei mindestens eine erste obere Kontaktfläche auf einer Bauteilvorderseite einer ersten Halbleitereinrichtung mit einer korrespondierenden unteren Kontaktfläche auf einer Bauteilrückseite einer zweiten Halbleitereinrichtung verbunden wird. Die Erfindung betrifft ferner eine Multichip-Anordnung und ein Leistungs-Halbleiterbauelement.
Allgemein erweitert sich vornehmlich in Industrie- und Automobilapplikationen der Anwendungsbereich von Leistungs-Halbleiterbauelementen, insbesondere in der Funktion als Leistungsschalter. Lösungen mit Leistungs-Halbleiterbauelementen mit integrierten Überwachungs-, Schutz-, und Ansteuerschaltungen, die als intelligente Leistungsschalter eingesetzt werden, sind deutlich kompakter und kostengünstiger als herkömmliche diskrete Relaislösungen und ersetzen diese in einem größer werdenden Schaltleistungsbereich.

In der heute üblichen DMOS-Technologie (DMOS, diffused metal oxide semiconductor) für Leistungs-Halbleiterbauelemente hoher Schaltleistung sind in einem Halbleitersubstrat des Leistungs-Halbleiterbauelements ausgebildete, steuerbare Laststrecken üblicherweise in vertikaler Richtung zwischen einer unteren und einer oberen Kontaktfläche vorgesehen. Dabei ist es üblich, das Halbleitersubstrat (semiconductor die) mit der auf einer Bauteilrückseite des Halbleitersubstrats befindlichen unteren Kontaktfläche auf einem Substratträger zu befestigen und damit auch zugleich elektrisch zu kontaktieren. Zur Verbindung der oberen Kontaktfläche auf der Vorderseite des Halbleitersubstrats mit den Anschlusselementen des Leistungs-Halbleiterbauelements ist es etwa aus den Druckschriften US 6,040,626 (Cheah et al.), US 6,249,041 (Kasem et al.), JP200082721-A (Hitachi) und US2001044167-A1 (Guo, Kuo) bekannt, Metallstreifen (metal plates, copper straps, sheet contacts) vorzusehen, die jeweils mit den Anschlusselementen und den oberen Kontaktflächen auf der Bauteilvorderseite verbunden werden.

Aus der WO 96/13855 ist es ferner bekannt, zwei Halbleitersubstrate jeweils mit der Bauteilrückseite auf einander gegenüberliegenden Oberflächen eines Substratträgers (leadframe) anzuordnen.

Eine typische Applikation von Leistungsschaltern ist die bidirektionale Ansteuerung von Gleichstrommotoren. Um die Richtung eines Stromflusses durch die vom Gleichstrommotor gebildete Last und damit die Drehrichtung des Gleichstrommotors umkehren zu können, ist jeder der beiden Anschlüsse des Gleichstrommotors sowohl an ein negatives als auch an ein positives Versorgungspotential schaltbar vorzusehen. Die dazu notwendigen vier Leistungs-Halbleiterbauelemente werden in bekannter Weise als Vollbrücke (H-bridge) angeordnet.

In der 1 ist ein Leistungs-Halbleiterbauelement schematisch dargestellt, das aus vier zu einer Vollbrücke angeordneten Leistungsschaltelementen L1, L2, H1, H2 aufgebaut ist. Dabei sind zwischen der als Gleichstrommotor M ausgebildeten Last einerseits und der positiven Versorgungsspannung Highside-Schaltelemente H1, H2 und zwischen der Last M und der negativen Versorgungsspannung Lowside-Schaltelemente L1, L2 an geordnet. Die beiden Highside-Schaltelemente H1, H2 sind monolithisch in einer ersten Halbleitereinrichtung 1 integriert, die beiden Lowside-Schaltelemente L1, L2 sind voneinander getrennt in weiteren Halbleitereinrichtungen 2, 3 vorgesehen, die auf einer Bauteilvorderseite der Halbleitereinrichtung 1 mittels Verbindungsschichten 151, 152 befestigt sind, wobei jeweils korrespondierende Source/Drainkontakte 121/21, 122/31 elektrisch miteinander verbunden sind. Die Halbleitereinrichtung 1 ist mit der Bauteilrückseite auf einem Substratträger 5 befestigt, wobei der Drainkontakt 11 elektrisch leitend mit dem Substratträger 5 verbunden ist.

Die Laststrecken der Leistungsschaltelemente L1, L2, H1, H2 verlaufen jeweils in zu einer Montageebene vertikalen Richtung zwischen einander an den Halbleitereinrichtungen 1, 2, 3 jeweils gegenüberliegend angeordneten Source- und Drainkontakten 11/121, 11/122, 21/22 und 31/32. Jeder der Leistungsschaltelemente L1, L2, H1, H2 weist Gatekontakte 131, 132, 23, 33 auf, über die die Laststrecken durchgeschaltet bzw. geöffnet werden. Je nach Drehrichtung des Gleichstrommotors M sind entweder die Leistungsschaltelemente L1 und H2 oder die Leistungsschaltelemente L2 und H1 geschlossen.

Für kleinere Lastströme bis etwa in die Größenordnung einiger weniger Ampere lassen sich die vier Leistungs-Halbleiterbauelemente einer Vollbrücke auch zusammen mit weiteren Logik-, Schutz- und Überwachungsschaltkreisen noch vorteilhaft auf einem gemeinsamen Halbleitersubstrat monolithisch integrieren.

Mit steigendem Laststrom fallen jedoch zum einen die Anforderungen an Lowside- und Highside-Schaltelemente zunehmend auseinander, so dass es vorteilhaft ist, sie in unterschiedlichen Technologien auszuführen. Zum anderen steigt durch den erforderlichen niedrigeren zulässigen maximalen Durchlasswiderstand R_DSon ein Flächenbedarf der reinen Schaltfunktion relativ zu den Logik-, Schutz- und Überwachungsfunktionen im Halbleitersubstrat des Leistungs-Halbleiterbauelements. Die monolithische Integration der Funktionen einer Vollbrücke oder auch einer Halbbrücke ist daher für größere Lastströme zunehmend erschwert. Für größere Lastströme von mehr als einigen Ampere ist es darum üblich, jeweils die Highside-Schaltfunktion und die Lowside-Schaltfunktion, gegebenenfalls auch die Logik-, Schutz- und Überwachungsfunktionen in jeweils unterschiedlicher Technologie auf verschiedenen Halbleitersubstraten zu realisieren und anschließend mit Hilfe von bekannten Multichip-Montagetechniken auf einem gemeinsamen Substratträger bzw. in einem gemeinsamen Bauteilgehäuse zu integrieren.

Bekannte Multichip-Montagetechniken sind etwa die face-toface-, die chip-by-chip-, und die chip-on-chip-Montagetechnik.

Ein Beispiel für eine chip-on-chip-Montagetechnik ist aus der Druckschrift DE 196 35 582 C1 bekannt, die nachstehend anhand der der Druckschrift entlehnten 2 für eine in der 1 schematisch dargestellte Vollbrücke erläutert wird.

Das in der 2 dargestellte Leistungs-Halbleiterbauelement weist zwei in einer Halbleitereinrichtung 1 monolithisch integrierte Highside-Schaltelemente auf, deren Laststrecken jeweils in Serie zu den Laststrecken zweier in Halbleitereinrichtungen 2, 3 realisierten Lowside-Schaltelemente angeordnet sind. Über Verbindungsschichten 151, 152 werden die jeweils korrespondierenden Laststrecken miteinander und über erste Lastbonddrähte 121, 122 jeweils mit einer oder mehreren Anschlusseinrichtungen 51, .. des Substratträgers 5 verbun den. Ebenso sind Gatekontakte 131, 132, 23, 33 der Halbleitereinrichtungen 1, 2, 3 mittels Steuerbonddrähte und Sourcekontakte 22, 32 der Lowside-Schaltelemente in den Halbleitereinrichtungen 2, 3 mittels weiterer Lastbonddrähte mit Anschlusseinrichtungen 52, .. verbunden.

Die aus den Halbleitereinrichtungen 1, 2, 3 und dem Substratträger 5 gebildete Multichip-Anordnung ist in ein Bauteilgehäuse 50 eingebettet.

Ein wesentlicher Nachteil der aus der Druckschrift DE 196 35 582 C1 bekannten Anordnung liegt in der Abhängigkeit der Abmessungen der einzelnen Leistungs-Halbleiterbauelemente voneinander. Da auf der Oberfläche des unteren Bauelements, im Fall einer Halbbrücke also eines Highside-Schaltelements sowohl das jeweils aufliegende Lowside-Schaltelement als auch eine Kontaktfläche für eine Gateansteuerung vorzusehen ist, sind entweder die Maximalabmessungen des aufliegenden oder Minimalabmessungen des unteren Bauelements vorgegeben. Bei Minimalabmessungen, die größer sind als funktional erforderlich, bleibt teures Halbleitersubstrat ungenutzt, während zu knappe Maximalabmessungen die Funktionalität beschränken.

Allgemein wird auch eine weitere Reduzierung der Schaltverluste in Leistungs-Halbleiterbauelementen angestrebt.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Verbinden einer Mehrzahl von Halbleitereinrichtungen auf einem gemeinsamen Substratträger zur Verfügung zu stellen, bei dem die Abmessungen der zu verbindenden Halbleitereinrichtungen im Wesentlichen voneinander unabhängig vorgesehen werden können und das für Multichip-Anordnungen von Leistungs-Halbleiterbauelementen eine höhere Stromtragfähigkeit ermöglicht. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, eine Multichip-Anordnung für Halbleitereinrichtungen, bei der die Abmessungen der Halbleitereinrichtungen im Wesentlichen voneinander unabhängig sind, sowie ein Leistungs-Halbleiterbauelement mit hoher Stromtragfähigkeit zur Verfügung zustellen.

Die Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 genannten Merkmale gelöst. Ein die Aufgabe lösendes Leistungs-Halbleiterbauelement geht aus dem Patentanspruch 14, eine die Aufgabe lösende Multichip-Anordnung aus dem Patentanspruch 26 hervor.

Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zur elektrischen Verbindung von mindestens zwei Halbleitereinrichtungen, die auf einem gemeinsamen Substratträger vorgesehen werden, wird also mindestens eine obere Kontaktfläche auf einer Bauteilvorderseite einer ersten Halbleitereinrichtung mit einer korrespondierenden unteren Kontaktfläche auf einer Bauteilrückseite einer zweiten Halbleitereinrichtung verbunden, indem die Halbleitereinrichtungen beiderseits eines elektrisch leitfähigen Kontaktbügels vorgesehen werden. Dabei ist der Kontaktbügel mindestens in einem ersten Abschnitt den zu verbindenden Kontaktflächen angepasst flächig ausgebildet und wird zwischen der Bauteilvorderseite der ersten Halbleitereinrichtung und der Bauteilrückseite der zweiten Halbleitereinrichtung angeordnet. Im Bereich des ersten Abschnitts wird der Kontaktbügel mit der ersten oberen Kontaktfläche der ersten Halbleitereinrichtung und der unteren Kontaktfläche der zweiten Halbleitereinrichtung verbunden. Es werden also beide Oberflächen des Kontaktbügels genutzt.

Damit sind zunächst die Abmessungen der beiden Halbleitereinrichtungen voneinander entkoppelt. Insbesondere kann bei vor gegebener untenliegender erster Halbleitereinrichtung die obenliegende zweite Halbleitereinrichtung größere Abmessungen in der Montageebene aufweisen als nach herkömmlicher Technik. Damit steigt die Anzahl von Kombinationsmöglichkeiten von Halbleitereinrichtungen für Multichip-Anordnungen, ohne dass die Abmessungen der jeweils untenliegenden Halbleitereinrichtungen mehr als über die Funktion vorgegeben hinaus vergrößert vorzusehen sind.

Bevorzugt vermittelt jedoch ein zweiter Abschnitt des Kontaktbügels auch eine elektrisch leitende Verbindung zu einem Anschlusselement des Substratträgers. Damit wird in vorteilhafter Weise der elektrische Widerstand der Verbindung zwischen den Anschlusselementen der Halbleitereinrichtung und dem eigentlichen Halbleitersubstrat gegenüber herkömmlichen Lösungen in Multichip-Anordnungen deutlich verringert. Als Folge ist eine Verlustleistung von Leistungs-Halbleiterbauelementen, im Falle von Leistungsschaltelementen eine Schaltverlustleistung, in vorteilhafter Weise reduziert.

In heute üblichen Leistungs-Halbleiterbauelementen beträgt der Anteil des ohmschen Widerstands von Verbindungen zwischen den Anschlüssen des Leistungs-Halbleiterbauelements und dem eigentlichen Halbleitersubstrat (Gehäusewiderstand, package resistance) am gesamten Durchgangswiderstand RDSON bis zu 20%. Der Gehäusewiderstand wird wesentlich durch den Widerstand von Bonddrähten bestimmt, mit denen in herkömmlichen Multichip-Anordnungen obenliegende Halbleitereinrichtungen mit den Anschlusselementen verbunden sind. Bonddrähte lassen sich üblicherweise aber lediglich mit einem Durchmesser von bis zu 500 Mikrometer vorsehen, da sie mit steigendem Durchmesser auch aufwändiger zu prozessieren sind. Auch die Dichte, mit der die Bonddrähte gesetzt werden können, und damit die Anzahl der Bonddrähte pro Kontaktfläche ist begrenzt.

Durch den mindestens teilweisen Ersatz der Bonddrähte im Lastkreis durch einen Kontaktbügel mit einer senkrecht zu einer Stromflussrichtung des Laststroms orientierten Querschnittsfläche, die wesentlich größer ist als die Querschnittsfläche eines Bonddrahtes, wird der Gehäusewiderstand deutlich verringert. Eine niederohmige Zuleitung kann auch für Steuerkontakte wie den Gatekontakten von Leistungs-Halbleiterbauelementen wünschenswert sein, um eine Zeitkonstante des Steuerkontakts und damit eine Schaltzeit des Leistungs-Halbleiterbauelements zu minimieren.

Der Kontaktbügel wird bevorzugt über die gesamte Ausdehnung mindestens einer der zugeordneten Kontaktflächen mit dieser verbunden.

Darüber hinaus kommt es im Betriebsfall zu einer deutlich verbesserten Wärmeableitung insbesondere von der obenliegenden Halbleitereinrichtung zum Substratträger bzw. zum Bauteilgehäuse.

Bevorzugt wird also als erste Halbleitereinrichtungen ein Leistungs-Halbleiterbauelement mit mindestens einer Laststrecke vorgesehen, die zwischen der unteren und einer der oberen Kontaktflächen ausgebildet ist, wobei die untere Kontaktfläche mit dem Substratträger elektrisch leitend verbunden wird. Auf dem Kontaktbügel wird mindestens eine weitere Halbleitereinrichtung vorgesehen und durch den Kontaktbügel in bekannter Weise ein Lastkreis zu den Anschlusselementen geschlossen.

Wird mindestens eine der weiteren Halbleitereinrichtungen als weiteres Leistungs-Halbleiterbauelement vorgesehen, das zwischen der unteren und einer der oberen Kontaktflächen ebenfalls eine Laststrecke aufweist, so wird sie auf dem zugeord neten Kontaktbügel so angeordnet, dass die Laststrecken der weiteren Halbleitereinrichtung in Fortsetzung zu einer der Laststrecken der ersten Halbleitereinrichtung angeordnet ist.

Wird nun ein zweiter Kontaktbügel zwischen dem Lastanschluss auf der obenliegenden Bauteilvorderseite des weiteren Leistungs-Halbleiterbauelements und einem der Anschlusselemente des Substratträgers vorgesehen, so wird der gesamte Laststromkreis etwa einer auf einem gemeinsamen Substratträger vorgesehenen Halb- oder Vollbrücke gegenüber herkömmlichen Montagetechniken deutlich niederohmiger.

Bevorzugt werden auch auf dem ersten oder zweiten Kontaktbügel weitere Halbleitereinrichtungen vorgesehen, die etwa Ansteuer-, Überwachungs-, und/oder Schutzfunktionen aufweisen.

Auf einer Oberseite eines Kontaktbügels, die jeweils einer Bauteilrückseite einer Halbleitereinrichtung zugewandt ist, werden in einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens mehrere weitere Halbleitereinrichtungen vorgesehen.

Bevorzugt werden die Kontaktbügel jeweils durch Löten oder Sintern mit den zugeordneten Kontaktflächen verbunden werden.

Dabei werden in vorteilhafter Weise die Halbleitereinrichtungen, die jeweils einem der Kontaktbügel zugeordnet sind, nacheinander mit dem Kontaktbügel verbunden.

Werden dabei mindestens die Verbindungen zwischen den Kontaktbügeln und den jeweils in einem ersten Verbindungsprozess zu verbindenden Halbleitereinrichtungen jeweils durch isothermes Erstarren einer Schmelze von Vorläuferverbindungen des Materials bzw. des Materials der jeweiligen Verbindungsschichten vorgesehen, so wird ein erneutes Aufschmelzen der ersten Verbindung bei der Durchführung des zweiten Verbindungsprozesses verhindert.

Bevorzugt werden zunächst die mit der Bauteilrückseite mit den Kontaktbügeln zu verbindenden Halbleitereinrichtungen auf den Kontaktbügeln befestigt. Anschließend werden die Verbindungen zwischen den Kontaktbügeln und den mit der Bauteilvorderseite mit den Kontaktbügeln zu verbindenden Halbleitereinrichtungen vorgesehen.

Gehen alle Verbindungen zwischen den Kontaktbügeln und den Halbleitereinrichtungen aus einem isothermen Erstarren einer Schmelze des Materials oder Vorläuferstufen des Materials der jeweiligen Verbindungsschichten hervor, so ist auch eine sukzessive Montage der Halbleitereinrichtungen möglich, ohne dass jeweils bereits ausgeführte Verbindungen wieder aufgeschmolzen werden. Zur Ausbildung der Verbindungen sind etwa TLPS (transient liquid phase sintering) und Diffusionslötverfahren (diffusion soldering) oder der SOLID-Prozess geeignet.

Aus dem erfindungsgemäßen Verfahren gehen vorteilhafte Leistungs-Halbleiterbauelemente und Multichip-Anordnungen hervor.

Ein erfindungsgemäßes Leistungs-Halbleiterbauelement weist mindestens zwei Halbleitereinrichtungen auf, die auf einem gemeinsamen Substratträger angeordnet sind und jeweils mindestens eine obere Kontaktfläche auf einer Bauteilvorderseite und eine untere Kontaktfläche auf einer Bauteilrückseite aufweisen. Die obere Kontaktfläche der ersten, untenliegenden Halbleitereinrichtung ist mit der unteren Kontaktfläche der zweiten, obenliegenden Halbleitereinrichtung elektrisch lei tend verbunden. Erfindungsgemäß weist nun das Leistungs-Halbleiterbauelement mindestens einen elektrisch leitfähigen und in einem ersten Abschnitt den zu verbindenden Kontaktflächen angepasst flächig ausgebildeten Kontaktbügel auf, der zwischen der Bauteilvorderseite der ersten Halbleitereinrichtung und der Bauteilrückseite der zweiten Halbleitereinrichtung angeordnet und mit der ersten oberen Kontaktfläche der ersten Halbleitereinrichtung und der unteren Kontaktfläche der zweiten Halbleitereinrichtung elektrisch leitend verbunden ist, so dass zwei einander gegenüberliegende Oberflächen des Kontaktbügels genutzt sind.

Bevorzugt weist der Kontaktbügel einen zweiten Abschnitt auf und ist im Bereich des zweiten Abschnitts mit einem Anschlusselement des Substratträgers elektrisch leitend verbunden.

Der Kontaktbügel weist eine Querschnittsfläche senkrecht zu einer Stromflussrichtung auf, die wesentlich größer ist als die Querschnittsfläche eines Bonddrahtes. Der Gehäusewiderstand des Leistungs-Halbleiterbauelements ist gegenüber üblichen deutlich verringert. Die Wärmeableitung insbesondere vom obenliegenden Halbleitereinrichtung zum Substratträger ist reduziert.

Bevorzugt ist die erste Halbleitereinrichtung mit der Bauteilrückseite auf dem Substratträger befestigt und elektrisch leitend mit dem Substratträger verbunden. Weitere Halbleitereinrichtungen sind über mindestens einen weiteren Kontaktbügel mit der ersten und/oder der zweiten Halbleitereinrichtung oder miteinander verbunden.

Es ist darüber hinaus möglich, mehrere Halbleitereinrichtungen auf der Oberseite mindestens einer der Kontaktbügel vorzusehen.

Bevorzugt ist der Kontaktbügel aus einem Stück gefertigt und besteht aus einem Metall, wie Kupfer oder Aluminium, oder einer Metalllegierung.

In bevorzugter Weise sind Verbindungsschichten zwischen den Kontaktbügeln und den Halbleitereinrichtungen jeweils durch isothermes Erstarren einer Schmelze eines Materials oder von Vorläuferstufen des Materials der jeweiligen Verbindungsschichten hervorgegangen.

Bevorzugt ist das Leistungs-Halbleiterelement aus einer ersten und einer zweiten Halbleitereinrichtung hervorgegangen die jeweils zwischen der unteren und eine der oberen Kontaktflächen eine Laststrecke aufweisen, wobei diese in der Art einer Halbbrücke in Serie angeordnet sind.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das erfindungsgemäße Leistungs-Halbleiterelement eine erste Halbleitereinrichtung mit einer zweiten Laststrecke zwischen der unteren Kontaktfläche und einer weiteren oberen Kontaktfläche sowie eine dritte Halbleitereinrichtung mit einer Laststrecke zwischen der unteren und einer oberen Kontaktfläche auf, die in der Art einer weiteren Halbbrücke angeordnet sind, so dass dass Leistungs-Halbleiterelement funktional eine Vollbrücke ist.

Bevorzugt ist ferner mindestens eine weitere Halbleitereinrichtung als Steuer-, Schutz- oder Überwachungsschaltkreis ausgebildet.

Die erfindungsgemäße Multichip-Anordnung weist mindestens zwei Halbleitereinrichtungen auf, die einem gemeinsamen Substratträger zugeordnet sind und jeweils mindestens eine obere Kontaktfläche auf einer Bauteilvorderseite und eine untere Kontaktfläche auf einer Bauteilrückseite aufweisen. Dabei ist die obere Kontaktfläche der ersten untenliegenden Halbleitereinrichtung mit der unteren Kontaktfläche der obenliegenden Halbleitereinrichtung mittels eines Kontaktbügels elektrisch leitend verbunden. Der Kontaktbügel ist mindestens in einem ersten Abschnitt den zu verbindenden Kontaktflächen in Abmessungen und Umriss angepasst flächig ausgebildet, zwischen der Bauteilvorderseite der ersten Halbleitereinrichtung und der Bauteilrückseite der zweiten Halbleitereinrichtung angeordnet und mit der ersten oberen Kontaktfläche der ersten Halbleitereinrichtung und der unteren Kontaktfläche der zweiten Halbleitereinrichtung verbunden.

Bevorzugt weist der Kontaktbügel einen zweiten Abschnitt auf und ist im Bereich des zweiten Abschnitts mit mindestens einem Anschlusselement des Substratträgers elektrisch leitend verbunden.

In bevorzugter Weise sind weitere Halbleitereinrichtungen über mindestens einen weiteren Kontaktbügel mit der ersten und/oder der zweiten Halbleitereinrichtung oder miteinander verbunden und damit in hoher Variabilität innerhalb der Multichip-Anordnung konfigurierbar.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Figuren näher erläutert, wobei einander entsprechenden Bauteilen und Komponenten gleiche Bezugszeichen zugeordnet sind. Es zeigen:
1 Eine schematische Darstellung eines als Vollbrücke ausgebildeten Leistungs-Halbleiterbauelements,
2 einen schematischen Querschnitt durch ein herkömmliches Leistungs-Halbleiterbauelement,
3 einen schematischen Querschnitt durch und eine schematische Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes Leistungs-Halbleiterbauelement nach einem ersten Ausführungsbeispiel,
4 einen schematischen Querschnitt durch und eine schematische Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes Leistungs-Halbleiterbauelement nach einem zweiten Ausführungsbeispiel,
5 einen schematischen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Leistungs-Halbleiterbauelement nach einem dritten Ausführungsbeispiel und
6 einen schematischen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Leistungs-Halbleiterbauelement nach einem vierten Ausführungsbeispiel.
Die 1 und 2 wurden bereits eingangs erläutert.
Das in der 3 dargestellte Leistungs-Halbleiterbauelement weist drei Halbleitereinrichtungen 1, 2, 3 auf. In diesem Beispiel sind die drei Halbleitereinrichtungen 1, 2, 3 zu einer Vollbrücke (H-bridge) zur Ansteuerung etwa eines Gleichstrommotors angeordnet. Die erste Halbleitereinrichtung 1 weist zwei Highside-Schaltelemente mit einem gemeinsamen Drainkontakt 11 als untere Kontaktfläche, zwei getrennte Sourcekontakte 121, 122 als erste obere Kontaktflächen und zwei getrennte Gatekontakte 131, 132 als zweite obere Kontaktflächen auf. Die oberen Kontaktflächen 121, 122, 131, 132 können dabei aus der Oberfläche der Halbleitereinrichtung 1 heraustreten oder plan mit dieser abschließen, wie es strichliert dargestellt ist.
Der Drainkontakt 11 ist über eine untere Verbindungsschicht 14 aus einem Sinter- oder Lötmaterial mit dem Substratträger 5 verbunden und damit die erste Halbleitereinrichtung 1 auf dem Substratträger 5 befestigt. Die Gatekontakte 131, 132 sind auf herkömmliche Weise mit Bonddrähten 7 mit jeweils zugeordneten Anschlusselementen 53, 57 des Substratträgers 5 verbunden. Die Sourcekontakte 121, 122 sind jeweils mittels eines Kontaktbügels 61, 63 sowohl mit jeweils zugeordneten Anschlusselementen 51, 55 als auch mit Drainkontakten 21, 31 jeweils zugeordneter zweiter Halbleitereinrichtungen 2, 3 verbunden. Zwischen den Kontaktbügeln 61, 63 und der ersten Halbleitereinrichtung 1 ergeben sich jeweils obere Verbindungsschichten 151, 152 und zwischen den Kontaktbügeln 61, 63 und den zweiten Halbleitereinrichtungen 2, 3 jeweils untere Verbindungsschichten 24, 34. Das Leistungs-Halbleiterbauelement kann ein Bauteilgehäuse aufweisen, das die Halbleitereinrichtungen 1, 2, 3 und den Substratträger 5 mit Anschlusselementen 51, .. mindestens teilweise umhüllt.
Obere Kontaktflächen der zweiten Halbleitereinrichtungen 2, 3 sind jeweils über Bonddrähte 7 mit jeweils zugeordneten Anschlusselementen 52, 53, 56, 57 verbunden.
In diesem Ausführungsbeispiel erfolgt gegenüber dem oben genannten herkömmlichen Leistungs-Halbleiterbauelement mit Bonddrahtverbindungen zu allen oberen Kontaktflächen durch die Kontaktbügel 61, 63 zunächst eine bessere Wärmeableitung insbesondere von den obenliegenden zweiten Halbleitereinrichtungen 2, 3 zum Substratträger 5. Ein ohmsche Widerstand der Verbindung zwischen den Sourcekontakten 121, 122 der ersten Halbleitereinrichtung 1 und den zugeordneten Anschlusselemen ten 51, 55 bzw. zwischen den Drainkontakten 21, 31 der zweiten Halbleitereinrichtungen 2, 3 und den zugeordneten Anschlusselementen 51, 55 ist durch den größeren Querschnitt der Kontaktbügel 61, 63 gegenüber dem eines Bonddrahtes oder einer kleinen Anzahl parallel geführter Bonddrähte reduziert. Darüber hinaus sind die Abmessungen der obenliegenden zweiten Halbleitereinrichtungen 2, 3 von denen der untenliegende ersten Halbleitereinrichtung 1 entkoppelt. Eine Anpassung der Abmessungen erfolgt in einfacher Weise über die Wahl der Abmessungen der Kontaktbügel 61, 63.
Wie auch in den folgenden Ausführungsbeispielen, lassen sich aus dem Ausführungsbeispiel der 3 auch als Halbbrücken ausgebildete Leistungs-Halbleiterbauelemente ableiten, wie es jeweils durch die strichpunktierte Hilfslinie angedeutet wird.
Das in der 4 dargestellte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem vorangegangenen dadurch, dass auch die Sourcekontakte 22, 32 der zweiten Halbleitereinrichtungen 2, 3 mittels eines (strichliert) oder zweier Kontaktbügel 62, 64 zu den korrespondierenden Anschlusselementen 54, 58 geführt werden. Auf diese Weise wird der ohmsche Widerstand im Lastkreis der Voll- oder Halbbrücke weiter verringert und die Wärmeableitung von den zweiten Halbleitereinrichtungen 2, 3 weiter verbessert.
Auf den weiteren Kontaktbügeln 62, 64 der vorangegangen 4 lassen sich weitere Halbleitereinrichtungen 4 anordnen, wie es in der 5 dargestellt ist. Durch den guten Wärmeübergang etwa zu den zweiten Halbleitereinrichtungen 2, 3 lassen sich als weitere Halbleitereinrichtungen 4 funktional Temperaturüberwachungs- und Schutzfunktionen gut implementieren. Im gezeigten Ausführungsbeispiel beinhaltet die weitere Halb leitereinrichtung 4 auch eine Ansteuerschaltung für die Gatekontakte 131, 132, 23, 33 der Voll- bzw. Halbbrücke und weist über Bonddrähte 7 zu den Anschlusselementen 51, .. bzw. zu den Gatekontakten 131, 132, 23, 33 der Halbleitereinrichtungen 1, 2, 3 geführte Anschlüsse 42 auf.
Im in der 6 dargestellten Ausführungsbeispiel wird auch die weitere Halbleitereinrichtung 4 mit einem zusätzlichen, aufliegenden Kontaktbügel 65 mit dem Substratträger 5 oder mit einem der Anschlusselemente verbunden. Dabei muss die untere Verbindungsschicht 44 der weiteren Halbleitereinrichtung 4 nicht zwingend eine elektrische Verbindung der weiteren Halbleitereinrichtung 4 sein, sondern kann auch ausschließlich zum Zweck der Montage bzw. der Wärmeableitung vorgesehen sein.
Neben den gezeigten Ausführungsbeispielen ist das erfindungsgemäße Verfahren allgemein dann für Multichip-Anordnungen vorteilhaft, wenn die Abmessungen der in der Multichip-Anordnung montierten Halbleitereinrichtungen für herkömmliche Montagetechniken inkompatibel sind oder wenn eine Verringerung des Gehäusewiderstands unmittelbar oder mittelbar, etwa über die Verkleinerung von Zeitkonstanten, zur Reduzierung ohmscher Verlustleistung angestrebt wird.

1: erstes Halbleitereinrichtung
11: untere Kontaktfläche (Drainkontakt)
121, 122: erste obere Kontaktfläche (Sourcekontakt)

131, 132: zweite obere Kontaktfläche (Gatekontakt)
14: untere Verbindungsschicht
151, 152: obere Verbindungsschicht
2: zweite Halbleitereinrichtung
21: untere Kontaktfläche (Drainkontakt)
22: erste obere Kontaktfläche (Sourcekontakt)
23: zweite obere Kontaktfläche (Gatekontakt)
24: untere Verbindungsschicht
25: obere Verbindungsschicht
3: Halbleitereinrichtung
31: untere Kontaktfläche (Drainkontakt)
32: erste obere Kontaktfläche (Sourcekontakt)
33: zweite obere Kontaktfläche (Gatekontakt)
34: untere Verbindungsschicht
35: obere Verbindungsschicht
4: Halbleitereinrichtung
41: untere Kontaktfläche
42: obere Kontaktfläche
44: untere Verbindungsschicht
45: obere Verbindungsschicht
5: Substratträger
50: Bauteilgehäuse
51, 52: Anschlusselement
53, 54: Anschlusselement
55, 56: Anschlusselement
57, 58: Anschlusselement
61, 62: Kontaktbügel
63, 64: Kontaktbügel
7: Bonddraht
M: Gleichstrommotor

Claims

Verfahren zur elektrischen Verbindung von mindestens zwei auf einem gemeinsamen Substratträger (5) mit elektrischen Anschlusselementen (51, ..) vorzusehenden Halbleitereinrichtungen (1, 2, ..), wobei mindestens eine erste obere Kontaktfläche (121) auf einer Bauteilvorderseite einer ersten Halbleitereinrichtung (1) mit einer korrespondierenden unteren Kontaktfläche (21) auf einer Bauteilrückseite einer zweiten Halbleitereinrichtung (2) verbunden wird (61), dadurch gekennzeichnet, dass ein elektrisch leitfähiger, mindestens in einem ersten Abschnitt den zu verbindenden Kontaktflächen (121, 21) angepasst flächig ausgebildeter Kontaktbügel (61) zwischen der Bauteilvorderseite der ersten Halbleitereinrichtung (1) und der Bauteilrückseite der zweiten Halbleitereinrichtung (2) angeordnet und der Kontaktbügel (61) im Bereich des ersten Abschnitts mit der ersten oberen Kontaktfläche (121) der ersten Halbleitereinrichtung (1) und der unteren Kontaktfläche (21) der zweiten Halbleitereinrichtung (2) verbunden wird, so dass zwei einander gegenüberliegende Oberflächen des Kontaktbügels (61) genutzt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontaktbügel (61) mit einem zweiten Abschnitt vorgesehen wird und im Bereich des zweiten Abschnitts mit mindestens einem der Anschlusselemente (51) des Substratträgers (5) elektrisch leitend verbunden wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontaktbügel (61) mit einer senkrecht zu einer Stromflussrichtung orientierten Querschnittsfläche vorgesehen wird, die wesentlich größer ist als die Querschnittsfläche eines Bonddrahtes.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontaktbügel (61) im Wesentlichen vollständig über die gesamte Ausdehnung mindestens einer der zugeordneten Kontaktflächen mit dieser verbunden wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als erste Halbleitereinrichtung (1) ein erstes Leistungs-Halbleiterbauelement mit mindestens einer jeweils zwischen der unteren (11) und einer der oberen Kontaktflächen (121, 122) ausgebildeten Laststrecke vorgesehen und die untere Kontaktfläche (11) mit dem Substratträger (5) elektrisch leitend verbunden wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass als mindestens eine zweite Halbleitereinrichtung (2, 3) ein zweites Leistungs-Halbleiterbauelement mit mindestens einer zwischen der unteren (21, 31) und einer der oberen Kontaktflächen (22, 32) ausgebildeten Laststrecke vorgesehen und so auf dem jeweils zugeordneten Kontaktbügel (61, 62) angeordnet wird, dass die Laststrecke der zweiten Leistungs-Halbleiterbauelemente (2, 3) in Fortsetzung zu einer der Laststrecken des ersten Leistungs-Halbleiterbauelements (1) angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass weitere Halbleitereinrichtungen (4) jeweils über mindestens einen weiteren Kontaktbügel (63, 64) mit der ersten (1), eine der zweiten Halbleitereinrichtungen (2, 3) oder miteinander verbunden werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer jeweils einer Bauteilrückseite einer der Halbleitereinrichtung (1, 2, ..) zugewandten Oberseite eines der Kontaktbügel (61, ..) mehrere zweite oder weitere Halbleitereinrichtungen (2, 3, 4) vorgesehen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktbügel (61, .. ) jeweils durch Löten oder Sintern mit den zugeordneten Kontaktflächen verbunden werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweils einem der Kontaktbügel (61, ..) zugeordneten Halbleitereinrichtungen (1, ..) nacheinander mit dem Kontaktbügel (61, ..) verbunden werden.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils mindestens eine erste ausgeführte Verbindung zwischen einem der Kontaktbügel (61, ..) und einer der Halbleitereinrichtungen (1, 2, 3) durch isothermes Erstarren einer Schmelze eines Materials jeweiliger Verbindungsschichten (24) zwischen der Halbleitereinrichtung (1, 2, 3) und dem Kontaktbügel (61) vorgesehen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zunächst die mit der Bauteilrückseite mit einem Kontaktbügel (61) zu verbindende obenliegende Halbleiterein richtung (2) auf dem Kontaktbügel (61) befestigt wird und im Weiteren die Verbindung zwischen dem Kontaktbügel (61) und der mit der Bauteilvorderseite mit dem Kontaktbügel (61) zu verbindenden untenliegenden Halbleitereinrichtung (1) vorgesehen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass alle Verbindungen zwischen den Kontaktbügeln (61, ..) und den Halbleitereinrichtungen (1, ..) aus einem isothermen Erstarren der Schmelze des Materials der jeweiligen Verbindungsschichten (151, 152, 24, 25, ..) hervorgehen.
Leistungs-Halbleiterbauelement ( ) mit mindestens zwei einem gemeinsamen Substratträger (5) zugeordneten, jeweils mindestens eine obere Kontaktfläche (121, 122, 22, ..) auf einer Bauteilvorderseite und eine untere Kontaktfläche (11, 21, ..) auf einer Bauteilrückseite aufweisenden Halbleitereinrichtungen (1, 2), wobei die obere Kontaktfläche (121) der ersten untenliegenden Halbleitereinrichtung (1) mit der unteren Kontaktfläche (21) der obenliegenden Halbleitereinrichtung (2) elektrisch leitend verbunden ist, gekennzeichnet durch mindestens einen elektrisch leitfähigen, in einem ersten Abschnitt den zu verbindenden Kontaktflächen (121, 21) angepasst flächig ausgebildeten, zwischen der Bauteilvorderseite der ersten Halbleitereinrichtung (1) und der Bauteilrückseite der zweiten Halbleitereinrichtung (2) angeordneten und mit der ersten oberen Kontaktfläche (121) der ersten Halbleitereinrichtung (1) und der unteren Kontaktfläche (21) der zweiten Halbleitereinrichtung (2) verbundenen Kontaktbügel (61), dessen zwei einander gegenüberliegende Oberflächen genutzt werden.
Leistungs-Halbleiterbauelement nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontaktbügel (61) einen zweiten Abschnitt aufweist und im Bereich des zweiten Abschnitts mit einem Anschlusselement (51) des Substratträgers (5) elektrisch leitend verbunden ist.
Leistungs-Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontaktbügel (61) eine Querschnittsfläche senkrecht zu einer Stromflussrichtung aufweist, die wesentlich größer ist als die Querschnittsfläche eines Bonddrahtes.
Leistungs-Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontaktbügel (61) im Wesentlichen vollständig über die gesamte Ausdehnung mindestens einer der zugeordneten Kontaktflächen mit dieser verbunden ist.
Leistungs-Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Halbleitereinrichtung (1) mit der Bauteilrückseite mit dem Substratträger (5) befestigt und elektrisch leitend verbunden ist.
Leistungs-Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass weitere Halbleitereinrichtungen (3, 4) über mindestens einen weiteren Kontaktbügel (62, 63) mit der ersten (r) und/oder der zweiten (2) Halbleitereinrichtung oder miteinander verbunden werden.
Leistungs-Halbleiterbauelement nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Oberseite mindestens einer der Kontaktbügel (61, ..) mehrere Halbleitereinrichtungen (2, ..) vorgesehen sind.
Leistungs-Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 14 bis 20, gekennzeichnet durch jeweils aus einem Stück gefertigte Kontaktbügel (61, ..) aus einem Metall oder einer Metalllegierung.
Leistungs-Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 14 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungen zwischen den Kontaktbügeln (61, ..) und den Halbleitereinrichtungen (1, 2, ..) jeweils durch isothermes Erstarren aus einer Schmelze eines Materials jeweiliger Verbindungsschichten zwischen den Kontaktflächen der Halbleitereinrichtungen (1, ..) und den Kontaktbügeln (61, ..) hervorgegangen sind.
Leistungs-Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 14 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die die erste (1) und die zweite (2) Halbleitereinrichtung (1) jeweils zwischen der unteren (11, 21) und eine der oberen (121, 22) Kontaktflächen eine Laststrecke aufweisen und die Laststrecken in der Art einer Halbbrücke in Serie angeordnet sind.
Leistungs-Halbleiterbauelement nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die erste (1) Halbleitereinrichtung (1) eine zweite Laststrecke zwischen der unteren (11) und einer weiteren oberen (122) Kontaktfläche aufweist und eine dritte Halbleitereinrichtung (3) mit einer Laststrecke zwischen der unteren (31) und einer oberen (32) Kontaktfläche in der Art einer weiteren Halbbrücke in Serie zur zweiten Laststrecke der ersten Halbleitereinrichtung (1) angeordnet ist.
Leistungs-Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 23 bis 24, gekennzeichnet durch mindestens eine weitere Halbleitereinrichtung (4), die als Steuer-, Schutz- oder Überwachungsschaltkreis ausgebildet ist.
Multichip-Anordnung mit mindestens zwei einem gemeinsamen Substratträger (5) zugeordneten, jeweils mindestens eine obere Kontaktfläche (121, 122, 22, ..) auf einer Bauteilvorderseite und eine untere Kontaktfläche (11, 21, ..) auf einer Bauteilrückseite aufweisenden Halbleitereinrichtungen (1, 2), wobei die obere Kontaktfläche (121) der ersten untenliegenden Halbleitereinrichtung (1) mit der unteren Kontaktfläche (21) der obenliegenden Halbleitereinrichtung (2) elektrisch leitend verbunden ist, gekennzeichnet durch mindestens einen elektrisch leitfähigen, in einem ersten Abschnitt den zu verbindenden Kontaktflächen (121, 21) angepasst flächig ausgebildeten, zwischen der Bauteilvorderseite der ersten Halbleitereinrichtung (1) und der Bauteilrückseite der zweiten Halbleitereinrichtung (2) angeordneten und mit der ersten oberen Kontaktfläche (121) der ersten Halbleitereinrichtung (1) und der unteren Kontaktfläche (21) der zweiten Halbleitereinrichtung (2) verbundenen Kontaktbügel (61).
Multichip-Anordnung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontaktbügel (61) einen zweiten Abschnitt aufweist und im Bereich des zweiten Abschnitts mit einem Anschlusselement (51) des Substratträgers (5) elektrisch leitend verbunden ist.
Multichip-Anordnung nach einem der Ansprüche 26 oder 27, dadurch gekennzeichnet, dass weitere Halbleitereinrichtungen (3, 4) über mindestens einen weiteren Kontaktbügel (62, 63) mit der ersten (1) und/oder der zweiten (2) Halbleitereinrichtung oder miteinander verbunden sind.