DE10308928A1 - Direkt auf ungehäusten Bauelementen erzeugte freitragende Kontaktierstrukturen - Google Patents
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Abstract
Direkt auf einem ungehäusten Bauelement wird eine freitragende Kontaktierstruktur erzeugt, indem eine Schicht aus isolierendem Material und eine Schicht aus elektrisch leitendem Material auf das Bauelement sowie einen Träger aufgebracht und vom Träger wieder abgelöst werden.
Description
- Um von Anschlusspads ungehäuster, elektronischer Bauelemente auf größere, lötbare Kontaktelemente zu kommen, ist es bekannt, einen Leadframe zu benutzen. Das zu kontaktierende Bauelement wird dabei auf einen meist metallischen, gestanzten Kontaktierungsträger, den sogenannten Leadframe, aufgesetzt und die Anschlusspads des Bauelements werden mit den einzelnen Leads des Kontaktierungsträgers durch Drahtbonden elektrisch verbunden.
- Eine weitere Methode zur Kontaktierung von ungehäusten Bauelementen ist der Einsatz der so genannten Tape-Automated-Bonding (TAB)-Technik. Hierbei werden flexible Strukturen mit engen, lötfähigen Innenkontakten und weiten, lötfähigen Außenkontakten hergestellt, die so genannten Spider. Die Anschlusspads des zu kontaktierenden Bauelements werden mit den Innenkontakten verbunden. Die Außenkontakte dienen zur Kontaktierung mit dem Schaltungsträger.
- Davon ausgehend liegt die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine alternative und kostengünstigere Möglichkeit zur Kontaktierung von ungehäusten Bauelementen anzugeben, die insbesondere auch für Leistungsbauelemente geeignet ist.
- Diese Aufgabe wird durch die in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Erfindungen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
- Die Erfindung geht von dem Gedanken aus, eine freitragende, planare Leiter- und/oder Isolatorstruktur zunächst auf einem Träger zu schaffen und sie danach davon abzulösen.
- Dementsprechend wird bei einem Verfahren zum Herstellen eines Bauelements mit einer Kontaktierstruktur eine Schicht aus elektrisch isolierendem Material auf dem Bauelement und einen am und/oder bei dem Bauelement angeordneten Träger aufgebracht. Dabei muss insbesondere der Träger nicht ganzflächig von der Schicht aus elektrisch isolierendem Material bedeckt werden. Eine elektrische Kontaktfläche des Bauelements bleibt beim Aufbringen der Schicht aus elektrisch isolierendem Material frei und/oder wird nach dem Aufbringen der Schicht aus elektrisch isolierendem Material freigelegt. Danach wird in einem weiteren Schritt eine Schicht aus elektrisch leitendem Material auf der Schicht aus elektrisch isolierendem Material und der elektrischen Kontaktfläche des Bauelements aufgebracht. Schließlich wird die Schicht aus elektrisch isolierendem Material vom Träger abgelöst.
- Selbstverständlich liegt es auch im Rahmen der Erfindung bei mehrere Bauelementen mit Kontaktflächen, bei Modulen mit mehreren Bauelementen und/oder bei Bauelementen mit mehreren Kontaktflächen entsprechend vorzugehen.
- Die Schicht aus elektrisch leitendem Material kann zusätzlich auch auf einen Bereich des Trägers aufgebracht werden, der nicht von der Schicht aus elektrisch isolierendem Material bedeckt ist. Dann wird schließlich neben der Schicht aus elektrisch isolierendem Material auch die Schicht aus elektrisch leitendem Material vom Träger abgelöst.
- Alternativ oder ergänzend wird bei einem Verfahren zum Herstellen eines Bauelements mit einer Kontaktierstruktur eine Schicht aus elektrisch isolierendem Material auf dem Bauelement aufgebracht. Eine elektrische Kontaktfläche des Bauelements bleibt beim Aufbringen der Schicht aus elektrisch isolierendem Material frei und/oder wird nach dem Aufbringen der Schicht aus elektrisch isolierendem Material freigelegt. In einem weiteren Schritt wird eine Schicht aus elektrisch leitendem Material auf der Schicht aus elektrisch isolierendem Material, der elektrischen Kontaktfläche des Bauelements und einem am und/oder bei dem Bauelement angeordneten Träger aufgebracht. Dabei muss insbesondere der Träger nicht ganzflächig von der Schicht aus elektrisch leitendem Material bedeckt werden. Schließlich wird die Schicht aus elektrisch isolierendem Material vom Träger abgelöst.
- Durch die Schicht aus isolierendem Material und die Schicht aus elektrisch leitendem Material wird eine planare, freitragende Kontaktierstruktur in Form einer Leiter-/Isolatorstruktur an dem Bauelement gebildet.
- Zur Passivierung zum Schutz und gegen Umwelteinflüsse können das Bauelement und die Schichten danach zumindest teilweise gehäust und/oder durch eine Abdeckung abgedeckt werden. Beispielsweise werden dazu das Bauelement, die Schicht aus elektrisch isolierendem Material und/oder die Schicht aus elektrisch leitendem Material, insbesondere miteinander, vergossen. Dies kann zum Beispiel in Form einer Tropfenpassivierung (Globtop) oder eines Rahmenvergusses (Silgel) erfolgen. Statt Globtop oder Overmold ist aber auch ein Auf laminieren einer weiteren Folie denkbar. Alternativ oder ergänzend zu einer Kunststoffabdeckung in Form einer Kunststofffolie oder eines Globtops kann auch eine Nickel/Gold-Schutzschicht verwendet werden.
- Vorzugsweise weist der Träger zumindest teilweise eine geringe Oberflächenhaftung auf. Insbesondere ist er teflonbeschichtet und/oder aus Teflon.
- Der Träger kann auch eine Halterung für das Bauelement und/oder einen Auswerfer zum Ablösen der Schicht aus elektrisch leitendem und/oder der Schicht aus elektrisch isolierendem Material aufweisen.
- Durch das Freilegen der Kontaktfläche des Bauelementes wird vorzugsweise in der Schicht aus elektrisch isolierendem Material ein Fenster mit mehr als 60% der Größe der Seite und/oder Fläche des Bauelementes geöffnet, an der das Fenster geöffnet wird, insbesondere mehr als 80%. Somit ist das Verfahren für Leistungsbauelemente besonders geeignet, für die bei Kontaktierung mit einem flachen Leiter ein Kontaktfenster und eine Kontaktfläche entsprechender Größe bereitgestellt wird. Das Fenster wird insbesondere an der größten und/oder an der vom Träger abgewandten Seite des Bauelements geöffnet und hat vorzugsweise eine absolute Größe von mehr als 50 mm2, insbesondere mehr als 70 mm2 oder sogar mehr als 100 mm2.
- Alternativ oder ergänzend zum Freilegen der Kontaktfläche des Bauelements kann die Schicht aus elektrisch isolierendem Material auch gleich so aufgebracht werden, dass die Kontaktfläche des Bauelements zumindest teilweise frei bleibt, indem ein Fenster mit mehr als 60% der Größe der Seite und/oder Fläche des Bauelementes geöffnet ist, an der das Fenster geöffnet ist, insbesondere mehr als 80%.
- Um eine saubere Abdeckung der Kanten des Bauelements zu gewährleisten, sollte die Größe des Fensters andererseits nicht mehr als 99,9% der Größe der Seite und/oder Fläche des Bauelementes betragen, an der das Fenster geöffnet wird, insbesondere nicht mehr als 99% und weiter bevorzugt nicht mehr als 95%.
- Dadurch dass das Bauelement auf und/oder bei dem Träger angeordnet ist, bilden Träger und Bauelement eine Oberflächenkontur. Die Schicht aus elektrisch isolierendem Material wird insbesondere so auf dem Träger und dem Bauelement aufgebracht, dass die Schicht aus elektrisch isolierendem Material der aus Träger und Bauelement gebildeten Oberflächenkontur folgt, d.h., dass die Schicht aus elektrisch isolierendem Material entsprechend der aus Träger und Bauelement gebildeten Oberflächenkontur auf der Oberflächenkontur verläuft. Werden dagegen gemäß dem Stand der Technik Logikchips in einem Polymer eingebettet, so folgt nur die Unterseite der Polymerschicht der Oberflächenkontur, nicht aber die Polymerschicht selbst.
- Dadurch dass die Schicht aus elektrisch isolierendem Material der aus Träger und Bauelement gebildeten Oberflächenkontur folgt, ergeben sich, insbesondere wenn ein Leistungsbauelement als Bauelement verwendet wird, gleich zwei Vorteile. Zum einen ist eine noch ausreichende Dicke der Schicht aus elektrisch isolierendem Material über den dem Träger abgewandten Kanten des Bauelementes gewährleistet, so dass ein Durchschlag bei hohen Spannungen bzw. Feldstärken verhindert wird. Zum anderen ist die Schicht aus elektrisch isolierendem Material neben dem in der Regel sehr hohen Leistungsbauelement nicht so dick, dass ein später eventuell erforderliches Freilegen und Kontaktieren von Kontaktflächen auf Leiterbahnen eines Substrats, auf dem das Bauelement später angeordnet werden soll, problematisch wäre.
- Die Dicke der Schicht aus elektrisch isolierendem Material über dem Träger weicht in ihrem geradlinig verlaufenden Bereich um weniger als 50% von ihrer Dicke über dem Bauelement in ihrem dort geradlinig verlaufenden Bereich ab, insbesondere um weniger als 20%. Vorzugsweise sind die Dicken in etwa gleich, weichen also um weniger als 5% oder sogar weniger als 1% voneinander ab. Die Prozentangaben beziehen sich insbesondere auf die Dicke der Schicht über dem Bauelement in deren geradlinig verlaufenden Bereich, die dementsprechend die 100 angibt. Auf den geradlinig verlaufenden Bereich wird abgestellt, da die Schicht in Innenkanten von Träger und Bauelement in der Regel dicker, über den dem Träger abgewandten Kanten des Bauelements in der Regel dünner verläuft.
- Die Schicht aus elektrisch isolierendem Material ist insbesondere aus Kunststoff. Je nach Weiterverarbeitung kann sie fotoempfindlich oder nicht fotoempfindlich sein.
- Sie wird vorzugsweise mit einer oder mehreren der folgenden Vorgehensweisen aufgebracht: Vorhanggießen, Tauchen, insbesondere einseitiges Tauchen, Sprühen, insbesondere elektrostatisches Sprühen, Drucken, insbesondere Siebdrucken, Overmolden, Dispensen, Spincoaten, Auflaminieren einer Folie.
- Zuweilen ist es vorteilhaft, wenn die Schicht aus elektrisch isolierendem Material keine Folie ist. Wird als Schicht aus elektrisch isolierendem Material dagegen eine Folie verwendet, so erfolgt das Auflaminieren vorteilhaft in einer Vakuumpresse. Dazu sind Vakuumtiefziehen, hydraulisches Vakuumpressen, Vakuumgasdruckpressen oder ähnliche Laminierverfahren denkbar. Der Druck wird vorteilhafterweise isostatisch aufgebracht. Das Auflaminieren erfolgt beispielsweise bei Temperaturen von 100°C bis 250°C und einem Druck von 1 bar bis 10 bar. Die genauen Prozessparameter des Auflaminierens, also Druck, Temperatur, Zeit etc., hängen unter anderem von der Topologie des Bauelements und des Trägers, des Kunststoffmaterials der Folie und der Dicke der Folie ab.
- Die Folie kann aus beliebigen Thermoplasten, Duroplasten und Mischungen davon bestehen. Als Folie wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorzugs- und vorteilhafterweise eine Folie aus einem Kunststoffmaterial auf Polyimid (PI)-, Polyethylen (PE)-, Polyphenol-, Polyetheretherketon (PEEK)- und/oder Epoxidbasis verwendet. Die Folie kann dabei zur Verbesserung der Haftung auf der Oberfläche eine Klebebeschichtung aufweisen. Ebenso kann die Substratoberfläche mit einem Haftvermittler, vorzugsweise Silanverbindungen, beschichtet sein.
- Nach dem Auflaminieren wird insbesondere ein Temperschritt durchgeführt. Durch die Temperaturbehandlung und Vernetzung werden Haftung, thermische, physikalische und mechanische Eigenschaften der Folie auf der Oberfläche verbessert.
- Zum Aufbringen der Schicht aus elektrisch leitendem Material, also zum flächigen Kontaktieren, wird vorteilhaft ein physikalisches oder chemisches Abscheiden des elektrisch leitenden Materials durchgeführt. Derartige physikalische Verfahren sind Sputtern und Bedampfen (Physical Vapor Deposition, PVD). Das chemische Abscheiden kann aus gasförmiger Phase (Chemical Vapor Deposition, CVD) und/oder flüssiger Phase (Liquid Phase Chemical Vapor Deposition) erfolgen. Denkbar ist auch, dass zunächst durch eines dieser Verfahren eine dünne elektrisch leitende Teilschicht beispielsweise aus Titan/Kupfer aufgetragen wird, auf der dann eine dickere elektrisch leitende Teilschicht beispielsweise aus Kupfer galvanisch abgeschieden wird.
- Die Schicht aus elektrisch isolierendem Material ist dabei so gestaltet, dass ein Höhenunterschied von bis zu 1000 μm überwunden werden kann. Der Höhenunterschied ist unter anderem durch die Topologie des Trägers und der auf und/oder bei dem Träger angeordneten Halbleiterchips verursacht.
- Die Dicke der Schicht aus elektrisch isolierendem Material kann 10 μm bis 500 μm betragen. Vorzugsweise wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Schicht aus elektrisch isolierendem Material mit einer Dicke von 25 bis 150 μm aufgebracht.
- In einer weiteren Ausgestaltung wird das Aufbringen so oft wiederholt, bis eine bestimmte Dicke der Schicht aus elektrisch isolierendem Material erreicht ist. Beispielsweise werden Teilschichten aus elektrisch isolierendem Material geringerer Dicke zu einer Schicht aus elektrisch isolierendem Material höherer Dicke verarbeitet. Diese Teilschichten aus elektrisch isolierendem Material bestehen vorteilhaft aus einer Art Kunststoffmaterial. Denkbar ist dabei auch, dass die Teilschichten aus elektrisch isolierendem Material aus mehreren unterschiedlichen Kunststoffmaterialen bestehen. Es resultiert eine aus Teilschichten aufgebaute Schicht aus elektrisch isolierendem Material.
- Die elektrische Kontaktfläche des Bauelements kann beim Aufbringen der Schicht aus elektrisch isolierendem Material freigelassen und/oder später freigelegt werden. Das vollständige oder partielle Freilassen schon beim Aufbringen lässt sich besonders vorteilhaft verwirklichen, wenn die Schicht aus elektrisch isolierendem Material in Form einer Folie aufgebracht wird. Dann lässt sich nämlich von vornherein eine Folie mit einer oder mehreren entsprechenden Öffnungen bzw. Fenstern verwenden, die sich beispielsweise zuvor durch kostengünstiges Ausstanzen oder Ausschneiden schaffen lassen.
- In einer besonderen Ausgestaltung wird zum Freilegen der elektrischen Kontaktfläche des Bauelements ein Fenster in der Schicht aus elektrisch isolierendem Material durch Laserablation geöffnet. Eine Wellenlänge eines dazu verwendeten Lasers beträgt zwischen 0,1 μm und 11 μm. Die Leistung des Lasers beträgt zwischen 1 W und 100 W. Vorzugsweise wird ein CO2-Laser mit einer Wellenlänge von 9,24 μm verwendet. Das Öffnen der Fenster erfolgt dabei ohne eine Beschädigung eines eventuell unter der Schicht aus elektrisch isolierendem Material liegenden Chipkontakts aus Aluminium, Gold oder Kupfer.
- In einer weiteren Ausgestaltung wird eine fotoempfindliche Schicht aus elektrisch isolierendem Material verwendet und zum Freilegen der elektrischen Kontaktfläche des Bauelements ein Fenster durch einen fotolithographischen Prozess geöffnet. Der fotolithographische Prozess umfasst ein Belichten der fotoempfindlichen Schicht aus elektrisch isolierendem Material und ein Entwickeln und damit Entfernen der belichteten oder nicht-belichteten Stellen der Schicht aus elektrisch isolierendem Material.
- Nach dem Öffnen der Fenster erfolgt gegebenenfalls ein Reinigungsschritt, bei dem Reste der Schicht aus elektrisch isolierendem Material entfernt werden. Der Reinigungsschritt erfolgt beispielsweise nasschemisch. Denkbar ist insbesondere auch ein Plasmareinigungsverfahren.
- In einer weiteren Ausgestaltung wird eine Schicht aus mehreren übereinander angeordneten Teilschichten aus unterschiedlichem, elektrisch leitendem Material verwendet. Es werden beispielsweise verschiedene Metalllagen übereinander aufgetragen. Die Anzahl der Teilschichten beziehungsweise Metalllagen beträgt insbesondere 2 bis 5. Durch die aus mehreren Teilschichten aufgebaute elektrisch leitende Schicht kann beispielsweise eine als Diffusionsbarriere fungierende Teilschicht integriert sein. Eine derartige Teilschicht besteht beispielsweise aus einer Titan-Wolfram-Legierung (TiW). Vorteilhafterweise wird bei einem mehrschichtigen Aufbau direkt auf der zu kontaktierenden Oberfläche eine die Haftung vermittelnde oder verbessernde Teilschicht aufgebracht. Eine derartige Teilschicht besteht beispielsweise aus Titan.
- In einer besonderen Ausgestaltung wird nach dem flächigen Kontaktieren in und/oder auf der Schicht aus dem elektrisch leitenden Material mindestens eine Leiterbahn erzeugt. Die Leiterbahn kann auf der Schicht aufgetragen werden.
- Insbesondere wird zum Erzeugen der Leiterbahn ein Strukturieren der Schicht durchgeführt. Dies bedeutet, dass die Leiterbahn in dieser Schicht erzeugt wird. Die Leiterbahn dient beispielsweise der elektrischen Kontaktierung eines Halbleiterchips.
- Das Strukturieren erfolgt üblicherweise in einem fotolithographischen Prozess. Dazu kann auf der elektrisch leitenden Schicht ein Fotolack aufgetragen, getrocknet und anschließend belichtet und entwickelt werden. Unter Umständen folgt ein Temperschritt, um den aufgetragenen Fotolack gegenüber nachfolgenden Behandlungsprozessen zu stabilisieren. Als Fotolack kommen herkömmliche positive und negative Resists (Beschichtungsmaterialien) in Frage. Das Auftragen des Fotolacks erfolgt beispielsweise durch einen Sprüh- oder Tauchprozess. Electro-Deposition (elektrostatisches oder elektrophoretisches Abscheiden) ist ebenfalls denkbar.
- Statt eines Fotolacks kann auch ein anderes strukturierbares Material mit einer oder mehreren der folgenden Vorgehensweisen aufgebracht werden: Vorhanggießen, Tauchen, insbesondere einseitiges Tauchen, Sprühen, insbesondere elektrostatisches Sprühen, Drucken, insbesondere Siebdrucken, Overmolden, Dispensen, Spincoaten, Auf laminieren einer Folie.
- Zum Strukturieren können auch fotoempfindliche Folien eingesetzt werden, die auflaminiert und vergleichbar mit der aufgetragenen Fotolackschicht belichtet und entwickelt werden.
- Zum Erzeugen der Leiterbahn kann beispielsweise wie folgt vorgegangen werden: In einem ersten Teilschritt wird die elektrisch leitende Schicht strukturiert und in einem darauf folgenden Teilschritt wird auf der erzeugten Leiterbahn eine weitere Metallisierung aufgebracht. Durch die weitere Metallisierung wird die Leiterbahn verstärkt. Beispielsweise wird auf der durch Strukturieren erzeugten Leiterbahn Kupfer galvanisch in einer Dicke von 1 μm bis 400 μm abgeschieden. Danach wird die Fotolackschicht beziehungsweise die auflaminierte Folie oder das alternativ verwendete strukturierbare Material abgelöst. Dies gelingt beispielsweise mit einem organischen Lösungsmittel, einem alkalischen Entwickler oder dergleichen. Durch nachfolgendes Differenzätzen wird die flächige, nicht mit der Metallisierung verstärkte, metallisch leitende Schicht wieder entfernt. Die verstärkte Leiterbahn bleibt erhalten.
- In einer besonderen Ausgestaltung werden zum Herstellen einer mehrlagigen Vorrichtung die Schritte Auf laminieren, Freilegen, Kontaktieren und Erzeugen der Leiterbahn mehrmals durchgeführt.
- Durch die Erfindung ist vorteilhafterweise eine neuartige Technologie zur elektrischen Kontaktierung und Verdrahtung von Anschlusspads bzw. -kontaktflächen, die auf Halbleiterchips, insbesondere auf Leistungshalbleiterchips angeordnet sind, bereitgestellt. Zusätzlich ergibt bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die flächige Anbindung und die besondere Isolierung eine niederinduktive Verbindung, um schnelles und verlustarmes Schalten zu ermöglichen.
- Durch das Aufbringen der Schicht aus elektrisch isolierendem Material wird eine elektrische Isolationsschicht hergestellt. Die Herstellung der Isolationsschicht durch das erfindungsgemäße Aufbringen der Schicht aus elektrisch isolierendem Material bietet folgende Vorteile:
- – Anwendung bei hohen Temperaturen. Eine Schicht aus elektrisch isolierendem Material ist bei geeigneter Materialwahl hitzebeständig bis zu 300°C.
- – Geringe Prozesskosten.
- – Es sind hohe Isolationsfeldstärken durch Verwendung dicker Isolationslagen möglich.
- – Hoher Durchsatz, z.B. können kann im Nutzen prozessiert werden.
- – Homogene Isolationseigenschaften, da Lufteinschlüsse durch die Verarbeitung der Schicht aus elektrisch isolierendem Material im Vakuum verhindert werden.
- – Die gesamte Chipkontaktfläche kann genützt werden, so dass hohe Ströme abgeleitet werden können.
- – Durch die flächige Kontaktierung können die Chips homogen angesteuert werden.
- – Die Induktivität des Kontaktes bei einer Kontaktfläche ist durch die flächenhafte Geometrie kleiner als beim Dickdrahtbonden.
- – Die Kontaktierung führt zu hoher Zuverlässigkeit bei Vibrations- und mechanischer Schockbelastung.
- – Höhere Lastwechselfestigkeit im Vergleich zu konkurrierenden Methoden wegen geringer thermomechanischer Spannungen.
- – Es sind mehrere Verdrahtungsebenen zugänglich.
- – Die beschriebene, planare Verbindungstechnik beansprucht eine geringe Bauhöhe. Es resultiert ein kompakter Aufbau.
- – Bei mehrlagigen Verbindungsebenen sind großflächige Metallisierungslagen zur Abschirmung realisierbar. Dies wirkt sich insbesondere auf das EMV (Elektromagnetische Verträglichkeit)-Verhalten der Schaltung (Störemission, Störfestigkeit) sehr positiv aus.
- Bevorzugte und vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung ergeben sich aus den bevorzugten Ausgestaltungen des Verfahrens.
- Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Dabei zeigt:
-
1 ein Verfahren zum Erzeugen einer Kontaktierstruktur an einem Leistungshalbleiter; -
2 ein alternatives Bauelement mit freitragenden Kontaktierstrukturen, während es noch bei einem Träger angeordnet ist; -
3 das Bauelement nach2 mit freitragenden Kontaktierstrukturen, nachdem es von dem Träger abgelöst und an seinem Bestimmungsort verlötet ist, im Schnitt; -
4 das Bauelement nach2 mit freitragenden Kontaktierstrukturen, nachdem es von dem Träger abgelöst und an seinem Bestimmungsort verlötet ist, in einer Aufsicht; -
5 ein weiteres alternatives Bauelement mit freitragenden Kontaktierstrukturen, während es noch an einem Träger angeordnet ist; -
6 das Bauelement nach5 mit freitragenden Kontaktierstrukturen, nachdem es von dem Träger abgelöst ist; -
7 noch ein alternatives Bauelement mit freitragenden Kontaktierstrukturen, während es zur Herstellung an einem Träger angeordnet ist; -
8 das Bauelement nach7 mit freitragenden Kontaktierstrukturen, nachdem es von dem Träger abgelöst ist. - In
1 erkennt man einen Träger1 aus Teflon, auf dem ein Bauelement2 in Form eines Halbleiterchips angeordnet ist. - Auf der oberen Oberfläche des Halbleiterchips
2 ist ein Kontakt mit einer vom Halbleiterchip2 abgekehrten Kontaktfläche210 vorhanden. - Ist beispielsweise der Halbleiterchip
2 ein Transistor, ist die Kontaktfläche die Kontaktfläche eines Kollektor- bzw. Drainkontaktes oder eines Emitter- bzw. Sourcekontaktes. - Die gesamte obere Oberfläche des mit dem Halbleiterchip
2 bestückten Trägers1 ist durch die Oberfläche des Trägers1 selbst und durch die freie Oberfläche des Halbleiterchips2 gegeben, die durch die obere Oberfläche und die seitliche Oberfläche dieses Chips2 bestimmt ist. - Auf die gesamte Oberfläche des mit dem Halbleiterchip
2 bestückten Trägers1 wird im Schritt 301 eine Schicht3 aus elektrisch isolierendem Kunststoffmaterial unter Vakuum aufgebracht, so dass die Schicht3 aus elektrisch isolierendem Material die Oberfläche des mit dem Halbleiterchip2 bestückten Trägers1 mit den Kontaktflächen eng anliegend bedeckt und auf dieser Oberfläche haftet. Die Schicht3 aus elektrisch isolierendem Material folgt dabei der durch die freiliegenden Teile der Oberfläche des Trägers und durch die freie Oberfläche des Halbleiterchips2 , die durch die obere Oberfläche und die seitliche Oberfläche dieses Chips2 bestimmt ist, gegebenen Oberflächenkontur. - Das Aufbringen der Schicht
3 aus elektrisch isolierendem Material in Schritt 301 erfolgt vorzugsweise mit einer oder mehreren der folgenden Vorgehensweisen: Vorhanggießen, Tauchen, insbesondere einseitiges Tauchen, Sprühen, insbesondere elektrostatisches Sprühen, Drucken, insbesondere Siebdrucken, Overmolden, Dispensen, Spincoaten. - Besonders gut kann die Schicht
3 aus elektrisch isolierendem Material auch durch Auf laminieren einer Folie aufgebracht werden, insbesondere einer Folie aus einem Kunststoffmaterial auf Polyimid- oder Epoxidbasis. Zur besseren Haftung kann ein Temperschritt nachfolgen. - Die Schicht
3 aus elektrisch isolierendem Material dient als Isolator und als Träger einer im Weiteren aufgebrachten Schicht4 aus elektrisch leitendem Material. - Typische Dicken der Schicht
3 aus elektrisch isolierendem Material liegen im Bereich von 25-150 μm, wobei größere Dicken auch aus Schichtenfolgen von dünneren Teilschichten aus elektrisch isolierendem Material erreicht werden können. Damit lassen sich vorteilhafterweise Isolationsfeldstärken im Bereich von einigen 10 kV/mm realisieren. - Nun wird in Schritt 302 die zu kontaktierende Kontaktfläche
210 des Bauelements durch Öffnen eines Fensters31 in der Schicht3 aus elektrisch isolierendem Material freigelegt. - Darüber hinaus werden Bereiche des Trägers
1 durch Öffnen eines jeweiligen Fensters31 in der Schicht3 aus elektrisch isolierendem Material freigelegt. - Die Größe des Fensters, das zum Kontaktieren der Kontaktfläche (
210 ) des Bauelements geöffnet wird, beträgt mehr als 60% der Größe des Bauelements, insbesondere mehr als 80%. - Das Öffnen eines der Fenster
31 in der Schicht3 aus elektrisch isolierendem Material wird vorzugsweise durch Laserablation vorgenommen. - Danach wird in Schritt 303 die freigelegte Kontaktfläche
210 des Bauelements und jeder freigelegte Bereich auf dem Träger1 mit einer Schicht4 aus elektrisch leitendem Material, vorzugsweise Metall, flächig kontaktiert, indem die freigelegte Kontaktfläche und die freigelegten Bereiche des Trägers1 mit den üblichen Verfahren metallisiert und strukturiert und. somit planar kontaktiert werden. - Beispielsweise kann die Schicht
4 aus elektrisch leitendem Material ganzflächig sowohl auf jede Kontaktfläche als auch auf die von der Oberfläche des Träges1 abgekehrte obere Oberfläche der Schicht3 aus elektrisch isolierendem Material aufgebracht und danach beispielsweise fotolithographisch so strukturiert werden, dass jede Kontaktfläche flächig kontaktiert bleibt und über die Kontaktfläche210 , die freigelegten Bereiche des Trägers1 und die Schicht3 aus isolierendem Material verlaufende Leiterbahnen4 ,6 entstehen. - Vorzugsweise werden dazu folgende Prozessschritte (semiadditiver Aufbau) durchgeführt:
- i)
Sputtern einer Ti-Haftschicht von ca. 100 nm Dicke und einer Cu-Leitschicht
4 von ca. 200 nm Dicke (Schritt 303). - ii). Fotolithographie unter Verwendung dicker Lackschichten
oder von Fotofolien
5 (Schritt 304). - iii). Galvanische Verstärkung
der freientwickelten Bereiche mit einer elektrisch leitenden Schicht
6 größerer Stärke. Hier sind Schichtdicken bis 500 μm möglich (Schritt 305). - iv). Lackentschichtung und Differenzätzen von Cu und Ti sowie Ablösen vom Träger (Schritt 306).
- Es kann auch so vorgegangen werden, dass auf die von der Oberfläche des Substrats
1 abgekehrte obere Oberfläche der Schicht3 aus elektrisch isolierendem Material eine Maske aufgebracht wird, welche die Kontaktfläche sowie Bereiche für die über die Kontaktfläche210 , die freigelegten Bereiche des Trägers1 und die Schicht3 aus isolierendem Material verlaufenden Leiterbahnen4 ,6 freilässt, und dass dann die Schicht4 aus dem elektrisch leitenden Material ganzflächig auf die Maske und die Kontaktflächen210 und112 sowie die von der Maske freien Bereiche aufgebracht wird. Danach wird die Maske mit der darauf befindlichen Schicht4 entfernt, so dass nur die flächig kontaktierte Kontaktfläche210 und die über die Kontaktfläche210 , die freigelegten Bereiche des Trägers1 und die Schicht3 aus isolierendem Material verlaufenden Leiterbahnen4 ,6 auf den maskenfreien Bereichen übrig bleiben. - Jedenfalls ist danach eine Vorrichtung aus einem Bauelement
2 mit einer Oberfläche, auf der eine elektrische Kontaktflächen210 angeordnet sind, bereitgestellt, bei der auf der Oberfläche ein Isolator in Form einer Schicht3 aus elektrisch isolierendem Material aufgebracht ist, die eng an der Oberfläche anliegt und an der Oberfläche haftet und bei der die Schicht3 aus elektrisch isolierendem Material bei den Kontaktflächen jeweils Fenster31 aufweist, in welchem diese Kontaktfläche frei von der Schicht3 aus elektrisch isolierendem Material und flächig mit einer Schicht4 und beispielsweise zusätzlich mit einer Schicht6 aus elektrisch leitendem Material kontaktiert ist. Spezielle Ausbildungen dieser Vorrichtung ergeben sich aus der vorstehenden Beschreibung. - Die in
2 dargestellte Vorrichtung wird mit einem ähnlichen Herstellungsverfahren produziert, wie die in1 dargestellte. Die freitragenden Kontaktierstrukturen3 ,4 ,6 des Bauelements2 werden dabei mit den folgenden Prozessschritten hergestellt: - – Aufsetzen des Bauelements
2 , das auch in Form eines Moduls vorliegen kann, auf einen oder mehrere geeignet geformte, mit Teflon oder ähnlichen Kunststoffen beschichtete Träger1 . - – Laminieren
einer Schicht
3 aus elektrisch isolierendem Material in Form einer Kunststofffolie im Vakuum unter Druck und Temperatur über Bauelement2 und Träger1 . - – Partielles
Entfernen der Schicht
3 aus elektrisch isolierendem Material in Form einer Kunststofffolie unter anderem an den Kontaktflächen in Form von Anschlusspads des Bauelements2 durch Laserablation. - – Aufbringen
einer Schicht
4 aus elektrisch leitendem Material in Form einer dünnen, haftfesten Metallisierung, beispielsweise einer Titan-Haftschicht, insbesondere durch Sputtern oder Aufdampfen. - – Aufbringen und Strukturieren eines Lackes, beispielsweise durch Spincoaten, Lacksprühen, elektrophoretische Belackung und anschließende Fotolithographie oder durch einen Druckprozess.
- – Galvanische
Verstärkung
der freiliegenden Metallstrukturen der Schicht
4 aus elektrisch leitendem Material mit einer elektrisch leitenden Schicht6 größerer Stärke aus Kupfer mit einer optional nachfolgenden Nickel-Gold-Abdeckung. - – Eventuelles
Abdecken des Bauelements
2 durch eine zweite Folie mit anschließender partieller Laserablation oder durch eine Kunststoffabdeckung7 im Overmold-Prozess oder als Globtop. - – Ablösen des
Bauelements
2 und der hergestellten Metall/Kunststoff-Kontaktierstrukturen3 ,4 ,6 vom Träger1 . - – Eventuelles
partielles Abätzen
der Haftschicht
4 von den Metallstrukturen6 , um eine gute Lötfähigkeit zu erreichen. - – Eventuelles
Formen der entstandenen freitragenden Metall/Kunststoff-Kontaktierstrukturen
3 ,4 ,6 . - Die Kontaktierstrukturen (Anschlusskontaktstrukturen) werden dabei also direkt auf dem Bauelement
2 erzeugt. Damit entfällt die Verbindungstechnik, also das Löten oder Drahtbonden, zwischen dem Bauelement und dem aus dem Stand der Technik bekannten Kontaktelement in Form eines Leadframes oder Spiders. Die dabei zur direkten elektrischen Anbindung erzeugte Leiterbahn4 ,6 in Form einer Kupferfolie ist niederinduktiv, für hohe Ströme geeignet und kostengünstig. Darüber hinaus hat die Technologie im Vergleich zu einer Bondverbindung eine sehr geringe Bauhöhe, da der Bondloop entfällt. Die Technologie kann auch zur Herstellung von Anschlussstrukturen von Bauelementen in Form von Modulen eingesetzt werden, die mehrere Einzelbauelemente enthalten. - Wie man in
2 erkennen kann, ist das Bauelement2 auf einer Kupferschicht auf Mitteln8 zur Hitzeabfuhr (Heatsink) angeordnet, während die freitragendenden Kontaktierstrukturen3 ,4 ,6 hergestellt werden. Das Bauelement2 und die Mittel8 zur Hitzeabfuhr sind dabei von Trägern1 umgeben, die links und rechts vom Bauelement2 und den Mitteln8 zur Hitzeabfuhr angeordnet sind. Statt zweier Träger1 können aber auch zwei Teilträger desselben Trägers zum Einsatz kommen. Insbesondere, wenn Kontaktierstrukturen geschaffen werden sollen, die das Bauelement2 rundum, also nach allen vier Seiten, kontaktierbar machen sollen, können die Teilträger zu demselben Träger gehören, der sich dann in Form einer Trägerplatte um das Bauelement herum erstreckt, das in einer Aussparung dieser Trägerplatte angeordnet ist. - Im Schritt 306 wird das Bauelement
2 mit den freitragenden Kontaktierstrukturen3 ,4 ,6 und der Kunststoffabdeckung7 vom Träger1 abgelöst und im Schritt307 an seinem Bestimmungsort eingebaut. - Dazu wird, wie in
3 im Schnitt und in4 in einer Draufsicht dargestellt, das Bauelement2 über seine Mittel8 zur Hitzeabfuhr mittels eines Wärme leitenden Klebers8 oder einer solchen Folie mit einem Metallgehäuse9 verklebt. Die elektrisch leitende Kupferschicht6 größerer Stärke wird an Kontaktflächen, an denen sie von der Schicht4 aus elektrisch leitendem Material in Form einer Haftschicht befreit worden ist, mit Leiterbahnen11 einer Leiterplatte, insbesondere einer PCB-Leiterplatte, verbunden. Dies geschieht über Lötverbindungen12 . Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Bauelement2 ein Leistungstransistor und entsprechend sind auf der Leiterplatte10 Leiterbahnen11 für den Kollektor C, das Gate GATE und den Emitter E des Transistors vorhanden, mit denen dieser verbunden wird. - Das Ausführungsbeispiel nach
5 unterscheidet sich von dem nach2 dadurch, dass das Bauelement2 nicht bei, sondern auf dem Träger1 angeordnet ist. Darüber hinaus ist der Träger1 in zweierlei Hinsicht besonders ausgestaltet. Zum einen verfügt er über eine Halterung13 , in der das Bauelement2 während des Herstellungsprozesses sicher gehalten wird. Zum anderen sind im Träger1 Auswerfer14 angeordnet, die aus dem Träger1 herausfahrbar sind und beim Herausfahren das Bauelement2 mit den freitragenden. Kontaktierstrukturen3 ,4 ,6 , also der eventuell noch teilweise vorhandenen Schicht3 aus elektrisch isolierendem Material und den Leiterbahnen4 ,6 aus der Schicht4 aus elektrisch leitendem Material und der elektrisch leitenden Schicht6 größerer Stärke, und mit der Abdeckung7 in Form eines Globtops auswerfen. - Der Schritt 306 umfasst neben dem Ablösen in Form von Auswerfen auch ein Ätzen, insbesondere Wegätzen, der durch eine Titanhaftschicht gebildeten Schicht
4 aus elektrisch leitendem Material an den Stellen, an denen die elektrisch leitende Kupferschicht6 größerer Stärke später verlötet werden soll. - In
6 ist dieses Bauelement2 mit den freitragenden Kontaktierstrukturen und der Abdeckung im vereinzelten, handelbaren Zustand dargestellt. Die Leiterbahnen4 ,6 der freitragenden Kontaktierstrukturen3 ,4 ,6 weisen durch ihren Herstellungsprozess die Form einer Kupferfolie auf und sind deshalb besonders niederinduktiv und für hohe Ströme geeignet. - Das in den
7 und8 dargestellte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem in den5 und6 dargestellten dadurch, dass das Bauelement2 in Form eines Chips nicht in einer Halterung des Trägers, sondern in einer Vertiefung des Trägers1 angeordnet ist, deren Tiefe in etwa der Höhe des Bauelements entspricht und deren Abmessungen senkrecht zu ihrer Tiefe in etwa den Abmessungen des Bauelementes senkrecht zu seiner Höhe entsprechen. Dadurch wird die an dem Bauelement2 hergestellte Kontaktierstruktur3 ,4 ,6 nicht zur bei der Herstellung des Bauelements2 unten befindlichen Seite des Bauelements2 herabgeführt, sondern verbleibt in etwa auf dem Niveau oder oberhalb des Niveaus der bei der Herstellung oben befindlichen Seite des Bauelements2 . Dies hat den Vorteil, dass die zu kontaktierende elektrisch leitende Schicht6 größerer Stärke an ihren Kontaktflächen nicht erst von der Haftschicht oder der Folie befreit werden muss, da direkt ihre bei der Herstellung nach oben weisenden, blanken Flächen zum Verlöten benutzt werden können, indem das Bauelement2 mit seiner bei der Herstellung oben befindlichen Seite zu einem Substrat weisend an diesem angeordnet werden kann. Dazu werden, was auch für die anderen Ausführungsbeispiele gilt, die Kontaktflächen610 , also die lötbaren Leads, der elektrisch leitenden Schicht6 größerer Stärke der Leiterbahn4 ,6 mit aus der SMD-Technik bekannten Verfahren korrekt platziert und verlötet. Auf der bestückten PCB-Leiterplatte kann aber auch eine Bügellöttechnik wie beim TAB verwendet werden.
Claims (21)
- Verfahren zum Herstellen eines Bauelements (
2 ) mit einer Kontaktierstruktur, wobei das Bauelement (2 ) eine elektrische Kontaktfläche (210 ) aufweist, bei dem – eine Schicht (3 ) aus elektrisch isolierendem Material auf dem Bauelement (2 ) und einem an dem und/oder bei dem Bauelement angeordneten Träger (1 ) aufgebracht wird, – die elektrische Kontaktfläche (210 ) des Bauelements zumindest teilweise beim Aufbringen der Schicht (3 ) aus elektrisch isolierendem Material frei bleibt und/oder nach dem Aufbringen der Schicht (3 ) aus elektrisch isolierendem Material freigelegt wird, – eine Schicht (4 ) aus elektrisch leitendem Material auf der Schicht (3 ) aus elektrisch isolierendem Material und der elektrischen Kontaktfläche (210 ) des Bauelements aufgebracht wird, – bei dem die Schicht (3 ) aus elektrisch isolierendem Material vom Träger (1 ) abgelöst wird. - Verfahren nach Anspruch 1, – bei dem die Schicht (
4 ) aus elektrisch leitendem Material zusätzlich auf einem Bereich des Trägers (1 ) aufgebracht wird, der nicht von der Schicht (3 ) aus elektrisch isolierendem Material bedeckt ist, – bei dem die Schicht (4 ) aus elektrisch leitendem Material vom Träger (1 ) abgelöst wird. - Verfahren, insbesondere nach Anspruch 1, zum Herstellen eines Bauelements (
2 ) mit einer Kontaktierstruktur, wobei das Bauelement (2 ) eine elektrische Kontaktfläche (210 ) aufweist, bei dem – eine Schicht (3 ) aus elektrisch isolierendem Material auf dem Bauelement (2 ) aufgebracht wird, – die elektrische Kontaktfläche (210 ) des Bauelements zumindest teilweise beim Aufbringen der Schicht (3 ) aus elektrisch isolierendem Material frei bleibt und/oder nach dem Aufbringen der Schicht (3 ) aus elektrisch isolierendem Material freigelegt wird, – eine Schicht (4 ) aus elektrisch leitendem Material auf der Schicht (3 ) aus elektrisch isolierendem Material, der elektrischen Kontaktfläche (210 ) des Bauelements und einem am und/oder bei dem Bauelement angeordneten Träger (1 ) aufgebracht wird, – bei dem die Schicht (4 ) aus elektrisch leitendem Material vom Träger (1 ) abgelöst wird. - Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Bauelement, die Schicht (
3 ) aus elektrisch isolierendem Material und/oder die Schicht (4 ) aus elektrisch leitendem Material zumindest teilweise vergossen und/oder abgedeckt werden. - Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein Träger (
1 ) verwendet wird, der zumindest teilweise eine geringe Oberflächenhaftung aufweist, insbesondere teflonbeschichtet und/oder aus Teflon ist. - Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein Träger (
1 ) verwendet wird, der eine Halterung für das Bauelement aufweist. - Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein Träger (
1 ) verwendet wird, der einen Auswerfer zum Ablösen aufweist. - Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die elektrische Kontaktfläche (
210 ) des Bauelements zumindest teilweise beim Aufbringen der Schicht (3 ) aus elektrisch isolierendem Material frei bleibt und/oder nach dem Aufbringen der Schicht (3 ) aus elektrisch isolierendem Material freigelegt wird, indem in der Schicht (3 ) aus elektrisch isolierendem Material ein Fenster mit mehr als 60% der Größe der Seite und/oder Fläche des Bauelementes geöffnet ist und/oder wird, an der das Fenster geöffnet ist und/oder wird, insbesondere mehr als 80%. - Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die elektrische Kontaktfläche (
210 ) des Bauelements zumindest teilweise beim Aufbringen der Schicht (3 ) aus elektrisch isolierendem Material frei bleibt und/oder nach dem Aufbringen der Schicht (3 ) aus elektrisch isolierendem Material freigelegt wird, indem in der Schicht (3 ) aus elektrisch isolierendem Material ein Fenster mit nicht mehr als 99,9 der Größe der Seite und/oder Fläche des Bauelementes geöffnet ist und/oder wird, an der das Fenster geöffnet ist und/oder wird, insbesondere nicht mehr als 95%. - Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Schicht (
3 ) aus elektrisch isolierendem Material mithilfe einer oder mehrerer der folgenden Vorgehensweisen aufgebracht wird: Vorhanggießen, Tauchen, insbesondere einseitiges Tauchen, Sprühen, insbesondere elektrostatisches Sprühen, Drucken, insbesondere Siebdrucken, Overmolden, Dispensen, Spincoaten, Auflaminieren einer Folie. - Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem für die Schicht (
3 ) aus elektrisch isolierendem Material eine Folie aus einem Kunststoffmaterial auf Polyimid-, Polyethylen-, Polyphenol-, Polyetheretherketon- und/oder auf Epoxidbasis verwendet wird. - Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Schicht (
3 ) aus elektrisch isolierendem Material durch Auflaminieren einer Folie aufgebracht wird und nach dem Auflaminieren der Folie ein Temperschritt durchgeführt wird. - Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Schicht (
3 ) aus elektrisch isolierendem Material eine Dicke von 25 bis 150 μm hat. - Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Bauelement (
2 ) ein Leistungselektronikbauelement ist, insbesondere ein Leistungshalbleiter. - Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Bauelement (
2 ) mindestens 70 μm dick ist, insbesondere mindestens 100 μm. - Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei das Bauelement eine Oberflächenkontur bildet und bei dem die Schicht (
3 ) aus elektrisch isolierendem Material so auf dem Bauelement (2 ) aufgebracht wird, dass die Schicht (3 ) aus elektrisch isolierendem Material der gebildeten Oberflächenkontur folgt. - Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die elektrische Kontaktfläche (
210 ) des Bauelements zumindest teilweise durch Laserablation freigelegt wird. - Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem für die Schicht (
3 ) aus elektrisch isolierendem Material ein fotoempfindliches Material verwendet wird und die elektrische Kontaktfläche (210 ) des Bauelements zumindest teilweise durch einen fotolithographischen Prozess freigelegt wird. - Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Schicht (
4 ) aus elektrisch leitendem Material in mehreren übereinander angeordneten Teilschichten aus unterschiedlichem, elektrisch leitenden Material aufgebracht wird, wobei insbesondere eine obere Teilschicht durch galvanisches Aufwachsen aufgebracht wird. - Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zum Herstellen einer mehrlagigen Vorrichtung die Schritte Aufbringen der Schicht aus elektrisch isolierendem Material, Freilegen der Kontaktflächen und Aufbringen der Schicht aus elektrisch leitendem Material mehrmals durchgeführt werden.
- Vorrichtung die mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 20 hergestellt ist.
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