DE10361696A1 - Integrierte Halbleiterschaltungsanordnung sowie Verfahren zu deren Herstellung - Google Patents

Integrierte Halbleiterschaltungsanordnung sowie Verfahren zu deren Herstellung Download PDF

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Abstract

Es wird eine integrierte Halbleiterschaltungsanordnung (1) mit einer Gehäuseeinrichtung und einer Mehrzahl integrierter Halbleiterschaltungsmodule (10, 20) darin vorgeschlagen, wobei zur galvanischen Trennung der Mehrzahl integrierter Halbleiterschaltungsmodule (10, 20) mindestens ein Isolationselement (40-43) vorgesehen ist oder wird. Das Isolationselement (40-43) ist jeweils als beim Prozessieren des ersten und/oder zweiten integrierten Halbleiterschaltungsmoduls (10, 20) integriert mitprozessierte Struktur ausgebildet, so dass sich eine derartige galvanische Trennung inhärent beim Erzeugen der integrierten Halbleiterschaltungsmodule (10, 20) mit einem nur geringen Mehraufwand ergibt.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine integrierte Halbleiterschaltungsanordnung sowie ein Verfahren zu deren Herstellung.
  • Bei integrierten Halbleiterschaltungsanordnungen sind verschiedenen Schaltungsbereichen der integrierten Halbleiterschaltungsanordnungen unterschiedliche strukturelle und funktionelle Aspekte zugeordnet. Aufgrund der Unterschiede der jeweiligen zugeordneten funktionellen Aspekte ergibt sich häufig die Notwendigkeit, die jeweiligen Schaltungsabschnitte der integrierten Halbleiterschaltungsanordnung voneinander zu separieren, um eine Wechselwirkung der Schaltungskomponenten miteinander und dadurch entstehende Störungen im Betrieb zu vermeiden. Diese Sicherheitsaspekte sind insbesondere dann relevant, wenn Schaltungsabschnitte mit unterschiedlichen Anforderungen an die Spannungsfestigkeit oder die elektrische und thermische Leistungsaufnahme vorliegen. So ist zum Beispiel bei bestimmten Anwendungen eine Struktur erforderlich, bei welcher unterschiedliche Schaltungskomponenten auf separierten integrierten Halbleiterschaltungsmodulen oder Chips ausgebildet und dann voneinander räumlich separiert und/oder galvanisch voneinander getrennt sind.
  • Eine derart unter Umständen notwendige räumliche Separation und/oder galvanische Trennung ist dahingehend schwierig, dass eine Mehrzahl oder Vielzahl zusätzlicher Prozessschritte bei der Herstellung und eine entsprechend verkomplizierte Struktur die Folge sind, wodurch die Handhabung erschwert und die Kosten bei der Produktion gesteigert werden.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine integrierte Halbleiterschaltungsanordnung sowie ein Verfahren zu deren Herstellung zu schaffen, bei welchen eine galvanische Trennung in dieser integrierten Halbleiterschaltungsanordnung vorgesehener oder vorzusehender integrierter Halbleiterschaltungsmodule oder Chips auf besonders einfache und gleichwohl zuverlässige Art und Weise realisierbar ist.
  • Gelöst wird die Aufgabe bei einer integrierten Halbleiterschaltungsanordnung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1. Ferner wird die Aufgabe bei einem Verfahren zum Herstellen einer integrierten Halbleiterschaltungsanordnung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen integrierten Halbleiterschaltungsanordnung sowie des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen einer integrierten Halbleiterschaltungsanordnung sind jeweils Gegenstand der abhängigen Unteransprüche.
  • Bei der erfindungsgemäßen integrierten Halbleiterschaltungsanordnung sind mindestens ein erstes und ein zweites integriertes Halbleiterschaltungsmodul vorgesehen, wobei die ersten und zweiten integrierten Halbleiterschaltungsmodule räumlich eng benachbart angeordnet und insbesondere gemeinsam in einer Gehäuseeinrichtung aufgenommen sind. Die ersten und zweiten integrierten Halbleiterschaltungsmodule werden im Sinne der Erfindung auch als erste und zweite Chips bezeichnet. Es handelt sich dabei also um einen Halbleitermaterialbereich, in welchem die entsprechenden Strukturelemente für die Schaltungsbauteile ausgebildet sind. Es ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass zur galvanischen Trennung des ersten und des zweiten integrierten Halbleiterschaltungsmoduls und des ersten und des zweiten Chips voneinander mindestens ein Isolationselement vorgesehen oder ausgebildet ist. Dabei ist es vorgesehen, dass das Isolationselement als eine beim Prozessieren des ersten und/oder des zweiten integrierten Halblei terschaltungsmoduls oder des ersten und/oder des zweiten Chips integriert mitprozessierte Struktur ausgebildet ist.
  • Es ist somit eine Kernidee der vorliegenden Erfindung, die in der integrierten Halbleiterschaltungsanordnung vorgesehenen integrierten Halbleiterschaltungsmodule oder Chips durch ein vorgesehenes Isolationselement voneinander galvanisch zu trennen. Dabei ist ein Kernaspekt der vorliegenden Erfindung, dass dieses Isolationselement eine Struktur ist oder beinhaltet, welche beim Prozessieren mindestens eines der Chips oder einer der integrierten Halbleiterschaltungsmodule integriert, also inhärent mitprozessiert wird. Dadurch ergibt sich erfindungsgemäß der Vorteil gegenüber dem Stand der Technik, dass zusätzliche und nicht in kanonischer Weise im üblichen Prozessablauf integrierbare Verfahrensschritte vermieden werden können. Darüber hinaus ergibt sich des weiteren eine Vereinfachung des Aufbaus und der Struktur sowie eine Vereinfachung der Handhabung.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen integrierten Halbleiterschaltungsanordnung ist es vorgesehen, dass das Isolationselement jeweils als auf der Rückseite des integrierten Halbleiterschaltungsmoduls oder der Rückseite des Chips vorgesehene und/oder prozessierte Struktur ausgebildet ist. Vorteilhaft ist auch, wenn dabei das Isolationselement oder eine Vorstufe davon als Träger für das integrierte Halbleiterschaltungsmodul oder den Chip ausgebildet und vorgesehen ist.
  • Bei einer weiteren erfindungsgemäßen Ausgestaltungsform der integrierten Halbleiterschaltungsanordnung ist es vorgesehen, dass jedes Halbleiterschaltungsmodul oder jeder Chip ein Isolationselement aufweist, insbesondere in rückseitiger Form. Durch das Vorsehen eines Isolationselements an jedem Halbleiterschaltungsmodul oder Chip wird eine besonders zu verlässige galvanische und/oder räumliche Trennung der Halbleiterschaltungsmodule oder Chips gewährleistet.
  • Alternativ oder zusätzlich ist es vorgesehen, dass für die Halbleiterschaltungsmodule oder für die Chips ein gemeinsames Isolationselement vorgesehen ist, insbesondere in Form eines auf der Rückseite ausgebildeten Isolationselements.
  • Gemäß einer anderen vorteilhaften zusätzlichen oder alternativen Ausgestaltungsform der integrierten Halbleiterschaltungsanordnung ist es vorgesehen, dass die Halbleiterschaltungsmodule oder Chips lateral beabstandet auf einem vorgesehenen – insbesondere gemeinsamen – Leiterrahmen oder Leadframe in der Gehäuseeinrichtung angeordnet sind, insbesondere mit mindestens einem rückseitigen – vorzugsweise gemeinsamen – Isolationselement dazwischen.
  • Weiter alternativ oder zusätzlich ist es vorgesehen, dass zur lateralen Beabstandung und lateralen galvanischen Isolation der Halbleiterschaltungsmodule oder der Chips voneinander zwischen den integrierten Halbleiterschaltungsmodulen oder den Chips ein laterales Isolationselement vorgesehen ist.
  • Dabei ist es von besonderem Vorteil, wenn das laterale Isolationselement als gefüllte Grabenstruktur eines vorgesehenen und die integrierten Halbleiterschaltungsmodule oder Chips lateral trennenden Grabens ausgebildet ist.
  • Die zuletzt genannten Ausführungsformen basieren darauf, dass die Mehrzahl Halbleiterschaltungsmodule oder Chips in einem gemeinsamen Wafer als Teile der integrierten Halbleiterschaltungsanordnung prozessiert werden. Nach Fertigstellung oder bei Herstellung der jeweiligen Halbleiterschaltungsmodule in in einem Wafer integrierter Form wird dann ein Graben zwischen den Halbleiterschaltungsmodulen oder Chips vor deren Trennung ausgebildet. Dabei kann Voraussetzung sein, dass die waferstruktur als solche auf einem Träger zur mechanischen Stabilisierung ausgebildet ist. Dieser kann zum Beispiel auch von dem später zu verwendenden Isolationselement gebildet werden. Durch das Ausbilden des Grabens wird eine erste galvanische Trennung der Halbleitersubstratbereiche für die zu trennenden Halbleiterschaltungsmodule oder Chips gebildet. Zur Verbesserung der galvanischen Trennung wird dann die Grabenstruktur, wie dies eben beschrieben wurde, durch Verfüllen des Grabens gesteigert und somit sichergestellt.
  • Bei einer anderen alternativen oder zusätzlichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen integrierten Halbleiterschaltungsanordnung ist es vorgesehen, dass rückseitige Isolationselemente als gebondete und/oder geklebte Strukturen ausgebildet sind. Dabei sind von besonderem Vorteil so genannte Schichtstrukturen.
  • Andererseits ist es von Vorteil, zusätzlich oder alternativ die rückseitigen Isolationselemente als abgeschiedene Strukturen, insbesondere wiederum als Schichtstrukturen vorzusehen. Dabei können verschiedene Abscheidungstechniken Relevanz haben.
  • Gemäß einer weiteren alternativen oder zusätzlichen Ausgestaltungsform der integrierten Halbleiterschaltungsanordnung ist es vorgesehen, dass die rückseitigen Isolationselemente als rückseitig ausgedünnte Strukturen, insbesondere als Schichtstrukturen ausgebildet sind. Dies hat den Vorteil, dass das zunächst als primäre Isolationselement ausgebildete Isolationselement als Träger beim eigentlichen Herstellungsverfahren für die Chips oder integrierten Halbleiterschaltungsmodule in einem gemeinsamen Waferbereich dienen kann. Nach Fertigstellung der Chips oder integrierten Halbleiterschaltungsmodule im gemeinsamen Waferbereich kann dann unter Umständen die Trägerfunktion des Isolationselements entfallen. Somit kann dann durch Verringerung der Baugröße und Gesamtschichtdicke das zugrunde liegende Isolationselement rückseitig ausgedünnt werden, wobei trotzdem die ausgebildeten und am Isolationselement anhaftenden oder angebrachten Chips oder integrierten Halbleiterschaltungsmodule unverändert gehaltert und fixiert und positioniert werden.
  • Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist das Schaffen eines Verfahrens zum Herstellen einer integrierten Halbleiterschaltungsanordnung. Diese Halbleiterschaltungsanordnung weist, wie das oben bereits beschrieben wurde, mindestens ein erstes und ein zweites integriertes Halbleiterschaltungsmodul oder einen ersten und einen zweiten Chip auf, welche räumlich eng benachbart und insbesondere gemeinsam in einer Gehäuseeinrichtung aufgenommen werden. Beim erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen einer integrierten Halbleiterschaltungsanordnung ist es vorgesehen, dass zur galvanischen Trennung des ersten und des zweiten integrierten Halbleiterschaltungsmoduls oder des ersten und des zweiten Chips voneinander mindestens ein Isolationselement vorgesehen wird. Ferner ist es vorgesehen, dass dabei das Isolationselement als beim Prozessieren des ersten und/oder des zweiten integrierten Halbleiterschaltungsmoduls oder Chips integriert mitprozessierte Struktur ausgebildet wird.
  • In vorteilhafter Weise ist es zusätzlich vorgesehen, dass das Isolationselement jeweils als auf der Rückseite des integrierten Halbleiterschaltungsmoduls oder des Chips vorgesehene und/oder prozessierte Struktur ausgebildet wird, insbesondere als Träger.
  • Ferner ist es alternativ oder zusätzlich vorgesehen, dass jedes Halbleiterschaltungsmodul oder jeder Chip mit einem Isolationselement ausgebildet wird, insbesondere in rückseitiger Form.
  • Gemäß einer zusätzlichen oder alternativen Ausgestaltungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen einer integrierten Halbleiterschaltungsanordnung ist es vorgesehen, dass für die integrierten Halbleiterschaltungsmodule oder für die Chips ein gemeinsames Isolationselement vorgesehen wird, insbesondere in rückseitiger Form.
  • Bei einer anderen alternativen oder zusätzlichen Ausgestaltungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es vorgesehen, dass die Halbleiterschaltungsmodule oder Chips lateral beabstandet auf einem vorgesehenen – insbesondere gemeinsamen – Leiterrahmen oder Leadframe in der Gehäuseanordnung angeordnet werden, insbesondere mit mindestens einem rückseitigen – vorzugsweise gemeinsamen – Isolationselement dazwischen.
  • Es ist von besonderem Vorteil, wenn zur lateralen Beabstandung und lateralen galvanischen Isolation der Halbleiterschaltungsmodule oder der Chips zwischen den integrierten Halbleiterschaltungsmodulen oder den Chips ein laterales Isolationselement vorgesehen oder ausgebildet wird.
  • Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn das laterale Isolationselement als gefüllte Grabenstruktur eines vorgesehenen und die integrierten Halbleiterschaltungsmodule oder Chips lateral trennenden Grabens ausgebildet wird.
  • Bei einer anderen alternativen oder zusätzlichen Ausgestaltungsform des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens ist es vorgesehen, dass rückseitige Isolationselemente als gebondete und/oder geklebte Strukturen, insbesondere als Schichtstrukturen ausgebildet werden.
  • Weiterhin ist vorteilhaft, wenn alternativ oder zusätzlich die rückseitigen Isolationselemente als abgeschiedene Strukturen, insbesondere als Schichtstrukturen ausgebildet werden.
  • Bei einer anderen alternativen oder zusätzlichen Ausgestaltungsform des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens ist es vorgesehen, dass die rückseitigen Isolationselemente als rückseitig ausgedünnte Strukturen, insbesondere als Schichtstrukturen ausgebildet werden.
  • Ferner ist es von Vorteil, wenn zur Signalübertragung zusätzlich oder alternativ zwischen den integrierten Halbleiterschaltungsmodulen oder Chips eine nicht-galvanische Übertragungseinrichtung vorgesehen wird, insbesondere in magnetisch, optisch und/oder thermisch gekoppelter Form.
  • Diese und weitere Aspekte der vorliegenden Erfindung werden auch an Hand der nachstehenden Bemerkungen erläutert:
    Bei vielen Schaltungsanordnungen ist eine weit gehende galvanische Trennung zwischen Schaltungsteilen erforderlich. Dazu gehören unter anderem Ansteuerschaltungen von Leistungsschaltern, die nur über die Ansteuerleitungen mit dem Schalttransistor verbunden werden sollen, um eine höhere Störsicherheit zu erreichen, z.B. durch die Vermeidung von Masseschleifen oder dergleichen. Das Problem tritt aber bei anderen Steuer- und Regelvorgängen, Sensoren, Aktuatoren und dgl. auch auf.
  • Bisher mussten entweder zwei Gehäuse verwendet, die integrierten Halbleitermoduls oder Chips auf getrennten Leadframes oder Leiterrahmen in einem Gehäuse montiert oder aber unter einem der Chips ein Isolierchip montiert werden. Nachteilig sind in allen drei Fällen die höheren Kosten, entweder für das zweite Package, das getrennte Leadframe oder den Isolierchip mit dem zusätzlichen Montageaufwand. Dazu kommen noch der erhöhte Platzbedarf auf der Kundenplatine, Einschränkungen für die Pin-Belegung, um ein geteiltes Leadframe während der Chip-Montage mechanisch zu stabilisieren bzw. eine zu erwartende deutliche Ausbeutereduktion im Falle des Isolierchips auf Grund der erheblich komplexeren Montage.
  • Daneben existiert eine weitere Konzeption, bei der zwei galvanisch getrennte Chips auf derselben Scheibe hergestellt und als ein Chip montiert werden. Dieses Verfahren ist besonders wirtschaftlich, wenn beide integrierte Schaltungen eine vergleichbare Komplexität und somit etwa gleiche flächenspezifische Herstellkosten aufweisen. Sollen jedoch z. B. ein großflächiger Schalttransistor mit niedrigen Scheiben-Herstellkosten und eine kleinflächige, komplexe Ansteuerschaltung mit entsprechend teurem Scheibenprozess mit galvanisch getrennten Substraten in ein Gehäuse montiert werden, so ist der o. g. Vorschlag wirtschaftlich nicht sinnvoll. Ebenso können technologische Gründe gegen die Herstellung im selben Scheibenprozess sprechen, wenn z. B. Mikromechanikprozesse für Sensoren oder Aktuatoren nicht mit den Prozessschritten für die Ansteuer- und Auswerteschaltung kompatibel sind.
  • Eine Zielsetzung der vorliegenden Erfindung ist, die nötigen Voraussetzungen für die galvanische Trennung der Substrate nicht bei der Montage, sondern bereits im Scheibenprozess mindestens eines der beteiligten Chips zu schaffen.
  • Durch die hohe Anzahl gleichzeitig bearbeiteter Chips in einem Einzelprozess und die größere Gesamtfläche sinken die Kosten pro Chip drastisch und gleichzeitig reduziert sich die Schwierigkeit der Einzelschritte, da sie aus den Prozessen im Backend-of-Line oder BEOL der Scheibenfertigung prinzipiell bekannt sind.
  • Die im folgenden vorgeschlagenen zusätzlichen Schritte zur galvanischen Trennung von Substraten in einem Gehäuse lassen sich auf Grund der niedrigen erforderlichen Temperaturen auf der Rückseite des Produktwafers durchführen, nachdem die integrierte Schaltung auf der Vorderseite des Produktwafers wie gewohnt fertig gestellt wurde.
  • Am besten eignet sich das Verfahren für Bauelemente ohne hohen vertikalen Stromfluss, da eine ggf. erforderliche elektrische Anbindung des Substrats über einen Bonddraht zum Leadframe erfolgen muss. Weiters ist zu beachten, dass durch die zusätzliche eingefügte elektrische Isolation der Wärmeübergangswiderstand zur Umgebung verschlechtert wird, weshalb sinnvollerweise ein Bauelement mit geringer Wärmeentwicklung im Betrieb sich besser für das Verfahren eignet als etwa ein thermisch hoch belasteter Leistungsschalter.
  • Je nach geforderter Isolationsfestigkeit kann man hier unter anderem zwischen zwei grundsätzlichen Alternativen wählen:
    1. Soll eine hohe Isolationsspannung erreicht werden, so bietet sich das vollflächige Aufbringen einer Glas- oder Isolatorscheibe auf der Unterseite des Produktwafers an. Nach Ende der Vorderseitenprozesse für den Chip wird der Produktwafer ggf. von der Rückseite gedünnt, um die zulässige Gesamtdicke im Package nicht zu überschreiten und die Wärmeableitung zu verbessern. Anschließend wir die Isolatorscheibe ganzflächig auf den Produktwafer aufgebondet.
  • Als Bondprozesse eignen sich sowohl hydrophiles Waferbonden bei möglichst niedriger Temperatur, als auch das ganzflächige Verkleben. Ggf. muss die Rückseite des Produktwafers mit einer zusätzlichen Haftschicht (z. B. aus SiO2) versehen werden. Als Kleber eignen sich prinzipiell Spin-On-Gläser oder auch dauerelastisch oder duroplastisch aushärtende Kunststoffe etwa auf der Basis von Silikonen, Polyurethanen oder Imiden.
  • Nachdem die Höhe der Isolationsfestigkeit durch die Dicke der Isolatorscheibe vorgegeben ist, lassen sich nahezu beliebig hohe Isolationsspannungen auf diese Weise erreichen. Andererseits verschlechtert sich mit zunehmender Dicke des Isolators auch dessen Wärmewiderstand, weshalb der Entwickler bestrebt ist, die minimale, für die jeweilige Isolationsanforderung nötige Dicke des Isolators zu wählen. Die minimale Dicke wird aber auch durch die Bruchempfindlichkeit des Isolators vor und beim Aufbringen auf den Produktwafer begrenzt. Ein Ausweg bietet sich hier durch das Aufbringen einer hinreichend dicken und somit mechanisch stabilen Isolatorscheibe und deren nachträgliches Dünnen mittels Schleif- und Ätzprozessen auf die elektrisch erforderliche Dicke.
  • Für Glas liegt die Durchbruchsfestigkeit bei bis zu 50kV/mm, so dass für eine in der Niederspannungstechnik häufig benötigte Isolationsfestigkeit von z. B. 100V eine Dicke von etwa 2μm ausreichend wäre. Diese ließe sich weder durch eine entsprechend dünne Isolatorscheibe (Bruchgefahr) noch durch nachträgliches Dünnen einer entsprechend dickeren Isolatorscheibe (Toleranzen beim Dünnen) herstellen.
  • 2. Als Alternative für Isolationsfestigkeiten zwischen den Substraten in der Größenordnung von 100V bietet sich an, eine entsprechend dicke Isolatorschicht (z. B. SiO2, Si3N4) in einem Niedertemperaturplasmaprozess ganzflächig auf der Rückseite des (ggf. gedünnten) Produktwafers abzuscheiden.
  • Je nachdem, ob die weitere Montage ins Gehäuse durch Kleben oder Löten erfolgt, kann die Oberfläche des rückseitigen Isolators entweder direkt weiterverarbeitet werden oder es muss erst noch eine lötfähige Rückseitenmetallisierung aufgebracht werden. Das Vereinzeln des fertigen Stacks oder Stapels aus Produktscheibe und Isolator erfolgt dann in gewohnter Weise z. B. durch Sägen oder Laser-Trennen.
  • Beim Montageprozess selbst muss sichergestellt werden, dass Kleber bzw. Lot die Seitenwand des zu isolierenden Chips nicht berührt und so die Isolation an der Rückseite kurzschließt. Diese Gefahr ist natürlich bei dünnen rückseitigen Isolatorschichten am größten. Hilfreich ist hier, wenn die auf das Leadframe aufgebrachte Lot- bzw. Klebermenge nicht zu groß ist und das Material beim Diebond nicht oder nur kaum an den Chipseiten herausgedrückt wird.
  • Da Lot SiO2 oder Glas nicht benetzt, kann der unerwünschte seitliche Kontakt dadurch vermiede werden, dass die Rückseitenmetallisierung nicht ganzflächig, sondern strukturiert mit einem gewissen Abstand von der (späteren) Chipkante aufgebracht wird. Dieser Abstand sollte die spätere Lotdicke zumindest nicht wesentlich unterschreiten.
  • Erfindungsgemäß wird unter anderem geschaffen ein Multichipbauelement mit galvanisch getrennten Substraten der Chips, montiert auf einem durchgängigen Leadframe, wobei die Isolation bei mindestens einem der Chips bereits während der Scheibenfertigung erzeugt wurde.
  • Diese und weitere Aspekte der vorliegenden Erfindung werden auch an Hand der nachstehenden weiteren Bemerkungen erläutert:
    Die Integration von Bauelementen auf einem Chip, die untereinander einen hohen Potential-Unterschied im Betrieb aufweisen (z. B. >100V), ist schwierig, weil über das Silizium-Substrat eine galvanische Kopplung stattfindet. Somit müsste jedes der Bauelemente gegenüber dem Substratpotenzial eine galvanische Trennung mit entsprechend hoher zulässiger Potenzialdifferenz aufweisen.
  • Bisher wurden für derlei Anforderungen sog. SOI-Technologien verwendet, die den gravierenden Nachteil besitzen, dass das entsprechende Grundmaterial mit einer SiO2-Schicht zwischen der Nutzschicht an der Oberfläche, in der sich die Bauelemente befinden, und dem Trägersubstrat, nur zu sehr hohen Kosten verfügbar ist. Der Prozess zur Scheibenherstellung ist zudem technologisch aufwändig. Zudem muss der Waferprozess bei integrierten Schaltungen hinsichtlich seiner Tauglichkeit mit dem geänderten Grund-material überprüft und ggf. angepasst werden.
  • Eine alternative Methode ist, zwei Chips in ein Gehäuse zu montieren. Bei der isolierten Zweichipmontage ist zum einen ein teureres Leadframe mit geteilten Inseln erforderlich, das wiederum Einschränkungen bei den externen elektrischen Kontakten erfordert, um während des Montageprozesses und des Mouldens eine ausreichende mechanische Stabilität zu gewährleisten. Zum anderen reduziert sich die Fertigungskapazität in verketteten Linien auf die Hälfte, da die Taktzeiten von Diebond, Wirebond, Mould etc. auf Einchip-Montage ausgelegt ist und nun der Diebonder zwei Chips setzen muss – oder aber ein zweiter Diebonder in die Fertigungslinie integriert werden muss. Je nach verwendeten Technologien kann dieser Kostennachteil einer Mehrchip-Montage in der Größenordnung von etwa 25 bis etwa 50% für das Gesamtprodukt liegen.
  • Ziel der vorliegenden Erfindung ist, eine Isolationsfestigkeit zwischen benachbarten Bauelementen in einer integrierten Schaltung mit nahezu beliebiger Höhe anzubieten, die mit einem Standard- (Niedervolt-) IC-Prozess gefertigt wird und bei der zur Erreichung der Isolationswirkung nur wenige, kostengünstige zusätzliche Schritte benötigt werden, die mit bestehenden Fertigungstechniken realisiert werden können. Gezeigt wird die Erfindung am Beispiel einer Ansteuerschaltung für IGBTs, bei denen die Potentiale der Schaltungsteile im Betrieb um z. B. 600V, 1200V, 1700V oder mehr getrennt werden müssen. Die Signalübertragung zwischen den Schaltungsteilen läuft in diesem Fall über eine magnetische Kopplung von auf der Schaltung integrierten übereinander liegenden Spulen, die einen Transformator bilden. Natürlich lässt sich dieses Prinzip auch auf beliebige andere integrierte Schaltungen mit galvanisch getrennter Signalübertragung oder auch ohne Signalübertragung zwischen den Schaltungsteilen anwenden. Die Signalübertragung kann dabei über optische, magneti sche, kapazitive oder thermische Kopplung geschehen. Für die magnetische oder kapazitive Kopplung muss in der nachfolgenden Montage des Bauelements eine entsprechende Verbindung z. B. mit Wirebonds erstellt werden.
  • Soll nur eine galvanische Trennung der Substrate erreicht werden, so kann die Signalkopplung z.B. auch direkt über Bondverbindungen erfolgen.
  • Die Bauelemente, zwischen denen die galvanische Trennung bestehen soll, werden dabei auf dem gleichen Wafer in der am Ende gewünschten Positionierung nebeneinander mit dem später benötigten geringen Abstand prozessiert. Zum Ende des Herstellprozesses wird auf die Rückseite der Scheibe ein Träger aufgebracht. Dieser Träger kann aus einer Siliziumscheibe bestehen, deren Oberfläche auf der Verbindungsseite mit einer Isolatorschicht mit hinreichender Isolationsfestigkeit versehen ist, oder aus einem isolierenden Substrat wie z. B. einem Glas. Vor der Verbindung kann die Produkt-Scheibe vorgedünnt werden (z. B. Schleifen mit nachfolgender Stress Relief Ätzung).
  • Die Verbindung zwischen Produkt- und Trägerscheibe kann dabei über gängige Waferbondverfahren oder auch ganzflächig mit Kleber-Verbindungen (z. B. Silikon- oder Polyurethankleber, Spin-On-Glas) geschehen. Diese Verbindung muss lediglich Temperaturen im Backend of Line, dem Packaging und dem Betrieb (kurzfristig max. etwa 400°C) widerstehen können. Nach dem Verbinden der Wafer wird die Verbindung zwischen den galvanisch zu entkoppelnden Bauelement-Teilen getrennt, indem ein Graben erzeugt wird, der bis zum Trägerwafer reicht. Dieser Graben kann durch Ätzen, durch Sägen oder durch Lasern erzeugt werden. Dieser Graben wird anschließend mit einem Isolator aufgefüllt. Als Isolator eignet sich besonders Fotoimid, das gleichzeitig als Passivierung der integrierten Schaltung dienen kann und daher im Scheibenprozess vorher eingespart werden könnte. Eine Imidschicht ist bei hoch sperrenden Bauelementen zwischen den Pads sinnvoll, um die Isolationsstrecken auf der Oberseite der integrierten Schaltung zu verlängern. Die Mindest-Breite des Grabens hängt dabei von der geforderten Isolationsfestigkeit ab. Für niedrige Isolationsfestigkeiten kann es ausreichend sein, diesen Graben nur mit der Pressmasse beim Packaging zu füllen. In diesem Fall kann ein Imidprozess auch eingespart werden.
  • Das Vereinzeln der integrierten Schaltungen geschieht anschließend in herkömmlicher Weise z. B. durch Sägen. Zur Verhinderung von Überschlägen außen im Sägerahmen kann es vorteilhaft sein, dass das Bauelement, das nicht auf dem Potential des Leadframes liegt, mit einem umlaufenden Graben vom Rest der integrierten Schaltung getrennt wird. Dabei muss allerdings in Kauf genommen werden, dass zusätzliche Fläche für diesen Graben benötigt wird. Ein vollkommen isolierendes Substrat wie z. B. eine Glasscheibe bietet den Vorteil, dass die Tiefenkontrolle des Grabens einfacher ist, weil die Gefahr der Verletzung einer endlich dicken Isolierschicht wegfällt. Das Substrat seinerseits kann nochmals gedünnt werden, um den Packageprozess zu erleichtern. Es kann eine lötbare oder klebbare Metallisierung auf der Rückseite aufweisen.
  • Das Verfahren ist dann wirtschaftlich sinnvoll, wenn die beiden Schaltungsteile mit der gleichen Technologie gefertigt werden. Bei (kostenmäßig) deutlich unterschiedlichen Technologien kann der Mehraufwand für den sonst günstiger herzustellenden Teil-Chip die ursprünglich etwa 30 bis etwa 50% Kostenvorteile der Einchip-Montage wieder kompensieren. Ein kleiner Teil des Montage-Kostenvorteils wird durch erhöhte Aufwände im Scheibenprozess und die schlechtere Ausbeute des Dualchips (größere Chipfläche in einem Stück) auch beim gleichen Herstellprozess für die beiden einzelnen Chips wieder aufgebraucht.
  • Schwerpunkt möglicher Applikationen ist hier die Signalübertragung. Hohe Ströme und große Leistungen können mit diesem Konzept, das einen hohen vertikalen Stromfluss im Bauelement durch das isolierende Substrat verhindert, nicht ohne größeren Zusatzaufwand realisiert werden.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere integrierte Schaltungen mit galvanisch getrennten Schaltungsteilen auf einem isolierenden Substrat, erzeugt durch einen Graben zwischen den zu isolierenden Bereichen der mit einem Isolator gefüllt ist. Auf einem der Schaltungsteile wird dabei eine Signalübertragung mit einer vertikal verlaufenden Isolation bereitgestellt.
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen auf der Grundlage der beigefügten Figuren weiter erläutert.
  • 1, 2 sind schematische Querschnittsansichten zweier Ausführungsformen der erfindungsgemäßen integrierten Halbleiterschaltungsanordnung.
  • 3-5 sind schematische Querschnittansichten verschiedener Vorstufen bei der Produktion der erfindungsgemäßen integrierten Halbleiterschaltungsanordnung.
  • Nachfolgend werden strukturell oder funktionsmäßig ähnliche oder äquivalente Elemente und Strukturen mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Nicht in jedem Fall ihres Auftretens wird eine detaillierte Beschreibung der jeweiligen Struktur oder ihrer Funktion wiederholt.
  • 1 ist eine Querschnittansicht einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen integrierten Halbleiterschaltungsanordnung 1.
  • Bei dieser Ausführungsform der integrierten Halbleiterschaltungsanordnung 1 sind in einem Gehäuse 30 mit einer Vergussmasse 60 zur Einbettung ein erstes integriertes Halbleiterschaltungsmodul 10 oder ein erster Chip 10 sowie ein zweites integriertes Halbleiterschaltungsmodul 20 oder ein zweiter Chip 20 vorgesehen. Auf der Vorderseite 10a, 20a der jeweiligen Chips 10, 20 ist eine nicht-galvanische Signalübertragungseinrichtung 80 ausgebildet. Diese besteht in der Ausführungsform der 1 aus einem Bonddraht 81 und einer kapazitiven oder magnetischen Ankopplung mit einer ersten und einer zweiten Elektrode 82 bzw. 84 und einem dazwischen vorgesehenen und galvanisch trennenden Dielektrikum 83.
  • Auf den Rückseiten 10b und 20b der Chips 10, 20 sind ein erstes und ein zweites Isolationselement 41 bzw. 42 ausgebildet, die auf einem gemeinsamen Leiterrahmen 50 oder Leadframe 50 aufsitzen. Über die Isolationselemente 41 und 42 werden die ersten und zweiten Chips 10 bzw. 20 gegenüber dem Leadframe 50 und somit auch gegeneinander galvanisch und elektrisch isoliert. Zur Verbesserung der elektrischen Isolation ist im Zwischenraum oder Graben 70 zwischen dem ersten und dem zweiten Chip 10 bzw. 20 ein zusätzliches laterales Isolationselement 43 ausgebildet, und zwar als Verfüllungsstruktur des ursprünglichen Grabens 70 zwischen den Chips 10, 20. Insgesamt gesehen sind dann sämtliche Bestandteile der Ausführungsform der erfindungsgemäßen integrierten Halbleiterschaltungsanordnung aus 1 in dem Gehäuse 30 in der Vergussmasse 60 eingebettet ausgebildet.
  • Die Ausführungsform der 2 unterscheidet sich gegenüber der Ausführungsform der 1 nur dadurch, dass die separaten ersten und zweiten Isolationselemente 41 und 42 der 1 ersetzt sind durch ein gemeinsames und sich lateral erstreckendes Isolationselement 40.
  • 3 zeigt in schematischer Querschnittsansicht eine Vorstufe bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens für eine erfindungsgemäße integrierte Halbleiterschaltungsanordnung. Bei dieser Vorstufe ist ein Wafer 100 aus einem Halbleitermaterialbereich auf seiner Rückseite 100b mit einer Klebeschicht oder Haftschicht 101 versehen, an welche sich ein isolierender Träger 110 anschließt. Im Halbleitermaterialbereich des Wafers 100 werden erste und zweite Chips oder erste und zweite integrierte Halbleiterschaltungsmodule 10 bzw. 20 prozessiert dargestellt. Die Grenzen zwischen den Chips 10, 20 sind durch gestrichelte vertikale Linien X angedeutet. Die gepunkteten Bereiche geben die später auszubildenden Gräben 70 wieder, die für eine galvanische Isolation genutzt werden. Auf der Rückseite 110b des isolierenden Trägers 110, der später dann als gemeinsames Isolationselement 40 dienen kann, ist eine Rückseitenmetallisierung 112 vorgesehen. An den gestrichelten vertikalen Linien X werden die Chips später im Prozess vereinzelt.
  • 4 zeigt eine zur Ausführungsform der 3 ähnliche Ausführungsform für eine Zwischenstufe eines erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens für eine erfindungsgemäße integrierte Halbleiterschaltungsanordnung, bei welcher im Unterschied zur Ausführungsform der 3 ein Isolationselement bildender Bereich nicht als isolierender Träger 110 ausgebildet ist sondern als in einem Plasmaprozess aufgebrachte Isolatorschicht 111, an welche sich dann wiederum eine gegebenenfalls lötfähige Rückseitenmetallisierung 112 anschließt.
  • In 5 ist in Form einer seitlichen Querschnittsansicht einer Zwischenstufe einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen einer erfindungsgemäßen integrierten Halbleiterschaltungsanordnung dargestellt. Bei dieser Ausführungsform ist unter einem eigentlichen Produktchip 10, 20, also einem ersten bzw. zweiten integrierten Halbleiterschaltungsmodul 10, 20 wiederum eine Isolatorschicht im Sinne eines Isolationselements 41, 42 vorgesehen. Es schließt sich daran jedoch ein lateral seitlich zurückgezogenes Metall 112 als lötfähige Rückseitenmetallisierung an, wobei dann zur Verbindung mit einem vorzusehenden Leiterrahmen oder Leadframe 50 zum seitlich zurückgezogenen Metall 112 der lötfähigen Rückseitenmetallisierung noch eine Lötschicht 120 zur Fixierung der erzeugten Anordnung auf dem Leiterrahmen 50 oder Leadframe 50 ausgebildet ist. Die seitlich lateral zurückgezogene Ausführungsform der Rückseitenmetallisierung verhindert eine seitliche Berührung mit dem Lot 120 bzw. mit dem Metall 112 selbst.
    •
    • 1
    erfindungsgemäße integrierte Halbleiterschal
    tungsanordnung
    10
    erstes integriertes Halbleiterschaltungsmodul,
    erster Chip
    10a
    Oberflächenbereich
    10b
    Rückseitenbereich
    20
    zweites integriertes Halbleiterschaltungsmodul,
    zweiter Chip
    20a
    Oberflächenbereich
    20b
    Rückseitenbereich
    30
    Gehäuseeinrichtung
    40
    Isolationselement
    40a
    Oberflächenbereich
    40b
    Rückseite
    41
    Isolationselement
    41a
    Oberflächenbereich
    41b
    Rückseite
    42
    Isolationselement
    42a
    Oberflächenbereich
    42b
    Rückseite
    43
    Isolationselement
    43a
    Oberflächenbereich
    43b
    Rückseite
    50
    Leadframe, Leiterrahmen, Träger
    60
    Einbettung, Vergussmasse
    70
    Graben
    80
    nicht-galvanische Signalübertragungseinrichtung
    81
    Bonddraht
    82
    erste Elektrode
    83
    Dielektrikum
    84
    zweite Elektrode
    100
    Halbleitermaterialbereich, Halbleitersubstratbe
    reich, Wafer
    100a
    Oberflächenbereich
    100b
    Rückseite
    101
    Klebeschicht, Haftschicht
    110
    Träger, Isolation,
    110a
    Oberflächenbereich
    110b
    Rückseite
    111
    Isolatorschicht
    111a
    Oberflächenbereich
    111b
    Rückseite
    112
    Rückseitenmetallisierung
    120
    Lotschicht
    X
    Trennbereich, Trennlinie benachbarter Chips

Claims (22)

  1. Integrierte Halbleiterschaltungsanordnung, – mit mindestens einem ersten und einem zweiten integrierten Halbleiterschaltungsmodul (10, 20) oder einem ersten und zweiten Chip (10, 20), die räumlich eng benachbart angeordnet und insbesondere gemeinsam in einer Gehäuseeinrichtung (30) aufgenommen sind, – wobei zur galvanischen Trennung des ersten und des zweiten integrierten Halbleiterschaltungsmoduls (10, 20) oder des ersten und des zweiten Chips (10, 20) voneinander mindestens ein Isolationselement (40-43) vorgesehen ist und – wobei das Isolationselement (40-43) als beim Prozessieren des ersten und/oder zweiten integrierten Halbleiterschaltungsmoduls (10, 20) oder Chips (10, 20) integriert mitprozessierte Struktur ausgebildet ist.
  2. Integrierte Halbleiterschaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Isolationselement (40-42) jeweils als auf der Rückseite des integrierten Halbleiterschaltungsmoduls (10, 20) oder Chips (10, 20) vorgesehene und/oder prozessierte Struktur ausgebildet ist, insbesondere als Träger.
  3. Integrierte Halbleiterschaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jedes integrierte Halbleiterschaltungsmodul (10, 20) oder jeder Chip (10, 20) ein Isolationselement (40-42) aufweist, insbesondere in rückseitiger Form.
  4. Integrierte Halbleiterschaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die integrierten Halbleiterschaltungsmodule (10, 20) oder für die Chips (10, 20) ein gemeinsames Isolationselement (40) vorgesehen ist, insbesondere in rückseitiger Form.
  5. Integrierte Halbleiterschaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die integrierten Halbleiterschaltungsmodule (10, 20) oder Chips (10, 20) lateral beabstandet auf einem vorgesehenen – insbesondere gemeinsamen – Leiterrahmen oder Leadframe (50) in der Gehäuseeinrichtung (30) angeordnet sind, insbesondere mit mindestens einem rückseitigen – vorzugsweise gemeinsamen – Isolationselement (40-42) dazwischen.
  6. Integrierte Halbleiterschaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur lateralen Beabstandung und lateralen galvanischen Isolation der integrierten Halbleiterschaltungsmodule (10, 20) oder Chips (10, 20) voneinander zwischen den integrierten Halbleiterschaltungsmodulen (10, 20) oder den Chips (10, 20) ein laterales Isolationselement (43) vorgesehen ist.
  7. Integrierte Halbleiterschaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das laterale Isolationselement (43) als gefüllte Grabenstruktur eines vorgesehenen und die integrierten Halbleiterschaltungsmodule (10, 20) oder Chips (10, 20) lateral trennenden Grabens (70) ausgebildet ist.
  8. Integrierte Halbleiterschaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass rückseitige Isolationselemente (40-42) als gebondete und/oder geklebte Strukturen, insbesondere als Schichtstrukturen ausgebildet sind.
  9. Integrierte Halbleiterschaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass rückseitigen Isolationselemente (40-42) als abgeschiedene Strukturen, insbesondere Schichtstrukturen ausgebildet sind.
  10. Integrierte Halbleiterschaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass rückseitigen Isolationselemente (40-42) als rückseitig ausgedünnte Strukturen, insbesondere Schichtstrukturen ausgebildet sind.
  11. Integrierte Halbleiterschaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Signalübertragung zwischen den integrierten Halbleiterschaltungsmodulen (10, 20) oder Chips (10, 20) eine nicht-galvanische Übertragungseinrichtung vorgesehen ist, insbesondere in magnetisch, optisch und/oder thermisch gekoppelter Form.
  12. Verfahren zum Herstellen einer integrierten Halbleiterschaltungsanordnung mit mindestens einem ersten und einem zweiten integrierten Halbleiterschaltungsmodul (10, 20) oder einem ersten und zweiten Chip (10, 20), die räumlich eng benachbart ausgebildet und insbesondere gemeinsam in einer Gehäuseeinrichtung (30) aufgenommen werden, – wobei zur galvanischen Trennung des ersten und des zweiten integrierten Halbleiterschaltungsmoduls (10, 20) oder Chips (10, 20) voneinander mindestens ein Isolationselement (40-43) vorgesehen wird und – wobei das Isolationselement (40-43) als beim Prozessieren des ersten und/oder zweiten integrierten Halbleiterschal tungsmoduls (10, 20) oder Chips (10, 20) integriert mitprozessierte Struktur ausgebildet wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Isolationselement (40-42) jeweils als auf der Rückseite des integrierten Halbleiterschaltungsmoduls (10, 20) oder Chips (10, 20) vorgesehene und/oder prozessierte Struktur ausgebildet wird, insbesondere als Träger.
  14. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass jedes integrierte Halbleiterschaltungsmodul (10, 20) oder jeder Chip (10, 20) mit einem Isolationselement (40-42) ausgebildet wird, insbesondere in rückseitiger Form.
  15. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass für die integrierten Halbleiterschaltungsmodule (10, 20) oder für die Chips (10, 20) ein gemeinsames Isolationselement (40) vorgesehen wird, insbesondere in rückseitiger Form.
  16. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die integrierten Halbleiterschaltungsmodule (10, 20) oder Chips (10, 20) lateral beabstandet auf einem vorgesehenen – insbesondere gemeinsamen – Leiterrahmen oder Leadframe (50) in der Gehäuseeinrichtung (30) angeordnet werden, insbesondere mit mindestens einem rückseitigen – vorzugsweise gemeinsamen – Isolationselement (40-42) dazwischen.
  17. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass zur lateralen Beabstandung und lateralen galvanischen Isolation der integrierten Halbleiterschaltungsmodule (10, 20) oder Chips (10, 20) voneinander zwischen den integrierten Halbleiterschaltungsmodulen (10, 20) oder den Chips (10, 20) ein laterales Isolationselement (43) vorgesehen wird.
  18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das laterale Isolationselement (43) als gefüllte Grabenstruktur eines vorgesehenen und die integrierten Halbleiterschaltungsmodule (10, 20) oder Chips (10, 20) lateral trennenden Grabens (70) ausgebildet wird.
  19. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 12 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass rückseitige Isolationselemente (40, 42) als gebondete und/oder geklebte Strukturen, insbesondere als Schichtstrukturen ausgebildet werden.
  20. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 12 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass rückseitige Isolationselemente (40-42) als abgeschiedene Strukturen, insbesondere Schichtstrukturen ausgebildet werden.
  21. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 12 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass rückseitige Isolationselemente (40-42) als rückseitig ausgedünnte Strukturen, insbesondere Schichtstrukturen ausgebildet werden.
  22. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 12 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass zur Signalübertragung zwischen den integrierten Halbleiterschaltungsmodulen (10, 20) oder Chips (10, 20) eine nicht-galvanische Übertragungseinrichtung vorgesehen wird, insbesondere in magnetisch, optisch und/oder thermisch gekoppelter Form.
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