DE212021000403U1 - Electronic device, housing and semiconductor chip therefor - Google Patents
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Abstract
Elektronische Vorrichtung (1), die Folgendes umfasst:
- einen Halbleiterchip (2) mit einem Halbleiterkörper (22) und einer elektrischen Kontaktmetallisierung (3), und
- ein Gehäuse (4) mit einer elektrischen Kontaktscheibe (5), wobei
- sich die elektrische Kontaktmetallisierung (3) und die elektrische Kontaktscheibe (5) in direktem Kontakt auf einer Kontaktfläche (45) befinden, so dass der Halbleiterchip (2) elektrisch mit dem Gehäuse (4) verbunden ist, und
- die elektrische Kontaktmetallisierung (3) an der Kontaktfläche (45) eine geometrische Strukturierung (6) umfasst, die als wenigstens ein vertiefter Bereich ausgebildet ist, und
- die elektrische Kontaktmetallisierung (3) von einer mehrschichtigen Art ist und wenigstens eine unterbrochene Teilschicht (33) und wenigstens eine kontinuierliche Teilschicht (34) umfasst, sich die kontinuierliche Teilschicht (34) direkt an dem Halbleiterkörper (22) befindet und eine Dicke (T6) der kontinuierlichen Teilschicht (34) eine Dicke der unterbrochenen Teilschicht (33) um wenigstens einen Faktor von fünf überschreitet.
Electronic device (1) comprising:
- A semiconductor chip (2) with a semiconductor body (22) and an electrical contact metallization (3), and
- A housing (4) with an electrical contact disc (5), wherein
- The electrical contact metallization (3) and the electrical contact disk (5) are in direct contact on a contact surface (45), so that the semiconductor chip (2) is electrically connected to the housing (4), and
- The electrical contact metallization (3) on the contact surface (45) comprises a geometric structure (6) which is designed as at least one recessed area, and
- the electrical contact metallization (3) is of a multilayer type and comprises at least one discontinuous sublayer (33) and at least one continuous sublayer (34), the continuous sublayer (34) is located directly on the semiconductor body (22) and has a thickness (T6 ) of the continuous sub-layer (34) exceeds a thickness of the discontinuous sub-layer (33) by at least a factor of five.
Description
Eine elektronische Vorrichtung wird bereitgestellt. Ferner werden auch ein Gehäuse und ein Halbleiterchip für eine solche elektronische Vorrichtung bereitgestellt.An electronic device is provided. Furthermore, a housing and a semiconductor chip for such an electronic device are also provided.
Das Dokument
Ein zu lösendes Problem ist das Bereitstellen einer elektronischen Vorrichtung, die auf eine zuverlässige Weise elektrisch verbunden werden kann.A problem to be solved is to provide an electronic device that can be electrically connected in a reliable manner.
Dieses Ziel wird unter anderem durch eine elektronische Vorrichtung, durch ein Gehäuse und durch einen Halbleiterchip, wie in den unabhängigen Patentansprüchen definiert, erreicht. Bevorzugte weitere Entwicklungen stellen den Gegenstand der abhängigen Ansprüche dar.This aim is achieved inter alia by an electronic device, by a package and by a semiconductor chip as defined in the independent claims. Preferred further developments form the subject matter of the dependent claims.
Zum Beispiel weist die elektronische Vorrichtung eine geometrische Strukturierung an einer Kontaktfläche auf, um unterschiedliche Größen von Elektroden zu kompensieren, die dazu konfiguriert sind, gegeneinander gepresst zu werden, um einen trockenen elektrischen Kontakt zu erzielen. Durch das Kompensieren der unterschiedlichen Größen kann ein Kontaktdruck für sämtliche jeweiligen Elektroden etwa gleich sein. Die Kontaktfläche ist zum Beispiel eine elektrische Kontaktfläche, so dass die elektrische Vorrichtung dazu konfiguriert ist, durch die Kontaktfläche mit Strom gespeist zu werden.For example, the electronic device has geometric patterning on a contact surface to compensate for different sizes of electrodes configured to be pressed against each other to achieve dry electrical contact. By compensating for the different sizes, a contact pressure can be approximately the same for all respective electrodes. The contact area is, for example, an electrical contact area such that the electrical device is configured to be supplied with current through the contact area.
Bei wenigstens einer Ausführungsform umfasst die elektronische Vorrichtung Folgendes:
- - einen Halbleiterchip mit einer elektrischen Kontaktmetallisierung, und
- - ein Gehäuse mit einer elektrischen Kontaktscheibe, wobei
- - sich die elektrische Kontaktmetallisierung und die elektrische Kontaktscheibe in direktem Kontakt auf einer Kontaktfläche befinden, so dass der Halbleiterchip elektrisch mit dem Gehäuse verbunden ist, und
- - die elektrische Kontaktmetallisierung und/oder die elektrische Kontaktscheibe eine geometrische Strukturierung, die als wenigstens ein vertiefter Bereich ausgebildet ist, an der Kontaktfläche umfasst.
- - a semiconductor chip with an electrical contact metallization, and
- - A housing with an electrical contact disc, wherein
- - the electrical contact metallization and the electrical contact disk are in direct contact on a contact surface, so that the semiconductor chip is electrically connected to the housing, and
- - The electrical contact metallization and/or the electrical contact disk includes a geometric structure, which is designed as at least one recessed area, on the contact surface.
Bei wenigstens einer Ausführungsform umfasst die elektronische Vorrichtung Folgendes:
- - einen Halbleiterkörper, auf den eine elektrische Kontaktmetallisierung und eine weitere elektrische Kontaktmetallisierung auf einer weiteren Kontaktfläche gegenüber der elektrischen Kontaktmetallisierung aufgebracht ist, und
- - ein Gehäuse mit einer elektrischen Kontaktscheibe,
- - sich die elektrische Kontaktmetallisierung und die elektrische Kontaktscheibe in direktem Kontakt auf einer Kontaktfläche befinden, so dass der Halbleiterkörper elektrisch mit dem Gehäuse verbunden ist,
- - die elektrische Kontaktmetallisierung und/oder die elektrische Kontaktscheibe eine geometrische Strukturierung, die als wenigstens ein vertiefter Bereich ausgebildet ist, an der gesamten Kontaktfläche umfasst, wobei sich die geometrische Strukturierung über der gesamten Kontaktfläche erstreckt, und
- - eine mittlere Breite geometrischen Strukturierung um wenigstens einen Faktor von zwei kleiner als eine strukturelle Größe der weiteren elektrischen Kontaktmetallisierung ist.
- - a semiconductor body to which an electrical contact metallization and a further electrical contact metallization is applied on a further contact surface opposite the electrical contact metallization, and
- - a housing with an electrical contact disc,
- - the electrical contact metallization and the electrical contact disk are in direct contact on a contact surface, so that the semiconductor body is electrically connected to the housing,
- - the electrical contact metallization and/or the electrical contact disk comprises a geometric structure, which is designed as at least one recessed area, on the entire contact surface, the geometric structure extending over the entire contact surface, and
- - An average width of the geometric structuring is smaller by at least a factor of two than a structural size of the further electrical contact metallization.
Dementsprechend ist es gemäß wenigstens einer Ausführungsform möglich, dass die Geometrie bei Betrachtung in einer Draufsicht auf die jeweilige Metallisierung eine kleinere Periodizität oder laterale charakteristische Länge als die weitere elektrische Kontaktmetallisierung aufweist. Die mittlere Breite des wenigstens einen vertieften Bereichs ist zum Beispiel um wenigstens einen Faktor von fünf oder um wenigstens einen Faktor von zehn kleiner als die strukturelle Größe der weiteren elektrischen Kontaktmetallisierung, zum Beispiel entlang derselben Richtung. Die Periodizität oder laterale charakteristische Länge verweist zum Beispiel auf eine Richtung senkrecht zu einer Längenrichtung der Vertiefungen, die den wenigstens einen vertieften Bereich bilden. Mittels einer solchen Gestaltung können auf einer Skala der strukturellen Größe der weiteren elektrischen Kontaktmetallisierung die Merkmale der geometrischen Strukturierung als homogen verteilt betrachtet werden, so dass eine exakte relative Position zwischen der elektrischen Kontaktmetallisierung und der weiteren elektrischen Kontaktmetallisierung recht unkritisch werden kann.Accordingly, it is possible according to at least one embodiment for the geometry to have a smaller periodicity or lateral characteristic length than the further electrical contact metallization when viewed in a plan view of the respective metallization. The average width of the at least one depressed area is smaller, for example by at least a factor of five or by at least a factor of ten, than the structural size of the further electrical contact metallization, for example along the same direction. The periodicity or lateral characteristic length refers, for example, to a direction perpendicular to a length direction of the indentations forming the at least one indented region. By means of such a configuration, the features of the geometric structuring can be considered to be distributed homogeneously on a scale of the structural size of the further electrical contact metallization, so that an exact relative position between the electrical contact metallization and the further electrical contact metallization can become quite uncritical.
Gemäß wenigstens einer Ausführungsform ist der Halbleiterchip aus der Gruppe ausgewählt, die aus einer Diode, einem MetallOxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET), einem Metall-Isolator-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MISFET), einem Bipolartransistor mit isoliertem Gate (IGBT), einem Bipolartransistor (BJT), einem Thyristor, einem Gate-Turnoff-Thyristor (GTO), einem Gate-Commutated-Thyristor (GCT) und einem Sperrschichtfeldeffekttransistor (JFET) besteht. According to at least one embodiment, the semiconductor chip is selected from the group consisting of a diode, a metal-oxide-semiconductor field-effect transistor (MOSFET), a metal-insulator-semiconductor field-effect transistor (MISFET), an insulated gate bipolar transistor (IGBT), a bipolar transistor (BJT), a thyristor, a gate turnoff thyristor (GTO), a gate commutated thyristor (GCT) and a junction field effect transistor (JFET).
Zum Beispiel ist der Halbleiterchip ein Integrated-Gate-Commutated-Thyristor (IGCT) oder ein IGCT mit eingebetteter antiparalleler Diode.For example, the semiconductor chip is an integrated gate commutated thyristor (IGCT) or an IGCT with an embedded anti-parallel diode.
Zum Beispiel ist der Halbleiterchip und dementsprechend die elektronische Vorrichtung zum Handhaben eines maximalen Stroms von wenigstens 50 A oder von wenigstens 0,5 kA oder von wenigstens 5 kA konfiguriert. Entsprechend können der Halbleiterchip und die elektronische Vorrichtung Hochleistungskomponenten sein.For example, the semiconductor chip and accordingly the electronic device is configured to handle a maximum current of at least 50 A, or at least 0.5 kA, or at least 5 kA. Accordingly, the semiconductor chip and the electronic device can be high-performance components.
Zum Beispiel umfasst der Halbleiterchip einen Halbleiterkörper. Der Halbleiterkörper kann aus einem oder mehreren Halbleitermaterialien bestehen. Bei Betrachtung in einer Draufsicht können der Halbleiterchip und/oder der Halbleiterkörper eine polygonale Form, wie rechteckig, aufweisen, aber können auch eine runde Form, wie kreisförmig, aufweisen. Falls der Halbleiterchip aus einem Halbleiterwafer zerteilt wird, dann kann der Halbleiterchip bei Betrachtung in einer Draufsicht ein Polygon sein; falls der Halbleiterchip ein Halbleiterwafer oder ein größter Teil eines Halbleiterwafers ist, dann kann der Halbleiterchip bei Betrachtung in einer Draufsicht ein Kreis oder ein Kreissegment, zum Beispiel mit einem Mittelpunktwinkel von mehr als 180°, sein.For example, the semiconductor chip includes a semiconductor body. The semiconductor body can consist of one or more semiconductor materials. When viewed in a plan view, the semiconductor chip and/or the semiconductor body may have a polygonal shape, such as rectangular, but may also have a round shape, such as circular. If the semiconductor chip is diced from a semiconductor wafer, then the semiconductor chip may be a polygon when viewed in a plan view; if the semiconductor chip is a semiconductor wafer or a major part of a semiconductor wafer, then the semiconductor chip can be a circle or a circle segment, for example with a central angle of more than 180°, when viewed in a plan view.
Gemäß wenigstens einer Ausführungsform ist die elektrische Kontaktmetallisierung eine integrierte Komponente des Halbleiterchips. Daher kann die elektrische Kontaktmetallisierung möglichweise nicht von dem Halbleiterchip entfernt werden, ohne den Halbleiterchip zu zerstören.According to at least one embodiment, the electrical contact metallization is an integrated component of the semiconductor chip. Therefore, the electrical contact metallization may not be removable from the semiconductor chip without destroying the semiconductor chip.
Gemäß wenigstens einer Ausführungsform weist das Gehäuse eine mehrteilige Art auf. Dementsprechend kann das Gehäuse weitere Komponenten außer der elektrischen Kontaktscheibe umfassen.According to at least one embodiment, the housing is of a multi-part nature. Accordingly, the housing can include other components apart from the electrical contact disk.
Gemäß wenigstens einer Ausführungsform befinden sich die elektrische Kontaktmetallisierung und die elektrische Kontaktscheibe in direktem Kontakt auf der Kontaktfläche, so dass der Halbleiterchip elektrisch mit dem Gehäuse verbunden ist, so dass es keine zusätzlichen elektrischen Verbindungsmittel zwischen der elektrischen Kontaktmetallisierung und der elektrischen Kontaktscheibe gibt. Diese Konfiguration wird oft als trockener Kontakt bezeichnet. Zum Beispiel gibt es kein Lot in einem trockenen Kontakt. Die elektrische Kontaktmetallisierung und die elektrische Kontaktscheibe können voneinander reversibel entfernbar sein.According to at least one embodiment, the electrical contact metallization and the electrical contact disk are in direct contact on the contact surface, so that the semiconductor chip is electrically connected to the housing, so that there are no additional electrical connecting means between the electrical contact metallization and the electrical contact disk. This configuration is often referred to as a dry contact. For example, there is no solder in a dry contact. The electrical contact metallization and the electrical contact disk can be reversibly removable from one another.
Gemäß wenigstens einer Ausführungsform umfasst die elektrische Kontaktmetallisierung und/oder die elektrische Kontaktscheibe die geometrische Strukturierung an der Kontaktfläche. Die Kontaktfläche kann eine Ebene parallel oder näherungsweise parallel zu Hauptseiten des Halbleiterchips sein.In accordance with at least one embodiment, the electrical contact metallization and/or the electrical contact disk includes the geometric structuring on the contact surface. The contact area can be a plane parallel or approximately parallel to main sides of the semiconductor chip.
Die geometrische Strukturierung ist als ein vertiefter Bereich ausgebildet. Dementsprechend wird ein Kontaktbereich zwischen der elektrischen Kontaktmetallisierung und der Kontaktfläche aufgrund der Strukturierung verringert. Die Strukturierung befindet sich zum Beispiel innerhalb einer äußeren Konturlinie der elektrischen Kontaktmetallisierung und/oder der elektrischen Kontaktscheibe. Daher ist der vertiefte Bereich relativ zu der Kontaktfläche zurückgesetzt. Zum Beispiel wird der vertiefte Bereich durch Materialentfernung von oder durch strukturierte Herstellung der elektrischen Kontaktmetallisierung und/oder der elektrischen Kontaktscheibe produziert, aber alternativ dazu ist es auch möglich, dass der vertiefte Bereich aus dem Aufbringen zusätzlichen Materials auf die elektrische Kontaktmetallisierung und/oder die elektrische Kontaktscheibe resultiert, um Erhöhungen oberhalb einer Basisebene der ansonsten dünneren elektrischen Kontaktmetallisierung und/oder der elektrischen Kontaktscheibe zu produzieren.The geometric structuring is designed as a recessed area. Accordingly, a contact area between the electrical contact metallization and the contact area is reduced due to the structuring. The structuring is located, for example, within an outer contour line of the electrical contact metallization and/or the electrical contact disk. Therefore, the recessed area is recessed relative to the contact area. For example, the depressed area is produced by removing material from or by patterning the electrical contact metallization and/or the electrical contact disk, but alternatively it is also possible that the depressed area results from the application of additional material to the electrical contact metallization and/or the electrical Contact disk results to produce ridges above a base level of the otherwise thinner electrical contact metallization and/or the electrical contact disk.
Gemäß wenigstens einer Ausführungsform umfasst die elektrische Kontaktmetallisierung Al und/oder Ag. Alternativ dazu oder zusätzlich umfasst die elektrische Kontaktscheibe Mo, Rh, Ru, Pd, Pt, W und/oder Aluminiumgraphit. Zum Beispiel umfasst die elektrische Kontaktmetallisierung Aluminium oder eine Aluminiumlegierung oder besteht daraus und umfasst die elektrische Kontaktscheibe Molybdän oder eine Molybdänlegierung oder besteht daraus, wobei eine dünne Plattierung aus Rh oder Ru auf das Molybdän oder die Molybdänlegierung aufgebracht werden kann, so dass die elektrische Kontaktscheibe im Wesentlichen aus Molybdän oder einer Molybdänlegierung besteht. In diesem Kontext kann im Wesentlichen` auf einen Massenanteil von wenigstens 95 % oder von wenigstens 99 % verweisen.In accordance with at least one embodiment, the electrical contact metallization comprises Al and/or Ag. Alternatively or additionally, the electrical contact disk comprises Mo, Rh, Ru, Pd, Pt, W and/or aluminum graphite. For example, the electrical contact metallization comprises or consists of aluminum or an aluminum alloy and the electrical contact disk comprises or consists of molybdenum or a molybdenum alloy, where a thin plating of Rh or Ru can be applied to the molybdenum or molybdenum alloy so that the electrical contact disk im Essentially consists of molybdenum or a molybdenum alloy. In this context, essentially` can refer to a mass fraction of at least 95% or at least 99%.
Gemäß wenigstens einer Ausführungsform beträgt die Dicke der elektrischen Kontaktmetallisierung wenigstens 5 pm oder wenigstens 10 µm. Alternativ dazu oder zusätzlich beträgt die Dicke höchstens 100 µm oder höchstens 50 µm. Zum Beispiel beträgt die Dicke 20 µm.In accordance with at least one embodiment, the thickness of the electrical contact metallization is at least 5 μm or at least 10 μm. Alternatively or additionally, the thickness is at most 100 µm or at most 50 µm. For example, the thickness is 20 µm.
Gemäß wenigstens einer Ausführungsform beträgt eine Dicke der elektrischen Kontaktscheibe wenigstens zwischen 0,5 mm oder wenigstens 1,0 mm. Alternativ dazu oder zusätzlich beträgt die Dicke höchstens 5 mm.In accordance with at least one embodiment, the thickness of the electrical contact disk is at least between 0.5 mm and at least 1.0 mm. Alternatively or additionally, the thickness is at most 5 mm.
Gemäß wenigstens einer Ausführungsform beträgt eine mittlere Rauigkeit einer oberen Fläche der elektrischen Kontaktscheibe, die der elektrischen Kontaktmetallisierung zugewandt ist, wenigstens 0,1 µm oder wenigstens 0,2 µm. Alternativ dazu oder zusätzlich beträgt die mittlere Rauigkeit, die auch als Ra bezeichnet wird, höchstens 1 µm oder höchstens 0,5 µm. Das heißt, die obere Fläche der elektrischen Kontaktscheibe ist vergleichsweise rau. Aufgrund der vergleichsweise großen Rauigkeit ist in diesem Fall die obere Fläche dazu konfiguriert, sich in die elektrische Kontaktmetallisierung zu graben. Zum Beispiel kann die elektrische Kontaktscheibe eine Oxidschicht der elektrischen Kontaktmetallisierung auf der Kontaktfläche penetrieren.In accordance with at least one embodiment, an average roughness of an upper surface of the electrical contact disk, which faces the electrical contact metallization, is at least 0.1 μm or at least 0.2 μm. Alternatively or additionally, the average roughness, which is also referred to as Ra, is at most 1 μm or at most at least 0.5 µm. That is, the top surface of the electrical contact disk is comparatively rough. In this case, due to the comparatively large roughness, the upper surface is configured to dig into the electrical contact metallization. For example, the electrical contact disk can penetrate an oxide layer of the electrical contact metallization on the contact surface.
Gemäß wenigstens einer Ausführungsform beträgt ein mittlerer Durchmesser der elektrischen Kontaktmetallisierung wenigstens 1 cm oder wenigstens 3 cm. Alternativ dazu oder zusätzlich beträgt der mittlere Durchmesser höchstens 25 cm oder höchstens 16 cm.In accordance with at least one embodiment, an average diameter of the electrical contact metallization is at least 1 cm or at least 3 cm. Alternatively or additionally, the mean diameter is at most 25 cm or at most 16 cm.
Gemäß wenigstens einer Ausführungsform beträgt eine mittlere Breite der geometrischen Strukturierung wenigstens 0,2 mm oder wenigstens 1 mm. Alternativ dazu oder zusätzlich beträgt die mittlere Breite höchstens 10 mm oder höchstens 5 mm.According to at least one embodiment, an average width of the geometric structuring is at least 0.2 mm or at least 1 mm. Alternatively or additionally, the mean width is at most 10 mm or at most 5 mm.
Gemäß wenigstens einer Ausführungsform beträgt eine mittlere Tiefe der geometrischen Strukturierung wenigstens 1 µm oder wenigstens 3 µm. Alternativ dazu oder zusätzlich beträgt die mittlere Tiefe höchstens 1 mm oder höchstens 0,2 mm oder höchstens 30 µm. Zum Beispiel beträgt die mittlere Tiefe wenigstens zweimal und höchstens 20-mal die mittlere Rauigkeit der elektrischen Kontaktscheibe. Die mittlere Tiefe der geometrischen Strukturierung ist zum Beispiel ein Volumen des wenigstens einen vertieften Bereichs, geteilt durch eine Grundfläche des wenigstens einen vertieften Bereichs.In accordance with at least one embodiment, an average depth of the geometric structuring is at least 1 μm or at least 3 μm. Alternatively or additionally, the average depth is at most 1 mm, or at most 0.2 mm, or at most 30 µm. For example, the average depth is at least twice and at most 20 times the average roughness of the electrical contact disk. The average depth of the geometric structuring is, for example, a volume of the at least one depressed area divided by a base area of the at least one depressed area.
Gemäß wenigstens einer Ausführungsform beträgt ein Flächenanteil der geometrischen Strukturierung an einer Gesamtgröße der elektrischen Kontaktmetallisierung und/oder der elektrischen Kontaktscheibe, die mit der geometrischen Strukturierung versehen ist/sind, wenigstens 20 % oder höchstens 40 %. Alternativ dazu oder zusätzlich beträgt der Anteil höchstens 60 % oder höchstens 80 %. Dieser Anteil verweist zum Beispiel auf einen Flächenanteil des vertieften Bereichs innerhalb der äußeren Konturlinie der elektrischen Kontaktmetallisierung und/oder der elektrischen Kontaktscheibe. Durch einen solchen Anteil können Größenunterschiede zwischen der elektrischen Kontaktmetallisierung und der weiteren elektrischen Kontaktmetallisierung effizient kompensiert werden.In accordance with at least one embodiment, a surface proportion of the geometric structuring in relation to an overall size of the electrical contact metallization and/or the electrical contact disk which is/are provided with the geometric structuring is at least 20% or at most 40%. Alternatively or additionally, the proportion is at most 60% or at most 80%. This portion refers, for example, to a surface portion of the depressed area within the outer contour line of the electrical contact metallization and/or the electrical contact disk. Such a proportion allows size differences between the electrical contact metallization and the further electrical contact metallization to be efficiently compensated for.
Gemäß wenigstens einer Ausführungsform umfasst nur die elektrische Kontaktmetallisierung die geometrische Strukturierung, und nicht die elektrische Kontaktscheibe. Daher weist die elektrische Kontaktmetallisierung den wenigstens einen vertieften Bereich auf.In accordance with at least one embodiment, only the electrical contact metallization includes the geometric structuring and not the electrical contact disk. Therefore, the electrical contact metallization has the at least one recessed area.
Gemäß wenigstens einer Ausführungsform sind sowohl die elektrische Kontaktmetallisierung als auch die elektrische Kontaktscheibe dazu konfiguriert, sich auf dem gleichen elektrischen Potential zu befinden. Mit anderen Worten sind sowohl die elektrische Kontaktmetallisierung als auch die elektrische Kontaktscheibe elektrisch kurzgeschlossen. Der elektrische Kurzschluss wird zum Beispiel innerhalb eines Materials der elektrischen Kontaktmetallisierung und der elektrischen Kontaktscheibe selbst realisiert oder kann durch eine andere Komponente, die an die elektrische Kontaktmetallisierung und die elektrische Kontaktscheibe angrenzt, wie ein stark dotiertes Halbleitermaterial des Halbleiterchips oder eine elektrische Kontaktplatte des Gehäuses, realisiert werden.In accordance with at least one embodiment, both the electrical contact metallization and the electrical contact disk are configured to be at the same electrical potential. In other words, both the electrical contact metallization and the electrical contact disk are electrically short-circuited. The electrical short circuit is realized, for example, within a material of the electrical contact metallization and the electrical contact disk itself or can be realized by another component that is adjacent to the electrical contact metallization and the electrical contact disk, such as a heavily doped semiconductor material of the semiconductor chip or an electrical contact plate of the package, will be realized.
Gemäß wenigstens einer Ausführungsform ist die elektrische Kontaktmetallisierung von einer mehrschichtigen Art. Daher umfasst die elektrische Kontaktmetallisierung wenigstens zwei Teilschichten. Zum Beispiel sind alle Teilschichten metallische Schichten. Zum Beispiel folgen sämtliche Teilschichten einander direkt in einer Richtung von dem Halbleiterkörper weg, an Stellen, an denen die jeweiligen Teilschichten auf den Halbleiterkörper aufgebracht sind.According to at least one embodiment, the electrical contact metallization is of a multilayer type. Therefore, the electrical contact metallization comprises at least two sublayers. For example, all sub-layers are metallic layers. For example, all sub-layers follow one another directly in a direction away from the semiconductor body at locations where the respective sub-layers are applied to the semiconductor body.
Gemäß wenigstens einer Ausführungsform umfasst die elektrische Kontaktmetallisierung eine oder mehrere unterbrochene Teilschichten. Das heißt, die wenigstens eine unterbrochene Teilschicht kann Unterbereiche umfassen, die nicht durch ein Material der unterbrochenen Teilschicht selbst verbunden sind. Mit anderen Worten kann der Halbleiterkörper stellenweise frei von der wenigstens einen unterbrochenen Teilschicht sein.In accordance with at least one embodiment, the electrical contact metallization comprises one or more interrupted partial layers. That is, the at least one discontinuous sub-layer may include sub-regions that are not connected by a material of the discontinuous sub-layer itself. In other words, the semiconductor body can be free from the at least one interrupted partial layer in places.
Gemäß wenigstens einer Ausführungsform umfasst die elektrische Kontaktmetallisierung eine oder mehrere kontinuierliche Teilschichten. Daher kann die wenigstens eine kontinuierliche Teilschicht frei von jeglichen Unterbrechungen und Löchern sein.According to at least one embodiment, the electrical contact metallization comprises one or more continuous sub-layers. Therefore, the at least one continuous sub-layer can be free from any discontinuities and pinholes.
Gemäß wenigstens einer Ausführungsform befindet sich die wenigstens eine kontinuierliche Teilschicht auf der Kontaktfläche. Daher befindet sich die wenigstens eine unterbrochene Teilschicht zwischen der kontinuierlichen Teilschicht und dem Halbleitermaterial des Halbleiterchips. According to at least one embodiment, the at least one continuous sub-layer is located on the contact surface. Therefore, the at least one discontinuous sub-layer is located between the continuous sub-layer and the semiconductor material of the semiconductor chip.
Zum Beispiel ist die wenigstens eine unterbrochene Teilschicht vollständig durch die wenigstens eine kontinuierliche Teilschicht bedeckt und eingekapselt. Alternativ dazu befindet sich die unterbrochene Teilschicht auf der Kontaktfläche und bedeckt die wenigstens eine kontinuierliche Teilschicht teilweise.For example, the at least one discontinuous sub-layer is completely covered and encapsulated by the at least one continuous sub-layer. Alternatively, the discontinuous sub-layer is on the contact surface and partially covers the at least one continuous sub-layer.
Gemäß wenigstens einer Ausführungsform bestehen die wenigstens eine unterbrochene Teilschicht und die wenigstens eine kontinuierliche Teilschicht aus dem gleichen Material, zum Beispiel aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung. Als eine Alternative dazu bestehen die wenigstens eine unterbrochene Teilschicht und die wenigstens eine kontinuierliche Teilschicht aus unterschiedlichen Materialien.According to at least one embodiment, the at least one discontinuous sub-layer and the at least one continuous sub-layer consist of the same material, for example aluminum or an aluminum alloy. As an alternative, the at least one discontinuous sub-layer and the at least one continuous sub-layer consist of different materials.
Gemäß wenigstens einer Ausführungsform weisen die wenigstens eine unterbrochene Teilschicht und die wenigstens eine kontinuierliche Teilschicht unterschiedliche Dicken auf. Als eine Alternative dazu können die wenigstens eine unterbrochene Teilschicht und die wenigstens eine kontinuierliche Teilschicht die gleiche Dicke aufweisen.According to at least one embodiment, the at least one discontinuous sub-layer and the at least one continuous sub-layer have different thicknesses. As an alternative, the at least one discontinuous sub-layer and the at least one continuous sub-layer may have the same thickness.
Gemäß wenigstens einer Ausführungsform umfasst nur die elektrische Kontaktscheibe die geometrische Strukturierung, und nicht die elektrische Kontaktmetallisierung. Daher kann der wenigstens eine vertiefte Bereich auf die elektrische Kontaktscheibe begrenzt sein. Zum Beispiel ist die gesamte elektrische Kontaktscheibe dazu konfiguriert, sich auf dem gleichen elektrischen Potential zu befinden.In accordance with at least one embodiment, only the electrical contact disk includes the geometric structuring and not the electrical contact metallization. Therefore, the at least one recessed area can be limited to the electrical contact disk. For example, the entire electrical contact disk is configured to be at the same electrical potential.
Als eine Alternative dazu können die elektrische Kontaktscheibe sowie die elektrische Kontaktmetallisierung mit der geometrischen Strukturierung versehen sein und können dementsprechend vertiefte Bereiche umfassen.As an alternative to this, the electrical contact disc and the electrical contact metallization can be provided with the geometric structuring and can accordingly comprise recessed areas.
Gemäß wenigstens einer Ausführungsform besteht die geometrische Strukturierung bei Betrachtung in einer Draufsicht auf die Kontaktfläche aus wenigstens einer der folgenden Grundformen oder umfasst diese: Kreis, Spirale, Rechteck, Dreieck, Hexagon, Wabe. zum Beispiel ist die geometrische Strukturierung von einer rotationssymmetrischen oder beinahe rotationssymmetrischen Art oder ist eine Wabenstruktur.According to at least one embodiment, the geometric structuring consists of at least one of the following basic shapes or includes these when viewed in a plan view of the contact surface: circle, spiral, rectangle, triangle, hexagon, honeycomb. for example, the geometric structuring is of a rotationally symmetric or nearly rotationally symmetric type, or is a honeycomb structure.
Zum Beispiel kann eine solche geometrische Strukturierung mittels Ätzen, Fräsen oder Drehen oder auch mittels Beschichtung oder Plattierung in die elektrische Kontaktscheibe und/oder die elektrische Kontaktmetallisierung hinein hergestellt werden.For example, such a geometric structuring can be produced by means of etching, milling or turning or also by means of coating or plating into the electrical contact disk and/or the electrical contact metallization.
Gemäß wenigstens einer Ausführungsform umfasst der Halbleiterchip eine oder mehr als eine weitere elektrische Kontaktmetallisierung. Zum Beispiel weist die wenigstens eine weitere elektrische Kontaktmetallisierung eine ebene und/oder glatte weitere Kontaktfläche auf. Eben bedeutet zum Beispiel, dass die jeweilige weitere elektrische Kontaktmetallisierung eine Oberfläche aufweist, die durch eine Ebene approximiert werden kann, das heißt, sie weist keine oder im Wesentlichen keine Krümmung bei Betrachtung in einem Querschnitt senkrecht zu der Oberfläche der weiteren elektrischen Kontaktmetallisierung auf. Glatt bedeutet zum Beispiel, dass die wenigstens eine weitere elektrische Kontaktmetallisierung eine mittlere Rauigkeit, Ra, aufweist, die wenigstens 20 % oder 10 % oder 5 % oder 2 % der mittleren Rauigkeit, Ra, der wenigstens einen elektrischen Kontaktmetallisierung ist, und/oder die mittlere Rauigkeit, Ra, der wenigstens einen weiteren elektrischen Kontaktmetallisierung höchstens 0,1 µm oder 0,01 µm beträgt.In accordance with at least one embodiment, the semiconductor chip comprises one or more than one further electrical contact metallization. For example, the at least one additional electrical contact metallization has an even and/or smooth additional contact surface. Flat means, for example, that the respective further electrical contact metallization has a surface that can be approximated by a plane, ie it has no or essentially no curvature when viewed in a cross section perpendicular to the surface of the further electrical contact metallization. Smooth means, for example, that the at least one further electrical contact metallization has an average roughness, Ra, which is at least 20% or 10% or 5% or 2% of the average roughness, Ra, of the at least one electrical contact metallization, and/or the average roughness, Ra, of at least one further electrical contact metallization is at most 0.1 µm or 0.01 µm.
Das heißt, die weitere elektrische Kontaktmetallisierung weist zum Beispiel die geometrische Strukturierung nicht auf und weist dementsprechend keine vertieften Bereiche auf. Alternativ dazu kann die weitere elektrische Kontaktmetallisierung im Gegensatz zu dem, was für die elektrische Kontaktmetallisierung der Fall ist, eine Strukturierung aufweisen, die durch das interne elektrische Schema des Halbleiterchips erforderlich ist.This means that the further electrical contact metallization does not have the geometric structuring, for example, and accordingly does not have any recessed areas. Alternatively, the further electrical contact metallization, contrary to what is the case for the electrical contact metallization, can have a patterning required by the internal electrical scheme of the semiconductor chip.
Außer der elektrischen Kontaktmetallisierung und der wenigstens einen weiteren elektrischen Kontaktmetallisierung kann der Halbleiterchip auch weitere elektrische Kontaktbereiche umfassen, die zum Beispiel kleiner als die elektrische Kontaktmetallisierung und die wenigstens eine weitere elektrische Kontaktmetallisierung sind.In addition to the electrical contact metallization and the at least one further electrical contact metallization, the semiconductor chip can also comprise further electrical contact regions which are smaller than the electrical contact metallization and the at least one further electrical contact metallization, for example.
Zum Beispiel sind die elektrische Kontaktmetallisierung, die wenigstens eine weitere elektrische Kontaktmetallisierung und auch der wenigstens eine weitere elektrische Kontaktbereich elektrisch voneinander separiert und sind daher nicht elektrisch kurzgeschlossen. Zum Beispiel ist die elektrische Kontaktmetallisierung eine Anode, ist die weitere elektrische Kontaktmetallisierung eine Kathode und ist der weitere elektrische Kontaktbereich ein Gate-Kontakt.For example, the electrical contact metallization, the at least one further electrical contact metallization and also the at least one further electrical contact area are electrically separated from one another and are therefore not electrically short-circuited. For example, the electrical contact metallization is an anode, the further electrical contact metallization is a cathode and the further electrical contact region is a gate contact.
Gemäß Wenigstens einer Ausführungsform ist bei Betrachtung in einer Draufsicht auf die jeweilige Metallisierung eine Gesamtgröße der weiteren Kontaktfläche kleiner als jene der Kontaktfläche und dementsprechend der elektrischen Kontaktmetallisierung. Zum Beispiel überschreitet die Größe der Kontaktfläche die Größe der weiteren Kontaktfläche um wenigstens einen Faktor von 1,5 oder um wenigstens einen Faktor von 2 oder um wenigstens einen Faktor von 3. Alternativ dazu oder zusätzlich beträgt der Faktor höchstens 10 oder beträgt höchstens 5 oder beträgt höchstens 3.According to at least one embodiment, when viewed in a top view of the respective metallization, an overall size of the further contact area is smaller than that of the contact area and accordingly of the electrical contact metallization. For example, the size of the contact surface exceeds the size of the further contact surface by at least a factor of 1.5, or by at least a factor of 2, or by at least a factor of 3. Alternatively or additionally, the factor is at most 10 or is at most 5 or is at most 3.
Gemäß wenigstens einer Ausführungsform ist aufgrund der geometrischen Strukturierung eine Größe der Kontaktfläche der elektrischen Kontaktmetallisierung oder der elektrischen Kontaktscheibe gleich der Größe der weiteren Kontaktfläche. Zum Beispiel gilt dies mit einer Toleranz von höchstens einem Faktor von 1,2 oder von höchstens einem Faktor von 1,1. Daher sind mittels der geometrischen Strukturierung effektive Größen der elektrischen Kontaktmetallisierung und der weiteren elektrischen Kontaktmetallisierung etwa gleich. Die effektive Größe kann auf eine Größe eines jeweiligen mechanischen Kontaktbereichs verweisen. Dementsprechend sollte, wenn der Druck auf die jeweilige Komponente als Kraft pro Fläche berechnet wird, die effektive Größe als die relevante Fläche in dem Ausdruck Kraft pro Fläche' betrachtet werden.According to at least one embodiment, due to the geometric structuring, a size of the contact surface of the electrical contact metallization or of the electrical contact disk is equal to the size of the further contact surface. For example, this applies with a tolerance of at most a factor of 1.2 or at most a factor of 1.1. Therefore, by means of the geometric structuring, effective sizes of the electrical contact metallization and the further electrical contact metallization are approximately the same. The effective size may refer to a size of a respective mechanical contact area. Accordingly, when the pressure on the particular component is calculated as force per area, the effective size should be considered as the relevant area in the expression force per area'.
Gemäß wenigstens einer Ausführungsform befinden sich die elektrische Kontaktmetallisierung und die weitere elektrische Kontaktmetallisierung auf gegenüberliegenden Hauptseiten des Halbleiterchips. Zum Beispiel sind die elektrische Kontaktmetallisierung und die weitere elektrische Kontaktmetallisierung teilweise oder vollständig auf eine überlappende Weise bei Betrachtung in einer Draufsicht auf die Hauptseiten des Halbleiterchips angeordnet.In accordance with at least one embodiment, the electrical contact metallization and the further electrical contact metallization are located on opposite main sides of the semiconductor chip. For example, the electrical contact metallization and the further electrical contact metallization are partially or fully arranged in an overlapping manner when viewed in a plan view of the main sides of the semiconductor chip.
Als eine Alternative dazu können sich die elektrische Kontaktmetallisierung und die weitere elektrische Kontaktmetallisierung auch auf derselben Hauptseite des Halbleiterchips oder auch auf lateralen Flächen des Halbleiterchips befinden.As an alternative to this, the electrical contact metallization and the further electrical contact metallization can also be located on the same main side of the semiconductor chip or also on lateral areas of the semiconductor chip.
Gemäß wenigstens einer Ausführungsform ist der Halbleiterchip dazu konfiguriert, mit einer Kontaktkraft von wenigstens 0,3 kN/cm2 und/oder von höchstens 2 kN/cm2 oder von höchstens 3 kN/cm2 oder von höchstens 10 kN/cm2 elektrisch kontaktiert zu werden. Dementsprechend sind der Halbleiterchip und folglich die elektrische Kontaktmetallisierung und die optionale wenigstens eine weitere elektrische Kontaktmetallisierung dazu konfiguriert, solchen vergleichsweise hohen Drücken standzuhalten.According to at least one embodiment, the semiconductor chip is configured to be electrically contacted with a contact force of at least 0.3 kN/cm 2 and/or at most 2 kN/cm 2 or at most 3 kN/cm 2 or at most 10 kN/cm 2 to become. Accordingly, the semiconductor chip and consequently the electrical contact metallization and the optional at least one further electrical contact metallization are configured to withstand such comparatively high pressures.
Dieser hohe Druck ist zum Beispiel in der nicht montierten elektronischen Vorrichtung nicht vorhanden, sondern nur in der montierten elektronischen Vorrichtung. Entsprechend kann bei der noch nicht montierten elektronischen Vorrichtung die elektrische Kontaktscheibe locker an der elektrischen Kontaktmetallisierung oder nur unter Anwendung eines geringen Drucks von zum Beispiel höchstens 0,1 kN/cm2 oder höchstens 10 N/cm2 angeordnet werden. Das gleiche gilt für die optionale wenigstens eine weitere elektrische Kontaktmetallisierung. Montiert kann auf die elektronische Vorrichtung verweisen, die in einem Stapel angeordnet ist.For example, this high pressure does not exist in the unassembled electronic device but only in the assembled electronic device. Correspondingly, with the electronic device not yet assembled, the electrical contact disk can be arranged loosely on the electrical contact metallization or only by applying a small pressure of, for example, at most 0.1 kN/cm 2 or at most 10 N/cm 2 . The same applies to the optional at least one additional electrical contact metallization. Assembled may refer to the electronic device arranged in a stack.
Gemäß wenigstens einer Ausführungsform umfasst das Gehäuse eine elektrisch isolierende Umhüllung und/oder wenigstens eine elektrische Metallkontaktplatte. Zum Beispiel ist die Umhüllung aus einer Keramik gefertigt, kann aber auch aus einem Kunststoff gefertigt sein. Die Metallkontaktplatte oder die Metallkontaktplatten ist/sind zum Beispiel aus Cu und können eine Beschichtung aus zum Beispiel Ni umfassen. Eine Dicke der wenigstens einen Metallkontaktplatte kann wenigstens 2 mm und/oder höchstens 3 cm betragen.According to at least one embodiment, the housing comprises an electrically insulating casing and/or at least one electrical metal contact plate. For example, the casing is made of a ceramic, but it can also be made of a plastic. The metal contact plate or metal contact plates is/are made of, for example, Cu and may include a coating of, for example, Ni. A thickness of the at least one metal contact plate can be at least 2 mm and/or at most 3 cm.
Gemäß wenigstens einer Ausführungsform sind der Halbleiterchip und die wenigstens eine elektrische Kontaktscheibe sowie die wenigstens eine Metallplatte in der Umhüllung angeordnet. Der Halbleiterchip und die wenigstens eine elektrische Kontaktscheibe sowie die wenigstens eine Metallplatte sind zum Beispiel parallel zueinander und/oder deckungsgleich oder näherungsweise deckungsgleich angeordnet.In accordance with at least one embodiment, the semiconductor chip and the at least one electrical contact disk and the at least one metal plate are arranged in the encapsulation. The semiconductor chip and the at least one electrical contact disk and the at least one metal plate are arranged, for example, parallel to one another and/or congruently or approximately congruently.
Gemäß wenigstens einer Ausführungsform unterscheiden sich bei Betrachtung in einer Draufsicht auf die Kontaktfläche Größen des Halbleiterchips und der wenigstens einen elektrischen Kontaktscheibe voneinander um höchstens einen Faktor von 1,3 oder um höchstens einen Faktor von 1,1.In accordance with at least one embodiment, sizes of the semiconductor chip and the at least one electrical contact disk differ from one another by at most a factor of 1.3 or by at most a factor of 1.1 when viewed in a plan view of the contact area.
Gemäß wenigstens einer Ausführungsform befindet sich die elektrische Kontaktscheibe zwischen dem Halbleiterchip und der Kontaktplatte. Zum Beispiel gibt es den folgenden Stapel innerhalb der Umhüllung: erste Kontaktplatte - erste elektrische Kontaktscheibe - Halbleiterchip, der die elektrische Kontaktmetallisierung, den weiteren Kontaktbereich und die gegenüberliegende weitere elektrische Kontaktmetallisierung umfasst - zweite elektrische Kontaktscheibe - zweite Kontaktplatte.In accordance with at least one embodiment, the electrical contact disk is located between the semiconductor chip and the contact plate. For example, there is the following stack within the enclosure: first contact plate - first electrical contact disk - semiconductor chip comprising the electrical contact metallization, the further contact area and the opposite further electrical contact metallization - second electrical contact disk - second contact plate.
Ein Gehäuse und ein Halbleiterchip für die elektronische Vorrichtung sind zusätzlich bereitgestellt. Durch Verwenden des Gehäuses und/oder des Halbleiterchips wird die elektronische Vorrichtung, wie in Verbindung mit wenigstens einer der zuvor genannten Ausführungsformen angegeben, produziert. Merkmale der elektronischen Vorrichtung sind daher auch für das Gehäuse sowie den Halbleiterchip offenbart und umgekehrt.A housing and a semiconductor chip for the electronic device are additionally provided. By using the package and/or the semiconductor chip, the electronic device as specified in connection with at least one of the aforementioned embodiments is produced. Features of the electronic device are therefore also disclosed for the housing and the semiconductor chip and vice versa.
Bei wenigstens einer Ausführungsform beinhaltet das Gehäuse eine Kontaktfläche mit einer geometrischen Strukturierung.In at least one embodiment, the housing includes a contact surface with a geometric pattern.
Bei wenigstens einer Ausführungsform umfasst der Halbleiterchip eine elektrische Kontaktmetallisierung mit einer geometrischen Strukturierung auf einer Kontaktfläche.In at least one embodiment, the semiconductor chip includes an electrical contact metallization with a geometric structure on a contact area.
Ferner ist ein Vorrichtungsstapel bereitgestellt. Der Vorrichtungsstapel umfasst mehrere der elektronischen Vorrichtungen, wie in Verbindung mit wenigstens einer der zuvor genannten Ausführungsformen angegeben. Merkmale der elektronischen Vorrichtung sind daher auch für den Vorrichtungsstapel offenbart und umgekehrt.A device stack is also provided. The device stack includes a plurality of the electronic devices as recited in connection with at least one of the aforementioned embodiments. Features of the electronic Devices are therefore also disclosed for the device stack and vice versa.
Bei wenigstens einer Ausführungsform umfasst der Vorrichtungsstapel mehrere der elektronischen Vorrichtungen, wobei die elektronischen Vorrichtungen übereinander gestapelt sind. Zum Beispiel berühren die elektronische Vorrichtungen einander direkt ohne irgendwelche zusätzlichen elektrischen Verbindungsmittel oder weisen Stücke zum Kühlen oder zur elektrischen Verbindung zwischen ihnen auf. Die elektronischen Vorrichtungen können auf eine deckungsgleiche Weise angeordnet sein. Zum Beispiel werden die elektronischen Vorrichtungen aneinander gepresst.In at least one embodiment, the device stack includes a plurality of the electronic devices, wherein the electronic devices are stacked on top of each other. For example, the electronic devices touch each other directly without any additional electrical connection means or have pieces for cooling or electrical connection between them. The electronic devices may be arranged in a registering manner. For example, the electronic devices are pressed against each other.
Eine elektronische Vorrichtung, ein Gehäuse, ein Halbleiterchip und ein Vorrichtungsstapel, die hier beschrieben sind, sind nachfolgend ausführlicher mittels Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erklärt. Elemente, die in den einzelnen Figuren gleich sind, sind mit den gleichen Bezugsziffern angegeben. Die Beziehungen zwischen den Elementen sind nicht maßstabsgetreu gezeigt, sondern es können stattdessen einzelne Elemente übertrieben groß gezeigt sein, um das Verständnis zu fördern.An electronic device, a package, a semiconductor chip and a device stack described herein are explained in more detail below by means of exemplary embodiments with reference to the drawings. Elements that are the same in the individual figures are given the same reference numbers. The relationships between elements are not shown to scale, instead individual elements may be exaggerated to aid understanding.
In den Figuren gilt:
-
1 bis 8 sind schematische Schnittansichten von Ausführungsbeispielen hier beschriebener elektronischer Vorrichtungen, -
9 bis14 sind schematische Draufsichten von Ausführungsbeispielen elektrischer Kontaktscheiben und elektrischer Kontaktmetallisierungen für hier beschriebene elektronische Vorrichtungen, -
15 ist eine schematische Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels eines Halbleiterchips für hier beschriebene elektronische Vorrichtungen, und -
16 und17 sind schematische Schnittansichten von Ausführungsbeispielen von Vorrichtungsstapeln, die hier beschriebene elektronische Vorrichtungen umfassen.
-
1 until8th are schematic sectional views of embodiments of electronic devices described herein, -
9 until14 are schematic plan views of embodiments of electrical contact disks and electrical contact metallization for electronic devices described herein, -
15 12 is a schematic sectional view of an embodiment of a semiconductor chip for electronic devices described herein, and -
16 and17 12 are schematic sectional views of example embodiments of device stacks that include electronic devices described herein.
Als eine Option gibt es einen weiteren Kontakt 8, der durch die Umhüllung 41 zugänglich sein kann.As an option there is a
In
Zudem umfasst der Halbleiterchip 2 eine größere elektrische Kontaktmetallisierung 3 auf einer Hauptseite und eine kleinere, weitere elektrische Kontaktmetallisierung 7 auf der gegenüberliegenden, anderen Hauptseite. Zum Beispiel ist die elektrische Kontaktmetallisierung 3 eine Anode mit einer Größe von wenigstens 2 cm2 und von wenigstens 20 cm2 , zum Beispiel 40 cm2. Die weitere elektrische Kontaktmetallisierung 7 kann eine Kathode mit einer Größe von wenigstens 1 cm2 und von wenigstens 10 cm2, zum Beispiel 10 cm2, sein. Eine Dicke des Halbleiterchips 2 beträgt zum Beispiel wenigstens 0,3 mm und/oder höchstens 1,5 mm. Die gleichen Merkmale können für alle anderen Ausführungsbeispiele, einzeln oder alle gemeinsam, zutreffen.In addition, the
Der in
Die zum Beispiel genau eine weitere elektrische Kontaktmetallisierung 7 kann unterschiedliche Gebiete aufweisen, die durch Vertiefungen bei Betrachtung in einem Querschnitt separiert sind. Alle dieser Gebiete können innerhalb des Halbleiterkörpers 22 oder innerhalb der weiteren elektrischen Kontaktmetallisierung 7 bei Betrachtung in einer Draufsicht elektrisch kurzgeschlossen sein. Eine Struktur der weiteren elektrischen Kontaktmetallisierung 7 kann durch die interne Struktur des Halbleiterchips 2 im Gegensatz zu einer geometrischen Strukturierung der elektrischen Kontaktmetallisierung 3 vorgegeben werden.The, for example, exactly one further electrical contact metallization 7 can have different regions which are separated by indentations when viewed in a cross section. All of these regions can be electrically short-circuited within the
Leistungshalbleitervorrichtungen, wie die elektronische Vorrichtung 1, mit Druckkontakten können unter einer Kontaktverschlechterung unter einem zu geringen Klemmdruck leiden. Der Druck bei einer gegebenen Kontaktkraft wird in der elektronischen Vorrichtung 1 durch Reduzieren des Gesamtkontaktbereichs, das heißt einer Kontaktfläche 45 zwischen der elektrischen Kontaktmetallisierung 3 des Halbleiterchips 2 und der elektrischen Kontaktscheibe 5 des Gehäuses 4, erhöht, um einen zuverlässigen und stabilen trockenen elektrischen Schnittstellenkontakt zu bilden.Power semiconductor devices such as the
Press-Pack-Leistungshalbleitervorrichtungen mit trockenen Schnittstellen zwischen den Gehäuseteilen und der Siliciumvorrichtungsmetallisierung, typischerweise einer Mo-Scheibe 5 in Kontakt mit einer Al-Metallisierung 3 des Si-basierten Halbleiterchips 2, leiden manchmal unter einen zu geringem Kontaktdruck zum Bilden einer stabilen zuverlässigen trockenen Schnittstelle. Für einen guten Kontakt, zum Beispiel zu einer Aluminiummetallisierung, muss das native Oxid des Aluminiums durch den Kontaktpartner penetriert werden, das heißt durch die Mo-basierte elektrische Kontaktscheibe, und ein stabiler Kontakt über die Zeit muss hergestellt werden, ohne zu einem Verschlechterungsmechanismus zu führen, wie Fressen, das heißt lateraler Bewegung der Kontaktpartner aufgrund zu geringer Reibung, was zu Oxidation der Schnittstellen führt, wie thermische lokale Kontaktüberlastung, das heißt zu geringer Dichte von α-Stellen, und/oder wie Elektromigration, die durch lokale hohe Stromdichten und lokale Temperaturextrusion ausgelöst werden.Press-pack power semiconductor devices with dry interfaces between the package parts and the silicon device metallization, typically a
Der zu niedrige Druck kann Gründe aufweisen wie:
- - extern: eine Vorrichtung muss in einem Stapel mit anderen Vorrichtungen geklemmt werden, die eine Beschränkung der Klemmkraft haben, zum Beispiel eine Diode, die in einem Stapel mit einem IGCT oder GTO geklemmt wird, der bezüglich einer maximalen Klemmkraft durch die geringe Fläche einer Kathodenmetallisierung beschränkt wird;
- - vorrichtungsintern: in einem GTO oder IGCT wird die maximale Klemmkraft durch die mechanische Stabilität der Kathodensegmentmetallisierung beschränkt, zum Beispiel unter Bedingungen des zyklischen Durchlaufens einer Belastung, wobei ansonsten eine inakzeptable Verschlechterung der Kathodenmetallisierung resultiert.
- - external: a device must be clamped in a stack with other devices that have a clamping force limitation, for example a diode clamped in a stack with an IGCT or GTO limited in terms of maximum clamping force by the small area of a cathode metallization is restricted;
- - device internal: in a GTO or IGCT, the maximum clamping force is limited by the mechanical stability of the cathode segment metallization, for example under stress cycling conditions, otherwise an unacceptable degradation of the cathode metallization results.
Der Kontaktbereich der Kathodenmetallisierung ist typischerweise erheblich kleiner als der Anodenkontaktbereich, typischerweise dreimal bis fünfmal. Die homogene Anodenseitenmetallisierung erfährt daher einen viel niedrigeren Gesamtklemmdruck zwischen der elektrischen Chipseitenkontaktmetallisierung 3 und der Mo-basierten elektrischen Kontaktscheibe 5.The contact area of the cathode metallization is typically significantly smaller than the anode contact area, typically three to five times. The homogeneous anode side metallization therefore experiences a much lower overall clamping pressure between the electrical chip
Jüngere Entwicklungen bezüglich Leistungshalbleitervorrichtungen konzentrieren sich auf das Erhöhen der Leistungsbelastbarkeit durch Erhöhen der Strombelastbarkeit und Erhöhen der maximalen Betriebsübergangstemperatur der Vorrichtungen. Dies führt zu einer zusätzlichen Belastung der Kontakte, mechanisch durch Erweichen der Metallisierung durch höhere Temperaturen und Kontaktverschlechterung, wie α-Stellen-Überlastung oder Elektromigration durch höhere Temperaturen und Zunahme einer Stromdichte, vergleiche Blacksches Gesetz.Recent developments in power semiconductor devices have focused on increasing the power handling capability by increasing the current carrying capacity and increasing the maximum operating junction temperature of the devices. This leads to additional stress on the contacts, mechanically due to softening of the metallization due to higher temperatures and contact deterioration such as α-site overload or electromigration due to higher temperatures and an increase in current density, compare Black's law.
Der spezifische Schnittstellenwiderstand einer trockenen Schnittstelle wird in erster Ordnung durch die Klemmkraft definiert, bis zu der Fließgrenze des weicheren Kontaktpartners. Eine Reduktion des Kontaktbereichs würde den Schnittstellenwiderstand gemäß diesem Gesetzt erster Ordnung nicht verbessern, aber:
- - Dies gilt nur für ideale nichtoxidierte Oberflächen. Bis das Oxid durch die Rauigkeit des härteren Kontaktpartners penetriert wird, ist die lineare Abhängigkeit nicht gültig. Dies ist in
3 veranschaulicht, wobei eine dünne Oxidschicht 31 noch nicht durch eine Aufrauung 55 auf einer oberen Fläche 50 der elektrischen Kontaktscheibe 5 penetriert wird. - - Niedriger Druck führt zu einem niedrigeren Reibungskoeffizienten. Dies erlaubt eine Bewegung zwischen der elektrischen Al-
Kontaktmetallisierung 3 desHalbleiterchips 2 und der elektrischen Mo-Kontaktscheibe 5. Dies kann zu Reibkorrosion ander Kontaktschnittstelle 45 führen. - - Die geringe Dichte von α-Stellen führt zu lokaler Temperaturzunahme und lokaler hoher Stromdichte, was Elektromigration zusammen mit lokaler Überhitzung hervorrufen kann.
- - This only applies to ideal non-oxidized surfaces. Until the oxide is penetrated by the roughness of the harder contact partner, the linear dependence is not valid. this is in
3 illustrated, wherein athin oxide layer 31 is not yet penetrated by a roughening 55 on atop surface 50 of theelectrical contact disk 5. - - Lower pressure leads to a lower coefficient of friction. This allows movement between the electrical
Al contact metallization 3 of thesemiconductor chip 2 and the electricalMo contact disk 5. This can lead to fretting corrosion at thecontact interface 45. - - The low density of α-sites leads to local temperature increase and local high current density, which can induce electromigration together with local overheating.
Bei der hier beschriebenen elektronischen Vorrichtung 1 wird eine geometrische Strukturierung 6 der elektrischen Kontaktmetallisierung 3 und/oder der elektrischen Kontaktscheibe 5 für trockene elektrische Schnittstellen verwendet, um Effekte eines ,zu niedrigen Drucks' zu vermeiden. Die Kontaktschnittstelle 45, die ansonsten unter den Effekten des ,zu niedrigen Drucks' leiden kann, ist zum Beispiel:
- - eine Anodenseitenmetallisierung eines IGCT oder eines GTO, da die Klemmkraft typischerweise durch die mechanische Stabilität der Kathodenseitenmetallisierung beschränkt wird, die insgesamt einen erheblich geringeren Kontaktbereich aufweist und aufgrund der Segmentierung eines hohen Metallstapels fragiler ist;
- - eine Metallisierung einer frei gleitenden Seite einer gebondeten Diode, die mit geringen Klemmkräften verwendet wird, zum Beispiel, wenn sie mit einem IGCT geklemmt wird; für eine frei gleitende Anodenseite kann die Wahrscheinlichkeit einer Elektromigration höher sein;
- - eine Anoden- und Kathodenseitenmetallisierung einer frei gleitenden Diode oder einer frei gleitenden Plus-Diode, die mit relativ geringen Drücken geklemmt wird.
- - An anode side metallization of an IGCT or a GTO, since the clamping force is typically due to the mechanical stability of the Cathode side metallization is limited, which has significantly less overall contact area and is more fragile due to the segmentation of a tall metal stack;
- - a metallization of a free-sliding side of a bonded diode used with low clamping forces, for example when clamped with an IGCT; for a freely sliding anode side, the likelihood of electromigration may be higher;
- - an anode and cathode side metallization of a free floating diode or a free floating plus diode clamped with relatively low pressures.
Eine erste Möglichkeit zum Erhöhen des Drucks einer trockenen Kontaktschnittstelle 45 bei einer gegebenen Klemmkraft zwischen der elektrischen Kontaktmetallisierung 3 und der elektrischen Kontaktscheibe ist das Reduzieren des effektiven Kontaktbereichs durch Strukturieren der elektrischen Kontaktmetallisierung 3, siehe
Dementsprechend umfasst die elektrische Kontaktmetallisierung 3 gemäß
Eine Breite W der Vertiefungen, die die geometrische Strukturierung 6 bilden, beträgt zum Beispiel zwischen 0,2 mm und 5 mm. Eine mittlere Tiefe T6 der geometrischen Strukturierung 6 ist in
Eine durchschnittliche Penetrationstiefe der Aufrauung 55 in die elektrische Kontaktmetallisierung 3 hinein beträgt zum Beispiel wenigstens 4 nm oder wenigstens 10 nm und/oder höchstens 0,1 µm oder höchstens 40 nm. Das gleiche ist bei allen anderen Ausführungsbeispielen möglich.An average penetration depth of the roughening 55 into the
Die wie in
Entsprechend umfasst die elektrische Kontaktmetallisierung 3 eine unterbrochene Teilschicht 33 direkt bei dem Halbleiterkörper 22 und eine kontinuierliche Teilschicht 34 auf der unterbrochenen Teilschicht 33. Zum Beispiel ist die unterbrochene Teilschicht 33 dünner als die kontinuierliche Teilschicht 34. Zum Beispiel überschreitet die Dicke T6 der kontinuierlichen Teilschicht 34 eine Dicke T3 minus T6 der unterbrochenen Teilschicht 33 um wenigstens einen Faktor von fünf und/oder um höchstens einen Faktor von 30. Zum Beispiel beträgt die Ticke T6 der kontinuierlichen Teilschicht 34 und daher der geometrischen Strukturierung 6 wenigstens 0,5 µm oder wenigstens 1 µm und/oder höchstens 10 µm oder höchstens 5 µm. Zum Beispiel überschreitet die Dicke T6 die mittlere Rauigkeit der Aufrauung 55 um wenigstens einen Faktor von drei. Die gleichen Merkmale können für alle anderen Ausführungsbeispiele, einzeln oder alle gemeinsam, zutreffen.Correspondingly, the
Ansonsten gilt für
Das Einführen der geometrischen Strukturierung 6 führt zum Beispiel zu:
- - einem niedrigeren spezifischen Kontaktwiderstand aufgrund einer besseren Penetration des nativen Oxids der Al-basierten elektrischen Kontaktmetallisierung 3 des
Halbleiterchips 2; - - einem höheren Reibungskoeffizienten zwischen der elektrischen Kontaktscheibe 5
und dem Halbleiterchip 2, was zu idealerweise keiner Bewegung zwischen der Kontaktscheibe 5 und der elektrischen Kontaktmetallisierung 3 während des zyklischen Durchlaufens von Belastungen führt, so dass Fressen vermieden werden kann; - - aus mechanischen Gründen kann eine Musterübereinstimmung der Metallstruktur auf der Kathoden- und der Anodenseite eines GTO oder eines IGCT wünschenswert sein; ansonsten könnte eine hexagonale geometrische Struktur 6 verwendet werden.
- - A lower specific contact resistance due to better penetration of the native oxide of the Al-based
electrical contact metallization 3 of thesemiconductor chip 2; - - a higher coefficient of friction between the
electrical contact disk 5 and thesemiconductor chip 2, which ideally results in no movement between thecontact disk 5 and theelectrical contact metallization 3 during stress cycling, so that galling can be avoided; - - for mechanical reasons, pattern matching of the metal structure on the cathode and the anode side of a GTO or an IGCT may be desirable; else ten, a hexagonal
geometric structure 6 could be used.
Da die Anforderung an die Platzierungsgenauigkeit des strukturierten Metalls nicht sehr hoch ist, höchst wahrscheinlich weniger als 100 µm, ist ein kostengünstiger Prozess einer Strukturierung, wie Schattenmaskierung des jeweiligen Metalls, möglich. Es ist auch möglich, die Kontaktpunkte durch eine definierte Struktur der oberen Fläche 50 der elektrischen Kontaktscheibe unter Verwendung von zum Beispiel Drehen oder Ätzen von entweder dem Massivmetall oder seiner Plattierung 51 zu verteilen, vergleiche
Eine andere Möglichkeit besteht darin, eine Schattenmaskierung an der elektrischen Kontaktscheibenplattierung 51 vorzunehmen. Obwohl sich Ätzen/Schattenmaskieren der oberen Fläche 50 der elektrischen Kontaktscheibe konzeptuell nicht davon unterscheidet, das Gleiche auf der Halbleiterchipseite vorzunehmen, bietet eine maschinelle Bearbeitung der jeweiligen Oberfläche einen relativ kostengünstigen Prozess zum Erhalten einer kontrollierten Kontaktpunktverteilung. Ein Beispiel für eine solche Baugruppe ist in
Dementsprechend kann die geometrische Strukturierung 6 durch maschinelle Bearbeitung erhalten werden. Sowohl Fräsen als auch Drehen können kontrollierte Oberflächenstrukturen erzeugen. Drehen ist nur zu konzentrischen Kreisen in der Lage. Eine gefräste Oberfläche kann im Gegensatz dazu eine breite Vielfalt an unterschiedlichen geraden Mustern erzeugen, aber hat Schwierigkeiten bei konzentrischen Verteilungsmustern.Accordingly, the
In
Zudem ist in
Ansonsten gilt für
Bei dem Ausführungsbeispiel aus
Zudem kann auf einer hinteren Fläche 52 gegenüber der oberen Fläche 50 die elektrische Kontaktscheibe poliert und dementsprechend von planarer Art sein.Additionally, on a
Es kann die Kontaktplatte 42 geben. Eine Dicke T4 der Kontaktplatte 42 beträgt zum Beispiel wenigstens 3 mm und/oder höchstens 2 cm. Die Kontaktplatte 42 kann eine Beschichtung 44 auf einer Seite umfassen, die der elektrischen Kontaktscheibe 5 zugewandt ist. Zum Beispiel ist die Beschichtung 44 aus Ni und/oder weist eine Dicke zwischen 2 µm und 20 µm auf. Zum Beispiel ist die Seite der Kontaktplatte 42, die der elektrischen Kontaktscheibe 5 zugewandt ist, nicht strukturiert und dementsprechend von planarer Art. Die Kontaktplatte 42 kann aus Cu oder aus einer Kupferlegierung sein. Die gleichen Merkmale können für alle anderen Ausführungsbeispiele, einzeln oder alle gemeinsam, zutreffen.There may be the
Ansonsten gilt für
In
Gemäß
Sämtliche in
In
Ansonsten gilt für
Sämtliche elektronischen Vorrichtungen 1, Gehäuse 4 und Halbleiterchips 2 aus
Die in den Figuren gezeigten Komponenten folgen, sofern nichts anderes angegeben ist, bevorzugt in der spezifizierten Sequenz direkt aufeinander. Komponenten, die sich in den Figuren nicht in Kontakt befinden, sind bevorzugt voneinander beabstandet. Falls Linien parallel zueinander gezeichnet sind, sind die entsprechenden Oberflächen bevorzugt parallel zueinander orientiert. Gleichermaßen sind, sofern nichts anderes angegeben ist, die Positionen der gezeichneten Komponenten relativ zueinander in den Figuren korrekt reproduziert.Unless otherwise indicated, the components shown in the figures preferably follow one another directly in the specified sequence. Components that are not in contact in the figures are preferably spaced apart. If lines are drawn parallel to each other, the corresponding surfaces are preferably oriented parallel to each other. Likewise, unless otherwise indicated, the positions of the drawn components relative to each other are correctly reproduced in the figures.
Die hier beschriebene Erfindung wird nicht durch die Beschreibung beschränkt, die unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele gegeben ist. Vielmehr schließt die Erfindung ein beliebiges neuartiges Merkmal und eine beliebige Kombination von Merkmalen, einschließlich insbesondere einer beliebigen Kombination von Merkmalen in den Ansprüchen, ein, selbst wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Ansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.The invention described here is not limited by the description given with reference to the exemplary embodiments. Rather, the invention includes any novel feature and any combination of features, including in particular any combination of features in the claims, even if that feature or combination itself is not explicitly recited in the claims or embodiments.
Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der europäischen Patentanmeldung 20193656.4, deren Offenbarungsinhalt hiermit durch Bezugnahme aufgenommen ist.This patent application claims priority from European patent application 20193656.4, the disclosure of which is hereby incorporated by reference.
BezugszeichenlisteReference List
- 11
- elektronische Vorrichtungelectronic device
- 22
- Halbleiterchipsemiconductor chip
- 2222
- Halbleiterkörpersemiconductor body
- 2323
- stark dotiertes Halbleitermaterialheavily doped semiconductor material
- 33
- elektrische Kontaktmetallisierungelectrical contact metallization
- 3131
- Oxidschichtoxide layer
- 3333
- unterbrochene Teilschichtbroken part layer
- 3434
- kontinuierliche Teilschichtcontinuous sub-layer
- 44
- GehäuseHousing
- 4141
- elektrisch isolierende Umhüllungelectrically insulating casing
- 4242
- elektrische Metallkontaktplatteelectrical metal contact plate
- 4343
- Passivierungpassivation
- 4444
- Beschichtungcoating
- 4545
- Kontaktflächecontact surface
- 55
- elektrische Kontaktscheibeelectrical contact disc
- 5050
- obere Flächeupper surface
- 5151
- Plattierungplating
- 5252
- hintere Flächeback surface
- 5555
- Aufrauungroughening
- 66
- geometrische Strukturierunggeometric structuring
- 77
- weitere elektrische Kontaktmetallisierungfurther electrical contact metallization
- 7070
- weitere Kontaktflächefurther contact surface
- 88th
- weiterer Kontaktfurther contact
- 8080
- weiterer Kontaktbereichfurther contact area
- 99
- Vorrichtungsstapeldevice stack
- 9595
- Zwischenvorrichtungintermediate device
- DD
- mittlerer Durchmesser der elektrischen Kontaktmetallisierungaverage diameter of the electrical contact metallization
- T3T3
- Dicke der elektrischen KontaktmetallisierungElectrical contact metallization thickness
- T5T5
- Dicke der elektrischen KontaktscheibeThickness of the electrical contact disc
- T4T4
- Dicke der Kontaktplattethickness of the contact plate
- T6T6
- mittlere Tiefe der geometrischen Strukturierungmean depth of the geometric structuring
- WW
- mittlere Breite der geometrischen Strukturierungmean width of the geometric structuring
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited
- US 20130207157 A1 [0002]US20130207157A1 [0002]
Claims (15)
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
EP20193656.4 | 2020-08-31 | ||
EP20193656 | 2020-08-31 | ||
PCT/EP2021/072081 WO2022043033A2 (en) | 2020-08-31 | 2021-08-06 | Electronic device, package and semiconductor chip therefore |
Publications (1)
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R207 | Utility model specification |