DE3924823A1 - Halbleiteranordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Halbleiteranordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei der Herstellung von Bauelementen auf der Basis von Halbleiterelementen werden auf einem beschichteten Trä­ germaterial, beispielsweise auf keramischem Aluminium­ oxid, Leiterbahnen aufgebracht, beispielsweise durch Ätzen, Kleben, Drucken oder Sputtern, und die Halblei­ terelemente ("Halbleiter-Chips") an den dafür vorgese­ henen Stellen, beispielsweise mittels eines Klebers, befestigt. Um die Halbleiterelemente zu kontaktieren, müssen diese untereinander bzw. mit der Schaltung, in der sie integriert sind, elektrisch leitend verbunden werden.

Dazu werden meist Golddrähte verwendet, die auf die Halbleiterelemente und die vorgesehenen Kontaktierungs­ stellen gebondet werden. Bei diesen Bondverbindungen treten jedoch häufig Beschädigungen auf, beispielsweise durch Abreißen der Drähte bei Druck- oder Zugbelastung; daher müssen die Bonddrähte sehr aufwendig, beispiels­ weise mittels Abdeckmassen, geschützt werden.

Die Bonddrähte bzw. die Bondverbindungen benötigen ei­ nen gewissen Platz, vor allem in der Höhe durch den sogenannten "Bond-Loop"; außerdem können die Bauelemen­ te oft nicht so eng wie gewünscht bzw. gefordert ange­ ordnet werden.

Der Fertigungsprozeß zur Herstellung der Schaltung ist aufwendig, da für die Herstellung der Bondverbindungen mehrere Prozeßschritte notwendig sind.

Außerdem sind für die Bondverbindungen hohe Stromstärken problematisch.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Halblei­ teranordnung anzugeben, bei der die durch die Bondver­ bindungen bedingten Nachteile bei der Kontaktierung von Halbleiterelementen, insbesondere Leistungs-Halbleiter­ elementen vermieden werden.

Dies wird bei einer Halbleiteranordnung gemäß dem Ober­ begriff des Anspruchs 1 erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß ein alle Halbleiterelemente bedeckendes Decksubstrat vorgesehen ist, das eine Leitbahnkonfiguration mit einer oder mehreren elektrisch leitenden Anschlußflächen be­ sitzt, die zu allen Halbleiterelementen gleichzeitig mindestens eine zweite elektrische Verbindung herstellt.

Anstatt mit einzelnen Bondverbindungen durch Bonddrähte werden die Halbleiterelemente durch das Decksubstrat alle gleichzeitig leitend verbunden; dieser Vorgang der Mehrfachkontaktierung entspricht somit einer Art simul­ taner "Mehrfachbondung". Eine spezielle Abdeckung zum Schutz der Halbleiterelemente ist nicht notwendig, da das Decksubstrat selbst dieser Abdeckung entspricht. Das Grundsubstrat besteht aus einem isolierenden Mate­ rial, auf das die elektrisch leitenden Anschlußflächen direkt aufgebracht werden.

Das Decksubstrat besteht vorzugsweise aus dem gleichen Material wie das Grundsubstrat; die Konfigurierung des Decksubstrats erfolgt mit den gleichen Prozeßschritten wie beim Grundsubstrat.

Die Anschlußflächen auf dem Grundsubstrat sind den An­ schlußflächen auf dem Decksubstrat zugewandt, wobei die Anschlußflächen auf dem Decksubstrat mit den Halblei­ terelementen auf dem Grundsubstrat elektrisch leitend verbunden sind.

Alternativ dazu können die Anschlußflächen auf dem Deck­ substrat einerseits mit Halbleiterelementen und anderer­ seits mit einer oder mehreren Anschlußflächen auf dem Grundsubstrat elektrisch leitend verbunden werden. Das Grundsubstrat wird vom Decksubstrat mit Ausnahme der Verbindungsstelle zwischen den externen Anschlüs­ sen, die sich seitlich am Grundsubstrat befinden, und den Anschlußflächen auf dem Grundsubstrat, vollständig bedeckt.

Der Platzbedarf der Halbleiteranordnungen und damit auch der Schaltung, in der diese eingebaut werden, kann vor allem in der Höhe drastisch reduziert werden, da die Bond-Loops entfallen. Außerdem kann die Packungs­ dichte der Halbleiteranordnungen (Länge, Breite) durch den Wegfall der Bonddrähte, durch die ein Mindestab­ stand vorgegeben wird, erhöht werden; da keine zusätz­ lichen Schutz-Abdeckungen auf den Bonddrähten (Höhe) benötigt werden, ist eine flachere Bauweise möglich. Bei Kombination mehrerer derartiger Anordnungen in ei­ ner Schaltung wirkt sich die Platzeinsparung noch we­ sentlich stärker aus.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die Kosten zur Herstellung der Halbleiteranordnungen reduziert werden können; einerseits, da der Herstel­ lungsprozeß durch den Wegfall von einigen Prozeßschrit­ ten einfacher wird, und andererseits, da die verwende­ ten Werkstoffe wesentlich billiger als beim konventio­ nellen Bondverfahren sind.

Ein wesentlicher Gesichtspunkt ist, daß das Decksubstrat vorzugsweise aus einem gut wärmeleitenden Material be­ steht und damit in seiner Wirkungsweise einem Kühlkör­ per gleichgesetzt werden kann. Dadurch ist eine bessere Abführung der Verlustleistung der Halbleiterelemente und damit eine bessere Kühlung der Halbleiterelemente möglich, wodurch auch die Belastbarkeit und Zuverlässig­ lässigkeit bzw. Lebensdauer der Schaltung gesteigert werden kann. Zudem kann die Verlustleistung durch die Substratdicke einstellbar vorgegeben werden. Wegen des geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Decksubstrats wird die Beständigkeit gegenüber Tem­ peraturänderungen stark verbessert.

Die Halbleiteranordnungen sind strommäßig höher belast­ bar; da durch das Decksubstrat eine wesentlich größere Fläche zur Stromaufnahme als bei den dünnen Bonddrähten zur Verfügung steht, ist auch die Stromdichte wesent­ lich geringer.

Die Halbleiteranordnungen können beidseitig auf dem Decksubstrat gekennzeichnet bzw. codiert werden; dies kann als Hilfe beim Einbau in eine Schaltung, aber auch bei der Identifizierung der Halbleiteranordnung von Vorteil sein.

Die Erfindung und dessen Herstellungsprozeß sollen nach­ stehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher beschrie­ ben werden.

In der Fig. 1 ist als Halbleiteranordnung ein Dioden­ array dargestellt, bei dem mehrere Dioden-Halbleiter­ elemente gleichzeitig mittels eines Decksubstrats kon­ taktiert werden.

Die Fig. 2 zeigt das fertige Diodenarray, bei dem Grundsubstrat und Decksubstrat miteinander verbunden sind.

Auf das keramische Grundsubstrat 1, das beispielsweise aus Al₂O₃ besteht, werden gemäß des gewünschten Layouts Leiterbahnen und Anschlußflächen 3, 4 aus Silberpaste im Siebdruckverfahren aufgedruckt; die Anordnung wird getrocknet und bei einer Temperatur von beispielsweise 850°C gebrannt.

Das Decksubstrat 2 wird mit entsprechenden Prozeßschrit­ ten gleichzeitig gemäß des gewünschten Layouts mit Lei­ terbahnverbindungen und Anschlußflächen 5, die den kon­ ventionellen Bondverbindungen entsprechen, strukturiert und verarbeitet.

Auf Grundsubstrat 1 und Decksubstrat 2 wird nun Lotpa­ ste, beispielsweise Zinnpaste, aufgetragen, das Grund­ substrat mit den Halbleiterelementen 6 bestückt und die bereits vereinzelten Decksubstrate 2 aufgesetzt. Mit­ tels eines Reflow-Lötverfahrens wird die Zinnpaste auf­ geschmolzen und Grundsubstrat 1 und Decksubstrat 2 gleichzeitig gelötet.

Nach einem Reinigungs-Prozeß im Waschbad werden die be­ reits, beispielsweise mittels Lasern, vorgeritzten Sub­ stratkörper zu einzelnen Halbleiteranordnungen, in die­ sem Falle Diodenarrays, vereinzelt; auf das Grundsub­ strat 1 werden externe Anschlüsse 7 aufgeschoben und angelötet.

Zum Schutz gegen Umwelteinflüsse erfolgt noch ein Ein­ tauchen in Klarlack, mit dem eine Versiegelung der Bau­ elemente erreicht wird.

Die fertige zusammengebaute Halbleiteranordnung ist in der Fig. 2 dargestellt; Grundsubstrat 1 und Decksub­ strat 2 sind zusammengefügt, der gemeinsame Verbindungs­ steg 8 der Lötanschlüsse 7 wird abgeschnitten, so daß das Diodenarray in eine Schaltung eingebaut werden kann.

Alternativ zu der beschriebenen Ausführungsform ist es auch denkbar, auf das Grundsubstrat und/oder das Deck­ substrat statt der Lotpaste einen Leitkleber aufzubrin­ gen und das Reflow-Lötverfahren ganz oder teilweise durch einen Klebe-Prozeßschritt zu ersetzen.

Es ist möglich, auch andere Halbleiteranordnungen mit dem erfindungsgemäßen Decksubstrat zu kontaktieren, wobei die Kontaktierung durch Wahl der Leitbahnkonfigu­ ration beliebig vorgegeben werden kann. Beispielsweise bei Transistoren können zwei einzelne Kontakte pro Halbleiterelement und ein allen Transisto­ ren gemeinsamer Anschlußkontakt angebracht werden. Denkbar wäre es dann beispielsweise, die Leitbahnkonfi­ guration des Decksubstrats so zu gestalten, daß die An­ schlußflächen derart geteilt werden, daß zwei Elektro­ den pro Transistoren gleichzeitig über das Decksubstrat kontaktiert werden und daß die dritte Elektrode bei allen Transistoren gemeinsam über das Grundsubstrat kontaktiert wird.

Claims (10)

1. Halbleiteranordnung, bei der auf einem Grundsubstrat (1) mehrere Halbleiterelemente (6) angeordnet sind, wobei zwischen jedem Halbleiterelement (6) und einer oder mehreren auf dem Grundsubstrat angeordneten elek­ trisch leitenden Anschlußflächen (3, 4) mindestens eine erste elektrisch leitende Verbindung zustande kommt, dadurch gekennzeichnet, daß ein alle Halbleiter­ elemente (6) bedeckendes Decksubstrat (2) vorgesehen ist, das eine Leitbahnkonfiguration mit einer oder meh­ reren elektrisch leitenden Anschlußflächen (5) besitzt, die zu allen Halbleiterelementen (6) gleichzeitig min­ destens eine zweite elektrisch leitende Verbindung her­ stellt.

2. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß Grundsubstrat (1) und Decksubstrat (2) aus einem isolierenden Material mit einander zugewand­ ten Anschlußflächen bestehen, daß die Anschlußflächen (5) auf dem Decksubstrat (2) mit den Halbleiterelemen­ ten (6) auf dem Grundsubstrat (1) elektrisch leitend verbunden sind, und daß seitlich am Grundsubstrat (1) externe Anschlüsse (7) mit den auf dem Grundsubstrat (1) befindlichen Anschlußflächen (3, 4) verbunden sind.

3. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußflächen (5) auf dem Decksubstrat (2) einerseits mit einer oder mehreren Anschlußflächen (3, 4) auf dem Grundsubstrat (1) und andererseits mit Halbleiterelementen (6) auf dem Grund­ substrat (1) elektrisch leitend verbunden sind.

4. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Decksubstrat (2) das Grundsubstrat (1) mit Ausnahme der Verbindungsstelle zwischen den externen Anschlüssen (7) und den Anschluß­ flächen (3, 4) auf dem Grundsubstrat (1) vollständig bedeckt.

5. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterelemente (6) Dioden mit je einem PN-Übergang sind, wobei jede Diode eine erste elektrisch leitende Verbindung entwe­ der zu voneinander getrennten, auf dem isolierenden Grundsubstrat (1) befindlichen Einzel-Anschlußflächen (3) oder zu einer gemeinsamen Anschlußfläche (4) auf dem Grundsubstrat (1) besitzt, daß über die Leitbahn­ konfiguration mit Anschlußflächen (5) auf dem Decksub­ strat (2) jeweils zwei Dioden auf unterschiedlichen Anschlußflächen (3, 4) des Grundsubstrats antiparallel verschaltet werden, und daß alle Anschlußflächen (3, 4) des Grundsubstrats (1) am seitlichen Rand des Grund­ substrats (1) mit externen Anschlüssen (7) verbunden sind.

6. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Decksubstrat (2) aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit besteht.

7. Halbleiteranordnung nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Decksubstrat (2) aus Aluminiumoxid besteht.

8. Verfahren zum Herstellen einer Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeich­ net, daß vor dem Bestücken der Halbleiterelemente (6) auf das Grundsubstrat (1) und das Decksubstrat (2) Lot­ paste aufgebracht wird, und daß das Grundsubstrat (1) und Decksubstrat (2) mittels eines Reflow-Lötverfahrens verbunden werden.

9. Verfahren zum Herstellen einer Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeich­ net, daß vor dem Bestücken der Halbleiterelemente (6) auf das Grundsubstrat (1) und/oder das Decksubstrat (2) Leitkleber aufgebracht wird, und daß das Grundsubstrat (1) und Decksubstrat (2) mittels Kleben verbunden wer­ den.

10. Verfahren zum Herstellen einer Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeich­ net, daß zur Bildung der externen Anschlüsse (7) die Zungen eines kammförmigen Kontaktierungsstreifens mit den Anschlußflächen (3, 4) verbunden werden, und daß der allen Anschlüssen gemeinsame Verbindungssteg (8) abgetrennt wird.