DE69023858T2 - Integrierte Schaltungsanordnung mit verbesserten Verbindungen zwischen den Steckerstiften und den Halbleitermaterial-Chips. - Google Patents

Integrierte Schaltungsanordnung mit verbesserten Verbindungen zwischen den Steckerstiften und den Halbleitermaterial-Chips.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine integrierte Schaltung mit verbesserten Verbindungen zwischen den Anschlußstiften und dem Halbleitermaterial-Baustein, welcher elektronische Komponenten integriert.
  • Bekanntlich ist bei integrierten Schaltungen der Halbleitermaterialbaustein, der elektronische Komponenten integriert, an die Anschlußstifte, welche sich aus dem Gehäuse (Baustein) der Schaltung nach außen erstrecken, mit Drähten angeschlossen, welche mit einem Ende an entsprechende Flächen des Bausteins und mit dem anderen Ende an einem Ende der Anschlußstifte angelötet sind.
  • Es ist ebenfalls bekannt, daß die Drähte gegenwärtig aus Gold oder Aluminium (oder aus Legierungen mit einem überwiegenden Anteil aus Gold oder Aluminium) hergestellt sind. Insbesondere Gold ist aufgrund seiner Merkmale der Duktilität, Verarbeitbarkeit, Leitfähigkeit usw., welche es am geeignetsten für Verbindungen machen, das bevorzugte Material. Golddrähte können jedoch nicht verwendet werden, wenn sie hohe Ströme transportieren müssen (integrierte Leistungsschaltungen). Wenn der Strom steigt, ist es erforderlich, Drähte mit einem größeren Durchmesser vorzusehen, Golddrähte mit einem Durchmesser von mehr als 50 µm verursachen jedoch außerordentlich hohe Kosten.
  • Wenn es sich bei der integrierten Schaltung um eine Leistungsschaltung handelt und die Drähte (oder wenigstens einige von ihnen) in der Lage sein müssen, hohe Ströme zu transportieren, wird daher Aluminium verwendet, da es leicht verarbeitbar und duktil ist, eine gute Leitfähigkeit usw. aufweist und die Ausführung von Drähten mit einem größeren Durchmesser erlaubt (z.B. 0,3 - 0,4 mm, welche in der Lage sind, eine sehr hohe Stromdichte von 10&sup6; A/cm² zu transportieren).
  • Folglich werden, wenn die integrierte Schaltung nur Kleinleistungskomponenten (zur "Signal"-Steuerung) umfaßt, bevorzugt Golddrähte für die Anschlüsse benutzt, während Aluminiumdrähte im Falle von integrierten Leistungsschaltungen verwendet werden.
  • Die Probleme entstehen bei integrierten Schaltungen, in denen eine einzelne Schaltung Kleinleistungs-"Signal"-Komponenten und Leistungskomponenten integriert. In diesem Fall verhindert das Vorhandensein von Leistungskomponenten die Verwendung von Golddrähten, so daß gegenwärtig Aluminiumdrähte benutzt werden.
  • Die Verwendung von Aluminium für die Leistungs- und die Signalanschlüsse ist jedoch nachteilig. Aluminiumdrähte erfordern, bezogen auf Gold, größere Lötflächen, da die für Aluminium angewandte Löttechnik ("Keil"-Löten) eine größere Fläche auf dem Baustein als die für Gold angewandte Technik ("Kugel"- Löten) erfordert. Daher werden im Falle einer Integration von Leistungs- und Signalkomponenten in derselben Schaltung Drähte mit unterschiedlichen Durchmessern verwendet. Aluminiumdrähte können jedoch nicht mit kleinen Durchmessern hergestellt werden, wie es statt dessen bei Gold möglich ist. Tatsächlich ist dünnes Aluminium nicht ausreichend duktil und bricht leicht, so daß bei Versuchen Aluminiumdrähte mit kleinem Durchmesser (2 mil) als kaum zuverlässig erkannt wurden.
  • Folglich erfordern Schaltungen, in denen Aluminiumdrähte unterschiedlicher Durchmesser in Abhängigkeit von den zu leitenden Strömen vorgesehen sind, in jedem Fall große Bereiche auf dem Baustein für die Ausführung von Kontaktflächen mit für den Durchmesser der Drähte und der angewandten Löttechnik adäquaten Abmessungen. Das Problem betrifft insbesondere integrierte Schaltungen mit einer großen Anzahl von Anschlußstiften, in welchen gegenwärtig Bausteine mit großen Oberflächen vorgesehen werden müssen, um genügend Raum für das Löten der Verbindungen zu haben. Ein weiterer Nachteil dieser Technik ist die Notwendigkeit, entsprechend dem Durchmesser des zu lötenden Drahtes verschiedene Lötvorrichtungen zu verwenden.
  • Es ist ebenfalls bekannt, aus mehreren parallel angeordneten Drähten gebildete Verbindungen vorzusehen ("Multi-wire"-Technik). Durch diese Technik ist es möglich, Golddrähte für die Leitung höherer Ströme zu verwenden (die maximale Stromdichte ist die Summe der Stromdichten der parallel geschalteten einzelnen Drähte). Auch diese Lösung ist jedoch nicht frei von Nachteilen, welche mit dem hohen Drahtverbrauch und vor allem mit den mangelhaften Möglichkeiten verbunden sind, die Leistungsfähigkeit von Mehrfachdrahtverbindungen zu prüfen. Tatsächlich sind gegenwärtige Tests ungeeignet, um gute Teile, in welchen alle Drähte jeder Verbindung vorhanden und unterbrechungsfrei sind, von defekten Teilen zu unterscheiden, in welchen einer oder mehrere Drähte fehlen oder in welchen einige Drähte geschwächt sind (einen verringerten Querschnitt aufweisen). Insbesondere Verbindungen mit mehr als drei Drähten wurden als unmöglich prüfbar erkannt. Weiterhin wurde beobachtet, daß, wenn ein Draht einer Verbindung gebrochen ist, die anderen Drähte der gleichen Verbindung ebenfalls leichter einem Bruch ausgesetzt sind. Aus diesem Grund wird diese Technik im allgemeinen nur mit zwei, höchstens drei Drähten pro Verbindung angewendet, wenn eine hohe Zuverlässigkeit erforderlich ist. Das Dokument Pat.Abs.Jap, Vol. 7, Nr. 186 (E-193)(1331), 16/8/83, und das Dokument JP-A-5889851 offenbaren eine Vorrichtung mit aus verschiedenen Materialien (Au, Al) hergestellten Drahtverbindungen zwischen Baustein und Leitern.
  • Davon ausgehend ist es das Ziel der vorliegenden Erfindung, eine integrierte Schaltung mit verbesserten Verbindungen zwischen den Anschlußstiften und dem Halbleitermaterial-Baustein, welcher elektronische Komponenten integriert, anzugeben, welche die Nachteile des Standes der Technik lösen und insbesondere keine großen Lötflächen auf dem Baustein erfordern.
  • Im Rahmen dieses Zieles ist eine besondere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Verbindungen für integrierte Schaltungen anzugeben, welche eine hohe Zuverlässigkeit und Überprüfbarkeit aufweisen.
  • Nicht zuletzt ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Verbindungen für integrierte Schaltungen anzugeben, welche für ihre Herstellung Geräte oder Verfahren erfordern, die bereits in der Elektronik-Industrie verwendet werden.
  • Dieses Ziel, diese Aufgaben und andere, welche nachfolgend erkennbar werden, werden verwirklicht durch eine integrierte Schaltung mit verbesserten Verbindungen zwischen den Anschlußstiften und dem Halbleitermaterialbaustein, welcher elektronische Komponenten integriert, wie in den beigefügten Ansprüchen beschrieben.
  • Praktisch schlägt die Verbindung die Verwendung verschiedener Materialien und insbesondere die Verwendung verschiedener Durchmesser für die Signalverbindungen und für die Leistungsverbindungen vor. Erfindungsgemäß sind die Leistungsverbindungen bevorzugt als preisgünstige Drähte (reines Aluminium oder Aluminiumlegierungen, wie z.B. Al/Mg) mit geeignetem Durchmesser (7, 10, 15 mil) vorgesehen, während die Signalverbindungen als Drähte aus einem normalerweise für Signalverbindungen verwendet Material (Gold oder Legierungen mit überwiegendem Goldanteil) mit einem kleinen Durchmesser (zwischen 1 und 2 mil) vorgesehen sind.
  • Diese Lösung bringt zahlreiche Probleme hinsichtlich der Verwendung von Lötvorrichtungen und der galvanischen Fertigstellung der Anschlußstifte mit sich, so daß sie für Aluminium- und Golddrähte geeignet ist.
  • Insbesondere hinsichtlich der Lötgeräte und -verfahren hat sich die Anmelderin nach zahlreichen Experimenten und Studien für Lötvorrichtungen ("Bonder") entschieden, welche auf die Art des verwendeten Drahtes spezialisiert sind, und insbesondere wurden "Wärme-Ultraschall"-Maschinen für Golddrähte verwendet, während "Ultraschall"-Maschinen für Aluminiumdrähte benutzt wurden.
  • Die Verwendung von aus verschiedenen Materialien hergestellten Verbindungsdrähten bringt spezifische Lösungen hinsichtlich des Fertigstellens der Plattierung der Anschlußstifte mit sich. Die bekannten und bisher angewandten Lösungen im Fall von Drähten aus einem gleichen Metall (Plattieren der Anschlußstifte mit reduziertem Cu, chemischem Ni, elektrolytischem Ni, reinem und/oder verunreinigtem Ag) haben sich im Fall der Verwendung von Drähten aus unterschiedlichem Material aufgrund von Unverträglichkeiten mit dem einen oder dem anderen Material der Drähte als ungeeignet erwiesen.
  • Demzufolge wurde eine Goldplattierung gewählt, welche mit beiden Metallen verträglich ist. Auch dieses Plattieren bringt jedoch Probleme mit sich. Der Teil des Anschlußstiftes, welcher aus der Ummantelung der fertigen Schaltung herausragt (und welcher normalerweise verzinnt ist), kann tatsächlich nicht vergoldet werden, da Gold während des Schallwellenbades zum Löten der Anschlußstifte an den gedruckten Schaltkreis unerwünschte kontaminierende Überreste hinterläßt. Weiterhin bringt die Goldplattierung der gesamten Oberfläche der Anschlußstifte und deren tragender Teile (welche nach dem Schließen des Gehäuses entfernt werden) bedeutende Kosten mit sich.
  • Deshalb werden die Anschlußstifte erfindungsgemäß selektiv vergoldet; insbesondere sind die inneren Teile, welche in dem Gehäuse eingeschlossen werden sollen, vergoldet, so daß die Goldplattierung nach dem Verschließen im Inneren des Gehäuses bleibt. Diese selektive Plattierung wird vor der mechanischen Verbindung zwischen dem Leiterrahmen und der Baustein- Tragstruktur durchgeführt. Das Plattieren wird insbesondere elektrolytisch unter Verwendung von Plastikabdeckmasken durchgeführt, welche die nicht zu vergoldenden Teile abdecken. Die Erfindung bezieht sich in jedem Fall auf Vorrichtungen mit nicht planarem Leiterrahmen und auf Vorrichtungen mit planarem Leiterrahmen.
  • Die Anmelderin hat zwei mögliche Verfahren zum Goldplattieren der Anschlußstifte entwickelt. Der Leiterrahmen wird anfangs durch Eintauchen in ein Natriumlaugebad entfettet, dann gewaschen und dann wird das Material in einem Salzsäurebad aufgefrischt. Danach wird entsprechend einem ersten Verfahren der Leiterrahmen durch Eintauchen in ein Bad mit einer sehr dünnen Kupferschicht überzogen (Kupferüberzug), wird danach mit einer dünnen Nickelschicht überzogen und danach mit elektrolytischem Gold (0,6µm Goldüberzug) plattiert. Gemäß einer zweiten Lösung wird nach dem Auffrischen zuerst das Vernickeln, gefolgt vom Verkupfern und der Goldplattierung durchgeführt. Die Dicke der Schichten kann ebenfalls in einem weiten Bereich variieren; z.B. haben Dicken zwischen 0,1 und 3µm für Nickel und zwischen 0,4 und 2,5 µm für Gold gute Ergebnisse erbracht.
  • Die erfindungsgemäß ausgeführten Vorrichtungen wurden Zuverlässigkeitsprüfungen unterworfen. Diese Prüfungen wurden mit montierten und verkapselten Einheiten und mit montierten und nicht verkapselten Einheiten durchgeführt und erbrachten exzellente Ergebnisse. Insbesondere 336-Stunden- Prüfungen bei PPT (Druckbehälter-Temperatur - Pressure Pot Temperature) mit montierten und nicht verkapselten Einheiten haben hinsichtlich der vor der PPT- Prüfung erbrachten Ergebnisse von Zugprüfungen keine Abweichungen ergeben.
  • Die Merkmale und Vorteile der Erfindung werden durch die Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform erkennbar, welche nur anhand eines nicht einschränkenden Beispiels in der beigefügten Zeichnung illustriert ist, wobei die einzige Figur eine Draufsicht einer integrierten Schaltung vor der Applikation des Gehäuses am Ende des Lötvorganges ist.
  • In der Figur zeigt insbesondere das Bezugszeichen 1 die Tragstruktur des Bauteils 2, welche mechanisch bereits an dem Leiterrahmen 3 befestigt ist, von dem in der Figur nur ein Teil gezeigt ist und der die zu dem dargestellten Baustein 2 gehörenden Anschlußstifte 5 trägt (15 Anschlußstifte in dem dargestellten Fall). Wie erkennbar ist, sind die Anschlußstifte 5 in einen Teil 6, welcher in einer konventionellen Weise plattiert und daher verzinnt ist, und einen, wie in der Figur durch die Schattierung schematisch dargestellten, vergoldeten Teil 7 aufgeteilt.
  • In dem in der Figur dargestellten Beispiel werden 13 von 15 Verbindungen für das Signal verwendet, und sind daher als dünne Golddrähte 8 vorgesehen, während die verbleibenden zwei Verbindungen Leistungsverbindungen sind, für die daher dickere Aluminiumdrähte 9 vorgesehen sind. Die Figur zeigt ebenfalls die Kontaktflächen 10 für das Signal und die Kontaktflächen 11 für die Leistung. Wie erkennbar ist, sind die Kontaktflächen 11 beträchtlich größer als die Kontaktflächen 10.
  • In der Figur zeigt die strichpunktierte Linie 1 3 die Kontur des Gehäuses, welches erkennbar vorgesehen ist, um den goldplattierten Teil 7 der Anschlußstifte zu umfassen, welcher am Ende der Montage außerhalb des Gehäuses nicht mehr zugänglich ist.
  • Wie aus der obigen Beschreibung erkennbar ist, verwirklicht die Erfindung vollständig die vorgeschlagenen Ziele und Aufgaben. Durch die Verwendung von aus verschiedenen Materialien hergestellten Drähten wird der für das Löten der Drähte erforderliche Raum auf dem Baustein tatsächlich verringert und die Verwendung verschiedener Durchmesser bei verschiedenen Materialien, insbesondere dünner Golddrähte für das Signal und dicker Aluminiumdrähte für die Leistung erlauben weiterhin eine wesentliche Verringerung der Fläche der Lötflächen, bezogen auf den Fall, in dem nur Aluminiumdrähte verwendet werden.
  • Beispielhaft sei eine Schaltung mit fünf Anschlußstiften betrachtet, von denen drei Signalanschlußstifte und zwei Leistungsanschlußstifte sind. Da z.B. ein Aluminiumdraht mit einem Durchmesser von 10 mil (1 mil = 25,4 x 10&supmin;³ mm) eine Fläche von 870 mil² erfordert, wohingegen ein 2 mil-Golddraht nur eine Fläche von 68 mil² erfordert, wird eine Schaltung des angegebenen Typs im Falle von fünf 10 mil-Aluminiumdrähten 4.350 mil² erfordern, während eine erfindungsgemäß ausgeführte Schaltung mit drei 2 mil-Golddrähten und zwei 10 mil- Aluminiumdrähten 1944 mil² erfordert. In diesem Fall wird daher erfindungsgemäß eine Einsparung von 2.406 mil² (d.h. über 50%) erzielt. Dieser Vorteil wird, wie ersichtlich, sehr wichtig, wenn sich die Anzahl der Anschlußstifte der Schaltung erhöht und signifikante Verringerungen der Abmessungen der Schaltung und damit der Schaltungsherstellungskosten mit sich bringen kann. Folglich ist es möglich, die durch den gegenwärtigen Trend hin zur Miniaturisierung der Schaltungen gebotenen Vorteile, welche praktisch durch die gegenwärtig für das Löten benötigten großen Flächen aufgehoben würden, vollständig auszunutzen.
  • Weiterhin ist die erfindungsgemäße Lösung vollkommen zuverlässig. Insbesondere ist es nicht länger notwendig, jeweils aus vielen Drähten gebildete Verbindungen vorzusehen; in jedem Fall kann aber die "Mehrfachdraht"-Technik durch die Erfindung auf die Verwendung von nur zwei parallelen Drähten beschränkt werden (welche einem maximalen Strom von 5 A entsprechen, durch Vorsehen der Verbindungen, welche höhere Ströme transportieren müssen, aus Aluminium), und dies erlaubt immer noch eine sichere Unterscheidung zwischen ununterbrochenen und defekten Verbindungen, ohne damit die Zuverlässigkeit der gegenseitigen Verbindungen zu gefährden.
  • Obwohl bei der Erfindung im Fall der Verwendung homogener Materialien für die Drähte einer Schaltung kompliziertere Löt- und Fertigstellungstechniken erforderlich sind, wurde beobachtet, daß die mit der Verringerung der Abmessungen und der hohen Zuverlässigkeit verbundenen Vorteile die Nachteile völlig kompensieren.
  • Es wird betont, daß, obwohl in der Beschreibung auf Gold- und Aluminiumdrähte Bezug genommen wurde, die Erfindung ebenfalls Legierungen der genannten Metalle betrifft. Andere Materialien (wie z.B. Kupfer, welches gegenwärtig untersucht wird) können weiterhin für die Ausführung der Verbindung zwischen dem Baustein und den Anschlußstiften des erfindungsgemäßen integrierten Bausteins in Betracht gezogen werden, wenn sie als für diesen Zweck geeignet und für ihre Verwendung als vorteilhaft angesehen werden.
  • Wenn in einem Anspruch genannte technische Merkmale von Bezugszeichen gefolgt werden, sind diese Bezugszeichen einzig zum Zweck des Erhöhens der Verständlichkeit der Ansprüche enthalten und daher haben solche Bezugszeichen keine einschränkende Wirkung auf den Umfang jedes beispielhaft durch solche Bezugszeichen bezeichneten Elements.

Claims (17)

1. Verfahren zum Herstellen einer integrierten Schaltung mit verbesserten Verbindungen zwischen den Leiterrahmenstiften (5) und dem integrierten Halbleitermaterialschaltungsbaustein (2), wobei die Verbindungen durch Drähte (8, 9) gebildet sind, die aus unterschiedlichen Materialien hergestellt sind, dadurch gekennzeichnet, daß es die Schritte umfaßt:
Beschichten des die Stifte (5) umfassenden Leiterrahmens (3) mit einer dünnen Kupferschicht;
Beschichten des Leiterrahmens (3) mit einer dünnen Nickelschicht;
Überziehen des Leiterrahmens (3) mit einer Goldschicht.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es vor den Beschichtungsschritten die Schritte umfaßt:
Entfetten des die Stifte (5) umfassenden Leiterrahmens (3);
Auffrischen des Leiterrahmens (3).
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Entfettungsschritt durch Eintauchen des Leiterrahmens (3) in ein Natriumhydratbad ausgeführt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Auffrischens durch Eintauchen des Leiterrahmens (3) in ein Hydrochloridbad ausgeführt wird.
5. Verfahren nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Kupferbeschichtens durch Kupfergalvanisieren ausgeführt wird.
6. Verfahren nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Goldbeschichtens durch Goldgalvanisieren elektrolytischen Goldes ausgeführt wird.
7. Verfahren nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Nickelbeschichtens vor dem Schritt des Kupferbeschichtens ausgeführt wird.
8. Verfahren nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Drähte (8, 9) aus verschiedenen Materialien hergestellt sind und unterschiedliche Durchmesser aufweisen.
9. Verfahren nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die verschiedenen Materialien durch Aluminium oder Legierungen mit einem hohen Aluminiumanteil für die Stromversorgungsanschlüsse (9) und durch Gold oder Legierungen mit einem hohen Goldanteil für die Signalanschlüsse (8) gebildet sind.
10. Verfahren nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Goldüberzug nur an den Enden (7) der Stifte (5) vorgesehen ist, welche in dem Gehäuse (13) der integrierten Schaltung eingefaßt sind.
11. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Überzugsschritte unter Verwendung geeigneter Schutzmasken zum Bedecken von wenigstens den äußeren Enden (6) der Stifte galvanisch ausgeführt werden.
12. Integrierte Schaltung mit verbesserten Verbindungen zwischen den Leiterrahmenstiften (5) und dem integrierten Halbleitermaterialschaltungsbaustein (2), wobei die Verbindungen durch Drähte (8, 9) gebildet sind, die aus verschiedenen Materialien hergestellt sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Leiterrahmen (3), der die Stifte enthält, mit einer dünnen Kupferschicht beschichtet ist, mit einer dünnen Nickelschicht beschichtet ist, und mit einer Goldschicht in der gegebenen Schichtfolge überzogen ist.
13. Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die verschiedenen Materialien Gold oder Legierungen mit einem hohen Anteil von Gold für Signalverbindungen (8) und Aluminium oder aluminiumbasierte Legierungen für Stromversorgungsverbindungen (9) umfassen.
14. Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Drähte (8, 9) aus verschiedenen Materialien mit unterschiedlichen Durchmessern hergestellt sind.
15. Anordnung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die verschiedenen Materialien aus Aluminium oder Legierungen mit einem hohen Aluminiumanteil für die Stromversorgungsverbindungen (9) und durch Gold oder Legierungen mit einem hohen Goldanteil für die Signalverbindungen (8) gebildet sind.
16. Anordnung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Goldüberzug nur an den Enden (7) der Stifte (5) vorgesehen ist, welche in dem Gehäuse (13) der integrierten Anordnung eingefaßt sind.
17. Anordnung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Überzugsschritt unter Verwendung geeigneter Schutzmasken zum Abdecken von wenigstens den äußeren Enden (6) der Stifte galvanisch ausgeführt wird.
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