EP2577725A2 - Halbleiterbauelement und verfahren zur herstellung desselben - Google Patents

Halbleiterbauelement und verfahren zur herstellung desselben

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EP2577725A2
EP2577725A2 EP11791422.6A EP11791422A EP2577725A2 EP 2577725 A2 EP2577725 A2 EP 2577725A2 EP 11791422 A EP11791422 A EP 11791422A EP 2577725 A2 EP2577725 A2 EP 2577725A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
semiconductor chip
connecting webs
finger
metal body
semiconductor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP11791422.6A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Michael Bragard
Rik De Doncker
Florian Mura
Christian Dick
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Original Assignee
Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH filed Critical Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Publication of EP2577725A2 publication Critical patent/EP2577725A2/de
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Definitions

  • the invention relates to a semiconductor component having at least one semiconductor chip, arranged on a first flat side and / or on a second flat side of the semiconductor chip, the flat sides of the semiconductor chip at least partially covering Kunststofftechniks- layers and at least one semiconductor chip spaced associated metal body, which over from the the first flat side associated contacting layer protruding, finger-like connecting webs is thermally and electrically connected to the semiconductor chip.
  • the invention further relates to a method for producing a semiconductor component comprising a semiconductor chip having at least a portion of a metallic contacting layer, wherein the contacting layer assigned to the semiconductor chip is connected to a metal body via finger-like connecting webs.
  • a semiconductor chip for example one on Silicon-based semiconductor chip to contact thermally and electrically permanently and stably. Due to the increasing demands in terms of power density and lifetime, in many applications already today, not the semiconductor material itself is the limit of the technically feasible. Rather, it is the assembly and connection technology in general, as well as the electrical and thermal contacting of the semiconductor chip in particular, which limits the performance.
  • the semiconductor chip is attached on one side via a full-surface solder joint on a copper substrate. On the other side of the semiconductor chip, an electrical contact is made by means of so-called bonding wires.
  • the bonding wires are fastened, for example by means of ultrasonic welding, to a contacting layer of aluminum, at least partially covering the semiconductor chip.
  • the disadvantage here is that the semiconductor device, in particular due to the different thermal expansion coefficients of the materials involved (for example, silicon for the semiconductor chip, copper and aluminum) as a result of temperature changes a dynamic mechanical stress subject, which leads to stresses in the device and represents a major failure cause in power semiconductors.
  • a bonding wire detachment or a substrate detachment occurs.
  • only a one-sided and sometimes insufficient cooling of the semiconductor chip is realized by the copper substrate. Due to the large number of different connection methods, the production process is also time-consuming and expensive. In addition, give rise to increased thermal and electrical contact resistance at the different contact points.
  • a semiconductor device is known from US Pat. No. 5 510 650, which has a connecting or cooling body formed of a flat copper strip on a flat side of a semiconductor chip facing away from the substrate.
  • the connecting body is arranged between the contacting layer of the semiconductor chip and a bonding foot of the bond connection.
  • the copper strip is slotted unilaterally transversely to the tape longitudinal direction and wound into a cylinder.
  • the slotted end side of the wound copper strip is fixed to the contacting layer of the semiconductor chip. Due to the slotted design of the copper tape winding, the mechanical stresses induced as a result of the thermal stress are reduced. Nevertheless, the semiconductor device is complex and expensive to manufacture. In addition, it remains unchanged to high thermal and electrical contact resistance at the various contact points.
  • the object of the present invention is therefore to specify a semiconductor component and a method for the production thereof in such a way that the service life and performance of the semiconductor component are further increased.
  • the invention in conjunction with the preamble of claim 1, characterized in that the finger-like connecting webs are spaced from each other and that the finger-like Ver ⁇ connecting webs monolithically connected to the contacting layer.
  • the particular advantage of the invention is that the different thermal expansion of the semiconductor chip and the metal body can be compensated by the spaced finger-like connecting webs.
  • the finger-like connecting webs serve here as elastic, comparatively soft transversely to their longitudinal direction compensating elements between the semiconductor chip and the contacting layers on the one hand and the metal body on the other. If the metal body and the semiconductor chip stretch differently as a result of the heating, the connecting webs are bent. The different longitudinal strain is compensated and the thermally induced stresses are reduced.
  • the metal body serves on the one hand for contacting and on the other hand for cooling the semiconductor chip.
  • by connecting the finger-like connecting webs monolithically with the contacting layer a very good electrical conductivity and a very good thermal conductivity occur between the components. Increased electrical or thermal contact resistances, as known from the prior art, are avoided.
  • the finger-like connecting webs are arranged regularly.
  • the regular arrangement of the connecting webs simplifies the production of the semiconductor component on the one hand.
  • the number of connecting webs, their distance from each other and their longitudinal extent and transverse dimension can be defined or optimized under functional and / or manufacturing aspects.
  • two hundred or more connecting webs preferably four hundred or more connecting webs are arranged per square centimeter of the semiconductor chip.
  • the provision of a plurality of connecting webs increases the electrical and thermal conductivity of the semiconductor device.
  • a high density of the finger-like connecting webs with a small distance of the connecting webs is desirable to each other.
  • the connecting webs and the metal body are monolithically connected to each other.
  • this further improves the electrical and thermal conductivity of the semiconductor component.
  • a cohesive, long-term stable and particularly strong connection between all components is ensured.
  • the contacting layer and / or the finger-like connecting webs and / or the metal body are formed from the same material. This advantageously simplifies the production because only one material component is processed must become. In addition, the homogeneity in the connecting portions of the individual components and thus the strength of the semiconductor device is high.
  • At least two semiconductor chips having the contacting layer and arranged in a common extension plane E are connected via the finger-like connecting webs to a common metal body.
  • the provision of a common metal body for two or more semiconductor chips reduces the leakage inductance of the entire system.
  • the electrical and thermal resistance decrease.
  • the invention in conjunction with the preamble of claim 10, characterized in that the formation of the monolithically grown from the contacting layer and spaced apart finger-like connecting webs on the metallic contacting layer metal particles are laser sintered.
  • any three-dimensional geometries can be produced by laser sintering.
  • laser sintering unlike for example In conventional mechanical or casting production - can produce undercuts, the finger-like connecting webs and the metal body can be created in a common manufacturing step. This reduces the production time and the manufacturing costs.
  • the monolithic, cohesive connection of the contacting layer with the connecting webs and the connecting webs with the metal body can be generated quasi-procedure inherent.
  • the laser sintering is in this case so accurate that even very small structures can be manufactured with high precision.
  • Figure 1 is a schematic diagram of an inventive
  • FIG. 2 shows a cross section through the semiconductor component according to FIG. 1 along the section A-A
  • FIG. 3 shows a second embodiment of a semiconductor component according to the invention with two semiconductor chips
  • Figure 4 shows a third embodiment of a semiconductor device according to the invention with integrated capacitor
  • FIG. 5 shows the means of the semiconductor device according to FIG.
  • a semiconductor component 1 according to FIGS. 1 and 2 essentially consists of a semiconductor chip 2, comprising two contacting layers 5, 6 covering the opposite flat sides 3, 4 of the semiconductor chip 2, at least in sections, of two metal bodies 7 assigned to the opposite flat sides 3, 4. 8 and a plurality of finger-like connecting webs 9 for connecting the metal body 7, 8 with the Kunststofftechniksschich- th 5, 6.
  • the semiconductor device 1 is used for example as a power semiconductor device for power converters or converters or for electric drives.
  • the metal bodies 7, 8 serve as a heat sink and / or for electrical contacting of the semiconductor component 1.
  • the semiconductor chip 2 which is formed for example as a silicon chip, is coated along the opposite flat sides 3, 4 with a thin contacting layer 5, 6.
  • the contacting layer 5, 6 is formed, for example, as an aluminum metallization.
  • a first metal body 7 is arranged over a first group of spaced connection webs 9 with a first contacting layer 5 arranged on a first flat side 3 of the semiconductor component 1 and a second metal body 8 electrically and thermally conductively connected to a second contact layer 6 arranged on a second flat side 4 of the semiconductor chip 2.
  • a gate contact 10 for electrical connection of the semiconductor chip 2 is also arranged.
  • the second contacting layer 6 is interrupted by a recess 11. Due to the recess 11, the gate contact 10 is connected solely via the semiconductor chip 2 with the connecting webs 9 and the second metal body 8.
  • the finger-like connecting webs 9 project from the contacting layers 5, 6 substantially perpendicularly.
  • the connecting webs 9 are formed comparatively slender, that is, their length is large in relation to the transverse dimension of the connecting webs 9.
  • the connecting webs 9 are arranged spaced from one another such that between adjacent connecting webs 9 free spaces 12 are formed. Adjacent connecting webs 9 do not touch one another and are connected to one another via the contacting layer 5, 6 or the metal body 7, 8 alone.
  • the connecting webs 9 are formed according to the present embodiment of the invention by way of example with a circular cross-section.
  • the circular cross section is chosen only as an example.
  • the connecting webs can have any desired cross-sectional geometry, for example rectangular, hexagonal, ellipsoidal or polygonal.
  • the transverse Section of the connecting webs 9 may be constant or vary in the longitudinal direction-as in the present case.
  • connecting webs 9 may be arranged on one square centimeter of the semiconductor chip 2.
  • the connecting webs 9 take, for example, 50 percent or more and the free spaces 12 50 percent or less of the area of the semiconductor chip 2. Due to the high density, on the one hand good electrical conductivity and on the other hand a good thermal connection of the metal bodies 7, 8 to the semiconductor chip 2 are ensured.
  • the semiconductor chip 2 is typically subject to severe cyclic temperature variations with high temperature and lower temperature phases. During these temperature fluctuations, the semiconductor chip 2 and the metal bodies 7, 8 expand to a very different extent. The main elongation takes place here in the plane E of the semiconductor chip 2 or the metal body 7, 8. The transverse to the extension plane E very slim formed connecting webs 9 act as elastic elements between the semiconductor chip 2 and the metal bodies 7, 8. They are transverse to their longitudinal direction bent, thus allowing "thermal breathing" of the semiconductor device 1 in the plane E of extension.
  • the occurring in the semiconductor device 1 due to the thermal cycling mechanical stresses are due to the elastic structure unequally lower than in conventional semiconductor devices, in which the metal body 7, 8 abut directly on the contacting layer 5, 6 and are connected flat with these. Due to the lower mechanical stress, the semiconductor device 1 has an improved lifetime.
  • the finger-like connecting webs 9 and the metal bodies 7, 8 are applied to the contacting layers 5, 6 by means of laser sintering of metal powder.
  • a monolithic, cohesive connection of the contacting layer 5, 6 with the connecting webs 9 and the connecting webs 9 with the metal bodies 7, 8 is achieved. Due to the monolithic structure results in a high electrical and thermal conductivity, which gives the semiconductor device 1 very good functional properties and in particular a high power density.
  • Particularly advantageous is the structure of the semiconductor device 1, if for the contacting layers 5, 6, the connecting webs 9 and the metal body 7, 8 a same material, such as aluminum, is used. In this case, moreover, simplifies the manufacturing step of laser sintering, since only one material must be processed.
  • the semiconductor device 1 is formed substantially symmetrically with respect to the plane E of extension. Only in the region of the gate contact 10 is the symmetry broken.
  • the cooling of the semiconductor chip 2 by the provision of the two serving as a heat sink metal body 7, 8 is optimally supported.
  • the elastically formed connecting webs 9 remaining mechanical stresses distributed substantially evenly. The remaining mechanical stress of the semiconductor device 1 is thus easy to control. Local voltage spikes, which are caused by a one-sided cooling of the semiconductor chip 2, can be avoided in this way.
  • a semiconductor component 1 has two semiconductor chips 2, 2 'and two metal bodies 7, 8.
  • a first metal body 7 is in this case associated with a first flat side 3 of a first semiconductor chip 2 and a first flat side 3 'of a second semiconductor chip 2'.
  • a second metal body 8 is assigned corresponding to a second flat side 4 of the first semiconductor chip 2 and a second flat side 4 'of the second semiconductor chip 2'.
  • FIGS. 4 and 5 shows one of the most important basic circuits of the power electronics, a half-bridge which is constructed in the new technology and has a capacitor 13 as an electrical component.
  • the semiconductor component 1 has two semiconductor chips 2, 2 'and a total of three metal bodies 7, 8, 8'.
  • the first metal body 7 is in this case associated with a first flat side 3 of a first semiconductor chip 2 and a first flat side 3 'of a second semiconductor chip 2'.
  • the second metal body 8 is assigned to a second flat side 4 of the first semiconductor chip 2 and the third metal body 8 'to the second flat side 4' of the second semiconductor chip 2 '.
  • the capacitor 13 is low-inductively connected to the first semiconductor chip 2 serving as a first switch S1 and to the second semiconductor body 8 and the third metal body 8 'via further connecting portions 14 which are formed as finger-like connecting webs 14 according to the present embodiment of the invention connected as a second switch S2 serving second semiconductor chip 2 '. Due to the usually made of aluminum front side contacts of such capacitors 13, it is very easy to include the capacitor 13 directly in the sintering process and, for example, also connect via the connecting portions 14.
  • the gate contacts 10 of the switches Sl and S2 are turned on and off in opposite directions in the half-bridge circuit, so that the center M (first metal body 7) connected to either the positive pole (second metal body 8) or the negative pole (third metal body 8 ') is.
  • gate drivers or other electrical or electronic components serving as auxiliary components can be integrated into the semiconductor component 1.
  • the capacitive gate currents are usually provided today by a gate driver in chip form. This gate driver can be sintered with and thus connected directly to the connecting webs 9 conductive.
  • the at least one metal body 7, 8 may be shaped as desired in a region facing away from the connecting webs 9.
  • the cuboid shape shown is chosen as an example only.
  • the metal body 7, 8 may for example have ribs or small pins.
  • the geometry of the metal body 7, 8 will be based here on the goal to ensure a good mechanical and thermal connection and dissipate the heat over preferably large surfaces to the environment.
  • the channel-shaped heatpipes serving for improved heat dissipation or heat spreading may be sintered into the same in the production of the metal bodies 7, 8, 8 '.
  • a heat pipe uses the heat of vaporization of a substance, which is transported by the capillary effect and at another place kon- condenses. Despite the small cross-sectional areas, large quantities of heat can be transported inside the heat pipe.
  • the thermal resistance of the heat pipe is significantly smaller than that of solid metals of the same diameter.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement mit wenigstens einem Halbleiterchip (2), mit an zwei Flachseiten (3, 4) des Halbleiterchips angeordneten, die Flachseiten des Halbleiterchips zumindest abschnittsweise überdeckenden Kontaktierungsschichten (5, 6) und mit wenigstens einem einer ersten Flachseite des Halbleiterchips beabstandet zugeordneten Metallkörper (7, 8), welcher über von der ersten Flachseite zugeordneten Kontaktierungsschicht abragende, fingerartige Verbindungsstege (9) thermisch und elektrisch leitend mit dem Halbleiterchip verbunden ist, wobei die fingerartigen Verbindungsstege beabstandet zueinander angeordnet sind und dass die fingerartigen Verbindungsstege monolithisch mit der Kontaktierungsschicht verbunden sind.

Description

Halbleiterbauelement und Verfahren zur
Herstellung desselben
Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement mit wenigstens einem Halbleiterchip, mit an einer ersten Flachseite und/oder an einer zweiten Flachseite des Halbleiterchips angeordneten, die Flachseiten des Halbleiterchips zumindest abschnittsweise überdeckenden Kontaktierungs- schichten und mit wenigstens einem dem Halbleiterchip beabstandet zugeordneten Metallkörper, welcher über von der der ersten Flachseite zugeordneten Kontaktierungs- schicht abragende, fingerartige Verbindungsstege thermisch und elektrisch leitend mit dem Halbleiterchip verbunden ist .
Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements enthaltend einen zumindest abschnittsweise eine metallische Kontaktierungs- schicht aufweisenden Halbleiterchip, wobei die dem Halbleiterchip zugeordnete Kontaktierungsschicht über fingerartige Verbindungsstege mit einem Metallkörper verbunden wird .
In der Leistungshalbleitertechnik ist es bis heute ein Problem, einen Halbleiterchip, beispielsweise einen auf Siliziumbasis gefertigten Halbleiterchip, thermisch wie elektrisch dauerhaft und stabil zu kontaktieren. Aufgrund der steigenden Anforderungen hinsichtlich Leistungsdichte und Lebensdauer bildet in vielen Anwendungsfällen bereits heute nicht das Halbleitermaterial selbst die Grenze des technisch Machbaren. Vielmehr ist es die Aufbau- und Verbindungstechnik im Allgemeinen sowie die elektrische und thermische Kontaktierung des Halbleiterchips im Speziellen, die die Leistungsfähigkeit begrenzt. Üblicherweise wird der Halbleiterchip einseitig über eine vollflächige Lötverbindung auf einem Kupfersubstrat befestigt. Auf der anderen Seite des Halbleiterchips wird mittels sogenannter Bonddrähte ein elektrischer Kontakt hergestellt. Die Bonddrähte werden beispielsweise mittels Ultraschallschweißens auf einer den Halbleiterchip zumindest abschnittsweise überziehenden Kontaktierungsschicht aus Aluminium befestigt. Nachteilig hierbei ist, dass das Halbleiterbauteil insbesondere aufgrund der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der beteiligten Werkstoffe (beispielsweise Silizium für den Halbleiterchip, Kupfer und Aluminium) infolge der Temperaturwechsel einer dynamischen mechanischen Beanspruchung unterliegt, die zu Spannungen in dem Bauelement führt und eine Hauptausfallursache bei Leistungshalbleitern darstellt. Es kommt beispielsweise zu einer Bonddrahtablösung oder zu einer Substratablösung. Ferner wird durch das Kupfersubstrat lediglich eine einseitige und mitunter nicht ausreichende Kühlung des Halbleiterchips realisiert. Aufgrund der Vielzahl unterschiedlicher Verbindungsverfahren ist der Fertigungs- prozess zudem zeitaufwendig und teuer. Darüber hinaus er- geben sich an den unterschiedlichen Kontaktierungsstellen erhöhte thermische und elektrische Übergangswiderstände.
Aus der US 5 510 650 ist ein Halbleiterbaueleraent bekannt, welches auf einer dem Substrat abgewandten Flachseite eines Halbleiterchips einen aus einem flachen Kupferband geformten Verbindungs- bzw. Kühlkörper aufweist. Der Verbindungskörper ist zwischen der Kontaktierungsschicht des Halbleiterchips und einem Kontaktierungsfuß der Bondverbindung angeordnet. Das Kupferband ist einseitig quer zur Bandlängsrichtung geschlitzt ausgeführt und zu einem Zylinder gewickelt. Die geschlitzte Stirnseite des gewickelten Kupferbands wird an der Kontaktierungsschicht des Halbleiterchips festgelegt. Aufgrund der geschlitzten Ausführung des Kupferbandwickels reduzieren sich die infolge der thermischen Belastung induzierten mechanischen Spannungen. Gleichwohl ist das Halbleiterbauelement komplex aufgebaut und aufwendig in der Fertigung. Darüber hinaus kommt es unverändert zu hohen thermischen und elektrischen Übergangswiderständen an den diversen Kontaktstellen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Halbleiterbauelement und ein Verfahren zur Herstellung desselben derart anzugeben, dass die Lebensdauer und Leistungsfähigkeit des Halbleiterbauelements weiter erhöht werden.
Zur Lösung der Aufgabe ist die Erfindung in Verbindung mit dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 dadurch gekennzeichnet, dass die fingerartigen Verbindungsstege beabstandet zueinander angeordnet sind und dass die fingerartigen Ver- bindungsstege monolithisch mit der Kontaktierungsschicht verbunden sind.
Der besondere Vorteil der Erfindung besteht darin, dass durch die beabstandeten fingerartigen Verbindungsstege die unterschiedliche thermische Ausdehnung des Halbleiterchips und des Metallkörpers ausgeglichen werden kann. Die fingerartigen Verbindungsstege dienen hierbei als elastische, quer zu ihrer Längsrichtung vergleichsweise weich ausgeführte Ausgleichselemente zwischen dem Halbleiterchip und den Kontaktierungsschichten einerseits und dem Metallkörper andererseits. Sofern sich der Metallkörper und der Halbleiterchip infolge der Erwärmung unterschiedlich dehnen, werden die Verbindungsstege gebogen. Die unterschiedliche Längsdehnung wird ausgeglichen, und die thermisch induzierten Spannungen reduzieren sich. Der Metallkörper dient hierbei einerseits zur Kontaktierung und andererseits zur Kühlung des Halbleiterchips. Indem die fingerartigen Verbindungsstege monolithisch mit der Kontaktierungsschicht verbunden sind, ergeben sich darüber hinaus eine sehr gute elektrische Leitfähigkeit und eine sehr gute thermische Leitfähigkeit zwischen den Komponenten. Erhöhte elektrische bzw. thermische Übergangswiderstände, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind, werden vermieden .
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die fingerartigen Verbindungsstege regelmäßig angeordnet. Durch die regelmäßige Anordnung der Verbindungsstege vereinfacht sich zum einen die Fertigung des Halbleiterbauelements. Zum anderen kann das Verhalten des Halbleiter- bauelements während des Betriebs, insbesondere bei einer wechselnden thermischen Belastung, gut vorherbestimmt und bereits im Entwurfsstadium optimiert werden. Insbesondere können die Anzahl der Verbindungsstege, ihr Abstand zueinander sowie ihre Längserstreckung und Querabmessung unter funktionalen und/oder fertigungstechnischen Gesichtspunkten festgelegt bzw. optimiert werden.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung sind je Quadratzentimeter des Halbleiterchips zweihundert oder mehr Verbindungsstege, bevorzugt vierhundert oder mehr Verbindungsstege angeordnet. Das Vorsehen einer Vielzahl von Verbindungsstegen steigert die elektrische und thermische Leitfähigkeit des Halbleiterbauelements. Allgemein gilt, dass unter diesen Gesichtspunkten eine hohe Dichte der fingerartigen Verbindungsstege mit geringem Abstand der Verbindungsstege zueinander anzustreben ist.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung sind die Verbindungsstege und der Metallkörper monolithisch miteinander verbunden. Vorteilhaft wird hierdurch die elektrische und thermische Leitfähigkeit des Halbleiterbauelements weiter verbessert. Zudem wird eine stoffschlüssige , langzeitsta- bile und besonders feste Verbindung aller Komponenten untereinander gewährleistet.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung sind die Kontaktie- rungsschicht und/oder die fingerartigen Verbindungsstege und/oder der Metallkörper aus einem gleichen Werkstoff gebildet. Vorteilhaft vereinfacht sich hierdurch die Herstellung, da lediglich eine Materialkomponente verarbeitet werden muss. Darüber hinaus ist die Homogenität in den Verbindungsbereichen der einzelnen Komponenten und damit die Festigkeit des Halbleiterbauelements hoch.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung sind wenigstens zwei die Kontaktierungsschicht aufweisende und in einer gemeinsamen Erstreckungsebene E angeordnete Halbleiterchips über die fingerartigen Verbindungsstege mit einem gemeinsamen Metallkörper verbunden. Durch das Vorsehen eines gemeinsamen Metallkörpers für zwei oder mehr Halbleiterchips reduziert sich die Streuinduktivität des gesamten Systems. Darüber hinaus sinken der elektrische und thermische Widerstand. Ferner bietet sich die Möglichkeit, Topo- logien der Leistungselektronik, beispielsweise Halbbrücken oder Vollbrücken, bereits auf Chipebene zu realisieren. Dies ist aus Gründen eines niederinduktiven Aufbaus von Kommutierungspfaden in Schaltzellen wünschenswert und mit den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen nicht oder nur eingeschränkt möglich.
Zur Lösung der Aufgabe ist die Erfindung in Verbindung mit dem Oberbegriff des Patentanspruchs 10 dadurch gekennzeichnet, dass zur Bildung der monolithisch aus der Kontaktierungsschicht erwachsenden und zueinander beabstande- ten fingerartigen Verbindungsstege auf der metallischen Kontaktierungsschicht Metallpartikel lasergesintert werden.
Vorteilhaft können durch das Lasersintern nahezu beliebige dreidimensionale Geometrien hergestellt werden. Dadurch, dass sich mittels Lasersintern - anders als beispielsweise bei konventioneller maschineller oder gießtechnischer Fertigung - Hinterschneidungen erzeugen lassen, können die fingerartigen Verbindungsstege und der Metallkörper in einem gemeinsamen Fertigungsschritt erstellt werden. Dies reduziert die Fertigungszeit und die Fertigungskosten. Darüber hinaus kann die monolithische, stoffschlüssige Verbindung der Kontaktierungsschicht mit den Verbindungsstegen und die Verbindungsstege mit dem Metallkörper quasi verfahrensimmanent erzeugt werden. Das Lasersintern ist hierbei derart genau, dass auch sehr kleine Strukturen mit einer hohen Präzision gefertigt werden können.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 eine Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen
Halbleiterbauelements ,
Figur 2 einen Querschnitt durch das Halbleiterbauelement gemäß Figur 1 entlang des Schnitts A-A,
Figur 3 eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements mit zwei Halbleiterchips , Figur 4 eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements mit integriertem Kondensator und
Figur 5 die mittels des Halbleiterbauelements nach Figur
4 realisierte Topologie (Halbbrücke) als elektrische Schaltkreisdarstellung.
Ein Halbleiterbauelement 1 gemäß der Figuren 1 und 2 besteht im Wesentlichen aus einem Halbleiterchip 2, aus zwei die gegenüberliegenden Flachseiten 3, 4 des Halbleiterchips 2 zumindest abschnittsweise überdeckenden Kontaktie- rungsschichten 5, 6, aus zwei den gegenüberliegenden Flachseiten 3, 4 zugeordneten Metallkörpern 7, 8 sowie aus einer Vielzahl fingerartiger Verbindungsstege 9 zum Verbinden der Metallkörper 7, 8 mit den Kontaktierungsschich- ten 5, 6. Das Halbleiterbauelement 1 wird beispielsweise als ein Leistungshalbleiterbauelement für Stromrichter bzw. Umrichter oder für elektrische Antriebe eingesetzt. Die Metallkörper 7, 8 dienen als Kühlkörper und/oder zur elektrischen Kontaktierung des Halbleiterbauelements 1.
Der Halbleiterchip 2, der beispielsweise als ein Siliziumchip ausgebildet ist, ist entlang der gegenüberliegenden Flachseiten 3, 4 mit einer dünnen Kontaktierungsschicht 5, 6 überzogen. Die Kontaktierungsschicht 5, 6 ist beispielsweise als eine Aluminiummetallisierung ausgebildet. Hierbei ist ein erster Metallkörper 7 über eine erste Gruppe von beabstandet zueinander angeordneten VerbindungsStegen 9 mit einer auf einer ersten Flachseite 3 des Halbleiterbauelements 1 angeordneten ersten Kontaktierungsschicht 5 und ein zweiter Metallkörper 8 mit einer auf einer zweiten Flachseite 4 des Halbleiterchips 2 angeordneten zweiten Kontaktierungsschicht 6 elektrisch und thermisch leitend verbunden. Auf der zweiten Flachseite 4 ist außerdem ein Gatekontakt 10 zur elektrischen Konnektierung des Halbleiterchips 2 angeordnet. Im Bereich des Gatekontakts 10 ist die zweite Kontaktierungsschicht 6 durch eine Ausnehmung 11 unterbrochen. Aufgrund der Ausnehmung 11 ist der Gatekontakt 10 allein über den Halbleiterchip 2 mit den Verbindungsstegen 9 und dem zweiten Metallkörper 8 verbunden.
Die fingerartigen Verbindungsstege 9 ragen von den Kontak- tierungsschichten 5, 6 im Wesentlichen senkrecht ab. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Verbindungsstege 9 vergleichsweise schlank ausgebildet, das heißt ihre Länge ist groß im Verhältnis zur Querabmessung der Verbindungsstege 9. Die Verbindungsstege 9 sind derart beabstandet zueinander angeordnet, dass zwischen benachbarten Verbindungsstegen 9 Freiräume 12 gebildet sind. Benachbarte Verbindungsstege 9 berühren einander nicht und sind allein über die Kontaktierungsschicht 5, 6 bzw. dem Metallkörper 7, 8 miteinander verbunden.
Die Verbindungsstege 9 sind nach der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung beispielhaft mit einem kreisförmigen Querschnitt ausgebildet. Der kreisförmige Querschnitt ist lediglich beispielhaft gewählt. Selbstverständlich können die Verbindungsstege jede beliebige Querschnittsgeometrie aufweisen, beispielsweise rechteckig, hexagonal, ellipsoid oder als Vieleck ausgebildet sein. Der Quer- schnitt der Verbindungsstege 9 kann in deren Längsrichtung- wie vorliegend - konstant sein oder variieren.
Wie die Darstellung gemäß Figur 2 zeigt, ist man bestrebt, möglichst viele Verbindungsstege mit zueinander geringem Abstand anzuordnen. Beispielsweise können zweihundert oder mehr sehr schlanke Verbindungsstege 9 auf einem Quadratzentimeter des Halbleiterchips 2 angeordnet sein. Die Verbindungsstege 9 nehmen dabei beispielsweise 50 Prozent oder mehr und die Freiräume 12 50 Prozent oder weniger der Fläche des Halbleiterchips 2 ein. Durch die hohe Dichte wird einerseits eine gute elektrische Leitfähigkeit und andererseits eine gute thermische Anbindung der Metallkörper 7, 8 an den Halbleiterchip 2 gewährleistet.
Während des Betriebs unterliegt der Halbleiterchip 2 typischerweise starken zyklischen Temperaturschwankungen mit Phasen hoher Temperatur und mit Phasen geringerer Temperatur. Während dieser Temperaturschwankungen dehnen sich der Halbleiterchip 2 und die Metallkörper 7, 8 in sehr unterschiedlichem Maße aus. Die Hauptdehnung erfolgt hierbei in der Erstreckungsebene E des Halbleiterchips 2 bzw. der Metallkörper 7, 8. Die quer zur Erstreckungsebene E sehr schlank ausgebildeten Verbindungsstege 9 wirken als elastische Elemente zwischen dem Halbleiterchip 2 und den Metallkörpern 7, 8. Sie werden quer zu Ihrer Längsrichtung gebogen und erlauben so ein „thermisches Atmen" des Halbleiterbauelements 1 in der Erstreckungsebene E.
Die in dem Halbleiterbauelement 1 infolge der thermischen Wechselbelastung auftretenden mechanischen Spannungen sind aufgrund des elastischen Aufbaus ungleich geringer als bei konventionellen Halbleiterbauelementen, bei denen die Metallkörper 7, 8 unmittelbar an der Kontaktierungsschicht 5, 6 anliegen und flächig mit diesen verbunden sind. Infolge der geringeren mechanischen Belastung besitzt das Halbleiterbauelement 1 eine verbesserte Lebensdauer.
Die fingerartigen Verbindungsstege 9 sowie die Metallkörper 7, 8 werden mittels Lasersinterns von Metallpulver auf die Kontaktierungsschichten 5, 6 aufgebracht. Hierdurch wird eine monolithische, Stoffschlüssige Verbindung der Kontaktierungsschicht 5, 6 mit den Verbindungsstegen 9 und der Verbindungsstege 9 mit den Metallkorpern 7, 8 erreicht. Aufgrund der monolithischen Struktur ergibt sich eine hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit, die dem Halbleiterbauelement 1 sehr gute funktionale Eigenschaften und insbesondere eine hohe Leistungsdichte verleiht. Besonders vorteilhaft ist der Aufbau des Halbleiterbauelements 1, wenn für die Kontaktierungsschichten 5, 6, die Verbindungsstege 9 und die Metallkörper 7, 8 ein gleicher Werkstoff, beispielsweise Aluminium, verwendet wird. In diesem Fall vereinfacht sich überdies der Fertigungsschritt des Lasersinterns, da lediglich ein Werkstoff verarbeitet werden muss.
Das Halbleiterbauelement 1 ist weitgehend symmetrisch bezüglich der Erstreckungsebene E ausgebildet. Lediglich im Bereich des Gatekontakts 10 ist die Symmetrie durchbrochen. Vorteilhaft wird die Kühlung des Halbleiterchips 2 durch das Vorsehen der zwei als Kühlkörper dienenden Metallkörper 7, 8 optimal unterstützt. Darüber hinaus sind die trotz der elastisch ausgebildeten Verbindungsstege 9 verbleibenden mechanischen Spannungen im Wesentlichen gleichmäßig verteilt. Die verbleibende mechanische Beanspruchung des Halbleiterbauelements 1 ist damit gut beherrschbar. Lokale Spannungsspitzen, die durch eine einseitige Kühlung des Halbleiterchips 2 hervorgerufen werden, lassen sich auf diese Weise vermeiden.
Nach einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung können auf die symmetrische Ausgestaltung des Halbleiterbauelements 1 und das Vorsehen von zwei Kühlkörpern 7, 8 verzichtet werden. Es ist beispielsweise möglich, lediglich einen ersten Metallkörper 7 der ersten Flachseite 3 zuzuordnen.
Nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung gemäß Figur 3 weist ein Halbleiterbauelement 1 zwei Halbleiterchips 2, 2' sowie zwei Metallkörpern 7, 8 auf. Ein erster Metallkörper 7 ist hierbei einer ersten Flachseite 3 eines ersten Halbleiterchips 2 und einer ersten Flachseite 3' eines zweiten Halbleiterchips 2' zugeordnet. Ein zweiter Metallkörper 8 ist entsprechend einer zweiten Flachseite 4 des erstens Halbleiterchips 2 und einer zweiten Flachseite 4' des zweiten Halbleiterchips 2' zugeordnet. Durch die gemeinsame Anordnung von zwei oder mehr Halbleiterchips 2, 2' in einem gemeinsamen Halbleiterbauelement 1 können Standardtopologien der Leistungselektronik, beispielsweise Halbbrücken oder Vollbrücken, bereits auf Chipebene realisiert werden. Gleiche Bauteile oder Bauteilfunktionen der einzelnen Ausführungsbeispiele sind durch gleiche Bezugs zeichen gekennzeichnet .
Ein alternatives Ausführungsbeispiel der Erfindung gemäß der Figuren 4 und 5 zeigt eine der wichtigsten Grundschaltungen der Leistungselektronik, eine Halbbrücke, die in der neuen Technik aufgebaut ist und als ein elektrisches Bauelement einen Kondensator 13 aufweist. Das Halbleiterbauelement 1 weist zwei Halbleiterchips 2, 2' sowie insgesamt drei Metallkörpern 7, 8, 8' auf. Der erster Metallkörper 7 ist hierbei einer ersten Flachseite 3 eines ersten Halbleiterchips 2 und einer ersten Flachseite 3' eines zweiten Halbleiterchips 2' zugeordnet. Der zweiter Metallkörper 8 ist einer zweiten Flachseite 4 des erstens Halbleiterchips 2 und der dritte Metallkörper 8' der zweiten Flachseite 4' des zweiten Halbleiterchips 2' zugeordnet.
Der Kondensator 13 ist über weitere Verbindungsabschnitte 14, die nach der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung als fingerartig Verbindungsstege 14 ausgebildet sind, sowie über den zweiten Metallkörper 8 und den dritten Metallkörper 8' niederinduktiv mit dem als ein erster Schalter S1 dienenden ersten Halbleiterchip 2 und mit dem als ein zweiter Schalter S2 dienenden zweiten Halbleiterchip 2' verbunden. Aufgrund der üblicherweise aus Aluminium bestehenden Stirnseitenkontakte derartiger Kondensatoren 13 ist es sehr leicht möglich, den Kondensator 13 direkt in den Sinterprozess einzubeziehen und beispielsweise ebenfalls über die Verbindungsabschnitte 14 anzubinden. Die Gatekontakte 10 der Schalter Sl und S2 werden bei der Halbbrückenschaltung gegenläufig ein- bzw. ausgeschaltet, so dass der Mittelpunkt M (erster Metallkörper 7) entweder mit dem positiven Pol (zweiter Metallkörper 8) oder dem negativen Pol (dritter Metallkörper 8') verbunden ist.
Ferner können Gatetreiber oder andere als Hilfkomponenten dienende elektrische bzw. elektronische Bauelemente in das Halbleiterbauelement 1 integriert werden. Die kapazitiven Gateströme werden heute üblicherweise von einem Gatetreiber in Chipform bereitgestellt. Diesen Gatetreiber können mit eingesintert und somit direkt mit den Verbindungsstegen 9 leitend verbunden werden.
Nach einem nicht dargestellten, alternativen Ausführungsbeispiel der Erfindung kann der wenigstens eine Metallkörper 7, 8 in einem den Verbindungsstegen 9 abgewandten Bereich beliebig geformt sein. Die dargestellte Quaderform ist insofern lediglich exemplarisch gewählt. Der Metallkörper 7, 8 kann beispielsweise Rippen oder kleine Stifte aufweisen. Die Geometrie des Metallkörpers 7, 8 wird sich hierbei an dem Ziel orientieren, eine gute mechanische und thermische Anbindung zu gewährleisten und die wärme über vorzugsweise große Oberflächen an die Umgebung abzuführen.
Ferner können der verbesserten Wärmeabfuhr bzw. Wärmespreizung dienenden, nicht dargestellte, kanalförmige Heatpipes bei der Herstellung der Metallkörper 7, 8, 8' in dieselben eingesintert werden. Eine Heatpipe nutzt die Verdampfungswärme eines Stoffes, der durch den Kapillareffekt transportiert wird und an einer anderen Stelle kon- densiert. Im Inneren der Heatpipe können trotz kleiner Querschnittsflächen große Mengen Wärme transportiert werden. Der Wärmewiderstand der Heatpipe ist hierbei signifikant kleiner als der von massiven Metallen gleichen Durchmessers. Durch das Einsintern der Heatpipe in den Metallkörper 7, 8, 8' ergibt sich eine optimale thermische An- bindung sowie eine weitere Verbesserung der Stromtragfähigkeit und der Leistungsdichte.

Claims

Patentansprüche :
1. Halbleiterbauelement mit wenigstens einem Halbleiterchip, mit an einer ersten Flachseite und/oder an einer zweiten Flachseite des Halbleiterchips angeordneten, die Flachseiten des Halbleiterchips zumindest abschnittsweise überdeckenden Kontaktieruagsschichten und mit wenigstens einem dem Halbleiterchip beabstandet zugeordneten Metallkörper, welcher über von der der ersten Flachseite zugeordneten Kontaktierungs- schicht abragende, fingerartige Verbindungsstege thermisch und elektrisch leitend mit dem Halbleiterchip verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die fingerartigen Verbindungsstege (9) beabstandet zueinander angeordnet sind und dass die fingerartigen Verbindungsstege (9) monolithisch mit der Kontaktie- rungsschicht (5, 6) verbunden sind.
2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die fingerartigen Verbindungsstege (9) regelmäßig angeordnet sind und/oder benachbarte Verbindungsstege (9) einen gleichen Abstand zueinander aufweisen .
3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass je Quadratzentimeter Flachseitenfläche mindestens zweihundet Verbindungsstege (9) angeordnet sind.
4. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsstege (9) und der Metallkörper (7, 8, 8') monolithisch miteinander verbunden sind.
5. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis
4, dadurch gekennzeichnet, dass der zweiten Flachseite (4, 4') des Halbleiterchips (2, 2') ein zweiter Metallkörper (8) zugeordnet und über die fingerartigen Verbindungsstege (9) leitend mit dem Halbleiterchip (2, 2') verbunden ist, wobei eine Symmetrie im Aufbau bezüglich einer Erstreckungsebene (E) des Halbleiterchips (2,. 2' ) lediglich im Bereich eines zur elektrischen Kontaktierung des Halbleiterchips (2, 2' ) dienenden und an der ersten Flachseite (3, 3' ) und/oder an der zweiten Flachseite (4, 4') angeordneten Gatekontakts (10) durchbrochen ist.
6. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis
5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktierungsschicht (5, 6) und/oder die fingerartigen Verbindungsstege (9) und/oder der Metallkörper (7, 8, 8') aus einem gleichen Werkstoff gebildet sind.
7. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis
6, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterchip (2, 2') als ein Siliziumchip ausgebildet ist und/oder die Kontaktierungsschicht (5, 6) als eine Aluminiummetallisierung ausgebildet ist.
8. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis
7, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei jeweils mindestens eine Kontaktierungsschicht (5, 6) aufweisende und sich in der gemeinsamen Erstreckungs- ebene (E) erstreckende Halbleiterchips (2, 2' ) über die fingerartigen Verbindungsstege (9) mit einem gemeinsamen Metallkörper (7, 8, 8') verbunden sind.
9. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallkörper (7, 8, 8') in einem den Verbindungsstegen 9 abgewandten Bereich Rippen und/oder Stifte aufweist zur Verbesserung der Kühlung des Halbleiterchips (2, 2' ) .
10. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements enthaltend einen zumindest abschnittsweise eine metallische Kontaktierungsschicht aufweisenden Halbleiterchip, wobei die dem Halbleiterchip zugeordnete Kontaktierungsschicht über fingerartige Verbindungsstege mit einem Metallkörper verbunden wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bildung der monolithisch aus der Kontaktierungsschicht (5,6) erwachsenden und zueinander beabstandeten fingerartigen Verbindungsstege (9) auf der metallischen Kontaktierungsschicht (5, 6) Metallpartikel lasergesintert werden.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Formen der fingerartigen Verbindungsstege (9) der Metallkörper (7, 8, 8') mittels Lasersintern aus dem Metallpulver gebildet wird.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass elektronische und/oder elektronische Bauelemente (Kondensator 13) während des Lasersin- terns mechanisch und elektrisch über weitere Verbindungsabschnitte (14) mit dem Halbleiterchip (2, 2' ) verbunden werden.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verbesserten Wärmeabfuhr und/oder Wärmespreizung eine Heatpipe mittels Laser- sinterns in dem Metallkörper 7, 8, 8' gebildet wird.
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