WO2006024261A2 - Verbindungselement eines halbleiterbauteils und halbleiterbauteil mit mehreren derartigen verbindungselementen, sowie verfahren zu deren herstellung - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a connecting element of a semiconductor device and a semiconductor device having a plurality of such connecting elements, and to a method for the production thereof.
  • connecting elements are arranged for the most diverse purposes. On the one hand, they can represent a mechanical connection in the form of spacers, on the other hand, they can also enable an electrical connection if such connecting elements are made of an electrically conductive material, such as a metal.
  • so-called "studbumps" also called gold nailhead or Tmermokompressi- onsköpfe
  • spacers as spacers or in flip-chip technology for a direct connection of semiconductor chip to semiconductor chip or from a semiconductor chip to a Sub ⁇ stratève or to a large-scale metal electrode ein ⁇ set.
  • the Studbump technology can be used. However, then several studbumps are arranged one above the other or side by side.
  • Such Studbumps are thermocompression heads that arise in thermocompression bonding in that a melting bead of the bonding wire is formed, which then use of the bonding prick is pressed onto a corresponding connection surface of a semiconductor component.
  • These studbumps or thermocompression heads have only a limited height, which can be increased by bonding several thermocompression heads together to form spacers or vertically extended connection webs. Due to the formation of the melt bead, however, the height of a single thermal compression head is greater than the diameter of the bonding wire.
  • thermocompression heads or studbumps there are bonding wire connections with flat or wedge-shaped connection ends to connecting surfaces of a semiconductor device. These flat bond ends are also known as "wedge-bond terminals".
  • the wedge-bond terminals are compared with the thermo-compression heads ge in their height ringer than the diameter of the bonding wire, which is pressed flat in the bonding process on the connection surface. Since the diameter of bond wires is less than 100 micrometers, the height of such wedge-bond ends is less than 100 micrometers. Thus, the hitherto known wedge-bond ends are not suitable as a substitute for multiply applied or stacked thermocompression heads.
  • JP 2000 174047-A discloses a wedge-bonded connecting element, in which a bond wire loop is arranged between two wedge-bond regions, which permits a greater contact height than the pure wedge-bond regions.
  • a connection element has the disadvantage that, on the one hand, two wedge-bond processes are to be carried out and, on the other hand, an elongated one for the application of the two wedge-bond regions and the bonding wire loop lying between them Structure of a bonding surface is to be maintained, so that a relatively short contact area of the bonding wire loop, a long mounting or fixing area is required.
  • the object of the invention is to provide a connecting element of a semiconductor device and a semiconductor device with a plurality of de ⁇ rartigen connecting elements and a method for their preparation.
  • This connecting element is intended to overcome the above-mentioned disadvantages, to provide a larger area of fixation than can be achieved in so-called "studbumps" and to be suitable for high-temperature applications.
  • a connecting element of a semiconductor component wherein the semiconductor component has at least one connecting surface with a connecting element arranged thereon.
  • the connecting element is a bonding wire piece of a bonding wire with a diameter D ⁇ 100 ⁇ m (micrometers) fixed on the connecting surface.
  • the connecting element is arranged flat on the connecting surface and has a length L which, with L ⁇ 200 ⁇ m, corresponds at least to twice the diameter D.
  • the front sides of the bonding wire piece have separating tracks of a separating stylus and the generatrix of the bonding wire piece is materially connected to the connecting surface of the semiconductor component.
  • connection element can be adapted in its length L and its diameter D to the respective requirements in a semiconductor device structure.
  • these connecting elements can be made of a bonding wire of any length by the separating stylus with intermediate production of cohesive connection between the bonding wire end and the bonding surface of the semiconductor device.
  • the height of the connecting element corresponds to the diameter D of the bonding wire. Accordingly, the bonding wire is substantially thicker than standard bonding wires, as processed in conventional bonding devices.
  • different connecting elements can be realized.
  • the connecting element has a bonding wire piece with gold or silver or alloys thereof.
  • Derarti ⁇ ge bonding wire pieces and thus fasteners made of gold or silver or alloys thereof have the advantage that they do not form insulating oxide skins and therefore retain their contact ability in an oxygen-containing atmosphere. While this property is undisputed in gold, the silver is characterized in that an electrically conductive sulfite and no insulating oxide is formed in air, so that the electrical conductivity and contact capability of the connecting element is also ensured when starting up in air (also called “staining").
  • staining With a suitable combination of the materials of bonding wire piece and connecting surface, cohesive bonding can be achieved by the bonding process. be created, which are based either on eutectic melts or hen intermetallic compounds Liste ⁇ .
  • this consists of an aluminum bond wire piece or a bonding wire piece with alloys of aluminum.
  • Such an aluminum bonding wire piece preferably forms a low-melting eutectic connection with a connecting surface of the semiconductor component which has a gold coating and can therefore be connected in a material-locking manner by means of a thermo-compression or thermosonic process.
  • the connector has a gold-coated Aluminiumbonddraht ⁇ piece.
  • a bonding wire of thickness D with a diameter D ⁇ 100 ⁇ m is coated with a gold layer only a few micrometers thick.
  • an eutectic melt can be formed during bonding on an aluminum compound surface of a semiconductor component, wherein a limited amount of required gold is brought along with the bond wire in the form of the gold coating during the bonding of an eutectic melt.
  • a gilding or Ver ⁇ refinement of the bonding surfaces on the semiconductor device can then be omitted.
  • Such a connecting element which is materially connected on a connecting surface of a semiconductor component, can also be used as a spacer in a semiconductor component in order to form spacers, for example, when stacking semiconductor components or stacking semiconductor chips Soldering process does not melt and thus a minimum distance between the semiconductor chips or the semiconductor components to be stacked Dahl ⁇ provides.
  • the connecting element is used on contact surfaces of a semiconductor chip as a flip-chip contact.
  • These contact surfaces of the semiconductor chips are connected via internal wiring structures of the semiconductor chip to the semiconductor elements of an integrated circuit. They are connected to the outside via the contact surfaces and the flip-chip contacts with corresponding other semiconductor chips or with a corresponding printed circuit board.
  • the application of conventional flip-chip contacts is extremely complicated, especially if these flip-chip contacts consist of a solder alloy.
  • the flip-chip contacts can be produced very precisely and simply and cost-effectively if the connecting element according to the invention is used.
  • the flip-chip contacts must be slightly modified by the length of the contact surfaces is greater than the width of the contact surfaces. In this case, a ratio of 2 to 1 between the length of the contact surfaces and the width of the contact surfaces is sufficient to ensure that a flip-chip contact made of a bonding wire piece can be arranged on this contact surface.
  • the contact surfaces of the semiconductor chip can preferably be arranged in edge regions such that their longitudinal sides are aligned at right angles to the edge sides of the semiconductor chip.
  • the connecting element is then arranged with its longitudinal axis at right angles to the edge regions of the semiconductor chip and only the diameter D of the bonding wire piece determines the smallest possible pitch for the flip-chip contacts in the edge region.
  • connecting elements are created which uniformly provide a large area electrode on a semiconductor chip with connecting elements distributed next to one another, so that correspondingly high currents can be transmitted via the connecting elements and the large area electrode.
  • These large-area electrodes are used for power transistors and
  • the large-area electrodes preferably form a source electrode of a power transistor or an anode of a power diode.
  • the arranged on this large electrode evenly spaced apart erfindungsge ⁇ MAESSEN connecting elements can then be guided over a large-area electrically conductive plate to a corresponding or meh ⁇ reren parallel external contacts of the crugur ⁇ ladder component.
  • the connecting element according to the invention can be used for a large number of semiconductor components. Whether it is a connection of stacked semiconductor components or semiconductor chips, or whether they are flip-chip contacts of a single semiconductor chip or the connection of large-area electrodes with plate-shaped current leads, in all embodiments the connecting element according to the invention provides advantages gegen ⁇ over conventional fasteners.
  • the bonder has a bond head with a bonding stylus.
  • the bonding die has a guide groove which can be aligned parallel to a connection surface of a semiconductor chip.
  • the guide groove may guide a bonding wire parallel to the connection surface of the semiconductor chip in such a way that it can be clamped between the bonding stylus and the connection surface.
  • the bonding head has a bonding wire feed eyelet. This bonding wire feed lug is aligned with the guide groove such that a bonding wire end can be guided to the guide groove of the bonding stick.
  • the bonding head has a separating stylus for the controlled separation of the bonding wire end.
  • This device has the advantage that it is adapted for thick Bond ⁇ wires with a diameter ⁇ 100 microns.
  • the bonding stylus with its guide groove is correspondingly wider.
  • the Bonddrahtzuschreibêt can be easily adapted to the larger bonding wire diameter.
  • Particularly advantageous at this bond head is the controlled Trennsti ⁇ chel, which can set the bonding wire end at the appropriate time and after bonding the length of the Vietnameses ⁇ element can hit exactly, so that the end faces of the bonding piece, which is a connecting element, the separation tracks this Separating stylus has.
  • the surface line of the bonding wire piece is connected in a materially coherent manner to the bonding surface of the semiconductor component.
  • the separating stylus In order to be able to control and position the separating stylus appropriately, it can be arranged in the direction of the bonding wire processing in front of the bonding stylus. This has the advantage that the
  • Beginning of the bonding wire end can be precisely separated from the bonding wire exactly before each bonding process. Even after the material-locking connection of the bonding wire end to the connection Surface of the semiconductor device, it is possible by this An ⁇ order of the separating stylus to separate the end of the bonding wire piece exactly from the bonding wire itself. In this second cut, the beginning of the bonding wire end can already be set with a correspondingly controlled bonding wire feed device for a new connecting element.
  • the bonding head has a separating stylus which is arranged in the direction of the bonding wire processing between the bonding stylus and the bonding wire feed eye.
  • the exact separation of the bonding wire piece from the bonding wire end depends on the feeding drive through the bonding wire feed device for the bonding wire, since the separating stylus becomes effective only after the bonding plug.
  • the bonding head has two separating styluses, which are arranged in the bonding wire processing direction in front of and behind the bonding stylus itself.
  • This embodiment of the invention has the advantage that a precise separation in front of and behind the bonding wire piece, a separation of bonding wire end and bonding wire can be performed. It is thus possible, successively on a semiconductor chip or on a semiconductor wafer, to bond connecting elements which can be used as spacers, as flip-chip contacts or as large-area connecting elements.
  • the guide groove of the bonding stylus can be designed such that the connecting piece has bonding marks laterally from its center axis, while the center region of the bonding wire piece has the full diameter of the bonding wire Retains bonding wire and thus provides a flat flat Verbin ⁇ tion element in full length of the connecting element for the contact or for the electrical connection or for the mechanical connection and / or for the distance support available.
  • a method for producing a connecting element according to the above diagram has the following procedural steps. First, a bonding head of a Bondervor- direction, as described above, aligned on a dacas ⁇ surface of a semiconductor device. Then, a bonding wire is fed through a bonding wire feed-in between a bonding die of the bonding head and the bonding surface. After the bonding wire end comes to lie under the bonding stylus by this feeding, a wire bonding can be carried out. In this case, the wire bonding end is supplied below the bonding stylus, and can now be bonded to the bonding surface via the bonding surface of the semiconductor component after the bonding head has been adjusted. During bonding, the bond wire diameter D with D ⁇ 100 ⁇ m produces an equally high connection element.
  • the bonding wire is separated by means of a separating stylus after a material-locking connection between bonding wire end and connecting surface, so that a bonding wire piece remains as a connecting element on the connecting surface and remains connected to it in a material-locking manner.
  • the front sides of the bonding wire piece have separating traces of the separating stylus.
  • this has a bonding wire feed device.
  • the supplied length 1 of the bonding wire corresponds at least to the length L of the guide groove of the bonding stylus.
  • the bonding wire feeding device can be simplified, since only one feed is to be provided and no length correction has to be made. If the additional length resulting from the distance between the bonding die and the separating stylus is to be avoided, then the bonding wire feed device must retract or withdraw the bonding wire around this piece, so that the bonding wire feed device has a changeover between forward and reverse drive got to.
  • the separating stylus in cooperation with the bonding wire feed device, can tren ⁇ nen the Bond ⁇ wire end both before bonding and after bonding dimensionally accurate according to the length L of the guide groove to a connecting element or a Bonddraht Share.
  • thermocompression heads or gold nailheads compared to Studbump technology with thermo-compression heads or gold nailheads, a reliable large-area connection for preferably ultrasonic flip-chip contacts is now created.
  • the method is avoiding A- aluminum-gold phase growth suitable for high-temperature applications.
  • the severe limitation hitherto associated with the phase growth of aluminum-gold-eutectic melts can be avoided by the above defined gold coating of a bonding wire because only a limited gold volume is available for the formation of these eutectic phases , which is just sufficient to ensure a stoff ⁇ conclusive connection.
  • wire bonding according to the invention of correspondingly thick bonding wires the limited heights of thermocompression heads or studbumps or gold nailhead elements are overcome.
  • the usual space requirement of the Wedge- bonding is advantageously minimized because neither a bond wire loop nor a double wedge bonding is provided.
  • the use of individual wedge bumping with the thick wire method of a thick bonding wire with a diameter D ⁇ 100 ⁇ m opens a large window for the bump heights, so that spacers and direct connections by means of ultrasound for flip-chip applications possible are.
  • the reduction of the pad size or the connection area size with simultaneously large-area connection and high thermal reliability results in a connection to aluminum chip metallizations.
  • the invention makes it possible advantageously to use individual preferred aluminum thick-wire bumps.
  • FIG. 1 shows a schematic perspective view of a power transistor chip with connection elements. th according to an embodiment of the invention on a large-area electrode;
  • FIGS. 2 to 4 show schematically three bonding phases with a device according to an embodiment of the invention
  • FIGS. 5 to 7 show schematically three bonding phases of a device according to a further embodiment of the invention.
  • FIG. 8 shows a schematic cross section of a semiconductor component of an embodiment according to the invention.
  • FIG. 9 shows a schematic cross-section of a semiconductor component of a further embodiment according to the invention.
  • FIG. 10 shows a schematic cross section of a semiconductor component according to a third embodiment of the invention.
  • FIG. 11 shows a schematic cross section along the sectional plane A-A of FIG. 10.
  • FIG. 1 shows a schematic perspective view of a semiconductor chip of a power transistor 20 with connecting elements 4 according to an embodiment of the invention on a large-area electrode 16 which is used as a source electrode.
  • Electrode 17 covers most of an active top 29 of the semiconductor chip of the power transistor 20. On die ⁇ these large-area electrode 16, which has a connecting surface. 5 of a power semiconductor device, only six of the connecting elements 4 are shown for illustration.
  • the number of connecting elements 4, which are separated from a bonding wire end to a bonding wire piece 6, are aligned with their longitudinal axes 15 parallel to each other and have on their end faces 8 and 9 corresponding tracks, which were caused by a separating stylus of a bonding head of a ent speaking bonding device , A Mantelli ⁇ never 11 of the connecting elements 4 and the bonding wire pieces 6 is cohesively with the large-area electrode 16 verbun ⁇ the.
  • the bonding wire pieces 6 have, in the longitudinal direction opposite to the surface line 11, pressure traces 48 of a thermo-compression or thermosonic process.
  • a multiplicity of such connecting elements 4 are arranged on the large-area electrode 16 as source electrode 17 of a power transistor chip 20 and absorb a current which flows through the "CoolMOS" structure of this power semiconductor chip to a drain electrode 30 is supplied on the rear side 32 of the power transistor, provided that a gate electrode 31 on the active upper side 29 switches through the "CoolMOS" structure.
  • a small common contact surface 12 is provided on the active upper side 29 of the power transistor chip, which has a connection surface 5 on which a connecting element 4 can likewise be arranged.
  • the connecting elements 4 on the active upper side 29 of the power transistor chip are electrically in contact with a metal plate (not shown), which in turn is connected to corresponding external terminals, not shown, of the power semiconductor component which has such a power line.
  • sistor 20 are electrically connected.
  • Such a semiconductor device 1 is shown schematically in cross section in FIG.
  • FIGS. 2 to 4 schematically show three bonding phases X, Y and Z during bonding with a device according to the invention, which has a bonding head 22.
  • the bonding head 22 shows a separating stylus 10, which is arranged in the machining direction C of a bonding wire 28 in front of a bonding stylus 24.
  • a first bonding phase X which is shown in FIG. 2, shows a bonding stylus 24 in whose guide groove 25 a bonding wire end 7 is arranged, which is pressed onto a bonding surface 5 of a semiconductor component with its surface line 11 and cohesively engages under thermal action and ultrasonic action the Matts ⁇ surface 5 is connected.
  • the bonding wire end 7 is still connected to the bonding wire 28, which is guided and held by a Bondzuschreibmaschinenite 26.
  • FIG. 3 schematically shows the second bonding phase Y, in which the bondhead 22 is reset in the direction of arrow G, wherein another bonding wire end 7 is pulled under the guide groove 25 of the bonding stud 24 through the bond supply eye 26 and is ready for bonding on the bonding surface 5.
  • this second bonding phase Y the bonding plug 24 is lifted off in the direction of the arrow K, while the separating stylus 10 is lowered in the direction of the arrow H and the bonding wire piece 6 already bonded to a connecting element 4 is separated from the bonding wire 28.
  • FIG. 4 shows the third bonding phase Z during the bonding of a bonding wire piece 6 to a connecting element 4 on the connecting surface 5.
  • the bonding wire piece 6 now has the end faces 8 and 9, which were formed by means of the separating stylus 10 and have corresponding separation tracks.
  • the bonding head 22 has been removed in the direction of the arrow E by a further distance from the finished connecting element 4 and has been placed in a further position over a contact surface 12 of a semiconductor chip.
  • the bonding wire end 7 has been shortened in the direction of arrow F relative to the second bonding phase Y shown in FIG. 3 so that the length 1 of the bonding wire end 7 corresponds to the length L of the guide groove 25 of the bonding stylus 24.
  • FIGS. 5 to 7 show schematically three bonding phases X, Y and Z during bonding with a device according to a further embodiment of the invention. Components with the same functions as in FIGS. 2 to 4 are identified by the same reference symbols and are not discussed separately in FIGS. 5 to 7.
  • the bonding head 23 has a rear separating stylus 27 which is in the machining direction C of the bonding wire 28 is disposed behind the bonding stylus 24.
  • This rear separating stylus 27 is not in engagement with the bonding wire 28 during the first bonding phase X shown in FIG. 5, in which a bonding wire end 7 is bonded to the bonding surface 5 of a semiconductor device.
  • the severing stylus 27 cuts through the bond wire end 7, which in the meantime has been adhesively bonded to the bonding surface 5, from the bonding wire 28, by moving it in the direction of the arrow H.
  • a derar ⁇ term device is thus a bond wire piece 6 of the Bonding wire 28 separated, which is slightly longer than ei ⁇ nes, which is produced with the bonding head 22, the device shown in Figures 2 to 4 showed.
  • FIG. 7 shows the third bonding phase Z, in which the bonding head 23 is moved into a new bonding position in the direction of the arrow E in order to produce a further connecting element 4.
  • any number of connecting elements 4 can be arranged tightly packed on a connecting surface 5 or a large-area electrode of a semiconductor component. Such a dense arrangement of connecting elements 4 on a large-area electrode is shown in the following FIG. 8.
  • FIG. 8 shows a schematic cross section of a semiconductor component 1 of an embodiment according to the invention.
  • Die ⁇ ses semiconductor device 1 is a power transistor 20 in "CoolMOS" type with a large-scale drain terminal 36 on the bottom 43 of the semiconductor device 1 and a source terminal 34 and a gate terminal 35, with
  • the gate terminal 35 of this power transistor 20 is connected to a gate electrode 31, while the source terminal 34 is connected to a line plate 39 via a plurality of cohesive bonding connections 37.
  • the line plate 39 is in turn connected via a multiplicity of connecting elements 4 according to the invention to a multiplicity of contact surfaces 12, which, in turn, are connected to a corresponding multiplicity of source electrodes 17 of the "CoolMOS" structure.
  • the conduit plate 39 which closes the connecting elements 4 in parallel, is via a conductive adhesive layer 40 O
  • FIG. 8 shows the connecting elements 4 in longitudinal cross-section along their longitudinal axis 15.
  • FIG. 9 shows a schematic cross section of a semiconductor component 2 of a further embodiment of the invention.
  • the semiconductor device 2 represents a power diode 21 in cross section having a semiconductor chip 13 having a "CoolMOS" structure.
  • the rear side 32 of the semiconductor chip 13 forms the cathode 18 and is connected to an external cathode terminal 41.
  • the upper side 29 of the semiconductor chip 13 has a plurality of contact surfaces 12 of the anodes 19, which are connected in parallel via a large-area electrode 16 to a common anode 19.
  • a multiplicity of connecting elements 4 are bonded, which are connected via a conductive adhesive layer 40 to an electrically conductive line plate 39 and are connected to an outer anode connection 42 via a multiplicity of bonding connections 37.
  • the connecting elements 4 are cut transversely to their longitudinal axes 15 in this embodiment of the invention.
  • FIG. 10 shows a schematic cross section of a semiconductor component 3 according to a further embodiment of the invention. While in FIGS. 8 and 9 a multiplicity of the connecting element 4 according to the invention is arranged between two large area
  • the connecting elements 4 are used as flip-chip contacts 14 of a semiconductor chip 13. These flip-chip contacts 14 are bonded to contact surfaces 12 of the semiconductor chip 13 and are shown in the cross-sectional view of FIG. 10 in their longitudinal axis 15.
  • the semiconductor chip 13 is arranged with its flip-chip contacts 14 of connecting elements 4 according to the invention on a wiring substrate 33 and surrounded by a plastic housing compound 38.
  • the wiring substrate 33 performs the task of connecting the flip-chip contacts 14 with external contacts 46 by means of the wiring line 44 and through contacts 45, which are arranged on the underside 43 of the semiconductor component 3 on corresponding external contact surfaces 47.
  • FIG. 10 shows the cross section of the semiconductor device 3 of the section line BB of FIG.
  • FIG. 11 shows a schematic cross section according to the embodiment of the invention in FIG. 10 along the section line AA of FIG. 10.
  • This second cross sectional view according to FIG Connecting elements 4 are cross-sectional views of bonding wire pieces 6 which have been separated from a bonding wire end of a bonding wire having a diameter D ⁇ 100 ⁇ m and are bonded to contact surfaces 12 of the semiconductor chip 13 as flip-chip contacts 14.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verbindungselement (4) eines Halbleiterbauteils (1, 2, 3)und ein Halbleiterbauteil (1, 2, 3) mit mehreren derartigen Verbindungselementen (4), sowie ein Verfahren zu deren Herstellung. Dazu weist das Verbindungselement (4) ein auf einer Verbindungsfläche (5) des Halbleiterbauteils (1, 2, 3) fixiertes Bonddrahtstück (6) auf. Dieses Bonddrahtstück (6) weist einen Durchmesser D = 100 µm (Mikrometer) auf und ist flach auf der Verbindungsfläche (5) angeordnet. Die Stirnseiten (8, 9) des Bonddrahtstückes (6) weisen Trennspuren eines Trennstichels auf. Die Mantellinie (11) des Bonddrahtstückes (6) ist stoffschlüssig mit der Verbindungsfläche (5) verbunden. Dieses Verbindungselement (4) kann auch als Abstandshalter oder als Flipchip-Kontakt eingesetzt werden.

Description

Beschreibung
Verbindungselement eines Halbleiterbauteils und Halbleiter¬ bauteil mit mehreren derartigen Verbindungselementen, sowie Verfahren zu deren Herstellung
Die Erfindung betrifft ein Verbindungselement eines Halblei¬ terbauteils und ein Halbleiterbauteil mit mehreren derartigen Verbindungselementen, sowie ein Verfahren zu deren Herstel- lung.
In Halbleiterbauteilen werden Verbindungselemente zu den un¬ terschiedlichsten Zwecken angeordnet. Einerseits können sie eine mechanische Verbindung in Form von Abstandhaltern dar- stellen, andererseits können sie auch eine elektrische Ver¬ bindung ermöglichen, wenn derartige Verbindungselemente aus einem elektrisch leitenden Material wie einem Metall sind. In bestimmten Anwendungen werden als Verbindungselemente so ge¬ nannte "Studbumps" (auch Gold Nailhead oder Tmermokompressi- onsköpfe genannt) als Abstandhalter oder in der Flipchip- Technologie für eine direkte Verbindung von Halbleiterchip zu Halbleiterchip oder von einem Halbleiterchip zu einem Sub¬ stratträger oder zu einer großflächigen Metallelektrode ein¬ gesetzt. Für große Abstände, die zwischen Halbleiterchips oder zwischen Halbleiterchip und Substratträger beziehungs¬ weise auf großflächigen Elektroden mit einzelnen Studbumps nicht zu überwinden sind, kann auch die Studbump-Technologie eingesetzt werden. Jedoch werden dann mehrere Studbumps über¬ einander oder nebeneinander angeordnet.
Derartige Studbumps stellen Thermokompressionsköpfe dar, die beim Thermokompressionsbonden dadurch entstehen, dass eine Schmelzperle des Bonddrahtes gebildet wird, die dann mithilfe des Bondstichels auf eine entsprechende Verbindungsfläche ei¬ nes Halbleiterbauteils aufgepresst wird. Diese Studbumps oder Thermokompressionsköpfe haben nur eine begrenzte Höhe, die durch aufeinander Bonden von mehreren Thermokompressionsköp- fen zu Abstandshaltern oder vertikal verlängerten Verbin¬ dungsstegen vergrößert werden können. Aufgrund der Bildung der Schmelzperle ist jedoch die Höhe eines einzelnen Thermo¬ kompressionsköpfes größer als der Durchmesser des Bonddrah¬ tes.
Neben der Kontaktierung durch Thermokompressionsköpfe oder Studbumps gibt es Bonddrahtverbindungen mit flachen oder keilförmigen Verbindungsenden zu Verbindungsflächen eines Halbleiterbauteils. Diese flachen Bond-Enden sind auch als "Wedge-Bond-Anschlüsse" bekannt. Die Wedge-Bond-Anschlüsse sind gegenüber den Thermokompressionsköpfen in ihrer Höhe ge¬ ringer als der Durchmesser des Bonddrahtes, der bei dem Bond¬ vorgang flach auf die Verbindungsfläche gepresst wird. Da der Durchmesser von Bonddrähten unter 100 Mikrometern liegt, ist die Höhe derartiger Wedge-Bond-Enden geringer als 100 Mikro¬ meter. Somit eignen sich die bisher bekannten Wedge-Bond- Enden nicht als Ersatz für mehrfach aufeinander aufgebrachte beziehungsweise gestapelte Thermokompressionsköpfe.
Um diesen Nachteil zu überwinden, ist aus der Druckschrift
JP 2000 174047-A ein wedge-gebondetes Verbindungselement be¬ kannt, bei dem zwischen zwei Wedge-Bond-Bereichen eine Bond¬ drahtschleife angeordnet ist, die eine größere Kontakthöhe zulässt als die reinen Wedge-Bond-Bereiche. Ein derartiges Verbindungselement hat jedoch den Nachteil, dass einerseits zwei Wedge-Bond-Vorgänge durchzuführen sind und andererseits für das Aufbringen der beiden Wedge-Bond-Bereiche und der da¬ zwischen liegenden Bonddrahtschleife eine lang gestreckte Struktur einer Verbindungsfläche vorzuhalten ist, sodass für einen relativ kurzen Kontaktbereich der Bonddrahtschleife ein langer Befestigungs- oder Fixierungsbereich erforderlich wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verbindungselement eines Halbleiterbauteils und ein Halbleiterbauteil mit mehreren de¬ rartigen Verbindungselementen sowie ein Verfahren zu deren Herstellung zu schaffen. Dieses Verbindungselement soll die oben erwähnten Nachteile überwinden, eine größere Fixierungs¬ fläche als sie bei so genannten "Studbumps" erreichbar sind zur Verfügung stellen und für Hochtemperaturanwendungen ge¬ eignet sein.
Gelöst wird diese Aufgabe mit dem Gegenstand der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Erfindungsgemäß wird ein Verbindungselement eines Halbleiter- bauteils geschaffen, wobei das Halbleiterbauteil mindestens eine Verbindungsfläche mit einem darauf angeordneten Verbin¬ dungselement aufweist. Das Verbindungselement ist ein auf der Verbindungsfläche fixiertes Bonddrahtstück eines Bonddrahten¬ des mit einem Durchmesser D ≥ 100 μm (Mikrometer) . Das Ver- bindungselement ist flach auf der Verbindungsfläche angeord¬ net und weist eine Länge L auf, die mit L ≥ 200 μm mindestens dem Doppelten des Durchmessers D entspricht. Die Stirnseiten des Bonddrahtstückes weisen Trennspuren eines Trennstichels auf und die Mantellinie des Bonddrahtstückes ist stoffschlüs- sig mit der Verbindungsfläche des Halbleiterbauteils verbun¬ den. Dieses Verbindungselement hat den Vorteil, dass es vielseitig in Halbleiterbauteilen eingesetzt werden kann und kostengüns¬ tig herstellbar ist. Dabei kann das Verbindungselement in seiner Länge L und seinem Durchmesser D den jeweiligen Anfor- derungen in einer Halbleiterbauteilstruktur angepasst werden. Durch einfache preiswerte Modifikationen von Bondvorrichtun¬ gen, insbesondere im Bereich des Bondkopfes, können diese Verbindungselemente von einem Bonddraht beliebiger Länge durch den Trennstichel unter zwischenzeitlicher Herstellung der Stoffschlüssigen Verbindung zwischen dem Bonddrahtende und der Verbindungsfläche des Halbleiterbauteils hergestellt werden. Die Höhe des Verbindungselementes entspricht dem Durchmesser D des Bonddrahtes. Der Bonddraht ist dementspre¬ chend wesentlich dicker als Standard-Bonddrähte, wie sie in herkömmlichen Bondvorrichtungen verarbeitet werden. Je nach Auswahl des Bonddrahtmaterials und der Bonddrahtdimensionen können unterschiedliche Verbindungselemente realisiert wer¬ den.
Vorzugsweise weist das Verbindungselement ein Bonddrahtstück mit Gold oder Silber oder Legierungen derselben auf. Derarti¬ ge Bonddrahtstücke und damit Verbindungselemente aus Gold o- der Silber oder Legierungen derselben haben den Vorteil, dass sie keine isolierenden Oxidhäute bilden und deshalb auch in sauerstoffhaltiger Atmospäre ihre Kontaktfähigkeit beibehal¬ ten. Während bei Gold diese Eigenschaft unbestritten ist, zeichnet sich das Silber dadurch aus, dass ein elektrisch leitendes Sulfit und kein isolierendes Oxid an Luft gebildet wird, sodass die elektrische Leitfähigkeit und Kontaktfähig- keit des Verbindungselementes auch bei einem Anlaufen an Luft (auch "staining" genannt) gesichert ist. Bei entsprechender Kombination der Materialien von Bonddrahtstück und Verbin¬ dungsfläche können durch den Bondvorgang Stoffschlüssige Ver- bindungen geschaffen werden, die entweder auf eutektischen Schmelzen basieren oder intermetallische Verbindungen einge¬ hen.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verbindungselementes besteht dieses aus einem Aluminium-Bonddrahtstück oder einem Bonddrahtstück mit Legierungen des Aluminiums. Ein derartiges Aluminium-Bonddrahtstück bildet vorzugsweise mit einer Ver¬ bindungsfläche des Halbleiterbauteils, die eine Goldbeschich- tung aufweist, eine niedrigschmelzende eutektische Verbindung und lässt sich deshalb mithilfe eines Thermokompressions- o- der Thermosonic-Prozesses stoffschlüssig verbinden.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist das Verbindungsstück ein goldbeschichtetes Aluminiumbonddraht¬ stück auf. Dazu wird ein Bonddraht einer Dicke D mit einem Durchmesser D ≥ 100 μm mit einer nur wenige Mikrometer dicken Goldschicht beschichtet. In diesem Fall kann auf einer Alumi¬ niumverbindungsfläche eines Halbleiterbauteils eine eutekti- sehe Schmelze beim Bonden gebildet werden, wobei eine be¬ grenzte Menge an erforderlichem Gold zur Ausbildung einer eu¬ tektischen Schmelze beim Bonden vom Bonddraht in Form der Goldbeschichtung mitgebracht wird. Eine Vergoldung oder Ver¬ edelung der Verbindungsflächen auf dem Halbleiterbauteil kann dann entfallen.
Ein derartiges Verbindungselement, das auf einer Verbindungs¬ fläche eines Halbleiterbauteils stoffschlüssig verbunden ist, kann auch als Abstandshalter in einem Halbleiterbauteil ein- gesetzt werden, um beispielsweise beim Stapeln von Halblei¬ terbauteilen oder beim Stapeln von Halbleiterchips Abstands¬ halter zu bilden, die bei einem Lötprozess nicht aufschmelzen und somit einen Mindestabstand zwischen den Halbleiterchips beziehungsweise den zu stapelnden Halbleiterbauteilen sicher¬ stellt.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird das Verbindungselement auf Kontaktflächen eines Halbleiterchips als Flipchip-Kontakt eingesetzt. Diese Kontaktflächen der Halbleiterchips stehen über interne Verdrahtungsstrukturen des Halbleiterchips mit den Halbleiterelementen einer integ¬ rierten Schaltung in Verbindung. Nach außen werden sie über die Kontaktflächen und die Flipchip-Kontakte mit entsprechen¬ den anderen Halbleiterchips oder mit einer entsprechenden Leiterplatine verbunden. Das Aufbringen herkömmlicher Flip¬ chip-Kontakte ist äußerst aufwendig, zumal wenn diese Flip¬ chip-Kontakte aus einer Lotlegierung bestehen.
Sehr präzise und einfach sowie kostengünstig sind derartige Flipchip-Kontakte herstellbar, wenn das erfindungsgemäße Ver¬ bindungselement eingesetzt wird. Dazu müssen die Flipchip- Kontakte geringfügig modifiziert werden, indem die Länge der Kontaktflächen größer ist als die Breite der Kontaktflächen. Dabei reicht bereits ein Verhältnis 2 zu 1 zwischen Länge der Kontaktflächen und Breite der Kontaktflächen, um zu gewähr¬ leisten, dass ein Flipchip-Kontakt aus einem Bonddrahtstück auf dieser Kontaktfläche angeordnet werden kann. Um dennoch eine Vielzahl von Verbindungselementen als Flipchip-Kontakte auf entsprechende Kontaktflächen eines Halbleiterchips unter¬ zubringen, können vorzugsweise die Kontaktflächen des Halb¬ leiterchips in Randbereichen derart angeordnet werden, dass ihre Längsseite rechtwinklig zu den Randseiten des Halblei- terchips ausgerichtet sind. In diesem Fall ist dann auch das Verbindungselement mit seiner Längsachse rechtwinklig zu den Randbereichen des Halbleiterchips angeordnet und lediglich der Durchmesser D des Bonddrahtstückes bestimmt das kleinst- mögliche Rastermaß für die Flipchip-Kontakte im Randbereich.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung geht es dar- um, Verbindungselemente zu schaffen, die eine großflächige Elektrode auf einem Halbleiterchip gleichmäßig mit nebenein¬ ander verteilten Verbindungselementen versieht, sodass ent¬ sprechend hohe Ströme über die Verbindungselemente und die großflächige Elektrode übertragen werden können. Diese groß- flächigen Elektroden werden für Leistungstransistoren und
Leistungsdioden in der "COOL MOS"-Technik bereitgestellt. Da¬ bei bilden die großflächigen Elektroden vorzugsweise eine Source-Elektrode eines Leistungstransistors oder eine Anode einer Leistungsdiode. Die auf dieser großflächigen Elektrode gleichmäßig nebeneinander verteilt angeordneten erfindungsge¬ mäßen Verbindungselemente können dann über eine großflächige elektrisch leitende Platte zu einem entsprechenden oder meh¬ reren parallel geschalteten Außenkontakten des Leistungshalb¬ leiterbauteils geführt werden.
Somit zeigt es sich, dass das erfindungsgemäße Verbindungs¬ element für eine Vielzahl von Halbleiterbauteilen eingesetzt werden kann. Ob es sich um ein Verbinden gestapelter Halblei¬ terbauteile oder um Halbleiterchips handelt, oder ob es sich um Flipchip-Kontakte eines einzelnen Halbleiterchips oder um die Verbindung von großflächigen Elektroden mit plattenförmi- gen Stromzuführungen handelt, in allen Ausführungsformen lie¬ fert das erfindungsgemäße Verbindungselement Vorteile gegen¬ über herkömmlichen Verbindungselementen.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung eines Verbindungselementes, wobei die Vor¬ richtung eine Bondeinrichtung aufweist. Die Bondeinrichtung verfügt über einen Bondkopf mit einem Bondstichel. Der Bond¬ stichel weist eine Führungsrille auf, die parallel zu einer Verbindungsfläche eines Halbleiterchips ausrichtbar ist. Die Führungsrille kann einen Bonddraht parallel zu der Verbin- dungsfläche des Halbleiterchips derart führen, dass er zwi¬ schen Bondstichel und Verbindungsfläche einklemmbar ist. Wei¬ terhin weist der Bondkopf eine Bonddrahtzufuhröse auf. Diese Bonddrahtzufuhröse ist zu der Führungsrille derart ausgerich¬ tet, dass ein Bonddrahtende zu der Führungsrille des Bondsti- chels führbar ist. Darüber hinaus weist der Bondkopf einen Trennstichel zum gesteuerten Trennen des Bondrahtendes auf.
Diese Vorrichtung hat den Vorteil, dass sie für dicke Bond¬ drähte mit einem Durchmesser ≥ 100 μm angepasst ist. Dazu ist der Bondstichel mit seiner Führungsrille entsprechend ver¬ breitert. Die Bonddrahtzufuhröse kann ohne großen Aufwand an den größeren Bonddrahtdurchmesser angepasst werden. Besonders vorteilhaft an diesem Bondkopf ist der gesteuerte Trennsti¬ chel, der zum geeigneten Zeitpunkt das Bonddrahtende festle- gen kann und nach dem Bondvorgang die Länge des Verbindungs¬ elementes exakt treffen kann, sodass die Stirnseiten des Bondstückes, welches ein Verbindungselement darstellt, die Trennspuren dieses Trennstichels aufweist. Mithilfe des Bond¬ stichels wird die Mantellinie des Bonddrahtstückes stoff- schlüssig mit der Verbindungsfläche des Halbleiterbauteils verbunden.
Um den Trennstichel geeignet zu steuern und zu positionieren, kann dieser in Richtung der Bonddrahtbearbeitung vor dem Bondstichel angeordnet sein. Dies hat den Vorteil, dass der
Beginn des Bonddrahtendes exakt vor jedem Bondvorgang präzise von dem Bonddraht getrennt werden kann. Auch nach dem Stoff- schlüssigen Verbinden des Bonddrahtendes mit der Verbindungs- fläche des Halbleiterbauteils ist es möglich, durch diese An¬ ordnung des Trennstichels das Ende des Bonddrahtstückes exakt von dem Bonddraht selbst zu trennen. Bei diesem zweiten Schnitt kann bereits der Beginn des Bonddrahtendes mit einer entsprechend gesteuerten Bonddrahtzufuhreinrichtung für ein neues Verbindungselement eingestellt sein.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung weist der Bondkopf einen Trennstichel auf, der in Richtung der Bond- drahtbearbeitung zwischen dem Bondstichel und der Bonddraht¬ zufuhröse angeordnet ist. In diesem Fall hängt die exakte Trennung des Bonddrahtstückes von dem Bonddrahtende von dem Zuführungsvortrieb durch die Bonddrahtzufuhreinrichtung für den Bonddraht ab, da der Trennstichel erst nach dem Bondsti- chel wirksam wird.
In einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung weist der Bondkopf zwei Trennstichel auf, die in Bonddrahtbearbeitungs- richtung vor und hinter dem Bondstichel selbst angeordnet sind. Diese Ausführungsform der Erfindung hat den Vorteil, dass präzise vor und hinter dem Bonddrahtstück eine Trennung von Bonddrahtende und Bonddraht durchgeführt werden kann. So¬ mit ist es möglich, nacheinander auf einem Halbleiterchip o- der auf einem Halbleiterwafer Verbindungselemente zu bonden, die als Abstandshalter, als Flipchip-Kontakte oder als gro߬ flächige Verbindungselemente einsetzbar sind.
Bei der Herstellung dieser Bondverbindung ergeben sich auf dem Bonddraht Anpressdruckspuren, die von der Führungsrille verursacht werden. Die Führungsrille des Bondstichels kann jedoch so gestaltet werden, dass das Verbindungsstück seit¬ lich von seiner Mittelachse Bondspuren aufweist, während der Mittenbereich des Bonddrahtstückes den vollen Durchmesser des Bonddrahtes beibehält und somit ein ebenes flaches Verbin¬ dungselement in voller Länge des Verbindungselementes für die Kontaktgabe beziehungsweise für die elektrische Verbindung oder für die mechanische Verbindung und/oder für die Ab- standshalterung zur Verfügung stellt.
Ein Verfahren zur Herstellung eines Verbindungselementes ge¬ mäß der obigen Darstellung weist die nachfolgenden Verfah¬ rensschritte auf. Zunächst wird ein Bondkopf einer Bondervor- richtung, wie sie oben beschrieben ist, auf eine Verbindungs¬ fläche eines Halbleiterbauteils ausgerichtet. Dann wird ein Bonddraht durch eine Bonddrahtzufuhröse zwischen einem Bond- stichel des Bondkopfes und der Verbindungsfläche zugeführt. Nachdem durch dieses Zuführen das Bonddrahtende unter dem Bondstichel zu liegen kommt, kann ein Drahtbonden durchge¬ führt werden. Dabei wird das Drahtbondende unterhalb des Bondstichels zugeführt, und kann nun nach Justage des Bond¬ kopfes über der Verbindungsfläche des Halbleiterbauteils auf die Verbindungsfläche gebondet werden. Beim Bonden entsteht durch den Bonddrahtdurchmesser D mit D ≥ 100 μm ein ebenso hohes Verbindungselement.
Anschließend wird der Bonddraht mittels eines Trennstichels nach erfolgter Stoffschlüssiger Verbindung zwischen Bonddrah- tende und Verbindungsfläche getrennt, sodass ein Bonddraht¬ stück als Verbindungselement auf der Verbindungsfläche und mit dieser Stoffschlüssig verbunden zurückbleibt. Dabei wei¬ sen die Stirnseiten des Bonddrahtstückes Trennspuren des Trennstichels auf.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung weist diese eine Bonddrahtzufuhreinrichtung auf. Über diese Bond¬ drahtzufuhreinrichtung wird eine Bonddrahtlänge L vor einem Bondvorgang dem Bondstichel beziehungsweise dessen Führungs¬ rille über eine Bondzuführöse zugeführt. Dabei entspricht die zugeführte Länge 1 des Bonddrahtes mindestens der Länge L der Führungsrille des Bondstichels. Somit wird durch die Bond- drahtzuführungseinrichtung gewährleistet, dass einstellbare Längen 1 für die Verbindungselemente entstehen und gleichzei¬ tig die Länge 1 die Länge L der Führungsrille nicht wesent¬ lich überschreitet.
In einer weiteren Durchführung des Verfahrens trennt der
Trennstichel das Bonddrahtende vor einem Bonden und/oder nach einem Bonden entsprechend der Länge L der Führungsrille plus einem Abstand zwischen Bondstichel und Trennstichel. In die¬ sem Fall der Ausführungsform kann die Bonddrahtzufuhreinrich- tung vereinfacht ausgeführt werden, da lediglich ein Vorschub vorzusehen ist und keine Längenkorrektur erfolgen muß. Soll die zusätzliche Länge, die durch den Abstand zwischen Bond¬ stichel und Trennstichel entsteht, vermieden werden, so muss die Bonddrahtzufuhreinrichtung den Bonddraht um dieses Stück wieder einziehen oder zurückziehen, sodass die Bonddrahtzu¬ fuhreinrichtung über eine Umschaltung von Vorwärts- und Rück¬ wärtsantrieb verfügen muss. Damit kann der Trennstichel in Zusammenwirken mit der Bonddrahtzufuhreinrichtung das Bond¬ drahtende sowohl vor dem Bonden als auch nach dem Bonden massgenau entsprechend der Länge L der Führungsrille zu einem Verbindungselement beziehungsweise einem Bonddrahtstück tren¬ nen.
Zusammenfassend ist festzustellen, dass gegenüber der Stud- bump-Technologie mit Thermokompressionsköpfen beziehungsweise Gold-Nailheads nun eine zuverlässige großflächige Verbindung für vorzugsweise Ultraschall-Flipchip-Kontakte geschaffen wird. Darüber hinaus ist das Verfahren bei Vermeidung von A- luminium-Gold-Phasenwachstum für Hochtemperaturanwendungen geeignet. Die starke Einschränkung, die bisher aufgrund des Phasenwachstums von Aluminium-Gold-eutektischen Schmelzen verbunden war, kann durch die obige definierte Goldbeschich- tung eines Bonddrahtes vermieden werden, weil nur ein be¬ grenztes Goldvolumen für die Bildung dieser eutektischen Pha¬ sen zur Verfügung steht, das gerade ausreicht, um eine stoff¬ schlüssige Verbindung zu gewährleisten. Mit dem erfindungsge¬ mäßen Drahtbonden von entsprechend dicken Bonddrähten werden die begrenzten Höhen von Thermokompressionsköpfen beziehungs¬ weise Studbumps oder Gold-Nailhead-Elementen überwunden.
Darüber hinaus wird der sonst übliche Platzbedarf des Wedge- Bondens vorteilhaft minimiert, weil weder eine Bonddraht- schleife noch ein doppeltes Wedge-Bonden vorzusehen ist. So¬ mit öffnet die Anwendung des einzelnen Wedge-Bumping mit dem Dickdrahtverfahren eines dicken Bonddrahtes mit einem Durch¬ messer D ≥ 100 μm ein großes Fenster für die Bump-Höhen, so- dass Abstandshalter sowie direkte Verbindungen mittels Ultra- schall für Flipchip-Anwendungen möglich sind. Darüber hinaus ergibt sich die Reduzierung der Padgröße bzw. der Verbin¬ dungsflächengröße bei gleichzeitig großflächiger Anbindung und hoher thermischer Zuverlässigkeit für eine Verbindung auf Aluminium-Chip-Metallisierungen. Somit ermöglicht die Erfin- düng in vorteilhafter Weise den Einsatz von einzelnen vor¬ zugsweise Aluminium-Dickdraht-Bumps .
Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Figuren näher erläutert .
Figur 1 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht ei¬ nes Leistungstransistorchips mit Verbindungselemen- ten gemäß einer Ausführungsform der Erfindung auf einer großflächigen Elektrode;
Figuren 2 bis 4 zeigen schematisch drei Bondphasen mit einer Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfin¬ dung;
Figuren 5 bis 7 zeigen schematisch drei Bondphasen einer Vor¬ richtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
Figur 8 zeigt einen schematischen Querschnitt eines Halb¬ leiterbauteils einer Ausführungsform gemäß der Er¬ findung;
Figur 9 zeigt einen schematischen Querschnitt eines Halb¬ leiterbauteils einer weiteren Ausführungsform gemäß der Erfindung;
Figur 10 zeigt einen schematischen Querschnitt eines Halb¬ leiterbauteils gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung;
Figur 11 zeigt einen schematischen Querschnitt entlang der Schnittebene A-A der Figur 10.
Figur 1 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht eines Halbleiterchips eines Leistungstransistors 20 mit Verbin¬ dungselementen 4 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung auf einer großflächigen Elektrode 16, die als Source-
Elektrode 17 den größten Teil einer aktiven Oberseite 29 des Halbleiterchips des Leistungstransistors 20 bedeckt. Auf die¬ ser großflächigen Elektrode 16, die eine Verbindungsfläche 5 eines Leistungshalbleiterbauteils darstellt, sind zur Veran¬ schaulichung lediglich sechs der Verbindungselemente 4 ge¬ zeigt. Die Zahl der Verbindungselemente 4, die aus einem Bonddrahtende zu einem Bonddrahtstück 6 abgetrennt sind, sind mit ihren Längsachsen 15 parallel zueinander ausgerichtet und weisen auf ihren Stirnseiten 8 und 9 entsprechende Spuren auf, die durch einen Trennstichel eines Bondkopfes einer ent¬ sprechenden Bondvorrichtung verursacht wurden. Eine Mantelli¬ nie 11 der Verbindungselemente 4 bzw. der Bonddrahtstücke 6 ist stoffschlüssig mit der großflächigen Elektrode 16 verbun¬ den. Die Bonddrahtstücke 6 weisen in Längsrichtung gegenüber¬ liegend zu der Mantellinie 11 Druckspuren 48 eines Thermo- kompressions- bzw. Thermosonicverfahrens auf.
In einer realen Ausführungsform der Erfindung sind auf der großflächigen Elektrode 16 als Source-Elektrode 17 eines Leistungstransistorchips 20 eine Vielzahl derartiger Verbin¬ dungselemente 4 angeordnet und nehmen einen Strom auf, der durch die "CoolMOS"-Struktur dieses Leistungshalbleiterchips an eine Drain-Elektrode 30 auf der Rückseite 32 des Leis¬ tungstransistors geliefert wird, sofern eine Gate-Elektrode 31 auf der aktiven Oberseite 29 die "CoolMOS"-Struktur durch¬ schaltet.
Für die Gate-Elektrode 31 ist nur eine kleine gemeinsame Kon¬ taktfläche 12 auf der aktiven Oberseite 29 des Leistungstran¬ sistorchips vorgesehen, die eine Verbindungsfläche 5 auf¬ weist, auf der ebenfalls ein Verbindungselement 4 angeordnet sein kann. Die Verbindungselemente 4 auf der aktiven Obersei- te 29 des Leistungstransistorchips stehen mit einer nicht ge¬ zeigten Metallplatte elektrisch in Kontakt, die ihrerseits mit nicht gezeigten entsprechenden Außenanschlüssen des Leis¬ tungshalbleiterbauteils, das einen derartigen Leistungstran- sistor 20 aufweist, elektrisch verbunden sind. Ein derartiges Halbleiterbauteil 1 wird schematisch im Querschnitt in Figur 8 gezeigt.
Die Figuren 2 bis 4 zeigen schematisch drei Bondphasen X, Y und Z beim Bonden mit einer Vorrichtung gemäß der Erfindung, die einen Bondkopf 22 aufweist. Der Bondkopf 22 zeigt in die¬ ser Ausführungsform der Erfindung einen Trennstichel 10, der in Bearbeitungsrichtung C eines Bondrahtes 28 vor einem Bond- Stichel 24 angeordnet ist. Eine erste Bondphase X, die in Fi¬ gur 2 dargestellt wird, zeigt einen Bondstichel 24, in dessen Führungsrille 25 ein Bonddrahtende 7 angeordnet ist, das auf eine Verbindungsfläche 5 eines Halbleiterbauteils mit seiner Mantellinie 11 gepresst wird und unter thermischer Einwirkung und Ultraschalleinwirkung Stoffschlüssig mit der Verbindungs¬ fläche 5 verbunden wird. Dabei ist das Bonddrahtende 7 noch mit dem Bonddraht 28 verbunden, der durch eine Bondzufuhröse 26 geführt und gehalten wird.
Figur 3 zeigt schematisch die zweite Bondphase Y, bei der der Bondkopf 22 in Pfeilrichtung G zurückgesetzt wird, wobei ein weiteres Bonddrahtende 7 unter der Führungsrille 25 des Bond¬ stichels 24 durch die Bondzufuhröse 26 gezogen wird und auf der Verbindungsfläche 5 zum Bonden bereitsteht. Der Bondsti- chel 24 wird in dieser zweiten Bondphase Y in Pfeilrichtung K abgehoben, während der Trennstichel 10 in Pfeilrichtung H ab¬ gesenkt und das bereits zu einem Verbindungselement 4 gebon- dete Bondrahtstück 6 von dem Bonddraht 28 abtrennt wird.
Figur 4 zeigt die dritte Bondphase Z beim Bonden eines Bond¬ drahtstückes 6 zu einem Verbindungselement 4 auf der Verbin¬ dungsfläche 5. Das Bonddrahtstück 6 weist nun die Stirnseiten 8 und 9 auf, die mithilfe des Trennstichels 10 geformt wurden und entsprechende Trennspuren aufweisen. Der Bondkopf 22 ist in Pfeilrichtung E um ein weiteres Stück von dem fertigen Verbindungselement 4 entfernt worden und in eine weitere Po¬ sition über einer Kontaktfläche 12 eines Halbleiterchips ver- bracht worden. Dabei wurde das Bonddrahtende 7 gegenüber der in Figur 3 gezeigten zweiten Bondphase Y durch Zurückziehen des Bonddrahtes 28 in Pfeilrichtung F verkürzt, sodass die Länge 1 des Bonddrahtendes 7 der Länge L der Führungsrille 25 des Bondstichels 24 entspricht.
Figuren 5 bis 7 zeigen schematisch drei Bondphasen X, Y und Z beim Bonden mit einer Vorrichtung gemäß einer weiteren Aus¬ führungsform der Erfindung. Komponenten mit gleichen Funktio¬ nen wie in den Figuren 2 bis 4 werden mit gleichen Bezugszei- chen gekennzeichnet und in den Figuren 5 bis 7 nicht extra erörtert.
Der Unterschied zwischen dieser in den Figuren 5 bis 7 ge¬ zeigten Ausführungsform einer Vorrichtung der Erfindung ge- genüber der Vorrichtung, die in den Figuren 2 und 4 gezeigt wird, besteht darin, dass der Bondkopf 23 einen hinteren Trennstichel 27 aufweist, der in Bearbeitungsrichtung C des Bonddrahtes 28 hinter dem Bondstichel 24 angeordnet ist. Die¬ ser hintere Trennstichel 27 ist während der ersten Bondphase X, die in Figur 5 gezeigt wird, bei der ein Bonddrahtende 7 auf die Verbindungsfläche 5 eines Halbleiterbauteils gebondet wird, nicht in Eingriff mit dem Bonddraht 28.
In der in Figur 6 gezeigten zweiten Bondphase Y durchtrennt der Trennstichel 27 das inzwischen mit der Verbindungsfläche 5 Stoffschlüssig verbundene Bonddrahtende 7 von dem Bonddraht 28, indem er in Pfeilrichtung H bewegt wird. Mit einer derar¬ tigen Vorrichtung wird somit ein Bonddrahtstück 6 von dem Bonddraht 28 abgetrennt, das geringfügig länger ist als ei¬ nes, das mit dem Bondkopf 22, der in den Figuren 2 bis 4 ge¬ zeigten Vorrichtung hergestellt wird.
Figur 7 zeigt die dritte Bondphase Z, bei der der Bondkopf 23 in eine neue Bondposition in Pfeilrichtung E verfahren wird, um ein weiteres Verbindungselement 4 herzustellen. Mithilfe eines derartigen Bondkopfes 23 können beliebig viele Verbin¬ dungselemente 4 dicht gepackt auf einer Verbindungsfläche 5 bzw. einer großflächigen Elektrode eines Halbleiterbauteils angeordnet werden. Eine solche dichte Anordnung von Verbin¬ dungselementen 4 auf einer großflächigen Elektrode zeigt die nachfolgende Figur 8.
Figur 8 zeigt einen schematischen Querschnitt eines Halblei¬ terbauteils 1 einer Ausführungsform gemäß der Erfindung. Die¬ ses Halbleiterbauteil 1 ist ein Leistungstransistor 20 in "CoolMOS"-Bauart mit einem großflächigen Drain-Anschluss 36 auf der Unterseite 43 des Halbleiterbauteils 1 und einem Source-Anschluss 34 sowie einem Gate-Anschluss 35, die mit
Halbleiterstrukturen auf der Oberseite 29 des Halbleiterchips 13 in Verbindung stehen. Dabei ist der Gate-Anschluss 35 die¬ ses Leistungstransistors 20 mit einer Gate-Elektrode 31 ver¬ bunden, während der Source-Anschluss 34 über eine Vielzahl von Stoffschlüssigen Bondverbindungen 37 mit einer Leitungs¬ platte 39 verbunden ist. Die Leitungsplatte 39 ist ihrerseits über eine Vielzahl von erfindungsgemäßen Verbindungselementen 4 mit einer Vielzahl von Kontaktflächen 12 verbunden, die ih¬ rerseits mit einer entsprechenden Vielzahl von Source- Elektroden 17 der "CoolMOS"-Struktur in Verbindung stehen.
Die Leitungsplatte 39, welche die Verbindungselemente 4 pa¬ rallel schließt, ist über eine leitende KlebstoffSchicht 40 o
mit der Vielzahl der Verbindungselemente 4 elektrisch verbun¬ den. Anstelle einer derartigen stoffschlüssigen Verbindung zwischen Verbindungselementen 4 und Leitungsplatte 39 kann bei derartigen Bauteilen auch eine Kontaktklammer vorgesehen werden, die mit dem nach außen geführten Source-Anschluss 34 elektrisch verbunden ist. Der Kontakt mit der Vielzahl von Verbindungselementen 4 wird dann durch Druckkontaktierung auf die Verbindungselemente 4 verwirklicht. Figur 8 zeigt dabei die Verbindungselemente 4 im Längsquerschnitt entlang ihrer Längsachse 15.
Figur 9 zeigt einen schematischen Querschnitt eines Halblei¬ terbauteils 2 einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Das Halbleiterbauteil 2 stellt eine Leistungsdiode 21 im Querschnitt dar, die einen Halbleiterchip 13 aufweist, der eine "CoolMOS"-Struktur besitzt. Die Rückseite 32 des Halb¬ leiterchips 13 bildet die Kathode 18 und ist mit einem äuße¬ ren Kathodenanschluss 41 verbunden. Die Oberseite 29 des Halbleiterchips 13 weist eine Vielzahl von Kontaktflächen 12 der Anoden 19 auf, die über eine großflächige Elektrode 16 zu einer gemeinsamen Anode 19 parallel geschaltet sind. Auf die¬ ser Anode 19 sind eine Vielzahl von Verbindungselementen 4 gebondet, die über eine leitende Klebstoffschicht 40 mit ei¬ ner elektrisch leitenden Leitungsplatte 39 verbunden sind und über eine Vielzahl von Bondverbindungen 37 mit einem äußeren Anodenanschluss 42 in Verbindung stehen. Die Verbindungsele¬ mente 4 sind in dieser Ausführungsform der Erfindung quer zu ihren Längsachsen 15 geschnitten.
Figur 10 zeigt einen schematischen Querschnitt eines Halblei¬ terbauteils 3 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfin¬ dung. Während in den Figuren 8 und 9 eine Vielzahl des erfin¬ dungsgemäßen Verbindungselements 4 zwischen zwei großflächi- gen Elektroden bzw. elektrisch leitenden Flächen eingesetzt wird, werden die Verbindungselemente 4 in der dritten Ausfüh¬ rungsform der Erfindung als Flipchip-Kontakte 14 eines Halb¬ leiterchips 13 verwendet. Diese Flipchip-Kontakte 14 sind auf Kontaktflächen 12 des Halbleiterchips 13 gebondet und werden in der Querschnittsansicht der Figur 10 in ihrer Längsachse 15 gezeigt.
Der Halbleiterchip 13 ist mit seinen Flipchip-Kontakten 14 aus erfindungsgemäßen Verbindungselementen 4 auf einem Ver¬ drahtungssubstrat 33 angeordnet und von einer Kunststoffge- häusemasse 38 umgeben. Das Verdrahtungssubstrat 33 übernimmt die Aufgabe, mithilfe von Verdrahtungsleitung 44 und Durch¬ kontakten 45 die Flipchip-Kontakte 14 mit Außenkontakten 46 zu verbinden, die auf der Unterseite 43 des Halbleiterbau¬ teils 3 auf entsprechenden Außenkontaktflachen 47 angeordnet sind.
Während Figur 10 den Querschnitt des Halbleiterbauteils 3 der Schnittlinie B-B der Figur 11 darstellt, zeigt die Figur 11 einen schematischen Querschnitt gemäß der Ausführungsform der Erfindung in Figur 10 entlang der Schnittlinie A-A der Figur 10. Diese zweite Querschnittsansicht gemäß der Figur 11 zeigt, dass die Verbindungselemente 4 Querschnittansichten von Bonddrahtstücken 6 sind, die von einem Bonddrahtende ei¬ nes Bonddrahtes mit einem Durchmesser D ≥ 100 μm abgetrennt wurden und auf Kontaktflächen 12 des Halbleiterchips 13 als Flipchip-Kontakte 14 gebondet sind.

Claims

Patentansprüche
1. Verbindungselement eines Halbleiterbauteils (1, 2, 3), wobei das Halbleiterbauteil (1, 2, 3) mindestens eine Verbindungsfläche (5) mit einem darauf angeordneten Ver¬ bindungselement (4) aufweist, und wobei das Verbindungs¬ element (4) ein auf der Verbindungsfläche (5) fixiertes Bonddrahtstück (6) eines Bonddrahtendes (7) mit einem Durchmesser D ≥ 100 μm (Mikrometer) ist, das flach auf der Verbindungsfläche (5) angeordnet ist und ein Länge 1 aufweist, die mit 1 ≥ 200 μm mindestens dem Doppelten des Durchmessers D entspricht, wobei die Stirnseiten (8, 9) des Bonddrahtstückes (6) Trennspuren eines Trennsti¬ chels (10) aufweisen und die Mantellinie (11) des Bond- drahtstückes (6) eine stoffschlüssige Verbindung zu der Verbindungsfläche (5) aufweist.
2. Verbindungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , das s das Verbindungselement (4) ein Bonddrahtstück (6) mit Gold oder Silber oder Legierungen derselben aufweist.
3. Verbindungselement nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , dass das Verbindungselement (4) ein Aluminium-Bonddrahtstück (6) oder ein Bonddrahtstück (6) mit Legierungen des Alu¬ miniums aufweist.
4. Verbindungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , das s das Verbindungselement (4) ein goldbeschichtetes Alumi¬ nium-Bonddrahtstück (6) aufweist. 5. Verbindungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass das Verbindungselement (4) ein Abstandshalter des Halb¬ leiterbauteils ist.
6. Verbindungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass das Verbindungselement (4) auf Kontaktflächen (12) eines Halbleiterchips (13) als Flipchip-Kontakt (14) angeord¬ net ist .
7. Verbindungselement nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass das Verbindungselement (4) auf Kontaktflächen (12) eines
Halbleiterchips (13) in Randbereichen angeordnet ist und seine Längsachse (15) rechtwinklig zu den Randseiten des
Halbleiterchips (13) ausgerichtet ist.
8. Verbindungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass das Verbindungselement (4) eines von mehreren Verbin¬ dungselementen (4) ist, die auf einer großflächigen Elektrode (16) gleichmäßig nebeneinander verteilt ange¬ ordnet sind, wobei die großflächige Elektrode (16) vor- zugsweise die Source-Elektrode (17) eines Leistungstran¬ sistors (20) oder die Anode (19) einer Leistungsdiode (21) aufweist. 9. Halbleiterbauteil, das mindestens ein Verbindungselement (4) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 aufweist.
10. Vorrichtung zur Herstellung eines Verbindungselementes (4), wobei die Vorrichtung eine Bondeinrichtung auf¬ weist, die einen Bondkopf (22, 23) mit einem Bondstichel
(24) besitzt, der eine Führungsrille (25) aufweist, die parallel zu einer Verbindungsfläche (5) eines Halblei¬ terchips (13) ausrichtbar ist, wobei die Führungsrille (25) ein Bonddrahtende (7) derart führt, dass es zwi¬ schen Bondstichel (24) und Verbindungsfläche (5) einklemmbar ist, und wobei der Bondkopf (22, 23) weiter¬ hin eine Bonddrahtzufuhröse (26) aufweist, welche zu der Führungsrille (25) derart ausgerichtet ist, dass das Bonddrahtende (7) zu der Führungsrille (25) des Bondsti¬ chels (24) zuführbar ist, und wobei der Bondkopf (22, 23) einen Trennstichel (10) zum gesteuerten Trennen des Bonddrahtendes (7) aufweist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet , dass der Trennstichel (10) in Richtung der Bonddrahtbearbei- tungsrichtung vor dem Bondstichel (24) angeordnet ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet , dass der Trennstichel (27) in Richtung der Bonddrahtbearbei- tungsrichtung nach dem Bondstichel (24) angeordnet ist.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet , dass der Trennstichel (27) in Richtung der Bonddrahtbearbei- tungsrichtung zwischen Bondstichel (24) und Bonddrahtzu¬ fuhröse (26) angeordnet ist.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet , dass der Bondkopf (22, 23) zwei Trennstichel (10, 27) auf¬ weist, die in Bonddrahtbearbeitungsrichtung vor und hin¬ ter dem Bondstichel (24) angeordnet sind.
15. Verfahren zur Herstellung eines Verbindungselements (4) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 mittels einer Vorrich¬ tung gemäß einem der Ansprüche 10 bis 14, wobei das Ver¬ fahren folgende Verfahrensschritte aufweist:
Ausrichten einer Verbindungsfläche (5) eines HaIb- leiterbauteils (1, 2, 3) unter einem Bondstichel
(24) der Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 7 bis 10,
Zuführen eines Bonddrahtes (28) durch eine Bonddrahtzufuhröse (26) zwischen Bondstichel (24) und Verbindungsfläche (5),
Durchführen eines Drahtbondens mit einem Bonddrah¬ tende (7) des Bonddrahtes (28), der einen Bond¬ drahtdurchmesser (D) von D ≥ 100 μm aufweist, Trennen des Bonddrahts (28) mittels eines Trennsti- chels (10) nach erfolgter stoffschlüssiger Verbin¬ dung zwischen Bonddrahtende (7) und Verbindungsflä¬ che (5) .
6 . Verfahren nach Anspruch 15 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s eine Bonddrahtzufuhreinrichtung über die Bonddrahtzu¬ fuhröse (26) eine Bonddrahtlänge (1) vor einem Bondvor¬ gang dem Bondstichel (24) zuführt, die mindestens eine Länge (L) einer Führungsrille (25) in dem Bondstichel (24) entspricht.
17. Verfahren nach Anspruch 15 oder Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet , das s der Trennstichel (10) das Bonddrahtende (7) vor einem Bonden und/oder nach einem Bonden entsprechend der Länge (L) der Führungsrille (25) plus dem Abstand zwischen Bondstichel (24) und Trennstichel (10) trennt.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet , das s der Trennstichel (10) das Bonddrahtende (7) vor einem Bonden und/oder nach einem Bonden maßgenau entsprechend der Länge (L) der Führungsrille (25) trennt.
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