Schicht zwischen Grenzflächen unterschiedlicher Komponenten in Halbleiterbauteilen, sowie Verfahren zu deren Herstellung
Die Erfindung betrifft eine Schicht zwischen Grenzflächen un¬ terschiedlicher Komponenten in Halbleiterbauteilen sowie Ver¬ fahren zu deren Herstellung. Derartige Schichten sollen dazu beitragen, die bisher unzureichende Haftung von Kunststoffge- häusemasse an den relevanten Ober- und/oder Grenzflächen in Halbleiterbauteilen zu verbessern, zumal derartige unzurei¬ chende Haftungen zu erhöhtem Ausfall und zu Fehlerrisiken bei Halbleiterbauteilen führen, die ein Versagen der Bauteile insbesondere bei der Bauteilqualifikation verursachen können.
Teilweise wurde bisher versucht, durch mechanische Vorbear¬ beitung der Oberflächen von Schaltungsträgern, die mit der Kunststoffgehäusemasse eine Grenzfläche bilden, aufzurauen oder durch physikalisch-chemische Verfahren, wie Plasmaätzen, eine verbesserte Verzahnung der Grenzflächen unterschiedli¬ cher Komponenten zu erreichen. Auch ein elektrolytisches Be¬ schichten mit haftverbessernden Schichten auf der Basis von anorganischen und metallischen Verbindungen zeigen nicht die gewünschten Ergebnisse. Jedenfalls sind die bisherigen haft- verbessernden Maßnahmen, wie ein Plasmaätzen, äußerst teuer und liefern keine signifikante Verbesserung der Pressmassen¬ haftung und bleibt auf die Präparation von elektrisch leitfä¬ higen Oberflächen eingeschränkt.
Moderne Schaltungsträger weisen jedoch neben einer metalli¬ schen Verdrahtungsstruktur auch Oberflächen von Kunststoffen auf, die von dem Trägermaterial des Schaltungsträgers gebil¬ det werden. Auch in diesen Bereichen besteht die Gefahr der
Delamination zwischen einer Kunststoffgehäusemasse und dem Schaltungsträgermaterial. Besonders gefährlich ist das Ein¬ dringen von Feuchtigkeit in derartige Grenzflächen, sodass beim Auflöten eines Halbleiterbauteils auf eine übergeordnete Schaltungsplatine der sog. "Popcorn"-Effekt auftreten kann, bei dem eine Abplatzen von Halbleiterbauteilkomponenten, ins¬ besondere von Kunststoffgehäuseteilen von der Oberfläche des Schaltungsträgers eintreten kann.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schicht anzugeben, die zwischen Grenzflächen unterschiedlicher Komponenten in Halb¬ leiterbauteilen eingesetzt werden kann, welche die Haftung zwischen den Grenzflächen entscheidend verbessert.
Diese Aufgabe wird mit dem Gegenstand der unabhängigen An¬ sprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Erfindungsgemäß wird eine Schicht geschaffen, die zwischen Grenzflächen unterschiedlicher Komponenten in Halbleiterbau¬ teilen angeordnet ist, wobei eine Komponente als Grenzfläche Oberflächen eines Schaltungsträgers und eine andere Komponen¬ te als Grenzfläche Berührungsflächen einer Kunststoffgehäuse- masse umfasst. Dabei weist die Schicht eine Mischung aus po- lymeren Kettenmolekülen und Kohlenstoff-Nanoröhren auf.
Ein Vorteil dieser Schicht aus einer Mischung aus polymeren Kettenmolekülen und Kohlenstoff-Nanoröhren ist, dass diese Schicht prinzipiell auf Oberflächen von unterschiedlichsten Materialien angeordnet werden kann und dass die Verarbeitung sehr einfach ist und geringe Materialkosten verursacht. Diese Schicht hat darüber hinaus die nachfolgenden Vorteile:
1. eine deutliche Verbesserung der Haftung der Kunststoff¬ gehäusemasse auf allen mit dieser Schicht beschichteten Oberflächen;
2. eine Korrosionsverlangsamung an allen metallischen Ober- flächen, auf welche die Schicht aufgebracht ist, wobei die Schicht zur Stabilisierung der metallischen Oberflä¬ chen beiträgt;
3. eine gezielte selektive Beschichtung durch geeignete Wahl des Verfahrens. Dies kann z.B. durch eine gezielte Maskierung oder durch ganzflächiges Beschichten mit se¬ lektivem Ablösen mit Lösungsmitteln, Laserablation oder anderen mechanischen Entfernungsverfahren erfolgen;
4. eine gezielte Einstellbarkeit der elektrischen und ther¬ mischen Leitfähigkeit der Schicht über den prozentualen Anteil der Kohlenstoff-Nanoröhren.
Diese haftverbessernde Schicht kann nicht nur durch Aufwach¬ sen von Kohlenstoff-Nanoröhren erzeugt werden, sondern auch durch Zugabe oder Aufbringen einer Kompositschicht, die hauptsächlich ein Polymer und Kohlenstoff-Nanoröhren, vor¬ zugsweise nach einem Lackiervorgang, aufweist. Dabei ist Tau¬ chen, Sprühen, Streichen usw. als Lackiervorgang denkbar. Ei¬ ne besonders elegante Aufbringungsform ist eine Aufbringen mit einem Tintenstrahlverfahren mit einem Drucker. Dadurch kann punktgenau eine Haftvermittlungsschicht auch nach dem
Aufbringen eines Halbleiterchips aufgebracht werden. Auch ein Schablonendruck eignet sich zum Aufbringen der Haftvermitt- lerschicht.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beträgt dieser oben erwähnte Anteil an Kohlenstoff-Nanoröhren ΔV zwi¬ schen 1 Vol.% ≤ ΔV ≤ 10 Vol.%, wobei der Rest von polymeren Kettenmolekülen gebildet wird. Dieses hat den Vorteil, dass
ein derart niedriger Anteil einerseits die Kosten dieser Schicht nicht wesentlich erhöht und andererseits noch keine elektrische Leitfähigkeit und/oder Kurzschlüsse über die Koh- lenstoff-Nanoröhren verursacht werden. Des Weiteren hat die- ser niedrige Anteil an Kohlenstoff-Nanoröhren den Vorteil, dass sowohl innerhalb als auch außerhalb der Nanoröhren sich die Polymerketten erstrecken können und somit eine enge Ver¬ flechtung zwischen Kohlenstoff-Nanoröhren und polymeren Ket¬ tenmolekülen in der Schicht vorliegt. Durch diese Verflech- tung wird gleichzeitig eine erhöhte Verankerung der Kunst- stoffgehäusemasse auf einer mit einer derartigen Schicht prä¬ parierten Oberfläche erreicht. Damit wird ein Abriss oder ei¬ ne Delamination der mechanischen Verbindung zwischen zwei Grenzflächen durch die Kohlenstoff-Nanoröhren-haltige Schicht verhindert.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgese¬ hen, dass die Kohlenstoff-Nanoröhren einen Durchmesser d in der Größenordnung von Nanometern, vorzugsweise zwischen 1,2 nm ≤ d ≤ 300 nm aufweisen. Ein Vorteil dieser Nanoröhren mit einem derartig geringen Durchmesser ist die Möglichkeit, extrem kleine Schichtdicken zu realisieren. Somit ermöglichen die Kohlenstoff-Nanoröhren Schichtdicken zwischen 1,5 nm ≤ d ≤ 300 nm, vorzugsweise zwischen 10 nm ≤ d ≤ 30 nm, wenn die Schicht mehrwandige Kohlenstoff-Nanoröhren aufweist.
Bei einwandigen Kohlenstoff-Nanoröhren lassen sich sogar Schichtdicken unter 1,5 nm erreichen. Mit einwandigen Kohlen¬ stoff-Nanoröhren lassen sich somit deutlich dünnere Schichten verwirklichen, zumal diese einwandigen Kohlenstoff-Nanoröhren einen Durchmesser zwischen 0,6 nm ≤ d ≤ 1,8 nm aufweisen.
Darüber hinaus haben die Kohlenstoff-Nanoröhren den Vorteil einer geringen Dichte, die mit 1,33 bis 1,4 g/cm2 der Dichte einer Kunststoffgehäusemasse nahekommen. Auch die Zugfestig¬ keit von Kohlenstoff-Nanoröhren ist mit ca. 1011 Pa um mehre- re Größenordnungen besser als bei Kunststoffen. Dadurch wird die Gefahr einer Delamination zwischen Berührungsflächen der Kunststoffmasse und der Schicht, welche die Kohlenstoff- Nanoröhren aufweist, vermindert. Insbesondere bei hoher ther¬ mischer Belastung aufgrund unterschiedlicher Ausdehnungskoef- fizienten der beteiligten Materialien bewirkt die hohe Zug¬ festigkeit der Kohlenstoff-Nanoröhren gegenüber herkömmlichen Konstruktionen eine höhere Zugbelastbarkeit und Scherfestig¬ keit der haftvermittelnden Schichten.
Weiterhin ist es vorgesehen, Kohlenstoff-Nanoröhren einer Länge 1 in der Größenordnung von einigen 10 Nanometern bis einigen Mikrometern einzusetzen. Da die Kohlenstoff-Nano¬ röhren trotz ihrer Länge zwischen 10 nm bis zu einigen μm keine Korngrenzen aufweisen, ist ihre Verformbarkeit und E- lastizität wesentlich größer und ein Aufbrechen oder eine
Mikrorissbildung an Korngrenzen praktisch nicht möglich. So¬ mit verfügt die haftvermittelnde Schicht, in der Kohlenstoff- Nanoröhren angeordnet sind, über biegefeste, verformbare und elastische Anker, welche sowohl in der Kunststoffgehäusemasse als auch an metallische Oberflächen, sowie an Kunststoff¬ bzw. Epoxidharz-Oberflächen Verankerungen bilden können.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Schicht mehrlagig ausgebildet und verfügt über eine Basislage mit einem der Metalle Nickel, Eisen, Molybdän, Kobalt oder Legierungen derselben. Diese Basislage hat den Vorteil, dass sie Metalle aufweist, die als Katalysator zur Bildung von Kohlenstoff-Nanoröhren dienen. Somit kann eine weitere Lage
auf dieser Basislage Kohlenstoff-Nanoröhren aufweisen, die sich aus Keimen von Kohlenstoff-Nanoröhren gebildet haben. Diese zweilagige Schicht aus einer Basislage und einer Lage mit Kohlenstoff-Nanoröhren hat den Vorteil, dass sie sich mit den Grenzflächen der Kunststoffgehäusemasse eng verzahnen kann.
Darüber hinaus ist es möglich, eine Schicht auszubilden, die als zweite Lage auf der Basislage eine Mischung aus Kohlen- stoff-Nanoröhren und polymeren Kettenmolekülen aufweist, be¬ vor eine Kunststoffgehäusemasse mit dieser Schicht in Grenz¬ kontakt gebracht wird. Diese zweite Lage aus einer Mischung aus Kohlenstoff-Nanoröhren und polymeren Kettenmolekülen ei¬ nes organischen Primers kann eine enge Verflechtung beider Strukturen aufweisen und damit eine haftverbesserende Wirkung ausüben.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Schicht dreilagig aus einer Basislage, einer Lage mit Kohlenstoff-Nanoröhren und einer Lage mit polymeren Kettenmo¬ lekülen ausgestattet. Dabei können die polymeren Kettenmole¬ küle bereits die Kettenmoleküle einer Kunststoffgehäusemasse sein. Diese Dreilagigkeit hat den Vorteil, dass der Übergang zu einer Kunststoffgehäusemasse ohne Ausbildung von thermi- sehen Verspannungen realisiert werden kann.
Die Wärmeleitung bei derartigen haftverbessernden Zwischen¬ schichten ist ebenfalls ein Faktor, der entscheidend zur Ver¬ besserung eines Halbleiterbauteils beitragen kann. Für Koh- lenstoff-Nanoröhren wurde festgestellt, dass sie Wärmeleitfä¬ higkeit mit bis zu 6.000 W/m°K nahezu doppelt so hoch ist wie die von Diamant. Darüber hinaus kann insbesondere die Bruch-
festigkeit der haftvermittelnden Zwischenschicht durch mehr- wandige Kohlenstoff-Nanoröhren weiter verbessert werden.
Wie bereits oben erwähnt, ist der Durchmesser d derartiger mehrwandiger Kohlenstoff-Nanoröhren zwischen
1,5 nm ≤ d ≤ 300 nm für die Anwendung als haftverbessernde Partikel in einer Schicht auf einem Schaltungsträger. Vor¬ zugsweise werden Kunststoffnanoröhren mit einem Durchmesser d zwischen 10 ≤ d ≤ 30 vorgesehen. Das hat den Vorteil, dass auf Schaltungsträgern eine Schicht von Kohlenstoff-Nanoröhren eingesetzt werden kann, die eine erhöhte Verankerung durch mehrere Kohlenstoff-Nanoröhren gegen einen Abriss der mehrla¬ gigen Verbindung entlang der zwei Grenzflächen liefert. Dazu können in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Er- findung die Kohlenstoff-Nanoröhren kolumnar zwischen den Grenzflächen ausgerichtet sein.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft Halbleiterbauteile mit Komponenten, die eine Schicht mit der oben erwähnten Zu- sammensetzung aufweisen. Derartige Halbleiterbauteile können darüber hinaus dadurch gekennzeichnet sein, dass diese Schicht auf einem Schaltungsträger angeordnet ist, der teil¬ weise mit dieser Schicht versehen ist. Diese teilweise Be- schichtung bezieht sich darauf, dass bestimmte Bereiche des Schaltungsträgers für Kontaktanschlussflächen sogenannte
„Bondpads" vorgesehen sind, die eine stoffschlüssige metalli¬ sche Verbindung eingehen und somit von der Kohlenstoff- Nanoröhren-haltigen Schicht frei gehalten werden müssen.
Außerdem gibt es Halbleiterbauteile, die Schaltungsträger aufweisen, welche Flächen für das Aufbringen von Rückseiten von Halbleiterchips aufweisen. Auch diese Flächen eines Schaltungsträgers bleiben dann frei von der isolierenden
haftvermittelnden Schicht, insbesondere wenn ein Ohm' scher Kontakt angestrebt ist. Somit wird vorzugsweise die Schicht als Haftvermittler in Halbleiterbauteilen zwischen einem Schaltungsträger und einer Kunststoffgehäusemasse verwendet. Dazu ist die Schicht auf einem Umverdrahtungssubstrat als
Schaltungsträger angeordnet, wobei das umverdrahtungssubstrat Oberflächen eines Kunststoffträgermaterials und/oder eines Keramikträgermaterials und strukturierte metallische Oberflä¬ chen von Umverdrahtungsleitungen aufweist. Auf diesen unter- schiedlichen Materialien kann ohne Weiteres die erfindungsge- mäße Schicht zur Verbesserung der Haftung selektiv unter Freilassung der oben erwähnten Flächen aufgetragen sein.
In einer weiteren bevorzugten Anwendung der Erfindung wird die Schicht auf einem Flachleiterrahmen als Schaltungsträger angeordnet, wobei der Flachleiterrahmen Innenflachleiter mit metallischen Oberflächen aufweist, auf denen die Schicht an¬ geordnet ist. Gerade derartige innere Flachleiter sollen in¬ tensiv mit der Kunststoffgehäusemasse verbunden werden, damit sie sich bei der Weiterverarbeitung nicht aus der Kunststoff¬ gehäusemasse herausreißen lassen können. Außerdem sollen an den Grenzschichten zwischen Kunststoffgehäusemasse und inne¬ rem Flachleiter keine Mikrorisse auftreten, die Feuchtigkeit aufnehmen können, und die schließlich zum Versagen des HaIb- leiterbauteils führen können.
Weiterhin können Schaltungsträger aus Keramiksubstraten mit dem Vorteil, dass sie insbesondere für Hochfrequenzbauteile und integrierte Schaltungen für Hochfrequenzen im Giga- und Tera-Hz-Bereich eingesetzt werden können, mit der haftvermit¬ telnden Schicht versehn werden.
Weiterhin kann der Schaltungsträger aus einer isolierenden Grundplatte aus einem Kunststoff, vorzugsweise aus einem fa¬ serverstärkten Epoxidharz bestehen, auf dem mehrere Halblei¬ terchips angeordnet sind und mit Hilfe der Kohlenstoff- Nanoröhren-Schicht mit einer Kunststoffgehäusemasse verbunden werden und einen Nutzen darstellen. In diesem Fall ist es auch von Vorteil, wenn die haftverbessernde Schicht mit Koh- lenstoff-Nanoröhren nicht nur auf der isolierenden Grundplat¬ te und auf den Leiterbahnen angeordnet ist, sondern auch die Halbleiterchips bedeckt und sogar die Verbindungselemente be¬ schichtend überzieht.
Ein Verfahren zur Herstellung einer Schicht zwischen Grenz¬ flächen unterschiedlicher Komponenten in Halbleiterbauteilen weist die nachfolgenden Verfahrensschritte auf. Zunächst wird ein Schaltungsträger eines Halbleiterbauteils mit Oberflächen hergestellt, die einen Halbleiterchip tragen und Grenzflä¬ chen, die mit einer Kunststoffmasse umhüllt werden. Anschlie¬ ßend wird selektiv eine Schicht auf die Grenzflächen des Schaltungsträgers aufgebracht, wobei die Grenzflächen mindes¬ tens mit Kohlenstoff-Nanoröhren beschichtet werden. Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass nur auf den Stellen des Schaltungsträgers, die mit einer Kunststoffgehäusemasse in Berührung kommen, die Schicht mit Kohlenstoff-Nanoröhren auf- gebracht wird, sodass damit einerseits ein geringer Material¬ verbrauch verbunden ist und andererseits die Flächen des Schaltungsträgers frei bleiben, die elektrische Verbindungs¬ leitungen und/oder Halbleiterchips aufnehmen müssen.
Vorzugsweise werden zum selektiven Aufbringen der Schicht auf die Grenzflächen des Schaltungsträgers die Oberflächenberei¬ che des Schaltungsträgers mit einer Schutzschicht versehen. Diese Schutzschicht wird auf Bereiche aufgebracht, die vor
der haftverbessernden Schicht zu schützen sind, sodass an¬ schließend nach dem Aufbringen der Schutzschicht der Schal¬ tungsträger in eine Suspension, die Kohlenstoff-Nanoröhren aufweist, getaucht werden kann. Bei diesem Tauchverfahren wird alles, was auf dem Schaltungsträger bereits installiert ist und nicht von der Schutzschicht geschützt wird, mit einer entsprechenden Haftschicht aus Kohlenstoff-Nanoröhren be¬ schichtet. Die Schutzschicht selbst wird nach dem Aufbringen der haftvermittelnden Schicht entfernt.
In einem weiteren bevorzugten Verfahren der Herstellung von Schichten werden Kohlenstoff-Nanoröhren über die Flüssigphase durch Aufbringen einer Suspension aus Keimen für die Bildung von Kohlenstoff-Nanoröhren eingesetzt. Diese Flüssigphase wird auf vorher selektiv aufgebrachte Lagen einer Beschich- tung aus Katalysatormaterial und zwar einer Lage, die eines der Metalle Nickel, Eisen, Molybdän, Kobalt oder Legierungen derselben aufweist, aufgebracht. Dazu weist die Lösung als Keime zur Bildung von Kohlenstoff-Nanoröhren vorzugsweise Kohlenstoff-Fullerene auf, die als Graphitbällchen bekannt sind, und einwandige hexagonal strukturierte kugelförmige Graphitmuster ausbilden.
Unter dem Einfluss des Katalysatormaterials, das als Basisla- ge aufgebracht wurde, generieren diese Fullerene als Fest¬ stoffe in einer Suspension Kohlenstoff-Nanoröhren. Dabei kön¬ nen diese Keime mit Oligomeren eines Kunststoffharzes ge¬ mischt sein und anschließend unter thermischer Behandlung der Lösung ineinander greifende Kohlenstoff-Nanoröhren und Ket- tenmoleküle des Kunstharzes bilden, die eng miteinander ver¬ flochten sind.
Darüber hinaus können derartige Schichten mit Kohlenstoff- Nanoröhren durch drucktechnisches Aufbringen auf einen Schal¬ tungsträger mit entsprechenden Vorstufen der Kohlenstoff- Nanoröhren, die dann in die Kohlenstoff-Nanoröhren umgewan- delt werden, gebildet werden. Dabei kann beispielsweise auch eine Suspension aus einer Lösung mit Kohlenstoff-Nanoröhren- Vorstufen mit entsprechenden Katalysator-Metallpartikeln in dem Lösungsmittel gemischt werden, welches dann als Suspensi¬ on oder Lösung auf die Schaltungsträgeroberflächen selektiv mittels Drucktechnik aufgebracht wird.
Die Umwandlung der Vorstufen der Kohlenstoff-Nanoröhren in ein Kohlenstoff-Nanoröhren-Netzwerk wird schließlich mit Nie¬ dertemperaturprozessen erreicht. Nach dem Herstellen einer haftvermittelnden Schicht mit Kohlenstoff-Nanoröhren können das Lösungsmittel und die im Lösungsmittel enthaltenen Kata¬ lysatoranteile von dem Schaltungsträger durch einen Reini¬ gungsschritt entfernt werden.
Ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauteils mit einer Schicht zwischen Grenzflächen unterschiedlicher Kompo¬ nenten, wobei eine Komponente als Grenzfläche Oberflächen ei¬ nes Schaltungsträgers und eine andere Komponente als Grenz¬ fläche Berührungsflächen einer Kunststoffgehäusemasse um- fasst, weist die folgenden Verfahrensschritte auf. Zunächst wird selektiv die haftvermittelnde Schicht mit einem Verfah¬ ren, wie es oben beschrieben wurde, auf den Schaltungsträger, der mehrere Halbleiterbauteilpositionen aufweist, aufge¬ bracht. Anschließend werden die Halbleiterchips auf dem Schaltungsträger in den Bereichen fixiert, die keine derarti¬ ge haftvermittelnde Schicht aufweisen. Danach können elektri¬ sche Verbindungen zwischen Halbleiterchips und beschichtungs- freien Kontaktanschlussflächen des Schaltungsträgers in den
Halbleiterbauteilpositionen hergestellt werden. Schließlich werden die Halbleiterchips und die elektrischen Verbindungen in eine Kunststoffmasse unter gleichzeitigem Aufbringen der Kunststoffgehäusemasse auf die beschichteten Grenzflächen des Schaltungsträgers aufgebracht.
Das Aufbringen der Kunststoffmasse kann mittels S.pritzguss- technik, das auch "Molden" oder "Moldtechnik" genannt wird, erfolgen. Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass die Kunst- stoffgehäusemasse auf einen Schaltungsträger aufgebracht wird, der durch das Aufbringen einer haftvermittelnden Schicht aus Kohlenstoff-Nanoröhren eine verbesserte Haftung zwischen Kunststoffschicht und Schaltungsträger ermöglicht, sodass Delamination und Mikrorisse in den Grenzschichten ver- mieden werden. Das Aufbringen der Kunststoffgehäusemasse kann mittels herkömmlicher Spritzgusstechnik erfolgen.
Besonders vorteilhaft ist es, das Verfahren dahingehend zu modifizieren, dass die haftvermittelnde Schicht mit Kohlen- stoff-Nanoröhren erst nach dem Verbinden von Schaltungsträ¬ ger, Halbleiterchip und Verbindungselementen aufgebracht wird, sodass auch die Oberflächen des Halbleiterchips und der Verbindungen mit einer derartigen haftvermittelnden Schicht im Tauchverfahren, Sprühverfahren und/oder Strahldruckverfah- ren beschichtet werden.
Somit besteht die Möglichkeit, den Schaltungsträger, der den Halbleiterchip aufweist, entweder vor oder nach dem Herstel¬ len elektrischer Verbindungen zwischen Halbleiterchip und Schaltungsträger mit einer Lösung der organischen Substanz aus Polymeren und funktionalen organischen Molekülen oder an¬ deren Trägermaterialien zu beschichten, die nach dem Aufbrin¬ gen der Polymerschicht reagieren und vernetzen, wobei je nach
Wunsch in diese Polymerschicht ein Prozentsatz von 0,1 bis 5 Massen-% von Kohlenstoff-Nanoröhren eingemischt sein kann. Das Beschichtungsverfahren kann neben der Tauchtechnik auch ein Aufsprühen, ein Auftropfen oder einen Schablonendruck um- fassen.
Nach dem Aushärten der Beschichtung mit anschließendem Auf¬ bringen der Kunststoffgehäusemasse führt diese Schicht zu ei¬ ner deutlichen Haftverbesserung mit der Kunststoffgehäusemas- se, wobei zwei Effekte ausgenutzt werden: Erstens ein chemi¬ scher und physikalischer Effekt durch die Wechselwirkung der organischen Schicht mit der Kunststoffgehäusemasse und zwei¬ tens eine mechanische Verankerung der einfließenden Epoxid- Oligomere in die Hohlräume der Kohlenstoff-Nanoröhren. Außer- dem wird durch das Einbringen von Kohlenstoff-Nanoröhren die haftvermittelnde Oberfläche der polymeren schicht vergrößert.
Hierdurch wird eine höhere Verbindungsfestigkeit zwischen der Schicht mit Kohlenstoff-Nanoröhren und der Kunststoffgehäuse- masse realisiert als es durch bisherige organische haftver¬ mittelnde Beschichtungen, in die keine Nanoröhren eingearbei¬ tet sind, möglich ist.
Durch den prozentualen Anteil an eingearbeiteten Kohlenstoff- Nanoröhren lässt sich zudem gezielt die thermische Leitfähig¬ keit einstellen bzw., und falls gewünscht, auch eine elektri¬ sche Leitfähigkeit erzeugen, falls eine elektrochemische Ab¬ scheidung von metallischen Strukturen auf der haftvermitteln¬ den Schicht erwünscht ist. Eine elektrische Leitfähigkeit wird jedoch erst erreicht, wenn die Perkollationsschwelle der Nanoröhren überschritten ist.
Zusammenfassend werden folgende Vorteile der Nanoröhren ge¬ nutzt: Erstens Erhöhung der mechanischen Festigkeit der Be- schichtung, zweitens die Reduzierung der Feuchteabsorption, drittens die Reduzierung des thermischen Ausdehnungskoeffi- zienten und damit die Reduzierung thermischer Spannungen und viertens die Möglichkeit, ultradünne Beschichtungen mit Nano¬ röhren, die kleiner als 5 nm sind, zur besseren und homogene¬ ren Einbindung der Polymermatrix der Kunststoffgehäusemasse zu erreichen.
Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Figuren näher erläutert.
Figur 1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Halbleiterbauteil mit einer Schicht gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
Figuren 2 bis 10 zeigen schematische Darstellungen zur Her¬ stellung eines Halbleiterbauteils mit einer Schicht gemäß der ersten Ausführungsform .der
Erfindung;
Figur 2 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Schaltungsträger mit einer Schutzschicht vor einem Tauchbeschichten;
Figur 3 zeigt eine Prinzipskizze einer Tauchbeschich- tung des Schaltungsträgers gemäß Figur 2;
Figur 4 zeigt eine schematische perspektivische An¬ sicht einer einwandigen Kohlenstoff-Nanoröhre;
Figur 5 zeigt einen schematisehen Querschnitt eines Schaltungsträgers mit einer Suspensionsbe- schichtung, die Kohlenstoff-Nanoröhren auf¬ weist;
Figur 6 zeigt einen schematischen Querschnitt des
Schaltungsträgers der Figur 5 nach Ausdampfen eines Lösungsmittels aus der Beschichtung;
Figur 7 zeigt einen schematischen Querschnitt, eines
Schaltungsträgers gemäß Figur 6 mit aufge¬ brachter Kunststoffmasse,
Figur 8 zeigt den schematischen Querschnitt des Schal- tungsträgers gemäß Figur 2 nach Aufbringen ei¬ ner erfindungsgemäßen Schicht und nach Entfer¬ nen der Schutzschicht;
Figur 9 zeigt einen schematischen Querschnitt des Schaltungsträgers gemäß Figur 8 nach Aufbrin¬ gen von Kontaktanschlussflächen und nach Fi¬ xieren eines Halbleiterchips und nach Verbin¬ den der Kontaktflächen des Halbleiterchips mit den Kontaktanschlussflächen des Schaltungsträ- gers;
Figur 10 zeigt den schematischen Querschnitt eines Halbleiterbauteils nach Aufbringen einer Kunststoffgehäusemasse auf den Schaltungsträ- ger;
Figur 11 zeigt einen Vergleich der Scherfestigkeit von Grenzflächen mit unterschiedlichen haftvermit¬ telnden Schichten.
Figur 1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Halb¬ leiterbauteil 10 mit einer Schicht 1 gemäß einer ersten Aus¬ führungsform der Erfindung. In dieser ersten Ausführungsform der Erfindung ist das Halbleiterbauteil 10 auf einen Schal¬ tungsträger 11 aufgebaut, der aus einem Flachleiterrahmen 12 ausgestanzt ist. Der Flachleiterrahmen 12 weist Außenflach- leiter 18 als Außenkontakte 19 und Innenflachleiter 13 zum Anschluss eines Halbleiterchips 14 auf. Dabei werden die In- nenflachleiter 13 von einer Kunststoffgehäusemasse 9 gehal¬ ten, die eine Berührungsfläche 4 zu einer Grenzfläche 2 der haftverbessernden Schicht 1 aufweist. Die Innenflachleiter 13 weisen Oberflächen 3 auf, die teilweise mit der haftverbes¬ sernden Schicht 1 beschichtet sind.
Der Halbleiterchip 14 wird von einem der Innenflachleiter 13 auf einem beschichtungsfreien Oberflächenbereich 15 getragen und ist ebenfalls in die Kunststoffgehäusemasse 9 eingebet¬ tet. Die Oberflächen des Halbleiterchips 14 weisen in dieser Ausführungsform der Erfindung keine haftverbessernde Schicht auf. Jedoch die verbleibenden Oberflächen 3 der Innenflach- leiter 13 sind als erste Komponente 5 vollständig mit der haftverbessernden Schicht 1 beschichtet. Dazu weist die Schicht 1 Kohlenstoff-Nanoröhren auf, welche einerseits die Verzahnung mit den Kettenmolekülen der zweiten Komponente 6, nämlich der Kunststoffgehäusemasse 9, verbessern und eine me- chanische Verankerung der Kunststoffgehäusemasse 9 auf dem Schaltungsträger 11 ermöglichen.
Die Figuren 2 bis 10 zeigen schematische Darstellungen zur Herstellung eines Halbleiterbauteils mit einer Schicht gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung. Komponenten mit gleichen Funktionen wie in Figur 1 werden in Figuren 2 bis 10 mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und nicht extra er¬ örtert.
Figur 2 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Schaltungsträger 11 mit einer Schutzschicht 24 vor einem Tauchbeschichten. Dieser Schaltungsträger 11 ist wiederum ein Teilstück eines Flachleiterrahmens 12 und weist Innenflach- leiter 13 auf, deren Oberfläche n 3 teilweise frei von Schutzschichten 24 sind, damit sich die erfindungsgemäße haftverbessernde Schicht darauf abscheidet. Alle von der Schutzschicht 24 freigehaltenen Oberflächen 3 der Innenflach- leiter 13 können in dem in Figur 3 gezeigten Tauchverfahren mit einer Suspension beschichtet werden.
Figur 3 zeigt eine Prinzipskizze einer Tauchbeschichtung des Schaltungsträgers •11 der Figur 2. Dazu wird ein vertikal nach oben offener Behälter 20 bereitgestellt, der mit einer Sus¬ pension 21 aus Kohlenstoff-Nanoröhren 8 und polymeren Ketten¬ molekülen 7 gefüllt ist. Beim Eintauchen des mit einer selek¬ tiv aufgebrachten Schutzschicht versehenden Flachleiterrah- mens 12 in Pfeilrichtung A in den Behälter 20 bildet sich auf der Oberseite der Schutzschicht und auf den nicht geschützten Oberflächen des Flachleiterrahmens 12 eine wenige Nanometer bis einige Mikrometer dicke Schicht aus Kohlenstoff-Nanoröh¬ ren 8 und polymeren Kettenmolekülen 7 aus, die ineinander verflochten sind und beim Herausziehen des Flachleiterrahmens 12 eine anfängliche Beschichtung aus einer Suspension 21 aus Lösungsmitteln, Nanoröhren 8 und polymeren Kettenmolekülen 7 bilden.
Figur 4 zeigt eine dreidimensionale schematische Darstellung eines einwandigen Kohlenstoff-Nanorohres 8 mit hexagonal an¬ geordneten Kohlenstoffatomen C. Diese hexagonale Anordnung aus sechs Kohlenstoffatomen C entspricht dem bekannten Ben¬ zolring, der eine bevorzugte Struktur des Kohlenstoffatoms C darstellt, wobei zur Stabilisierung des Ringes Elektronendop¬ pelbindungen in jedem Ring rotieren, was die elektrische Leitfähigkeit eines derartigen Kohlenstoff-Nanorohres 8 för- dert. Die Länge 1 kann sich von wenigen 10 Nanometern bis ei¬ nige 10 Mikrometer erstrecken. Der Durchmesser d für das in Figur 4 dargestellte einwandige Kohlenstoff-Nanorohr 8 liegt im Bereich von 0,6 bis 1,8 nm. Bei mehrwandigen Kohlenstoff- Nanoröhren 8 sind koaxial angeordnete zylindrische Wände in- einander geschachtelt, sodass mehrlagige Kohlenstoff-Nano- röhren 8 einen Durchmesser von 1,5 nm bis zu 300 nm erreichen können. In der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weisen die Kohlenstoff-Nanoröhren 8 einen bevorzugten Durch¬ messerbereich von 10 nm ≤ d ≤ 30 nm auf.
Figur 5 zeigt einen schematischen Querschnitt eines Schal¬ tungsträgers 11 mit einer Suspensionsbeschichtung 21, die Kohlenstoff-Nanoröhren 8 aufweist. Diese Suspensionsbeschich¬ tung 21, welche die nicht mit einer Schutzschicht versehenen Oberflächen 3 des Schaltungsträgers 11 benetzt, weist neben einem Bindemittel ein flüchtiges Lösungsmittel auf, das bei Erwärmung des Schaltungsträgers 11 nach dem Tauchbeschichten verdampft.
Figur 6 zeigt einen schematischen Querschnitt eines Schal¬ tungsträgers 11 nach Ausdampfen des Lösungsmittels aus der Suspensionsbeschichtung 21, wie sie in Figur 5 gezeigt wird. Die verbleibende Beschichtung 22 aus einem Bindemittel und
den Kohlenstoff-Nanoröhren 8 weist aufgrund der Struktur der Kohlenstoff-Nanoröhren 8, wie sie in Figur 4 gezeigt sind, eine relativ unregelmäßige zerklüftete Oberfläche 23 auf. Auf diese Oberfläche 23 wird in Pfeilrichtung E eine Kunststoff- gehäusemasse 9, die polymere Kettenmoleküle 7 aufweist, in zähflüssigem Zustand aufgebracht. Dabei kann ein enges Ver¬ flechten der polymeren Kettenmoleküle 7 mit den Kohlenstoff- Nanoröhren 8 der Beschichtung 22 erfolgen.
Figur 7 zeigt einen schematischen Querschnitt eines Schal¬ tungsträgers 11 gemäß Figur 6 mit aufgebrachter Kunststoffge¬ häusemasse 9. In diesem Zustand sind bereits die polymeren Kettenmoleküle 7 der Kunststoffgehäusemasse 9 mit den Kohlen¬ stoff-Nanoröhren 8 der Beschichtung 22 eng verflochten, so- dass eine intensive Verankerung der Kunststoffgehäusemasse 9 auf der Oberfläche 3 des Schaltungsträgers 11 eintritt.
Figur 8 zeigt den schematischen Querschnitt des Schaltungs¬ trägers 11 gemäß Figur 2 nach Aufbringen einer erfindungsge- mäßen Schicht 1 und nach Entfernen der Schutzschicht 24, wie sie in Figur 2 gezeigt wird. Dabei werden die Außenflachlei- ter 18 frei von einer haftverbessernden Schicht 1 gehalten und auf den Innenflachleitern 13 bleiben die geschützten Kon¬ taktanschlussflächen 17 ebenfalls frei von einer haftverbes- sernden Schicht 1. Auch die Oberflächenbereiche 15 eines In- nenflachleiters 13 bleiben bei diesem Verfahren frei von ei¬ ner haftverbessernden Schicht 1 und können einen Halbleiter¬ chip aufnehmen.
Figur 9 zeigt den schematischen Querschnitt des Schaltungs¬ trägers 11 gemäß Figur 8 nach Aufbringen einer metallischen Beschichtung auf die Kontaktanschlussflächen 17 und nach Fi¬ xieren eines Halbleiterchips 14 auf dem Innenflachleiter 13
und nach Herstellen von elektrischen Verbindungen 16 zwischen Kontaktflächen 25 des Halbleiterchips 14 und den metallisier¬ ten Kontaktanschlussflächen 17. In dieser Ausführungsform der Erfindung wird auf eine Tauchbeschichtung sämtlicher Kompo- nenten, die in die Kunststoffmasse einzubetten sind verzich¬ tet und in einem nächsten Schritt die Kunststoffgehäusemasse spritztechnisch aufgebracht. Andererseits ist es von Vorteil eine Tauchbeschichtung sämtlicher Komponenten erste vorzuneh¬ men, wenn die Komponenten installiert sind, so dass auch der Halbleiterchip sowie die elektrischen Verbindungen zwischen Halbleiterchip und Schaltungsträger zuverlässig in der Kunst¬ stoffgehäusemasse verankert werden können.
Figur 10 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Halbleiterbauteil 10 nach Aufbringen einer Kunststoffgehäuse¬ masse 9 auf den Schaltungsträger 11. Dabei werden die Innen- flachleiter 13 vollständig in die Kunststoffgehäusemasse 9, soweit sie keinen Halbleiterchip 14 tragen, eingebettet und dabei gleichzeitig mit der Kunststoffgehäusemasse 9 mecha- nisch verbunden. Dabei treten die mit den Figuren 5, ξ> und 7 beschriebenen Mechanismen an den Grenzflächen 2 zwischen Kunststoffgehäusemasse 9 und Schaltungsträger 11 auf.
Figur 11 zeigt eine grafische Darstellung eines Vergleichs der Scherfestigkeit von Grenzflächen 2 mit unterschiedlichen haftvermittelnden Schichten. Dazu wird auf der Ordinate des Grafen die Scherfestigkeit in N/mm2 aufgetragen und auf der Abszisse sind haftverbessernde Beschichtungen ohne Kohlen- stoff-Nanoröhren mit den Säulen 30, 31 und 32 dargestellt. Vergleichsweise werden Beschichtungen mit Kohlenstoff-Nano¬ röhren durch die Säulen 40, 41 und 42 gezeigt.
Während bei den Säulen 30, 31 und 32 ohne Nanoröhrenbeschich- tung von einer anfänglichen Scherfestigkeit von etwa über 8 N/mm2 mit zunehmender mechanischer (Säule 31) und thermi¬ scher (Säule 32) die Belastung um fast 20% abnimmt, verfes- tigt sich die mit Kohlenstoff-Nanoröhren ausgestattete Be- schichtung entsprechend der Säulen 40, 41 und 42 in ihrer Scherfestigkeit von anfänglich über 8 N/mm2 (Säule 40) bei mechanischer (Säule 41) und thermischer (Säule 42) Belastung auf über 10 N/mm2. Somit erweist sich die erfindungsgemäße Schicht mit einem Anteil von 1 Vol.% ≤ ΔV < 10 VoI.% Kohlen¬ stoff-Nanoröhren und dem Rest aus polymeren Kettenmolekülen als überlegen gegenüber herkömmlichen Haftvermittlungsmaßnah¬ men.
Die Erhöhung der Scherfestigkeit bei Anwendung thermischer
Zyklen zeigt darüber hinaus die Haftverbesserung dieses neuen Schichtwerkstoffes gegenüber herkömmlichen haftverbessernden Schichten. Diese für den Fachmann überraschende Zunahme bei thermischen Wechselbelastungen, wie es die Säule 42 in Figur 11 zeigt, könnte. darauf zurückzuführen sein, dass die Ver¬ flechtung zwischen polymeren Kettenmolekülen und Kohlenstoff- Nanoröhren mit der thermischen Belastung zunimmt und sich die haftvermittelnde Wirkung von den Kettenmolekülen in der er¬ findungsgemäßen Schicht auf die Kohlenstoff-Nanoröhren verla- gert.