Verfahren zur Herstellung eines Flansches für ein Halbleiter¬ bauelement sowie nach diesem Verfahren hergestellter FlanschMethod for producing a flange for a semiconductor component as well as a flange produced by this method
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstel¬ lung eines Flansches für ein Halbleiterbauelement nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie einen mit dem Ver¬ fahren hergestellten Flansch nach Patentanspruch 20.The present invention relates to a method for the production of a flange for a semiconductor component according to the preamble of patent claim 1 and to a flange produced by the method according to claim 20.
Zur Bereitstellung des Gehäuses eines integrierten Halblei¬ terbauelementes ist es erforderlich, Materialien mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit (thermal conductivity, TC) zur Ver¬ fügung zu stellen, wobei gleichzeitig der thermische Expansi¬ onskoeffizient (coefficient of thermal expansion, CTE) dieser Materialien möglichst weitgehend an denjenigen des Halblei¬ terchips des Halbleiterbauelementes angepasst sein sollte. Dadurch kann im Fertigungsprozess eine Beschädigung des Halb¬ leiterchips durch mechanische Spannungen vermieden sowie im späteren Betrieb die Ausfallwahrscheinlichkeit verringert werden. Insbesondere bei Leistungshalbleiterbauelementen ist die thermische Anpassung des Gehäuses an das Halbleitermate¬ rial von entscheidender Bedeutung. Zur Optimierung der Wärme¬ ableitung vom Halbleiterchip an die Umgebung werden hierbei Flansche als Substrate verwendet. Unter Flansch ist hierbei ein Substrat zu verstehen, welches zumindest teilweise aus metallischen Materialien aufgebaut ist. Ein typisches Halb¬ leiterbauelement, bei dem ein Flansch als Substrat zum Ein¬ satz kommt, ist z.B. ein HF-Transistor.In order to provide the housing of an integrated semiconductor component, it is necessary to provide materials with a high thermal conductivity (TC), whereby at the same time the thermal expansion coefficient (CTE) of these materials is as large as possible should be adapted to those of the semicon terchips of the semiconductor device. As a result, damage to the semiconductor chip due to mechanical stresses can be avoided in the production process and the probability of failure can be reduced during later operation. Particularly in the case of power semiconductor components, the thermal adaptation of the housing to the semiconductor material is of crucial importance. In order to optimize the dissipation of heat from the semiconductor chip to the environment, flanges are used as substrates. Flange here is to be understood as meaning a substrate which is at least partially constructed from metallic materials. A typical semiconductor device in which a flange is used as the substrate is known e.g. an RF transistor.
Ein derartiges Bauelement ist aus der US 6,261,868 Bl be¬ kannt. Als Flanschmaterial werden hier Kupfer (Cu), Legierun¬ gen aus Kupfer und Wolfram (W) , bzw. Legierungen aus Kupfer und Molybdän (Mo) verwendet. Des weiteren kommen Laminate aus vorgenannten Materialien zur Anwendung. Dadurch können erste Materialien mit geeignetem thermischen Expansionskoeffizien¬ ten mit zweiten Materialien mit geeigneter Wärmeleitfähigkeit
in zweckmäßiger Weise kombiniert werden, um die thermomecha- nischen Gesamt-Flanscheigenschaften zu optimieren. Derartige Laminat-Flansche werden hierbei schon seit langem, wie z.B. aus der DE 103 10 646 Al bekannt ist, durch Walzplattieren hergestellt. Bedingt durch eine Walztextur wird durch diese Herstellungsart eine mechanische Vorspannung in den Flansch eingebracht, welche im weiteren Fertigungsprozess und/oder Betriebszustand das Halbleiterbauelement durch thermomecha- nisch induzierte Rissbildung beschädigen oder sogar zerstören kann. Weiterhin ist durch die Verwendung von Walzverfahren eine Mindestdicke der zu laminierenden Schichten vorgegeben, welche nicht unterschritten werden darf. Eine Miniaturisie¬ rung, insbesondere eine Minimierung der Flanschdicke, ist da¬ her nur schwer möglich.Such a component is known from US Pat. No. 6,261,868 B1. Copper (Cu), alloys of copper and tungsten (W) or alloys of copper and molybdenum (Mo) are used here as the flange material. Furthermore, laminates of the aforementioned materials are used. As a result, first materials with suitable thermal expansion coefficients with second materials having suitable heat conductivity can be used be suitably combined to optimize the overall thermomechanical flanging properties. Such laminate flanges have been produced by roller cladding for a long time, as is known, for example, from DE 103 10 646 A1. Due to a rolling texture, a mechanical prestress is introduced into the flange by this type of production, which in the further production process and / or operating state can damage or even destroy the semiconductor component by thermomechanically induced cracking. Furthermore, a minimum thickness of the layers to be laminated is predetermined by the use of rolling processes, which must not be exceeded. A Miniaturisie¬ tion, in particular a minimization of the flange thickness, is therefore very difficult.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein einfach durch¬ führbares Verfahren zur Herstellung eines thermomechanisch stabilen und in den thermischen Eigenschaften an den Halblei¬ terchip angepassten Flansches mit kleiner Dicke sowie einen nach diesem Verfahren hergestellten Flansch zur Verfügung zu stellen.It is an object of the present invention to provide an easily durch¬ feasible method for producing a thermomechanically stable and in the thermal properties terchip adapted to the Halblei¬ terchip flange with a small thickness and a flange produced by this method available.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren, wel¬ ches die Merkmale des Patentanspruches 1 umfasst, und durch einen Flansch mit den Merkmalen des Patentanspruchs 20 ge¬ löst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind durch die Merkmale der Unteransprüche angegeben.According to the invention, this object is achieved by a method which comprises the features of claim 1 and by a flange having the features of patent claim 20. Advantageous embodiments of the invention are indicated by the features of the subclaims.
Als Basismaterial des Flansches, als sogenannter Flanschkern, wird hierbei beispielsweise ein dünnes Plättchen verwendet, bestehend beispielsweise aus einer Kupfer-Wolframlegierung (CuW) , einer Kupfer-Molybdänlegierung (CuMo) oder aus Keramik (z.B. Berylliumoxid (BeO)) . Diese Materialien sind preiswert und relativ einfach herzustellen. Auf den Flanschkern kann beidseitig eine thermisch hochleitfähige, metallische Schicht, die sogenannte Deckschicht, durch PVD- (physical va- pour deposition) oder CVD- (chemical vapour deposition) Ver-
fahren oder mittels galvanischer Abscheidüng aufgebracht wer¬ den. Diese hochleitfähige Schicht kann z.B. aus Kupfer (Cu), Silber (Ag) , Gold (Au) oder Aluminium (Al) bestehen.As a base material of the flange, as a so-called flange core, in this case, for example, a thin plate is used, consisting for example of a copper-tungsten alloy (CuW), a copper-molybdenum alloy (CuMo) or ceramic (eg beryllium (BeO)). These materials are inexpensive and relatively easy to manufacture. On both sides of the flange core, a thermally highly conductive metallic layer, the so-called cover layer, can be produced by PVD (physical vapor deposition) or CVD (chemical vapor deposition). drive or wer¬ applied by means of galvanic Abscheidüng. This highly conductive layer may consist, for example, of copper (Cu), silver (Ag), gold (Au) or aluminum (Al).
Im Ergebnis erhält man einen aus drei Schichten bestehenden, d.h. ternären, Flansch.As a result, one obtains a three-layered, i. ternary, flange.
In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung wird ein PVD- Verfahren zur Abscheidung der Deckschicht auf den Flanschkern eingesetzt (Anspruch 2) . Dies wird z.B. durch Aufdampfen des zweiten Materials realisiert, das thermisch hochleitfähig sein kann (Anspruch 3) . Hierbei kommen sowohl thermische- als auch Elektronenstrahl- Aufdampfverfahren in Frage. Letzteres Verfahren bietet sich bevorzugt bei hochschmelzenden Materia¬ lien an, welche gleichzeitig bei hoher Abscheiderate auf das Substrat aufgebracht werden sollen.In a preferred embodiment of the invention, a PVD method for depositing the cover layer on the flange core is used (claim 2). This is e.g. realized by vapor deposition of the second material, which may be highly thermally conductive (claim 3). Both thermal and electron beam vapor deposition methods are suitable here. The latter method is preferably suitable for high-melting materials which are to be applied simultaneously to the substrate at a high deposition rate.
In einer weiteren Ausführungsform kann das PVD-Verfahren durch Kathodenzerstäubung (sog. Sputtern) des aufzubringenden Materials realisiert werden (Anspruch 4) . Vor allem bei ge¬ ringen Anforderungen an die Abscheiderate kann bei diesem Verfahren sowohl die Struktur als auch die Stöchiometrie der aufzubringenden Deckschicht gut kontrolliert werden.In a further embodiment, the PVD method can be realized by cathode sputtering (so-called sputtering) of the material to be applied (claim 4). Especially with low requirements on the deposition rate, both the structure and the stoichiometry of the covering layer to be applied can be well controlled in this process.
Alternativ zu PVD-Verfahren kann auch die in der Halbleiter¬ prozesstechnik an anderer Stelle oftmals verwendete CVD- Technologie zur Herstellung der Deckschicht verwendet werden (Anspruch 5) .As an alternative to PVD methods, the CVD technology often used elsewhere in semiconductor processing technology can also be used to produce the cover layer (claim 5).
Eine Herstellung der Deckschicht mittels galvanischer Ab¬ scheidung (Anspruch 6) hat den Vorteil, dass insbesondere im Vergleich zu anderen PVD-Verfahren zum einen keine Vakuumbe¬ dingungen erforderlich sind und zum anderen die Beschichtung des Flanschkerns bei relativ hoher Beschichtungsrate gleich¬ zeitig von beiden Seiten erfolgen kann. Voraussetzung für die Verwendung des galvanischen Abscheideverfahrens ist es, dass
es sich bei dem Flanschkern-Material um ein elektrisch leit¬ fähiges Material handelt.A production of the cover layer by means of electrodeposition (claim 6) has the advantage that, in particular, in comparison to other PVD processes, on the one hand no vacuum conditions are required and, on the other hand, the coating of the flange core at a relatively high coating rate of both Pages can be made. Prerequisite for the use of the galvanic deposition method is that the flange core material is an electrically conductive material.
Zur Herstellung von thermisch hoch belastbaren Flanschen ver¬ wendet man als Flanschkern bevorzugt Keramiken, z.B. Berylli¬ umoxid (Anspruch 7) .To produce thermally highly loadable flanges, the preferred flange core is ceramics, e.g. Berylli¬ oxide (claim 7).
Zur Erreichung des gewünschten Effekts ist es hierbei unwe¬ sentlich, ob die Flansche einzeln hergestellt werden, oder ob zunächst ein Halbzeug erstellt wird, welches später in indi¬ viduelle Flansche vereinzelt wird.In order to achieve the desired effect, it is unwe¬ stlich whether the flanges are produced individually, or whether a semi-finished product is first created, which is later isolated in indi¬ viduelle flanges.
Zur Minimierung der thermomechanisehen Spannungen zwischen Flansch und Halbleiterchip wird der thermische Expansionsko¬ effizient (CTE) des Flanschkerns so weit wie möglich an den des Halbleiterchips angepasst. Aufgrund der im Allgemeinen dominierenden Schichtdicke des Flanschkerns im späteren Halb¬ leiterbauelement kommt dieser Anpassung besondere Bedeutung zu. Hierfür bieten sich Metalle bzw. Metalllegierungen aus Kupfer an, z.B. CuW- oder CuMo-Legierungen. Bei Verwendung von Kupfer-Molybdän-Kernen hat es sich als besonders vorteil¬ haft erwiesen, den Molybdänanteil zwischen 50 und 85 Ge¬ wichts-Prozent (wt%) zu wählen. Hierbei ist der thermische Expansionskoeffizient (CTE) einstellbar zwischen 11,5 und 7,1 x 10~6 — . Bei Verwendung von Kupfer-Wolframkernen hat es K sich als besonders vorteilhaft erwiesen, den Wolframanteil zwischen 75 und 95 Gewichts-Prozent (wt%) zu wählen. Dadurch kann ein thermischer Expansionskoeffizient (CTE) zwischen 9,0 und 6,4 x 10~6 — erreicht werden (Anspruch 8) . KIn order to minimize the thermo-mechanical stresses between the flange and the semiconductor chip, the thermal expansion coefficient (CTE) of the flange core is adapted as far as possible to that of the semiconductor chip. Due to the generally dominant layer thickness of the flange core in the later semiconductor device, this adaptation is of particular importance. For this purpose, metals or metal alloys of copper, for example, CuW or CuMo alloys. When using copper-molybdenum cores, it has proven to be particularly advantageous to choose the molybdenum content between 50 and 85 percent by weight (wt%). Here, the thermal expansion coefficient (CTE) is adjustable between 11.5 and 7.1 x 10 ~ 6 -. When using copper tungsten cores, it has proved to be particularly advantageous to choose the tungsten content between 75 and 95 percent by weight (wt%). Thereby, a thermal expansion coefficient (CTE) between 9.0 and 6.4 x 10 ~ 6 - can be achieved (claim 8). K
Neben den explizit vorgenannten Beispielen kommen alle weite¬ ren Materialien als Flanschkern in Frage, welche einen dem Halbleiterchip hinreichend ähnlichen thermischen Expansions¬ koeffizienten (CTE) aufweisen (Anspruch 9) .
Die Auswahl des Deckschicht-Materials erfolgt im Wesentlichen nach den Kriterien einer Maximierung der Wärmeleitfähigkeit (thermal conductivity) . Diese Eigenschaft wird kombiniert mit einer hinreichenden mechanischen und chemischen Beständigkeit sowie Integrierbarkeit in bestehende Fertigungsprozesse. Ma¬ terialien, die die geforderten Eigenschaften haben, sind ins¬ besondere Kupfer (Cu) , Silber (Ag) , Aluminium (Al) und Gold (Au) bzw. Legierungen mit dem jeweiligen Hauptbestandteil dieser Materialien (Ansprüche 10 bis 13) .In addition to the explicitly mentioned examples, all further materials are suitable as the flange core, which have a thermal expansion coefficient (CTE) which is sufficiently similar to the semiconductor chip (claim 9). The selection of the cover layer material is essentially based on the criteria of maximizing the thermal conductivity (thermal conductivity). This property is combined with sufficient mechanical and chemical resistance as well as integration into existing manufacturing processes. Materials which have the required properties are in particular copper (Cu), silver (Ag), aluminum (Al) and gold (Au) or alloys with the respective main constituent of these materials (claims 10 to 13).
Neben den explizit vorgenannten Beispielen kommen alle weite¬ ren Materialien als Deckschicht in Frage, welche eine zur Ab¬ leitung der im Halbleiterchip generierten Wärmeenergie hin¬ reichend grosse thermische Leitfähigkeit (thermal conductivi¬ ty) besitzen (Anspruch 14) .In addition to the explicitly mentioned examples, all further materials are suitable as cover layers, which have a high thermal conductivity (thermal conductivitiy) for discharging the heat energy generated in the semiconductor chip (claim 14).
Im weiteren Herstellungsprozeß des Flansches wird vorteilhaft noch zumindest einseitig auf die Deckschicht eine weitere Schicht aufgebracht, die sogenannte VermittlungsSchicht, wel¬ che die Chipmontage erleichtert (Anspruch 15) .In the further manufacturing process of the flange, it is advantageous to apply a further layer to the cover layer at least on one side, the so-called switching layer, which facilitates chip assembly (claim 15).
Das Aufbringen des Halbleiterchips auf den Flansch (sog. Die- bonden) erfolgt vorzugsweise durch Auflöten; auch Klebever¬ fahren sind hierbei jedoch möglich. Die VermittlungsSchicht ist hierbei auf kommerziell erhältliche Lote bzw. Kleber ab¬ gestimmt und stellt die Kohäsion des Verbundes aus Halblei¬ terchip und Flansch sicher. Die Vermittlungsschicht kann z.B. aus Nickel (Ni), Gold (Au) oder einer Nickel-Gold- (NiAu-) Le¬ gierung bestehen. Auch Legierungen mit dem Hauptbestandteil aus einem der vorgenannten Materialien können hierbei einge¬ setzt werden(Ansprüche 16 bis 18) .The application of the semiconductor chip on the flange (so-called diebonding) is preferably carried out by soldering; Adhesive methods are also possible here. The mediating layer is hereby tuned to commercially available solders or adhesives and ensures the cohesion of the composite of semiconductor chip and flange. The network layer may e.g. nickel (Ni), gold (Au) or a nickel-gold (NiAu) alloy. Alloys with the main constituent of one of the abovementioned materials can also be used here (claims 16 to 18).
Alternativ finden auch Mehrfachschichten (Multilayer) , aufge¬ baut aus zwei oder drei Teilschichten, als Vermittlungs¬ schicht Verwendung. Als erste Teilschicht wird z.B. Nickel oder eine Nickel-Cobalt- (NiCo) Legierung eingesetzt. Als zweite Teilschicht verwendet man z.B. Silber (Ag), Gold (Au),
Palladium (Pd) , Niekel-Phosphor (NiP) oder Palladium-Nickel (PdNi) . Der Verbund dieser Teilschichten erfüllt zum einen die Aufgabe einer Diffusionsbarriere und dient zum anderen als mechanische Pufferschicht. Weiterhin wird die Bildung von unerwünschten, intermetallischen Phasen (z.B. Cu in Au-Si- Verbindung) verhindert und eine Haftungsverbesserung zwischen Halbleiterchip und Flansch erreicht. Schließlich ist die ge¬ wählte Teilschichtfolge widerstandsfähig gegen Korrosion, insbesondere widerstandsfähig gegen organischen Verschmutzun¬ gen.Alternatively, multiple layers (multilayers), built up of two or three partial layers, are used as the switching layer. For example, nickel or a nickel-cobalt (NiCo) alloy is used as the first part-layer. As second sub-layer one uses eg silver (Ag), gold (Au), Palladium (Pd), non-ferrous phosphorus (NiP) or palladium-nickel (PdNi). On the one hand, the composite of these partial layers fulfills the task of a diffusion barrier and on the other serves as a mechanical buffer layer. Furthermore, the formation of undesirable intermetallic phases (eg Cu in Au-Si compound) is prevented and an adhesion improvement between the semiconductor chip and the flange is achieved. Finally, the selected sub-layer sequence is resistant to corrosion, in particular resistant to organic soiling.
Fakultativ kann auf die bestehende Teilschicht-Anordnung noch eine dritte Teilschicht, z.B. Gold (Au), aufgebracht werden, um einen zusätzlichen Schutz vor Korrosion zu erreichen bei gleichzeitiger Bereitstellung einer möglichst guten Chip- und Draht- Bondfähigkeit (Anspruch 19) .Optionally, the third sublayer, e.g. Gold (Au), are applied to provide additional protection against corrosion while providing the best possible chip and wire bondability (claim 19).
Zur weiteren thermomechanisehen Optimierung der Flanscheigen¬ schaften wird in einer bevorzugten Ausführung der Erfindung die Vermittlungsschicht beidseitig sowohl auf die untere als auch auf die obere Deckschicht aufgebracht. Dadurch ist eine vollständige Symmetrie des Flansches gegeben, welche Verspan¬ nungen, z.B. den unerwünschten Bimetall-Effekt, weitgehend minimiert.For further thermomechanical optimization of the flange properties, in a preferred embodiment of the invention, the network layer is applied on both sides to both the lower and the upper cover layer. This gives a complete symmetry of the flange, which causes distortions, e.g. the unwanted bimetallic effect, largely minimized.
Besonders vorteilhaft erweist sich am erfindungsgemäßen Ver¬ fahren, dass die Dicke der Deckschicht über einen nahezu be¬ liebigen Schichtdicken-Bereich hin frei einstellbar ist. Li¬ mitierungen bestehen hin zu dünnen Schichten nur durch physi¬ kalische Grenzen, welche hier insbesondere durch die Grundla¬ gen des Schichtwachstums (Epitaxie) gegeben sind. Limitierun¬ gen hin zu dicken Schichten bestehen in der Praxis nur durch die Prozeßzeit, die für das Aufwachsen der Schicht im beste¬ henden Fertigungsprozeß wirtschaftlich zur Verfügung gestellt werden kann. Zur Gewährleistung der Funktionalität als Wärme¬ leiter und Wärmesenke . (Heatsink) wird die Schichtdicke der
Deckschicht bevorzugt im Bereich 10 um bis 500 um gewählt (Anspruch 21) .It is particularly advantageous in the method according to the invention that the thickness of the cover layer is freely adjustable over an almost arbitrary layer thickness range. Li¬ mitierungen exist to thin layers only by physi¬ cal limits, which are given here in particular by the Grundla¬ conditions of the layer growth (epitaxy). Limitations to thick layers exist in practice only by the process time, which can be provided economically for the growth of the layer in the existing manufacturing process. To ensure functionality as a heat conductor and heat sink. (Heatsink) is the layer thickness of Cover layer preferably selected in the range 10 μm to 500 μm (claim 21).
Die Erfindung wird nun anhand der anliegenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:The invention will now be described with reference to the accompanying drawings. Show it:
Fig. 1 die wesentlichen Schritte des erfindungsgemäßenFig. 1, the essential steps of the invention
Verfahrens in einer direkten Gegenüberstellung zu den Schritten bei einem Verfahren nach dem Stand der Technik undMethod in direct comparison to the steps in a method according to the prior art and
Fig. 2 anhand eines Bauelementquerschnittes (Auszug) ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäß hergestellten Flansches.Fig. 2 based on a component cross-section (extract), a first embodiment of a flange according to the invention.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Elemente.In the figures, the same reference numerals designate the same or functionally identical elements.
Fig. 1 stellt ein Verfahren zur Herstellung eines ternären Flansches nach Stand der Technik (a) einem Ausführungsbei¬ spiel des erfindungsgemäßen Verfahrens (b) gegenüber.FIG. 1 compares a method for producing a ternary flange according to the prior art (a) with an embodiment of the method (b) according to the invention.
Nachfolgend ist das Verfahren nach Stand der Technik anhand der Herstellung eines handelsüblichen, ternären Cu/CuMo/Cu Flansches (a) im Detail erläutert. Der Flansch besteht aus einem Flanschkern aus Kupfer-Molybdän- (CuMo) Legierung, auf den beidseitig mittels Walzen eine Deckschicht aus Kupfer (Cu) aufgebracht wird.Hereinafter, the prior art method is explained in detail with reference to the production of a commercially available ternary Cu / CuMo / Cu flange (a). The flange consists of a flange core made of copper-molybdenum (CuMo) alloy, to which a cover layer of copper (Cu) is applied on both sides by rolling.
Die Prozessschritte im Einzelnen:The process steps in detail:
Nach der Bereitstellung eines Molybdän- (Mo) Pulvers (Schritt Sl) wird dieses in eine Form gefüllt (Schritt S2) . Die gefüllte Form wird gesintert (Schritt S3) und anschlie¬ ßend mit Cu infiltriert (Schritt S4) . Es folgt ein Walzen des dadurch entstandenen Flanschkernes (Schritt S5) . Auf den ge¬ walzten Flansch wird beidseitig Kupfer (Cu) durch Plattieren aufgebracht. Das Plattieren findet durch Heißwalzen statt
(Schritt S6) . Der ternäre Flansch-Rohling wird zwecks Reduk¬ tion der im 6. Schritt eingebrachten, mechanischen Spannungen nun getempert (Schritt S7) . Es folgt ein weiterer Walzvorgang (Schritt S8) , gefolgt von Flachdrücken (Schritt S9) , um den Flansch-Rohling zu glätten und um dessen Oberflächenrauhig¬ keit weitgehend zu minimieren. Zur weiteren Reduktion der me¬ chanischen Spannungen wird der Rohling ein weiteres Male ge¬ tempert (Schritt SlO) . Der Rohling wird nun durch Zurecht- schneiden auf das Stanzen der Einzel-Flansche vorbereitet (Schritt Sil) . Anschließend werden die einzelnen Flansche auf das gewünschte Maß zurechtgestanzt (Schritt S12) und gepresst (Schritt S13), um die beim Stanzen eingebrachte Biegung zu korrigieren. Als abschließender Prozessschritt folgt ein drittes Tempern (Schritt S14) , um abermals die in den Flansch eingebrachten Spannungen zu reduzieren.After providing a molybdenum (Mo) powder (step S1), it is filled into a mold (step S2). The filled mold is sintered (step S3) and subsequently infiltrated with Cu (step S4). This is followed by rolling of the resulting flange core (step S5). On the ge ¬ rolled flange copper (Cu) is deposited by plating both sides. The plating takes place by hot rolling (Step S6). The ternary flange blank is then tempered for the purpose of reducing the mechanical stresses introduced in the sixth step (step S7). This is followed by another rolling operation (step S8), followed by flattening (step S9) in order to smooth the flange blank and to largely minimize its surface roughness. To further reduce the mechanical stresses, the blank is tempered a further time (step S10). The blank is now prepared by cutting to the punching of the individual flanges (step Sil). Subsequently, the individual flanges are punched to the desired level (step S12) and pressed (step S13) to correct the bending introduced during punching. The final process step is followed by a third annealing step (step S14) to again reduce the stresses introduced into the flange.
Das erfindungsgemäße Verfahren sei nunmehr anhand der Her¬ stellung eines ternären Cu/CuW/Cu Flansches (b) erläutert. Auf einen Flanschkern aus Kupfer-Wolfram- (CuW) Legierung wird beidseitig durch einen Abscheideprozess Kupfer aufge¬ bracht.The process according to the invention will now be explained with reference to the preparation of a ternary Cu / CuW / Cu flange (b). Copper is applied to a flange core of copper-tungsten (CuW) alloy on both sides by a deposition process.
Die Prozessschritte im Einzelnen:The process steps in detail:
Nach der Bereitstellung eines Wolfram- (W) Pulvers (Schritt Sl') wird dieses in eine Form gefüllt (Schritt S2') . Die ge¬ füllte Form wird gesintert (Schritt S3 ') und anschließend mit Cu infiltriert (Schritt S4') . Während nach Stand der Technik metallurgische Standardverfahren folgen würden (z.B. Walzen), wird nun der vorliegende Flanschkern trowalisiert (Schritt S5'), worunter man ein Entgraten in einer rotierenden Trommel versteht. Anschließend folgt ein Läppen (Schritt S6') und ein Schleifen (Schritt S7') des Flanschkerns, um die erforderli¬ chen Oberflächeneigenschaften zu erreichen, insbes . eine hin¬ reichend geringe Oberfächenrauhigkeit, welche für die weitere Flanschherstellung erforderlich ist. Nach einem weiteren Tro- walisieren (Schritt S8') wird auf den Flanschkern nun beid¬ seitig durch einen Abscheideprozeß (z.B. CVD-, PVD- Galvanik-
Verfahren) Kupfer (Cu) aufgebracht (Schritt S9') . Da die Ab¬ scheidung - im Gegensatz zu herkömmlichen, formgebenden Ver¬ fahren - weitgehend spannungsfrei erfolgt, sind weitere Schritte zur Reduktion mechanischer Spannungen nicht erfor¬ derlich.After providing a tungsten (W) powder (step Sl '), it is filled into a mold (step S2'). The filled mold is sintered (step S3 ') and then infiltrated with Cu (step S4'). While the prior art would follow standard metallurgical processes (eg, rolling), the present flange core is now wobbled (step S5 '), which is understood to mean deburring in a rotating drum. This is followed by lapping (step S6 ') and grinding (step S7') of the flange core in order to achieve the required surface properties, esp. a sufficiently low surface roughness, which is required for further flange production. After a further walkthrough (step S8 '), the flange core is now pressed on both sides by a deposition process (eg CVD, PVD electroplating). Method) copper (Cu) applied (step S9 '). Since the deposition takes place-in contrast to conventional shaping processes-largely stress-free, further steps for reducing mechanical stresses are not required.
Während nach dem Stand der Technik insgesamt 14 Schritte zur Herstellung des Flansches erforderlich sind, benötigt das er¬ findungsgemäße Verfahren nur 9 Schritte.While a total of 14 steps for producing the flange are required according to the prior art, the method according to the invention requires only 9 steps.
Der Vergleich zeigt weiter, dass die Beschichtung von Flanschkernen durch Abscheide-Prozesse in weniger Prozess¬ schritten bei gleichzeitig geringerer Verspannung und größe¬ rem Freiheitsgrad in Hinblick auf die Wahl der jeweiligen Schichtdicke möglich ist.The comparison further shows that the coating of flange cores by deposition processes is possible in fewer process steps with at the same time less distortion and greater degree of freedom with regard to the choice of the respective layer thickness.
Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäß hergestellten Bauelementes. Auf dem Flanschkern A befindet sich je eine obere (Bl) und eine untere (Bl) Deckschicht. Der Flanschkern A besteht z.B. aus Kupfer-Wolfram- (CuW) oder aus Kupfer-Molybdän- (CuMo) Legierung. Die Deckschichten Bl und B2 bestehen beispielsweise aus Kupfer (Cu) , Silber (Ag) , Alu¬ minium (Al) oder Gold (Au) . Das Interface zwischen sowohl A und Bl als auch zwischen A und B2 ist aufgrund der Herstel¬ lung weitgehend thermomechanisch spannungsfrei. Im vorliegen¬ den Ausführungsbeispiel wurde weiterhin je eine obere (Cl) und eine untere (C2) Vermittlungsschicht aufgebracht. Durch die obere Vermittlungsschicht Cl wird eine verbesserte Ver¬ bindung mit dem Material zu einer Halbleiterchip-Fixierung S ermöglicht. Die zweite Vermittlungsschicht C2 bewirkt eine vollständige Symmetrie des Flansches, was die Möglichkeit ei¬ ner thermomechanisehen Biegung senkrecht zum Flanschebene weitgehend ausschließt. Typische Materialien für die Vermitt¬ lungsschicht sind z.B. Nickel (Ni) oder Gold (Au) . Zur Auf¬ bringung eines Halbleiterchips (Ch) auf den Flansch kommen als Material für die Fixierung S alle handelsüblichen Lote bzw. Kleber in Frage.
Die Auswahl der Materialien zur Kombination von Laminat- Flanschen wird offensichtlich, wenn man die Kennwerte der Wärmeleitfähigkeit (thermal conductivity, TC) und des thermi¬ schen Expanisonskoeffizienten (coefficient of thermal expan- sion, CTE) vergleicht (Tab. 1) .Fig. 2 shows an embodiment of a device according to the invention. On the flange core A is ever an upper (Bl) and a lower (Bl) cover layer. The flange core A consists for example of copper-tungsten (CuW) or copper-molybdenum (CuMo) alloy. The cover layers Bl and B2 consist for example of copper (Cu), silver (Ag), aluminum (Al) or gold (Au). The interface between both A and Bl as well as between A and B2 is due to the manufacture largely thermomechanically stress-free. In the present exemplary embodiment, an upper (C1) and a lower (C2) network layer were furthermore applied in each case. An improved connection with the material to a semiconductor chip fixing S is made possible by the upper network layer C1. The second network layer C2 brings about a complete symmetry of the flange, which largely precludes the possibility of a thermomechanical bending perpendicular to the flange plane. Typical materials for the mediating layer are, for example, nickel (Ni) or gold (Au). For applying a semiconductor chip (Ch) to the flange, all commercially available solders or adhesives are suitable as material for the fixation S. The choice of materials for combining laminate flanges becomes obvious when comparing the thermal conductivity (TC) and thermal coefficient coefficients (CTE) coefficients (Table 1).
Tab. 1Tab. 1
Während reines Kupfer (Cu) eine besonders hohe thermische Leitfähigkeit besitzt und sich dadurch als Deckschicht- Material empfiehlt, ist es aufgrund der vergleichsweise hohen thermischen Expansion, welche z.B. bei 100° C ca. viermal so hoch ist wie die von Silizium (Si) , als Flanschkern-Material weitgehend ungeeignet.
While pure copper (Cu) has a particularly high thermal conductivity and is therefore recommended as a cover layer material, it is due to the relatively high thermal expansion, which is about four times as high at 100 ° C as that of silicon (Si), As flange core material largely unsuitable.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
A FlanschkernA flange core
Bi Obere DeckschichtBi upper cover layer
B2 Untere DeckschichtB 2 Lower cover layer
Ci Obere VermittlungsschichtCi Upper network layer
C2 Untere VermittlungsschichtC 2 Lower network layer
S Material zum Fixieren des HalbleiterchipsS material for fixing the semiconductor chip
Ch Halbleiterchip
Ch semiconductor chip