DE10015962C2 - High temperature resistant solder connection for semiconductor device - Google Patents
High temperature resistant solder connection for semiconductor deviceInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine hochtemperaturfeste Lotverbindung aus einer Metallschicht, die zwischen einem Halbleiterkörper und einem mit diesem verbundenen Kühlkörper vorgesehen ist und eine schaumartig vernetzte Struktur hat, deren Hohlräume von Trennwänden umgeben sind, die sich ohne Unter brechung zwischen dem Halbleiterkörper und dem Kühlkörper erstrecken. Außerdem bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Lotverbindung.The present invention relates to a high temperature resistant Solder connection made of a metal layer between a Semiconductor body and a heat sink connected to this is provided and has a foam-like networked structure, the Cavities are surrounded by partitions that are without sub extend refraction between the semiconductor body and the heat sink. The invention also relates to a method for producing a such a solder joint.
Leistungshalbleiterbauelemente entwickeln im Betrieb be trächtliche Wärmemengen, die erhebliche Temperatursteigerun gen bewirken, welche zu einer Zerstörung der Leistungshalb leiterbauelemente führen können. Aus diesem Grund werden Lei stungshalbleiterbauelemente mit Kühlkörpern ausgestattet, die die in den Leistungshalbleiterbauelementen entwickelte Wärme aufnehmen.Power semiconductor components develop in operation considerable amounts of heat, the considerable temperature increases conditions that lead to a destruction of the power half can lead conductor components. Because of this, Lei power semiconductor devices equipped with heat sinks, the the heat developed in the power semiconductor components take up.
Leistungshalbleiterbauelemente bestehen zumeist aus Silizium, während für die Kühlkörper vorzugsweise Kupfer verwendet wird.Power semiconductor components mostly consist of silicon, while copper is preferably used for the heat sink becomes.
Wird nun ein Silizium-Leistungshalbleiterbauelement mit einem Kupfer-Kühlkörper versehen, so treten infolge der durch die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Silizium und Kupfer bedingten thermische Fehlanpassungen zwischen dem Leistungshalbleiterbauelement und dem Kühlkörper im Halblei terkörper des Leistungshalbleiterbauelementes große mechani sche Spannungen auf, die zu Rißbildungen und Brüchen führen können.Now a silicon power semiconductor component with a Copper heatsink provided, as a result of the through the different coefficients of thermal expansion of silicon and copper-related thermal mismatches between the Power semiconductor component and the heat sink in the semi-lead body of the power semiconductor component large mechani tensions that lead to cracks and breaks can.
An der Lösung dieses Problemes wird seit vielen Jahren inten siv gearbeitet. Dabei ist zu beachten, daß das Leistungshalb leiterbauelement einerseits möglichst nahe an dem Kühlkörper vorgesehen werden sollte, um eine gute Wärmeableitung zu dem Kühlkörper gewährleisten zu können. Andererseits sollte aber ein bestimmter Mindestabstand durch eine zwischen dem Leistungshalbleiterbauelement und dessen Kühlkörper vorgesehene Verbindungsschicht eingehalten werden, damit diese die bei der Verformung des Leistungshalbleiterbauelementes und des Kühlkörpers auftretenden Scherspannungen aufnehmen kann.The solution to this problem has been in progress for many years worked intensively. It should be noted that the power half conductor component on the one hand as close as possible to the heat sink should be provided to ensure good heat dissipation to the To be able to ensure heat sinks. On the other hand, however a certain minimum distance by a between the power semiconductor device and its heat sink provided Connection layer are adhered to, so that the at the deformation of the power semiconductor component and Heat sink occurring shear stresses can absorb.
Bisher werden verbreitet Keramik/Kupfer-Substrate (DCB-Sub strate) eingesetzt, auf die ein Silizium-Leistungshalbleiter bauelement mittels einer Blei-Zinn-Weichlot-Verbindungs schicht aufgebracht wird, und die gegebenenfalls noch mit ei nem zusätzlichen Kupfer-Kühlkörper auf der dem Leistungs halbleiterbauelement gegenüberliegenden Seite versehen werden können. Die Weichlot-Verbindungsschicht reagiert auf die auf tretenden mechanischen Scherspannungen mit plastischer Ver formung und trägt somit dazu bei, diese Scherspannungen abzu bauen.Ceramic / copper substrates (DCB-Sub strate) used, on which a silicon power semiconductor component using a lead-tin-soft solder connection Layer is applied, and possibly with egg an additional copper heat sink on the power semiconductor device opposite side are provided can. The soft solder connection layer reacts to the occurring mechanical shear stresses with plastic ver shaping and thus contributes to reducing these shear stresses to build.
Obwohl die DCB-Substrate thermisch an Silizium angepaßt sind, hat dieser Ansatz zur Lösung der oben aufgezeigten Problema tik gewisse Nachteile: durch das DCB-Substrat und die Blei- Zinn-Weichlot-Verbindungsschicht wird die Wärmeableitung aus dem Leistungshalbleiterbauelement verschlechtert. Weiterhin vermag die Weichlot-Verbindungsschicht höhere Betriebstempe raturen im Bereich von 200°C, wie sie derzeit in der Elek tronik gelegentlich gefordert werden, nicht auszuhalten, da Weichlot in diesem Temperaturbereich zu fließen beginnt.Although the DCB substrates are thermally matched to silicon, has this approach to solving the problems outlined above certain disadvantages: due to the DCB substrate and the lead Tin-soft solder connection layer is made of heat dissipation the power semiconductor component deteriorates. Farther the soft solder connection layer can withstand higher operating temperatures temperatures in the range of 200 ° C, as currently in the Elek tronics are occasionally challenged not to endure because Soft solder begins to flow in this temperature range.
Damit Stabilität und Betriebssicherheit auch bei höheren Tem peraturen gewährleistet sind, werden gelegentlich sogenannte Diffusionslötverbindungen zwischen einem Leistungshalbleiter bauelement und einem Kühlkörper, wie insbesondere einem DCB- Substrat, eingesetzt. Bei solchen Diffusionslötverbindungen ist aber die Lotnaht hart und extrem dünn, so daß die auftre tenden mechanischen Spannungen nicht zuverlässig ausgeglichen werden können und ein Ausfall des Leistungshalbleiterbauele mentes nicht auszuschließen ist. So that stability and operational safety even at higher temperatures temperatures are guaranteed, so-called Diffusion solder connections between a power semiconductor component and a heat sink, such as in particular a DCB Substrate. With such diffusion solder connections but the solder seam is hard and extremely thin, so that it appears mechanical stresses are not reliably balanced and a failure of the power semiconductor device mentes cannot be ruled out.
Derzeit wird als Verbindungsschicht, auch "Interposer" ge nannt, zwischen einem Leistungshalbleiterbauelement und einem Kühlkörper bevorzugt entweder eine etwa 100 µm dicke Weichlotschicht oder eine etwa gleich dicke organische Schicht aus Kunststoff eingesetzt. Unter "Leistungshalblei terbauelement" ist dabei gegebenenfalls auch eine integrierte Schaltung zu verstehen, während ein Kühlkörper die Platte bzw. das Board dieses Leistungshalbleiterbauelementes umfas sen kann.Currently, "Interposer" is also used as the connection layer between a power semiconductor component and a Heat sink preferably either about 100 microns thick Soft solder layer or an organic layer of approximately the same thickness Layer of plastic used. Under "Performance Semifinals terbauelement "is optionally also an integrated Understand circuit while a heat sink the plate or the board of this power semiconductor component comprises can.
Eine derartige Weichlotschicht ist aber, wie bereits oben er wähnt wurde, für Anwendungen in Temperaturbereichen um 200°C und darüber ungeeignet, während eine organische Schicht für die Wärmeableitung wenig geeignet ist. Such a soft solder layer is, however, as already mentioned above was thought for applications in temperature ranges around 200 ° C and above unsuitable for an organic layer for heat dissipation is not very suitable.
In der EP 0 590 232 A1 sind eine Halbleiterlaser anordnung und ein Montageverfahren für diese beschrieben. Bei dieser Halblei terlaseranordnung weist ein Halbleiter-Laserbarren 3 einen mit diesem verbun denen Kühlkörper 1 auf, der über eine Metallschicht 26 mit dem Halbleiter-La serbarren 3 verbunden ist. Die Metallschicht 26 hat eine anisotrope Wärmeleitfä higkeit (vgl. Seite 10, Zeilen 8 bis 11) und besteht aus einem porösen polykristal linen Film (vgl. Seite 10, Zeilen 25 und 26).EP 0 590 232 A1 describes a semiconductor laser arrangement and an assembly method therefor. In this semiconductor laser arrangement, a semiconductor laser bar 3 has a heat sink 1 connected to it, which is connected via a metal layer 26 to the semiconductor laser bar 3 . The metal layer 26 has an anisotropic thermal conductivity (see page 10, lines 8 to 11) and consists of a porous polycrystalline film (see page 10, lines 25 and 26).
Die US 5,986,885 beschreibt ein Halbleiter gehäuse mit einer internen Wärmesenke, bei der eine Scheibe 30 mit Bondpads 31 auf ihrer Rückseite mit einem leitenden Metallschaum 40 versehen ist, der als Wärmesenke wirkt. Zwischen dem Metallschaum 40 und der Scheibe 30 befindet sich ein wärmeleitender Klebstoff 66 (vgl. auch Spalte 7, Zeilen 56 bis 59).The US 5,986,885 describes a semiconductor package with an internal heat sink, in which a disc 30 with bond pads 31 is provided on its back with a conductive metal foam 40 , which acts as a heat sink. A heat-conducting adhesive 66 is located between the metal foam 40 and the disk 30 (see also column 7, lines 56 to 59).
Schließlich ist aus der EP 0 213 774 A1 ein anisotrop elek trisch leitender Gegenstand bekannt, der mit Poren versehen ist, die insbesonde re zur Aufnahme von Lot dienen (vgl. Spalte 3, Zeilen 26 bis 36).Finally, EP 0 213 774 A1 is an anisotropic electrical Trically conductive object is known, which is provided with pores, in particular right are used to hold solder (see column 3, lines 26 to 36).
Auch aus der DE 195 07 547 C2 ist es bekannt, Poren in eine Silizium-Trägerplatte einzubringen und diese Poren zur Herstellung einer elektrisch und thermisch leitfähigen Verbindung mittels CVD mit Metallen zu füllen. Auch gibt diese Druckschrift an, daß durch Ändern der Stromstärke beim Anodischen Ätzen ein Zusammenwachsen der Poren zum Ablösen der porösen Schicht vom Substrat erreicht werden kann. Jedoch fehlt es an einem Hinweis, dadurch eine schaumartig vernetzte metallene Struktur herzustellen.It is also known from DE 195 07 547 C2 Insert pores in a silicon carrier plate and these pores to produce an electrical and thermally conductive connection using CVD fill with metals. This publication also gives indicates that by changing the anodic current Etch a pore coalescence to peel off the porous layer can be reached from the substrate can. However, there is no indication of this a foam-like networked metal structure manufacture.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine mecha nisch stabile, elastisch verformbare hochtemperaturfeste Lot verbindung zwischen einem Halbleiterkörper und einem mit die sem verbundenen Kühlkörper anzugeben; außerdem sollen ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen einer solchen Lotverbindung geschaffen werden.It is therefore an object of the present invention to provide a mecha nically stable, elastically deformable, high-temperature-resistant solder Connection between a semiconductor body and one with the to indicate its connected heat sink; in addition, a Method and an apparatus for producing such Solder connection are created.
Diese Aufgabe wird bei einer hochtemperaturfesten Lotverbin dung bzw. einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch die in den Patentansprüchen 1 und 6 angegebenen Merkmale gelöst.This task is done with a high temperature resistant solder joint or a process of initially mentioned type according to the invention by the specified in claims 1 and 6 Features solved.
Die erfindungsgemäße Lotverbindung aus der Metallschicht mit einer schaumartig vernetzten Struktur bildet eine flexible Zwischenschicht ("Interposer") zwischen dem Halbleiterkörper und dem Kühlkörper, welche in hervorragender Weise bei höhe ren Temperaturen auftretende mechanische Spannungen abbaut und gleichzeitig eine hervorragende Wärmeleitfähigkeit zeigt. Die erfindungsgemäße Lotverbindung kann dabei bereits auf Waferebene zwischen dem Halbleiterkörper und dem Kühlkörper eingefügt werden, so daß die Verwendung von Lotbändern nicht erforderlich ist.The solder connection according to the invention with the metal layer a foam-like networked structure forms a flexible one Interlayer ("Interposer") between the semiconductor body and the heat sink, which is excellent at high reduces mechanical stresses occurring at temperatures and at the same time shows an excellent thermal conductivity. The solder connection according to the invention can already be at the wafer level between the semiconductor body and the heat sink be inserted so that the use of solder tapes is not is required.
Die Herstellung der erfindungsgemäßen Hochtemperaturlotver
bindung wird vorzugsweise wie folgt vorgenommen:
Auf die Rückseite eines Siliziumwafers, aus welchem in einem
späteren Herstellungsschritt durch Zerlegen die Halbleiter
körper einer Vielzahl von Halbleiterbauelementen gewonnen
werden, wird ein dünner Metallfilm aus beispielsweise Kupfer
durch galvanische Abscheidung aufgetragen. Dieser dünne Me
tallfilm, dessen Schichtdicke in der Größenordnung von eini
gen µm liegt, erfüllt die Funktion einer Keimschicht für eine
spätere galvanische Abscheidung. Selbstverständlich kann der
Wafer auch aus einem anderen Material als Silizium bestehen,
und für den Metallfilm können ebenfalls von Kupfer abwei
chende Materialien eingesetzt werden.The high-temperature solder bond according to the invention is preferably produced as follows:
On the back of a silicon wafer, from which the semiconductor bodies of a plurality of semiconductor components are obtained by disassembling in a later manufacturing step, a thin metal film made of, for example, copper is applied by electrodeposition. This thin metal film, the layer thickness of which is in the order of a few µm, fulfills the function of a seed layer for subsequent galvanic deposition. Of course, the wafer can also be made of a material other than silicon, and materials deviating from copper can also be used for the metal film.
Auf den Metallfilm wird sodann eine dünne, etwa 100 µm dicke, vorzugsweise aus Kunststoff bestehende Folie geklebt, die ei ne offenporige Struktur hat. Diese Folie ist vorzugsweise selbstklebend oder einseitig mit einem Kleber beschichtet. Die Poren der Folie haben vorzugsweise einen Durchmesser im Bereich zwischen 5 und 20 µm und sind miteinander verbunden.Then a thin, about 100 µm thick, preferably glued plastic, the egg has an open-pore structure. This film is preferred self-adhesive or coated on one side with an adhesive. The pores of the film preferably have a diameter in Range between 5 and 20 microns and are interconnected.
Der auf diese Weise präparierte Wafer wird sodann in einem Galvanikbad mit beispielsweise Kupfer oder Nickel metalli siert. Bei dieser Metallisierung wächst das Metall, also ins besondere Kupfer oder Nickel, im Bereich der Poren auf dem dünnen Metallfilm (aus beispielsweise ebenfalls Kupfer und/oder Nickel) zu einem vielfach durch den Kunststoff un terbrochenen metallischen Schaum auf, wobei die mit Metall gefüllten Poren der Folie miteinander vernetzen, die Wände der Folie aber gleichzeitig verhindern, daß diese Metall schicht kompakt zusammenwächst. The wafer prepared in this way is then in one Electroplating bath with, for example, copper or nickel metal Siert. With this metallization, the metal grows, i.e. ins special copper or nickel, in the area of the pores on the thin metal film (made of copper, for example and / or nickel) in many cases through the plastic un broken metallic foam, with the metal filled pores of the film cross-link the walls the foil but at the same time prevent this metal layer grows compactly.
Infolge des relativ geringen Volumenanteiles der Wände der Folie im Verhältnis zum Volumen der Poren besteht die aufge wachsene Metallschicht überwiegend aus festem Metall, das durch die Kunststoffwände der Folie unterbrochen ist. Durch den galvanischen Prozeß und die dreidimensionale Vernetzung der aufgewachsenen Metallschicht wird außerdem sicherge stellt, daß diese aufgewachsene Metallschicht in vertikaler Richtung keine Unterbrechungen aufweist. Mit anderen Worten, es sind eine hohe Wärmeleitfähigkeit und eine gute elektri sche Leitfähigkeit der aufgewachsenen Metallschicht in verti kaler Richtung zwischen dem Halbleiterkörper und einem Kühl körper gewährleistet.Due to the relatively small volume of the walls of the The film in relation to the volume of the pores is made up growing metal layer predominantly made of solid metal, the is interrupted by the plastic walls of the film. By the galvanic process and three-dimensional networking the grown metal layer is also secured represents that this grown metal layer in vertical Direction has no interruptions. In other words, they have high thermal conductivity and good electrical properties vertical conductivity of the grown metal layer cal direction between the semiconductor body and a cooling body guaranteed.
Die Metallschicht braucht nicht unbedingt bis zu der Ober kante der Folie aufzuwachsen. Ihre Dicke hängt vielmehr von der späteren Verwendung des Halbleiterbauelementes ab und kann zwischen 10 und 30 µm liegen.The metal layer does not necessarily need to reach the top edge of the film growing up. Rather, their thickness depends on the later use of the semiconductor device from and can be between 10 and 30 µm.
Nach dem oben beschriebenen galvanischen Prozeß wird die Fo lie vorzugsweise mit einem geeigneten Lösungsmittel entfernt. Dies ist ohne weiteres möglich, da die Wände der Folie eben falls wie die Poren ein zusammenhängendes, nach oben offenes Gerüst bilden.After the galvanic process described above, the Fo lie preferably removed with a suitable solvent. This is easily possible because the walls of the film are flat if, like the pores, a coherent, open top Form the framework.
Die auf diese Weise gebildete Metallschicht kann nun direkt verlötet, d. h. mit einer Lotschicht versehen werden. Diese Lotschicht sollte relativ dünn sein und eine Schichtdicke in der Größenordnung von 2,5 µm aufweisen, damit sich die Poren der aufgewachsenen Metallschicht nicht verschließen.The metal layer formed in this way can now be used directly soldered, d. H. be provided with a solder layer. This Solder layer should be relatively thin and a layer thickness in of the order of 2.5 µm so that the pores do not seal the grown metal layer.
Ein geeignetes Lotverfahren ist das bereits erwähnte Diffusi onslöten, mit dem sich bei niedrigen Fügetemperaturen sehr hochtemperaturfeste Verbindungen erreichen lassen. A suitable soldering process is the Diffusi already mentioned solder on, with which at very low joining temperatures allow high temperature resistant connections to be achieved.
Die dünne Lotschicht kann auch auf der Metallschicht bei spielsweise durch einen galvanischen Prozeß, stromlose Ab scheidung, thermisches Verdampfen oder Sputtern von reinem Zinn oder einer noch niedriger schmelzenden Legierung, wie beispielsweise eutektischem Zinn/Indium aufgetragen werden. Dies kann, speziell bei Massenprozessen, gegebenenfalls noch vor Entfernung der Folie erfolgen.The thin solder layer can also be on the metal layer for example through a galvanic process, currentless Ab separation, thermal evaporation or sputtering of pure Tin or an even lower melting alloy, such as for example, eutectic tin / indium can be applied. This may still be possible, especially in mass processes before removing the film.
Anstelle einer Kunststoffolie können auch keramische Werk stoffe eingesetzt werden, von welchen ebenfalls Schäume mit stark offenporiger Struktur bekannt sind. Mit anderen Worten, bei dieser Variante wird ein Schaum auf der Basis eines kera mischen Werkstoffes als dielektrische Schicht auf dem Wafer abgeschieden und in gleicher Weise wie die Kunststoffolie in ihren Poren galvanisch gefüllt. Dieser Keramikschaum braucht nach der Füllung mit Metall, also insbesondere Kupfer und/oder Nickel, nicht entfernt zu werden, da er die notwen dige Temperaturfestigkeit aufweist. In diesem Fall kann die Metallfüllung sogar bis über die Oberkante der durch den Ke ramikschaum gebildeten Schicht hinauswachsen, so daß sich schließlich eine geschlossene Oberfläche ergibt.Instead of a plastic film you can also use ceramic work fabrics are used, of which also foams strongly open-pore structure are known. In other words, In this variant, a foam based on a kera mix material as a dielectric layer on the wafer deposited and in the same way as the plastic film in their pores are galvanically filled. This ceramic foam needs after filling with metal, in particular copper and / or nickel, not to be removed as it has the necessary has temperature resistance. In this case, the Metal filling even over the top of the through the Ke ramic foam layer grow out, so that finally results in a closed surface.
Die erfindungsgemäße hochtemperaturfeste Lotverbindung kann auch bei strukturierten Oberflächen, wie beispielsweise Kon taktpads bzw. -kissen zu deren Metallisierung angewandt wer den: hierzu wird die offenporige Folie (oder ein Keramik schaum) ganzflächig auf die bereits strukturierte Oberfläche aufgeklebt oder auf dieser abgeschieden. Für eine Metallisie rung zur Bildung der Metallschicht mit der schaumartig ver netzten Struktur kann dann kein galvanisches Verfahren mehr verwendet werden, da die durchgehend leitende Metallschicht aus insbesondere Kupfer oder Nickel fehlt. Durch stromlose Abscheidung von speziell Nickel läßt sich die Folie oder der Keramikschaum aber ohne weiteres selektiv nur im Bereich der Kontaktpads füllen. Dabei ist zu beachten, daß Nickel ebenso wie Kupfer für Diffusionslöten geeignet ist. The high-temperature resistant solder connection according to the invention can also with structured surfaces, such as Kon tact pads or cushions for their metallization den: this is the open-pore film (or a ceramic foam) over the entire surface of the already structured surface glued or deposited on this. For a metallization tion to form the metal layer with the foam-like ver network structure can then no longer be a galvanic process be used as the continuously conductive metal layer from copper or nickel in particular is missing. By electroless Deposition of special nickel can be done on the foil or the Ceramic foam but only selectively in the area of Fill contact pads. It should be noted that nickel is the same how copper is suitable for diffusion soldering.
Eine andere Möglichkeit zur Bildung der schaumartig vernetz ten Struktur für die Metallschicht besteht darin, auf den Me tallfilm Kunststoffkugeln aufzutragen und die Hohlräume zwi schen diesen Kugeln mit Metall zu füllen. Dabei können Kugeln unterschiedlicher Größe verwendet werden, um gegebenenfalls nach deren Entfernung Poren zu erhalten, deren Größe sich stetig zwischen dem Halbleiterkörper und dem Kühlkörper än dert. Die Kugeln sollten dabei aus einem Material bestehen, das nicht galvanisiert wird und das sich leicht absetzt, also in einer entsprechenden Galvanisiervorrichtung zu Boden sinkt.Another way to form the foam-like network structure for the metal layer is based on the me Tallfilm plastic balls to apply and the voids between fill these balls with metal. You can use balls different size to be used if necessary after their removal to obtain pores, the size of which constantly between the semiconductor body and the heat sink changed. The balls should consist of a material that is not galvanized and that settles easily, so to the ground in a corresponding electroplating device sinks.
Eine solche Galvanisiervorrichtung ist vorzugsweise mit einem Rührer versehen, der die Kugeln zunächst aufwirbelt. Nach Ab schalten dieses Rührers setzen sich die Kugeln auf den Me tallfilm des Wafers ab, wobei die größeren Kugeln infolge ih res höheren Gewichtes nach unten sinken. Sobald die Kugeln auf den Wafer abgelagert sind, wird der galvanische Prozeß begonnen, um die Hohlräume zwischen den Kugeln mit Metall, also insbesondere Kupfer oder Nickel, zu füllen.Such an electroplating device is preferably with a Provide a stirrer that first whirls up the balls. After Ab switch this stirrer put the balls on the me tall film of the wafer, the larger balls due to ih lower weight. Once the bullets are deposited on the wafer, the galvanic process started to fill the voids between the balls with metal, in particular copper or nickel.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:The invention will be described in more detail below with reference to the drawings explained. Show it:
Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung eines Wafers mit einem Metallfilm und einer teilweise mit Kupfer gefüllten Folie; Figure 1 is a schematic sectional view of a wafer with a metal film and a film partially filled with copper.
Fig. 2 eine schematische Schnittdarstellung zur Erläute rung einer strukturierten Metallisierung auf Kon taktpads; Fig. 2 is a schematic sectional view for explaining tion of a structured metallization on contact pads;
Fig. 3 eine schematische Schnittdarstellung zur Erläute rung der Gewinnung einer schaumartig vernetzten Struktur mit Kugeln; und Figure 3 is a schematic sectional view for explaining the extraction of a foam-like networked structure with balls. and
Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Erzeugung der schaumartig vernetzten Struktur mit tels Kugeln. Fig. 4 is a schematic representation of a device for producing the foam-like networked structure by means of balls.
Auf einem Wafer 1 aus Silizium oder einem anderen Halbleiter material, wie beispielsweise Siliziumcarbid oder einer AIII- BV-Verbindung, ist ein Metallfilm 2 aus Kupfer oder Nickel mit einer Schichtdicke von 100 nm bis einigen µm als Keim schicht aufgetragen. Auf diesen Metallfilm 2 wird eine offen porige Folie 3 aufgebracht, die aus Kunststoff, wie bei spielsweise Polymer, oder Keramik besteht. Diese offenporige Folie 3 hat eine schwammartige Struktur mit Hohlräumen 4 und mit Kunststoff- bzw. Keramikbereichen 5.On a wafer 1 made of silicon or another semiconductor material, such as silicon carbide or an AIII-BV compound, a metal film 2 made of copper or nickel with a layer thickness of 100 nm to a few microns is applied as a seed layer. On this metal film 2 , an open-pore film 3 is applied, which consists of plastic, such as polymer, or ceramic. This open-pore film 3 has a sponge-like structure with cavities 4 and with plastic or ceramic areas 5 .
Die Hohlräume 4 sind zusammenhängend, so daß die gewünschte offenporige Struktur vorliegt, während die Bereiche 5 eben falls untereinander vernetzt sind. Diese Vernetzung kann durch Verbindungen der Bereiche 5 in verschiedenen Ebenen ge schehen. Da Fig. 1 lediglich einen Schnitt in einer bestimm ten Ebene zeigt, ist hier die Vernetzung der Bereiche 5 un tereinander nicht zu sehen.The cavities 4 are contiguous, so that the desired open-pore structure is present, while the areas 5 are just interconnected. This networking can be done by connecting areas 5 at different levels. Since Fig. 1 shows only a section in a certain th plane, the networking of the areas 5 is not to be seen un each other here.
Der Metallfilm 2 kann durch galvanische Abscheidung aufgetra gen werden. Die Folie 3 wird auf die Metallschicht 2 vorzugs weise aufgeklebt, weshalb sie einseitig mit einem Kleber auf der dem Metallfilm 2 zugewandten Seite beschichtet ist oder selbstklebend sein kann. Die Poren, also Hohlräume 4, haben einen Durchmesser im Bereich zwischen 5 und 20 µm und sind alle miteinander verbunden.The metal film 2 can be applied by electrodeposition. The film 3 is preferably glued to the metal layer 2 , which is why it is coated on one side with an adhesive on the side facing the metal film 2 or can be self-adhesive. The pores, that is to say cavities 4 , have a diameter in the range between 5 and 20 μm and are all connected to one another.
Der auf diese Weise mit dem Metallfilm 2 und der Folie 3 prä parierte Wafer 1 wird sodann in einem Galvanikbad mit bei spielsweise Kupfer oder Nickel metallisiert. Dabei wächst das Metall im Bereich der Hohlräume 4 zu einem vielfach unterbro chenen metallischen Schaum 6 auf, wobei sich die mit dem Metall gefüllten Hohlräume miteinander vernetzen und die Berei che 5 der Folie 3 aber verhindern, daß eine durch den Schaum 6 gebildete Metallschicht 7 kompakt zusammenwächst.The wafer 1 prepared in this way with the metal film 2 and the film 3 is then metallized in an electroplating bath with, for example, copper or nickel. The metal grows in the region of the cavities 4 to a frequently interrupted metallic foam 6 , the cavities filled with the metal crosslinking and the regions 5 of the film 3 but preventing a metal layer 7 formed by the foam 6 from becoming compact growing together.
Durch den geringen Volumenanteil der Bereiche 5 im Verhältnis zu dem Volumen der Hohlräume 4 besteht die Metallschicht 7 überwiegend aus Metall. Außerdem ist durch den galvanischen Prozeß und die dreidimensionale Vernetzung des Schaumes 6 der Metallschicht 7 sichergestellt, daß diese Metallschicht 7 in vertikaler Richtung nirgends unterbrochen ist. Damit sind so wohl eine hohe Wärmeleitfähigkeit als auch eine gute elektri sche Leitfähigkeit der Metallschicht in vertikaler Richtung zwischen dem Halbleiterwafer 1 und einem Kühlkörper gewähr leistet, der auf der dem Halbleiterwafer 1 gegenüberliegenden Oberfläche der Metallschicht 7 mittels einer dünnen Lot schicht mit einer Schichtdicke von 2 bis 5 µm aufgetragen ist.Due to the small volume fraction of the areas 5 in relation to the volume of the cavities 4 , the metal layer 7 consists predominantly of metal. In addition, the galvanic process and the three-dimensional crosslinking of the foam 6 of the metal layer 7 ensure that this metal layer 7 is not interrupted anywhere in the vertical direction. Thus, a high thermal conductivity as well as a good electrical conductivity of the metal layer in the vertical direction between the semiconductor wafer 1 and a heat sink are guaranteed, which on the opposite side of the semiconductor wafer 1 of the metal layer 7 by means of a thin solder layer with a layer thickness of 2 up to 5 µm is applied.
Die Metallschicht 7 muß nicht bis zu der Oberkante der Folie 3 aufwachsen. Vielmehr hängt ihre Dicke von der späteren Ver wendung des Halbleiterbauelementes ab und kann zwischen 10 und 100 µm, vorzugsweise 10 und 30 µm, liegen.The metal layer 7 does not have to grow up to the upper edge of the film 3 . Rather, its thickness depends on the later use of the semiconductor component and can be between 10 and 100 μm, preferably 10 and 30 μm.
Nach dem galvanischen Prozeß wird die Folie 3 mittels eines geeigneten Lösungsmittels wie z. B. Azeton entfernt, was ohne weiteres möglich ist, da die Bereiche 5 der Folie 3 ebenfalls wie die Hohlräume 4 ein zusammenhängendes und nach oben offe nes Gerüst bilden.After the galvanic process, the film 3 by means of a suitable solvent such as. B. acetone is removed, which is readily possible, since the areas 5 of the film 3 , like the cavities 4, form a coherent and upwardly open frame.
Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungs gemäßen Lotverbindung, bei der die Folie 3 auf eine mit Kon taktpads 8 versehene Oberfläche des Halbleiter-Wafers 1 auf getragen ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der durchge hende Metallfilm 2 also nicht vorhanden. Da diese durchgehend leitende Basisschicht fehlt, kann kein galvanisches Verfahren vorgenommen werden, um auf den Kontakt 8 Metall-Schäume 6 zu bilden. Eine dünne, durchgängige Keimschicht läßt sich nach träglich durch einen kurzen Naßätzschritt entfernen, wobei die wesentlich dickeren Pads nicht angegriffen werden. Fig. 2 shows a further embodiment of the solder connection according to the Invention, in which the film 3 on a contact pads provided with Kon 8 surface of the semiconductor wafer 1 is worn. In this embodiment, the continuous metal film 2 is therefore not present. Since this continuously conductive base layer is absent, no galvanic process can be carried out in order to form metal foams 6 on the contact 8 . A thin, continuous germ layer can be removed later by a short wet etching step, whereby the much thicker pads are not attacked.
Durch stromlose Abscheidung von beispielsweise Nickel ist es aber möglich, die Folie 3 selektiv lediglich im Bereich der Kontaktpads 8 mit den Metallschichten 7 zu füllen.By electroless deposition of nickel, for example, it is possible to selectively fill the film 3 with the metal layers 7 only in the area of the contact pads 8 .
Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungs gemäßen hochtemperaturfesten Lotverbindung. Bei diesem Aus führungsbeispiel besteht die "Folie" 3 aus Kugeln oder Kör nern 9 oder kugelähnlichen Gebilden unterschiedlicher Größe, die auf dem Metallfilm 2 abgelagert sind. Die Hohlräume 4 zwischen den Kugeln 9 sind, wie im Ausführungsbeispiel von Fig. 1 mit Metall gefüllt, so daß eine zusammenhängende Me tallschicht 7 vorliegt. Fig. 3 shows a further embodiment of the high temperature resistant solder joint according to the Invention. In this exemplary embodiment, the “film” 3 consists of balls or cores 9 or ball-like structures of different sizes, which are deposited on the metal film 2 . The cavities 4 between the balls 9 are, as in the embodiment of FIG. 1 filled with metal, so that a coherent Me tallschicht 7 is present.
Nach Herstellung der Metallschicht 7 werden die Kugeln 9 durch ein Lösungsmittel entfernt, was ohne weiteres möglich ist, da die Kugeln 9 aneinandergrenzen und somit ein zusam menhängendes Gerüst bilden. Schließlich wird auf die Metall schicht 7 noch eine dünne Lotschicht 10 mit einer Schicht dicke von 2 bis 5 µm aufgetragen, auf der dann ein Kühlkörper 11 aus beispielsweise Kupfer angebracht werden kann.After the metal layer 7 has been produced , the balls 9 are removed by a solvent, which is readily possible since the balls 9 adjoin one another and thus form a coherent framework. Finally, a thin solder layer 10 with a layer thickness of 2 to 5 μm is applied to the metal layer 7 , on which a heat sink 11 made of copper, for example, can then be attached.
Das Entfernen der Folie 3 bzw. der Kugeln 9 ist nicht erfor derlich, wenn für diese ein hochtemperaturfestes Material, wie beispielsweise Keramik, Glas oder Halbleiter (Si) verwen det wird.The removal of the film 3 or the balls 9 is not neces sary if a high temperature resistant material such as ceramic, glass or semiconductor (Si) is used for this.
Fig. 4 zeigt noch eine Vorrichtung zur Herstellung der hochtemperaturfesten Lotverbindung von Fig. 3: in einem Gal vanikbad 12 befindet sich ein Rührer 13, mit dem die Kugeln 9 zunächst aufgewirbelt werden, bevor sie sich nach Abschalten des Rührers 13 auf dem Metallfilm 2 ablagern. Fig. 4 also shows a device for producing the high-temperature resistant solder connection of Fig. 3: in a Gal vanikbad 12 is a stirrer 13 , with which the balls 9 are first whirled up before they are deposited on the metal film 2 after the stirrer 13 is switched off ,
Durch Verwendung von Kugeln unterschiedlicher Größe kann eine entsprechende Strukturierung der Metallschicht 7 erhalten werden, da sich die kleinen Kugeln bevorzugt in den unteren Zwischenräumen der nach unten absinkenden großen Kugeln abla gern. Nach Abschalten des Rührers 13 wird mittels Elektroden 14, 15 die galvanische Abschaltung von Kupfer oder Nickel zur Bildung der Metallschicht 7 vorgenommen.A corresponding structuring of the metal layer 7 can be obtained by using balls of different sizes, since the small balls preferentially abla in the lower spaces between the large balls sinking downwards. After the stirrer 13 has been switched off, the electrodes 14 , 15 are used to galvanically switch off copper or nickel to form the metal layer 7 .
Claims (11)
- a) Auftragen einer offenporigen Folie (3) auf einen Halbleiterkörper (1), wobei die Folie (3) aus Kugeln oder Körnern (9) gebildet ist, die auf einen Metallfilm (2) abge lagert sind,
- b) Füllen der Hohlräume der Folie (3) mit Metall und
- c) Auftragen einer Lotschicht (10) auf die mit Metall gefüllte Folie (3).
- a) applying an open-pore film ( 3 ) to a semiconductor body ( 1 ), the film ( 3 ) being formed from balls or grains ( 9 ) which are deposited on a metal film ( 2 ),
- b) filling the cavities of the film ( 3 ) with metal and
- c) applying a solder layer ( 10 ) to the metal-filled foil ( 3 ).
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