DD250809A1

DD250809A1 - Stabilisierter metallischer leiterrahmen fuer halbleiterbauelemente

Info

Publication number: DD250809A1
Application number: DD29197786A
Authority: DD
Inventors: Wilfried Babutzka; Manfred Michalk; Bernd-Michael Kurzer
Original assignee: Erfurt Mikroelektronik
Priority date: 1986-07-01
Filing date: 1986-07-01
Publication date: 1987-10-21

Abstract

Die Erfindung betrifft einen stabilisierten metallischen Leiterrahmen fuer Halbleiterbauelemente, welche plastverkappt werden sollen. Ziel der Erfindung ist es, die Montage von Chips unter hohem thermischem Einfluss auf stabilisierten metallischen Leiterrahmen zu verbessern. Aufgabe der Erfindung ist es, die Zinken eines Leiterrahmens in ihrer Lage zu fixieren, um ein Mitschwingen der Zinken beim Ultraschallbonden zu verhindern. Der erfindungsgemaesse Aufbau wird hauptsaechlich fuer Halbleiterbauelemente eingesetzt, welche mittels Anlegieren oder Loeten am Elementtraegerrahmen befestigt werden sollen, um damit thermisch und elektrisch gut leitend kontaktiert zu sein. Die Aufgabe wird dadurch geloest, dass der Chiptraeger, auf welchem bereits das Halbleiterchip befestigt ist, an einem mit einem Rahmen stabilisierten Leiterrahmen befestigt und anschliessend drahtgebondet wird. Anwendungsgebiet ist ein Chiptraeger fuer metallische Leiterrahmen, hauptsaechlich fuer Schaltkreischips, die vorzugsweise einen elektrischen Rueckseitenkontakt benoetigen. Der erfindungsgemaesse Aufbau ist besonders zum Bonden sehr duenner Golddraehte mittels Thermosonicbonden oder vorwiegend unedler Draehte mittels Ultraschallbonden geeignet.

Description

Hierzu 1 Seite Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen stabilisierten Leiterrahmen für Halbleiterbauelemente, welche plastverkappt werden sollen. Die inneren Anschlüsse des Leiterrahmens sind mit einem Stabilisierungsrahmen versehen, woran ein bereits chipgebondeter Elementträgerrahmen befestigt wird. Sie betrifft hauptsächlich Halbleiterbauelemente, welche mittels Anlegieren oder Löten am Elementträgerrahmen befestigt werden sollen, um damit thermisch und elektrisch gut leitend kontaktiert zu sein.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Im Montageprozeß von Halbleiterbauelementen finden metallische Leiterrahmen Anwendung, die im Zentrum einen Chipträger besitzen, um den die inneren Anschlüsse angeordnet sind. Auf dem Chipträger wird das Halbleiterchip befestigt, und mit Mikrodrähten werden die elektrischen Verbindungen vom Halbleiterchip zu den umliegenden inneren Anschlüssen hergestellt. Erfolgt die Kontaktierung der Mikrodrähte nach dem Verfahren des Ultraschallschweißens (Ultraschallbonden), so ist es erforderlich, die inneren Anschlüsse des Leiterrahmens während des Bondvorganges in unmittelbarer Nähe der Bondstelle starr zu arretieren. Schwingt dagegen während des Bondvorganges der innere Anschluß an der Bondstelle mit, so wird die Ultraschallenergie nur teilweise auf die Schweißstelle übertragen, und die Folge ist ein schlechter Schweißkontakt. Beim anschließenden Umhüllen mit Kunststoff besteht dann die Gefahr, daß der Draht von dem in die Form einströmenden Kunststoff von der fehlerhaften Bondstelle abgerissen wird, so daß das Bauelement ausfällt. Diese Gefahr steigt mit der Anzahl der Anschlüsse, da schon ein abgerissener Draht zur Unbrauchbarkeit des Bauelementes führt.

Selbst wenn es nicht zum Abreißen des Drahtes kommt, erhöht eine fehlerhafte Bondstelle die Wahrscheinlichkeit eines späteren Ausfalls des Bauelementes.

Nach der DE-PS 2230863 (H01 L-23/08) ist es bekannt, in bzw. auf einem ebenen Isolierteil aus Glas den Chipträger und die inneren Anschlüsse einzubetten, indem der Leiterrahmen auf die ebene Grenzplatte gelegt und mit einer darübergelegten Wand, die ringförmig ausgeführt ist, verschmolzen wird. Der Chipträger kann dabei in die Grundplatte eingedrückt werden. Nach dem Befestigen des Halbleiterchips auf dem Chipträger und dem Drahtbonden wird der Hohlraum des Isolierteiles mit Kunstharz vergossen und anschließend mit Kunststoff verkappt. Nachteilig ist, daß wegen der wesentlich unterschiedlichen Verhaltensweisen bezüglich der thermischen Ausdehnung von Kunststoff und Glas mechanische Spannung entstehen, die zur Rißbildung im Kunststoffkörperführen können. Des weiteren muß der Kunststoffkörperwegen der notwendigen geometrischen Abmessungen des Isolierkörpers größer gehalten werden.

Nach der DE-AS 1945455 (H01 L-21/52) ist es bekannt, ein Gehäuse für eine Halbleiteranordnung herzustellen, das aus einem Bodenteil und einem rahmenartigen Seitenteil, jeweils aus sinterfähigem Isoliermaterial, besteht. Unter Zwischenfügen eines metallischen Leiterrahmens werden die Teile durch Sintern dicht miteinander verbunden. Nach Einbringen und Kontaktieren der Halbleiteranordnung wird das Gehäuse durch einen Deckel aus sinterförmigem Material durch einen weiteren Sinterprozeß verschlossen. Nachteilig ist, daß das Gehäuse nur aus Sinterglas bzw. glasierter Keramik besteht. Bei einer zusätzlichen Kunststoffverkappung entstehen die bereits genannten Nachteile.

Nach der DE-OS 2931449 (H01 L-23/48) ist ein metallischer Leiterrahmen für kunststoffverkappte Halbleiterbauelemente bekannt, dessen Chipträger zur Stabilisierung gegen die beim Reibschweißen des Chips (Chipbonden) aufgetretenen Schwingungen dadurch stabilisiert ist, daß der Chipträger über mindestens drei Haltestege mit dem Leiterrahmen verbunden ist. Nachteilig ist, daß nur der Chipträger stabilisiert ist, während die inneren Anschlüsse keinerlei Stabilisierung aufweisen und demzufolge beim Ultraschallbonden mitschwingen können.

Nach der US-PS 4012766 (H01 L-23/48) ist es weiterhin bekannt, den metallischen Leiterrahmen so mit Kunststoff zu umhüllen, daß die inneren Anschlüsse in einen durchgehenden Hohlraum im Plastkörper hineinragen. Nachteilig ist, daß der Hohlraum durch spezielle Deckel verschlossen werden muß, d. h. daß zusätzliche Verfahrensschritte erforderlich sind.

Es wurde bereits vorgeschlagen, zumindest die längsten inneren Anschlüsse und die Haltestege des Chipträgers eines metallischen Leiterrahmens über ein elektrisch isolierendes Material im wesentlichen haftschlüssig mit einem metallischen Band oder Rahmen in geringem Abstand vom Kontaktierbereich auf der Kontaktierseite fest miteinander zu verbinden. Nachteilig ist, daß die Kontaktierbereiche von der festen Verbindung untereinander durch das metallische Band noch so weit entfernt sind, daß sie beim Ultraschallbonden, zumindest noch teilweise, mitschwingen können.

Es wurde bereits vorgeschlagen, die inneren Anschlüsse und Haltestege des Chipträgers über ein elektrisch isolierendes Material im wesentlichen haftschlüssig mit einem Rahmen direkt unterhalb des Kontaktierbereiches fest miteinander zu verbinden. Nachteilig ist, daß auf Grund der Befestigung des Chipträgers an meistens nur zwei Haltestegen der Chipträger beim Ultraschall-Bonden quer zur Richtung der Haltestege noch mitschwingen kann.

Es wurde weiterhin bereits vorgeschlagen, an den Zinken eines metallischen Leiterrahmens einen perforierten Chipträger kraft- oder formschlüssig elektrisch isolierend zu befestigen. Nachteilig ist, daß bei dieser Befestigung ein absolut lagegetreues Stabilisieren nicht möglich ist.

Weiterhin wurde vorgeschlagen, einen Chipträgerrahmen unterhalb des Kontaktierbereiches eines metallischen Leiterrahmens über elektrisch isolierendes Material starr mit dem Leiterrahmen zu verbinden, wobei der Chipträger an von einem Rahmen ausgehenden Haltestegen befestigt ist. Nachteilig ist, daß das Chipbonden mit einer Temperatur, die über der Schmelztemperatur des isolierenden Materials zwischen Rahmen und Zinken liegt, nicht möglich ist.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, die Montage von Chips unter hohem thermischem Einfluß auf stabilisierten metallischen Leiterrahmen zu verbessern.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, an einem stabilisierten metallischen Leiterrahmen, dessen innere Anschlüsse über ein isolierendes Material mit einem Stabilisierungsrahmen verbunden sind, eine Chipmontage bei Temperaturen durchzuführen, die über dem Schmelzpunkt des isolierenden Materials liegen.

Erfindungsgemäß ist die Aufgabe, einen stabilisierten metallischen Leiterrahmen für Halbleiterbauelemente mit für alle Richtungen des Ultraschallbondimpulses in der Leiterrahmenebene stabilisierten inneren Anschlüsse und Chipträgern herzustellen, dadurch gelöst, daß die inneren Anschlüsse des Leiterrahmens über ein elektrisch isolierendes Material mit einem Stabilisierungsrahmen miteinander starr verbunden werden und an dem Stabilisierungsrahmen wiederum ein Chipträger befestigt ist.

Die inneren Anschlüsse des Leiterrahmens werden über ein elektrisch isolierendes Material mit dem Stabilisierungsrahmen verbunden, an dem über eine Verbindung der Chipträger befestigt wird.

Zum Verknappen der Bauelemente ist es zweckmäßig, den Chipträger zu perforieren, um einen besseren Durchgriff der Plastmasse zu gewährleisten;

Zum Zweck der Anpassung der Ausdehnungskoeffizienten ist es zweckmäßig, für den Chipträger und den Stabilisierungsrahmen gleichen Werkstoff anzuwenden, wie für den Leiterrahmen. Für eine gute Abführung von Wärme aus dem Gehäuse ist es zweckmäßig, den Chipträger aus gut wärmeleitfähigem Material, vorzugsweise Kupfer oder Aluminium mit einer Dicke bis

2 mm, zu verwenden.

Es ist ferner zweckmäßig, den Chipträger mit einer Oberflächenbeschichtung zu versehen, vorzugsweise Gold, um ein eutektisches Anlegieren, Löten oder Kleben zu ermöglichen.

Für Bauelemente, die keinen Rückseitenanschluß benötigen, ist es zweckmäßig, einen Chipträger aus einem nichtmetallischen, vorzugsweise gefüllten Werkstoff in perforierter oder nicht perforierter Ausführung einzusetzen. Eine Materialdicke von 0,2 mm... 0,8 mm ist vorteilhaft. Für die Befestigung des Chipträgers am Leiterrahmen ist es zweckmäßig, eine produktive kraft- oder formschlüssige Montage anzuwenden, vorzugsweise eine formschlüssige.

Durch die erfindungsgemäße Anordnung befindet sich das Chipniveau unter dem Niveau der Zinken des Leiterrahmens, was sich vorteilhaft auf die Drahtbrückengeometrie auswirkt. Dam it werden die Brücken beim Bonden weniger belastet und besitzen eine bessere Geometrie, wenn vom Chip zum Zinken gebondet wird. Weiterhin ist der Aufbau mechanisch stabil, da die Drahtbrücken innerhalb des Stabilisierungsrahmens versenkt angeordnet sind.

Weiterhin ist es durch die erfindungsgemäße Anordnung vorteilhaft, daß unterschiedliche Materialien für Leiterrahmen, Stabilisierungsrahmen und Chipträger möglich sind. Vorzugsweise sind für den Leiterrahmen und den Rahmen Kupfer und Kupferlegierungen und für den Chipträger Eisen-Nickellegierungen im Interesse einer guten Wärmeableitung einsetzbar.

Es ist zweckmäßig, das Halbleiterchip zuerst auf dem Chipträger zu befestigen und anschließend den chipgebondeten Chipträger am Stabilisierungsrahmen zu befestigen. Dadurch kann die Schmelztemperatur des isolierenden Materials unter der Chipbondtemperatur liegen.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnungen erläutert werden. Es sind dargestellt:

Figur 1: Erfindungsgemäßer stabilisierter Leiterrahmen in Draufsicht, Figur 2: erfindungsgemäßer Aufbau Seitenansicht (Schnittdarsteliung).

Ein metallischer Leiterrahmen 4für Halbleiterbauelemente enthält in seinem Zentrum einen aufgesetzten Stabilisierungsrahmen

3 und einen Chipträger 2, welche unterhalb der inneren Anschlüsse 8 mittels eines elastisch isolierenden Materials 6 und einer Verbindung 7 an den inneren Anschlüssen 8 miteinander starr gefügt werden (Figur 1 und 2).

Beim Ultraschallbonden der Drahtbrücken 5 auf dem Halbleiterchip 1 und den inneren Anschlüssen 8 sind die inneren Anschlüsse 8, Stabilisierungsrahmen 3 und Chipträger 2 fest miteinander verbunden, können keine Relativbewegungen zueinander ausführen, und ein Mitschwingen der inneren Anschlüsse wird unterbunden. Damit wird die Ultraschallenergie in allen Richtungen vollständig in die Schweißstellen übertragen.

Bearbeitungsfolge:

Befestigen des Rahmens3 an den inneren Anschlüssen 8 des Leiterrahmens 4 mittels kraftschlüssiger Verbindungstechnologie, anschließend Befestigen des HL-Chips 1 auf dem Elementträger 2 und abschließend Befestigen des mit Halbleiterchip 1 versehenen Elementträgers 2 mittels Verbindung 7 am Rahmen 2 und Bonden der Drahtbrücken 5.

Durch die Wahl des Materials, der Oberflächenveredlung und der Form des Elementträgers 2 wird sowohl die Verbindung 7 des Elementträgers 2 am Rahmen als auch die Technologie der Chipbefestigung festgelegt. Somit ist es unter anderem von der Technologie der Chipbefestigung abhängig, ob ein metallischer oder nichtmetallischer Elementträger eingesetzt werden kann.

Eine Perforation oder Durchbrüche verbessern das Vernetzungsverhalten (Durchgriff) zwischen oberer und unterer Gehäusehälfte beim Plastverkappen.

Claims

1. Stabilisierter metallischer Leiterrahmen für Halbleiterbauelemente mit unterhalb des Kontaktierbereiches der inneren Anschlüsse über ein isolierendes Material angeordnetem Stabilisierungsrahmen, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterchip (1) auf einem Chipträger (2) montiert ist und daß der Chipträger (2) nach der Montage des Halbleiterchips (1) am Stabilisierungsrahmen (3) befestigt ist.

2. Leiterrahmen nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Chipträger (2) perforiert ist.

3. Leiterrahmen nach Punkt 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Stabilisierungsrahmen (3) vorzugsweise aus dem gleichen Material wie der Leiterrahmen (4) und der Chipträger (2) vorzugsweise aus Metallen wie Nickel, Eisen, Kupfer, Aluminium und/oder Legierungen bei einer Dicke von 0,1 mm...2mm besteht.

4. Leiterrahmen nach Punkt 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Chipträger (2) eine Beschichtung zum Anlegieren oder Löten oder Kleben aufweist.

5. Leiterrahmen nach Punkt 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Chipträger (2) vorzugsweise ausfüilstoffhaltigem, nichtelektrisch leitenden Material besteht.

6. Leiterrahmen nach Punkt 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Chipträger (2) formschlüssig oder mittels eines elastischen Materials am Rahmen befestigt ist.