Schaltungsanordnung auf einem Substrat und Verfahren zum Herstellen der Schaltungsanordnung

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung auf einem Substrat und ein Verfahren zum Herstellen der Schaltungsanordnung.

Die Schaltungsanordnung ist beispielsweise ein

Leistungshalbleitermodul. Das Leistungshalbleitermodul weist beispielsweise mehrere, auf einem oder mehreren Substraten zusammengefasste und miteinander verschaltete, elektrisch steuerbare Leistungshalbleiterbauelemente auf. Ein dabei verwendetes elektrisch steuerbares

Leistungshalbleiterbauelement ist beispielsweise ein MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) oder ein IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) . Diese steuerbaren Leistungshalbleiterbauelemente zeichnen sich dadurch aus, dass hohe Ströme im kA-Bereich geschaltet werden können.

Ein Leistungshalbleitermodul und ein Verfahren zum Herstellen des Leistungshalbleitermoduls ist beispielsweise aus der WO 03/030247 A2 bekannt. Bei dem Leistungshalbleitermodul ist ein Leistungshalbleiterbauelement auf einem Substrat (Schaltungsträger) angeordnet. Das Substrat ist beispielsweise ein DCB (Direct Copper Bonding) -Substrat, das aus einer Trägerschicht aus einem keramischen Werkstoff besteht, an der beidseitig elektrisch leitende Schichten aus Kupfer (Kupferfolien) aufgebracht sind. Der keramische Werkstoff ist beispielsweise Aluminiumoxid (AI2O ₃ ) .

Die Leistungshalbleiterbauelemente des bekannten Leistungshalbleitermoduls werden nicht über Bonddrähte elektrisch kontaktiert. Die elektrische Kontaktierung erfolgt planar und großflächig. Dazu wird wie folgt vorgegangen: Auf eine der elektrisch leitenden Schichten aus Kupfer des DCB-

Substrats wird ein Leistungshalbleiterbauelement derart aufgelötet, dass eine vom Substrat wegweisende elektrische Kontaktfläche des Leistungshalbleiterbauelements vorhanden ist. Das Leistungshalbleiterbauelement ist beispielsweise ein MOSFET. Die Kontaktfläche des MOSFET ist eine Source-, Gate-, oder Drain-Chipfläche des MOSFETS. Zur elektrischen Kontaktierung der Kontaktfläche des Leistungshalbleiterbauelements wird auf das Leistungshalbleiterbauelement und auf das Substrat eine Kunststofffolie auf Polyimid- oder Epoxidbasis unter Vakuum auflaminiert, so dass die Kunststofffolie mit dem Leistungshalbleiterbauelement und dem Substrat eng anliegend verbunden ist. Die Kunststofffolie bedeckt das Leistungshalbleiterbauelement und das Substrat. Nachfolgend wird dort, wo sich die elektrische Kontaktfläche des

Leistungshalbleiterbauelements befindet, ein Fenster in der Kunststofffolie erzeugt. Das Erzeugen des Fensters erfolgt beispielsweise durch Laserablation. Durch das Erzeugen des Fensters wird die entsprechende Kontaktfläche des Leistungshalbleiterbauelements freigelegt. Im Weiteren erfolgt die elektrische Kontaktierung der Kontaktfläche. Dazu wird beispielsweise auf der Kunststofffolie eine Maske aufgebracht, die die Kontaktfläche und Bereiche der Kunststofffolie für eine Verbindungsleitung zur Kontaktfläche hin freilässt. Nachfolgend wird auf der Kontaktfläche und auf den freien Bereichen der Kunststofffolie eine zusammenhängende Schicht aus einem elektrisch leitenden Material durch mehrere Abscheidungen erzeugt. Es wird die Verbindungsleitung zur elektrischen Kontaktierung der Kontaktfläche des Leistungshalbleiterbauelements gebildet. Es resultiert ein Leistungshalbleitermodul mit einem Mehrschichtaufbau aus elektrisch isolierenden und elektrisch leitenden Schichten.

Bei dem bekannten Leistungshalbleitermodul sind beispielsweise zwei oder mehrere Leistungshalbleiterbauelemente parallel verschaltet. Damit

eine optimale, individuelle Ansteuerung der einzelnen Leistungshalbleiterbauelemente bei einer Parallelschaltung der Leistungshalbleiterbauelemente möglich ist, müssen die Steuerkontakte (Gates) der Leistungshalbleiterbauelemente mit Hilfe eines Steuerkontaktwiderstands elektrisch voneinander entkoppelt werden. Dazu werden elektrische Widerstände in Form von eigenständigen Bauelementen verwendet, die mit dem Steuerkontakten der Leistungshalbleiterbauelemente verbunden werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, aufzuzeigen, wie eine kompakte Schaltungsanordnung mit mindestens zwei parallel verschalteten, steuerbaren Halbleiterbauelementen realisiert werden kann.

Zur Lösung der Aufgabe wird eine Schaltungsanordnung auf einem Substrat mit einem auf dem Substrat angeordneten Halbleiterbauelement mit einem Steuerkontakt, mindestens einem auf dem Substrat angeordneten weiteren Halbleiterbauelement mit einem weiteren Steuerkontakt und mindestens einem zwischen den Steuerkontakten angeordneten elektrischen Steuerkontaktwiderstand zur elektrischen Entkopplung der Steuerkontakte angegeben, wobei zur Bildung des elektrischen Steuerkontaktwiderstands mindestens eine auf dem Substrat angeordnete Abscheidung mindestens eines elektrisch leitenden Materials vorhanden ist.

Zur Lösung der Aufgabe wird auch ein Verfahren zum Herstellen der Schaltungsanordnung mit folgenden Verfahrensschritten angegeben: a) Bereitstellen des Halbleiterbauelements und des weiteren Halbleiterbauelements auf dem Substrat, wobei der Steuerkontakt des Halbleiterbauelements und der weitere Steuerkontakt des weiteren Halbleiterbauelements vom Substrat abgekehrt sind, und b) Erzeugen der Abscheidung auf dem Substrat, wobei der Steuerkontaktwiderstand gebildet wird.

Der grundlegende Gedanke der Erfindung besteht darin, den Steuerkontaktwiderstand zwischen den Steuerkontakten parallel verschalteter Halbleiterbauelemente eines Halbleitermoduls direkt im Halbleitermodul zu integrieren. Die Integration erfolgt mit Hilfe der auf dem Substrat mittelbar und/oder unmittelbar bzw. mit Hilfe der auf den Halbleiterbauelementen erzeugten Abscheidung. Die Abscheidung wird direkt auf den Steuerkontakten der Halbleiterbauelemente der Schaltungsanordnung erzeugt. Die Abscheidung ist dabei vorteilhaft ein Bestandteil eines Mehrschichtaufbaus des Halbleitermoduls zur elektrischen Kontaktierung der Halbleiterbauelemente des Halbleitermoduls.

Unter Abscheidung ist ein fester Werkstoff zu verstehen, der durch Abtrennen aus einer Gasphase und/oder aus einer flüssigen Phase entsteht. Die Gasphase bzw. die flüssige Phase werden von (reaktiven) Gemischen gebildet. Aus diesen Gemischen wird die Abscheidung gebildet. Die Abscheidung ist beispielsweise eine Dampfphasenabscheidung. Die Dampfphasenabscheidung wird beispielsweise durch ein physikalisches Abscheideverfahren (Physical Vapour Deposition, PVD) oder durch ein chemisches Abscheideverfahren (Chemical Vapour Deposition, CVD) erzeugt. Die Abscheidung kann auch eine Flüssigphasenabscheidung sein. Die Flüssigphasenabscheidung ist beispielsweise eine galvanische Abscheidung. Die galvanische Abscheidung besteht beispielsweise aus elementarem Kupfer, das aus einer Kupfer- Ionen enthaltenden Lösung durch eine Elektrolyse abgeschieden wird.

Das eingangs beschriebene Verfahren zur großflächigen planaren elektrischen Kontaktierung der Halbleiterbauelemente wird modifiziert eingesetzt, um den Steuerkontaktwiderstand herzustellen. Durch diese Maßnahme ist es nicht mehr notwendig, separate, eigenständige Bauelemente als

Steuerkontaktwiderstände bereitzustellen. Diese separaten Bauelemente müssen nicht nach dem Herstellen der Anordnung

aus Substrat und Halbleiterbauelementen nachträglich mit den Steuerkontakten der Halbleiterbauelemente elektrisch leitend verbunden werden. Die Herstellung der Schaltungsanordnung vereinfacht sich. Dies gilt insbesondere für den Fall, dass zum Herstellen der Schaltungsanordnung das Verfahren zur großflächigen planaren elektrischen Kontaktierung angewandt wird. Denn im Rahmen der großflächigen Kontaktierung ist das Abscheiden von elektrisch leitendem Material vorgesehen.

In einer besonderen Ausgestaltung weist die Abscheidung mehrere übereinander angeordnete Teilabscheidungen auf. Die Abscheidung ist eine Mehrschichtabscheidung. Die einzelnen Teilabscheidungen bzw. Teilabscheidungsschichten können dabei unterschiedlichste Funktionen erfüllen. Eine erste Teilabscheidung fungiert beispielsweise als

Haftvermittlungsschicht auf einem Untergrund. Der Untergrund wird beispielsweise vom Steuerkontakt des

Halbleiterbauelements und/oder vom weiteren Steuerkontakt des weiteren Halbleiterbauelements gebildet. Die Steuerkontaktflächen der Steuerkontakte weisen beispielsweise Aluminium auf. Als Haftvermittlungsschicht hat sich in diesem Fall eine Schicht aus Titan bewährt. Eine auf der ersten Teilabscheidung angeordnete zweite Teilabscheidung fungiert beispielsweise als Diffusionsbarriere für bestimmte Atome. Im vorliegenden Fall eignet sich eine Schicht aus einer Titan- Wolfram-Legierung, die als effiziente Diffusionsbarriere für Kupferatome fungiert. Eine auf der zweiten Teilabscheidung angeordnete dritte Teilabscheidung aus Kupfer fungiert beispielsweise als Keimschicht (Seed-Layer) . Eine vierte Teilabscheidung, beispielsweise eine auf der Keimschicht galvanisch abgeschiedene Schicht aus einem Metall (Widerstandsmetall) , führt zur Einstellung eines bestimmten Werts des Steuerkontaktwiderstands. Die ersten Teilschichten weisen Schichtdicken aus dem Bereich von 10 nm bis hin zu einigen μm auf. Eine Schichtdicke der galvanisch abgeschiedenen Teilschicht beträgt mehrere μm, beispielsweise 50 μm bis 100 μm.

Als Halbleiterbauelement ist jedes beliebige, steuerbare Halbleiterbauelement denkbar. In einer besonderen Ausgestaltung ist zumindest eines der Halbleiterbauelemente ein Leistungshalbleiterbauelement. Vorzugsweise ist das Leistungshalbleiterbauelement aus der Gruppe MOSFET, IGBT und/oder Bipolartransistor ausgewählt.

In einer besonderen Ausgestaltung des Verfahrens werden zum Bereitstellen der Halbleiterbauelemente folgende weiteren Verfahrensschritte durchgeführt: c) Anordnen der Halbleiterbauelemente derart auf dem Substrat, dass die Steuerkontakte der Halbleiterbauelemente vom Substrat abgekehrt sind, und d) Aufbringen einer Isolationsschicht mit elektrisch isolierendem Material auf den

Halbleiterbauelementen und dem Substrat derart, dass die Steuerkontakte der Halbleiterbauelemente frei zugänglich sind.

Das Aufbringen der Isolationsschicht erfolgt beispielsweise durch Anordnen einer vorgefertigten Kunststofffolie auf der Schaltungsanordnung. Die vorgefertigte Kunststofffolie enthält Öffnungen (Fenster) , durch die die Steuerkontakte frei zugänglich sind. Es kann aber auch eine Vorstufe der Isolationsschicht auf der Schaltungsanordnung aufgebracht werden, die diese Öffnungen zunächst nicht enthält. Erst nach dem Anordnen der Vorstufe der Isolationsschicht werden die Öffnungen erzeugt. Gemäß einer besonderen Ausgestaltung werden deshalb zum Aufbringen der Isolationsschicht folgende weiteren Verfahrensschritte durchgeführt: e) Aufbringen einer Vorstufe der Isolationsschicht mit elektrisch isolierendem Material auf den Halbleiterbauelementen und dem Substrat derart, dass zumindest einer der Steuerkontakte der Halbleiterbauelemente durch die Vorstufe der Isolationsschicht bedeckt ist, und f) Öffnen mindestens eines Fensters in der Vorstufe der Isolationsschicht derart, dass der von der Vorstufe der Isolationsschicht bedeckte

Steuerkontakt frei gelegt wird und dadurch die Isolationsschicht gebildet wird.

Zum Aufbringen der Isolationsschicht und/oder zum Aufbringen der Vorstufe der Isolationsschicht wird beispielsweise ein elektrisch isolierender Lack aufgetragen. Das Auftragen des Lacks erfolgt beispielsweise durch Drucken oder Spritzen. Das Drucken ist beispielsweise ein Tintenstrahldruckverfahren (InkJet-Verfahren) . Das Auftragen des Lacks kann derart erfolgen, dass die Steuerkontakte der Halbleiterbauelemente frei bleiben (z.B. mit Hilfe einer Maske) . Das Auftragen erfolgt strukturiert. Nach dem Entfernen von Lösungsmittel bildet sich die eigentliche Isolationsschicht. Dankbar ist auch, dass während des Auftragens des Lacks die Steuerkontakte der Halbleiterbauelemente bedeckt werden. Es wird eine Vorstufe der Isolationsschicht gebildet. In die so erzeugte Vorstufe der Isolationsschicht wird das Fenster zum Freilegen des Steuerkontakts eingebracht. Es wird die Isolationsschicht erzeugt.

In einer besonderen Ausgestaltung wird zum Aufbringen der Isolationsschicht und/oder zum Auftragen der Vorstufe der Isolationsschicht ein Auflaminieren mindestens einer Kunststofffolie durchgeführt. Die Kunststofffolie bildet die Isolationsschicht oder die Vorstufe der Isolationsschicht. Vorzugsweise erfolgt das Auflaminieren der Kunststofffolie unter Vakuum. Dadurch entsteht ein besonders fester und inniger Kontakt zwischen der Kunststofffolie und den Halbleiterbauelementen bzw. dem Substrat.

Durch ein Einstellen eines Abscheideparameters (z.B. Temperatur oder Druck) wird ein Ausmaß der Abscheidung gezielt beeinflusst. Durch das Ausmaß der Abscheidung, beispielsweise eine Dicke der Abscheidung, wird ein Widerstandswert des Steuerkontaktwiderstands eingestellt.

Zum Einstellen des Widerstandswerts des

Steuerkontaktwiderstands kann während des Abscheidens eine Maske verwendet werden. Durch die Maske wird elektrisch leitendes Material strukturiert aufgetragen. In einer besonderen Ausgestaltung wird der Widerstandswert des

Steuerkontaktwiderstands aber durch Abtragen des elektrisch leitenden Materials der Abscheidung eingestellt. Nach dem Auftragen wird die Abscheidung strukturiert und der Widerstandswert des Steuerkontaktwiderstands justiert. Durch das Abtragen des elektrisch leitenden Materials wird der

Querschnitt der Abscheidung verringert. Mit dem verringerten Querschnitt erhöht sich der Widerstandswert des Steuerkontaktwiderstands .

In einer weiteren Ausgestaltung wird die Abscheidung durch das Abtragen des elektrisch leitenden Materials mäanderförmig strukturiert. Alternativ kann die Abscheidung auch mit Hilfe einer Maske mäanderförmig aufgetragen werden. Jede der resultierenden Abscheidungen weist eine Mäanderform auf. Durch die Mäanderform wird ein Steuerkontaktwiderstand mit einer im Vergleich zum Ausmaß des Halbleitermoduls langen Leitungsbahn zwischen den Steuerkontakten hergestellt. Je länger die Leitungsbahn des Steuerkontaktwiderstands ist, desto höher ist der Widerstandswert des Steuerkontaktwiderstands.

Vorzugsweise wird zum Öffnen des Fensters und/oder zum Abtragen des elektrisch leitenden Materials der Abscheidung ein Laserablationsverfahren durchgeführt. Alternative Materialabtragungsverfahren, beispielsweise ein

Photolithographieverfahren, sind ebenfalls denkbar.

Zusammenfassend ergeben sich mit der Erfindung folgende wesentlichen Vorteile:

Mit der Erfindung wird ein kompakter Aufbau eines Halbleitermoduls mit Halbleiterbauelementen auf einem Substrat bereitgestellt.

- Durch die Integration des Steuerkontaktwiderstandes in den Mehrschichtaufbau eines Halbleitermoduls kann auf ein separates Bauelement zur Realisierung des Steuerkontaktwiderstandes verzichtet werden.

- Ebenso entfallen Lötverbindungen, die zur elektrischen

Verbindung eines separaten Steuerkontaktwiderstandes mit den Steuerkontakten der Halbleiterbauelemente notwendig wären.

- Der Widerstandswert des Steuerkontaktwiderstandes kann einfach eingestellt bzw. justiert werden.

Anhand eines Ausführungsbeispiels und der dazugehörigen Figuren wird die Erfindung im Folgenden näher beschrieben. Die Figuren sind schematisch und stellen keine maßstabsgetreuen Abbildungen dar.

Figur 1 zeigt einen Ausschnitt einer Schaltungsanordnung in einem seitlichen Querschnitt.

Figur 2 zeigt wesentliche Bestandteile der Schaltungsanordnung in Aufsicht.

Figur 3 zeigt ein Verfahren zum Herstellen der Schaltungsanordnung.

Das Ausführungsbeispiel bezieht sich auf ein Leistungshalbleitermodul 11 (Figuren 1 und 2) . Das Leistungshalbleitermodul 11 weist eine Schaltungsanordnung 1 auf einem DCB-Substrat 4 auf. Die Schaltungsanordnung 1 weist ein Leistungshalbleiterbauelement 2 mit einem Steuerkontakt 21 und ein weiteres Leistungshalbleiterbauelement 3 mit einem

weiteren Steuerkontakt 31 auf. Die

Leistungshalbleiterbauelemente 2 und 3 sind IGBTs, die parallel miteinander verschaltet sind.

Das DCB-Substrat 4 weist eine Trägerschicht 41 aus einer

Keramik auf. In einer ersten Ausführungsform ist die Keramik Aluminiumoxid. In einer weiteren Ausführungsform ist die Keramik Aluminiumnitrid. Beidseitig sind an die Trägerschicht 41 elektrische Leiterschichten 42 und 43 aus Kupfer aufgebracht. Die Leistungshalbleiterbauelement 2 und 3 sind derart auf eine der Leiterschichten 42 oder 43 aufgelötet, dass die vom Steuerkontakt gebildete Steuerkontaktfläche 21 des Leistungshalbleiterbauelements 2 und die vom weiteren Steuerkontakt 31 gebildete weitere Steuerkontaktfläche 31 des weiteren Leistungshalbleiterbauelements 3 vom Substrat 4 weg weisen. Dazu sind das Leistungshalbleiterbauelement 2 über seine Drain-Kontaktfläche 22 und das weitere Leistungshalbleiterbauelement 3 über seine weitere Drain- Kontaktfläche mit Hilfe eines Lots 24 bzw. 34 auf die Leiterschicht 42 aufgelötet.

Zur elektrischen Entkopplung des Steuerkontakts des Leistungshalbleiterbauelements 2 und des weiteren Steuerkontakts des weiteren Leistungshalbleiterbauelements 2 ist zwischen den Steuerkontaktflächen 21 und 31 ein

Steuerkontaktwiderstand 5 angeordnet. Zum Erzeugen des Steuerkontaktwiderstands wird wie folgt vorgegangen (vgl. Figur 3) : Zunächst wird eine Anordnung aus den Leistungshalbleiterbauelementen 2 und 3 auf dem Substrat 4 bereitgestellt (Verfahrensschritt 301) .

Nachfolgend wird eine Kunststofffolie 6 unter Vakuum auflaminiert (Verfahrensschritt 302) . Die Kunststofffolie 6 ist dabei derart auf dem Substrat 4 und dem Leistungshalbleiterbauelement 2 und 3 auflaminiert, dass eine Oberflächenkontur 23 des Leistungshalbleiterbauelements 3, eine weitere Oberflächenkontur 33 des weiteren

Leistungshalbleiterbauelements 3 und eine Oberflächenkontur 44 des Substrats 4 in der Oberflächenkontur 61 der Kunststofffolie 6 abgebildet ist, die dem Substrat 4 und dem Leistungshalbleiterbauelementen 2 und 3 abgekehrt ist (vgl. Figur 1) .

Durch Öffnen des Fensters 62 und des weiteren Fensters 63 in der Kunststofffolie 6 werden die Steuerkontaktfläche 21 des Leistungshalbleiterbauelements 2 und die weitere Steuerkontaktfläche 31 des weiteren

Leistungshalbleiterbauelements 3 frei gelegt (Verfahrensschritt 303) . Das Öffnen der Fenster 62 und 63 erfolgt durch Laserablation.

Im Weiteren erfolgt eine planare elektrische Kontaktierung der Steuerkontaktfläche 21 und der weiteren Steuerkontaktfläche 31 miteinander. Dazu wird eine Abscheidung 51 auf den Steuerkontakten 21 und 31 und auf dem Substrat 4 erzeugt (Verfahrensschritt 304) . Elektrisch leitendes Material wird auf den Steuerkontakten 21 und 31, auf der Kunststofffolie 6 und der elektrischen Leiterschicht 42 abgeschieden.

Die Abscheidung 51 weist einen Mehrschichtaufbau auf. Sie besteht aus mehreren Teilmetallabscheidungen, die jede für sich unterschiedliche Funktionen übernehmen. Eine erste Teilabscheidung aus Titan fungiert als

Haftvermittlungsschicht, eine zweite Teilabscheidung aus einer Titan-Wolfram-Legierung als Diffusionsbarriere und eine dritte Teilabscheidung aus Kupfer als Keimschicht (Seed-

Layer) . Diese drei Teilabscheidungen werden über jeweils ein Dampfabscheideverfahren abgeschieden. Die Schichtdicken der Teilabscheidungen betragen wenige μm. Abschießend wird ein Widerstandsmetall auf der Keimschicht elektrolytisch abgeschieden. Eine Schichtdicke dieser Teilabscheidung beträgt 50 μm.

Zum Einstellen eines bestimmten Widerstandswerts des Steuerkontaktwiderstands 5 wird die Abscheidung 51 strukturiert. Dazu wird elektrisch leitendes Material der Abscheidung 51 abgetragen. Das Abtragen erfolgt durch Laserablation. Durch das Abtragen des elektrisch leitenden

Materials wird ein Querschnitt der Abscheidung 51 verringert. Zum Einstellen des Widerstandswerts erhält die Abscheidung 51 durch das Abtragen des elektrisch leitenden Materials zusätzlich eine Mäanderform 52.

Im Übrigen werden die Source-Kontaktflache 25 des Leistungshalbleiterbauelements 2 und die weiteren Source- Kontaktflache 35 des weiteren Leistungshalbleiterbauelements (vgl. Figur 2) planar und großflächig kontaktiert. Die Kontaktierung erfolg gemäß dem oben beschriebenen Verfahren zur Kontaktierung der Steuerkontaktflächen 21 und 31 der Leistungshalbleiterbauelemente 2 und 3. Im Unterschied zur Kontaktierung der Steuerkontaktflächen 21 und 31 wird Kupfer mit einer Schichtdicke von etwa 200 μm abgeschieden. Dadurch wird für eine entsprechende Stromtragfähigkeit der resultierenden Verbindungsleitung gesorgt.