WO2006034682A1 - Semiconductor component comprising semiconductor component parts that are potted in a plastic housing mass - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a semiconductor component with semiconductor component components embedded in plastic housing composition, wherein the surfaces of the semiconductor component components partially comprise an adhesion promoter layer.
- the invention relates to the use of organosilicon and / or organometallic compounds for producing an adhesion promoter layer between a system carrier and a plastic housing composition.
- the invention relates to methods for the production of semiconductor components, system carriers and such an adhesion promoter layer.
- a lack of adhesion between a leadframe and the plastic housing compound in semiconductor components causes moisture to build up in the boundary layer between the system carrier and the plastic housing material. This moisture. It expands abruptly when the semiconductor device during soldering on a circuit board in the shortest possible time from room temperature to temperatures up to 260 0 C is heated. As a consequence of the sudden expansion of the moisture content, cracks and / or breaks in the plastic housing of the semiconductor component are what is termed the "popcorn effect".
- a metallic system carrier has a galvanically deposited adhesive layer of metal oxides, in particular the metals zinc and chromium to form a dendritic morphology.
- This component and the manufacturing method have the disadvantage that such a dendritic morphology by galvani ⁇ cal deposition exclusively on metallic surfaces can be prepared so that this primer layer is not for semiconductor device components, such as system carriers made of ceramic or printed circuit board material, without prior coating with a short-circuiting but metallically conductive layer, can be produced.
- Document DE 102 21 503 discloses a metal counterpart partially provided in a surface section with nanopores which can be used as a connection, support or line component for a semiconductor component.
- the nanopores in surface areas of the metal object improve the adhesion to a plastic housing composition of a semiconductor component.
- This known object also has the disadvantage that an improvement in adhesion can only take place on surfaces of metals and can not be used for different materials of semiconductor device components of a semiconductor device.
- This reliable adhesion between the plastic housing composition and the different materials of the semiconductor component components made of metal, ceramic or other plastic materials is to be achieved before application or before embedding the semiconductor component components in the plastic housing composition.
- a semiconductor device with semiconductor device components embedded in plastic housing material is provided.
- the surfaces of the semiconductor device components partially comprise a primer layer having microporous morphology between the semiconductor device components and the plastic package.
- the average thickness D of this adhesion promoter layer with microporous morphology is between 5 nm ⁇ D ⁇ 300 nm.
- the adhesion promoter layer comprises semiconducting and / or metal oxides of a reactive compound of oxygen and organometallic molecules.
- metal-organic molecules are understood as meaning organic molecules which have semiconductor elements and / or metal elements as radicals and / or central atom.
- the organometallic molecules in this context also include silanes which, instead of the central carbon atom of organic compounds, have corresponding tetravalent semiconductor atoms, such as silicon.
- an advantage of this semiconductor component is that the adhesion promoter layer can be arranged on all surfaces of semiconductor component parts made of a very wide variety of materials, so that it forms a moisture and corrosion-resistant boundary layer between metal surfaces, ceramic surfaces and / or other plastic surfaces
- Semiconductor components and the material of the plastic housing composition which consists, for example, of an epoxy resin forms.
- the Haftvermitt ⁇ ler Anlagen of a semiconductor and / or metal oxide of a reactive compound of oxygen and organometallic Mo ⁇ molecules is thus no longer, as known primer layers in the prior art, limited to metallic surfaces, but can also be applied to system supports, the one ceramic plate or a circuit board with correspondingly structured metallic coating.
- the adhesion promoter layer according to the invention With the adhesion promoter layer according to the invention, a surface refinement of different materials of semiconductor device components is achieved, which ensures high reliability even under extreme humidity and temperature loadings of the semiconductor components.
- the adhesion promoter layer according to the invention on the surfaces of the semiconductor device components, the result is an optimum composite system consisting of the totality of carrier substrate surface-interface plastic housing composition. This composite system is determined by the stress behavior in the boundary surface as a result of polymerization shrinkage, plastic swellings and, to a particular extent, by the different thermal expansion coefficients of ceramics, metals and plastics.
- an interface In order to enable this redistribution of forces, an interface must thus have a certain thickness, which distributes the forces acting on a larger volume. It is therefore not only important to achieve a high degree of anchoring between semiconductor device components and the embedding plastic housing composition, but also to ensure optimum elasticity by property gradients in the polymer layer of the plastic housing composition.
- the bond strength is thus not determined solely by micro-anchoring, but achieved in summary by a chemically adhäsi ⁇ ve, a micro-retentive and a micro-elastic component.
- the chemical component is determined by the chemical surface structure of the carrier substrate and influenced by the reactive or adhesive groups of the adhesion promoter layer.
- the adhesion promoter layer comprises semiconductor and / or metal oxides of the elements Al, B, Ge, In, Pb, Sb, Si,. Sn, Sr, Te, Tl or Zn on.
- Semiconductor and / or metal elements have the advantage that of these elements organometallic compounds are known, which are suitable for the formation of a primer layer with microporous morphology.
- organometallic compounds are known, which are suitable for the formation of a primer layer with microporous morphology.
- a color distinction of the adhesion promoter layer from the surface of the semiconductor device components can be achieved in an advantageous manner.
- mixtures of different organometallic compounds of these abovementioned elements can advantageously be formed by co-combustion in a flame-retardant system.
- the resulting adhesion promoter layer preferably comprises a semiconductor and / or metal oxide of the group Al 2 O 3 , B 2 O 3 , GeO 2 , In 2 O 3 , PbO, Sb 2 O 4 , Sb 4 O 6 , SiO 2 , SnO, SnO 2 , SrO, Te 2 O 5 , TeO 2 , TeO 3 , Tl 2 O 3 or ZnO or mixtures thereof.
- These oxides have the advantage that they can provide intensive coupling to metallic surfaces.
- the oxides of the semiconductors, such as SiO 2 and GeO 2 are also able to form a bond with printed circuit board surfaces and ceramic surfaces with high adhesive strength.
- the adhesion promoter layer comprises silicate compounds.
- Si ⁇ silicate compounds have the advantage that they form a chemical bond to the plastic, wherein the silicates on Si-C bonds are capable of forming hydrolysis stable, chemical bonds Bin ⁇ , while bonds to other metals, in the form of complexes of different Art be formed, are more unstable.
- the interaction between see silicates and plastic housing composition of considerable. Complexity, whereby water molecules can cause the formation of Oxyhydrat füren a kind of flexible binding state.
- couplings of silicates with plastics have already been proven technically for many years.
- adhesion-improving effects are also to be expected. However, these adhesion-improving effects are markedly lower than those of hydrolyzable groups which form a silicate skeleton via the formation and condensation of Si-OH groups.
- the Si-OH groups condense with each other and with OH groups of the carrier substrate.
- Silicate compounds thus have the advantage that they can form a stable bond with the plastic housing composition both with respect to the metals and with the plastic housing composition, and between plastic materials of the semiconductor component components and the surrounding plastic housing material.
- the microporous surface structure of the primer layer according to the invention also increases the reaction surface area and introduces micro-retentive adhesive elements into the interfaces.
- Such a silicate layer also has the advantage that silicates can enter into chemical bonds with a large number of elements and materials, so that application of the silicate also permits formation of stable silicate structures in the boundary surfaces.
- the porosity of the adhesion promoter layer gradually increases from a non-porous coating on the surfaces of the semiconductor component components to a microporous morphology in the transition region to the plastic housing composition. Due to the gradual increase in the porosity of an initially closed adhesion promoter layer to a microporous morphology of the surface, the surface of the semiconductor device components is protected from interfacial corrosion in the metal-plastic composite, while due to the gradual increase in porosity with the thickness of the adhesion promoter layer, the toothing the plastic housing composition is intensified. In this case, the material of the adhesion promoter layer with the polymeric Kunststoff ⁇ stoffgephinusemasse complex bonds.
- the adhesion promoter layer is a layer applied by means of flame pyrolysis.
- flame pyrolysis an organometallic compound of the above-mentioned elements is decomposed in a gas / air flame.
- the gas used for the gas / air flame is preferably methane, butane or propane.
- a MeO x layer is on the surfaces of the assembled semiconductor device components ab ⁇ divorced. In this case, Me is understood to mean the above-described semiconductor and / or metal elements.
- the average layer thickness D deposited thereby lies between 5 nm ⁇ D ⁇ 300 nm, preferably the average layer thickness D is between 5 nm ⁇ D ⁇ 40 nm.
- the heating of the semiconductor device components during the coating can be particularly advantageous the preferred variant to below 100 0 C.
- the effective flame time of the components is only in the second range.
- the reaction products can be disposed of in amorphous form in an environmentally friendly manner, which results in extremely small amounts.
- the layer formation itself takes place by the respectively selected flame conditions on the surfaces of the semiconductor device components and does not arise from particle formation in the gas phase with subsequent deposition of these particles on the semiconductor device components, but only the formation of oligomeric structures occurs on the surfaces of the Semiconductor device components have a thickness-dependent morphology, as mentioned above.
- the semiconductor component has as a semiconductor device component a wiring substrate with structured metal coating on.
- a wiring substrate with structured metal coating can be coated with the usual adhesion promoter layers only in the area of the structured metal coating, while the insulating surface areas can not be galvanically coated with the conventional methods, unless one risks one thin, short-circuiting, metallic coating of the entire wiring substrate.
- both the region of the wiring substrate which is nonconductive and the region of the substrate with structured metal coating can be completely and uniformly provided with an adhesion promoter layer.
- the semiconductor component has as a semiconductor component component a ceramic substrate with structured metal layers.
- a ceramic substrate with structured metal layers are used for the construction of semiconductor components in high-frequency technology.
- the semiconductor component has as a semiconductor component component a printed circuit board with structured metal coating.
- regions of the insulating plate can be treated with the same
- the adhesion promoter layer to be coated according to the invention such as the structured metal coating on the printed circuit board, so that an intensive connection to the plastic housing composition covering the printed circuit board becomes possible.
- the most frequent application of the adhesion promoter layer is for semiconductor components which have semiconductor components as semiconductor component components which pass over outside the plastic housing composition into external flat conductors as external contacts.
- Such inner flat conductors have a solid metal body, the surfaces of which can now enter into intensive connection with the surrounding plastic housing composition with the aid of the adhesion promoter layer according to the invention.
- a further aspect of the invention relates to a system carrier with a plurality of semiconductor component positions arranged one after the other and / or one after the other in rows and / or columns.
- Such system carriers serve to accommodate semiconductor device components on a spatial wiring structure with chip pads for semiconductor chips and contact pads for electrical connections to electrodes of the semiconductor chip.
- the surfaces of the system carrier according to the invention selectively have a semiconductor and / or metal oxide of a reactive compound of oxygen and organometallic molecules on a primer layer having a microporous morphology.
- the adhesion promoter layer in turn has a thickness D between 5 nm ⁇ D ⁇ 300 nm.
- the chip interfaces and the connec- contact surfaces of the system carrier free from the Haftver ⁇ middle layer.
- the adhesion promoter layer itself corresponds in its composition and in its morphology to the adhesion promoter layer, as has already been described in detail above for application to semiconductor component components.
- the system carrier can therefore have a ceramic substrate or a wiring substrate with a structured metal coating or a printed circuit board with a structured coating.
- the system carrier can be selectively coated with an adhesion promoter layer according to the invention on the surfaces which come into contact with the plastic housing composition during the production of the semiconductor components.
- the system carrier has inner flat conductors with contact pads and chip pads. These contact pads and / or chip connecting surfaces merge into outer flat conductors and are held by a leadframe of the system carrier.
- the leadframe can have a flat conductor band with a multiplicity of semiconductor component positions arranged one behind the other.
- the inner flat conductors have, on their surfaces, the adhesion promoter layer whose composition and structure have already been described in detail above. However, the contact terminal surfaces, the chip pads, the outer flat conductors and the leadframe remain free of the adhesion promoter layer.
- a system carrier is a preliminary product for the production of semiconductor components and can be produced by suppliers of the semiconductor industry as a precursor.
- the possibility of reserving the surface surfaces of the contact pads, chip pads, outer flat conductors and leadframe can be achieved by afford Kunststoff ⁇ Liche method, as described, for example, in the above-mentioned document US-5,205,036. Alternative methods will be discussed below.
- the latter has a perforation along a system carrier frame for its positioning in a placement machine.
- system carrier preferably on the
- Contact pads and the chip pads have a metal alloy plating of silver and / or a solder alloy.
- the contact connection surfaces and / or the chip connection surfaces not only remain free of adhesion promoter layer but are themselves covered by a coating that promotes a soldering or bonding process.
- the system carrier itself has in a further preferred embodiment of the invention pure copper and / or a copper alloy, which are due to their high electrical conductivity Leitfä ⁇ advantage.
- a method for producing a system carrier for semiconducting components comprises the following method steps. First, a substrate plate having at least one metal surface is patterned into a system carrier. In the structuring, a plurality of successive patterns for accommodating semiconductor device components is formed Semiconductor device positions generated. Subsequently, the surfaces of the system carrier, which form a boundary surface with a plastic casing in the production of semiconductor components, are coated with an adhesion promoter layer.
- a microporous morphology of the semiconductor mediator layer is produced, which comprises semiconducting and / or metal oxides of a reactive compound of oxygen and organometallic molecules.
- This adhesion promoter layer is applied in a mean thickness D between 5 nm ⁇ D ⁇ 300 nm.
- semiconductor oxides or metal oxides are deposited on the surfaces of the system carrier. These semiconductor oxides or metal oxides form a closed layer only a few nanometers thick in the immediate vicinity of the surfaces to be coated, which at the same time protects the surfaces against erosion and corrosion.
- the pore density increases, so that a microporous morphology occurs, which can form a high affinity for the plastic housing composition and a high adhesion to the plastic housing composition.
- the coating process itself can be accelerated by introducing butane or propane with oxygen in a reaction space to which the organometallic molecules are supplied.
- the organometallic molecule used is preferably a tetramethylsilane and derivatives of tetramethylsilane, preferably tetraethylenesilane, which has a molecular formula of SiC 4 H 3 .
- silicates SiO x are deposited on the surfaces, while the volatile reaction products form carbon dioxide and water and escape.
- a flame-pyrolytic deposition is carried out during the coating of the surfaces of the system carrier.
- a flame-pyrolytic deposition has the advantage that the above-mentioned reaction products are formed in a fuel gas stream from which semiconductor oxides and / or metal oxides of the organometallic compound are deposited on the surfaces of the system carrier.
- this pyrolytic deposition can take place independently of the material of the surfaces.
- the flame pyrolysis is simple and universally applicable. Since only a very thin layer is to be applied, which preferably has a thickness between 5 and 40 nm, the material costs are also extremely low. Further, se the advantage that the temperature of the surfaces of the Halb ⁇ conductor device components is not substantially increased and can be ten preferably gehal ⁇ under suitable process conditions below 100 0 C, the Flammpyroly ⁇ , especially since the surfaces are only for a few seconds with the flame of the coating unit into contact ,
- an organometallic compound of a semiconductor element or of a metal element and an oxygen-containing compound with a fuel gas are fed to a coating plant for the flame-pyrolytic coating, with semiconductor or metal oxides being used as reaction products of the compounds introduced Separate freely lying surfaces of the system carrier on all sides.
- a ring burner is preferably used in which a flame ring is produced by which the system carrier is guided.
- surface areas to be kept free with adhesion promoter prior to coating of the system carrier are coated with a protective coating. layer covered. After coating, this protective layer can advantageously be swelled, so that it can be removed with the overlapping adhesive layer on the surface areas to be kept free.
- the surface areas to be kept free are only exposed again after the surfaces of the system carrier have been coated with adhesion promoter.
- the surface areas to be protected on which the bonding agent should remain can be done by laser ablation or by plasma etching.
- a method for producing a plurality of semiconductor components using a system carrier having a plurality of semiconductor component positions additionally has the following method steps.
- a system carrier with selectively applied adhesion promoter layer is provided on its surfaces.
- the selectivity refers to the fact that only the surface areas of the system carrier are covered with a bonding agent layer which is intended to form a boundary layer with a plastic housing composition.
- Contact connection surfaces for electrical connections and / or chip connection surfaces for contacting a semiconductor chip are kept free of the adhesion promoter layer.
- the semiconductor component components such as semiconductor chips, in the semiconductor component positions are then applied to such a system carrier by connecting the semiconductor chips to contact pads of the system carrier via electrical connection elements. After applying all the semiconductor device components on the system carrier, the semiconductor device components embedded in a Kunststoffgeffeu- semasse. Finally, the system carrier can then be separated into individual semiconductor components.
- the system carrier itself may be a printed circuit board with a metal structure or a multilayer ceramic plate or a metallic leadframe.
- the advantage of this method is that the application of the adhesion promoter middle layer is independent of the material of the semiconductor component parts.
- metal flip-chip contacts, as well as metallic bonding wires can also be pyrolytically provided with an adhesion-promoting middle layer, such as the surfaces of the semiconductor chip and the surfaces of the system carrier.
- This property of the adhesion promoter layer and of the pyrolysis process are used in particular if the not yet coated surfaces of semiconductor component components are likewise to be coated with the adhesion promoter before the semiconductor device components are embedded in a plastic housing composition.
- a system carrier which initially has no adhesion promoter layer.
- semi-conductor component components such as semiconductor chips
- the adhesion promoter layer has the abovementioned properties with respect to the average thickness D and porosity.
- the system carrier can be separated into individual semiconductor components.
- it is up to the semiconductor manufacturer to first mount the entire semiconductor device components on a conventional carrier substrate and then to apply the adhesion promoter layer itself to the surfaces of these semiconductor device components.
- An advantage of this alternative method is that none of the surfaces to be covered with a plastic housing composition are free of a bonding agent layer.
- FIG. 1 shows a scanning electron micrograph of a
- Adhesive layer on a metallic system carrier of a semiconductor device Adhesive layer on a metallic system carrier of a semiconductor device
- FIG. 2 shows a reaction scheme of a flame-pyrolytic coating of surfaces of semiconductor components with an adhesion promoter comprising silicates
- FIG. 3 shows a schematic diagram of the composition of a primer layer on a copper system carrier according to FIG. 1;
- FIG. 4 shows a schematic diagram of an analysis of FIG
- FIG. 5 shows a schematic diagram of the shear strength in the boundary layer between system carrier material and plastic housing composition without and with adhesion promoter layer;
- FIG. 6 shows a schematic cross-section of an inner flat conductor embedded in a plastic housing composition, coated on both sides;
- FIG. 7 shows a schematic cross section of a wiring substrate made of an insulating printed circuit board with a structured metal coating and a bonding agent layer.
- FIG. 8 shows a schematic plan view of a metallic system carrier whose surface is partially provided with a bonding agent layer
- FIG. 9 shows a schematic cross section through a semiconductor device with semiconductor device components whose surfaces have an adhesion promoter layer.
- FIG. 1 shows a scanning electron micrograph of a bonding agent layer 5 on a metallic system carrier 20 of a semiconductor component.
- the adhesion promoter layer 5 has an average thickness D which is between 5 and 300 nm and, in the illustrated embodiment of the invention, has a preferred thickness which varies between 5 and 40 nm.
- the lower 5 to 10 nm of the adhesion promoter layer 5 cover the surface 4 of this metallic semiconductor component 3 in a completely closed morpholino. so that the surface 4 is protected from interfacial corrosion and erosion.
- the porosity of the adhesion promoter layer 5 increases and has a microporous morphology 6 in the uppermost region.
- This microporous morphology 6 of the adhesion promoter layer 5 supports the toothing with a plastic housing composition to be applied to the surface 4.
- this microporous morphology 6 of the adhesion promoter layer 5 promotes the formation of chemical bridges between the plastic housing composition and the adhesion promoter layer 5.
- the adhesion promoter layer 5 forms a type of gel structure which superficially penetrates the plastic housing and thus forms an elastic transition layer between the system carrier 20 and the not ge showed plastic housing composition forms.
- This transition layer between the microporous morphology 6 of the adhesion promoter layer 5 and the plastic housing composition provides for a compensation of the thermal expansion coefficients between the metallic layer.
- Plastic the plastic housing compound The section of a system carrier 20 shown in FIG. 1 represents a surface area of an inner flat conductor 10.
- Figure 2 shows a reaction scheme of a flame pyrolytic
- an adhesion promoter comprising silicates.
- an organometallic compound in the form of a tetramethylsilane and derivatives of tetramethylsilane, preferably tetraethylenesilane, which has a molecular formula of SiCeHi 2 is fed to a flame coating system.
- This tetraethylenesilane has as its central Me atom a silicon atom Si which is composed of four organic ethyl- molecules -CH 3 , as shown on the left side of FIG.
- the tetraethylenesilane SiC 4 Hi 2 is mixed, for example, with a propane gas of the empirical formula C 3 H 8 and with oxygen 13O 2 and burnt, the reaction products being formed with volatile carbon dioxide 7CO 2 and water 10H 2 O and SiO x- silicates, preferably silicon dioxide SiO 2 , on the surface of the semiconductor device component to be coated.
- a dashed line is shown in Figure 2, another reaction option in which instead of the propane with a molecular formula C 3 H 8 Bu ⁇ tan with the empirical formula C 3 H1 0 is supplied.
- two tetraethylene silane molecules can react with two butane molecules and twenty-nine 0 2 molecules to precipitate SiO x silicate and to the volatile carbon dioxide I 6 CO 2 , as well as to volatile water 22H 2 O in the butane flame.
- butane C 4 H 10 it is also possible to use methane with the empirical formula CH 4 for flame pyrolysis.
- an SiO x layer is deposited on the introduced semiconductor device components as an adhesion-promoting middle layer.
- the necessary average Schicht ⁇ thickness is only 5 to 40 nm and can be deposited up to 300 nm, if necessary.
- Terbauteilkomponenten heating of the Halblei ⁇ the coating to less than 100 0 C can be reduced by a periodic process.
- the effective flame time is in the range of seconds.
- Surface cleaning and surface activation are simultaneously combined with such a flame coating so that the deposited silicates closely bond to the surface which is metallic in this case.
- the free ge set reaction products, such as silica in amorphous Form, as well as the volatile water and the volatile Kohlendi ⁇ oxide can be disposed of as environmentally friendly as possible by the volatile components are introduced into water and the excess silica is collected or precipitated.
- FIG. 3 shows a schematic diagram of the composition of an adhesion promoter layer on a copper system carrier according to FIG. 1.
- the investigation of a few nanometer thick adhesion promoter layers takes place, as the diagram of FIG. 3 shows, by sputtering of the adhesion promoter layer and the surfaces of the copper arranged underneath.
- the atomization or sputtering time can be plotted on the abscissa of the diagram as a measured value of the layer thickness, while at the same time the atomic concentration in percent is plotted on the ordinal.
- the atomic concentration in percent can be determined by analyzing the sputtered materials.
- the composition of the atomized material changes from a pure silicon dioxide into a predominant composition of copper, so that after only five minutes, only copper is atomised.
- FIG. 4 shows a schematic diagram of an analysis of the composition of the adhesion promoter layer according to FIG. 1.
- the type of atomized atoms can be determined by measuring the genetic energy in electron volts eV, as shown in FIG. Analytical signal peaks are plotted on the ordinate and the determined kinetic energy in eV on the abscissa. Again, it becomes clear that at the beginning of the sputtering or atomization sputtered material of the adhesion promoter layer of silicon and oxygen.
- FIG. 5 shows a schematic diagram of the shear strength in the boundary layer between system carrier material and plastic housing composition without and with adhesion promoter layer.
- the abscissa is a variety of materials and surfaces applied and on the ordinate the shear force in kilograms. The shear force is examined here between a plastic housing composition and the materials indicated on the abscissa.
- each of the materials in this case copper Cu and a Ni / NiP nickel / nickel phosphor coating, which is often used as a diffusion-inhibiting coating in semiconductor device components, shows two measuring bars each, one measuring bar representing the normal initial state and the second measuring bar the shear strength of the Compound after a preconditioning at 260 0 C and after a cyclic thermal load between -55 0 C and 150 0 C represents.
- the first group of bars shows that the shearing force at shear tests between plastic molding compound and a copper surface without adhesion promoter coating is initially relatively high, but drops to almost one third after thermal stress.
- the shear strength of a semiconductor device element made of copper with an adhesion promoter of silicon dioxide or silica is higher in the initial phase without thermal stress than in the case of a copper element without this adhesion promoter layer.
- This high value is almost retained, even if thermally the boundary layer was heavily loaded.
- the positive effect of the adhesion promoter layer on diffusion-inhibiting coatings of Ni / NiP becomes even clearer, in which the shear force without any adhesion promoter layer is extremely low and less than 10 kg, while with adhesion-promoting middle layer values above 100 kg in the initial stage and after thermal stress even values above 200 kg are achieved.
- FIG. 6 shows a schematic cross-section of a plastic housing composition 2 embedded inside flat conductor 10 coated on both sides. This schematic cross section does not show the true thickness ratios between the middle one
- Such inner flat conductors 10 can have a thickness of the order of magnitude of millimeters, while the mean thickness D of the adhesion-promoting layer 5 is in the range of a few 5 nanometers. If, instead of the inner flat conductor 10, a bonding wire 14 is surrounded by a bonding agent layer 5, then the differences in thickness are considerable in this case too, since bonding wires 14, as connecting elements 13, have a diameter of more than 10 ⁇ m.
- FIG. 7 shows a schematic cross-section of a wiring substrate 7 comprising a printed circuit board 9 with a structured metal coating 8 and a bonding agent layer 5.
- a ceramic plate can also form the system substrate 20.
- the Grenzflä ⁇ surface between adhesive layer 5 and system support 20 ⁇ thus has different interface materials and shows that the pyrolytic deposition inventive principle leads to all materials to an adhesive layer 5 with mikroporiger morphology.
- the adhesion promoter layer 5 can not only be used for metallic system carriers 20, such as leadframes, but can also be used to improve the adhesion of the surfaces of a benefit and the plastic housing compound arranged above it.
- the microporous morphology has not only spherical geometries but also dendritic or sponge-like structures.
- FIG. 8 shows a schematic plan view of a metallic system carrier 20 whose surfaces 19 are partially provided with a bonding agent layer 5.
- System ⁇ carrier 20 is based on a lead frame 21 having a plurality of semiconductor device positions 23 on a flat conductor ribbon 22.
- the leadframe 21 has a perforation 25.
- the upper surfaces 24 of the inner flat conductors 10 are covered, except for contact contact surfaces 17, with the adhesion promoter layer 5 according to the invention, which is illustrated by the hatching of the corresponding surfaces.
- the contact pads 17, which are kept free of the bonding agent layer 5, are suitable for attaching Provided connecting elements in the form of bonding wires.
- the inner flat conductors 10 provided with a bonding agent layer 5 merge into outer flat conductors 11 which do not have an adhesion promoter layer. This results in a flat wiring structure 15 made of flat conductors 10, 11 within the flat conductor frame 21, which will partially come into contact with a plastic housing composition and remain partially free of the plastic housing composition.
- the remaining contact contact surfaces 17 can be provided with a corresponding metal plating 26, for example of a silver solder, in order to improve the bonding properties.
- FIG. 9 shows a schematic cross-section through a semiconductor device 1 with semiconductor device components 3, the outer surfaces 4 of which have a semiconductor interconnect layer 5.
- this semiconductor component has been provided with a flame-pyrolytic adhesion-promoting layer 5 after assembly on a system carrier 20.
- This flame-pyrolytic coating is possible not only on metallic surfaces 24 of the inner flat conductors 10 or of the connecting elements 13 in the form of bonding wires 14, but also on the surfaces of the semiconductor chip 12 and its electrodes 18.
- the semiconductor component according to the invention differs 1 of semiconductor devices in the prior art, characterized in that non-metallic surfaces 4 are completely covered by the Haft ⁇ mediator layer 5.
- This uniform coating can take place in a flame tube or by pulling the completely assembled semiconductor component parts 3 through a flame ring, wherein the Residence time in the region of the flame tube or the flame ring is only a few seconds.
- the outer flat conductors 11, which are not to be provided with a bonding agent layer, are protected from coating in the flame tube or ring burner by applying a protective layer.
- an organometallic compound or a silicium organic compound is fed into a flame and the resulting silicate or metal oxide is deposited from the gas phase on the surfaces of the semiconductor components 3.
- the substrate carrier may also be subjected to flame pyrolysis prior to the assembly of the semiconductor component components 3, but then care must be taken that both the contact pads 17 and the chip pads 16 of the system carrier remain free of the coating.
- the advantage of this process is that it is an easy-to-handle coating process which can be applied on all sides to the surfaces 4 of the semiconductor components to be anchored.
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Abstract
Description
Beschreibungdescription
Halbleiterbauteil mit in Kunststoffgehäusemasse eingebetteten HalbleiterbauteilkomponentenSemiconductor device having semiconductor device components embedded in plastic package
Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauteil mit in Kunst¬ stoffgehäusemasse eingebetteten Halbleiterbauteilkomponenten, wobei die Oberflächen der Halbleiterbauteilkomponenten teil¬ weise eine Haftvermittlerschicht aufweisen. Insbesondere be- trifft die Erfindung die Verwendung von silicium- und/oder metallorganische Verbindungen zum Erzeugen einer Haftvermitt¬ lerschicht zwischen einem Systemträger und einer Kunststoff¬ gehäusemasse. Ferner betrifft die Erfindung Verfahren zur Herstellung von Halbleiterbauteilen, Systemträgern und einer derartigen Haftvermittlerschicht.The invention relates to a semiconductor component with semiconductor component components embedded in plastic housing composition, wherein the surfaces of the semiconductor component components partially comprise an adhesion promoter layer. In particular, the invention relates to the use of organosilicon and / or organometallic compounds for producing an adhesion promoter layer between a system carrier and a plastic housing composition. Furthermore, the invention relates to methods for the production of semiconductor components, system carriers and such an adhesion promoter layer.
Eine mangelnde Haftung zwischen einem Systemträger und der Kunststoffgehäusemasse führt bei Halbleiterbauteilen dazu, dass sich Feuchtigkeit in der Grenzschicht zwischen System- träger und Kunststoffgehäusemasse ansammelt. Diese Feuchtig- . keit expandiert schlagartig, wenn das Halbleiterbauteil beim Auflöten auf eine Leiterplatte in kürzester Zeit von Raumtem¬ peratur auf Temperaturen bis 2600C aufgeheizt wird. Folge der schlagartigen Expansion des Feuchtigkeitsgehalts sind Risse und/oder Brüche in dem Kunststoffgehäuse des Halbleiterbau¬ teils, was als "Popcorn-Effekt" bezeichnet wird.A lack of adhesion between a leadframe and the plastic housing compound in semiconductor components causes moisture to build up in the boundary layer between the system carrier and the plastic housing material. This moisture. It expands abruptly when the semiconductor device during soldering on a circuit board in the shortest possible time from room temperature to temperatures up to 260 0 C is heated. As a consequence of the sudden expansion of the moisture content, cracks and / or breaks in the plastic housing of the semiconductor component are what is termed the "popcorn effect".
Um diesen Popcorn-Effekt zu verhindern, muss das Ansammeln von Feuchtigkeit in der Grenzschicht zwischen Halbleiterbau- teilkomponenten und Kunststoffgehäusemasse verhindert werden. Das Ansammeln der Feuchtigkeit kann durch Verbesserung der Haftung zwischen den Oberflächen der Halbleiterbauteilkompo¬ nenten und der Oberfläche der Kunststoffgehäusemasse redu- ziert werden. Es sind verschiedene Ansätze bekannt, um diese Haftung zu verbessern. Aus der US-5,554,569 ist ein Verfahren zur mechanischen Aufrauung der Oberfläche eines Flachleiter¬ rahmens bekannt. Die aufgeraute Oberfläche ermöglicht eine Verzahnung mit der Kunststoffgehäusemasse und somit eine bes¬ sere Haftung. Dieses Verfahren ist jedoch in seiner Durchfüh¬ rung schwierig und kostenintensiv.To prevent this popcorn effect, it is necessary to prevent the buildup of moisture in the interface between semiconductor device components and plastic package. The accumulation of moisture can be reduced by improving the adhesion between the surfaces of the semiconductor device components and the surface of the plastic housing composition. be graced. Various approaches are known to improve this adhesion. US Pat. No. 5,554,569 discloses a method for mechanical roughening of the surface of a leadframe. The roughened surface allows a toothing with the plastic housing composition and thus a better adhesion. However, this method is difficult and expensive to carry out.
Die US-5,554,569 berichtet außerdem von Silanen als Haftver- mittler zur Verbesserung der Haftung zwischen Metalloberflä¬ chen und Kunststoffgehäusen, erwähnt aber gleichzeitig das die Verwendung von Silanen aus verschiedenen Gründen proble¬ matisch ist, zumal Silane hygroskopisch sind und förmlich Feuchtigkeit anziehen.No. 5,554,569 also reports silanes as adhesion promoters for improving the adhesion between metal surfaces and plastic housings, but at the same time mentions that the use of silanes is problematic for various reasons, especially since silanes are hygroscopic and formally attract moisture.
Aus der Druckschrift US-5,205,03β ist ein Verfahren bekannt, mit dem die von einem Schutzfilm frei zu haltenden Oberflä¬ chenbereiche elektrischer Verbindungselemente von Halbleiter¬ bauteilkomponenten eines Halbleiterbauteils innerhalb einer Kunststoffmasse vor dem Zusammenbau der Komponenten frei gehalten werden können, wobei der Schutzfilm Siliciumnitride, Siliciumoxide, Siliciumcarbide und/oder diamantartigen Koh¬ lenstoff aufweisen kann.From document US Pat. No. 5,205,003, a method is known with which the surface areas of electrical connecting elements of semiconductor component components of a semiconductor component within a plastics material which are to be kept free of a protective film can be kept free prior to the assembly of the components, the protective film being silicon nitrides , Silicon oxides, silicon carbides and / or diamond-like carbon.
Aus der Druckschrift DE 101 24 047 ist ein elektronischesFrom the document DE 101 24 047 is an electronic
Bauteil mit Halbleiterchips und Systemträgern, sowie Verfah¬ ren zur Herstellung derselben bekannt, wobei ein metallischer Systemträger eine galvanisch abgeschiedene Haftschicht aus Metalloxiden, insbesondere der Metalle Zink und Chrom unter Ausbildung einer dendritischen Morphologie aufweist. Dieses Bauteil und das Herstellungsverfahren haben den Nachteil, dass eine derartige dendritische Morphologie durch galvani¬ sche Abscheidung ausschließlich auf metallischen Oberflächen hergestellt werden kann, sodass diese Haftvermittlerschicht nicht für Halbleiterbauteilkomponenten, wie Systemträgern aus Keramik oder Leiterplattenmaterial, ohne vorherige Beschich- tung mit einer kurzschließenden aber metallisch leitfähigen Schicht, herstellbar ist.Component with semiconductor chips and system carriers, as well as procedural ren for producing the same, wherein a metallic system carrier has a galvanically deposited adhesive layer of metal oxides, in particular the metals zinc and chromium to form a dendritic morphology. This component and the manufacturing method have the disadvantage that such a dendritic morphology by galvani¬ cal deposition exclusively on metallic surfaces can be prepared so that this primer layer is not for semiconductor device components, such as system carriers made of ceramic or printed circuit board material, without prior coating with a short-circuiting but metallically conductive layer, can be produced.
Aus der Druckschrift DE 102 21 503 ist ein teilweise in einem Oberflächenabschnitt mit Nanoporen versehener Metallgegens¬ tand bekannt, der als Verbindungs-, Trag-, oder Leitungskom- ponente für ein Halbleiterbauteil eingesetzt werden kann. Da¬ bei verbessern die Nanoporen in Oberflächenbereichen des Me¬ tallgegenstandes die Haftung zu einer Kunststoffgehäusemasse eines Halbleiterbauteils. Auch dieser bekannte Gegenstand hat den Nachteil, dass eine Haftungsverbesserung nur auf Oberflä- chen von Metallen erfolgen kann und nicht für unterschiedli¬ che Materialien von Halbleiterbauteilkomponenten eines Halb¬ leiterbauteils einsetzbar ist.Document DE 102 21 503 discloses a metal counterpart partially provided in a surface section with nanopores which can be used as a connection, support or line component for a semiconductor component. In this case, the nanopores in surface areas of the metal object improve the adhesion to a plastic housing composition of a semiconductor component. This known object also has the disadvantage that an improvement in adhesion can only take place on surfaces of metals and can not be used for different materials of semiconductor device components of a semiconductor device.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein HaIb- leiterbauteil mit Halbleiterbauteilkomponenten anzugehen, wθτ bei die Halbleiterbauteilkomponenten eine zuverlässige Haf¬ tung zu einer sie umgebenden Kunststoffgehäusemasse aufwei¬ sen. Diese zuverlässige Haftung zwischen der Kunststoffgehäu- semasse und den unterschiedlichen Materialien der Halbleiter- bauteilkomponenten aus Metall, Keramik oder anderen Kunst- stoffmaterialien soll vor dem Aufbringen bzw. vor einem Ein¬ betten der Halbleiterbauteilkomponenten in die Kunststoffge¬ häusemasse erreicht werden.It is therefore an object of the present invention to address a semiconductor device with semiconductor device components, in which case the semiconductor device components have a reliable adhesion to a plastic housing composition surrounding them. This reliable adhesion between the plastic housing composition and the different materials of the semiconductor component components made of metal, ceramic or other plastic materials is to be achieved before application or before embedding the semiconductor component components in the plastic housing composition.
Gelöst wird diese Aufgabe mit dem Gegenstand der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergebe sich aus den abhängigen Ansprüchen. Erfindungsgemäß wird ein Halbleiterbauteil mit in Kunststoff¬ gehäusemasse eingebetteten Halbleiterbauteilkomponenten ge¬ schaffen. Die Oberflächen der Halbleiterbauteilkomponenten weisen teilweise eine Haftvermittlerschicht mit mikroporöser Morphologie zwischen den Halbleiterbauteilkomponenten und der Kunststoffgehäusemasse auf. Die mittlere Dicke D dieser Haft¬ vermittlerschicht mit mikroporöser Morphologie liegt zwischen 5 nm ≤ D ≤ 300 nm. Dazu weist die Haftvermittlerschicht Halb¬ leiter- und/oder Metalloxide einer reaktiven Verbindung aus Sauerstoff und metallorganischen Molekülen auf. Unter metall¬ organischen Molekülen werden in diesem Zusammenhang organi¬ sche Moleküle verstanden, die Halbleiterelemente und/oder Me¬ tallelemente als Radikale und/oder Zentralatom aufweisen. Zu den metallorganischen Molekülen werden in diesem Zusammenhang auch Silane gezählt, die an Stelle des zentralen Kohlenstoff¬ atoms organischer Verbindungen entsprechende vierwertige Halbleiteratome, wie Silicium, aufweisen.This object is achieved with the subject of the independent claims. Advantageous developments of the invention will become apparent from the dependent claims. According to the invention, a semiconductor device with semiconductor device components embedded in plastic housing material is provided. The surfaces of the semiconductor device components partially comprise a primer layer having microporous morphology between the semiconductor device components and the plastic package. The average thickness D of this adhesion promoter layer with microporous morphology is between 5 nm ≦ D ≦ 300 nm. For this purpose, the adhesion promoter layer comprises semiconducting and / or metal oxides of a reactive compound of oxygen and organometallic molecules. In this context, metal-organic molecules are understood as meaning organic molecules which have semiconductor elements and / or metal elements as radicals and / or central atom. The organometallic molecules in this context also include silanes which, instead of the central carbon atom of organic compounds, have corresponding tetravalent semiconductor atoms, such as silicon.
Ein Vorteil dieses Halbleiterbauteils ist es, dass die Haft- Vermittlerschicht auf allen Oberflächen von Halbleiterbau¬ teilkomponenten aus unterschiedlichsten Materialien angeord¬ net sein kann, sodass sie eine feuchtigkeits- und korrosions¬ feste Grenzschicht zwischen Metalloberflächen, Keramikober¬ flächen und/oder anderen Kunststoffoberflächen der Halblei- terbauteile und dem Material der Kunststoffgehäusemasse, die bspw. aus einem Epoxidharz besteht, bildet. Die Haftvermitt¬ lerschicht aus einem Halbleiter- und/oder Metalloxid einer reaktiven Verbindung aus Sauerstoff und metallorganischen Mo¬ lekülen ist somit nicht mehr, wie bekannte Haftvermittler- schichten im Stand der Technik, auf metallische Oberflächen beschränkt, sondern kann auch auf Systemträgern aufgebracht werden, die eine Keramikplatte oder eine Leiterplatte mit entsprechend strukturierter metallischer Beschichtung dar¬ stellen.An advantage of this semiconductor component is that the adhesion promoter layer can be arranged on all surfaces of semiconductor component parts made of a very wide variety of materials, so that it forms a moisture and corrosion-resistant boundary layer between metal surfaces, ceramic surfaces and / or other plastic surfaces Semiconductor components and the material of the plastic housing composition, which consists, for example, of an epoxy resin forms. The Haftvermitt¬ lerschicht of a semiconductor and / or metal oxide of a reactive compound of oxygen and organometallic Mo¬ molecules is thus no longer, as known primer layers in the prior art, limited to metallic surfaces, but can also be applied to system supports, the one ceramic plate or a circuit board with correspondingly structured metallic coating.
Mit der erfindungsgemäßen Haftvermittlerschicht wird eine O- berflachenveredelung unterschiedlicher Materialien von Halb¬ leiterbauteilkomponenten erreicht, die eine hohe Zuverlässig¬ keit auch unter extremen Feuchte- und Temperatur-Wechsellast¬ beanspruchung der Halbleiterbauteile gewährleistet. Es ergibt sich mit der erfindungsgemäßen Haftvermittlerschicht auf den Oberflächen der Halbleiterbauteilkomponenten ein optimales Verbundsystem aus der Gesamtheit von Trägersubstrat- Oberfläche-Grenzfläche-Kunststoffgehäusemasse. Dieses Ver¬ bundsystem wird durch das Spannungsverhalten in der Grenzflä¬ che im Ergebnis von Polymerisationsschrumpfungen, Kunststoff- quellungen und im besonderen Maße durch die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Keramiken, Metallen und Kunststoffen bestimmt.With the adhesion promoter layer according to the invention, a surface refinement of different materials of semiconductor device components is achieved, which ensures high reliability even under extreme humidity and temperature loadings of the semiconductor components. With the adhesion promoter layer according to the invention on the surfaces of the semiconductor device components, the result is an optimum composite system consisting of the totality of carrier substrate surface-interface plastic housing composition. This composite system is determined by the stress behavior in the boundary surface as a result of polymerization shrinkage, plastic swellings and, to a particular extent, by the different thermal expansion coefficients of ceramics, metals and plastics.
So ergeben sich Unterschiede um mehr als eine Größenordnung im thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen Metallen und Kunststoffen und bis zu zwei Größenordnungen zwischen Kerami¬ ken und Kunststoffen. Zwar konnte durch die Entwicklung von gefüllten, organischen Polymeren der thermische Ausdehnungs¬ koeffizient der Kunststoffgehäusemasse um mehr als den Faktor 2 reduziert werden, jedoch ist das mit einer Reduzierung der Elastizität der Kunststoffgehäusemasse verbunden, was wieder¬ um den Spannungsabbau in der Grenzfläche von Kunststoffgehäu¬ semasse und Halbleiterbauteilkomponenten einschränkt. So kann es im mikroskopischen Bereich der Grenzfläche zu irreversib- len Materialverschiebungen und Spaltbildungen kommen, solange die chemische und mikromechanische Verankerung der Verbund¬ partner in der Grenzfläche nicht eine Umverteilung der Kräfte möglich macht. Um diese Umverteilung der Kräfte zu ermöglichen, muss eine Grenzfläche somit eine bestimmte Dicke aufweisen, welche die wirkenden Kräfte auf ein größeres Volumen verteilt. Es kommt also nicht allein darauf an, einen hohen Verankerungsgrad zwischen Halbleiterbauteilkomponenten und der einbettenden Kunststoffgehäusemasse zu erreichen, sondern auch eine opti¬ male Elastizität durch Eigenschaftsgradienten in der Polymer¬ schicht der Kunststoffgehäusemasse sicherzustellen. Die Ver- bundfestigkeit wird somit nicht allein durch Mikroverankerun- gen bestimmt, sondern summarisch durch eine chemisch adhäsi¬ ve, eine mikroretentive und eine mikroelastische Komponente erreicht. Die chemische Komponente wird von der chemischen Oberflächenstruktur des Trägersubstrats bestimmt und von den reaktiven oder adhesiven Gruppen der Haftvermittlerschicht beeinflusst.This results in differences of more than one order of magnitude in the thermal expansion coefficient between metals and plastics and up to two orders of magnitude between ceramics and plastics. Although the thermal expansion coefficient of the plastic housing composition could be reduced by more than a factor of 2 due to the development of filled, organic polymers, this is associated with a reduction in the elasticity of the plastic housing composition, which in turn reduces the stress in the interface of Kunststoffgehäu¬ semasse and semiconductor device components restricts. Thus, in the microscopic area of the interface, irreversible material shifts and gap formation may occur, as long as the chemical and micromechanical anchoring of the composite partners in the interface does not make it possible to redistribute the forces. In order to enable this redistribution of forces, an interface must thus have a certain thickness, which distributes the forces acting on a larger volume. It is therefore not only important to achieve a high degree of anchoring between semiconductor device components and the embedding plastic housing composition, but also to ensure optimum elasticity by property gradients in the polymer layer of the plastic housing composition. The bond strength is thus not determined solely by micro-anchoring, but achieved in summary by a chemically adhäsi¬ ve, a micro-retentive and a micro-elastic component. The chemical component is determined by the chemical surface structure of the carrier substrate and influenced by the reactive or adhesive groups of the adhesion promoter layer.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Haftvermitt¬ lerschicht Halbleiter- und/oder Metalloxide der Elemente Al, B, Ge, In, Pb, Sb, Si, . Sn, Sr, Te, Tl oder Zn auf. DieseIn a preferred embodiment, the adhesion promoter layer comprises semiconductor and / or metal oxides of the elements Al, B, Ge, In, Pb, Sb, Si,. Sn, Sr, Te, Tl or Zn on. These
Halbleiter- und/oder Metallelemente haben den Vorteil, dass von diesen Elementen metallorganische Verbindungen bekannt sind, die für die Bildung einer Haftvermittlerschicht mit mikroporöser Morphologie geeignet sind. Dabei kann durch Mi- schung unterschiedlicher metallorganischer Ausgangsmateria¬ lien dieser Halbleiter- und/oder Metallelemente neben den haftvermittelnden Eigenschaften der entstehenden Schichten auch eine farbliche Unterscheidung der Haftvermittlerschicht von der Oberfläche der Halbleiterbauteilkomponenten in vor- teilhafter Weise erreicht werden. Dazu können Mischungen un¬ terschiedlicher metallorganischer Verbindungen dieser oben aufgeführten Elemente durch gemeinsame Verbrennung in einer Flarnmpyrolyseanlage in vorteilhafter Weise gebildet werden. Vorzugsweise weist die entstehende Haftvermittlerschicht ein Halbleiter- und/oder Metalloxid der Gruppe Al2O3, B2O3, GeO2, In2O3, PbO, Sb2O4, Sb4O6, SiO2, SnO, SnO2, SrO, Te2O5, TeO2, TeO3, Tl2O3 oder ZnO oder Mischungen derselben auf. Diese Oxi¬ de haben den Vorteil, dass sie eine intensive Kopplung zu me¬ tallischen Oberflächen bereitstellen können. Doch sind auch die Oxide der Halbleiter, wie SiO2 und GeO2 in der Lage mit Leiterplattenoberflächen und Keramikoberflächen eine Verbin- düng mit hoher Haftfestigkeit einzugehen.Semiconductor and / or metal elements have the advantage that of these elements organometallic compounds are known, which are suitable for the formation of a primer layer with microporous morphology. In this case, by mixing different organometallic starting materials of these semiconductor and / or metal elements, in addition to the adhesion-promoting properties of the resulting layers, a color distinction of the adhesion promoter layer from the surface of the semiconductor device components can be achieved in an advantageous manner. For this purpose, mixtures of different organometallic compounds of these abovementioned elements can advantageously be formed by co-combustion in a flame-retardant system. The resulting adhesion promoter layer preferably comprises a semiconductor and / or metal oxide of the group Al 2 O 3 , B 2 O 3 , GeO 2 , In 2 O 3 , PbO, Sb 2 O 4 , Sb 4 O 6 , SiO 2 , SnO, SnO 2 , SrO, Te 2 O 5 , TeO 2 , TeO 3 , Tl 2 O 3 or ZnO or mixtures thereof. These oxides have the advantage that they can provide intensive coupling to metallic surfaces. However, the oxides of the semiconductors, such as SiO 2 and GeO 2 , are also able to form a bond with printed circuit board surfaces and ceramic surfaces with high adhesive strength.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Haftvermittlerschicht Silikatverbindungen auf. Derartige Si¬ likatverbindungen haben den Vorteil, dass sie eine chemische Bindung zum Kunststoff bilden, wobei die Silikate über Si-C- Bindungen in der Lage sind hydrolysestabile, chemische Bin¬ dungen auszubilden, während Bindungen zu anderen Metallen, die in Form von Komplexen unterschiedlichster Art ausgebildet werden, instabiler sind. Jedoch ist die Wechselwirkung zwi- sehen Silikaten und Kunststoffgehäusemasse von erheblicher . Komplexität, wobei auch Wassermoleküle über die Ausbildung von Oxyhydratschichten einer Art flexiblen Bindungszustand bewirken können. Hinzu kommt, dass sich Kopplungen von Sili¬ katen mit Kunststoffen technisch bereits langjährig bewährt haben.In a further embodiment of the invention, the adhesion promoter layer comprises silicate compounds. Such Si¬ silicate compounds have the advantage that they form a chemical bond to the plastic, wherein the silicates on Si-C bonds are capable of forming hydrolysis stable, chemical bonds Bin¬, while bonds to other metals, in the form of complexes of different Art be formed, are more unstable. However, the interaction between see silicates and plastic housing composition of considerable. Complexity, whereby water molecules can cause the formation of Oxyhydratschichten a kind of flexible binding state. In addition, couplings of silicates with plastics have already been proven technically for many years.
Von den oben aufgeführten anderen Oxiden sind ebenfalls haft¬ verbessernde Effekte zu erwarten. Diese haftverbessernden Ef¬ fekte liegen jedoch deutlich unter denen von hydrolysierbaren Gruppen, die über die Bildung und Kondensation von Si-OH- Gruppen ein silikatisches Gerüst bilden. Dabei kondensieren die Si-OH-Gruppen untereinander und mit OH-Gruppen des Trä¬ gersubstrats. Silikatverbindungen haben somit den Vorteil, dass sie sowohl zu den Metallen als auch zu der Kunststoffge¬ häusemasse, sowie zwischen Kunststoffmaterialien der Halblei¬ terbauteilkomponenten und der umgebenden Kunststoffgehäuse¬ masse eine stabile Bindung mit der Kunststoffgehäusemasse eingehen können. Durch die mikroporöse Oberflächenstruktur der erfindungsgemäßen Haftvermittlerschicht wird außerdem die Reaktionsfläche vergrößert, und es werden mikroretentive Haftelemente in die Grenzflächen eingeführt.Of the other oxides listed above, adhesion-improving effects are also to be expected. However, these adhesion-improving effects are markedly lower than those of hydrolyzable groups which form a silicate skeleton via the formation and condensation of Si-OH groups. The Si-OH groups condense with each other and with OH groups of the carrier substrate. Silicate compounds thus have the advantage that they can form a stable bond with the plastic housing composition both with respect to the metals and with the plastic housing composition, and between plastic materials of the semiconductor component components and the surrounding plastic housing material. The microporous surface structure of the primer layer according to the invention also increases the reaction surface area and introduces micro-retentive adhesive elements into the interfaces.
Eine derartige Silikatschicht hat zudem den Vorteil, dass Si¬ likate mit einer Vielzahl von Elementen und Materialien che¬ mische Bindungen eingehen können, sodass eine Aufbringung des Silikats auch die Ausbildung stabiler Silikatstrukturen in den Grenzflächen zulässt.Such a silicate layer also has the advantage that silicates can enter into chemical bonds with a large number of elements and materials, so that application of the silicate also permits formation of stable silicate structures in the boundary surfaces.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung nimmt die Po¬ rosität der Haftvermittlerschicht von einer porenfreien Be- schichtung auf den Oberflächen der Halbleiterbauteilkomponen¬ ten zu einer mikroporösen Morphologie im Übergangsbereich zu der Kunststoffgehäusemasse graduell zu. Durch die graduelle Zunahme der Porosität von einer zunächst geschlossenen Haft¬ vermittlerschicht zu einer mikroporösen Morphologie der Ober¬ fläche wird die Oberfläche der Halbleiterbauteilkomponenten vor einer Grenzflächenkorrosion im Metall-Kunststoffverbund geschützt, während durch die graduelle Zunahme der Porosität mit der Dicke der Haftvermittlerschicht die Verzahnung mit der Kunststoffgehäusemasse intensiviert wird. Dabei geht das Material der Haftvermittlerschicht mit der polymeren Kunst¬ stoffgehäusemasse komplexe Bindungen ein. Durch diese innere Struktur der Haftvermittlerschicht werden ebenfalls Spannun¬ gen in den Grenzflächen abgebaut. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Haft- vermittlerschicht eine mittels Flammpyrolyse aufgetragene Schicht. Bei der Flammpyrolyse wird eine metallorganische Verbindung der oben erwähnten Elemente in einer Gas/Luft- Flamme zersetzt. Als Gas für die Gas/Luft-Flamme wird vor¬ zugsweise Methan, Butan oder Propan eingesetzt. In einem op¬ timierten Flammenbereich wird auf die Oberflächen der fertig montierten Halbleiterbauteilkomponenten eine MeOx-Schicht ab¬ geschieden. Dabei werden unter Me die oben angegebenen HaIb- leiter- und/oder Metallelemente verstanden. Die dabei abge¬ schiedene mittlere Schichtdicke D liegt zwischen 5 nm ≤ D ≤ 300 nm, vorzugsweise liegt die mittlere Schichtdicke D zwi¬ schen 5 nm < D ≤ 40 nm. Dabei lässt sich die Erwärmung der Halbleiterbauteilkomponenten während der Beschichtung insbe- sondere b ei der bevorzugten Variante auf unter 1000C halten. Die effektive Beflammungszeit der Bauteilkomponenten liegt dabei lediglich im Sekundenbereich.In a further embodiment of the invention, the porosity of the adhesion promoter layer gradually increases from a non-porous coating on the surfaces of the semiconductor component components to a microporous morphology in the transition region to the plastic housing composition. Due to the gradual increase in the porosity of an initially closed adhesion promoter layer to a microporous morphology of the surface, the surface of the semiconductor device components is protected from interfacial corrosion in the metal-plastic composite, while due to the gradual increase in porosity with the thickness of the adhesion promoter layer, the toothing the plastic housing composition is intensified. In this case, the material of the adhesion promoter layer with the polymeric Kunst¬ stoffgehäusemasse complex bonds. As a result of this internal structure of the adhesion promoter layer, stresses in the boundary surfaces are likewise reduced. In a further embodiment of the invention, the adhesion promoter layer is a layer applied by means of flame pyrolysis. In flame pyrolysis, an organometallic compound of the above-mentioned elements is decomposed in a gas / air flame. The gas used for the gas / air flame is preferably methane, butane or propane. In a op¬-optimized flame area a MeO x layer is on the surfaces of the assembled semiconductor device components ab¬ divorced. In this case, Me is understood to mean the above-described semiconductor and / or metal elements. The average layer thickness D deposited thereby lies between 5 nm ≦ D ≦ 300 nm, preferably the average layer thickness D is between 5 nm <D ≦ 40 nm. In this case, the heating of the semiconductor device components during the coating can be particularly advantageous the preferred variant to below 100 0 C. The effective flame time of the components is only in the second range.
Mit der Beschichtung ist gleichzeitig eine Oberflächenreini- gung und Oberflächenaktivierung verbunden. Die Reaktionspro¬ dukte können umweltfreundlich in amorpher Form, die dabei in außerordentlich geringen Mengen entstehen, entsorgt werden. Die Schichtbildung selbst erfolgt durch die jeweils gewählten Flammbedingungen auf den Oberflächen der Halbleiterbauteil- komponenten und entsteht nicht durch Partikelbildung in der Gasphase mit nachfolgender Abscheidung dieser Partikel auf den Halbleiterbauteilkomponenten, sondern es kommt lediglich zur Bildung von oligomeren Strukturen, die auf den Oberflä¬ chen der Halbleiterbauteilkomponenten eine dickenabhängige Morphologie, wie oben erwähnt, aufweisen.At the same time surface treatment and surface activation are associated with the coating. The reaction products can be disposed of in amorphous form in an environmentally friendly manner, which results in extremely small amounts. The layer formation itself takes place by the respectively selected flame conditions on the surfaces of the semiconductor device components and does not arise from particle formation in the gas phase with subsequent deposition of these particles on the semiconductor device components, but only the formation of oligomeric structures occurs on the surfaces of the Semiconductor device components have a thickness-dependent morphology, as mentioned above.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das Halbleiterbauteil als Halbleiterbauteilkomponente ein Verdrahtungssubstrat mit strukturierter Metallbeschich- tung auf. Derartige Verdrahtungssubstrate sind mit den bisher bekannten Technologien lediglich in dem Bereich der struktu¬ rierten Metallbeschichtung mit den üblichen Haftvermittler- schichten belegbar, während die isolierenden Oberflächenbe¬ reiche mit den konventionellen Verfahren nicht galvanisch be¬ schichtet werden können, es sei denn, man riskiert eine dün¬ ne, kurzschließende, metallische Beschichtung des gesamten Verdrahtungssubstrats. Das aber widerspricht dem Zweck und der Aufgabe eines derartigen Verdrahtungssubstrats, dass mit- hilfe der strukturierten Metallbeschichtung Verbindungslei¬ tungen und Leiterbahnen zwischen verschiedenen Elementen des Halbleiterbauteils herstellen soll. Bei der erfindungsgemäßen Haftvermittlerschicht kann sowohl der Bereich des Verdrah- tungssubstrats, der nicht leitend ist, als auch der Bereich des Substrats mit strukturierter Metallbeschichtung vollstän¬ dig und gleichbleibend mit einer Haftvermittlerschicht verse¬ hen werden.In a further preferred embodiment of the invention, the semiconductor component has as a semiconductor device component a wiring substrate with structured metal coating on. With the hitherto known technologies, such wiring substrates can be coated with the usual adhesion promoter layers only in the area of the structured metal coating, while the insulating surface areas can not be galvanically coated with the conventional methods, unless one risks one thin, short-circuiting, metallic coating of the entire wiring substrate. However, this contradicts the purpose and the object of such a wiring substrate that with the aid of the structured metal coating it is intended to produce connection lines and interconnects between different elements of the semiconductor component. In the case of the adhesion promoter layer according to the invention, both the region of the wiring substrate which is nonconductive and the region of the substrate with structured metal coating can be completely and uniformly provided with an adhesion promoter layer.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist das Halbleiterbauteil als Halbleiterbauteilkomponente ein Kera¬ miksubstrat mit strukturierten Metalllagen auf. Derartige mehrlagige Keramiksubstrate werden zum Aufbau von Halbleiter¬ bauteilen in der Hochfrequenztechnik eingesetzt. Auch hier ist es möglich, durch die erfindungsgemäße Haftvermittler¬ schicht nun auch die Keramikoberflächen der Halbleiterbau¬ teilkomponente vollständig mit einer Haftvermittlerschicht zu versehen.In a further embodiment of the invention, the semiconductor component has as a semiconductor component component a ceramic substrate with structured metal layers. Such multilayer ceramic substrates are used for the construction of semiconductor components in high-frequency technology. Here, too, it is possible to provide the ceramic surface of the semi-conductor component completely with an adhesion promoter layer by means of the adhesion promoter layer according to the invention.
Weiterhin ist es vorgesehen, dass das Halbleiterbauteil als Halbleiterbauteilkomponente eine Leiterplatte mit struktu¬ rierter Metallbeschichtung aufweist. Auch in diesem Fall kön¬ nen Bereiche der isolierenden Platte genauso mit der erfin- dungsgemäßen Haftvermittlerschicht beschichtet werden, wie die strukturierte Metallbeschichtung auf der Leiterplatte, sodass eine intensive Verbindung zu der die Leiterplatte be¬ deckenden Kunststoffgehäusemasse möglich wird.Furthermore, it is provided that the semiconductor component has as a semiconductor component component a printed circuit board with structured metal coating. In this case as well, regions of the insulating plate can be treated with the same The adhesion promoter layer to be coated according to the invention, such as the structured metal coating on the printed circuit board, so that an intensive connection to the plastic housing composition covering the printed circuit board becomes possible.
Die häufigste Anwendung der Haftvermittlerschicht ist für Halbleiterbauteile vorgesehen, die als Halbleiterbauteilkom¬ ponenten innere Flachleiter aufweisen, welche außerhalb der Kunststoffgehäusemasse in Außenflachleiter als Außenkontakte übergehen. Derartige Innenflachleiter weisen einen massiven Metallkörper auf, dessen Oberflächen nun mithilfe der erfin¬ dungsgemäßen Haftvermittlerschicht eine intensive Verbindung mit der umgebenden Kunststoffgehäusemasse eingehen können. Darüber hinaus ist es möglich, auch Oberflächen von Halblei- terchips innerhalb der Halbleiterbauteile mit der Haftver¬ mittlerschicht zu versehen und auch innere Flipchip-Kontakte und/oder Bondverbindungsdrähte als Verbindungselemente voll¬ ständig in eine Haftvermittlungsschicht einzuhüllen.The most frequent application of the adhesion promoter layer is for semiconductor components which have semiconductor components as semiconductor component components which pass over outside the plastic housing composition into external flat conductors as external contacts. Such inner flat conductors have a solid metal body, the surfaces of which can now enter into intensive connection with the surrounding plastic housing composition with the aid of the adhesion promoter layer according to the invention. In addition, it is also possible to provide surfaces of semiconductor chips within the semiconductor components with the adhesion-promoting middle layer and also to completely envelope inner flip-chip contacts and / or bond-connecting wires as connecting elements in an adhesion-promoting layer.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung bezieht sich auf einen .Sys¬ temträger mit mehreren nacheinander und/oder hintereinander in Zeilen und/oder Spalten angeordneten Halbleiterbauteilpo¬ sitionen. Derartige Systemträger dienen der Aufnahme von Halbleiterbauteilkomponenten auf eine räumliche Verdrahtungs- struktur mit Chipanschlussflächen für Halbleiterchips und Kontaktanschlussflächen für elektrische Verbindungen zu E- lektroden des Halbleiterchips. Die Oberflächen des erfin¬ dungsgemäßen Systemträgers weisen selektiv ein Halbleiter- und/oder Metalloxid einer reaktiven Verbindung aus Sauerstoff und metallorganischen Molekülen auf einer Haftvermittler¬ schicht mit mikroporöser Morphologie auf. Die Haftvermittler¬ schicht ihrerseits weist eine Dicke D zwischen 5 nm ≤ D ≤ 300 nm auf. Dabei bleiben die Chipanschlussflächen und die Kon- taktanschlussflächen des Systemträgers frei von der Haftver¬ mittlerschicht.A further aspect of the invention relates to a system carrier with a plurality of semiconductor component positions arranged one after the other and / or one after the other in rows and / or columns. Such system carriers serve to accommodate semiconductor device components on a spatial wiring structure with chip pads for semiconductor chips and contact pads for electrical connections to electrodes of the semiconductor chip. The surfaces of the system carrier according to the invention selectively have a semiconductor and / or metal oxide of a reactive compound of oxygen and organometallic molecules on a primer layer having a microporous morphology. The adhesion promoter layer in turn has a thickness D between 5 nm ≦ D ≦ 300 nm. The chip interfaces and the connec- contact surfaces of the system carrier free from the Haftver¬ middle layer.
Die Haftvermittlerschicht an sich entspricht in ihrer Zusam- mensetzung und in ihrer Morphologie der Haftvermittler¬ schicht, wie sie bereits für das Aufbringen auf Halbleiter¬ bauteilkomponenten im Detail oben beschrieben wurde. Der Sys¬ temträger kann demnach ein Keramiksubstrat oder ein Verdrah¬ tungssubstrat mit strukturierter Metallbeschichtung oder eine Leiterplatte mit strukturierter Beschichtung aufweisen. In allen Fällen kann der Systemträger auf den Oberflächen, die bei der Herstellung der Halbleiterbauteile mit Kunststoffge¬ häusemasse in Berührung kommen, selektiv mit einer erfin¬ dungsgemäßen Haftvermittlerschicht beschichtet sein.The adhesion promoter layer itself corresponds in its composition and in its morphology to the adhesion promoter layer, as has already been described in detail above for application to semiconductor component components. The system carrier can therefore have a ceramic substrate or a wiring substrate with a structured metal coating or a printed circuit board with a structured coating. In all cases, the system carrier can be selectively coated with an adhesion promoter layer according to the invention on the surfaces which come into contact with the plastic housing composition during the production of the semiconductor components.
Insbesondere ist das der Fall, wenn der Systemträger Innen- flachleiter mit Kontaktanschlussflächen und Chipanschlussflä¬ chen aufweist. Diese Kontaktanschlussflächen und/oder Chipan¬ schlussflächen gehen in Außenflachleiter über und werden von einem Flachleiterrahmen des Systemträgers gehalten. Dabei kann der Flachleiterrahmen ein Flachleiterband mit einer Vielzahl hintereinander angeordneter Halbleiterbauteilpositi¬ onen aufweisen.This is the case, in particular, when the system carrier has inner flat conductors with contact pads and chip pads. These contact pads and / or chip connecting surfaces merge into outer flat conductors and are held by a leadframe of the system carrier. In this case, the leadframe can have a flat conductor band with a multiplicity of semiconductor component positions arranged one behind the other.
Die Innenflachleiter weisen auf ihren Oberflächen die Haft¬ vermittlerschicht auf, deren Zusammensetzung und Struktur be¬ reits oben im Detail beschrieben wurde. Jedoch die Kontaktan¬ schlussflächen, die Chipanschlussflächen, die Außenflachlei¬ ter und der Flachleiterrahmen bleiben frei von der Haftver- mittlerschicht. Ein derartiger Systemträger ist ein Vorpro¬ dukt für die Herstellung von Halbleiterbauteilen und kann von Zulieferfirmen der Halbleiterindustrie als Vorprodukt herge¬ stellt werden. Die Möglichkeit des Freibleibens der Oberflä- chen von Kontaktanschlussflächen, Chipanschlussflächen, Au- ßenflachleitern und Flachleiterrahmen kann durch unterschied¬ liche Verfahren erreicht werden, wie sie bspw. in der oben erwähnten Druckschrift US-5,205,036 beschrieben werden. Auf alternative Verfahren wird nachfolgend eingegangen.The inner flat conductors have, on their surfaces, the adhesion promoter layer whose composition and structure have already been described in detail above. However, the contact terminal surfaces, the chip pads, the outer flat conductors and the leadframe remain free of the adhesion promoter layer. Such a system carrier is a preliminary product for the production of semiconductor components and can be produced by suppliers of the semiconductor industry as a precursor. The possibility of reserving the surface surfaces of the contact pads, chip pads, outer flat conductors and leadframe can be achieved by unterschied¬ Liche method, as described, for example, in the above-mentioned document US-5,205,036. Alternative methods will be discussed below.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Systemträ¬ gers mit einer selektiv angeordneter Haftvermittlerschicht weist dieser zu seiner Positionierung in einer Bestückungsma- schine eine Perforation entlang eines Systemträgerrahmens auf. Dieses hat den Vorteil, dass eine Vielzahl von Halblei¬ terbauteilen auf einem derartigen bandförmigen Systemträger automatisiert hergestellt werden kann.In a further preferred embodiment of the system carrier with a selectively arranged adhesion promoter layer, the latter has a perforation along a system carrier frame for its positioning in a placement machine. This has the advantage that a multiplicity of semiconductor components can be produced automatically on such a strip-shaped system carrier.
Darüber hinaus kann der Systemträger vorzugsweise auf denIn addition, the system carrier preferably on the
Kontaktanschlussflächen und den Chipanschlussflächen eine Me- tall-Legierungs-Plattierung aus Silber und/oder einer Lot- Legierung aufweisen. In diesem Fall bleiben die Kontaktan¬ schlussflächen und/oder die Chipanschlussflächen nicht nur frei von Haftvermittlerschicht, sondern sind selbst mit einer einen Löt- oder Bondvorgang fördernden Beschichtung bedeckt.Contact pads and the chip pads have a metal alloy plating of silver and / or a solder alloy. In this case, the contact connection surfaces and / or the chip connection surfaces not only remain free of adhesion promoter layer but are themselves covered by a coating that promotes a soldering or bonding process.
Der Systemträger selbst weist in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung Reinstkupfer und/oder eine Kup- ferlegierung auf, welche durch ihre hohe elektrische Leitfä¬ higkeit von Vorteil sind.The system carrier itself has in a further preferred embodiment of the invention pure copper and / or a copper alloy, which are due to their high electrical conductivity Leitfä¬ advantage.
Ein Verfahren zur Herstellung eines Systemträgers für Halb¬ leiterbauteile weist die nachfolgenden Verfahrensschritte auf. Zunächst wird eine Substratplatte, die mindestens eine Metalloberfläche aufweist zu einem Systemträger strukturiert. Bei der Strukturierung wird eine Mehrzahl aufeinander folgen¬ der Muster zur Aufnahme von Halbleiterbauteilkomponenten in Halbleiterbauteilpositionen erzeugt. Anschließend werden die Oberflächen des Systemträgers, die mit einer Kunststoffgehäu¬ semasse bei der Fertigung von Halbleiterbauteilen eine Grenz¬ fläche bilden, mit einer Haftvermittlerschicht beschichtet.A method for producing a system carrier for semiconducting components comprises the following method steps. First, a substrate plate having at least one metal surface is patterned into a system carrier. In the structuring, a plurality of successive patterns for accommodating semiconductor device components is formed Semiconductor device positions generated. Subsequently, the surfaces of the system carrier, which form a boundary surface with a plastic casing in the production of semiconductor components, are coated with an adhesion promoter layer.
Bei der Beschichtung entsteht eine mikroporöse Morphologie der Halbleitervermittlerschicht, die Halbleiter- und/oder Me¬ talloxide einer reaktiven Verbindung aus Sauerstoff und me¬ tallorganischen Molekülen aufweist. Diese Haftvermittler- schicht wird in einer mittleren Dicke D zwischen 5 nm ≤ D ≤ 300 nm aufgebracht. Bei dieser Beschichtung scheiden sich auf den Oberflächen des Systemträgers Halbleiteroxide bzw. Me¬ talloxide ab. Diese Halbleiteroxide bzw. Metalloxide bilden nur in unmittelbarer Nähe der zu beschichteten Oberflächen eine wenige nanometerdicke geschlossene Schicht, die gleich¬ zeitig die Oberflächen vor Erosion und Korrosion schützt. Mit dicker werdender Beschichtung nimmt die Porendichte zu, so- dass eine mikroporöse Morphologie auftritt, die eine hohe Af¬ finität zur Kunststoffgehäusemasse und eine hohe Adhäsion mit der Kunststoffgehäusemasse ausbilden kann. Der Beschichtungs- vorgang selbst kann durch Einleiten von Butan oder Propan mit Sauerstoff in einem Reaktionsraum, dem die metallorganischen Moleküle zugeführt werden, beschleunigt werden.During the coating, a microporous morphology of the semiconductor mediator layer is produced, which comprises semiconducting and / or metal oxides of a reactive compound of oxygen and organometallic molecules. This adhesion promoter layer is applied in a mean thickness D between 5 nm ≦ D ≦ 300 nm. In this coating, semiconductor oxides or metal oxides are deposited on the surfaces of the system carrier. These semiconductor oxides or metal oxides form a closed layer only a few nanometers thick in the immediate vicinity of the surfaces to be coated, which at the same time protects the surfaces against erosion and corrosion. With a thickening coating, the pore density increases, so that a microporous morphology occurs, which can form a high affinity for the plastic housing composition and a high adhesion to the plastic housing composition. The coating process itself can be accelerated by introducing butane or propane with oxygen in a reaction space to which the organometallic molecules are supplied.
Vorzugsweise wird als metallorganisches Molekül ein Tetra- methylsilan und Derivaten des Tetramethylsilans vorzugsweise Tetraethylensilan, das eine Summenformel von SiC4H3^ aufweist, eingesetzt. Unter Zugabe von Propan mit der Summenformel C3H8 und Sauerstoff O2 werden auf den Oberflächen Silikate SiOx abgeschieden, während sich die flüchtigen Reaktionsprodukte Kohlendioxid und Wasser bilden und entweichen. Vorzugsweise wird beim Beschichten der Oberflächen des Sys¬ temträgers eine flammpyrolytische Abscheidung durchgeführt. Eine flammpyrolytische Abscheidung hat den Vorteil, dass die oben erwähnten Reaktionsprodukte in einem Brenngasstrom ent- stehen, aus dem sich Halbleiteroxide und/oder Metalloxide der metallorganischen Verbindung auf den Oberflächen des System¬ trägers niederschlagen. Prinzipiell kann diese pyrolytische Abscheidung unabhängig vom Material der Oberflächen erfolgen. Somit ist die Flammpyrolyse einfach und universell anwendbar. Da nur eine sehr dünne Schicht aufzutragen ist, die vorzugs¬ weise eine Dicke zwischen 5 und 40 nm aufweist, sind auch die Materialkosten äußerst gering. Weiterhin hat die Flammpyroly¬ se den Vorteil, dass die Temperatur der Oberflächen der Halb¬ leiterbauteilkomponenten nicht wesentlich zunimmt und unter geeigneten Prozessbedingungen vorzugsweise unter 1000C gehal¬ ten werden kann, zumal die Oberflächen nur für Sekunden mit der Flamme der Beschichtungsanlage in Berührung kommen.The organometallic molecule used is preferably a tetramethylsilane and derivatives of tetramethylsilane, preferably tetraethylenesilane, which has a molecular formula of SiC 4 H 3 . With the addition of propane with the empirical formula C 3 H 8 and oxygen O 2, silicates SiO x are deposited on the surfaces, while the volatile reaction products form carbon dioxide and water and escape. Preferably, a flame-pyrolytic deposition is carried out during the coating of the surfaces of the system carrier. A flame-pyrolytic deposition has the advantage that the above-mentioned reaction products are formed in a fuel gas stream from which semiconductor oxides and / or metal oxides of the organometallic compound are deposited on the surfaces of the system carrier. In principle, this pyrolytic deposition can take place independently of the material of the surfaces. Thus, the flame pyrolysis is simple and universally applicable. Since only a very thin layer is to be applied, which preferably has a thickness between 5 and 40 nm, the material costs are also extremely low. Further, se the advantage that the temperature of the surfaces of the Halb¬ conductor device components is not substantially increased and can be ten preferably gehal¬ under suitable process conditions below 100 0 C, the Flammpyroly¬, especially since the surfaces are only for a few seconds with the flame of the coating unit into contact ,
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des Verfahrens wer- den zur flammpyrolytischen Beschichtung eine organometalli- sche Verbindung eines Halbleiterelementes oder eines Metall¬ elementes und eine sauerstoffhaltige Verbindung mit einem Brenngas einer Beschichtungsanlage zugeführt, wobei sich Halbleiter- oder Metalloxide als Reaktionsprodukte der einge- leiteten Verbindungen auf den frei liegenden Oberflächen des Systemträgers allseitig abscheiden. Zur allseitigen Abschei¬ dung werden vorzugsweise ein Ringbrenner eingesetzt, bei dem ein Flammenring erzeugt wird durch den der Systemträger ge¬ führt wird.In a preferred embodiment of the method, an organometallic compound of a semiconductor element or of a metal element and an oxygen-containing compound with a fuel gas are fed to a coating plant for the flame-pyrolytic coating, with semiconductor or metal oxides being used as reaction products of the compounds introduced Separate freely lying surfaces of the system carrier on all sides. For all-round deposition, a ring burner is preferably used in which a flame ring is produced by which the system carrier is guided.
In einer weiteren bevorzugten Durchführung des Verfahrens werden vor dem Beschichten des Systemträgers mit Haftvermitt¬ ler freizuhaltende Oberflächenbereiche mit einer Schutz- schicht bedeckt. Nach dem Beschichten kann diese Schutz¬ schicht in vorteilhafter Weise zum Aufquellen gebracht wer¬ den, sodass sie mit der sich überlagernden Haftvermittler¬ schicht an den freizuhaltenden Oberflächenbereichen entfernt werden kann.In a further preferred implementation of the method, surface areas to be kept free with adhesion promoter prior to coating of the system carrier are coated with a protective coating. layer covered. After coating, this protective layer can advantageously be swelled, so that it can be removed with the overlapping adhesive layer on the surface areas to be kept free.
In einer weiteren bevorzugten Durchführung des Verfahrens werden die freizuhaltenden Oberflächenbereiche erst nach dem Beschichten der Oberflächen des Systemträgers mit Haftver- mittler wieder freigelegt. Bei diesem Verfahren können vor dem Freilegen die Oberflächenbereiche geschützt werden, auf denen der Haftvermittler verbleiben soll. Das Freilegen kann mittels Laserabtrag oder mittels Plasmaätzverfahren erfolgen.In a further preferred implementation of the method, the surface areas to be kept free are only exposed again after the surfaces of the system carrier have been coated with adhesion promoter. In this method, before the exposure, the surface areas are to be protected on which the bonding agent should remain. The exposure can be done by laser ablation or by plasma etching.
Ein Verfahren zur Herstellung mehrerer Halbleiterbauteile un¬ ter Verwendung eines Systemträgers mit mehreren Halbleiter¬ bauteilpositionen weist zusätzlich die nachfolgenden Verfah¬ rensschritte auf. Zunächst wird ein Systemträger mit selektiv aufgebrachter Haftvermittlerschicht auf seinen Oberflächen bereitgestellt. Die Selektivität bezieht sich darauf, dass nur die Oberflächenbereiche des Systemträgers mit einer Haft¬ vermittlerschicht bedeckt werden, die eine Grenzschicht mit einer Kunststoffgehäusemasse bilden sollen. Kontaktanschluss¬ flächen für elektrische Verbindungen und/oder Chipanschluss- flächen zum Kontaktieren eines Halbleiterchips sind hingegen von der Haftvermittlerschicht freigehalten.A method for producing a plurality of semiconductor components using a system carrier having a plurality of semiconductor component positions additionally has the following method steps. First, a system carrier with selectively applied adhesion promoter layer is provided on its surfaces. The selectivity refers to the fact that only the surface areas of the system carrier are covered with a bonding agent layer which is intended to form a boundary layer with a plastic housing composition. Contact connection surfaces for electrical connections and / or chip connection surfaces for contacting a semiconductor chip, on the other hand, are kept free of the adhesion promoter layer.
Auf einen derartigen Systemträger werden nun die Halbleiter¬ bauteilkomponenten, wie Halbleiterchips, in den Halbleiter- bauteilpositionen unter Verbinden der Halbleiterchips mit Kontaktanschlussflächen des Systemträgers über elektrische Verbindungselemente aufgebracht. Nach dem Aufbringen sämtli¬ cher Halbleiterbauteilkomponenten auf dem Systemträger, wer- den die Halbleiterbauteilkomponenten in eine Kunststoffgehäu- semasse eingebettet. Abschließend kann dann der Systemträger in einzelne Halbleiterbauteile aufgetrennt werden.The semiconductor component components, such as semiconductor chips, in the semiconductor component positions are then applied to such a system carrier by connecting the semiconductor chips to contact pads of the system carrier via electrical connection elements. After applying all the semiconductor device components on the system carrier, the semiconductor device components embedded in a Kunststoffgehäu- semasse. Finally, the system carrier can then be separated into individual semiconductor components.
Der Systemträger selbst kann bei diesem Verfahren eine Lei¬ terplatte mit Metallstruktur sein oder eine mehrlagige Kera¬ mikplatte oder ein metallischer Flachleiterrahmen. Der Vor¬ teil dieses Verfahrens ist, dass das Aufbringen der Haftver¬ mittlerschicht unabhängig von dem Material der Halbleiterbau- teilkomponenten ist. So können metallische Flipchip-Kontakte, wie auch metallische Bonddrähte, genauso mit einer Haftver¬ mittlerschicht pyrolytisch versehen werden, wie die Oberflä¬ chen des Halbleiterchips und die Oberflächen des Systemträ¬ gers. Diese Eigenschaft der Haftvermittlerschicht und des py- rolytischen Verfahrens werden insbesondere dann angewandt, wenn vor dem Einbetten der Halbleiterbauteilkomponenten in eine Kunststoffgehäusemasse die noch nicht beschichteten O- berflächen von Halbleiterbauteilkomponenten ebenfalls mit dem Haftvermittler beschichtet werden sollen.In this process, the system carrier itself may be a printed circuit board with a metal structure or a multilayer ceramic plate or a metallic leadframe. The advantage of this method is that the application of the adhesion promoter middle layer is independent of the material of the semiconductor component parts. Thus, metal flip-chip contacts, as well as metallic bonding wires, can also be pyrolytically provided with an adhesion-promoting middle layer, such as the surfaces of the semiconductor chip and the surfaces of the system carrier. This property of the adhesion promoter layer and of the pyrolysis process are used in particular if the not yet coated surfaces of semiconductor component components are likewise to be coated with the adhesion promoter before the semiconductor device components are embedded in a plastic housing composition.
Bei einem alternativen Verfahren zur Herstellung von Halblei¬ terbauteilen unter Verwendung eines Systemträgers kann auch ein Systemträger eingesetzt werden, der zunächst keinerlei Haftvermittlerschicht aufweist. Auf diesen werden in einem ersten Schritt Halbleiterbauteilkomponenten, wie Halbleiter¬ chips, in Halbleiterbauteilpositionen unter Verbinden der Halbleiterchips mit Kontaktanschlussflächen des Systemträgers für elektrische Verbindungen aufgebracht. Erst danach wird eine Haftvermittlerschicht auf sämtliche Oberflächen der Halbleiterbauteilkomponenten aufgebracht, die in eine Kunst¬ stoffgehäusemasse eingebettet werden sollen. Dazu weist die Haftvermittlerschicht die oben erwähnten Eigenschaften in Be¬ zug auf die mittlere Dicke D und Porosität auf. Anschließend werden die nun mit einer Haftvermittlerschicht versehenen Halbleiterbauteilkomponenten in eine Kunststoffgehäusemasse eingebettet.In an alternative method for the production of semiconductor components using a system carrier, it is also possible to use a system carrier which initially has no adhesion promoter layer. In a first step, semi-conductor component components, such as semiconductor chips, are applied to the latter in semiconductor device positions with the semiconductor chips being connected to contact pads of the system carrier for electrical connections. Only then is an adhesion promoter layer applied to all surfaces of the semiconductor device components which are to be embedded in a plastic housing composition. For this purpose, the adhesion promoter layer has the abovementioned properties with respect to the average thickness D and porosity. Subsequently The semiconductor device components now provided with an adhesion promoter layer are embedded in a plastic housing composition.
Abschließend kann der Systemträger in einzelne Halbleiterbau¬ teile aufgetrennt werden. Bei diesem Verfahren obliegt es dem Halbleiterhersteller, auf einem konventionellen Trägersub¬ strat zunächst die gesamten Halbleiterbauteilkomponenten zu montieren und dann selber die Haftvermittlerschicht auf die Oberflächen dieser Halbleiterbauteilkomponenten aufzubringen. Ein Vorteil dieses alternativen Verfahrens ist es, dass keine der mit einer Kunststoffgehäusemasse zu bedeckenden Oberflä¬ chen frei von einer Haftvermittlerschicht sind.Finally, the system carrier can be separated into individual semiconductor components. In this method, it is up to the semiconductor manufacturer to first mount the entire semiconductor device components on a conventional carrier substrate and then to apply the adhesion promoter layer itself to the surfaces of these semiconductor device components. An advantage of this alternative method is that none of the surfaces to be covered with a plastic housing composition are free of a bonding agent layer.
Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Figuren näher erläutert.The invention will now be explained in more detail with reference to the accompanying figures.
Figur 1 zeigt eine Raster-Elektronenmikroskopaufnahme einerFIG. 1 shows a scanning electron micrograph of a
Haftvermittlerschicht auf einem metallischen System- träger eines Halbleiterbauteils;Adhesive layer on a metallic system carrier of a semiconductor device;
Figur 2 zeigt ein Reaktionsschema eines flammpyrolytischen Beschichtens von Oberflächen von Halbleiterbauteil¬ komponenten mit einem Haftvermittler, der Silikate aufweist;FIG. 2 shows a reaction scheme of a flame-pyrolytic coating of surfaces of semiconductor components with an adhesion promoter comprising silicates;
Figur 3 zeigt ein schematisches Diagramm der Zusammensetzung einer Haftvermittlerschicht auf einem Kupfersystem¬ träger gemäß Figur 1;FIG. 3 shows a schematic diagram of the composition of a primer layer on a copper system carrier according to FIG. 1;
Figur 4 zeigt ein schematisches Diagramm einer Analyse derFIG. 4 shows a schematic diagram of an analysis of FIG
Zusammensetzung der Haftvermittlerschicht gemäß Figur 1; Figur 5 zeigt ein schematisches Diagramm der Scherfestigkeit in der Grenzschicht zwischen Systemträgermaterial und Kunststoffgehäusemasse ohne und mit Haftvermittler- schicht;Composition of the adhesion promoter layer according to FIG. 1; FIG. 5 shows a schematic diagram of the shear strength in the boundary layer between system carrier material and plastic housing composition without and with adhesion promoter layer;
Figur 6 zeigt einen schematischen Querschnitt eines in eine Kunststoffgehäusemasse eingebetteten beidseitig be¬ schichteten Innenflachleiters;FIG. 6 shows a schematic cross-section of an inner flat conductor embedded in a plastic housing composition, coated on both sides;
Figur 7 zeigt einen schematischen Querschnitt eines Verdrah¬ tungssubstrats aus einer isolierenden Leiterplatte mit einer strukturierten Metallbeschichtung und einer Haftvermittlerschicht/FIG. 7 shows a schematic cross section of a wiring substrate made of an insulating printed circuit board with a structured metal coating and a bonding agent layer.
Figur 8 zeigt eine schematische Draufsicht auf einen metalli¬ schen Systemträger, dessen Oberfläche teilweise mit einer Haftvermittlerschicht versehen ist;FIG. 8 shows a schematic plan view of a metallic system carrier whose surface is partially provided with a bonding agent layer;
Figur 9 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Halb¬ leiterbauteil mit Halbleiterbauteilkomponenten, deren Oberflächen eine Haftvermittlerschicht aufweisen.FIG. 9 shows a schematic cross section through a semiconductor device with semiconductor device components whose surfaces have an adhesion promoter layer.
Figur 1 zeigt eine Raster-Elektronenmikroskopaufnahme einer Haftvermittlerschicht 5 auf einem metallischen Systemträger 20 eines Halbleiterbauteils. Die Haftvermittlerschicht 5 weist eine mittlere Dicke D auf, die zwischen 5 und 300 nm liegt und in der dargestellten Ausführungsform der Erfindung eine bevorzugte Dicke, die zwischen 5 und 40 nm schwankt, aufweist. Die unteren 5 bis 10 nm der Haftvermittlerschicht 5 bedecken die Oberfläche 4 dieser metallischen Halbleiterbau¬ teilkomponente 3 in einer vollständig geschlossenen Morpholo- gie, sodass die Oberfläche 4 vor einer Grenzflächenkorrosion und -erosion geschützt ist.FIG. 1 shows a scanning electron micrograph of a bonding agent layer 5 on a metallic system carrier 20 of a semiconductor component. The adhesion promoter layer 5 has an average thickness D which is between 5 and 300 nm and, in the illustrated embodiment of the invention, has a preferred thickness which varies between 5 and 40 nm. The lower 5 to 10 nm of the adhesion promoter layer 5 cover the surface 4 of this metallic semiconductor component 3 in a completely closed morpholino. so that the surface 4 is protected from interfacial corrosion and erosion.
Oberhalb dieses Bereichs zwischen 5 und 10 nm nimmt die Poro- sität der Haftvermittlerschicht 5 zu und weist im obersten Bereich eine mikroporöse Morphologie 6 auf. Diese mikroporöse Morphologie 6 der Haftvermittlerschicht 5 unterstützt die Verzahnung mit einer auf die Oberfläche 4 aufzubringenden Kunststoffgehäusemasse. Außerdem fördert diese mikroporöse Morphologie 6 der Haftvermittlerschicht 5 das Bilden chemi¬ scher Brücken zwischen der Kunststoffgehäusemasse und der Haftvermittlerschicht 5. Die Haftvermittlerschicht 5 bildet dabei eine Art Gel-Struktur aus, welche die Kunststoffgehäu¬ semasse oberflächlich penetriert und so eine elastische Über- gangsschicht zwischen dem Systemträger 20 und der nicht ge¬ zeigten Kunststoffgehäusemasse ausbildet. Diese Übergangs¬ schicht zwischen mikroporöser Morphologie 6 der Haftvermitt¬ lerschicht 5 und der Kunststoffgehäusemasse sorgt für einen Ausgleich der thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem metallischen. Systemträgermaterial und dem polymerenAbove this range between 5 and 10 nm, the porosity of the adhesion promoter layer 5 increases and has a microporous morphology 6 in the uppermost region. This microporous morphology 6 of the adhesion promoter layer 5 supports the toothing with a plastic housing composition to be applied to the surface 4. In addition, this microporous morphology 6 of the adhesion promoter layer 5 promotes the formation of chemical bridges between the plastic housing composition and the adhesion promoter layer 5. The adhesion promoter layer 5 forms a type of gel structure which superficially penetrates the plastic housing and thus forms an elastic transition layer between the system carrier 20 and the not ge showed plastic housing composition forms. This transition layer between the microporous morphology 6 of the adhesion promoter layer 5 and the plastic housing composition provides for a compensation of the thermal expansion coefficients between the metallic layer. System carrier material and the polymeric
Kunststoff der Kunststoffgehäusemasse. Der in Figur 1 gezeig¬ te Ausschnitt eines Systemträgers 20 stellt einen Oberflä¬ chenbereich eines Innenflachleiters 10 dar.Plastic the plastic housing compound. The section of a system carrier 20 shown in FIG. 1 represents a surface area of an inner flat conductor 10.
Figur 2 zeigt ein Reaktionsschema eines flammpyrolytischenFigure 2 shows a reaction scheme of a flame pyrolytic
Beschichtens von Oberflächen von Halbleiterbauteilkomponenten mit einem Haftvermittler, der Silikate aufweist. Um derartige Silikate als SiOx zu bilden, wird einer Flammbeschichtungsan- lage eine metallorganische Verbindung in Form eines Tetra- methylsilan und Derivaten des Tetramethylsilans vorzugsweise Tetraethylensilan, das eine Summenformel von SiCeHi2 aufweist, zugeführt. Dieses Tetraethylensilan weist als zentrales Me- Atom ein Siliciumatom Si auf, das von vier organischen Ethyl- molekülen -CH3 umgeben ist, wie es auf der linken Seite der Figur 2 gezeigt wird.Coating surfaces of semiconductor device components with an adhesion promoter comprising silicates. In order to form such silicates as SiO x , an organometallic compound in the form of a tetramethylsilane and derivatives of tetramethylsilane, preferably tetraethylenesilane, which has a molecular formula of SiCeHi 2 , is fed to a flame coating system. This tetraethylenesilane has as its central Me atom a silicon atom Si which is composed of four organic ethyl- molecules -CH 3 , as shown on the left side of FIG.
In der Beschichtungsanlage wird das Tetraethylensilan SiC4Hi2 bspw. mit einem Propangas der Summenformel C3H8 und mit Sau¬ erstoff 13O2 gemischt und verbrannt, wobei als Reaktionspro¬ dukte flüchtiges Kohlendioxid 7CO2 und Wasser 10H2O entsteht und sich SiOx-Silikate, vorzugsweise Siliciumdioxid SiO2, auf der Oberfläche der zu beschichtenden Halbleiterbauteilkompo- nente abscheiden. Durch eine strichpunktierte Linie getrennt ist in Figur 2 eine weitere Reaktionsmöglichkeit dargestellt, bei der anstelle des Propans mit einer Summenformel C3H8 Bu¬ tan mit der Summenformel C3H10 zugeführt wird. In diesem Falle können zwei Tetraethylensilanmoleküle mit zwei Butanmolekülen und neunundzwanzig 02-Molekülen zu sich abscheidendem SiOx- Silikat und zu dem flüchtigen Kohlendioxid I6CO2, sowie zu flüchtigem Wasser 22H2O in der Butanflamme reagieren. Anstel¬ le von Butan C4H10 kann auch Methan mit der Summenformel CH4 für die Flammpyrolyse eingesetzt werden.In the coating plant, the tetraethylenesilane SiC 4 Hi 2 is mixed, for example, with a propane gas of the empirical formula C 3 H 8 and with oxygen 13O 2 and burnt, the reaction products being formed with volatile carbon dioxide 7CO 2 and water 10H 2 O and SiO x- silicates, preferably silicon dioxide SiO 2 , on the surface of the semiconductor device component to be coated. Separated by a dashed line is shown in Figure 2, another reaction option in which instead of the propane with a molecular formula C 3 H 8 Bu¬ tan with the empirical formula C 3 H1 0 is supplied. In this case, two tetraethylene silane molecules can react with two butane molecules and twenty-nine 0 2 molecules to precipitate SiO x silicate and to the volatile carbon dioxide I 6 CO 2 , as well as to volatile water 22H 2 O in the butane flame. Instead of butane C 4 H 10, it is also possible to use methane with the empirical formula CH 4 for flame pyrolysis.
Mit einer derartigen Flammpyrolyse wird auf den eingebrachten Halbleiterbauteilkomponenten eine SiOx-Schicht als Haftver¬ mittlerschicht abgeschieden. Die notwendige mittlere Schicht¬ dicke beträgt nur 5 bis 40 nm und kann bis zu 300 nm falls erforderlich abgeschieden werden. Eine Erhitzung der Halblei¬ terbauteilkomponenten lässt sich durch einen periodischen Prozess der Beschichtung auf weniger als 1000C reduzieren. Die effektive Beflammungszeit liegt im Sekundenbereich. Mit einer derartigen Flammbeschichtung ist auch gleichzeitig eine Oberflächenreinigung und eine Oberflächenaktivierung verbun¬ den, sodass sich die abgeschiedenen Silikate mit der, in die¬ sem Fall metallischen Oberfläche eng verbinden. Die frei ge¬ setzten Reaktionsprodukte, wie Siliciumdioxid in amorpher Form, sowie das flüchtige Wasser und das flüchtige Kohlendi¬ oxid können weitestgehend umweltfreundlich entsorgt werden, indem die flüchtigen Komponenten in Wasser eingeleitet werden und das überschüssige Siliciumdioxid aufgefangen oder ausge- fällt wird.With such a flame pyrolysis, an SiO x layer is deposited on the introduced semiconductor device components as an adhesion-promoting middle layer. The necessary average Schicht¬ thickness is only 5 to 40 nm and can be deposited up to 300 nm, if necessary. Terbauteilkomponenten heating of the Halblei¬ the coating to less than 100 0 C can be reduced by a periodic process. The effective flame time is in the range of seconds. Surface cleaning and surface activation are simultaneously combined with such a flame coating so that the deposited silicates closely bond to the surface which is metallic in this case. The free ge set reaction products, such as silica in amorphous Form, as well as the volatile water and the volatile Kohlendi¬ oxide can be disposed of as environmentally friendly as possible by the volatile components are introduced into water and the excess silica is collected or precipitated.
Figur 3 zeigt ein schematisches Diagramm der Zusammensetzung einer Haftvermittlerschicht auf einem Kupfersystemträger ge¬ mäß Figur 1. Die Untersuchung von wenigen nanometerdicken Haftvermittlerschichten erfolgt, wie das Diagramm der Figur 3 zeigt, durch Zerstäuben der Haftvermittlerschicht und der Oberflächen des darunter angeordneten Kupfers. Die Zerstäu- bungs- oder Sputterzeit kann auf der Abszisse des Diagramms als Messwert der Schichtdicke aufgetragen werden, während gleichzeitig die Atomkonzentration in Prozent auf der Ordina¬ te aufgetragen wird. Die Atomkonzentration in Prozent kann mittels Analyse der zerstäubten Materialien bestimmt werden. Wie das Diagramm der Figur 3 zeigt, wird in der ersten Minute nahezu reines Siliciumdioxid zerstäubt, was an der Atomkon- zentration in Prozent ersichtlich ist. In den anschließenden zwei Minuten geht die Zusammensetzung des zerstäubten Materi¬ als von einem reinen Siliciumdioxid in eine überwiegende Zu¬ sammensetzung aus Kupfer über, sodass nach bereits fünf Minu¬ ten nur noch Kupfer zerstäubt wird.FIG. 3 shows a schematic diagram of the composition of an adhesion promoter layer on a copper system carrier according to FIG. 1. The investigation of a few nanometer thick adhesion promoter layers takes place, as the diagram of FIG. 3 shows, by sputtering of the adhesion promoter layer and the surfaces of the copper arranged underneath. The atomization or sputtering time can be plotted on the abscissa of the diagram as a measured value of the layer thickness, while at the same time the atomic concentration in percent is plotted on the ordinal. The atomic concentration in percent can be determined by analyzing the sputtered materials. As the diagram of FIG. 3 shows, almost pure silicon dioxide is atomized in the first minute, which is evident from the atomic concentration in percent. In the subsequent two minutes, the composition of the atomized material changes from a pure silicon dioxide into a predominant composition of copper, so that after only five minutes, only copper is atomised.
Figur 4 zeigt ein schematisches Diagramm einer Analyse der Zusammensetzung der Haftvermittlerschicht gemäß Figur 1. Wäh¬ rend der Zerstäubung kann durch Messung der genetischen Ener¬ gie in Elektronenvolt eV, wie es Figur 4 zeigt, die Art der zerstäubten Atome festgestellt werden. Dabei werden analyti¬ sche Signalspitzen auf der Ordinate aufgetragen und die er¬ mittelte kinetische Energie in eV auf der Abszisse. Auch hier wird deutlich, dass das am Anfang des Sputter- oder Zerstäu- bungsvorgangs zerstäubte Material der Haftvermittlerschicht aus Silicium und Sauerstoff zusammensetzt.FIG. 4 shows a schematic diagram of an analysis of the composition of the adhesion promoter layer according to FIG. 1. During the atomization, the type of atomized atoms can be determined by measuring the genetic energy in electron volts eV, as shown in FIG. Analytical signal peaks are plotted on the ordinate and the determined kinetic energy in eV on the abscissa. Again, it becomes clear that at the beginning of the sputtering or atomization sputtered material of the adhesion promoter layer of silicon and oxygen.
Figur 5 zeigt ein schematisches Diagramm der Scherfestigkeit in der Grenzschicht zwischen Systemträgermaterial und Kunst¬ stoffgehäusemasse ohne und mit Haftvermittlerschicht. Dazu sind auf der Abszisse die unterschiedlichsten Materialien und Oberflächen aufgetragen und auf der Ordinate die Scherkraft in Kilogramm. Die Scherkraft wird hier zwischen einer Kunst- stoffgehäusemasse und den auf der Abszisse angegebenen Mate¬ rialien untersucht. Für jedes der Materialien in diesem Falle Kupfer Cu und einer Nickel/Nickelphosphorbeschichtung Ni/NiP, wie sie häufig bei Halbleiterbauteilkomponenten als diffusi- onshemmende Beschichtung eingesetzt wird, zeigt jeweils zwei Messbalken, wobei ein Messbalken den normalen Anfangszustand darstellt und der zweite Messbalken die Scherfestigkeit der Verbindung nach einer Vorkonditionierung bei 2600C und nach einer zyklischen, thermischen Belastung zwischen -550C und 1500C darstellt. Die erste Balkengruppe zeigt, dass die Scherkraft bei Abscherversuchen zwischen Kunststoffpressmasse und einer Kupferoberfläche ohne Haftvermittlerbeschichtung anfangs relativ hoch ist, jedoch nach thermischer Belastung auf fast ein Drittel absinkt.FIG. 5 shows a schematic diagram of the shear strength in the boundary layer between system carrier material and plastic housing composition without and with adhesion promoter layer. For this purpose, the abscissa is a variety of materials and surfaces applied and on the ordinate the shear force in kilograms. The shear force is examined here between a plastic housing composition and the materials indicated on the abscissa. For each of the materials in this case copper Cu and a Ni / NiP nickel / nickel phosphor coating, which is often used as a diffusion-inhibiting coating in semiconductor device components, shows two measuring bars each, one measuring bar representing the normal initial state and the second measuring bar the shear strength of the Compound after a preconditioning at 260 0 C and after a cyclic thermal load between -55 0 C and 150 0 C represents. The first group of bars shows that the shearing force at shear tests between plastic molding compound and a copper surface without adhesion promoter coating is initially relatively high, but drops to almost one third after thermal stress.
Dem gegenüber wird mit der zweiten Balkengruppe gezeigt, dass die Scherfestigkeit eines Halbleiterbauteilelementes aus Kup¬ fer mit einem Haftvermittler aus Siliciumdioxid bzw. Silika¬ ten bereits in der Anfangsphase ohne thermische Belastung hö¬ her liegt als bei einem Kupferelement ohne diese Haftvermitt- lerschicht. Dieser hohe Wert wird fast beibehalten, selbst wenn thermisch die Grenzschicht stark belastet wurde. Noch deutlicher wird die positive Wirkung der Haftvermittler¬ schicht bei diffusionshemmenden Beschichtungen aus Ni/NiP, bei denen die Scherkraft ohne jede Haftvermittlerschicht äu¬ ßerst gering ist und unter 10 kg liegt, während mit Haftver¬ mittlerschicht Werte über 100 kg im Anfangsstadium und nach thermischer Belastung sogar Werte über 200 kg erreicht wer- den.On the other hand, it is shown with the second beam group that the shear strength of a semiconductor device element made of copper with an adhesion promoter of silicon dioxide or silica is higher in the initial phase without thermal stress than in the case of a copper element without this adhesion promoter layer. This high value is almost retained, even if thermally the boundary layer was heavily loaded. The positive effect of the adhesion promoter layer on diffusion-inhibiting coatings of Ni / NiP becomes even clearer, in which the shear force without any adhesion promoter layer is extremely low and less than 10 kg, while with adhesion-promoting middle layer values above 100 kg in the initial stage and after thermal stress even values above 200 kg are achieved.
Figur 6 zeigt einen schematischen Querschnitt einer Kunst- stoffgehäusemasse 2 eingebetteten beidseitig beschichteten Innenflachleiters 10. Dieser schematische Querschnitt zeigt nicht die wahren Dickenverhältnisse zwischen der mittlerenFIG. 6 shows a schematic cross-section of a plastic housing composition 2 embedded inside flat conductor 10 coated on both sides. This schematic cross section does not show the true thickness ratios between the middle one
Dicke D der Haftvermittlerschicht 5 und der Dickenerstreckung des Innenflachleiters 10. Derartige Innenflachleiter 10 kön¬ nen eine Dicke in der Größenordnung von Millimetern aufwei¬ sen, während die mittlere Dicke D der haftvermittelnden Schicht 5 im Bereich von einigen 5 Nanometern liegen. Wird anstelle des Innenflachleiters 10 ein Bonddraht 14 mit einer Haftvermittlerschicht 5 umgeben, so sind auch in diesem Fall die Dickenunterschiede beträchtlich, da Bonddrähte 14 als Verbindungselemente 13 einen Durchmesser von mehr als 10 μm aufweisen.Such inner flat conductors 10 can have a thickness of the order of magnitude of millimeters, while the mean thickness D of the adhesion-promoting layer 5 is in the range of a few 5 nanometers. If, instead of the inner flat conductor 10, a bonding wire 14 is surrounded by a bonding agent layer 5, then the differences in thickness are considerable in this case too, since bonding wires 14, as connecting elements 13, have a diameter of more than 10 μm.
Auch die Oberfläche 4, die hier als gerade Linie und Grenz¬ fläche gezeigt wird, ist wie die Untersuchungen und Ergebnis¬ se der Diagramme der Figuren 3 und 4 zeigen, nicht glatt und gerade, sondern es bildet sich auch hier ein Übergang von ei¬ nigen Nanometern in dem die Zusammensetzung der Haftvermitt¬ lerschicht 5 in die Zusammensetzung des Innenflachleiters 10 übergeht. Die Ursache für einen graduellen Übergang zwischen Haftvermittlerschicht und Metallmaterial liegt in der Akti- vierungswirkung des flammpyrolytischen Beschichtungsprozes- ses, mit dem die Haftvermittlerschicht 5 auf das Material der Halbleiterbauteilkomponente 3 aufgebracht wird. Figur 7 zeigt einen schematischen Querschnitt eines Verdrah¬ tungssubstrats 7 aus einer Leiterplatte 9 mit einer struktu¬ rierten Metallbeschichtung 8 und einer Haftvermittlerschicht 5. Anstelle der Leiterplatte 9 aus einem Epoxidharz kann auch eine Keramikplatte den Systemträger 20 bilden. Die Grenzflä¬ che zwischen Haftvermittlerschicht 5 und Systemträger 20 ■weist somit unterschiedliche Grenzflächenmaterialien auf und zeigt, dass die erfindungsgemäße pyrolytische Abscheidung prinzipiell auf allen Materialien zu einer Haftvermittler- schicht 5 mit mikroporiger Morphologie führt. Somit ist die Haftvermittlerschicht 5 nicht nur für metallische Systemträ¬ ger 20, wie Flachleiterrahmen, einsetzbar, sondern kann auch zur Haftverbesserung der Oberflächen eines Nutzens und der darüber angeordneten Kunststoffgehäusemasse eingesetzt wer- den. Die mikroporiger Morphologie weist neben Kugelgeometrien auch dendritische oder schwammartige Strukturen auf.The surface 4, which is shown here as a straight line and Grenz¬ surface is, as the investigations and results se the diagrams of Figures 3 and 4 show, not smooth and straight, but it also forms a transition of ei¬ here nigen nanometer in which the composition of Haftvermitt¬ lerschicht 5 merges into the composition of the inner flat conductor 10. The cause of a gradual transition between adhesion promoter layer and metal material lies in the activating effect of the flame-pyrolytic coating process with which the adhesion promoter layer 5 is applied to the material of the semiconductor component component 3. FIG. 7 shows a schematic cross-section of a wiring substrate 7 comprising a printed circuit board 9 with a structured metal coating 8 and a bonding agent layer 5. Instead of the printed circuit board 9 made of an epoxy resin, a ceramic plate can also form the system substrate 20. The Grenzflä¬ surface between adhesive layer 5 and system support 20 ■ thus has different interface materials and shows that the pyrolytic deposition inventive principle leads to all materials to an adhesive layer 5 with mikroporiger morphology. Thus, the adhesion promoter layer 5 can not only be used for metallic system carriers 20, such as leadframes, but can also be used to improve the adhesion of the surfaces of a benefit and the plastic housing compound arranged above it. The microporous morphology has not only spherical geometries but also dendritic or sponge-like structures.
Figur 8 zeigt eine schematische Draufsicht auf einen metalli¬ schen Systemträger 20, dessen Oberflächen 19 teilweise mit einer Haftvermittlerschicht 5 versehen sind. Dieser. System¬ träger 20 basiert auf einem Flachleiterrahmen 21, der mehrere Halbleiterbauteilpositionen 23 auf einem Flachleiterband 22 aufweist. Um sicherzustellen, dass beim Bestücken des Flach¬ leiterbandes 22 die Halbleiterchips auf der dafür vorgesehe- nen Chipanschlussfläche 16 positioniert werden können, weist der Flachleiterrahmen 21 eine Perforation 25 auf. Die Ober¬ flächen 24 der Innenflachleiter 10 sind bis auf Kontaktan¬ schlussflächen 17 mit der erfindungsgemäßen Haftvermittler¬ schicht 5 bedeckt, was durch die Schraffur der entsprechenden Flächen verdeutlicht wird.FIG. 8 shows a schematic plan view of a metallic system carrier 20 whose surfaces 19 are partially provided with a bonding agent layer 5. This. System¬ carrier 20 is based on a lead frame 21 having a plurality of semiconductor device positions 23 on a flat conductor ribbon 22. In order to ensure that the semiconductor chips can be positioned on the chip connection surface 16 provided thereon when the flat conductor strip 22 is being fitted, the leadframe 21 has a perforation 25. The upper surfaces 24 of the inner flat conductors 10 are covered, except for contact contact surfaces 17, with the adhesion promoter layer 5 according to the invention, which is illustrated by the hatching of the corresponding surfaces.
Die Kontaktanschlussflächen 17, die von der Haftvermittler¬ schicht 5 frei gehalten werden, sind für das Anbringen von Verbindungselementen in Form von Bonddrähten vorgesehen. Die mit einer Haftvermittlerschicht 5 versehenen Innenflachleiter 10 gehen in Außenflachleiter 11 über, die keine Haftvermitt- lerschicht aufweisen. Somit ergibt sich innerhalb des Flach- leiterrahmens 21 eine räumliche Verdrahtungsstruktur 15 aus Flachleitern 10, 11, die teilweise mit einer Kunststoffgehäu¬ semasse in Berührung kommen werden und teilweise von der Kunststoffgehäusemasse frei bleiben. Die freibleibenden Kon¬ taktanschlussflächen 17 können zur Verbesserung der Bondei- genschaften mit einer entsprechenden Metallplattierung 26, aus bspw. einem Silberlot, versehen sein.The contact pads 17, which are kept free of the bonding agent layer 5, are suitable for attaching Provided connecting elements in the form of bonding wires. The inner flat conductors 10 provided with a bonding agent layer 5 merge into outer flat conductors 11 which do not have an adhesion promoter layer. This results in a flat wiring structure 15 made of flat conductors 10, 11 within the flat conductor frame 21, which will partially come into contact with a plastic housing composition and remain partially free of the plastic housing composition. The remaining contact contact surfaces 17 can be provided with a corresponding metal plating 26, for example of a silver solder, in order to improve the bonding properties.
Figur 9 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Halb¬ leiterbauteil 1 mit Halbleiterbauteilkomponenten 3, deren O- berflächen 4 eine Halbleitervermittlerschicht 5 aufweisen. Bei diesem Halbleiterbauteil ist zur Verbesserung der Ober¬ flächenhaftung zwischen den Oberflächen der Halbleiterbau¬ teilkomponenten 3 der Kunststoffgehäusemasse 2 sämtliche Halbleiterbauteilkomponenten 3 nach ihrem Zusammenbau auf ei- nem Systemträger 20 mit einer flammpyrolytischen Haftvermitt¬ lerschicht 5 versehen worden. Diese flammpyrolytische Be- schichtung ist nicht nur auf metallischen Oberflächen 24 der inneren Flachleiter 10 oder der Verbindungselemente 13 in Form von Bonddrähten 14 möglich, sondern auch auf den Ober- flächen des Halbleiterchips 12 und dessen Elektroden 18. So¬ mit unterscheidet sich das erfindungsgemäße Halbleiterbauteil 1 von Halbleiterbauteilen im Stand der Technik dadurch, dass auch nichtmetallische Oberflächen 4 vollständig von der Haft¬ vermittlerschicht 5 bedeckt sind.FIG. 9 shows a schematic cross-section through a semiconductor device 1 with semiconductor device components 3, the outer surfaces 4 of which have a semiconductor interconnect layer 5. In order to improve the surface adhesion between the surfaces of the semiconductor component parts 3 of the plastic housing composition 2, this semiconductor component has been provided with a flame-pyrolytic adhesion-promoting layer 5 after assembly on a system carrier 20. This flame-pyrolytic coating is possible not only on metallic surfaces 24 of the inner flat conductors 10 or of the connecting elements 13 in the form of bonding wires 14, but also on the surfaces of the semiconductor chip 12 and its electrodes 18. Thus, the semiconductor component according to the invention differs 1 of semiconductor devices in the prior art, characterized in that non-metallic surfaces 4 are completely covered by the Haft¬ mediator layer 5.
Diese gleichmäßige Beschichtung kann in einem Flammrohr oder mittels Hindurchziehen der fertig montierten Halbleiterbau¬ teilkomponenten 3 durch einen Flammring erfolgen, wobei die Verweildauer im Bereich des Flammrohrs bzw. des Flammrings nur wenige Sekunden beträgt. In dem Fall eines Halbleiterbau¬ teils 1, wie es Figur 9 zeigt, werden die Außenflachleiter 11, die nicht mit einer Haftvermittlerschicht versehen werden sollen, durch Aufbringen einer Schutzschicht vor einem Be¬ schichten in dem Flammrohr bzw. dem Ringbrenner geschützt.This uniform coating can take place in a flame tube or by pulling the completely assembled semiconductor component parts 3 through a flame ring, wherein the Residence time in the region of the flame tube or the flame ring is only a few seconds. In the case of a semiconductor component 1, as shown in FIG. 9, the outer flat conductors 11, which are not to be provided with a bonding agent layer, are protected from coating in the flame tube or ring burner by applying a protective layer.
Auf allen Oberflächen 4, 19, 24 die ungeschützt diesem Pro- zess ausgesetzt werden, kann eine deutliche Verbesserung der Pressmassenhaftung der Kunststoffgehäusemasse 2 erreicht wer¬ den. Dazu wird eine metallorganische Verbindung oder eine si- liciumorganische Verbindung in eine Flamme eingespeist und das entstandene Silikat bzw. Metalloxid aus der Gasphase auf den Oberflächen der Halbleiterkomponenten 3 abgeschieden. Der Substratträger kann auch vor dem Zusammenbau der Halbleiter¬ bauteilkomponenten 3 einer Flammpyrolyse unterzogen werden, jedoch muss dann dafür gesorgt werden, dass sowohl die Kon¬ taktanschlussflächen 17 als auch die Chipanschlussflächen 16 des Systemträgers frei von der Beschichtung bleiben. Der Vor- teil dieses Prozesses ist es, dass es sich um einen leicht zu handhabenden Beschichtungsprozess handelt, der allseitig auf die zu verankernden Oberflächen 4 der Halbleiterbauteile an¬ gewendet werden kann. On all surfaces 4, 19, 24 which are exposed unprotected to this process, a significant improvement in the molding compound adhesion of the plastic housing composition 2 can be achieved. For this purpose, an organometallic compound or a silicium organic compound is fed into a flame and the resulting silicate or metal oxide is deposited from the gas phase on the surfaces of the semiconductor components 3. The substrate carrier may also be subjected to flame pyrolysis prior to the assembly of the semiconductor component components 3, but then care must be taken that both the contact pads 17 and the chip pads 16 of the system carrier remain free of the coating. The advantage of this process is that it is an easy-to-handle coating process which can be applied on all sides to the surfaces 4 of the semiconductor components to be anchored.
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