專利名稱：多種材料在電子器件的氣穴封裝中的應用的制作方法
技術領域：
本發明涉及電子包裝領域。電子包裝物可用來封裝和保護半導體電路器件(芯片)，同時提供電連接，使芯片電路與外部組件連在一起，如印刷電路板中的那些組件。具體地，本發明涉及氣穴封裝，在這些封裝中，芯片處于充滿空氣的空穴中，空氣的低介電常數可提高芯片的性能。特別地，本發明意在解決按如下方式密封芯片和氣穴外面的封裝物時碰到的困難，即在生產封裝的高溫下和使用封裝的條件下能保持氣密性。
背景技術：
電子封裝由密封在護套中的芯片組成，引線穿透護套壁，使芯片電路與外部電路，如印刷線路板上的電路實現電連接。本發明研究的封裝是電子工業中所謂的“氣穴封裝”，因為芯片位于護套內部充滿空氣的空穴里，空氣由于介電常數低而充作電絕緣體。當電子器件為微波功率芯片時，這種絕緣能力特別有用。當芯片需要透光性時，如CCD和CMOS器件，氣穴也很有用，因為空氣允許光到達芯片的表面。
當前，芯片采用極度精細的線路和高電流密度，為了達到穩定可靠的性能，封裝必須密封得能抵抗水蒸氣和其他空氣組分的滲入。同時，所述封裝必須能夠散開芯片在使用中產生的熱量。散熱性能常常通過封裝的底部實現，因此，要使用導熱材料，通常為金屬板作為底部，并用高溫導熱焊料，常常為低共熔焊料將芯片連接到底部上。制造封裝時，常常先將側壁連接到金屬板上，形成封裝的主體，側壁有引線穿過。一旦主體形成，就將芯片放置在主體當中，并用焊料固定到底部上。然后用線將芯片電路與引線連接起來，最后用合適的膠粘劑將蓋子固定到主體上，封閉頂部，從而完成封裝。
將芯片固定在封裝底面上所需的焊接溫度較高，這要求封裝的主體由特定材料構成，這種材料能耐高溫，而不會發生開裂、熔化、流動、分解或變形，這些可能危及整個封裝的密封性。當封裝在高瓦特數下使用時，這對封裝壁和蓋子提出了另一個限制條件，因為在使用中它們會產生高溫。由于這些原因，原有技術下的封裝壁和蓋子由陶瓷材料制成。但是陶瓷成本高，當大量生產封裝時，陶瓷占據了封裝生產成本的主要部分。若用塑料代替陶瓷，則成本可顯著降低，但塑料不容易抵擋焊接時的高溫，將芯片焊接到基底上時，它要么熔化，要么分解。結果，生產帶塑料側壁的電子封裝的廢品率很高。
當用兩部件構成法生產封裝時，產生了類似的問題。這種方法是用陶瓷或塑料將基底和側壁模塑成一個整體部件，并模塑或插入金屬散熱片作為底部，第二個部件是蓋子。如果用陶瓷作為構建基底和側壁整體部件的材料，則成本高，如果用塑料，則由于塑料損壞或變形以及在相當多的單元中形成泄露點，大規模生產時的產率較低。
對于光學封裝，即包含需要透明蓋子用以透光的CCD或CMOS器件的封裝，存在另一個問題。因為這些封裝在使用中不會產生熱量，它們不需要快速散熱的金屬基底，金屬、塑料或陶瓷均可使用。此外，由于不需要快速散熱，所以不需要高溫金屬焊料。相反，低溫焊接可以用諸如環氧化物的焊料進行。但無論如何都應當考慮高溫的影響，因為在封裝之組裝好后、使用封裝之前，還要對它進行處理。這種后續處理包括將封裝外面的引線與外部電路焊接起來，以及進行質檢，所有這些都涉及高溫。在高溫下，包裝的部件之間的熱膨脹系數差異會使封裝易于開裂。特別地，用于典型透光封裝的玻璃蓋的CTE顯著低于基底，無論基底是金屬、塑料或陶瓷。這種熱膨脹系數差使得蓋子和基底在熱循環過程中膨脹程度不同。膨脹差異使封裝發生彎曲，使側壁處于應力之下，增加了破壞密封性的危險，不管密封的是側壁與基底還是側壁與蓋子，或者二者同時密封。當形成裂縫時，封裝將通不過總體泄露測試和濕敏測試，這些測試決定了它們是否適于使用，同時有用產品(能發揮功用的長壽命封裝)的產率下降。
發明概述通過使用至少三個先是分離的組件——基底、側壁框架和蓋子——形成封裝，本發明解決了生產氣穴電子封裝時遇到的上述困難以及其他困難。對于通過高溫焊料連接芯片與基底來進行生產，且在使用中產生大量熱的封裝，封裝的三組件結構允許先將芯片焊接到基底上，然后再組裝上其他任何封裝組件，即將側壁連接到基底或將蓋子連接到側壁上。此時將塑料側壁連接到基底上，不會使塑料遭受將芯片焊接到基底上所需的高溫。此外，由于完全不使用陶瓷或僅在基底上用陶瓷，消除或減少了在陶瓷上的高成本。對于帶透明蓋子的可視封裝，封裝的三組件結構允許將塑料側壁與非塑料基底非塑料蓋子一起使用。這樣，基底和蓋子可由CTE值相近的材料形成，而形成側壁的材料的CTE可與基底和蓋子有較大差異。使用CTE相對較高的塑料做側壁不會對封裝的密封處施加不適當的應力，原因是，即便側壁在組裝和測試中的高溫下變厚(即同時向內向外膨脹)，基底和蓋子幾乎等量膨脹，從而防止封裝彎曲。
因此，根據封裝的類型和所使用的材料，本發明具有不同的優點。一般來說，本發明對材料的選擇范圍較寬，同時可避免或減少裂縫導致的封裝廢品，所述裂縫是由組裝和使用過程中的高溫引起的。本發明的上述及其他優點、特征和實施方式從下面的描述中可以更加清楚地看到。
本發明優選實施方式如上所述，本發明生產過程的第一步是將芯片固定到作為封裝的底部的基底上。視封裝的類型，基底可以具有快速散去芯片上熱量的能力，也可以是其散熱性并不關鍵(如用于光學封裝)。當需要較高的導熱性時，基底可以是金屬材料、陶瓷材料、涂敷金屬的陶瓷材料或有個金屬插入物的陶瓷材料。當不需要高導熱性時，底板可以是這些材料中的任意一種以及塑料。
對于金屬底板或金屬插入物或金屬涂層，合適的金屬的例子列舉如下，其符號如《電子材料手冊》所述(Electronic Materials Handbook，Vol.1，Minges，M.L.，等編，ASM International，Materials Park，Ohio，1989)銅銅-鎢合金銅-鐵合金C19400，C19500，C19700，C19210銅-鉻合金CCZ，EFTEC647銅-鎳-硅合金C7025，KLF 125，C19010銅-錫合金C50715，C50710銅-鋯合金C15100銅-鎂合金C15500鐵-鎳合金ASTM F30(合金42)
低碳鋼鋁這些金屬中，優選銅、銅含量至少為95wt％的銅合金、鐵含量至少約為50-75wt％的鐵-鎳合金及鐵含量至少約為50-75wt％的鐵-鎳-鈷合金。鐵-鎳合金(合金42，58％Fe，42％Ni)和鐵-鎳-鈷合金Kovar(54％Fe，29％Ni，17％Co)，以及各種銅合金尤其值得注意。還可使用金屬層合物，特別是銅-鉬-銅，因其具有特別高的導熱性。這些金屬和合金也可用作穿透封裝側壁的引線。
對于使用陶瓷基底的封裝，合適的陶瓷的例子有Al2O3(氧化鋁)、BeO(氧化鈹)、AlN(氮化鋁)、SiN(氮化硅)和這些材料的混合物，以及通過加入BaO(氧化鋇)、SiO2(氧化硅)或CuO(氧化銅)進行改性的Al2O3。優選的陶瓷是氧化鋁，特別是改性氧化鋁，以及氧化鈹。
對于使用塑料基底的封裝，合適的塑料包括熱固性和熱塑性材料。熱固性材料的例子有環氧化物樹脂和改性環氧化物樹脂、聚亞酰胺、改性聚亞酰胺、聚酯和有機硅。熱塑性材料的例子有聚氨酯、聚苯硫醚、聚砜、聚醚酮、芳基聚酯，如包含約20-40％填料，如玻璃、陶瓷或礦物的液晶聚合物。
當芯片和基底之間需要高傳熱連接時，有相當多的焊接材料可形成這種連接。由錫、鉛、銻、鉍、鎘、銀、銅或金以及較少量的其他元素可以形成合金焊料。一般優選共熔合金，因為它們在熔化和固化過程中能夠維持其各組分比例。例子有銅-鐵合金、銅-鉻合金、銅-錫合金、鐵-鎳合金、鐵-鎳-鈷合金、錫-銀合金及金-錫合金。80∶20的金-錫共熔焊料特別適合，因為它具有高的導熱性。
根據所用焊料或結合劑，將芯片焊接或粘合到基底上的溫度可以不同。對于高傳熱性所需的高溫焊接，通常使用高于250℃的焊接溫度。多數情況下，焊接溫度在250-500℃范圍內，特別是對于金-錫共熔焊料，宜在300-400℃范圍內。對于低溫焊接或結合，溫度通常在125-175℃范圍內。例如，當用環氧化物時，典型的粘合溫度是約150℃。
在芯片焊接或結合到基底上并冷卻之后，將側壁安裝在基底上形成框架。熱固性或熱塑性材料均可用于側壁，例子列舉如上。熱固性材料通常通過傳遞模塑進行模塑，而熱塑性材料通常通過注塑進行模塑，盡管這兩種情況都可采用不同模塑方法。側壁上可以預置引線，引線的表面或兩端面可以延伸到側壁包圍的空間中，因而與芯片連接的線可與之接觸。對于非金屬基底，這些引線也可以包埋在基底中。無論哪種情況下，形成引線的材料可與用于金屬基底的材料類型相同，例子列舉如上。如果引線構成基底的一部分，則側壁可完全由塑料制成，在此制造階段，只有側壁和基底之間的界面上才需要進行防潮密封。
對于引線包埋在側壁中的封裝，側壁框架可以在引線上模塑。在引線上模塑側壁的程序是眾所周知的，通常是在組裝好的引線框架上進行模塑，所述引線框架包含一系列金屬引線，這些引線通過連接帶結合在一起，并排成若干不連續的組，相鄰的組進一步通過連接帶連接，這些連接帶最終在模塑完成時除去。沿引線的一些特定位置有屏障幫助把模塑化合物限制不動，這些屏障在分離模塑側壁主體之前同樣要除去。根據所用材料，可以采用常規模塑技術，如注塑、傳遞模塑、嵌件模塑和反應-注射模塑。在模塑之前，在引線框架上引線與塑料接觸的一些地方施涂膠粘劑。膠粘劑在模塑溫度下固化，在引線周圍形成密封，防止濕氣和其他氣體的侵入。引線數目隨著芯片及其目標用途的不同可以有很大的變化。因此，引線可以少至2根，也可以多至100根，甚至更多。引線可以在框架的一面上，也可以在全部四面上。
類似地，利用膠粘劑，特別是可加熱固化的聚合物膠粘劑，可將側壁框架安裝到基底上。在兩個地方都可使用的膠粘劑包括熱固性和熱塑性材料，如環氧化物膠粘劑、聚酰胺、硅樹脂、酚醛樹脂、聚砜或苯氧膠粘劑。熱固性膠粘劑的例子有D.E.R.332含雙酚A的環氧樹脂(Dow Chemical Company，Midland，Michigan，USA)ARALDITEECN 1273甲酚醛環氧樹脂(Ciba-Geigy Corporation，Ardsley，New York，USA)ARALDITEMY 721多官能液體環氧樹脂(Ciba-Geigy Corporation)QUARTEX1410含雙酚A的環氧樹脂(Dow Chemical Company)EPSON828、1001F、58005改性雙酚A環氧樹脂(Shell Chemical Company，Houston，Texas，USA)熱塑性膠粘劑的例子有Phenoxy PKHJ苯氧基樹脂(Phenoxy Associates)聚砜膠粘劑組合物也可以包含一種或多種能提供任何所需性質的成分。這些成分包括固化劑、消泡劑、除濕劑(干燥劑)和加入到主體組分中的填料。固化劑的例子有聚胺、聚酰胺、聚酚、聚硫醇、聚羧酸、酐、雙氰胺、氰基胍、咪唑和路易斯酸，如三氟化硼與胺或醚形成的絡合物。消泡劑的例子有疏水硅化物如硅樹脂和硅烷，碳氟化物如聚四氟乙烯，脂肪酸酰胺如乙二胺硬脂酰胺，磺酰胺，石蠟烴，固體脂肪酸及其酯。除濕劑的例子有活性氧化鋁和活性炭。用作除濕劑的具體產品有供應商(Alpha Metals of Jersey City，New Jersey，USA)標記的GA2000-2、SD1000和SD800。填料的例子有氧化鋁、二氧化鈦、碳黑、碳酸鈣、高嶺土、云母、氧化硅、滑石粉和木粉。
在結合基底和/或蓋子的優選方法中，首先將膠粘劑施涂在待連接的表面上，然后加熱到中等溫度，使膠粘劑處于B-階段，此時膠粘劑在室溫下沒有黏性并處于半干狀態。要連接的兩個部分有一個或兩個同時如此施涂B-階段膠粘劑，然后把它們粘合起來，進一步加熱，使B-階段膠粘劑液化，濕潤表面，再充分固化，形成具有氣密性的密封。
對膠粘劑固化以結合側壁和基底的溫度可隨所用具體的膠粘劑而變化，但一般低于200℃。多數情況下，溫度范圍為100-200℃，宜為125-185℃。
一旦側壁框架與基底連接好，就用線將芯片連接到引線上，并將蓋子固定在側壁框架上，封住芯片。可利用膠粘劑，以將側壁框架固定到基底上的相同方法，將蓋子固定到側壁框架上。
用作基底和蓋子的材料、用于側壁框架的塑料、用于引線的金屬以及用來將引線結合到側壁框架、將側壁框架結合到基底和將蓋子結合到側壁框架上的膠粘劑，它們有一個共同的參數，即熱膨脹系數(“CTE”)。每種材料都有自己的CTE，單位為百萬分(重量)每攝氏度，CTE影響所用材料的選擇。任何兩個相鄰組件和任何膠粘劑，以及用膠粘劑結合起來的組件，它們的CTE可相差很大。在很多情況下，這種差異可通過在膠粘劑組合物中加入熱塑性組分來彌補，這種熱塑性組分可以作為唯一膠粘劑組分，也可以與熱固性膠粘劑組分形成混合物。
本發明方法在很大程度上提高了電子封裝生產中所用材料的多樣性。例如，每個面上有8條引線、大小為0.4平方英寸的封裝中間體(即側壁框架)，其基底為金屬，蓋子為陶瓷，可用于功率封裝。同樣的中間體可用于CCD或CMOS可視封裝中，但其基底為陶瓷，蓋子為透明玻璃。基底和蓋子均為金屬的這種中間體也可用來保護芯片不受RF或電磁輻射的影響。本發明還可以將原本不相容的材料用作封裝組件。例如，在典型的可視封裝中用作蓋子的玻璃具有約7ppm/℃的CTE，而基底具有15-25ppm/℃的CTE，特別是當封裝用于印刷電路板時。這種差別可以減小，方法是使用由具有中間CTE值，如CTE值為基底和蓋子的CTE值的平均值的塑料制成的中間體，可加減30％。這可降低封裝彎向CTE較低的玻璃蓋，或者在極端情況下，導致蓋子破裂或在結合線上產生裂縫的傾向，這些情況容易發生在封裝的生產過程中，或者在生產之后進行組裝和測試時的加熱過程中。
生產封裝的所有步驟均可以平行方式進行，即在二維操作線上同時處理多個單元。利用安裝適當的定位孔，二維操作線上的相鄰組件可精確排列，以便同時組裝。也可以是，任何部件可以先單獨制造并結合。
前面的敘述把重點放了在本發明的特定實施方式和實施例上。但是，本領域的熟練技術人員不難認識到，就這些封裝的結構及其組裝程序中所用的材料、操作條件、操作方法和其他參數而言，本發明包括對上述實施方式和
權利要求
1.封裝半導體電路器件，形成密封氣穴封裝的方法，所述方法包括(a)在超過250℃的溫度下將所述半導體電路器件焊接到導熱基底上；(b)步驟(a)完成之后，在低于200℃的溫度下在側壁和所述金屬基底之間形成密封，將所述側壁塑料框架固定到所述金屬基底上，從而部分包圍所述半導體電路器件，所述塑料框架或所述導熱基底上預先形成導電引線，使所述引線穿透所述半封閉封裝；(c)使所述半導體電路器件的電路與所述引線實現連接；(d)將蓋子固定到所述半封閉封裝上，從而將所述半導體電路器件密封在幾乎不漏氣的室中。
2.權利要求1所述方法，其特征在于步驟(a)所述溫度在300-400℃范圍內。
3.權利要求1所述方法，其特征在于步驟(b)所述溫度在125-185℃范圍內。
4.權利要求1所述方法，其特征在于所述導熱基底是金屬基底，選自銅、以銅為主組分的銅合金、鐵-鎳合金和鐵-鎳-鈷合金，且所述蓋子為塑料。
5.權利要求1所述方法，其特征在于所述導熱基底選自Al2O3、BeO、AlN、SiN和用BaO、SiO2或CuO改性的Al2O3，且所述蓋子是玻璃。
6.權利要求1所述方法，其特征在于所述塑料框架由芳族聚酯或液晶聚合物形成。
7.權利要求1所述方法，其特征在于所述塑料框架和所述蓋子均由熱塑性聚合物形成。
8.權利要求1所述方法，其特征在于步驟(b)包括用可加熱固化的聚合物膠粘劑將所述塑料框架密封到基底上，所述膠粘劑選自環氧化物膠粘劑、聚酰胺、有機硅、酚醛樹脂、聚砜和苯氧基樹脂。
9.權利要求1所述方法，其特征在于步驟(b)和(d)包括在125-185的溫度范圍內，用可加熱固化的聚合物膠粘劑分別將所述塑料框架密封到所述基底上并將所述蓋子密封到所述塑料框架上。
10.封裝光學半導體電路器件，形成密封氣穴封裝的方法，所述方法包括(a)在125-175℃的溫度范圍內用可加熱固化的聚合物膠粘劑將所述半導體電路器件固定到基底上；(b)步驟(a)完成之后，在低于200℃的溫度下在側壁和所述基底之間形成密封，將所述側壁塑料框架固定到所述基底上，從而部分包圍所述半導體電路器件，所述塑料框架或所述基底上預先形成導電引線，使所述引線穿透所述半封閉封裝；(c)使所述半導體電路器件的電路與所述引線實現電連接；(d)將蓋子固定到所述部分封閉封裝上，從而將所述半導體電路器件密封在幾乎不透氣的室中，所述蓋子的熱膨脹系數小于所述基底的熱膨脹系數的一半。
全文摘要
通過分三個獨立部分——基底、側壁和蓋子——包封半導體電路器件(芯片)，可以將芯片裝入防潮電子封裝。先將所述芯片焊接或結合到基底上，接著將側壁連接到基底上，最后將蓋子連接到側壁上。對于涉及導熱基底和焊接高溫的過程，可在焊接時的高溫下將芯片固定到基底上，接著在明顯低得多的溫度下將側壁安裝到基底上，這樣就避免了高溫對側壁可能造成的傷害。因此，可以使用在焊接時的高溫下會損壞或變形的塑料側壁。對于通用電子封裝，如果使用塑料側壁，就可以同時使用原本不相容的蓋子材料和基底材料，而且減少或消除了由于在生產、組裝、測試或使用封裝時的高溫下發生應力開裂而出現不合格產品的機會。
文檔編號H01L23/15GK1526162SQ02813931
公開日2004年9月1日 申請日期2002年6月19日 優先權日2001年7月12日
發明者R·S·布雷甘迪, R S 布雷甘迪, T·謝弗, 梅倫, K·S·梅倫, 羅斯, R·J·羅斯 申請人:Rjr聚合物股份有限公司