專利名稱：與外部電路使用的無引線接合的電子元件及其制造方法
技術領域：
本發明涉及電子學，尤其涉及與外部電路一起使用的無引線接合的電子元件及其制造方法。
背景技術：
包含半導體器件和電引線的電子元件，經常使用引線接合將半導體器件和電引線電連接在一起。然而，引線接合的電感通過限制所述半導體器件的工作頻率帶寬，而限制了這些電子元件的射頻或其他高頻性能。
為了緩解這一問題，其他電子元件使用無引線接合的互連方案將半導體器件和電引線電連接在一起。然而，由于它們有限的阻抗變換能力，這些其他電子元件仍然在工作頻率帶寬方面受限。
這些其他電子元件中的某些還使用大型的、占用空間的功率組合匯流裝置，以增加所述電子器件提供的功率。這些其他電子元件中的其他的還使用大型的、占用空間的阻抗匹配網絡，以增加半導體器件的工作頻率帶寬。因此，這些其他電子元件的這些改進要求使用大的電子元件。
因此，需要具有改進的工作頻率帶寬和較小尺寸的電子元件。還需要制造這些電子元件的方法。
結合附圖閱讀下面的詳細描述，將會更好地理解本發明，其中圖1示出了本發明實施例的電子元件的側視剖面圖；圖2示出了在本發明實施例的電子系統中的圖1的電子元件側視圖；
圖3示出了本發明實施例的圖1中的電子元件一部分的頂面軸測圖；圖4示出了本發明實施例的不同電子元件的側視剖面圖；圖5示出了本發明實施例的另一電子元件的側視剖面圖；圖6示出了本發明實施例的電子元件制造方法的流程圖。
為了圖示的簡化和清楚，附圖示出了結構的一般形式，且省略了公知特征和技術的細節和描述，以避免不必要地模糊本發明。此外，附圖中的要素沒有必要按比例示出。例如，圖中的某些要素的尺寸可能相對其他要素夸大，以幫助理解本發明的實施例。而且，不同的附圖中相同的附圖標記指示同一要素。
而且，說明書和權利要求書的術語第一、第二等等，如果有的話，是用于在相似的要素之間進行區別，而不必用于按照順序或編年描述。還可以理解，這樣使用的術語在適當的情況下可以互換，而使例如在此描述的本發明實施例能夠以不同于所示或所述的其他順序工作。
而且，說明書和權利要求書中的術語前、后、頂、底、之上、之下等，如果有的話，是用于描述的目的，而不必描述永久的相對位置。可以理解，這樣使用的術語在適當的情況下可以互換，而使例如在此描述的本發明實施例能夠以不同于所示或所述的其他方位工作。
具體實施例方式
圖1示出了電子元件100的側視剖面圖。在圖1示出的實施例中，電子元件100是無引線接合的電子元件，用于與電子元件100的外部電路一起使用。如圖1所示，電子元件100包含支撐基底110。作為示例，支撐基底110可以是法蘭(flange)。在一個實施例中，支撐基底110用于散逸來自電子器件的熱量。在所述實施例或不同實施例中，支撐基底110用于為薄且易碎的器件基底提供結構支撐，其中電子器件位于所述器件基底上。支撐基底110還可以用于為所述電子器件提供地電位。
在一個實施例中，支撐基底110可以由銅鎢構成。銅鎢材料可以鍍敷鎳層，然后鍍敷金層，為支撐基底110提供可釬焊表面。作為示例，鎳和金構成的層可以分別具有約1至10微米和1至5微米的厚度。
在不同示例中，支撐基底110可以由銅、鋁銅、銅鉬片或合金或混和物，金屬基底復合物，比如碳化鋁硅，或帶有石墨纖維的銅構成。在這一不同的實施例中，這些不同的材料可以鍍敷鎳和金(使具有硅和金連接層的所述器件基底例如可以連接于不同的材料)或者這些不同的材料上可以涂敷其他金屬層，比如鈦、鉑和金或鈦，鎳-釩，和金，它們與包含錫和金，錫和鉛，錫和銦，或有機粘合劑，比如，環氧樹脂或充銀玻璃的釬料兼容。
電子元件100還包含器件基底120。作為示例，器件基底120可以是半導體基底，比如，硅或砷化鎵。器件基底120位于支撐基底110上或上方，或由支撐基底110支撐。作為示例，通過安裝在支撐基底110上和/或上方，器件基底120可以物理地連接于支撐基底110。
器件基底120的后表面121可以具有背部金屬122。作為示例，背部金屬122可以具有約十分之一到2微米的厚度。背部金屬122可以在器件基底120和支撐基底110之間形成共晶結合。作為示例，所述共晶結合可以通過將背部金屬122加熱到約280至500℃的溫度，同時機械攪拌背部金屬122而形成。作為示例，當電子元件100使用硅金芯片安裝方案時，背部金屬122可以由金構成。對于其他的芯片安裝方案，背部金屬122可以由鈦，鎳釩，和金或鈦，鉑，和金構成。
電子元件100還包含位于支撐基底110上，且由器件基底120支撐和/或在器件基底120上制造的電子器件130。作為示例，電子器件130可以是半導體器件，比如分立器件或集成電路。在一個實施例中，所述分立器件可以是光學器件，電感，電容或電阻。在另一實施例中，所述分立器件可以是在約100瓦或更高的功率下工作和/或在射頻或其他約100MHz或更高頻率下工作的高性能元件。此外，所述分立器件可以用于約10瓦或更大的低功率應用。作為另一示例，器件基底120可以支撐多個分立器件。在不同實施例中，電子元件100可包含多于一個的器件基底120，每個基底包含至少一個電子器件130。
器件基底120還可包括位于器件基底120頂面的互連結構124。作為示例，互連結構124可由金質倒裝片凸起和/或多層互連系統構成。
電子元件100還包含位于電子器件130、器件基底120，和支撐基底110之上的蓋子140。作為示例，蓋子140可以是用于電子元件110的板蓋。器件基底120位于由蓋子140和支撐基底110限定的凹槽160中。在不同實施例中，器件基底120可以位于支撐基底110，蓋子140的凹槽中，或兩者的凹槽中。
蓋子140包含電連接于電子器件130的互連結構141。互連結構141適于將電子器件130和電子元件100的外電路(圖1中未示出)電連接在一起。互連結構141提供電子器件130和外電路之間電信號的阻抗變換。作為示例，互連結構141可以提供從電子器件130到外電路的電信號的阻抗變換，也可以提供從外電路到電子器件130的電信號的阻抗變換。如下文中詳細的描述，互連結構141可以是多功能互連系統。
轉到圖2，該圖示出了電子系統200的側視圖。電子元件100經電路板或其他互連結構220電連接于電路210。電路210位于電子元件100外，且可由一個或多個電子元件211構成。散熱器230連接于電子元件100的支撐基底110。支撐基底110可以釬焊、螺栓連接或夾緊在散熱器230上或下一級系統。如圖2所示，電子元件100是表面安裝器件。
再次轉到圖1，蓋子140可包含有機聚合物，比如，用于個人計算機板的FR-4，聚四氟乙烯，聚亞酰胺，比如特富龍材料，或環氧樹脂。蓋子140還可以包含金屬和絕緣電路元件。在另一實施例中，上述組合可以是將應力最小化的柔性電路。在不同實施例中，蓋子140可包含玻璃陶瓷，比如與玻璃組合的氧化鋁，低溫燒結陶瓷(LTCC)，高溫燒結陶瓷(HTCC)，或者上述材料與在所述材料內部和表面金屬化的銀、銅、或金的組合。在另一實施例中，蓋子140可以由氮化鋁構成。蓋子140的具體成份取決于多種因素，包括電子器件100的使用需求和可靠性需求。蓋子140的多層結構可以通過本領域已知的技術制造。維修或更換蓋子140的行為構成電子器件100的重構，而不是修理。
蓋子140還包含位于蓋子140頂面143的互連結構142。作為示例，互連結構142可以由金、銀或鍍敷有鎳和金的銀構成。在蓋子140的底面150處，蓋子140可包含厚度約20至50毫米的鉑銀或精煉銀或鎳和鎳金鍍層。導電的有機聚合物或釬料層可以位于蓋子140和支撐基底110之間，將蓋子140粘接、附貼或其他方式固定在支撐基底110上。作為示例，導電的釬料可由鉛錫、鉛銀或金錫構成。作為示例，所述導電的有機聚合物可以是導電環氧樹脂。作為選擇，蓋子140和支撐基底110可以通過向蓋子140的金屬部分和互相接觸的支撐基底110施加壓力、熱、超聲波或其他形式的能量而直接連接在一起。
如前所述，蓋子140的互連結構141可以提供直流、交流或高頻等多種功能。因此，互連結構141可包含電阻、電感和電容。所述電感可以是平面的和/或螺旋的。電容可以用于諧振出寄生電感。電阻、電感和電容可以組合在一起而形成集總元件結構和/或電感電容(LC)梯形網絡。互連結構141還可以包含分立元件、波導或傳輸線。互連結構141可以包含多層結構或單層結構。互連結構141的一部分還可位于蓋子140的頂面143上。作為示例，互連結構141的單層或多層結構可以通過直接接合銅(DBC)工藝和/或鍍敷金屬工藝而形成。
在一個實施例中，互連結構141提供了電子器件130的直流偏流。作為示例，互連結構141可包含用于為電子器件130提供直流的直流偏流電路144。如圖1所示，直流偏流電路144可以完全分離或獨立于互連結構141的提供射頻或其他高頻功能的其他部分而實現。
在不同實施例或同一實施例中，互連結構141可以提供多種射頻或高頻功能。例如，互連結構141可以包含提供阻抗匹配的子電路或其他部分145。因此，部分145還稱作阻抗匹配網絡或阻抗變換電路。部分145可以與電子器件130的輸入和/或輸出電連接。互連結構141的部分145還可以使電信號或電子器件130和外電路之間信號的諧波終止，以改善電子器件130的線性性能。
電子元件100還設計為在靠近器件基底120和電子器件130的蓋子140上提供接地。例如，在前面段落中描述的不同實施例或在同一實施例中，互連結構141可包含為電子器件130提供零電感地電位的子電路或部分146。所述零電感地電位還可以稱作基頻下的人工全射頻或其他高頻地電位。互連結構141的部分146能使電子元件100能夠諧振出任何距離的任何電連接產生的電感，并且還能有所述地電位的預定帶寬。如圖1所示，所述零電感地電位可以由電連接于互連結構141的部分146上的電端子提供。所述電端子可以至少部分位于蓋子140的頂面143上。作為示例，所述電端子可以是互連結構142的一部分。
在不同的或同一實施例中，互連結構141可包含功率組合匯流裝置147。功率組合匯流裝置147將多個類似于電子器件130的電子器件的輸出功率組合起來。參照圖3，該圖示出了電子元件130的一部分的頂部軸測圖，功率組合匯流裝置147示為將來自兩個類似于電子器件130的電子器件的功率組合起來，所述兩器件位于類似于器件基底120的兩器件基底上。本領域的技術人員可以理解，功率組合匯流裝置147可用于將兩個以上的位于一個或多個器件基底上的電子器件的功率組合起來。
參照圖1所示的實施例，互連結構141的形狀和/或尺寸是橫跨蓋子140對稱的。這種對稱提供了橫跨蓋子140的熱和機械平衡，減輕了翹曲并提高了蓋子140的可靠性。因此，互連結構141可包括比如用于形成對稱，但并非用于電互連目的的部分148。而且在上述實施例中，用于為電子元件100提供地電位的互連結構141的所述部分位于蓋子140的外周邊附近。而且，在該實施例中，互連結構141嵌入或位于蓋子140內。互連結構141的這種結構能減小電子元件的尺寸。
在一個實施例中，蓋子140可以是與支撐基底110自對準的。例如，蓋子140的凸起149可以與支撐基底110的凹槽111配合，從而提供這種自對準特性。如圖1所示，凸起149和凹槽111都具有互補的三角形截面。在不同的實施例中，凸起149和凹槽111在形狀上不互補。在另一實施例中，凸起149和凹槽111可具有其他的形狀，例如圓錐形、半球形、棱錐形、梯形、菱形等。
圖4示出了電子元件400的側視剖面圖。電子元件400是圖1的電子元件100的不同實施例。如圖4所示，電子元件400包含支撐基底410，該基底可以類似于圖1中的支撐基底110。同樣如圖4所示，電子元件400包含蓋子440，該蓋子可以類似于圖1中的蓋子140，且可以具有多層。如圖4所示，蓋子440不是對器件基底120或支撐基底410自對準的。器件基底120位于由蓋子440和支撐基底410限定的凹槽460內。
圖4中的蓋子440包含互連結構441，該互連結構可類似于圖1中的互連結構141。然而，圖4中的互連結構441位于蓋子440的底面444處或附近。在不同的實施例中，互連結構441可以位于蓋子440的頂面443處。在另一實施例中，互連結構441可以位于表面444處，表面443處，和/或蓋子440內。
圖4中的電子元件400還包含位于蓋子440附近的電引線450。電引線450位于蓋子440和支撐基底410之間。互連結構441將電子器件130和電引線450電連接在一起。電引線將互連結構441與電子元件400外部的電路電連接在一起。一或多個絕緣支座470位于電引線450和支撐基底410之間，而使電引線450不與支撐基底410電短路。
作為示例，電引線450可以由厚度約十分之一至1個半毫米的鐵鎳合金構成。電引線450還可包含在所述鐵鎳合金上的鎳層和金層。在不同的實施例中，電引線450可包含銅合金或鐵鎳鈷合金或銅鉬合金。電引線450可以彎曲，而形成表面安裝器件或不同類型的有引線器件。印刷電路板，Kapton和柔性(flex)電路材料也可用于電引線450。
圖5示出了本發明圖1中電子元件100的另一實施例的電子元件500的側視剖面圖。如圖5所示，電子元件500包括蓋子540。器件基底120位于由蓋子540和支撐基底410所限定的凹槽560中。蓋子540包括位于蓋子540內部并在蓋子540至少一個表面處或附近的互連結構541。為簡化起見僅示出互連結構541的一部分。蓋子540自對準到器件基底120并密封到器件基底120。
作為示例，蓋子540可包括位于在器件基底120的頂面122上形成的對準部分525內的凸起549。作為示例，對準部分525可以是用于蓋子540與器件基底120自對準的板狀金屬結構。在不同的實施例中，可以使用球接濕粘技術使蓋子540與器件基底120自對準。自對準可以減小使互連結構541和電子器件130電連接在一起的互連焊盤的尺寸。
圖6示出了制造電子元件的方法的流程圖。作為示例，流程圖600的電子元件可以類似于圖1、4和5中的電子元件100、400和/或500。
在流程圖600的步驟610中，在器件基底上制造電子器件。在步驟620中，器件基底安裝在支撐基底上。然后在流程圖600的步驟630中，將蓋子附貼在電子器件、器件基底和支撐基底上。所述蓋子包括互連結構。作為示例，步驟630可包含同時將電子器件和蓋子的互連結構電連接在一起。步驟630還可包含使電子元件缺少引線接合，同時將電子器件和互連結構電連接在一起。
所以，提供了一種改進的電子元件，以克服現有技術的缺點。所述電子元件具有改進的工作頻率帶寬。所述電子元件不再需要引線接合，從而提供更低的成本、更短的制造工藝和更好的電學性能。所述電子元件還可在元件頂部提供完美的射頻接地觸點。互連結構在蓋子內或至少在蓋子表面的位置還減小了元件的尺寸。
雖然已經參照具體實施例描述了本發明，但本領域的技術人員可以理解，可以作出各種改變而不脫離本發明的主旨和范圍。例如，在此公開的許多細節，比如材料成分、尺寸和幾何形狀是為了有利于本發明的理解而提供的，并非是為了限制本發明的范圍。此外，所述支撐基底可包括改善散熱的冷卻劑管。而且，所述支撐基底可具有通過螺釘或其他緊固件連接的安裝孔或槽。
而且，各種特征可以互相組合。例如，本發明的電子元件可以是無引線的凸起元件，具有與器件基底自對準的蓋子和在蓋子表面的互連結構。作為另一示例，本發明的電子元件可以具有在蓋子和支撐基底之間的引線，且還可具有嵌入蓋子內的互連結構，且蓋子在此與支撐基底自對準。
因此，本發明實施例的公開內容用來解釋說明本發明的范圍，而不是限制性的。本發明的范圍應當僅限于所附權利要求需要的范圍。
已經針對具體的實施例描述了好處、其他優點和問題的解決方案。然而，所述好處、優點、問題的解決方案以及可能導致任何好處、優點或解決方案發生或變得更明顯的任何要素并非任一或全部權利要求的關鍵、必需或主要的特征或要素。如在本文中使用的，術語“包含”、“包括”、“具有”以及其任何變體，用于覆蓋非排他性的所含內容，而使包含要素列的工藝、方法、物品或設備不僅僅包括那些要素，而可包括其他沒有對這些工藝、方法、物品或設備來說明確列出或固有的要素。
(按照條約第19條的修改)1.一種無引線接合的電子元件(100，500)，用于與無引線接合的電子元件外部的電路一起使用，所述無引線接合的電子元件包含支撐基底(110，410)；在所述支撐基底上的電子器件(130)；以及位于所述電子器件和所述支撐基底之上的蓋子(140，440，540)，所述蓋子包含互連結構(124，141，142，541)，該互連結構電連接于所述電子器件，且適于將所述電子器件與所述電路電連接在一起，所述互連結構還用于對所述電子器件和電路之間的電信號提供阻抗變換。
2.如權利要求1所述的無引線接合的電子元件，其特征在于還包含位于所述蓋子附近的電引線(144，147)，其中所述互連結構(124，141，142，541)將所述電子器件(130)和所述電引線電連接在一起；所述電引線將所述互連結構和所述電路電連接在一起。
3.如權利要求1所述的無引線接合的電子元件，其特征在于由所述互連結構提供的阻抗變換包含用于電子器件(130)的零電感地電位(146)。
4.如權利要求3所述的無引線接合的電子元件，其特征在于還包含至少部分位于所述蓋子之上的電端子(142，450)，其中所述電端子電連接于提供零電感地電位(146)的互連結構的一部分。
5.一種無引線接合的電子元件(100，500)，用于與無引線接合的電子元件外部的電路一起使用，所述無引線接合的電子元件包含法蘭(110)；由所述法蘭支撐的半導體基底(120)；
由所述半導體基底支撐的半導體器件(130)；以及位于所述半導體器件、所述半導體基底和所述法蘭之上的板蓋(140，440，540)，所述板蓋包含多功能互連系統(124，141，142，541)，該系統電連接于所述半導體器件，且被構造成將所述半導體器件和所述電路電連接在一起，所述多功能互連系統用于為所述半導體器件提供直流(144)，且對從所述半導體器件到所述電路和從所述電路到所述半導體器件的電信號提供阻抗變換。
6.如權利要求5所述的無引線接合的電子元件(100，500)，其特征在于所述多功能互連系統(141，541)嵌入所述板蓋(140，540)內。
7.如權利要求5所述的無引線接合的電子元件，其特征在于所述多功能互連系統(142)位于所述板蓋(140)的表面(143)。
8.一種用于制造無引線接合的電子元件(100，500)的方法，該電子元件與其外部的電路一起使用，所述方法包含在支撐基底(110，410)上安裝半導體基底(120)，所述半導體基底支撐電子器件(130)；在所述電子器件和所述支撐基底上附貼蓋子(140，540)，所述蓋子包含將所述電子器件和所述電路電連接在一起的互連結構(124，141，142，541)，該互連結構用于對所述電子器件和電路之間的電信號提供阻抗變換。
9.如權利要求8所述的方法，其特征在于附貼所述蓋子(140，540)還包含使所述蓋子與所述支撐基底(110)自對準(149，111)。
10.如權利要求8所述的方法，其特征在于附貼所述蓋子(540)還包含使所述蓋子與所述半導體基底(120)自對準(549，525)。
權利要求
1.一種無引線接合的電子元件，用于與無引線接合的電子元件外部的電路一起使用，所述無引線接合的電子元件包含支撐基底；在所述支撐基底上的電子器件；位于所述電子器件和所述支撐基底之上的蓋子，包含互連結構，該互連結構電連接于所述電子器件，且適于將所述電子器件與所述電路電連接在一起，用于對所述電子器件和所述電路之間的電信號提供阻抗變換。
2.如權利要求1所述的無引線接合的電子元件，其特征在于還包含位于所述蓋子附近的電引線，其中所述互連結構將所述電子器件和所述電引線電連接在一起；所述電引線將所述互連結構和所述電路電連接在一起。
3.如權利要求1所述的無引線接合的電子元件，其特征在于由所述互連結構提供的阻抗變換包含用于電子器件的零電感地電位。
4.如權利要求3所述的無引線接合的電子元件，其特征在于還包含至少部分位于所述蓋子之上的電端子，其中所述電端子電連接于提供零電感地電位的互連結構的一部分。
5.一種無引線接合的電子元件，用于與無引線接合的電子元件外部的電路一起使用，所述無引線接合的電子元件包含法蘭；由所述法蘭支撐的半導體基底；由所述半導體基底支撐的半導體器件；位于所述半導體器件、所述半導體基底和所述法蘭之上的板蓋，所述板蓋包含多功能互連系統，該系統電連接于所述半導體器件，且將所述半導體器件和所述電路電連接在一起，用于為所述半導體器件提供直流且對從所述半導體器件到所述電路和從所述電路到所述半導體器件的電信號提供阻抗變換。
6.如權利要求5所述的無引線接合的電子元件，其特征在于所述多功能互連系統嵌入所述板蓋內。
7.如權利要求5所述的無引線接合的電子元件，其特征在于所述多功能互連系統位于所述板蓋的表面。
8.一種用于制造無引線接合的電子元件的方法，該電子元件與其外部的電路一起使用，所述方法包含在支撐基底上安裝半導體基底，所述半導體基底支撐電子器件；在所述電子器件和所述支撐基底上附貼蓋子，所述蓋子包含將所述電子器件和所述電路電連接在一起，用于對所述電子器件和電路之間的電信號提供阻抗變換。
9.如權利要求8所述的方法，其特征在于附貼所述蓋子還包含使所述蓋子與所述支撐基底自對準。
10.如權利要求8所述的方法，其特征在于附貼所述蓋子還包含使所述蓋子與所述半導體基底自對準。
全文摘要
一種無引線接合的電子元件，用于與無引線接合的電子元件外部的電路一起使用。所述無引線接合的電子元件包括支撐基底(110，410)，在所述支撐基底上的電子器件(130)，和位于所述電子器件和所述支撐基底之上的蓋子(140，440，540)。所述蓋子包括互連結構(141，441，541)，該互連結構電連接于所述電子器件，且適于將所述電子器件與所述電路電連接在一起，用于對所述電子器件和電路之間的電信號提供阻抗變換。
文檔編號H01L23/66GK1618126SQ02827843
公開日2005年5月18日 申請日期2002年12月16日 優先權日2002年1月4日
發明者拉克希米納拉亞恩·維斯瓦納坦, 皮埃爾－瑪麗·J·皮爾, 加里·D·豐克, 羅伯特·P·戴維森 申請人:飛思卡爾半導體公司