氣腔封裝件的制作方法

本申請要求2014年5月23日提交的美國臨時申請No.62/002,336的優先權，該申請全文通過引用方式合并于本文。

技術領域

本公開涉及氣腔封裝件及其制造方法。

背景技術：

氣腔封裝件典型地包括附接到底座/凸緣且由框架包圍的一個或多個半導體晶片，電引線嵌入該框架中。晶片與引線電接合，并且然后用蓋密封封裝件。空氣由于其介電常數低充當了電絕緣體。氣腔封裝件廣泛地用于容納高頻器件(例如，射頻晶片)。與用具有更高介電常數的材料(例如，諸如環氧樹脂等成型用化合物)進行封裝相比，用空氣包圍高頻半導體芯片改善了晶片和相應的電引線的高頻特性。

RF器件制造商期望與氣腔封裝件相關聯的材料和生產成本最少。制造商已經開發出金屬化系統，金屬化系統能夠使用薄的金-錫(AuSn)焊料將硅(Si)和氮化鎵/碳化硅(GaN/SiC)芯片釬焊到銅凸緣上。然而，難以將介電框架與銅凸緣鍵合并且難以與滿足期望的循環特性(例如，在-50℃至+80℃的1,000次溫度循環之后的附著性)的電引線鍵合。介電框架典型地由氧化鋁制成，但是將氧化鋁與銅鍵合會由于這些材料的熱膨脹系數(CTE)之間的嚴重失配而出問題。特別地，銅的線性CTE在20℃是大約17ppm/℃，而氧化鋁的線性CTE在20℃是大約8ppm/℃。膠粘到銅凸緣的氧化鋁框架僅能承受保持在低于大約190℃的熱漂移。

一些制造商已經提供了液晶聚合物(LCP)制成的介電框架，液晶聚合物被包覆成型到銅引線上以形成框架。LCP具有與銅接近的CTE匹配。隨后能夠使用環氧樹脂將框架/引線子組件鍵合到銅凸緣上(在芯片已經AuSn釬焊到凸緣上之后)。然而，由于LCP的極端化學惰性，LCP難以與環氧樹脂鍵合。LCP部分的常見故障機理是LCP與金屬之間的界面處的泄漏(例如，如在池中進行總泄漏測試期間所觀察到的)。有時，凸緣必須經過噴砂從而實現凸緣與LCP框架之間的充分附著。另外，在晶片附接和引線鍵合之間必須進行諸如將LCP框架與凸緣鍵合的步驟。

期望開發出能更簡單和/或更廉價地生產的新的氣腔封裝件。還期望產生一種具有與塑料框架和電引線完全地裝配且能夠承受后續達到230℃的溫度的裝配操作(例如，AuSn晶片附接和蓋附接)且能夠承受溫度循環(從-50℃至+85℃，一千次循環)的銅底座/凸緣的氣腔封裝件。

技術實現要素：

本公開涉及氣腔封裝件，該氣腔封裝件包括介電框架，介電框架由聚酰亞胺或液晶聚合物(LCP)制成。該氣腔封裝件可以在溫度循環期間非常穩定，因為全部材料共有幾乎相同的熱膨脹系數。

在本文的各個實施例中公開了一種適于收容晶片的氣腔封裝件，包括：凸緣，所述凸緣具有上表面；以及介電框架，所述介電框架具有上表面和下表面，所述下表面附接到凸緣的上表面；其中所述介電框架由聚酰亞胺或液晶聚合物制成。

所述氣腔封裝件還可以包括第一導電引線和第二導電引線，第一導電引線和第二導電引線附接到所述介電框架的上表面的相反兩側。第一導電引線和第二導電引線能夠借助熱塑性聚酰亞胺附接到介電框架的上表面。第一導電引線和第二導電引線可以由銅、鎳、銅合金、鎳鈷鐵合金或鐵鎳合金制成。銅合金可選自由CuW、CuMo、CuMoCu和CPC組成的組。

所述凸緣由銅、銅合金、鋁、鋁合金、AlSiC、AlSi、Al/金剛石、Al/石墨、Cu/金剛石、Cu/石墨、Ag/金剛石、CuW、CuMo、Cu:Mo:Cu、Cu:CuMo:Cu(CPC)、Mo、W、金屬化的BeO或金屬化的AlN制成。

在一些實施例中，凸緣是鍍有一個或多個金屬子層的襯底。一個或多個金屬子層可以由鎳(Ni)、金(Au)、鈀(Pd)、鉻(Cr)或銀(Ag)制成。

介電框架可以借助熱塑性聚酰亞胺附接到所述表面。

在一些實施例中，介電框架還包括填料。所述填料可以選自由陶瓷粉末、玻璃粉末和短切玻璃纖維組成的組。

介電框架可以具有約3.0至約5.0的介電常數。

還公開了一種形成氣腔封裝件的方法，包括：使用第一粘合劑組合物將介電框架的下表面與凸緣的上表面接合；使用第二粘合劑組合物將第一導電引線和第二引線與所述介電框架的上表面接合；以及單獨地或者同時地將所述第一粘合劑組合物和所述第二粘合劑組合物固化；其中所述介電框架包括聚酰亞胺或液晶聚合物。

第一粘合劑組合物和第二粘合劑組合物可以是熱塑性聚酰亞胺。有時，第一粘合劑組合物和第二粘合劑組合物同時固化。

所述固化可以以大約220℃的溫度以及大約10psi的壓力進行。凸緣可由鍍金的銅襯底形成。

有時，該方法還可以包括：將晶片附接到凸緣的上表面，其中介電框架圍繞晶片。

還公開了一種形成氣腔封裝件的方法，包括：接收在下表面和上表面上層壓有導電材料的聚酰亞胺片材；以及將所述聚酰亞胺片材的上表面成形以在所述聚酰亞胺片材中的空腔的相反兩側形成電引線，在所述聚酰亞胺片材的下表面上的導電材料在所述空腔中是可見的。所述導電材料可以是銅。

公開的這些以及其它非限制的特性更具體地公開于下文中。

附圖說明

下面是附圖的簡要說明，提供這些附圖是為了圖示說明本文所公開的示例性實施例而不是為了對其進行限制。

圖1是根據本公開的示例性的氣腔封裝件的分解圖。

圖2是圖1的氣腔封裝件的側視圖。

圖3是圖1的氣腔封裝件的俯視圖。

具體實施方式

通過參考附圖，能夠獲得在此公開的部件、處理和裝置的更全面的理解。這些圖僅僅是為了方便和易于展示本公開的示意性的圖示，因此不旨在表明設備或其部件的相對大小和尺寸和/或限定或限制示例性實施例的范圍。

雖然為了清晰的目的在下面的說明書中使用了具體的術語，但是這些術語意在僅指代被選擇用于在附圖中進行圖示的實施例的特定結構，而不意在限定或限制公開的范圍。在附圖以及下面的說明中，應當理解的是相似的附圖標記指代相似功能的部件。

除非上下文明確地規定，否則單數形式“一(a)”、“一個(an)”和“該(the)”包含復數指代物。

如在說明書以及權利要求書中使用的，術語“包括”可以包含“由…構成”和“主要由…構成”的實施例。本文所使用的術語“包括”、“包含”、“具有”、“設有”、“可以”、“含有”及其變化形式意在為要求所列舉的部件/步驟存在且容許其它部件/步驟存在的開放式過渡性短語、術語或用語。然而，該說明應當解釋為還將構成或過程描述為“由所枚舉的部件/步驟的構成”和“主要由所枚舉的部件/步驟構成”，其允許僅存在所列舉的部件/步驟，以及任何可能由其得到的雜質，而排除了其它的部件/步驟。

數值應當理解成包括當降至相同量的有效位時相同的數值以及與所陳述的值相差小于在本申請中描述以確定值的類型的常規的測量技術的實驗誤差的數值。

本文所公開的全部范圍包含了所記載的端點且是能獨立組合的(例如，“從2克到10克”的范圍包含了端點2克和10克，以及全部的中間值)。

術語“基本上”和“大約”能夠用來包含可以在不改變該值的基本功能的情況下改變的任意數值。當與范圍一起使用時，“基本上”和“大約”還公開了由兩個端點的絕對值所限定的范圍，例如，“大約2至大約4”還公開了范圍“從2至4”。術語“基本上”和“大約”可以是指所表示的數字的加或減10％。

在本文所使用的一些術語是相對術語。特別地，術語“上”和“下”是位置上彼此相對的，即，上部件位于在給定方位上比下部件高的高度，但是如果部件翻轉，則這些術語會變化。當不同的部件相互比較時，這些術語是指部件相對于彼此處于固定方位。例如，第一部件的下表面將總是位于在第一部件下方的第二部件的上表面上；第一部件不能靠其自身翻轉而使得其上表面隨后位于第二部件的上表面上。

術語“上方”和“下方”相對于絕對參考系而言；位于第二部件上方的第一部件總是處于較高的高度。

如本文所使用的，術語“熱膨脹系數”或“CTE”是指在處于20℃時的線性熱膨脹系數。

當元素被單獨稱謂時，例如，“鋁”，該使用是指僅存在雜質的元素，例如，純鋁。當與術語“合金”聯用時，該使用是指包含了多數所稱謂元素的合金。

圖1示出了根據本公開的氣腔封裝件100的實施例的分解圖。圖2是氣腔封裝件的側視圖。圖3是氣腔封裝件的俯視圖。

氣腔封裝件100包括凸緣110、半導體晶片120、第一導電引線150、第二導電引線160和介電框架130。凸緣還稱為氣腔封裝件的底座。介電框架130的上表面134通過第一粘合劑組合物140附接到每個導電引線150，160的下表面152，162。導電引線150，160位于氣腔封裝件100的相反兩側，或者介電框架130或凸緣110的相反兩側。介電框架130的下表面132通過第二粘合劑組合物142附接到凸緣110的上表面114。介電框架130圍繞且包圍晶片120，晶片120還附接到凸緣的上表面114。介電框架具有環狀形狀，即，由兩個同心形狀之間的區域限定的形狀。

凸緣110充當半導體晶片的散熱部，并且由具有中等或高的導熱率的材料制成。凸緣可以由銅、鋁、AlSiC、AlSi、Al/金剛石、Al/石墨、Cu/金剛石、Cu/石墨、Ag/金剛石、CuW、CuMo、Cu:Mo:Cu、Cu:CuMo:Cu(CPC)、Mo、W、金屬化的BeO或金屬化的AlN制成。注意的是，CPC是指通常具有1:4:1厚度的三個子層的Cu:CuMo70:Cu。注意的是，凸緣可以是金屬基質復合材料，例如分散在鋁或銅金屬基質中的石墨。在特定的實施例中，凸緣采用在每個主表面上鍍有一個或多個金屬子層(例如，與AuSn晶片附接相兼容的鍍敷材料)的襯底形式。凸緣可以根據需要而鍍有鎳(Ni)、金(Au)、鈀(Pd)、鉻(Cr)和銀(Ag)的組合。在特定的組合中，凸緣鍍有Ni+Au、Ni+Pd+Au、Ni+Cr、Pd+Au或Ni+Ag，先列出的元素先進行鍍敷(即，最靠近襯底)。

粘合劑組合物140，142一般包含強力的、可延展的高溫粘合劑(例如，熱塑性聚酰亞胺或其它聚酰亞胺系粘合劑)。熱塑性聚酰亞胺展現出在凸緣110與介電框架130之間的強的粘合強度。

第一粘合劑組合物140和第二粘合劑組合物142可以相同或不同。粘合劑組合物140，142可以由主粘合劑材料構成或者可以包括一種或多種其它成分。在一些實施例中，粘合劑組合物填充有介電材料(例如，玻璃和/或陶瓷粉末)。其它粘合劑可應用在主粘合劑的上方和/或下方的層中。在一些實施例中，主粘合劑是熱塑性聚酰亞胺，另一粘合劑是高溫環氧樹脂或高溫聚酰亞胺系粘合劑。

熱塑性聚酰亞胺可以為A階段粘合劑形式，其中聚酰亞胺仍為液態，并且仍存在相對大量的溶劑。該A階段熱塑性聚酰亞胺可以分配、浸漬、移印或絲網印刷到表面上，隨后進行B階段。可替代地，粘合劑是B階段膜，其中已經預先去除了大部分溶劑且粘合劑未固化，但是可以相對容易地進行處置和成形。自立(free standing)的B階段熱塑性聚酰亞胺膜可以壓印成預制件；或B階段熱塑性聚酰亞胺可以涂覆在薄的聚酰亞胺(例如，)膜的兩面上。熱塑性聚酰亞胺提供快速作用的粘合并且適合于高溫操作。應注意，聚酰亞胺本質上是絕熱體，并且不能很好地導熱。聚酰亞胺本質上也是電隔離的，即不導電。

聚酰亞胺粘合劑的非限制性實例包括由德國瓦爾特布隆(Waldbronn)的Polytec PT GmbH(保利達PT公司)和馬薩諸塞州(Massachusetts)波士頓(Boston)的Fraivillig Technologies出售的粘合劑。示例性的Polytec粘合劑包括以商品名EC-P 280、EP P-690、EP P-695和TC-P-490出售的粘合劑。

使用熱塑性聚酰亞胺(TPI)作為粘合劑來組裝氣腔封裝件提供了關于引線和凸緣材料的靈活性。首先，該粘合劑將很好地與大多數陶瓷、金屬或玻璃表面粘合，而不需要該表面的預金屬化。無論粘合的表面是金屬、陶瓷還是塑料，粘合強度都非常高。固化TPI也非常柔順，即具有低楊氏模量或不是非常硬。高粘合強度與低剛度的組合意味著固化的TPI粘合膜可以承受嚴重的剪切應力，而不會斷裂或失去附著性。固化的TPI粘合膜還可以承受粘合在一起的兩個表面之間的嚴重的CTE失配，而不損失對任一表面的附著。第二，該粘合劑將在300℃以下的溫度固化。這減少了被粘合在一起的部件之間的殘余應力(CTE失配)。這種低溫固化還降低了加工成本，因為可以使用較低成本的烘箱或熱板代替昂貴的高溫爐。

另一個優點是該粘合劑可以在遠遠高于其固化溫度的溫度下操作而不降解。這允許在最終襯底中實現更高的工作溫度，并且與其它粘合劑相比還允許制品耐受更高的電流漂移。一旦固化，熱塑性聚酰亞胺可以承受以350℃進行的延長操作和到達450℃的熱漂移。相比之下，環氧粘合劑通常在約170℃的低溫固化，并且在更高的溫度將脫粘、炭化或分層。因此，使用TPI制成的氣腔封裝件與使用常規晶片粘合材料(例如填充銀的環氧樹脂、AuSn焊料(280℃)和SnAgCu焊料(217℃))的后續晶片附接操作兼容。

接下來，電引線150,160可以由銅、鎳、銅合金、鎳鈷鐵合金(例如)或鐵鎳合金(例如Alloy 42，即Fe58Ni42)制成。與凸緣一樣，電引線可以鍍有一個或多個與上述相同的金屬子層。

由于熱塑性聚酰亞胺將溶解在高pH溶液(例如，通常在電鍍工藝的清潔步驟中使用的溶液)中，(如果進行鍍敷的話)優選在組裝氣腔封裝件之前鍍敷引線和凸緣材料。

介電框架130由聚酰亞胺或液晶聚合物(LCP)形成。介電框架130可以具有從大約0.2mm至大約0.8mm(包括大約0.5mm在內)的厚度(即，高度)。

介電框架130可以由以商品名或商購獲得的聚酰亞胺片材形成。可以以各種低成本方法(例如沖壓、激光切割、水射流切割、銑削和機械加工)來加工片材，以獲得期望的形狀。由聚酰亞胺制成的框架130的成本可低于常規的金屬化和鍍敷氧化鋁的框架。

介電框架130也可以通過注射成型而形成。可注塑成型的聚酰亞胺樹脂包括DuPont樹脂和樹脂。UH樹脂(可從馬薩諸塞州的皮茨菲爾德(Pittsfield)的Sabic Innovative Plastics(沙伯基礎創新塑料)商購獲得)具有大約240℃的非常高的使用溫度。

任選地，聚酰亞胺可以填充有絕緣的非導電填料以改變介電框架的特性。在一些實施例中，填料是陶瓷粉末、玻璃粉末或磨碎的玻璃纖維。這些填料可以降低介電框架的CTE。填料可以以大于零至介電框架的約50體積百分比的量存在。

LCP還可以注射成型為網狀框架以形成介電框架。可注射成型的LCP組合物包括LCP的Vectra系列(Celanese Corporation(塞拉尼斯公司))以及Laperos(Polyplastics(日本寶理塑料株式會社))。

介電框架可以具有在大約3.0至大約5.0的范圍內的介電常數，包括從大約3.2至大約3.8以及從大約3.4至大約3.6。

由于其介電特性，聚酰亞胺和LCP是用于介電框架的合適材料。表1列出了與常規框架材料(即氧化鋁)相比的和聚酰亞胺和LCP的特性。

表1

聚酰亞胺優于LCP的優點包括較高的工作溫度、與熱塑性聚酰亞胺粘合劑(其也適合于高溫操作)的相容性以及容易與諸如熱塑性聚酰亞胺等粘合劑粘合的能力。

由于LCP和聚酰亞胺表現出類似的介電常數，與LCP介電框架匹配的部件通常也很適用于聚酰亞胺框架。例如，被設計為具有與LCP框架匹配的RF阻抗的射頻功率晶體管通常也將具有與聚酰亞胺框架匹配的RF阻抗。

可以添加蓋(未示出)以密封封裝件的氣腔中的空氣。在一些實施例中，蓋包括氧化鋁陶瓷或LCP。環氧樹脂可以用于將蓋鍵合到框架的頂表面，包括聚酰亞胺框架和引線(例如，鍍金引線)。蓋環氧樹脂可在大約160℃的溫度固化。

當引線150,160和凸緣110都由銅制成并且粘合劑組合物140,142包括熱塑性聚酰亞胺時，則這些部件和介電框架130的材料共有非常相似的CTE。

引線150,160、介電框架130和凸緣110可以在固定裝置中對準并通過固化粘合劑組合物而鍵合在一起。熱塑性聚酰亞胺的典型固化溫度在10psi為大約220℃。一旦固化，熱塑性聚酰亞胺可以耐受320℃的漂移達5分鐘(例如，以能夠AuSn晶片附接)，隨后是蓋封和溫度循環測試所需的熱漂移。

可替代地，在另一示例性的方法中，氣腔封裝件可以由使銅完全層壓在兩個表面上的聚酰亞胺片材形成。示例性的厚度包括8密耳Cu/20密耳密耳Cu；和4密耳Cu/20密耳密耳Cu。然后，可以將該層壓片材加工成單獨的氣腔封裝件。例如，可以針對一個銅表面銑削層壓片材以生產電引線和聚酰亞胺框架(即，通過在片材的聚酰亞胺層中形成空腔，使得相對的銅表面暴露)。然后銑削該相對的表面以產生凸緣。該方法不需要使用聚酰亞胺粘合劑。通常，使用層壓代替熱塑性聚酰亞胺附著更適合于制造無耳管座。

可替代地，可將銅的一個或兩個面光刻以限定引線和底座的陣列。熱塑性聚酰亞胺通常與用于光刻的酸相容。然而，當在堿性溶液中剝離光致抗蝕劑(又稱為光阻或光刻膠)時必須小心。光刻在產生具有多個狹窄間隔開的引線的氣腔封裝件時具有優勢。

可以利用層壓工藝中的變化來減少層壓后加工。例如，可以用通孔陣列沖壓聚酰亞胺片材(例如，的20密耳厚的片材)，然后將聚酰亞胺片材與光刻后的Cu片材層壓：將頂板光刻成電引線陣列并且將背面面板光刻成底座或凸緣陣列。對準孔和銷可以用于在層壓之前對準Cu/聚酰亞胺/Cu層疊物。使用高壓切除壓力機，可以通過沖壓板材和連接桿的厚度來釋放單個管座。

本公開的氣腔封裝件可以特別適合于商用設備(例如，蜂窩基站放大器)。這種設備通常不在現場進行溫度循環。因此，降低了水分吸收。

在基站中使用的商用橫向擴散金屬氧化物半導體(LDMOS)硅晶體管必須處于與濕度敏感度等級3(MSL 3)兼容的氣腔封裝件中。基本上，MSL 3將有蓋的組件暴露在30℃+60％的相對濕度達192小時，隨后具有在200℃達到峰值的特定的焊料回流溫度曲線。有蓋的封裝件必須通過Fluoroinert的總泄漏測試，并通過其他測試要求。當前的制造商廣泛使用環氧樹脂包覆成型封裝件。這種封裝件是低成本的并且通過MSL 3。然而，環氧樹脂包覆成型的封裝件不具有氣腔。因此，晶體管的RF特性劣化。

本公開的氣腔封裝件通常能夠耐受AuSn晶片附接(320℃)、利用環氧樹脂的蓋密封(160℃)和溫度循環(例如，-50℃至85℃，1000次循環)的順序步驟。

將意識到，以上公開的特征和功能以及其它的特征和功能的變化形式或其替代物可以組合成許多其它不同的系統或應用。本領域技術人員隨后可以實現的各種當前未預見的或非預期的替代方案、修改方案、變型例或改進，這些也都意在由隨附的權利要求書所涵蓋。