專利名稱：直接接觸式管芯安裝的制作方法
技術領域：
本發明涉及將半導體管芯安裝于晶體管外殼上的方法和裝置。
背景技術：
一般情況下，一個或多個晶體管單元(或“芯片”)形成于導電管芯例如硅上，然后將該導電管芯安裝于作為晶體管“外殼”的一部分的安裝底盤上。具體地說，導電管芯既可以直接安裝到底盤上，也可以安裝于底盤之上的作為中間層的不導電基片例如氧化鈹上。在任何一種情況下，采用“管芯焊接”材料例如焊料、金屬填充的環氧樹脂(epoxy)或玻璃來將管芯安裝到各底盤或基片上。由于晶體管的失效率正比于晶體管的有源區或結的溫度，所以封裝功率晶體管時的一個最重要的問題是熱性能。這樣，為了使具有形成于其上的多個晶體管的管芯能夠一例如通過底盤-容易地把熱傳遞到所安裝的熱沉，管芯和熱沉間的管芯焊接界面必須具有低熱阻。因此，除提供機械支撐外，用于把管芯安裝于外殼上的焊接材料必須具有高熱傳導性。
環氧樹脂是這些材料中最常用的一種，它用于低頻和DC晶體管應用。然而，環氧樹脂是一種很差的熱導體，妨礙了其在高頻應用、例如RF功率晶體管器件中的應用。這種器件中采用硬焊料來代替它。硬焊料是具有高強度和較高熱傳導性的較低溫度熔化合金，其基本上沒有熱疲勞，具有彈性形變而不具有塑性形變。盡管存在著用于把管芯安裝到外殼上的許多不同硬焊料，但具有363℃的共晶熔點的金-硅合金最廣泛應用于高頻應用。
具體地說，如
圖1所示，將外殼加熱到410℃，然后用真空裝置將管芯置于外殼的管芯安裝區上(即，各安裝底盤或不導電基片上)，人工擦磨該表面，直到形成充分的熔融物。然而，利用該技術一個應注意的問題是，管芯暴露于較高溫度下。具體地說，采用金-硅共晶體作為焊接介質，由于金-硅共晶體缺少塑性形變能力，可能會因冷卻或器件的功率循環在管芯上造成相當大的應力。如果所產生應力超過硅的最大強度，這些熱效應可能會導致龜裂。為控制這種應力，需要采用復雜且昂貴的材料和工藝。另外，為減小高處理溫度引起的熱效應，包圍半導體管芯的材料必須具有與管芯匹配的熱膨脹系數，這極大地限制了可用材料的選擇。
例如，參見圖2，未密封的現有技術功率晶體管外殼10包括用于將由安裝的硅管芯12所散發的熱傳導到熱沉(未示出)的導電安裝底盤14。為了適當地實施，底盤14必須具有大約與硅相同的熱膨脹系數(即，2.6×10-6/℃)。由于熱膨脹系數為7.0×10-6/℃的銅-鎢(15％Cu)其熱膨脹系數較低，所以廣泛地用于這種目的。盡管這種銅-鎢合金具有較高的熱傳導性(178W/m-K)，仍然很希望用由具有較高熱傳導性的金屬例如純銅構成的底盤來代替銅-鎢(15％Cu)底盤。然而，由于純銅的熱膨脹系數(16.5×10-6/℃)是硅的熱膨脹系數的六倍，所以在金-硅共晶焊接需要的較高溫度下處理芯片時，它實際上是不能用的。
同樣，甚至在用中間基片16將硅管芯12與底盤14電隔離開時，基片16也必須具有與硅接近的熱膨脹系數。還必須提供良好的電隔離及最小的電容和電導。由于熱膨脹系數為8.0×10-6/℃的氧化鈹(BeO)滿足上述需求，并且與例如工業金剛石相比而言較便宜，其中工業金剛石除成本問題之外其具有最佳整體特性，所以氧化鈹被廣泛用于這種目的。雖然如此，由于管芯焊接的需要所造成的熱傳導性和膨脹限制可能會限制另外一些本來有利的基片材料的應用。
因此，需要提供一種可以在較低溫度下將半導體管芯安裝于基片上的替代工藝。
發明概述本發明通過采用不受溫度影響的直接接觸式管芯安裝克服了現有技術的問題和缺點。具體地說，根據本發明總體方案，采用多個彈性夾緊部件將半導體管芯安裝到功率晶體管外殼的管芯安裝區。
在優選實施例中，夾緊部件一端焊接到半導體管芯的頂面上，另一端焊接到如發射極、集電極或基極引線框等穩定表面上。夾緊部件的形狀和構成提供了彈性力，以使管芯的底面與晶體管外殼的管芯安裝區例如安裝底盤或不導電基片產生和保持基本上均勻和恒定的接觸。夾緊部件優選導電的，可以將來自管芯上各晶體管單元位置的電流傳送到夾緊部件焊接于其上的各引線框。
正如所屬領域的技術人員所清楚的，此后將顯示出本發明的其它及進一步的目的及優點。
附圖簡述各附圖示出了本發明優選實施例的設計和應用，其中圖1是用于將半導體管芯安裝于晶體管外殼基片上的現有技術共晶焊接工藝的側視圖；圖2是現有技術(未密封的)功率晶體管外殼的透視圖；圖3是采用了本發明直接接觸式管芯安裝的功率晶體管外殼的第一優選實施例的透視圖；圖4是本發明功率晶體管外殼的第二優選實施例的透視圖；以及圖5是采用了本發明直接接觸式管芯安裝的功率晶體管外殼的第三優選實施例的透視圖。
優選實施方案詳述參見圖3，功率晶體管外殼20包括通過第一、第二、第三和第四夾緊部件26a-d安裝于安裝底盤30的頂面28上的硅管芯22。具體地說，硅管芯22的底面(圖3中未示出)與底盤30的頂面28基本上均勻接觸。另外，盡管硅管芯22的底面和底盤30的頂面28每一個都可以鍍金以防止氧化，但由于硅管芯22并未共晶焊到底盤30上，所以不必鍍金，這樣可以提供制造功率晶體管外殼20的較便宜的工藝。
具有矩形窗口21的矩形陶瓷基片24適于焊接到底盤30的頂面28上，即利用現有技術公知的技術，其中窗口21封閉管芯安裝區。陶瓷基片24優選由電絕緣但熱傳導的材料例如氧化鋁構成。金鍍層25也利用現有技術公知的技術施加于基片24之頂面23的相對邊緣27和29上，其中輸入(即，發射極或基極)和輸出(集電極)引線框32和34分別共晶焊到相對邊緣27和29上的金鍍層25上。
根據本發明，各夾緊部件26a-d支撐和固定硅管芯22就位。具體地說，第一和第二夾緊部件26a-b的第一端焊接(例如，利用已知的超聲絲焊技術)到輸入引線框34上的對應“錨點”31a-b，第三和第四夾緊部件26c-d的第一端分別焊接到輸出引線框32上的對應錨點31c-d。夾緊部件26a-d的各第二端焊接到硅管芯22之頂面19上的對應錨點33a-d。
夾緊部件26a-d優選由合適的材料構成(例如，鋁或金或鋁合金)，以便它們具有足夠的彈性來穩定和保持硅管芯22的底面使其與底盤30的頂面恒定接觸。另外，夾緊部件26a-d的選擇長度和彎度優選構成為使它們每一個在各錨點33a-d上作用了基本相同大小的壓力，錨點33a-d優選對稱地位于硅管芯22的頂面19上。以此方式，底盤30的頂面28作用于硅管芯22底面上的力基本上均勻分布。
夾緊部件26a-d最好是導電的，以便第一和第二夾緊部件26a-b的各第二端可以焊接到位于硅管芯22上各晶體管單元的對應輸入(即，發射極或基極)引線(未示出)上的錨點33a-b，它們的第一端焊接到輸入(即，發射極或基極)引線框34上。同樣，第三和第四夾緊部件26c-d的各第二端可以焊接到位于硅管芯22上各晶體管單元的對應輸出(即，集電極)引線(未示出)上的錨點33c-d，它們的第一端焊接到輸出(即，發射極或基極)引線框32上。以此方式，夾緊部件可以有利地提供將管芯22上的一個或多個晶體管單元(未示出)與各引線框32和34電連接的附加功能。
參見圖4，第二優選功率晶體管外殼40包括安裝于矩形陶瓷基片42上的硅管芯41，其利用所屬領域公知的技術合適地焊接到安裝底盤50上。另外，陶瓷基片42優選由電絕緣但具有熱傳導性的陶瓷材料例如氧化鋁構成。
以與圖3所示的外殼20的夾緊部件26a-d相同的方式，外殼40的硅管芯41借助多個夾緊部件46a-d固定到基片42的頂面48上，這些夾緊部件可以穩定并迫使硅管芯41的底面(圖4中未示出)與基片42的頂面48基本均勻且恒定地接觸。具體地說，第一和第二夾緊部件46a-b的各第一端焊接(例如利用公知的超聲絲焊技術)到輸入引線框44上的對應錨點43a-b，第三和第四夾緊部件46c-d的各第一端焊接到輸出引線框47上的對應錨點43c-d。夾緊部件46a-d的各第二端焊接到硅管芯41之頂面39上的對應錨點45a-d。
正如所屬領域的技術人員所清楚的，夾緊部件46a-d具有與圖3所示外殼20的部件26a-d相同的優選特性--即，關于形狀、材料、導電性等。也正如所屬領域的技術人員所清楚的，由于不再需要使基片42的熱膨脹系數與管芯41相匹配(即，不用將管芯41共晶焊到基片42上)，所以本發明的優點在于基片42可以由較便宜(幾乎沒有毒)的材料構成。
參見圖5，第三優選功率晶體管外殼60包括安裝于矩形陶瓷基片62上的硅管芯61，其利用所屬領域的公知技術適當地焊接于安裝底盤70上。另外，陶瓷基片62優選由電絕緣但具有熱傳導性的陶瓷材料如氧化鋁等構成。
以與圖3和4所示的外殼20和40類似的方式，外殼60的硅管芯61借助多個夾緊部件66a-h固定到基片62的頂面57上，使硅管芯61的底面(未示出)穩定，并迫使其與陶瓷基片62的頂面57基本均勻且恒定地接觸。具體地說，第一和第二夾緊部件66a-b的各第一端焊接(例如，利用已知的超聲絲焊技術)到輸入引線框64上的對應錨點63a-b。第三和第四夾緊部件66c-d的各第一端焊接到輸出引線框67上的對應錨點63c-d。
此外，第五和第六夾緊部件66e-f的各第一端焊接到另一個(例如接地輸出)引線框71上的對應各錨點63e-f，第七和第八夾緊部件66g-h的各第一端焊接到再一個輸出引線框72上的對應錨點63g-h。八個夾緊部件66a-h的各第二端焊接到硅管芯61之頂面59上的對應錨點65a-h。
另外，八個夾緊部件66a-h具有選定的長度和弧度，并且優選由具有足夠彈性的材料(例如，鋁，或金，或鋁合金)構成，以便能穩定半導體管芯61的底面并迫使其與基片62的頂面57恒定接觸。如同圖3和4所示的優選實施例一樣，夾緊部件66a-h的長度和弧度最好選定為使它們在對應的錨點65a-h上作用相同的壓力，這樣基片62的頂面57作用于半導體管61底面上的力能均勻分布。如前述優選實施例所述，夾緊部件66a-h優選為導電的，可以從管芯62上的各錨點65a-h將電流傳到引線框64、67、71和72上的對應錨點63a-h。
這樣，這里公開了用于將半導體管芯焊接到晶體管外殼上的改進的方法和裝置。盡管以上展示和介紹了本發明的優選實施例和應用，但所屬領域的技術人員應明白，在不脫離本發明思想的情況下，可以有許多改形。因此，除所附權利要求書的精神之外，本發明不受限制。
權利要求
1.一種晶體管器件，包括具有底面和頂面的半導體管芯；具有頂面的基片；安裝到基片上的多個引線框；以及多個彈性夾緊部件，每個彈性夾緊部件具有第一端和第二端，其特征在于，各彈性夾緊部件的第一端焊接到各選定的引線框，各彈性夾緊部件的第二端焊接到半導體管芯的頂面上，由此，彈性夾緊部件在半導體管芯上施加一足夠的作用力，使管芯的底面產生并保持與基片頂面的基本上均勻且恒定的接觸。
2.根據權利要求1的晶體管器件，還包括形成于管芯頂面上的晶體管單元，其中第一彈性夾緊部件在晶體管單元和其中第一彈性夾緊部件的第一端焊接于其上的相應引線框之間傳導電流。
3.根據權利要求2的晶體管器件，其特征在于，第二彈性夾緊部件在晶體管單元和其中第二彈性夾緊部件的第一端焊接于其上的相應引線框之間傳導電流。
4.根據權利要求3的晶體管器件，其特征在于，第一彈性夾緊部件的第一端焊接到輸入電流引線框上，第二彈性夾緊部件的第一端焊接于輸出電流引線框上。
5.根據權利要求1的晶體管器件，其特征在于，第一和第二彈性夾緊部件的各第一端焊接到晶體管器件的基極引線框上，第三和第四彈性夾緊部件的各第一端焊接到晶體管器件的集電極引線框上。
6.一種晶體管器件，包括具有頂面的安裝底盤；具有頂面和底面的半導體管芯；安裝于安裝底盤的頂面上的多個引線框；以及多個彈性夾緊部件，每個彈性夾緊部件具有第一端和第二端，其特征在于，各彈性夾緊部件的第一端焊接到相應選定的引線框上，各彈性夾緊部件的第二端焊接到半導體管芯的頂面上，由此，彈性夾緊部件在半導體管芯上施加一足夠的作用力，使管芯的底面產生并保持與安裝底盤頂面的基本上均勻且恒定的接觸。
7.根據權利要求6的晶體管器件，還包括形成于管芯頂面上的晶體管單元，其中第一彈性夾緊部件在晶體管單元和其中第一彈性夾緊部件的第一端焊接于其上的相應引線框之間傳導電流。
8.根據權利要求7的晶體管器件，其特征在于，第二彈性夾緊部件在晶體管單元和其中第二彈性夾緊部件的第一端焊接于其上的相應引線框之間傳導電流。
9.根據權利要求8的晶體管器件，其特征在于，第一彈性夾緊部件的第一端焊接到輸入電流引線框上，第二彈性夾緊部件的第一端焊接于輸出電流引線框上。
10.根據權利要求6的晶體管器件，其特征在于，第一和第二彈性夾緊部件的各第一端焊接到晶體管器件的基極引線框上，第三和第四彈性夾緊部件的各第一端焊接到晶體管器件的集電極引線框上。
11.一種晶體管器件，包括具有頂面的安裝底盤；具有頂面和底面的基片，基片的底面安裝到安裝底盤的頂面上，所說基片還具有形成于其中的管芯安裝窗口；具有頂面和底面的半導體管芯；安裝到基片的頂面上的多個引線框；以及多個彈性夾緊部件，每個彈性夾緊部件具有第一端和第二端，其特征在于，各彈性夾緊部件的第一端焊接到相應選定的引線框上，各彈性夾緊部件的第二端焊接到半導體管芯的頂面上，由此，彈性夾緊部件在半導體管芯上施加一足夠的作用力，使管芯的底面產生并保持與安裝底盤頂面的基本均勻且恒定的接觸，并且半導體管芯設置于基片管芯安裝窗口內。
12.根據權利要求11的晶體管器件，還包括形成于管芯頂面上的一個晶體管單元，其中第一彈性夾緊部件在晶體管單元和其中第一彈性夾緊部件的第一端焊接于其上的相應引線框之間傳導電流。
13.根據權利要求12的晶體管器件，還包括形成于管芯頂面上的多個晶體管單元，其中一個或多個彈性夾緊部件在各選定的晶體管單元和其中相應彈性夾緊部件的第一端焊接于其上的引線框之間傳導電流。
14.根據權利要求11的晶體管器件，其特征在于，第一彈性夾緊部件的第一端焊接到輸入電流引線框上，第二彈性夾緊部件的第一端焊接于輸出電流引線框上。
15.根據權利要求11的晶體管器件，其特征在于，第一和第二彈性夾緊部件的第一端焊接到晶體管器件的基極引線框上，第三和第四彈性夾緊部件的第一端焊接到晶體管器件的集電極引線框上。
全文摘要
半導體管芯(22)借助多個彈性夾緊部件(26a－d)安裝到晶體管外殼(20)上,所說夾緊部件的一端焊接到半導體管芯的頂面(19)上,另一端焊接到例如晶體管外殼的發射極、集電極或基極引線框(32,34)上。夾緊部件的形狀和構成提供了彈性力,使得管芯的底面與晶體管外殼的管芯安裝區例如安裝底盤或不導電基片(30)產生和保持基本上均勻和恒定的接觸。夾緊部件優選導電的,可以將來自管芯上各晶體管單元位置的電流傳送到其中夾緊部件焊接于其上的各引線框。
文檔編號H01L21/52GK1247636SQ9718189
公開日2000年3月15日 申請日期1997年12月20日 優先權日1996年12月20日
發明者L·C·萊頓, T·W·莫勒 申請人:艾利森公司