多种材料在电子器件的气穴封装中的应用 【发明领域】
本发明涉及电子包装领域。电子包装物可用来封装和保护半导体电路器件(芯片)，同时提供电连接，使芯片电路与外部组件连在一起，如印刷电路板中的那些组件。具体地，本发明涉及气穴封装，在这些封装中，芯片处于充满空气的空穴中，空气的低介电常数可提高芯片的性能。特别地，本发明意在解决按如下方式密封芯片和气穴外面的封装物时碰到的困难，即在生产封装的高温下和使用封装的条件下能保持气密性。
【发明背景】
电子封装由密封在护套中的芯片组成，引线穿透护套壁，使芯片电路与外部电路，如印刷线路板上的电路实现电连接。本发明研究的封装是电子工业中所谓的“气穴封装”，因为芯片位于护套内部充满空气地空穴里，空气由于介电常数低而充作电绝缘体。当电子器件为微波功率芯片时，这种绝缘能力特别有用。当芯片需要透光性时，如CCD和CMOS器件，气穴也很有用，因为空气允许光到达芯片的表面。
当前，芯片采用极度精细的线路和高电流密度，为了达到稳定可靠的性能，封装必须密封得能抵抗水蒸气和其他空气组分的渗入。同时，所述封装必须能够散开芯片在使用中产生的热量。散热性能常常通过封装的底部实现，因此，要使用导热材料，通常为金属板作为底部，并用高温导热焊料，常常为低共熔焊料将芯片连接到底部上。制造封装时，常常先将侧壁连接到金属板上，形成封装的主体，侧壁有引线穿过。一旦主体形成，就将芯片放置在主体当中，并用焊料固定到底部上。然后用线将芯片电路与引线连接起来，最后用合适的胶粘剂将盖子固定到主体上，封闭顶部，从而完成封装。
将芯片固定在封装底面上所需的焊接温度较高，这要求封装的主体由特定材料构成，这种材料能耐高温，而不会发生开裂、熔化、流动、分解或变形，这些可能危及整个封装的密封性。当封装在高瓦特数下使用时，这对封装壁和盖子提出了另一个限制条件，因为在使用中它们会产生高温。由于这些原因，原有技术下的封装壁和盖子由陶瓷材料制成。但是陶瓷成本高，当大量生产封装时，陶瓷占据了封装生产成本的主要部分。若用塑料代替陶瓷，则成本可显著降低，但塑料不容易抵挡焊接时的高温，将芯片焊接到基底上时，它要么熔化，要么分解。结果，生产带塑料侧壁的电子封装的废品率很高。
当用两部件构成法生产封装时，产生了类似的问题。这种方法是用陶瓷或塑料将基底和侧壁模塑成一个整体部件，并模塑或插入金属散热片作为底部，第二个部件是盖子。如果用陶瓷作为构建基底和侧壁整体部件的材料，则成本高，如果用塑料，则由于塑料损坏或变形以及在相当多的单元中形成泄露点，大规模生产时的产率较低。
对于光学封装，即包含需要透明盖子用以透光的CCD或CMOS器件的封装，存在另一个问题。因为这些封装在使用中不会产生热量，它们不需要快速散热的金属基底，金属、塑料或陶瓷均可使用。此外，由于不需要快速散热，所以不需要高温金属焊料。相反，低温焊接可以用诸如环氧化物的焊料进行。但无论如何都应当考虑高温的影响，因为在封装之组装好后、使用封装之前，还要对它进行处理。这种后续处理包括将封装外面的引线与外部电路焊接起来，以及进行质检，所有这些都涉及高温。在高温下，包装的部件之间的热膨胀系数差异会使封装易于开裂。特别地，用于典型透光封装的玻璃盖的CTE显著低于基底，无论基底是金属、塑料或陶瓷。这种热膨胀系数差使得盖子和基底在热循环过程中膨胀程度不同。膨胀差异使封装发生弯曲，使侧壁处于应力之下，增加了破坏密封性的危险，不管密封的是侧壁与基底还是侧壁与盖子，或者二者同时密封。当形成裂缝时，封装将通不过总体泄露测试和湿敏测试，这些测试决定了它们是否适于使用，同时有用产品(能发挥功用的长寿命封装)的产率下降。
发明概述
通过使用至少三个先是分离的组件——基底、侧壁框架和盖子——形成封装，本发明解决了生产气穴电子封装时遇到的上述困难以及其他困难。对于通过高温焊料连接芯片与基底来进行生产，且在使用中产生大量热的封装，封装的三组件结构允许先将芯片焊接到基底上，然后再组装上其他任何封装组件，即将侧壁连接到基底或将盖子连接到侧壁上。此时将塑料侧壁连接到基底上，不会使塑料遭受将芯片焊接到基底上所需的高温。此外，由于完全不使用陶瓷或仅在基底上用陶瓷，消除或减少了在陶瓷上的高成本。对于带透明盖子的可视封装，封装的三组件结构允许将塑料侧壁与非塑料基底非塑料盖子一起使用。这样，基底和盖子可由CTE值相近的材料形成，而形成侧壁的材料的CTE可与基底和盖子有较大差异。使用CTE相对较高的塑料做侧壁不会对封装的密封处施加不适当的应力，原因是，即便侧壁在组装和测试中的高温下变厚(即同时向内向外膨胀)，基底和盖子几乎等量膨胀，从而防止封装弯曲。
因此，根据封装的类型和所使用的材料，本发明具有不同的优点。一般来说，本发明对材料的选择范围较宽，同时可避免或减少裂缝导致的封装废品，所述裂缝是由组装和使用过程中的高温引起的。本发明的上述及其他优点、特征和实施方式从下面的描述中可以更加清楚地看到。
本发明优选实施方式
如上所述，本发明生产过程的第一步是将芯片固定到作为封装的底部的基底上。视封装的类型，基底可以具有快速散去芯片上热量的能力，也可以是其散热性并不关键(如用于光学封装)。当需要较高的导热性时，基底可以是金属材料、陶瓷材料、涂敷金属的陶瓷材料或有个金属插入物的陶瓷材料。当不需要高导热性时，底板可以是这些材料中的任意一种以及塑料。
对于金属底板或金属插入物或金属涂层，合适的金属的例子列举如下，其符号如《电子材料手册》所述(Electronic Materials Handbook，Vol.1，Minges，M.L.，等编，ASM International，Materials Park，Ohio，1989)：
铜
铜-钨合金
铜-铁合金：C19400，C19500，C19700，C19210
铜-铬合金：CCZ，EFTEC647
铜-镍-硅合金：C7025，KLF 125，C19010
铜-锡合金：C50715，C50710
铜-锆合金：C15100
铜-镁合金：C15500
铁-镍合金：ASTM F30(合金42)
低碳钢
铝
这些金属中，优选铜、铜含量至少为95wt％的铜合金、铁含量至少约为50-75wt％的铁-镍合金及铁含量至少约为50-75wt％的铁-镍-钴合金。铁-镍合金(合金42，58％Fe，42％Ni)和铁-镍-钴合金Kovar(54％Fe，29％Ni，17％Co)，以及各种铜合金尤其值得注意。还可使用金属层合物，特别是铜-钼-铜，因其具有特别高的导热性。这些金属和合金也可用作穿透封装侧壁的引线。
对于使用陶瓷基底的封装，合适的陶瓷的例子有Al2O3(氧化铝)、BeO(氧化铍)、AlN(氮化铝)、SiN(氮化硅)和这些材料的混合物，以及通过加入BaO(氧化钡)、SiO2(氧化硅)或CuO(氧化铜)进行改性的Al2O3。优选的陶瓷是氧化铝，特别是改性氧化铝，以及氧化铍。
对于使用塑料基底的封装，合适的塑料包括热固性和热塑性材料。热固性材料的例子有环氧化物树脂和改性环氧化物树脂、聚亚酰胺、改性聚亚酰胺、聚酯和有机硅。热塑性材料的例子有聚氨酯、聚苯硫醚、聚砜、聚醚酮、芳基聚酯，如包含约20-40％填料，如玻璃、陶瓷或矿物的液晶聚合物。
当芯片和基底之间需要高传热连接时，有相当多的焊接材料可形成这种连接。由锡、铅、锑、铋、镉、银、铜或金以及较少量的其他元素可以形成合金焊料。一般优选共熔合金，因为它们在熔化和固化过程中能够维持其各组分比例。例子有铜-铁合金、铜-铬合金、铜-锡合金、铁-镍合金、铁-镍-钴合金、锡-银合金及金-锡合金。80∶20的金-锡共熔焊料特别适合，因为它具有高的导热性。
根据所用焊料或结合剂，将芯片焊接或粘合到基底上的温度可以不同。对于高传热性所需的高温焊接，通常使用高于250℃的焊接温度。多数情况下，焊接温度在250-500℃范围内，特别是对于金-锡共熔焊料，宜在300-400℃范围内。对于低温焊接或结合，温度通常在125-175℃范围内。例如，当用环氧化物时，典型的粘合温度是约150℃。
在芯片焊接或结合到基底上并冷却之后，将侧壁安装在基底上形成框架。热固性或热塑性材料均可用于侧壁，例子列举如上。热固性材料通常通过传递模塑进行模塑，而热塑性材料通常通过注塑进行模塑，尽管这两种情况都可采用不同模塑方法。侧壁上可以预置引线，引线的表面或两端面可以延伸到侧壁包围的空间中，因而与芯片连接的线可与之接触。对于非金属基底，这些引线也可以包埋在基底中。无论哪种情况下，形成引线的材料可与用于金属基底的材料类型相同，例子列举如上。如果引线构成基底的一部分，则侧壁可完全由塑料制成，在此制造阶段，只有侧壁和基底之间的界面上才需要进行防潮密封。
对于引线包埋在侧壁中的封装，侧壁框架可以在引线上模塑。在引线上模塑侧壁的程序是众所周知的，通常是在组装好的引线框架上进行模塑，所述引线框架包含一系列金属引线，这些引线通过连接带结合在一起，并排成若干不连续的组，相邻的组进一步通过连接带连接，这些连接带最终在模塑完成时除去。沿引线的一些特定位置有屏障帮助把模塑化合物限制不动，这些屏障在分离模塑侧壁主体之前同样要除去。根据所用材料，可以采用常规模塑技术，如注塑、传递模塑、嵌件模塑和反应-注射模塑。在模塑之前，在引线框架上引线与塑料接触的一些地方施涂胶粘剂。胶粘剂在模塑温度下固化，在引线周围形成密封，防止湿气和其他气体的侵入。引线数目随着芯片及其目标用途的不同可以有很大的变化。因此，引线可以少至2根，也可以多至100根，甚至更多。引线可以在框架的一面上，也可以在全部四面上。
类似地，利用胶粘剂，特别是可加热固化的聚合物胶粘剂，可将侧壁框架安装到基底上。在两个地方都可使用的胶粘剂包括热固性和热塑性材料，如环氧化物胶粘剂、聚酰胺、硅树脂、酚醛树脂、聚砜或苯氧胶粘剂。热固性胶粘剂的例子有：
D.E.R.332：含双酚A的环氧树脂(Dow Chemical Company，Midland，Michigan，USA)
ARALDITEECN 1273：甲酚醛环氧树脂(Ciba-Geigy Corporation，Ardsley，New York，USA)
ARALDITEMY 721：多官能液体环氧树脂(Ciba-Geigy Corporation)
QUARTEX1410：含双酚A的环氧树脂(Dow Chemical Company)
EPSON828、1001F、58005：改性双酚A环氧树脂(Shell Chemical Company，Houston，Texas，USA)
热塑性胶粘剂的例子有：
Phenoxy PKHJ：苯氧基树脂(Phenoxy Associates)
聚砜
胶粘剂组合物也可以包含一种或多种能提供任何所需性质的成分。这些成分包括固化剂、消泡剂、除湿剂(干燥剂)和加入到主体组分中的填料。固化剂的例子有聚胺、聚酰胺、聚酚、聚硫醇、聚羧酸、酐、双氰胺、氰基胍、咪唑和路易斯酸，如三氟化硼与胺或醚形成的络合物。消泡剂的例子有疏水硅化物如硅树脂和硅烷，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，石蜡烃，固体脂肪酸及其酯。除湿剂的例子有活性氧化铝和活性炭。用作除湿剂的具体产品有供应商(Alpha Metals of Jersey City，New Jersey，USA)标记的GA2000-2、SD1000和SD800。填料的例子有氧化铝、二氧化钛、碳黑、碳酸钙、高岭土、云母、氧化硅、滑石粉和木粉。
在结合基底和/或盖子的优选方法中，首先将胶粘剂施涂在待连接的表面上，然后加热到中等温度，使胶粘剂处于B-阶段，此时胶粘剂在室温下没有黏性并处于半干状态。要连接的两个部分有一个或两个同时如此施涂B-阶段胶粘剂，然后把它们粘合起来，进一步加热，使B-阶段胶粘剂液化，湿润表面，再充分固化，形成具有气密性的密封。
对胶粘剂固化以结合侧壁和基底的温度可随所用具体的胶粘剂而变化，但一般低于200℃。多数情况下，温度范围为100-200℃，宜为125-185℃。
一旦侧壁框架与基底连接好，就用线将芯片连接到引线上，并将盖子固定在侧壁框架上，封住芯片。可利用胶粘剂，以将侧壁框架固定到基底上的相同方法，将盖子固定到侧壁框架上。
用作基底和盖子的材料、用于侧壁框架的塑料、用于引线的金属以及用来将引线结合到侧壁框架、将侧壁框架结合到基底和将盖子结合到侧壁框架上的胶粘剂，它们有一个共同的参数，即热膨胀系数(“CTE”)。每种材料都有自己的CTE，单位为百万分(重量)每摄氏度，CTE影响所用材料的选择。任何两个相邻组件和任何胶粘剂，以及用胶粘剂结合起来的组件，它们的CTE可相差很大。在很多情况下，这种差异可通过在胶粘剂组合物中加入热塑性组分来弥补，这种热塑性组分可以作为唯一胶粘剂组分，也可以与热固性胶粘剂组分形成混合物。
本发明方法在很大程度上提高了电子封装生产中所用材料的多样性。例如，每个面上有8条引线、大小为0.4平方英寸的封装中间体(即侧壁框架)，其基底为金属，盖子为陶瓷，可用于功率封装。同样的中间体可用于CCD或CMOS可视封装中，但其基底为陶瓷，盖子为透明玻璃。基底和盖子均为金属的这种中间体也可用来保护芯片不受RF或电磁辐射的影响。本发明还可以将原本不相容的材料用作封装组件。例如，在典型的可视封装中用作盖子的玻璃具有约7ppm/℃的CTE，而基底具有15-25ppm/℃的CTE，特别是当封装用于印刷电路板时。这种差别可以减小，方法是使用由具有中间CTE值，如CTE值为基底和盖子的CTE值的平均值的塑料制成的中间体，可加减30％。这可降低封装弯向CTE较低的玻璃盖，或者在极端情况下，导致盖子破裂或在结合线上产生裂缝的倾向，这些情况容易发生在封装的生产过程中，或者在生产之后进行组装和测试时的加热过程中。
生产封装的所有步骤均可以平行方式进行，即在二维操作线上同时处理多个单元。利用安装适当的定位孔，二维操作线上的相邻组件可精确排列，以便同时组装。也可以是，任何部件可以先单独制造并结合。
前面的叙述把重点放了在本发明的特定实施方式和实施例上。但是，本领域的熟练技术人员不难认识到，就这些封装的结构及其组装程序中所用的材料、操作条件、操作方法和其他参数而言，本发明包括对上述实施方式和实施例的变化和改进。