CN102482428A - 超高温塑料封装以及制造方法 - Google Patents

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Abstract

用于微电子电路的封装包括框架，所述框架由高分子量塑料材料制成，例如液晶聚合物(LCP)，可安装到法兰或引线框架。塑料材料被注塑到法兰上。塑料材料的初期聚合可以发生在液态下，产生具有初始熔融温度的中间材料。框架注塑后，框架受热并进行进一步(“二次”)聚合，从而延长了塑料材料中的聚合物链。这些更长的聚合物链有更高的分子量，与中间材料相比，得到的最终材料有更高的熔融温度。得到的超高分子量的聚合物可以承受高温，例如焊接过程中所遇到的温度。因此，进一步(二次)聚合后，可以将芯片焊接到法兰上，而不会破坏塑料框架。

Description

超高温塑料封装以及制造方法
关于联邦政府资助研究或开发的声明
(不适用)
技术领域
本发明涉及集成电路的电路封装(package)，并且，更具体地涉及包括具有高熔融温度的聚合物的所述电路封装。
背景技术
各种塑料，如液晶聚合物(LCP)，被用于范围广泛的制成品，其包括消费品、医疗器件及电子集成电路用封装。在许多情况下，塑料要在产品的一个或多个制造步骤过程中加热，或以后加热，例如在产品被使用中。例如，许多产品通过注塑方法制造，所述方法包括加热塑料使其软化，并将软化塑料注入到模具中。塑料获得模具的形状，并且(理想地)在随后的制造步骤过程中及所得产品的使用期限内始终保持该形状。
通过使用比常规塑料有更高熔融温度的塑料，可以改善某些制造方法和产品。其它制造方法和产品则可受益于使用另一种塑料，该塑料的熔融温度可以在塑料成型为一种形状后、但在随后步骤之前提高，该随后步骤涉及比塑料原熔点更高的温度。
例如在操作时，微电子电路封装(例如一些用于高功率无线电发射机的集成电路)中的许多装置会耗散大量的热。在所述电路封装中，焊剂被用来将微电子器件(“芯片”)安装(attach)到金属或其它的导热部件(如安装“法兰”或“引线框架”)上，以使芯片到金属部件的传热最大化。在典型的应用中，金属部件被安装到散热装置上，所述散热装置通过例如自然的空气对流、强制气流(典型地从风扇)或循环冷却液冷却。
可使用各种焊剂将芯片安装到电路封装的金属部件上，其包括金-锡(AuSn)和金-硅(AuSi)。将芯片安装到金属部件时，焊剂被加热至超过常规塑料熔融温度的温度(例如对于AuSn为约280℃～约320℃，或对于AuSi为约390℃～约430℃)。例如，大多数的常规塑料在约低于300℃时熔化，大多数的液晶聚合物在接近330℃或稍高的温度下熔化。因此，包括常规LCP的常规塑料不能用于电路封装。
作为替代，制造商典型地使用陶瓷材料。然而，陶瓷必须铜焊到电路封装的其它部件上。铜焊是高温(约800℃)方法，会在电路封装中产生机械问题，例如失去平整度。此外，涉及陶瓷的制造方法昂贵。
另一方面，塑料成本相对不高，一些LCP具有电子电路封装所要求的优异的介电性能和其它特性。不幸的是，常规LCP和其它塑料的相对较低的熔点妨碍了它们在这类封装中的实际应用。
发明内容
公开了具有高的熔融温度的塑料材料以及制造这类塑料材料的方法。该塑料材料包括高分子量聚合物。所述方法在初期聚合阶段完成后，通过继续或恢复塑料材料的聚合，可增加聚合物的分子量。初期聚合典型地发生在液态，可以产生中间固体材料(就塑料而言，例如液晶聚合物，为“固体”)。在任何情况下，通过初期聚合产生的材料(本文中称为“中间材料”)具有初始的熔融温度。初期聚合后，中间材料被加热并进行进一步(“二次”)聚合，由此加长材料中的聚合物链。现有的聚合物链结合(bond)在一起，形成更长的聚合物链。这些更长的聚合物链有更高的分子量，与中间材料相比，所得最终材料有更高的熔融温度。例如，根据本公开方法，可以制得熔融温度超过约400℃的塑料材料，当然也可以实现更高或较低些的熔融温度。
发明公开的塑料材料可用于制备微电子电路的封装和其它有用产品的封装。例如，可在初期聚合之前、之后或过程中，在金属法兰上注塑材料形成框架。框架硬化后，如本文所公开地对其进行加热，进一步进行聚合并提高其熔融温度。随后，可以使用焊剂例如AuSi，在不熔化框架下，将芯片安装至法兰。
从本发明以下的详细说明，本发明的这些和其它特征、优点、方面和实施方案对本领域技术人员将更步变得显而易见，其内容如下。
附图说明
结合附图，参考本发明的详细说明，可更全面理解本发明。
图1是现有技术聚合物分子的示意图；
图2是用于合成图1的聚合物分子的现有技术单体分子的示意图；
图3是根据本发明的一个实施方案，二次聚合方法部分过程中温度增加的图例；
图4是图3的二次聚合方法的另一部分过程中温度增加的图例；
图5是根据本发明一个实施方案制得的液晶聚合物材料的一组动态扫描量热(DSC)曲线；
图6是根据本发明的三个实施方案，用于合成其它聚合物分子的示例性聚合物分子的示意图；
图7包括根据本发明的一些实施方案，用于合成聚合物分子的示例性单体单元的示意图；
图8是根据本发明一个实施方案制得的电子电路封装的示意图；
图9是图8电路封装的替代实施方案的剖示图；
图10是图8电路封装的另一个替代实施方案的剖示图；以及
图11(A-C)是图9电路封装的剖面图，其显示了键槽(keyway)制造三个阶段的过程中的键槽。
具体实施方式
2004年7月7日提交的、题为“Ultra High-Temperature Plastic Packageand Method of Manufacture”的美国临时专利申请60/577,530的内容通过引用结合在此。
聚合物是由许多相同的、相对较简单的分子重复排列，连接单元形成长的、类型规则的、典型为链而形成的化合物。聚合物链中的连接单元通常称为“单体单元”。图1是示例性聚合物的示意图(聚氯乙烯)。“单体”为聚合物合成中用作构造片段的实际分子。图2是用于聚氯乙烯的单体(氯乙烯)的示意图。一些形式的聚合已为人所知，其包括加聚、缩聚及反应性聚合。
在聚合过程中经常使用热、自由基或其它催化剂来改变单体。聚合过程中，单体的电子和/或原子重新排列，使单体键合在一起，形成聚合物链。由于电子和/或原子重新排列，聚合物链中的连接单体单元不等同于组成单体。例如，单体氯乙烯的碳原子之间的双键200(图2)在聚合过程中断开，双键的一个电子对用来将单体单元互相键合，如100所示(图1)。
液晶是一种表现出液体的一些特性及固体的另一些特性的材料。液晶的一种常见形式是液晶聚合物(LCP)，然而不是所有的液晶都是聚合物。形成液晶的材料的分子称为“介晶(mesogen)”。液晶的介晶可以形成长程有序的序列结构，其中介晶基团的长轴在一个优选方向取向。液晶产生类似液体的性能的原因在于这些介晶结构可以相互间轻易流动。产生类似固体的性能则是由于发生滑动时结构自身不受干扰。
在传统的聚合方法中，聚合物通常从液态单体产生，在聚合链长成后，得到的材料通常会冷却至固态。
聚合物的分子量取决于聚合物的聚合度，即，所产生的聚合链的长度。单体典型地具有相对较小的分子量，然而，聚合物典型地包括多达数百万的单体单元。因此，聚合物典型地有高的分子量。聚合物的性能，如熔融温度、玻璃化转变温度、热变形温度和延展性受聚合物分子量的影响。然而，聚合材料的所有分子典型地不会有相同的分子量。也即，在聚合过程中，一些分子比另一些长得更长。因为聚合材料的全部分子不一定有相同的长度，材料可能没有单一的确定的熔融温度。而是，材料可以随温度在相对较小范围内的逐步提高而变软。
传统的聚合方法能力受限，难以制备分子量极高的材料，因此，难以有极高的熔融温度和所要求的其它机械性能和电性能。本发明公开的方法可进一步聚合长链分子。也即，聚合物中的聚合链结合在一起形成更长的链。与其它方法能实现的相比，这使得可产生有更长链的材料，因此有更高的分子量和更高的熔融温度。例如，熔融温度可以提高约100℃或更高。
重要的是，所公开方法在传统的聚合方法之后操作。在本说明书中这被称为“二次聚合”。因此，本公开方法可以在固体聚合材料上操作，虽然所述方法也可以在液态或其它状态的聚合材料上进行。
在一个示例性方法中，如图3和图4的两个图例所示，有初始熔融温度(TM1)的聚合材料进一步(二次)聚合，以将其熔融温度提高到TM2。(传统的聚合方法之后)材料的温度从其初始温度(T0)以约0.1℃/小时(R1)～约10℃/小时(R2)的速度提高，直到所述材料的温度介于低于材料初始熔融温度约10℃的第一温度(T1)和低于初始熔融温度约30℃的第二温度(T2)之间。因此，提高所述材料的温度，以使材料的时间-温度特征曲线保持在区300和302之内，直到所述材料的温度在区302内。
一旦实现该温度，保持材料温度至少约一小时，如图4的图例所示。然后，以约0.1℃/小时(R3)～约10℃/小时(R4)的速度提高所述材料的温度，直到材料温度介于低于所要求的新的熔融温度约40℃的第三温度(T3)和低于所要求的新的熔融温度约50℃的第四温度(T4)之间。因此，提高所述材料的温度，以使材料的时间-温度特征曲线保持在区400和402之内。在一个实施方案中，材料的温度提高到至少约340℃。在其它实施方案中，温度分别地提高到至少约355℃和390℃。材料在二次聚合过程中所提高到的最高温度在本说明书中称为“最终温度”。
图5显示了根据所述公开方法制备的示例性液晶聚合物材料的一组动态扫描量热(DSC)曲线。DSC是用于测定与材料转变有关的热流变化的热分析方法。DSC测量根据吸热(热吸收)和放热(热释放)过程，提供定性和定量两种数据。DSC通常用于测定聚合材料的玻璃化转变温度和结晶熔点。每个曲线中的尖峰500显示了材料相应的熔融温度。这些熔融温度高于约400℃，而材料的初始熔融温度为约280℃～约370℃。
示例性的原始材料包括通常所说的“芳族聚酯”或液晶聚合物一类材料中的那些。
在一个实施方案中，原聚合物链的末端含有以下基团的一个或多个：COOH、OH或乙酸，如图6所示。在二次聚合的一个实例中，原聚合物链的一些酸端基(COOH)与其它聚合物链的乙酸酯(acetate)端基结合，而原聚合物链的其它酸端基与其它聚合物链上残留的OH端基结合，得到链非常长的聚合物。在该实例中，聚合物链中优选存在4-羟基苯甲酸(HBA)(或，更具体为对羟基苯甲酸)、氢醌、双酚、对苯二甲酸和/或2-羟基-6-萘甲酸形式的聚酯单体单元。这些单体单元示意性地显示在图7中。在一个实施方案中，二次聚合得到交联结构。
根据发明所公开的方法可以制备的一种示例性超高分子量材料为液晶聚合物，即，含HBA单体单元的聚合物，所述聚合物在二次聚合过程中被加热到约390℃的最终温度。这类材料有大于约420℃的熔融温度。类似制备的另一种示例性材料的分子量大于约30,000gm/mol。类似制备的另一种示例性材料的拉伸强度大于约25,000psi。类似制备的另一种示例性材料的伸长率大于约2％。类似制备的另一种示例性材料不含多于约200个重复的酯基团。
如所指出的，公开的塑料材料可用于制备微电子电路用封装。图8举例说明所述封装800。法兰802由高度导热的材料制成，例如高铜合金，或合适的其它材料。法兰802包括槽804，通过所述槽，法兰可以以后机械装配到散热装置(未显示)上，例如通过螺栓。
在聚合材料进行所公开的二次聚合之前，用聚合材料制成介电框架806。将框架806注塑到法兰802上。聚合材料的掺混温度和注塑的成型温度两者均低于随后的二次聚合方法所使用的最高温度。图9和图10是图8的电路封装800的替代实施方案的剖示图。法兰802任选地包括凹面键槽900(图9)或凸面键1000(图10)，在注塑过程中塑料材料被注入到所述键中或键周围。可以用一系列机加工逐步冲压在法兰802中，形成键槽900，如图11(A-C)所示。键1000可以类似地形成。由于聚合材料是在提高材料的熔融温度之前注塑到法兰802上的，因此常规的温度、方法和设备都可以用于该注塑成型法。
框架806注塑到法兰802上之后，进行如上所讨论的公开的二次聚合方法，提高框架806的塑料材料的熔融温度，以使塑料材料的最终应用温度高于掺混温度和成型温度。提高框架806的熔融温度后，用焊剂810将芯片808(图8)安装到法兰802的芯片-装配区812。由于已经提高了框架806的熔融温度，当芯片808焊接到法兰802上时，框架806可以承受遇到的温度而不会破坏框架806。线814将芯片808电联接到引脚816。
然后，将盖子(未显示)装配到框架806上，例如通过超声波焊接、通过环氧或通过其它的合适方法。法兰802、框架806和盖子为芯片808提供密闭的腔体。腔体可以抽空或充填空气、惰性气体、环氧或其它合适的材料。法兰802、框架806和盖子可防止水分、气体和其它杂质渗入腔体。
一些电路封装不包括法兰。在这些封装中，将框架模制成引线框架，芯片电(有时机械和/或热)连接到引线框架。以上描述的二次聚合适用于这类无法兰的封装和其它的电路封装。为简单起见，电路封装中模制框架的任何金属或其它材料在下文中均称为法兰。此外，就电路封装而描述的二次聚合方法可以应用于其它物件制造，包括模制到其它部件的部件。
热塑性塑料是可以重复加热软化和冷却硬化的材料。因此，热塑性塑料可以通过材料再加热而再次成型。相比之下，热固性塑料是在热、催化剂、紫外线等的作用下，会进行或已进行化学反应(“固化”)的材料，会形成相对不熔的状态。一旦固化，热固性塑料不能恢复到未固化时的状态。因此，热固性塑料不能重复软化或再成型。在本说明书中公开的方法可应用于热塑性和热固性材料。例如，电路封装的框架可以由热塑性或热固性材料制成。因此，二次聚合方法可以应用于已成型且冷却的热塑料材料，使熔融温度很高的热塑性塑料得到更高的分子量。二次聚合方法也可以应用于热固性材料，热固性材料不再熔化。
虽然本发明已通过上述示例性实施方案进行了描述，本领域技术人员应当理解，在不偏离本说明书中公开的发明构思下，可以对举例说明的实施方案进行修改和变化。例如，虽然已经说明了在制造电路封装的情况下，二次聚合在注塑后进行，也可以在材料注塑之前在材料上进行二次聚合(在制造电路封装和其它物件时)。此外，虽然已结合了各种示例性单体、初始聚合物、温度、温度增加速度、和温度保持时间对优选实施方案进行了说明，本领域技术人员会理解可以对这些方面进行替换和修改。相应地，除了附后权利要求的保护范围和精神，本发明不应看成受其限制。

Claims (54)

1.制造聚合物材料的方法，其包括：
合成具有第一熔融温度的第一聚合材料；
将第一聚合材料以第一预定速度加热至低于第一聚合材料熔融温度的第一预定温度；以及
将第一聚合材料以第二预定速度加热至第二预定温度。
2.权利要求1的方法，其中合成第一聚合材料包括合成热塑料材料。
3.权利要求1的方法，其中合成第一聚合材料包括合成热固性材料。
4.权利要求1的方法，其还包括在加热第一聚合材料至第一预定温度后，将第一聚合材料的温度保持在预定的范围内至少一段预定的时间。
5.权利要求1的方法，其中加热第一聚合材料至第二预定温度包括加热第一聚合材料至高于第一聚合材料熔融温度的温度。
6.权利要求1的方法，其中加热第一聚合材料至第二预定温度包括对第一聚合材料充分加热，以导致第一聚合材料中的聚合物分子与第一聚合材料中的其它聚合物分子结合。
7.权利要求1的方法，其中加热第一聚合材料至第二预定温度包括对第一聚合材料充分加热，以导致第一聚合材料进一步聚合，并将聚合材料的熔融温度提高到高于第一聚合材料熔融温度的熔融温度。
8.权利要求1的方法，其中合成第一聚合材料包括合成液晶聚合物。
9.提高塑料材料熔融温度的方法，其包括：
以约0.10℃/小时～约10℃/小时的速度提高所述材料的温度，直到所述材料的温度达到低于该材料初始熔融温度约10℃～约30℃的第一温度；
保持材料的温度低于该材料的初始熔融温度约10℃～约30℃至少约一小时；以及
以约0.10℃/小时～约10℃/小时的速度提高所述材料的温度，直到所述材料的温度达到低于该材料所要求的熔融温度约40℃～约50℃的第二温度。
10.权利要求9的方法，其中提高所述材料的温度到第二温度包括将所述材料的温度提高到高于340℃。
11.权利要求9的方法，其中提高所述材料的温度到第二温度包括将所述材料的温度提高到高于355℃。
12.权利要求9的方法，其中提高所述材料的温度到第二温度包括将所述材料的温度提高到高于390℃。
13.权利要求9的方法，其中提高所述材料的温度到第一温度包括提高含至少一个COOH端基的聚合物的温度。
14.权利要求9的方法，其中提高所述材料的温度到第一温度包括提高含至少一个OH端基的聚合物的温度。
15.权利要求9的方法，其中提高所述材料的温度到第一温度包括提高含至少一个乙酸端基的聚合物的温度。
16.权利要求9的方法，其中提高所述材料的温度到第一温度包括提高热塑料材料的温度。
17.权利要求9的方法，其中提高所述材料的温度到第一温度包括提高热固性材料的温度。
18.权利要求9的方法，其中提高所述材料的温度到第一温度包括提高聚合物的温度，所述聚合物具有至少一个选自以下组中的单体单元：
氢醌；
双酚；
间苯二甲酸；
对羟基苯甲酸；
对苯二甲酸；和
2-羟基-6-萘甲酸。
19.权利要求9的方法，其进一步包括形成交联结构。
20.制造聚合材料的方法，其包括：
合成中间聚合材料；以及
合成所述中间聚合材料后，进一步聚合该中间聚合材料。
21.权利要求20的方法，其中进一步聚合所述中间聚合材料包括：
在所述中间聚合材料形成固体材料后，进一步聚合该中间聚合材料。
22.权利要求20的方法，其中进一步聚合该中间聚合材料包括：
当所述中间聚合材料是液体时，进一步聚合该中间聚合材料。
23.权利要求20的方法，其中进一步聚合该中间聚合材料包括：
以约0.10℃/小时～约10℃/小时的速度提高所述中间聚合材料的温度，直到该中间聚合材料的温度达到低于该中间聚合材料的初始熔融温度约10℃～约30℃的第一温度；
保持该中间聚合材料的温度低于该中间聚合材料的初始熔融温度约10℃～约30℃至少约一小时；以及
以约0.10℃/小时～约10℃/小时的速度提高该中间聚合材料的温度，直到该材料的温度达到低于预定温度约40℃～约50℃的第二温度，其中所述预定温度高于所述中间聚合材料的初始熔融温度。
24.权利要求23的方法，其中提高所述中间聚合材料的温度至第二温度包括将该中间聚合材料的温度提高到高于约340℃。
25.权利要求23的方法，其中提高所述中间聚合材料的温度至第二温度包括将该中间聚合材料的温度提高到高于约355℃。
26.权利要求23的方法，其中提高所述中间聚合材料的温度至第二温度包括将该中间聚合材料的温度提高到高于约390℃。
27.权利要求20的方法，其中进一步聚合该中间聚合材料包括加长该中间聚合材料中的现有聚合物链。
28.权利要求20的方法，其中进一步聚合该中间聚合材料包括使该中间聚合材料中的现有聚合物链与该中间材料中现有的其它聚合物链结合。
29.权利要求20的方法，其中合成中间聚合材料包括合成包含对羟基苯甲酸的中间聚合材料。
30.权利要求20的方法，其中合成中间聚合材料包括合成源自对羟基苯甲酸的中间聚合材料。
31.权利要求20的方法，其中合成中间聚合材料包括合成包含4-羟基苯甲酸的中间聚合材料。
32.权利要求20的方法，其中合成中间聚合材料包括合成包含热塑料材料的中间聚合材料。
33.权利要求20的方法，其中合成中间聚合材料包括合成包含热固性材料的中间聚合材料。
34.制造电路封装的方法，其包括：
将聚合材料模制成型到法兰上，从而形成框架；
以约0.10℃/小时～约10℃/小时的速度提高所述框架的温度，直到该框架的温度达到低于所述聚合材料的初始熔融温度约10℃～约30℃的第一温度；
保持所述聚合材料的温度低于该聚合材料的初始熔融温度约10℃～约30℃至少约一小时；以及
以约0.10℃/小时～约10℃/小时的速度提高所述框架的温度，直到该框架的温度达到低于该框架所要求的熔融温度约40℃～约50℃的第二温度。
35.权利要求34的方法，其中提高所述框架的温度至第二温度包括将该框架的温度提高到高于340℃。
36.权利要求34的方法，其中提高所述框架的温度至第二温度包括将该框架的温度提高到高于355℃。
37.权利要求34的方法，其中提高所述框架的温度至第二温度包括将该框架的温度提高到高于390℃。
38.权利要求34的方法，其中提高所述框架的温度至第一温度包括提高含至少一个COOH端基的聚合物的温度。
39.权利要求34的方法，其中提高所述框架的温度至第一温度包括提高含至少一个OH端基的聚合物的温度。
40.权利要求34的方法，其中提高所述框架的温度至第一温度包括提高含至少一个乙酸端基的聚合物的温度。
41.权利要求34的方法，其中提高所述框架的温度至第一温度包括提高聚合物的温度，所述聚合物具有至少一个选自以下组中的单体单元：
氢醌；
双酚；
对羟基苯甲酸；
对苯二甲酸；和
2-羟基-6-萘甲酸。
42.权利要求34的方法，其进一步包括在所述框架中形成交联结构。
43.权利要求34的方法，其中模制成型聚合材料到法兰上包括将热塑料材料模制成型到法兰上。
44.权利要求34的方法，其中模制成型聚合材料到法兰上包括将热固性材料模制成型到法兰上。
45.权利要求34的方法，其进一步包括：
在低于第一温度且低于第二温度的掺混温度下掺混所述聚合材料；及
其中模制成型所述聚合材料包括在低于第一温度并且低于第二温度的成型温度下模制成型所述聚合材料。
46.权利要求35的方法，其中提高所述框架的温度至第二温度包括提高该框架的温度，以使该框架的最终使用温度高于所述掺混温度且高于成型温度。
47.制造物件的方法，其包括：
将聚合材料模制成物件的部件；
以约0.10℃/小时～约10℃/小时的速度提高该聚合材料的温度，直到该聚合材料的温度达到低于该聚合材料的初始熔融温度约10℃～约30℃的第一温度；
保持该聚合材料的温度低于该聚合材料的初始熔融温度约10℃～约30℃至少约一小时；以及
以约0.10℃/小时～约10℃/小时的速度提高该聚合材料的温度，直到该聚合材料的温度达到低于该聚合材料所要求的熔融温度约40℃～约50℃的第二温度。
48.权利要求47的方法，其中提高该聚合材料的温度至第二温度包括将该聚合材料的温度提高到高于340℃。
49.权利要求47的方法，其中提高该聚合材料的温度至第二温度包括将该聚合材料的温度提高到高于355℃。
50.权利要求47的方法，其中提高该聚合材料的温度至第二温度包括将该聚合材料的温度提高到高于390℃。
51.一种组合物，其包含：
液晶聚合物，所述液晶聚合物含多个HBA单体单元，并且其熔融温度高于约420℃。
52.一种组合物，其包含：
液晶聚合物，所述液晶聚合物含多个HBA单体单元，并且其分子量大于约30,000gm/mol。
53.一种组合物，其包含：
液晶聚合物，所述液晶聚合物含多个HBA单体单元，并且其伸长率大于约2％。
54.一种组合物，其包含：
液晶聚合物，所述液晶聚合物含多个HBA单体单元，其中该液晶聚合物的至少一些分子的每个都包含至少约200个重复的酯基团。
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