CN102770978A - 基于金属的电子部件封装及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

公开了一种电子部件封装（140）和一种电子部件封装形成方法。所述封装可以包括金属基体（5）和耦合至所述金属基体的端部芯片（20）。所述端部芯片可以包括电耦合（17）至安装焊盘的管芯接触焊盘以及被配置为在所述金属基体和所述管芯接触焊盘之间提供电隔离的隔离特征件。可以将所述接触配置为电连接至所述电子部件。所述金属基体可以是折叠金属薄片，以形成模制腔。所述金属基体可以包括至少一个镀覆层。所述封装可以包括耦合至所述金属基体的发光二极管（LED）。可以将所述LED（15）通过低熔融键合耦合至所述金属基体。

Description

基于金属的电子部件封装及其制造方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2010年1月25日提交的美国临时申请No.61/298123和2010年5月18日提交的美国临时申请No.61/345746的权益，在此通过引用将其全文内容并入本文。
技术领域
本申请涉及电子部件封装，更具体而言，本申请涉及半导体封装。
背景技术
热管理是设计者面临的最大挑战之一。很多电子部件都能够从具有更好的热性能的封装中受益。例如，发光二极管（LED）管芯的性能对温度极为敏感。随着LED结温度升高，LED效率下降，LED的寿命降低，从LED发射的总的光通量下降。
发明内容
公开了一种电子部件封装和一种电子部件封装形成方法。所述封装可以包括金属基体和耦合至所述金属基体的端部（termination）芯片。所述端部芯片可以包括电耦合至安装焊盘的管芯接触焊盘以及被配置为在所述金属基体和所述管芯接触焊盘之间提供电隔离的隔离特征件。可以将所述接触配置为电连接至所述电子部件。
可以通过对所述金属基体折叠形成模制腔。可以在选定区域内对所述金属基体镀覆或使其金属化。这些金属化区域可以包括一层Ni和一层Au。这些区域还可以包括一层诸如Sn的焊料。
所述封装可以包括耦合至所述金属基体的发光二极管（LED）。可以将所述LED通过低熔融键合耦合至所述金属基体。所述封装可以包括耦合至所述金属基体的静电放电（ESD）保护装置。所述封装可以包括集成到所述金属基体内的多个具有一定角度的管芯平面，所述具有一定角度的管芯平面被配置为安装多个发光二极管。
所述端部芯片可以包括多个嵌入电路部件。所述端部芯片可以包括金属化陶瓷衬底，其被配置为在所述金属基体和沉积在所述端部芯片上的多个端部之间提供电隔离。所述端部芯片可以包括陶瓷基体以及被配置为焊接至所述金属基体的顶部、底部和侧面铜焊盘。所述端部芯片还可以包括多个嵌入电路部件。
所述封装可以包括具有第一端子和第二端子的金属基体。所述第一端子可以具有管芯接触焊盘。所述第二端子可以具有引线键合焊盘。所述封装还可以包括被配置为对所述端子进行定位和固定的封装顶部。所述封装顶部形成有被配置为使所述管芯接触焊盘和所述引线接触焊盘暴露的腔。所述管芯接触焊盘被配置为电连接至所述电子部件。
所述封装顶部形成有升高部分。所述金属基体形成有具有容纳所述升高部分的尺寸的狭缝。所述升高部分可以使所述第一端子和第二端子电隔离。所述金属基体可以包括至少一个镀覆层。所述金属基体可以具有镀覆有一层金的上表面。所述金属基体可以具有镀覆有一层焊料的下表面。
所述封装可以包括安装在所述腔内并且电连接至所述管芯接触焊盘的半导体管芯。所述半导体管芯可以是发光二极管（LED）。可以将所述LED通过低熔融键合耦合至所述金属基体。所述封装可以包括将所述半导体管芯的至少一部分电连接至所述引线键合焊盘的引线键合。所述封装可以包括耦合至所述金属基体的静电放电（ESD）保护装置。所述封装可以包括集成到所述金属基体内的多个具有一定角度的管芯平面，所述具有一定角度的管芯平面被配置为安装多个发光二极管。所述封装顶部可以通过粘合剂和导电材料的至少其中之一结合至所述金属基体。可以将所述封装顶部模制到所述金属基体上。所述封装可以包括填充所述腔的模制材料。
附图说明
通过下述结合附图以举例的方式给出的说明将获得更加详细的理解，其中：
图1示出了金属基体，通过对其进行机械操作促进封装制造；
图2示出了具有第一金属化层，从而允许通过低熔融键合实施管芯组装的金属基体；
图3示出了具有处于背面的第二金属化层，从而允许封装的SMT组装的金属基体；
图4示出了通过折叠形成模制腔的金属基体；
图5A和5B示出了在陶瓷衬底上制造的端部芯片，所述陶瓷衬底具有带有镀覆通孔的双面氧化铝上铜；
图6示出了处于插入腔内的端部芯片；
图7A示出了与金属基体条分离的单独封装；
图7B示出了包括管芯、引线键合和包封胶的组装后封装；
图8示出了安装在所述封装内的三端子电子部件；
图9示出了由其创建端子的金属条；
图10示出了封装主体；
图11示出了安装到金属条上的几个封装主体；
图12示出了组装后的金属封装；
图13A是管芯平面存在一定角度的封装的示图；
图13B是管芯平面存在一定角度的封装的侧视图；
图14A是安装在具有平的管芯平面的封装内的LED的图示；
图14B是安装在管芯平面具有一定角度的封装内的LED的图示。
具体实施方式
可以采用各种封装技术解决热的问题。例如：
1.基于具有高度热传导能力的陶瓷衬底的封装。
2.基于与金属引线框架一起使用的LTCC或模制物料的封装。这些封装可能包括金属热沉。
3.基于具有金属芯或者金属背衬（metal-backed）的印刷电路板的封装。
下述公开内容涉及由金属基体条制造诸如发光二极管（LED）的电气部件。这样的结构的采用对具有增强热管理的电子部件封装的制造有益。
这样的结构的重要方面在于：
1.与陶瓷替代物相比，金属基体允许以更低的成本获得更好的导热性。
2.与模制引线框架封装相比，金属基体允许利用低熔融管芯键合。模制物料在高温下将发生分解，而金属则能够耐高温。采用低熔融管芯键合实现管芯和封装之间的较低热阻。
3.基于金属的封装将允许实现标准的表面安装技术（SMT）组件。对于具有金属芯或者金属背衬的印刷电路板替代品而言，这一特征是不可能的，因为这些技术只允许单面设计。
4.替代封装技术从结（管芯）向电路板导热。通过将热沉鳍片集成到金属基体封装上，所述新的封装技术除了能够实现常规的向电路板的热传导之外，还能够向环境直接散热。
5.金属基体封装允许做出这样一种选择，即，在管芯组件平面和封装组件平面之间建立一定角度。多个具有存在差别的管芯平面的发光二极管将得到改善的光辐射图。这一特征消除了通过透镜达到相同目的的必要性。
下文将结合下述制造过程描述基于金属的电子部件封装及其制造方法。应当理解，不必按顺序执行所公开的制造过程。还应当理解，可以将一些步骤合并或者省略。
选择金属基体物料，从而优化诸如成本、导热性、光反射率、热－机械特性、制造简易性和电气特性的封装特征件之间的平衡。在下面的例子中，采用铜条。
如图1所示，对金属基体5进行机械操纵，从而利用冲压、模压、机械加工、蚀刻等促进封装制造。在这一实施例中，金属基体5是受到冲压的金属条。金属基体5包括形成有模制腔窗口1、折叠弱点窗口2、端部腔3和索引孔4的舌片（tab）。应当理解，可以重复在金属基体5内形成的图案，因而能够由单个金属基体条制造多个器件。
可以对金属基体5进行机械操纵，从而形成在管芯组件平面和封装组件平面之间存在角度这一特征。
可以使金属基体5金属化，从而促进封装特征件的生成，所述特征件可以包括：SMT封装组件焊盘、低熔融管芯附着焊盘、粘合管芯附着焊盘、键合引线焊盘、反射区、机械和化学保护、审美要求等。可以通过一种或多种技术实现所述金属化过程，例如，所述技术为：溅射、电镀、化学镀、浸渍、丝网印刷或其他涂浆沉积技术等。在图2所示的例子中，金属基体5包括由化学镀的Ni、浸入镀覆的Au形成的第一金属层6。这一层为管芯附着焊盘提供了改善的键合。
如图3所示，将第二层7施加到金属基体5的后表面上。在这一例子中，所述第二层7是由焊料构成的选择镀覆层。所述第二层7为SMT端部提供了改善的键合。
图4示出了沿弱点窗口2折叠的金属基体条5。这样的折叠操作能够提供叠置功能，并且有助于创建诸如模制腔、光反射表面和/或热沉鳍的特征件。在这一例子中，通过沿形成有模制腔窗口1的舌片折叠形成模制腔。一种可能的替代方案是通过将形成有模制腔窗口的分离条叠置到金属基体上形成模制腔。
图5A和5B示出了端部芯片20的形成。所述端部芯片具有发生电连接的至少一个顶部管芯接触焊盘和至少一个底部封装SMT焊接焊盘。所述端部芯片可以任选包括其他特征件，所述特征件包括在封装组件中发挥作用的焊盘和/或隔离表面。所述端部芯片可以任选由金属构成，利用粘着物质使所述金属与基于金属的封装保持隔离。可以任选在所述极性操纵过程中将所述端部芯片制作成所述金属条本身的一部分。可以将其他电路元件嵌入到所述封装内作为所述端部芯片的部分。这些元件可以包括：去耦电容器、系列熔断器元件、限流电阻器、温度感测元件、ESD保护二极管等。在这一例子中，端部芯片20包括基于陶瓷的芯片，其具有单个顶部管芯接触焊盘9，其采用通孔10连接至底部SMT焊盘11。顶部、底部和侧面铜焊盘8被设计为允许将端部芯片直接焊接到所述金属基体上。隔离顶部涂层12有助于确保金属基体5和端部焊盘20之间的电隔离。例如，可以采用标准的PCB制造技术在FR4衬底上制造相同的端部芯片。
图6示出了插入到其在金属基体封装内的相应插入腔13内的端部芯片20。如果所述端部芯片是在创建金属基体本身的机械操纵过程中制成的，那么可以省略这一步骤。在这一例子中，采用单个端部芯片20。应当理解可以采用多个端部芯片。也可以使单个端部芯片形成有多个电接触或焊盘。
采用连接机制确保封装的完整性。所述连接机制可以包括下述技术中的一种或多种，例如：机械固定（管脚和插座、扣接等）、粘合剂、焊接等。在这一例子中，采用回流焊工艺作为折叠后的金属翼（flap）和端部芯片20之间的连接机制。
可以利用端部芯片实现向所述封装内嵌入预期的电路元件的目的。这些元件可以包括单个的元件，也可以包括复合网络。这样的元件可以包括电阻器、感应器和电容器，以及熔断器元件、二极管和/或其他器件。一种令人尤为感兴趣的选项是嵌入能够通过对其进行操纵而调节所封装的器件的特征的元件。例如，可以通过对所嵌入的电阻器进行调整而补偿所封装的部件的容限。
图7A示出了与金属基体5分离的个体封装。一旦将所述封装分离，就形成了用于电子部件的金属基体封装。图7B示出了包括管芯（15，16）、引线键合（17）和包封胶（18）的组装封装40。在这一例子中，通过这种技术封装高功率LED 15和ESD保护二极管16。采用引线键合（17）提供电连接。可以使LED 15和/或ESD保护二极管16通过低熔融键合附着到金属基体5上。最后，将透明的模制物料（18）添加到模制腔内，这样就完成了组装。
上文所示的例子涉及两端子电子部件的封装。应当理解，可以结合具有三个或更多端子的电子部件采用所述封装。图8示出了安装在所述封装42内的三端子电子部件。在这一例子中，端部芯片50形成有非导电衬底52，例如，上文公开的陶瓷。所述端部芯片的顶表面具有第一管芯接触焊盘54和第二管芯接触焊盘56。端部芯片50的底表面具有通过虚线58、60表示的对应的第一和第二安装焊盘。将所述第一管芯接触焊盘54通过导电侧包片（wrap）62电连接至第一安装焊盘58。将所述第二管芯接触焊盘56通过导电侧包片64电连接至第二安装焊盘60。所述侧包片62、64可以由诸如箔等的各种材料形成。应当理解，可以通过上文公开的通孔完成管芯接触焊盘和安装焊盘之间的电连接。
将诸如金属氧化物半导体（MOS）场效应晶体管（FET）66的三端子器件安装到模制腔68内。MOS FET的主体耦合至金属基体70，其起着源极端子的作用。引线键合72将MOS FET漏极端子电耦合至第一管芯接触焊盘54。引线键合74将MOS FET栅极端子电耦合至第二管芯接触焊盘56。应当理解，在不背离本公开的范围的情况下可以将各种各样的多端子电子部件安装到所公开的封装内。还应当理解，可以采用键合引线以外的技术实现管芯和封装之间的电连接。例如，可以使管芯朝下翻转，并直接连接到管芯接触焊盘上。
上文所示的例子涉及采用平直表面安装电子部件的封装结构（例如，将管芯安装成与安装表面平行）。在一些情况下，可能希望提供具有一定角度的管芯安装面。图13A是封装80的示图，其具有相对于组件平面84成一定角度的管芯平面82。图13B示出了管芯平面82相对于组件平面84成一定角度的封装80的侧视图。所述具有一定角度的管芯平面可以由包括冲压、研磨等的各种方法形成。可以非常明显地看出，在不背离本公开的范围的情况下可以在封装80内形成多个具有一定角度的管芯平面。
图14A示出了具有平直管芯安装平面92的封装90。在与LED器件94结合使用时，LED辐射图96具有大体与管芯安装平面92和金属基体100正交的轴98。图14B示出了具有存在一定角度的管芯安装平面82的封装80。在与LED器件102结合使用时，LED辐射图104具有大体与管芯安装平面82正交的轴106。这将允许所述封装生成相对于组件平面84存在一定角度的辐射图104。应当理解，可以将多个LED安装到这样的封装内，并且可以按照多个角度安装这样的LED，以生成预期的辐射图。
在另一实施例中，可以如下构造金属基体以及陶瓷或塑料顶部。
如图9所示，将金属条20冲压为具有狭缝21、22，从而将其分离成两个端子23、24，通过维系条将所述端子固定到适当位置上，通过载体条促进自动处理。将狭缝22的尺寸设定为能够容纳封装顶部27的升高部分28（参考图10），从而在以后的步骤中与之配合。所述金属条20可以是各种各样的金属。有利地做法是选择诸如铜或铝的具有高导热性或导电性的金属。所述金属条20具有将接触封装顶部的上表面25和下表面26。可以对上表面25镀金，以促进管芯和引线的键合。可以对下表面26涂覆焊料，以促进与PCB的焊接。
图10示出了封装顶部27，其具有用于对端子23、24进行基本定位并使之固定的几何结构。封装顶部27具有升高部分28，其被配置为在将维系条从引线框架上去除之后使端子23、24相互电隔离。升高部分28还在端子23、24之间提供机械连接，并且定义了表明或封装基面32。封装顶部27形成有腔29，从而通过腔29和封装基面32界定了容存区域。参考图12。这一结构围绕半导体管芯，其被配置为容纳在管芯组装之后沉积的模制材料。将所述腔形成为使端子23、24的部分在所述腔29内暴露。端子23的暴露部分充当管芯接触焊盘30。端子24的暴露部分充当引线键合焊盘35。参考图12。封装顶部27可以由不导电的陶瓷、塑料或其他刚性材料构成。
可以使封装顶部27通过粘合剂结合至引线框架。可以在对应于封装顶部的接触表面的位置向引线框架上施加粘合剂。另一种组装技术是在端子引线框架界面处使封装顶部的端子侧面金属化，其有助于封装组装过程中的焊接。这些金属化区域可以是处于陶瓷上的厚膜或者是陶瓷或塑料上的溅射种子层，之后采用镍和高温焊料对其进行电镀。在所述替代方案中，如果封装顶部27是由可模制的材料形成的，那么可以将所述封装顶部模制到所述引线框架上。
图11示出了放置到金属引线框架上的多个封装顶部。如果采用粘合剂，那么可以对所述组件加热，从而使粘合剂固化。或者，在采用焊料的情况下，可以对所述组件加热，从而使焊料回流。在所述替代方案中，将封装顶部模制到引线框架上。一旦完成了这一过程，就将端子23、24键合到了封装顶部上。
在所述组件仍然连接在引线框架上的同时，可以将半导体管芯安装到封装顶部27的开口内。如上所述，通过在封装顶部27内形成的腔使端子23的部分暴露，其形成了管芯接触焊盘30。管芯31可以是通过诸如焊料的导电材料键合至更大的端子23的管芯。之后，可以将引线34键合到管芯和管芯接触焊盘30与端子24之间。之后，可以采用保护所述管芯的非导电模制材料填充腔29。之后，如图12所示，可以将完成的封装组件33从引线框架上单独分离出来，并对其进行测试。
尽管上文按照特定的组合描述了特征和元件，但是可以在无需其他特征和元件的情况下单独采用每一特征和元件，或者可以在有或没有其他特征和元件的情况下按照各种组合采用每一特征和元件。

Claims (45)

1.一种用于电子部件的封装，所述封装包括：
金属基体，
耦合至所述金属基体的端部芯片，所述端部芯片包括电耦合至安装焊盘的管芯接触焊盘以及被配置为在所述金属基体和所述管芯接触焊盘之间提供电隔离的隔离特征件，所述管芯接触焊盘被配置为与所述电子部件电连接。
2.根据权利要求1所述的封装，其中，所述金属基体被折叠形成模制腔。
3.根据权利要求2所述的封装，其中，所述金属基体形成有被配置为有助于折叠的弱点窗口。
4.根据权利要求1所述的封装，包括形成有模制腔窗口的金属条，其中，将所述金属条叠置到所述金属基体上，从而形成模制腔。
5.根据权利要求1所述的封装，其中，热沉特征件被形成为所述封装的一体部分。
6.根据权利要求1所述的封装，其中，所述金属基体包括至少一个金属化层。
7.权利要求6所述的封装，其中，所述金属基体具有包括一层Ni和一层Au的第一镀覆层。
8.根据权利要求7所述的封装，其中，所述金属基体具有由焊料构成的第二选择镀覆层。
9.根据权利要求1所述的封装，还包括耦合至所述金属基体的发光二极管（LED）。
10.根据权利要求9所述的封装，其中，所述LED通过低熔融键合耦合至所述金属基体。
11.根据权利要求9所述的封装，还包括耦合至所述金属基体的静电放电（ESD）保护装置。
12.根据权利要求1所述的封装，还包括集成到所述金属基体内的多个具有一定角度的管芯平面，所述具有一定角度的管芯平面被配置为安装多个发光二极管。
13.根据权利要求1所述的封装，其中，所述端部芯片还包括多个嵌入电路部件。
14.根据权利要求1所述的封装，其中，所述端部芯片还包括金属化陶瓷衬底，其被配置为在所述金属基体和所述端部芯片之间提供电隔离。
15.根据权利要求1所述的封装，其中，所述端部芯片包括陶瓷基体以及被配置为焊接至所述金属基体的顶部、底部和侧面铜焊盘。
16.一种电子部件封装的形成方法，所述方法包括：
提供金属基体，
安装耦合至所述金属基体的端部芯片，所述端部芯片包括电耦合至安装焊盘的管芯接触焊盘以及被配置为在所述金属基体和所述管芯接触焊盘之间提供电隔离的隔离特征件，
将所述电子部件电连接至所述管芯接触焊盘。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，使所述金属基体折叠，以形成模制腔。
18.根据权利要求17所述的方法，还包括形成具有被配置为有助于折叠的弱点窗口的所述金属基体。
19.根据权利要求16所述的方法，包括将形成有模制腔窗口的金属条叠置到所述金属基体上，从而形成模制腔。
20.根据权利要求16所述的方法，还包括将热沉特征件形成为所述封装的一体部分。
21.根据权利要求16所述的方法，还包括将所述金属基体镀覆至少一个镀覆层。
22.根据权利要求21所述的方法，还包括在所述金属基体上形成具有一层Ni和一层Au的第一镀覆层。
23.根据权利要求22所述的方法，还包括通过有选择地镀覆一层焊料而在所述金属基体上形成第二镀覆层。
24.根据权利要求16所述的方法，还包括将发光二极管（LED）安装到所述金属基体上。
25.根据权利要求16所述的方法，还包括将所述LED通过低熔融键合耦合至所述金属基体。
26.根据权利要求16所述的方法，还包括将静电放电（ESD）保护装置安装到所述金属基体上。
27.根据权利要求16所述的方法，还包括形成集成到所述金属基体内的多个具有一定角度的管芯平面，所述具有一定角度的管芯平面被配置为安装多个发光二极管。
28.根据权利要求16所述的方法，其中，所述端部芯片还包括多个嵌入电路部件。
29.根据权利要求16所述的方法，其中，所述端部芯片还包括金属化陶瓷衬底，其被配置为在所述金属基体和所述端部芯片之间提供电隔离。
30.根据权利要求16所述的方法，其中，所述端部芯片包括陶瓷基体以及被配置为焊接至所述金属基体的顶部、底部和侧面铜焊盘。
31.一种用于电子部件的电封装，所述封装包括：
具有第一端子和第二端子的金属基体，所述第一端子具有管芯接触焊盘，所述第二端子具有引线键合焊盘；
被配置为对所述端子进行定位和固定的封装顶部，所述封装顶部形成有被配置为使所述管芯接触焊盘和所述引线键合焊盘暴露的腔，所述管芯接触焊盘被配置为电连接至所述电子部件。
32.根据权利要求31所述的封装，其中，所述封装顶部形成有升高部分，所述金属基体形成有具有容纳所述升高部分的尺寸的狭缝。
33.根据权利要求32所述的封装，其中，所述升高部分使所述第一端子和第二端子电隔离。
34.根据权利要求31所述的封装，其中，所述金属基体包括至少一个镀覆层。
35.根据权利要求31所述的封装，其中，所述金属基体具有镀覆有一层金的上表面。
36.根据权利要求31所述的封装，其中，所述金属基体具有镀覆有一层焊料的下表面。
37.根据权利要求31所述的封装，还包括安装在所述腔内并且电连接至所述管芯接触焊盘的半导体管芯。
38.根据权利要求37所述的封装，其中，所述半导体管芯包括发光二极管（LED）。
39.根据权利要求38所述的封装，其中，所述LED通过低熔融键合耦合至所述金属基体。
40.根据权利要求37所述的电封装，还包括将所述半导体管芯的至少一部分电连接至所述引线键合焊盘的引线键合。
41.根据权利要求31所述的电封装，还包括耦合至所述金属基体的静电放电（ESD）保护装置。
42.根据权利要求31所述的电封装，还包括形成集成到所述金属基体内的多个具有一定角度的管芯平面，所述具有一定角度的管芯平面被配置为安装多个发光二极管。
43.根据权利要求31所述的电封装，其中，使所述封装顶部通过粘合剂和导电材料的至少其中之一结合至所述金属基体。
44.根据权利要求31所述的电封装，其中，所述封装顶部被模制到所述金属基体。
45.根据权利要求31所述的电封装，还包括填充所述腔的模制材料。
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