CN103119737A - 电子器件 - Google Patents
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Abstract
给出了一种具有壳体本体（1）的电子器件，该壳体本体（1）在凹进部（10）中具有半导体芯片（3），其中在凹进部中的半导体芯片（3）被嵌入到由具有第一玻璃化温度的第一塑性材料构成的浇注部（6）中，在凹进部（10）之上布置有由具有第二玻璃化温度的第二塑性材料构成的盖元件（8），以及第二玻璃化温度小于第一玻璃化温度。
Description
技术领域
给出了一种电子器件。
背景技术
本专利申请要求德国专利申请10 2010 046 122.9的优先权，该德国专利申请10 2010 046 122.9的公开内容通过引用被结合于此。
如果譬如发光二极管（LED）之类的半导体器件借助焊接工艺被固定在譬如印刷电路板之类的支承体（Traeger）上，则LED以及其部件由于对于焊接所需的加热和紧接着的冷却而遭受热机械应力。如果LED例如具有包括多个不同的塑料部分的壳体，在所述塑料部分中布置有半导体芯片，则壳体中的热机械应力可以作用于半导体芯片，使得半导体芯片从安装面脱落或被揭掉。这可导致LED的故障。在例如除了嵌入半导体芯片的材料之外还具有盖（Abdeckung）的部件中，在重新加热或冷却时的热不均衡并且由此热机械应力甚至还被增强，由此这样的器件的故障概率也升高。
为了抵制这样的效应，例如通过具有提高的粘附性能的胶粘剂来实现半导体芯片在安装面上的附着。此外，可以使用塑性材料、尤其是浇注材料，所述塑性材料具有低的弹性模量，这样例如硅树脂浇注部（Silikonverguss）。此外也可能的是，通过匹配或优化壳体几何形状来降低热机械应力。此外，也可以尝试使用来将半导体芯片安装在安装区域上的胶粘剂与浇注材料去耦合，例如通过合适形状的粘合剂沟（Klebstoffkehle）来去耦合。
然而，所有这些措施都导致部分显著地增大制造半导体器件的开销。
发明内容
确定的实施形式的至少一个任务是给出一种具有半导体芯片的电子器件，其中可以降低半导体芯片在焊接过程中脱落的危险。
该任务通过具有独立权利要求的特征的主题来解决。该主题的有利实施形式和改进方案在从属权利要求中被表征并且此外还由随后的描述和附图得知。
电子器件根据至少一个实施形式具有带有凹进部（Vertiefung）的壳体本体。在该凹进部中布置有半导体芯片。壳体本体尤其是可以被预成形。这意味着，在安装半导体芯片之前，壳体本体借助譬如注塑、压铸或模压之类的成型工艺而由合适的材料、例如热塑性塑料被成形。热塑性塑料例如可以具有聚邻苯二甲酰胺（PPA，Polyphthalamid）或者也具有其他合适的塑性材料。
此外，该器件可以具有引线框架，该引线框架被嵌入到壳体本体中。引线框架尤其是可以利用壳体本体的材料被变换并且为半导体芯片提供安装区域。此外，引线框架可以为电子器件提供在壳体本体之外的接触区域，电子器件借助该接触区域可以借助焊接工艺而被固定和被电连接在例如印刷电路板的支承体上。
此外，半导体芯片可以借助化合材料（Verbindungsmaterial）被布置并且由此被安装在引线框架上。化合材料例如可以具有或者是导电粘合剂，该导电粘合剂也可以被称作所谓的芯片胶（Chipkleber）。可替换于此地，化合材料也可以具有或者是焊料。对于电子器件的可靠功能而言，可以是必要的是，半导体芯片借助化合材料持久地被固定在引线框架上并且被电连接到所述引线框架。
此外，电子器件可以是可表面安装的。这尤其是可以意味着，引线框架被构造为使得该引线框架在壳体本体的外侧上提供可表面安装的接触区域。
根据另一实施形式，半导体芯片是光电子半导体芯片。在此，半导体芯片尤其是可以被构造为发射光的半导体芯片或者被构造为接收光的半导体芯片。根据由半导体芯片辐射的或接收的光的所期望的波长范围，半导体芯片例如可以基于砷化物-、磷化物-或氮化物-化合物半导体材料系被构造为外延层序列，这意味着被构造为外延生长的半导体层序列。这样的半导体芯片对于本领域技术人员而言是公知的，并且此处没有进一步被阐明。可替换于此地，半导体芯片例如也可以被实施为晶体管，或者被实施为集成电路，或者被实施为所述半导体芯片的组合。
根据另一实施形式，在壳体本体的凹进部中布置有由第一塑性材料构成的浇注部，半导体芯片被嵌入到该浇注部中。这尤其是可以意味着，浇注部例如在其上没有布置化合物材料的所有表面区域上与半导体芯片邻接，与半导体芯片紧邻。由此，半导体芯片与浇注部直接接触。在浇注部中可出现的热机械应力因此可以直接作用于半导体芯片。
如果半导体芯片例如被实施为光电子半导体芯片并且尤其是被实施为发射光的半导体芯片，则浇注部的塑性材料可以透明地被实施。此外，浇注部例如也可以具有被嵌入到第一塑性材料中的波长转换材料和/或散射颗粒。
根据另一实施形式，在凹进部之上布置有由第二塑性材料构成的盖元件。盖元件可以为了保护浇注部或半导体芯片而被布置在浇注部上。此外，盖元件也可以为电子器件提供附加的功能。如果半导体芯片被实施为光电子半导体芯片并且尤其是被实施为发射光的半导体芯片，则盖元件例如可以被实施为光学元件，尤其是例如被实施为透镜。为此，盖元件的第二塑性材料可以有利地是透明的，其中也可能的是，波长转换材料和/或散射颗粒被嵌入到第二塑性材料中。
盖元件尤其是可以借助粘合剂被布置在浇注部上。这尤其是可以意味着，该盖元件借助粘合剂被固定在浇注部上。粘合剂在此可以具有与浇注部的第一塑性材料或者盖元件的第二塑性材料相同的材料或至少相同的材料等级。特别优选地，粘合剂可以是环氧胶，该环氧胶此外还被布置在盖元件与浇注部之间的薄层中并且将浇注部与盖元件持久地连接。特别优选地，粘合剂可以具有与盖元件相同的特性、尤其是相同的玻璃化温度。换言之，粘合剂可以具有带有第二玻璃化温度的塑性材料、例如第二塑性材料。
根据另一实施形式，第一塑性材料具有第一玻璃化温度，而第二塑性材料具有第二玻璃化温度。第二玻璃化温度在此小于第一玻璃化温度。玻璃化温度是在其下第一塑性材料或第二塑性材料在其变形能力方面具有显著改变的那个温度。在玻璃化温度之下，第一塑性材料或第二塑性材料可以具有小的变形性和更确切地说脆的特性，而对于在玻璃化温度之上的温度，变形性可以通过更确切地说可塑性变形的软特性来表征。这尤其是也可以意味着，在玻璃化温度之上，第一塑性材料或第二塑性材料分别具有低弹性模量，而在玻璃化温度之下，相应的弹性模量是大的。此外，热膨胀系数在玻璃化温度之上和在玻璃化温度之下也可以显著不同。
根据另一实施形式，第一塑性材料和第二塑性材料分别具有热固性塑料。例如，第一塑性材料和/或第二塑性材料可以具有环氧化物和/或丙烯酸盐（Acrylat）。特别有利的是，不仅第一塑性材料而且第二塑性材料分别具有环氧树脂。通过不同的添加剂和/或通过在第一塑性材料和第二塑性材料中的不同的聚合度（Vernetzungsgrad），第一塑性材料和第二塑性材料分别可以具有上述第一玻璃化温度和第二玻璃化温度。
在公知的电子器件中，通常具有相同玻璃化温度或至少近似相同的玻璃化温度的塑性材料被用于浇注材料和盖材料。如果这样的公知的电子器件被焊上，则这种器件的各个元件至少在焊接之后的冷却过程中经历明显的温度差。在器件的表面上非常快速地达到周围环境的温度，而这种器件的内部部件、即例如浇注部和半导体芯片还处于较高的温度。由于譬如热固性塑料之类的塑性材料在冷却过程中在玻璃化温度之上遭到强烈收缩，而这些塑性材料在玻璃化温度之下具有明显更小的与温度有关的膨胀改变，并且由于如上面所描述的那样弹性模量在玻璃化温度之上与在玻璃化温度之下明显不同，所以在冷却时可发生：外部远处的元件或其区域、例如即盖元件和尤其是其上侧已经在玻璃化温度之下并且因此基本上是硬的，而在器件内部的元件、譬如浇注材料还在玻璃化温度之上并且由此在进一步冷却时还较强烈地收缩。由于盖元件已硬化并且至少在表面的区域中已占据固定的形状，所以由盖材料和浇注材料构成的整个系统的收缩重心朝着盖元件转移，使得在浇注材料与半导体芯片之间以及在浇注材料与壳体本体之间建立拉应力，所述拉应力常常超过用来将半导体芯片安装在壳体本体中的化合材料的粘附力。因此，在其中使用具有基本上相同的玻璃化温度的材料的公知器件中，可容易发生半导体芯片的分层（Delamination）。
跟公知的电子器件相反，在这里所描述的电子器件中可以延迟盖元件硬化的时刻，使得盖元件在冷却过程期间更久地保持在弹性的和可变形的状态下。在浇注部中通过延迟的冷却而发生的收缩因此可以通过盖元件更长地被补偿。由此，有利地可以降低热弹性应力，所述热弹性应力可以以不利的方式作用于半导体芯片。特别优选地，第一玻璃化温度和第二玻璃化温度可以被调节为使得在常见的焊接和冷却过程中基本上同时发生盖元件和浇注部的硬化。
根据另一实施形式，第一玻璃化温度大于或等于120℃。此外，第一玻璃化温度可以小于或等于150℃。这尤其是可以意味着，第一玻璃化温度在120℃到150℃之间的范围中，其中可以一同包括边界。
根据另一实施形式，第二玻璃化温度低于第一玻璃化温度，并且尤其是小于或等于120℃或者也小于120℃。特别优选地，第二玻璃化温度可以小于或等于110℃。此外，第二玻璃化温度可以大于或等于80℃。这可以意味着，第二玻璃化温度在80℃到120℃之间的范围中并且优选地在80℃到110℃之间的范围中，其中可以一同包括边界。
在这里所描述的电子器件中，通过将第一玻璃化温度与第二玻璃化温度彼此匹配可以尤其是针对可表面安装的电子器件实现焊接工艺期间的改进的热机械特性。尤其是，可能的是，在焊接过程中和在紧接着的冷却中，减小了半导体芯片上的机械应力，并且由此防止半导体芯片与引线框架或与壳体本体的分层。这尤其是可以通过如下方式来实现：在焊接过程中并且在紧接着的冷却过程中，在器件之内并且在此尤其是在壳体本体的凹进部之内更小的拉力作用于芯片，使得可以防止揭掉半导体芯片。
附图说明
其他优点和有利的实施形式以及改进方案由以下结合图1至4所描述的实施形式而得到。
其中：
图1至图3示出了根据不同实施例的电子器件的示意图，以及
图4示出了在根据另一实施例的电子器件的焊接工艺之后的冷却过程的示意图。
在这些实施例和附图中，相同的或相同作用的组成部分可以分别配备有相同的附图标记。所示出的元件及其彼此间的大小关系基本上不应被视为比例正确的，更确切地说，为了更好的可示性和/或为了更好的理解，譬如层、部件、器件和区域之类的各个元件可以在尺寸上过度厚或大地被示出。
具体实施方式
在图1中示出了电子器件的实施例，该电子器件具有壳体本体1。壳体本体1具有凹进部10，在该凹进部10中布置有半导体芯片3。纯示例性地，在本实施例中以及也在以下的实施例中，分别示出的电子器件被实施为光电子器件，该光电子器件具有光电子半导体芯片和尤其是具有发射光的半导体芯片。
壳体本体1在本实施例中具有热塑性塑料、例如聚邻苯二甲酰胺（PPA），并且借助例如注塑的成型工艺而被成形。在制造壳体本体1时，提供引线框架2，该引线框架2利用壳体本体1的材料被变换。在此，壳体本体1和引线框架2被实施为使得电子器件如在图1中所示出的那样是可表面安装的。
半导体芯片3借助化合材料4（在所示的实施例中借助导电粘合剂）被固定在引线框架2上并且由此在壳体本体1上被固定在凹进部10中。半导体芯片3的上侧借助接合线5、例如金线被电连接到引线框架2。
替换于在此所描述的壳体本体1、例如壳体本体1的材料、必要时引线框架2以及半导体芯片3的实施方案，这些元件也可以具有其他材料、几何形状、布局和实施方案。
在壳体本体1的凹进部10中布置有由第一塑性材料构成的浇注部6，在该浇注部6中嵌入有半导体芯片3。在所示的实施例中，浇注部6在此完全填满凹进部10。替换于此地，也可能的是，浇注部6仅部分地填充凹进部10，即浇注部6并不接近直至凹进部10的上边缘。
由第二塑性材料构成的盖元件8被布置在凹进部10之上。盖元件8在此在所示的实施例中被实施为透镜，该透镜在施加到浇注部6上之前被预成形和被预加工，并且该透镜借助粘合剂7被布置在浇注部上并且被固定在该浇注部上。在施加盖元件8之前，浇注部6也被完全硬化。
浇注部6的第一塑性材料以及盖元件8的第二塑性材料分别由透明的热固性塑料来加工，在所示的实施例中尤其是分别由环氧树脂制造。在此，第一塑性材料具有第一玻璃化温度，所述第一玻璃化温度在120℃到150℃之间的范围中，而第二塑性材料具有第二玻璃化温度，该第二玻璃化温度小于第一玻璃化温度。尤其是，在所示的实施例中，第二玻璃化温度在80℃到110℃之间的范围中。
第一塑性材料和第二塑性材料的不同玻璃化温度可以通过添加相应的环氧树脂和/或通过材料的不同聚合度在相应的完全硬化时被实现。
尤其是，也可以有利的是，粘合剂7具有与盖元件8相同的特性，尤其是与盖元件8相同的玻璃化温度。为此，例如盖元件8的第二塑性材料可以作为粘合剂7而被施加。
在图2和图3中示出了电子器件的另外的实施例，这些另外的实施例与根据图1的实施例相比在壳体本体1中具有被成形为反射器的凹进部10。由此，尤其是在具有发射光的半导体芯片3的电子器件中，能够实现提高在半导体芯片3中发射的光在正向方向上的辐射。
根据图3中的实施例的电子器件的壳体本体此外还被实施为使得凹进部10、尤其是凹进部10的底面除了针对半导体芯片3和接合线5的安装区域或连接区域之外还被壳体本体材料遮盖，以便还进一步提高被成形为反射器的凹进部10的反射性。
在图4中纯示例性地示出了根据图3中的实施例的电子器件，所述电子器件借助纯示例性地借助常用的焊接工艺被焊上到电路板（Platine）或印刷电路板9上。
为此，器件和印刷电路板9被加热到通常大于或等于240℃并且小于或等于270℃以及通常为260℃的最大温度（峰值温度），在该最大温度下，被布置在电子器件的印刷电路板9与引线框架2之间的焊剂熔化并且因此能够实现将器件安装和固定在印刷电路板9上。紧接着，器件被冷却到165℃。
从165℃的温度起，器件直接以通常为每秒6开尔文的冷却率被冷却到室温。在此，在印刷电路板9上的器件从上侧和下侧用冷却空气被吹入，如借助箭头90所表示的那样。在该时间范围中，电子器件的各个元件经历了明显的温度差。在器件的表面上在以91标记的区域中由于主动冷却而非常快速地达到冷却空气的温度，而内部部件、如在区域93中譬如浇注部6以及半导体芯片3和化合材料4还处于较高的温度。但是，在冷却时，塑性材料分别经历了收缩。第一塑性材料和第二塑性材料（这些第一塑性材料和第二塑性材料在所示的实施例中具有环氧树脂）分别在玻璃化温度之上经历了强烈的收缩，而在玻璃化温度之下，相应材料的温度引起的膨胀小了数个量级。此外，在玻璃化温度的转换中，相应塑性材料的弹性模量强烈地改变。在玻璃化温度之下，弹性模量是高的，在环氧树脂的情况下例如大于1GPa，这被反映在材料的刚性结构中。在玻璃化温度之上，环氧树脂软化和弹性模量下降，通常下降到小于1MPa的值。此外，在转换时或在低于玻璃化温度时，相应的膨胀系数的改变不应被忽略。环氧树脂通常在玻璃化温度之下具有为60ppm/K到70ppm/K的热膨胀系数，而该膨胀系数在玻璃化温度之上为大约160ppm/K至170ppm/K。
为了说明在此所描述的电子器件的有利效果，以下首先描述了冷却过程对带有浇注部或盖元件的常规器件的影响，所述浇注部和所述盖元件分别具有约带有相同玻璃化温度的材料。在这种情况下，纯示例性地所基于的是，相应的玻璃化温度为大约130℃。
在直至焊接工艺中的峰值温度的加热过程中，相应材料、即壳体本体、浇注部和盖元件的材料相对于在室温下的状态强烈地膨胀。在冷却阶段中，材料又收缩。在此，可发生如下情况：在所述情况中，盖元件已经具有在其玻璃化温度之下的温度，而浇注材料还在玻璃化温度之上。这可以导致，盖元件的表面已经硬化并且具有高弹性模量，而盖元件的内部以及浇注材料还在玻璃化温度之上。这意味着，盖元件的表面已经在盖元件相对于其在室温下的状态还具有更大体积的时刻而硬化。由此，出现如下效果，盖元件的材料通过进一步冷却而拉紧、即收缩，并且尝试减小其体积。由于盖元件的表面已经硬化并且已占据固定的形状，所以由浇注部、胶粘剂和盖元件构成的整个系统的收缩重心改变并且朝着盖元件的表面转移。此外，这同时还意味着，与盖元件的表面对置的在浇注部与引线框架之间的、在浇注部与半导体芯片之间的以及在浇注部与芯片胶之间的连接面的相应材料建立拉应力。该拉应力常常超过浇注部的在引线框架上的粘附力，使得在此可以观察到浇注材料的分层。当拉力高于在半导体芯片与芯片胶之间的或者在芯片胶与引线框架之间的粘附力时，这导致半导体芯片与引线框架的分层，由此形成器件中的断开的电接触，该断开的电接触导致器件故障。
跟在公知的器件中出现的效果相反，通过经过合适地选择第一塑性材料和第二塑性材料以及相对应的玻璃化温度来抵抗热不平衡，可以避免半导体芯片3在焊接过程和冷却过程期间或之后的揭掉。由于第二塑性材料具有小于第一塑性材料的第一玻璃化温度的第二玻璃态温度，所以可以实现，当盖元件8也低于第二玻璃化温度时，那么浇注部6提前或同时低于第一玻璃化温度，由此更小的机械应力从盖元件8被施加到浇注部6上并且因此被施加到半导体芯片3上。
如果从盖元件和浇注部的玻璃化温度大致相同的公知器件出发，则在图4中所示的区域91、92和93中，在冷却过程期间，不同的温度处于主导，其中在区域91中的温度小于在区域92中的温度，在区域92中的温度又小于在区域93中的温度。如果在区域91中的温度在玻璃化温度之下、即例如在为130℃的玻璃化温度的情况下在该温度下，盖元件的上侧已经硬化，而如上面所描述的那样在区域92和93中，盖元件或浇注部还可以具有在玻璃化温度之上的温度并且因此还可以进一步收缩。
在这里所描述的具有第二玻璃化温度的电子器件中（第二玻璃化温度小于第一玻璃化温度），以下纯示例性地基于浇注部6的为大约130℃的第一玻璃化温度和盖元件8的为大约100℃的第二玻璃化温度。只要在区域91中的温度高于100℃，盖元件8的表面就还未硬化。只有当在区域91中的温度降落在为100℃的第二玻璃化温度之下时，盖元件8的表面才硬化。只要在区域92中（即在盖元件8的内部中）的温度还处于100℃之上，在该区域中的盖元件8的第二塑性材料就还收缩。如果在区域93中的第一塑性材料在为130℃的温度之下但是还在为100℃的温度之上，则由于浇注部6的为130℃的第一转换温度，因此第一塑性材料已经硬化。例如，如果假设不仅在区域92中而且在区域93中例如为120℃的温度处于主导，则浇注部6已经硬化，而盖元件8还处于第二玻璃化温度之上。甚至当在区域92中的盖元件8还进一步收缩时，这样可以极大地减小了如下力：所述力作用于半导体芯片3或作用于在浇注部6、半导体芯片3、化合材料4、引线框架2与壳体材料1之间的相应的边界面。由此可能的是，抵抗在焊接过程之后的冷却中的热不平衡，并且这样避免了半导体芯片3的分层。
本发明并不通过依据实施例的描述而被限于这些实施例。更确切地说，本发明包括任意新特征以及特征的任意组合，这尤其是包含权利要求书中的特征的任意组合，即使该特征或组合本身并未明确地在权利要求书或实施例中被给出。
Claims (13)
1.一种电子器件，其具有壳体本体（1），该壳体本体（1）在凹进部（10）中具有半导体芯片（3），其中
- 在凹进部中的半导体芯片（3）被嵌入到由具有第一玻璃化温度的第一塑性材料构成的浇注部（6）中，
- 在凹进部（10）之上布置有由具有第二玻璃化温度的第二塑性材料构成的盖元件（8），以及
- 第二玻璃化温度小于第一玻璃化温度。
2.根据权利要求1所述的器件，其中，第一塑性材料和第二塑性材料分别具有热固性塑料。
3.根据权利要求2所述的器件，其中，第一塑性材料和第二塑性材料分别具有环氧树脂。
4.根据上述权利要求之一所述的器件，其中，第一玻璃化温度在120℃到150℃之间的范围中。
5.根据上述权利要求之一所述的器件，其中，第二玻璃化温度在80℃到120℃之间的范围中。
6.根据上述权利要求之一所述的器件，其中，盖元件（8）借助粘合剂（7）被布置在浇注部（6）上。
7.根据上一权利要求所述的器件，其中，粘合剂（7）和盖元件（8）具有相同的玻璃化温度。
8.根据上述权利要求之一所述的器件，此外还具有引线框架（2），所述引线框架（2）被嵌入到壳体本体（1）中，并且半导体芯片（3）借助化合材料（4）被安装在所述引线框架（2）上。
9.根据上述权利要求之一所述的器件，其中，壳体本体（1）具有热塑性塑料。
10.根据权利要求9所述的器件，其中，热塑性塑料具有聚邻苯二甲酰胺。
11.根据上述权利要求之一所述的器件，其中，壳体本体（1）是可表面安装的。
12.根据上述权利要求之一所述的器件，其中，半导体芯片（3）是光电子半导体芯片。
13.根据权利要求12所述的器件，其中，光电子半导体芯片（3）是发射光的半导体芯片。
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