CN1040385C - 电子器件的同时批量封接和电连接 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种电子器件，特别是表面声波器件的封接和电气测量的新的有效的方法。按照本发明，由于在晶体级使用同时批量封接和电连接以及使用带气密封接和导电通孔的基片，制造电子器件的气密封接封装和电气测量每个器件的成本和尺寸与现有技术相比都大大减少。还由于在切割之前用晶片探极测试技术最后进行电气测量，也使成本降低。

Description

电子器件的同时批量封接和电连接
本发明涉及电子器件的同时批量封接和电连接。本发明特别涉及一种制造相对便宜的表面声波器件的气密封接封装的新的和经济有效的方法。
许多电子器件是十分敏感，并且需要避免粗糙，包括在其周围存在的各种有潜在破坏性的沾染物。已证明对密封封装提供这样的防护是非常有效的方法。密封封装的封接是一种气密封接。已知的密封封装由金属、玻璃或陶瓷构成，密封方法例如是焊接或封接。在只提供一定程度的防护而不要求与周围完全隔离时也使用非密封封装。已知的非密封封装应用塑封、模制、浇注或聚合物封接。以往要求在使用密封封装以高成本提供最大程度防护和使用非密封封装以低成本提供较小程度防护之间进行折衷选择。通过下面对制造这样结构的现有方法的典型说明，密封封装的成本高就将是明显的了。
通常，先要有被封接的各电子器件。然后，将这些电子器件安装在适用于气密封接的封装内，所说的典型封装如上所述，是由金属以及玻璃或陶瓷构成。接着在位于封装内的电接线端子和电器件本身的接线端子之间设置导线或带状线束。这样联线能使每个电子器件都与封装外界相联系。随后，用金属焊接工艺，例如凸焊接或缝焊接封接封装。最后，测试每个封装和部件以确定其电特性。由于在生产期间要执行各种工艺步骤，每个步骤的成品率不会都是百分之百，所以这样的测试是必须的。这些气密封接和电测试步骤通常都是每个电子器件分别进行(即逐个进行)。
对各电子器件进行这些工作的劳动成本与装配成本一起构成的组合成本往往超过电子器件自身的成本。这问题已存在很久，因此要考虑用低成本的方法气密封接与外部环境隔离的电子器件，而且也要求有经济有效的方法对它进行电气测试。此外，由于组装的复杂性，这样的工作导致器件尺寸不希望的增大。
电子器件的一个实例是表面声波(SAW)器件，所说的电子器件由于它的敏感特性，最好用气密封装并且通常用上述方法封装。SAW器件在技术上是公知的，在许多不同的应用中是非常有用的，包括工作在几十兆赫到超过1千兆赫频率范围的高度精确和稳定的带通滤波器和振荡器。
环境污染能使SAW器件严重失灵，为达到其预期目的常要无效地重复动作。例如SAW器件的污染能改变声波传播速度，并且通过SAW基片时衰减增加。对SAW器件来说，速度的任何改变都将导致频率漂移，衰减的增加导致插入损耗增加。因此，已按常规对每个SAW器件应用气密封装以保证每个器件的表面不受污染，该污染能反射，或者相反，能干涉所传播的表面声波的能量。
如上所述，已知的气密封装电子器件(例如SAW器件)的方法已证明是昂贵的并常使所生产的单元的尺寸不希望地增大。
本发明的首要目的是提供一种电子器件的，特别是表面声波器件的封接和电气测试的新的有效的方法。
本发明的另一目的是提供一种既能为电子器件生产气密封装又能生产非气密封装的低成本的方法，无论哪种封装都是各个实例所需要的。
本发明的又一目的是提供一种生产适合于表面安装的小型器件的方法。
本发明提供的这种批量封接和电连接电子器件的方法，包括如下步骤：
(a)在衬片上提供多个电子器件，在晶片盖上还提供多个导电元件；晶片盖中的导电元件配备成对应于衬片中的电子器件；以及首先使晶片盖对准衬片以使导电元件对准电子器件；
(b)有如下两步：
(I)焊接紧粘衬片的已调准的晶片盖；和
(II)使在晶片盖上的导电元件和在衬片上的电子器件之间形成电联系；和
(c)测试多个单独封接的电子器件；其中，步骤(b)(I)、b(II)和(c)于晶片级进行。
任选的焊料涂层可在测试步骤之前设置在晶片盖的外侧，以便在下一步封装工序期间使已完工的封装随后固定焊料将是方便和容易的。
本发明也提供一种按照上述方法形成的用于表面声波器件的适合于表面安装的气密封接封装。
本发明还提供一晶片级封装，它包括衬片和多个电子器件。此电子器件用衬片支承。一晶片盖在电子器件上方对准衬片焊接。格栅焊接材料层(单独，或者与一个或多个附加层，例如阻挡材料层一起)以一定方式在衬片和/或晶片盖上构图并使由衬片支承的每个电子器件与由衬片支承的其余电子器件隔离。焊接材料和晶片盖实质上在晶片级帮助形成每个电子器件的封接。在晶片盖中提供许多导电元件。导电元件在晶片级与电子器件电连通。
图1是按照本发明实施例构成的，在已封接的封装中的电子器件的侧截面图。
图2是在固定到基片盖上之前从器件基片底看的视图。
图3是在固定到器件基片上之前从基片盖顶部看的视图。
图4(A)～图4(D)示出按本发明方法的实施例的工艺步骤的顺序，这些步骤对廉价地生产在封接封装中的相对小的电子器件都是有效的。
图5示出用图4(A)～图4(D)所示的方法生产的封接封装中的多个相对小的电子器件。
图6是在将这两个基片用本发明所教导的方法在其上按一定图形用焊料焊接到一起之前，与器件基片对准的基片盖的侧截面图。
按照本发明，由于在晶片级使用同时批量封接和电连接，并且使用带有气密封接的导电的通孔的基片，从而使制造电子器件气密封接封装的成本和尺寸以及电气测试每个器件的成本都比现有技术大大降低。而且还由于在切割之前使用晶片探极测试技术进行最后的电测试也使成本降低。
下面将首先参照图1、2、3对本发明进行详细地讨论。图1示出按照本发明的实施例构成的在已封接的封装中的电子器件。图2是在它固定到基片盖上之前从器件基片底部看的视图。图3是在固定到器件基片上之前从基片顶部看的视图。
如图所示，按照本发明的方法制成的含有电子器件的气密封接封装包括一支承电子器件13的器件衬片11。此器件衬片11可以相应地由石英构成，电子器件13可以是表面声波(SAW)器件。此器件衬片11被能提供密封封接的衬片盖15覆盖。用以形成这样的衬片盖15的适当的材料是某种陶瓷材料(一种特别适合的材料是某种FOTOCERAM(Trademark of Corning Glass))。上述这些材料用于本发明的封装是特别好的，但也可以用其他适合的材料代替。
应指出，在制造本发明的封装时也可应用聚合材料(例如包括衬片)。不适于进行气密封接的聚合物，由于它们通常是很便宜的，所以是很有吸引力的。虽然聚合物材料不能完成气密封接封装，但聚合物仍然能很好地防止某些粒子的污染。因此，在不要求气密封接的场合应用聚合物材料是更可取的。
器件衬片11借助格栅焊料片17焊接到衬片盖15上。此焊料片17粘接到器件衬片11和衬片盖15这两者上面，分别如图2和3所示。焊料片17除将两衬片11和15焊接到一起之外，还用以使衬片盖15的表面与其上设置有电子器件13的器件衬片11的表面保持一点间隔如图1所示。在基片和焊料之间的一层间隔材料也能用以建立这样的间隔(即控制衬片之间的距离)。此间隔材料可由任何适合的材料构成。在间隔物仅用于间隔目的的情况下，对其无任何其它特殊性能的要求，所用材料的选择可以是相当广泛的。在其它情况下要求有一隔离层作为阻挡层，因此如图1所示，可应用隔离/阻挡层18。任何已知的用以形成阻挡层的材料在本发明中均可应用。例如钨或镍可用以形成阻挡层。应指出可应用一个以上的隔离体/阻挡层。由图1和以下的说明可见，应考虑到可在任何一个衬片上形成多层，在此未特别描述的附加层可以在要求利用任何公知的合适材料时被应用，所说的合适的材料能满意地实现所希望的目的。
导电通路(也称之为导电通孔)19贯通衬片盖15延伸。与导电通路19有关的焊料端21焊接到电子器件13的焊料端(也称之为焊盘)23。这样的电子器件13对导电通路19的电的相互连接是所希望的，因此电子器件能借助外部的电接线端25与封装外部电连通，所说的封装一旦完成封接后就由二个衬片和焊料区所界定。为了提供一种气密封接器件，建立密封的导电孔19。此已装配的器件如图1所示，适于在平面安装工艺中通过将其放置在这样的带下边盖的板上固定到电路板上。
虽然，隔离体/阻挡层18在防止通路19的元素(例如镓或汞)进入部件的其他地方是有用的。
重要的是本发明提供一种生产图1～图3所示的封接电子器件的高效而实用的方法。现在将参照图4～图6讨论本发明所设想的方法。
如图4(A)所示，先使衬片盖15与器件衬片11对准。(为避免任何混乱，这时应注意参考数字11和15在此被用作在切割成各个单元之前(即仍然为晶片级时)和在切割生成各个单独的封装之后这两种衬片的参考符号，如图1～3所示)。两种衬片11和15的每一种其直径典型的均为3英寸(然而应明白，它们可以更小或更大)。此器件衬片11支承多个SAW变换器31(或其它适用的所要求的电子器件)。衬片盖15中有许多气密导电通路19，以一定方式排列以便与器件衬片11中的每个SAW器件31对应。对准此衬片以使SAW器件31的每个接点都与导电通路19(见图4(A))或与通电连接的焊盘对准。
然后用适当方法将衬片盖15焊接到器件衬片11上，如图4(B)所示。焊接区最好形成在予先设置在器件衬片11上环绕SAW器件的格栅金焊料片33和同样预先设置在衬片盖15上环绕通路接点19的同样构图成的格栅铟焊料片35之间。此焊接区最好是形成金和铟的固-液相互扩散(SLID)焊接区。下面将对焊接进行详细说明。借助这样的焊接可实现SAW器件31的气密封接。
如上所述，与焊接步骤同时使器件衬片11中的SAW器件31和衬片盖15中的相近导电通路19形成电连接。如图4(C)所示，然后从盖侧边，借助常规的自动衬片探测台41对所得到的“分层结构”的衬片测试所要求的电特性。要注意，这样的测试是对晶片级(即在晶片被切割成单独封装之前)进行。
参看图4(D)，随后使用常规的基片切割锯(未示出)切割衬片11和15。经气密封接，电测试和切割成包括SAW器件的密封封装45后即已完工并准备发运，如图5所示。每个直径为3英寸的衬片对11和15，都能提供几百个器件。
任选的焊料涂层(板或波焊)可以在测试步骤之前形成在衬片盖的外侧，以使所完工的封装在随后下一步组装程序期间的焊料固定工作将是方便容易的。提供焊料涂层避免封装使用者随后在下一个这样的装配工序中需要应用此单元时还必须为每个单元提供焊料。要知道与在晶片上涂复每个所加工成的单个单元相反，提供这样的焊料涂层是非常简单的。相应地将焊料层或板设置在外接线端25的外侧面上。
对上述工艺来说，为衬片盖15选择具有与器件衬片11的热膨胀特性密切配合的热膨胀特性的非导电材料是很重要的。例如一种用标准工具切割石英晶片的SAW谐振器在X轴有每摄氏度百万分之十三点七(13.7×10-8/℃)的线性热膨胀系数，在垂直于X轴向热膨胀系数为每摄氏度百万分之十点二(10.2×10-8/℃)。某些类型的热膨胀系数为每摄氏度百万分之十二(12×10-8/℃)的玻璃-陶瓷产品与用标准工具切割的石英晶片能很好地匹配。例如，FOTOCERAM(Trademark of Corning Glass)是一种这样适用的产品。
此外，在必须生产气密封接封装时，保证衬片盖15中有气密封接导电通路19以使封装中的电子器件13与外部电连接是重要的。
对上述工艺来说，在相对低的温度下将两个衬片11和15焊接到一起是重要的，这能使冷却造成的和由于它们之间热膨胀特性失配造成的潜在热应力保持最小值。产生高熔点的焊接也是重要的，这将使一旦形成焊接点在随后的组装工艺(例如在印刷电路板上的随后表面安装工艺)过程中就不会熔化。
为实现这些目标，考虑用本发明在一个衬片上构图成的金格栅和在该二个衬片中另一个上构图成的铟格栅之间来完成焊接。图6是在用其上构图成的这样焊料格栅将两衬片焊接到一起之前与石英器件衬片对准的陶瓷衬片盖的侧截面图。为便于加工，最好将金格栅形成在支承电子器件的衬片上，而铟格栅最好构图在衬片盖上。当将两衬片11和15在干燥气体(如氢或氮)中或真空中放在一起并加热时，铟在155℃下熔解并开始与金熔合。当金的浓度足够高时，熔解经过相变并成为固态。(应注意L.Bernstein在电化学学会杂志(1966年12月)VOI.113 No.12 P1282～1288发表的“Semiconductor Joining by The Solid-Liquid-Interdiffusion(SLID)Process：1.The Systems Ag-In，Au-In and Cu-In”)。在这种固态物被退火后，并具有适当的金和铟比率(例如含按重量计30～40％的铟)，则焊接在低于400℃不会熔化。这样的焊接熔化温度显然比常规的低于250℃的印刷电路板焊接温度高。
应注意，本发明的思想也能延伸到不需气密封接的电子器件。这时，加工更容易，耗费的材料更少，例如能应用非气密通路，聚合材料能用于衬片。还应注意，能应用本发明取代现有的电子组装方法。
上述说明应理解为主要是用来说明典型的实例，特别是提供由本发明所完成的优选实施例，不应用此限定本发明。所做的各种相应的变化和改进均未超出本发明的精神和范围，而由所附的权利要求来限定。

Claims (22)

1.一种批量封接和电连接电子器件的方法，包括如下步骤：
(a)在衬片上提供多个电子器件，在晶片盖上还提供多个导电元件；晶片盖中的导电元件配备成对应于衬片中的电子器件；以及首先使晶片盖对准衬片以使导电元件对准电子器件；
(b)接着为：
(I)焊接紧粘衬片的已调准的晶片盖；和
(II)使在晶片盖上的导电元件和衬片上的电子器件之间形成电联系；和
(c)测试独立封接的多个电子器件；其中，步骤(b)(I)、b(II)和(c)于晶片级进行。
2.按照权利要求1所说的方法，其特征在于步骤(C)之后还包括将晶片级已焊接的晶片切割成许多含有已测试的电子器件的独立的封接封装。
3.按照权利要求1所说的方法，其特征在于其中的步骤(b)(I)和(b)(II)实质上同时进行。
4.按照权利要求1所说的方法，其特征在于所说的步骤(C)包括晶片探极电测试工艺。
5.按照权利要求1所说的方法，其特征在于所说的晶片盖由其热膨胀特性类似衬片的热膨胀特性的不导电材料制成。
6.按照权利要求1所说的方法，其特征在于在步骤(C)之前还包括在随后的焊料固定工序所用的在所说的一个衬片的外侧上形成焊料层的工序。
7.按照权利要求5所说的方法，其特征在于所说的衬片是石英，晶片盖是玻璃-陶瓷。
8.按照权利要求5所说的方法，其特征在于所说的封接步骤(b)(I)导致在每个电子器件周围形成气密封接。
9.按照权利要求8所说的方法，其特征在于所说的晶片盖中的多个导电元件包括用以使电子器件与外部电接线端连接的气密封接导电通路。
10.按照权利要求1所说的方法，其特征在于所说的封接步骤(b)(I)是在低于约200℃的温度下实现；其中晶片盖通过格栅焊料片焊接到衬片上；以及其中的格栅焊料片是在封接步骤(b)(I)之前制成的。
11.按照权利要求10的方法，其特征在于所说的格栅焊料在衬片和晶片盖之间保持间隔。
12.按照权利要求11所说的方法，其特征在于还包括多层格栅，其中所说的焊料片至少由一层所说的格栅组成，其中所说的多层格栅还包括阻挡层，所说的阻挡层至少部分地帮助在衬片和晶片盖之间维持一间距。
13.按照权利要求10所说的方法，其特征在于所说的封接步骤(b)(I)导致形成气密的固-液相互扩散的焊区。
14.按照权利要求13所说的方法，其特征在于所说的气密的固-液相互扩散焊区形成在在环绕电子器件的衬片上的金格栅焊料片和在环绕导电元件的晶片盖上的同样构图的铟格栅焊料片之间；其中已构图的格栅是在封接步骤(b)(I)之前制成的。
15.按照权利要求10所说的方法，其特征在于所说的切割步骤包括沿格栅焊料片的中心线向下切割已焊接和测试的晶片。
16.按照权利要求15所说的方法，其特征在于所说的通过封接步骤(b)(I)所完成的封接是气密封接。
17.按照权利要求16所说的方法，其特征在于所说的电子器件是表面声波器件。
18.一种晶片级封装包括：单独衬片和多个独立电子器件，其中所说的电子器件由所说的晶片级衬片支承，晶片盖在所说的电子器件上方贴紧所说的衬片焊接；格栅焊接材料至少以一定方式构图在一个所说的衬片上，并使由所说衬片支承的每个电子器件由其支承的其余所说的电子器件隔离，其中所说的焊接材料和所说的晶片盖实质上在晶片级帮助每个所说的电子器件形成封接，在所说的晶片盖中有多个导电元件，其中所说的导电元件在晶片级与所说的电子器件电连通。
19.按照权利要求18所说的晶片级封装，其特征在于每个所说的衬片和所说的晶片盖至少一英寸宽。
20.按照权利要求18所说的晶片级封装，其特征在于所说的封接是气密封接，所说的晶片盖是由其热膨胀特性与衬片的热膨胀特性类似的不导电材料构成，在晶片盖中多个导电元件包括气密封接的导电通路。
21.按照权利要求20所说的晶片级封装，其特征在于所说的电子器件是表面声波器件。
22.按照权利要求18所说的晶片级封装，其特征在于电子器件为表面声波器件。
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