CN106537579A - 气腔封装件 - Google Patents

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李志光
吴韦壮
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Abstract

气腔封装件包括由聚酰亚胺或液晶聚合物(LCP)形成的介电框架。使用聚酰亚胺粘合剂，将该介电框架与凸缘接合且与电引线接合。

Description

气腔封装件
对相关申请的交叉引用
本申请要求2014年5月23日提交的美国临时申请No.62/002,336的优先权，该申请全文通过引用方式合并于本文。
技术领域
本公开涉及气腔封装件及其制造方法。
背景技术
气腔封装件典型地包括附接到底座/凸缘且由框架包围的一个或多个半导体晶片，电引线嵌入该框架中。晶片与引线电接合，并且然后用盖密封封装件。空气由于其介电常数低充当了电绝缘体。气腔封装件广泛地用于容纳高频器件(例如，射频晶片)。与用具有更高介电常数的材料(例如，诸如环氧树脂等成型用化合物)进行封装相比，用空气包围高频半导体芯片改善了晶片和相应的电引线的高频特性。
RF器件制造商期望与气腔封装件相关联的材料和生产成本最少。制造商已经开发出金属化系统，金属化系统能够使用薄的金-锡(AuSn)焊料将硅(Si)和氮化镓/碳化硅(GaN/SiC)芯片钎焊到铜凸缘上。然而，难以将介电框架与铜凸缘键合并且难以与满足期望的循环特性(例如，在-50℃至+80℃的1,000次温度循环之后的附着性)的电引线键合。介电框架典型地由氧化铝制成，但是将氧化铝与铜键合会由于这些材料的热膨胀系数(CTE)之间的严重失配而出问题。特别地，铜的线性CTE在20℃是大约17ppm/℃，而氧化铝的线性CTE在20℃是大约8ppm/℃。胶粘到铜凸缘的氧化铝框架仅能承受保持在低于大约190℃的热漂移。
一些制造商已经提供了液晶聚合物(LCP)制成的介电框架，液晶聚合物被包覆成型到铜引线上以形成框架。LCP具有与铜接近的CTE匹配。随后能够使用环氧树脂将框架/引线子组件键合到铜凸缘上(在芯片已经AuSn钎焊到凸缘上之后)。然而，由于LCP的极端化学惰性，LCP难以与环氧树脂键合。LCP部分的常见故障机理是LCP与金属之间的界面处的泄漏(例如，如在池中进行总泄漏测试期间所观察到的)。有时，凸缘必须经过喷砂从而实现凸缘与LCP框架之间的充分附着。另外，在晶片附接和引线键合之间必须进行诸如将LCP框架与凸缘键合的步骤。
期望开发出能更简单和/或更廉价地生产的新的气腔封装件。还期望产生一种具有与塑料框架和电引线完全地装配且能够承受后续达到230℃的温度的装配操作(例如，AuSn晶片附接和盖附接)且能够承受温度循环(从-50℃至+85℃，一千次循环)的铜底座/凸缘的气腔封装件。
发明内容
本公开涉及气腔封装件，该气腔封装件包括介电框架，介电框架由聚酰亚胺或液晶聚合物(LCP)制成。该气腔封装件可以在温度循环期间非常稳定，因为全部材料共有几乎相同的热膨胀系数。
在本文的各个实施例中公开了一种适于收容晶片的气腔封装件，包括：凸缘，所述凸缘具有上表面；以及介电框架，所述介电框架具有上表面和下表面，所述下表面附接到凸缘的上表面；其中所述介电框架由聚酰亚胺或液晶聚合物制成。
所述气腔封装件还可以包括第一导电引线和第二导电引线，第一导电引线和第二导电引线附接到所述介电框架的上表面的相反两侧。第一导电引线和第二导电引线能够借助热塑性聚酰亚胺附接到介电框架的上表面。第一导电引线和第二导电引线可以由铜、镍、铜合金、镍钴铁合金或铁镍合金制成。铜合金可选自由CuW、CuMo、CuMoCu和CPC组成的组。
所述凸缘由铜、铜合金、铝、铝合金、AlSiC、AlSi、Al/金刚石、Al/石墨、Cu/金刚石、Cu/石墨、Ag/金刚石、CuW、CuMo、Cu:Mo:Cu、Cu:CuMo:Cu(CPC)、Mo、W、金属化的BeO或金属化的AlN制成。
在一些实施例中，凸缘是镀有一个或多个金属子层的衬底。一个或多个金属子层可以由镍(Ni)、金(Au)、钯(Pd)、铬(Cr)或银(Ag)制成。
介电框架可以借助热塑性聚酰亚胺附接到所述表面。
在一些实施例中，介电框架还包括填料。所述填料可以选自由陶瓷粉末、玻璃粉末和短切玻璃纤维组成的组。
介电框架可以具有约3.0至约5.0的介电常数。
还公开了一种形成气腔封装件的方法，包括：使用第一粘合剂组合物将介电框架的下表面与凸缘的上表面接合；使用第二粘合剂组合物将第一导电引线和第二引线与所述介电框架的上表面接合；以及单独地或者同时地将所述第一粘合剂组合物和所述第二粘合剂组合物固化；其中所述介电框架包括聚酰亚胺或液晶聚合物。
第一粘合剂组合物和第二粘合剂组合物可以是热塑性聚酰亚胺。有时，第一粘合剂组合物和第二粘合剂组合物同时固化。
所述固化可以以大约220℃的温度以及大约10psi的压力进行。凸缘可由镀金的铜衬底形成。
有时，该方法还可以包括：将晶片附接到凸缘的上表面，其中介电框架围绕晶片。
还公开了一种形成气腔封装件的方法，包括：接收在下表面和上表面上层压有导电材料的聚酰亚胺片材；以及将所述聚酰亚胺片材的上表面成形以在所述聚酰亚胺片材中的空腔的相反两侧形成电引线，在所述聚酰亚胺片材的下表面上的导电材料在所述空腔中是可见的。所述导电材料可以是铜。
公开的这些以及其它非限制的特性更具体地公开于下文中。
附图说明
下面是附图的简要说明，提供这些附图是为了图示说明本文所公开的示例性实施例而不是为了对其进行限制。
图1是根据本公开的示例性的气腔封装件的分解图。
图2是图1的气腔封装件的侧视图。
图3是图1的气腔封装件的俯视图。
具体实施方式
通过参考附图，能够获得在此公开的部件、处理和装置的更全面的理解。这些图仅仅是为了方便和易于展示本公开的示意性的图示，因此不旨在表明设备或其部件的相对大小和尺寸和/或限定或限制示例性实施例的范围。
虽然为了清晰的目的在下面的说明书中使用了具体的术语，但是这些术语意在仅指代被选择用于在附图中进行图示的实施例的特定结构，而不意在限定或限制公开的范围。在附图以及下面的说明中，应当理解的是相似的附图标记指代相似功能的部件。
除非上下文明确地规定，否则单数形式“一(a)”、“一个(an)”和“该(the)”包含复数指代物。
如在说明书以及权利要求书中使用的，术语“包括”可以包含“由…构成”和“主要由…构成”的实施例。本文所使用的术语“包括”、“包含”、“具有”、“设有”、“可以”、“含有”及其变化形式意在为要求所列举的部件/步骤存在且容许其它部件/步骤存在的开放式过渡性短语、术语或用语。然而，该说明应当解释为还将构成或过程描述为“由所枚举的部件/步骤的构成”和“主要由所枚举的部件/步骤构成”，其允许仅存在所列举的部件/步骤，以及任何可能由其得到的杂质，而排除了其它的部件/步骤。
数值应当理解成包括当降至相同量的有效位时相同的数值以及与所陈述的值相差小于在本申请中描述以确定值的类型的常规的测量技术的实验误差的数值。
本文所公开的全部范围包含了所记载的端点且是能独立组合的(例如，“从2克到10克”的范围包含了端点2克和10克，以及全部的中间值)。
术语“基本上”和“大约”能够用来包含可以在不改变该值的基本功能的情况下改变的任意数值。当与范围一起使用时，“基本上”和“大约”还公开了由两个端点的绝对值所限定的范围，例如，“大约2至大约4”还公开了范围“从2至4”。术语“基本上”和“大约”可以是指所表示的数字的加或减10％。
在本文所使用的一些术语是相对术语。特别地，术语“上”和“下”是位置上彼此相对的，即，上部件位于在给定方位上比下部件高的高度，但是如果部件翻转，则这些术语会变化。当不同的部件相互比较时，这些术语是指部件相对于彼此处于固定方位。例如，第一部件的下表面将总是位于在第一部件下方的第二部件的上表面上；第一部件不能靠其自身翻转而使得其上表面随后位于第二部件的上表面上。
术语“上方”和“下方”相对于绝对参考系而言；位于第二部件上方的第一部件总是处于较高的高度。
如本文所使用的，术语“热膨胀系数”或“CTE”是指在处于20℃时的线性热膨胀系数。
当元素被单独称谓时，例如，“铝”，该使用是指仅存在杂质的元素，例如，纯铝。当与术语“合金”联用时，该使用是指包含了多数所称谓元素的合金。
图1示出了根据本公开的气腔封装件100的实施例的分解图。图2是气腔封装件的侧视图。图3是气腔封装件的俯视图。
气腔封装件100包括凸缘110、半导体晶片120、第一导电引线150、第二导电引线160和介电框架130。凸缘还称为气腔封装件的底座。介电框架130的上表面134通过第一粘合剂组合物140附接到每个导电引线150，160的下表面152，162。导电引线150，160位于气腔封装件100的相反两侧，或者介电框架130或凸缘110的相反两侧。介电框架130的下表面132通过第二粘合剂组合物142附接到凸缘110的上表面114。介电框架130围绕且包围晶片120，晶片120还附接到凸缘的上表面114。介电框架具有环状形状，即，由两个同心形状之间的区域限定的形状。
凸缘110充当半导体晶片的散热部，并且由具有中等或高的导热率的材料制成。凸缘可以由铜、铝、AlSiC、AlSi、Al/金刚石、Al/石墨、Cu/金刚石、Cu/石墨、Ag/金刚石、CuW、CuMo、Cu:Mo:Cu、Cu:CuMo:Cu(CPC)、Mo、W、金属化的BeO或金属化的AlN制成。注意的是，CPC是指通常具有1:4:1厚度的三个子层的Cu:CuMo70:Cu。注意的是，凸缘可以是金属基质复合材料，例如分散在铝或铜金属基质中的石墨。在特定的实施例中，凸缘采用在每个主表面上镀有一个或多个金属子层(例如，与AuSn晶片附接相兼容的镀敷材料)的衬底形式。凸缘可以根据需要而镀有镍(Ni)、金(Au)、钯(Pd)、铬(Cr)和银(Ag)的组合。在特定的组合中，凸缘镀有Ni+Au、Ni+Pd+Au、Ni+Cr、Pd+Au或Ni+Ag，先列出的元素先进行镀敷(即，最靠近衬底)。
粘合剂组合物140，142一般包含强力的、可延展的高温粘合剂(例如，热塑性聚酰亚胺或其它聚酰亚胺系粘合剂)。热塑性聚酰亚胺展现出在凸缘110与介电框架130之间的强的粘合强度。
第一粘合剂组合物140和第二粘合剂组合物142可以相同或不同。粘合剂组合物140，142可以由主粘合剂材料构成或者可以包括一种或多种其它成分。在一些实施例中，粘合剂组合物填充有介电材料(例如，玻璃和/或陶瓷粉末)。其它粘合剂可应用在主粘合剂的上方和/或下方的层中。在一些实施例中，主粘合剂是热塑性聚酰亚胺，另一粘合剂是高温环氧树脂或高温聚酰亚胺系粘合剂。
热塑性聚酰亚胺可以为A阶段粘合剂形式，其中聚酰亚胺仍为液态，并且仍存在相对大量的溶剂。该A阶段热塑性聚酰亚胺可以分配、浸渍、移印或丝网印刷到表面上，随后进行B阶段。可替代地，粘合剂是B阶段膜，其中已经预先去除了大部分溶剂且粘合剂未固化，但是可以相对容易地进行处置和成形。自立(free standing)的B阶段热塑性聚酰亚胺膜可以压印成预制件；或B阶段热塑性聚酰亚胺可以涂覆在薄的聚酰亚胺(例如，)膜的两面上。热塑性聚酰亚胺提供快速作用的粘合并且适合于高温操作。应注意，聚酰亚胺本质上是绝热体，并且不能很好地导热。聚酰亚胺本质上也是电隔离的，即不导电。
聚酰亚胺粘合剂的非限制性实例包括由德国瓦尔特布隆(Waldbronn)的PolytecPT GmbH(保利达PT公司)和马萨诸塞州(Massachusetts)波士顿(Boston)的FraivilligTechnologies出售的粘合剂。示例性的Polytec粘合剂包括以商品名EC-P 280、EP P-690、EP P-695和TC-P-490出售的粘合剂。
使用热塑性聚酰亚胺(TPI)作为粘合剂来组装气腔封装件提供了关于引线和凸缘材料的灵活性。首先，该粘合剂将很好地与大多数陶瓷、金属或玻璃表面粘合，而不需要该表面的预金属化。无论粘合的表面是金属、陶瓷还是塑料，粘合强度都非常高。固化TPI也非常柔顺，即具有低杨氏模量或不是非常硬。高粘合强度与低刚度的组合意味着固化的TPI粘合膜可以承受严重的剪切应力，而不会断裂或失去附着性。固化的TPI粘合膜还可以承受粘合在一起的两个表面之间的严重的CTE失配，而不损失对任一表面的附着。第二，该粘合剂将在300℃以下的温度固化。这减少了被粘合在一起的部件之间的残余应力(CTE失配)。这种低温固化还降低了加工成本，因为可以使用较低成本的烘箱或热板代替昂贵的高温炉。
另一个优点是该粘合剂可以在远远高于其固化温度的温度下操作而不降解。这允许在最终衬底中实现更高的工作温度，并且与其它粘合剂相比还允许制品耐受更高的电流漂移。一旦固化，热塑性聚酰亚胺可以承受以350℃进行的延长操作和到达450℃的热漂移。相比之下，环氧粘合剂通常在约170℃的低温固化，并且在更高的温度将脱粘、炭化或分层。因此，使用TPI制成的气腔封装件与使用常规晶片粘合材料(例如填充银的环氧树脂、AuSn焊料(280℃)和SnAgCu焊料(217℃))的后续晶片附接操作兼容。
接下来，电引线150,160可以由铜、镍、铜合金、镍钴铁合金(例如)或铁镍合金(例如Alloy 42，即Fe58Ni42)制成。与凸缘一样，电引线可以镀有一个或多个与上述相同的金属子层。
由于热塑性聚酰亚胺将溶解在高pH溶液(例如，通常在电镀工艺的清洁步骤中使用的溶液)中，(如果进行镀敷的话)优选在组装气腔封装件之前镀敷引线和凸缘材料。
介电框架130由聚酰亚胺或液晶聚合物(LCP)形成。介电框架130可以具有从大约0.2mm至大约0.8mm(包括大约0.5mm在内)的厚度(即，高度)。
介电框架130可以由以商品名或商购获得的聚酰亚胺片材形成。可以以各种低成本方法(例如冲压、激光切割、水射流切割、铣削和机械加工)来加工片材，以获得期望的形状。由聚酰亚胺制成的框架130的成本可低于常规的金属化和镀敷氧化铝的框架。
介电框架130也可以通过注射成型而形成。可注塑成型的聚酰亚胺树脂包括DuPont树脂和树脂。UH树脂(可从马萨诸塞州的皮茨菲尔德(Pittsfield)的Sabic Innovative Plastics(沙伯基础创新塑料)商购获得)具有大约240℃的非常高的使用温度。
任选地，聚酰亚胺可以填充有绝缘的非导电填料以改变介电框架的特性。在一些实施例中，填料是陶瓷粉末、玻璃粉末或磨碎的玻璃纤维。这些填料可以降低介电框架的CTE。填料可以以大于零至介电框架的约50体积百分比的量存在。
LCP还可以注射成型为网状框架以形成介电框架。可注射成型的LCP组合物包括LCP的Vectra系列(Celanese Corporation(塞拉尼斯公司))以及Laperos(Polyplastics(日本宝理塑料株式会社))。
介电框架可以具有在大约3.0至大约5.0的范围内的介电常数，包括从大约3.2至大约3.8以及从大约3.4至大约3.6。
由于其介电特性，聚酰亚胺和LCP是用于介电框架的合适材料。表1列出了与常规框架材料(即氧化铝)相比的和聚酰亚胺和LCP的特性。
表1
聚酰亚胺优于LCP的优点包括较高的工作温度、与热塑性聚酰亚胺粘合剂(其也适合于高温操作)的相容性以及容易与诸如热塑性聚酰亚胺等粘合剂粘合的能力。
由于LCP和聚酰亚胺表现出类似的介电常数，与LCP介电框架匹配的部件通常也很适用于聚酰亚胺框架。例如，被设计为具有与LCP框架匹配的RF阻抗的射频功率晶体管通常也将具有与聚酰亚胺框架匹配的RF阻抗。
可以添加盖(未示出)以密封封装件的气腔中的空气。在一些实施例中，盖包括氧化铝陶瓷或LCP。环氧树脂可以用于将盖键合到框架的顶表面，包括聚酰亚胺框架和引线(例如，镀金引线)。盖环氧树脂可在大约160℃的温度固化。
当引线150,160和凸缘110都由铜制成并且粘合剂组合物140,142包括热塑性聚酰亚胺时，则这些部件和介电框架130的材料共有非常相似的CTE。
引线150,160、介电框架130和凸缘110可以在固定装置中对准并通过固化粘合剂组合物而键合在一起。热塑性聚酰亚胺的典型固化温度在10psi为大约220℃。一旦固化，热塑性聚酰亚胺可以耐受320℃的漂移达5分钟(例如，以能够AuSn晶片附接)，随后是盖封和温度循环测试所需的热漂移。
可替代地，在另一示例性的方法中，气腔封装件可以由使铜完全层压在两个表面上的聚酰亚胺片材形成。示例性的厚度包括8密耳Cu/20密耳密耳Cu；和4密耳Cu/20密耳密耳Cu。然后，可以将该层压片材加工成单独的气腔封装件。例如，可以针对一个铜表面铣削层压片材以生产电引线和聚酰亚胺框架(即，通过在片材的聚酰亚胺层中形成空腔，使得相对的铜表面暴露)。然后铣削该相对的表面以产生凸缘。该方法不需要使用聚酰亚胺粘合剂。通常，使用层压代替热塑性聚酰亚胺附着更适合于制造无耳管座。
可替代地，可将铜的一个或两个面光刻以限定引线和底座的阵列。热塑性聚酰亚胺通常与用于光刻的酸相容。然而，当在碱性溶液中剥离光致抗蚀剂(又称为光阻或光刻胶)时必须小心。光刻在产生具有多个狭窄间隔开的引线的气腔封装件时具有优势。
可以利用层压工艺中的变化来减少层压后加工。例如，可以用通孔阵列冲压聚酰亚胺片材(例如，的20密耳厚的片材)，然后将聚酰亚胺片材与光刻后的Cu片材层压：将顶板光刻成电引线阵列并且将背面面板光刻成底座或凸缘阵列。对准孔和销可以用于在层压之前对准Cu/聚酰亚胺/Cu层叠物。使用高压切除压力机，可以通过冲压板材和连接杆的厚度来释放单个管座。
本公开的气腔封装件可以特别适合于商用设备(例如，蜂窝基站放大器)。这种设备通常不在现场进行温度循环。因此，降低了水分吸收。
在基站中使用的商用横向扩散金属氧化物半导体(LDMOS)硅晶体管必须处于与湿度敏感度等级3(MSL 3)兼容的气腔封装件中。基本上，MSL 3将有盖的组件暴露在30℃+60％的相对湿度达192小时，随后具有在200℃达到峰值的特定的焊料回流温度曲线。有盖的封装件必须通过Fluoroinert的总泄漏测试，并通过其他测试要求。当前的制造商广泛使用环氧树脂包覆成型封装件。这种封装件是低成本的并且通过MSL 3。然而，环氧树脂包覆成型的封装件不具有气腔。因此，晶体管的RF特性劣化。
本公开的气腔封装件通常能够耐受AuSn晶片附接(320℃)、利用环氧树脂的盖密封(160℃)和温度循环(例如，-50℃至85℃，1000次循环)的顺序步骤。
将意识到，以上公开的特征和功能以及其它的特征和功能的变化形式或其替代物可以组合成许多其它不同的系统或应用。本领域技术人员随后可以实现的各种当前未预见的或非预期的替代方案、修改方案、变型例或改进，这些也都意在由随附的权利要求书所涵盖。

Claims (20)

1.一种适于收容晶片的气腔封装件，包括：
凸缘，其具有上表面；以及
介电框架，其具有上表面和下表面，所述下表面附接到所述凸缘的上表面；
其中所述介电框架由聚酰亚胺或液晶聚合物制成。
2.根据权利要求1所述的气腔封装件，还包括附接到所述介电框架的上表面的相反两侧的第一导电引线和第二导电引线。
3.根据权利要求2所述的气腔封装件，其中所述第一导电引线和所述第二导电引线借助热塑性聚酰亚胺附接到所述介电框架的上表面。
4.根据权利要求2所述的气腔封装件，其中所述第一导电引线和所述第二导电引线由铜、镍、铜合金、镍钴铁合金或铁镍合金制成。
5.根据权利要求4所述的气腔封装件，其中所述铜合金选自由CuW、CuMo、CuMoCu和CPC组成的组。
6.根据权利要求1所述的气腔封装件，其中所述凸缘由铜、铜合金、铝、铝合金、AlSiC、AlSi、Al/金刚石、Al/石墨、Cu/金刚石、Cu/石墨、Ag/金刚石、CuW、CuMo、Cu:Mo:Cu、Cu:CuMo:Cu(CPC)、Mo、W、金属化的BeO或金属化的AlN制成。
7.根据权利要求1所述的气腔封装件，其中所述凸缘是镀有一个或多个金属子层的衬底。
8.根据权利要求7所述的气腔封装件，其中所述一个或多个金属子层由镍(Ni)、金(Au)、钯(Pd)、铬(Cr)或银(Ag)制成。
9.根据权利要求1所述的气腔封装件，其中所述介电框架借助热塑性聚酰亚胺附接到所述表面。
10.根据权利要求1所述的气腔封装件，其中所述介电框架还包括填料。
11.根据权利要求10所述的气腔封装件，其中所述填料选自由陶瓷粉末、玻璃粉末和短切玻璃纤维组成的组。
12.根据权利要求1所述的气腔封装件，其中所述介电框架具有大约3.0至大约5.0的介电常数。
13.一种形成气腔封装件的方法，包括：
使用第一粘合剂组合物将介电框架的下表面与凸缘的上表面接合；
使用第二粘合剂组合物将第一导电引线和第二引线与所述介电框架的上表面接合；以及
单独地或者同时地将所述第一粘合剂组合物和所述第二粘合剂组合物固化；
其中所述介电框架包括聚酰亚胺或液晶聚合物。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述第一粘合剂组合物和所述第二粘合剂组合物是热塑性聚酰亚胺。
15.根据权利要求13所述的方法，其中所述第一粘合剂组合物和所述第二粘合剂组合物同时固化。
16.根据权利要求13所述的方法，其中所述固化以大约220℃的温度以及大约10psi的压力进行。
17.根据权利要求13所述的方法，其中所述凸缘由镀金的铜衬底形成。
18.根据权利要求13所述的方法，还包括将晶片附接到所述凸缘的上表面，其中所述介电框架围绕所述晶片。
19.一种形成气腔封装件的方法，包括：
接收在下表面和上表面上层压有导电材料的聚酰亚胺片材；以及
将所述聚酰亚胺片材的上表面成形以在所述聚酰亚胺片材中的空腔的相反两侧形成电引线，所述聚酰亚胺片材的下表面上的导电材料在所述空腔中是可见的。
20.根据权利要求19所述的方法，其中所述导电材料是铜。
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