CN107516653A - 小尺寸方形扁平无引脚型封装层间互连结构及制造方法 - Google Patents

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唐利峰
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Abstract

本发明是一种小尺寸高可靠QFN（方形扁平无引脚）型封装层间互连结构及制造方法，其结构包括小孔侧面互连区、键合区、热沉和芯片焊接区和封接框。其制造方法，包括步骤：a）0.5mm节距小孔冲制；b）0.5mm节距细间距图形及0.3mm直径小孔侧面金属化印刷；c）0.3mm直径小孔无变形叠层及烧结成型；d）0.3mm直径互连小孔陶瓷件焊接；e）0.3mm直径互连小孔产品电镀。优点：结构强度高、化学稳定性好、电热性能优良、布线密度高的高温共烧陶瓷封装技术基础上采用0.5mm节距小孔侧面金属化印刷实现引出端和键合区互联，解决了外壳气密性、小孔变形和焊料堆积，镀液难以进入小孔内等问题。

Description

小尺寸方形扁平无引脚型封装层间互连结构及制造方法
技术领域
本发明涉及的是一种小尺寸高可靠QFN（方形扁平无引脚）型封装层间互连结构及制造方法。属于半导体制造技术领域。
背景技术
随着通信、航空航天、汽车和电子消费品等所采用的电子设备不断向小型化、数字化方向的发展，对电子元器件高可靠性要求越来越强，越来越多的应用要求将数字电路、模拟电路、光电等集成到同一器件上，封装电路内部走线密度大增，承担微波、电传输通道作用的引出端节距从1.0mm、0.8mm降低到0.5mm，甚至更小。CQFN型陶瓷封装外壳比塑封外壳具有结构强度高、化学稳定性好、电绝缘性能高，导热性能优良，可靠性高，已成为表面贴装薄型封装的首选，备受国内外高可靠器件应用的青睐。通孔填充工艺常用于多层共烧陶瓷工艺用于层间互连，由于氧化铝陶瓷的热膨胀系数在6.9×10-6K-1，金属钨的热膨胀系数在4.45×10-6K-1，热膨胀系数的而差异导致通孔填充难以满足间距为0.5mm的产品气密性要求，用陶瓷小孔金属化可以实现小尺寸，窄间距产品的上下层电连接，但存在金属化不到底致断路、叠层成型过程小孔变形、小孔易被焊接过程的焊料堆积、镀液难以进入小孔致电性能和耐盐雾性能降低的问题。
发明内容
本发明提供了一种小尺寸方形扁平无引脚型封装层间互连结构及制造方法，旨在解决现有技术中所存在的上述不足。
本发明的技术解决方案：一种小尺寸高可靠方形扁平无引脚（QFN）型封装层间互连结构，其结构包括封接框1、小孔侧面互连区2、键合区3、热沉4和芯片焊接区5，其中小孔侧面互连区2、键合区3、热沉4和芯片焊接区5设在封接框1内，封接框1内左侧是小孔侧面互连区2，封接框1内右侧是芯片焊接区5，芯片焊接区5底接热沉4，热沉4接键合区3。
其制造方法，包括以下工艺步骤：
a）0.5mm节距小孔冲制；
b）0.5mm节距细间距图形及0.3mm直径小孔侧面金属化印刷；
c）0.3mm直径小孔无变形叠层及烧结成型；
d）0.3mm直径互连小孔陶瓷件焊接；
e）0.3mm直径互连小孔产品电镀。
本发明的优点：本发明在结构强度高、化学稳定性好、电热性能优良、布线密度高的高温共烧陶瓷封装技术基础上采用采用0.5mm节距小孔侧面金属化印刷实现引出端和键合区互联，并经0.3mm直径小孔无变形成型，阻焊焊接技术及小孔镀覆技术解决了外壳气密性、小孔变形和焊料堆积，镀液难以进入小孔内等问题，为小尺寸高可靠QFN型封装层间互连结构及制造方法提供了有效途径。
附图说明
附图1是小尺寸高可靠方形扁平无引脚型封装层间互连结构的示意图。
图中的1是封接框、2是小孔侧面互连区、3是键合区、4是热沉、5是芯片焊接区。
具体实施方式
一种小尺寸高可靠方形扁平无引脚型封装层间互连结构，其结构包括封接框1、小孔侧面互连区2、键合区3、热沉4和芯片焊接区5，其中小孔侧面互连区2、键合区3、热沉4和芯片焊接区5设在封接框1内，封接框1内左侧是小孔侧面互连区2，封接框1内右侧是芯片焊接区5，芯片焊接区5底接热沉4，热沉4接键合区3，如图1所示。
小尺寸高可靠方形扁平无引脚(QFN)型封装层间互连结构的制造方法，包括以下工艺步骤：
a）0.5mm节距小孔冲制；
b）0.5mm节距细间距图形及0.3mm直径小孔侧面金属化印刷；
c）0.3mm直径小孔无变形叠层及烧结成型；
d）0.3mm直径互连小孔陶瓷件焊接；
e）0.3mm直径互连小孔产品电镀。
所述的0.5mm节距细间距图形及0.3mm直径小孔侧面金属化印刷，通过控制浆料粘度在50～700KCP，在低转速下，粘度较高，当受刮刀剪切作用时，粘度下降；选用丝径12～32μm，开口率40～70%，厚度30～100 μm的丝网和掩膜片；将印刷速度、离网间距和刮刀高度等印刷参数设置在1～10inches/sec，50～150μm和 50～90μm实现0.3mm直径小孔侧面金属化印刷。
所述的0.3mm直径小孔无变形叠层成型及烧结，采用5μm～30μm厚的树脂，在50～100℃，50～700Kps条件下保温5～30min实现层间结合，控制最高温度在1450～1650℃，并引入少量H2O，在特定烧结曲线和气氛条件下实现0.3mm直径小孔陶瓷件成型。
所述的0.3mm直径互连小孔陶瓷件焊接，采用可阻挡焊料流淌的封接框，控制焊料用量，调整焊接高温区在650～850℃，银铜焊料可以良好地铺展达到保证产品气密性并且0.3mm直径互连小孔内无焊料堆积；
所述的0.3mm直径互连小孔产品电镀，采用辅助电镀导线改善电流分布，用特定前处理，镀镍和镀金技术实现0.3mm直径互连小孔侧面镀覆。
实施例1
一种小尺寸高可靠QFN型封装层间互连结构的制造方法，包括以下步骤：
a）采用激光切割或者机械冲孔的方法在厚度为0.1mm，具有稳定的介电常数、优良的机械强度和高温稳定性，与GaAs和Si非常接近的热膨胀系数的92wt%氧化铝生瓷上加工0.5mm节距，孔径为0.1mm的通孔；
b）控制浆料粘度在50KCP，低转速下，粘度相对较高，当受刮刀剪切作用时，粘度下降；选用丝径12μm，开口率40～70%，厚度30 μm的丝网和掩膜片；将印刷速度、离网间距和刮刀高度等印刷参数设置在1inches/sec，50μm和 50μm实现0.5mm节距细间距键合图形、引出端和0.1mm直径小孔侧面金属化印刷；
c）采用5μm厚的树脂，把上述步骤b中已金属化印刷的多层生瓷片叠在一起，在50℃，50Kps条件下保温5min实现层间结合，用热切机切成多个组件或单个，然后在最高烧结温度为1450℃，有少量H2O的氮氢混合气氛的特定烧结曲线进行烧结，形成规定形状的陶瓷底座；
d）为了保证陶瓷底座与可伐封接框焊接过程中所使用的焊料对钨金属化层具有良好的浸润和流散作用，以改善金属间的连接状况，需要焊环、陶瓷底座烧结的钨金属化上沉积厚度在1.3μm的镍层，然后采用可阻挡焊料流淌的封接框，控制焊料用量，调整焊接高温区在650℃，银铜焊料可以良好地铺展达到保证产品气密性并且0.3mm直径互连小孔内无焊料堆积；
e）采用辅助电镀导线改善电流分布，用特定前处理，镀镍和镀金技术实现0.3mm直径互连小孔产品镀覆。
实施例2
一种小尺寸高可靠QFN型封装层间互连结构的制造方法，包括以下步骤：
a）采用激光切割或者机械冲孔的方法在厚度为1.0mm，具有稳定的介电常数、优良的机械强度和高温稳定性，与GaAs和Si非常接近的热膨胀系数的98wt%氧化铝生瓷上加工0.5mm节距，孔径为0.5mm的通孔；
b）控制浆料粘度在700KCP，低转速下，粘度相对较高，当受刮刀剪切作用时，粘度下降；选用丝径35μm，开口率70%，厚度100μm的丝网和掩膜片；将印刷速度、离网间距和刮刀高度等印刷参数设置在10inches/sec，150μm和 90μm实现0.5mm节距细间距键合图形、引出端和0.5mm直径小孔侧面金属化印刷；
c）采用30μm厚的树脂，把上述步骤b中已金属化印刷的多层生瓷片叠在一起，在100℃，700Kps条件下保温30min实现层间结合，用热切机切成多个组件或单个，然后在最高烧结温度为1650℃，有少量H2O的氮氢混合气氛的特定烧结曲线进行烧结，形成规定形状的陶瓷底座；
d）为了保证陶瓷底座与可伐封接框焊接过程中所使用的焊料对钨金属化层具有良好的浸润和流散作用，以改善金属间的连接状况，需要焊环、陶瓷底座烧结的钨金属化上沉积厚度在8.9μm的镍层，然后采用可阻挡焊料流淌的封接框，控制焊料用量，调整焊接高温区在850℃，银铜焊料可以良好地铺展达到保证产品气密性并且0.3mm直径互连小孔内无焊料堆积；
e）采用辅助电镀导线改善电流分布，用特定前处理，镀镍和镀金技术实现0.3mm直径互连小孔产品镀覆。
实施例3
一种小尺寸高可靠QFN型封装层间互连结构的制造方法，包括以下步骤：
a）采用激光切割或者机械冲孔的方法在厚度为0.09mm，具有稳定的介电常数、优良的机械强度和高温稳定性，与GaAs和Si非常接近的热膨胀系数的92～98wt%氧化铝生瓷上加工0.4mm节距，孔径为0.09mm的通孔；
b）控制浆料粘度在710KCP，低转速下，粘度相对较高，当受刮刀剪切作用时，粘度下降；选用丝径10μm，开口率38%，厚度35μm的丝网和掩膜片；将印刷速度、离网间距和刮刀高度等印刷参数设置在11inches/sec，45μm和 45 μm实现0.5mm节距细间距键合图形、引出端和0.09mm直径小孔侧面金属化印刷；
c）采用4.5μm厚的树脂，把上述步骤b中已金属化印刷的多层生瓷片叠在一起，在50℃，60Kps条件下保温4.5min实现层间结合，用热切机切成多个组件或单个，然后在最高烧结温度为1400℃，有少量H2O的氮氢混合气氛的特定烧结曲线进行烧结，形成规定形状的陶瓷底座；
d）为了保证陶瓷底座与可伐封接框焊接过程中所使用的焊料对钨金属化层具有良好的浸润和流散作用，以改善金属间的连接状况，需要焊环、陶瓷底座烧结的钨金属化上沉积厚度在1.25μm的镍层，然后采用可阻挡焊料流淌的封接框，控制焊料用量，调整焊接高温区在640℃，银铜焊料可以良好地铺展达到保证产品气密性并且0.3mm直径互连小孔内无焊料堆积；
e）采用辅助电镀导线改善电流分布，用特定前处理，镀镍和镀金技术实现0.3mm直径互连小孔产品镀覆。
镀镍工艺参数控制如表1，镀金工艺参数控制如表2。
表1镀镍工艺参数
表2镀金工艺参数
可用于满足小尺寸、高密度、高性能、高可靠集成电路封装要求，实现小尺寸，窄间距产品的上下层电连接，避免金属化不到底致断路、叠层成型过程小孔变形、小孔被焊接过程的焊料堆积、镀液难以进入小孔致电性能和耐盐雾性能降低等问题。

Claims (6)

1.一种小尺寸高可靠QFN型封装层间互连结构，其特征是包括封接框、小孔侧面互连区、键合区、热沉和芯片焊接区，其中小孔侧面互连区、键合区、热沉和芯片焊接区设在封接框内，封接框内左侧是小孔侧面互连区，封接框内右侧是芯片焊接区，芯片焊接区底接热沉，热沉接键合区。
2.如权利要求1所述的一种小尺寸高可靠QFN型封装层间互连结构的制造方法，其特征在于，包括以下工艺步骤：
a）0.5mm节距小孔冲制；
b）0.5mm节距细间距图形及0.3mm直径小孔侧面金属化印刷；
c）0.3mm直径小孔无变形叠层及烧结成型；
d）0.3mm直径互连小孔陶瓷件焊接；
e）0.3mm直径互连小孔产品电镀。
3.根据权利要求2所述的所述的一种小尺寸高可靠QFN型封装层间互连结构的制造方法，其特征在于，所述的0.5mm节距细间距图形及0.3mm直径小孔侧面金属化印刷，通过控制浆料粘度在50～700KCP，在低转速下，粘度较高，当受刮刀剪切作用时，粘度下降；选用丝径12～32μm，开口率40～70%，厚度30～100 μm的丝网和掩膜片；将印刷速度、离网间距和刮刀高度等印刷参数设置在1～10inches/sec，50～150μm和 50～90 μm实现0.3mm直径小孔侧面金属化印刷。
4.根据权利要求3所述的一种小尺寸高可靠QFN型封装层间互连结构的制造方法，其特征在于，所述的0.3mm直径小孔无变形叠层成型及烧结，采用5μm～30μm厚的树脂，在50～100℃，50～700Kps条件下保温5～30min实现层间结合，控制最高温度在1450～1650℃，并引入少量H2O，在特定烧结曲线和气氛条件下实现0.3mm直径小孔陶瓷件成型。
5.根据权利要求4所述的一种小尺寸高可靠QFN型封装层间互连结构的制造方法，其特征在于，所述的0.3mm直径互连小孔陶瓷件焊接，采用可阻挡焊料流淌的封接框，控制焊料用量，调整焊接高温区在650～850℃，银铜焊料可以良好地铺展达到保证产品气密性并且0.3mm直径互连小孔内无焊料堆积。
6.根据权利要求5所述的一种小尺寸高可靠QFN型封装层间互连结构的制造方法，其特征在于，所述的0.3mm直径互连小孔产品电镀，采用辅助电镀导线改善电流分布，用特定前处理，镀镍和镀金技术实现0.3mm直径互连小孔侧面镀覆。
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