CN111386602A - 井下微电子器件的封装 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种封装电子组件的方法，该方法包括：将多个非导电颗粒设置在承载电子组件的一个或多个部件的衬底上；将蒸汽形式的反应性聚对二甲苯单体引入多个非导电颗粒之间的间隙空间中；以及在非导电颗粒的间隙空间中由反应性聚对二甲苯单体形成聚对二甲苯粘合剂。

Description

井下微电子器件的封装
相关申请的交叉引用
本申请要求于2017年10月30日提交的美国专利申请15/796928的权益，该申请全文以引用方式并入本文。
背景技术
为了保持适当的功能和可靠性，通常需要将井下电子器件固定，以防止腐蚀性化学品，异物以及高压和高温环境。因此，这些电子器件通常被封装。常见的封装方法包括环氧树脂封装、转印模塑封装、球形封装，或坝填充封装。对于多芯片模块电子部件，芯片和引线键合可放置在外壳内，该外壳具有使用粘合剂焊接或以其他方式附接到外壳的封盖。由于封装对于井下电子器件是必要的，因此不断寻求替代封装方法。
发明内容
一种封装电子组件的方法，该方法包括：将多个非导电颗粒设置在承载电子组件的一个或多个部件的衬底上；将蒸汽形式的反应性聚对二甲苯单体引入多个非导电颗粒之间的间隙空间中；以及在非导电颗粒的间隙空间中由反应性聚对二甲苯单体形成聚对二甲苯粘合剂。
一种封装的电子组件包括：衬底；一个或多个部件，该一个或多个部件设置在衬底上；密封结构，该密封结构包含多个非导电颗粒；以及聚对二甲苯粘合剂，该聚对二甲苯粘合剂将多个非导电颗粒彼此锁定，锁定到衬底以及锁定到设置在衬底上的一种或多种部件。
还公开了包括封装电子组件的井下工具。
附图说明
以下描述不应被视为以任何方式进行限制。参照附图，类似的元件被编号为类似的：
图1示出了根据本公开的一个实施方案的示例性密封结构的一部分的剖视图；
图2示出了根据本公开的另一实施方案的示例性密封结构的一部分的剖视图；
图3示出了根据本公开的一个实施方案的封装电子组件的剖视图；
图4示出了根据本公开的实施方案的具有结合到其中的封装电子组件的井下工具的一部分的剖视图；并且
图5示出了根据本公开的另一个实施方案的具有结合到其中的封装电子组件的井下工具的一部分的剖视图。
具体实施方式
本发明公开了一种封装方法，该封装方法使用非导电颗粒和聚对二甲苯粘合剂来封装电子组件。具体地讲，将非导电颗粒设置在承载待保护的部件的衬底上。然后，蒸汽形式的反应性聚对二甲苯单体基本上渗透穿过非导电颗粒，从而形成将这些颗粒彼此锁定以及锁定到衬底和衬底上的部件的聚对二甲苯粘合剂。
本文所公开的封装方法以及封装组件提供了优于本领域的那些通常已知的许多有益效果。与大多数基于环氧树脂的封装相比，本文所公开的封装方法不释放卤素。此外，由非导电颗粒和聚对二甲苯粘合剂形成的密封结构是柔性的并且具有低模量。因此，当将机械力施加到密封结构上时，该力不传递到要保护的部件上。此外，密封结构具有优异的热稳定性，并且在至多350℃下可保持稳定，这高于大多数环氧树脂包封物。此外，与充气密封包装相比，由非导电颗粒和聚对二甲苯粘合剂形成的密封结构提供优异的热导率和优异的电隔离。作为附加的有利特征，本文所公开的方法中不需要通常用于多芯片模块封装的封盖。封装还为散热器和/或底座提供热耦合接口。
如本文所用，非导电颗粒指代具有根据ASTM D 1829在23℃下测定的大于1012Ω*cm的电阻率的颗粒。非导电颗粒可具有优异的热导率，例如，根据ASTM C408在23℃下测定的15W/m-K或更大的热导率。非导电颗粒的示例性材料包括六方氮化硼，氮化硅，或包含上述中的至少一者的组合。
非导电颗粒可具有约0.5微米至约15微米的平均直径。如本文所用，“平均直径”是指基于数均粒度的平均最大尺寸，并且可通过高分辨率电子或原子力显微镜技术测定。颗粒尺寸的选择可取决于电子组件的最小特征的尺寸。例如，20μm键合线需要比250μm键合线更小的颗粒。非导电颗粒的形状没有特别限制。在一个实施方案中，非导电颗粒具有不规则形状。不规则形状的颗粒允许反应性聚对二甲苯单体蒸汽更深入地渗透到粉末床中。高度有序的矩形或球形颗粒将具有较小数量和尺寸的裂缝，以使反应性聚对二甲苯单体蒸汽渗透。另选地，非导电颗粒可为具有两种或更多种规则形状的颗粒的组合，例如具有球形形状的颗粒与具有矩形形状的颗粒的组合。无论这些颗粒是否具有规则或不规则形状，这些颗粒也可以是具有不同平均直径的颗粒的组合。例如，非导电颗粒可为包含具有第一平均直径的第一颗粒的第一粉末和包含具有第二平均直径的第二颗粒的第二粉末的组合，其中第一平均直径相对于第二平均直径的比率为约10∶1至约1.5∶1，以有利于反应性聚对二甲苯单体蒸汽的渗透。
非导电颗粒可设置在承载待保护的各种部件的衬底上。设置的方法没有特别限制。可使用任何已知的在衬底上分配颗粒的方法。任选地，在将非导电颗粒设置在衬底上之前，用底漆处理衬底。示例性底漆包括硅烷，诸如γ-丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷，可以SILQUEST A-174自Momentive Performance Materials Inc商购获得。底漆可以液体或蒸汽的形式施加到衬底上，这取决于所用底漆的组成。
非导电颗粒可在衬底上形成层。非导电颗粒层的示例性厚度为约0.1毫米至约2毫米，优选地为约0.5毫米至约1毫米。
聚对二甲苯粘合剂可以是氟化聚对二甲苯。在一个实施方案中，氟化聚对二甲苯包含式(1)的重复单元：
Figure BDA0002473213620000031
还可使用具有式(2)的重复单元的聚对二甲苯粘合剂：
Figure BDA0002473213620000041
聚对二甲苯粘合剂可具有大于10、大于20、大于50，或大于100的式(1)、(2)的重复单元或它们的组合。
任选氟化聚对二甲苯可通过热解沉积工艺沉积在非导电颗粒之间的间隙空间中。此类工艺从前体的蒸发开始。示例性的前体包括(但不限于)八氟[2.2]对环环烷，BrCF2-C6H4-CF2Br和[2，2]对环环烷。蒸发前体的温度可大于约50℃但小于250℃。
可将蒸发后的前体热解裂解以形成反应性聚对二甲苯单体蒸汽。热解通常在约600℃至约700℃，具体地650℃至约700℃的温度下进行。反应性单体蒸汽为双自由基，二氟对二甲苯，其可具有下式：·CF2-C6H4-CF2·，·CH2-C6H4-CH2·，或它们的组合。
然后将反应性单体蒸汽转移到沉积室中，在沉积室中，其冷凝在非导电颗粒的表面上以在非导电颗粒之间的间隙空间中形成氟化聚对二甲苯粘合剂。沉积可在室温下进行，例如在约18℃至约30℃。沉积室的压力可为约或低于0.8托，低于0.1托或低于0.05托，例如约5帕(0.0375托)。
非导电功率颗粒相对于聚对二甲苯粘合剂的体积比为约70∶30至约99.99∶0.01，或约80∶20至约99∶1，或约90∶10至约99∶1。该比率可通过调整非导电颗粒的沉积时间和粒度来调节。在一个实施方案中，进入非导电颗粒的粉末床中越深，密封结构中的聚对二甲苯粘合剂越少。因此，非导电颗粒相对于聚对二甲苯粘合剂的体积比可呈梯度，并且通常从靠近衬底的内部部分朝向远离衬底的外部部分增大。然而，沉积期间的轻微胶粘可增加完全涂覆颗粒的数量并增加封装件内的聚对二甲苯粘结剂的量。
非导电颗粒和聚对二甲苯粘合剂形成密封结构。密封结构可具有约0.1毫米至约2毫米或约0.5毫米至约1毫米的厚度。可重复该过程以调节密封结构的厚度。因此，在一个实施方案中，该方法还包括：将第二非导电粉末颗粒设置在由非导电粉末和聚对二甲苯粘合剂形成的密封结构上；将第二反应性聚对二甲苯单体以蒸汽形式引入第二颗粒之间的第二间隙空间中；以及在第二颗粒的第二间隙空间中由第二反应性聚对二甲苯单体形成第二聚对二甲苯粘合剂。
在某些实施方案中，密封结构具有非导电颗粒的网络，非导电颗粒可为连续网络，其中多个相邻的非导电颗粒在整个密封结构中彼此接触或接合。在非导电颗粒由聚对二甲苯粘合剂接合的情况下，非导电颗粒之间的聚对二甲苯粘合剂的平均厚度为0至约25μm。在该范围内，非导电颗粒之间的聚对二甲苯粘合剂的平均厚度可能为0至约12μm或0至约5μm。
粘合通常由聚对二甲苯在相邻颗粒上的连续膜造成。颗粒之间的聚对二甲苯的厚度可在0至整个沉积厚度的范围内，例如25μm。密封结构可包括完全封装的非导电颗粒，部分封装的非导电颗粒，或它们的组合。
在某些其他实施方案中，网络可以是部分连续的网络，其中多个相邻的非导电颗粒彼此接合越过直接相邻的颗粒，使得连续性延伸越过直接相邻的非导电颗粒以建立部分连续的网络。根据连续性的程度，部分连续的网络也可被描述为局部连续的。例如，如果网络的部分连续性仅延伸到立即非导电颗粒的小簇，则可认为网络是局部连续的，例如，如果网络延伸约2至小于约50个粒径，并且更具体地讲约2至约30个粒径或约2至约20个粒径。不受理论的束缚，据信与具有相同的非导电颗粒的不连续网络的密封结构相比，具有连续或部分连续的非导电颗粒网络的密封结构可具有更好的热传递特性。
应当理解，并非非导电颗粒之间的所有空间均被聚对二甲苯粘合剂填充。在一个实施方案中，非导电颗粒中未填充的空间的体积按密封结构的总体积计为约0.1％至约20％，约0.5％至约10％，或约0.1％至约5％。
图1和图2示出了示例性密封结构的一部分的剖视图。如这些图中所示，密封结构(20，30)包括非导电颗粒(27，37)和聚对二甲苯粘合剂(28，38)。聚对二甲苯粘合剂(28，38)在非导电颗粒(27，37)的表面上以及衬底(24，34)的表面上形成膜。密封结构(20，30)中存在未填充的空隙(25，35)。
封装电子组件在本公开的附图中示出。如图所示，封装电子组件(10)包括：衬底(14)；一个或多个部件(15，16)，该一个或多个部件设置在衬底(14)上；以及密封结构(19)，该密封结构包含多个非导电颗粒(17)和聚对二甲苯粘合剂(18)，该聚对二甲苯粘合剂将多个非导电颗粒(17)彼此锁定，锁定到衬底(14)以及锁定到设置在衬底(14)上的电气部件或电子部件(15，16)。
密封结构可包括约70体积％至约99.9体积％的非导电颗粒和约30体积％至约0.1体积％的聚对二甲苯粘合剂，各自均基于密封结构的总体积。密封结构还可包括约80体积％至约99体积％的非导电颗粒和约20体积％至约1体积％的聚对二甲苯粘合剂，各自均基于密封结构的总体积。在一个实施方案中，密封结构包括约90体积％至约99体积％的非导电颗粒和约10体积％至约1体积％的聚对二甲苯粘合剂，各自均基于密封结构的总体积。密封结构可不含非导电颗粒之外的固体颗粒。在一个实施方案中，密封结构不含除六方氮化硼，氮化硅或它们的组合之外的固体颗粒。
衬底没有特别限制。对于用于井下应用的电子组件，衬底可以是刚性衬底，诸如陶瓷衬底或柔性衬底，诸如聚酰亚胺衬底。在衬底(14)上公开的示例性部件包括芯片(16)和引线键合(15)。也可包括其它组件(未示出)，诸如表面贴装设备(SMD)，感测设备，通过添加制造(例如，微分配)产生的导电和隔离结构。
封装电子组件(10)还可包括封装基座(12)，诸如外壳。外壳可为基于高温聚合物的诸如聚醚醚酮(PEEK)或陶瓷或包含作为主要组分的陶瓷，金属或金属合金的金属基外壳。衬底(14)设置在包装基座(12)上。封装基座可为平坦的或具有弯曲结构。封装基座(12)与密封结构(19)一起为衬底以及设置在衬底上的部件提供优异的保护。
下方没有引线键合的封装区域和其它易碎部件可用作散热器，底座等的可压缩热界面。在附图所示的示例性实施方案中，电子组件(10)还包括散热器(11)，该散热器设置在与衬底(24)相对的密封结构(19)的表面上。紧固装置(13)可用于将散热器(11)联接到封装基座(12)。除了散热器之外，该封装结构的依从性还允许安装到非平坦的，粗糙的和弯曲表面。
可使用本文所公开的方法来封装各种电子组件，诸如多芯片模块。封装电子组件可结合到电子设备中。还公开了包括封装电子组件的井下工具。此类井下工具包括用于钻井和监测设备的那些，诸如记录用于有线的存储器/控制器/处理器，钻井时的记录(LWD)或钻井时的测量(MWD)工具。封装电子组件还可用于具有多种传送机构的各种其它类型的工具中，诸如盘绕管材，有线钻管，钢丝等。
并入封装电子组件的方法没有限制。图4和图5示出了具有结合在其中的封装电子组件的井下工具的一部分的剖视图。在图4中，包括封装基座(42)，衬底(44)，电子部件(45，46，47)和密封结构49的封装电子组件通过机械装置(43)添加到井下工具(40)的表面(41)。示例性表面包括井下工具的内壁。由于密封结构是柔性的，因此封装的电子组件可安装到弯曲表面。表面可为粗糙表面和/或包括挤出物(48)。
井下工具的区段或井下工具中的腔体可用作封装电子组件的封装基座。在图5中，封装的电子组件包括衬底54，设置在衬底上的电子部件(55，56，57)和设置在井下(50)的腔体(52)上的如本文所述的封装结构(59)。如图5所示，包括非导电颗粒和聚对二甲苯粘合剂的封装剂将封装电子组件锁定到工具上。也可使用单独的机械装置将封装电子组件联接到工具。
阐述了本公开的各个实施方案。
实施方案1一种封装电子组件的方法，该方法包括：将多个非导电颗粒设置在承载电子组件的一个或多个部件的衬底上；将蒸汽形式的反应性聚对二甲苯单体引入多个非导电颗粒之间的间隙空间中；以及在非导电颗粒的间隙空间中由反应性聚对二甲苯单体形成聚对二甲苯粘合剂。
实施方案2根据前述实施方案中任一项所述的方法，其中非导电颗粒具有根据ASTM D 1829在23℃下测定的大于1012Ω*cm的电阻率。
实施方案3根据前述实施方案中任一项所述的方法，其中非导电颗粒包含六方氮化硼，氮化硅，或包含上述中的至少一者的组合。
实施方案4根据前述实施方案中任一项所述的方法，其中非导电颗粒具有不规则形状。另选地，非导电颗粒包含具有第一规则形状和第一平均直径的第一颗粒的第一粉末，以及具有第二规则形状和第二平均直径的第二颗粒的第二粉末，或它们的组合，其中第一规则形状不同于第二规则形状，第一平均直径不同于第二平均直径。
实施方案5根据前述实施方案中任一项所述的方法，其中非导电颗粒具有约0.5微米至约15微米的平均直径。
实施方案6根据前述实施方案中任一项所述的方法，其中非导电颗粒形成连续网络。
实施方案7根据前述实施方案中任一项所述的方法，其中聚对二甲苯粘合剂包含聚对二甲苯，该聚对二甲苯具有下式的重复单元
Figure BDA0002473213620000081
或它们的组合。
实施方案8根据前述实施方案中任一项所述的方法，其中非导电颗粒相对于聚对二甲苯粘合剂的体积比为约70∶30至约99.99∶0.01。
实施方案9根据前述实施方案中任一项所述的方法，其中非导电颗粒和聚对二甲苯粘合剂形成厚度为约0.1毫米至约2毫米的密封结构。
实施方案10根据前述实施方案中任一项所述的方法，还包括：将第二非导电颗粒设置在由非导电颗粒和聚对二甲苯粘合剂形成的密封结构上；将第二反应性聚对二甲苯单体以蒸汽形式引入第二非导电颗粒之间的第二间隙空间中；以及在第二颗粒的第二间隙空间中由第二反应性聚对二甲苯单体形成第二聚对二甲苯粘合剂。
实施方案11根据前述实施方案中任一项所述的方法，还包括将散热器设置在由非导电颗粒和聚对二甲苯粘合剂形成的密封结构上。
实施方案12根据前述实施方案中任一项所述的方法，其中电子部件为多芯片模块。
实施方案13一种封装的电子组件，包括：刚性或柔性衬底；一个或多个部件，该一个或多个部件设置在衬底上；密封结构，该密封结构包含多个非导电颗粒；以及聚对二甲苯粘合剂，该聚对二甲苯粘合剂将多个非导电颗粒彼此锁定，锁定到衬底以及锁定到设置在衬底上的一种或多种部件。
实施方案14根据前述实施方案中任一项所述的封装电子组件，其中非导电颗粒形成连续网络。
实施方案15根据前述实施方案中任一项所述的封装电子组件，其中非导电颗粒包含六方氮化硼，氮化硅或包含上述中的至少一者的组合；聚对二甲苯粘合剂包含聚对二甲苯；并且非导电颗粒相对于聚对二甲苯粘合剂的体积比为约70∶30至约99.99∶0.01。
实施方案16根据前述实施方案中任一项所述的封装电子组件，其中一个或多个部件包括引线键合、芯片、表面贴装设备(SMD)、感测设备、通过添加制造产生的导电和隔离结构，或包括上述中的至少一者的组合。
实施方案17根据前述实施方案中任一项所述的封装电子组件，还包括设置在与衬底相对的密封结构上的散热器。
实施方案18根据前述实施方案中任一项所述的封装电子组件，还包括封装基座，并且衬底设置在封装基座上。
实施方案19根据前述实施方案中任一项所述的封装电子组件，其中散热器联接到封装基座。
实施方案20根据前述实施方案中任一项所述的封装电子组件，其中封装电子组件为多芯片模块。
实施方案21一种井下工具，包括根据前述实施方案中任一项所述的封装电子组件。
实施方案22根据前述实施方案中任一项所述的井下工具，其中密封结构联接到与衬底相对的弯曲表面。弯曲表面可具有挤出物。弯曲表面可以是井下工具的内壁。
实施方案23根据前述实施方案中任一项所述的井下工具，其中封装电子组件的衬底设置在井下工具的区段上或井下工具中的腔体上。包含非导电颗粒以及聚对二甲苯粘合剂的密封结构可延伸到井下工具的区段或井下工具中的腔体，从而将封装电子组件锁定到井下工具的区段或腔体。
本文所公开的所有范围包括端点，并且端点可独立地彼此组合。如本文所用，“组合物”包括共混物，混合物，合金，反应产物等。所有参考文献均以引用方式并入本文。
在描述本发明的上下文中(特别是在所附权利要求的上下文中)，术语“一个”、“一种”和“该”以及类似指代的使用应被解释为涵盖单数和复数，除非在本文另外指明或与上下文明显地矛盾。“或”是指“和/或”。与数量结合使用的修饰语“约”包含所陈述的值并且具有由上下文决定的含义(例如，其包括与特定数量的测量相关联的误差度)。

Claims (15)

1.一种封装电子组件(10)的方法，所述方法的特征在于：
将多个非导电颗粒(17，27，37)设置在承载所述电子组件(10)的一个或多个部件的衬底(14，24，34，44，54)上；
将蒸汽形式的反应性聚对二甲苯单体引入所述多个非导电颗粒(17，27，37)之间的间隙空间中；以及
在所述非导电颗粒(17，27，37)的间隙空间中由所述反应性聚对二甲苯单体形成聚对二甲苯粘合剂(18，28，38)，
其中任选地，所述非导电颗粒(17，27，37)具有根据ASTM D1829在23℃下测定的大于1012Ω*cm的电阻率。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述非导电颗粒(17，27，37)包含六方氮化硼，氮化硅，或包含上述中的至少一者的组合。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述非导电颗粒(17，27，37)具有不规则形状。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述非导电颗粒(17，27，37)包含具有第一规则形状和第一平均直径的第一颗粒的第一粉末，以及具有第二规则形状和第二平均直径的第二颗粒的第二粉末，或它们的组合，其中所述第一规则形状不同于所述第二规则形状，所述第一平均直径不同于所述第二平均直径。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述非导电颗粒(17，27，37)相对于所述聚对二甲苯粘合剂(18，28，38)的体积比为约70∶30至约99.99∶0.01。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征还在于将散热器(11)设置在由所述非导电颗粒(17，27，37)和所述聚对二甲苯粘合剂(18，28，38)形成的密封结构(17，19，20，30，49)上。
7.一种封装电子组件(10)，其特征在于：
刚性或柔性衬底(14，24，34，44，54)；
一个或多个部件，所述一个或多个部件设置在所述衬底(14，24，34，44，54)上；
密封结构(17，19，20，30，49)，所述密封结构包含多个非导电颗粒(17，27，37)和聚对二甲苯粘合剂(18，28，38)，所述聚对二甲苯粘合剂将所述多个非导电颗粒(17，27，37)彼此锁定，锁定到所述衬底(14，24，34，44，54)以及锁定到设置在所述衬底(14，24，34，44，54)上的所述一种或多种部件；
任选地，其中所述一个或多个部件包含引线键合(15)、芯片(16)、表面(41)贴装设备(SMD)、感测设备、通过添加制造产生的导电和隔离结构，或包括上述中的至少一者的组合。
8.根据权利要求7所述的封装电子组件(10)，其中所述非导电颗粒(17，27，37)形成连续网络。
9.根据权利要求7所述的封装电子组件(10)，其中
所述非导电颗粒(17，27，37)包含六方氮化硼，氮化硅，或包含上述中的至少一者的组合；
所述聚对二甲苯粘合剂(18，28，38)包含氟化聚对二甲苯；并且
所述非导电颗粒(17，27，37)相对于所述聚对二甲苯粘合剂(18，28，38)的体积比为约70∶30至约99.99∶0.01。
10.根据权利要求7所述的封装电子组件(10)，其特征还在于设置在所述密封结构(17，19，20，30，49)上的与所述衬底(14，24，34，44，54)相对的散热器(11)；封装基座(12，42)；设置在所述封装基座(12，42)上的所述衬底(14，24，34，44，54)；或它们的组合。
11.根据权利要求10所述的封装电子组件(10)，其中所述散热器(11)联接到所述封装基座(12，42)。
12.一种井下工具(40)，所述井下工具包括根据权利要求7至11中任一项所述的封装电子组件(10)。
13.根据权利要求12所述的井下工具(40)，其中所述密封结构(17，19，20，30，49)联接到与所述衬底(14，24，34，44，54)相对的弯曲表面(41)，任选地所述弯曲表面(41)具有挤出物(48)，并且任选地所述弯曲表面(41)为所述井下工具(40)的内壁。
14.根据权利要求12所述的井下工具(40)，其中所述封装电子组件(10)的所述衬底(14，24，34，44，54)设置在所述井下工具(40)的区段上或所述井下工具(40)中的腔体(52)上。
15.根据权利要求14所述的井下工具(40)，其中包含所述非导电颗粒(17，27，37)和所述聚对二甲苯粘合剂(18，28，38)的所述密封结构(17，19，20，30，49)延伸到所述井下工具(40)的所述区段或所述井下工具(40)中的所述腔体(52)，从而将所述封装电子组件(10)锁定到所述井下工具(40)的区段或腔体(52)。
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