CN1225786C - 带嵌入式框架的窗口式非陶瓷封装 - Google Patents
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Abstract
一种集成电路(IC)封装包括：一个模塑复合物(12)，一个管芯(16)和一个窗口(34)。所述模塑复合物(12)中有一个嵌入其内的框架(32)。该框架(32)的热膨胀系数小于所述模塑复合物(12)的热膨胀系数。经大回流处理便可将该IC封装附接在电路板上。
Description
相关申请
这是申请序列号为09/172,734申请的部分续篇，该申请于1998年10月13日提交，题目为“用大回流法(mass reflow)安装的图像传感器”。
发明背景
1.发明领域
本发明涉及到集成电路封装领域。特别是，该发明涉及到能用大回流法处理而安装在电路板上的集成电路封装。
2.相关技术说明
窗口式集成电路封装可用于多种应用，在这些应用中集成电路受到位于集成电路封装外的光或其它辐射源的照亮或辐照。图像传感器就是一种窗口式集成电路封装的应用。
例如，可以在窗口式集成电路封装内放置一个光电二极管阵列。这种光检测器阵列根据入射到该光检测器阵列上的光线产生一种图像数据输出。这种光检测器阵列可以用于图像捕获或其它图像再现的应用。用一种滤色器阵列(CFA)材料与光检测器一同对照射到所述图像传感器上的光进行滤色，便允许形成全色图像。每个滤色器允许透过一种预定颜色的光照到一个相应的光检测器上，这样便可确定该光检测器将检测到哪种颜色的光。将光传感器分成多组共同使用，便能确定照到某一区域的光的颜色和强度。
集成电路(IC)封装可用多种技术安装在电路板上，包括：用大回流法以及人工焊接和热条焊接将封装焊在电路板上。但人工焊接和热条焊接费用昂贵且是比较慢的工艺方法。
采用大回流法安装电路板快速且可自动操作。大回流是指将IC封装的温度升高至大约215～225℃的多种不同技术之一。在这种升高的温度上，集成电路板焊盘上的焊料被熔化并附着于IC封装的引线上。当焊料冷却后，IC封装便牢固地与焊盘结合在一起。大回流包括红外、对流和汽相技术。
象窗口式塑料封装这类非陶瓷封装比陶瓷封装更令人满意，因为这类封装要比相应的窗口式陶瓷封装更廉价。但是，到现在为止，在大回流工艺中所测试的标准窗口式塑料封装均出现了如下问题：顶盖有裂纹，管芯从管芯连接处剥离，以及由于塑料和玻璃窗之间的热膨胀失配而造成的密封盖分离。直到现在，在电路板上安装窗口式塑料封装还是使用人工焊接这类技术，以使封装体不至于达到大回流工艺所升高的温度。
Intel公司和Kyocera公司联合提交的未决的美国专利申请，序列号为09/172,710，题目为《可大回流的窗口式非陶瓷封装》中描述了一种窗口式非陶瓷封装，这种封装很适合大回流电路板安装的温度要求。但还是希望有一种能降低内应力的方法。这将允许减少或消除持续烘烤的次数，并允许较大尺寸的封装使用大回流法。
发明概述
一种集成电路(IC)封装包括：一个模塑复合物，一个管芯和一个窗口。所述模塑复合物中有一个嵌入式框架。该框架的热膨胀系数(CTE)小于所述模塑复合物。经大回流处理后该IC封装便能固定在电路板上。
根据本发明的一种集成电路封装，包括：模塑复合物，该模塑复合物具有一个嵌入在该模塑复合物内的减小内应力的框架，其中该框架具有上表面、下表面和从上至下的开口；引线框架；管芯，附接在所述模塑复合物和所述引线框架上；以及窗口，附接在所述模塑复合物上，以便允许光线照到所述管芯上。
根据本发明的另一种集成电路封装，包括：模塑复合物，具有嵌入所述模塑复合物中的陶瓷框架，其中该框架具有上表面、下表面和从上至下的开口；具有外围的管芯，其中所述框架位于所述管芯的外围之下；以及窗口，所述窗口具有附接在所述模塑复合物上的并位于所述管芯外围上方的陶瓷框架。
本发明提供一种进行IC封装的方法，所述方法包括：将减小内应力的框架放置在模塑中；用模塑复合物环绕所述框架；将管芯附接在所述模塑复合物上；将所述管芯附接在IC封装的引线框架上；以及通过将窗口附接在所述模塑复合物上来包封所述管芯。
根据本发明的另一种进行IC封装的方法，所述方法包括：将管芯附接在具有嵌入框架的模塑复合物上，包括定位所述管芯，以使其外围位于所述框架上方，其中所述框架具有上表面、下表面和从上至下的开口；将所述管芯附接在IC封装的引线框架上；以及将窗口附接在管芯上方的模塑复合物上，以包封所述管芯。
本发明还提供一种将IC封装附接在电路板上的方法，所述IC封装包括具有减小内应力的嵌入框架的模塑复合物、引线框架、附接在该引线框架上的管芯、位于所述嵌入框架之上的管芯的外围、以及位于所述管芯上方以允许光线照到所述管芯上的窗口，所述方法包括：将IC封装放置于靠近电路板；以及用大回流法将所述IC封装附接在所述电路板上。
附图简述
图1所示为申请人所改进的窗口式四列扁平封装(QFP)10的横截面图。
图2A所示为封装顶盖的实施方案示意图，包括陶瓷框架和玻璃窗口。
图2B所示为所述封装顶盖的侧视图。
图2C所示为所述封装顶盖的另一侧视图。
图3A所示为完整IC封装的实施方案示意图。
图3B所示为完整IC封装的侧视图。
图4所示为将管芯固定在窗口式非陶瓷封装内的处理方法的一种
实施方案。
图5所示为所述含有嵌入式框架的模塑复合物的实施方案的横截面视图。
图6和7所示分别为含有嵌入式框架和不含嵌入式框架的IC封装在225℃时的变形样式。
图8所示为嵌入式框架的一种实施方案，其交叉条连接了该嵌入式框架的各边。
图9A和9B所示为一种能用于在模塑复合物中嵌入框架的一种模具的实施方案。
图10所示为一种图像系统，该系统包括一个用大回流法固定在电路板上的图像传感器。
详细说明
所阐述的是能用大回流法安装的窗口式非陶瓷集成电路(IC)封装的改进方案。框架嵌入在该IC封装的模塑复合物中。当温度升至适合于大回流的高温时，这会降低该IC封装的内应力。
申请人已证实，从总部在日本京都的Kyocera公司得到了改进中的窗口式塑料QFP封装，它使塑料封装能够承受大回流处理而不出现顶盖脱离该模塑封装、或管芯从该模塑封装剥离的现象。另外，可以将这种非陶瓷IC封装与一种具有高温稳定性的CFA材料结合制成图像传感器，这种传感器在受到大回流处理的情况下也会保持其颜色特性。
下面所述为能进行大回流的IC封装，也就是Intel公司和Kyocera公司联合提交的美国专利申请，序列号为09/172,710，题目为《可大回流的窗口式非陶瓷封装》的描述。后续部分描述的是改进的在模塑复合物中嵌入框架的IC封装。
可大回流的窗口式非陶瓷封装
图1所示为可大回流的窗口式QFP封装10的横截面图。非陶瓷模塑封装12构成该封装的主体。一种实施方案是：非陶瓷模塑封装由一种低含水量的塑料制成，如Kyocera公司开发的一种低含水量的邻甲酚酚醛清漆模塑复合物。实施方案中凹陷处22为模塑封装制成后用起模杆移去该封装的位置。附录1列举了Kyocera公司的一种低含水量模塑复合物的材料特性。
管芯连接14用于将管芯16固定在位。实施方案中的管芯连接14是一种低硬度的环氧树脂，如总部在加洲Rancho Dominguez的Ablestik电子材料及粘合剂公司生产的充银环氧树脂。
焊丝接头18将管芯16固定在引线框架20上。所选用的管芯连接14能经受大回流处理的高温。在大回流过程中可能出现的问题是管芯16从管芯连接14或模塑封装12上剥离。申请人决定对管芯连接进行两步处理来解决这个问题，后面将参照图3对此进行讨论。
顶盖30将模塑封装密封。实施方案中：顶盖30包括一个由矾土制成的窗口框架32。该窗口框架32固定着透明的窗口；玻璃窗口34镶在窗口框架32的凹陷边缘处；所述模塑封装12和窗口框架32用一种双酚A类环氧树脂密封。这种环氧树脂也可用于将窗口框架32和玻璃窗口34封接。附录2总结了适合于本发明使用的双酚A类密封剂的特性。
由于互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器的管芯尺寸比较大(能达到或超过240密耳(约6.096毫米))，因此，这种改进的窗口式封装特别适合于这种图像传感器，但并不限于此。该封装的实施方案适合于窗口略大于管芯感光区的图像传感器。
在一种实施方案中，所述窗口约为管芯感光区的1.2倍。但窗口的大小根据其距管芯的距离而变化。图2和3所示为所述顶盖和模塑封装的实施方案示意图。
图2A-2C所示为所述封装顶盖30的一种实施方案示意图，包括窗口框架32和玻璃窗口34。第一尺寸单位为密耳，括号里的尺寸单位为毫米。该实施方案中，玻璃窗口34镶在窗口框架32的凹陷边缘40处。
图3A-3B所示为根据本发明的完整IC封装50的一种实施方案示意图。指示元件的第一尺寸单位为英寸，第二尺寸(括号里)单位为毫米。虽然所示该实施方案的框架为特殊类型的引线框架(四列扁平封装-QFP)，但其它类型的引线框架也可使用。而且还可使用其它封装，包括：诸如球栅阵列(BGA)封装等无引线封装，无引线芯片载体(LCC)封装，以及诸如双列直插式封装等引线封装等等。
图4所示为将管芯固定在窗口式非陶瓷封装上的处理方法的实施方案。在步骤202往模塑封装上分布管芯连接。作为一种实施方案，如前所述，该管芯连接由一种低硬度的环氧树脂构成，如由充银环氧树脂构成。
该过程在块204中继续，当施加压力时，该管芯得到清洗或被向前与向后移动，以便将所述管芯牢固地固定于所述管芯连接上。所以，不必在该管芯背面镀金也可实现管芯与该模塑封装的光滑表面形成良好粘接。
所述管芯连接在块206进行。在管芯连接中消除空隙很重要，空隙可能导致剥离问题。已证实为消除管芯连接中的空隙，两步处理的效果要比一步处理好。作为一种实施方案，所述管芯连接要在大约100℃下烘烤约一小时，然后在约150℃下再烘烤大约一小时。
在块208，焊丝接头被附接在所述管芯和模塑封装的引线框架之间。
在块212，所述顶盖被附接在模塑封装上。作为一种实施方案：该顶盖包括用双酚A类环氧树脂固定在窗口框架32上的玻璃窗口34，且这种环氧树脂经过烘烤处理；实现该处理是将温度升至约150℃并持续大约70分钟；将所述顶盖附接在模塑封装上所使用的环氧树脂与将玻璃窗口34附接在窗口框架32上所使用的相同，并且该环氧树脂也升至约150℃高温并持续大约70分钟的处理。
作为一种实施方案，上述步骤在亚100标准级的洁净房间里利用层流罩来完成，这种级别的房间里每一库比特米中所含微米或不足微米的污染物颗粒少于100。这有助于在装配期间防止颗粒对管芯的污染。
实施方案中，所述窗口有一规格为20微米的刻槽。这种刻槽规格表示玻璃上可允许的最大缺陷。再大的缺陷可能影响所述图像传感器的成像性能。
在进行所述大回流处理之前，为了减少密封的封装中的水分，在装包之前可以延长烘烤的周期。作为一种实施方案，所述密封封装在125℃下烘烤48小时，然后用防潮袋子进行真空密封以便储存和运输。因此这种密封封装符合电子电路连接和封装协会(IPC)的4级表面安装要求。(IPC是世界范围内拥有2300多家会员的电子连接工业贸易协会。)
如块214所示，当密封好的封装已准备好安装，便可从该袋中取出并用大回流法安装在电路板上。有多种类型的大回流处理法。作为一种实施方案，所使用的是IR/对流大回流处理法，按下述步骤进行：
1)将封装主体温度升至约225℃；
2)高于215℃持续大约30秒；
3)高于183℃持续大约140秒。
所述窗口式非陶瓷封装能够经受上述大回流处理，而不会出现顶盖与所述模塑封装分离或管芯从所述模塑封装剥离的现象。
可大回流的带嵌入式框架的窗口式非陶瓷封装
图5所示为所述含有嵌入式框架300的模塑复合物的实施方案的横截面视图。该模塑复合物将所述框架基本上包围起来。(在该底面上，可以包围或者也可以不包围该框架。)作为一种实施方案，该框架由陶瓷构成，以便与该IC封装窗口边缘的陶瓷框架的CTE相匹配。在另一实施方案中，所述嵌入框架由低于模塑复合物CTE的材料构成。例如，该框架可以含有铜/钨合金或引线中常用的合金-42(一种含42％镍和58％铁的合金)。
由于IC封装的内应力很难测量，所以通过有限元建模已对该内应力模型化，有限元建模通常用作机械设计的工程验证工具。表1示例性示出了所述模塑复合物、管芯连接、硅管芯、窗口密封剂、窗口、陶瓷框架以及引线在建模中使用的一些CTE值。表1还示出了建模中使用的杨式模量(一种表示材料韧性的指标)和泊松比(当沿横向拉伸时，表示该方向上变形的一种指示性系数)。
表1.不同温度下的材料特性
| 内容 | 模量，kN/mm | CTE，ppm/℃ | 泊松比*** | ||||||
| 25℃ | 150℃ | 155℃ | 225℃ | 25℃ | 150℃ | 155℃ | 225℃ | ||
| 模塑复合物* | 14.4 | 14.4 | 2.1 | 2.1 | 11.4 | 11.4 | 48.1 | 48.1 | .23 |
| 管芯连接* | 8.0 | .08 | .08 | .08 | 25 | 25 | 130 | 130 | .3 |
| 硅管芯 | 130 | 130 | 130 | 130 | 2.6 | 3.2 | 3.2 | 3.6 | .23 |
| 窗口密封剂** | 4.2 | 4.2 | .045 | .045 | 62.1 | 62.1 | 186 | 186 | .35 |
| 玻璃窗口 | 72.9 | 72.9 | 72.9 | 72.9 | 6.8 | 7.5 | 7.5 | 7.9 | .208 |
| 陶瓷窗口框架 | 280.5 | 275.6 | 275.6 | 272.6 | 5.74 | 6.76 | 6.76 | 7.38 | .25 |
| 引线(合金42) | 145 | 145 | 145 | 145 | 4.5 | 4.5 | 4.5 | 4.5 | .3 |
*对于模塑复合物和密封剂的玻璃化温度(Tg)为150℃。
**管芯连接的Tg为103℃。
***在25～225℃之间，认为泊松比是常量。
根据上表，模塑复合物、管芯连接以及密封剂的材料特性在25℃至其Tg之间保持不变，然后会从Tg+5℃～225℃改变为另一组不同的值。硅的特性反映了[110]晶向中的那些特性。
表2总结了用含有合金～42的嵌入式框架来降低IC封装内应力的典型结果。该典型结果显示：对于在背部管芯与所述模塑封装之间以及在顶盖与所述模塑封装之间含有环氧树脂界面的IC封装，所带有的嵌入式框架使其内应力明显降低。这种应力的降低使得更易于通过大回流实现更大尺寸的封装，因为在诸如大回流温度这种温度极限上较大封装尺寸对内应力更敏感。
表2
| 封装底部的变形*，μm | 管芯连接的Von Mises应力最大值MPa | 窗口密封剂的VonMises应力最大值MPa | |||||||
| 温度℃ | -65 | 25 | 225 | -65 | 25 | 225 | -65 | 25 | 225 |
| 不含嵌入式框架 | -45.4 | -26.4 | +60.0 | 179.3 | 104.3 | 16.4 | 129.8 | 76.9 | 5.8 |
| 含嵌入式框架 | -23.4 | -13.6 | +13.3 | 136.5 | 79.4 | 4.8 | 133.2 | 77.4 | 4.7 |
| 差值％ | 48.5 | 48.5 | 77.8 | 23.9 | 23.9 | 70.3 | -2.6 | -0.65 | 19.0 |
*+/-号表示凸/凹变形。
图6和7所示分别为含有嵌入式框架和不含嵌入式框架的IC封装在225℃时的典型变形样式。使用嵌入式框架的变形明显变小。
所述嵌入式框架可以采用多种形状。但是，为了降低成本，图2中窗口框架32可以采用诸如方环或袖珍形式的简单设计。申请人已证实最好的效果是将所述嵌入式框架与管芯的边缘相重叠，如图5和6所示。
作为一种实施方案，所述嵌入式框架300可以包括如图8所示用于附加支撑的、连接边框304的交叉条302。在袖珍型的窗口框架32中，边缘紧紧固定住模塑复合物中的嵌入式框架。还可以使用更复杂些的框架形状(如蜂窝结构的形式)，但所使用的框架的附加费用应足够低，这样才能保证整个封装的费用低于全陶瓷封装。
在另一实施方案中，一种没有窗口框架的全玻璃窗被附接在所述模塑复合物上。嵌入式框架使大回流处理中的应力降低。例如，可以使用由合金-42(CTE～4.5PPM/℃)或铜/钨合金(CTE～6.5PPM/℃)构成的嵌入式框架，或是陶瓷框架(CTE～7.4PPM/℃)。
模具处理
图9A和9B所示为一种能在模塑复合物中嵌入框架的模具的一种实施方案。图9A所示为该模具的横截面视图，表示在模槽340中放置嵌入式框架300的情况。图9B为对应于图9A虚线部分俯视所述嵌入式框架300的模槽顶视图。
在该实施方案中，挡块342用于将所述嵌入式框架300固定在适当的位置上。位于所述模槽340一侧的流道和浇口360为所述模塑复合物提供源头。流道和浇口相对于所述模槽340的位置作这样设置，以便模塑复合物流动时向嵌入式框架的顶面加压，并将嵌入式框架向下压入到所述模槽340中。当模塑复合物提供到所述模槽340中时，位于该模具对侧的排气口362允许将空气排出。在所述模槽340中提供模塑复合物时，还嵌入了引线框架370。
在实施方案中，可以同时制作多个模塑封装。正如大家已经知道的一样，这些模塑封装被端对端地联合成一个带。在其它的处理步骤中，该模塑封装是相互分开的。
成像系统
图10示出了包含有图像传感器的成像系统400，它利用了带有嵌入式框架的IC封装。图像传感器通过大回流处理法被附接在电路板上。图像传感器410被用作摄像机、硅眼或其它图像设备的一部分。典型地，该图像传感器被电耦合到图像处理器420和存储器430上。该成像系统也可以包括互联电路440，以便与诸如主计算机系统或其它输出设备等其它系统进行通信。所述成像系统也可以包括透镜系统(未示出)，以便把光线聚焦在图像传感器上，这在本领域是已知的。
这种通过大回流处理方法附接图像传感器可以降低成本，并加速了制造过程。这也可比人工焊接方法提供更可靠的连接。因此，所公开的是一种可通过大回流处理法安装到电路板上的带有嵌入式框架的IC封装。此处所述的特定装置和方法只是说明了本发明的原理。在形式和细节上的大量改进将不会脱离本发明的范畴。例如，由于所嵌入的框架，在背部管芯和模塑封装之间以及在顶盖和模塑封装之间的内应力会减小，所以可以不要延长烘烤的周期。尽管所展示的本发明涉及一种特殊的实施方案，但不应认为它是一种限制。
附录1
材料特性
(EO1B的常规参数)
| 参数 | 额定值 |
| 热传导(室温) | 0.8W/M·K |
| 热膨胀(α1) | 150×10-7/℃，490×10-7/℃ |
| 抗弯强度 | 0.14GPa |
| 抗弯弹性 | 18GPa |
| 玻璃化温度(Tg) | 163℃ |
| 体电阻率(室温) | 2×1015Ω·cm |
| 介电常数[1MHz](室温) | 3.8 |
| α计数辐射(DPH) | 0.06个计数/cm2 Hr |
附录2
Claims (15)
1.一种集成电路(IC)封装，包括：
模塑复合物，该模塑复合物具有一个嵌入在该模塑复合物内的减小内应力的嵌入式框架，其中该嵌入式框架具有上表面、下表面和从上至下的开口；
引线框架；
管芯，附接在所述模塑复合物和所述引线框架上；以及
窗口，附接在所述模塑复合物上，以便允许光线照到所述管芯上。
2.如权利要求1所述的IC封装，其中所述嵌入式框架由陶瓷组成。
3.如权利要求1所述的IC封装，其中所述嵌入式框架由一种合金组成。
4.如权利要求3所述的IC封装，其中所述嵌入式框架由合金-42组成。
5.如权利要求1所述的IC封装，还包括：
邻接所述窗口的窗口框架，该窗口框架的CTE小于该模塑复合物的CTE 。
6.如权利要求5所述的IC封装，其中所述窗口框架由与所述嵌入式框架相同的材料构成。
7.如权利要求1所述的IC封装，其中所述嵌入式框架在所述管芯的外围之下。
8.一种集成电路(IC)封装，包括：
模塑复合物，具有嵌入所述模塑复合物中的减小内应力的陶瓷框架，其中该框架具有上表面、下表面和从上至下的开口；
具有外围的管芯，其中所述框架位于所述管芯的外围之下；以及
窗口，所述窗口具有附接在所述模塑复合物上的并位于所述管芯外围上方的陶瓷框架。
9.一种进行IC封装的方法，所述方法包括：
将减小内应力的框架放置在模塑中；
用模塑复合物环绕所述框架；
将管芯附接在所述模塑复合物上；
将所述管芯附接在IC封装的引线框架上；以及
通过将窗口附接在所述模塑复合物上来包封所述管芯。
10.如权利要求9所述的方法，其中用模塑复合物环绕所述框架是通过用模塑复合物环绕陶瓷框架来实现的。
11.如权利要求9所述的方法，其中用模塑复合物环绕所述框架是通过用模塑复合物环绕合金框架来实现的。
12.如权利要求10所述的方法，其中用模塑复合物环绕所述框架是通过用塑料模塑复合物环绕合金-42框架来实现的。
13.一种进行IC封装的方法，所述方法包括：
将管芯附接在具有嵌入框架的模塑复合物上，包括定位所述管芯，以使其外围位于所述框架上方，其中所述框架具有上表面、下表面和从上至下的开口；
将所述管芯附接在IC封装的引线框架上；以及
将窗口附接在管芯上方的模塑复合物上，以包封所述管芯。
14.如权利要求13所述的方法，其中将窗口附接在模塑复合物上进一步包括：
将窗口附接在合金窗口框架上；以及
将合金窗口框架附接在模塑复合物上。
15.如权利要求13所述的方法，其中将窗口附接在模塑复合物上进一步包括：
将窗口附接在陶瓷窗口框架上；以及
将陶瓷窗口框架附接在模塑复合物上。
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