DE60215669T2 - Verwendung diverser materialien bei der kapselung elektronischer bauelemente mit lufthohlräumen - Google Patents

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Description

  • Diese Erfindung geht aus dem Gebiet der Elektronikgehäuse hervor, die Halbleiterschaltkreis-Vorrichtungen (Mikroplättchen) umhüllen und schützen und für die elektrischen Verbindungen sorgen, welche die Mikroplättchen-Schaltkreise mit externen Komponenten, wie z.B. denjenigen einer Leiterplatte, verbinden. Diese Erfindung betrifft insbesondere Baugruppen mit Lufthohlraum, d.h. diejenigen, in denen sich das Mikroplättchen in einem mit Luft gefüllten Hohlraum befindet, wobei die niedrige Dielektrizitätskonstante von Luft die Leistungsfähigkeit des Mikroplättchens begünstigt. Insbesondere geht diese Erfindung die Schwierigkeit des Versiegelns des Gehäuses um das Mikroplättchen und den Lufthohlraum herum in einer Weise an, die bei den hohen Temperaturen, die bei der Herstellung der Baugruppe anzutreffen sind, sowie den Bedingungen, denen die Baugruppe im Gebrauch ausgesetzt wird, eine gasundurchlässige Versiegelung bewahren.
  • ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
  • Eine elektronische Baugruppe besteht aus einem Mikroplättchen, das innerhalb einer Schutzumhüllung versiegelt ist, deren Wände von Leitungen durchdrungen sind, durch welche die Mikroplättchen-Schaltkreise mit externen Schaltkreisen, wie z.B. denjenigen auf einer Leiterplatte, elektrisch verbunden sind. Die in dieser Erfindung interessierenden Baugruppen sind diejenigen, die in der Elektronikindustrie als „Baugruppen mit Lufthohlraum" bekannt sind, da sich das Mikroplättchen in einem ausgesparten inneren, mit Luft gefüllten Hohlraum innerhalb der Umhüllung befindet, wobei die Luft aufgrund ihrer niedrigen Dielektrizitätskonstante als ein elektrischer Isolator dient. Dieses Isoliervermögen ist insbesondere nützlich, wenn es sich bei der elektronischen Vorrichtung um einen Mikrowellen-Leistungs-Chip handelt. Der mit Luft gefüllte Hohlraum ist auch nützlich, wenn das Mikroplättchen solch eines ist, das Lichttransmission erfordert, wie z.B. CCD- und CMOS- Vorrichtungen, da die Luft für einen völligen optischen Zugang zur Oberfläche des Mikroplättchens sorgt.
  • Um mit den extrem dünnen Schaltkreisleitungen und hohen Stromdichten, die gegenwärtig bei Mikroplättchen benutzt werden, eine gleich bleibende und verlässliche Leistungsfähigkeit zu erzielen, muss die Baugruppe gegen das Eindringen von Wasserdampf und anderen atmosphärischen Gasen versiegelt sein. Gleichzeitig muss die Baugruppe fähig sein, die Wärme abzuführen, die das Mikroplättchen in Gebrauch erzeugt. Die Wärmeabführung erfolgt üblicherweise durch den Boden der Baugruppe, und aus diesem Grund wird ein wärmeleitfähiges Material, in der Regel eine Metallplatte, als Boden benutzt, wobei ein wärmeleitfähiges Hochtemperatur-Lötmittel, häufig ein eutektisches Lötmittel, das Mikroplättchen mit dem Boden verbindet. Baugruppen werden im Allgemeinen gebildet, indem zuerst die Seitenwände mit der metallischen Platte verbunden werden, um den Körper der Baugruppe zu bilden, wobei die Seitenwände elektrische Leitungen aufweisen, die durch sie hindurchführen. Wenn der Körper einmal gebildet ist, wird das Mikroplättchen in dem Körper angeordnet und mit dem Lötmittel an dem Boden befestigt. Dann wird Drahtbonden durchgeführt, um die Mikroplättchen-Schaltkreise mit den Leitungen zu verbinden, und abschließend wird die Baugruppe durch Befestigen des Deckels auf dem Körper mittels eines geeigneten Klebstoffes, um das obere Ende zu verschließen, vervollständigt.
  • Die hohe Löttemperatur, die nötig ist, um das Mikroplättchen an dem Boden der Baugruppe zu befestigen, macht es erforderlich, dass der Körper der Baugruppe aus einem Material hergestellt ist, das der hohen Temperatur, ohne zu reißen, schmelzen, zerfließen, sich zu zersetzen oder sonst wie Umwandlungen zu durchlaufen, welche die Versiegelungen in der gesamten Baugruppe beeinträchtigen könnten, widerstehen kann. Baugruppen, die für Anwendungen mit hoher Wattleistung vorgesehen sind, üben aufgrund der hohen Temperaturen, die sie im Gebrauch erzeugen, zusätzliche Spannung auf die Wände und den Deckel der Baugruppe aus. Aus diesen Gründen sind die Seitenwände und Deckel des Standes der Technik aus keramischem Material hergestellt. Keramik ist jedoch teuer, und bei der Massenherstellung der Baugruppen ist Keramik eine Hauptkomponente der Herstellungskosten der Baugruppe. Die Kosten könnten beträchtlich vermindert werden, wenn die keramischen durch Kunststoffmaterialien ersetzt würden, jedoch widerstehen Kunststoffe den hohen Löttemperaturen oft nicht und werden entweder schmelzen oder sich zersetzen, wenn das Mikroplättchen an den Sockel gelötet wird. Infolgedessen weist die Herstellung von elektronischen Baugruppen mit Seitenwänden aus Kunststoff eine hohe Ausfallquote auf.
  • Ein ähnliches Problem tritt bei Gehäusen auf, die als zweiteilige Umhüllungen hergestellt werden, wobei der Sockel und die Seitenwände zuerst als ein Einzel-Formteil aus Keramik oder Kunststoff mit einem metallischen Wärmeverteiler gebildet werden, der als Boden geformt oder in einer anderen Weise darin eingelassen ist, und das zweite Teil der Deckel ist. Wenn als das Baumaterial für den unitären Sockel und die Seitenwände Keramik benutzt wird, sind die Kosten hoch, und wenn Kunststoff benutzt wird, wird die Produktausbeute bei der Massenherstellung aufgrund von Schädigung oder Verziehen des Kunststoffes und der Bildung von Leckstellen bei einem bedeutenden Anteil der Einheiten gering sein.
  • Ein eigenes Problem zeigen optische Baugruppen, d.h. diejenigen, die CCD- oder CMOS-Vorrichtungen enthalten, die transparente Deckel benötigen, um die Transmission von Licht zu ermöglichen. Da diese Baugruppen im Gebrauch keine Wärme erzeugen, benötigen sie keinen schnell Wärme verteilenden Metallsockel; Sockel aus Metall, Kunststoff oder Keramik können benutzt werden. Außerdem beseitigt das Fehlen der Notwendigkeit schneller Wärmeabführung die Notwendigkeit von Hochtemperatur-Metalllöten. Stattdessen kann Niedertemperaturlöten unter Benutzung von Lötmaterialien wie Epoxid durchgeführt werden. Die Reaktion auf hohe Temperaturen ist trotzdem ein Problem, denn bevor die Baugruppe benutzt werden kann, wird sie im Anschluss an den Zusammenbau der Baugruppe selbst weiter verarbeitet werden. Dieses nachfolgende Verarbeiten umfasst das Verlöten der Leitungen außerhalb der Baugruppe mit externen Schaltkreisen sowie Eignungsprüfungen, in die alle die Anwendung von hohen Temperaturen einbezogen sein kann. Während der Einwirkung dieser hohen Temperaturen machen Unterschiede der Wärmeausdehnungskoeffizienten (WRK) der Komponenten der Baugruppe diese anfällig für Bruch. Insbesondere der Glasdeckel, der auf der typischen optischen Baugruppe benutzt wird, um die Lichttransmission zu ermöglichen, weist einen bedeutend niedrigeren WAK auf als der Sockel, egal ob der Sockel aus Metall, Kunststoff oder Keramik ist. Dieser Unterschied bewirkt, dass sich der Deckel und der Sockel während der Temperzyklen in unterschiedlichem Maße ausdehnen. Eine unterschiedliche Ausdehnung bewirkt, dass sich die Baugruppe biegt und setzt die Seitenwände unter Spannung, wodurch das Risiko vergrößert wird, dass die Versiegelungen, welche die Seitenwände entweder mit dem Sockel oder mit dem Deckel oder beiden verbinden, beeinträchtigt werden. Wenn sich Risse bilden, werden die Baugruppen bei den Grobleckprüfungen und Feuchtigkeitsempfindlichkeitsprüfungen versagen, die bestimmen, ob sie zum Gebrauch geeignet sind, und die Ausbeute an nützlichen Produkten (funktionierende, langlebige Baugruppen) sinkt.
  • Das Dokument EP-A-0 928 022 offenbart ein Verfahren des Flip-Chip-Bondens einer Halbleitervorrichtung auf einen Sockel vor dem Versehen mit einem Kunststoffrahmen und einem Deckel. Das Dokument US-A-6,117,705 offenbart ein Verfahren des Verkapselns eines drahtgebondeten Chips einschließlich des Versehens mit einer Harz-Seitenwand und einem Deckel nach dem Schritt des Bondens.
  • KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
  • Die oben aufgezählten Schwierigkeiten sowie andere, die bei der Herstellung von elektronischen Baugruppen mit Lufthohlraum angetroffen werden, werden erfindungsgemäß durch die Verfahrensschritte, wie in Anspruch 1 und 10 definiert, angegangen. Bei Baugruppen, die im Gebrauch ein hohes Maß an Wärme erzeugen und mit einem Hochtemperatur-Lötmittel hergestellt werden, welches das Mikroplättchen mit einem Sockel verbindet, ermöglicht die Dreikomponentenbauweise der Baugruppenumhüllung, dass das Mikroplättchen mit dem Sockel verlötet wird, bevor eine der anderen Komponenten der Umhüllung hinzugefügt wird, d.h., bevor entweder die Seitenwände mit dem Sockel verbunden werden oder ein Deckel mit den Seitenwänden verbunden wird. Seitenwände aus Kunststoff können dann ohne Risiko des Einwirkens der hohen Temperaturen auf den Kunststoff, die zum Löten des Mikroplättchens an den Sockel notwendig sind, mit dem Sockel verbunden werden. Auch können die hohen Kosten für Keramik beseitigt oder vermindert werden, indem entweder Keramik gänzlich vermieden oder nur für den Sockel benutzt wird. Bei Sicht-Baugruppen mit transparenten Deckeln ermöglicht die Dreikomponenten-Bauweise der Baugruppenumhüllung die Benutzung von Seitenwänden aus Kunststoff mit einem Nichtkunststoff-Sockel und einem Nichtkunststoff-Deckel. Der Sockel und der Deckel können dann aus Materialien gebildet werden, deren WAK wertemäßig nahe beieinander liegen, während die Seitenwand aus einem Material mit einem WAK gebildet wird, der sich von demjenigen sowohl des Sockels als auch des Deckels wesentlich unterscheidet. Die Benutzung von Kunststoffen mit einem verhältnismäßig großen WAK für die Seitenwände wird die Versiegelungen der Baugruppe nicht unter übermäßige Spannung setzen, da, obwohl sich die Seitenwände bei den hohen Temperaturen, die beim Zusammenbau und Prüfen angetroffen werden, verdicken (d.h., sowohl nach innen als auch nach außen ausbauchen) können, sich der Sockel und der Deckel im wesentlichen im gleichen Maße ausdehnen, wodurch das Biegen der Baugruppe verhindert wird.
  • Diese Erfindung bietet in Abhängigkeit von dem Typ der Baugruppe und der benutzten Materialien somit verschiedene Vorteile. Im allgemeinen ermöglicht die Erfindung einen breiten Spielraum bei der Wahl von Materialien, während sie das Risiko auf Versagen der Baugruppe aufgrund von Rissen, die durch die hohen Temperaturen entstehen, die bei dem Zusammenbau und der Benutzung angetroffen werden, vermeidet oder verringert. Diese und andere Vorteile, Merkmale und Ausführungsformen der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung offensichtlicher.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG UND BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Wie oben angemerkt, ist der erste Schritt im Herstellungsverfahren dieser Erfindung die Befestigung des Mikroplättchens an einer Sockelplatte, die als der Boden der Baugruppe dient. In Abhängigkeit von dem Typ der Baugruppe kann die Sockelplatte solch eine sein, die Wärme schnell von dem Mikroplättchen abführt, oder eine, bei der die Wärmeabführung nicht entscheidend ist (wie z.B. bei optischen Baugruppen). Wenn eine große Wärmeleitfähigkeit nötig ist, kann die Platte entweder ein metallisches Material, ein keramisches Material, ein mit Metall beschichtetes keramisches Material oder ein keramisches Material mit einem Metalleinsatz sein. Wenn keine große Wärmeleitfähigkeit nötig ist, kann die Platte aus einem beliebigen dieser Materialien sowie aus Kunststoff hergestellt sein.
  • Beispiele für geeignete Metalle für Sockelplatten aus Metall oder Metalleinsätze oder -beschichtungen sind unten aufgeführt, zusammen mit ihren Symbolen wie angegeben durch das Electronic Materials Handbook, Vol. 1, Minges, M. L., et al., eds., ASM International, Materials Park, Ohio, 1989:
    • Kupfer
    • Kupfer-Wolfram-Legierungen
    • Kupfer-Eisen-Legierungen: C19400, C19500, C19700, C19210
    • Kupfer-Chrom-Legierungen: CCZ, EFTEC647
    • Kupfer-Nickel-Silicium-Legierungen: C7025, KLF 125, C19010
    • Kupfer-Zinn-Legierungen: C50715, C50710
    • Kupfer-Zirkonium-Legierungen: C15100
    • Kupfer-Magnesium-Legierungen: C15500
    • Eisen-Nickel-Legierungen: ASTM F30 (Alloy 42)
    • Eisen-Nickel-Kobalt-Legierungen: ASTM F15 (Kovar)
    • Weichstahl
    • Aluminium
  • Bevorzugt von diesen sind Kupfer, kupferhaltige Legierungen, in denen Kupfer mindestens 95 Gew.% ausmacht, Eisen-Nickel-Legierungen, in denen Eisen etwa 50 Gew.% bis etwa 75 Gew.% ausmacht, und Eisen-Nickel-Kobalt-Legierungen, in denen Eisen etwa 50 Gew.% bis etwa 75 Gew.% ausmacht. Die Eisen-Nickel-Legierung Alloy 42 (58% Fe, 42% Ni) und die Eisen-Nickel-Kobalt-Legierung Kovar (54 Fe, 29% Ni, 17% Co) sowie die verschiedenen Kupferlegierungen sind von besonderem Interesse. Metalllaminate können ebenfalls benutzt werden, insbesondere Kupfer-Molybdän-Kupfer angesichts seiner besonders hohen Wärmeleitfähigkeit. Diese Metalle und Legierungen können auch als die Leitungen benutzt werden, welche die Seitenwände der Baugruppe durchdringen.
  • Beispiele für geeignete Keramik für Baugruppen, bei denen ein keramischer Sockel benutzt wird, sind Al2O3 (Aluminiumoxid), BeO (Berylliumoxid), AlN (Aluminium nitrid), SiN (Siliciumnitrid) und Abmischungen dieser Materialien und Al2O3, modifiziert durch die Zugabe von BaO (Bariumoxid), SiO2 (Siliciumdioxid) oder CuO (Kupfer(II)oxid). Bevorzugte keramische Materialien sind Aluminiumoxid, gegebenenfalls modifiziert, und Berylliumoxid.
  • Geeignete Kunststoffe für Baugruppen, bei denen ein Kunststoffsockel benutzt wird, umfassen sowohl warmhärtende als auch thermoplastische Materialien. Beispiele für warmhärtende Materialien sind Epoxidharze und modifizierte Epoxidharze, Polyimide, modifizierte Polyimide, Polyester und Silicone. Beispiele für thermoplastische Materialien sind Polyurethane, Polyphenylensulfid, Polysulfon, Polyetherketon und aromatische Polyester, wie z.B. Flüssigkristallpolymer, das etwa 20 bis 40% Füllstoff, wie z.B. Glas, Keramik oder Mineralien, enthält.
  • Wenn eine in hohem Maße wärmeübertragende Verbindung zwischen dem Mikroplättchen und dem Sockel nötig ist, ist eine breite Vielfalt an Lötmaterialien verfügbar, die eine derartige Verbindung bilden werden. Lötmittellegierungen können aus Zinn, Blei, Antimon, Bismut, Cadmium, Silber, Kupfer oder Gold und verschiedenen anderen Elementen in verhältnismäßig geringen Anteilen gebildet werden. Eutektische Legierungen sind wegen ihrer Fähigkeit, die Anteile ihrer Komponenten während des Schmelzens und des Verfestigens zu bewahren, im Allgemeinen bevorzugt. Beispiele sind Kupfer-Eisen-Legierungen, Kupfer-Chrom-Legierungen, Kupfer-Zinn-Legierungen, Eisen-Nickel-Legierungen, Eisen-Nickel-Kobalt-Legierungen, Zinn-Silber-Legierungen und Gold-Zinn-Legierungen. Ein eutektisches 80:20-Gold-Zinn-Lötmittel ist wegen seiner großen Wärmeleitfähigkeit besonders bevorzugt.
  • Die Temperatur, bei der das Mikroplättchen an den Sockel gelötet oder geklebt wird, wird in Abhängigkeit vom benutzten Löt- oder Klebemittel variieren. Für Hochtemperaturlöten, wie es für hohes Wärmeübertragungsvermögen nötig ist, wird im Allgemeinen eine Löttemperatur von über 250 °C angewendet. In den meisten Fällen liegt die Löttemperatur innerhalb des Bereiches von 250 °C bis 500 °C und vorzugsweise, insbesondere bei einem eutektischen Gold-Zinn-Lötmittel, innerhalb des Bereiches von 300 °C bis 400 °C. Beim Niedertemperaturlöten oder -kleben liegt die Temperatur im Allgemeinen innerhalb des Bereiches von 125 °C bis 175 °C. Wenn beispielsweise Epoxid benutzt wird, beträgt die typische Verklebungstemperatur etwa 150 °C.
  • Nachdem das Mikroplättchen an den Sockel gelötet oder geklebt und abgekühlt ist, werden die Seitenwände als ein Rahmen über den Sockel gebracht. Für die Seitenwände können entweder warmhärtende oder thermoplastische Materialien benutzt werden, für die oben Beispiele aufgeführt sind. Warmhärtende Materialien werden typischerweise durch Spritzpressen geformt, wohingegen thermoplastische Materialien typischerweise durch Spritzgießen geformt werden, obwohl bei beiden verschiedene Formungsverfahren angewendet werden können. Die Seitenwände können mit darin eingebetteten Leitungen vorgeformt werden, wobei die Leitungen Oberflächen oder Enden aufweisen, die sich in den Raum erstrecken, der von den Seitenwänden umhüllt wird, und so zum Drahtbonden an das Mikroplättchen zugänglich sind. Bei nichtmetallischen Sockeln können die Leitungen auch in den Sockel eingebettet werden. In beiden Fällen können die Leitungen aus denselben Materialtypen wie diejenigen gebildet werden, die für metallische Sockel benutzt werden, und Beispiele dafür sind oben aufgeführt. Wenn die Leitungen Teil des Sockels sind, können die Seitenwände ganz aus Kunststoff hergestellt sein, und die Erfordernis einer feuchtigkeitsdichten Versiegelung in dieser Stufe des Herstellungsverfahrens besteht nur an dem Übergang zwischen den Seitenwänden und dem Sockel.
  • Bei Baugruppen, in denen die Leitungen in die Seiten wände eingebettet werden, kann der Seitenwandrahmen über den Leitungen geformt werden. Verfahren zur Formung von Seitenwänden über Leitungen sind gut bekannt und umfassen in der Regel die Formung des Kunststoffes über einer Leitungsrahmenanordnung, die eine Reihe von Metallleitungen umfasst, die durch Verbindungsstege verbunden und in eigenständigen Gruppen angeordnet sind, wobei benachbarte Gruppen durch weitere Verbindungsstege verbunden sind, die letztendlich entfernt werden, wenn die Formung beendet ist. Dämme werden an bestimmten Orten längs der Leitungen eingebunden, um dabei zu helfen, die Formmasse einzudämmen, wobei die Dämme ebenfalls entfernt werden, bevor die geformten Seitenwandkörper getrennt werden. Herkömmliche Formungstechniken, wie z.B. Spritzgießen, Spritzpressen, Umspritzen und Reaktionsspritzen können in Abhängigkeit von den benutzten Materialien eingesetzt werden. Vor dem Formungsverfahren wird auf den Leitungsrahmen an den Orten, an denen die Leitungen mit dem Kunststoff in Berührung kommen, Klebstoff aufgetragen. Der Klebstoff wird bei der Formungstemperatur des Kunststoffes härten und eine Versiegelung um die Leitungen herum bilden, die das Eindringen von Feuchtigkeit und anderen atmosphärischen Gasen verhindert. Die Anzahl der Leitungen kann in Abhängigkeit von dem Mikroplättchen und der beabsichtigten Anwendung stark variieren. So können lediglich zwei Leitungen oder sogar 100 oder mehr vorhanden sein, und die Leitungen können sich auf einer Seite des Rahmens oder auf allen vier befinden.
  • Das Anbringen des Seitenwandrahmens auf dem Sockel wird ebenfalls durch Benutzung eines Klebstoffes, insbesondere eines warmhärtbaren polymeren Klebstoffes, durchgeführt. Klebstoffe zur Benutzung an beiden Orten umfassen sowohl warmhärtende als auch thermoplastische Materialien, wie z.B. Epoxid-Klebstoffe, Polyamide, Silicone, Phenolharze, Polysulfone oder Phenoxy-Klebstoffe. Beispiele für warmhärtende Klebstoffe sind:
    • D.E.R. 332: ein Epoxidharz mit Bisphenol A (Dow Chemical Company, Midland, Michigan, USA)
    • ARALDITE® ECN 1273: ein Epoxid-Kresol-Novolak (Ciba-Geigy Corporation, Ardsley, New York, USA)
    • ARALDITE® MY 721: ein polyfunktionelles, flüssiges Epoxidharz (Ciba-Geigy Corporation)
    • QUARTEX® 1410: ein Epoxidharz mit Bisphenol A (Dow Chemical Company)
    • EPON® 828, 1001F, 58005: modifizierte Bisphenol-A-Epoxidharze (Shell Chemical Company, Houston, Texas, USA)
  • Beispiele für thermoplastische Klebstoffe sind:
    Phenoxy PKHJ: ein Phenoxyharz (Phenoxy Associates) Polysulfone
  • Die Klebstoffzusammensetzung enthält gegebenenfalls einen oder mehrere Bestandteile, um die Zusammensetzung mit beliebigen einer Vielfalt von wünschenswerten Eigenschaften zu versehen. Zu diesen Bestandteilen gehören Härtungsmittel, Schaumverhinderungsmittel, Feuchtigkeitsfänger (Trocknungsmittel) und Füllstoffe zur Verleihung von Volumen. Beispiele für Härtungsmittel sind Polyamine, Polyamide, Polyphenole, polymere Thiole, Polycarbonsäuren, Anhydride, Dicyandiamid, Cyanoguanidin, Imidazole und Lewis-Säuren, wie z.B. Komplexe von Bortrifluorid mit Aminen oder Ethern. Beispiele für Schaumverhinderungsmittel sind hydrophobe Siliciumdioxide, wie z.B. Siliconharze und Silane, Fluorkohlenstoffe, wie z.B. Polytetrafluorethylen, Fettsäureamide, wie z.B. Ethylendiaminstearamid, Sulfonamide, Kohlenwasserstoffwachse und feste Fettsäuren und Ester. Beispiele für Feuchtigkeitsfänger sind aktiviertes Aluminiumoxid und Aktivkohle. Spezifische Produkte, die als Feuchtigkeitsfänger dienen, sind diejenigen, die vom Lieferanten (Alpha Metals aus Jersey City, New Jersey, USA) als GA2000-2, SD1000 und SD800 gekennzeichnet sind. Beispiele für Füllstoffe sind Aluminiumoxid, Titandioxid, Kohlenstoffschwarz, Calciumcarbonat, Kaolinton, Glimmer, Siliciumdioxide, Talkum und Holzmehl.
  • In bevorzugten Klebeverfahren für den Sockel, den Deckel oder beide wird der Klebstoff zuerst auf die zu verklebende Oberfläche aufgetragen, dann auf eine mäßige Temperatur erwärmt, um den Klebstoff in einen B-Zustand zu überführen, in welchem der Klebstoff klebfrei und bei Raumtemperatur halbfest ist. Die zu verklebenden Teile, von denen eines oder beide somit mit dem Klebstoff im B-Zustand beschichtet worden sind, werden dann zusammengefügt und weiter erwärmt, um zu bewirken, dass sich der Klebstoff im B-Zustand verflüssigt und die Oberflächen benetzt und unter Bildung einer gasundurchlässigen Versiegelung völlig aushärtet.
  • Die Temperatur, die zum Aushärten des Klebstoffes angewendet wird, der den Seitenwandrahmen mit dem Sockel verbindet, wird mit dem jeweiligen benutzten Klebstoff variieren, jedoch im allgemeinen weniger als 200 °C betragen. In den meisten Fällen wird der Temperaturbereich von 100 °C bis 200 °C und vorzugsweise von 125 °C bis 185 °C betragen.
  • Wenn der Seitenwandrahmen mit dem Sockel verklebt ist, wird das Mikroplättchen mit den Leitungen drahtgebondet und ein Deckel an dem Seitenwandrahmen befestigt, um das Mikroplättchen zu umhüllen. Das Befestigen des Deckels an dem Seitenwandrahmen kann mittels Klebstoffen in derselben Weise wie das Befestigen des Seitenwandrahmens an dem Sockel durchgeführt werden.
  • Ein Parameter der Materialien, die als der Sockel und der Deckel benutzt werden, des Kunststoffes, der in dem Seitenwandrahmen benutzt wird, des Metalls, das in den Leitungen benutzt wird, und des Klebstoffes, der zum Ver kleben der Leitungen mit dem Seitenwandrahmen, des Seitenwandrahmens mit dem Sockel sowie des Deckels mit dem Seitenwandrahmen benutzt wird, ist der Wärmeausdehnungskoeffizient („WAK"). Jedes Material weist seinen eigenen WAK auf, der in Einheiten von Teilen pro Million (gewichtsbezogen) pro Grad Celsius ausgedrückt wird, und die WAK werden die Wahl der benutzten Materialien beeinflussen. Die WAK von jeweils zwei benachbarten Komponenten und von jedem Klebstoff und der (den) Komponente(n), die er zusammenfügt, können sich beträchtlich unterscheiden. In vielen Fällen können Unterschiede durch Einbeziehen einer thermoplastischen Komponente in die Klebstoffzusammensetzung, entweder als alleiniger Klebstoffbestandteil oder als ein Gemisch mit einem warmhärtenden Klebstoffbestandteil, kompensiert werden.
  • Das Verfahren dieser Erfindung schafft ein hohes Maß an Vielseitigkeit hinsichtlich der Materialien, die zur Herstellung von elektronischen Baugruppen benutzt werden. Beispielsweise kann ein quadratischer Baugruppen-Mittelkörper (d.h. Seitenwandrahmen) von 0,4 Inch mit acht Leitungen auf jeder Seite in einer Leistungs-Baugruppe benutzt werden, deren Sockel aus Metall und deren Deckel aus Keramik ist. Derselbe Mittelkörper kann in einer CCD- oder CMOS-Sichtbaugruppe benutzt werden, deren Sockel aus Keramik und deren Deckel aus durchsichtigem Glas ist. Derselbe Mittelkörper kann auch mit einem Metallsockel und einem Metalldeckel benutzt werden, um das Mikroplättchen gegen HF- oder elektromagnetische Strahlung abzuschirmen. Die Erfindung ermöglicht es auch, sonst inkompatible Materialien für die Baugruppenkomponenten unterzubringen. Beispielsweise weist das Glas, das als der Deckel in einer typischen Sichtbaugruppe benutzt wird, einen WAK von etwa 7 ppm/°C auf, wohingegen der Sockel, insbesondere wenn die Baugruppe auf eine Leiterplatte aufgebracht werden soll, einen WAK in dem Bereich von 15 bis 25 ppm/°C aufweist. Der Unterschied kann durch Benutzen eines Mittelkörpers, der aus einem Kunststoff mit einem WAK mit einem dazwischenliegenden Wert hergestellt ist, wie z.B. einem Durchschnitt aus dem WAK des Sockels und demjenigen des Deckels, plus oder minus 30 %, abgeschwächt werden. Dies wird die Neigung der Baugruppe verringern, entweder während der Herstellung der Baugruppe oder während der Temperaturzyklen, die während des Zusammenbaus nach der Herstellung und während der Prüfverfahren angetroffen werden, sich in die Richtung des Glasdeckels mit niedrigem WAK zu biegen oder in extremen Fällen zu verursachen, dass der Deckel reißt oder dass an den Klebelinien Lecks erzeugt werden.
  • Alle Herstellungsschritte für die Baugruppe können in einem Matrixformat durchgeführt werden, wobei mehrere Einheiten gleichzeitig in einer zweidimensionalen Matrix verarbeitet werden. Mit zweckmäßig positionierten Positionierungslöchern können die zweidimensionalen Matrizen aus benachbarten Komponenten zum gleichzeitigen Zusammenbau präzise ausgerichtet werden. Alternativ kann jede der Komponenten einzeln hergestellt und verbunden werden.

Claims (10)

  1. Verfahren zum Umhüllen einer Halbleiterschaltkreis-Vorrichtung zur Bildung eines versiegelten Gehäuses mit Lufthohlraum, wobei das Verfahren umfasst: (a) Löten der Halbleiterschaltkreis-Vorrichtung auf einen wärmeleitfähigen Sockel bei einer Temperatur über 250 °C; (b) Anbringen eines Kunststoffrahmens von Seitenwänden auf dem wärmeleitfähigen Sockel nach Beendigung von Schritt (a) durch Bilden einer Versiegelung der Seitenwände mit dem wärmeleitfähigen Sockel bei einer Temperatur unter 200 °C, wodurch eine Teilummantelung der Halbleiterschaltkreis-Vorrichtung gebildet wird, wobei der Kunststoffrahmen oder der wärmeleitfähige Sockel mit elektrisch leitfähigen Leitungen vorgeformt worden ist, derart, dass die Leitungen die Teilummantelung durchdringen; (c) Herstellen einer elektrischen Verbindung zwischen dem Schaltkreis der Halbleiterschaltkreis-Vorrichtung und den Leitungen; und (d) Anbringen eines Deckels auf der Teilummantelung, wodurch die Halbleiterschaltkreis-Vorrichtung von einem Gehäuse umhüllt wird, das für Gase im wesentlichen undurchlässig ist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Temperatur in Schritt (a) in dem Bereich von 300 °C bis 400 °C liegt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Temperatur in Schritt (b) in dem Bereich von 125 °C bis 185 °C liegt.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der wärmeleitfähige Sockel ein Metallsockel ist, der aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Kupfer, Legierungen von Kupfer, in denen Kupfer der Hauptbestandteil ist, Eisen-Nickel-Legierungen und Eisen-Nickel-Kobalt-Legierungen besteht, und der Deckel aus Kunststoffmaterial ist.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der wärmeleitfähige Sockel ein Glied ist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus Al2O3, BeO, AlN, SiN und Al2O3, das mit einem Glied modifiziert ist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus BaO, SiO2 und Cuo besteht, und der Deckel aus Glas ist.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Kunststoffrahmen entweder aus einem aromatischen Polyester oder aus einem Flüssigkristallpolymer gebildet ist.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Kunststoffrahmen und der Deckel beide aus thermoplastischem Polymer gebildet sind.
  8. Verfahren nach Anspruch 1, wobei Schritt (b) das Versiegeln des Kunststoffrahmens mit dem Sockel mittels eines warmhärtbaren polymeren Klebstoffes, der aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Epoxidklebstoffen, Polyamiden, Siliconen, Phenolharzen, Polysulfonen und Phenoxyklebstoffen besteht, umfasst.
  9. Verfahren nach Anspruch 1, wobei Schritt (b) und (d) das Versiegeln des Kunststoffrahmens mit dem Sockel bzw. des Deckels mit dem Kunststoffrahmen mittels eines warmhärtbaren polymeren Klebstoffes bei einer Temperatur in dem Bereich von 125 °C bis 185 °C umfassen.
  10. Verfahren zum Umhüllen einer optischen Halbleiterschaltkreis-Vorrichtung zur Bildung eines versiegelten Gehäuses mit Lufthohlraum, wobei das Verfahren umfasst: (a) Befestigen der Halbleiterschaltkreis-Vorrichtung auf einem Sockel mittels eines warmhärtbaren polymeren Klebstoffes bei einer Temperatur in dem Bereich von 125 °C bis 175 °C; (b) Anbringen eines Kunststoffrahmens von Seitenwänden auf dem Sockel nach Beendigung von Schritt (a) durch Bilden einer Versiegelung der Seitenwände mit dem Sockel bei einer Temperatur unter 200 C, wodurch eine Teilumhüllung um die Halbleiterschaltkreis-Vorrichtung gebildet wird, wobei der Kunststoffrahmen oder der Sockel mit elektrisch leitfähigen Leitungen vorgeformt worden ist, derart, dass die Leitungen die Teilumhüllung durchdringen; (c) Herstellen einer elektrischen Verbindung zwischen dem Schaltkreis der Halbleiterschaltkreis-Vorrichtung und den Leitungen; und (d) Anbringen eines Deckels auf der Teilumhüllung, wodurch die Halbleiterschaltkreis-Vorrichtung von einem Gehäuse umhüllt wird, das für Gase im wesentlichen undurchlässig ist, wobei der Deckel einen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, der weniger als 0,5 mal so groß ist wie der Wärmeausdehnungskoeffizient des Sockels.
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