帶有導熱支持元件的電子封裝件的製作方法
2023-05-22 12:52:21 2
專利名稱：帶有導熱支持元件的電子封裝件的製作方法
技術領域：
本發明步及到電子封裝，確切地說是採用電路化襯底和半導體器件(晶片)作為其部件的一種封裝。更確切地說，本發明涉及到用於信息處理系統(計算機)領域的電子封裝。
在計算機工業界已知採用半導體晶片作為其部件的電子封裝，其例子在美國專利證書4,004,195(Harayda等人)、4,415,025(Horvath)、4,593,342(Lindsay)、4,914,551(Anschel等人)、4,962,416(Jenes等人)以及5,278,724(Angulas等人)中已描述過。特別是專利4,593,342和5,914,551中，半導體晶片電耦合到柔性的薄的電路化襯底上，此襯底本身又電耦合到一個諸如印刷電路板(PCB)之類的第二襯底上。半導體晶片本身被熱連接於一個分立的熱沉元件以使運行過程中晶片產生的熱得以發散。此六個專利綜合於此作為參考。
當然，現代電子封裝工業的主要目的是大大提高組成這些封裝件的各種元件(如半導體晶片和電路化襯底)的電路密度。密度的增加就迫使運行過程中半導體晶片所產生的更多的熱量要有效地交換，這種熱交換對於保持晶片溫度在一定的範圍以得到高的晶片可靠性並從而提高整個封裝件的使用壽命來說是至關重要的。這一高密度還迫使要有效地提供晶片同相關電路(如作為其部件的電路化襯底的電路)的電耦合方法。
如此處所述，本發明的電子封裝代表了一種特別適用於帶有高電路密度的半導體器件和相關的電路化襯底作為其部件的密集結構。而且，此處所述的封裝可提供能夠相當容易而便宜地安裝的獨特結構性能(高的功率耗散能力和優越的電學性能)。而且，此結構適合於採用各種不同的半導體晶片結構和相關的電路化襯底結構，從而提供一種更為理想得多的封裝通用性。再者，此處所述的本發明可容易地適應於各種晶片安裝工藝(例如引線、熱壓或熱聲焊、焊接等)。
可以認為，具有上述和此處所述的其它特性的電子封裝，代表了電子封裝領域的一個明顯的進展。還可認為，製作這種封裝件的新的獨特的方法將是對本領域的一種貢獻。
因此，本發明的主要目的是提供一種具有此處所述的一些優點的電子封裝件，以提高電子封裝技術。
本發明的另一目的是提供一種製造這種電子封裝件的方法。，根據本發明的一種情況，確定了一種電子封裝件，它包含一個質地堅實的導熱的支持元件、一個電絕緣地焊接於支持元件上的薄的電路化的襯底、以及一個也焊接於支持元件上的半導體器件。薄的電路化的襯底包括一個至少有一層電路的介電元件，而半導體器件在相對於薄的電路化襯底的電路的位置處導熱地焊接於支持元件上。半導體器件電連接到電路化襯底的電路上。
根據本發明的另一情況，確定了一種製造電子封裝件的方法，此方法包含下列步驟提供一個質地堅實的導熱的支持元件，將一個薄的電路化襯底直接焊接到此支持元件上，將一個半導體器件導熱地焊接到導熱的支持元件上，以及將半導體器件電連接到組成薄的電路化襯底的部件的電路上。薄的電路化襯底電絕緣地焊接到導熱的支持元件上。
圖1示出了用於本發明的薄的電路化襯底的一個實施例；圖2表示圖1襯底的高倍放大局部剖面，其上附著有一個焊接元件；圖3-6表示根據本發明的一個實施倒來生產電子封裝件的各個步驟，圖6中包括用前述焊接元件來使電路化襯底連接到第二電路化襯底的步驟；圖7-9表示根據本發明的另一實施例來生產電子封裝件的另一組步驟；以及圖10表示根據本發明的再一個實施例的一個帶有導熱支持元件的電子封裝件。
結合上述附圖，參照下列公開的例子和所附的權利要求，以便更好地了解本發明及其其它的目的、優點和功能。
圖1示出了根據本發明的一個實施例適用於電子封裝件13(圖4)的一例薄的電路化襯底11。薄襯底11最好包含一個成相當薄(例如約0.001-0.005英寸厚)的介電材料層狀的介電元件15，最好是聚醯亞胺。市場有售的此種材料的已知例子包括Kapton(杜邦公司的一種商標)和Upilex(Ube產業的一種商標)。襯底11最好包括至少一層可根據本產業熟知的光刻方法來形成的電路17。通常此種電路包括銅或相似的連接金屬作為其部件。在圖1所述實施例中，襯底11還包括一個位於介電元件15的第一層17反面上的第二導電層19。此第二電路層的材料同層17相似，且用熟知的工藝來製作。採用金屬化孔(PTH)21或其它適當的方法可實現17和19二層間的互連。用已知的工藝可製作這種鍍通孔，無需贅述。
在圖1所示的電路化襯底的實施例中，當然其中的一層(如17)電學上可用作信號層，而反面的一層(如19)主要用作接地層。
各層的厚度可在約0.0005-約0.002英寸範圍內，這樣形成的襯底11其總厚度為約0.002-0.009英寸。因而認為此結構是很薄的。
圖2所示(只示出了一部分)的襯底11還包括一個如所示位於各PTH電接觸中的焊接元件23。在本發明中有可能為用於襯底11的各個PTH提供焊接元件23。圖2隻示出了一個焊接元件，但這不是本發明的限制。在本發明的一個例子中，襯底11總共包括736個PTH21和相同數目的焊接元件23。
各焊接元件最好用回流焊方法焊接到各個PTH，其中預製的焊球圖形與各PTH對準，且以此法使PTH物理接觸，之後加熱以引起焊球至少部分地熔化並使焊料經由各內部窗口22(圖2)發生毛細運動之類。最佳焊料為Sn∶Pb=10∶90的焊料。作為變通，採用多種焊料元件(如Sn∶Pb=37∶63)並使其上的各PTH 21位於上述焊料元件極近處來形成這種焊料連接，也屬於本發明的範圍。然後加熱，使焊料元件「起球」並填入各PTH。適合於上述焊接操作的溫度最好在約170℃-約225℃範圍。注意美國專利證書5,133,495(Angulas等人)，其中說明了採用的焊料即使在二個電路化襯底(例如一個PCB和一個柔性電路)之間也「起球」並形成連接。此專利也綜述於此作為參考。
在上述焊接元件用於襯底11之前，一個保護材料鍍層25可用來覆蓋電路層17的選定部分。此材料的一個例子是名為Scotchcast(明尼蘇達礦業公司出售的產品)的市售改型聚合樹脂。Scothchcast通常包括(重量比)約47％的環氧聚合物、約52％的硬化劑和增塑劑混合物以及約0.4％的著色劑。硬化劑和增塑劑混合物含有約25-39％的六氫鄰苯二甲酸酐、約50-75％重量比的聚丙二醇和/或聚氧亞丙基二醇增塑劑、約0.85-1.0％重量比的叔胺和少量的六氫化鄰苯二甲酸。這種材料在本技術領域中是熟知的，無需贅述。此保護層的目的是在諸如將如圖4和5所示的成品封裝件連接到諸如PCB 27(圖6)之類的外部第二襯底的後工序中，用來保護電路17。這種鍍層可防止可能的離子沾汙形成在電路上，這種沾汙在電路的最終使用中可能有不利影響(為引起電路短路)。前述的加熱步驟最好採用熱空氣或將元件放在適當的爐子中。若使用爐子，當加以前述溫度時，在約1.5-5分鐘的時間內，襯底11的焊料就附著到PCB上。關於焊料的採用，如果需要，用於本發明的最佳焊料可從Alpha金屬公司購到。
在圖3中，按位帶有焊接元件23的電路化襯底11被直接焊到導熱支持元件31上。如所示，元件31的結構為細長的大體平面狀，而且其中最好包括一個凹槽33。元件31最好是一個導熱良好材料例如銅構成的金屬片。在最佳實施例中，元件31是由起始厚度約為0.020英寸的銅片製作的。這種厚度的元件31是質地堅實的，可用作最終封裝件的加強元件，從而當襯底11焊接於其上時，可確保薄的電路化襯底大體成平面狀，此襯底在無支持的情況下將是柔性的並易於彎曲。這代表了本發明的一個重要特徵，以致如圖5(和圖8)所示，在結構中可有效地保持襯底11的平面狀，特別是由於此結構在後工序中還要經受諸如焊接到外襯底(圖6和9)之類的額外工序。
用電絕緣粘合劑將襯底11固定到元件31。根據本發明的最佳實施例，一種成功地用於本發明的粘合劑包含一薄層聚醯亞胺，其一面或二面上塗覆有一薄層矽樹脂粘合劑。
圖4示出了一個半導體晶片41，也是直接地安裝在支持元件31的最佳位置的凹槽33處。晶片41可選自本技術的各種已知晶片，因而可有不同的尺寸，都可以容易地用作本發明的部件。晶片41最好採用諸如前述明尼蘇達礦產公司的改型Scotchcast產品的優良導熱粘合劑採粘合到元件31上。若打算將晶片41電連接到支持元件31，例如作為一個接地電位，則選用的粘合劑也可以是導電粘合劑。如圖4所示，晶片41還包括多個位於其外表面45上的電接觸位置43。在半導體晶片上採用這種位置43是眾所周知的，無需贅述。如圖4所示，這些位置43大體上是平面狀，而且在圖4所示的方位中，最好同襯底11上電路的相應位置(相鄰)層17大體共平面。或者，晶片也可位於比襯底11更深處，以使位置43的平面比此處所示的更凹進去。這是本發明的一個顯特徵，它使各位置43和形成層17的相應部件(如導線或焊點)之間的下一步電連接變得更容易。
在圖4中，提供此種連接的最佳方法是採用焊線操作，其例子在本技術中是眾所周知的，無需贅述。採用熱聲、熱壓、雷射和雷射聲、或其它種類的焊接來提供各導線(49)和相應的被連導電元件之間的連接，也屬於本發明的範圍。這種導線49通常可以是鋁或金材料。
前述電連接之後，最好加入一定數量的包封劑51(圖5)，以大致覆蓋晶片41的外表面45和有關的導線49以及部分相鄰電路層17。此種包封劑的一個例子是Hysol FP4511，這是一種流動性的液態環氧凝膠，其特點是粘滯性低和應力低。(Hysol是紐約州Olean的Dexter公司的商標)。當襯底和支持元件相對於圖4和5所示方位被倒轉時，最好實行這種有如前述引線焊接操作中的包封。這樣，包封劑51就硬化(凝固)了大體如圖5所示的結構。
圖5所述的電子封裝結構至此即可與相關的電路結構(如圖6所示的PCB 27)進行電連接，從而進一步擴展本發明的應用範圍。在圖5的實施例中，所示的方位在元件運行過程中，當然就使晶片41的熱量更容易經由導熱粘合劑(53)流嚮導熱支持元件31。圖5所示的包封劑51可延伸到完全覆蓋晶片41的整個外表面，如有必要，可包括晶片的各個側面55。這一大範圍包封為晶片41提供了進一步的保護。
圖6示出了電連接於PCB 27之上的襯底11和支持元件31。在最佳實施例中，PCB 27包括許多根據與襯底11上焊球23的相應圖形相當的一定圖形而彼此分隔地位於其上表面62的導體61(如銅焊點)。其上帶有焊接元件23的襯底降低到PCB 27位置與之物理嚙合，因而使元件23同各導體61物理接觸。然後加熱(例如210℃)使至少部分地熔化焊接元件23從而與各導體61連接起來。採用美國專利證書5,203,075(Angulas等人)所述的工藝(其中，在各導體上採用一適當的焊料，且這些焊料通過各焊球元件23物理嚙合並形成結)也屬於本發明的範圍。5,203,075的方法因而也綜合於此作為參考。
所示導體61本身可電連接於PCB27的介電材料中的內部導電平面(未示出)，在PCB產業中已知這些平面是用作信號、接地或供電平面的、無需贅述。圖5所示的電子封裝結構至此當然已在許多單獨的位置上電連接到了PCB27。用這種辦法，PCB27本身可用本技術領域熟知的方法安裝並電連接到電子計算機中(例如在處理器機盒中)。
圖7-9示出了根據本發明另一實施例製作電子封裝件的另一方法。在圖7中，晶片41用相似於圖4中固定晶片41的方法，先固定在支持元件31的凹槽33位置上。如所示，採用相似的導熱粘合劑53使晶片41確保定位，然後如圖8所示，將襯底(11′)對準並固定在元件31。這一固定是採用相似於圖4實施例的粘合劑來完成的。襯底11′稍許不同於圖1的襯底11，其電路層17最好包括多個凸出的導線71作為其部件，這些導線延伸越過形成在襯底上的內部窗口73。當然，在圖4的最佳實施例中，襯底11也包括相似的窗口73。這種凸出的引線71相對於介電體15呈懸臂狀，並設計為在襯底11′最終固定到支持元件31時，用來與晶片41上各個接觸位置43進行對準。這種對準可用照相機或本技術領域熟知的其它精確方法來進行。採用熱壓焊或根據本技術領域熟知的前述其它方法，可實現引線71和位置43的最終連接，無需贅述。
在上述懸臂導電元件71和各接觸位置43連接之前，以及在上述圖4實施例中引線焊接之前，在電路17的各導體上以及在各接觸位置43上，最好加一薄層貴金屬(如金)，以增強其間的連接。
圖9示出了電連接於PCB 27的圖8封裝件，此連接最好根據圖5實施例所用的工藝來完成。
圖10示出了根據本發明的再一實施例的電子封裝件13′。像圖4中封裝件13一樣，封裝件13′包括一個電路化襯底11，它在本發明的一個實施例中可能與圖4實施例中使用的完全相同。或者，此襯底也可相似於圖8中的襯底11′。在圖10中，封裝件13′包括一個結構不同於上述各實施例的熱導支持元件31。具體地說，支持元件31′包括一個最好由一單片厚度大體相似於上述實施例中支持元件31的金屬組成的平面狀基底81，還包括至少一個分隔層83，如圖所示，83最好周上述固定晶片41到支持元件31所採用的導熱粘合劑來固定到基底81上。在最佳實施例中，至少使用了二個分隔層83，各用於其上襯底11的相應部分。襯底11最好用相似於上述用來固定襯底11到元件31的導電粘合劑(54)來固定到分隔層83上。在一個實施例中，各分隔層還包含銅或鋁導熱材料，且厚度僅為約0.025英寸。這樣，支持元件31′的分隔層和基底元件的總厚度僅為約0.029英寸。在圖10的實施例中，分隔層用來有效地將襯底11上電路的外層17與外表面分隔開來，並在晶片定位於襯底11和相鄰分隔層元件83所界定的窗口73時，用來確定晶片41(示於虛框中)的接觸位置43的位置。可以理解，這樣就可以將晶片41定位在窗口73中並固定到相對於窗口73的那部分基底81上。晶片41採用相似於圖4和8中固定晶片41的導熱粘合劑來固定。採用上述(圖4)引線焊接操作可實現向各電路層17的連接，襯底11也可包括如圖8實施例所採用的懸臂導線元件。
這就描述完了一種電子封裝件及其製造方法，其中封裝件的半導體晶片和薄的電路化襯底元件都固定在一個共用的導熱支持元件上，此導熱支持元件如所述而同時用作熱沉和加固元件以便為其上的薄的電路化襯底提供質地堅實的支持。此封裝件如所述，使半導體晶片相對於此電路上至少一層的定位變得容易，同時還確保了最終封裝中晶片和電路化襯底二者的固定。而且，這種封裝件易於適應向諸如PCB之類的分立導電襯底進行後續安裝和耦合。
雖然已描述了本發明的各最佳實施例，但是很顯然，對本領域一般技術人員來說，在不超越所附權利要求確定的本發明的範圍的前提下，可做出各種修正和改變。
權利要求
1．一種電子封裝件包括一個質地堅實的導熱支持元件；一個薄的柔性的電路化襯底，包括有置於其第一表面上的第一電路層，所述薄的柔性的電路化襯底包括位於所述介電元件內並和所述第一電路層電連接的多個導體通過口，所述薄的電路化襯底以電絕緣的方式直接固定到所述支持元件上，包括沿著其上有所述多個導體通過孔所述介電元件的部分；以導熱方式，在所述電路化襯底的所述第一電路層的相對位置被固定到所述支持元件的半導體器件，所述半導體器件包括其上有多個電接觸位置的表面，用於電連接到所述電路化襯底的所述電路的所述第一層上；和多個焊接部件，每個位於所述導體通過孔的所選擇的一些上，並與之電連接，每個所述焊接部件包括在選擇的一些所述導體通過孔的相應一個中擴展的第一步部分，和一個圓形的第二部分，從所述導體通過孔凸出，並適於和一個外部電路化襯底電連接。
2．權利要求1的電封裝件，其特徵在於，所述焊接部件由10∶90的錫鉛組成。
3．權利要求1的電封裝件，其特徵在於，進一步包括位於基本和所述導體通過孔及所述多個焊接部件相鄰的所述薄的柔性電路化襯底上的保護層。
4．權利要求1的電封裝件，其特徵在於，所述導熱支持元件包括一個金屬片部件。
5．權利要求1的電封裝件，其特徵在於，所述金屬片元件由銅組成。
6．權利要求1的電封裝件，其特徵在於，所述導熱支持元件上包括至少一個凹槽，所述半導體部件固定在所述支持元件的所述凹槽位置。
7．權利要求1的電封裝件，其特徵在於，所述半導體部件的所述電接觸位置的選定的一些，通過多條導線被電連接到所述電路化襯底的所述第一電路層。
8．權利要求1的電封裝件，其特徵在於，所述薄的柔性電路化襯底的所述第一電路層包括多個凸出的引線部件，所述凸出的引線部件中選定的一些被電連接到所述半導體部件的所述電接觸位置的相應一個上。
9．權利要求1的電封裝件，其特徵在於，所述導熱支持部件既作為所述電封裝件操作期間所述半導體器件產生的熱量的熱沉部件，又作為加固元件，使所述薄的電路化襯底基本保持在平面取向。
10．權利要求1的電封裝件，其特徵在於，進一步包括在所述薄的柔性電路化襯底上的第二電路層，所述薄的柔性電路化襯底的所述電路的第二層和所述導熱支持部件相對，並且通過所述導體通過孔中的一個或多個和所述第一電路層電連接。
11．權利要求1的電封裝件，其特徵在於，所述薄的柔性電路化襯底通過電絕緣黏合劑被固定到所述導熱支持部件上。
12．權利要求1的電封裝件，其特徵在於，所述半導體器件通過導熱黏合劑被固定到所述支持部件上，從而所述半導體器件發出的熱量將容易地傳到所述導熱支持部件。
13．權利要求1的電封裝件，其特徵在於，進一步包括一定數量的包封材料，它大體上覆蓋至少一部分上述半導體器件，和至少一部分上述薄的柔性電路化襯低的所述電路。
14．權利要求1的電封裝件，其特徵在於，進一步包括第二電路化襯底，所述多個焊接元件的所述圓形第二部分和所述第二電路化襯底電連接。
15．權利要求1的電封裝件，其特徵在於，所述導熱支持部件包括一個基底和至少一個分隔元件，所述分隔元件將所述薄的柔性電路化襯低和所述基部分隔開預定距離。
16．權利要求1的電封裝件，其特徵在於，每個所述焊接部件的所述第一部分從所述焊接部件的所述凸出的圓形第二部分，凸出到所述通過孔的相對側的所述相應導體通過孔之外。
17．一種製造電子封裝件的方法，所述方法包括提供一個質地堅實的導熱支持元件；以電絕緣方式將至少一個薄的電路化襯底直接固定到所述導熱支持部件上，所述薄的電路化襯底包括有至少一個電路層的介電部件；以導熱方式將半導體器件固定到所述導熱支持部件的一個相對於所述電路層的位置；電連接所述半導體器件到所述薄的電路化襯底的所述電路上；和基本上用封裝材料覆蓋所述半導體器件的至少一部分和所述電路的至少一部分。
18．權利要求17的方法，其特徵在於，用黏合劑將所述薄的電路化襯底固定到所述導熱部件。
19．權利要求17的方法，其特徵在於，用黏合劑將所述半導體器件固定到所述導熱支持部件上。
20．權利要求17的方法，其特徵在於，用線固定操作實現所述半導體設備到所述薄的電路化襯底的所述電路的所述電連接。
21．權利要求17的方法，其特徵在於，所述半導體器件到所述薄的電路化襯底的所述電路的所述電連接是通過熱壓縮固定操作實現的。
22．權利要求17的方法，其特徵在於，在將所述薄的電路化襯底固定到所述導熱支持部件之後，進行所述半導體器件到所述導熱支持部件的所述固定。
23．權利要求17的方法，其特徵在於，在所述導熱支持部件上提供凹槽，之後將所述半導體器件固定到所述支持部件上，所述半導體器件在所述凹槽位置被固定到所述支持部件上。
24．權利要求17的方法，其特徵在於，進一步包括將多個焊接部件固定在所述薄的電路化襯底的所述電路層的選定位置上的步驟。
25．權利要求24的方法，其特徵在於，進一步包括提供一個第二電路化襯底，和電連接所述薄的電路化襯底到所述第二電路化襯底，用所述焊接部件實現所述電連接。
全文摘要
一種電子封裝件,它包括一個堅實的支持元件(例如銅片),其上固定有封裝的半導體晶片以及電路化襯底元件。用導熱粘合劑來固定晶片,而電路化襯底(最好是一種柔性電路)用電絕緣粘合劑來固定。最好用引線、熱壓或熱聲焊接來使晶片電連接到襯底電路的設定部分。可使用包封劑來覆蓋並保護晶片和襯底間的連接。此種封裝件本身可以電連接到諸如印刷電路板那樣的分立的第二襯底上。
文檔編號H01L23/498GK1215920SQ9811691
公開日1999年5月5日 申請日期1998年9月4日 優先權日1994年1月28日
發明者F·E·安德羅斯, J·R·布普, R·B·漢默, M·迪皮特羅 申請人:國際商業機器公司