專利名稱：內(nèi)含液體的微電子器件管殼及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總的來說涉及微電子元件封裝領(lǐng)域，更具體地說，本發(fā)明涉及一種簡單的、可制造性改善了的、內(nèi)含液體的管殼。
近年來，在電子設(shè)備的制造方面有越來越重視應(yīng)用于這些設(shè)備中的元件的可靠性和堅固耐久性的趨勢。由于幾個方面的原因，功率器件的有效散熱提出了一些特殊的問題。一般情況下，由光刻在半導體器件的上表面限定出的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生熱量，而與熱沉的熱傳導性的連接卻是通過器件的底部表面來實現(xiàn)的。因此熱量是從有源的器件區(qū)域開始，經(jīng)過芯片然后再耦合到熱沉。隨著器件集成度的增加，在器件的上表面產(chǎn)生更大量的熱量并通過熱導率和熱容量相對來說較差的半導體材料來進行耦合，這一點可以決定大規(guī)模集成電路和/或大信號或功率半導體器件的最大封裝密度。在芯片上表面上、其本身不一定產(chǎn)生熱量的器件被鄰近結(jié)構(gòu)加熱，從而影響這些器件的電學性能。
已經(jīng)嘗試過的一種排除熱量的途徑是將半導體器件放在一個經(jīng)特殊設(shè)計的、包含液體的器件管殼和蓋子內(nèi)。應(yīng)用了一種具有溫和化學性質(zhì)和合適的熱性質(zhì)(如汽化溫度和固化溫度)的介電液體。先有技術(shù)中的管殼應(yīng)用適應(yīng)于含液體的腔體并便于熱膨脹的熱交換結(jié)構(gòu)和/或真空管等。這些結(jié)構(gòu)方式對于許多微電子封裝的應(yīng)用方面來說在成本上是不經(jīng)濟的。此外，迄今為止發(fā)展的對腔體抽真空和用介電液體回填該腔體的技術(shù)是復雜的、勞動密集性的，很難適應(yīng)于大批量生產(chǎn)。再者，上述途徑應(yīng)用大的腔體和其中體積相對小的液體，在有某些加速作用的情況下上述方式不能保持液體與缺重的芯片區(qū)域的接觸，除非外殼處于一個特定的位置，這一點會使這種外殼較適用的應(yīng)用領(lǐng)域受到限制。
總之，目前需要的是提供充滿液體的或內(nèi)含液體的半導體器件管殼的制造方法和裝置，它們還提供改進了的可制造性，并適合于廣泛的應(yīng)用范圍。
簡要地說，本發(fā)明提供一種新的、改進了的、內(nèi)含液體的半導體器件管殼及其制造方法。該方法包括以下步驟提供一個管殼底座，該底座包含一個微電子器件及一個周邊配置在管殼底座上的密封區(qū)域;提供一個配置于管殼底座上面的蓋子以及提供一種設(shè)置于管殼底座和蓋子間的密封劑。該方法還包括以下步驟將管殼底座、密封劑和蓋子浸入一種其溫度高于密封劑的激活溫度的液體中，以及將管殼底座、密封劑和蓋子保持在該液體中經(jīng)歷一段足以容許液體進入管殼底座和蓋子間的管殼、并把密封劑加熱以活化該密封劑的時間。該方法還包括將管殼底座、蓋子和密封劑從該液體中移出以提供一個密封好的、內(nèi)含該液體的微電子器件管殼。
下面結(jié)合


本發(fā)明。
圖1示出了依據(jù)本發(fā)明的、內(nèi)含液體的微電子器件管殼的一個等比例視圖;
圖2描述了沿圖1的剖面線2-2所取的一個剖面?zhèn)纫晥D;
圖3描述了本發(fā)明的第二個實施例的一個剖面?zhèn)纫晥D;
圖4是一個依據(jù)本發(fā)明制造內(nèi)含液體的微電子器件器殼的一種方法的流程圖。
圖1是說依據(jù)本發(fā)明的、內(nèi)含液體的微電子器件管殼10的等比例視圖。具有由密封劑14密封到底座16上的蓋子12的管殼10內(nèi)封有一個微電子元件(在圖1中未示出)。管殼10可以是在現(xiàn)有技術(shù)中已知的許多種獨特的管殼類型中的任一種，如針狀柵格陣列或(PGA)管殼、由分立的蓋子和底座形成的雙列直插式或(DIP)管殼、球狀柵格列。多芯片組件基底、陶瓷管殼等等。
圖2描述了沿圖1的剖面線2-2所取的剖面?zhèn)纫晥D。具有以芯片鍵合的方式固定于其上的電子器件22的底座16按需要還包括通過如在現(xiàn)有技術(shù)中已知的引線鍵合、焊料沖擊(solder bumping)等方法與器件22進行電耦合的外部電互連線(未示出)。由單層氧化鋁制成的底座(如底座16)或由絕緣材料制成的、備有電子連線的多層底座可從如加州圣地亞哥的Kyocera國際公司等多個賣主處購得。
底座16是通過配置在蓋子12和/或底座16周圍的密封劑14與蓋子12相結(jié)合的，這樣就提供了充填了液體的腔體24。
圖3為表示管殼10(圖1)的第二個實施例的剖面?zhèn)纫晥D。圖3的實施例類示于圖2的實施例，所不同的是管殼內(nèi)的部分26未被液體充滿，即，它是在液體23之上和在蓋子12內(nèi)的一個氣泡。這種結(jié)構(gòu)的安排使得氣泡部分26能吸收例如液體部分23由于熱響應(yīng)而膨脹所產(chǎn)生的應(yīng)力。
由各種各樣合適的材料(陶瓷、包括沖壓成形的金屬蓋的金屬、塑料等)制成的蓋子(如圖1-3的蓋子12)，其形狀和尺寸符合購買者需要的規(guī)格，按要求附有或不附有配置在其上的密封劑(如具有預(yù)定活化溫度的B級環(huán)氧樹脂或具有預(yù)定組分和熔融溫度的焊料)，可以從包括加州圣地亞哥的Kyocera國際公司的許多賣主處購得。
適合于包含在本發(fā)明的管殼內(nèi)的介電液體至少要具有以下五種性質(zhì)(ⅰ)化學性質(zhì)溫和(在器件所處的環(huán)境內(nèi)是非反應(yīng)性的)，(ⅱ)具有低于半導體器件管殼的預(yù)期工作溫度范圍的液-固相變(或“凝固”)溫度，(ⅲ)在預(yù)期的工作溫度范圍內(nèi)是非電導性的，(ⅳ)具有良好的熱導性，(ⅴ)氣-液相變溫度在預(yù)期的工作溫度范圍內(nèi)或高于該范圍。
在一些情況下，希望受益于通過使外殼內(nèi)的一些液體沸騰而提供的熱交換，而在另一些情況下，液體的熱傳導和對流本身就足以提供半導體器件22所需要的冷卻。對于前者的情況，希望提供一個大小可控的象圖3中26那樣的區(qū)域，以便在提供一個汽化了的材料可在其中凝聚的容積的同時在芯片表面上維持一層液體以及使液體23可以熱膨脹。對于前者的情況，還有必要應(yīng)用一種在活化溫度下經(jīng)受一種不可逆變化(如化學反應(yīng))的密封劑，而不是焊料(舉例來說)。部分26的大小或體積要大到能消除熱應(yīng)力并小到能使半導體器件22在正常的工作狀態(tài)下被流體復蓋。
按照本發(fā)明適合應(yīng)用的介電液體至少要具有兩個附加特性(ⅵ)不防礙密封劑潤濕底座和蓋子和(ⅶ)汽化或沸騰溫度高于密封劑的活化(如化學變化或相變)溫度。合適的液體的沸點范圍如下大于125℃可用，大于100℃合乎需要，大于50℃最好。具有在可用范圍內(nèi)的凝點溫度和沸點的液體的實例包括可從3M公司(st.Paul，MN)處購得的Fluorinert 族低分子量過氟化處理過的液體(例如，CF3-〔(O-C2F4-CF2)n)-(O-CF2)m〕-O-CF3)，以及可從意大利米蘭的Montefluos公司處購得的Galden 組產(chǎn)品。
舉例來說，3M公司產(chǎn)的FC-40的特征在于它是一種每個分子中有5至18個碳原子的、經(jīng)過過氟化處理的碳的化合物的混合物，其沸點約為155℃，室溫下的粘性約為2.2厘沱，比重約為1.9，它不防礙諸如B級環(huán)氧樹脂一類的環(huán)氧樹脂對金屬或陶瓷的潤濕且至少比某些這類環(huán)氧樹脂的一些活化溫度高。
圖4是依據(jù)本發(fā)明密封內(nèi)含液體的微電子器件管殼的一種方法的流程圖。提供內(nèi)含液體的管殼的方法開始后(框圖30)，按與其后的工藝步驟一致的方式進行芯片固定和制作連接到芯片的電互連線(框圖32)。該方法包括將一個蓋子和具有一個微電子器件的底座(該微電子器件以物理的和電學的方式連接到該底座上)一起放在一個載體上(框圖34)，其中該蓋子和/或底座可以包括配置在其周邊的密封劑。在另一種方式下，該密封劑可以是安放在蓋子與底座之間的一種預(yù)成型坯料。然后，將包括蓋子、底座和密封劑的該載體放置在一個該管殼將含有的液體的加熱浴鍋中(框圖36)。將該浴鍋(預(yù))加熱至某個溫度，在該溫度下該密封劑或是經(jīng)受一種相變(例如，焊料類材料或熱塑性材料的熔化)或是經(jīng)受一種化學變化(例如，B級環(huán)氧樹脂之類的熱固性材料的凝固)，這樣蓋子凝固結(jié)合和密封到底座上(框圖38)。該密封劑在待密封的體積周圍形成一種連續(xù)的密封。在密封的工藝過程中，被封于管殼內(nèi)的氣體被加熱，大部分氣體從待被密封的區(qū)域被排出來(框圖38)而由該液體取代在管殼內(nèi)的大部分氣體。將管殼從浴鍋中移出，這樣就在管殼底座和蓋子間形成了密封(框圖40)。這時，內(nèi)含液體的管殼內(nèi)的器件就已準備好(框圖42)可進行下一步的測試(例如，檢驗密封的整體性、電氣性能等等)。
在一些情況下，希望讓液體大致上或完全地充滿管殼內(nèi)部。將蓋子12翻過來放置，將底座16同密封劑14一起放在翻轉(zhuǎn)過來的蓋子12之上并將蓋子/底座的組合件浸在該液體中，使氣泡沒有機會封入管殼10中。在另外一些情況下，有望提供一個如圖3的26那樣的氣泡。這一點可通過將底座16放在一種非翻轉(zhuǎn)的位置上，將蓋子12放在底座16的頂上并將上述組合浸在該液體中的方式來實現(xiàn)。呈碗形的蓋子12把體積可控制的氣體密封在管殼中，從而提供一種其中主要成分是液體并包含一個氣泡的密封外殼。另一種方式也是可以的即底座內(nèi)可以是碗形或凹坑形，而蓋子可呈現(xiàn)一種扁平表面。
通過以上所述，提供了一種封裝了的微電子器件及其制造方法，相對于先有技術(shù)中的方法和結(jié)構(gòu)來說，本發(fā)明克服了一些具體問題并且有一定的優(yōu)點。本發(fā)明的工藝以一種簡單的、低成本的方式有利于同時進行從管殼內(nèi)去除空氣、把熱變換液體加入到外殼內(nèi)和密封管殼。通過這樣的安排，將微電子器件產(chǎn)生熱的部分置于直接與一種能從該處通過熱導、對流和/或相變(蒸發(fā))的方式去除熱量的液體相接觸，這樣就直接在電路產(chǎn)生熱量的部分提供了熱沉功能。該管殼制造工藝非常簡單明確，它不需要特殊的工具、復雜的工藝操作，也不包括應(yīng)用已知對操作者和環(huán)境有害的化合物，為微電子器件提供了堅固耐久的裝封。
本發(fā)明對于公知技術(shù)的改進是意義重大的，這些改進包括制造上簡易化、低制造成本、成品率提高和安裝和應(yīng)用中堅固耐久性的改善。
權(quán)利要求
1.一種包含一種液體的微電子器件管殼，它包括一個底座；一個安裝在底座上的微電子器件；一個復蓋微電子器件的蓋子；一種配置在該底座和該蓋子之間的密封劑，該密封劑將蓋子固定到底座上以形成一個在上述兩者間中空的、密封的腔體，該密封劑具有一個活化溫度；和一種配置在該密封的腔體中的液體，該液體的特征在于，它是一種沸點高于所述活化溫度的過氟化碳的混合物。
2.如權(quán)利要求1的器件管殼，其中，所述密封劑是一種具有一個活化溫度的熱活化環(huán)氧樹脂，該活化溫度的特征在于它的凝固溫度低于該液體的沸點。
3.如權(quán)利要求1的器件，其特征在于，該底座是由氧化鋁制成的。
4.如權(quán)利要求1的器件，其特征在于，該液體是一種沸點高于125℃的過氟化碳的混合物。
5.如權(quán)利要求1的器件，其特征在于，該蓋子是一種沖壓成形金屬蓋，它具有一個自底座向上延伸的凹形坑，用于在液體之上提供一個具有預(yù)定的容積的氣阱。
6.如權(quán)利要求1的器件，其特征在于，該蓋子是一種沖壓成形的金屬蓋。
7.如權(quán)利要求1的器件，其特征在于，該蓋子包括配置在該蓋子周圍的密封劑，該密封劑是一種凝固溫度低于所述液體沸點的熱活化了的環(huán)氧樹脂化合物。
8.一種充填在封有一個半導體器件的管殼內(nèi)的腔體的方法，其特征在于下列步驟加熱一種液體至一個第一溫度;將具有一個蓋子和一個底座的、在該蓋子和該底座之間包括一種固化溫度低于該第一溫度的密封劑的管殼放入該液體中以使該蓋子密封到該底座上;和將該管殼放在該液體中直至該腔體包容該液體且該密封劑被固化。
9.如權(quán)利要求8的一種方法，其中，將該外殼放在該液體中的步驟包括一個將該外殼留在該液體中直至該腔體充滿液體為止的步驟。
10.如權(quán)利要求8的一種方法，其中，將該外殼放在該液體中的步驟包括一個將一種具有一個活化溫度的熱活化環(huán)氧樹脂密封劑包括在該蓋子和該底座之間的步驟，該活化溫度低于該液體的沸點。
全文摘要
一種含液體的微電子器件管殼及其制作方法。該方法包括以下步驟提供一個包括一個微電子器件的底座和一個配置在該底座周圍的密封區(qū)域；提供一個蓋子和一種配置在底座和蓋子之間的密封劑；將底座、密封劑和蓋子浸沒在溫度高過密封劑活化溫度的液體中，并將底座、密封劑和蓋子保持在液體中長達足以容許液體從底座和蓋子之間進入并足以對密封劑進行加熱而使其活化的時間。
文檔編號H01L23/22GK1109219SQ9411527
公開日1995年9月27日 申請日期1994年9月12日 優(yōu)先權(quán)日1993年9月13日
發(fā)明者布里安·A·韋伯, 羅伯特·M·溫特沃斯 申請人:莫托羅拉公司