專利名稱:散熱性能改善了的大規(guī)模集成電路封裝的制作方法
本發(fā)明涉及大規(guī)模集成電路和超大規(guī)模集成電路封裝，特別涉及能大量散熱的大規(guī)模集成電路和超大模規(guī)模集成電路的塑料封裝。
封裝集成電路越來(lái)越多地采用塑料芯片載體。塑料芯片載體價(jià)廉，可靠性高，因而特別適合儀表、電子計(jì)算機(jī)、工業(yè)控制、電信、文娛和某些非關(guān)鍵性的軍事用途上。但塑料密封的器件極不適宜進(jìn)行散熱量大于一瓦的散熱。鑒于越來(lái)越多的線路都組裝成集成電路，因此日益迫切需用能驅(qū)散更多熱量的塑料封裝。
大規(guī)模集成器件和超大規(guī)模集成器件，其電路的工作溫度極限要求特別嚴(yán)，因而與這些器件有關(guān)的散熱問(wèn)題變得特別敏銳。盡管功率晶體管的基片能在200℃溫度下令人滿意地工作，但對(duì)大規(guī)模集成或超大規(guī)模集成的基片來(lái)說(shuō)，則要求更低得多的最高工作溫度。工作溫度極限值之所以要求低，是因?yàn)榻o半導(dǎo)體摻雜以制造大規(guī)模集成或超大規(guī)模集成電路元器件用的雜質(zhì)有熱遷移性所致。在功率晶體管中，各摻雜區(qū)較大，因而對(duì)雜質(zhì)因熱引起的往毗鄰各區(qū)的某些相互擴(kuò)散作用要求不怎么嚴(yán)格。然而，鑒于大規(guī)模集成和超大規(guī)模集成器件所采用的幾何圖形的細(xì)部是如此精細(xì)，以致即使較小量的雜質(zhì)相互擴(kuò)進(jìn)毗鄰各區(qū)中也會(huì)使大規(guī)模集成或超大規(guī)模集成器件不能再用。(意大利，阿格累特)SGS-Ates公司銷售的封裝具體說(shuō)明了解決大規(guī)模集成電路散熱的一種方法。在該器件中，采用了介于集成電路與電路板之間的引線框架來(lái)傳熱。例如在44腳封裝中，有33個(gè)引線作為信號(hào)引線，其它(在一側(cè)的)11個(gè)引線則用以傳熱到印制電路板上。11個(gè)引線一端個(gè)個(gè)都焊接到電路板上，另一端則粘接到管芯底上。SGS-Ates聲稱的結(jié)面外殼間的熱阻在12℃/瓦的數(shù)量級(jí)，相比之下，普通塑料封裝的熱阻系在20℃/瓦至100℃/瓦之間。
散熱問(wèn)題的其它解決方法還有功率晶體管和小規(guī)模集成電路器件各構(gòu)件所使用的技術(shù)。功率晶體管往往裝在金屬外殼中，這些金屬外殼系作散熱器或作為通到散熱裝置的渠道。在這種結(jié)構(gòu)中，金屬外殼系直接焊接到半導(dǎo)體基片上，從而降低了基片與環(huán)境之間的熱阻，同時(shí)使金屬外殼成為晶體管器件的電氣接線端。
這種結(jié)構(gòu)對(duì)大規(guī)模集成電路和超大規(guī)模集成電路都不適用。制造大規(guī)模集成電路和超大規(guī)模集成電路用的基片有時(shí)要求與器件封殼電氣絕緣。雖然金屬封殼可使其與其它電路元件電氣絕緣(例如在某些功率晶體管中借助于云母絕緣墊圈和不導(dǎo)電構(gòu)件)，但這種方法對(duì)多數(shù)大規(guī)模集成電路器件和超大規(guī)模集成電路器件來(lái)說(shuō)卻提供了不能令人滿意的高熱阻。
同樣，某些小規(guī)模集成電路封裝采用傳熱性環(huán)氧樹脂將熱量傳遞到封裝外。但這類環(huán)氧樹脂壓焊的封裝技術(shù)如果應(yīng)用在大規(guī)模集成和超大規(guī)模集成工藝中其熱阻還是太高。
降低工作溫度除了滿足大規(guī)模集成電路和超大規(guī)模集成電路為使雜質(zhì)的熱相互擴(kuò)散盡量減小的要求外，也是延長(zhǎng)電路使用壽命所必需的。研究結(jié)果表明，集成電路在140℃至180℃工作溫度范圍內(nèi)每降低10℃，工作壽命就大致上翻一番。因此迫切希望能降低集成電路的工作溫度。然而，降低集成電路的工作溫度也降低了散熱的溫度預(yù)算范圍。目前大多數(shù)大規(guī)模集成電路和超大規(guī)模集成電路的散熱技術(shù)是按55℃溫升的溫度預(yù)算范圍內(nèi)設(shè)計(jì)的(125℃結(jié)面最高工作溫度減去70℃最壞情況下環(huán)境的儀器溫度)。令集成電路在較小的溫度預(yù)算范圍內(nèi)工作會(huì)使大規(guī)模集成電路和超大規(guī)模集成電路的散熱問(wèn)題進(jìn)一步惡化。
因此，需要有一個(gè)散熱性能得到提高的大規(guī)模集成電路和超大規(guī)模集成電路封裝。
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種大功率大規(guī)模集成電路封裝。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種在尺寸和引腳(pinout)符合JEDEC(美國(guó)電子器件工程聯(lián)合委員會(huì))塑料芯片載體系列標(biāo)準(zhǔn)MO-047(一九八四年十月三十一日)的大功率集成電路封裝。
本發(fā)明還有另一個(gè)目的，就是提供一種結(jié)面外殼間熱阻特低的大規(guī)模集成電路封裝。
本發(fā)明的又另一個(gè)目的是取消環(huán)氧樹脂的界面，令熱量在大規(guī)模集成電路中直接從結(jié)面?zhèn)鬟f到周圍環(huán)境中。
本發(fā)明是一種大功率塑料大規(guī)模集成電路封裝，該封裝頂部有一個(gè)從集成電路管芯至金屬散熱器的低熱阻通路。熱通路包括一個(gè)傳熱電氣絕緣體(例如氧化鈹或氮化鋁)，介在集成電路管芯與散熱器之間。傳熱電氣絕緣體的正反面都敷有金屬化層，并用冶金方法分別焊接到管芯和散熱器上。集成電路管芯與印制電路板之間是用環(huán)氧樹脂將一個(gè)引線框架粘合到散熱器上形成電氣接觸面的，粘合采取能防止導(dǎo)線焊接表面受污染的方式。這種組件能使結(jié)面外殼間的熱阻達(dá)1℃/瓦的數(shù)量級(jí)。
通過(guò)下面對(duì)本發(fā)明參照各附圖所作的各實(shí)施例的詳細(xì)介紹，即可進(jìn)一步了解本發(fā)明的上述及其它目的、特點(diǎn)及優(yōu)點(diǎn)。
圖1是裝在本發(fā)明一個(gè)集成電路封裝內(nèi)的一個(gè)集成電路管芯的橫剖面圖。
圖2是圖1視圖的放大詳圖，展示著傳熱裝配件的各元件。
圖3是圖1集成電路封裝的詳細(xì)平面圖，展示集成電路管芯及在密封之前連接到引線框架上的各附件。
參看圖1至圖3。從圖中可以看到，本發(fā)明的集成電路封裝10包括一個(gè)集成電路管芯12、一個(gè)傳熱電氣絕緣體14和一個(gè)金屬散熱器16。傳熱電氣絕緣體14可以由諸如氧化鈹、鉆石、碳化硅、氮化鋁之類的材料或是任何其它傳熱性能相當(dāng)?shù)碾姎饨^緣體制成。為便于說(shuō)明，這里舉了一個(gè)采用氧化鈹?shù)淖罴褜?shí)施例。
集成電路管芯12有一個(gè)平面18和第二表面20，第二表面20上連接有多個(gè)接線。傳熱電氣絕緣體14具有第一和第二處于相對(duì)位置的表面22、24，該兩表面都依次敷有鉬-錳、鎳金屬層和最后一層的鍍金層。第一金屬焊接材料26(例如低溫焊料)用以將管芯12的平面18連接到傳熱電氣絕緣體14第一表面22上的金屬化層。第二金屬焊接材料28用以將傳熱電氣絕緣體14第二表面24的金屬化層連接到金屬散熱器16上。在本最佳實(shí)施例中，金屬散熱器16是由Olin 151銅制成，散熱器的表面積為一平方英寸，底部表面積為1.062平方英寸，高0.05英寸。第一金屬焊接材料16、氧化鈹芯片14、第二金屬焊接材料28和金屬散熱器16在一起組成傳熱體組件11，將熱量從集成電路管芯12傳到周圍環(huán)境中。
集成電路管芯12與電路板30之間的交界面設(shè)有引線框架32。引線框架32有多個(gè)觸指34，向里朝集成電路管芯12延伸。與普通集成電路引線框架不同，本發(fā)明采用的引線框架32沒(méi)有附在管芯上的墊片。管芯的安裝方式與一般封裝方式相反，且固定到氧化鈹基片14上。
在本最佳實(shí)施例中，引線框架32的引線端寬約6密耳，引線間距約5密耳。引線框架由Olin 151銅制成，鍍有百萬(wàn)分之五十英寸的鎳，引線端再鍍以百萬(wàn)分之五十英寸的金。
在各引線觸指第一表面38上繞引線框架32延伸有聚酰亞胺帶36，在制造過(guò)程中用以在結(jié)構(gòu)上支撐脆弱的引線框架。帶36的寬度在80密耳數(shù)量級(jí)。各引線框架觸指34第二表面42上的引線框架周圍也延伸有環(huán)氧樹脂預(yù)制件40，或其它電氣絕緣焊接材料，用以將引線框架焊接到金屬散熱器16上，并將引線框架與金屬散熱器16隔開。此環(huán)氧樹脂粘合作用將引線框架32與管芯12及傳熱組件11相對(duì)固定在一起，從而使管芯出來(lái)的導(dǎo)線可以接到引線框架各觸指上。在本最佳實(shí)施例中，環(huán)氧樹脂預(yù)制件40是由5密耳厚的550K型埃伯爾薄膜板(加利福尼亞，卡登納，埃伯爾斯迪克試驗(yàn)室)切制成的，寬度約為80密耳。
集成電路管芯12與引線框架32之間用多個(gè)金質(zhì)導(dǎo)線44相互連接。導(dǎo)線44將管芯12第二平面20上各電路元件與引線觸指34的第一表面38連接起來(lái)。導(dǎo)線44的直徑約為1.3密耳。將環(huán)氧樹脂預(yù)制件40安置在引線觸指34的第二邊42上，與各焊接表面隔開足夠的距離，這樣就可以防止各引線觸指34的導(dǎo)線焊接表面受污染。將固化過(guò)程中從第二表面42蠕變到第一表面38的任何環(huán)氧樹脂料與導(dǎo)線焊接表面充分隔離，使不致產(chǎn)生污染。還可以采取這樣的防污染措施將聚酰亞胺帶36朝環(huán)氧樹脂預(yù)制件40內(nèi)側(cè)安置在引線框架32上，使其對(duì)環(huán)氧樹脂在引線框架32的第一邊38上朝導(dǎo)線焊接表面蠕變起一個(gè)阻擋的作用。
塑料封裝46將裝配件密封起來(lái)，散熱器16暴露在頂部表面，將熱量從集成電路管芯12傳遞到周圍大氣中。塑料封裝46可用MG25F模塑料(美國(guó)賓夕法尼亞州，匹茲堡市，德克斯特公司，環(huán)氧樹脂類粘合劑部(Hysol Division)出品)制成。散熱器16上部邊緣周圍開有槽口，如圖1和圖3所示，使得密封用的塑料可將其牢靠固定就位。引線框32與印刷電路板30之間相互連接用的插腳48也伸出密封封裝。
為便于制造，將氧化鈹金屬化層焊接到管芯及銅散熱器用的低溫焊料，最好熔點(diǎn)不同。在本最佳實(shí)施例中，將氧化鈹金屬層焊接到銅上用的銅焊混合料是一種預(yù)制件，該預(yù)制件由80%銀和20%銅組成，熔點(diǎn)約為800℃。將氧化鈹金屬層焊接到集成電路管芯用的混合物是由金和硅組成的預(yù)制件，熔點(diǎn)約為380℃。兩種預(yù)制件的厚度通常約為二分之一密耳。
本發(fā)明一種集成電路封裝的制造過(guò)程如下用溫度較高的低溫焊料28將氧化鈹芯片14的第二金屬化表面24焊接到散熱器16上。再用溫度較低的低溫焊料26將管芯12的平面18焊接到氧化鈹芯片14的第一金屬層表面22上。按如此程序進(jìn)行制造，就可以在第二次用低溫焊料焊接時(shí)不致破壞溫度較高的第一低溫焊料焊接點(diǎn)。
接著用環(huán)氧樹脂預(yù)制件40將引線框架32(包括聚酰亞胺帶36)焊接到散熱器16上。環(huán)氧樹脂預(yù)制件40是在B階段(部分交聯(lián))中提供的，固化溫度為150℃，歷時(shí)30分鐘，以使焊接過(guò)程徹底進(jìn)行。
引線框架32焊接到散熱器16之后，再加上將管芯12互連到引線框架32的導(dǎo)線44。導(dǎo)線接頭可復(fù)蓋以接點(diǎn)涂敷混合料(例如Dow Corning 6103，圖中未示出)。將裝配好的組件用一個(gè)鉸鏈?zhǔn)借T型和一個(gè)二十噸壓力機(jī)密封進(jìn)塑料模塑料46中。于是突出的各引線框架觸指就形成所要求的J形引線。J形引線48應(yīng)這樣取向，使得封裝10安裝到電路板30上時(shí)，安置得含散熱器16的表面朝上，且遠(yuǎn)離電路板，并暴露在周圍大氣中。
本發(fā)明集成電路封裝結(jié)面對(duì)外殼的熱阻比同類可與之競(jìng)爭(zhēng)的各技術(shù)的熱阻一般低一至兩個(gè)數(shù)量級(jí)。這種熱阻的各理論組成部分(這可用普通程序確定)大致細(xì)分如下結(jié)面至第一低溫焊料 .125℃/瓦第一低溫焊料至BeO .001℃/瓦BeO至第二低溫焊料 .051℃/瓦第二低溫焊料至散熱器 .001℃/瓦散熱器頂部至底部 .1℃/瓦實(shí)用中可達(dá)到1℃/瓦數(shù)量級(jí)的熱阻。(這可與上述SGS-Ates公司器件提出的約12℃/瓦熱阻值媲美。)上述理論數(shù)值是基于下列條件取得的管芯面積48，216平方密耳;第一金屬焊接材料組成96.9%金，3.1%硅;氧化鈹基片面積0.25平方英寸，厚0.01英寸;第二合金組成82%金，18%銦;銅散熱器厚度.050英寸，頂部表面積1平方英寸。
在熱量直接由結(jié)面?zhèn)鬟f到周圍環(huán)境的通路上避免采用任何粘接樹脂，可以使本發(fā)明達(dá)到很高的傳熱效率。所有連接都采用金屬焊接材料。若同樣的裝配件是用環(huán)氧樹脂粘合的方法進(jìn)行制造，熱阻的增加會(huì)大于一個(gè)數(shù)量級(jí)。
本發(fā)明通過(guò)將管芯配置在與普通封裝的管芯倒轉(zhuǎn)的位置而進(jìn)一步提高了熱性能。管芯的取向取基部平面朝上的方式，使管芯可以焊接到將熱量傳遞到封裝頂部和周圍大氣的低熱阻通路上。其它具競(jìng)爭(zhēng)性的工藝，例如上述SGS-Ates公司出品的器件，完全依靠沿高熱阻通路的傳熱來(lái)散熱。
盡管以上介紹的只是一個(gè)最佳實(shí)施例，但熟悉本專業(yè)的人士都不難理解，在不脫離本發(fā)明基本原理的基礎(chǔ)上是可以對(duì)本發(fā)明的上述配置方式和細(xì)節(jié)進(jìn)行修改的。例如，封裝各J形引線可反方向取向，使得散熱器處在封裝的底部表面并毗鄰電路板。在這種實(shí)施方案中，散熱器與電路板之間就可以直接進(jìn)行熱連接，方法是將散熱器延伸出密封材料表面，一直延伸到電路板上，或者在這些元件之間加一個(gè)中間傳熱件。同樣，在另一個(gè)經(jīng)修改的實(shí)施例中，上面例舉的引線框架可用一種帶式自動(dòng)焊接系統(tǒng)代替，從而簡(jiǎn)化了器件的制造過(guò)程，并提高封裝密度。
結(jié)合這些和其它方案的實(shí)施例都可應(yīng)用本發(fā)明的基本原理付諸實(shí)施。因此，我們?cè)诖寺暶?，所有這些根據(jù)下列各項(xiàng)權(quán)利要求
范圍和精神實(shí)質(zhì)的各種修改都屬于我們的發(fā)明。
權(quán)利要求
1.一種集成電路管芯用的封裝，其特征在于，該封裝包括一個(gè)傳熱組件；一個(gè)封裝裝置，用以容納所述集成電路管芯和傳熱組件，所述封裝裝置具有第一和第二處在相對(duì)位置的表面，適于按下述方式裝在電路板上第一表面毗鄰電路板配置，第二表面與電路板間隔一段距離配置，其中一個(gè)所述表面包括散熱用的散熱裝置；所述傳熱組件包括一個(gè)傳熱電氣絕緣體，具有第一和第二敷有金屬化的處于相對(duì)位置的表面；第一金屬焊接裝置，用以將集成電路管芯焊接到電氣絕緣體的第一金屬化表面上；和第二金屬焊接裝置，用以將電氣絕緣體的第二金屬化表面焊接到散熱裝置上。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1的封裝，其特征在于，第二表面包括所述散熱裝置。
3.根據(jù)權(quán)利要求
1的封裝，其特征在于，該封裝還包括引線框架，包括多個(gè)在中心延伸的導(dǎo)電觸指，各觸指具有第一和第二處于相對(duì)位置的表面，用以與管芯進(jìn)行電氣連接;絕緣的焊接裝置，用以將引線框架各觸指的第二表面焊接到散熱裝置上，并將引線框架各觸指的第二表面與散熱裝置隔離;和接線裝置，用以將引線框架各觸指的第一表面連接到集成電路管芯上。
4.一種集成電路器件，其特征在于，該器件包括一個(gè)集成電路管芯，具有第一和第二處于相對(duì)位置的表面;連接裝置，用以將芯片的第二表面進(jìn)行電氣連接;散熱裝置，用以散熱;絕緣的焊接裝置，用以將連接裝置焊接到散熱裝置上，并將連接裝置與散熱裝置隔開;一個(gè)傳熱電氣絕緣體;焊接裝置，用以將傳熱電氣絕緣體焊接在集成電路管芯第一表面與散熱裝置之間;和封裝裝置，具有第一和第二處于相對(duì)位置的表面，用以容納所述管芯、連接裝置、散熱裝置、絕緣的焊接裝置、絕緣體和焊接裝置，該散熱裝置通過(guò)所述封裝裝置延伸到其中一個(gè)所述封裝表面。
5.一種裝配集成電路管芯的方法，其特征在于，該方法包括下列步驟提供一個(gè)金屬構(gòu)件;提供一個(gè)具有第一和第二處于相對(duì)位置平直邊的傳熱電氣絕緣體;將電氣絕緣體的第一和第二處于相對(duì)位置的平直邊金屬化;將電氣絕緣體的第一金屬化邊焊接到管芯上;將電氣絕緣體的第二金屬化邊焊接到金屬構(gòu)件上;將管芯，傳熱電氣絕緣體和一部分金屬構(gòu)件密封進(jìn)電氣絕緣材料中，使得集成電路發(fā)出的熱量可傳到密封著的電氣絕緣材料的外部表面。
6.根據(jù)權(quán)利要求
4的方法，其特征在于，該方法還包括下列步驟提供具有第一和第二邊及在中間位置延伸的若干觸指的引線框架;連接集成電路管芯與引線框架各觸指第一邊之間的各導(dǎo)線;將引線框架的第二邊焊接到金屬構(gòu)件上，并使其與金屬構(gòu)件相隔一段距離。
專利摘要
公開了一種大功率塑料LS1封裝，該封裝具有從集成電路管芯通到封裝頂部金屬散熱器的低熱阻通路。熱通路包括氧化鈹之類的傳熱電氣絕緣體，夾在集成電路管芯與散熱器之間。氧化鈹相對(duì)表面是金屬化的，并分別焊接到管芯和散熱器上。集成電路管芯與印刷電路板之間以引線框架作為界面，引線框架系用環(huán)氧樹脂粘接到散熱器上，使導(dǎo)線焊接表面不受污染。這種封裝結(jié)面至外殼的熱阻比其它塑料芯片載體的熱阻小一至二個(gè)數(shù)量級(jí)。
文檔編號(hào)H01L23/31GK87104825SQ87104825
公開日1988年1月27日 申請(qǐng)日期1987年7月9日
發(fā)明者凱利·艾·蒂明斯, 斯科特·利·施羅德, 查爾斯·伊·鮑爾 申請(qǐng)人:特克特朗尼克公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan