使用低溫過(guò)程的高溫半導(dǎo)體器件封裝和結(jié)構(gòu)的方法及裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明一般地涉及半導(dǎo)體器件封裝，更具體地說(shuō)，涉及用于制作高溫和高性能半導(dǎo)體器件封裝的低溫過(guò)程。
【背景技術(shù)】
[0002]各種半導(dǎo)體器件封裝包括陶瓷、有機(jī)和金屬材料的組合。為了形成半導(dǎo)體器件封裝的可用結(jié)構(gòu)，這些不同的材料彼此接觸。這些不同的材料通常具有顯著不同的材料性能，這就會(huì)導(dǎo)致包含這些材料的半導(dǎo)體器件封裝的故障。因此，期望具有包含具有不同的材料性能但不受到由于不同的材料性能(例如熱膨脹系數(shù))引起的故障的材料的半導(dǎo)體器件封裝。
【附圖說(shuō)明】
[0003]通過(guò)參考附圖，本發(fā)明或可被更好的理解，并且其多個(gè)目的、特征，以及優(yōu)點(diǎn)對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)會(huì)非常清楚。
[0004]圖1是圖示了氣腔封裝的截面圖的簡(jiǎn)化框圖。
[0005]圖2是圖示了氣腔封裝的平面圖的簡(jiǎn)化框圖。
[0006]圖3是系統(tǒng)在其中器件管芯耦合于嵌入在PCB或其它封裝襯底的金屬幣或金屬塊的處理階段的截面圖的簡(jiǎn)化框圖。
[0007]圖4是系統(tǒng)在其中器件管芯耦合于PCB或其它封裝襯底中的燒結(jié)銀通孔的處理階段的截面圖的簡(jiǎn)化框圖。
[0008]圖5是系統(tǒng)在其中銅塊包含在燒結(jié)銀大通孔內(nèi)的處理階段的截面圖的簡(jiǎn)化框圖。
[0009]圖6是系統(tǒng)在其中一對(duì)金屬塊包含在燒結(jié)銀大通孔內(nèi)的處理階段的截面圖的簡(jiǎn)化框圖。
[0010]圖7是系統(tǒng)在其中無(wú)源組件包含在燒結(jié)銀大通孔內(nèi)的處理階段的截面圖的簡(jiǎn)化框圖。
[0011]除非另有說(shuō)明，不同附圖中使用的相同參考符號(hào)表示相同的元素。附圖不一定按比例繪制。
【具體實(shí)施方式】
[0012]本發(fā)明的實(shí)施例提供了包含陶瓷、有機(jī)、金屬材料的組合的半導(dǎo)體器件封裝，其中這些材料通過(guò)使用銀來(lái)耦合。在壓力和低溫下(例如在250°C燒結(jié))，銀以細(xì)顆粒(例如，納米顆粒銀)的形式被應(yīng)用。應(yīng)用之后，銀形成了具有銀的典型熔點(diǎn)(即，大約962°C)的固體，因此，成品封裝能承受比制造溫度顯著更高的溫度。此外，因?yàn)殂y是各種組合材料之間的接口材料，由于接合的低溫度和銀的延展性，陶瓷、有機(jī)和金屬組件之間的不同材料特性的效果例如熱膨脹系數(shù)被降低。在其它實(shí)施例中，銀可以用于代替或連同印刷電路板內(nèi)的銅塊用于附著散熱器或大通孔。這樣的實(shí)施例提供了比典型用于所包括的銅塊更薄的PCB。
[0013]不同類(lèi)型的高性能半導(dǎo)體器件封裝包含陶瓷、有機(jī)和金屬材料的組合。但是，這些材料的不同性能特性會(huì)導(dǎo)致合成封裝的故障。例如，陶瓷和銅之間的廣泛不同的熱膨脹系數(shù)會(huì)導(dǎo)致封裝中的高應(yīng)力，從而在這些材料之間的連接附近導(dǎo)致封裝的翹曲和破裂。
[0014]這樣的封裝的一個(gè)例子是氣腔封裝，其通常包括一個(gè)或多個(gè)被附接到底板和圍繞管芯的絕緣窗框的半導(dǎo)體器件。蓋被放置在窗框上，從而封裝了氣腔內(nèi)的管芯。氣腔封裝可以被用于容納高頻器件，例如射頻(RF)管芯。如與具有比空氣高的介電常數(shù)的模塑化合物中的封裝相比，在封裝的空氣中封裝高頻半導(dǎo)體器件可以提高模具管芯和電引線的高頻性能。
[0015]圖1是圖示了氣腔封裝100的截面圖的簡(jiǎn)化框圖。圖2是圖示了氣腔封裝100的平面圖的簡(jiǎn)化框圖。氣腔封裝使用可以包含管芯連接區(qū)域120的導(dǎo)電金屬底板110。由陶瓷材料做成的窗框130被附接到導(dǎo)電金屬底板。在管芯附接過(guò)程之前，窗框130通常被附接到導(dǎo)電金屬底板。導(dǎo)線140被放置在窗框的頂面上并用于制作到包括在封裝內(nèi)的管芯150的電接觸142和144。沿著窗框130的頂部，導(dǎo)線140可以被插入到凹口。蓋160被附接到引線和窗框的頂部，其封裝了腔170。
[0016]如圖1所示的，用于形成氣腔封裝的常規(guī)方法包括使用高溫釬焊工藝(例如，850°C )將窗框130附接到導(dǎo)電金屬底板110。這樣高的加工溫度排除了使用具有陶瓷窗框的銅底板，因?yàn)樵阢~和陶瓷材料之間的熱膨脹系數(shù)(CTE)不匹配在釬焊溫度下引起陶瓷窗框的破裂。因此，當(dāng)陶瓷窗框被使用時(shí)，導(dǎo)電金屬底板110通常由CuMOCu或Cu(CuMo)銅壓層板或CuW制成。但是CuMOCu和Cu (CuMo)銅壓層板以及CuW具有比純銅顯著低的熱導(dǎo)率，從而降低了封裝的整體散熱性能。
[0017]雖然在管芯附接之前，環(huán)氧樹(shù)脂可以被用于將陶瓷窗框附接到金屬底板，環(huán)氧樹(shù)脂在后續(xù)高溫管芯連接工藝期間可以被損壞，從而具有較低的可靠性。雖然一些常規(guī)氣腔技術(shù)可以包括在管芯附接之后附接窗框，那些窗框通常由塑料制成，其中該塑料具有比陶瓷窗框低的熱導(dǎo)率和電容。這可以將具有塑料窗框的氣腔封裝的使用限制到較低功率應(yīng)用。
[0018]本發(fā)明的實(shí)施例提供了將銀用作陶瓷窗框130和導(dǎo)電金屬底板110和導(dǎo)線140之間的接口材料(例如，在接口區(qū)域175和180)。通過(guò)使用低溫?zé)Y(jié)技術(shù)，銀被應(yīng)用，其中在該技術(shù)中，細(xì)顆粒銀漿、粉末或薄膜在熱和壓力下被應(yīng)用于感興趣的區(qū)域。銀顆粒是納米規(guī)模，因此形成了顆粒的分子表面能量可以支配顆粒之間的相互作用，包括表面張力，從而允許在顯著低于銀的熔點(diǎn)的溫度形成固體銀。一旦形成固體銀區(qū)域，典型的銀熔點(diǎn)將適用(艮P，大約 9600C ) ο
[0019]在圖1和圖2所示的氣腔封裝中，銀燒結(jié)過(guò)程可以通過(guò)將細(xì)顆粒銀應(yīng)用于接口區(qū)域175處的導(dǎo)電金屬基片110被執(zhí)行。陶瓷窗框130然后在足以使銀顆粒彼此接合的溫度和壓力下被應(yīng)用于細(xì)顆粒銀并且被應(yīng)用于陶瓷窗框和導(dǎo)電金屬底板的材料。為了增強(qiáng)銀和陶瓷窗框之間的接合，陶瓷窗框可以通過(guò)使用本領(lǐng)域已知的多種金屬技術(shù)而被金屬化(金屬化層135)。例如，陶瓷窗框可以通過(guò)使用直接電鍍銅工藝、直接接合銅工藝、難熔金屬火加鎳/金電鍍或使用TiNiAu、TiW、金等等的薄膜工藝而被金屬化。
[0020]在一個(gè)實(shí)施例中，在燒結(jié)過(guò)程中所用的溫度大約在200-300°C之間，并且通常大約在250°C，遠(yuǎn)低于現(xiàn)有技術(shù)氣腔封裝所用的釬焊溫度。同樣，細(xì)顆粒銀可以在接口區(qū)域180應(yīng)用于陶瓷窗框130，并且導(dǎo)線140可以在溫度和壓力下被應(yīng)用以使銀粒子接合。接口處的燒結(jié)銀提供了雙重效果，將不同的材料粘接在一起的耦合和電/熱耦合。
[0021]細(xì)顆粒銀可以通過(guò)使用各種技術(shù)被應(yīng)用。含有細(xì)顆粒銀的漿可以被使用。這種漿可以被噴上、印上或以其它方式被應(yīng)用。細(xì)顆粒銀的粉末形式也可以被使用，并且使用類(lèi)似的方法被應(yīng)用?；蛘?，包含細(xì)顆粒銀和有機(jī)材料的預(yù)先形成的薄膜可以通過(guò)將薄膜放置在需要在低溫(例如，250°C )和附加壓力下被接合的部件之間而被使用。薄膜的有機(jī)材料在這種工藝調(diào)節(jié)下被移除并且固體銀被形成。
[0022]由于接合工藝在比現(xiàn)有技術(shù)釬焊技術(shù)顯著低的溫度下被執(zhí)行，由于陶瓷和金屬的不同CTE造成的影響被避免(例如，陶瓷破裂和翹曲)。而且，更便宜和更有效的材料可以被用于導(dǎo)電金屬底板110。例如，固體銅法蘭而不是層壓法蘭可以被用作導(dǎo)電金屬底板。此夕卜，導(dǎo)線140可以由固體銅而不是合金來(lái)形成。在這兩種情況下，使用固體銅，而非層壓材料或合金，提高了導(dǎo)電性，并且在導(dǎo)電金屬底板的情況下，提高了熱導(dǎo)率。固體銅還提供了比層壓材料和合金更優(yōu)的顯著成本效益。法蘭的管芯附接區(qū)域可以包括例如AuS1、AuSn或燒結(jié)銀等等。此外，根據(jù)應(yīng)用的需要，封裝系統(tǒng)可以被電鍍以覆蓋燒結(jié)銀，例如在封裝堆積的不同階段(例如，在管芯附接之前和封裝封蓋之后)使用Niau或NiPdAu。
[0023]可以將從使用燒結(jié)銀獲得的優(yōu)點(diǎn)的另一半導(dǎo)體器件封裝結(jié)構(gòu)用于高功率器件，其中該器件采用封裝襯底或PCB中的金屬幣。傳統(tǒng)上，功率組件被提供給系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用耦合于系統(tǒng)PCB的單獨(dú)封裝組件。散熱器耦合于功率組件封裝。因此，組件封裝和散熱器中的功率器件管芯之間可以有多個(gè)連接。這將導(dǎo)致熱量從功率器件管芯低效率傳遞到散熱器。此外，功率組件封裝以及所有各種連接將占用系統(tǒng)封裝中的顯著空間。而且，由于只限于提供封裝組件的幾何形狀，使用這些封裝組件限制了系統(tǒng)幾何形狀的靈活性。<