专利名称：具有金/银/铜合金的填充金属的半导体封装的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种半导体封装，尤其是，如法兰(flange)、窗口(windows)框和引线等各种部件用填充金属结合在一起的封装。
背景技术：
本领域的技术人员知道，在半导体封装中，一个或更多的半导体小片安装在安装和绝缘多个引线的窗口框中开口内的散热法兰上。该小片可以是横向扩散金属氧化物半导体(LDMOS-lateral diffusion metal oxide semiconductor)型，并且这种封装用于封装LDMOS晶体功率管。窗口框用于在半导体封装上安装引线，并用于引线与散热法兰和封装的其它部分的绝缘。窗口框内有一个开口，其环绕着半导体小片。该小片与引线电连接，如通过引线焊接。
在所描述的半导体封装的形式中，其中的部件，包括法兰、窗口框和引线，通常采用填充金属连接在一起。通常这样的填充金属是银基。填充金属的作用是连接法兰与窗口框，和连接引线与窗口框。通常采用银基填充金属连接半导体封装部件的例子是72Ag28Cu(CuSil)。
如CuSil的银基填充金属在连接法兰与窗口框和引线与窗口框都是有效的。这样的金属能够承受与半导体封装生产有关的高温和其它条件，以及在接下来的封装使用期间继续将部件连接在一起。然而，在接下来的半导体封装使用期间，问题产生了，尤其是，封装没有盛放在密封外壳内或密封盖内。填充金属提供了露出的银源。湿气能渗入封装，沿着在填充金属和法兰以及引线之间的窗口框的电介质表面凝结。随着在负极法兰和正极引线之间施与电压差，银迁移就产生了。结果，这样的银迁移可以在正极引线和负极法兰之间桥接并产生电短路。如果在引线和法兰之间形成连续的湿气层，离子化的银沿着覆盖在介电窗口框的凝结水行进，以纯金属的形式堆积在法兰上。结果，银堆积桥接法兰和引线而产生电短路。
银迁移已经是很长久的电子工业的问题，经常要求改变现行和未来的产品设计。确保银迁移不发生的唯一途径是使用不含银的填充金属。其它的可供选择的方法涉及使用粘合剂、共形涂覆和Pd，Y等添加剂。然而，粘合剂和共形涂覆通常不能承受300℃或更高的工艺高温。不包含银的填充金属和添加物倾向于缺少希望的特性，例如，增加脆度、高工艺温度和不均有润湿。
因为这一原因，CuSil作为填充金属对于很多应用仍然是更受欢迎的。这样的材料提供理想的导电性，也提供希望的机械特性，如高强度、高延度和平滑连接。然而，对于这样的材料银迁移继续是问题。
发明内容
本发明提供改进的银迁移不是问题的电子封装。封装部分由银基材料而且还不经历银迁移的填充金属连接在一起。该填充金属具有像通常使用的CuSil基本相同的优点，但是没有伴随的银迁移的问题。
根据本发明，填充金属由包括金、银和铜的合金组成。合金是固溶体结构，在其中，金、银和铜原子级弥散。结果，银不迁移，以便不形成最终导致封装短路的沉积。根据本发明的填充金属的优选形式包括60Au20Ag20Cu。这样的合金实际上没有银迁移，甚至在其它银基填充金属通常有银迁移的操作条件出现时。
根据本发明的半导体封装的一种形式包括具有一个表面的散热法兰，在相对的第一和第二表面之间其内具有开口的窗口框，和多个引线。窗口框的第一表面与法兰的表面通过填充合金连接。该多个引线与窗口框的第二表面通过填充合金连接。至少一个半导体小片安装在窗口框中开口内的法兰上，并且引线焊接到多个引线。盖板用环氧树脂安装在封装上，以便其边缘连接到引线和相对法兰的窗口框的第二表面。填充金属由60Au20Ag20Cu组成。在半导体封装操作中，在正极引线和负极法兰之间施与电压差，以便横跨介电窗口框存在这样的电压差。当湿气呈现时，这样的湿气会迁移通过在盖板和引线和窗口框之间的环氧树脂密封，并随着温度的变化而在半导体封装内凝结。凝结湿气最终会形成一层沿着介电窗口框从引线到法兰。然而，具有原子级弥散的金、银和铜的填充金属的固溶体结构防止了银迁移的发生。
参照附图，对本发明首选实施例进行详细描述，其中图1是根据本发明的半导体封装透视图，移开盖板，以显示其内部的详细情况；图2是图1所示半导体法兰、窗口框和引线的部件分解透视图；图3是图1所示半导体封装的侧截面视图；图4是类似于图3的侧截面视图，但它显示了半导体封装在使用期间其内部湿气凝结的方式；图5是图4侧截面视图的一部分放大图，更详细地显示凝成的湿气扩散穿过引线和法兰之间的窗口框的方式；图6是图1所示的半导体封装的一部分的透视图，显示出现湿气，施与偏压时，穿过窗口框形成银沉淀的方式，和采用现有技术的银基填充金属把法兰和引线结合到窗口框上的方式；图7是图1所示半导体封装的引线/窗口框交界面的横截面视图，显示现有技术的银-基填充金属分离成银和铜产生有害的银迁移的方式；图8A-8D是引线/窗口框交界面的横截面图，类似于图7，而它显示了根据本发明的填充金属及其组成成分；及图9是评估各种填充金属离子电位的测试示意图。
具体实施例方式
图1示出了根据本发明有效地利用填充金属合金的一种类型的半导体封装10。图1所示的半导体封装10包括细长、平坦、通常为平面结构的半导体散热法兰12，具有安装其上的窗口框14。多个引线16与法兰12相对安装在窗口框14上。窗口框14其内具有开口18，露出法兰12的一部分。半导体小片20安装在开口18内的法兰12上，电连接到引线16上。这样的电连接可以用引线焊接22来完成，为了图解图1示出两个引线焊接。单个小片20示于图中用作图解，如果需要多个小片可以安装在开口18内。盖板24安装于引线16和窗口框14的上方，以便密闭开口18和内部小片(includeddie)20，在图1中所示的盖板与其它结构隔开一定空间，以显示其内部详细情况。
图2是图1半导体封装10的几个部件的分解图。部件包括法兰12，其比较薄，通常是平面结构，具有相对较平的上表面26。开口18延伸通过在相对的上、下表面28和30之间相对很薄的窗口框14。窗口框14通过使其下表面28与法兰12的上表面接合安装在法兰12上。引线16安装在窗口框14的上表面30上，与法兰12相对。
图3是图1所示半导体封装的侧截面视图。如图3所示，窗口框14通过大量的填充金属32连接到法兰12上。填充金属32在窗口框14的下表面28和法兰12的上表面26之间延伸，以使二者连接在一起。再如图3所示，引线16通过大量的填充金属34连接到窗口框14上。填充金属34在引线16和窗口框14的上表面之间延伸，并使他们连接在一起。填充金属32和34可以是相同的混合物或者是不同的混合物。盖板24是密闭结构，其上具有较低的外围边缘36。盖板24较低的外围边缘36用大量的环氧树脂38连接到引线16和窗口框14的上表面26上。盖板24和环氧树脂38在半导体封装10上方提供了标准的非密封的封合。
在半导体封装10的使用期间，电源正极端子连接到引线16上，电源负极端子连接到法兰12上。半导体封装10通常置于含有一定湿度的空气中。空气中的湿气渗入环氧树脂38，带给半导体封装10内空腔40的湿度与外面的平衡。因为湿气通过环氧树脂38缓慢地输送，温度迅速下降将迫使空腔40内的湿气沿着空腔40的内表面凝结。这显示在图4中，其图解了湿气凝结层42。
在现有技术的半导体封装10的情况下，填充金属32和34由银/铜合金如CuSil(72Ag28Cu)组成，凝结的湿气42使任何露出的银离子化，并提供离子化的银运动的媒介。离子化的银被吸引到由法兰12形成的负电位的负极上。
在图5中示出了这个过程，其显示了湿气层42的部分从填充金属32上的引线16、窗口框14的介电材料及填充金属34延伸至法兰12。填充金属32含有银。在湿气层42邻近的第一区44，与湿气接触的银被离子化为Ag+。在靠近窗口框14的第二区46，离子化的银Ag+被吸引到负偏压的半导体散热法兰12上。在邻近填充金属34的湿气层42的第三区48，当离子化的银Ag+接触到半导体散热法兰12时，银Ag+转化成Ag。银被堆积成纯金属，结果是渐增的。随着更多的银在自身上堆积，在由半导体散热法兰12形成的负极和由引线16形成的正极之间的有效距离缩短。最后，在法兰12和引线16之间形成一个完整的银桥，使半导体封装10电路短路。沿着开口18内窗口框14的内壁，在各个不同的位置上典型地形成这些所谓的树枝状银晶体(silver dendrites)。这显示在图6中，图解了几个树枝状银晶体50。
图7是引线/窗口框交界面放大的截面图，其中的填充金属34是CuSil(72Ag28Cu)。如图7所示，填充金属34已经固化成富银(Ag)囊和富铜(Cu)囊。靠近填充金属34的表面的银囊容易被离子化，最终形成有害的树枝状银晶体。
根据本发明，如封装10的半导体封装和其它的电子封装使用由金、银和铜组成的填充金属装配。填充金属是固溶体结构，在其中组成的金属原子级地分散。对于这种类型的填充金属来讲，当存在有湿气并且具有施与到封装部件的电势差的情况下，使银离子化的趋势被消除，或者至少被充分地减小。填充金属的优选形式包括60Au20Cu20Ag。
图8A是引线/窗口框交界面放大的横截面图，在其中填充金属34由60Au20Cu20Ag组成。如在图8A中所看到的，没有富银囊、富铜囊或富金囊。填充金属的三种成分通常是均匀地分布在填充金属结构内，建议采用置换合金的形式。在置换合金情况下，合金的成分按原子水准均匀混合。图8B、8C及8D的截面图分别显示了银(Ag)、金(Au)和铜(Cu)。同样也图解了填充金属的三种成分均匀地分布在填充金属结构内。
在图8A-8D中图解的有利结果的原因不完全清楚。这可能是由于与铜和金成分的原子引力使置换合金中的银更难离子化。这也可能是因为在填充金属表面的银离子单层能够离子化，所以在表面很少量的银移走后，金/铜层担当起屏障，阻止银进一步离子化。无论如何，原子级弥散的固溶体结构，例如60Au20Ag20Cu，已经发现能够实质上消除以前使用填充金属中银迁移的问题。
当填充金属34由60Au20Cu20Ag组成，引线16是正偏压时，结合图8A-8D示出和描述了的有利结果就会发生。在窗口框14和法兰12之间的填充金属32可以由CuSil组成。在引线16被施与负偏压的情况下，如果填充金属32是由60Au20Cu20Ag组成，银迁移被大大地减少或者是消除。在此情况下，填充金属34可以由CuSil组成。
为了进一步确认根据本发明的结果，进行了一系列的试验。如图9所示，被测试的填充金属件52安装在介电基板54上，使得其一端与金标准极(goldstandard)56相隔40密耳。跨越缝隙滴一滴蒸馏水，以便填充金属件52和金标准极56间的空间接通。如图所示，给元件52和56间施与偏压。然后测试了三种不同的填充金属(100Ag，72Ag28Cu及60Au20Ag20Cu)，如表1所示。
表一
除了不同的填充金属外，表1图解了施与4种不同的电压(5volts，10volts，20volts和30volts)。填充金属中银被离子化、迁移、堆积及桥接如图9所示的结构所需的总时间列于表1中。如表1所示，当填充金属是纯银(100Ag)时，发生短路的时间范围为从偏压5伏时的9分55秒到偏压20伏时的55秒。在通常广泛使用合金CuSil(72Ag28Cu)情况下，短路发生的时间是从偏压5伏时的18分钟到偏压30伏时的2分钟。在使用60Au20Ag20Cu情况下，其是根据本发明首选的合金，在所示的任何偏压下均无短路发生。在每一种情况下，施与电压的时间都超过60分钟。在大约60分钟时，大部分水已经蒸发，不会给银留下移动的通道。
权利要求
1.一种电子封装，包括至少两部分，适应于在两部分之间施与电压差，并在两者间配置填充合金，连接该两部分在一起，该填充合金由金、银和铜组成。
2.根据权利要求1所述的电子封装，其中，该金、银和铜原子级弥散在该合金内。
3.根据权利要求1所述的电子封装，其中，该填充合金包括60Au20Ag20Cu。
4.一种半导体封装，包括法兰、窗口框、至少一根引线和填充合金，该填充合金将该窗口框连接到该法兰和该至少一根引线，并且由金、银和铜组成。
5.根据权利要求4所述的半导体封装，其中，该金、银和铜原子级弥散在该填充合金内。
6.根据权利要求4所述的半导体封装，其中，该填充合金包括60Au20Ag20Cu。
7.根据权利要求4所述的半导体封装，还包括连接到与该法兰相对的该窗口框上的引线，安装在该窗口框中一个开口内的该法兰上的小片，和安装在该小片上方并连接到该多个引线和沿着窗口框的边缘连接到该窗口框的盖板。
8.一种半导体封装，包括散热法兰，其上具有一个表面；窗口框，其内具有在相对的第一和第二表面之间的开口；和多个引线，该窗口框的该第一表面用该填充合金连接到该法兰的该表面上，并且该多个引线用该填充合金连接到该窗口框的该第二表面上；至少一个小片安装在该窗口框中该开口内的该法兰上，并引线焊接到该多个引线上；其上具有边缘的盖板用环氧树脂连接到该引线和相对于该法兰的该窗口框的该第二表面上；其中该填充合金由60Au20Ag20Cu组成。
全文摘要
本发明涉及一种半导体封装，在其上施与电压差，具有两个或更多的部件用填充金属连接其上。填充金属是固溶体结构，其上的金属成分是原子级弥散，可以由金、银和铜合金组成。填充金属的较好形式是60Au20Ag20Cu。根据本发明的这种填充金属具有银基填充金属的优点，而不发生最终导致半导体封装短路的银迁移。由于湿气渗入和温度的变化，当水凝结在半导体封装内形成连续层时，填充金属内的银不离子化，因此银堆积的形成和最终导致封装短路就不发生。
文档编号H01L23/02GK1802740SQ200480015893
公开日2006年7月12日 申请日期2004年5月19日 优先权日2003年5月21日
发明者乔舒亚·D·洛布辛格, 迈克尔·J·沙恩, 罗纳尔多·F·H·布罗萨斯 申请人:基奥塞拉美国股份有限公司