专利名称：封装材料得到冷却的用于封装电子元件的方法和设备的制作方法
封装材料得到冷却的用于封装电子元件的方法和设备
本发明涉及对载体上安装的电子元件进行封装(encapsulating)的方 法。本发明还提供在用于对载体上安装的电子元件进行封装的设备中应用 的模具部件，以及这样的模具部件形成其一部分的封装设备。
在对载体上安装的电子元件进行封装期间，尤其是在对半导体电路(芯 片)进行封装期间，根据现有技术通常使用具有两个半型模具的封装压机， 其中至少一个具有凹陷的模腔。在所述半型模具之间放置具有待封装电子 元件的载体之后，将所述半型模具彼此相向移动，以使它们夹紧栽体。然 后，通常利用传递模塑向^供给液体封装材料。在封装材料至少部分化 学固化之后，从封装压机中取出具有已封装电子元件的载体。用作封装材 料的是环氧树脂(也称为树脂)，其通常具有例如以硅为基础、例如尤其 是二氧化硅或石英的填充材料。在固化之后，环氧树脂由聚合物材料组成； 而在固化之前，链较短；聚合物材料可由单体、二聚体、低聚物或聚合物 材料或其混杂形式所组成。
本发明的一个目的是提供相对于现有技术可减少封装的周期时间的替 代方法与i殳备。
为此目的，本发明提供一种通过以下连续的工艺步骤对载体上安装的 电子元件进行封装的方法A)利用凹陷至模具部件中的模腔包围位于载 体上的至少一个电子元件，B)将固化后包含聚合物的液体封装材料供给 至模腔，C)在模腔中将供给至模腔的封装材料的至少一部分进行强制冷 却，优选冷却至低于固化后为聚合物的材料的玻璃化温度(Tg)， 腔中移出被封装材料至少部分包围的电子元件，和E) 4吏至少部分包围电 子元件的封装材料在模腔外固化。因为封装材料在被供给时必须是流体， 因此固化后包含聚合物的液体封装材料的供给在此当然应在高于固化后 为聚合物的封装材料的玻璃化温度(Tg)的温度下进行。除单体、二聚体、 低聚物或聚合物材料(或其混杂形式)之外，封装材料通常还包含填充材 料。用于该目的典型填充材料是硅化合物(二氧化硅)，其量为使得填充 材料中硅的重量％大于聚合物的重量％。强制冷却应理解为对已封装的电 子元件的主动冷却。聚合物通常具有与温度相关的许多相变。这些转变涉及与确定温度相 关的聚合物链和/或链段的运动性。最重要的相变是当温度升高时从硬的玻 璃状物质转变为橡胶状聚合物的转变。该转变通常发生在相对小的温度范
围内即所谓的名义上的玻璃化温度Tg(也称为玻璃化转变温度，玻璃化 点或玻璃-橡胶转变温度)。随着温度进一步升高超过橡胶相范围，交联聚 合物将更快速地分解，而热塑性塑料通常将熔融和变为液体。玻璃化温度 的精确位置取决于转变进程的时间标度和其它因素。在这点上，还参考时 间温度叠加原理。对于具有相当大的交联程度(大量交联)的聚合物，玻 璃化转变变宽成为在宽温度范围的性能渐变；然后可不再称其为玻璃化温 度，而是称为玻璃化温度范围。在使用术语玻璃化温度的情况下，必须在 广义上进行理解其还包括玻璃化温度范围。如果在本申请的说明书中提 及玻璃化转变温度，那么其应理解为表示在动态力学分析中损耗摸量G，， 在1 Hz频率下显示最大值的温度。
本发明方法的一个优点是不同于根据现有技术，不必只在封装材料 充分固化以具有一定程度的形状保持以后才开始步骤D )。封装材料的固化 ;UC生链交联的物理/化学工艺。该工艺与时间相关，并且根据现有技术需 要数十秒钟。然而，本发明现在使得固化的第一阶段不再必须在模腔中发 生。为此目的，需务使(加热的)模具在非常短的时间内冷却，优选冷却 至低于(一部分)封装材料的相关玻璃化温度Tg。因此采用本发明方法可 使工艺步骤A)至D)的周期时间减少至小于60秒钟或者甚至小于45秒 钟或35秒钟。因此封装i殳备的周期时间可减少30-60%。本发明方法的另 一个优点是现在整个固化可以在针对固化而优化的条件下在可调节的环 境中进行。在此以前，固化的第一阶段不能针对固化过程进行优化；这是 因为固化的第一阶段的itJL必须进行优化。因此本发明方法可产生改善的 封装结果(例如，在封装电子元件的诸如变形、脱层、热负荷等方面的改 善)。另一个显著的优点是封装的电子元件可相对简单地M腔中取出。 虽然在封装材料固化期间还产生封装材料对模腔的增强粘附，但是当温度 下降至低于温度Tg时，封装材料最终仍将无法牢固地粘附于封装设备。因 此模具将不再快速地被封装材料所污染，因此较少地清洗模具即能够满足 需要。除加速周期时间之外，粘附减小还导致封装设备的生产率增加，从 而使得在封装期间显著降低机器成本。
模腔可通过将冷却介质输送经过至少一个模具部件来冷却。冷却装置使得可快速地进行大量热传递。如果冷却^h质在冷却期间发生相变，那么 热传递尤其大。因此，两个模具部件的冷却在此当然具有冷却可更快速进 行的优点。
在至少一个模具部件冷却之后，然后冷却介质可在模具部件外部再冷
却，以用于在后续封装工艺期间模具部件的重新冷却。因此，冷却^h质的 冷却不需表现出时间限制因素。
将封装材料>^腔移出之后，在工艺步骤E)期间，采用聚合物封装
的电子元件的固化可在可调节的环境中进行。特别应理解的是，可调节的 环境是指在高于环境温度的温度下固化封装材料，例如利用烘箱加热。在 固化期间，也可以才艮据需要调节环境的空气湿度。
为了良好操作，还期望在开始工艺步骤c)之前，将模具部件的至少
一部分加热至固化后包含聚合物的液体封装材料的加工温度。为了使封装 材料充分流动，并且因此使得能够例如良好和快速地填充模腔，^必须
至少加热至几乎为封装材料的加工温度(T熔融)。当然对用于供^#装材料 的供给装置也是同样的情况。一^艮据工艺步骤D)将被封装材料至少部 分包围的电子元件移出，那么模具部件中的至少一个(更优选两个模具部 件)的加热可开始新的循环。或者，该加热可通过将加热介质输送经过至 少一个模具部件来进行，在本文中该加热介质可经历相变(冷凝)以用于 快速热传递。
本发明还提供一种在用于对载体上安装的电子元件进行封装的设备中 应用的模具部件，包含至少一个凹陷至接触侧面中的模腔，用于包围位 于载体上的至少一个电子元件；和至少部分包围模腔的接触表面，其特征 在于模具部件具有加热装置和冷却装置。模具部件也可以具有连接至模 腔的用于输送封装材料的供给通道。冷却装置可例如由用于引导冷却介质 通过模具部件的至少一个通道形成。对于该通道的应用及其相关优点的进 一步说明，请参考根据本发明方法的以上描述。
在一个特定的变化实施方案中，模具部件由至少两个模具部件部分构 成具有模腔、接触表面和冷却装置的笫一模具部件部分，和位于第一模 具部件部分的远离模腔的侧面并具有加热装置的第二模具部件部分，其中 第一和第二模具部件部分在分开位置和彼此连接的接触位置之间是可移动的。如果模具部件部分经由至少一个引导装置相互连接，那么它们可以
以简单的方式iM目互移动和定位。这种分为几个部分的模具部件的一个重 M点是可利用具有大热容量的第二模具部件部分使得第 一模具部件部 分快速达到工作温度(即高于玻璃化温度Tg，优选达到加工温度T溶融)。 然而，在封装材料冷却期间，模具部件部分也可以分开，使得只有第一模 具部件部分需要再次冷却。这具有以下优点第一模具部件部分的热容量 小于所结合的模具部件部分的热容量；由此可显著更快速地进行冷却。此 外，由于仅M具部件的有P艮部分需要冷却并然后再次加热，所以能量需 求较小；第二模具部件部分可保留在较高的温度水平。在此，期望第二模 具部件部分的热容量至少是第一模具部件部分的热容量的2倍。热容量的 差异更优选甚至大于2倍，例如至少为4倍、6倍或8倍。
为了使得模具部件部分之间的热传递尽可能良好，有利的是，第一和 第二模具部件部分的相互面对的侧面具有互补形状以使得模具部件部分
之间的热传递在接触位置处得到增强。冷却的第 一模具部件部分可通过与 第二模具部件部分进行接触而因此被再次快速加热。
本发明还提供一种用于对载体上安装的电子元件进行封装的设备，包 括相对于彼此可移动的模具部件，其在闭合位置处限定至少一个模腔用 于包围电子元件；和连接至模腔的液体封装材料供给装置，其中至少一个 模具部件由前i^具部分形成。所述设M选还具有用于冷却至少一个模 具部件的冷却介质供给装置。该设^^还期望具有封闭式冷却系统，用于将 冷却介质供给至至少 一个模具部件、用于从至少 一个模具部件中排放#> 热的冷却介质和用于冷却所述冷却介质。对于这种设备的优点的说明，请 参考以上已经描述的才艮据本发明的方法和模具部件的优点。期望外部冷却 装置必须具有足够的容量，以便不对周期时间产生不利影响。由此，封闭 式冷却系统的优点当然是没有冷却剂损失，并且不产生环境污染，特别是 由于封装工艺的性质导致这是极其相关的因素。此外，还可4吏用例如其中 流动非循环水的通流冷却。
在以下附图所示的非限制性示例实施方案的基础上，可进一步阐明本 发明。其中
图l显示穿过根据本发明的封装设备的一部分截取的示意横截面；图2显示根据本发明的方法对在载体上安装的电子元件进行封装的可 能成品的透视图3A和3B显示穿过根据本发明的模具部件的一个替代实施方案变体 的 一部分的两个位置截取的横截面；
图3C显示穿过根据本发明的模具部件的第二替代实施方案变体的一 部分截取的横截面；和
图3D显示穿过根据本发明的模具部件的第三替代实施方案变体的一 部分截取的横截面。
图1显示具有可相互移动的上部模具部件2和下部模具部件3的封装 设备1的一部分。夹在上部模具部件2和下部模具部件3之间的是其上安 装有电子元件5的栽体4。为此，下部模具部件3具有用于载体5的容纳 空间6，并J^腔7凹陷至上部模具部件2中以容纳电子元件5。通过如箭 头^所示移动活塞8，以推动液体封装材料9通过流道10至模腔7。因此 模腔7中的电子元件5周围的自由空间被封装材料9所填充。在朝向模腔 7的移动期间，还由于在上部模具部件2和下部模具部件3中分别布置的 加热元件ll、 12，使得封装材料9为液体。上部模具部件2还具有冷却剂 通道13，在模腔7已经被封装材料9填充之后，使来自冷却和泵单元15 的液体冷却剂14如箭头P2所示供给至通道13。在模腔7的位置处，液体 冷却剂14变为气相16，由此吸收大量能量，因此在模腔7中的封装材料9 被以强制方式(又一次)再冷却至低于封装材料9的玻璃化温度(Tg)(或 至少为封装材料的聚合物形成部分的玻璃化温度(Tg))。在供^#装材料 9期间，材料温度T供^Tg,封装材料9中的聚合物为非晶态，链可彼此滑 动(流动；塑性地)，但是在模腔7和其中存在的封装材料被冷却之后，T 冷却后〈Tg，因此封装材料9中的聚合物形成固体、玻璃状的物质。气相的冷 却剂16返回至冷却和泵单元15，在此被再次冷却成为液体冷却剂14。
图2显示烘箱20，其中在其上设置有封装材料22的封装体的载体21 如箭头P3所示滑动。封装材料22在此为玻璃相，并且将在烘箱20中通过 封装材料22的交联而转变为固态物质。
图3A显示穿it^具部件30截取的横截面，模具部件30分为两个部 分基底部分31和模塑部分32。基底部分31具有(电)加热装置33并且具有相当大的质量，由此其还具有大的热容量。模具部分32具有^J^ 34和与模腔34连接的流道35，模塑部分32的厚度显著小于基底部分31， 因此模塑部分32的热容量也显著小于基底部分31的热容量。模塑部分32 具有可输送冷却剂(该图未示出)的冷却通道36。因为模塑部分32不接 触基底部分31，所以考虑到其有限的热容量，可以利用冷却剂以相对简单 的方式对其进行冷却。在如图3B所示的情况下，模塑部分32接触基底部 分31。在该情况下，假如没有冷却剂正在被输送通过冷却通道36，则模塑 部分32可被快速加热。这是因为模塑部分32的热容量与基底部分31的热 容量相比是小的，因此模塑部分32将被加热至几乎达到基底部分31的温 度。使用引导装置37和中间压缩弹簧38来调节部分31、 32的相对位置。
图3C显示模具部件40的一个替代实施方案变体，该模具部件40分 为两个部分基底部分41和模塑部分42。如前图中所示的模具部件30 — 样，基底部分41具有加热装置43，模塑部分42具有模腔44和连接模腔 44的流道45。模塑部分42具有冷却通道46。与图3A和3B所示的模塑 部件30不同的是，基底部分41和模塑部分42的各自的相互面对的侧面 47、 48具有异形表面，从而可改善部分41、 42之间的热传递(与模塑部 件30相比)。
图3D显示模具部件50的后续的替代实施方案变体，模具部件50这 次没有分为可相互移动的部分。模具部件50由彼此刚性连接的两个板状部 件51、 52构成。下板部件51具有凹陷在接触侧面53中的模腔54和流道 55。上板部件52具有朝向下板部件51并且其中凹陷有通道57的侧面56。 这些通道57可在上板部件52与下板部件51组装之前，以相对筒单的方式 布置在上板部件52中。通道57可用作冷却剂的供给通道，但是也可以用 作加热装置的供给通道，例如对于在通道57中冷凝且在供入期间仍然为气 相的加热的油或液体的情况。因此不需要如上图3A-3C所示的电加热装置 33、 43。
权利要求
1.一种通过以下连续工艺步骤对载体上安装的电子元件进行封装的方法A)利用凹陷至模具部件中的模腔包围位于载体上的至少一个电子元件，B)向所述模腔供给固化后包含聚合物的液体封装材料，C)在所述模腔中，对供给至所述模腔的所述封装材料的至少一部分进行强制冷却，D)从所述模腔中移出被封装材料至少部分包围的所述电子元件，和E)使至少部分包围所述电子元件的所述封装材料在所述模腔外固化。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于在工艺步骤C)期间，使供给至所述模腔的所述封装材料的一部分冷却至低于固化后包含聚合物的所述封装材料的玻璃化温度(Tg)。
3. 根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于在工艺步骤C)期间冷却所i^腔。
4. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于通过将冷却介质输送经过至少 一个模具部件来冷却所i^腔。
5. 根据权利要求4所述的方法，其特征在于所述冷却介质在所述冷却期间经历相变。
6. 根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于在至少一个模具部件冷却之后，在所i^具部件外部再冷却所述冷却介质，以用于在后续封装工艺期间所^具部件的重新冷却。
7. 根据前ii^利要求中任一项所述的方法，其特征在于在工艺步骤E)期间，用聚合物封装的所述电子元件的固化在可调节的环境中进行。
8. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于在工艺步骤C)之前，将模具部件的至少一部分加热至固化后包含聚合物的所述液体封装材料的加工温度。
9. 一种在用于对载体上安装的电子元件进行封装的设备中应用的模具部件，包含誦至少 一个凹陷至接触侧面中的^，用于包围位于载体上的至少 一个电子元件，和-至少部分包围所述*^的接触表面，其特征在于所i^具部件具有加热装置和冷却装置。
10. 根据权利要求9所述的模具部件，其特征在于所述冷却装置由用于引导冷却^h质通过所^具部件的至少一个通道形成。
11. 根据权利要求9或10所述的模具部件，其特征在于所^具部件由至少两个模具部件部分构成-第一模具部件部分，其具有所ii^、所述接触表面和所述冷却装置，和-第二模具部件部分，其位于所述第一模具部件部分的远离所ii^腔的侧面上并且具有所述加热装置，其中所述第 一和第二模具部件部分在分开位置和彼此连接的接触位置之间是可移动的。
12. 根据权利要求11所述的模具部件，其特征在于所^具部件部分经由至少一个引导装置而相互连接。
13. 根据权利要求11或12所述的模具部件，其特征在于所述第二模具部件部分的热容量至少是所述第一模具部件部分的热容量的2倍。
14. 根据权利要求11-13中任意一项所述的模具部件，其特征在于所述第一和第二模具部件部分的相互面对的侧面具有互补形状，使得所i^具部件部分之间的热传递在所述接触位置处得到增强。
15. —种用于对载体上安装的电子元件进行封装的设备，包含-相对于彼此可移动的模具部件，并且所^具部件在闭合位置处限定用于包围电子元件的至少一个模腔，和-连接至所ii^的液体封装材料供给装置，其中所述模具部件中的至少一个由根据权利要求9-14中的任意一项所述的模具部件形成。
16. 根据权利要求15所述的封装设备，其特征在于所述设备还具有用于冷却所i^具部件中的至少 一个的冷却介质供给装置。
17. 根据权利要求15或16所述的封装设备，其特征在于所述设备具有封闭式冷却系统，用于供给冷却介质至所^具部件中的至少一个、用于从所述至少一个模具部件排放被加热的所述冷却介质和用于冷却所述冷却介质。
全文摘要
本发明涉及一种用于对载体上安装的电子元件进行封装的方法，其中以强制方式来冷却固化后包含聚合物的液体封装材料。本发明进一步还包括一种在用于对载体上安装的电子元件进行封装的设备中应用的模具部件以及这种设备。
文档编号B29C70/72GK101583475SQ200780044105
公开日2009年11月18日 申请日期2007年11月28日 优先权日2006年12月5日
发明者约安内斯·莱昂纳德斯·于里安·泽尔, 马克·亚历山大·默肯斯 申请人:Fico有限公司