专利名称：具有增强的导热性的半导体芯片封装件的制作方法
技术领域：
本发明涉及半导体芯片封装件，具体地说是采用其上安装有一个或多个芯片的陶瓷衬底的那种封装件。更确切地说，本发明涉及被设计用来安装到外部衬底(例如印刷电路板)上的那种封装件。
在例如氧化铝的陶瓷衬底的电路化表面上安装有一个或多个半导体芯片的半导体芯片封装件，在本技术领域中是人所共知的。这种通常称之为陶瓷芯片载体的半导体芯片封装件，一般安装在印刷电路板上。若采用表面安装技术，则陶瓷芯片载体可包括一个引线框，此引线框与形成于陶瓷衬底的带有芯片的电路化表面外围的电接触焊点之间实行机械连接和电连接。
上述类型的陶瓷芯片载体可包括一个单层也可包括多层陶瓷衬底。前者的芯片载体是通过先用常规的厚膜金属掩蔽技术使陶瓷单层的上表面电路化而制造。所使用的金属是例如银(Ag)和钯(Pd)的合金，其熔点为1145℃，电阻率为20×10-8Ωm。得到的电路线条一般为例如0.5密尔厚和3密尔宽。电路化之后，得到的陶瓷层在Ag-Pd合金易于承受的温度(例如850-950℃)下于空气中焙烧。然后用常规的引线连接技术将半导体芯片安装到电路化表面上。
在多层陶瓷衬底的制造中，一般用常规的厚膜掩蔽技术使各陶瓷层电路化，然后将电路化的陶瓷层固化并在例如1900℃的焙烧温度下叠层到一起。为了能承受这种高温，各电路化层上的电路一般包含一种诸如钼(Mo)或钨(W)之类的高熔点金属，其熔点≥2625℃，相应的电阻率≥5.2×10-8Ωm。如前述，采用常规引线连接技术将芯片常规地安装到多层陶瓷衬底上。
本发明同一受让人的美国专利第5243133号详述了可采用引线框或边缘引线夹来使陶瓷衬底电路连接到外部衬底(例如电路板)的一例陶瓷芯片载体。如其所述，用一帽盖(如金属)来覆盖置入的芯片并保护电路部分。电路的其余部分用包封剂来保护。
可以理解，为了有效地工作，所述的这类电子封装件需要有效地消除封装件工作过程中芯片所产生的热量。当随着产业界的趋势那样采用更高功率的芯片时，这一要求变得更为重要。熟知的一种消除芯片热量的方法是将热沉直接连接(例如用热粘合剂)到芯片。在前述的美国专利No.5243133的情况下，金属帽盖也可起热沉的作用。
本发明限定了一种新的半导体芯片封装件，它能有效地消除热量，同时在需要时具有附加的工作能力。
相信此种封装件可构成本领域的一大进展。
本发明的主要目的是通过提供一种具有增强了的热性能的封装件来提高半导体芯片封装技术。
本发明的另一目的是提供一种能增强工作性能的封装件。
本发明的再一个目的是提供一种可用相对便宜的方法生产并特别适用于大规模生产的封装件。
本发明的又一目的是提供一种易于实施的制造封装件的方法。
根据本发明的一个实施例可实现所有这些目的，其中提供了一个半导体芯片封装件，它包含一个陶瓷衬底，该衬底带有相反的第一和第二表面并至少有一个穿过衬底以使相反的第一和第二表面互连的孔。第一导热层位于上述陶瓷衬底的第一表面上，而第二导热层位于上述衬底的第二表面上。半导体芯片以热连接方式位于第一导热层上，而一层电路位于衬底第一表面离第一导热层为一预定距离处，该半导体芯片与所述电路电学耦连。在该衬底的孔中至少有一个导热元件用来使第一和第二导热层实行热连接，致使半导体芯片产生的热从第一导热层传到第二导热层。本发明还包括使电路层电连接到外部衬底的方法。
根据本发明的另一实施例，提供了一种制造半导体封装件的方法，它包含下列步骤提供一个带有相反的第一和第二表面的陶瓷衬底；在衬底上提供至少一个孔以使相反的第一和第二表面互连；在孔中提供一个导热元件；在相反的第一和第二表面上分别提供第一和第二导热层；孔中的导热元件热连接第一和第二导热层；在第一导热层上放置一半导体芯片；在上述衬底的第一表面上离第一导热层一段距离处提供一电路层，把半导体芯片电连接到电路层上，以及提供使电路层电连接于外部衬底的方法。
图1-8示出了根据本发明的一个实施例制造半导体芯片封装件的各个步骤，图8是本发明完成并安装在一个下部衬底(例如印刷电路板)的半导体芯片封装件的局部图；以及图9是一局部纵剖面图，示出了根据本发明另一实施例的一个芯片封装件，上述封装件安装在一个下部衬底上。
结合上述附图并参照下列公开的所附权利要求，可以更好地了解本发明以及本发明的其它目的、优点和性能。
图1示出了根据本发明一个实施例的一种陶瓷衬底10。衬底10中包括至少一个(最好是几个)孔11。在最佳实施例中，在四个边长约为28mm的大致矩形的一个陶瓷衬底中提供了总共12个孔11。衬底10若为这种方形，其厚度(图1中的尺寸“T”)约为0.6mm。衬底10具有大体平整的相反的第一和第二表面13和15。如所指出，衬底10是陶瓷材料构成的，其最佳例为氧化铝。其它材料包括氮化铝也是可用的。
图2示出了分别加于相反的平整表面13和15上的第一和第二导热层17和19。最好用溅射方法大致同时地制作这两个导热层。众所周知，这一工艺包括用等离子体提供的高能离子进行轰击来从源中移去原子。这类溅射方法在本技术领域是熟知的，无须赘述。在溅射操作过程中，先在相反的衬底表面13和15上沉积一个极薄的铬起始层，之后加上一个铜的较厚层，其上再加一极薄的铬最终层。在一个最佳实施例中，这些金属层的厚度分别为0.1μm、8μm和0.1μm。在第三实施例中，第一导热层17的厚度(“T17”)约为8μm，而底部导热层19的相应厚度(“T19”)约为8μm。在一个最佳实施例中，第一层17对第二层19的厚度比率在约1∶1到约1∶10的范围内。值得注意的是，有些层17和19的材料沉积在孔11之中。在上例中，孔11中导热材料的厚度被确定为8μm左右。在图2中指出每个金属导热层17和19主要延伸到下部陶瓷衬底10的外围(边缘)。
在根据本发明一个实施例提供半导体芯片封装件的下一步骤中，对金属导体层17和19进行光刻工艺，其中以大体同时的方式把光致抗蚀剂(未示出)加于两个层上，然后曝光和显影以确定层17和19中在最终产品中要保留下来的选定区域。这种光刻工艺在印刷电路板和陶瓷衬底制造技术中是熟知的，无须赘述。光致抗蚀剂显影(清除)之后，留下层17和19上所需区域被保护起来，同时已将未显影的抗蚀剂清除掉，以暴露出这些层中要除去的部分。如在工业界常用的那样，采用氯化铁和高锰酸钾作为铬和钼的合适腐蚀剂，在下一步中执行腐蚀步骤以清除层17和19中要除去的部分。
在图3中可见，层17中至少保留了两个分隔开的部分21和23，而底层19的边缘部分(最靠近衬底10的左边缘)已被清除。23部分最好有一层电路，在一个实施例中，此电路包括几根分离的铜线，它们用于传送从最终构成封装件一部分的半导体芯片(以下描述)来的信号。图3中只示出了一条线作为分离的部分23的一部分。23部分同其余的较大部分21是电隔离的。底层19最好大体上为一整体，它包含一个大致矩形的连续层。在一个例子中，电路23与导体部分21分隔开一约为0.25mm的距离(“D”)。
在图4中，孔11用导热材料25填充。在最佳实施例中，材料25是一种焊料，在前述造成层17和19的溅射操作之后填入。一种熟知的焊接操作是波焊，虽然其它类型的焊接操作也可用来使导电金属大体填充孔11。例如，可以把分立的焊料元件(如焊球)置于衬底表面相应于多个孔11的位置上，然后回流以填充这些孔。在一个变通的实施例中，位于孔11中的材料25可以是另一种金属(例如铜)并可以像销子之类那样插入在孔11中。最佳焊料是微电子领域中熟知的材料，即Sn∶Pb＝10∶90的焊料。也可以使用其它焊料如Sn∶Pb＝15∶85或Sn∶Pb＝20∶80。在本发明较宽的范围内，甚至有可能借助于采用掩模的选择性溅射或电镀的方法来大大增加沉积于孔11中的金属的厚度。在这种实施例中，孔11内壁上金属的最佳厚度约为0.08mm。如下面将要描述的那样，孔11中的导体材料主要是设计来使热量在封装件工作过程中从层17传输到层19。因此，材料25必须足够厚，使得能产生热传输。在一个实施例中，导体层17和19被电连接，以便例如若芯片被电连接到其所在的层17时，为半导体芯片(下面所述)提供接地。
图5示出了至少有一个金属接线夹27的结构，如所见，接线夹27物理上连接于电路23的上表面和陶瓷衬底10的暴露的下表面。接线夹27为弹簧状材料，最好由铜构成。变通的材料可为工业界熟知的牌号为CDA151和CDA194的含锆或铁的铜合金。接线夹27为大体S形，包括一个C形的上部31提供上述方法中的夹紧，以及一个投影于下表面29之下的第二C形部分33。部分33有一个底足段35，这是特为设计来置于印刷电路板并电连接到其上电路的。在本发明的一个最佳实施例中，采用了总共208个接线夹27，它们主要延伸在衬底10的整个外围以提供到电路23各部位和印刷电路板各电路线的连接。这样，电路23可沿衬底10的上表面延伸到整个外围区域，致使若图1-8所示的各实施例进一步向右延伸，这些将表示一个与公共的内部部分21分离的、具有相似厚度和宽度的电路层。在这种情况下，底层19将以大致相同的方式延伸，从而暴露出陶瓷衬底的部分下表面(如位置29处那样)。图6中心线(“LC”)的右部最好与中心线左部完全相同(因而呈镜像)。无须赘述。
图6中示出半导体芯片41安装在层17的外表面大致为一整体的部分21上。实现这一目的的最佳材料是采用导热粘合剂，最佳例子是加州Rancho Dominguez的Ablestick实验室所售的965IL环氧树脂。若为了确保电接地(这一特征是需要的)，这种材料最好也是导电的。
在图7中，芯片41的接触点(43)电连接于外部电路23的相应部位(如焊点)。最佳连接方法是采用导电线51，用熟知的引线连接方法接于点43和电路23。在这一熟知的操作过程中，用热压法将引线焊牢。由于引线焊接是本技术领域所周知的，无须赘述。在一个例子中，采用了总共208根引线51，各连接一对接触点43和电路23的焊点部位。
通过给出上述空间方面的限制条件，可见本发明确保了高密度产品，其中各种连接都在最小空间内完成。
在图8中，示出了大量保护剂(如包封剂)材料61被用来基本上覆盖住接线夹27部位和接线夹连于其上的电路23部位。在一个最佳实施例中，接线夹和电路以及各接线夹段采用焊料来连接。在本发明的一个实施例中，连接是采用在电路23各导电部位加一条分隔开的多个接线夹27的方法来完成的，这些导电部位上先前已加有焊料。接着将这一结构加热到足够的温度以形成焊料回流。然后加入保护材料61。在材料61之后，最好加入更大量的包封材料63以基本上覆盖芯片41、引线51和电路23的主要部分。最佳包封剂材料63是加州Dexter工业公司Dexter电子材料部的HysolFP4450(Hysol是Dexter公司的商标)。在一个例子中，大约使用了0.5g的包封剂63。从图8可见，示出的接线夹27位于外部衬底79的相应焊点77上，如上所述，外部衬底可包括印刷电路板。然而，本发明不局限于将封装件置于印刷电路板上，其它衬底(包括陶瓷)也可方便地使用。
倘若需要为芯片41提供电接地，将芯片41的接地点同下部的层17的部位21连接起来(例如用引线连接方法)，使部位21(和底层19)提供这一性能，这也是在本发明范围之内的。于是可以理解部分21和层19以这种形式起到了本发明接地平面的功用。利用层19作为与电路23相对的有源接地平面的另一种方法，可以使底层19大致延伸到陶瓷衬底10的外边缘，如图9所示。接线夹27则可直接使这一下部导电层19按需要连接于相应的地焊点或上部电路23的一些部位。用前述的光刻方法来延伸层19是相当简单的事。
这样就描述了一种半导体芯片封装件，它为构成封装件部件的发热的芯片提供了增强的散热手段。此处所述的散热方法的结构相当简单并可相当方便地实现。如前述可见，芯片(41)产生的热通过将芯片连接于下部层17的导热粘合剂，其上所述的热通过孔11中的导热金属并进入层19，由此耗散掉。如所述，底部导热层19也可起到导电接地平面的功用，从而扩展本发明的功能。因此可认为本发明构成了本技术领域的一大进展。
虽然已描述了本发明最佳实施例的情况，但对本领域熟练技术人员来说，显然可以作出各种改变和修正而不超越所附权利要求所确定的本发明的范围。
权利要求
1.一种半导体芯片封装件，它包含一个包括相反的第一和第二表面的陶瓷衬底以及至少一个穿过上述衬底以将上述相反的第一和第二表面互连的孔；一个位于上述衬底上述第一表面上的第一导热层；一个位于上述衬底上述第二表面上的第二导热层；一个以热连接方式位于上述第一导热层上的半导体芯片；一个位于上述衬底的上述第一表面上离上述第一导热层为一个预定距离处的电路层，上述半导体芯片与上述电路电连接；至少一个位于上述衬底的上述孔中的导热元件，用来使上述第一和第二导热层热连接以使上述半导体芯片产生的热可以通过上述第一导热层传到上述第二导热层；以及用来使上述电路层电连接到外部衬底的装置。
2.如权利要求1的封装件，其特征在于上述第一和第二导热层由金属组成。
3.如权利要求2的封装件，其特征在于上述金属包含铜。
4.如权利要求1的封装件，其特征在于上述第一导热层对上述第二导热层的厚度比率在约1∶1到约1∶10的范围之内。
5.如权利要求1的封装件，其特征在于还包括一导热粘合剂，上述粘合剂把上述半导体芯片固定到上述第一导热层上。
6.如权利要求1的封装件，其特征在于上述粘合剂是导电的。
7.如权利要求6的封装件，其特征在于上述第一和第二导热层和上述导热元件是导电的，上述第二导热层用作上述封装件的接地平面。
8.如权利要求1的封装件，其特征在于上述第一和第二导热层和上述导热元件是导电的，上述第二导热层用作上述封装件的接地平面。
9.如权利要求8的封装件，其特征在于上述第二导热层与位于上述衬底上述第一表面上的上述电路层电连接。
10.如权利要求9的封装件，其特征在于把上述电路层电连接到上述外部衬底的装置将上述第二导热层电连接到上述电路层。
11.如权利要求9的封装件，其特征在于用于电连接的上述装置包含一个电连接夹元件。
12.如权利要求1的封装件，其特征在于用于电连接的上述装置包含一个电连接夹元件。
13.如权利要求1的封装件，其特征在于还包括至少一个导电引线，上述引线使上述芯片与上述衬底上的上述电路层电连接。
14.如权利要求1的封装件，其特征在于上述外部衬底包含一种印刷电路板。
15.一种制造半导体芯片封装件的方法，它包含下列步骤提供一个带有相反的第一第二表面的陶瓷衬底；在上述衬底中至少提供一个孔以使上述相反的第一和第二表面互连；在上述孔中提供一个导热元件；在上述相反的第一和第二表面上分别提供第一和第二导热层，上述孔中的上述导热元件把上述第一和第二导热层热连接起来；把一个半导体芯片置于上述第一导热层上；在上述衬底的上述第一表面上同上述第一导热层分离的位置处，提供一个电路层；把上述半导体芯片电连接到上述电路层；以及提供用于把上述电路层电连接到外部衬底的装置。
16.如权利要求1 5的方法，其特征在于上述孔是用钻孔的方法在上述陶瓷衬底上提供的。
17.如权利要求15的方法，其特征在于用溅射方法来提供上述第一和第二导热层。
18.如权利要求17的方法，其特征在于同时提供上述第一和第二导热层。
19.如权利要求18的方法，其特征在于上述电路层同上述衬底上的上述第一和第二导热层大体同时制作。
20.如权利要求15的方法，其特征在于上述电路层用光刻方法来制作。
21.如权利要求20的方法，其特征在于上述光刻方法包含下列步骤在上述第一表面上制作一个导电层，在上述导电层上制作一个光致抗蚀剂并使其曝光和显影，以及对上述导电层的选定部位进行腐蚀。
22.如权利要求21的方法，其特征在于上述光刻操作的上述各步骤还用于和上述电路层大体同时地制作上述第一和第二导热层。
23.如权利要求15的方法，其特征在于采用引线连接的方法把上述芯片电连接到上述电路层。
24.如权利要求15的方法，其特征在于采用焊接方法在上述陶瓷的上述孔中提供上述导热元件。
25.如权利要求15的方法，其特征在于还包括在上述半导体芯片上制作一个保护性包封剂。
全文摘要
一种半导体芯片封装件及其制造方法，该封装件包含一在相反的表面上有两层导热导电材料(例如铜)的陶瓷衬底。该两层由陶瓷中的孔内的金属材料进行热和电连接。其中一层上安装半导体芯片，其接触点与分离的电路电连接，最好用金属弹簧夹实现电路与外部衬底(例如印刷电路板)的连接。孔中的最佳金属有Sn∶Pb＝10∶90的焊料。封装件还可包括二种大体位于其顶部的保护性包封剂，用以保护芯片和电路。芯片与电路相连的最好方法是引线连接法。
文档编号H01L23/367GK1155163SQ9510570
公开日1997年7月23日 申请日期1995年5月10日 优先权日1994年11月9日
发明者詹姆斯·沃伦·威尔逊 申请人:国际商业机器公司