專利名稱：直接接觸式管芯安裝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及將半導(dǎo)體管芯安裝于晶體管外殼上的方法和裝置。
背景技術(shù)：
一般情況下，一個(gè)或多個(gè)晶體管單元(或“芯片”)形成于導(dǎo)電管芯例如硅上，然后將該導(dǎo)電管芯安裝于作為晶體管“外殼”的一部分的安裝底盤上。具體地說，導(dǎo)電管芯既可以直接安裝到底盤上，也可以安裝于底盤之上的作為中間層的不導(dǎo)電基片例如氧化鈹上。在任何一種情況下，采用“管芯焊接”材料例如焊料、金屬填充的環(huán)氧樹脂(epoxy)或玻璃來將管芯安裝到各底盤或基片上。由于晶體管的失效率正比于晶體管的有源區(qū)或結(jié)的溫度，所以封裝功率晶體管時(shí)的一個(gè)最重要的問題是熱性能。這樣，為了使具有形成于其上的多個(gè)晶體管的管芯能夠一例如通過底盤-容易地把熱傳遞到所安裝的熱沉，管芯和熱沉間的管芯焊接界面必須具有低熱阻。因此，除提供機(jī)械支撐外，用于把管芯安裝于外殼上的焊接材料必須具有高熱傳導(dǎo)性。
環(huán)氧樹脂是這些材料中最常用的一種，它用于低頻和DC晶體管應(yīng)用。然而，環(huán)氧樹脂是一種很差的熱導(dǎo)體，妨礙了其在高頻應(yīng)用、例如RF功率晶體管器件中的應(yīng)用。這種器件中采用硬焊料來代替它。硬焊料是具有高強(qiáng)度和較高熱傳導(dǎo)性的較低溫度熔化合金，其基本上沒有熱疲勞，具有彈性形變而不具有塑性形變。盡管存在著用于把管芯安裝到外殼上的許多不同硬焊料，但具有363℃的共晶熔點(diǎn)的金-硅合金最廣泛應(yīng)用于高頻應(yīng)用。
具體地說，如

圖1所示，將外殼加熱到410℃，然后用真空裝置將管芯置于外殼的管芯安裝區(qū)上(即，各安裝底盤或不導(dǎo)電基片上)，人工擦磨該表面，直到形成充分的熔融物。然而，利用該技術(shù)一個(gè)應(yīng)注意的問題是，管芯暴露于較高溫度下。具體地說，采用金-硅共晶體作為焊接介質(zhì)，由于金-硅共晶體缺少塑性形變能力，可能會(huì)因冷卻或器件的功率循環(huán)在管芯上造成相當(dāng)大的應(yīng)力。如果所產(chǎn)生應(yīng)力超過硅的最大強(qiáng)度，這些熱效應(yīng)可能會(huì)導(dǎo)致龜裂。為控制這種應(yīng)力，需要采用復(fù)雜且昂貴的材料和工藝。另外，為減小高處理溫度引起的熱效應(yīng)，包圍半導(dǎo)體管芯的材料必須具有與管芯匹配的熱膨脹系數(shù)，這極大地限制了可用材料的選擇。
例如，參見圖2，未密封的現(xiàn)有技術(shù)功率晶體管外殼10包括用于將由安裝的硅管芯12所散發(fā)的熱傳導(dǎo)到熱沉(未示出)的導(dǎo)電安裝底盤14。為了適當(dāng)?shù)貙?shí)施，底盤14必須具有大約與硅相同的熱膨脹系數(shù)(即，2.6×10-6/℃)。由于熱膨脹系數(shù)為7.0×10-6/℃的銅-鎢(15％Cu)其熱膨脹系數(shù)較低，所以廣泛地用于這種目的。盡管這種銅-鎢合金具有較高的熱傳導(dǎo)性(178W/m-K)，仍然很希望用由具有較高熱傳導(dǎo)性的金屬例如純銅構(gòu)成的底盤來代替銅-鎢(15％Cu)底盤。然而，由于純銅的熱膨脹系數(shù)(16.5×10-6/℃)是硅的熱膨脹系數(shù)的六倍，所以在金-硅共晶焊接需要的較高溫度下處理芯片時(shí)，它實(shí)際上是不能用的。
同樣，甚至在用中間基片16將硅管芯12與底盤14電隔離開時(shí)，基片16也必須具有與硅接近的熱膨脹系數(shù)。還必須提供良好的電隔離及最小的電容和電導(dǎo)。由于熱膨脹系數(shù)為8.0×10-6/℃的氧化鈹(BeO)滿足上述需求，并且與例如工業(yè)金剛石相比而言較便宜，其中工業(yè)金剛石除成本問題之外其具有最佳整體特性，所以氧化鈹被廣泛用于這種目的。雖然如此，由于管芯焊接的需要所造成的熱傳導(dǎo)性和膨脹限制可能會(huì)限制另外一些本來有利的基片材料的應(yīng)用。
因此，需要提供一種可以在較低溫度下將半導(dǎo)體管芯安裝于基片上的替代工藝。
發(fā)明概述本發(fā)明通過采用不受溫度影響的直接接觸式管芯安裝克服了現(xiàn)有技術(shù)的問題和缺點(diǎn)。具體地說，根據(jù)本發(fā)明總體方案，采用多個(gè)彈性夾緊部件將半導(dǎo)體管芯安裝到功率晶體管外殼的管芯安裝區(qū)。
在優(yōu)選實(shí)施例中，夾緊部件一端焊接到半導(dǎo)體管芯的頂面上，另一端焊接到如發(fā)射極、集電極或基極引線框等穩(wěn)定表面上。夾緊部件的形狀和構(gòu)成提供了彈性力，以使管芯的底面與晶體管外殼的管芯安裝區(qū)例如安裝底盤或不導(dǎo)電基片產(chǎn)生和保持基本上均勻和恒定的接觸。夾緊部件優(yōu)選導(dǎo)電的，可以將來自管芯上各晶體管單元位置的電流傳送到夾緊部件焊接于其上的各引線框。
正如所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員所清楚的，此后將顯示出本發(fā)明的其它及進(jìn)一步的目的及優(yōu)點(diǎn)。
附圖簡(jiǎn)述各附圖示出了本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的設(shè)計(jì)和應(yīng)用，其中圖1是用于將半導(dǎo)體管芯安裝于晶體管外殼基片上的現(xiàn)有技術(shù)共晶焊接工藝的側(cè)視圖；圖2是現(xiàn)有技術(shù)(未密封的)功率晶體管外殼的透視圖；圖3是采用了本發(fā)明直接接觸式管芯安裝的功率晶體管外殼的第一優(yōu)選實(shí)施例的透視圖；圖4是本發(fā)明功率晶體管外殼的第二優(yōu)選實(shí)施例的透視圖；以及圖5是采用了本發(fā)明直接接觸式管芯安裝的功率晶體管外殼的第三優(yōu)選實(shí)施例的透視圖。
優(yōu)選實(shí)施方案詳述參見圖3，功率晶體管外殼20包括通過第一、第二、第三和第四夾緊部件26a-d安裝于安裝底盤30的頂面28上的硅管芯22。具體地說，硅管芯22的底面(圖3中未示出)與底盤30的頂面28基本上均勻接觸。另外，盡管硅管芯22的底面和底盤30的頂面28每一個(gè)都可以鍍金以防止氧化，但由于硅管芯22并未共晶焊到底盤30上，所以不必鍍金，這樣可以提供制造功率晶體管外殼20的較便宜的工藝。
具有矩形窗口21的矩形陶瓷基片24適于焊接到底盤30的頂面28上，即利用現(xiàn)有技術(shù)公知的技術(shù)，其中窗口21封閉管芯安裝區(qū)。陶瓷基片24優(yōu)選由電絕緣但熱傳導(dǎo)的材料例如氧化鋁構(gòu)成。金鍍層25也利用現(xiàn)有技術(shù)公知的技術(shù)施加于基片24之頂面23的相對(duì)邊緣27和29上，其中輸入(即，發(fā)射極或基極)和輸出(集電極)引線框32和34分別共晶焊到相對(duì)邊緣27和29上的金鍍層25上。
根據(jù)本發(fā)明，各夾緊部件26a-d支撐和固定硅管芯22就位。具體地說，第一和第二夾緊部件26a-b的第一端焊接(例如，利用已知的超聲絲焊技術(shù))到輸入引線框34上的對(duì)應(yīng)“錨點(diǎn)”31a-b，第三和第四夾緊部件26c-d的第一端分別焊接到輸出引線框32上的對(duì)應(yīng)錨點(diǎn)31c-d。夾緊部件26a-d的各第二端焊接到硅管芯22之頂面19上的對(duì)應(yīng)錨點(diǎn)33a-d。
夾緊部件26a-d優(yōu)選由合適的材料構(gòu)成(例如，鋁或金或鋁合金)，以便它們具有足夠的彈性來穩(wěn)定和保持硅管芯22的底面使其與底盤30的頂面恒定接觸。另外，夾緊部件26a-d的選擇長度和彎度優(yōu)選構(gòu)成為使它們每一個(gè)在各錨點(diǎn)33a-d上作用了基本相同大小的壓力，錨點(diǎn)33a-d優(yōu)選對(duì)稱地位于硅管芯22的頂面19上。以此方式，底盤30的頂面28作用于硅管芯22底面上的力基本上均勻分布。
夾緊部件26a-d最好是導(dǎo)電的，以便第一和第二夾緊部件26a-b的各第二端可以焊接到位于硅管芯22上各晶體管單元的對(duì)應(yīng)輸入(即，發(fā)射極或基極)引線(未示出)上的錨點(diǎn)33a-b，它們的第一端焊接到輸入(即，發(fā)射極或基極)引線框34上。同樣，第三和第四夾緊部件26c-d的各第二端可以焊接到位于硅管芯22上各晶體管單元的對(duì)應(yīng)輸出(即，集電極)引線(未示出)上的錨點(diǎn)33c-d，它們的第一端焊接到輸出(即，發(fā)射極或基極)引線框32上。以此方式，夾緊部件可以有利地提供將管芯22上的一個(gè)或多個(gè)晶體管單元(未示出)與各引線框32和34電連接的附加功能。
參見圖4，第二優(yōu)選功率晶體管外殼40包括安裝于矩形陶瓷基片42上的硅管芯41，其利用所屬領(lǐng)域公知的技術(shù)合適地焊接到安裝底盤50上。另外，陶瓷基片42優(yōu)選由電絕緣但具有熱傳導(dǎo)性的陶瓷材料例如氧化鋁構(gòu)成。
以與圖3所示的外殼20的夾緊部件26a-d相同的方式，外殼40的硅管芯41借助多個(gè)夾緊部件46a-d固定到基片42的頂面48上，這些夾緊部件可以穩(wěn)定并迫使硅管芯41的底面(圖4中未示出)與基片42的頂面48基本均勻且恒定地接觸。具體地說，第一和第二夾緊部件46a-b的各第一端焊接(例如利用公知的超聲絲焊技術(shù))到輸入引線框44上的對(duì)應(yīng)錨點(diǎn)43a-b，第三和第四夾緊部件46c-d的各第一端焊接到輸出引線框47上的對(duì)應(yīng)錨點(diǎn)43c-d。夾緊部件46a-d的各第二端焊接到硅管芯41之頂面39上的對(duì)應(yīng)錨點(diǎn)45a-d。
正如所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員所清楚的，夾緊部件46a-d具有與圖3所示外殼20的部件26a-d相同的優(yōu)選特性--即，關(guān)于形狀、材料、導(dǎo)電性等。也正如所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員所清楚的，由于不再需要使基片42的熱膨脹系數(shù)與管芯41相匹配(即，不用將管芯41共晶焊到基片42上)，所以本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于基片42可以由較便宜(幾乎沒有毒)的材料構(gòu)成。
參見圖5，第三優(yōu)選功率晶體管外殼60包括安裝于矩形陶瓷基片62上的硅管芯61，其利用所屬領(lǐng)域的公知技術(shù)適當(dāng)?shù)睾附佑诎惭b底盤70上。另外，陶瓷基片62優(yōu)選由電絕緣但具有熱傳導(dǎo)性的陶瓷材料如氧化鋁等構(gòu)成。
以與圖3和4所示的外殼20和40類似的方式，外殼60的硅管芯61借助多個(gè)夾緊部件66a-h固定到基片62的頂面57上，使硅管芯61的底面(未示出)穩(wěn)定，并迫使其與陶瓷基片62的頂面57基本均勻且恒定地接觸。具體地說，第一和第二夾緊部件66a-b的各第一端焊接(例如，利用已知的超聲絲焊技術(shù))到輸入引線框64上的對(duì)應(yīng)錨點(diǎn)63a-b。第三和第四夾緊部件66c-d的各第一端焊接到輸出引線框67上的對(duì)應(yīng)錨點(diǎn)63c-d。
此外，第五和第六夾緊部件66e-f的各第一端焊接到另一個(gè)(例如接地輸出)引線框71上的對(duì)應(yīng)各錨點(diǎn)63e-f，第七和第八夾緊部件66g-h的各第一端焊接到再一個(gè)輸出引線框72上的對(duì)應(yīng)錨點(diǎn)63g-h。八個(gè)夾緊部件66a-h的各第二端焊接到硅管芯61之頂面59上的對(duì)應(yīng)錨點(diǎn)65a-h。
另外，八個(gè)夾緊部件66a-h具有選定的長度和弧度，并且優(yōu)選由具有足夠彈性的材料(例如，鋁，或金，或鋁合金)構(gòu)成，以便能穩(wěn)定半導(dǎo)體管芯61的底面并迫使其與基片62的頂面57恒定接觸。如同圖3和4所示的優(yōu)選實(shí)施例一樣，夾緊部件66a-h的長度和弧度最好選定為使它們?cè)趯?duì)應(yīng)的錨點(diǎn)65a-h上作用相同的壓力，這樣基片62的頂面57作用于半導(dǎo)體管61底面上的力能均勻分布。如前述優(yōu)選實(shí)施例所述，夾緊部件66a-h優(yōu)選為導(dǎo)電的，可以從管芯62上的各錨點(diǎn)65a-h將電流傳到引線框64、67、71和72上的對(duì)應(yīng)錨點(diǎn)63a-h。
這樣，這里公開了用于將半導(dǎo)體管芯焊接到晶體管外殼上的改進(jìn)的方法和裝置。盡管以上展示和介紹了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例和應(yīng)用，但所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)明白，在不脫離本發(fā)明思想的情況下，可以有許多改形。因此，除所附權(quán)利要求書的精神之外，本發(fā)明不受限制。
權(quán)利要求
1.一種晶體管器件，包括具有底面和頂面的半導(dǎo)體管芯；具有頂面的基片；安裝到基片上的多個(gè)引線框；以及多個(gè)彈性夾緊部件，每個(gè)彈性夾緊部件具有第一端和第二端，其特征在于，各彈性夾緊部件的第一端焊接到各選定的引線框，各彈性夾緊部件的第二端焊接到半導(dǎo)體管芯的頂面上，由此，彈性夾緊部件在半導(dǎo)體管芯上施加一足夠的作用力，使管芯的底面產(chǎn)生并保持與基片頂面的基本上均勻且恒定的接觸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的晶體管器件，還包括形成于管芯頂面上的晶體管單元，其中第一彈性夾緊部件在晶體管單元和其中第一彈性夾緊部件的第一端焊接于其上的相應(yīng)引線框之間傳導(dǎo)電流。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的晶體管器件，其特征在于，第二彈性夾緊部件在晶體管單元和其中第二彈性夾緊部件的第一端焊接于其上的相應(yīng)引線框之間傳導(dǎo)電流。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的晶體管器件，其特征在于，第一彈性夾緊部件的第一端焊接到輸入電流引線框上，第二彈性夾緊部件的第一端焊接于輸出電流引線框上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的晶體管器件，其特征在于，第一和第二彈性夾緊部件的各第一端焊接到晶體管器件的基極引線框上，第三和第四彈性夾緊部件的各第一端焊接到晶體管器件的集電極引線框上。
6.一種晶體管器件，包括具有頂面的安裝底盤；具有頂面和底面的半導(dǎo)體管芯；安裝于安裝底盤的頂面上的多個(gè)引線框；以及多個(gè)彈性夾緊部件，每個(gè)彈性夾緊部件具有第一端和第二端，其特征在于，各彈性夾緊部件的第一端焊接到相應(yīng)選定的引線框上，各彈性夾緊部件的第二端焊接到半導(dǎo)體管芯的頂面上，由此，彈性夾緊部件在半導(dǎo)體管芯上施加一足夠的作用力，使管芯的底面產(chǎn)生并保持與安裝底盤頂面的基本上均勻且恒定的接觸。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的晶體管器件，還包括形成于管芯頂面上的晶體管單元，其中第一彈性夾緊部件在晶體管單元和其中第一彈性夾緊部件的第一端焊接于其上的相應(yīng)引線框之間傳導(dǎo)電流。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的晶體管器件，其特征在于，第二彈性夾緊部件在晶體管單元和其中第二彈性夾緊部件的第一端焊接于其上的相應(yīng)引線框之間傳導(dǎo)電流。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的晶體管器件，其特征在于，第一彈性夾緊部件的第一端焊接到輸入電流引線框上，第二彈性夾緊部件的第一端焊接于輸出電流引線框上。
10.根據(jù)權(quán)利要求6的晶體管器件，其特征在于，第一和第二彈性夾緊部件的各第一端焊接到晶體管器件的基極引線框上，第三和第四彈性夾緊部件的各第一端焊接到晶體管器件的集電極引線框上。
11.一種晶體管器件，包括具有頂面的安裝底盤；具有頂面和底面的基片，基片的底面安裝到安裝底盤的頂面上，所說基片還具有形成于其中的管芯安裝窗口；具有頂面和底面的半導(dǎo)體管芯；安裝到基片的頂面上的多個(gè)引線框；以及多個(gè)彈性夾緊部件，每個(gè)彈性夾緊部件具有第一端和第二端，其特征在于，各彈性夾緊部件的第一端焊接到相應(yīng)選定的引線框上，各彈性夾緊部件的第二端焊接到半導(dǎo)體管芯的頂面上，由此，彈性夾緊部件在半導(dǎo)體管芯上施加一足夠的作用力，使管芯的底面產(chǎn)生并保持與安裝底盤頂面的基本均勻且恒定的接觸，并且半導(dǎo)體管芯設(shè)置于基片管芯安裝窗口內(nèi)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的晶體管器件，還包括形成于管芯頂面上的一個(gè)晶體管單元，其中第一彈性夾緊部件在晶體管單元和其中第一彈性夾緊部件的第一端焊接于其上的相應(yīng)引線框之間傳導(dǎo)電流。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的晶體管器件，還包括形成于管芯頂面上的多個(gè)晶體管單元，其中一個(gè)或多個(gè)彈性夾緊部件在各選定的晶體管單元和其中相應(yīng)彈性夾緊部件的第一端焊接于其上的引線框之間傳導(dǎo)電流。
14.根據(jù)權(quán)利要求11的晶體管器件，其特征在于，第一彈性夾緊部件的第一端焊接到輸入電流引線框上，第二彈性夾緊部件的第一端焊接于輸出電流引線框上。
15.根據(jù)權(quán)利要求11的晶體管器件，其特征在于，第一和第二彈性夾緊部件的第一端焊接到晶體管器件的基極引線框上，第三和第四彈性夾緊部件的第一端焊接到晶體管器件的集電極引線框上。
全文摘要
半導(dǎo)體管芯(22)借助多個(gè)彈性夾緊部件(26a－d)安裝到晶體管外殼(20)上,所說夾緊部件的一端焊接到半導(dǎo)體管芯的頂面(19)上,另一端焊接到例如晶體管外殼的發(fā)射極、集電極或基極引線框(32,34)上。夾緊部件的形狀和構(gòu)成提供了彈性力,使得管芯的底面與晶體管外殼的管芯安裝區(qū)例如安裝底盤或不導(dǎo)電基片(30)產(chǎn)生和保持基本上均勻和恒定的接觸。夾緊部件優(yōu)選導(dǎo)電的,可以將來自管芯上各晶體管單元位置的電流傳送到其中夾緊部件焊接于其上的各引線框。
文檔編號(hào)H01L21/52GK1247636SQ9718189
公開日2000年3月15日 申請(qǐng)日期1997年12月20日 優(yōu)先權(quán)日1996年12月20日
發(fā)明者L·C·萊頓, T·W·莫勒 申請(qǐng)人:艾利森公司