專利名稱：帶嵌入式框架的窗口式非陶瓷封裝的制作方法
相關(guān)申請這是申請序列號為09/172,734申請的部分續(xù)篇，該申請于1998年10月13日提交，題目為“用大回流法(mass reflow)安裝的圖像傳感器”。
背景技術(shù)：
1.發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明涉及到集成電路封裝領(lǐng)域。特別是，該發(fā)明涉及到能用大回流法處理而安裝在電路板上的集成電路封裝。
2.相關(guān)技術(shù)說明窗口式集成電路封裝可用于多種應(yīng)用，在這些應(yīng)用中集成電路受到位于集成電路封裝外的光或其它輻射源的照亮或輻照。圖像傳感器就是一種窗口式集成電路封裝的應(yīng)用。
例如，可以在窗口式集成電路封裝內(nèi)放置一個光電二極管陣列。這種光檢測器陣列根據(jù)入射到該光檢測器陣列上的光線產(chǎn)生一種圖像數(shù)據(jù)輸出。這種光檢測器陣列可以用于圖像捕獲或其它圖像再現(xiàn)的應(yīng)用。用一種濾色器陣列(CFA)材料與光檢測器一同對照射到所述圖像傳感器上的光進(jìn)行濾色，便允許形成全色圖像。每個濾色器允許透過一種預(yù)定顏色的光照到一個相應(yīng)的光檢測器上，這樣便可確定該光檢測器將檢測到哪種顏色的光。將光傳感器分成多組共同使用，便能確定照到某一區(qū)域的光的顏色和強度。
集成電路(IC)封裝可用多種技術(shù)安裝在電路板上，包括用大回流法以及人工焊接和熱條焊接將封裝焊在電路板上。但人工焊接和熱條焊接費用昂貴且是比較慢的工藝方法。
采用大回流法安裝電路板快速且可自動操作。大回流是指將IC封裝的溫度升高至大約215～225℃的多種不同技術(shù)之一。在這種升高的溫度上，集成電路板焊盤上的焊料被熔化并附著于IC封裝的引線上。當(dāng)焊料冷卻后，IC封裝便牢固地與焊盤結(jié)合在一起。大回流包括紅外、對流和汽相技術(shù)。
象窗口式塑料封裝這類非陶瓷封裝比陶瓷封裝更令人滿意，因為這類封裝要比相應(yīng)的窗口式陶瓷封裝更廉價。但是，到現(xiàn)在為止，在大回流工藝中所測試的標(biāo)準(zhǔn)窗口式塑料封裝均出現(xiàn)了如下問題頂蓋有裂紋，管芯從管芯連接處剝離，以及由于塑料和玻璃窗之間的熱膨脹失配而造成的密封蓋分離。直到現(xiàn)在，在電路板上安裝窗口式塑料封裝還是使用人工焊接這類技術(shù)，以使封裝體不至于達(dá)到大回流工藝所升高的溫度。
Intel公司和Kyocera公司聯(lián)合提交的未決的美國專利申請，序列號為09/172,710，題目為《可大回流的窗口式非陶瓷封裝》中描述了一種窗口式非陶瓷封裝，這種封裝很適合大回流電路板安裝的溫度要求。但還是希望有一種能降低內(nèi)應(yīng)力的方法。這將允許減少或消除持續(xù)烘烤的次數(shù)，并允許較大尺寸的封裝使用大回流法。
發(fā)明概述一種集成電路(IC)封裝包括一個模塑復(fù)合物，一個管芯和一個窗口。所述模塑復(fù)合物中有一個嵌入式框架。該框架的熱膨脹系數(shù)(CTE)小于所述模塑復(fù)合物。經(jīng)大回流處理后該IC封裝便能固定在電路板上。
附圖簡述

圖1所示為申請人所改進(jìn)的窗口式四列扁平封裝(QFP)10的橫截面圖。
圖2所示為所述封裝頂蓋的實施方案示意圖，包括陶瓷框架和玻璃窗。
圖3所示為完整IC封裝的實施方案示意圖。
圖4所示為將管芯固定在窗口式非陶瓷封裝內(nèi)的處理方法的一種圖5所示為所述含有嵌入式框架的模塑復(fù)合物的實施方案的橫截面視圖。
圖6和7所示分別為含有嵌入式框架和不含嵌入式框架的IC封裝在225℃時的變形樣式。
圖8所示為嵌入式框架的一種實施方案，其交叉條連接了該嵌入式框架的各邊。
圖9A和9B所示為一種能用于在模塑復(fù)合物中嵌入框架的一種模具的實施方案。
圖10所示為一種圖像系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括一個用大回流法固定在電路板上的圖像傳感器。
詳細(xì)說明所闡述的是能用大回流法安裝的窗口式非陶瓷集成電路(IC)封裝的改進(jìn)方案。框架嵌入在該IC封裝的模塑復(fù)合物中。當(dāng)溫度升至適合于大回流的高溫時，這會降低該IC封裝的內(nèi)應(yīng)力。
申請人已證實，從總部在日本京都的Kyocera公司得到了改進(jìn)中的窗口式塑料QFP封裝，它使塑料封裝能夠承受大回流處理而不出現(xiàn)頂蓋脫離該模塑封裝、或管芯從該模塑封裝剝離的現(xiàn)象。另外，可以將這種非陶瓷IC封裝與一種具有高溫穩(wěn)定性的CFA材料結(jié)合制成圖像傳感器，這種傳感器在受到大回流處理的情況下也會保持其顏色特性。
下面所述為能進(jìn)行大回流的IC封裝，也就是Intel公司和Kyocera公司聯(lián)合提交的美國專利申請，序列號為09/172,710，題目為《可大回流的窗口式非陶瓷封裝》的描述。后續(xù)部分描述的是改進(jìn)的在模塑復(fù)合物中嵌入框架的IC封裝?？纱蠡亓鞯拇翱谑椒翘沾煞庋b圖1所示為可大回流的窗口式QFP封裝10的橫截面圖。非陶瓷模塑封裝12構(gòu)成該封裝的主體。一種實施方案是非陶瓷模塑封裝由一種低含水量的塑料制成，如Kyocera公司開發(fā)的一種低含水量的鄰甲酚酚醛清漆模塑復(fù)合物。實施方案中凹陷處22為模塑封裝制成后用起模桿移去該封裝的位置。附錄1列舉了Kyocera公司的一種低含水量模塑復(fù)合物的材料特性。
管芯連接14用于將管芯16固定在位。實施方案中的管芯連接14是一種低硬度的環(huán)氧樹脂，如總部在加洲Rancho Dominguez的Ablestik電子材料及粘合劑公司生產(chǎn)的充銀環(huán)氧樹脂。
焊絲接頭18將管芯16固定在引線框架20上。所選用的管芯連接14能經(jīng)受大回流處理的高溫。在大回流過程中可能出現(xiàn)的問題是管芯16從管芯連接14或模塑封裝12上剝離。申請人決定對管芯連接進(jìn)行兩步處理來解決這個問題，后面將參照圖3對此進(jìn)行討論。
頂蓋30將模塑封裝密封。實施方案中頂蓋30包括一個由礬土制成的陶瓷框架32。該陶瓷框架32固定著透明的窗口；玻璃窗34鑲在陶瓷框架32的凹陷邊緣處；所述模塑封裝12和陶瓷框架32用一種雙酚A類環(huán)氧樹脂密封。這種環(huán)氧樹脂也可用于將陶瓷框架32和玻璃窗34封接。附錄2總結(jié)了適合于本發(fā)明使用的雙酚A類密封劑的特性。
由于互補金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)圖像傳感器的管芯尺寸比較大(能達(dá)到或超過240密耳)，因此，這種改進(jìn)的窗口式封裝特別適合于這種圖像傳感器，但并不限于此。該封裝的實施方案適合于窗口略大于管芯感光區(qū)的圖像傳感器。
在一種實施方案中，所述窗口約為管芯感光區(qū)的1.2倍。但窗口的大小根據(jù)其距管芯的距離而變化。圖2和3所示為所述頂蓋和模塑封裝的實施方案示意圖。
圖2所示為所述封裝頂蓋30的一種實施方案示意圖，包括陶瓷框架32和玻璃窗34。第一尺寸單位為密耳，括號里的尺寸單位為毫米。該實施方案中，玻璃窗口34鑲在陶瓷框架32的凹陷邊緣40處。
圖3所示為根據(jù)本發(fā)明的完整IC封裝50的一種實施方案示意圖。指示元件的第一尺寸單位為英寸，第二尺寸(括號里)單位為毫米。雖然所示該實施方案的框架為特殊類型的引線框架(四列扁平封裝—QFP)，但其它類型的引線框架也可使用。而且還可使用其它封裝，包括諸如球柵陣列(BGA)封裝等無引線封裝，無引線芯片載體(LCC)封裝，以及諸如雙列直插式封裝等引線封裝等等。
圖4所示為將管芯固定在窗口式非陶瓷封裝上的處理方法的實施方案。在步驟202往模塑封裝上分布管芯連接。作為一種實施方案，如前所述，該管芯連接由一種低硬度的環(huán)氧樹脂構(gòu)成，如由充銀環(huán)氧樹脂構(gòu)成。
該過程在塊204中繼續(xù)，當(dāng)施加壓力時，該管芯得到清洗或被向前與向后移動，以便將所述管芯牢固地固定于所述管芯連接上。所以，不必在該管芯背面鍍金也可實現(xiàn)管芯與該模塑封裝的光滑表面形成良好粘接。
所述管芯連接在塊206進(jìn)行。在管芯連接中消除空隙很重要，空隙可能導(dǎo)致剝離問題。已證實為消除管芯連接中的空隙，兩步處理的效果要比一步處理好。作為一種實施方案，所述管芯連接要在大約100℃下烘烤約一小時，然后在約150℃下再烘烤大約一小時。
在塊208，焊絲接頭被附接在所述管芯和模塑封裝的引線框架之間。
在塊212，所述頂蓋被附接在模塑封裝上。作為一種實施方案該頂蓋包括用雙酚A類環(huán)氧樹脂固定在陶瓷框架32上的玻璃窗34，且這種環(huán)氧樹脂經(jīng)過烘烤處理；實現(xiàn)該處理是將溫度升至約150℃并持續(xù)大約70分鐘；將所述頂蓋附接在模塑封裝上所使用的環(huán)氧樹脂與將玻璃窗34附接在陶瓷框架32上所使用的相同，并且該環(huán)氧樹脂也升至約150℃高溫并持續(xù)大約70分鐘的處理。
作為一種實施方案，上述步驟在亞100標(biāo)準(zhǔn)級的潔凈房間里利用層流罩來完成，這種級別的房間里每一庫比特米中所含微米或不足微米的污染物顆粒少于100。這有助于在裝配期間防止顆粒對管芯的污染。
實施方案中，所述窗口有一規(guī)格為20微米的刻槽。這種刻槽規(guī)格表示玻璃上可允許的最大缺陷。再大的缺陷可能影響所述圖像傳感器的成像性能。
在進(jìn)行所述大回流處理之前，為了減少密封的封裝中的水分，在裝包之前可以延長烘烤的周期。作為一種實施方案，所述密封封裝在125℃下烘烤48小時，然后用防潮袋子進(jìn)行真空密封以便儲存和運輸。因此這種密封封裝符合電子電路連接和封裝協(xié)會(IPC)的4級表面安裝要求。(IPC是世界范圍內(nèi)擁有2300多家會員的電子連接工業(yè)貿(mào)易協(xié)會。)如塊214所示，當(dāng)密封好的封裝已準(zhǔn)備好安裝，便可從該袋中取出并用大回流法安裝在電路板上。有多種類型的大回流處理法。作為一種實施方案，所使用的是IR/對流大回流處理法，按下述步驟進(jìn)行1)將封裝主體溫度升至約225℃；2)高于215℃持續(xù)大約30秒；3)高于183℃持續(xù)大約140秒。
所述窗口式非陶瓷封裝能夠經(jīng)受上述大回流處理，而不會出現(xiàn)頂蓋與所述模塑封裝分離或管芯從所述模塑封裝剝離的現(xiàn)象?？纱蠡亓鞯膸度胧娇蚣艿拇翱谥Х翘沾煞庋b圖5所示為所述含有嵌入式框架300的模塑復(fù)合物的實施方案的橫截面視圖。該模塑復(fù)合物將所述框架基本上包圍起來。(在該底面上，可以包圍或者也可以不包圍該框架。)作為一種實施方案，該框架由陶瓷構(gòu)成，以便與該IC封裝窗口邊緣的陶瓷框架的CTE相匹配。在另一實施方案中，所述嵌入框架由低于模塑復(fù)合物CTE的材料構(gòu)成。例如，該框架可以含有銅/鎢合金或引線中常用的合金-42(一種含42％鎳和58％鐵的合金)。
由于IC封裝的內(nèi)應(yīng)力很難測量，所以通過有限元建模已對該內(nèi)應(yīng)力模型化，有限元建模通常用作機械設(shè)計的工程驗證工具。表1示例性示出了所述模塑復(fù)合物、管芯連接、硅管芯、窗口密封劑、窗口、陶瓷框架以及引線在建模中使用的一些CTE值。表1還示出了建模中使用的楊式模量(一種表示材料韌性的指標(biāo))和泊松比(當(dāng)沿橫向拉伸時，表示該方向上變形的一種指示性系數(shù))。
表1.不同溫度下的材料特性
*對于模塑復(fù)合物和密封劑的玻璃化溫度(Tg)為150℃。
**管芯連接的Tg為103℃。
***在25～225℃之間，認(rèn)為泊松比是常量。
根據(jù)上表，模塑復(fù)合物、管芯連接以及密封劑的材料特性在25℃至其Tg之間保持不變，然后會從Tg＋5℃～225℃改變?yōu)榱硪唤M不同的值。硅的特性反映了那些[110]說明。
表2總結(jié)了用含有合金-42的嵌入式框架來降低IC封裝內(nèi)應(yīng)力的典型結(jié)果。該典型結(jié)果顯示對于在背部管芯與所述模塑封裝之間以及在頂蓋與所述模塑封裝之間含有環(huán)氧樹脂界面的IC封裝，所帶有的嵌入式框架使其內(nèi)應(yīng)力明顯降低。這種應(yīng)力的降低使得更易于通過大回流實現(xiàn)更大尺寸的封裝，因為在諸如大回流溫度這種溫度極限上較大封襲尺寸對內(nèi)應(yīng)力更敏感。
表2
*+/-號表示凸/凹變形。
圖6和7所示分別為含有嵌入式框架和不含嵌入式框架的IC封裝在225℃時的典型變形樣式。使用嵌入式框架的變形明顯變小。
所述嵌入式框架可以采用多種形狀。但是，為了降低成本，圖2中窗口框架32可以采用諸如方環(huán)或袖珍形式的簡單設(shè)計。申請人已證實最好的效果是將所述嵌入式框架與管芯的邊緣相重疊，如圖5和6所示。
作為一種實施方案，所述嵌入式框架300可以包括如圖8所示用于附加支撐的、連接邊框304的交叉條302。在袖珍型的窗口框架32中，邊緣緊緊固定住模塑復(fù)合物中的嵌入式框架。還可以使用更復(fù)雜些的框架形狀(如蜂窩結(jié)構(gòu)的形式)，但所使用的框架的附加費用應(yīng)足夠低，這樣才能保證整個封裝的費用低于全陶瓷封裝。
在另一實施方案中，一種沒有窗口框架的全玻璃窗被附接在所述模塑復(fù)合物上。嵌入式框架使大回流處理中的應(yīng)力降低。例如，可以使用由合金-42(CTE～4.5ppm/C)或銅/鎢合金(CTE～6.5ppm/C)構(gòu)成的嵌入式框架，或是陶瓷框架(CTE～7.4ppm/C)。模具處理圖9A和9B所示為一種能在模塑復(fù)合物中嵌入框架的模具的一種實施方案。圖9A所示為該模具的橫截面視圖，表示在模槽340中放置嵌入式框架300的情況。圖9B為對應(yīng)于圖9A虛線部分俯視所述嵌入式框架300的模槽頂視圖。
在該實施方案中，擋塊342用于將所述嵌入式框架300固定在適當(dāng)?shù)奈恢蒙?。位于所述模?40一側(cè)的流道和澆口360為所述模塑復(fù)合物提供源頭。流道和澆口相對于所述模槽340的位置作這樣設(shè)置，以便模塑復(fù)合物流動時向嵌入式框架的頂面加壓，并將嵌入式框架向下壓入到所述模槽340中。當(dāng)模塑復(fù)合物提供到所述模槽340中時，位于該模具對側(cè)的排氣口362允許將空氣排出。在所述模槽340中提供模塑復(fù)合物時，還嵌入了引線框架370。
在實施方案中，可以同時制作多個模塑封裝。正如大家已經(jīng)知道的一樣，這些模塑封裝被端對端地聯(lián)合成一個帶。在其它的處理步驟中，該模塑封裝是相互分開的。成像系統(tǒng)圖10示出了包含有圖像傳感器的成像系統(tǒng)400，它利用了帶有嵌入式框架的IC封裝。圖像傳感器通過大回流處理法被附接在電路板上。圖像傳感器410被用作攝像機、硅眼或其它圖像設(shè)備的一部分。典型地，該圖像傳感器被電耦合到圖像處理器420和存儲器430上。該成像系統(tǒng)也可以包括互聯(lián)電路440，以便與諸如主計算機系統(tǒng)或其它輸出設(shè)備等其它系統(tǒng)進(jìn)行通信。所述成像系統(tǒng)也可以包括透鏡系統(tǒng)(未示出)，以便把光線聚焦在圖像傳感器上，這在本領(lǐng)域是已知的。
這種通過大回流處理方法附接圖像傳感器可以降低成本，并加速了制造過程。這也可比人工焊接方法提供更可靠的連接。
因此，所公開的是一種可通過大回流處理法安裝到電路板上的帶有嵌入式框架的IC封裝。此處所述的特定裝置和方法只是說明了本發(fā)明的原理。在形式和細(xì)節(jié)上的大量改進(jìn)將不會脫離本發(fā)明的范疇。例如，由于所嵌入的框架，在背部管芯和模塑封裝之間以及在頂蓋和模塑封裝之間的內(nèi)應(yīng)力會減小，所以可以不要延長烘烤的周期。盡管所展示的本發(fā)明涉及一種特殊的實施方案，但不應(yīng)認(rèn)為它是一種限制。本發(fā)明只由附屬的權(quán)利要求書來加以限制。
附錄1材料特性(EO1B的常規(guī)參數(shù))
附錄權(quán)利要求
1.一種集成電路(IC)封裝包括模塑復(fù)合物，該模塑復(fù)合物中嵌入了一個框架，該框架的熱膨脹系數(shù)(CTE)小于所述模塑復(fù)合物的熱膨脹系數(shù)；管芯，固定在所述模塑復(fù)合物上；以及窗口，附接在所述模塑復(fù)合物上，以便允許光線照到所述管芯上。
2.權(quán)利要求1的IC封裝，其中所述框架含有陶瓷。
3.權(quán)利要求1的IC封裝，其中所述框架含有一種合金。
4.權(quán)利要求3的IC封裝，其中所述框架含有合金-42。
5.權(quán)利要求1的IC封裝還包括鄰接所述窗口的窗口框架，該窗口框架的CTE小于該模塑復(fù)合物的CTE。
6.權(quán)利要求5的IC封裝，其中所述窗口框架由與所述框架相同的材料構(gòu)成。
7.權(quán)利要求1的IC封裝，其中所述框架在所述管芯四周之下。
8.一種制造IC封裝的方法，該方法包括在模具中放置框架；以及用模塑復(fù)合物將所述框架基本上包圍起來。
9.權(quán)利要求8的方法，其中，通過用模塑復(fù)合物基本上包圍一個陶瓷框架來實現(xiàn)用模塑復(fù)合物基本上包圍所述框架。
10.權(quán)利要求8的方法，其中，通過用模塑復(fù)合物基本上包圍一個合金框架來實現(xiàn)用模塑復(fù)合物基本上包圍所述框架。
11.權(quán)利要求8的方法，其中，通過用塑料模塑復(fù)合物基本上包圍一個合金-42的框架來實現(xiàn)用模塑復(fù)合物基本上包圍所述框架。
12.權(quán)利要求8的方法還包括將管芯固定在所述模塑復(fù)合物上；以及通過將窗口附接在所述模塑復(fù)合物上來封裝該管芯。
13.權(quán)利要求12的方法，其中，將所述管芯附接在所述模塑復(fù)合物上包括為該管芯定位，以使其邊緣位于所述框架之上。
14.一種制造IC封裝的方法，該方法包括將管芯附接在含有嵌入式框架的模塑復(fù)合物上；以及將窗口附接在所述模塑復(fù)合物上來封裝該管芯。
15.權(quán)利要求14的方法，其中，將所述管芯附接在所述模塑復(fù)合物上包括定位該管芯，以使其邊緣位于所述框架之上。
16.權(quán)利要求14的方法，其中，將所述窗口附接在所述模塑復(fù)合物上還包括將所述窗口附接在合金窗口框架上；以及將所述合金窗口框架附接在所述模塑復(fù)合物上。
17.權(quán)利要求14的方法，其中，將所述窗口附接在所述模塑復(fù)合物上還包括將所述窗口附接在陶瓷窗口框架上；以及將所述陶瓷窗口框架附接在所述模塑復(fù)合物上。
18.一種將IC封裝固定在電路板上的方法，該IC封裝包括一個含嵌入式框架的模塑復(fù)合物，其中所述嵌入式框架的熱膨脹系數(shù)(CTE)小于所述模塑復(fù)合物的熱膨脹系數(shù)，該方法包括緊貼著所述電路板放置所述IC封裝；以及用大回流法將所述IC封裝附接在所述電路板上。
19.權(quán)利要求18的方法，其中，將所述IC封裝附接在所述電路板上包括將該IC封裝加熱至高于215℃。
全文摘要
一種集成電路(IC)封裝包括:一個模塑復(fù)合物(12),一個管芯(16)和一個窗口(34)。所述模塑復(fù)合物(12)中有一個嵌入其內(nèi)的框架(32)。該框架(32)的熱膨脹系數(shù)小于所述模塑復(fù)合物(12)的熱膨脹系數(shù)。經(jīng)大回流處理便可將該IC封裝附接在電路板上。
文檔編號H01L23/52GK1331841SQ99814836
公開日2002年1月16日 申請日期1999年11月23日 優(yōu)先權(quán)日1998年12月21日
發(fā)明者Z·－F·李, K·森古普塔, D·L·湯普森 申請人:英特爾公司