具有模制蓋連接件的塑料包覆成型的包裝件的制作方法

專利名稱：具有模制蓋連接件的塑料包覆成型的包裝件的制作方法
技術領域：
本發明涉及用于集成電路(IC)和相關裝置的塑料封裝包裝件，更具體地涉及需要主動熱學管理的塑料封裝包裝件。 相關申請本申請與同一日期提交的申請No. (Crispell et al. Case 8-2-60) 相關。
背景技術：
電子裝置例如IC裝置上廣泛應用的包裝形式是塑料外殼。通常， IC芯片被粘結在襯底上并且聚合物被模制在組件上以包覆成型 (overmold)所述裝置。對于兩個或多個IC芯片常見的是組裝成單 一的包覆成型包裝件。多芯片包裝件被稱為多芯片模件(MCM)。隨著在現有IC技術場合中芯片尺寸的減小，IC包裝件過熱的問 題變得愈加嚴重。問題進一步加重是因為用于包覆成型的聚合物是性 能差的熱導體。因而，盡管塑料有效地封裝了裝置，但其依舊集留了 由裝置產生的熱量。在IC芯片利用引線接合件與包裝件的電氣終端 相連的包裝件中，封裝物的厚度必須足以容納引線接合件的高度。這 樣就導致在裝置上形成塑料的厚"蓋"。由于在其它一切恒定時，任何 給定材料的熱阻都隨厚度的增加而減小，因此厚度的增加進一步阻礙 了熱消散。已經提出并采用多種散熱器方案來解決熱學管理問題。其中，為 具有引線接合IC芯片這一類型的包裝件定制的方案是采用與IC芯片 頂部相連并形成為嵌入塑料包覆成型件內的導熱"煙囪"。該導熱煙囪 穿過塑料包覆成型件的厚度且穿過煙囪本身而不是塑料包覆成型的材
料，從IC芯片上將熱量傳導至包裝件頂部。在一些包裝件設計中，煙囪頂部固定于蓋。該蓋由金屬制成，這樣可有效地使熱量散開并將熱量傳導到外部環境。在常規設計中，煙囪采用熱界面材料(TIM) 連接在蓋上。盡管對于煙囪結構來講可以采用任何導熱材料，但硅因 其與硅芯片的熱機相容性、低成本、可用性、與現有IC組件設備的 相容性以及良好的導熱率而成為優選。已經確認在這些包裝件設計中存在裝置失效。對包裝件設計的改 進需要克服這些失效。發明內容我們已經研究了具有煙自式散熱器的IC裝置的失效模式并詳細 確定了失效的原因和影響。這些包裝件中兩種最常見的失效模式是起 因于對總煙自的機械完整性的破壞i)由于TIM/蓋或者TIM/煙囪界 面的破壞而引起的蓋對硅煙自的連接的損失；以及ii)由于煙囪-IC粘 合劑/煙囪或煙囪-IC粘合劑/IC裝置界面的破壞而導致的硅煙囪對IC 裝置連接的損失。當這種連接失敗時，失去了從IC芯片到外部環境 的傳熱路徑。在這些斷開的原因中，主要原因是熱機應力。當熱機應 力變得過大時，蓋與煙囪分離或者煙囪與IC裝置分離。我們已經研 究了一種有效的方法以降低熱機應力的不利影響，并提高這些IC包裝件的熱機穩定性。改進包裝件設計的關鍵是認識到蓋應該至少部分 地與煙囪機械分離，同時保持密切的熱連接。這是與通過使煙囪和蓋 之間形成的接合更機械加固并由此形成更大剛性的方法來解決問題的 傾向在直覺上是相逆的。改進基本上依賴于向包覆成型件和蓋提供機 械結構，使得包覆成型件本身有助于將蓋保持在適當位置，從而允許 實現部分的機械分離和密切的熱連接。


當結合附圖考慮時將會更清楚地理解本發明，其中圖1-4是用于制造具有煙囪式散熱器的包覆成型IC裝置包裝件的
典型步驟順序的示意圖；圖5和6是在說明書中采用的說明申請人對所述裝置失效模式認 知的具有四個IC芯片和四個煙囪的MCM包裝件的平面圖；圖7和8是MCM包裝件的側視圖，表示蓋與煙自分離或在煙自 與IC芯片之間的接合上引起失效的斷開模式；圖9和IO表示改進的包裝件設計，其中在蓋邊緣處采用機械特征 有助于使蓋連接在包裝件上；圖11-13是表示改進的包裝件設計的類似圖示，其中機械特征遍 布蓋的面積。
具體實施方式
圖1表示包括接合在具有模片連接材料16的襯底11上的IC芯片 14的IC芯片包裝件。襯底可以是任何適當的襯底材料，但通常是印 刷電路板(PCB)。引線接合墊12和13通過已知方式形成在襯底上。 參照圖2，引線接合件21和22示出使接合的IC芯片14與PCB電連 接。在操作過程中多個IC芯片產生大量的熱，并需要特定類型的散 熱以避免過熱和失效。例如，微處理器通常是利用現有技術設計準則 制成的大型IC芯片并具有非常密集的裝置包裝。它們具有嚴重的熱 學管理問題，并因此通常設有特殊的散熱配置。其中之一在圖3中示 出具有硅煙囪32形式的散熱器。在這種類型的包裝件中，IC芯片通 常安裝在PCB上，并且得到引線接合以通電互連。引線接合件與IC 芯片上的接合墊(為了表示清楚未示出)的邊緣陳列相連。這樣在芯 片的中心留出了安裝硅煙囪的空間。該硅煙囪可以采用適當的連接材 料33與IC芯片相連。連接材料包括但不局限于粘合劑、例如環氧樹 脂或者其它粘合劑聚合物材料或焊料。優選的是，粘合劑材料為導熱 性粘合劑。許多標準和市售導電性粘合劑也是有效的熱導體。所示實例是模片接合和引線接合裝置。備選地可以采用其它形式 的IC裝置，例如倒焊芯片IC裝置。IC芯片通常得到封裝，但可以 包括棵模片。IC芯片所涉及的意味著包括任意形式。在所示的引線接
合實例中，硅煙囪的高度足以容納引線接合件的高度。煙囪高度可以 較高，或者在裝置不具有引線接合件的情況下較短。硅煙囪通常被設計成用于引線接合的IC芯片包裝件。參照圖4，組件隨后被封裝在聚合物包覆成型件43中。這樣可以 保護IC芯片、PCB表面上的印刷電路以及引線連接件。熱界面材料 (TIM) 45隨后施加在包覆成型件上，并連接蓋41以完成所述裝置。 TIM用作從硅煙囪32向蓋41傳熱的傳導介質，以及用于將蓋保持在 適當位置的粘合劑。用于本申請的適當的TIM是可以從Ablestick Corp得到的Ablebond 2000TR。蓋41作為熱分散器并將熱量橫向傳 導到遠離硅煙囪定位的蓋的較冷部分，以及向環境或被設計成熱消散 結構的其它系統進行熱傳導和輻射。蓋由導熱材料例如銅構成。蓋通 常的厚度范圍在0.1mm至l.Omm。圖5示意性表示具有如圖所示布置在正方形四角的四個IC裝置 和四個珪煙囪53， 54， 55, 56的MCM51的平面圖。該圖僅是多種具 有更少或更多裝置和煙自的MCM裝置構造及配置的一個示例。煙囪53和54以標稱距離a-b為中心距地分隔開。當MCM模件 運轉，并且在不同操作條件下、例如開和關時熱循環，距離a-b將因 IC包裝件中的多個構件的膨脹/收縮而改變。當蓋例如61如圖6所示 連接在煙自的頂部時，煙囪的頂部與蓋和襯底都相連，使得由總煙囪 和煙囪/蓋界面承受因任何改變距離a-b的移動而產生的不同應力。例 如，如果蓋61是銅制的，通常用于這種包裝件中的蓋的材料，并且包 裝件承受明顯的溫度變化，則銅蓋將會經受由銅的熱膨脹系數Tc所規 定的膨脹/收縮。通過通常與確定距離a-b的屬性不同的屬性確定距離 a，-b，。因此，根據在包裝件構造中采用的材料的熱機屬性，在a-b與 a，-b，之間的不匹配會在包裝件上導致明顯的剪應力和彎曲應力。這些 往往影響煙囪與蓋以及煙囪與IC裝置之間的界面。在嚴重的情況下 會導致蓋與包裝件分開，或者煙囪與IC分開。分開經常發生在TIM與蓋之間。TIM牢固地粘結在硅煙囪上， 但不太牢固地粘結在蓋上。圖7表示在蓋71與TIM74之間形成的空 間75。通過平面應變的相異輸出以及彎曲力矩產生的應變導致蓋失效以 及煙囪與IC裝置連接失效中的任一種或二者。這些在圖8中示出。 在蓋失效中，圖左側的硅煙囪84相對于圖右側的硅煙囪85升高。該 不一致是煙囪或包裝件的其它構件膨脹不同的結果。平面應變的輸出 會足以促使蓋81完全或部分與封裝物83分離(為了表示清楚該圖省 去了 TIM)。與圖8所示相同的平面應變的輸出還會在硅煙囪上產生 彎曲力矩。直覺上會認識到當蓋在圖中左側升高時(其中蓋可以與硅 煙囪84分離)，其發生傾斜。這就向煙自85施加了彎曲力矩，并且會 促使在33處的連接、也就是煙囪與IC芯片之間的連接失效。在煙囪散熱器與蓋之間形成更堅固連接的方法似乎增加了這些構 件之間粘合連接的完整性。然而，我們已經發現更有效的辦法卻正好 相反。這些構件之間的剛性連接被發現至少部分地是造成蓋失效問題 的原因。因此，已經設計了新包裝件結構，其中包覆成型件具有有助 于蓋連接的機械特征。蓋具有互補的機械特征。在圖l-4所示的包裝 件設計中，將會認識到如果存在粘合連接失效，則沒有任何機械構件 可用于將蓋固緊(hold-down )在包裝件上。機械的蓋固緊部是下文描 述的設計中的特征。圖9表示沿蓋的邊緣形成的槽口 94。包覆成型件93具有支承在 槽口 92上以固緊蓋91的機械固緊特征94。為了形成這一結構，在施 加包覆成型件93之前將蓋連接在煙自上是有效的。然而，這種連接僅 需是暫時連接，直至包覆成型件93形成。優選施加在煙囪與蓋之間的 連接材料是相對較軟的導電聚合物。同樣優選的是在散熱器與蓋之間 的導電聚合物不是粘結聚合物，或是相對較弱的粘結聚合物。因此， 與通常的環氧樹脂相比硅樹脂是優選的。用于本申請的適當材料是可 以從Lord Thermoset得到的Gelease MG 121。如果需要，可以在所述的蓋固緊部之外采用常規的TIM連接蓋。 在這種情況下將會認識到TIM僅施加在煙囪上，而不像圖4所示那樣 施加在包覆成型件上。實際上，剛剛描述的步驟順序排除了直接向包
覆成型件施加TIM。如果TIM優選在蓋與包覆成型件之間的界面上， 則可以在將蓋連接在煙囪上之前向蓋表面施加TIM。應該指出，對于適應蓋、模制化合物、硅煙自、IC裝置、煙囪模 片連接件、IC模片連接件以及襯底材料的熱機屬性的設計，可以不需 要TIM以確保通過蓋與煙囪的實體接觸在煙自與蓋之間形成高熱連 接的界面。然而，在組裝過程中的工序控制會使這些設計不如包括 TIM材料的那些設計堅固。由于在模制步驟中形成蓋固緊特征94,因此它們變為包覆成型件 的一部分并與包覆成型件的其余部分結合成一體。蓋固緊部可以被設 計成許多形式，在此僅示出了它們中的幾個。在圖10中示出了蓋固緊 部的選擇形式，其中蓋固緊特征105通過繞蓋101中的凹腔側壁102 模制包覆成型件103而形成。應該指出在包覆成型件上的固緊特征在 形狀上與蓋中的固緊特征102互補。在圖9和10所示的實施方式中，沿蓋的邊緣形成蓋固緊部。然而， 因上述機械應力而產生的應變同樣會發生在蓋的中心部。這些應變會 在蓋的中間引起分離問題。為了增加更大的固緊動力，蓋固緊部可以 形成在跨越整個蓋面積的位置。這些可以被描述為面積陳列的蓋固緊 部。在圖11中示出了面積陳列的固緊部的一個示例。凹槽112形成在 蓋11上。當施加封裝物123時，其填充凹槽112，從而增大了蓋與包 覆成型件之間的接觸表面面積。應該認識到該圖以及在此提供的其它 圖不是按比例繪制的。為了表示清楚而使特征具有所示的尺寸。實際 采用的特征可能更大或更小。圖12中所示的凹槽是V形。可以選擇多種形狀。例如，凹槽可 以是榫槽形、具有凹腔側壁的V形凹槽、T形、W形等等。在圖12和13中示出了面積陳列的蓋固緊部的四個另外的示例。 兩個圖都以兩個獨立的實施方式表示具有煙自式散熱器的裝置。為了 方便對它們分組，但它們表示四個不同的裝置結構，其中以124, 125， 134和135表示四個不同的蓋固緊特征。以124表示的固緊部是穿過 蓋121形成的孔。這些孔的功能與榫槽接頭類似。在圖12中以125 表示的固緊部與燕尾形接頭的功能類似。在圖13中以134和135表示 的固緊部類似于鉚釘。應該認識到所有這些結構都具有用于有效提供 將包裝件蓋保持在包覆成型件上的力的固緊部。應該顯而易見的是示 為面積陳列的固緊部的固緊構造可以作為邊緣固緊部、也就是沿以上 結合圖9和10所述的蓋邊緣的邊緣固緊部。如上所述，遵循本發明的原理可以設計多種結構。這些原理之一 是在包覆成型件主體上設置蓋固緊部。術語"固緊部"已在上文得到 詳細描述，并且示出的幾種實施方式有助于限定其含義。其指的是在 模主體中形成并與模主體一體形成的任何形狀，其與包裝件的蓋的一 個或多個結構形狀組合，施加力以將蓋保持在包裝件上。因而，盡管 其可能是本領域在前未制定的術語，但在描述本發明時采用該術語是 清楚和適當的。如上所述，蓋固緊部包括在蓋和包覆成型件中的固緊結構。這些 分別在蓋和包覆成型件中的固緊結構的形狀實質上互補。也就是說， 蓋中的固緊特征的形狀與包覆成型件主體中的固緊特征的形狀互補。如上所述，本發明主要適用于MCM包裝件，這往往意味著每個 包裝件包含N個IC裝置，其中N至少是2，每個IC裝置具有散熱器。本領域技術人員將會對本發明做出多種另外的改變。基本上依賴 于使本領域進步的上述原理和它們的等效理論的所有偏離說明書的具 體教導的內容嚴格地被認為是處于所描述和要求的本發明的范圍內。
權利要求
1.一種包覆成型MCM IC包裝件，包括a.襯底，b.至少兩個與襯底相連的半導體IC裝置，c.至少兩個散熱器，并且散熱器與每個IC裝置相連，所述散熱器具有頂部和底部，所述底部與IC裝置相連，d.用于封裝半導體裝置和散熱器的聚合物包覆成型件，所述包覆成型件利用散熱器暴露的頂部形成上表面，所述聚合物包覆成型件在上表面上具有多個蓋固緊部，e.與包覆成型件相連的蓋，所述蓋具有多個蓋固緊部，包覆成型件中的蓋固緊部與蓋中的蓋固緊部接合。
2. 如權利要求l所述的包裝件，其特征在于，包覆成型件和蓋中 的蓋固緊部的每一個都具有形狀，并且包覆成型件中的固緊部的形狀 與蓋中的蓋固緊部的形狀互補。
3. 如權利要求2所述的包裝件，其特征在于，所述IC裝置利用 引線接合件與襯底電連接。
4. 如權利要求2所述的包裝件，其特征在于，第一導電聚合物選 擇性地布置在散熱器與蓋之間。
5. 如權利要求4所述的包裝件，其特征在于，第二導電聚合物選 擇性地布置在包覆成型件與蓋之間，并且所述第一導電聚合物不同于 第二導電聚合物。
6. 如權利要求4所述的包裝件，其特征在于，第一導電聚合物不 是粘結聚合物。
7. 如權利要求2所述的包裝件，其特征在于，散熱器是硅制的。
8. 如權利要求2所述的包裝件，其特征在于，蓋是銅制的。
9. 如權利要求2所述的包裝件，其特征在于，具有至少四個IC 裝置。
10. —種用于制造包覆成型MCMIC包裝件的方法，包括 a. 將N個半導體IC裝置連接在襯底上，其中N至少為2，b. 將N個散熱器連接在IC裝置上，每個IC裝置都設有散熱器， 所述散熱器具有與IC裝置相連的底部以及頂部，c. 將蓋連接在散熱器頂部，所述蓋具有多個蓋固緊部，d. 模制封裝IC裝置和散熱器的包覆成型件，其中模制包覆成型 件的步驟包括形成與包覆成型件一體的多個蓋固緊部，所述包覆成型 件中的蓋固緊部填充所述蓋中的蓋固緊部。
11. 如權利要求10所述的方法，其特征在于，包覆成型件和蓋中 的蓋固緊部的每一個都具有形狀，并且包覆成型件中的固緊部的形狀 與蓋中的蓋固緊部的形狀互補。
12. 如權利要求11所述的方法，其特征在于，所述IC裝置利用 引線接合件與襯底電連接。
13. 如權利要求11所述的方法，其特征在于，所述蓋利用第一導 電聚合物連接在散熱器上。
14. 如權利要求13所述的方法，其特征在于，在將蓋連接在散熱 器上之前，向蓋施加第二導電聚合物，并且第一導電聚合物不同于第 二導電聚合物。
15. 如權利要求13所述的方法，其特征在于，第一導電聚合物不 是粘結聚合物。
16. 如權利要求ll所述的方法，其特征在于，散熱器是硅制的。
17. 如權利要求ll所述的方法，其特征在于，蓋是銅制的。
18. 如權利要求11所述的方法，其特征在于，N至少為4。
全文摘要
說明書描述了具有煙囪式散熱器并帶有蓋的包覆成型塑料的IC包裝件。包裝件在包裝件蓋上具有機械的固緊部結構，在施加包覆成型件時，所述固緊部結構與包覆成型件上的固緊部結構形成互補。
文檔編號H01L23/02GK101127348SQ20071011203
公開日2008年2月20日 申請日期2007年6月21日 優先權日2006年8月16日
發明者J·W·奧森巴赫, R·B·克里斯佩爾, R·S·基斯特勒 申請人:艾格瑞系統有限公司