专利名称:散热性能改善了的大规模集成电路封装的制作方法本发明涉及大规模集成电路和超大规模集成电路封装，特别涉及能大量散热的大规模集成电路和超大模规模集成电路的塑料封装。封装集成电路越来越多地采用塑料芯片载体。塑料芯片载体价廉，可靠性高，因而特别适合仪表、电子计算机、工业控制、电信、文娱和某些非关键性的军事用途上。但塑料密封的器件极不适宜进行散热量大于一瓦的散热。鉴于越来越多的线路都组装成集成电路，因此日益迫切需用能驱散更多热量的塑料封装。大规模集成器件和超大规模集成器件，其电路的工作温度极限要求特别严，因而与这些器件有关的散热问题变得特别敏锐。尽管功率晶体管的基片能在200℃温度下令人满意地工作，但对大规模集成或超大规模集成的基片来说，则要求更低得多的最高工作温度。工作温度极限值之所以要求低，是因为给半导体掺杂以制造大规模集成或超大规模集成电路元器件用的杂质有热迁移性所致。在功率晶体管中，各掺杂区较大，因而对杂质因热引起的往毗邻各区的某些相互扩散作用要求不怎么严格。然而，鉴于大规模集成和超大规模集成器件所采用的几何图形的细部是如此精细，以致即使较小量的杂质相互扩进毗邻各区中也会使大规模集成或超大规模集成器件不能再用。(意大利，阿格累特)SGS-Ates公司销售的封装具体说明了解决大规模集成电路散热的一种方法。在该器件中，采用了介于集成电路与电路板之间的引线框架来传热。例如在44脚封装中，有33个引线作为信号引线，其它(在一侧的)11个引线则用以传热到印制电路板上。11个引线一端个个都焊接到电路板上，另一端则粘接到管芯底上。SGS-Ates声称的结面外壳间的热阻在12℃/瓦的数量级，相比之下，普通塑料封装的热阻系在20℃/瓦至100℃/瓦之间。散热问题的其它解决方法还有功率晶体管和小规模集成电路器件各构件所使用的技术。功率晶体管往往装在金属外壳中，这些金属外壳系作散热器或作为通到散热装置的渠道。在这种结构中，金属外壳系直接焊接到半导体基片上，从而降低了基片与环境之间的热阻，同时使金属外壳成为晶体管器件的电气接线端。这种结构对大规模集成电路和超大规模集成电路都不适用。制造大规模集成电路和超大规模集成电路用的基片有时要求与器件封壳电气绝缘。虽然金属封壳可使其与其它电路元件电气绝缘(例如在某些功率晶体管中借助于云母绝缘垫圈和不导电构件)，但这种方法对多数大规模集成电路器件和超大规模集成电路器件来说却提供了不能令人满意的高热阻。同样，某些小规模集成电路封装采用传热性环氧树脂将热量传递到封装外。但这类环氧树脂压焊的封装技术如果应用在大规模集成和超大规模集成工艺中其热阻还是太高。降低工作温度除了满足大规模集成电路和超大规模集成电路为使杂质的热相互扩散尽量减小的要求外，也是延长电路使用寿命所必需的。研究结果表明，集成电路在140℃至180℃工作温度范围内每降低10℃，工作寿命就大致上翻一番。因此迫切希望能降低集成电路的工作温度。然而，降低集成电路的工作温度也降低了散热的温度预算范围。目前大多数大规模集成电路和超大规模集成电路的散热技术是按55℃温升的温度预算范围内设计的(125℃结面最高工作温度减去70℃最坏情况下环境的仪器温度)。令集成电路在较小的温度预算范围内工作会使大规模集成电路和超大规模集成电路的散热问题进一步恶化。因此，需要有一个散热性能得到提高的大规模集成电路和超大规模集成电路封装。本发明的一个目的是提供一种大功率大规模集成电路封装。本发明的另一个目的是提供一种在尺寸和引脚(pinout)符合JEDEC(美国电子器件工程联合委员会)塑料芯片载体系列标准MO-047(一九八四年十月三十一日)的大功率集成电路封装。
本发明还有另一个目的，就是提供一种结面外壳间热阻特低的大规模集成电路封装。
本发明的又另一个目的是取消环氧树脂的界面，令热量在大规模集成电路中直接从结面传递到周围环境中。
本发明是一种大功率塑料大规模集成电路封装，该封装顶部有一个从集成电路管芯至金属散热器的低热阻通路。热通路包括一个传热电气绝缘体(例如氧化铍或氮化铝)，介在集成电路管芯与散热器之间。传热电气绝缘体的正反面都敷有金属化层，并用冶金方法分别焊接到管芯和散热器上。集成电路管芯与印制电路板之间是用环氧树脂将一个引线框架粘合到散热器上形成电气接触面的，粘合采取能防止导线焊接表面受污染的方式。这种组件能使结面外壳间的热阻达1℃/瓦的数量级。
通过下面对本发明参照各附图所作的各实施例的详细介绍，即可进一步了解本发明的上述及其它目的、特点及优点。
图1是装在本发明一个集成电路封装内的一个集成电路管芯的横剖面图。
图2是图1视图的放大详图，展示着传热装配件的各元件。
图3是图1集成电路封装的详细平面图，展示集成电路管芯及在密封之前连接到引线框架上的各附件。
参看图1至图3。从图中可以看到，本发明的集成电路封装10包括一个集成电路管芯12、一个传热电气绝缘体14和一个金属散热器16。传热电气绝缘体14可以由诸如氧化铍、钻石、碳化硅、氮化铝之类的材料或是任何其它传热性能相当的电气绝缘体制成。为便于说明，这里举了一个采用氧化铍的最佳实施例。
集成电路管芯12有一个平面18和第二表面20，第二表面20上连接有多个接线。传热电气绝缘体14具有第一和第二处于相对位置的表面22、24，该两表面都依次敷有钼-锰、镍金属层和最后一层的镀金层。第一金属焊接材料26(例如低温焊料)用以将管芯12的平面18连接到传热电气绝缘体14第一表面22上的金属化层。第二金属焊接材料28用以将传热电气绝缘体14第二表面24的金属化层连接到金属散热器16上。在本最佳实施例中，金属散热器16是由Olin 151铜制成，散热器的表面积为一平方英寸，底部表面积为1.062平方英寸，高0.05英寸。第一金属焊接材料16、氧化铍芯片14、第二金属焊接材料28和金属散热器16在一起组成传热体组件11，将热量从集成电路管芯12传到周围环境中。
集成电路管芯12与电路板30之间的交界面设有引线框架32。引线框架32有多个触指34，向里朝集成电路管芯12延伸。与普通集成电路引线框架不同，本发明采用的引线框架32没有附在管芯上的垫片。管芯的安装方式与一般封装方式相反，且固定到氧化铍基片14上。
在本最佳实施例中，引线框架32的引线端宽约6密耳，引线间距约5密耳。引线框架由Olin 151铜制成，镀有百万分之五十英寸的镍，引线端再镀以百万分之五十英寸的金。
在各引线触指第一表面38上绕引线框架32延伸有聚酰亚胺带36，在制造过程中用以在结构上支撑脆弱的引线框架。带36的宽度在80密耳数量级。各引线框架触指34第二表面42上的引线框架周围也延伸有环氧树脂预制件40，或其它电气绝缘焊接材料，用以将引线框架焊接到金属散热器16上，并将引线框架与金属散热器16隔开。此环氧树脂粘合作用将引线框架32与管芯12及传热组件11相对固定在一起，从而使管芯出来的导线可以接到引线框架各触指上。在本最佳实施例中，环氧树脂预制件40是由5密耳厚的550K型埃伯尔薄膜板(加利福尼亚，卡登纳，埃伯尔斯迪克试验室)切制成的，宽度约为80密耳。
集成电路管芯12与引线框架32之间用多个金质导线44相互连接。导线44将管芯12第二平面20上各电路元件与引线触指34的第一表面38连接起来。导线44的直径约为1.3密耳。将环氧树脂预制件40安置在引线触指34的第二边42上，与各焊接表面隔开足够的距离，这样就可以防止各引线触指34的导线焊接表面受污染。将固化过程中从第二表面42蠕变到第一表面38的任何环氧树脂料与导线焊接表面充分隔离，使不致产生污染。还可以采取这样的防污染措施将聚酰亚胺带36朝环氧树脂预制件40内侧安置在引线框架32上，使其对环氧树脂在引线框架32的第一边38上朝导线焊接表面蠕变起一个阻挡的作用。
塑料封装46将装配件密封起来，散热器16暴露在顶部表面，将热量从集成电路管芯12传递到周围大气中。塑料封装46可用MG25F模塑料(美国宾夕法尼亚州，匹兹堡市，德克斯特公司，环氧树脂类粘合剂部(Hysol Division)出品)制成。散热器16上部边缘周围开有槽口，如图1和图3所示，使得密封用的塑料可将其牢靠固定就位。引线框32与印刷电路板30之间相互连接用的插脚48也伸出密封封装。
为便于制造，将氧化铍金属化层焊接到管芯及铜散热器用的低温焊料，最好熔点不同。在本最佳实施例中，将氧化铍金属层焊接到铜上用的铜焊混合料是一种预制件，该预制件由80%银和20%铜组成，熔点约为800℃。将氧化铍金属层焊接到集成电路管芯用的混合物是由金和硅组成的预制件，熔点约为380℃。两种预制件的厚度通常约为二分之一密耳。
本发明一种集成电路封装的制造过程如下用温度较高的低温焊料28将氧化铍芯片14的第二金属化表面24焊接到散热器16上。再用温度较低的低温焊料26将管芯12的平面18焊接到氧化铍芯片14的第一金属层表面22上。按如此程序进行制造，就可以在第二次用低温焊料焊接时不致破坏温度较高的第一低温焊料焊接点。
接着用环氧树脂预制件40将引线框架32(包括聚酰亚胺带36)焊接到散热器16上。环氧树脂预制件40是在B阶段(部分交联)中提供的，固化温度为150℃，历时30分钟，以使焊接过程彻底进行。
引线框架32焊接到散热器16之后，再加上将管芯12互连到引线框架32的导线44。导线接头可复盖以接点涂敷混合料(例如Dow Corning 6103，图中未示出)。将装配好的组件用一个铰链式铸型和一个二十吨压力机密封进塑料模塑料46中。于是突出的各引线框架触指就形成所要求的J形引线。J形引线48应这样取向，使得封装10安装到电路板30上时，安置得含散热器16的表面朝上，且远离电路板，并暴露在周围大气中。
本发明集成电路封装结面对外壳的热阻比同类可与之竞争的各技术的热阻一般低一至两个数量级。这种热阻的各理论组成部分(这可用普通程序确定)大致细分如下结面至第一低温焊料 .125℃/瓦第一低温焊料至BeO .001℃/瓦BeO至第二低温焊料 .051℃/瓦第二低温焊料至散热器 .001℃/瓦散热器顶部至底部 .1℃/瓦实用中可达到1℃/瓦数量级的热阻。(这可与上述SGS-Ates公司器件提出的约12℃/瓦热阻值媲美。)上述理论数值是基于下列条件取得的管芯面积48，216平方密耳;第一金属焊接材料组成96.9%金，3.1%硅;氧化铍基片面积0.25平方英寸，厚0.01英寸;第二合金组成82%金，18%铟;铜散热器厚度.050英寸，顶部表面积1平方英寸。
在热量直接由结面传递到周围环境的通路上避免采用任何粘接树脂，可以使本发明达到很高的传热效率。所有连接都采用金属焊接材料。若同样的装配件是用环氧树脂粘合的方法进行制造，热阻的增加会大于一个数量级。
本发明通过将管芯配置在与普通封装的管芯倒转的位置而进一步提高了热性能。管芯的取向取基部平面朝上的方式，使管芯可以焊接到将热量传递到封装顶部和周围大气的低热阻通路上。其它具竞争性的工艺，例如上述SGS-Ates公司出品的器件，完全依靠沿高热阻通路的传热来散热。
尽管以上介绍的只是一个最佳实施例，但熟悉本专业的人士都不难理解，在不脱离本发明基本原理的基础上是可以对本发明的上述配置方式和细节进行修改的。例如，封装各J形引线可反方向取向，使得散热器处在封装的底部表面并毗邻电路板。在这种实施方案中，散热器与电路板之间就可以直接进行热连接，方法是将散热器延伸出密封材料表面，一直延伸到电路板上，或者在这些元件之间加一个中间传热件。同样，在另一个经修改的实施例中，上面例举的引线框架可用一种带式自动焊接系统代替，从而简化了器件的制造过程，并提高封装密度。
结合这些和其它方案的实施例都可应用本发明的基本原理付诸实施。因此，我们在此声明，所有这些根据下列各项
权利要求
1.一种集成电路管芯用的封装，其特征在于，该封装包括一个传热组件；一个封装装置，用以容纳所述集成电路管芯和传热组件，所述封装装置具有第一和第二处在相对位置的表面，适于按下述方式装在电路板上第一表面毗邻电路板配置，第二表面与电路板间隔一段距离配置，其中一个所述表面包括散热用的散热装置；所述传热组件包括一个传热电气绝缘体，具有第一和第二敷有金属化的处于相对位置的表面；第一金属焊接装置，用以将集成电路管芯焊接到电气绝缘体的第一金属化表面上；和第二金属焊接装置，用以将电气绝缘体的第二金属化表面焊接到散热装置上。
2.根据权利要求
1的封装，其特征在于，第二表面包括所述散热装置。
3.根据权利要求
1的封装，其特征在于，该封装还包括引线框架，包括多个在中心延伸的导电触指，各触指具有第一和第二处于相对位置的表面，用以与管芯进行电气连接;绝缘的焊接装置，用以将引线框架各触指的第二表面焊接到散热装置上，并将引线框架各触指的第二表面与散热装置隔离;和接线装置，用以将引线框架各触指的第一表面连接到集成电路管芯上。
4.一种集成电路器件，其特征在于，该器件包括一个集成电路管芯，具有第一和第二处于相对位置的表面;连接装置，用以将芯片的第二表面进行电气连接;散热装置，用以散热;绝缘的焊接装置，用以将连接装置焊接到散热装置上，并将连接装置与散热装置隔开;一个传热电气绝缘体;焊接装置，用以将传热电气绝缘体焊接在集成电路管芯第一表面与散热装置之间;和封装装置，具有第一和第二处于相对位置的表面，用以容纳所述管芯、连接装置、散热装置、绝缘的焊接装置、绝缘体和焊接装置，该散热装置通过所述封装装置延伸到其中一个所述封装表面。
5.一种装配集成电路管芯的方法，其特征在于，该方法包括下列步骤提供一个金属构件;提供一个具有第一和第二处于相对位置平直边的传热电气绝缘体;将电气绝缘体的第一和第二处于相对位置的平直边金属化;将电气绝缘体的第一金属化边焊接到管芯上;将电气绝缘体的第二金属化边焊接到金属构件上;将管芯，传热电气绝缘体和一部分金属构件密封进电气绝缘材料中，使得集成电路发出的热量可传到密封着的电气绝缘材料的外部表面。
6.根据权利要求
4的方法，其特征在于，该方法还包括下列步骤提供具有第一和第二边及在中间位置延伸的若干触指的引线框架;连接集成电路管芯与引线框架各触指第一边之间的各导线;将引线框架的第二边焊接到金属构件上，并使其与金属构件相隔一段距离。

公开了一种大功率塑料LS1封装，该封装具有从集成电路管芯通到封装顶部金属散热器的低热阻通路。热通路包括氧化铍之类的传热电气绝缘体，夹在集成电路管芯与散热器之间。氧化铍相对表面是金属化的，并分别焊接到管芯和散热器上。集成电路管芯与印刷电路板之间以引线框架作为界面，引线框架系用环氧树脂粘接到散热器上，使导线焊接表面不受污染。这种封装结面至外壳的热阻比其它塑料芯片载体的热阻小一至二个数量级。