PL205553B1 - Sposób obudowania przyrządu półprzewodnikowego - Google Patents

Abstract

Przyrządy półprzewodnikowe (struktury półprzewodnikowe) są wprowadzane do nieprzepuszczalnych dla wilgoci obudów zespołów elektronicznych przez utworzenie obudów wokół struktury półprzewodnikowej, w trzech oddzielnych częściach: podstawie, ścianach bocznych i pokrywie. Struktura półprzewodnikowa zostaje najpierw przylutowana lub inaczej przyłączona do podstawy, po czym następuje zamocowanie ścian bocznych do podstawy i w końcu pokrywy do ścian bocznych. W przypadku procedur wykorzystujących podstawę przewodzącą ciepło i wysoką temperaturę lutowania, struktura półprzewodnikowa może być zamocowana do podstawy w wysokiej temperaturze lutowania, po czym następuje nałożenie ścian bocznych na podstawę przy znacznie niższej temperaturze, zapobiegając potencjalnemu uszkodzeniu ścian bocznych w wysokiej temperaturze. Zatem można zastosować ściany boczne z tworzywa sztucznego, które inaczej uszkodziłyby się lub odkształciły pod wpływem wysokiej temperatury lutowania. W przypadku obudów zespołów elektronicznych zwykle zastosowanie ścian bocznych z tworzywa sztucznego umożliwia zastosowanie kombinacji materiałów na pokrywę i podstawę, które są inaczej niezgodne, i zmniejsza lub eliminuje przypadkowe uszkodzenie związane z pęknięciami pod wpływem naprężeń, co następuje przy wysokich temperaturach występujących przy wytwarzaniu, montażu, badaniu lub stosowaniu obudowy.

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób obudowania przyrządu półprzewodnikowego. Wynalazek dotyczy dziedziny obudów przyrządów elektronicznych, które osłaniają i chronią przyrządy półprzewodnikowe (struktury półprzewodnikowe) i zapewniają połączenia elektryczne, które łączą obwody struktury półprzewodnikowej z elementami zewnętrznymi, takimi jak elementy płytki drukowanej. Wynalazek ten dotyczy w szczególności obudów z wnęką powietrzną, tj. takich, w których struktura półprzewodnikowa jest umieszczona we wnęce wypełnionej powietrzem, a osiągnięcie zalet struktury półprzewodnikowej wynika z małej stałej dielektrycznej powietrza. W szczególności wynalazek ten dotyczy trudności w uszczelnianiu obudowy wokół struktury półprzewodnikowej i wnęki wypełnionej powietrzem w sposób, który utrzyma uszczelnienie nieprzepuszczalne dla gazu w wysokich temperaturach napotykanych podczas wytwarzania obudowy i warunkach napotykanych przez obudowę podczas użytkowania.

Zespół elektroniczny zawiera uszczelnioną strukturę półprzewodnikową wewnątrz obudowy ochronnej, przez której ściany przechodzą przewody, którymi obwody struktury półprzewodnikowej są dołączone elektrycznie do obwodów zewnętrznych, takich jak na płytce drukowanej z oprzewodowaniem. Obudowy będące zainteresowaniem tego wynalazku są znane w przemyśle elektronicznym jako „obudowy z powietrzem („air-cavity packages), ponieważ struktura półprzewodnikowa jest umieszczona w pustej, wypełnionej powietrzem wnęce wewnętrznej wewnątrz obudowy, a powietrze służy jako izolator elektryczny w związku z jego małą stałą dielektryczną. Ta zdolność izolacyjna jest szczególnie pożyteczna, gdy przyrząd elektroniczny jest elementem elektronicznym o mocy mikrofalowej. Wnęka wypełniona powietrzem jest także pożyteczna, gdy struktura półprzewodnikowa wymaga przepuszczania światła, jak na przykład przyrządy ze sprzężeniem ładunkowym CCD i przyrządy CMOS, ponieważ powietrze zapewnia pełny dostęp optyczny do powierzchni struktury półprzewodnikowej.

Aby uzyskać zgodne i niezawodne wyniki przy szczególnie drobnych liniach obwodów i dużych gęstościach prądu, które są obecnie stosowane w strukturach półprzewodnikowych, obudowa musi być uszczelniona przed wtargnięciem pary wodnej i innych gazów atmosferycznych. Jednocześnie obudowa musi być zdolna do rozpraszania ciepła, które struktura półprzewodnikowa wytwarza podczas użytkowania. Rozpraszanie ciepła jest zwykle uzyskiwane przez podstawę obudowy i z tego powodu podstawa obudowy jest wykonana z materiału przewodzącego ciepło, zwykle z płytki metalowej, z wysokotemperaturowym, przewodzącym ciepło lutem, często lutem eutektycznym, łączącym strukturę półprzewodnikową z podstawą. Obudowy są ogólnie tworzone najpierw przez połączenie ścian bocznych z płytką metalową, aby utworzyć korpus obudowy, ze ścianami bocznymi mającymi przechodzące przez nie wyprowadzenia elektryczne. Po utworzeniu korpusu, struktura półprzewodnikowa jest umieszczana wewnątrz korpusu i zamocowana do podstawy za pomocą lutu. Następnie jest wykonywane przyłączenie przewodów, aby połączyć obwody struktury półprzewodnikowej z wyprowadzeniami i obudowa jest ostatecznie ukończona przez zamocowanie pokrywy do korpusu za pomocą właściwego kleju, aby zamknąć ją z góry.

Wysoka temperatura lutowania potrzebna do zamocowania struktury półprzewodnikowej do podstawy obudowy wymaga, żeby korpus obudowy był skonstruowany z materiału, który może wytrzymać wysoką temperaturę bez pękania, topienia, płynięcia, rozkładu lub podlegania innym przekształceniom, które mogłyby zaszkodzić uszczelnieniom w obudowie. W zespołach przeznaczonych do pracy z dużą mocą występuje dodatkowe oddziaływanie na ściany i pokrywę obudowy z powodu wysokich temperatur, jakie powstają podczas pracy. Z tego powodu ściany boczne i pokrywa obudowy ze stanu techniki są wykonane z materiału ceramicznego. Materiał ceramiczny jest jednak drogi i przy masowej produkcji obudów, materiał ceramiczny jest głównym składnikiem kosztu wytwarzania obudowy. Koszt mógłby być znacznie zmniejszony, jeżeli materiał ceramiczny byłby zastąpiony przez tworzywa sztuczne, lecz tworzywa sztuczne często nie wytrzymują wysokich temperatur lutowania i albo bę d ą topić się albo rozk ł adać , gdy struktura pół przewodnikowa jest przylutowywana do podstawy. W wyniku tego wytwarzanie obudów przyrządów elektronicznych ze ścianami bocznymi z tworzywa sztucznego ma duży wskaźnik awaryjności.

Podobny problem występuje w obudowach, które są wytwarzane jako obudowy dwuczęściowe, w których podstawa i ściany boczne są początkowo formowane jako pojedyncza wypraska z materiału ceramicznego lub tworzywa sztucznego z metalowym elementem rozpraszającym ciepło, uformowanym lub inaczej wprowadzonym jako podstawa, a drugim elementem jest pokrywa. Jeżeli materiał ceramiczny jest stosowany jako materiał konstrukcyjny na jednolitą podstawę i ściany boczne, koszt

PL 205 553 B1 jest wysoki, a jeżeli jest stosowane tworzywo sztuczne, wydajność masowej produkcji będzie mała w zwią zku z pogorszeniem się jako ś ci lub odkształ ceniem tworzywa sztucznego i wytworzeniem miejsc upływu w znacznej części zespołów.

Oddzielny problem stanowią obudowy optycznych zespołów elektronicznych, tj. zawierające przyrządy ze sprzężeniem ładunkowym CCD lub przyrządy CMOS, które wymagają zastosowania przezroczystych pokryw, aby umożliwić przepuszczanie światła. Ponieważ te zespoły elektroniczne nie wytwarzają ciepła podczas użytkowania, nie wymagają zastosowania podstawy metalowej szybko rozpraszającej ciepło, lecz można zastosować podstawy z metalu, tworzywa sztucznego lub materiału ceramicznego. Poza tym brak konieczności szybkiego rozpraszania ciepła eliminuje konieczność zastosowania wysokotemperaturowego lutowania metalu. Zamiast tego można zastosować niskotemperaturowe lutowanie przy zastosowaniu materiałów lutowniczych, takich jak epoksydowe. Reakcja na wysokie temperatury jest jednak istotna, ponieważ przed zastosowaniem zespołu elektronicznego, jest on poddawany dalszej obróbce po montażu samego zespołu. To następne przetwarzanie obejmuje lutowanie wyprowadzeń na zewnątrz obudowy do obwodów zewnętrznych, jak również badanie na zgodność z wymaganiami, z czego wszystko może wymagać zastosowania wysokich temperatur. Podczas poddawania tym temperaturom, różnice współczynników rozszerzalności cieplnej (CTE) elementów obudowy powodują, że obudowa jest podatna na złamanie. W szczególności pokrywa szklana, która jest stosowana w typowej obudowie optycznej, aby umożliwić przepuszczanie światła, ma znacznie mniejszy współczynnik CTE niż podstawa, gdy podstawa jest z metalu, tworzywa sztucznego lub materiału ceramicznego. Ta różnica powoduje, że pokrywa i podstawa rozszerzają się w różnym stopniu podczas cyklu termicznego. Różne rozszerzanie się powoduje, że obudowa wygina się i ściany boczne są poddawane naprężeniu, zwiększając niebezpieczeństwo zaszkodzenia uszczelnieniom, które łączą ściany boczne albo z podstawą albo z pokrywą albo z oboma. Gdy tworzą się pęknięcia, obudowy nie spełniają testów szczelności i testów czułości na wilgotność, które określają, czy są one właściwe do zastosowania i wydajność wytwarzania użytecznych wyrobów (działanie, trwałość obudów) spada.

Sposób obudowania przyrządu półprzewodnikowego wewnątrz obudowy ochronnej, przez ścianki której przechodzą wyprowadzenia elektryczne, według wynalazku charakteryzuje się tym, że w etapie (a) lutuje się przyrząd półprzewodnikowy do podstawy przewodzącej ciepło w temperaturze powyżej 250°C, w etapie (b) mocuje się ramę ścian bocznych z tworzywa sztucznego na metalowej podstawie po zakończeniu etapu (a) przez utworzenie uszczelnienia pomiędzy ścianami bocznymi i podstawą metalową w temperaturze poniżej 200°C, tworząc w ten sposób częściową obudowę wokół przyrządu półprzewodnikowego, przy czym rama z tworzywa sztucznego lub podstawa przewodząca ciepło zostały wykonane z wyprowadzeniami przewodzącymi elektrycznie tak, że wyprowadzenia przechodzą przez częściową obudowę, w etapie (c) przyłącza się elektrycznie obwód przyrządu półprzewodnikowego do wyprowadzeń oraz w etapie (d) mocuje się pokrywę do częściowej obudowy, przez co obudowuje się przyrząd półprzewodnikowy w obudowie, która jest zasadniczo nieprzepuszczalna dla gazów.

Korzystnie wymieniona temperatura w etapie (a) jest zawarta w zakresie od 300°C do 400°C.

Korzystnie wymieniona temperatura w etapie (b) jest zawarta w zakresie od 125°C do 185°C.

Korzystnie podstawa przewodząca ciepło jest podstawą z metalu wybranego z grupy składającej się z miedzi, stopów miedzi, w których miedź jest głównym składnikiem, stopów żelazowo-niklowych i stopów żelazowo-niklowo-kobaltowych, a wymieniona pokrywa jest z tworzywa sztucznego.

Korzystnie podstawa przewodząca ciepło jest wykonana ze składnika wybranego z grupy składającej się z AI2O3, BeO, AlN, SiN i AI2O3 zmodyfikowanego składnikiem wybranym z grupy składającej się z BaO, SiO2 i CuO, a pokrywa jest szklana.

Korzystnie rama z tworzywa sztucznego jest wykonana albo z poliestru aromatycznego albo z polimeru ciekł okrystalicznego.

Korzystnie struktura z tworzywa sztucznego i pokrywa są obie wykonane z polimeru termoplastycznego.

Korzystnie w etapie (b) uszczelnia się ramę z tworzywa sztucznego z podstawą za pomocą kleju polimerycznego utwardzalnego w wysokiej temperaturze, wybranego z grupy składającej się z klejów epoksydowych, poliamidów, silikonów, żywic fenolowych, polisulfonów i klejów fenoksy.

Korzystnie w etapach (b) i (d) uszczelnia się ramę z tworzywa sztucznego z podstawą i, odpowiednio, pokrywę z ramą z tworzywa sztucznego, za pomocą kleju polimerycznego utwardzalnego w wysokiej temperaturze, w temperaturze w zakresie od 125°C do 185°C.

PL 205 553 B1

Sposób obudowania przyrządu półprzewodnikowego optycznego wewnątrz obudowy ochronnej, przez ścianki której przechodzą wyprowadzenia elektryczne, według wynalazku charakteryzuje się tym, że w etapie (a) przytwierdza się przyrząd półprzewodnikowy do podstawy za pomocą kleju polimerycznego utwardzalnego w wysokiej temperaturze w temperaturze w zakresie od 125°C do 175°C, w etapie (b) mocuje się ramę ś cian bocznych z tworzywa sztucznego na podstawie po zakoń czeniu etapu (a) przez utworzenie uszczelnienia pomiędzy ścianami bocznymi i podstawą w temperaturze poniżej 200°C, tworząc w ten sposób częściową obudowę wokół przyrządu półprzewodnikowego, przy czym rama z tworzywa sztucznego lub podstawa zostały wykonane z wyprowadzeniami przewodzącymi elektrycznie tak, że wyprowadzenia przechodzą przez częściową obudowę, w etapie (c) przyłącza się elektrycznie obwód przyrządu półprzewodnikowego do wyprowadzeń oraz w etapie (d) mocuje się pokrywę do częściowej obudowy, przez co obudowuje się przyrząd półprzewodnikowy w obudowie, która jest zasadniczo nieprzepuszczalna dla gazów, przy czym pokrywa ma współczynnik rozszerzalności cieplnej, który jest mniejszy niż 0,5 razy współczynnik rozszerzalności cieplnej podstawy.

Trudności wyliczone powyżej i inne, które są napotykane przy wytwarzaniu obudów z wnęką powietrzną dla przyrządów elektronicznych, są pokonywane według wynalazku przez zastosowanie co najmniej trzech początkowo oddzielnych elementów składowych - podstawy, ramy ścian bocznych i pokrywy - dla utworzenia obudowy. W przypadku zespołów elektronicznych, które wytwarzają znaczną ilość ciepła podczas pracy i są wytwarzane przy zastosowaniu wysokotemperaturowego lutu łączącego strukturę półprzewodnikową z podstawą, trójskładnikowa struktura obudowy zespołów elektronicznych umożliwia, że struktura półprzewodnikowa może być przylutowana do podstawy przed montażem dowolnego innego elementu składowego obudowy, tj. przed tym, jak zostaną przyłączone albo ściany boczne do podstawy albo pokrywa do ścian bocznych. Ściany boczne z tworzywa sztucznego mogą być wówczas przyłączone do podstawy bez niebezpieczeństwa wystawiania tworzywa sztucznego na działanie wysokich temperatur potrzebnych do przylutowania struktury półprzewodnikowej do podstawy. Również wysoki koszt materiału ceramicznego można wyeliminować lub zmniejszyć albo przez całkowite uniknięcie zastosowania materiału ceramicznego albo zastosowanie materiału ceramicznego tylko na podstawę. W przypadku obudów dla optycznych przyrządów półprzewodnikowych, z przezroczystymi pokrywami, trójskładnikowa struktura obudowy zespołów półprzewodnikowych umożliwia zastosowanie ścian bocznych z tworzywa sztucznego, a podstawy nie z tworzywa sztucznego i pokrywy nie z tworzywa sztucznego. Podstawa i pokrywa mogą być wówczas wykonane z materiałów, których współczynniki CTE mają wartoś ci zbliżone, natomiast ściana boczna jest wykonana z materiału o współczynniku CTE, który różni się zasadniczo od współczynników zarówno podstawy, jak i pokrywy. Zastosowanie tworzyw sztucznych mających stosunkowo duże CTE na ściany boczne nie będzie powodować niewłaściwych naprężeń w uszczelnieniach obudowy, ponieważ nawet chociaż ściany boczne mogą ulec pogrubieniu (tj. wybrzuszyć się zarówno do wewnątrz, jak i na zewnątrz) w wysokich temperaturach występujących w procesie montażu i badania, podstawa i pokrywa będą rozszerzać się zasadniczo równo, skutkiem tego zapobiegając wygięciu obudowy.

Wynalazek zapewnia różne zalety, zależnie od typu obudowy i zastosowanych materiałów. Ogólnie wynalazek zapewnia szeroki zakres wybieranych materiałów, zapobiegając lub zmniejszając niebezpieczeństwo uszkodzenia obudowy w związku z pęknięciami powodowanymi przez wysokie temperatury występujące podczas montażu i pracy. Te i inne zalety, cechy i przykłady wykonań wynalazku będą bardziej widoczne na podstawie następującego opisu.

Jak odnotowano powyżej, pierwszym etapem procesu wytwarzania według wynalazku jest zamocowanie struktury półprzewodnikowej do płytki podstawy, która będzie służyła jako podstawa obudowy. Zależnie od typu obudowy, płytka podstawy może rozpraszać ciepło szybko ze struktury półprzewodnikowej lub rozpraszanie ciepła nie jest krytyczne (jak w przypadku obudów dla optycznych przyrządów półprzewodnikowych). Jeżeli jest potrzebna duża przewodność cieplna, płytka może być albo z materiału metalowego, materiału ceramicznego, materiału ceramicznego pokrytego metalem lub materiału ceramicznego z wkładką metalową. Jeżeli nie jest potrzebna duża przewodność cieplna, płytka może być dowolnym z tych materiałów, jak również tworzywem sztucznym.

Dla płytek podstaw z metalu lub wkładek metalowych albo powłok wymienione są poniżej przykłady właściwych metali, wraz z ich symbolami, jak przedstawiono w „Electronic Materials Handbook („Podręczniku materiałów elektronicznych) tom 1, Minges, M.L. i in. wyd. ASM International, Materials Park, Ohio, 1989:

miedź stopy miedziano-wolframowe

PL 205 553 B1 stopy miedziano-żelazowe C19400, C19500,

C19700, C19210 stopy miedziano-chromowe CCZ, EFTEC647 stopy miedziano-niklowo-krzemowe C7025,

KLF 125, C19010 stopy miedziano-cynowe C50715, C50710 stopy miedziano-cyrkonowe C15100 stopy miedziano-magnezowe C15500 stopy żelazowo-niklowe ASTM F30 (stop 42) stopy żelazowo-niklowo-kobaltowe ASTM F15 (Kovar) stal miękka aluminium

Zalecane spośród nich są miedź, stopy zawierające miedź, w których miedź stanowi przynajmniej 95% wagowych, stopy żelazowo-niklowe, w których żelazo stanowi od około 50% do około 75% wagowych i stopy żelazowo-niklowo-kobaltowe, w których żelazo stanowi od około 50% do około 75% wagowych. Stop żelazowo-niklowy Alloy 42 (58%Fe, 42%Ni) i stop żelazowo-niklowo-kobaltowy Kovar (54%Fe, 29%Ni, 17%Co), jak również różne stopy miedzi są szczególnie interesujące. Można również stosować metale warstwowe, szczególnie miedź-molibden-miedź ze względu na szczególnie dużą przewodność cieplną. Te metale i stopy można również zastosować jako wyprowadzenia przechodzące przez ściany boczne obudowy.

W przypadku obudów stosujących podstawę ceramiczną, przykładami właś ciwych materiałów ceramicznych są Al2O3 (tlenek glinowy), BeO (tlenek berylowy), AIN (azotek glinu), SiN (azotek krzemu) i mieszanki tych materiałów oraz AI2O3 zmodyfikowane przez dodanie BaO (tlenku barowego), SiO2 (dwutlenku krzemu) lub CuO (tlenku miedziowego). Zalecanymi materiałami ceramicznymi są tlenek glinowy, opcjonalnie zmodyfikowany, i tlenek berylowy.

W przypadku obudów stosują cych podstawę z tworzywa sztucznego, w ł a ś ciwe tworzywa sztuczne obejmują materiały zarówno termoutwardzalne, jak i termoplastyczne. Przykładami materiałów termoutwardzalnych są żywice epoksydowe i zmodyfikowane żywice epoksydowe, poliimidy, zmodyfikowane poliimidy, poliestry i silikony. Przykładami materiałów termoplastycznych są poliuretany, polisiarczek fenylenu, polisulfon, keton polieterowy i poliestry aromatyczne, takie jak polimer ciekłokrystaliczny, zawierający w przybliżeniu 20-40% wypełniacza, takiego jak szkło, materiał ceramiczny lub minerały.

Gdy jest potrzebne połączenie o dużym przepuszczaniu ciepła pomiędzy strukturą półprzewodnikową i podstawą, dostępnych jest wiele różnych materiałów lutowniczych, które utworzą takie połączenie. Stopy lutownicze mogą być wykonane z cyny, ołowiu, antymonu, bizmutu, kadmu, srebra, miedzi lub złota i różnych innych pierwiastków w stosunkowo małych ilościach. Zalecane są ogólnie stopy eutektyczne ze względu na ich zdolność zachowania proporcji ich składników podczas topienia i krzepnięcia. Przykładami są stopy miedziano-żelazowe, stopy miedziano-chromowe, stopy miedziano-cynowe, stopy żelazowo-niklowe, stopy żelazowo-niklowo-kobaltowe, stopy cynowo-srebrowe i stopy zł oto-cynowe. Lut eutektyczny zł oto-cynowy 80:20 jest szczególnie zalecany w zwią zku z jego dużą przewodnością cieplną.

Temperatura, w której struktura półprzewodnikowa jest przylutowywana lub przyłączana do podstawy, zmienia się w zależności od zastosowanego środka lutowniczego lub środka wiążącego. W przypadku lutowania wysokotemperaturowego, jakie jest wymagane dla duż ej przepuszczalności ciepła, stosowana jest zwykle temperatura lutowania powyżej 250°C. W większości przypadków temperatura lutowania jest w zakresie od 250°C do 500°C, a korzystnie, szczególnie w przypadku lutu eutektycznego złoto-cynowego, w zakresie od 300°C do 400°C. W przypadku lutowania lub łączenia niskotemperaturowego, temperatura lutowania zwykle jest w zakresie od 125°C do 175°C. W przypadku zastosowania na przykład materiałów epoksydowych, typowa temperatura łączenia wynosi około 150°C.

Po przylutowaniu lub przyłączeniu struktury półprzewodnikowej do podstawy i po schłodzeniu, ściany boczne są nakładane jako rama na tę podstawę. Na ściany boczne można zastosować albo materiały termoutwardzalne albo termoplastyczne, których przykłady są wymienione powyżej. Materiały termoutwardzalne są zwykle formowane przez formowanie przetłoczne, natomiast materiały termoplastyczne są zwykle formowane przez formowanie wtryskowe, chociaż dla każdych można zastoso6

PL 205 553 B1 wać różne sposoby formowania. Ściany boczne można wykonać z osadzonymi wyprowadzeniami, a wyprowadzenia maj ą powierzchnie lub koń ce, które wystają do przestrzeni otoczonej przez ściany boczne, a więc dostępnej do przyłączenia przewodów do struktury półprzewodnikowej. W przypadku podstaw niemetalowych wyprowadzenia mogą być także osadzone w podstawie. W każdym przypadku wyprowadzenia mogą być wykonane z takich samych typów materiałów, jak stosowane dla podstaw metalowych, a przykłady są podane powyżej. Jeżeli wyprowadzenia są częścią podstawy, ściany boczne mogą być wykonane całkowicie z tworzywa sztucznego i potrzeba zastosowania uszczelnienia odpornego na wilgoć na tym etapie procedury wytwarzania występuje tylko na powierzchni przylegania pomiędzy ścianami bocznymi i podstawą.

W obudowach, w których wyprowadzenia są osadzone w ś cianach bocznych, rama ś cian bocznych może być uformowana na wyprowadzeniach. Procedury formowania ścian bocznych na wyprowadzeniach są dobrze znane i ogólnie obejmują formowanie tworzywa sztucznego na zespole ramowym wyprowadzeń, który zawiera szereg metalowych wyprowadzeń połączonych za pomocą mostków łączących i uporządkowanych w dyskretne grupy, przy czym sąsiednie grupy są połączone przez dalsze mostki łączące, które zostaną na końcu usunięte, gdy formowanie zostanie zakończone. W pewnych miejscach wzdłuż wyprowadzeń są wprowadzone złącza zaporowe do wspomagania ograniczania tłoczywa, a te złącza zaporowe zostaną podobnie usunięte przed oddzieleniem formowanych struktur ścian bocznych. Można zastosować standardowe techniki formowania, takie jak formowanie wtryskowe, formowanie przetłoczne, formowanie wkładkowe i formowanie reakcyjno-wtryskowe, zależnie od zastosowanych materiałów. Przed procesem formowania, na ramę wyprowadzeń jest nakładany klej, w miejscach, gdzie wyprowadzenia będą stykały się z tworzywem sztucznym. Klej utwardzi się w temperaturze formowania tworzywa sztucznego, tworząc uszczelnienie wokół wyprowadzeń, które zapobiega wejściu wilgoci i innych gazów atmosferycznych. Liczba wyprowadzeń może zmieniać się w szerokim zakresie, zależnie od struktury półprzewodnikowej i zastosowania, do którego jest ona przeznaczona. Zatem może być kilka, na przykład dwa wyprowadzenia lub wiele, na przykład 100 lub więcej wyprowadzeń i wyprowadzenia mogą być na jednym boku ramy lub na wszystkich czterech.

Nałożenie ramy ścian bocznych na podstawę jest podobnie uzyskiwane przez użycie kleju, szczególnie kleju polimerycznego utwardzanego pod wpływem wysokiej temperatury. Kleje stosowane w obu miejscach zawierają materiał y zarówno termoutwardzalne, jak i termoplastyczne, takie jak kleje epoksydowe, poliamidy, silikony, żywice fenolowe, polisulfony lub kleje z grupy fenoksy. Przykładami klejów termoutwardzalnych są:

D.E.R. 332: żywica epoksydowa z bisfenolem A (Dow Chemical Company, Midland, Michigan, USA)

ARALDITE®ECN 1273: nowolak epoksydowo-krezolowy (Ciba-Geigy Corporation, Ardsley, Nowy Jork, USA)

ARALDITE®MY 721: wielofunkcyjna ciekła żywica epoksydowa (Ciba-Geigy Corporation)

QUARTEX® 1410: żywica epoksydowa z bisfenolem A (Dow Chemical Company)

EPON® 828, 1001F, 58005, zmodyfikowana żywica epoksydowa z bisfenolem A (Shell Chemical Company, Houston, Texas, USA)

Przykładami klejów termoplastycznych są:

Fenoksy PKHJ, polihydroksyeter (Phenoxy Associates)

Polisulfony

Kompozycja klejowa opcjonalnie zawiera jeden lub więcej składników, aby zapewnić kompozycję mającą każdą z wielu pożądanych własności. Te składniki zawierają środki utwardzające, środki przeciwpieniące, pochłaniacze wilgoci i wypełniacze dla dodania masy. Przykładami środków utwardzających są poliaminy, poliamidy, polifenole, tiole polimeryczne, kwasy wielokarboksylowe, bezwodniki, dwucyjanodwuamidy, cyjanoguanidyna, imidazole i kwasy Lewisa, takie jak kompleksy trójfluorku borowego z aminami lub eterami. Przykładami środków przeciwpieniących są krzemionki hydrofobowe, takie jak żywice silikonowe i silany, fluoropochodne węglowodorów, takie jak policzterofluoroetylen, amidy kwasu tłuszczowego, takie jak etylenodwuaminostearamid, sulfonamidy, woski węglowodorowe oraz stałe kwasy tłuszczowe i estry. Przykładami pochłaniaczy wilgoci są aktywowany tlenek glinowy i aktywowany węgiel. Konkretnymi produktami, które służą jako pochłaniacze wilgoci, są te identyfikowane przez dostawcę (Alpha Metals of Jersey City, New Jersey, USA) jako GA2000-2, SD1000 i SD800. Przykładami wypełniaczy są tlenek glinowy, dwutlenek tytanu, sadza, węglan wapniowy, glina kaolinowa, mika, krzemionki, talk i mączka drzewna.

W korzystnych sposobach łączenia podstawy, pokrywy lub ich obu, klej jest najpierw nakładany na powierzchnię łączoną, następnie ogrzewany do umiarkowanej temperatury, aby wprowadzić klej

PL 205 553 B1 w stan B, w którym klej jest pyłosuchy i półstały w temperaturze pokojowej. Części łączone, z których jedna lub obie zostały pokryte klejem w stanie B, są następnie łączone i ogrzewane dalej dla spowodowania, żeby klej w stanie B przeszedł w stan ciekły i zwilżył powierzchnie oraz utwardził się całkowicie dla utworzenia nieprzepuszczalnego dla gazu uszczelnienia.

Temperatura stosowana przy utwardzaniu kleju łączącego ramę ścian bocznych z podstawą zmienia się w zależności od konkretnego użytego kleju, lecz będzie zwykle poniżej 200°C. W większości przypadków zakres temperatury będzie od 100°C do 200°C, a korzystnie od 125°C do 185°C.

Po przyłączeniu ramy ścian bocznych do podstawy, struktura półprzewodnikowa jest przyłączana przewodami do wyprowadzeń i pokrywa jest mocowana do ramy ścian bocznych, aby zamknąć strukturę półprzewodnikową. Zamocowanie pokrywy do ramy ścian bocznych można uzyskać za pomocą klejów w taki sam sposób, jak zamocowanie ramy ścian bocznych do podstawy.

Parametrem materiałów zastosowanych na podstawę i pokrywę, tworzywa sztucznego zastosowanego na ramę ścian bocznych, metalu zastosowanego na wyprowadzenia, kleju zastosowanego do połączenia wyprowadzeń z ramą ścian bocznych, ramy ścian bocznych z podstawą i pokrywy z ramą ś cian bocznych, jest współ czynnik rozszerzalnoś ci cieplnej („CTE). Każ dy materiał ma swój własny CTE, który jest wyrażany w jednostkach części na milion (wagowo) na stopnie Celsjusza i współczynniki CTE bę d ą wpł ywać na wybór stosowanego materiał u. Współczynniki CTE dowolnych dwóch sąsiednich elementów składowych i dowolnego kleju oraz elementów składowych, które on łączy ze sobą, mogą różnić się znacznie. Różnice mogą być kompensowane w wielu przypadkach przez wprowadzenie składnika termoplastycznego do kompozycji kleju, albo jako jedynego składnika klejącego albo jako mieszanki z termoutwardzalnym składnikiem klejącym.

Sposób według wynalazku zapewnia szeroki zakres różnorodnych materiałów stosowanych przy wytwarzaniu obudów zespołów elektronicznych. Dla przykładu, środkowa struktura obudowy kwadratowej 0,4 calowej (tj. rama ścian bocznych) z ośmioma wyprowadzeniami na każdym boku może być zastosowana w zespole mocy, w którym podstawa jest metalowa i pokrywa jest ceramiczna. Ta sama struktura środkowa może być zastosowana w obudowach obudowach dla optycznych przyrządów CCD lub CMOS, w których podstawa jest ceramiczna i pokrywa jest z czystego szkła. Ta sama struktura środkowa może być także zastosowana z metalową podstawą i z metalową pokrywą do ekranowania struktury półprzewodnikowej przed promieniowaniem RF lub elektromagnetycznym. Wynalazek umożliwia również dostosowanie inaczej niezgodnych materiałów na elementy składowe obudowy. Dla przykładu, szkło stosowane na pokrywę w typowej obudowie przyrządów optycznych ma CTE w przybliżeniu 7 części na milion/°C, natomiast podstawa, szczególnie gdy obudowa ma być nałożona na płytkę drukowaną, ma CTE w zakresie od 15 do 25 części na milion/°C. Różnica może być zmniejszona przez zastosowanie struktury środkowej wykonanej z tworzywa sztucznego z CTE o umiarkowanej wartoś ci, takiej jak ś rednia wartość współ czynników CTE podstawy i pokrywy, plus/minus 30%. To zmniejszy tendencję obudowy do wygięcia w kierunku pokrywy szklanej o mniejszym CTE lub w skrajnych przypadkach spowoduje pęknięcie pokrywy lub utworzenie nieszczelności w liniach połączenia, albo podczas wytwarzania obudowy albo podczas cykli termicznych wystę pują cych po wytworzeniu zespołu i procedur badania.

Wszystkie etapy wytwarzania obudowy mogą być wykonane w formacie układu, w którym wielokrotne jednostki są poddawane obróbce jednocześnie w układzie dwuwymiarowym. Przy prawidłowo ustawionych otworach, układy dwuwymiarowe sąsiednich elementów składowych mogą być ustawione dokładnie w linii dla jednoczesnego montażu. Alternatywnie dowolny z elementów składowych może być wytworzony i przyłączony indywidualnie.

Powyższy opis uwydatnia szczególne przykłady wykonań według wynalazku. Specjaliści w tej dziedzinie zdają sobie jednak sprawę, że wynalazek rozciąga się również na odmiany i modyfikacje powyższego, w zakresie materiałów, stanów operacyjnych, procedur operacyjnych i innych parametrów struktury tych obudów i procedur ich montażu.

Claims (10)

1. Sposób obudowania przyrządu półprzewodnikowego wewnątrz obudowy ochronnej, przez ścianki której przechodzą wyprowadzenia elektryczne, znamienny tym, że w etapie (a) lutuje się przyrząd półprzewodnikowy do podstawy przewodzącej ciepło w temperaturze powyżej 250°C, w etapie (b) mocuje się ramę ścian bocznych z tworzywa sztucznego na metalowej podstawie po zakończeniu

PL 205 553 B1 etapu (a) przez utworzenie uszczelnienia pomiędzy ścianami bocznymi i podstawą metalową w temperaturze poniżej 200°C, tworząc w ten sposób częściową obudowę wokół przyrządu półprzewodnikowego, przy czym rama z tworzywa sztucznego lub podstawa przewodząca ciepło zostały wykonane z wyprowadzeniami przewodzącymi elektrycznie tak, ż e wyprowadzenia przechodzą przez częściową obudowę, w etapie (c) przyłącza się elektrycznie obwód przyrządu półprzewodnikowego do wyprowadzeń oraz w etapie (d) mocuje się pokrywę do częściowej obudowy, przez co obudowuje się przyrząd półprzewodnikowy w obudowie, która jest zasadniczo nieprzepuszczalna dla gazów.

2. Sposób wedł ug zastrz. 1, znamienny tym, ż e wymieniona temperatura w etapie (a) jest zawarta w zakresie od 300°C do 400°C.

3. Sposób wedł ug zastrz. 1, znamienny tym, ze wymieniona temperatura w etapie (b) jest zawarta w zakresie od 125°C do 185°C.

4. Sposób wedł ug zastrz. 1, znamienny tym, ż e podstawa przewodzą ca ciepł o jest podstawą z metalu wybranego z grupy skł adają cej się z miedzi, stopów miedzi, w których miedź jest gł ównym składnikiem, stopów żelazowo-niklowych i stopów żelazowo-niklowo-kobaltowych, a wymieniona pokrywa jest z tworzywa sztucznego.

5. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, ż e podstawa przewodząca ciepło jest wykonana ze składnika wybranego z grupy składającej się z Al2O3, BeO, AlN, SiN i Al2O3 zmodyfikowanego składnikiem wybranym z grupy składającej się z BaO, SiO2 i CuO, a pokrywa jest szklana.

6. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, ż e rama z tworzywa sztucznego jest wykonana albo z poliestru aromatycznego albo z polimeru ciekłokrystalicznego.

7. Sposób wedł ug zastrz. 1, znamienny tym, ż e struktura z tworzywa sztucznego i pokrywa są obie wykonane z polimeru termoplastycznego.

8. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, ż e w etapie (b) uszczelnia się ramę z tworzywa sztucznego z podstawą za pomocą kleju polimerycznego utwardzalnego w wysokiej temperaturze, wybranego z grupy składającej się z klejów epoksydowych, poliamidów, silikonów, żywic fenolowych, polisulfonów i klejów fenoksy.

9. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że w etapach (b) i (d) uszczelnia się ramę z tworzywa sztucznego z podstawą i, odpowiednio, pokrywę z ramą z tworzywa sztucznego, za pomocą kleju polimerycznego utwardzalnego w wysokiej temperaturze, w temperaturze w zakresie od 125°C do 185°C.

10. Sposób obudowania przyrządu półprzewodnikowego optycznego wewnątrz obudowy ochronnej, przez ścianki której przechodzą wyprowadzenia elektryczne, znamienny tym, że w etapie (a) przytwierdza się przyrząd półprzewodnikowy do podstawy za pomocą kleju polimerycznego utwardzalnego w wysokiej temperaturze w temperaturze w zakresie od 125°C do 175°C, w etapie (b) mocuje się ramę ścian bocznych z tworzywa sztucznego na podstawie po zakończeniu etapu (a) przez utworzenie uszczelnienia pomiędzy ścianami bocznymi i podstawą w temperaturze poniżej 200°C, tworząc w ten sposób częściową obudowę wokół przyrządu półprzewodnikowego, przy czym rama z tworzywa sztucznego lub podstawa został y wykonane z wyprowadzeniami przewodzącymi elektrycznie tak, że wyprowadzenia przechodzą przez częściową obudowę, w etapie (c) przyłącza się elektrycznie obwód przyrządu półprzewodnikowego do wyprowadzeń oraz w etapie (d) mocuje się pokrywę do częściowej obudowy, przez co obudowuje się przyrząd półprzewodnikowy w obudowie, która jest zasadniczo nieprzepuszczalna dla gazów, przy czym pokrywa ma współczynnik rozszerzalności cieplnej, który jest mniejszy niż 0,5 razy współczynnik rozszerzalności cieplnej podstawy.