專利名稱：用于借助于放熱納米膜生成密封的電饋通部的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種根據(jù)獨(dú)立權(quán)利要求的前序部分所述的方法以及根據(jù)并列獨(dú)立權(quán) 利要求所述的裝置。
背景技術(shù)：
隨著機(jī)電一體化，越來越多地在顯著更高的環(huán)境溫度/損耗功率的情況下同時(shí) 在非常惡劣的使用條件以及環(huán)境影響的情況下使用電子裝置和傳感機(jī)構(gòu)。在此，尤其是 在高溫電子裝置的領(lǐng)域中，在最小安裝空間上的密封的、魯棒的和可集成的通向外界的 連接變得必要。在高于150°C的溫度下，塑料殼體中的電饋通部常常只在有限條件下適 用。研究顯示，在180°C時(shí)，在250小時(shí)內(nèi)就已經(jīng)導(dǎo)致集成在塑料殼體中的電路首次發(fā)生 故障。常規(guī)的金屬玻璃電饋通部常常在可制造性方面、尤其是在平面的制造方法和熱適 應(yīng)方面以及在集成到封裝中時(shí)出現(xiàn)問題。對于例如配備有可伐合金(Kovar)(可伐合金表示具有小熱膨脹系數(shù)_通常大約 為5ppm/k-的合金，該熱膨脹系數(shù)因此小于金屬的該系數(shù)；組成例如為54%鐵、29%鎳 和17%鈷，其中其它組成同樣是可能的)的金屬殼體中常見的電饋通部，使用玻璃饋通 部。隨后，借助于覆蓋物進(jìn)行封閉，該覆蓋物在多數(shù)情況下通過軋輥焊縫被焊接。在陶 瓷殼體的情況下，使用以多層技術(shù)燒結(jié)的具有金屬化的電流饋通部的陶瓷。在此，為了 芯片安裝和通過接合進(jìn)行布線，設(shè)置有空腔。覆蓋物通常必須被焊接，尤其是借助于保 護(hù)氣體在不使用焊劑的情況下被焊接，其中使用金表面。在塑料殼體中的電饋通部的情 況下，常常使用壓力注塑包封的金屬框架/引線框架。由塑料制成的包封體鑒于所需的 密封性以及由于所出現(xiàn)的機(jī)械應(yīng)力僅能有限地用于較高溫度。[1]公開了在熱沉固定的情況下將界面的熱阻減少為十分之一?！癛eaktiv Nano Techologies(RNT)"公司已經(jīng)開發(fā)出新型的連接技術(shù)平臺，該連接技術(shù)平臺可以構(gòu)造芯 片殼體與熱沉之間的金屬接合，并且在此具有當(dāng)前熱界面材料(TIM)的熱阻的十分之一 的界面熱阻。連接過程所基于的是將反應(yīng)式多層膜用作局部熱源。所述膜是新種類的 納米產(chǎn)品材料，其中可以在室溫下利用熱線或激光觸發(fā)自傳播的放熱反應(yīng)。在將多層膜 插入到兩個(gè)焊劑層和芯片殼體以及熱沉之間時(shí)，通過膜中的化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的熱將焊劑 加熱到使得該焊劑熔化并且緊接著接合部件。該連接過程可以在空氣、氬氣、或者真空 中在大約1秒內(nèi)完成。所得到的金屬連接顯示出比當(dāng)前市售的熱界面材料(TIM)大兩個(gè) 數(shù)量級的熱導(dǎo)率以及比當(dāng)前市售的熱界面材料(TIM)小一個(gè)數(shù)量級的熱阻。在使用數(shù)值 模型的情況下顯示出，微電子殼體在該連接期間的熱負(fù)荷非常有限。最后，從數(shù)值上顯 示，可以在不熱損害芯片的情況下將該反應(yīng)式連接用于將未加工硅芯片直接焊接到熱沉 處。[2]公開了在使用室溫焊接的情況下利用銦直接固定未加工芯片。描述有一種 新型的連接過程，該連接過程使得能夠在室溫時(shí)通過將反應(yīng)式多層膜用作局部熱源來進(jìn) 行無焊劑的無鉛的焊接。通過激活部件上焊劑層之間的多層膜，通過膜內(nèi)的反應(yīng)而產(chǎn)生熱。該過程提供足夠的局部熱量以熔化焊劑并且接合這些部件。描述有將膜用于使得能 夠?qū)⑽醇庸す栊酒苯庸潭ㄔ跓峁芾聿考?。用于預(yù)測連接期間在不同界面處的溫度的 模型系統(tǒng)的結(jié)果被示出并且被驗(yàn)證。在最后的部分，關(guān)于熱性能的數(shù)據(jù)被提供，這些數(shù) 據(jù)顯示實(shí)現(xiàn)對未加工芯片大小的6倍至8倍、即從8x8mm到17.5xl7.5mm的改善。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的任務(wù)是安全和可靠地提供一種方法，該方法用于生成至少一個(gè)被定位 在襯底上以及封裝內(nèi)的電子器件通向所述封裝外部的至少一個(gè)密封的電連接。該功能性 將在尤其是大于140°C的范圍內(nèi)的高環(huán)境溫度時(shí)以及在尤其是高達(dá)600瓦的范圍內(nèi)的高損 耗功率的情況下以及在例如高空氣濕度的極端環(huán)境影響時(shí)安全和可靠地得以保持，其中 例如給定在0.05mm2至150mm2的范圍內(nèi)的電子器件大小。該任務(wù)通過一種根據(jù)獨(dú)立權(quán)利要求所述的方法以及一種根據(jù)并列獨(dú)立權(quán)利要求 所述的裝置來解決。為了密封地進(jìn)行電饋通/接觸，使用具有反應(yīng)式納米膜以及在其兩側(cè)生成的焊 劑層的布置。納米膜是具有反應(yīng)式填充料的膜，該反應(yīng)式填充料在發(fā)起時(shí)發(fā)生放熱反應(yīng)。根 據(jù)本發(fā)明，可以借助于納米膜觸發(fā)放熱反應(yīng)。適于作為納米膜的尤其是所謂的以Reactive Nanotechnologies RNT公司的商標(biāo)名稱NanoFoi 1 銷售的膜。在放熱反應(yīng)時(shí)，例如在 鋁鎳多層的情況下產(chǎn)生1000°c至2000°C范圍內(nèi)的高溫。電連接或饋通部是密封的并且可以容易地集成，因?yàn)樗鲭娺B接或饋通部是平 坦的并且良好地導(dǎo)熱。以簡單的方式提供可容易集成的平坦的電饋通部。該電饋通部具 有良好的導(dǎo)熱性以及熱擴(kuò)散性。通過在焊接時(shí)利用反應(yīng)式納米膜的限制在局部的加熱，在同時(shí)對器件的溫度負(fù) 荷顯著更小的情況下導(dǎo)致熱致機(jī)械應(yīng)力的減小。結(jié)合從屬權(quán)利要求來對其它有利的擴(kuò)展方案要求保護(hù)。根據(jù)一個(gè)有利的擴(kuò)展方案，在封裝外部激活納米膜的放熱反應(yīng)，以使電連接接 觸至少一個(gè)電接觸部。也就是說，納米膜除了用于封裝之外同樣用于接觸電連接。根據(jù)另一有利的擴(kuò)展方案，激活納米膜的單次放熱反應(yīng)以同時(shí)封閉輸出端以及 使電連接接觸至少一個(gè)電接觸部。也就是說，通過激活納米膜的單次共同的放熱反應(yīng)來 提供對輸出端的封閉以及電連接的接觸。所得出的優(yōu)點(diǎn)是，可以給電饋通部配備密封的 封閉，并且同時(shí)提供對電子器件或芯片的電接觸。通過這種設(shè)計(jì)，可以在一個(gè)過程中 對器件或芯片的電饋通部和/或接觸部進(jìn)行封閉以及封裝，也就是說例如可以取消線接
合 O根據(jù)另一有利的擴(kuò)展方案，借助于激光束激活納米膜的放熱反應(yīng)。由于被限制 在局部的加熱，出現(xiàn)熱致應(yīng)力的減小。因此，通過激光器引起放熱反映的激活。根據(jù)另一有利的擴(kuò)展方案，所述激光器是二氧化碳激光器和/或二極管激光 器。通過激光器將具有可有針對性地通過放熱觸發(fā)的反應(yīng)的反應(yīng)式納米膜用于產(chǎn)生密封 的電饋通部。根據(jù)另一有利的擴(kuò)展方案，借助于粘合劑將納米膜固定在襯底上。
根據(jù)另一有利的擴(kuò)展方案，借助于導(dǎo)電粘合劑使電子器件接觸納米膜。根據(jù)另一有利的擴(kuò)展方案，借助于玻璃和/或陶瓷來生成封裝。根據(jù)另一有利的擴(kuò)展方案，生成至少一個(gè)電通孔接觸部，所述電通孔接觸部從 納米膜穿過襯底到達(dá)襯底的背向納米膜那側(cè)的至少一個(gè)金屬化部。根據(jù)另一有利的擴(kuò)展方案，借助于多層High Temperature Cofired Ceramic(高溫 共燒陶瓷)(HTCC;高溫多層陶瓷)生成所述通孔接觸部。


結(jié)合附圖根據(jù)實(shí)施例進(jìn)一步闡述本發(fā)明。圖1以示意圖示出根據(jù)本發(fā)明所生成的裝置的實(shí)施例，該裝置具有借助于放熱 納米膜密封的電饋通部；圖2示出接合區(qū)域中的溫度譜的圖示；圖3示出根據(jù)本發(fā)明的方法的實(shí)施例的步驟。
具體實(shí)施例方式圖1示出根據(jù)本發(fā)明所生成的裝置的實(shí)施例。附圖標(biāo)記1表示同樣可以稱為通孔 接觸部的電連接。該電連接配備有活性納米膜2，該活性納米膜2例如具有鋁和鎳。納 米膜2在兩側(cè)分別涂覆有焊劑層，該焊劑層例如具有AgSn。附圖標(biāo)記3表示襯底。附 圖標(biāo)記5表示封裝或殼體覆蓋體，該封裝或殼體覆蓋體例如具有陶瓷和/或玻璃。在封 裝5內(nèi)固定有電子器件7。經(jīng)過涂覆的納米膜2被結(jié)構(gòu)化地施加在襯底3上。電子器件 7接觸結(jié)構(gòu)化的納米膜2。附圖標(biāo)記9表示這樣的接觸部。附圖標(biāo)記11表示用于發(fā)起反 應(yīng)式納米膜2的放熱反應(yīng)的激光束。圖1同樣示出電通孔接觸部13，該電通孔接觸部13 從納米膜穿過襯底3到達(dá)襯底3的背向納米膜2那側(cè)的至少一個(gè)金屬化部15。圖2示出接合區(qū)域中的溫度譜。接合區(qū)域中的這樣的溫度譜可以借助于數(shù)值模 型被計(jì)算出來并且通過給納米膜2和焊劑層厚度定尺寸來調(diào)節(jié)。圖2以銅/鋁組合的示 例示出瞬時(shí)溫度變化曲線的計(jì)算。圖2摘引自[1]的第5a頁。在相應(yīng)地對接合區(qū)域進(jìn)行 限制在局部的加熱的情況下，導(dǎo)致小于1毫秒的非?？焖俚臏囟壬仙?下降。圖3示出根據(jù)本發(fā)明方法的實(shí)施例的步驟，該方法用于生成被定位在襯底3上以 及封裝5內(nèi)的至少一個(gè)電子器件7通向封裝5外部的至少一個(gè)密封的電連接1。根據(jù)步 驟Si，將至少一個(gè)結(jié)構(gòu)化的在兩側(cè)分別涂覆有焊劑層的反應(yīng)式納米膜2固定在襯底3上。 利用步驟S2，使電子器件7接觸納米膜2的背向襯底3的那側(cè)。利用步驟S3，在襯底3 和/或納米膜2上生成電子器件7的封裝5。利用步驟S4，在封裝5外部激活納米膜2 的放熱反應(yīng)，以封閉電連接1的輸出端。參考文獻(xiàn)[1] “ A Tenfold Reduction in Interface Thermal Resistance for Heat Sink Mounting，，D.Van Heerden, O.M.Knio,以及 T.P.Weihs ; Reaktive Nano Technologies, 111 Lake Front Drive, Hunt Valley, MD 21030。 [2] "Direct Die Attach With Indium Using a Room Temperature Soldering Process，，J. S.Subramanian, T.Rude， J.Newson, Z.He, E.Besnoin, T.Weihs ； Reaktive NanoTechnologies, 111 Lake Front Drive, Hunt Valley, MD 21030c
權(quán)利要求
1.一種用于生成至少一個(gè)被定位在襯底(3)上以及封裝(5)內(nèi)的電子器件(7)通向封 裝(5)外部的至少一個(gè)電連接(1)的方法，其特征在于下列步驟將至少一個(gè)結(jié)構(gòu)化的在兩側(cè)分別涂覆有焊劑層的反應(yīng)式納米膜(2)固定在襯底(3) 上，所述焊劑層形成電連接(1)；使電子器件(7)在納米膜(2)的背向襯底(3)那側(cè)接觸納米膜(2)； 在襯底⑶和/或納米膜⑵上生成圍繞電子器件(7)的封裝(5)； 在封裝(5)外部、在電連接⑴離開封裝(5)的輸出端處激活納米膜(2)的放熱反 應(yīng)，以封閉輸出端。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法， 其特征在于，在封裝(5)外部激活納米膜(2)的放熱反應(yīng)，以使電連接(1)接觸至少一個(gè)電接觸部。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法， 其特征在于，激活納米膜(2)的單次放熱反應(yīng)，以同時(shí)封閉所述輸出端以及使電連接(1)接觸至少 一個(gè)電接觸部。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的方法， 其特征在于，借助于激光束激活納米膜(2)的放熱反應(yīng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法， 其特征在于二氧化碳激光器和/或二極管激光器的激光束。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5之一所述的方法， 其特征在于，借助于粘合劑將納米膜(2)固定在襯底(3)上。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6之一所述的方法， 其特征在于，借助于導(dǎo)電粘合劑使電子器件(7)接觸納米膜(2)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7之一所述的方法， 其特征在于，借助于玻璃和/或陶瓷生成封裝(5)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8之一所述的方法， 其特征在于，生成至少一個(gè)電通孔接觸部(13)，所述電通孔接觸部(13)從納米膜(2)穿過襯底 (3)到達(dá)襯底⑶的背向納米膜⑵那側(cè)上的至少一個(gè)金屬化部(15)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法， 其特征在于，借助于多層高溫共燒陶瓷(HTCC;高溫多層陶瓷)生成所述通孔接觸部。
11.一種裝置，具有至少一個(gè)被固定在襯底(3)上以及封裝(5)內(nèi)的電子器件(7)通向封裝(5)外部的至少一個(gè)電連接(1)，其特征在于，所述裝置根據(jù)前述權(quán)利要求之一生 成。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于生成至少一個(gè)被定位在襯底(3)上以及封裝(5)內(nèi)的電子器件(7)通向封裝(5)外部的至少一個(gè)電連接(1)的方法。電連接(1)的功能性將在高于140℃的環(huán)境溫度時(shí)以及在高損耗功率的情況下以及在極端的環(huán)境影響的情況下被提供。本發(fā)明的特點(diǎn)在于，通過激光器將具有可有針對性地通過放熱觸發(fā)的反應(yīng)的反應(yīng)式納米膜(2)用于產(chǎn)生密封的電連接(1)。借助于納米膜(2)，可以提供電連接(1)的輸出端以及電連接(1)與至少一個(gè)另外的電接觸部的接觸。
文檔編號H01L21/60GK102017110SQ200980115169
公開日2011年4月13日 申請日期2009年4月28日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月28日
發(fā)明者H·武爾克施, J·瑙恩多夫 申請人:西門子公司