多層式電子組件和用于將電路部件嵌入三維模塊的方法
【專利摘要】提供了多層式電子組件和相關(guān)的制造方法。該多層式電子組件包括多個堆疊的基底層，多個堆疊的基底層中的每一層被熔合至多個堆疊的基底層中的至少鄰近的一層；第一分立電路部件，結(jié)合至多個堆疊的基底層中的第一層；以及結(jié)合材料，介于第一分立電路部件和第一層之間，結(jié)合材料具有高于堆疊的基底層的熔合溫度的回流溫度，其中在回流溫度下結(jié)合材料變?yōu)榭闪鲃印?br> 【專利說明】多層式電子組件和用于將電路部件嵌入三維模塊的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及多層式電子組件和相關(guān)的制造方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 傳統(tǒng)地，使用環(huán)氧玻璃纖維（FR4)，含氟聚合物復(fù)合材料（如：聚四氟乙烯，PTFE)， 或混合電解質(zhì)（MDk，F(xiàn)R4和PTFE的結(jié)合體）的多層印刷電路板已被用于將信號路由至安裝 在多層結(jié)構(gòu)表面上的元件。在最常見的情況下，這些多層印刷電路板包括蝕刻銅的線跡作 為將信號路由至部件的一種方法。對于這些電路，電阻可以是絲網(wǎng)印刷的或是蝕刻的。這 些多層印刷電路板組件可被用于多種應(yīng)用，包括：射頻和功率電子模塊。作為一個例子，這 些技術(shù)可形成在它們的表面裝載單片微波集成電路（MMICs)的多功能模塊（MFM)。
[0003] 在另一種傳統(tǒng)方法中，多層集成電路和微波、多功能模塊由多層含氟聚合物復(fù)合 材料基底所構(gòu)成，該多層含氟聚合物復(fù)合材料基底利用熔合處理被一起結(jié)合成多層結(jié)構(gòu)。 復(fù)合基底材料可以是由玻璃纖維和陶瓷填充的PTFE(聚四氟乙烯）。這些多層結(jié)構(gòu)可能包 括在熔融處理之前被絲網(wǎng)印刷或蝕刻至單個層中的薄膜電阻。例如，可用一種與銅蝕刻相 似的方法將電阻蝕刻至與銅層鄰近的磷酸鎳薄膜中。
[0004] 某些分立電路部件（例如像無源分立電阻器，電容器，磁性裝置以及有源半導(dǎo)體 裝置的分立裝置）并不僅僅是通過蝕刻或絲網(wǎng)印刷制造的薄膜。相反，這些分立裝置反而 通過例如有不能承受熔合處理的高溫和/或壓力的焊膏附接至基底。為了將這類分立電路 部件并入多層集成組件，傳統(tǒng)的方法包括在單個基底層中形成空腔，將分立電路部件附接 至空腔中，以及施加聚合物結(jié)合膜層作為一個獨立的后熔合步驟。例如，Logothetis等人 申請的美國專利號No. 6009677的專利和McAndrews等人申請的美國專利號為No. 6395374 的專利描述了用于制造熔合的含氟聚合物復(fù)合材料基底的多層結(jié)構(gòu)的處理，在該處理中， 分立電路部件以后結(jié)合的方式被附接至形成在多層結(jié)構(gòu)中的空腔中，隨后被膜結(jié)合層所覆 蓋。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 可以看出，多層式電子組件可通過使用結(jié)合材料附接分立部件來實現(xiàn)，該結(jié)合材 料：（1)具有用于附接分立部件的處理溫度，該處理溫度低于分立部件所附接的多層結(jié)構(gòu) 的層的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，以及（2)在附接分立部件的處理后經(jīng)歷狀態(tài)轉(zhuǎn)變，該狀態(tài)轉(zhuǎn)變導(dǎo) 致需要對其進行溫度顯著更高的后處理以使結(jié)合材料變回液體、可流動或柔軟狀態(tài)，其中 后處理狀態(tài)轉(zhuǎn)變溫度也要大大高于多層式電子組件的基底層的熔合溫度。
[0006] 多層式電子組件可被概括為包括：多個堆疊的基底層，多個堆疊的基底層中的每 一層被熔合至多個堆疊的基底層中的至少鄰近的一層；第一分立電路部件，結(jié)合至多個堆 疊的基底層中的第一層；以及結(jié)合材料，介于第一分立電路部件和第一層之間，結(jié)合材料具 有高于堆疊的基底層的熔合溫度的回流溫度，其中在回流溫度下結(jié)合材料變?yōu)榭闪鲃印?br> [0007] 多層式電子組件還可以包括：第二分立電路部件，結(jié)合至多個堆疊的基底層的第 二層。多個堆疊的基底層可以在第一方向上堆疊，并且第一分立電路部件與第二分立電路 部件在第一方向上重疊。多個堆疊的基底層可以在第一方向上堆疊，并且第一分立電路部 件被置于多個堆疊的基底層的相鄰的層之間?；讓涌梢园ê酆衔飶?fù)合材料。結(jié)合 材料可以是瞬態(tài)液相結(jié)合的合金。第一分立電路部件可以是無源分立電阻器，電容器，磁性 裝置，以及有源半導(dǎo)體裝置中的一個。
[0008] 多層式電子模塊可被概括為包括：三維的單塊，由第一材料形成，并且其熔點為第 一溫度；以及多個分立電路部件，嵌入在單塊中，多個分立電路部件中的每一個在高于第一 溫度的第二溫度下通過第二材料結(jié)合至單塊，第二材料具有回流點，在回流點第二材料變 為可流動。
[0009] 單塊可以包括由頂面、底面以及多個側(cè)面限定的外表面，第一材料完全包圍多個 分立電部件中的至少第一分立電部件，以使得第一材料置于多個分立電元件的第一分立電 部件的所有側(cè)和單塊的外表面上的任意點之間。第一材料可以不直接接觸多個分立電部件 中的第一個電部件。多個分立電路部件可以包括第一分立電路部件、第二分立電路部件以 及第三分立電路部件，第一分立電路部件在第一方向上與第二分立電路部件重疊，第一分 立電路部件在垂直于第一方向的第二方向上與第三分立電路部件重疊。第一材料可以為含 氟聚合物復(fù)合材料。第二材料可以為納米銀燒結(jié)焊料。第一材料可以為瞬態(tài)液相結(jié)合的合 金。多個分立電路部件可以從包含無源分立電阻器，電容器，磁性裝置以及有源半導(dǎo)體裝置 的群組中選擇。
[0010] 多功能模塊可以被概括為包括：主基底，功率半導(dǎo)體管芯結(jié)合至主基底；多個次 基底，堆疊于主基底之上并互相熔合，第一分立電路部件通過第一材料結(jié)合至多個次基底 中的第一次基底，其中第一材料具有高于基底層的熔合溫度的第一熔點，并且第二分立電 路部件通過第二材料結(jié)合至多個次基底中的第二次基底，第二材料具有高于基底層的熔合 溫度的第二熔點；以及有源電子元件，附接至多個次基底中的、被置于距離主基底最遠的一 個的外表面。第一材料可以與第二材料相同。
[0011] 在多層式模塊中嵌入分立電路部件的方法可以被概括為：通過第一結(jié)合材料將第 一分立電路部件附接至第一基底，第一結(jié)合材料在第一溫度下最初可流動，從而使結(jié)合材 料經(jīng)歷狀態(tài)轉(zhuǎn)變，以使得一旦結(jié)合材料硬化，則在到達高于第一溫度的第二溫度之前，結(jié)合 材料不會返回可流動狀態(tài)，第一溫度低于第一基底的烙合溫度，并且第二溫度高于第一基 底的熔合溫度；通過結(jié)合材料將第二分立電路部件附接至第二基底；以及將第一基底熔合 至第二基底。將第一分立電路部件附接至第一基底可以包括將第一分立電路部件納米銀燒 結(jié)至第一基底。將第一分立電路部件附接至第一基底可以包括將第一分立電路部件瞬態(tài)液 相結(jié)合至第一基底。
[0012] 多層式電子組件可以被概括為包括：多個基底層，堆疊在第一方向上，多個基底層 中的每一層結(jié)合至多個基底層中的至少鄰近的一層；結(jié)合材料，具有初始轉(zhuǎn)變溫度和隨后 轉(zhuǎn)變溫度，其中結(jié)合材料在初始轉(zhuǎn)變溫度下變?yōu)樽畛蹩闪鲃?，以及其中在最初變?yōu)榭闪鲃?又硬化后，結(jié)合材料在隨后轉(zhuǎn)變溫度下再次變?yōu)榭闪鲃樱跏嫁D(zhuǎn)變溫度低于隨后轉(zhuǎn)變溫度； 第一分立電路部件，通過結(jié)合材料附接至多個基底層中的第一層，結(jié)合材料；以及第二分立 電路部件，通過結(jié)合材料附接至多個基底層中的第二層，第二分立電元件在第一方向上與 第一分立電元件重疊。
[0013] 在多層式電子組件中，在即將到達隨后轉(zhuǎn)變溫度之前結(jié)合材料是固體。基底層可 以包括環(huán)氧樹脂玻璃纖維和聚酰胺中的至少一個。結(jié)合材料可以是納米銀燒結(jié)的焊料或瞬 態(tài)液相結(jié)合的合金。第一分立電路部件可以是無源分立電阻器，電容器，磁性裝置，以及有 源半導(dǎo)體裝置中的一個。
[0014] 在多層式模塊中嵌入分立電路部件的方法被概括為包括：通過結(jié)合材料將第一分 立電路部件附接至第一基底，結(jié)合材料在第一溫度下最初可流動，可流動的結(jié)合材料經(jīng)歷 狀態(tài)轉(zhuǎn)變硬化后，在達到高于第一溫度的第二溫度之前，結(jié)合材料將不返回可流動狀態(tài)；將 第二基底附接至第一基底；以及在第一溫度下通過結(jié)合材料將第二分立電路部件附接至第 二基底。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015] 在附圖中，相同的參考編號代表相似的元件或步驟。附圖中元件的尺寸和相對位 置不一定是按比例繪制的。例如，多種元件的形狀和角度不是按比例繪制的，同時隨意地放 大并放置這些元件中的一些以提高附圖的易讀性。此外，如圖所示的元件的具體形狀并不 旨在傳達關(guān)于這些具體元件的實際形狀的任何信息，只是為了在圖中易于辨識而選擇的。
[0016] 圖1A示出了多層式電子組件的分解示圖。
[0017] 圖1B示出了圖1A在部分組裝狀態(tài)下的多層式電子組件的示圖。
[0018] 圖2示出了進行熔合前的多層式電子組件的側(cè)視圖。
[0019] 圖3A-3F示出了用于在多層式模塊中嵌入分立電路部件的一些連續(xù)步驟。
[0020] 圖4示出了納米銀燒結(jié)的一個溫度曲線示例。
[0021] 圖5示出了在多層式模塊中嵌入分立電路部件的一些連續(xù)步驟的流程圖。

【具體實施方式】
[0022] I .系統(tǒng)概述
[0023] 為了能夠徹底地理解多個公開的實施方式，以下描述中提出了一些特定的細節(jié)。 然而，相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)人員會意識到實施方式可能是脫離一個或多個上述的特定細節(jié)或通 過其他方法、部件、材料等來實施的。在其他情況下，為避免實施方式中不必要的模糊描述， 為人熟知的與電路相關(guān)的結(jié)構(gòu)（包括分立電部件，例如分立電子部件）和/或與印刷電路 板相關(guān)的結(jié)構(gòu)（包括絕緣基底、導(dǎo)電線路和貫穿孔）都沒有在細節(jié)中示出或描述。
[0024] 除非在上下文中有要求，否則在此說明書和所附的權(quán)利要求中，詞語"包括 (comprise)"和它的變體，如："包括（comprises)"和"包括（comprising)"要以開放且非 排他的意義進行解釋，如"包括，但不限于"。
[0025] 本說明書全文所提到的"一個實施方式（one embodiment) "或"實施方式（an embodiment) "意為與實施方式相結(jié)合進行描述的具體的特征、結(jié)構(gòu)或特性是至少包含在一 個實施方式中的。因此，在本說明書全文中多個位置出現(xiàn)的短語"在一個實施方式中（in one embodiment) "或"在實施方式中（in a embodiment) "不一定都指的是相同的實施方 式。此外，具體的特征、結(jié)構(gòu)或特性可能會在一個或多個實施方式中以任意適當(dāng)?shù)姆绞较嘟Y(jié) 合。
[0026] 除非文中另有明確規(guī)定，否則如在本說明書和所附權(quán)利要求中所使用的，單數(shù)形 式的"一個（a)" "一個（an)"和"該（the)"也包括復(fù)數(shù)形式。還需注意到的是，除非文中 另有明確規(guī)定，通常使用術(shù)語"或者"最廣泛的含義，即意為"和/或"。
[0027] 本文提供的本公開的標(biāo)題和摘要只是為閱讀方便，并不針對實施方式的范圍和意 義作出解釋。
[0028] 對于本發(fā)明的目的來說，短語"分立電路部件（component) "旨在包括分立電路部 件（components)，其中包括分立于印刷電路板形成并因此被可選擇地放置在電路板上或連 接于電路板中的電子部件，但不包括如直接地蝕刻或絲網(wǎng)印刷至多層式模塊的單個層的線 跡中而形成為印刷電路板一部分的薄膜元件（即，用和銅蝕刻相似的方法被蝕刻至與銅層 相鄰的磷酸鎳薄膜中的電阻）。
[0029] 如上所述，由于傳統(tǒng)的裝置連接方法無法夠承受熔合的溫度/壓力，因此傳統(tǒng)熔 合的多層式模塊并不支持在模塊中嵌入分立電路部件。相反，傳統(tǒng)的熔合方法包括在單個 的基底層中形成空腔，將分立電路部件連接到空腔中，以及應(yīng)用聚合物結(jié)合膜層作為獨立 的后熔合步驟。這種技術(shù)增加了處理步驟，無法對分立電路部件（具體是裸半導(dǎo)體管芯） 提供較好的保護，也無法支持三維模塊中的高密度封裝。例如，只有一個分立電路部件能夠 被置于空腔中的給定水平（X-Y)位置，并且裝置無法在垂直（Z)維度上堆疊或重疊。進一 步說，除非進行額外的后熔融鉆孔或蝕刻以及電鍍，否則置于空腔中隨后將被一層或多層 附加層覆蓋的分立電路部件無法被電氣地連接至（一層或多層）附加覆蓋層。此外，對水 分滲入的抵抗力由隨著后熔融步驟應(yīng)用的結(jié)合膜的整體性，而不是通過熔合形成的單一結(jié) 構(gòu)的整體性所限制。
[0030] 與傳統(tǒng)方法相比，本公開的技術(shù)可以為電子產(chǎn)品（具體是微波和功率應(yīng)用）提供 改進的封裝密度和性能。具體來說，本公開描述了將分立電路部件（有源和無源裝置）三 維嵌入熔合的多層式模塊的方法。因為減少了電路寄生，與非集成（如：表面貼裝，非三維） 的解決方案相比，由上述方法生成的組件可實現(xiàn)更高的密度和可能更好的性能，具體是對 于在高頻率、高di/dt或高dv/dt下運行的電路來說。
[0031] 如下面更詳細的討論，分立電路部件使用具有處理溫度的裝置附接方法進行附 接，該處理溫度與分立電路部件、復(fù)合模塊熔合溫度和顯著高于復(fù)合模塊熔合溫度的重熔 溫度相兼容。例如，可被使用的結(jié)合材料具有初始轉(zhuǎn)變溫度和隨后轉(zhuǎn)變溫度，其中，在初始 轉(zhuǎn)變溫度下結(jié)合材料開始變?yōu)榭闪鲃訝顟B(tài)，在隨后轉(zhuǎn)變溫度下結(jié)合材料從最初變?yōu)榭闪鲃?狀態(tài)后的硬化狀態(tài)重新變?yōu)榭闪鲃訝顟B(tài)。初始轉(zhuǎn)變溫度低于隨后轉(zhuǎn)變溫度。
[0032] 例如，如下面更詳細的討論，像納米銀燒結(jié)或瞬態(tài)液相結(jié)合這樣的裝置連接技術(shù) 被用于在熔合之前將分立電路部件附接至基底層。其中的每個裝置連接方法共有以下特 性：（1)處理溫度低于基底和分立電路部件的焊接（或替代的裝置附接）的額定溫度和（2) 與傳統(tǒng)焊接相比，由此產(chǎn)生的結(jié)合材料具有顯著更高的重熔或回流溫度，此溫度要高于復(fù) 合基底的熔融溫度。
[0033] II .硬件
[0034] 圖1A和1B是并入根據(jù)一個示例的裝置中的多層式電子組件的簡化表示。圖1A 示出裝置的主要子組件的分解圖。子組件包括多層式電子組件10,基礎(chǔ)基底20以及散熱器 30 〇
[0035] 在此示例中，基礎(chǔ)基底20可以是氮化鋁（AIN)直接覆銅（DBC)基底，這種基底包 括其頂面上的多條可導(dǎo)電線跡22(如，例如，銅線跡），結(jié)合于其頂面的多個裸管芯24(如， 例如，功率金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管，MOSFETs)，以及從其頂面延伸的多個互聯(lián)端子 26。
[0036] 多層式電子組件10包括三維嵌入其中的分立電路部件。如下面更詳細的討論，多 層式電子組件10是通過熔合處理形成的，在該熔合處理中，分立電路部件在進行熔合之前 被結(jié)合至組件的內(nèi)部。在多層式電子組件10的底面形成多個空腔14以容納位于基底20 上的裸管芯24。如圖1B所示，多層式電子組件10還包括位于其頂面上的多個空腔16以容 納使用表面安裝技術(shù)附接的更高的輪廓部分（profile)。因此，有源部件可被附接于多層式 電子組件10的頂側(cè)（l〇b處）或多層式電子組件10的底側(cè)（10a處）。
[0037] 在一個示例中，基底20上的裸管芯24通過納米銀燒結(jié)技術(shù)附接于多層式電子組 件10。例如，納米銀燒結(jié)焊膏可在空腔14中使用。在此示例中，納米銀燒結(jié)通過溫度曲線 來實現(xiàn)，在該溫度曲線中，溫度傾斜上升至約180°C以將納米銀焊膏中的粘合劑烤出，隨后 再上升至約280°C維持10分鐘以燒結(jié)納米銀粒子。由此生成的界面"焊"點具有顯著低于 傳統(tǒng)鉛或無鉛焊接的熱阻和電阻，并當(dāng)存在重復(fù)的熱循環(huán)誘導(dǎo)應(yīng)力時具有改進的完整性， 同時此種焊點在溫度高于900°C之前不會發(fā)生"回流"。其中在溫度高于900°C之前不會發(fā) 生"回流"的性質(zhì)允許后處理，該后處理可能包括進行多層式電子組件10的熔合加工和在 功率半導(dǎo)體焊點不發(fā)生回流的情況下對頂側(cè)元件進行的后處理焊接。
[0038] 如上所述，多層式電子組件10的分立電路部件在進行熔合前被結(jié)合至組件的內(nèi) 部。圖2示出了進行熔合前的多層式電子組件示例的更加詳細的側(cè)視圖。
[0039] 從組件的底部說起，第一層300為散熱器。在此實施方式中，散熱器300可被鑄成 支持各種熱界面選項，如，具有用于傳導(dǎo)的安裝孔310的固體，液體通道（未顯示），或用于 冷卻空氣的釘狀翅片/開縫翅片（未顯示）。
[0040] 第二層是在本示例中示出的每一側(cè)覆銅的基層200。與基礎(chǔ)基底20 -樣，基層200 可以是氮化鋁（AIN)直接覆銅（DBC)基底?；鶎?00可通過環(huán)氧樹脂、焊料（納米銀燒結(jié) 焊料，或，如果在熔合處理后附接散熱器則為標(biāo)準(zhǔn)焊料）、或如果基層200在面對散熱器的 一側(cè)沒有被銅覆蓋則為熔合（獨立于整體組裝或作為整體組裝的單一步驟）被附接至散熱 器300。為便于電路的最佳布局，可將多個功率半導(dǎo)體管芯510 (例如MOSFETs)的任意一側(cè) 朝下放置至基層200。如下面更詳細的討論，這些半導(dǎo)體鑄模510可通過裝置附接技術(shù)（例 如納米銀燒結(jié)或瞬態(tài)液相結(jié)合）而被附接至基層200和多層式電子組件100。
[0041] 多層式電子組件100被設(shè)置在基層200之上。多層式電子組件100的第一（最 低）層110可作為半導(dǎo)體管芯510頂側(cè)和底側(cè)之間的間隔區(qū)和互聯(lián)層。多個層120、130、 140、150、160、170和180堆疊在第一層110之上。這些層可包括通過裝置附接技術(shù)（例如 納米銀燒結(jié)或瞬態(tài)液相結(jié)合）結(jié)合于其上的分立電子部件520、530和560。例如，分立電子 部件520可以是無源分立電阻器、電容器、磁性裝置或有源半導(dǎo)體裝置。表面安裝技術(shù)可被 用于在頂側(cè)上增加另外的兀件540和550。該裝置可包括功率互連器件600,例如，用于向 此裝置供電的扁銅帶連接器件。
[0042] 含氟聚合物復(fù)合材料（例如由玻璃和陶瓷填充的聚四氟乙烯（PTFE))的電介質(zhì)特 性能夠有助于包括特別適合射頻應(yīng)用的功率電子器件在內(nèi)的多層結(jié)構(gòu)。然而，如上所述，本 公開的范圍并不局限于使用PTFE作為基底材料。
[0043] 同樣地，本發(fā)明不僅僅局限于熔合的組件。例如，也可以通過使用由印刷線路板 (PWB)材料（例如使用玻璃纖維環(huán)氧樹脂（FR4)或聚酰胺）制成的層來創(chuàng)建具有三維嵌入 的分立電路部件的多層式模塊。這些層可通過使用例如受控的粘合劑（例如通過樹脂基體 ("預(yù)浸材料"）進行預(yù)浸漬的加固材料）進行組合，可以通過使用納米銀燒結(jié)直接地組合， 可以通過瞬態(tài)液相結(jié)合直接地組合，也可以使用上述這些技術(shù)的結(jié)合直接地組合。在使用 納米銀燒結(jié)或瞬態(tài)液相結(jié)合直接組裝的情況下，層與層之間間隔出足夠的量以允許在處理 期間除氣。如果關(guān)注環(huán)境暴露，則可使用密封劑密封層與層之間的縫隙。
[0044] 納米銀燒結(jié)或瞬態(tài)液相結(jié)合使得能夠?qū)⒀b置附接至單個層，隨后將一層燒結(jié)至另 一層而不用擔(dān)心之前附接好的裝置會因為之后連接的裝置所需要的熱度而脫落。例如，用 于裝置的結(jié)合材料（在使用納米銀燒結(jié)或瞬態(tài)液相結(jié)合的情況下）在附接裝置的處理后會 經(jīng)歷狀態(tài)轉(zhuǎn)變，該狀態(tài)轉(zhuǎn)變導(dǎo)致為了使上述結(jié)合材料再次變回液體、可流動或柔軟的狀態(tài)， 需要對其進行溫度顯著更高的后處理。這種后處理狀態(tài)轉(zhuǎn)變溫度也要大大高于初始地附接 裝置所需要的溫度。由此得到的結(jié)構(gòu)將包括三維嵌入多層式模塊中的分立電路部件而不需 要在層中構(gòu)建空腔。
[0045] III.制造方法
[0046] 將在下文中參考圖3A-3F，圖4和圖5描述用于在多層式模塊中三維嵌入分立電路 部件的一些步驟。
[0047] 在圖5中示出的第一步驟800中，制造多層式電子組件的各個層。例如，圖3A示 出了層110和層200。層110可以是由玻璃和陶瓷填充的含氟聚合物復(fù)合材料（如聚四氟 乙烯，PTFE)?；鶎?00在每一面上均包括導(dǎo)體（例如銅）410。如上所述，基層200可以是 由AIN(氮化鋁）板構(gòu)成的直接覆銅銅基底。對于需要將納米銀燒結(jié)用于裝置連接的層，表 面的最后涂飾層（finish)可以是金或銀。如圖3A所示，單個層均包括允許層間連接的貫穿 孔 420。
[0048] 圖5中示出的第二步驟810中，將分立電路部件附接至單個層。例如，圖3B示出 了附接至單個層130的分立電路部件520,該分立電路部件520可以是無源元件（例如電 阻器和電容器）或小信號有源裝置。分立電路部件520可通過納米銀燒結(jié)或瞬態(tài)液相結(jié)合 被結(jié)合至層 130 上。Sang Won Yoon、Satoshi Yasuda、Michael D.Glover、Koji Shiozaki 所著的"電氣化汽車中用于高溫操作的功率電子器件的高可靠性鎳錫瞬態(tài)液相結(jié)合技術(shù) (Highly Reliable Nickel-Tin Transient Liquid Phase Bonding Technology for High Temperature Operational Power Electronics in Electrified Vehicles)，'中描述了瞬態(tài) 液相結(jié)合的一個示例。國際出版物No. W0 2005/079353中描述了納米銀燒結(jié)的示例。
[0049] 在本示例中，使用圖4所示的溫度曲線通過納米銀燒結(jié)將分立電路部件520附接 至單個層130。在此示例中，對尺寸小于10_xl0mm的部件的管芯附接不施加壓力。
[0050] 圖5中示出的第三步驟820中，組裝子組件以進行結(jié)合。例如，圖3C示出了基層 200和功率半導(dǎo)體管芯510與層110和層120的組裝?；ヂ?lián)端子430用于幫助各層對齊。 在此示例中，納米銀焊膏被絲網(wǎng)印刷至層110、層120和層200中的每一層上。例如，50μπι 厚的納米銀層被絲網(wǎng)印刷并被允許風(fēng)干。之后再施加1〇μπι厚的納米銀層，功率半導(dǎo)體管 芯510被放置到位，同時設(shè)置層200、層110和層120為燒結(jié)處理做準(zhǔn)備。層120與通氣孔 122 -同顯示，通氣孔122在功率半導(dǎo)體管芯510外圍的上方以及/或者在功率半導(dǎo)體管芯 510四周被鉆出。這些空氣孔122允許納米銀焊膏中的溶劑和粘合劑能夠在燒結(jié)處理期間 散出。
[0051] 接下來，如圖5中的830所示，將子組件的元件結(jié)合在一起。例如，如圖3D所示，對 板710和720施加壓力。板720包括與層120中的通氣孔122對齊的空氣孔722。施加壓 力以確保從管芯下方烤出溶劑，同時空氣孔722允許這些氣體散出。在此示例中，當(dāng)使用了 尺寸大于lOmmxlOmm的管芯時，在納米銀燒結(jié)處理使用大約3-5Mpa的壓力。除了在180°C 施加壓力的10分鐘的曲線部分外（并且在傾斜升溫至180°C期間若有/如果需要），此示 例中的曲線與圖4中所示的基本相同。隨后，壓力可在達到275/300°C前被移除。
[0052] 接下來，如圖5中的840所示，將各層組合在一起進行熔合。例如，如圖3E所示，剩 余的層130、140、150、160、170以及180和已被燒結(jié)在一起的層110U20以及200的子組件 相堆疊。這些層隨后將被熔合（850,圖5)。熔合通常是在熱壓罐或液壓機中，通過將基底 層加熱到高于PTFE復(fù)合材料熔點的溫度同時施加確定量的壓力來完成的，優(yōu)選為機械地， 等壓地，或者是兩者的結(jié)合。各層的對齊校準(zhǔn)通常通過具有多個引腳（例如本例中的互聯(lián) 端口 430)的精密固定器件確保，引腳數(shù)優(yōu)選為3至8個但也可能更多，以在PTFE樹脂改變 狀態(tài)為粘性液體和鄰近層在壓力下熔化時穩(wěn)定流動?；诮Y(jié)合的堆疊的尺寸，用于對齊堆 疊的引腳布置優(yōu)選為三角形或矩形。這些引腳自身優(yōu)選為圓形、正方形、矩形、橢圓形或菱 形，但也可以是其他形狀。
[0053] 因為分立電路部件510、520和560通過納米銀燒結(jié)或瞬態(tài)液相結(jié)合附接至各個 層，因此分立電路部件510、520和560可在熔合處理期間在模塊中保持與導(dǎo)電通路的結(jié)合。 例如，由瞬態(tài)液相結(jié)合形成的合金的熔化溫度和結(jié)合形成的納米銀燒結(jié)的熔點要遠高于達 到PTFE復(fù)合材料熔點所需的溫度以進行熔合。圖3F示出了由此所得到的三維的、單一的 多層式電子模塊1000。多層式電子模塊1000包括多個三維嵌入在熔合的塊中的分立電路 部件510、520和560。與傳統(tǒng)多層式、熔合的模塊不同，圖3F中的模塊1000包括堆疊在層 中的分立電路部件，以使得這些分立電路部件在垂直維度中相重疊。此外，分立電路部件可 被電氣連接至周圍的層而不需要額外的后熔融鉆孔和電鍍。進一步說，通過熔合形成的單 一結(jié)構(gòu)的整體性支持防止水分滲入。
[0054] 在進行熔合之后，附接散熱器和頂側(cè)表面安裝部件（860,圖5)。例如，如圖3F所 示，散熱器300被附接在多層式電子模塊1000之下，頂側(cè)表面安裝技術(shù)部分540和550被 附接至多層式電子模塊1000的頂面。當(dāng)基層200面對散熱器的一面沒有由銅包覆時，通過 將散熱器300熔合到基層200能夠?qū)崿F(xiàn)低熱阻。在一個示例中，這可作為參照圖3E所討論 的熔合步驟的一部分實現(xiàn)。在這種情況下，散熱器300可通過模塊間的"網(wǎng)"矩陣設(shè)計以便 于分割模塊分割。這種分割可能是通過水射流切割實現(xiàn)的。在另一個示例中，散熱器300 可以是鑄入由鋁皮整合在一起的分段模塊中的AlSiC，以使得只需切割鋁皮。在另一個示例 中，散熱器300可被焊接或結(jié)合至圖3E示出的組件。
[0055] 能夠結(jié)合以上描述的各種實施方式以提供其他實施方式。在本說明書中提到的所 有美國專利，美國專利申請出版物，美國專利申請，外國專利申請和非專利出版物的全文都 通過引用的方式并入本文。如果有必要使用上述各種專利、申請和出版物的概念，可以修改 這些實施方式的方面以進一步提供其他實施方式。
[0056] 根據(jù)上述詳細的描述，可對實施方式進行這些以及其他的改動。總體來說，在所附 的權(quán)利要求中，不應(yīng)將所使用的術(shù)語解釋為將權(quán)利要求限制到說明書和權(quán)利要求書中公開 的特定實施方式中，而應(yīng)被解釋為包括所有可能的實施方式連同與這些要求保護的權(quán)利要 求等同的所有范圍。因此，權(quán)利要求不由本公開所限制。
【權(quán)利要求】
1. 一種多層式電子組件，包括： 多個堆疊的基底層，所述多個堆疊的基底層中的每一層被熔合至所述多個堆疊的基底 層中的至少鄰近的一層； 第一分立電路部件，結(jié)合至所述多個堆疊的基底層中的第一層；以及 結(jié)合材料，介于所述第一分立電路部件和所述第一層之間，所述結(jié)合材料具有高于所 述堆疊的基底層的熔合溫度的回流溫度，其中在所述回流溫度下所述結(jié)合材料變?yōu)榭闪?動。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多層式電子組件，還包括： 第二分立電路部件，結(jié)合至所述多個堆疊的基底層中的第二層。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的多層式電子組件，其中，所述多個堆疊的基底層在第一方向 上堆疊，并且所述第一分立電路部件與所述第二分立電路部件在所述第一方向上重疊。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多層式電子組件，其中，所述多個堆疊的基底層在第一方向 上堆疊，并且所述第一分立電路部件被置于所述多個堆疊的基底層的相鄰的層之間。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多層式電子組件，其中，所述多個堆疊的基底層包括含氟聚 合物復(fù)合材料。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多層式電子組件，其中所述結(jié)合材料由具有初始流動溫度的 至少一種材料所構(gòu)成，在所述初始流動溫度下，所述結(jié)合材料變?yōu)榭闪鲃右越Y(jié)合分立電路 部件和所述第一層，并且所述初始流動溫度低于所述回流溫度。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多層式電子組件，其中，在即將到達所述回流溫度之前所述 結(jié)合材料仍然是固體。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多層式電子組件，其中，所述結(jié)合材料是納米銀燒結(jié)的焊料。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多層式電子組件，其中，所述結(jié)合材料是瞬態(tài)液相結(jié)合的合 金。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多層式電子組件，其中，所述第一分立電路部件是無源分立 電阻器、電容器、磁性裝置和有源半導(dǎo)體裝置中的一個。
11. 一種多層式電子模塊，包括： 三維的單塊，由第一材料形成，并且其熔點為第一溫度；以及 多個分立電路部件，嵌入在所述單塊中，所述多個分立電路部件中的每一個在高于所 述第一溫度的第二溫度下通過第二材料結(jié)合至所述單塊，所述第二材料具有回流點，在所 述回流點所述第二材料變?yōu)榭闪鲃印?br> 12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的多層式電子模塊，其中，所述單塊包括由頂面、底面以及多 個側(cè)面限定的外表面，所述第一材料完全包圍所述多個分立電部件中的至少第一分立電部 件，以使得所述第一材料置于所述多個分立電元件的所述第一分立電部件的所有側(cè)和所述 單塊的所述外表面上的任意點之間。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的多層式電子模塊，其中，所述第一材料不直接接觸所述多 個分立電部件中的所述第一分立電部件。
14. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的多層式電子模塊，其中，所述多個分立電路部件包括第一 分立電路部件、第二分立電路部件以及第三分立電路部件，所述第一分立電路部件在第一 方向上與所述第二分立電路部件重疊，所述第一分立電路部件在垂直于所述第一方向的第 二方向上與所述第三分立電路部件重疊。
15. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的多層式電子模塊，其中，所述第一材料為含氟聚合物復(fù)合 材料。
16. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的多層式電子組件，其中，所述結(jié)合材料由具有初始流動溫 度的至少一種材料所構(gòu)成，所述結(jié)合材料在所述初始流動溫度下變?yōu)榭闪鲃右越Y(jié)合分立電 路部件和第一層，并且所述初始流動溫度低于所述第二溫度。
17. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的多層式電子組件，其中，在即將到達所述第二溫度之前所 述結(jié)合材料仍然是固體。
18. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的多層式電子模塊，其中，所述第二材料是納米銀燒結(jié)的焊 料。
19. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的多層式電子模塊，其中，所述第一材料是瞬態(tài)液相結(jié)合的 合金。
20. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的多層式電子模塊，其中，所述多個分立電路部件從由無源 分立電阻器、電容器、磁性裝置以及有源半導(dǎo)體裝置所組成的群組中選擇。
21. -種多功能模塊，包括： 主基底，功率半導(dǎo)體管芯結(jié)合至所述主基底； 多個次基底，堆疊于所述主基底之上并互相熔合，第一分立電路部件通過第一材料結(jié) 合至所述多個次基底中的第一次基底，其中所述第一材料具有高于基底層的熔合溫度的第 一熔點，并且第二分立電路部件通過第二材料結(jié)合至所述多個次基底中的第二次基底，所 述第二材料具有高于所述基底層的熔合溫度的第二熔點；以及 有源電子元件，附接至所述多個次基底中的、被置于距離所述主基底最遠的一個的外 表面。
22. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的多功能模塊，其中，所述第一材料與所述第二材料相同。
23. -種在多層式模塊中嵌入分立電路部件的方法，包括： 通過第一結(jié)合材料將第一分立電路部件附接至第一基底，所述第一結(jié)合材料在第一溫 度下最初可流動，從而使結(jié)合材料經(jīng)歷狀態(tài)轉(zhuǎn)變，以使得一旦所述結(jié)合材料硬化，則在到達 高于第一溫度的第二溫度之前，所述結(jié)合材料不會返回可流動狀態(tài)，所述第一溫度低于所 述第一基底的熔合溫度，并且所述第二溫度高于所述第一基底的熔合溫度； 通過所述結(jié)合材料將第二分立電路部件附接至第二基底；以及 將所述第一基底熔合至所述第二基底。
24. 根據(jù)權(quán)利要求22所述的在多層式模塊中嵌入分立電路部件的方法，其中，將所述 第一分立電路部件附接至所述第一基底包括將所述第一分立電路部件納米銀燒結(jié)至所述 第一基底。
25. 根據(jù)權(quán)利要求22所述的在多層式模塊中嵌入分立電路部件的方法，其中，將所述 第一分立電路部件附接至所述第一基底包括將所述第一分立電路部件瞬態(tài)液相結(jié)合至所 述第一基底。
26. -種多層式電子組件，包括： 多個基底層，堆疊在第一方向上，所述多個基底層中的每一層結(jié)合至所述多個基底層 中的至少鄰近的一層； 結(jié)合材料，具有初始轉(zhuǎn)變溫度和隨后轉(zhuǎn)變溫度，其中所述結(jié)合材料在所述初始轉(zhuǎn)變溫 度下變?yōu)樽畛蹩闪鲃?，以及其中在最初變?yōu)榭闪鲃佑钟不?，所述結(jié)合材料在所述隨后轉(zhuǎn) 變溫度下再次變?yōu)榭闪鲃?，所述初始轉(zhuǎn)變溫度低于所述隨后轉(zhuǎn)變溫度； 第一分立電路部件，通過所述結(jié)合材料附接至所述多個基底層中的第一層，所述結(jié)合 材料；以及 第二分立電路部件，通過所述結(jié)合材料附接至所述多個基底層中的第二層，所述第二 分立電元件在所述第一方向上與所述第一分立電元件重疊。
27. 根據(jù)權(quán)利要求26所述的多層式電子組件，其中，在即將到達所述隨后轉(zhuǎn)變溫度之 前所述結(jié)合材料仍然是固體。
28. 根據(jù)權(quán)利要求26所述的多層式電子組件，其中，所述基底層包括環(huán)氧樹脂玻璃纖 維和聚酰胺中的至少一種。
29. 根據(jù)權(quán)利要求26的所述多層式電子組件，其中，所述結(jié)合材料是納米銀燒結(jié)的焊 料。
30. 根據(jù)權(quán)利要求26所述的多層式電子組件，其中，所述結(jié)合材料是瞬態(tài)液相結(jié)合的 合金。
31. 根據(jù)權(quán)利要求26所述的多層式電子組件，其中，所述第一分立電路部件是無源分 立電阻器、電容器、磁性裝置和有源半導(dǎo)體裝置中的一個。
32. -種在多層式模塊中嵌入分立電路部件的方法，包括： 通過結(jié)合材料將第一分立電路部件附接至第一基底，所述結(jié)合材料在第一溫度下最初 可流動，可流動的所述結(jié)合材料經(jīng)歷狀態(tài)轉(zhuǎn)變硬化后，在達到高于所述第一溫度的第二溫 度之前，所述結(jié)合材料將不返回可流動狀態(tài)； 將第二基底附接至所述第一基底；以及 在所述第一溫度下通過所述結(jié)合材料將第二分立電路部件附接至所述第二基底。
【文檔編號】H05K3/46GK104145538SQ201380007571
【公開日】2014年11月12日 申請日期:2013年2月6日 優(yōu)先權(quán)日:2012年2月8日
【發(fā)明者】歐內(nèi)斯特·克萊德·帕克, 菲利普·約瑟夫·勞里洛 申請人:克蘭電子公司