NL9400766A - Werkwijze voor het inkapselen van een geintegreerde halfgeleiderschakeling. - Google Patents

Description

Werkwijze voor het inkapselen van een geïntegreerde halfgeleiderschake-ling

De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het inkapselen van een geïntegreerde halfgeleiderschakeling (chip) omvattende de volgende stappen: a) het bevestigen van de halfgeleiderschakeling op het draagvlak van een zogenaamd geleiderframe (leadframe), b) het aanbrengen van verbindingsdraden tussen de contactvlakken van de halfgeleiderschakeling en geselecteerde delen van het geleiderframe (bonden), c) het met behulp van een spuitgietvorm (mould) aanbrengen van een kunststof omhulling die tenminste de halfgeleiderschakeling, het draagvlak, de verbindingsdraden en een deel van het geleiderframe omvat.

De uitvinding is in het bijzonder gericht op een werkwijze waarmee een omhulling wordt verkregen rond een geïntegreerde halfgeleiderschakeling die opto-elektronische componenten omvat en waarbij de omhulling voorzien moet zijn van een voor straling doorlaatbaar venster. Onder straling wordt hier in brede zin begrepen zowel straling in het zichtbare deel van het spectrum als ook straling in het infrarode danwel ultraviolette deel van het spectrum.

In het Amerikaanse octrooischrift US-5.200.367 wordt enerzijds een beschrijving gegeven van zogenaamde keramische omhullingen en wordt anderzijds een beschrijving gegeven van een kunststof omhulling die als vervanging voor een keramische omhulling kan worden gebruikt. In beide gevallen gaat het om een omhulling die zodanig uitgevoerd is dat de geïntegreerde halfgeleiderschakeling aan die zijde, waar straling op de schakeling moet kunnen invallen, open is. Dit open gedeelte kan dan vervolgens worden afgedekt met een afzonderlijk glasplaatje danwel, indien de halfgeleiderschakeling geen lichtgevoelige componenten bevat, worden afgedekt met een plaatje uit een ander materiaal, zoals een metaalplaat je.

Het is voor de deskundige bekend dat het gebruik van keramische behuizingen leidt tot een kostenverhoging van de uiteindelijke elektronische bouwsteen. Keramische omhullingen worden derhalve nagenoeg uitsluitend gebruikt voor bouwstenen waaraan hoge eisen worden gesteld. Verder heeft het gebruik van een afzonderlijk glazen afdekplaatje een aantal nadelen. Er is een speciale lijm of hechtmiddel nodig om het plaatje aan het resterende deel van de omhulling te bevestigen. Verder is het niet mogelijk om, zonder dat er nadere maatregelen worden getrof- fen, de lichtinval in de halfgeleiderschakeling te beperken tot een bepaald venster dat zich op een bepaalde plaats boven de halfgeleiderschakeling bevindt. Een verder nadeel is gelegen in het feit dat er bij wisselende temperaturen spanningen kunnen ontstaan die ertoe kunnen leiden, dat het glasplaatje los laat of barst, danwel dat de omhulling barsten gaat vertonen of op andere wijze wordt beschadigd.

Een werkwijze waarbij in plaats van een glazen afdekplaatje gebruik wordt gemaakt van een transparante kunsthars die in de open ruimte wordt ingegoten en daarmee deze ruimte geheel opvult is bijvoorbeeld beschreven in de Europese octrooiaanvrage EP-0.400.176. Het nadeel van deze werkwijze is dat geen gebruik wordt gemaakt van standaard (open tooling) basiselementen waardoor de kosten van deze werkwijze relatief hoog zijn.

Verder zijn, bijvoorbeeld uit de Japanse octrooiaanvrage JP60193345, werkwijzen bekend waarbij met gebruikmaking van een afzonderlijke spuitgietvorm allereerst op de halfgeleiderschakeling een laag transparante kunststof wordt aangebracht die na uitharding het toekomstige lichtvenster vormt. Vervolgens wordt de bovenzijde van dit licht-venster voorzien van een beschermlaagje en het op deze wijze verkregen halfprodukt wordt in een andere spuitgietvorm ingegoten, zodanig dat de volledige omhulling wordt verkregen. Tenslotte wordt het beschermlaagje van het venster verwijderd. Deze werkwijze heeft het nadeel dat de werkwijze op zichzelf een groot aantal stappen kent, terwijl bovendien twee afzonderlijke spuitgietvormen nodig zijn voor het bereiken van het eindresultaat.

De uitvinding heeft nu ten doel aan te geven op welke wijze met gebruikmaking van standaard spuitgietvormen en een gebruikelijk z.g. "open tooling" geleiderframe een geïntegreerde halfgeleiderschakeling kan worden voorzien van een omhulling met een venster.

Aan deze doelstelling wordt volgens de uitvinding bij een werkwijze van in de aanhef genoemde soort voldaan, doordat tussen de stappen b) en c) de volgende stap wordt uitgevoerd: d) het aanbrengen van een vooraf bepaalde hoeveelheid voor straling transparante kunststof op die zijde van de halfgeleiderschakeling tegenover de zijde die aan het draagvlak is bevestigd, welke kunststof een glastemperatuur Tg heeft die lager is dan de temperatuur die gebruikt wordt voor het uitvoeren van stap c).

De uitvinding zal thans nader worden toegelicht aan de hand van de bijgaande tekeningen.

Figuur 1 toont in een aantal aanzichten 1A...1D een aantal stadia tijdens het uitvoeren van de werkwijze volgens de uitvinding.

Figuur 2 toont in een aantal aanzichten 2A...2D een aantal stadia tijdens het uitvoeren van de werkwijze volgens de uitvinding bij toepassing van een extra afstandselement.

Figuur 3 toont in een aantal aanzichten een soortgelijke werkwijze als geïllustreerd in figuur 2, nu echter met een anders uitgevoerd afstandselement .

Figuur 4 toont een doorsnede door een spuitgietvorm waarmee de uitvinding bij voorkeur kan worden toegepast.

Figuur 5 toont een doorsnede door een omhulling vervaardigd met de in figuur 4 getoonde vorm.

Figuur 6 toont een doorsnede door een anders uitgevoerde omhulling.

In de figuren 1A ... 1D zijn diverse opeenvolgende stadia weergegeven bij toepassing van de werkwijze volgens de uitvinding.

Bij de fabricage van geïntegreerde halfgeleiderschakelingen worden in het algemeen een groot aantal van dergelijke schakelingen tegelijkertijd op een enkele grote plak silicium, een zogenaamde wafer, vervaardigd. Is het integratieproces op zichzelf voltooid dan wordt, met behulp van op zichzelf bekende technieken, bijvoorbeeld door snijden of etsen, de wafer verdeeld in de afzonderlijke halfgeleiderschakelingen of chips. (In de Engelstalige literatuur worden ook de termen "die" en "pellet" gebruikt.) Elke chip wordt vervolgens op een metalen framewerk geplaatst, bestaande uit de contactpennen die onderling nog verbonden zijn door middel van verbindingsdelen zodanig, dat ze als geheel een zogenaamd geleiderframe of "lead frame" vormen. Het centrale deel van een dergelijk lead frame bestaat uit een montagevlakje waarop een chip kan worden geplaatst en bevestigd door middel van solderen of een andere op zichzelf bekende werkwijze. Nadat de chip op deze wijze in het centrale deel van een geleiderframe is vastgezet worden aansluitdraadjes aangebracht tussen de diverse contactpennen en de aansluitvlakjes of "pads" op de chip. Het resultaat na afloop van deze bewerking is in figuur 1A schematisch in doorsnede getoond.

In figuur 1A zijn de onderdelen van het geleiderframe aangeduid met 10a, 10b en 10c. De contactpennen worden gevormd door de delen 10a en 10c, terwijl het centrale montagevlak van het geleiderframe aangeduid is met 10b. Op dit montagevlak 10b (Engels: die pad) is de chip 12 vastgezet op een op zich bekende wijze, die binnen het kader van de uitvinding geen rol speelt. Verder zijn tussen de aansluitpennen 10a en 10c enerzijds en de chip 12 anderzijds verbindingsdraadjes of "bonding wires" 14a en 14b aangebracht. Al deze technieken zijn op zichzelf bekend en behoeven geen nadere toelichting.

De eerstvolgende stap in de werkwijze is geïllustreerd in figuur 1B. In deze stap wordt met behulp van op zich bekende doseermiddelen een kleine hoeveelheid van een geschikte transparante hars 16 aangebracht op het bovenoppervlak van de chip 12. De consistentie van de hars 16 is zodanig, dat deze als een enigszins bollende laag op de chip 12 blijft liggen. Na het opbrengen van de laag 16 wordt deze althans gedeeltelijk uitgehard voordat de volgende stap van de werkwijze wordt uitgevoerd.

Voor het uitvoeren van de volgende werkwijzestap wordt het nu verkregen halffabrikaat aangebracht in een op zichzelf bekende spuitgiet-vorm of "mould" waarmee een omhulling om het halffabrikaat kan worden aangebracht. De hars die wordt gebruikt voor de omhulling wordt verwerkt bij een temperatuur die hoger is dan de glastemperatuur Tg van de transparante hars 16, zodat tijdens het spuitgietproces deze hars 16 althans enigszins zal verweken. Het resultaat daarvan is dat de bovenzijde van de laag 16 tegen de wand van de vorm vlakgedrukt wordt, terwijl tegelijkertijd de resterende vrije ruimte in de vorm wordt gevuld met de omhul-lingshars 18. Na het althans gedeeltelijk uitharden van de nu ingekap-selde halfgeleiderschakeling en het verwijderen daarvan uit de vorm ontstaat het produkt dat in doorsnede in figuur 1C is getoond. De mate van uitharding van de hars 16 en ook het volume van de hars zijn van invloed op de diameter D van het uiteindelijk gerealiseerde venster (zie figuur 1D).

De daaropvolgende stappen om te komen tot een bruikbaar eindresultaat zijn op zichzelf bekend. Om te beginnen moeten de nog aanwezige verbindingsdelen tussen de afzonderlijke contactpennen 10a, 10c, enz., worden weggenomen, zodat deze pennen elektrisch gezien geen kortsluiting meer met elkaar maken en daarna, of eventueel tegelijkertijd, moeten deze pennen in de gewenste vorm worden gebogen, bijvoorbeeld loodrecht naar beneden zoals in figuur 1D is getoond.

Voor de kwaliteit van de uiteindelijk gerealiseerde omhulling met venster (gevormd door het transparante deel 16 van de omhulling) moet de hars, waaruit het gedeelte 16 wordt gevormd, voldoen aan een aantal eisen: 1) De hars moet zo goed mogelijk transparant zijn voor de straling die door het venster 16 moet worden doorgelaten, welke straling kan liggen zowel in het zichtbare deel van het spectrum als ook in het ultraviolette of infrarode deel van het spectrum.

2) De hars moet een glastemperatuur Tg hebben die ligt onder de temperatuur waarbij de hars 18 in de spuitgietvorm wordt verwerkt, zodat door de, als gevolg daarvan optredende verweking van de transparante hars, deze tijdens het spuitgietproces zijn uiteindelijke gewenste vorm kan aannemen.

Om over het gehele oppervlak van de chip een venster met een zelfde optische weglengte te verschaffen moeten het bovenvlak van de chip 12 en het bovenvlak van het venster 16 zo goed mogelijk evenwijdig aan elkaar lopen. De kwaliteit van het uiteindelijke produkt wordt dus mede bepaald door de mate waarin het bovenvlak van de chip 12 evenwijdig loopt aan het bovenvlak van het venster 16, met andere woorden de mate waarin de hoogte van het venster 16 boven de chip 12 constant is. In dat verband wordt volgens de uitvinding voorgesteld om de chip 12 in het bijzonder tijdens het aanbrengen van de omhullingshars 18 te fixeren door voor het uitvoeren van deze stap onder het montagevlak 10b een afstandselement 20 aan te brengen. Het gebruik van dit afstandselement is in detail geïllustreerd in figuur 2.

In de figuren 2A ... 2D is, op dezelfde wijze als in figuur 1, een reeks van deelsituaties getoond die zich voordoen tijdens een werkwijze volgens de uitvinding, waarbij gebruik wordt gemaakt van een afzonderlijk afstandselement 20. De situatie in figuur 2A is in feite vergelijkbaar met de situatie van figuur 1A met het verschil, dat nu een afstandselement 20 met op zich bekende technieken, zoals solderen, lijmen, en dergelijke, is aangebracht tegen de onderzijde van de montageplaat 10b.

Vervolgens wordt een afgepaste hoeveelheid transparante hars 16 opgebracht op het bovenoppervlak van de chip 12 en deze transparante hars wordt gedeeltelijk uitgehard met als resultaat het halfprodukt dat in figuur 2B in doorsnede is getoond. De in figuur 2B toegepaste hoeveelheid transparante hars 16 is groter dan werd gebruikt in figuur 1B met als resultaat dat niet alleen de chip 12 maar ook ten minste een deel van het montagevlak 10b met hars wordt bedekt.

Daarna wordt dit halfprodukt ingebracht in een spuitgietvorm en wordt bij een vooraf bepaalde relatief hoge temperatuur de omhullende hars 18 ingebracht. Tijdens dit proces zal er door de bovenzijde van de vorm (gezien in de situatie van figuur 2C) druk worden uitgeoefend in neerwaartse richting op het aanvankelijk overmatige deel van de transparante hars 16. Als gevolg van de aanwezigheid van het afstandselement 20, dat rust tegen de onderzijde van de vorm, treedt er ondanks deze druk geen verplaatsing op van de chip, in tegendeel, de chip wordt als het ware stevig op zijn plaats gefixeerd. Als er van uitgegaan wordt dat de binnenwanden van de vorm 30 evenwijdig lopen en het afstandselement 20 overal dezelfde dikte heeft, dan is het uiteindelijke resultaat een omhulde chip waarin de bovenzijde van de chip 12 evenwijdig loopt aan de bovenzijde van de behuizing en derhalve het venster 16 overal eenzelfde dikte heeft. Omdat een grotere hoeveelheid hars werd opgebracht is ook de diameter D van het gerealiseerde venster groter dan in figuur 1D.

Het zal duidelijk zijn dat door het kiezen van geschikte afmetingen van het afstandselement 20 de dikte van het transparante venster 16 op een nauwkeurige wijze vooraf kan worden bepaald. Omdat verder de omstandigheden tijdens het spuitgietproces goed reproduceerbaar zijn is het ook mogelijk om empirisch dat volume aan transparante hars vast te stellen dat voor het bereiken van de situatie van figuur 2B op de bovenzijde van de chip 12 moet worden aangebracht om uiteindelijk, na het vervorm-proces in de spuitgietvorm, een venster 16 te realiseren van nauwkeurig bepaalde afmetingen.

In de figuren 3A ... 3D is weer op dezelfde wijze als in figuur 1 en figuur 2 een reeks van deelsituaties getoond die zich voordoen tijdens een werkwijze volgens de uitvinding, waarbij nu het gebruikte afstandselement 20' enigszins anders uitgevoerd is. Zoals blijkt uit de diverse deelfiguren is het afstandselement 20' uitgevoerd als een relatief dun plat plaatje met een aantal pootjes of ribben die de eigenlijke afstand bepalende delen vormen. Het resultaat van het gebruik van een dergelijk afstandselement 20' is dat nagenoeg het gehele afstandselement wordt ingebed in de omhullingshars. Daarmee wordt een hechtere verbinding tussen de hars en het afstandselement 20' gerealiseerd.

Om de flexibiliteit van de werkwijze verder te illustreren is in figuur 3B een relatief kleine hoeveelheid hars opgebracht, waarmee slechts een deel van het oppervlak van de chip 12 wordt bedekt. Het zal duidelijk zijn dat in het eindresultaat, geïllustreerd in figuur 3D de diameter van het venster D kleiner zal zijn dan de vensters geïllustreerd in de figuren 1D en 2D

Het verdient volgens de uitvinding de voorkeur om het afstandselement 20 te vervaardigen uit een goed warmtegeleidend materiaal dat bij voorkeur ongeveer dezelfde uitzettingscoëfficiënt heeft als de omhul-lingshars 18.

Een afstandselement uit metaal zoals messing heeft het bijkomende voordeel, dat daarmee een afschermende werking wordt bereikt.

Het bovenoppervlak van het venster 16 aan de buitenzijde van de behuizing, moet bij voorkeur zeer glad zijn om de invallende straling zo min mogelijk te verstrooien. Een hoge mate van gladheid kan worden bereikt door plaatselijk de binnenwand van de vorm 30 te bewerken.

In figuur 4 is een doorsnede getoond door een vorm 30, omvattende een onderste helft 30b en een bovenste helft 30a. Een deel van de binnenwand van het bovenste deel 30a, ruwweg aangeduid met de afstandsmaat 34a, komt tijdens het fabricageproces in aanraking met de transparante hars 16. Wordt dit betreffende deel 34a door middel van polijsten of op een andere geschikte wijze glad gemaakt, dan zullen ook de produkten die met een dergelijke vorm worden vervaardigd aan de bovenzijde van het venster 16 een glad oppervlak vertonen. Bij voorkeur wordt de vorm zodanig bewerkt, dat de bovenzijde van het venster 16 een oppervlakteruw-heid Ra heeft, die beter is dan 0,2.

Om het gladde oppervlak van het venster 16 zoveel mogelijk tegen uitwendige invloeden te beschermen verdient het de voorkeur om op de bovenzijde van de omhulling een aantal uitstekende delen aan te brengen waardoor de kans op krassen of andere beschadigingen van het oppervlak van het venster 16 worden verminderd. Daartoe is de vorm, die geïllustreerd is in figuur 4, voorzien van een aantal uitsparingen 32a, 32b, ..., die ervoor zorgen dat het uiteindelijke produkt, dat schematisch geïllustreerd is in figuur 5, voorzien is van naar buiten uitstekende delen 36a, 36b, .... In figuur 5 is verder aangegeven dat het schematisch aangeduide oppervlak 34b, waartoe in elk geval de bovenzijde van het venster 16 behoort, een zeer kleine ruwheid heeft binnen de boven aangegeven grenzen als gevolg van de voorbehandeling van het deel 34a van de binnenwand van de vorm 30.

Figuur 6 toont een verdere uitvoeringsvorm van een omhulling die met behulp van de werkwijze volgens de uitvinding kan worden vervaardigd. Het verschil tussen figuur 1D en figuur 6 is gelegen in het feit dat het bovenvlak van het venster 17 een concave vorm heeft, waardoor een lenswerking wordt bereikt en de invallende straling meer of minder wordt gericht op een bepaald deel van de chip 12. Het zal ook zonder verdere figuur duidelijk zijn dat de binnenwand van het bovendeel 30a van de spuitgietvorm 30 voorzien moet zijn van een convexe uitsparing van zodanige vorm dat daarmee de gewenste concave welving van het venster 16 wordt verkregen.

Indien gewenst is ook de inverse situatie mogelijk, waarbij als resultaat een convex gewelfd oppervlak van het venster 16 wordt gerealiseerd.

Het zal duidelijk zijn dat de montage ook zodanig uitgevoerd kan zijn dat slechts een deel van het venster een concaaf of convex oppervlak heeft, terwijl het resterende deel vlak is.

Geschikte harsen voor het vervaardigen van het venster 16 zijn in de handel verkrijgbaar. Als voorbeeld wordt genoemd het produkt Amicon

Me 45 W, een glasheldere tweecomponentenhars, die uithardt bij kamertemperatuur. Deze hars wordt o.a. geleverd door de firma Grace in Westerlo. Een andere hars is Hysol EPR 250-1, een optisch heldere vloeibare epoxy die straling tot in het ultraviolette deel van het spectrum doorlaat. Deze hars, die geleverd wordt door The Dexter Corporation, Californië, U.S.A., is in het bijzonder geschikt indiende chip bijvoorbeeld via ÜV-straling moet worden geprogrammeerd, zoals bij sommige typen EPROMs het geval is.

Hoewel in de diverse figuren de uiteindelijk gerealiseerde component (zie figuur 1D, 2D, 3D, 5 en 6) bestemd is voor insteekmontage zal duidelijk zijn dat door een andere nabewerking van de uitstekende ge-leiderpennen ook zogenaamde SMD-componenten, componenten die geschikt zijn voor oppervlaktemontage, kunnen worden gerealiseerd.

Claims (9)

1. Werkwijze voor het inkapselen van een geïntegreerde halfgeleider-schakeling (die) omvattende de volgende stappen: a) het bevestigen van de halfgeleiderschakeling op het draagvlak van een zogenaamd geleiderframe (leadframe), b) het aanbrengen van verbindingsdraden tussen de contactvlakken van de halfgeleiderschakeling en geselecteerde delen van het geleiderframe (bonden), c) het met behulp van een spuitgietvorm (mould) aanbrengen van een kunststof omhulling die tenminste de halfgeleiderschakeling, het draagvlak, de verbindingsdraden en een deel van het geleiderframe omvat, met het kenmerk, dat tussen de stappen b) en c) de volgende stap wordt uitgevoerd: d) het aanbrengen van een vooraf bepaalde hoeveelheid voor straling transparante kunststof op die zijde van de halfgeleiderschakeling tegenover de zijde die aan het draagvlak is bevestigd, welke kunststof een glastemperatuur heeft die lager is dan de temperatuur die gebruikt wordt voor het uitvoeren van stap c).

2. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat voorafgaand aan stap c) een afstandselement wordt aangebracht tegen de vrije zijde van het draagvlak.

3. Werkwijze volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat het afstandselement bestaat uit een plaatvormig element, waarvan de dikte correspondeert met de gewenste afstand.

4. Werkwijze volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat het genoemde afstandselement in zijn algemeenheid bestaat uit een vlak element met plaatselijk uitstekende delen die de gewenste afstand bepalen.

5. Werkwijze volgens een der conclusies 2-4, met het kenmerk, dat het afstandselement is vervaardigd uit een goed warmtegeleidend materiaal.

6. Werkwijze volgens een der conclusies 2-5, met het kenmerk, dat het afstandselement is vervaardigd uit een metaal.

7. Spuitgietvorm voor toepassing bij een werkwijze volgens een der voorgaande conclusies, bestaande uit twee of meer losneembare delen die tezamen een ruimte definiëren die overeenstemd met de gewenste uitwendige vorm van de kunststof omhulling, met het kenmerk, dat het deel van de binnenwand van de vorm, dat in contact komt met de in stap d) opgebrachte transparante kunststof glad is afgewerkt met een oppervlakte-ruwheid Ra beter dan o,2.

8. Spuitgietvorm volgens conclusie 5) met het kenmerk, dat het betreffende deel van de binnenwand van de vorm bovendien althans gedeeltelijk is voorzien van een concaaf of convex gewelfd oppervlak.

9. Spuitgietvorm volgens conclusie 5) of 6), met het kenmerk, dat in het resterende deel van de betreffende binnenwand uitsparingen zijn aangebracht die er na afloop van het spuitgietproces voor zorgen dat de omhulling aan het oppervlak naast de transparante kunststof voorzien is van naar buiten uitstekende delen.