[其他]用陶瓷-玻璃-金属复合材料封装电子元件

说明书

本发明有广泛应用领域，特别适于做半导体单个芯片的制造配件。本发明揭示出把陶瓷微粒结合在一起的方法使其形成有凝聚力的复合材料，并具有所希望的特性。可以为特殊应用专门制造诸如电子元件的封装、人体假肢、砂轮、机械零件、陶瓷发动机等，此处仅略提一、二。

过去，用一步工艺法把璃璃-陶瓷复合材料制成复杂形状的制品。对许多应用来说，这种技术证明是有效的。然而，当成品有更复杂形状时，要使复合材料在模具内成形则需要更高的压力，此高压把已熔化的玻璃从陶瓷微粒的缝隙间挤出，使陶瓷微粒连结在一起。此结果阻碍了复合材料继续流动，因而需要更高的压力，或者不可能使复合材料致密化和成形，以便获得所要求的成品外形。本发明利用金属微粒与陶瓷微粒及玻璃的结合，增加复合材料在模具内的流动，从而，解决了这个难题。

用上述材料组成的复合材料可以是导电型的也可以是不导电型的。其热膨胀系数也可以根据特殊用途予以调整。不导电的且膨胀系数小的复合材料在电子工业中特别有用。目前，低膨胀系数材料广泛用于微电子工业，如用作半导体封装、混合电路封装和芯片载体的衬底材料。当衬底的热膨胀系数（CTE）是关键性的时候，也就是当硅的芯片或低膨胀系数无引线芯片的截体直接安装在衬底上的时候，这些复合材料是特别有用的。

氧化铝瓷是目前应用最广泛的衬底材料。氧化铝瓷与硅芯片的热膨胀系数稍有失配。通常装在氧化铝瓷衬底上的芯片在经受热循环时，这种失配不对芯片产生高到不能承受的应力。通常这种程度的CTE失配是可以承受的，甚至当芯片的尺寸比较大，或者当芯片与衬底是刚性粘接的时候。氧化铝瓷特别受人们的重视，因为它比其它大多数低膨胀系数衬底材料便宜。然而，用常规方法制造的氧化铝瓷还有不少缺点，如精度难以控制，热导率低，在大约10至20瓦/米·绝对温度范围内且制造能力限制氧化铝瓷衬底的面积只能小于大约50平方英寸。

常规的陶瓷制品，尤其是陶瓷衬底是用下述方法制造的。氧化铝粉或其它陶瓷材料与玻璃粉和有机材料混合在一起。在常规的“未烧结带”（“green    taps”）或“冷压”工艺中，有机材料是由溶剂和溶质如萜品醇和聚甲基丙稀酸甲酯组成的两相混合物。这种特殊的溶剂-溶质混合物只是作为示例。在其它地方可能用另外的有机混合物。当有机混合物与玻璃和陶瓷粉混合时，形成软膏或稀浆。溶质-溶剂比例和有机混合物的类型是根据具体应用，也即“未烧结带”或者“冷压”工艺所要求的软膏的流变学进行选择的。

在“烧结带”工艺中，控制适量的软膏进入两块塑料片之间。为获得均匀的厚度，夹在塑料片之间的软膏要通过一个滚轧机。然后对复合材料薄片进行切割或冲压成所要求的形状进行焙烧。

在每个工艺中，有机物在比陶瓷体或陶瓷衬底的焙烧或处理温度低得多的温度下就已挥发了。通常溶剂在低于大约100℃温度下挥发，而溶质在低于大约450℃温度下挥发。溶质或溶剂的消失在“未烧结带”或冷压体中留下了微孔。在最高焙烧温度下（对普通陶瓷约为1600℃，或者对低温焙烧陶瓷接近900℃），玻璃相熔化，出现一些氧化铝微粒的烧结，从而使物体密度增加。焙烧过的衬底，已没有任何相互连结的微孔，形成一种不透气的衬底，使气体渗透量极低（＜1×10⁸cc He/sec）。焙烧后的衬底的这种气密性特别适用于制造密封性好的半导体管壳。

然而，坯体的增密引起很大的收缩，线性收缩量高达17%。因此廉价地生产线性公差达到优于大约±1%的精密度零件是不现实的。所以对标准的被焙烧过的陶瓷衬底的线性公差，陶瓷生产厂家采用的典型值是±1%。要得到更精确的线性公差是相当昂贵的，因为这要补偿产量低的损失。

电子工业正在寻求工厂中更高级的自动化。自动化机械一般能够控制零件的位置，如前面所提到的衬底达到远高于±1%的零件的线性公差。实际上，在大多数情况下，陶瓷件的公差，是达到所要求的自动化程度的限制因素。

本发明提供了一种独特的方法，制造陶瓷-玻璃-金属结构，在一步工艺法中，用通常的设备，以比普通陶瓷的焙烧温度，即约1600℃或者甚至比“低温焙烧陶瓷”的焙烧温度（约900℃）低得多的温度下制成其成品形状。本工艺还赋于制成品以独特的性能，因为在制造工艺中不一定需要有机物。