CN104465552B - 封装结构及光模块 - Google Patents

Abstract

本申请揭示了一种封装结构及光模块，该封装结构包括：印刷电路板，其具有彼此相对的第一表面和第二表面；贯通印刷电路板的第一表面和第二表面的散热孔；固定于散热孔内的散热块；设置于印刷电路板的第一表面的功率器件，功率器件与散热块导热连接。本申请的技术方案中，由于散热块是用固定的方式设置于散热孔内，故可以根据散热孔的形状预先制备该散热块，散热块的制备过程中无需添加粘合剂等导热系数低的介质；同时，由于不需要考虑铜浆与散热孔的固定问题，故可以将散热孔开设的更大，保证了封装结构更佳的热量耗散能力，保证了器件的稳定运行。

Description

封装结构及光模块

技术领域

本发明属于光通信元件制造技术领域，具体涉及一种封装结构以及应用该封装结构的光模块。

背景技术

随着4G通信的飞速发展和云计算需求的日益旺盛，市场对高速光模块的需求与日俱增。以100G光模块为例，其相对于40G光模块的功耗有大幅度的上升，但若需要采用与40G光模块相同的封装尺寸，则单位面积内产生的热量也相应剧增。在这样的情况下，如果不能保证良好的散热效果，则光模块中对于温度敏感的电光/光电转换电路的性能会降低，甚至失效。

传统的40G光模块的封装方式中，通常使用COB（chip on board）的贴片打线工艺以减少封装成本。由于裸芯片上表面用于打金线，不能用于散热，故只能通过PCB的下表面进行散热。而为了保证高速信号质量，通常裸芯片周围设计为打线焊盘，使得散热面面积受限。并且，在由于需要采用密集填铜过孔导热方式，将PCB板上功率器件产生的热量传导至PCB板的背面，并粘接散热金属块进行热量耗散。由此进一步带来的缺陷是：1）目前工艺的公差能力要求过孔设计需要保证钻孔单边至少3-4mil以上的焊环，最小钻孔0.15mm，即有效的散热截面积与占用PCB面积之比不到1/4；2）填铜采用铜浆，而铜浆中含有一定比例的粘合剂，其导热系数小于纯铜，故而会影响散热效果。基于上述原因，在高速光模块的封装中，需要采用更为高效的散热结构，以保证器件的稳定运行。

发明内容

本申请一实施例提供一具有高效散热能力的封装结构，该封装结构包括：

印刷电路板，其具有彼此相对的第一表面和第二表面；

贯通所述印刷电路板的第一表面和第二表面的散热孔；

固定于所述散热孔内且与所述散热孔适配的散热块；

设置于所述印刷电路板的第一表面的功率器件，所述功率器件与所述散热块导热连接；

其中，所述印刷电路板的第一表面设有与所述散热块连接的第一散热层，所述第一散热层位于所述散热孔的上方，所述功率器件通过所述第一散热层与所述散热块导热连接。

一实施例中，所述散热孔在所述第一表面的开孔面积小于在所述第二表面的开孔面积，所述散热块与所述散热孔适配。

一实施例中，所述散热块包括彼此相接的第一散热块和第二散热块，所述第一散热块的截面积小于所述第二散热块的截面积，所述功率器件设置于所述第一散热块上。

一实施例中，所述印刷电路板的第二表面镀设有与所述散热块连接的第二散热层。

一实施例中，所述散热块与所述散热孔的内壁之间通过填胶固定。

一实施例中，所述散热孔在所述第一表面的开孔面积取得极小值。

本申请一实施例还提供一种封装结构，所述封装结构包括：

印刷电路板，所述印刷电路板包括彼此压合的散热层和介质层；

贯通所述介质层的散热孔；

固定于所述散热孔内且与所述散热孔适配的散热块；

设置在所述散热层上的功率器件；

其中，所述散热层与所述散热块连接，所述散热层位于所述散热孔的上方，所述功率器件通过所述散热层与所述散热块导热连接。

一实施例中，所述散热孔靠近所述散热层侧的开孔面积小于另一相对侧的开孔面积，所述散热块与所述散热孔适配。

本申请一实施例还提供一种应用上述封装结构的光模块。

与现有技术相比，本申请的技术方案中，由于散热块是用固定的方式设置于散热孔内，故可以根据散热孔的形状预先制备该散热块，散热块的制备过程中无需添加粘合剂等导热系数低的介质；同时，由于不需要考虑铜浆与散热孔的固定问题，故可以将散热孔开设的更大，散热块为较大的一个整体，具有较大的散热面积，保证了封装结构更佳的热量耗散能力，保证了器件的稳定运行。

附图说明

图1是本申请第一实施方式中封装结构与光模块中印刷电路板连接的结构示意图；

图2是本申请第一实施方式中封装结构的剖视图；

图3是本申请第一实施方式中封装结构的散热孔中未设置散热块时的剖视图；

图4是本申请第一实施方式中封装结构的散热块的剖视图；

图5是本申请一实施例中封装结构的剖视图；

图6是本申请一实施例中封装结构的散热孔中未设置散热块时的剖视图；

图7是本申请一实施例中封装结构的散热块的剖视图；

图8是应用本申请第一实施方式封装结构的光模块的爆炸示意图；

图9是本申请第二实施方式中封装结构的剖视图；

图10是本申请第二实施方式中封装结构的散热孔中未设置散热块时的剖视图；

图11是应用本申请第二实施方式封装结构的光模块的爆炸示意图；

图12是本申请第三实施方式中封装结构的剖视图；

图13是本申请第三实施方式中封装结构的散热孔中未设置散热块时的剖视图；

图14是本申请第三实施方式中封装结构的散热块的剖视图。

具体实施方式

以下将结合附图所示的具体实施方式对本申请进行详细描述。但这些实施方式并不限制本申请，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本申请的保护范围内。

在本申请的各个图示中，为了便于图示，结构或部分的某些尺寸会相对于其它结构或部分夸大，因此，仅用于图示本申请的主题的基本结构。

本文使用的例如“上”、“上方”、“下”、“下方”等表示空间相对位置的术语是出于便于说明的目的来描述如附图中所示的一个单元或特征相对于另一个单元或特征的关系。空间相对位置的术语可以旨在包括设备在使用或工作中除了图中所示方位以外的不同方位。例如，如果将图中的设备翻转，则被描述为位于其他单元或特征“下方”或“之下”的单元将位于其他单元或特征“上方”。因此，示例性术语“下方”可以囊括上方和下方这两种方位。设备可以以其他方式被定向（旋转90度或其他朝向），并相应地解释本文使用的与空间相关的描述语。

当元件或层被称为在另一部件或层“上”、与另一部件或层“连接”时，其可以直接在该另一部件或层上、连接到该另一部件或层，或者可以存在中间元件或层。相反，当部件被称为“直接在另一部件或层上”、“直接连接在另一部件或层上”时，不能存在中间部件或层。

并且，应当理解的是尽管术语第一、第二等在本文中可以被用于描述各种元件或结构，但是这些被描述对象不应受到这些术语的限制。这些术语仅用于将这些描述对象彼此区分开。例如，第一表面可以被称为第二表面，并且类似地第二表面也可以被称为第一表面，这并不背离本申请的保护范围。

参图1，介绍本申请封装结构10的第一具体实施方式。在本实施方式中，该封装结构10包括印刷电路板11、散热孔12、散热块13、以及功率器件15。需要说明的是，本申请各实施方式中所提到的散热块13是体积远大于镀铜时孔内铜的体积的块状体，且散热块13为导热效率较好的热导体。也就是说，散热块13与现有技术中常用的孔内镀铜是不同的，散热块13的体积要远大于即使相同大小的一个孔内所镀铜的体积，这是由目前的镀铜工艺所决定的。另外，电路板单位面积内设置一个散热块所具有的有效散热面积远大于单位面积内设置多个镀铜孔。并且，镀铜所形成的起散热作用的铜和采用纯铜的散热块13（即铜块）相比，其致密性和成分（镀铜所使用的铜含有粘合剂，而粘合剂导热系数较低）决定其散热效率低于散热块13。

参图2至图4，印刷电路板11包括彼此相对的第一表面111和第二表面112，散热孔12贯通印刷电路板11的该第一表面111和第二表面112。散热块13固定于散热孔12内，且该散热块13与散热孔12适配。需要说明的是，本申请中所提及的“适配”是指形状及尺寸的大致相同。由于散热块是用固定的方式设置于散热孔内，故可以根据散热孔的形状预先制备该散热块，散热块的制备过程中无需添加粘合剂等导热系数低的介质；同时，由于不需要考虑铜浆与散热孔的固定问题，故可以将散热孔开设的更大，保证了封装结构更佳的热量耗散能力。

功率器件15设置在印刷电路板11的第一表面111且与散热块13导热连接。本申请中所提及的“功率器件15”例如可以是光电/电光转换元件，以及驱动该些光电/电光转换元件的驱动和放大电路所需要的元件，并且功率器件15可以是被整体集成于一芯片上，而并非一定是分离的器件，当然，也可以是多个分离的器件均布置在散热块13上。

在本实施方式中，印刷电路板11的第一表面111还镀设有与散热块13连接的第一散热层141，功率器件15通过该第一散热层141与散热块13导热连接。这样做的原因在于，在上述将功率器件15直接设置在印刷电路板11的第一表面111并与散热块13导热连接的实施例中，需要功率器件15与散热孔12高度对准，才能保证功率器件15与散热块13的可靠热接触，而这会无疑对封装工艺提出更高的精度要求。而在本实施方式中，通过在印刷电路板11的第一表面111镀设第一散热层141，功率器件15在安装到印刷电路板11的第一表面111上时，会直接地与该第一散热层141接触，同时，由于第一散热层141在散热孔12于印刷电路板11第一表面111的开口121处与散热块13充分接触，功率器件15耗散的热量会通过第一散热层141的传导被散热块13吸收，而无需要求功率器件15一定对准于散热孔12，降低了封装工艺的难度（也就是说，即使功率器件15因为布局需要并未设置在散热块13的正上方，而是偏离散热块13正上方，也能通过第一散热层141实现较好的散热效果）；并且，由于第一散热层141可以根据实际需要被设计成各种合适形状，在一些功率器件15具有复杂或不规则形状的实施例中，避免散热块13也需要进行相应的复杂设计，使得散热块13可以设计的更为规则和简单，且使得与散热块13之间的连接更为可靠。

印刷电路板11的第二表面112还镀设有与散热块13连接的第二散热层142，该第二散热层142相当于进一步扩展了散热块13的散热面积，便于功率器件15产生的热量的加速耗散。

当然，本领域技术人员可以理解的是第一散热层141和第二散热层142也可以作为印刷电路板11的线路层。

在本实施方式中，散热孔12在印刷电路板11第一表面111的开孔面积（即开口121的面积）小于在印刷电路板11第二表面112的开孔面积（即开口122的面积）。由于印刷电路板11的第一表面111用于布置功率器件15，在例如以COB（chip on board）工艺进行封装的实施例中，印刷电路板11的该第一表面111需要预留足够的面积进行功率器件15的布置。而通过将散热孔12在印刷电路板11第一表面111的开孔面积设置为小于在印刷电路板11第二表面112的开孔面积，印刷电路板11的第一表面111具有足够的面积用于布置功率器件15，而同时，由于散热块13在靠近印刷电路板11第二表面112的一侧具有相对更大的接触面积，故可以保证热量的高速耗散。另外，此结构也方便散热块13的安装与固定。

散热孔12的开孔面积在印刷电路板11的第一表面111处取得极小值，也即，在自印刷电路板11的第一表面111向第二表面112延伸的方向上，散热孔12是呈大致扩张的状态。

以下提供一些散热孔12及相应的散热块13的具体实施例：

实施例一

参图3和图4，散热孔12在印刷电路板11厚度方向上的截面呈T形，散热块13包括彼此相接的第一散热块131和第二散热块132，第一散热块131的截面积小于第二散热块132的截面积，以配合安装在该T形的散热孔12内。这里所提及的“截面积”是指与印刷电路板11平行的平面与散热块13相截所得到的图形的面积；并且，所说的“彼此相接的第一散热块131和第二散热块132”可以包括该第一散热块131和第二散热块132被分别地制造并连接或该第一散热块131和第二散热块132是被一体地制造。

在该实施例的基础上还可以轻易变形出的技术方案有：散热孔12在印刷电路板11厚度方向上的截面呈多台阶形，散热块13相应地包括彼此相接的第一散热块、第二散热块、…、第N散热块，且各散热块的截面积在印刷电路板11的第一表面111向第二表面112延伸的方向上逐级递增。此种变形的实施方式也应当属于本申请的保护范围之内。

实施例二

参图5至图7，散热孔12a在印刷电路板11a厚度方向上的截面呈梯形，相应地，散热块13a的截面积在印刷电路板11a的第一表面111a向第二表面112a延伸的方向上逐渐增加。

继续参图1至图4，在本实施方式中，散热孔12在第一表面111的开口121与功率器件15适配，也即功率器件15可以透过该散热孔12在第一表面111的开口121与散热块13充分导热接触，保证热量传导的高效性。散热块13与散热孔12的内壁之间通过填胶（图未示）固定。散热块13、第一散热层141、以及第二散热层142可以选择为具有优良导热性质的材质，例如铜。

参图8，在应用本实施方式封装结构10的光模块100的一实施方式中，光模块100包括散热壳体101，印刷电路板11的第二表面112与散热壳体101之间设置有散热片102，封装结构10的散热块13与散热壳体101之间通过该散热片102导热连接，以将功率器件15产生的热量传递至该散热壳体101，并最终耗散在空气中。需要说明的是，散热壳体101与印刷电路板11的第二表面112之间还可以例如设置散热胶、或配合设置散热胶和上述的散热片102以实现更好的热传递；并且，由于此处并不涉及对光模块100其它部分结构或功能的改进，故在此对光模块100的其它部分及结构也不再赘述。

参图9至图10，介绍本申请封装结构20的第二具体实施方式。在本实施方式中，该封装结构20包括印刷电路板21、散热孔22、散热块23、以及功率器件25。

印刷电路板21包括彼此压合的散热层211和介质层212。需要说明的是，这里所提及的“介质层212”可以是由同种材料构成的单层结构，也可以是多层层压结构，例如多层被交替压合的铜层和介质；所提及的“散热层211”可以例如为印刷电路板21位于一表面侧的铜层。

散热孔22贯通该印刷电路板21的介质层212，散热块23固定于散热孔22内，且该散热块23与散热孔22的形状适配，功率器件25设置在散热层上。与上一实施方式类似地，相对于将功率器件25直接与散热块23连接的方式，由于需要功率器件25与散热孔22高度对准，才能保证功率器件25与散热块23的可靠热接触，而这会无疑对封装工艺提出更高的精度要求。在本实施方式中，通过将功率器件25设置在印刷电路板21的散热层211上，可以利用该散热层211将功率器件25的热量传递至散热块23，而无需要求功率器件25一定对准于散热孔22，降低了封装工艺的难度。

在本实施方式中，散热孔22在靠近散热层211侧的开孔面积（及开口221的面积）小于另一相对侧的开孔面积（即开口222的面积）。这样，不会占用太多印刷电路板21上用于布置功率器件25部分的面积，并且，使得相应的散热块23在该相对侧具有更大的接触面积，保证了更高效的散热效果。类似地，在该印刷电路板21的该相对侧也可以镀设有与散热块23导热连接的散热层26，或者利用压合的方式将另一散热铜层与印刷电路板21的该相对侧压合，以达到类似的扩展散热接触面积的效果。

本实施方式中散热孔22和散热块23的形状设置可以参照前一实施方式中的各实施例，在此不再赘述。

参图11，在应用本实施方式封装结构20的光模块200的一实施方式中，光模块200包括散热壳体201，印刷电路板21的介质层212与散热壳体201之间设置有散热片202，封装结构20的散热块23与散热壳体201之间通过该散热片202导热连接，以将功率器件25产生的热量传递至该散热壳体201，并最终耗散在空气中。需要说明的是，散热壳体201与印刷电路板21的介质层212之间还可以例如设置散热胶、或配合设置散热胶和上述的散热片202以实现更好的热传递；并且，由于此处并不涉及对光模块200其它部分结构或功能的改进，故在此对光模块200的其它部分及结构也不再赘述。

参图12至图14，介绍本申请封装结构30的第三具体实施方式。在本实施方式中，该封装结构30包括印刷电路板31、散热孔32、散热块33、以及功率器件35。

印刷电路板31包括彼此相对的第一表面311和第二表面312，散热孔32贯通印刷电路板31的该第一表面311和第二表面312，散热块33固定于散热孔32内。与上述实施方式不同的是，在本实施方式中，散热孔32于第一表面311的开孔面积（即开口321的面积）和散热孔32于第二表面312的开孔面积（即开口322的面积）相等；并且，功率器件35透过散热孔32于印刷电路板31的第一表面311的开口321与散热块33直接连接。当然，功率器件35和散热块33之间还可以例如设置有导热胶以进一步增加两者之间的热传导能力。在本实施方式中，散热孔32于第一表面311的开口321同样地可以被设置为大致与功率芯片35适配，以获取更大的散热面积。

本申请通过上述实施例，具有以下有益效果：由于散热块是用固定的方式设置于散热孔内，故可以根据散热孔的形状预先制备该散热块，散热块的制备过程中无需添加粘合剂等导热系数低的介质；同时，由于不需要考虑铜浆与散热孔的固定问题，故可以将散热孔开设的更大，散热块为较大的一个整体，具有较大的散热面积，保证了封装结构更佳的热量耗散能力；同时，通过将印刷电路板上的散热孔设置为两端具有不同的开孔面积，封装时，在散热孔开孔面积较小的一侧印刷电路板上布置功率器件，并透过该侧的散热孔开口与散热块导热连接，散热孔不会占用该侧印刷电路板上的过多面积；且由于散热块的形状与散热孔适配，散热块在印刷电路板的另一侧具有更大的接触面积，提高了对功率器件热量的耗散能力，保证了器件的稳定运行。

应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本申请的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本申请的保护范围，凡未脱离本申请技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种封装结构, 其特征在于，所述封装结构包括：

印刷电路板，其具有彼此相对的第一表面和第二表面；

贯通所述印刷电路板的第一表面和第二表面的散热孔；

固定于所述散热孔内的散热块；

设置于所述印刷电路板的第一表面的功率器件，所述功率器件与所述散热块导热连接；

其中，所述印刷电路板的第一表面设有与所述散热块连接的第一散热层，所述第一散热层位于所述散热孔的上方，所述功率器件通过所述第一散热层与所述散热块导热连接。

2.根据权利要求1所述的封装结构，其特征在于，

所述散热孔在所述第一表面的开孔面积小于在所述第二表面的开孔面积，所述散热块与所述散热孔适配。

3.根据权利要求2所述的封装结构，其特征在于，所述散热块包括彼此相接的第一散热块和第二散热块，所述第一散热块的截面积小于所述第二散热块的截面积，所述功率器件设置于所述第一散热块上。

4.根据权利要求1所述的封装结构，其特征在于，所述印刷电路板的第二表面设有与所述散热块连接的第二散热层。

5.根据权利要求1所述的封装结构，其特征在于，所述散热块与所述散热孔的内壁之间通过填胶固定。

6.根据权利要求1所述的封装结构，其特征在于，所述散热孔的开孔面积在所述第一表面处取得极小值。

7.一种封装结构，其特征在于，所述封装结构包括：

印刷电路板，所述印刷电路板包括彼此压合的散热层和介质层；

贯通所述介质层的散热孔；

固定于所述散热孔内的散热块；

设置在所述散热层上的功率器件；

其中，所述散热层与所述散热块连接，所述散热层位于所述散热孔的上方，所述功率器件通过所述散热层与所述散热块导热连接。

8.根据权利要求7所述的封装结构，其特征在于，

所述散热孔靠近所述散热层侧的开孔面积小于另一相对侧的开孔面积，所述散热块与所述散热孔适配。

9.一种光模块，其特征在于，所述光模块包括如上任意一项权利要求所述的封装结构。