CN107658270A - 电源转换器用陶瓷外壳 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种电源转换器用陶瓷外壳，属于陶瓷封装技术领域，为陶瓷无引线片式载体，包括多层陶瓷片层叠的陶瓷外壳和用于连接将所述陶瓷外壳的容置腔内安装的芯片引出的键合丝的键合指，所述陶瓷外壳于所述容置腔相对的另一面设有焊盘，所述陶瓷外壳的侧壁外设有多个用于所述键合指引出的竖向凹槽，所述竖向凹槽的槽壁设有金属层，所述键合指与所述金属层连接，所述金属层与所述焊盘连接。本发明提供的电源转换器用陶瓷外壳，内部键合指与外导电焊盘之间的导电路径较短，外壳接地与散热性能良好，芯片不容易损坏，能够解决现有技术中存在的技术问题。

Description

电源转换器用陶瓷外壳
技术领域
本发明属于陶瓷封装技术领域，更具体地说，是涉及一种高效、同步降压电源转换器用陶瓷外壳。
背景技术
常规的高效、同步降压电源转换器为塑封结构，其封装气密性、内部热特性、贮存、应用等可靠性方面存在隐患。为满足高可靠性能的要求，采用陶瓷封装，如图5所示。陶瓷材料具有良好的可靠性、可塑性且密封性，具有较高的绝缘性能和优异的高频特性，其线性膨胀系数与电子元器件的非常相近，化学性能稳定且热导率高。
传统的FP（flat package，扁平封装，表面贴装型封装之一，QFP 或SOP(见QFP 和SOP)的别称）、CSOP（Ceramic Small Outline Package）和CQFP（Ceramic Quad Flat Pack指保护环的四侧引脚扁平封装，塑料QFP 之一，引脚用树脂保护环掩蔽，以防止弯曲变形）等封装外壳，为引线结构，由于电源转换器用陶瓷外壳要求导通电阻较低且芯片接地及散热性能良好，否则芯片很容易受到损坏。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电源转换器用陶瓷外壳，内部键合指与外导电焊盘之间的导电路径较短，外壳接地与散热性能良好，芯片不容易损坏，能够解决现有技术中存在的技术问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种电源转换器用陶瓷外壳，为陶瓷无引线片式载体，包括多层陶瓷片层叠的陶瓷外壳和用于连接将所述陶瓷外壳的容置腔内安装的芯片引出的键合丝的键合指，所述陶瓷外壳于所述容置腔相对的另一面设有焊盘，所述陶瓷外壳的侧壁外设有多个用于所述键合指引出的竖向凹槽，所述竖向凹槽的槽壁设有金属层，所述键合指与所述金属层连接，所述金属层与所述焊盘连接。
进一步地，所述陶瓷外壳的底部设有多个用于与所述焊盘连通的空心孔，所述空心孔内填充实心金属导柱，所述键合指与实心所述金属导柱连接，所述金属导柱与所述焊盘连接。
进一步地，所述空心孔的中心线与所述陶瓷外壳的底部垂直。
进一步地，所述空心孔的直径为0.10-0.30mm。
进一步地，所述竖向凹槽的槽壁为半圆柱结构，所述半圆柱形结构的直径为0.10-0.30mm。
进一步地，所述竖向凹槽的高度为0.10-0.45mm。
进一步地，所述键合指的最小宽度为0.06mm。
进一步地，相邻的所述键合指的最小间距为0.08mm。
进一步地，所述陶瓷外壳包括顺次层叠设置的陶瓷基板、中空结构的中间陶瓷层和陶瓷环框，所述陶瓷环框上设有金属封口环，所述金属封口环上设有盖板，所述芯片置于所述陶瓷基板上。
本发明提供的电源转换器用陶瓷外壳的有益效果在于：与现有技术相比，本发明电源转换器用陶瓷外壳，采用侧面开槽将键合指与焊盘连接，有效减小引出端电阻，实现键合指到对应外引出端的电阻≤100mΩ，最小可以达到8mΩ，可实现低电阻、小型化、高可靠性、高气密性，满足电源电路封装的要求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的电源转换器用陶瓷外壳的结构示意图的剖面图；
图2为图1的仰视图；
图3为图1的俯视图；
图4为图2的侧视结构示意图；
图5为现有技术陶瓷外壳的结构示意图；
图6为本发明实施例提供的电源转换器用陶瓷外壳一种并联模式的结构示意图；
图7为本发明实施例提供的电源转换器用陶瓷外壳一种并联模式的结构示意图；
图8为本发明实施例提供的电源转换器用陶瓷外壳一种并联方式的结构示意图。
其中，图中各附图标记：
1-键合丝；2-焊盘；3-陶瓷外壳；31-陶瓷基板；32-中间陶瓷层；33-陶瓷环框；4-金属封口环；5-芯片；6-竖向凹槽；7-金属导柱；8-盖板；9-键合指；10-多层布线。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。
需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
请一并参阅图1及图2，现对本发明提供的电源转换器用陶瓷外壳进行说明。所述电源转换器用陶瓷外壳，为陶瓷无引线片式载体，包括多层陶瓷片层叠的陶瓷外壳3和用于连接将所述陶瓷外壳3的容置腔内安装的芯片5引出的键合丝1的键合指9，所述陶瓷外壳3于所述容置腔相对的另一面设有焊盘2，所述陶瓷外壳3的侧壁外设有多个用于所述键合指9引出的竖向凹槽6，所述竖向凹槽6的槽壁设有金属层，所述键合指9与所述金属层连接，所述金属层与所述焊盘2连接。
本发明提供的电源转换器用陶瓷外壳，与现有技术相比，主要涉及封装形式为陶瓷无引线片式载体（LCC- Ceramic Leadless Chip Carrier）的多层陶瓷外壳，采用侧面开槽将键合指与焊盘2连接，其内部键合指与外导电焊盘之间的导电路径较短，有效减小引出端电阻，实现键合指到对应外引出端的电阻≤100mΩ，最小可以达到8mΩ，可实现低电阻、小型化、高可靠性、高气密性，满足电源电路封装的要求。通过在侧面开槽，实现封装器件的小型化。
本发明采用无引线片式结构，没有传统的FP、CSOP和CQFP等封装引线结构，其内部键合指与外导电焊盘之间的导电路径较短，封装体内布线电阻以及电感等封装寄生参数很低，所以它具有优异的电性能。由于电源转换器用外壳要求芯片接地及散热性能良好，故管壳底部有大面积散热焊盘或热沉，散热焊盘或热沉直接与PCB板相应散热焊盘及过孔相连有助于散热及接地，因此其还具有优良的热性能。此外，采用表面贴装方式安装有效减小了封装器件的体积，提升了组装密度。与其他封装形式相比，该类外壳常用的引出端节距0.50mm，焊盘宽度为0.25-0.30mm，具有体积小、重量轻，寄生参数小、散热好、适于量产、成本低等特点。
进一步地，请一并参阅图1至图4，作为本发明提供的电源转换器用陶瓷外壳的一种具体实施方式，所述陶瓷外壳3的底部设有多个用于与所述焊盘2连通的空心孔，所述空心孔内壁填充金属导柱7，所述键合指9与所述金属导柱7连接，所述金属导柱7与所述焊盘2连接。
高效、同步降压电源转换器用陶瓷外壳具备可多层布线、高可靠性、高气密性、散热能力强等特点，可有效减小集成后器件体积和重量，实现小型化，满足散热要求；陶瓷外壳可具有1-10个用于容纳芯片或无源器件的多边形腔体；陶瓷外壳可具有2层到30层的布线结构。该类陶瓷外壳引出端节距0.50mm，焊盘宽度为0.25-0.30mm，键合指9与引出端之间采用侧壁外设置的竖向凹槽6或者内部埋层填充金属导柱7的实心孔结构与竖向凹槽6组合的结构连接，竖向凹槽6的槽口0.10-0.30mm，竖向凹槽6的高度0.10-0.45mm，引出端数最少为4，外形尺寸最小可达3 mm×3 mm，该类陶瓷外壳的焊盘呈两边对称分布。
本实施例提供的高效、同步降压电源转换器用陶瓷外壳引出端节距0.50mm，焊盘宽度为0.25mm，其键合指与引出端的连接形式有两种：1）侧壁设置竖向凹槽：即将键合指由键合指层引出到瓷件侧壁的设置的竖向凹槽，然后再通过竖向凹槽与底部的焊盘相连通，同时从键合指上竖直向陶瓷外壳的底部打空心孔并填充实心金属导柱7连通到焊盘；2）内部打实心孔（也即空心孔填充实心金属导柱7）结构+侧边空心孔结构（也即侧壁竖向凹槽）：首先从键合丝上打实心孔连通到陶瓷外壳的中间陶瓷层32，为有效的减小电阻，采用并联打孔的形式，即从键合丝到中间陶瓷层32采用多个实心孔相连的方式，并联打孔的方式可有效的降低层间的导通电阻，然后由中间陶瓷层32引出到瓷件侧壁的空心孔，最后在通过空心孔与底部的焊盘相连通。
综上所述，本发明提供的高效、同步降压的电源转换器陶瓷外壳主要通过以下几种并联模式实现低电阻：
1）内部多个实心孔并联，如图6所示：
电信号从键合指直接到侧面凹槽然后到背面焊盘；
2）内部实心孔与外部竖向凹槽连接及并联，如图7所示：
电信号从键合指到背面焊盘分成两种方式，（1）实心孔（金属导柱）并联；（2）从侧面凹槽到背面焊盘，即实心孔与侧面凹槽并联；
3）多层布线并联，如图8所示：
电信号从键合指到背面焊盘分两种方式，（1）通过实心孔（金属导柱）并联到背面焊盘；（2）通过实心孔并联到中间某一层然后通过内部布线连通至侧面凹槽，从侧面凹槽到背面焊盘。
上述中，1）、2）主要用于陶瓷外壳键合指层与底部焊盘的高度小于等于0.45mm时。
3）主要用于陶瓷外壳键合指层与底部焊盘的高度大于0.45mm时。
进一步地，请参阅图1至图5，作为本发明提供的电源转换器用陶瓷外壳的一种具体实施方式，所述空心孔的中心线与所述陶瓷外壳3的底部垂直，也即垂直于陶瓷基板31。
进一步地，参阅图1及图2，作为本发明提供的电源转换器用陶瓷外壳的一种具体实施方式，所述空心孔的直径为0.10-0.30mm。
进一步地，请参阅图2，作为本发明提供的电源转换器用陶瓷外壳的一种具体实施方式，所述竖向凹槽6的槽壁为半圆柱形凹槽，所述半圆柱形结构的直径为0.10-0.30mm。
进一步地，请参阅图2，作为本发明提供的电源转换器用陶瓷外壳的一种具体实施方式，所述竖向凹槽6的高度为0.10-0.45mm。该类陶瓷外壳节距较小导致其侧壁的圆柱形的凹槽的槽口直径最大不能超过0.30mm，由于孔径与凹槽的高度相关联，直接导致侧壁凹槽的高度受限最大不能超过0.45mm，当陶瓷外壳键合指层与底部焊盘的高度小于等于0.45mm时，采用侧壁开设凹槽的结构；当陶瓷外壳键合指层与底部焊盘的高度大于0.45mm时，采用内部埋层实心孔（孔内填充金属导柱7）和侧壁凹槽的结构。
进一步地，参阅图5，作为本发明提供的电源转换器用陶瓷外壳的一种具体实施方式，所述键合指9的最小宽度为0.06mm。
进一步地，作为本发明提供的电源转换器用陶瓷外壳的一种具体实施方式，相邻的所述键合指9的最小间距为0.08mm。
进一步地，请参阅图4及图5，作为本发明提供的电源转换器用陶瓷外壳的一种具体实施方式，所述陶瓷外壳3包括顺次层叠设置的陶瓷基板31、中空结构的中间陶瓷层32和陶瓷环框，所述陶瓷环框上设有金属封口环4，所述金属封口环4上设有盖板8，所述芯片5置于所述陶瓷基板31上。
本发明提供的实施例，陶瓷外壳3由陶瓷基板31、金属封口环4（可根据客户需求决定有无）及热沉（可根据客户需求决定有无）组成，根据用户封装信息，确定腔体尺寸以及内部布线的互连关系，依据板极安装要求，确定引出端尺寸及排布，在此基础上进行结构设计，并进行结构和电性能仿真，保证其结构可靠性和散热及电性能要求。金属封口环4用于金锡封口、平行缝焊或激光缝焊封口，热沉用于芯片接地或散热。
金属封口环4材质为铁镍或铁镍钴合金，热沉材质为无氧铜、钼铜、钨铜及CPC等高导热合金材料。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：
1）小型化，有效实现器件小型化，可与国外同类塑封产品原位替代；
2）封装气密性高，气密性满足≤1×10-4 Pa·cm3/s，A4；
3）可靠性高，可满足温度循环：-65℃~175℃，200次，恒定加速度：30000g，Y1方向，1min；
4）键合指宽度最小可实现0.06mm，键合指间距最小可实现0.08mm；
5）与常规陶瓷外壳相比，通过内部互连孔并联以及侧边空心孔结构有效减小引出端电阻，实现键合指到对应外引出端的电阻≤100mΩ，可满足对导通电阻非常敏感的电源电路芯片要求；
6）带有对位标记或对位标识，对位标记为圆形或三角形结构图形，对位腔体为十字形或L形结构定位腔体结构，便于芯片精确安装；
7）引出端焊盘实现侧面金属化空心孔结构，满足板级安装时对位要求，同时焊接时可形成焊料包角有效的提高了焊接可靠性，便于板级焊点检测。
本发明提供的电源转换器用陶瓷外壳采用Al2O3、AlN、玻璃瓷等多层共烧技术，具体流程为：外壳经流延、热切后，冲腔和冲孔、孔金属化，后经印刷、定位、层压、热切成当个生瓷件，再通过烧结、钎焊、镀镍、镀金后形成单个的陶瓷封装外壳。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.电源转换器用陶瓷外壳，为陶瓷无引线片式载体，包括多层陶瓷片层叠的陶瓷外壳和用于连接将所述陶瓷外壳的容置腔内安装的芯片引出的键合丝的键合指，所述陶瓷外壳于所述容置腔相对的另一面设有焊盘，其特征在于：所述陶瓷外壳的侧壁外设有多个用于所述键合指引出的竖向凹槽，所述竖向凹槽的槽壁设有金属层，所述键合指与所述金属层连接，所述金属层与所述焊盘连接。
2.如权利要求1所述的电源转换器用陶瓷外壳，其特征在于：所述陶瓷外壳的底部设有多个用于与所述焊盘连通的空心孔，所述空心孔内填充实心金属导柱，所述键合指与实心所述金属导柱连接，所述金属导柱与所述焊盘连接。
3.如权利要求2所述的电源转换器用陶瓷外壳，其特征在于：所述空心孔的中心线与所述陶瓷外壳的底部垂直。
4.如权利要求2所述的电源转换器用陶瓷外壳，其特征在于：所述空心孔的直径为0.10-0.30mm。
5.如权利要求1所述的电源转换器用陶瓷外壳，其特征在于：所述竖向凹槽的槽壁为半圆柱结构，所述半圆柱形结构的直径为0.10-0.30mm。
6.如权利要求1所述的电源转换器用陶瓷外壳，其特征在于：所述竖向凹槽的高度为0.10-0.45mm。
7.如权利要求1所述的电源转换器用陶瓷外壳，其特征在于：所述键合指的最小宽度为0.06mm。
8.如权利要求1所述的电源转换器用陶瓷外壳，其特征在于：相邻的所述键合指的最小间距为0.08mm。
9.如权利要求1所述的电源转换器用陶瓷外壳，其特征在于：所述陶瓷外壳包括顺次层叠设置的陶瓷基板、中空结构的中间陶瓷层和陶瓷环框，所述陶瓷环框上设有金属封口环，所述金属封口环上设有盖板，所述芯片置于所述陶瓷基板上。
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