CN108305853A - 一种基于硅铝合金盒体的微波模块立体组装与封装结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于硅铝合金盒体的微波模块立体组装与封装结构，包括分体式的盒体、一个及以上功能单元；所述盒体包括内腔式壳体、一个及以上平板式盖板；所述壳体包括一个及以上的内腔，封装时，所述内腔由盖板密封连接；所述内腔底面与盖板内侧面上均组装一个功能单元，所述盒体(壳体或盖板)为至少三种不同成分的硅铝合金堆叠而成。本发明的有益效果：实现了微波模块内部的立体组装与封装，较传统的只在壳体内腔底面组装元器件的微波模块，集成度提高到2～4倍；采用硅铝合金，体积小、质量轻、热应力可靠性高、散热性能好。

Description

一种基于硅铝合金盒体的微波模块立体组装与封装结构

技术领域

本发明涉及一种电子封装技术，尤其涉及的是一种基于硅铝合金盒体的微波模块立体组装与封装结构。

背景技术

现代机载、星载雷达系统功能多、载荷轻、空间小、功耗低，体现为雷达系统工程研究的轻量化、集成化、高可靠等技术要求迫切。作为现代雷达如相控阵雷达、星载SAR雷达系统重要组成部分的T/R组件及其他微波模块，其能占据整部雷达成本的60-70％，也往往是雷达系统中集成度、轻量化、可靠性要求最高的组成部分，如何设计满足质量、体积、集成度、功耗散热等要求的T/R组件等微波模块意义重大。

为了满足上述质轻、体积小、集成度高、匹配散热等要求，同时兼顾电子封装密封指标要求，目前行业内开发出一类优秀的新型铝基电子封装材料——高硅铝合金材料(目前牌号有CE7、CE9、CE11、CE13、CE17)，较成熟的盒体材料及封装设计形式为：壳体选用硅、铝含量各50％(质量分数)的硅铝材料(简写50Si50Al，牌号CE11)、盖板选用硅含量27％的铝硅材料(简写27Si73Al，牌号CE17)。这样的CE11壳体、CE17盖板封装搭配形式优点主要有：1)材料密度小，微波模块质量轻；2)CE11壳体热膨胀系数与后期封装的散热热沉、裸芯片、电子基板等的热膨胀系数匹配良好；3)牌号CE11与CE17的硅铝合金激光封焊成品率高，密封性能好，满足了机载、星载雷达严苛的使用环境要求。

然而这种微波模块的封装设计形式集成度仍然有限，只能在所述的壳体这一单一的腔体内进行二维组装或封装包括热沉、裸芯片、元器件、基板等电子电路，无法满足相控阵雷达中微波多芯片模块对三维、立体组件高集成度的迫切要求。另，常规的三维堆叠或立体组装的微波多芯片模块，多是简单、机械的重复式堆叠，集成度不高且无法直接气密封装。为了解决这些难题，这里提出一种基于硅铝合金的盒体的微波模块立体组装与封装结构。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供了一种实现轻质、小体积、高集成度、三维立体组装的基于硅铝合金的盒体的微波模块立体组装与封装结构。

本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：本发明包括分体式的盒体、两个及以上功能单元、一个及以上用于隔开相邻两个功能单元的隔筋；所述盒体包括内腔式壳体、一个及以上平板式盖板；所述壳体包括一个及以上的内腔，封装时，所述内腔由盖板密封连接；所述内腔底面与盖板内侧面上均组装一个功能单元。

优选的，所述盒体为至少三种不同成分梯度的硅铝合金堆叠而成，内腔底面与功能单元接触部分的材质与盖板的内侧面与功能单元接触部分的材质相同。

优选的，所述壳体为至少三种不同成分梯度的硅铝合金堆叠而成的一体化层状结构，盖板为与内腔底面材质相同的单一材质制成；层状结构包括为至少一个底层、一个及以上中间层、一个及以上顶层，且堆叠顺序为底层、中间层、顶层，封装时，顶层与盖板封装在一起，且底层、中间层、顶层的材质中硅含量依次降低。

优选的，所述底层、中间层、顶层均为一个，所述底层材质为50Si50Al，顶层材质为27Si73Al，中间层为42Si58Al。

优选的，所述盖板为至少三种不同成分梯度的硅铝合金堆叠而成的一体化包围结构，壳体为单一材质制成；所述包围结构从内往外依次为中心区、过渡区、外围区，且中心区、过渡区、外围区的材质中硅含量依次降低，所述中心区的材质与壳体材质相同。

优选的，所述中心区材质为50Si50Al，过渡区为42Si58Al，外围区为27Si73Al。

优选的，所述内腔为一个，盖板为一个，所述盖板激光封焊在内腔开口处。

优选的，所述内腔为两个，盖板为两个，所述盖板分别激光封焊在两个内腔开口处。

优选的，所述壳体外围设置若干用于连接支座的支耳，所述每个支耳上设置连接孔；所述盒体表面覆盖一层金属薄层，所述金属为导电金属；还包括连接器，焊接在盒体外侧，所述连接器包括低频连接器、射频连接器。

优选的，所述功能单元包括实现特定的电讯功能的电子基板及电子基板上的热沉、裸芯片、元器件、连接器。

本发明相比现有技术具有以下优点：

(1)本发明所述的微波模块封装设计，采用基于三维堆叠梯度硅铝合金的微波模块内立体组装、封装设计，结构由硅铝梯度合金材料的内腔式的壳体与单一成份的硅铝合金材料的平板式的盖板封装组成或由硅铝梯度合金材料的平板式的盖板与单一成份的硅铝合金材料的内腔式的壳体封装组成，壳体、盖板表面改性，壳体、盖板上均可封装集成电子基板、散热热沉、裸芯片、元器件、连接器等，实现了微波模块内部立体组装与封装，较传统的只在壳体内腔底面组装元器件的微波模块，集成度提高到2～4倍，极大地解决了微波模块集成度要求高的技术难题；

(2)该微波模块封装设计，结构由硅铝合金材料的壳体与硅铝合金材料的盖板组成，可实现激光气密封焊，气密指标满足国军标(如GJB 548B-2005)要求，该设计可以实现立体封装结构的微波模块气密封装指标要求；

(3)该微波模块封装设计，壳体、盖板材料均为硅铝合金材料，密度范围2.4～2.7g/cm3，相比于常规封装材料(如柯伐4J29，密度8.2g/cm3),重量大大降低，满足了微波模块轻质化需求；

(4)该微波模块封装设计，壳体、盖板材料均为硅铝合金材料，热膨胀系数范围11～17ppm/K，其中牌号CE11合金热膨胀系数～11ppm/K，其与后期组装的散热热沉、裸芯片、电子基板等热膨胀系数相近，匹配度高，满足热应力可靠性要求；

(5)该微波模块封装设计，壳体、盖板材料均为硅铝合金材料，热导率(25℃)范围150～177Wm-1K-1，满足高发热密度微波模块电子器件散热需求；

(6)该盒体采用的是连续性梯度分布的铝硅合金，以使得铝硅合金在不同的位置具有不同的热导性、不同的热膨胀系数和不同的机械性能，能够满足作为封装材料的不同需求。

附图说明

图1是本发明一种基于硅铝合金盒体的微波模块立体组装与封装结构即实施例一的爆炸示意图；

图2是图1的结构示意图；

图3是本发明实施例二的爆炸示意图；

图4是图3的结构示意图；

图5是本发明实施例三的爆炸示意图；

图6是图5的结构示意图；

图7是本发明实施例四的爆炸示意图；

图8是图7的结构示意图。

盖板1、壳体2、支耳21、功能单元3、第一功能单元31、第二功能单元32、第三功能单元33、第四功能单元34、连接器4、低频连接器41、射频连接器42、隔筋5

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本发明包括分体式的盒体、两个及以上功能单元3、一个及以上用于隔开相邻两个功能单元的隔筋5；所述功能单元3以及隔筋5被密封设置在盒体中。

所述盒体包括内腔式壳体2、一个及以上平板式盖板1；所述壳体2包括一个及以上的内腔，封装时，所述功能单元3以及隔筋5设置在壳体2的内腔中，所述盖板1盖在内腔的顶面，所述内腔由盖板1密封；所述内腔底面与盖板2内侧面上均组装一个功能单元3，这两个功能单元3之间设置所述隔筋5。

所述盒体2为至少三种不同梯度的硅铝合金堆叠而成的一体化层状结构，且内腔底面与功能单元接触部分的材质与盖板1的内侧面与功能单元接触部分的材质相同。

盒体2的结构可以有两种情况：

第一种情况：所述壳体2为至少三种不同梯度的硅铝合金堆叠而成的一体化层状结构，盖板1为与内腔底面材质相同的单一材质，壳体2包括为至少一个底层、一个及以上中间层、一个及以上顶层，且堆叠顺序为底层、中间层、顶层，封装时，顶层与盖板1封装在一起，且底层、中间层、顶层的材质中硅含量依次降低。

第二种情况：所述盖板1为至少三种不同梯度的硅铝合金堆叠而成的一体化包围结构，壳体2为单一材质制成，所述盖板从内往外依次为中心区、过渡区、外围区，且中心区的材质与壳体材质相同；且中心区、过渡区、外围区的材质中硅含量依次降低。

所述不同成分梯度的硅铝合金原材料是通过一体化成型加工工艺制备所得梯度铝硅电子封装材料，然后将该原材料加工成设计的结构形式；该工艺可采用专利号为：201510812388.X，专利名称为“一种梯度铝硅电子封装材料的制备方法”的技术方案制备获得，具体步骤包括:(1)采用铸造或者粉末冶金方法制备出铝硅材料，经搅拌摩擦加工处理获得硅颗粒细化、分布均匀的致密铝硅合金；(2)在铝硅合金上开钻均匀分布的盲孔，将硅粉末均匀填入孔中并压实，经过搅拌摩擦加工获得一定厚度的铝硅复合材料层；(3)重复步骤(2)，通过控制搅拌针尺寸、盲孔尺寸及间距，获得硅的质量百分比呈梯度分布的梯度铝硅合金。但不局限于该专利中的制备工艺。不同成分梯度的硅铝合金层厚度依据壳体或盖板总厚度尺寸，经过热仿真后设计各层厚度尺寸。

所述硅铝梯度合金的壳体2或盖板1，底层材质为50Si50Al(简称CE11)，顶层材质为27Si73Al(简称CE17)，各成份梯度层的中间层(或过渡层)可以是介于CE11与CE17中间牌号(或成份)的一种成份硅铝合金材料，也可以是介于CE11与CE17中间牌号(或成份)递进的数种成份硅铝合金材料。

壳体2的内腔也有两种情况：第一种情况，所述内腔为一个，盖板1为一个，所述盖板1激光封焊在内腔开口处；第二种情况，所述内腔为两个，盖板1为两个，所述盖板1分别激光封焊在两个内腔开口处。

所述壳体2可根据微波模块具体电气功能要求设计凸台、凹槽、卡口、隔板、开孔等结构特征，用于装配连接器、电子元器件、裸芯片、热沉、电子基板、隔板等。并在满足电讯指标要求、体积要求及轻量化要求的基础上，设计壳体结构外形及尺寸。所述壳体2，机械加工后，进行表面改性，可镀覆镍、金、铜、银等导电金属薄层，改善材料表面性能，用于钎焊、防护、美观等用途。所述壳体2外围设置若干用于联接支座的支耳，所述每个支耳上设置螺钉孔。

所述盖板1采用平板式设计，根据微波模块具体电气功能要求设置小凸台、凹槽、卡口、开孔等结构特征，可用于装配连接器、电子元器件、裸芯片、热沉、电子基板、隔筋等；在满足电讯指标要求、体积要求及轻量化要求的基础上，设计盖板尺寸；机械加工后，进行表面改性，可镀覆镍、金、银等导电金属薄层，改善材料表面性能，用于钎焊、防护、美观等用途；

所述盖板1与壳体2内部的电气互联，通过垂直互联式连接器实现壳体腔体内电子电路与盖板上电子电路互联；所述微波模块，通过盒体开孔安装的低频连接器41、射频连接器42实现微波模块与外围设备电气互联；安装孔可以开设在壳体和/或盖板上。

为说明本发明具体实施方式，给出以下实施例。

实施例一：

如图1-2所示，本发明一种基于硅铝合金盒体的微波模块立体组装与封装结构由盖板1，壳体2，两个由电子基板、热沉、裸芯片、元器件等组成的功能单元3，第一功能单元31组装在盖板内侧面，第二功能单元32组装在壳体底内侧面，连接器4包括低频连接器41、射频连接器42，以及相邻功能单元间的隔筋5组成。

本实施例中，盖板为牌号CE11的硅铝合金，壳体为硅铝不同成分梯度合金，过渡层为牌号为CE13的硅铝合金，其中壳体的底层材质为CE11，壳体的一体式围框材质(包括过渡层与顶层)为CE13(简写42Si58Al)、CE17。

壳体侧边有带4个螺钉孔的支耳，用于微波模块与底座相连；

电子基板为低温共烧陶瓷(LTCC)基板，电子基板分别低温钎焊在盖板1和壳体2的内腔的底面上，电子基板上各自组装热沉、裸芯片、元器件等；两个电子基板的结构、组成、功能可以相同或不同；

连接器包括射频SMA连接器和J30J低频连接器，均低温钎焊焊接在壳体侧边；

所述隔筋5为轻质钛合金隔筋。

该实施例采用硅铝三梯度合金制造壳体，连接器位于壳体侧壁，壳体2、盖板1上均组装有微波电路，整个微波模块集成度可增大至传统封装形式两倍。

实施例二

与实施例一不同处在于：1)连接器的安装位置、2)壳体支耳的数量和位置，具体涉及以下内容：

如图3-4所示，本发明一种基于硅铝合金盒体的微波模块立体组装与封装结构由盖板1，壳体2，两个由电子基板、热沉、裸芯片、元器件等组成的功能单元3，第一功能单元31组装在盖板内侧面，第二功能单元32组装在壳体底内侧面，连接器4包括低频连接器41、射频连接器42，以及相邻功能单元间的隔筋5组成。

其中盖板1为牌号CE11的硅铝合金，壳体2为硅铝梯度合金，且分别为牌号CE11、CE13、CE17的硅铝合金，其中壳体的底层材质为CE11，壳体的一体式围框的材质为CE13、CE17；

其中壳体2侧边有带3个螺钉孔的支耳，用于微波模块与底座相连；

其中功能单元3中的电子基板为低温共烧陶瓷(LTCC)基板，电子基板分别低温钎焊在盖板1和壳体2的内腔的底面上，电子基板上各自组装热沉、裸芯片、元器件等；

其中连接器4包括射频SMA连接器和J30J低频连接器，低温钎焊焊接在带安装孔的盖板上，实现垂直电气互联；

该实施例采用硅铝三梯度合金制造壳体，连接器位于盖板1上，同时壳体2、盖板1上均组装有微波电路，该微波模块集成度高，且微波模块实现了垂直电气互联。

实施例三：

本实施例与实施例一(示意图1-2)不同处在于：1)壳体有两面腔体，硅铝梯度合金共五个牌号，最中间牌号位置为壳体的底面；2)与之对应的，盖板有上下两块，具体涉及以下内容：

如图5-6所示，本发明一种基于硅铝合金盒体的微波模块立体组装与封装结构由盖板1，壳体2，四个由电子基板、热沉、裸芯片、元器件等组成的功能单元3，第一功能单元31和第四功能单元34分别组装在两个盖板内侧面，第二功能单元32、第三功能单元33分别组装在壳体底两内侧面，连接器4包括低频连接器41、射频连接器42，以及相邻功能单元间的隔筋5组成。

其中两个盖板1为牌号CE11的硅铝合金，上下各一块，结构、尺寸可以相同或不同；壳体2为硅铝梯度合金，由一边至另一边的牌号分别为CE17、CE13、CE11、CE13、CE17的硅铝合金；

其中壳体2侧边有带4个螺钉孔的支耳，用于微波模块与底座相连；

其中壳体2的中间层CE11为壳体的底面，其中功能单元3的电子基板为低温共烧陶瓷(LTCC)基板，第一功能单元31和第四功能单元34的电子基板分别低温钎焊在的盖板1内侧面(两块)，第二功能单元32和第三功能单元33的电子基板分别低温钎焊在壳体2的两侧内腔的底面上(两面)，电子基板上再各自组装热沉、裸芯片、元器件等；第一功能单元31、第二功能单元32、第三功能单元33、第四功能单元34的结构、组成、功能可以相同或均不同；

其中连接器4为射频SMA连接器和J30J低频连接器，低温钎焊焊接在带安装孔的壳体侧壁上，实现电气互联；

该实施例采用硅铝五梯度合金制造壳体，整个微波模块有上下两个腔体、两个盖板1，同时壳体2的两个腔体、两个盖板1上均组装有微波电路，该微波模块集成度更高，优化设计后可以实现较传统封装形式四倍的集成度。

实施例四：

本实施例与实施例一(如图1-2所示)不同处在于：1)壳体为成份单一硅铝合金，2)盖板为硅铝梯度合金，具体涉及以下内容：

如图7-8所示，本发明一种基于硅铝合金盒体的微波模块立体组装与封装结构由盖板1，壳体2，两个包括由电子基板、热沉、裸芯片、元器件等组成的功能单元3，第一功能单元31组装在盖板内侧面，第二功能单元32组装在壳体底内侧面，连接器4包括低频连接器41、射频连接器42，以及相邻功能单元间的隔筋5组成

其中盖板1为硅铝梯度合金，由内往外各层牌号分别为CE11、CE13、CE17的硅铝合金；壳体2为单一成份CE11的硅铝合金；

其中壳体2侧边有带4个螺钉孔的支耳，用于微波模块与底座相连；

其中，盖板1的中心区域为CE11铝硅合金，第一功能单元31和第二功能单元32的电子基板分别低温钎焊在盖板1的中心区域和壳体2的内腔的底面上，电子基板上再各自组装热沉、裸芯片、元器件等；第一功能单元31和第二功能单元32的结构、组成、功能可以相同或不同；

其中连机器4为射频SMA连接器和J30J低频连接器，低温钎焊焊接在带安装孔的壳体2侧壁上，实现电气互联；

该实施例采用硅铝三梯度合金制造盖板1，盖板1、壳体2均组装有微波电路，该微波模块集成度高、可制造性好。

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 (10)

1.一种基于硅铝合金盒体的微波模块立体组装与封装结构，其特征在于，包括分体式的盒体、两个及以上功能单元、一个及以上用于隔开相邻两个功能单元的隔筋；所述盒体包括内腔式壳体、一个及以上平板式盖板；所述壳体包括一个及以上的内腔，封装时，所述内腔由盖板密封连接；所述内腔底面与盖板内侧面上均组装一个功能单元。

2.根据权利要求1所述的一种基于硅铝合金盒体的微波模块立体组装与封装结构，其特征在于，所述盒体为至少三种不同成分梯度的硅铝合金堆叠而成；且内腔底面与功能单元接触部分的材质与盖板的内侧面与功能单元接触部分的材质相同。

3.根据权利要求1所述的一种基于硅铝合金盒体的微波模块立体组装与封装结构，其特征在于，所述壳体为至少三种不同成分梯度的硅铝合金堆叠而成的一体化层状结构，盖板为与内腔底面材质相同的单一材质制成；所述层状结构包括为至少一个底层、一个及以上中间层、一个及以上顶层，且堆叠顺序为底层、中间层、顶层，封装时，顶层与盖板封装在一起，且底层、中间层、顶层的材质中硅含量依次降低。

4.根据权利要求3所述的一种基于硅铝合金盒体的微波模块立体组装与封装结构，其特征在于，所述底层、中间层、顶层均为一体化结构，所述底层材质为50Si50Al，顶层材质为27Si73Al，中间层为42Si58Al。

5.根据权利要求1所述的一种基于硅铝合金盒体的微波模块立体组装与封装结构，其特征在于，所述盖板为至少三种不同成分梯度的硅铝合金堆叠而成的一体化包围结构，壳体为单一材质制成；所述包围结构从内往外依次为中心区、过渡区、外围区，且中心区、过渡区、外围区的材质中硅含量依次降低，所述中心区的材质与壳体材质相同。

6.根据权利要求5所述的一种基于硅铝合金盒体的微波模块立体组装与封装结构，其特征在于，所述中心区材质为50Si50Al，过渡区为42Si58Al，外围区为27Si73Al。

7.根据权利要求3或5所述的一种基于硅铝合金盒体的微波模块立体组装与封装结构，其特征在于，所述内腔为一个，盖板为一个，所述盖板激光封焊在内腔开口处。

8.根据权利要求3或5所述的一种基于硅铝合金盒体的微波模块立体组装与封装结构，其特征在于，所述内腔为两个，盖板为两个，所述盖板分别激光封焊在两个内腔开口处。

9.根据权利要求1所述的一种基于硅铝合金盒体的微波模块立体组装与封装结构，其特征在于，所述壳体外围设置若干用于连接支座的支耳，所述每个支耳上设置连接孔；所述盒体表面覆盖一层金属薄层，所述金属为导电金属；还包括连接器，焊接在盒体外侧，所述连接器包括低频连接器、射频连接器。

10.根据权利要求1所述的一种基于硅铝合金盒体的微波模块立体组装与封装结构，其特征在于，所述功能单元包括实现特定的电讯功能的电子基板及电子基板上的热沉、裸芯片、元器件、连接器。