CN108878375A - 一种适用于微波功率芯片焊接的底板结构 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种适用于微波功率芯片焊接的底板结构，底板结构包括底面以及底面中央的凸起，凸起部分用于嵌入微波腔体内部；底板结构的外壳使用与微波芯片热膨胀系数相近的金属材料，底板内部为空心结构，空心结构的壳体与底板结构外壳之间填充吸液芯，吸液芯具有毛细结构，毛细结构内部为工作液体；微波功率芯片产生的热量由焊接面导入到底板内部，一部分由底板底面两侧导出，一部分热量通过底板内部空间，由凸起部分导出，利用吸液芯的毛细结构和毛细结构中的工作液体，形成蒸发—对流—冷凝—回流—蒸发的往复循环，以带走热量。

Description

一种适用于微波功率芯片焊接的底板结构
技术领域
本发明涉及焊接技术领域，特别涉及一种适用于微波功率芯片焊接的底板结构。
背景技术
微波芯片作为微波模块的核心器件，以尺寸小、价格高、易损坏而著称。对于带有功率功能(如放大、衰减)的微波芯片来说，由于功耗大、尺寸小，导致热流密度极大，需要底板有非常高的热导率把热量快速传导出去。底板作为基板，起着保护芯片、连接固定、热量传导的作用，在芯片损坏时，也方便更换。
在实际应用中，先将微波芯片焊接在底板上，再将底板用螺钉固定在微波腔体中。芯片的主要材料一般是氮化铝或砷化镓，线热膨胀系数较低(氮化铝为4.5，砷化镓为6.8)，而底板一般是金属材料，线热膨胀系数较高(铜为17.7，铝为23)，这导致焊接后冷却过程中，微波芯片经常因受到底板的拉力而断裂、破坏。
现在，应用于微波功率芯片的底板都是利用材料固有的物理性能来实现热量传导，具体有两种形式：
一种是利用高导热性材料来实现热传导，如纯铜导热率达到400W(m.K)-1，但由于其热膨胀系数远大于芯片，焊接时会因为之间的拉力导致芯片断裂、破坏，所以通常采用导电胶粘接的方法，导电胶固化的温度远低于焊接的融化温度，这样芯片和底板之间因为热膨胀产生的应力就会小很多。但粘接的可靠性远低于焊接，导电胶本身的热导率也比较小。
另一种是利用低热膨胀系数的材料，如硅铝合金、铝碳化硅、钼铜合金等，其中，硅铝合金的导热率为140W(m.K)-1，铝碳化硅的导热率为150～200W(m.K)-1，钼铜合金的导热率为160～190W(m.K)-1。但这些低热膨胀系数材料的热传导效率并不高，会使芯片长时间工作于高温状态，导致芯片的寿命和可靠性降低。
除此之外，一些微波模块采用附加的导热机构，如：利用导热柱将底板上的热量传导至盖板，但这些增加的机构会改变微波模块内的空间电磁场，对信号的传输带来影响，因此使用受到很大的限制。
图1示出的是微波模块中大功率微波芯片的安装示意图。微波芯片1采用焊接工艺固定在底板2相应位置上；底板用螺钉固定在腔体3相应的凹槽内，腔体内部通常没有其他机构，防止空间电磁场的反射或折射；盖板4用螺钉固定，与腔体一起形成一个金属封闭空间，防止内外电磁场串扰。
发明内容
本发明提出了一种适用于微波功率芯片焊接的底板结构，尤其适用于大功率芯片焊接，解决了焊接过程中因热膨胀不同而导致的微波芯片受到底板的拉力而断裂、破坏的问题，同时，本发明还增大了对热量的传导速度，保证芯片在工作时的可靠性。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种适用于微波功率芯片焊接的底板结构，底板结构包括底面以及底面中央的凸起，凸起部分用于嵌入微波腔体内部；底板结构的外壳使用与微波芯片热膨胀系数相近的金属材料，底板内部为空心结构，空心结构的壳体与底板结构外壳之间填充吸液芯，吸液芯具有毛细结构，毛细结构内部为工作液体；微波功率芯片产生的热量由焊接面导入到底板内部，一部分热量由底板底面两侧导出，一部分热量通过底板内部空间由凸起部分导出，利用吸液芯的毛细结构和毛细结构中的工作液体，形成蒸发—对流—冷凝—回流—蒸发的往复循环，以带走热量。
可选地，底板内部空心结构的形状与底板结构相同或相似。
可选地，在芯片工作时，其所在的焊接面区域温度升到一定高度时，吸液芯毛细结构中的工作液体蒸发汽化，蒸汽在压差作用下流向底板结构的凸起端，该区域的温度低于芯片焊接面区域，蒸汽在该区域遇冷而放出热量凝结成液体，液体被吸液芯吸收，并靠毛细力的作用流回蒸发段，再遇热蒸发汽化，如此循环往复。
可选地，所述工作液体类型与微波功率芯片工作时温度有关。
可选地，所述底板外壳的金属材料，是硅铝合金、铝碳化硅、钼铜合金中的任意一种。
可选地，底板结构外表面采用镀金技术。
本发明的有益效果是：
(1)采用硅铝合金、铝碳化硅、钼铜合金等与微波芯片热膨胀系数相近的金属材料，减小或消除高温焊接时，芯片与底板因热胀冷缩引起的应力，从而引起的断裂、破坏等问题；
(2)底板内部利用工作液体的汽、液相变传热，热阻很小，并且不断循环，因此具有很高的导热能力，导热率比常用金属材料高出几个数量级；
(3)高效导热的同时，并不改变腔体内部结构，也不改变底板的装配形式，因而不会影响内部空间电磁场信号的传输。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有微波功率微波芯片安装示意图；
图2a为现有底板的主视结构示意图；
图2b为现有底板的侧视结构示意图；
图3a为本发明底板的主视结构示意图；
图3b为本发明底板的侧视结构示意图；
图3c为本发明底板的使用状态示意图；
图4为本发明底板的热量流动示意图；
图5为本发明底板内部工作液体循环原理示意图；
图6为本发明大功率微波芯片安装示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
对于微波功率芯片来说，由于功耗大、尺寸小，导致热流密度极大，需要底板有非常高的热导率把热量快速传导出去。芯片的主要材料一般是氮化铝或砷化镓，线热膨胀系数较低(氮化铝为4.5，砷化镓为6.8)，而底板一般是金属材料，线热膨胀系数较高(铜为17.7，铝为23)，这导致焊接后冷却过程中，微波芯片经常因受到底板的拉力而断裂、破坏。
如图3和图4所示，本发明的底板结构由传统的平板形状改为底部凸起的形状，凸起部分用于嵌入微波腔体内部，并与微波腔体紧密接触，以确保腔体对凸起部分的冷却作用。底板结构的外壳10使用与微波芯片热膨胀系数相近的金属材料，底板内部为空心结构15，空心结构的外壳体与底板结构外壳之间填充吸液芯20，吸液芯具有毛细结构，毛细结构内部为工作液体；微波芯片产生的热量由焊接面导入到底板内部，一小部分由底板底面两侧导出，大部分热量通过底板内部空间由凸起部分导出，利用吸液芯的毛细结构和毛细结构中的工作液体，形成“蒸发—对流—冷凝—回流—蒸发”的往复循环，以带走大量的热量。
本发明底板外壳采用与微波芯片热膨胀系数相近的金属材料，例如可以是硅铝合金、铝碳化硅、钼铜合金等。
底板结构外表面也采用镀金技术，与现有技术相同，这里不再赘述。
吸液芯20毛细结构中的工作液体根据功率芯片工作时的温度进行选择：当温度较低时，工作液体不会冷冻；当温度升高到一定程度时，工作液体能蒸发成气体；当温度降低到一定程度时，能重新冷凝成液体。工作液体的熔点、沸点过高、过低，都会影响热管的工作效率。微波功率芯片的额定工作温度通常为+125℃，例如选择甲醇作为工作液体，其熔点为-97.8℃，沸点+64.5℃，能有效地满足设计需要。当然，甲醇只是工作液体的一个示例，本领域技术人员根据微波功率芯片的工况以及液体特性可以进行灵活选择。
如图4和图5所示，在芯片工作时，其所在的焊接面30区域温度升到一定高度时，毛细结构中的工作液体蒸发汽化(图5中过程100)，蒸汽在微小的压差下流向底板底面凸起端40，由于该区域与腔体紧密接触，温度较低的腔体使得该区域的温度低于芯片工作区，蒸汽在该区域遇冷而放出热量凝结成液体(图5中过程200)，液体被吸液芯吸收，并靠毛细力的作用流回蒸发段(图5中过程300)，再遇热蒸发汽化。如此循环往复，热量便不断地从一端传到了另一端，再通过腔体传导和散发出去。
本发明设计的底板结构，具有很多优点：一是内部利用工作液体的汽、液相变传热，热阻很小，并且不断循环，因此具有很高的导热能力，导热率比常用金属材料高出几个数量级；二是高效导热的同时，并不改变腔体内部空间结构，也不改变底板的装配形式，因而不会影响内部空间电磁场信号的传输；三是采用硅铝合金、铝碳化硅、钼铜合金等低热膨胀金属为材料，可以克服高温焊接时，芯片与底板因热胀冷缩引起的应力，从而引起的断裂、破坏等问题。
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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种适用于微波功率芯片焊接的底板结构，其特征在于，底板结构包括底面以及底面中央的凸起，凸起部分用于嵌入微波腔体内部；底板结构的外壳使用与微波芯片热膨胀系数相近的金属材料，底板内部为空心结构，空心结构的壳体与底板结构外壳之间填充吸液芯，吸液芯具有毛细结构，毛细结构内部为工作液体；微波功率芯片产生的热量由焊接面导入到底板内部，一部分热量由底板底面两侧导出，一部分热量通过底板内部空间由凸起部分导出，利用吸液芯的毛细结构和毛细结构中的工作液体，形成蒸发—对流—冷凝—回流—蒸发的往复循环，以带走热量。
2.如权利要求1所述的一种适用于微波功率芯片焊接的底板结构，其特征在于，底板内部空心结构的形状与底板结构相同或相似。
3.如权利要求1所述的一种适用于微波功率芯片焊接的底板结构，其特征在于，
在芯片工作时，其所在的焊接面区域温度升到一定高度时，吸液芯毛细结构中的工作液体蒸发汽化，蒸汽在压差作用下流向底板结构的凸起端，该区域的温度低于芯片焊接面区域，蒸汽在该区域遇冷而放出热量凝结成液体，液体被吸液芯吸收，并靠毛细力的作用流回蒸发段，再遇热蒸发汽化，如此循环往复。
4.如权利要求1所述的一种适用于微波功率芯片焊接的底板结构，其特征在于，所述工作液体类型与微波功率芯片工作时温度有关。
5.如权利要求1所述的一种适用于微波功率芯片焊接的底板结构，其特征在于，所述底板外壳的金属材料，是硅铝合金、铝碳化硅、钼铜合金中的任意一种。
6.如权利要求1所述的一种适用于微波功率芯片焊接的底板结构，其特征在于，底板结构外表面采用镀金技术。
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