CN108922869A - 一种带tec-氮化铝-金属三元结构的smd封装基座 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种带TEC‑氮化铝‑金属三元结构的SMD封装基座，包括基板，所述基板的顶端内部表面固定安装有半导体致冷器，所述半导体致冷器的顶部设有贴片区，且贴片区上安装有芯片，所述基板的顶部相互对称安装有两组第二电极，所述基板的底部相互对称安装有两组第一电极，解决良好散热问题，提出了在氮化铝基板上键合TEC的方案，在TEC冷端再键合芯片，芯片产生的热量通过TEC调节，芯片温度保持稳定；TEC热端和氮化铝基板贴合，热端产生的热通过氮化铝导热散发；针对氮化铝高温共烧技术的工艺难度和成本问题，提出了采用低温金属化制程，实现氮化铝通孔和表面金属化，适合推广和普及。

Description

一种带TEC-氮化铝-金属三元结构的SMD封装基座
技术领域
本发明属于光电子封装技术领域，具体涉及一种带TEC-氮化铝-金属三元结构的SMD封装基座。
背景技术
在半导体照明，激光和光电传感芯片的封装领域，有几种情况需要特殊的封装技术要求，例如短波长190-360nm的深紫外区，位于850-1700纳米区域的半导体激光器，以及对环境中气体和水等敏感的半导体芯片，需要真空气密封装。其中，大功率的深紫外和激光器芯片，由于PN结的结温升高会显著劣化光输出性甚至失效，因此散热性显得非常重要。芯片封装领域，分为塑料，玻璃，金属和陶瓷封装等，含有有机材料的封装例如塑料封装和有机胶粘合封装都属于非气密性封装，玻璃封装因散热问题，均不在本发明涉及的范围。
现有的金属封装技术领域，通常采用了金属腔体，TO，扁平等封装方式，由于气密性和散热良好，目前依然是光电子封装的重要方法，但由于金属的导电性，很难实现表面贴装SMD方式。现有的陶瓷封装技术领域，由于陶瓷的绝缘性，加上氧化铝陶瓷HTCC(陶瓷高温共烧技术)的成熟，很容易实现表面贴装SMD方式并实现气密性，例如陶瓷封装的石英晶振。
但在光电子封装领域，由于需要用到玻璃或晶体光窗(或透镜)，而这两种材料很难通过低成本的方法完成气密性结合，另外由于氧化铝导热性较差，氮化铝的高温共烧难以低成本实现，因此单纯的陶瓷封装基座无法满足上述的应用要求。为此，我们提出一种带TEC-氮化铝-金属三元结构的SMD封装基座来解决现有技术中存在的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种带TEC-氮化铝-金属三元结构的SMD封装基座，具有特殊要求的光电子芯片封装提供的一种有效的方案，解决有效散热并达成气密性封装的问题，采用了将氮化铝基板通过真空镀膜，通孔电镀，微电路制造，金属框架(或表面金属化)和TEC芯片共晶贴合等一系列工艺流程，形成具有氮化铝-TEC-金属框架(或金属化层)三元结构的SMD气密性封装基座，形成在一个陶瓷基座中同时实现有良好的散热性，易于和各种光窗通过简单的金属封装工艺实现气密性可靠的封装结构。
为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种带TEC-氮化铝-金属三元结构的SMD封装基座，包括基板，所述基板的顶端内部表面固定安装有半导体致冷器，所述半导体致冷器的顶部设有贴片区，且贴片区上安装有芯片，所述基板的顶部相互对称安装有两组第二电极，所述基板的底部部相互对称安装有两组第一电极，所述基板上设有用于连接第一电极和第二电极以实现上下点导通的电导通孔，且电导通孔设置于基板的内部或是边缘处，一组所述第二电极顶部一端通过绑定金线电性连接于芯片电极的一端，另一组所述第二电极顶部一端通过绑定金线电性连接于半导体致冷器电极的一端，所述基板的顶部边缘四周相互对称安装有四组金属框架，且金属框架的底部和基板的边缘顶部之间设有第一密封层，所述金属框架的顶端均与石英玻璃光窗的四周底部边缘处连接，且金属框架的顶部和石英玻璃光窗的四周边缘底部之间设有第二密封层，所述第一密封层和第二密封层均采用密封封装。
优选的，所述基板为氮化铝基板，采用氮化铝陶瓷材料制成，且氮化铝陶瓷的热导率为170-230W/mK,所述基板的顶部采用磁控溅射真空金属镀膜技术电镀钛层，且镀钛层的厚度为100-300纳米，所述镀钛层的顶部有电镀铜层，且镀铜层的厚度为200-400纳米。
优选的，所述半导体致冷器还包括TEC冷端部和TEC热端部，所述TEC冷端部位于半导体致冷器的顶端，所述TEC热端部位于半导体致冷器的底端。
优选的，所述基板上还设有相互对称安装两组高导热柱和散热焊盘，所述高导热柱位于基板的内部，且高导热柱的顶部与半导体致冷器的TEC热端部的底部连接，且高导热柱将半导体致冷器的热导出，所述散热焊盘位于基板的底部两侧，用于将高导热柱导出的热量散逸出。
优选的，所述高导热柱采用金属铜(或钨)填充而成，其热导率为200W-400/mK。
优选的，所述芯片可以为紫外近紫外UVA-LED，UVB-LED，深紫外UVC-LED，FP，DFB，VCSEL等激光器芯片，且芯片采用小型化SMD封装。
本发明还提供一种带TEC-氮化铝-金属三元结构的SMD封装基座的制备方法，包括如下步骤：
S1、样品采用长宽厚为110*55*1mm,导热系数为170W/m.K的氮化铝基板，清洗烘干备用；
S2、氮化铝基板激光打孔：按照电路设计预先打孔，即电导通孔；
S3、氮化铝基板真空镀膜：基板清洗采用磁控溅射真空金属镀膜技术，镀钛100-300纳米厚度，然后再钛层上面再镀200-400纳米厚度的铜，确保电导通孔内均匀上镀，预烧备用；
S4、氮化铝基板微电路制备：通过感光、刻蚀等工艺，按照应用要求设计电路，制版，紫外曝光固化，将基板在刻蚀机中完成刻蚀，工艺流程：基板电镀铜——微电路印制——刻蚀——局部镀金(零件1)；
S5、TEC芯片真空镀膜：芯片双面镀钛100-300纳米，然后镀金1-3微米，芯片双面镀金膜(零件2)备用；
S6、金属框架电镀金：金属框架采用和氮化铝膨胀系数接近的可伐合金材料，通过模具精密成型，将可伐框架镀镍3-8微米厚再镀1-3微米厚的金，零件3完成备用；
S7、共晶焊：将经过S1-S6工序的TEC芯片(零件2)和金属框架(零件3)通过夹具定位放置在做好微电路的氮化铝基板上(零件1)上，在300摄氏度，氮气气氛下完成共晶焊，形成ALN+TEC+KOVAR陶瓷+半导体+金属三元结构的气密性封装基座；
S8、技术指标测试：测试电性能(绝缘和耐电压)，气密性，导热性，可焊性和可靠性。
优选的，所述S3中的磁控溅射真空金属镀膜技术包括真空抽气系统、真空室、真空室门、设置在真空室中用于放置镀膜产品的工件转架以及设置在真空室中的磁控溅射装置，其中所述磁控溅射装置包含与所述真空室固定连接的磁控靶法兰，所述真空磁控溅射镀膜机还包括设置于所述磁控溅射装置附近的纳米粉末导入装置。
本发明的技术效果和优点：本发明提出的一种带TEC-氮化铝-金属三元结构的SMD封装基座，与现有技术相比，通过实现带有半导体制冷，有效散热，又能适用于金属封装工艺(激光焊、平行封焊或软钎焊)的多功能复合基座；
1、解决良好散热问题，提出了在氮化铝基板上键合TEC的方案，在TEC冷端再键合芯片，芯片产生的热量通过TEC调节，芯片温度保持稳定；
2、TEC热端和氮化铝基板贴合，热端产生的热通过氮化铝导热散发；
3、针对氮化铝高温共烧技术的工艺难度和成本问题，提出了采用低温金属化制程，实现氮化铝通孔和表面金属化；
4、根据不同的封装工艺设备，提出了氮化铝封装基座多种三元结构形式，键合可伐金属框的基座用于激光封焊或平行封焊，表面金属化的基座可用于低温软钎焊；
5、根据芯片的特点和封装要求，本发明提出的三元结构可以和金属化光窗透镜，组合型光窗透镜一起组合，形成一个气密性的腔体，保护芯片正常工作，并具有良好的可靠性和稳定性。
附图说明
图1为本发明结构结构示意图；
图2为本发明基板的侧面剖视图；
图3为本发明镀钛层和镀铜层的结构示意图；
图4为本发明结构的俯视图；
图5为本发明半导体致冷器结构示意图；
图6为本发明制备工艺流程图；
图7为本发明可密封封装金属框架的结构示意图。
图中：1基板、101电导通孔、102镀钛层、103镀铜层、2金属框架、3第一密封层、4第二密封层、5石英玻璃光窗、6第一电极、7第二电极、8绑定金线、9芯片、10半导体致冷器、1001TEC冷端部、1002TEC热端部、1003贴片区、11高导热柱、12散热焊盘。
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。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。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。
实施例：
本发明提供了如图1-7所示的一种带TEC-氮化铝-金属三元结构的SMD封装基座，包括基板1，所述基板1的顶端内部表面固定安装有半导体致冷器10，所述半导体致冷器10的顶部设有贴片区1003，且贴片区1003上安装有芯片9，所述基板1的顶部相互对称安装有两组第二电极7，所述基板1的底部部相互对称安装有两组第一电极6，所述基板1上设有用于连接第一电极6和第二电极7以实现上下点导通的电导通孔101，且电导通孔101设置于基板1的内部或是边缘处，一组所述第二电极7顶部一端通过绑定金线8电性连接于芯片9电极的一端，另一组所述第二电极7顶部一端通过绑定金线8电性连接于半导体致冷器10电极的一端，所述基板1的顶部边缘四周相互对称安装有四组金属框架2，且金属框架2的底部和基板1的边缘顶部之间设有第一密封层3，所述金属框架2的顶端均与石英玻璃光窗5的四周底部边缘处连接，且金属框架2的顶部和石英玻璃光窗5的四周边缘底部之间设有第二密封层4，所述第一密封层3和第二密封层4均采用密封封装。
较佳地，所述基板1为氮化铝基板，采用氮化铝陶瓷材料制成，且氮化铝陶瓷的热导率为170-230W/mK,所述基板1的顶部采用磁控溅射真空金属镀膜技术电镀钛层102，且镀钛层102的厚度为100-300纳米，所述镀钛层102的顶部电镀铜层103，且镀铜层103的厚度为200-400纳米。
通过采用上述技术方案，所述基板1为氮化铝基板，采用氮化铝陶瓷材料制成，且氮化铝陶瓷的热导率为170-230W/mK,所述基板1的顶部采用磁控溅射真空金属镀膜技术电镀钛层102，且镀钛层102的厚度为100-300纳米，所述镀钛层102的顶部电镀铜层103，且镀铜层103的厚度为200-400纳米，高导热的陶瓷材料，通过氮化铝粉末在1700℃左右烧成。
较佳地，所述半导体致冷器10还包括TEC冷端部1001和TEC热端部1002，所述TEC冷端部1001位于半导体致冷器10的顶端，所述TEC热端部1002位于半导体致冷器10的底端。
通过采用上述技术方案，所述半导体致冷器10还包括TEC冷端部1001和TEC热端部1002，所述TEC冷端部1001位于半导体致冷器10的顶端，所述TEC热端部1002位于半导体致冷器10的底端，一种利用帕尔帖效应制造的半导体制冷片，本发明中将TEC冷端部1001和光电子芯片9贴合。
较佳地，所述基板1上还设有相互对称安装两组高导热柱11和散热焊盘12，所述高导热柱11位于基板1的内部，且高导热柱11的顶部与半导体致冷器10的TEC热端部1002的底部连接，且高导热柱11将半导体致冷器10的热导出，所述散热焊盘12位于基板1的底部两侧，用于将高导热柱11导出的热量散逸出。
通过采用上述技术方案，所述基板1上还设有相互对称安装两组高导热柱11和散热焊盘12，所述高导热柱11位于基板1的内部，且高导热柱11的顶部与半导体致冷器10的TEC热端部1002的底部连接，且高导热柱11将半导体致冷器10的热导出，所述散热焊盘12位于基板1的底部两侧，用于将高导热柱11导出的热量散逸出。
较佳地，所述高导热柱11采用金属铜填充而成，其热导率为200-400W/mK。
通过采用上述技术方案，所述高导热柱11采用金属铜填充而成，其热导率为400W/mK，可以很好的快速的解决了基板1散热的关键问题和散热效率。
较佳地，所述芯片9可以为紫外近紫外UVA-LED，UVB-LED，深紫外UVC-LED，FP，DFB，VCSEL等激光器芯片，且芯片9采用小型化SMD封装，且芯片9采用小型化SMD封装。
通过采用上述技术方案，所述芯片9可以为紫外近紫外UVA-LED，UVB-LED，深紫外UVC-LED，FP，DFB，VCSEL等激光器芯片，且芯片9采用小型化SMD封装，该芯片9耐高低温冲击性能强，提高LED产品的可靠性，稳定性，提高使用寿命。
工作原理：首先样品采用长宽厚为110*55*1mm,导热系数为170W/m.K的氮化铝基板，清洗烘干备用，氮化铝基板激光打孔：按照电路设计预先打孔，即电导通孔；氮化铝基板真空镀膜：基板清洗采用磁控溅射真空金属镀膜技术，镀钛100-300纳米厚度，然后再钛层上面再镀200-400纳米厚度的铜，确保电导通孔内均匀上镀，预烧备用；氮化铝基板微电路制备：通过感光、刻蚀等工艺，按照应用要求设计电路，制版，紫外曝光固化，将基板在刻蚀机中完成刻蚀，工艺流程：基板电镀铜——微电路印制——刻蚀——局部镀金(零件1)；TEC芯片真空镀膜：芯片双面镀钛100-300纳米，然后镀金1-3微米，芯片双面镀金膜(零件2)备用；金属框架电镀金：金属框架采用和氮化铝膨胀系数接近的可伐合金材料，通过模具精密成型，(如图7所示)将可伐框架镀镍3-8微米厚再镀1-3微米厚的金，零件3完成备用；共晶焊：将经过S1-S6工序的TEC芯片(零件2)和金属框架(零件3)通过夹具定位放置在做好微电路的氮化铝基板上(零件1)上，在300摄氏度，氮气气氛下完成共晶焊，形成ALN+TEC+KOVAR陶瓷+半导体+金属三元结构的气密性封装基座；技术指标测试：测试电性能(绝缘和耐电压)，气密性，导热性，可焊性和可靠性，即产品主要技术指标(参照MIL-STD-883E标准)，如下表一所示：
本发明还提供了，ALN/TEC/KOVAR三元SMD3535产品主要技术指标(参照MIL-STD-883E标准)，如下表二所示：
本发明强调的是一种工艺方法和结构的创意和由此带来的产品性能上的改进，并不局限于某种特定材料，形状和大小和采用何种工艺设备，只要和本发明创意类似的形状和做法，也应当视为本发明所包含的范围。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，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 (8)

1.一种带TEC-氮化铝-金属三元结构的SMD封装基座，包括基板(1)，其特征在于：所述基板(1)的顶端内部表面固定安装有半导体致冷器(10)，所述半导体致冷器(10)的顶部设有贴片区(1003)，且贴片区(1003)上安装有芯片(9)，所述基板(1)的顶部相互对称安装有两组第二电极(7)，所述基板(1)的底部部相互对称安装有两组第一电极(6)，所述基板(1)上设有用于连接第一电极(6)和第二电极(7)以实现上下点导通的电导通孔(101)，且电导通孔(101)设置于基板(1)的内部或是边缘处，一组所述第二电极(7)顶部一端通过绑定金线(8)电性连接于芯片(9)电极的一端，另一组所述第二电极(7)顶部一端通过绑定金线(8)电性连接于半导体致冷器(10)电极的一端，所述基板(1)的顶部边缘四周相互对称安装有四组金属框架(2)，且金属框架(2)的底部和基板(1)的边缘顶部之间设有第一密封层(3)，所述金属框架(2)的顶端均与石英玻璃光窗(5)的四周底部边缘处连接，且金属框架(2)的顶部和石英玻璃光窗(5)的四周边缘底部之间设有第二密封层(4)，所述第一密封层(3)和第二密封层(4)均采用密封封装。
2.根据权利要求1所述的一种带TEC-氮化铝-金属三元结构的SMD封装基座，其特征在于：所述基板(1)为氮化铝基板，采用氮化铝陶瓷材料制成，且氮化铝陶瓷的热导率为170-230W/mK,所述基板(1)的顶部采用磁控溅射真空金属镀膜技术电镀钛层(102)，且镀钛层(102)的厚度为100-300纳米，所述镀钛层(102)的顶部有电镀铜层(103)，且镀铜层(103)的厚度为200-400纳米。
3.根据权利要求1所述的一种带TEC-氮化铝-金属三元结构的SMD封装基座，其特征在于：所述半导体致冷器(10)还包括TEC冷端部(1001)和TEC热端部(1002)，所述TEC冷端部(1001)位于半导体致冷器(10)的顶端，所述TEC热端部(1002)位于半导体致冷器(10)的底端。
4.根据权利要求1所述的一种带TEC-氮化铝-金属三元结构的SMD封装基座，其特征在于：所述基板(1)上还设有相互对称安装两组高导热柱(11)和散热焊盘(12)，所述高导热柱(11)位于基板(1)的内部，且高导热柱(11)的顶部与半导体致冷器(10)的TEC热端部(1002)的底部连接，且高导热柱(11)将半导体致冷器(10)的热导出，所述散热焊盘(12)位于基板(1)的底部两侧，用于将高导热柱(11)导出的热量散逸出。
5.根据权利要求4所述的一种带TEC-氮化铝-金属三元结构的SMD封装基座，其特征在于：所述高导热柱(11)采用铜(或钨等)金属填充而成，其热导率为200-400W/mK。
6.根据权利要求1所述的一种带TEC-氮化铝-金属三元结构的SMD封装基座，其特征在于：所述芯片(9)可以为近紫外UVA-LED，UVB-LED，深紫外UVC-LED，FP，DFB，VCSEL等激光器芯片，且芯片(9)采用小型化SMD封装。
7.一种权利要求1-6所述的带TEC-氮化铝-金属三元结构的SMD封装基座的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、样品采用长宽厚为110*55*1mm,导热系数为170W/m.K的氮化铝基板，清洗烘干备用；
S2、氮化铝基板激光打孔：按照电路设计预先打孔，即电导通孔；
S3、氮化铝基板真空镀膜：基板清洗采用磁控溅射真空金属镀膜技术，镀钛100-300纳米厚度，然后再钛层上面再镀200-400纳米厚度的铜，确保电导通孔内均匀上镀，预烧备用；
S4、氮化铝基板微电路制备：通过感光、刻蚀等工艺，按照应用要求设计电路，制版，紫外曝光固化，将基板在刻蚀机中完成刻蚀，工艺流程：基板电镀铜——微电路印制——刻蚀——局部镀金(零件1)；
S5、TEC芯片真空镀膜：芯片双面镀钛100-300纳米，然后镀金1-3微米，芯片双面镀金膜(零件2)备用；
S6、金属框架电镀金：金属框架采用和氮化铝膨胀系数接近的可伐合金材料，通过模具精密成型，将可伐框架镀镍3-8微米厚再镀1-3微米厚的金，零件3完成备用；
S7、共晶焊：将经过S1-S6工序的TEC芯片(零件2)和金属框架(零件3)通过夹具定位放置在做好微电路的氮化铝基板上(零件1)上，在300摄氏度，氮气气氛下完成共晶焊，形成ALN+TEC+KOVAR陶瓷+半导体+金属三元结构的气密性封装基座；
S8、技术指标测试：测试电性能(绝缘和耐电压)，气密性，导热性，可焊性和可靠性。
8.根据权利要求7所述的一种带TEC-氮化铝-金属三元结构的SMD封装基座的制备方法，其特征在于：所述S3中的磁控溅射真空金属镀膜技术包括真空抽气系统、真空室、真空室门、设置在真空室中用于放置镀膜产品的工件转架以及设置在真空室中的磁控溅射装置，其中所述磁控溅射装置包含与所述真空室固定连接的磁控靶法兰，所述真空磁控溅射镀膜机还包括设置于所述磁控溅射装置附近的纳米粉末导入装置。
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