CN110676236A - 一种厚膜功率混合集成电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种厚膜功率混合集成电路，包括上盖、外壳底座以及位于外壳底座内的陶瓷基板与功率芯片，陶瓷基板底面焊接于外壳底座的内底面；外壳底座内还设有呈梯形台状的铜热沉块，铜热沉块竖直嵌设于陶瓷基板与外壳底座的内底面；铜热沉块的上表面设有上田字形沟槽，上田字形沟槽一侧为芯片背电极引出端焊接区，铜热沉块的下表面设有下田字形沟槽；所述功率芯片焊接于铜热沉块的上表面；铜热沉块的下表面与外壳底座内表面之间焊接有氮化铝过渡片；设置铜热沉块作为散热媒介，对于大功率芯片可有效提升热容量和散热性能；将铜热沉块设置成梯形台状，以满足功率芯片辐射状散热要求，可有效提升热沉的散热能力。

Description

一种厚膜功率混合集成电路
技术领域
本发明涉及集成电路技术领域，具体是一种厚膜功率混合集成电路。
背景技术
厚膜混合集成电路的一个主要技术优势是实现功率集成，主要原因是可利用陶瓷基板和金属外壳底座的散热特性，以便将功率元器件工作产生的热量及时地散发出去。对于功率混合集成电路，功率芯片是主要的功率来源，其常规的组装方式是直接将功率芯片焊接在陶瓷基板上，或通过散热片再焊接在陶瓷基板上。
对于常规小功率电路，金属外壳底座通常采用可伐材料；对于中大功率电路，金属外壳底座通常采用10#钢材料。虽然铜的散热能力明显优于可伐、10#钢等材料，但铜的热膨胀系数与陶瓷基板差别大，当外壳底座和基板尺寸较大时，会出现基板与外壳底座之间的热失配问题，进而导致基板碎裂，因而不便在整体上使用铜外壳底座材料。同时，无论是铜外壳底座或铜合金外壳底座，其重量明显偏大，整体采用铜外壳底座或铜合金外壳底座不利于轻量化小型化集成，且这类外壳底座引脚与壳体烧结工艺、气密封装工艺的实现难度大，外壳成本会显著上升，因此，功率混合集成电路外壳底座更多采用可伐材料或10#钢材料。
当前，功率芯片虽然焊接在陶瓷基板上，或通过散热片焊接在陶瓷基板上，但当前的技术方法在散热性能方面仍存在一些问题，其一，由于散热片较薄、热容量较小，不利于功率芯片热量快速散出，但如果单纯增加散热块厚度，则必然受到电路高度尺寸等方面限制；其二，功率芯片对应的金属外壳底座材料热导率不太高，不利于更大功率芯片热量向外壳底座、向外部环境快速散发，但若使用铜材料，对于大功率芯片(面积也随之增大)和大面积陶瓷，在温度循环和温度冲击热应力作用下，铜热沉与功率芯片、陶瓷之间的热失配会导致芯片和陶瓷出现裂纹；其三，功率芯片热量向下散发实现上呈现辐射状特征，但通常的散热块上表面和下表面尺寸相同(底角呈直角)，未提供相应的辐射状结构设置，影响了热沉散热效果；其四，芯片与散热块焊接界面均存在一定程度的空洞，空洞的存在降低了功率芯片有效散热面积，不利于芯片热量通过焊接层快速传导；其五，功率混合集成电路外壳底座均设计成常规的平板式结构，向周围环境的散热面积很有限，不利于整个功率电路热量向周围环境散发。
发明内容
本发明的目的在于提供一种厚膜功率混合集成电路，该集成电路的结构对于大功率芯片有良好的散热效果，可提升电路整体散热性能。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种厚膜功率混合集成电路，包括上盖、外壳底座以及位于外壳底座内的陶瓷基板与功率芯片，陶瓷基板底面焊接于外壳底座的内底面；所述外壳底座内还设有呈梯形台状的铜热沉块，铜热沉块竖直嵌设于陶瓷基板与外壳底座的内底面；铜热沉块的上表面设有上田字形沟槽，上田字形沟槽一侧为芯片背电极焊接区，铜热沉块的下表面设有下田字形沟槽；所述功率芯片焊接于铜热沉块的上表面；铜热沉块的下表面通过氮化铝过渡片与外壳底座相焊接。
进一步的，所述铜热沉块的底角呈45°～60°。
进一步的，所述功率芯片的外边缘位于上田字形沟槽的外框内；氮化铝过渡片的外边缘位于下田字形沟槽的外框内。
进一步的，所述外壳底座的外底面设有一排纵向的矩形槽或栅格槽，电路引脚由外壳底座的侧面引出。
进一步的，所述铜热沉块侧面与陶瓷基板及外壳底座之间填充有导热绝缘胶。
进一步的，功率芯片与铜热沉块上表面焊接时，先分别对功率芯片背面、铜热沉块上表面进行预焊接，对不浸润处进行补焊，消除焊接界面空洞后，再对功率芯片与铜热沉块进行一体化焊接。
本发明的有益效果是：
一、设置贯穿基板、嵌入外壳底座的铜热沉块作为散热媒介，对于大功率芯片可有效提升热容量和散热性能。
二、对于大功率大尺寸芯片，铜热沉的上下表面均设有田字形沟槽，使铜热沉的上下表面形成分割式结构，可有效降低功率芯片和陶瓷受到的热应力，以保证大尺寸芯片、氮化铝过渡片与铜热沉的焊接可靠性。
三、将铜热沉块设置成梯形台状，以满足功率芯片辐射状散热要求，可有效提升热沉的散热能力。
四、外壳底座的外底面设置矩形槽或栅格槽，可以明显扩大外壳散热面积，提高电路向周围环境的散热水平。
五、在功率芯片和铜热沉块焊接时，先分别进行预焊接，再进行一体化焊接，以消除焊接界面空洞，可最大程度提升有效焊接面积和散热面积。
六、导热绝缘胶可以使铜热沉块与外壳底座和基板紧密接触，进一步提升电路整体散热性能。
七、氮化铝过渡片上下表面分别与铜热沉块与外壳底座焊接，可同时起到绝缘和散热作用。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：
图1是本发明的结构示意图；
图2是图1的局部放大示意图；
图3是本发明铜热沉块的放大示意图；
图4是本发明铜热沉块上表面的俯视图；
图5是本发明功率芯片与铜热沉块的预焊接示意图；
图6是本发明功率芯片与铜热沉块的一体化焊接示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明提供一种厚膜功率混合集成电路，包括上盖1、外壳底座2以及位于外壳底座内的陶瓷基板3与功率芯片4，陶瓷基板3底面焊接于外壳底座2的内底面；结合图2～4所示，外壳底座2内还设有呈梯形台状的铜热沉块5，铜热沉块5竖直贯穿陶瓷基板3并嵌设于外壳底座2的内底面；铜热沉块5的上表面设有上田字形沟槽6，上田字形沟槽6的一侧为芯片背电极引出端焊接区7，铜热沉块5的下表面设有下田字形沟槽8；由图4可见，铜热沉块5的上表面被上田字形沟槽6分割成若干上分割单元9。
功率芯片4底部与铜热沉块5的上表面之间通过焊料10焊接，焊料10位于功率芯片与铜热沉块5的上表面之间，且填满上田字形沟槽6。铜热沉块5的底角呈45°～60°。
如果铜热沉块在上表面不分割的情况下与功率芯片可靠焊接的最大长宽尺寸为L0，那么本发明铜热沉块5的每个上分割单元9的长宽尺寸均应不大于L0(可接近L0)；上田字形沟槽6的宽度尺寸由焊膏滴注时滴针的直径决定，应接近但不小于滴针直径，上田字形沟槽6中用滴针滴满焊膏(焊料)；沟槽深度与宽度相当或稍大；在铜热沉块5上表面，功率芯片4的外边缘位于上田字形沟槽6的外框内。
铜热沉块5通过氮化铝过渡片11组装在外壳底座2的内底面。与上表面类似，铜热沉块5的下表面设置下田字形沟槽8，形成若干下分割单元的沟槽状分割式结构，只是没有像芯片背电极那样设置引出端焊接区。如果铜热沉块在下表面不分割的情况下与氮化铝过渡片可靠焊接的最大尺寸为L0′，那么本发明铜热沉块5的每个下分割单元长宽尺寸均应不大于L0′(可接近L0′)；下田字形沟槽8尺寸同样由焊膏滴注时滴针直径决定，应接近但不小于滴针直径，沟槽中用滴针滴满焊膏(焊料)；沟槽深度与宽度相当或稍大；铜热沉块5下表面设计使氮化铝过渡片6边缘位于下田字形沟槽8外框内。
氮化铝过渡片11的上表面金属化层与铜热沉块5的下表面之间通过焊料焊接，焊料位于氮化铝过渡片11与铜热沉块5的下表面之间，且填满下田字形沟槽8。氮化铝过渡片11的下表面金属化层与外壳底座2的内底面之间也通过焊料焊接。
外壳底座2的外底面设有一排纵向的矩形槽12，或者是栅格槽，电路引脚13由外壳底座2的侧面引出，电路引脚13通过玻璃绝缘子14与外壳底座2侧面烧结固定，实现绝缘性、气密性连接。作为优选的，矩形槽12的宽度为1mm～2mm，以提高电路整体散热能力。电路引脚13与陶瓷基板之间通过引线鍵合互连；上盖1与外壳底座2之间进行气密性焊接，且封装内部充满氮气，以保证封装长期可靠性。
铜热沉块5侧面与陶瓷基板3及外壳底座2之间填充有导热绝缘胶15，可以使铜热沉块与外壳底座和基板紧密接触，进一步提升电路整体散热性能。
金属线16两端分别焊接在铜热沉块5上表面的芯片背电极引出端焊接区7和陶瓷基板3表面，以实现芯片背电极与陶瓷基板3之间的连接；功率芯片4表面电极通过引线17的键合与陶瓷基板3互连。
目前，对于功率芯片与散热块之间的焊接通常是采取一次性焊接方式，即先在散热块表面涂覆焊料(焊膏)，然后将功率芯片置于焊膏上，再在一定的温度条件下完成焊接，但这种焊接方式存在主要问题是在芯片、散热块界面会因为溶剂气氛难以挥发、助焊剂残留、局部不浸润等原因产生空洞，从而导致功率芯片有效焊接面积和散热面积降低，直接影响功率芯片焊接层的热传导性能。
结合图5所示，本发明在对功率芯片4与铜热沉块5相焊接时，先对功率芯片4底面和铜热沉块5上表面进行预焊接(包括预焊接后清洗)，由于预焊接时焊膏表面没有芯片或铜热沉块的遮挡，从而可以保证焊接中溶剂气氛完全挥发、完全消除助焊剂残留，即使发现局部不浸润也可在不浸润处及时补焊完整(有遮挡时则无法及时补焊)；结合图6所示，然后，再将功率芯片4与铜热沉块5一体化焊接，一体化焊接后可确保焊接界面不存在空洞，最大程度保证了芯片有效焊接面积和散热面积，提升了焊接层的散热性能。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制；任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (6)

1.一种厚膜功率混合集成电路，包括上盖、外壳底座以及位于外壳底座内的陶瓷基板与功率芯片，陶瓷基板底面焊接于外壳底座的内底面，其特征在于，所述外壳底座内还设有呈梯形台状的铜热沉块，铜热沉块竖直嵌设于陶瓷基板与外壳底座的内底面；铜热沉块的上表面设有上田字形沟槽，上田字形沟槽一侧为芯片背电极引出端焊接区，铜热沉块的下表面设有下田字形沟槽；所述功率芯片焊接于铜热沉块的上表面；铜热沉块的下表面与外壳底座内表面之间焊接有氮化铝过渡片。
2.根据权利要求1所述的一种厚膜功率混合集成电路，其特征在于，所述铜热沉块的底角呈45°～60°。
3.根据权利要求1所述的一种厚膜功率混合集成电路，其特征在于，所述功率芯片的外边缘位于上田字形沟槽的外框内；氮化铝过渡片的外边缘位于下田字形沟槽的外框内。
4.根据权利要求1～3所述的一种厚膜功率混合集成电路，其特征在于，所述外壳底座的外底面设有一排纵向的矩形槽或栅格槽，电路引脚由外壳底座的侧面引出。
5.根据权利要求4所述的一种厚膜功率混合集成电路，其特征在于，所述铜热沉块侧面与陶瓷基板及外壳底座之间填充有导热绝缘胶。
6.根据权利要求1所述的一种厚膜功率混合集成电路，其特征在于，功率芯片与铜热沉块上表面焊接时，先分别对功率芯片背面、铜热沉块上表面进行预焊接，对不浸润处进行补焊，消除焊接界面空洞后，再对功率芯片与铜热沉块进行一体化焊接。
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