CN111146151A - 同时实现倒装芯片散热和气密性的封装结构及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种同时实现倒装芯片散热和气密性的封装结构及制备方法，属于陶瓷封装技术领域，陶瓷盒体、封口环、倒装芯片和盖板；封口环设于所述陶瓷盒体上，所述封口环的内壁设有定位台阶；倒装芯片倒装焊接于所述陶瓷盒体内；盖板搭接于所述定位台阶上，通过激光焊将所述倒装芯片封装于所述陶瓷盒体内，所述盖板的厚度大于1mm；所述倒装芯片的上表面设有导热胶，所述导热胶与所述盖板紧密接触。本发明提供的同时实现倒装芯片散热和气密性的封装结构，采用较厚的盖板利用激光封焊封装，避免了盖板塌陷造成芯片变形的问题，倒装芯片经导热胶和盖板实现散热，同时能够实现散热和气密性，可以解决传统的焊接方法和盖板之间的矛盾。

Description

同时实现倒装芯片散热和气密性的封装结构及制备方法
技术领域
本发明属于陶瓷封装技术领域，更具体地说，是涉及一种同时实现倒装芯片散热和气密性的封装结构及制备方法。
背景技术
系统级封装(SIP-System In a Package)是系统小型化封装技术一个新的发展方向，其利用成熟的封装工艺集成多种元器件，即将一个或多个裸片及不同类型的元器件构成的高性能模块封装在一个基板内，并具备一个系统的功能，构成复杂且完整的电子系统，从而使封装由单一芯片进入系统级芯片。因此，SIP是未来电子封装技术发展的总趋势，也是微系统封装的必然趋势。
SIP封装通常采用陶瓷管壳，且需要用到FPGA芯片(Field-Programmable GateArray-即现场可编程门阵列)，FPGA芯片由于功耗较大，芯片为倒装芯片FC(Flip chip-倒装芯片)，倒装芯片的底面为凸点，散热效果差，无法像正装芯片一样通过热传导从芯片下方散热，需要从倒装芯片顶部将热量传导出去，需要通过顶部散热，在倒装芯片顶部涂散热胶，但散热胶无法保证芯片的气密性。
要实现FPGA芯片的气密封装，传统的陶瓷管壳密封方式有平行缝焊或金锡焊料钎焊，平行缝焊必须用厚度小于0.2mm的薄盖板，而封装倒装芯片的盒体尺寸较大(通常＞15mm)，盖板在加压检漏及后续的可靠性试验中极易发生塌陷变形，将倒装芯片压裂，因此平行缝焊时盖板需与芯片保持一定间距，导致芯片无法通过盖板进行散热；而锡焊料钎焊需要器件整体升温至300℃以上，倒装芯片的凸点或填充胶均无法耐受如此高的温度。因此这两种密封方式均不可取，导致无法同时实现倒装芯片的散热性和气密性封装，限制了电子封装产品的多功能化。
发明内容
本发明的目的在于提供一种同时实现倒装芯片散热和气密性的封装结构，旨在解决FPGA倒装芯片无法实现同时实现散热和气密性封装的问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种同时实现倒装芯片散热和气密性的封装结构，包括陶瓷盒体、封口环、倒装芯片和盖板；封口环设于所述陶瓷盒体上，所述封口环的内壁设有定位台阶；倒装芯片倒装焊接于所述陶瓷盒体内；盖板搭接于所述定位台阶上，通过激光焊将所述倒装芯片封装于所述陶瓷盒体内，所述盖板的厚度大于1mm；所述倒装芯片的上表面设有导热胶，所述导热胶与所述盖板紧密接触。
作为本申请另一实施例，还包括正装在陶瓷盒体内的正装芯片，所述正装芯片的上表面设有导热胶，所述导热胶上设有第一金属散热片，所述第一金属散热片与所述盖板紧密接触。
作为本申请另一实施例，所述盖板的外表面设有散热结构。
作为本申请另一实施例，所述散热结构包括多个第二金属散热片。
作为本申请另一实施例，多个第二金属散热片呈一列排列且平行分布于所述盖板的上表面，相邻的两个所述第二金属散热片之间的间距相等。
作为本申请另一实施例，所述散热结构包括设于所述盖板的外表面上的导流槽。
作为本申请另一实施例，所述导流槽为盘绕于所述盖板外表面的螺旋形凹槽。
作为本申请另一实施例，所述导流槽的数量为多个，多个所述导流槽平行且间隔相等。
作为本申请另一实施例，所述导流槽内设有用于散热的流动液体。
本发明的目的在于提供一种所述的同时实现倒装芯片散热和气密性的封装结构的制备方法，包括：
封口环上制作定位台阶；
利用钎焊将所述封口环固定在陶瓷盒体上，形成壳体；
对所述壳体内外表面镀镍镀金；
倒装芯片固定在所述陶瓷盒体内；
盖板放入所述封口环的定位台阶上，利用激光封焊将所述盖板与封口环焊接，将所述倒装芯片封装在所述壳体内。
本发明提供的同时实现倒装芯片散热和气密性的封装结构的有益效果在于：与现有技术相比，本发明同时实现倒装芯片散热和气密性的封装结构，由于倒装芯片封装的陶瓷盒体的外形尺寸较大，需要采用厚度大于1mm的盖板进行封装和散热，为了实现倒装芯片的散热性和气密性，需要采用热影响区小的激光封焊对厚度较大的盖板进行焊接，大尺寸的封装外壳，采用较厚的盖板利用激光封焊封装，避免了盖板塌陷造成芯片变形的问题，倒装芯片经导热胶和盖板实现散热，同时能够实现散热和气密性，可以解决传统的焊接方法和盖板之间的矛盾问题。
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同时实现倒装芯片散热和气密性的封装结构的结构示意图一；
图2为本发明实施例提供的同时实现倒装芯片散热和气密性的封装结构的结构示意图二；
图3为本发明实施例提供的同时实现倒装芯片散热和气密性的封装结构的结构示意图三；
图4为本发明实施例提供的同时实现倒装芯片散热和气密性的封装结构的结构示意图四；
图5为图4所示的盖板上设有导流槽的俯视结构示意图一；
图6为图4所示的盖板上设有导流槽的俯视结构示意图二；
图7为本发明实施例提供的同时实现倒装芯片散热和气密性的封装结构的结构示意图五；
图8为图7提供的同时实现倒装芯片散热和气密性的封装结构的俯视结构示意图；
图9为本发明实施例提供的盖板的主视结构示意图；
图10为图9所示的盖板的俯视结构示意图。
图中：1、盖板；2、封口环；3、陶瓷盒体；4、导热胶；5、倒装芯片；6、基板；7、第一金属散热片；8、正装芯片；9、第二金属散热片；10、导流槽。
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。
请一并参阅图1至图4，现对本发明提供的同时实现倒装芯片5散热和气密性的封装结构进行说明。所述同时实现倒装芯片5散热和气密性的封装结构，包括陶瓷盒体、封口环、倒装芯片5和盖板；封口环设于所述陶瓷盒体上，所述封口环的内壁设有定位台阶；倒装芯片5倒装焊接于所述陶瓷盒体内；盖板搭接于所述定位台阶上，通过激光焊将所述倒装芯片5封装于所述陶瓷盒体内，所述盖板的厚度大于1mm；所述倒装芯片5的上表面设有导热胶4，所述导热胶4与所述盖板紧密接触。
本发明提供的同时实现倒装芯片5散热和气密性的封装结构，与现有技术相比，由于倒装芯片5封装的陶瓷盒体的外形尺寸较大，需要采用厚度大于1mm的盖板进行封装和散热，为了实现倒装芯片5的散热性和气密性，需要采用热影响区小的激光封焊对厚度较大的盖板进行焊接，大尺寸的封装外壳，采用较厚的盖板利用激光封焊封装，避免了盖板塌陷造成芯片变形的问题，倒装芯片5经导热胶4和盖板实现散热，同时能够实现散热和气密性，可以解决传统的焊接方法和盖板之间的矛盾问题。
本实施例中，盖板1为可伐合金(铁镍钴合金4J29或4J34以及铁镍合金4J42)，陶瓷盒体为氧化铝陶瓷。可伐合金作为电子封装行业中最常用的金属外壳材料，具有与氧化铝陶瓷最为接近的线膨胀系数，以及在与氧化铝陶瓷焊接熔封过程中产生很小的封接应力，从而获得良好的气密性。其作为一种功能材料，在较宽的温度范围内(-80℃～450℃)内膨胀系数与陶瓷的膨胀系数相近，可以保证材料的匹配封接，因此被广泛地应用于相控阵雷达T/R组件、放大器、微波组件、航天继电器、电子管、晶体管和集成电路中做引线和结构材料。
由于钎焊封帽时需要将器件整体升温至焊料熔点以上，很多封装产品如FPGA芯片封装无法耐受如此高的温度；平行缝焊对陶瓷盒体和盖板1结构有一定要求，且盖板1较薄(≤0.3mm)，无法适用于强度要求高的大尺寸盒体的气密封装，适用范围较窄。如对于FPGA芯片的封装，由于散热要求芯片需紧贴金属盖板1进行散热，当盖板1较薄时，在经历加压检漏或者其他可靠性试验时盖板1易塌陷变形，由于芯片十分脆弱，轻微的塌陷变形也会导致芯片压裂，因此平行缝焊无法适应该类产品的气密封装。
本发明提供的尺寸较大的陶瓷封装外壳，利用激光封焊，能在较宽的温度范围内稳定工作，且盖板1厚度大于1mm，在后续试验中几乎不会发生变形，用于陶瓷管壳的气密性封装，则可以解决传统陶瓷管壳平行缝焊或钎焊封帽带来的盖板1塌陷或者器件整体升温等问题，可以在保证FPGA芯片良好散热的情况下解决其气密性封装的问题。
作为本发明实施例的一种具体实施方式，请参阅图2至图4，还包括正装在陶瓷盒体内的正装芯片8，所述正装芯片8的上表面设有导热胶4，所述导热胶4上设有第一金属散热片7，所述第一金属散热片7与所述盖板紧密接触。本实施例提供可同时实现FPGA芯片或需顶部散热芯片的散热和气密性封装，正装芯片8的散热路径为，正装芯片8的上表面，导热胶4，盖板，外界环境或者机箱冷板。其中导热胶4为导热硅脂。本实施例采用较厚的盖板进行封装，能够同时封装多种芯片，提高了封装器件的多功能性。
作为本发明实施例的一种具体实施方式，请参阅图4，所述盖板的外表面设有散热结构。对于盖板厚度较大、陶瓷盒体外形尺寸较大的大功率封装外壳，需要在盖板的外面增加散热结构，提高散热的效果。
作为本发明实施例的一种具体实施方式，请参阅图4，所述散热结构包括多个第二金属散热片9。封装的正装芯片8和倒装芯片5通过顶部导热胶4、盖板和第二散热片实现散热。本实施例中个，金属散热片的材质为WCu、MoCu、Cu/MoCu、金刚石、Cu等材料。
作为本发明实施例的一种具体实施方式，请参阅图4，多个第二金属散热片9呈一列排列且平行分布于所述盖板的上表面，相邻的两个所述第二金属散热片9之间的间距相等。通过平行且均匀设置的第二金属散热片9，提高散热的均匀性。
作为本发明实施例的一种具体实施方式，请参阅图5至图6，所述散热结构包括设于所述盖板的外表面上的导流槽10。盖板具有一定的厚度，设置导流槽10，可增大盖板的散热表面积，提高散热的效果。
作为本发明实施例的一种具体实施方式，请参阅图5，所述导流槽10为盘绕于所述盖板外表面的螺旋形凹槽。
作为本发明实施例的一种具体实施方式，请参阅图6，所述导流槽10的数量为多个，多个所述导流槽10平行且间隔相等。
作为本发明实施例的一种具体实施方式，请参阅图5及图6，所述导流槽10内设有用于散热的流动液体。通过流动的液体进行散热，提高散热的效果。对于螺旋形凹槽，流动液体从一端进入一端流出，循环流动，将热量带走；对于平行设置的导流槽10，流动液体可以同时流过多个导流槽10，散热效率更快，本实施例中，在导流槽10的同一端分别设置导流总槽，将各导流槽10并联在一起，使流动液体经导流总槽再进入各导流槽10内，然后再经导流总槽收集到冷却装置内进行循环冷却。
作为本发明实施例的一种具体实施方式，参阅图7及图8，所述盖板1与所述封口环2搭接部分的宽度值F≥0.2mm。
作为本发明实施例的一种具体实施方式，请参阅图7至图8，所述封口环2上表面的宽度值G≥0.5mm。
作为本发明提供的同时实现倒装芯片5散热和气密性的封装结构的一种具体实施方式，请参阅图7至图8，所述陶瓷盒体3的外形结构为矩形，所述陶瓷盒体3的最短边长A≥15mm。陶瓷盒体3的厚度H为3.0±0.03，单位mm。陶瓷盒体3的四角均设置45°的倒角，倒角的宽度P为3.5-4mm。
作为本发明提供的同时实现倒装芯片5散热和气密性的封装结构的一种具体实施方式，请参阅图7至图8，所述封口环2的外形结构为矩形，所述封口环2的最短边长B＝A-0.4，单位mm。封口环2相邻的两个内侧面之间的夹角均为半径为R1的圆弧，其两个外侧面之间的夹角为R0的圆弧，其中，R1的数值大于R0的数值。
作为本发明提供的同时实现倒装芯片5散热和气密性的封装结构的一种具体实施方式，请参阅图9至图10，所述盖板1的形状为矩形，所述盖板1的最短边长E＝B-0.8，单位mm。
作为本发明提供的同时实现倒装芯片5散热和气密性的封装结构的一种具体实施方式，请参阅图9至图10，所述盖板1的最短边长为E-0.03，单位mm。本实施例中，盖板1的厚度T2为1.0±0.05，单位mm。盖板1两表面的平面度h1为0.05mm。
作为本发明提供的同时实现倒装芯片5散热和气密性的封装结构的一种具体实施方式，请参阅图7至图8，所述封口环2的最短边长为B+0.03，单位mm。本实施例对封口环2和盖板1尺寸的限定，保证封口环2的定位台阶的精度，避免封口环2与陶瓷盒体3钎焊过程中发生形变。
本实施例中，参见图7，封口环2的总高度T1≥1.5mm，定位台阶的高度值≥0.8mm。
本发明的目的在于提供一种所述的同时实现倒装芯片散热和气密性的封装结构的制备方法，包括：
封口环上制作定位台阶；
利用钎焊将所述封口环固定在陶瓷盒体上，形成壳体；
对所述壳体内外表面镀镍镀金；
倒装芯片5固定在所述陶瓷盒体内；
盖板放入所述封口环的定位台阶上，利用激光封焊将所述盖板与封口环焊接，将所述倒装芯片5封装在所述壳体内。
激光封焊是利用激光束作为热源的一种热加工工艺，高辐射强度的激光束经过光学系统聚焦后，将高能量密度的激光束辐射至金属表面，在激光与金属的相互作用下，金属吸收激光能量并转化为热能，金属熔化后冷却结晶形成焊缝，形成优良焊接接头。激光封焊由于具有能量密度高、热影响区小、热变形小、加工速度高、非接触焊接、可加工较复杂的密封结构、可在特定保护气氛或者真空环境下进行焊接等优点，成为金属盒体电子器件气密性封装的主要手段。
本发明实现了大尺寸封装盖板1的激光封焊密封，采用激光封焊进行密封相比于传统的钎焊封帽及平行缝焊密封具有以下优点：
(1)激光封焊为无接触焊接，不需要焊料焊剂，对封装盒体没有污染，不影响其性能，产品外形美观；
(2)激光封焊时功率密度高，作用时间短，热影响区小，焊接时传入壳体内部的热量极少，因而消除了封焊对内部元件及陶瓷盒体3上的玻璃绝缘子的不利影响；
(3)激光封焊产品是在氮气中或者其他保护气体中进行封焊，因而消除了锡焊封壳、充氮气和封气孔造成的污染，特别是消除了松香的污染，可大大提高产品的可靠性；
(4)激光封焊产品可耐真空冷热浸和真空冷焊实验；
(5)激光封焊可焊的材料熔深较深，焊缝强度不低于母材，可以承受较高的强度，而钎焊封帽的焊缝强度较小；
(6)激光封焊盖板较厚，对于大尺寸壳体，盖板可以在承受高压力高强度时不变形不塌陷，可以解决FPGA芯片封装的气密问题。
(6)激光封焊可以在特定保护气氛下进行焊接，对过程中氧含量可以进行控制；
(7)激光焊斑小、精度高并且焊缝外形光滑，容易实现自动控制，尤其适用于大批量壳体的气密封装；
(8)重复性好，焊缝质量高，容易实现气密性极高的精密封焊。
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.同时实现倒装芯片散热和气密性的封装结构，其特征在于，包括：
陶瓷盒体；
封口环，设于所述陶瓷盒体上，所述封口环的内壁设有定位台阶；
倒装芯片，倒装焊接于所述陶瓷盒体内；
盖板，搭接于所述定位台阶上，通过激光焊将所述倒装芯片封装于所述陶瓷盒体内，所述盖板的厚度大于1mm；
所述倒装芯片的上表面设有导热胶，所述导热胶与所述盖板紧密接触。
2.如权利要求1所述的同时实现倒装芯片散热和气密性的封装结构，其特征在于，还包括正装在陶瓷盒体内的正装芯片，所述正装芯片的上表面设有导热胶，所述导热胶上设有第一金属散热片，所述第一金属散热片与所述盖板紧密接触。
3.如权利要求1或2所述的同时实现倒装芯片散热和气密性的封装结构，其特征在于，所述盖板的外表面设有散热结构。
4.如权利要求3所述的同时实现倒装芯片散热和气密性的封装结构，其特征在于，所述散热结构包括多个第二金属散热片。
5.如权利要求4所述的同时实现倒装芯片散热和气密性的封装结构，其特征在于，多个第二金属散热片呈一列排列且平行分布于所述盖板的上表面，相邻的两个所述第二金属散热片之间的间距相等。
6.如权利要求3所述的同时实现倒装芯片散热和气密性的封装结构，其特征在于，所述散热结构包括设于所述盖板的外表面上的导流槽。
7.如权利要求6所述的同时实现倒装芯片散热和气密性的封装结构，其特征在于，所述导流槽为盘绕于所述盖板外表面的螺旋形凹槽。
8.如权利要求6所述的同时实现倒装芯片散热和气密性的封装结构，其特征在于，所述导流槽的数量为多个，多个所述导流槽平行且间隔相等。
9.如权利要求6所述的同时实现倒装芯片散热和气密性的封装结构，其特征在于，所述导流槽内设有用于散热的流动液体。
10.如权利要求1-9任一项所述的同时实现倒装芯片散热和气密性的封装结构的制备方法，其特征在于，包括：
封口环上制作定位台阶；
利用钎焊将所述封口环固定在陶瓷盒体上，形成壳体；
对所述壳体内外表面镀镍镀金；
倒装芯片固定在所述陶瓷盒体内；
盖板放入所述封口环的定位台阶上，利用激光封焊将所述盖板与封口环焊接，将所述倒装芯片封装在所述壳体内。
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