CN112289759B - 一种大功率ltcc微波组件散热结构及制造工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大功率LTCC微波组件散热结构及制造工艺。散热结构包括散热底座、散热凸台、片材、开有直通孔的LTCC基板和金属盖板；至少一个散热凸台焊接在散热底座内；LTCC基板装配在与散热外壳内，且散热凸台对应地从LTCC基板上的直通孔内穿过，形成一暴露于LTCC基板外的上表面，可用于承载功率裸芯；散热凸台与直通孔之间形成的缝隙中由片材填充。本发明可有效提高大功率微波组件散热性能；大幅度减小射频组件的集成体积，降低微波信号传输寄生参数；大大提高LTCC基板利用率，降低生产制造成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种大功率LTCC微波组件散热结构及制造工艺。
背景技术
射频电路散热问题一直是射电路工艺制造中必须要解决的主要问题。影响散热主要因素有：电路外壳材料、基板材料、功率芯片散热片材料、功率芯与散热片及其安装工艺、以及电路基板与外壳的装配结构等等。
目前用于射频电路的LTCC基板导热系数为2.0W/mK～2.5 W/mK，外壳材料有：硅铝合金（100 W/mK～180 W/mK）、钼铜合金（150 W/mK～200 W/mK）、钨铜合金（180 W/mK～260W/mK）、不锈钢（10 W/mK～30 W/mK）。
通常大功率射频电路散热结构是：散热外壳与散热凸台一体结构，功率芯片贴装在散热凸台上，外围电路用高频电路板（罗杰斯板）拼接而成。这种结构，设计简单，散热性能好，适用于简单射频电路结构散热设计。但对于复杂多通道大功率射频电路，这种简单结构不能满足散热结构设计要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种大功率LTCC微波组件散热结构及制造工艺，可满足大功率射频电路的散热要求。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：
一种大功率LTCC微波组件散热结构，包括散热底座、散热凸台、片材、开有直通孔的LTCC基板和金属盖板；
至少一个散热凸台焊接在散热底座内；
LTCC基板装配在与散热外壳内，且散热凸台对应地从LTCC基板上的直通孔内穿过，形成一暴露于LTCC基板外的上表面，可用于承载功率裸芯；
散热凸台与直通孔之间形成的缝隙中由片材填充。
进一步地，所述LTCC基板上集成有微波元器件和非微波元器件。
进一步地，采用焊接或粘接方法将LTCC基板装配到散热外壳内。
进一步地，所述片材采用导热导电胶半烧结方法填充至散热凸台周围的缝隙。
进一步地，所述功率裸芯通过散热载片安装在散热凸台上表面。
进一步地，所述功率裸芯采用Au80Sn20焊料焊接在散热载片上。
进一步地，所述散热载片采用钼铜或钨铜材料。
进一步地，所述散热载片采用焊料共晶点≤183℃的焊料或导热导电胶半烧结到散热凸台。
进一步地，所述LTCC基板上通过SMT焊接工艺或导电胶粘片/键合工艺组装有非功率元器件。
一种大功率LTCC微波组件散热结构制造工艺，
将散热凸台焊接在散热底座内的底面上；
开有直通孔的LTCC基板装配在散热外壳内，且散热凸台对应地从LTCC基板上的直通孔内穿过，形成一暴露于LTCC基板外的上表面；
将片材填充在散热凸台与直通孔之间形成的缝隙中；
功率裸芯焊接在散热载片上，散热载片焊接或烧结到散热凸台的上表面；
通过SMT焊接工艺或导电胶粘片/键合工艺将非功率元器件组装到LTCC基板上；
通过粘接胶粘接工艺、平行缝焊或激光焊工艺将金属盖板封盖在散热底座上。
本发明所达到的有益效果：
1) 有效提高大功率微波组件散热性能；
2）大幅度减小射频组件的集成体积，降低微波信号传输寄生参数；
3）大大提高LTCC基板利用率，降低生产制造成本。
附图说明
图1a 散热底座示意图；
图1b 散热凸台示意图；
图1c 薄片示意图；
图1d LTCC基板示意图；
图1e 金属盖板示意图；
图2 散热外壳示意图；
图3 微波芯组一示意图；
图4 微波芯组二示意图；
图5 功率器件示意图；
图6 微波芯组三示意图；
图7 大功率LTCC微波组件爆炸图；
图8 制造工艺流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
本实施例中的大功率LTCC微波组件散热结构及制造工艺，包括：散热结构设计、关键工艺及材料选用要求等信息。
1、大功率LTCC微波组件散热结构及制造工艺特点
1) 散热凸台与散热底座采用高温（焊料共晶点≥218℃）焊料焊接；
2）LTCC 基板上大功率芯片安装区开有直通孔，LTCC基板与底座安装时，散热凸台从直通孔中穿过；
3）功率芯片用Au80Sn20焊料焊接在用于散热的钼铜或钨铜载片上；
4）带载片的功率芯片用低温焊料（焊料共晶点≤183℃）或导热导电胶半烧结到散热凸台上。
5）其它非功率元器件集成在LTCC基板正背面。
1.1 技术方案
大功率微波组件散热结构包括：散热底座1、散热凸台2、薄片3、开有直通孔41的LTCC基板4和金属盖板5，见图1（微波组件爆炸图见图7）；
散热凸台2与散热底座1采用高温焊料焊接（焊料共晶点≥218℃），形成散热外壳1-2，如图2所示；
开有直通孔41的LTCC基板4上集成有小功率元件（包括微波元器件和非微波元器件）；
采用焊接或粘接办法将LTCC基板4与散热外壳1-2装配到一起形成微波芯组一1-2-4，LTCC基板4上的直通孔大小位置与散热凸台2相配合，装配时，散热凸台2通过直通孔贯穿LTCC基板4，如图3所示；
采用导热导电胶半烧结方法将微波芯组一1-2-4中散热凸台四周缝隙用薄片3填充，形成微波芯组二1-2-4-3，如图4所示；
功率裸芯6用Au80Sn20焊料焊接在散热的钼铜或钨铜载片7上形成功率器件6-7，如图5所示；
功率器件6-7用低温焊料（焊料共晶点≤183℃）或导热导电胶半烧结到微波芯组二1-2-4-3的散热凸台2上，形成微波芯组三，图6 所示；
通过SMT焊接工艺或导电胶粘片/键合工艺将非功率元器件组装到LTCC基板4上；
通过粘接胶粘接工艺或平行缝焊（或激光焊）等工艺将金属盖板5最后封盖在微波芯组三上。
如图8所示，本实施例中大功率LTCC微波组件散热结构制造工艺流程为：
将散热凸台焊接在散热底座内的底面上；
开有直通孔的LTCC基板装配在散热外壳内，且散热凸台对应地从LTCC基板上的直通孔内穿过，形成一暴露于LTCC基板外的上表面；
将片材填充在散热凸台与直通孔之间形成的缝隙中；
功率裸芯焊接在散热载片上，散热载片焊接或烧结到散热凸台的上表面；
通过SMT焊接工艺或导电胶粘片/键合工艺将非功率元器件组装到LTCC基板上；
通过粘接胶粘接工艺、平行缝焊或激光焊工艺将金属盖板封盖在散热底座上。
2、关键材料选用
2.1 零部件材料选用
1）散热底座：CE11（Si50%-Al50%，硅铝合金）或钼铜（MOCu）或钨铜（WCu）。
2）散热凸台：紫铜或钼铜（MOCu）或钨铜（WCu）。
3）功率裸芯、载片：钼铜（MOCu）或钨铜（WCu）。
4）LTCC基板：DUpont951或Ferro-A6或相当性能生瓷材料。
5）散热凸台周围填缝用的薄片3材料：厚度10μm～15μm紫铜片；
6）盖板：铝4047或可伐 4J29。
2.2 关键工艺材料选用
1）散热凸台与散热底座焊接材料：SAC305焊膏（Sn96.5Ag3.0Cu0.5）或Sn96.5Ag3.5焊膏。
2）功率裸芯与载片焊接材料：25μm～30μm厚度Au80Sn20焊片或相当性能的半烧结银导热导电胶。
3）LTCC基板与散热底座的装配材料：63Sn37Pb焊膏或相当性能导电环氧胶。
4）功率器件与散热凸台的装配材料：63Sn37Pb焊膏或半烧结银导热导电胶。
5）散热凸台四周缝隙填充粘接材料：半烧结银导热导电胶。
3、关键工艺方法及参数控制
3.1 散热凸台与散热底座焊接
1）工艺方法：采用热板或者真空再流焊炉焊接；
2）焊接峰值温度：焊料共晶点+（20℃～40℃）；
3）合金焊层厚度：5μm～15μm；
4）焊透率：≥90%。
3.2 功率裸芯与载片装配
方法1：AuSn共晶焊接
1）工艺方法：采用热板或者真空共晶焊炉焊接；
2）焊接峰值温度：焊料共晶点+（15℃～25℃）；
3）合金焊层厚度：5μm～15μm；
4）焊透率：≥90%。
方法2：半烧结银导热导电胶粘接
1）工艺方法：点胶→粘片→固化（半烧结）；
2）点胶厚度：5μm～15μm，均匀无空洞；
3）固化温度：保证导热导电胶充分固化（半烧结）且低于功率芯片耐受温度；
3.3 LTCC基板与散热外壳装配
方法1：Sn63Pb37焊膏红外再流焊接
1）工艺方法：采用Sn63Pb37焊膏红外再流焊接，焊接过程中，采用长尾镂空金属夹夹持焊件，保持两个焊接面可靠接触；
2）焊接峰值温度：焊料共晶点+（15℃～25℃）；
3）合金焊层厚度：10μm～20μm；
4）焊透率：≥75%。
方法2：导电环氧胶粘接
1）工艺方法：点胶→粘片→固化，固化过程中，采用长尾镂空金属夹夹持焊件，保持两个粘接面可靠接触；
2）点胶厚度：15μm～25μm，均匀无空洞；；
3）固化温度：温度低于组件上所有元器件耐受温度同时，保证导热导电胶充分固化；
3.4 微波芯组一的散热凸台四周缝隙填充
1）工艺方法：点胶→填铜片→固化。
2）点胶厚度：30μm～50μm，四周缝隙一次性填上薄铜片，粘接胶不要污染薄铜片上侧表面；
3）固化温度：温度低于组件上所有元器件耐受温度同时，保证导热导电胶充分固化；
3.5 功率器件与散热凸台装配
方法1：Sn63Pb37焊膏焊接
1）工艺方法：采用Sn63Pb37焊膏红外再流焊接或者热板焊接；
2）焊接峰值温度：焊料共晶点+（15℃～25℃）；
3）合金焊层厚度：10μm～20μm；
4）焊透率：≥90%。
方法2：半烧结银导热导电胶粘接
1）工艺方法：点胶→粘片→固化（半烧结）；
2）点胶厚度：5μm～15μm，均匀无空洞；
3）固化温度：保证导热导电胶充分固化（半烧结）且低于组件上所有元器件耐受温度。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种大功率LTCC微波组件散热结构，其特征是，包括散热底座、散热凸台、片材、开有直通孔的LTCC基板和金属盖板；
至少一个散热凸台焊接在散热底座内；
LTCC基板装配在与散热外壳内，且散热凸台对应地从LTCC基板上的直通孔内穿过，形成一暴露于LTCC基板外的上表面，可用于承载功率裸芯；
散热凸台与直通孔之间形成的缝隙中由片材填充。
2.根据权利要求1所述的一种大功率LTCC微波组件散热结构，其特征是，所述LTCC基板上集成有微波元器件和非微波元器件。
3.根据权利要求1所述的一种大功率LTCC微波组件散热结构，其特征是，采用焊接或粘接方法将LTCC基板装配到散热外壳内。
4.根据权利要求1所述的一种大功率LTCC微波组件散热结构，其特征是，所述片材采用导热导电胶半烧结方法填充至散热凸台周围的缝隙。
5.根据权利要求1所述的一种大功率LTCC微波组件散热结构，其特征是，所述功率裸芯通过散热载片安装在散热凸台上表面。
6.根据权利要求5所述的一种大功率LTCC微波组件散热结构，其特征是，所述功率裸芯采用Au80Sn20焊料焊接在散热载片上。
7.根据权利要求5或6所述的一种大功率LTCC微波组件散热结构，其特征是，所述散热载片采用钼铜或钨铜材料。
8.根据权利要求5或6所述的一种大功率LTCC微波组件散热结构，其特征是，所述散热载片采用焊料共晶点≤183℃的焊料或导热导电胶半烧结到散热凸台。
9.根据权利要求1所述的一种大功率LTCC微波组件散热结构，其特征是，所述LTCC基板上通过SMT焊接工艺或导电胶粘片/键合工艺组装有非功率元器件。
10.一种大功率LTCC微波组件散热结构制造工艺，其特征是，
将散热凸台焊接在散热底座内的底面上；
开有直通孔的LTCC基板装配在散热外壳内，且散热凸台对应地从LTCC基板上的直通孔内穿过，形成一暴露于LTCC基板外的上表面；
将片材填充在散热凸台与直通孔之间形成的缝隙中；
功率裸芯焊接在散热载片上，散热载片焊接或烧结到散热凸台的上表面；
通过SMT焊接工艺或导电胶粘片/键合工艺将非功率元器件组装到LTCC基板上；
通过粘接胶粘接工艺、平行缝焊或激光焊工艺将金属盖板封盖在散热底座上。
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