CN112687646B - 自防损功率sip模块封装结构及其封装方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种自防损功率SIP模块封装结构及其封装方法，包括：功率SIP模块，被配置为容置功率芯片；PCB母板，被配置为承载一个或多个功率SIP模块；分离装置，被配置为连接在功率SIP模块与PCB母板之间，当分离装置吸收的热量超过阈值时，将功率SIP模块与PCB母板分离；制作功率SIP模块，将功率芯片封装于功率SIP模块中；在功率SIP模块的第一面上制作分离装置，将分离装置附连至PCB母板上；当分离装置吸收的热量超过阈值时，将功率SIP模块与PCB母板分离。

Description

自防损功率SIP模块封装结构及其封装方法

技术领域

本发明涉及集成电路技术领域，特别涉及一种自防损功率SIP模块封装结构及其封装方法。

背景技术

系统级封装(System In a Package，简称SIP)与在印刷电路板上进行系统集成相比，SIP能最大限度地优化系统性能、避免重复封装、缩短开发周期、降低成本、提高集成度。对比系统级芯片(System on Chip，简称SOC)， SIP具有灵活度高、集成度高、设计周期短、开发成本低、容易进入等特点。

随着功率芯片功率密度的增大和复杂的使用环境，功率芯片发生失效的概率越来越高，此封装散热方式有以下缺点：(1)功率芯片发生短路极易烧毁并损伤到PCB板；(2)PCB板发生损伤将无法修复，失效成本比较高。

传统的功率SIP模块101与PCB母板102焊接结构如图1所示。PCB 母板102上具有焊盘103，功率SIP模块101通过焊料104与焊盘103连接，当功率SIP模块101发热甚至燃烧时，热量会通过焊料104传导至焊盘103 和PCB母板102，从而使PCB母板102受热损毁。PCB母板102的造价较高，一旦损毁会造成很大的经济损失。

发明内容

本发明的目的在于提供一种自防损功率SIP模块封装结构及其封装方法，以解决现有的功率芯片发生短路极易烧毁并损伤到PCB板的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种自防损功率SIP模块封装结构，包括：

功率SIP模块，被配置为容置功率芯片；

PCB母板，被配置为承载一个或多个功率SIP模块；

分离装置，被配置为连接在功率SIP模块与PCB母板之间，当分离装置吸收的热量超过阈值时，将功率SIP模块与PCB母板分离。

可选的，在所述的自防损功率SIP模块封装结构中，所述分离装置包括弹簧片和固液二态材料层，其中：

常温下，所述弹簧片以受压变形态容置于所述固液二态材料层中；

当所述固液二态材料层吸收的热量超过阈值时，所述固液二态材料层融化，所述弹簧片由受压变形态恢复为正常原形态。

可选的，在所述的自防损功率SIP模块封装结构中，所述弹簧片在受压变形态时长度为50微米～100微米；

所述弹簧片在正常原形态时长度为100微米～500微米。

可选的，在所述的自防损功率SIP模块封装结构中，所述固液二态材料层的回流温度为200℃以下或300℃以下，

当回流温度为200℃以下时，所述固液二态材料层在高于200℃时融化，在低于200℃时固化；

当回流温度为300℃以下时，所述固液二态材料层在高于300℃时融化，在低于300℃时固化。

可选的，在所述的自防损功率SIP模块封装结构中，所述固液二态材料层为预制焊料，所述预制焊料能够使功率SIP模块和PCB母板电连接。

可选的，在所述的自防损功率SIP模块封装结构中，所述预制焊料的材料为锡、锡铟体系或锡银体系铜合金，所述弹簧片为形状记忆合金弹簧。

可选的，在所述的自防损功率SIP模块封装结构中，所述形状记忆合金的比热值为10-50J·K^-1·mol^-1，当其吸收(4730-23650)J·mol^-1或(3730-28650)J·mol^-1热量时，所述形状记忆合金的温度高于所述固液二态材料层的融化温度，所述形状记忆合金向所述固液二态材料层传导热量。

本发明还提供一种自防损功率SIP模块封装方法，包括：

制作功率SIP模块，将功率芯片封装于功率SIP模块中；

在功率SIP模块的第一面上制作分离装置，将分离装置附连至PCB母板上；

当分离装置吸收的热量超过阈值时，将功率SIP模块与PCB母板分离。

可选的，在所述的自防损功率SIP模块封装方法中，还包括：

在功率SiP模块的管脚上形成预制焊料；

对预制焊料进行加热，以使预制焊料形成软化膏状；

在预制焊料中植入弹簧片，通过贴片机对弹簧片贴片；

对预制焊料进行冷却固化，以使预制焊料形成固体状；

将预制焊料与PCB母板上的焊盘进行焊接。

可选的，在所述的自防损功率SIP模块封装方法中，所述预制焊料的制作方法包括：

预制焊料为SnIn体系焊料、SnBi体系焊料、SnPd体系焊料或SnAg 体系焊料；

预制焊料通过钢网印刷或点胶方式涂覆到功率SIP模块的管脚。

在本发明提供的自防损功率SIP模块封装结构及其封装方法中，通过制作容置功率芯片的功率SIP模块，在功率SIP模块的第一面上制作分离装置，将分离装置附连至PCB母板上，当分离装置吸收的热量超过阈值时，将功率SIP模块与PCB母板分离，可以在功率SIP模块发热甚至燃烧时，将功率SIP模块与PCB母板分离，减少焊接接触面积从而降低功率SIP模块向PCB母板的热传导，从而起到自防损的作用。

本发明针对以上问题，提供了改进功率SIP封装结构和制作方法，通过功率SIP模块管脚预制焊料，预制焊料中植入弹簧片，形状记忆合金的温度高于预制焊料的回流温度以上时才会发生形状变形伸长恢复，功率 SIP模块发生烧毁时触发弹簧片发生变形伸长，将功率SIP模块与PCB母板分离，减少焊接接触面积从而降低功率SIP模块向PCB母板的热传导，从而起到自防损的作用。

本发明通过在功率SIP模块的管脚上形成预制焊料，并在焊料中植入弹簧片，当功率SIP模块发生烧毁时弹簧片发生变形伸长，将功率SIP模块与PCB母板分离，减少焊接接触面积从而降低功率SIP模块向PCB的热传导，从而起到自防损的作用，在功率电子封装领域具有极大的应用价值。

附图说明

图1是现有的功率SIP模块封装结构示意图；

图2是本发明一实施例功率SIP模块封装结构示意图；

图3是本发明一实施例功率SIP模块封装方法形成固液二态材料层示意图；

图4是本发明一实施例功率SIP模块封装方法植入弹簧片示意图；

图5是本发明一实施例功率SIP模块封装方法焊接至PCB母板示意图；

图中所示：1-功率SIP模块；2-PCB母板；3-焊盘；4-弹簧片；5-固液二态材料层/预制焊料；6-管脚。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的自防损功率SIP模块封装结构及其封装方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

另外，除非另行说明，本发明的不同实施例中的特征可以相互组合。例如，可以用第二实施例中的某特征替换第一实施例中相对应或功能相同或相似的特征，所得到的实施例同样落入本申请的公开范围或记载范围。

本发明的核心思想在于提供一种自防损功率SIP模块封装结构及其封装方法，以解决现有的功率芯片发生短路极易烧毁并损伤到PCB板的问题。

为实现上述思想，本发明提供了一种自防损功率SIP模块封装结构及其封装方法，包括：功率SIP模块，被配置为容置功率芯片；PCB母板，被配置为承载一个或多个功率SIP模块；分离装置，被配置为连接在功率 SIP模块与PCB母板之间，当分离装置吸收的热量超过阈值时，将功率SIP 模块与PCB母板分离；制作功率SIP模块，将功率芯片封装于功率SIP模块中；在功率SIP模块的第一面上制作分离装置，将分离装置附连至PCB 母板上；当分离装置吸收的热量超过阈值时，将功率SIP模块与PCB母板分离。

本实施例提供一种自防损功率SIP模块封装结构，如图2所示，包括：功率SIP模块1，被配置为容置功率芯片；PCB母板2，被配置为承载一个或多个功率SIP模块1；分离装置，被配置为连接在功率SIP模块1与PCB 母板2之间，当分离装置吸收的热量超过阈值时，将功率SIP模块1与PCB 母板2分离。

在本发明的一个实施例中，在所述的自防损功率SIP模块封装结构中，所述分离装置包括弹簧片4和固液二态材料层5，其中：常温下，所述弹簧片4以受压变形态容置于所述固液二态材料层5中；当所述固液二态材料层5吸收的热量超过阈值时，所述固液二态材料层5融化，所述弹簧片 4由受压变形态恢复为正常原形态。

在本发明的一个实施例中，在所述的自防损功率SIP模块封装结构中，所述弹簧片4在受压变形态时长度为50微米～100微米；所述弹簧片4在正常原形态时长度为100微米～500微米。

在本发明的一个实施例中，在所述的自防损功率SIP模块封装结构中，所述固液二态材料层的回流温度为200℃以下或300℃以下，当回流温度为 200℃以下时，所述固液二态材料层在高于200℃时融化，在低于200℃时固化；当回流温度为300℃以下时，所述固液二态材料层在高于300℃时融化，在低于300℃时固化。

在本发明的一个实施例中，在所述的自防损功率SIP模块封装结构中，所述固液二态材料层5为预制焊料5，所述预制焊料5能够使功率SIP模块 1和PCB母板2电连接。

在本发明的一个实施例中，在所述的自防损功率SIP模块封装结构中，所述预制焊料5的材料为锡、锡铟体系或锡银体系铜合金，所述弹簧片为形状记忆合金弹簧，所述弹簧片的材料为TiNi体系记忆合金恢复温度在 200℃以下，TiNi-Pd系高温记忆合金，形状恢复温度为300℃以上。

在本发明的一个实施例中，在所述的自防损功率SIP模块封装结构中，所述形状记忆合金的比热值为10-50J·K^-1·mol^-1。当其吸收 (4730-23650)J·mol^-1或(3730-28650)J·mol^-1热量时，所述形状记忆合金的温度高于所述固液二态材料层的融化温度，所述形状记忆合金向所述固液二态材料层传导热量。

本实施例还提供一种自防损功率SIP模块封装方法，包括：如图3～5 所示，制作功率SIP模块1，将功率芯片封装于功率SIP模块1中；在功率 SIP模块1的第一面上制作分离装置，将分离装置附连至PCB母板2上；当分离装置吸收的热量超过阈值时，将功率SIP模块1与PCB母板2分离。

在本发明的一个实施例中，在所述的自防损功率SIP模块封装方法中，还包括：如图3所示，在功率SIP模块1的管脚6上形成预制焊料5；对预制焊料5进行加热，以使预制焊料5形成软化膏状；如图4所示，在预制焊料5中植入弹簧片4，通过贴片机对弹簧片4贴片；对预制焊料5进行冷却固化，以使预制焊料5形成固体状；如图5所示，将预制焊料5与PCB 母板2上的焊盘3进行焊接。

在本发明的一个实施例中，在所述的自防损功率SIP模块1封装方法中，所述预制焊料5的制作方法包括：预制焊料为SnIn体系焊料、SnBi 体系焊料、SnPd体系焊料或SnAg体系焊料；预制焊料通过钢网印刷或点胶方式涂覆到功率SIP模块的管脚。在回流炉中将弹簧或弹簧片与焊料固定，回流温度依据焊料熔化温度而定，形状记忆合金弹簧恢复温度需高于回流温度，如TiNi体系记忆合金恢复温度在200℃以下，TiNi-Pd系高温记忆合金，形状恢复温度为300℃以上。

在本发明提供的自防损功率SIP模块封装结构及其封装方法中，通过制作容置功率芯片的功率SIP模块1，在功率SIP模块1的第一面上制作分离装置，将分离装置附连至PCB母板2上，当分离装置吸收的热量超过阈值时，将功率SIP模块1与PCB母板2分离，可以在功率SIP模块1发热甚至燃烧时，将功率SIP模块1与PCB母板2分离，减少焊接接触面积从而降低功率SIP模块1向PCB母板2的热传导，从而起到自防损的作用。

本发明针对以上问题，提供了改进功率SIP封装结构和制作方法，通过功率SIP模块1管脚6预制焊料5，预制焊料5中植入弹簧片4，形状记忆合金的温度高于预制焊料5的回流温度以上时才会发生形状变形伸长恢复，功率SIP模块1发生烧毁时触发弹簧片4发生变形伸长，将功率SIP 模块1与PCB母板2分离，减少焊接接触面积从而降低功率SIP模块1向PCB母板2的热传导，从而起到自防损的作用。

本发明通过在功率SIP模块1的管脚6上形成预制焊料5，并在焊料中植入弹簧片4，当功率SIP模块1发生烧毁时弹簧片4发生变形伸长，将功率SIP模块1与PCB母板2分离，减少焊接接触面积从而降低功率SIP模块1向PCB的热传导，从而起到自防损的作用，在功率电子封装领域具有极大的应用价值。

SIP并无一定型态，就芯片的排列方式而言，SIP可为多芯片模块 (Multi-chipModule；MCM)的平面式2D封装，也可再利用3D封装的结构，以有效缩减封装面积；而其内部接合技术可以是单纯的打线接合(Wire Bonding)，亦可使用覆晶接合(Flip Chip)，但也可二者混用。除了2D与3D 的封装结构外，另一种以多功能性基板整合组件的方式，也可纳入SIP的涵盖范围。此技术主要是将不同组件内藏于多功能基板中，亦可视为是SIP 的概念，达到功能整合的目的。不同的芯片排列方式，与不同的内部接合技术搭配，使SIP的封装型态产生多样化的组合，并可依照客户或产品的需求加以客制化或弹性生产。

构成SIP技术的要素是封装载体与组装工艺。前者包括PCB，LTCC， SiliconSubmount(其本身也可以是一块IC)。后者包括传统封装工艺(Wire bond和Flip Chip)和SMT设备。无源器件是SIP的一个重要组成部分，其中一些可以与载体集成为一体(Embedded，MCM-D等)，另一些(精度高、 Q值高、数值高的电感、电容等)通过SMT组装在载体上。SIP的主流封装形式是BGA。就技术状况看，SIP本身没有特殊的工艺或材料。这并不是说具备传统先进封装技术就掌握了SIP技术。由于SIP的产业模式不再是单一的代工，模块划分和电路设计是另外的重要因素。模块划分是指从电子设备中分离出一块功能，既便于后续的整机集成又便于SIP封装。电路设计要考虑模块内部的细节、模块与外部的关系、信号的完整性(延迟、分布、噪声等)。随着模块复杂度的增加和工作频率(时钟频率或载波频率)的提高，系统设计的难度会不断增加，导致产品开发的多次反复和费用的上升，除设计经验外，系统性能的数值仿真必须参与设计过程。

SIP将打破集成电路的产业格局，改变封装仅仅是一个后道加工厂的状况。未来集成电路产业中会出现一批结合设计能力与封装工艺的实体，掌握有自己品牌的产品和利润。全世界封装的产值只占集成电路总值的10％，当SIP技术被封装企业掌握后，产业格局就要开始调整，封装业的产值将会出现一个跳跃式的提高。

SIP封装可将其它如被动组件，以及天线等系统所需的组件整合于单一构装中，使其更具完整的系统功能。由应用产品的观点来看，SIP更适用于低成本、小面积、高频高速，以及生产周期短的电子产品上，尤其如功率放大器(PA)、全球定位系统、蓝芽模块(Bluetooth)、影像感测模块、记忆卡等可携式产品市场。但在许多体系中，封闭式的电路板限制了SIP的高度和应用。以长远的发展规划而言，SoC的发展将能有效改善未来电子产品的效能要求，而其所适用之封装型态，也将以能提供更好效能之覆晶技术为发展主轴；相较于SoC的发展，SIP则将更适用于成本敏感性高的通讯用及消费性产品市场。

SIP技术可以应用到信息产业的各个领域，但研究和应用最具特色的是在无线通信中的物理层电路。商用射频芯片很难以用硅平面工艺实现，使得SoC技术能实现的集成度相对较低，性能难以满足要求。同时由于物理层电路工作频率高，各种匹配与滤波网络含有大量无源器件，SIP的技术优势就在这些方面充分显示出来。SIP技术尚属初级阶段，虽有大量产品采用了SIP技术，其封装的技术含量不高，系统的构成与在PCB上的系统集成相似，无非是采用了未经封装的芯片通过COB技术与无源器件组合在一起，系统内的多数无源器件并没有集成到载体内，而是采用SMT分立器件。

在SIP这一名词普及之前就已经出现了多种单一封装体内集成的产品，历史原因造成了这些产品至今还没有贴上SIP的标签。最早出现的模块是手机中的功率放大器，这类模块中可集成多频功放、功率控制、及收发转换开关等功能。另外三维多芯片的存储模块，逻辑电路与存储电路的集成也处于这种情况。

集成度较高的是Bluetooth和802.11(b/g/a)。Philips公司的BGB202BluetoothSIP模块除了天线之外，包含了基带处理器和所有的物理层电路，其中一部分滤波电路就是用薄膜工艺实现的(但不是在SIP的载体中，而是以一个分立的无源芯片形式出现的)。整个模块的外围尺寸是7mm×8mm ×1.4mm。外部单元只需要天线和时钟。Philips还有一款面向3G通信的手机电视解决方案也采用了SIP技术，9mmx9mm的模块内包含了高频头、信道解调和解码。

UWB是SIP的另一个理想应用。Freescale Semiconductor已经开始提供DS-UWB芯片组。

综上，上述实施例对自防损功率SIP模块封装结构及其封装方法的不同构型进行了详细说明，当然，本发明包括但不局限于上述实施中所列举的构型，任何在上述实施例提供的构型基础上进行变换的内容，均属于本发明所保护的范围。本领域技术人员可以根据上述实施例的内容举一反三。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (10)

1.一种自防损功率SIP模块封装结构，其特征在于，包括：

功率SIP模块，被配置为容置功率芯片；

PCB母板，被配置为承载一个或多个功率SIP模块；

分离装置，被配置为连接在功率SIP模块与PCB母板之间，当分离装置吸收的热量超过阈值时，将功率SIP模块与PCB母板分离；

所述分离装置包括弹簧片和固液二态材料层，其中：

常温下，所述弹簧片以受压变形态容置于所述固液二态材料层中；

当所述固液二态材料层吸收的热量超过阈值时，所述固液二态材料层熔化，所述弹簧片由受压变形态恢复为正常原形态。

2.如权利要求1所述的自防损功率SIP模块封装结构，其特征在于，

所述弹簧片在受压变形态时长度为50微米～100微米；

所述弹簧片在正常原形态时长度为100微米～500微米。

3.如权利要求1所述的自防损功率SIP模块封装结构，其特征在于，所述固液二态材料层的回流温度为200℃以下，

当回流温度为200℃以下时，所述固液二态材料层在高于200℃时熔化，在低于200℃时固化。

4.如权利要求1所述的自防损功率SIP模块封装结构，其特征在于，所述固液二态材料层的回流温度为300℃以下，

当回流温度为300℃以下时，所述固液二态材料层在高于300℃时熔化，在低于300℃时固化。

5.如权利要求1所述的自防损功率SIP模块封装结构，其特征在于，所述固液二态材料层为预制焊料，所述预制焊料能够使功率SIP模块和PCB母板电连接。

6.如权利要求5所述的自防损功率SIP模块封装结构，其特征在于，所述预制焊料的材料为锡、锡铟体系或锡银体系合金，所述弹簧片为形状记忆合金弹簧。

7.如权利要求6所述的自防损功率SIP模块封装结构，其特征在于，所述形状记忆合金的比热值为10J·K^-1·mol^-1～50J·K^-1·mol^-1，当其吸收4730J·mol^-1～23650J·mol^-1时，所述形状记忆合金的温度高于所述固液二态材料层的熔化温度，所述形状记忆合金向所述固液二态材料层传导热量。

8.如权利要求6所述的自防损功率SIP模块封装结构，其特征在于，所述形状记忆合金的比热值为10J·K^-1·mol^-1～50J·K^-1·mol^-1，当其吸收3730J·mol^-1～28650J·mol^-1热量时，所述形状记忆合金的温度高于所述固液二态材料层的熔化温度，所述形状记忆合金向所述固液二态材料层传导热量。

9.一种自防损功率SIP模块封装方法，其特征在于，包括：

制作功率SIP模块，将功率芯片封装于功率SIP模块中；

在功率SIP模块的第一面上制作分离装置，将分离装置附连至PCB母板上；

当分离装置吸收的热量超过阈值时，将功率SIP模块与PCB母板分离；

在功率SiP模块的管脚上形成预制焊料；

对预制焊料进行加热，以使预制焊料形成软化膏状；

在预制焊料中植入弹簧片，通过贴片机对弹簧片贴片；

对预制焊料进行冷却固化，以使预制焊料形成固体状；

将预制焊料与PCB母板上的焊盘进行焊接。

10.如权利要求9所述的自防损功率SIP模块封装方法，其特征在于，还包括：

预制焊料为SnIn体系焊料、SnBi体系焊料、SnPd体系焊料或SnAg体系焊料；

预制焊料通过钢网印刷或点胶方式涂覆到功率SIP模块的管脚。

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