CN113380643B - 一种石墨烯芯片的封装结构及其制作工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种石墨烯芯片的封装结构及其制作工艺，其中石墨烯芯片的封装结构包括封装外壳和固设在封装外壳内腔的芯片主体，所述芯片主体包括连接有导线的石墨烯芯片，以及分别设置于石墨烯芯片两侧的两绝缘层，绝缘层与石墨烯芯片之间设有覆盖于石墨烯芯片表面的密封层。本发明通过在石墨烯芯片两侧设置导热密封层形成第一层防护，通过设置的导热绝缘板形成第二层防护；而且陶瓷胶加高温绝缘漆的双重安全防护封装方式，使石墨烯芯片两侧导热更均匀，加热胶片不易烧坏，确保了芯片的有效安全保护，提高绝缘性能；采用两片填充有环保型陶瓷胶加高温绝缘漆的铝片将加热胶片挤压在中间位置，然后通过铝型材封装的结构简单、操作方便。

Description

一种石墨烯芯片的封装结构及其制作工艺
技术领域
本发明涉及石墨烯半导体技术领域，尤其涉及到一种石墨烯芯片的封装结构及其制作工艺。
背景技术
石墨烯作为一种新型材料，是目前人类发现的最薄、最坚硬、导电性最好、导热性最好、透光性最好的纳米材料，是碳的同素异形体，拥有完美的六边形原子结构，同时还具有很好的韧性，且可以弯曲。
由于碳基芯片比传统的硅基芯片性能高许多，现碳基芯片的研发工作就比较重要，石墨烯的电子迁移率远远超过其他碳基，因而用石墨烯制成的碳基芯片性能会大幅度提升。石墨烯优异的光学、电学、力学特性，在材料学、微纳加工、能源、生物医学和药物传递等方面具有重要的应用前景。其优异的材料性能定能使石墨烯芯片领域发展肯定会进一步推动我国数字化和智能化的进程。在石墨烯芯片应用于某些产品时，需要对其进行封装处理，以保证使用安全和应用效果，但是目前针对石墨烯芯片的封装结构在密封效果及封装结构强度方面存在不足。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供一种石墨烯芯片的封装结构及其制作工艺，不仅保证了石墨烯芯片的使用安全和应用效果，而且大幅提高了密封性和结构强度。
本发明是通过如下技术方案实现的，提供一种石墨烯芯片封装结构的制作工艺，包括如下步骤：
第一步，准备封装外壳和两块金属板，并在每块金属板的至少一侧面喷涂绝缘涂层，绝缘涂层固化后，利用密封胶将两金属板分别粘设在石墨烯芯片的两侧面，且金属板上的绝缘涂层朝向石墨烯芯片；本步骤在石墨烯芯片两侧对称设置金属板和绝缘涂层，有利于平衡封装应力，而且避免了封装过程中出现翘曲现象，密封胶不仅起到粘接剂的作用，而且对石墨烯芯片形成防护；
第二步，将金属板与石墨烯芯片形成的芯片主体放入封装外壳的腔体中，且将石墨烯芯片的接线端置于封装外壳外；本步骤将石墨烯芯片的接线端置于封装外壳外，方便连接导线，降低导线与石墨烯芯片的连接难度；
第三步，向芯片主体与封装外壳之间填充密封材料，封装外壳的腔体开口采用密封胶密封；本步骤通过填充密封材料，减少封装外壳内的空隙，并且进一步提高了对石墨烯芯片的防护效果；
第四步，对芯片主体和封装外壳形成的封装组件整体施加压力，使密封材料充满封装外壳内的空隙；本步骤通过对封装组件整体施压，实现压实，使金属板与封装外壳、石墨烯芯片之间更密实，进一步提高了封装结构整体的结构强度和密实性；
第五步，在石墨烯芯片位于封装外壳外的一端焊接导线，并使用密封胶将焊点覆盖，提高使用的安全性，焊点处的密封胶在常温下固化。
作为优化，第三步和第五步中所使用的密封胶均为14#胶，固化速度快、防潮防水性能好，第一步中使用的密封胶和第三步中使用的密封材料均为3#陶瓷胶，环保性和防水性好，能够更有效地保护芯片。
作为优化，所述封装外壳为管状铝型材，封装外壳的两侧壁分别为内凹的侧板，利用封装外壳侧板的内凹设置，减小第四步施加压力时的阻力，并使封装外壳的侧板受压后向内弯曲。本优化方案的封装外壳采用管状铝型材，利用管状铝型材自带的内孔给芯片主体的放置提供空间，制作更加方便，同时利用了铝材质较好的延展性，更易于组件的整体压实；通过将封装外壳侧板的内凹设置，使其在压实过程中沿内凹结构传力，使封装外壳的侧板向内继续凹陷变形，进一步提高密实效果。
作为优化，第一步中，金属板为铝板，金属板的侧面通过砂纸做糙处理，且绝缘涂层喷涂在做糙后的侧面上，所述绝缘涂层为耐高温绝缘漆。本优化方案的金属板为铝板，不仅有利于减轻芯片主体的重量，而且利用了铝的导热和散热性，使芯片主体在作为加热芯片时，可以更好地传热，同时也方便进行做糙处理；通过将铝板的侧面做糙处理，提高了对绝缘涂层的吸附能力，绝缘涂层为耐高温绝缘漆，不仅实现了绝缘功能，而且制作方便，有利于减小芯片主体的厚度。
本方案还提供一种石墨烯芯片的封装结构，包括封装外壳和固设在封装外壳内腔的芯片主体，所述芯片主体包括连接有导线的石墨烯芯片，以及分别设置于石墨烯芯片两侧的两绝缘层，绝缘层与石墨烯芯片之间设有覆盖于石墨烯芯片表面的密封层。
本方案通过设置封装外壳，使封装后的石墨烯芯片形成整体，便于应用，通过设置密封层，对石墨烯芯片形成第一层防护，通过在石墨烯芯片两侧设置绝缘层，对石墨烯芯片形成第二层防护，保证使用安全。
作为优化，绝缘层包括金属板和设置在金属板侧面的绝缘漆层，且绝缘漆层位于金属板与密封层之间。本优化方案的绝缘层结构简单，制作方便，而且成本低。
作为优化，密封层为陶瓷胶，密封层与石墨烯芯片之间，以及密封层与绝缘层之间均贴合设置。本优化方案将陶瓷胶作为密封层，既形成了对石墨烯芯片的防护，同时将绝缘层与石墨烯芯片牢固粘接成一体，更方便将密封层与石墨烯芯片，以及密封层与绝缘层贴合，通过三者的贴合设置，进一步提高了封装结构的实体性。
作为优化，芯片主体与封装外壳之间的空隙内填充密封材料。本优化方案利用密封材料将芯片主体与封装外壳之间的空隙填充饱满，使芯片主体和封装外壳之间成为实体，提高了封装结构整体的结构强度。
作为优化，导线与石墨烯芯片的连接点位于封装外壳之外，且石墨烯芯片伸出封装外壳的位置密封设置。本优化方案的设置，更方便石墨烯芯片与外部电源连接，从而提高了使用的方便性，适用更多的场合。
作为优化，封装外壳厚度方向的两侧板均为内凹型，所述内凹型的轴线沿封装外壳的长度方向延伸。本优化方案通过将封装外壳侧板设置为内凹型，提高了封装外壳的抗弯强度，并且方便将封装外壳和芯片主体整体压实。
作为优化，导线与石墨烯芯片的连接点处包覆有绝缘胶。本优化方案通过在导线与石墨烯芯片的连接点位置覆盖绝缘胶，使连接点与空气隔绝，起到绝缘作用，以保证使用的安全。
本发明的有益效果为：通过在石墨烯芯片两侧设置密封层形成第一层防护，通过设置的绝缘层形成第二层防护；而且陶瓷胶加高温绝缘漆的双重安全防护封装方式，使石墨烯芯片两侧导热更均匀，作为加热胶片使用时不易烧坏，确保了石墨烯芯片的有效安全保护，提高绝缘性能；采用两片填充有环保型陶瓷胶加高温绝缘漆的铝片将加热胶片挤压在中间位置，然后通过铝型材封装的结构简单、操作方便。
附图说明
图1为本发明石墨烯芯片的封装结构示意图；
图2为本发明实施例提供的石墨烯芯片封装结构的制作工艺中组装芯片示意图；
图3为图2中A处局部放大图；
图4为本发明实施例提供的石墨烯芯片封装结构的制作工艺流程图。
图中所示：
1、封装外壳，2、金属板，3、绝缘漆层，4、密封层，5、石墨烯芯片，6、密封胶，7、导线。
具体实施方式
为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，对本方案进行阐述。
如图4所示一种石墨烯芯片封装结构的制作工艺，包括如下步骤：
第一步，准备封装外壳和两块金属板，并在每块金属板的至少一侧面喷涂绝缘涂层，绝缘涂层固化后，利用密封胶将两金属板分别粘设在石墨烯芯片的两侧面，且金属板上的绝缘涂层朝向石墨烯芯片；本步骤中的封装外壳为管状铝型材，金属板为铝板，绝缘涂层为耐高温绝缘漆，密封胶为3#陶瓷胶。为了提高绝缘涂层与铝板的整体性，在喷涂耐高温绝缘漆之前，使用砂纸对铝板待喷漆的侧面进行打磨做糙处理，以提高铝板两侧表面粗糙度，擦拭清洁表面后，将耐高温绝缘漆喷涂在铝板做糙后的侧面上，再将石墨烯芯片双面抹3#陶瓷胶，3#陶瓷胶的厚度0.1mm~0.2mm，抹胶时用力均匀，以保证填充均匀，然后将芯片粘贴在两铝板之间，能够使芯片达到更好的封装效果，发挥更大的作用。两侧的铝板关于中间的石墨烯芯片对称，这种对称式的结构不仅可以平衡整个封装的应力分布问题，还能够避免整个封装过程中出现翘曲现象，解决机械应力问题更具有优势。
绝缘涂层选用耐高温绝缘漆，该涂料具有耐高温、高绝缘、耐酸碱，耐超大电流和耐超高电压的优势，固化后涂层的击穿强度大，具有优异的阻燃和防火性能。密封胶选用3#陶瓷胶，此胶为环保型结构密封胶，防水性好，耐老化好，无污染等优点，能够有效的保护芯片。
第二步，将金属板与石墨烯芯片形成的芯片主体放入封装外壳的腔体中，且将石墨烯芯片的接线端置于封装外壳外，以方便焊接导线。
第三步，向芯片主体与封装外壳之间填充密封材料，本步骤中的密封材料为3#陶瓷胶，封装外壳的腔体开口采用14#胶密封。
第四步，使用冲床等压力设备对芯片主体和封装外壳形成的封装组件整体施加压力，施加压力的方向与封装外壳的厚度方向一致，使作为密封材料的3#陶瓷胶充满封装外壳内的空隙，实现压实，压实过程中，流动的胶体将内部空隙填充密实，石墨烯芯片更好地与铝板、铝型材贴合，成为一个实体，更好地将芯片的能量传递，同时进一步提高了封装结构整体的结构强度和密实性。
为了减小本步骤施加压力时的阻力，并引导管状铝型材侧板受压后向内弯曲，本实施例将管状铝型材的两侧壁分别设为内凹的侧板，利用管状铝型材侧板的内凹设置，实现阻力的减小和向内引导变形，进一步提高密实效果。
第五步，在石墨烯芯片位于封装外壳外的一端焊接导线，用于连接外部的电源设备，并使用14#胶将焊点覆盖，与空气隔绝，起到绝缘作用，焊点处的密封胶在常温下固化。
本实施例还提供一种石墨烯芯片的封装结构，包括封装外壳1和固设在封装外壳内腔的芯片主体，芯片主体与封装外壳之间的空隙内填充密封材料。所述芯片主体包括连接有导线7的石墨烯芯片5，以及分别设置于石墨烯芯片两侧的两绝缘层，绝缘层与石墨烯芯片之间设有覆盖于石墨烯芯片表面的密封层4，石墨烯芯片两侧的绝缘层和密封层分别关于石墨烯芯片对称设置。 本实施例的绝缘层包括金属板2和设置在金属板侧面的绝缘漆层3，且绝缘漆层3位于金属板2与密封层4之间。金属板为铝板，芯片正面铝板比反面铝板短，正面铝板长度方向留出焊点位置。为了提高密封层与铝板的结合强度，也可将铝板的双面均打磨成粗糙面。
封装外壳厚度方向的两侧板均为内凹型，所述内凹型的轴线沿封装外壳的长度方向延伸，具体的，本实施例的封装外壳采用两侧凹槽式的管状铝型材，由于铝是一种相对柔软、耐用、轻质、延展性较好的金属，采用铝型材使成型结构更易于冲压。另一方面，与大多数金属相比，铝是一种非常好的电导体，铝制品更好的导热和散热性。管状铝型材和芯片主体形成铝型材组件，铝型材组件经冲床等设备施加一定的压力压实，在压合后的芯片的两个触点上焊接导线7，用于连接外部的电源设备，焊点位置要覆盖密封胶6，与空气隔绝，起到绝缘作用。导线与石墨烯芯片的连接点位于封装外壳之外，且石墨烯芯片伸出封装外壳的位置密封设置。铝型材组件前端留有尺寸L1，用于焊接导线，以连接外部的电源设备；铝型材组件尾部留有尺寸L2，用于填充14#密封胶进行有效密封，14#密封胶固化速度快、防潮防水性能好、抗震、耐老化，具有良好的电气性能和粘接性。
密封材料和密封层均为陶瓷胶，密封层与石墨烯芯片之间，以及密封层与绝缘层之间均贴合设置，铝板与铝型材之间也设有密封层。
本发明的制作工艺简单，所制成的石墨烯芯片封装结构形成对石墨烯芯片的双层防护，芯片两侧填充环保型陶瓷胶是第一层防护，在两侧铝板上设有高温绝缘漆等导热绝缘类制品是第二层防护；这种环保型陶瓷胶加高温绝缘漆等导热绝缘类制品的双重安全防护封装方式，芯片两侧导热均匀，加热芯片不易烧坏，确保了芯片的有效安全保护，提高绝缘性能；采用两片填充有环保型陶瓷胶加高温绝缘漆等导热绝缘类制品的铝片将加热芯片挤压在中间位置，然后通过铝型材封装的结构简单、操作方便。
当然，上述说明也并不仅限于上述举例，本发明未经描述的技术特征可以通过或采用现有技术实现，在此不再赘述；以上实施例及附图仅用于说明本发明的技术方案并非是对本发明的限制，参照优选的实施方式对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换都不脱离本发明的宗旨，也应属于本发明的权利要求保护范围。

Claims (9)

1.一种石墨烯芯片封装结构的制作工艺，其特征在于，包括如下步骤：
第一步，准备封装外壳和两块金属板，并在每块金属板的至少一侧面喷涂绝缘涂层，绝缘涂层固化后，利用密封胶将两金属板分别粘设在石墨烯芯片的两侧面，且金属板上的绝缘涂层朝向石墨烯芯片；封装外壳为管状，封装外壳的两端分别设有开口；
第二步，将金属板与石墨烯芯片形成的芯片主体放入封装外壳的腔体中，且将石墨烯芯片的接线端置于封装外壳其中一端的开口外；
第三步，向芯片主体与封装外壳之间填充密封材料，封装外壳的另一端腔体开口采用密封胶密封；
第四步，对芯片主体和封装外壳形成的封装组件整体施加压力，施加压力的方向与封装外壳的厚度方向一致，封装外壳的侧板受压后向内弯曲，使密封材料充满封装外壳内的空隙；
第五步，在石墨烯芯片位于封装外壳外的一端焊接导线，并使用密封胶将焊点覆盖，焊点处的密封胶在常温下固化。
2.根据权利要求1所述的一种石墨烯芯片封装结构的制作工艺，其特征在于：第三步和第五步中所使用的密封胶均为14#胶，第一步中使用的密封胶和第三步中使用的密封材料均为3#陶瓷胶。
3.根据权利要求1所述的一种石墨烯芯片封装结构的制作工艺，其特征在于：所述封装外壳为管状铝型材，封装外壳的两侧壁分别为内凹的侧板，利用封装外壳侧板的内凹设置，减小第四步施加压力时的阻力，并使封装外壳的侧板受压后向内弯曲。
4.根据权利要求1所述的一种石墨烯芯片封装结构的制作工艺，其特征在于：第一步中，金属板为铝板，金属板的侧面通过砂纸做糙处理，且绝缘涂层喷涂在做糙后的侧面上，所述绝缘涂层为耐高温绝缘漆。
5.一种石墨烯芯片的封装结构，其特征在于：包括封装外壳（1）和固设在封装外壳内腔的芯片主体，封装外壳为管状，封装外壳的两端分别设有开口，所述芯片主体包括连接有导线（7）的石墨烯芯片（5），以及分别设置于石墨烯芯片上下 两侧的两绝缘层，导线用于连接外部的电源设备，绝缘层与石墨烯芯片之间设有覆盖于石墨烯芯片上下 表面的密封层（4），绝缘层包括金属板（2）和设置在金属板表面 的绝缘漆层（3），且绝缘漆层（3）位于金属板（2）与密封层（4）之间。
6.根据权利要求5所述的一种石墨烯芯片的封装结构，其特征在于：密封层为陶瓷胶，密封层与石墨烯芯片之间，以及密封层与绝缘层之间均贴合设置。
7.根据权利要求5所述的一种石墨烯芯片的封装结构，其特征在于：芯片主体与封装外壳之间的空隙内填充密封材料（8）。
8.根据权利要求5所述的一种石墨烯芯片的封装结构，其特征在于：导线与石墨烯芯片的连接点位于封装外壳之外，且石墨烯芯片伸出封装外壳的位置密封设置。
9.根据权利要求5所述的一种石墨烯芯片的封装结构，其特征在于：封装外壳厚度方向的两侧板均为内凹型，所述内凹型的轴线沿封装外壳的长度方向延伸。
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