CN115116992A - 一种内嵌高导热材料的铝硅壳体及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种内嵌高导热材料的铝硅壳体，包括铝硅壳体，所述铝硅壳体一端镶嵌有内嵌部，所述铝硅壳体一侧开设有安装通孔，所述内嵌部固定连接于所述安装通孔内，所述内嵌部为高导热材料，本申请的壳体包括铝硅壳体和高导热材料内嵌部，主体部分为铝硅材料，内嵌部为钼铜或铜钼铜或金刚石铜材料，在铝硅壳体和内嵌部之间填充焊片，两部分之间采用焊接结合，内嵌部与芯片直接贴装在一起，芯片工作时产生的热量沿着内嵌部往外传递，散热能力得到大幅提升；内嵌部的热膨胀系数与芯片适配，主体部分和内嵌部分采用低温钎焊工艺结合，价格较低，便于广泛使用，铝硅壳体解决了微波收发组件往高功率、高热流、高集成方向发展面临的散热问题。

Description

一种内嵌高导热材料的铝硅壳体及其制备方法
技术领域
本发明涉及电子元件封装技术领域，具体是一种内嵌高导热材料的铝硅壳体及其制备方法。
背景技术
随着微波收发组件往高功率、高热流、高集成方向发展，以GaN芯片为代表的第三代宽禁带半导体芯片得到广泛应用。铝硅合金材料是一种理想的电子封装材料，由于密度低、导热性能好，又兼具一定强度和耐腐蚀性能，因此在微波收发组件封装壳体中得到广泛应用。铝硅合金材料的导热系数可调，范围为100～130W/(m·K)，热膨胀系数可调，范围为6～17ppm/℃，随着芯片热流密度的增加，铝硅导热能力已不能满足散热需求。传统的钼铜复合材料导热系数180～230W/(m·K)，铜钼铜复合材料导热系数250～320W/(m·K)，无氧铜材料导热系数398W/(m·K)，新一代的金刚石铜复合材料导热系数大于550W/(m·K)，但由于热失配、密度、尺寸、价格等问题，限制了其大范围应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种内嵌高导热材料的铝硅壳体及其制备方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种内嵌高导热材料的铝硅壳体，包括铝硅壳体，所述铝硅壳体一端镶嵌有内嵌部，所述铝硅壳体一侧开设有安装通孔，所述内嵌部固定连接于所述安装通孔内，所述内嵌部为高导热材料。
作为本发明进一步的方案：所述铝硅壳体包括壳体围框以及固定连接于所述壳体围框一端铝硅盖板，所述安装通孔位于所述壳体围框上远离所述铝硅盖板的一端。
作为本发明进一步的方案：所述铝硅壳体在安装通孔内壁处开设有台阶，所述内嵌部与所述安装通孔连接处设有与所述台阶配合的阶梯。
作为本发明进一步的方案：所述台阶上设有连接部，所述连接部为预成型焊片，所述连接部的厚度为30-100μm，所述预成型焊片为低温共晶钎料，所述预成型焊片的熔点小于所述内嵌部的熔点。
作为本发明进一步的方案：所述内嵌部为圆形或矩形，所述内嵌部上端设有用于安装芯片的贴装区，所述贴装区在所述内嵌部所在平面上的投影不超出所述内嵌部的边缘，所述内嵌部与所述芯片的膨胀系数差异不大于20％。
作为本发明进一步的方案：所述内嵌部为钼铜或铜钼铜或金刚石铜材质，所述内嵌部上端设有金属氧化层，所述金属氧化层为镍金镀层，镍层厚度3-6μm，金层厚度0.6-1μm。
一种内嵌高导热材料的铝硅壳体制备方法，包括以下步骤：
S1、根据所要封装的芯片选择合适的材质的内嵌部；
S2、在壳体围框下端开设安装通孔；
S3、将内嵌部固定连接于所述安装通孔内；
S4、将芯片贴装桩内嵌部上；
S5、将铝硅盖板封装到壳体围框上端，形成封闭结构的铝硅壳体。
作为本发明进一步的方案：所述内嵌部为钼铜或铜钼铜或金刚石铜材料，通过调整钼铜或铜钼铜或金刚石铜材料的成分配比，使得钼铜或铜钼铜或金刚石铜材质的内嵌部的热膨胀系数与芯片适配，使得所述内嵌部与所述芯片的膨胀系数差异不大于20％。
作为本发明进一步的方案：所述铝硅壳体为铝硅复合材料，铝硅壳体中壳体围框中的硅含量为50％，铝硅壳体中铝硅盖板中的硅含量27％，铝硅盖板与所述壳体围框通过激光焊接连接，形成气密性腔体。
作为本发明进一步的方案：所述壳体围框下部加工台阶结构的安装通孔，安装通孔为圆形或矩形结构，将内嵌部加工成相应的形状，在安装通孔与内嵌部的搭接区域放置连接部，连接部为预成型的焊片，所述预成型焊片为低温共晶钎料，所述预成型焊片的熔点小于所述内嵌部的熔点，钎料熔点温度不超过450℃。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本申请的壳体包括铝硅壳体和高导热材料内嵌部，主体部分为铝硅材料，内嵌部为钼铜或铜钼铜或金刚石铜材料，在铝硅壳体和内嵌部之间填充焊片，两部分之间采用焊接结合，内嵌部与芯片直接贴装在一起，芯片工作时产生的热量沿着内嵌部往外传递，散热能力得到大幅提升；内嵌部的热膨胀系数与芯片适配，主体部分和内嵌部分采用低温钎焊工艺结合，价格较低，便于广泛使用，铝硅壳体解决了微波收发组件往高功率、高热流、高集成方向发展面临的散热问题。
附图说明
图1为本申请剖视图；
图2为本申请铝硅壳体剖视图；
图3为本申请局部结构示意图；
图4、图5为本申请具体实施例铝硅壳体平面结构示意图。
图中：1-铝硅壳体、2-内嵌部、3-连接部、4-铝硅盖板、5-芯片、6-台阶、7-壳体围框、8-安装通孔。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-5，一种内嵌高导热材料的铝硅壳体，包括铝硅壳体1，铝硅壳体1一端镶嵌有内嵌部2，铝硅壳体1一侧开设有安装通孔8，内嵌部2固定连接于安装通孔8内，内嵌部2为高导热材料。
铝硅壳体1包括壳体围框7以及固定连接于壳体围框7一端铝硅盖板4，安装通孔8位于壳体围框7上远离铝硅盖板4的一端，铝硅壳体1在安装通孔8内壁处开设有台阶6，内嵌部2与安装通孔8连接处设有与台阶6配合的阶梯，台阶6上设有连接部3，连接部3为预成型焊片，连接部3的厚度为30-100μm，预成型焊片为低温共晶钎料，预成型焊片的熔点小于内嵌部2的熔点
内嵌部2为圆形或矩形，内嵌部2上端设有用于安装芯片5的贴装区，贴装区在内嵌部2所在平面上的投影不超出内嵌部2的边缘，内嵌部2与芯片5的膨胀系数差异不大于20％，内嵌部2为钼铜或铜钼铜或金刚石铜材质，内嵌部2上端设有金属氧化层，金属氧化层为镍金镀层，镍层厚度3-6μm，金层厚度0.6-1μm。
一种内嵌高导热材料的铝硅壳体制备方法，包括以下步骤：
S1、根据所要封装的芯片5选择合适的材质的内嵌部2，内嵌部2为钼铜或铜钼铜或金刚石铜材料，通过调整钼铜或铜钼铜或金刚石铜材料的成分配比，使得钼铜或铜钼铜或金刚石铜材质的内嵌部2的热膨胀系数与芯片适配，使得内嵌部2与芯片5的膨胀系数差异不大于20％；
S2、在壳体围框7下端开设安装通孔8，壳体围框7下部加工台阶结构的安装通孔8，安装通孔8为圆形或矩形结构，将内嵌部加工成相应的形状；
S3、将内嵌部2固定连接于安装通孔8内，在安装通孔8与内嵌部2的搭接区域放置连接部3，连接部3为预成型的焊片，预成型焊片为低温共晶钎料，预成型焊片的熔点小于内嵌部2的熔点，钎料熔点温度不超过450℃，典型如Au96.85Su3.15、Au88Ge12和Au80Sn20，该焊料的导热性和耐腐蚀性良好，通过加热到低于铝硅、钼铜、铜钼铜或金刚石铜材料的熔点而高于焊片熔点的温度，而实现铝硅主体部分和钼铜、铜钼铜或金刚石铜内嵌部分连接的一类连接方法；
S4、将芯片5贴装桩内嵌部2上，通过导热胶、导热垫、焊接等方式实现芯片与钼铜、铜钼铜或金刚石铜内嵌部分的贴装；
S5、将铝硅盖板4封装到壳体围框7上端，形成封闭结构的铝硅壳体1，铝硅壳体1为铝硅复合材料，铝硅壳体1中壳体围框7中的硅含量为50％，铝硅壳体1中铝硅盖板4中的硅含量27％，铝硅盖板4与壳体围框7通过激光焊接连接，形成气密性腔体。
实施例1
结合图1和图2说明本实施例，铝硅主体部分与钼铜内嵌部分焊接在一起，钼铜导热系数180-230W/(m·K)，形成一种内嵌钼铜材料的铝硅壳体，内嵌部分的形状为四边形，尺寸为12mm×20mm，厚度2mm，芯片尺寸5mm×5mm，热流密度300W/cm2，通过热成像仪测试芯片最高温度，一种内嵌钼铜的铝硅壳体，相比纯铝硅复合材料的壳体，芯片最高温度降低13-18.6℃。
实施例2
结合图1和图2说明本实施例，铝硅主体部分与铜钼铜内嵌部分焊接在一起，铜钼铜导热系数250-320W/(m·K)，形成一种内嵌铜钼铜材料的铝硅壳体，内嵌部分的形状为四边形，尺寸为12mm×20mm，厚度2mm，芯片尺寸5mm×5mm，热流密度300W/cm2，通过热成像仪测试芯片最高温度，一种内嵌铜钼铜的铝硅壳体，相比纯铝硅复合材料的壳体，芯片最高温度降低20.2-24.3℃。
实施例3
结合图1和图2说明本实施例，铝硅主体部分与金刚石铜内嵌部分焊接在一起，金刚石铜导热系数大于550W/(m·K)，形成一种内嵌金刚石铜材料的铝硅壳体，内嵌部分的形状为四边形，尺寸为12mm×20mm，厚度2mm，芯片尺寸5mm×5mm，热流密度300W/cm2，通过热成像仪测试芯片最高温度，一种内嵌金刚石铜的铝硅壳体，相比纯铝硅复合材料的壳体，芯片最高温度降低30.4℃以上。
实施例4
结合图1和图3说明本实施例，铝硅主体部分与钼铜内嵌部分焊接在一起，钼铜导热系数180-230W/(m·K)，形成一种内嵌钼铜材料的铝硅壳体，内嵌部分的形状为圆形，直径为20mm，厚度2mm，芯片尺寸5mm×5mm，热流密度300W/cm2，通过热成像仪测试芯片最高温度，一种内嵌钼铜的铝硅壳体，相比纯铝硅复合材料的壳体，芯片最高温度降低13.2-18.9℃。
实施例5
结合图1和图3说明本实施例，铝硅主体部分与铜钼铜内嵌部分焊接在一起，铜钼铜导热系数250-320W/(m·K)，形成一种内嵌铜钼铜材料的铝硅壳体，内嵌部分的形状为圆形，直径为20mm，厚度2mm，芯片尺寸5mm×5mm，热流密度300W/cm2，通过热成像仪测试芯片最高温度，一种内嵌铜钼铜的铝硅壳体，相比纯铝硅复合材料的壳体，芯片最高温度降低20.5-24.7℃。
实施例6
结合图1和图3说明本实施例，铝硅主体部分与金刚石铜内嵌部分焊接在一起，金刚石铜导热系数大于550W/(m·K)，形成一种内嵌金刚石铜材料的铝硅壳体，内嵌部分的形状为圆形，直径为20mm，厚度2mm，芯片尺寸5mm×5mm，热流密度300W/cm2，通过热成像仪测试芯片最高温度，一种内嵌金刚石铜的铝硅壳体，相比纯铝硅复合材料的壳体，芯片最高温度降低30.9℃以上。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种内嵌高导热材料的铝硅壳体，包括铝硅壳体(1)，其特征在于，所述铝硅壳体(1)一端镶嵌有内嵌部(2)，所述铝硅壳体(1)一侧开设有安装通孔(8)，所述内嵌部(2)固定连接于所述安装通孔(8)内，所述内嵌部(2)为高导热材料。
2.根据权利要求1所述的一种内嵌高导热材料的铝硅壳体，其特征在于，所述铝硅壳体(1)包括壳体围框(7)以及固定连接于所述壳体围框(7)一端铝硅盖板(4)，所述安装通孔(8)位于所述壳体围框(7)上远离所述铝硅盖板(4)的一端。
3.根据权利要求1所述的一种内嵌高导热材料的铝硅壳体，其特征在于，所述铝硅壳体(1)在安装通孔(8)内壁处开设有台阶(6)，所述内嵌部(2)与所述安装通孔(8)连接处设有与所述台阶(6)配合的阶梯。
4.根据权利要求3所述的一种内嵌高导热材料的铝硅壳体，其特征在于，所述台阶(6)上设有连接部(3)，所述连接部(3)为预成型焊片，所述连接部(3)的厚度为30-100μm，所述预成型焊片为低温共晶钎料，所述预成型焊片的熔点小于所述内嵌部(2)的熔点。
5.根据权利要求1所述的一种内嵌高导热材料的铝硅壳体，其特征在于，所述内嵌部(2)为圆形或矩形，所述内嵌部(2)上端设有用于安装芯片(5)的贴装区，所述贴装区在所述内嵌部(2)所在平面上的投影不超出所述内嵌部(2)的边缘，所述内嵌部(2)与所述芯片(5)的膨胀系数差异不大于20％。
6.根据权利要求1所述的一种内嵌高导热材料的铝硅壳体及其制备方法，其特征在于，所述内嵌部(2)为钼铜或铜钼铜或金刚石铜材质，所述内嵌部(2)上端设有金属氧化层，所述金属氧化层为镍金镀层，镍层厚度3-6μm，金层厚度0.6-1μm。
7.用于权利要求1-6任意一项的一种内嵌高导热材料的铝硅壳体制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、根据所要封装的芯片(5)选择合适的材质的内嵌部(2)；
S2、在壳体围框(7)下端开设安装通孔(8)；
S3、将内嵌部(2)固定连接于所述安装通孔(8)内；
S4、将芯片(5)贴装桩内嵌部(2)上；
S5、将铝硅盖板(4)封装到壳体围框(7)上端，形成封闭结构的铝硅壳体(1)。
8.根据权利要求1所述的一种内嵌高导热材料的铝硅壳体制备方法，其特征在于，所述内嵌部(2)为钼铜或铜钼铜或金刚石铜材料，通过调整钼铜或铜钼铜或金刚石铜材料的成分配比，使得钼铜或铜钼铜或金刚石铜材质的内嵌部(2)的热膨胀系数与芯片适配，使得所述内嵌部(2)与所述芯片(5)的膨胀系数差异不大于20％。
9.根据权利要求1所述的一种内嵌高导热材料的铝硅壳体制备方法，其特征在于，所述铝硅壳体(1)为铝硅复合材料，铝硅壳体(1)中壳体围框(7)中的硅含量为50％，铝硅壳体(1)中铝硅盖板(4)中的硅含量27％，铝硅盖板(4)与所述壳体围框(7)通过激光焊接连接，形成气密性腔体。
10.根据权利要求1所述的一种内嵌高导热材料的铝硅壳体制备方法，其特征在于，所述壳体围框(7)下部加工台阶结构的安装通孔(8)，安装通孔(8)为圆形或矩形结构，将内嵌部加工成相应的形状，在安装通孔(8)与内嵌部(2)的搭接区域放置连接部(3)，连接部(3)为预成型的焊片，所述预成型焊片为低温共晶钎料，所述预成型焊片的熔点小于所述内嵌部(2)的熔点，钎料熔点温度不超过450℃。
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