CN115226290A - 一种基于内嵌微流道印制电路板的微波组件及制备方法 - Google Patents

一种基于内嵌微流道印制电路板的微波组件及制备方法 Download PDF

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徐诺心
来晋明
温杰
卢茜
曾策
赵明
文泽海
向伟玮
季兴桥
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Abstract

本发明涉及微电子封装技术领域，具体公开了一种基于内嵌微流道印制电路板的微波组件及制备方法。微波组件包括设置有微流道的印制电路板、大功率模块、以及金属封装盒体；印制电路板包括依次层叠设置的上布线层、金属芯板、下布线层；金属芯板的上表面设置有大功率模块安装区域，其下表面设置有大功率模块底部传热区域；大功率模块集成在大功率模块安装区域，且靠近信号输出端；大功率模块安装区域和大功率模块底部传热区域不设置上布线层和下布线层。还公开了其制备方法，采用位于大功率模块正下方的传热垫块实现大功率模块的焊接；传热垫块包括刚性传热层和弹性传热层。本发明具有高效散热能力、还能实现高密度电气信号的传输。

Description

一种基于内嵌微流道印制电路板的微波组件及制备方法
技术领域
本发明涉及微电子封装技术领域，更具体地讲，涉及一种基于内嵌微流道印制电路板的微波组件及制备方法。
背景技术
随着以GaN为代表的第三代半导体功率技术的广泛应用，微波组件发射功率日益增大，功率器件的自热效应愈发突出，热管理问题已经逐渐成为制约电子系统发展的技术瓶颈。基于热沉和封装盒体热扩散的被动散热技术已经不能满足大功率器件的散热需求，利用微流体实现增强散热的热管理技术成为重要的解决途径。
传统的大功率微波组件采用基于微流体的穿透式液冷技术来实现高效散热，即在金属封装盒体内直接集成液冷微流道，将多块电路基板安装集成于盒体两侧，使用馈电绝缘子来实现盒体正反两侧电气信号的互连。该种集成方式具有集成结构简单、散热性能优异的特征；但是，由于馈电绝缘子占用了较多的盒体面积，限制了组件集成密度的提升。此外，通过混合集成的方式将多块电路基板安装于盒体两侧，多块电路基板之间需要使用引线进行电气互连，引线与互连焊盘所占用的面积也限制了组件集成密度的进一步提升。
中国专利ZL202011304110.9提出了一种高散热数模一体集成封装结构及其制作方法，使用高低频数模复合印制电路板作为元器件、芯片等的集成载体，与普通的混合集成微波组件相比，提升了集成密度。然而，该组件仍然使用金属实现被动热传导，散热能力有限。
中国专利ZL202110118888.9提出了一种内嵌微流道的印制电路板及其制备方法，通过在印制电路板中集成金属芯板微流道，极大提升了组件的散热能力。然而，该专利并未涉及金属封装结构，并未构成微波组件。
如何将内嵌微流道的印制电路板与金属封装结构一体化集成，在提升集成密度的同时，实现高效散热；同时，对其结构进行优化设计，使其满足微组装和封装工艺的加工需求，还鲜有报道。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种基于内嵌微流道印制电路板的微波组件及制备方法；该组件具有高效散热能力、还能实现高密度电气信号的传输。
本发明解决技术问题所采用的解决方案是：
一方面：
本发明公开了一种基于内嵌微流道印制电路板的微波组件，包括设置有微流道的印制电路板、集成在印制电路板上的大功率模块、以及用于安装印制电路板的金属封装盒体；
所述印制电路板包括依次层叠设置的上布线层、内嵌微流道的金属芯板、下布线层；所述金属芯板的上表面设置有大功率模块安装区域，其下表面设置有大功率模块底部传热区域；
所述大功率模块穿过上布线层集成在大功率模块安装区域上，且靠近金属封装盒体信号输出端；
所述大功率模块安装区域和大功率模块底部传热区域不设置上布线层和下布线层；有效保证了大功率模块高效散热，并保证大功率模块装配过程的高效热传导。
在一些可能的实施方式中，所述用于安装印制电路板的金属封装盒体中集成有位于金属封装盒体信号输出端的射频连接器、位于金属封装盒体信号输入端的射频连接器和低频连接器、以及用于印制电路板穿出金属封装盒体的通孔。
在一些可能的实施方式中，为了有效的实现散热；
所述微流道包括进液口、出液口、与进液口连通的进液流道、与出液口连接的出液流道、以及位于出液流道与进液流道之间且相互连接的散热流道结构；所述散热流道结构位于大功率模块的底部。
在一些可能的实施方式中，为了在受限空间内，实现低流阻均匀散热，并防止印制电路板层压过程可能发生的塌陷、变形等问题；
在所述进液流道和出液流道内设置有增强结构；所述散热流道结构包括多个依次串联连通的散热流道单元，在所述散热流道单元内设置有微小流道。
在一些可能的实施方式中，为了有效实现整个微流道散热能力的均匀平衡；
所述散热流道单元为N个，20≥N≥2；
N个所述散热流道单元沿进液流道至出液流道其内部的微小流道数量依次递增，其流道截面积依次递减；
所述散热流道单元内还设置有优化流体运动轨迹的扰流结构。
在一些可能的实施方式中，所述增强结构包括拱形增强结构、墩形增强结构的一种或多种。
在一些可能的实施方式中，为了使得进液口、出液口位于金属封装盒体的外侧，避免接口位置流体渗漏影响组件内；
所述金属芯板包括位于金属封装盒体内的芯板本体、与芯板本体一侧连接，且一端穿过金属封装盒体的悬臂，所述进液口和出液口设置在悬臂的底部。
在一些可能的实施方式中，为了保证印制电路板与金属封装盒体的焊接；
所述印制电路板中悬臂对应的区域不设置上布线层和下布线层。
另一方面：
本发明公开了一种基于内嵌微流道印制电路板的微波组件的制备方法，具体包括以下步骤：
步骤S1:印制电路板制备；
步骤S2:使用传热垫块焊接大功率模块；
步骤S3:将其他元器件集成在印制电路板上；
步骤S4:将步骤S3制备得到的组合体安装在金属封装盒体内；
步骤S5：封盖。
在一些可能的实施方式中，所述步骤S1具体包括以下步骤：
步骤S11：使用半固化片将有机布线层和金属布线层压合为上布线层和下布线层；
步骤S12：使用半固化片将上布线层、设置有微流道的金属芯板、下布线层压合为内嵌微流道印制电路板；
步骤S13：去除印制电路板中悬臂区域、大功率模块安装区域和大功率模块底部传热区域的上布线层和下布线层。
在一些可能的实施方式中，所述步骤S2具体包括以下步骤：
步骤S21:焊接制备大功率模块；
步骤S22:将传热垫块放置在印制电路板内金属芯板的底部，使其弹性传热层与印制电路板内的金属芯板接触；
步骤S23:将大功率模块与印制电路板内的金属芯板焊接。
在一些可能的实施方式中，所述步骤S23具体是指：通过真空共晶焊接工艺将大功率模块与印制电路板内的金属芯板焊接。
在一些可能的实施方式中，为了保证真空共晶传热面能够与印制电路板紧密贴合，所述传热垫块由刚性传热层和位于刚性传热层顶部的弹性传热层组成。
所述刚性传热层采用板状的高导热金属材料制成；所述弹性传热层采用具有耐高温、高导热特性的弹性材料制成。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明利用内嵌微流道的印制电路板作为电气信号互连的基板，同时将内嵌微流道的印制电路板与金属封装盒体一体化集成，实现了组件的结构功能一体化；与传统的穿透式液冷金属封装相比，集成密度可提升一倍以上。
本发明利用内嵌微流道的印制电路板作为电气信号互连的基板，利用流经该印制电路板内金属芯微流道中的微米尺度流体，可实现300W/cm2以上的高热流密度散热。与普通的非液冷封装相比，其高效散热能力提升3倍以上。
本发明通过将进液口和出液口分置在金属封装盒体外部、并采用悬臂底部垂直进/出液的方式，构成了“砖式”微波组件，实现了液体接口与组件内芯片等元器件的分离。
本发明通过去除大功率模块安装区域和大功率模块底部传热区域布线层的方式，消除了印制电路板中布线层(主要是有机布线层和半固化片)对共晶焊接传热效率的影响，满足了大功率芯片/大功率模块低热阻真空共晶的工艺需求。
本发明通过设置传热垫块替代现有技术中的普通传热垫块，避免了印制电路板中真空共晶传热面不能紧密贴合的问题；利用传热垫块直接支撑在金属芯板的底部，便于大功率模块与印制电路板的真空共晶焊接过程中能够有效的实现热传导。
本发明通过设置多个依次连通的散热流道单元，利用单条流体网络代替分流网络的流道布局方式，有效解决了受限空间下，多个散热流道单元难以均匀分流和合流的技术难题。
本发明通过对每个散热流道单元结构进行优化，综合考虑流体流经热源后温度上升、散热能力下降的物理因素，通过流道截面积依次递减的结构布局方式，即适当降低靠近进液口散热流道单元的散热能力、提升靠近出液口散热流道单元的散热能力，并添加扰流结构优化流体运动轨迹，实现全网路散热能力平衡，最终保证本组件正常工作。
附图说明
图1为本发明中印制电路板、大功率模块、传热垫块的剖面结构示意图；
图2为本发明中微流道的结构示意图；
图3为本发明中印制电路板的俯视图；
图4为本发明中印制电路板的仰视图；
图5为本发明中制备方法的流程图；
图6为本发明中微波组件信号输出端射频连接器与金属封装盒体的连接关系侧视图；
图7为本发明中金属封装盒体、印制电路板的结构位置示意图；
图8为本发明中微波组件信号输入端低频连接器、通孔、金属封装盒体的结构位置侧视图；
其中：1、微波组件；2、印制电路板；3、进液口；4、出液口；5、大功率模块安装区域；6、金属封装盒体；7、射频连接器；8、低频连接器；9、通孔；10、进液流道；11、出液流道；12、散热流道单元；13、增强结构；14、大功率芯片；15、热沉；16、上布线层；17、下布线层；18、金属芯板；19、半固化片；20、有机布线层；21、金属布线层；22、传热垫块；23、大功率模块底部传热区域；24、大功率模块；25、刚性传热层；26、弹性传热层；27、悬臂；28、芯板本体；29散热流道结构；30扰流结构。
具体实施方式
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内的连通或两个元件的相互作用关系。本申请所提及的"第一"、"第二"以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，"一个"或者"一"等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。在本申请实施中，“和/或”描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。在本申请实施例的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指两个或两个以上。例如，多个定位柱是指两个或两个以上的定位柱。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面对本发明进行详细说明。
实施例1：
如图1-图8所示：
本实施例公开了一种基于内嵌微流道印制电路板的微波组件1，包括设置有微流道的印制电路板2、集成在印制电路板上的大功率模块24、以及用于安装印制电路板的金属封装盒体6；
所述印制电路板2包括依次层叠设置的上布线层16、设置有微流道的金属芯板18、下布线层17；
所述金属芯板18的上表面设置有大功率模块安装区域5，其下表面设置有大功率模块底部传热区域23；大功率模块底部传热区域23位于大功率模块安装区域5的下方；
所述大功率模块穿过上布线层集成在大功率模块安装区域上，且靠近金属封装盒体信号输出端；
所述大功率模块24穿过上布线层16集成在大功率模块安装区域5上，靠近金属封装盒体6信号输出端；
所述大功率模块安装区域5和大功率模块底部传热区域23不设置上布线层和下布线层。有效保证了大功率模块24高效散热，并保证大功率模块24装配过程的高效热传导。
在一些可能的实施方式中，所述用于安装印制电路板的金属封装盒体6中集成有位于金属封装盒体6信号输出端的射频连接器7、位于金属封装盒体6信号输入端的射频连接器7和低频连接器8、以及用于印制电路板穿出金属封装盒体的通孔9。
在一些可能的实施方式中，为了有效的实现散热；
所述微流道包括进液口3、出液口4、与进液口3连通的进液流道10、与出液口4连接的出液流道11、以及位于出液流道11与进液流道10之间且相互连接的散热流道结构29；所述散热流道结构29位于大功率模块24的底部。
在一些可能的实施方式中，为了在受限空间内，实现低流阻均匀散热，并防止印制电路板层压过程可能发生的塌陷、变形等问题；
在所述进液流道10和出液流道11内设置有增强结构13；所述散热流道结构29包括多个依次串联连通的散热流道单元12，在所述散热流道单元12内设置有微小流道。
在一些可能的实施方式中，为了有效实现整个微流道散热能力的均匀平衡；
所述散热流道单元12的数量为6个；
6个所述散热流道单元12从进液流道10至出液流道11编号依次为散热流道单元一、散热流道单元二……散热流道单元六；
所述散热流道单元一、散热流道单元二……散热流道单元六内的微小流道数量依次递增，其流道截面积依次递减；
所述散热流道单元12内还设置有优化流体运动轨迹的扰流结构30。
在一些可能的实施方式中，所述增强结构13包括拱形增强结构、墩形增强结构的一种或多种。
在一些可能的实施方式中，为了使得进液口3、出液口4位于金属封装盒体6的外侧，避免接口位置流体渗漏影响组件内；
所述金属芯板18包括位于金属封装盒体6内的芯板本体28、与芯板本体28一侧连接，且一端穿过金属封装盒体6的悬臂27，所述进液口3和出液口4设置在悬臂27的底部。
在一些可能的实施方式中，为了保证印制电路板2与金属封装盒体6的焊接，保证大功率模块24高效散热，并保证大功率模块24装配过程的高效热传导；
所述印制电路板中悬臂27区域、大功率模块安装区域5和大功率模块底部传热区域23不设置上布线层16和下布线层17。
本实施例利用内嵌微流道的印制电路板2作为电气信号互连的基板，同时将内嵌微流道的印制电路板2与金属封装盒体6一体化集成，实现了组件的结构功能一体化；与传统的穿透式液冷金属封装相比，集成密度可提升一倍以上。
本实施例利用内嵌微流道的印制电路板2作为电气信号互连的基板，利用流经该印制电路板内金属芯微流道中的微米尺度流体，可实现300W/cm2以上的高热流密度散热。与普通的非液冷封装相比，其高效散热能力提升3倍以上。
本实施例通过将进液口3和出液口4分置在金属封装盒体6外部、并采用悬臂27底部垂直进/出液的方式，构成了“砖式”微波组件1，实现了液体接口与组件内芯片等元器件的分离。
本实施例通过设置多个依次连通的散热流道单元12，利用单条流体网络代替分流网络的流道布局方式，有效解决了受限空间下，多个散热流道单元12难以均匀分流和合流的技术难题。
本实施例通过对每个散热流道单元12结构进行优化，综合考虑流体流经热源后温度上升、散热能力下降的物理因素，通过流道截面积依次递减的结构布局方式，即适当降低靠近进液口散热流道单元的散热能力、提升靠近出液口散热流道单元的散热能力，并添加扰流结构优化流体运动轨迹，实现全网路散热能力平衡，最终保证本组件正常工作。
实施例2：
如图5所示，本实施例具体公开了实施例1的制备方法，具体包括以下步骤：
步骤S1:印制电路板2制备；
步骤S2:使用传热垫块22焊接大功率模块24；
步骤S3:将其他元器件集成在印制电路板2上；
步骤S4:将步骤S3制备得到的组合体安装在金属封装盒体6内；
步骤S5：封盖。
在一些可能的实施方式中，所述步骤S1具体包括以下步骤：
步骤S11：使用半固化片19将有机布线层20和金属布线层21压合为上布线层16和下布线层17；
步骤S12：使用半固化片19将上布线层16、设置有微流道的金属芯板18、下布线层17压合为内嵌微流道印制电路板2；
步骤S13：去除印制电路板中悬臂27区域、大功率模块安装区域5和大功率模块底部传热区域23的上布线层16和下布线层17。
优选的，所述步骤S13中的去除工艺为深度控制铣切或激光烧蚀工艺。
在一些可能的实施方式中，所述步骤S2具体包括以下步骤：
步骤S21:焊接制备大功率模块24；
优选的，所述大功率模块24包括大功率芯片14和热沉15；采用金锡、纳米银烧结等高熔点焊料的低热阻焊接工艺实现大功率芯片14与热沉15的焊接。
步骤S22:将传热垫块22放置在印制电路板2内金属芯板18的底部,即大功率模块底部传热区域23，使其弹性传热层26与印制电路板2内的金属芯板18接触；
步骤S23:将大功率模块24与印制电路板2内的金属芯板18焊接。
在一些可能的实施方式中，所述步骤S23具体是指：通过真空共晶焊接工艺将大功率模块24与印制电路板2内的金属芯板18焊接。
优选的，所述真空共晶焊接工艺的焊料为InPb、SnPb、InAg、SnAgCu等低熔点焊料。
在一些可能的实施方式中，由于印制电路板2在步骤S11和S12层压时，受层压工艺参数的影响，层压前后，布线层总厚度d1会发生变化，有一定的公差；
步骤S13通过深度控制铣切或激光烧蚀工艺将印制电路板2中大功率模块24相对应底部区域的布线层去除后，受加工公差的影响，可能会去除少量的内嵌微流道金属芯板18，该厚度为d2。“d1+d2”的总厚度有一定的公差范围，必须使用弹性材料厚度可变的性质来保证真空共晶传热面的紧密贴合。
为了保证真空共晶传热面能够与印制电路板紧密贴合，所述传热垫块22由刚性传热层25和位于刚性传热层顶部的弹性传热层26组成。
所述刚性传热层25采用板状的高导热金属材料制成；所述弹性传热层26采用具有耐高温、高导热特性的弹性材料制成。
在一些可能的实施方式中，所述步骤S3具体包括以下步骤：通过焊接或粘接工艺实现其他元器件集成在印制电路板2上。
在一些可能的实施方式中，所述步骤S4具体包括以下步骤：将步骤S3中的组合体插装在金属封装盒体6中，使得悬臂上的进液口3和出液口4位于通孔9的外侧。
在一些可能的实施方式中，所述步骤S5具体包括以下步骤：通过激光封焊或平行封焊等工艺进行装配、封盖。
本实施例通过去除大功率模块安装区域5和大功率模块底部传热区域23布线层的方式，消除了印制电路板中布线层(主要是有机布线20层和半固化片19)对共晶焊接传热效率的影响，满足了大功率模块24低热阻真空共晶的工艺需求。
本实施例通过设置传热垫块22替代现有技术中的普通传热垫块，避免了印制电路板中真空共晶传热面不能紧密贴合的问题；利用传热垫块22直接支撑在金属芯板18的底部，便于大功率模块24与印制电路板2的真空共晶焊接过程中能够有效的实现热传导。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (10)

1.一种基于内嵌微流道印制电路板的微波组件，其特征在于，包括设置有微流道的印制电路板、集成在印制电路板上的大功率模块、以及用于安装印制电路板的金属封装盒体；
所述印制电路板包括依次层叠设置的上布线层、内嵌微流道的金属芯板、下布线层；所述金属芯板的上表面设置有大功率模块安装区域，其下表面设置有大功率模块底部传热区域；
所述大功率模块穿过上布线层集成在大功率模块安装区域上，且靠近金属封装盒体信号输出端；
所述大功率模块安装区域和大功率模块底部传热区域不设置上布线层和下布线层。
2.根据权利要求1所述的一种基于内嵌微流道印制电路板的微波组件，其特征在于，所述金属封装盒体中集成有位于金属封装盒体信号输出端的射频连接器、位于金属封装盒体信号输入端的射频连接器和低频连接器、以及用于印制电路板穿出金属封装盒体的通孔。
3.根据权利要求1所述的一种基于内嵌微流道印制电路板的微波组件，其特征在于，所述微流道包括进液口、出液口、与进液口连通的进液流道、与出液口连接的出液流道、以及位于出液流道与进液流道之间且相互连接的散热流道结构；所述散热流道结构位于大功率模块的底部。
4.根据权利要求3所述的一种基于内嵌微流道印制电路板的微波组件，其特征在于，在所述进液流道和出液流道内设置有增强结构；所述散热流道结构包括多个依次串联连通的散热流道单元，在所述散热流道单元内设置有微小流道。
5.根据权利要求4所述的一种基于内嵌微流道印制电路板的微波组件，其特征在于，所述散热流道单元为N个，其中，20≥N≥2；
N个所述散热流道单元从进液流道至出液流道其内部的微小流道数量依次递增，其流道截面积依次递减；
所述散热流道单元内还设置有优化流体运动轨迹的扰流结构。
6.根据权利要求1-5任一项所述的一种基于内嵌微流道印制电路板的微波组件，其特征在于，所述金属芯板包括位于金属封装盒体内的芯板本体、与芯板本体一侧连接，且一端穿过金属封装盒体的悬臂，所述进液口和出液口设置在悬臂的底部。
7.根据权利要求6所述的一种基于内嵌微流道印制电路板的微波组件，其特征在于，所述印制电路板中悬臂对应的区域不设置上布线层和下布线层。
8.根据权利要求1-7任一项所述的一种基于内嵌微流道印制电路板的微波组件的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤S1:印制电路板制备；
步骤S11：使用半固化片将有机布线层和金属布线层压合为上布线层和下布线层；
步骤S12：使用半固化片将上布线层、设置有微流道的金属芯板、下布线层压合为内嵌微流道印制电路板；
步骤S13：去除印制电路板中悬臂区域、大功率模块安装区域和大功率模块底部传热区域的上布线层和下布线层；
步骤S2:使用传热垫块焊接大功率模块；
步骤S21:焊接制备大功率模块；
步骤S22:将传热垫块放置在印制电路板内金属芯板的底部，使其弹性传热层与印制电路板内的金属芯板接触；
步骤S23:将大功率模块与印制电路板内的金属芯板焊接；
步骤S3:将其他元器件集成在印制电路板上；
步骤S4:将步骤S3制备得到的组合体安装在金属封装盒体内；
步骤S5：封盖。
9.根据权利要求8所述的一种基于内嵌微流道印制电路板的微波组件的制备方法，其特征在于，所述步骤S23具体是指：通过真空共晶焊接工艺将大功率模块与印制电路板内的金属芯板焊接。
10.根据权利要求8所述的一种基于内嵌微流道印制电路板的微波组件的制备方法，其特征在于，所述传热垫块由刚性传热层和位于刚性传热层顶部的弹性传热层组成；所述刚性传热层采用板状的高导热金属材料制成；所述弹性传热层采用具有耐高温、高导热特性的弹性材料制成。
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