CN115662965A - 一种新型大功耗芯片封装结构及封装方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种新型大功耗芯片封装结构及封装方法，从上至下依次包括钼铜载板、裸芯片层、陶瓷基板、球状焊盘、金属盖板；裸芯片层位于钼铜载板的底部，球状焊盘设置在陶瓷基板底层，在陶瓷基板内侧设有多层台阶结构，台阶结构上的金属焊盘通过金丝与裸芯片层上的芯片互联；钼铜载板的上表面是整个封装结构的散热面。本发明结构中钼铜载板和陶瓷基板均有气密特性，并通过金属盖板的平行封焊完成整个结构腔体的气密。保证了该封装结构可以在湿热、烟雾、霉菌等恶劣环境下长期可靠的工作。裸片与基板采用共晶烧结可以将空洞率控制在30%以内，进一步提高导热及散热效果。
Description
技术领域
本发明属于大功率芯片封装领域，具体涉及一种新型大功耗芯片封装结构及封装方法。
背景技术
目前的纯陶瓷工艺散热效果不理想，只能封装小功率芯片。
传统的塑封由于芯片散热面在底面（BOTTOM面），其需要在印制板上打通孔辅助散热才能达到散热效果，其弊端是背面不能布线。
在相控阵系统中，射频有源芯片主要集中在射频收发模块（TR模块）中，这也使得TR模块成为整个系统的核心部件，射频有源芯片占用了TR模块的大部分面积和绝大部分的功耗。相控阵系统的设备在不断的往小型化和高集成化方向发展，需要不断的压缩各分部件的体积才能满足应用场景的需求，其中TR模块面积的压缩主要是靠将射频芯片进行封装来减小占用面积，但将芯片封装后会带来一系列的散热问题需要解决，因此如何实现大功耗芯片的封装是芯片小型化应用中的关键技术之一。
现有芯片封装设计中往往都不能很好的解决芯片散热问题，如在论文《基于QFN封装的X波段GaAs T/R套片设计》中介绍的一种QFN封装工艺，将芯片粘接在封装内部的大焊盘上，使用时再将整个QFN封装焊接到PCB上，但PCB的导热能力不好，会影响芯片的散热。
如CN209471961U公开的《一种一体化集成电路封装结构》，其采用将裸芯片包裹于人造电介质塑封材料中，然后通过底面的球栅阵列与其它部分互联。该方式虽然可以实现小尺寸封装，但人造电介质塑封材料的导热系数十分有限，不利于芯片热量的散出，因此无法适用于大功率应用场景中。
由于大功率和小型化射频相控阵系统的迫切需求，传统的封装形式很难再满足工程应用。这就亟需在大功率和小型化的应用前景下寻求芯片封装快速散热的新架构。
发明内容
本发明的目的是提供一种新型大功耗芯片封装结构及封装方法，解决传统的塑封需要通孔辅助散热的问题，让印制板布局不受约束，走线更轻松。
为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：
一种新型大功耗芯片封装结构，从上至下依次包括钼铜载板、裸芯片层、陶瓷基板、球状焊盘、金属盖板；
裸芯片层位于钼铜载板的底部，裸芯片层的正面朝向陶瓷基板的正面，球状焊盘设置在陶瓷基板底层，
在陶瓷基板内侧设有多层台阶结构，台阶上靠近裸芯片层的位置处设有金属焊盘，台阶向下凸出的最高处连接金属盖板，金属焊盘通过金丝与裸芯片层上的芯片互联；
钼铜载板的上表面是整个封装结构的散热面。
作为优选方式，所述球状焊盘为焊锡球，焊锡球直径为0.2mm，通过植球工艺将所述球状焊盘设置在所述陶瓷基板底层的圆形焊盘上。
作为优选方式，陶瓷基板为多层板设计成的围框结构。
作为优选方式，在陶瓷基板内部布置射频线和控制供电线，球状焊盘与所述陶瓷基板的内部走线互连，从而实现将所述裸芯片层上裸芯片的电气管脚引出。
作为优选方式，所述陶瓷基板与所述钼铜载板采用焊料焊接形成一个整体。
作为优选方式，裸芯片层通过焊接工艺焊接在钼铜载板的底部。可以减小热阻，提高散热能力；
作为优选方式，所述裸芯片层包括射频芯片、低频控制芯片、微带电路器件、或电路板材其中一种。
作为优选方式，整个封装结构采用表贴工艺焊接在PCB板上。
作为优选方式，金属盖板通过平行封焊工艺焊接在所述陶瓷基板上，保证整个封装结构的气密性。保证了该封装结构可以在湿热、烟雾、霉菌等恶劣环境下长期可靠的工作。
本发明还提供一种新型大功耗芯片封装方法，包括如下步骤：
（1）将裸芯片层共晶烧结在钼铜载板上；
（2）将钼铜载板反扣在多层陶瓷基板上，使裸芯片层的正面朝向陶瓷基板的正面，再焊接钼铜载板和陶瓷基板；
（3）在陶瓷基板内侧设计成多层台阶结构，台阶上靠近裸芯片层的位置处设有金属焊盘，台阶向下凸出的最高处连接金属盖板，将裸芯片层与金属焊盘通过金丝电气互连；
（4）陶瓷基板背面焊接金属盖板，通过植球工艺将球状焊盘设置在所述陶瓷基板底层的圆形焊盘上。
所述钼铜载板采用钼铜材料作为载板，钼铜与射频芯片的热膨胀系数相近，可以防止温度变化产生的热应力破坏射频芯片。同时，钼铜具有良好的导热能力，可以与外部散热机构装配到一起，所述钼铜载板的使用能迅速的、完全的将射频芯片热量传导至外部散热机构。
所述陶瓷基板为多层板设计成的围框结构，可以使用HTCC工艺制成，HTCC是HighTemperature co-fired Ceramic高温共烧陶瓷，HTCC结构强度高、加工成本低且电特性稳定，并具备大批量生产的能力。在所述陶瓷基板内部可以方便的走射频线和控制供电线，并通过层与层之间的金属过孔进行互联。为方便的与所属裸芯片层上的芯片用金丝进行互连，在所述陶瓷基板内侧设计成台阶结构，在台阶上有金属焊盘，可以用金丝键合与芯片互联。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、相较于现有的芯片封装结构，本发明的架构更适用于大功率应用场景，将射频芯片焊接在钼铜载板上，可将封装内大功率芯片的热量迅速传导至外部散热机构。
2、本发明的大功耗芯片封装结构设计，采用陶瓷基板，结构强度高、加工成本低且电特性稳定，并可以很容易的实现层间互联，方便射频和低频走线设计。
3、本发明的大功耗芯片封装结构设计，通过植球的方式与外部部件互连，结构简单，集成度高，体积小、重量轻，更有利于系统微系统化、小型化应用场景。
4、本发明的大功耗芯片封装结构中钼铜载板和陶瓷基板均有气密特性，并通过金属盖板的平行封焊完成整个结构腔体的气密。保证了该封装结构可以在湿热、烟雾、霉菌等恶劣环境下长期可靠的工作。裸片与基板采用共晶烧结可以将空洞率控制在30%以内，进一步提高导热及散热效果。
附图说明
图1是本发明大功耗芯片封装结构的层级结构图。
图2是本发明侧视剖面示意图。
图3是本发明大功耗芯片封装结构的立体结构示意图。
图中，1为钼铜载板，2为裸芯片层，3为陶瓷基板，31为焊盘，32为金丝，33为圆形焊盘，4为球状焊盘，5为金属盖板。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
如图1所示，本实施例提供一种新型大功耗芯片封装结构，从上至下依次包括钼铜载板1、裸芯片层2、陶瓷基板3、球状焊盘4、金属盖板5；
如图1、图2所示，裸芯片层2位于钼铜载板1的底部，裸芯片层2的正面朝向陶瓷基板3的正面，球状焊盘4设置在陶瓷基板底层，如图3所示；
在陶瓷基板内侧设有多层台阶结构，台阶上靠近裸芯片层2的位置处设有金属焊盘31，台阶向下凸出的最高处连接金属盖板5，金属焊盘31通过金丝32与裸芯片层2上的芯片互联；
钼铜载板1的上表面是整个封装结构的散热面。
所述钼铜载板1采用钼铜材料作为载板，钼铜与射频芯片的热膨胀系数相近，可以防止温度变化产生的热应力破坏射频芯片。同时，钼铜具有良好的导热能力，热导率为160W/mk左右，而常规封装所使用的陶瓷热导率仅为30W/mk左右，聚四氟乙烯等其它电介质塑封材料的热导率都仅为1W/mk左右，这些材料很难保证大功耗芯片的散热。所述钼铜载板1可以与外部散热机构装配到一起，能迅速的、完全的将射频芯片热量传导至外部散热机构。
HTCC的材料是一种陶瓷，结构强度高、加工成本低且电特性稳定，并具备大批量生产的能力。在所述陶瓷基板3内部可以方便的走射频线和控制供电线，并通过层与层之间的金属过孔进行互联。
具体的，所述球状焊盘4为焊锡球，焊锡球直径为0.2mm，通过植球工艺将所述球状焊盘4设置在所述陶瓷基板3底层的圆形焊盘33上。
陶瓷基板3为多层板设计成的围框结构。
在陶瓷基板3内部布置射频线和控制供电线，球状焊盘4与所述陶瓷基板3的内部走线互连，从而实现将所述裸芯片层2上裸芯片的电气管脚引出。
所述陶瓷基板3与所述钼铜载板1采用焊料焊接形成一个整体。
裸芯片层2通过焊接工艺焊接在钼铜载板1的底部。可以减小热阻，提高散热能力；
所述裸芯片层2包括射频芯片、低频控制芯片、微带电路器件、或电路板材其中一种。可以根据功能或性能要求更改所使用的芯片，通过焊接工艺焊接在所述钼铜载板底部，相比于用银浆粘接，可以减小热阻，提高散热能力；
整个封装结构采用表贴工艺焊接在PCB板上。
金属盖板5通过平行封焊工艺焊接在所述陶瓷基板3上，保证整个封装结构的气密性。保证了该封装结构可以在湿热、烟雾、霉菌等恶劣环境下长期可靠的工作。
本实施例还提供一种新型大功耗芯片封装方法，包括如下步骤：
（1）将裸芯片层2共晶烧结在钼铜载板1上；
（2）将钼铜载板1反扣在多层陶瓷基板3上，使裸芯片层2的正面朝向陶瓷基板3的正面，再焊接钼铜载板和陶瓷基板3；
（3）在陶瓷基板3内侧设计成多层台阶结构，台阶上靠近裸芯片层2的位置处设有金属焊盘31，台阶向下凸出的最高处连接金属盖板5，将裸芯片层2与金属焊盘31通过金丝32电气互连；
（4）陶瓷基板3背面焊接金属盖板5，通过植球工艺将球状焊盘4设置在所述陶瓷基板3底层的圆形焊盘33上。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (10)
1.一种新型大功耗芯片封装结构，其特征在于：从上至下依次包括钼铜载板（1）、裸芯片层（2）、陶瓷基板（3）、球状焊盘（4）、金属盖板（5）；
裸芯片层（2）位于钼铜载板（1）的底部，裸芯片层（2）的正面朝向陶瓷基板（3）的正面，球状焊盘（4）设置在陶瓷基板底层；
在陶瓷基板内侧设有多层台阶结构，台阶上靠近裸芯片层（2）的位置处设有金属焊盘（31），台阶向下凸出的最高处连接金属盖板（5），金属焊盘（31）通过金丝（32）与裸芯片层（2）上的芯片互联；
钼铜载板（1）的上表面是整个封装结构的散热面。
2.根据权利要求1所述的一种新型大功耗芯片封装结构，其特征在于：所述球状焊盘（4）为焊锡球，通过植球工艺将所述球状焊盘（4）设置在所述陶瓷基板（3）底层的圆形焊盘（33）上。
3.根据权利要求1所述的一种新型大功耗芯片封装结构，其特征在于：陶瓷基板（3）为多层板设计成的围框结构。
4.根据权利要求1所述的一种新型大功耗芯片封装结构，其特征在于：在陶瓷基板（3）内部布置射频线和控制供电线，球状焊盘（4）与所述陶瓷基板（3）的内部走线互连，从而实现将所述裸芯片层（2）上裸芯片的电气管脚引出。
5.根据权利要求1所述的一种新型大功耗芯片封装结构，其特征在于：所述陶瓷基板（3）与所述钼铜载板（1）采用焊料焊接形成一个整体。
6.根据权利要求1所述的一种新型大功耗芯片封装结构，其特征在于：裸芯片层（2）通过焊接工艺焊接在钼铜载板（1）的底部。
7.根据权利要求1所述的一种新型大功耗芯片封装结构，其特征在于：所述裸芯片层（2）包括射频芯片、低频控制芯片、微带电路器件、或电路板材其中一种。
8.根据权利要求1所述的一种新型大功耗芯片封装结构，其特征在于：整个封装结构采用表贴工艺焊接在PCB板上。
9.根据权利要求1所述的一种新型大功耗芯片封装结构，其特征在于：金属盖板（5）通过平行封焊工艺焊接在所述陶瓷基板（3）上。
10.权利要求1至9任意一项所述的新型大功耗芯片封装结构的封装方法，其特征在于包括如下步骤：
（1）将裸芯片层（2）共晶烧结在钼铜载板（1）上；
（2）将钼铜载板（1）反扣在多层陶瓷基板（3）上，使裸芯片层（2）的正面朝向陶瓷基板（3）的正面，再焊接钼铜载板和陶瓷基板（3）；
（3）在陶瓷基板（3）内侧设计成多层台阶结构，台阶上靠近裸芯片层（2）的位置处设有金属焊盘（31），台阶向下凸出的最高处连接金属盖板（5），将裸芯片层（2）与金属焊盘（31）通过金丝（32）电气互连；
（4）陶瓷基板（3）背面焊接金属盖板（5），通过植球工艺将球状焊盘（4）设置在所述陶瓷基板（3）底层的圆形焊盘（33）上。
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