CN116963418A - 一种集成隔离电源的数字隔离器陶瓷封装结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种集成隔离电源的数字隔离器陶瓷封装结构，包括：陶瓷管壳，陶瓷管壳具有空腔；空腔内设有第一焊盘，陶瓷管壳设有若干外引脚，第一焊盘与外引脚电连接；隔离电路，隔离电路包括第一信号隔离芯片、第二信号隔离芯片、接口芯片和隔离电源芯片；第一信号隔离芯片、第二信号隔离芯片和接口芯片分别与第一焊盘倒装焊接，并分别填充有底部填充胶；隔离电源芯片倒装焊接在第一焊盘上；盖板，盖板设置在陶瓷管壳上，用于盖住空腔；其中，空腔中还填充有耐压有机硅胶。本发明的目的是提供一种集成隔离电源的数字隔离器陶瓷封装结构，用于克服传统塑料封装数字隔离器产品在特殊应用场景的缺陷和不足。
Description
技术领域
本发明涉及数字隔离器封装的技术领域，具体而言，涉及一种集成隔离电源的数字隔离器陶瓷封装结构。
背景技术
传统的光电隔离器和电感式传感器，在速率和抗干扰等方面已经不能满足现有及未来的应用需求。由于其固有的特性，导致器件速度慢，功耗大，体积相比数字隔离器大，同时需要外围元器件辅助、稳定其功能，未来应用范围将逐渐缩小。
随整备所装备越来越数字化及智能化，控制系统要求更多、更大的功率系统控制及信息反馈，整备对隔离器需求和要求也越来越高，尤其是可靠性上，数字隔离器比传统器件可靠性更高，体积、功耗及速度也远超过光电耦合隔离器，未来随着技术进一步发展，数字隔离器将在大部分应用中替代传统光耦器件，在高速领域对数字隔离器的需求也将更加迫切。
现有的传统隔离器普遍具有以下缺点：
1、塑料封装可靠性低，不满足高可靠性场景应用
现有数字隔离器一般采用塑料SOP或SOIC封装形式，在恶劣使用环境中，塑封料吸收潮气后，将加速塑封器件的分层、裂缝和腐蚀失效。温度为塑封器件另一个失效的关键加速因子，如温度升高会加速腐蚀和金属间扩散等失效，即使在较低的温度下，传统模塑料中的卤素的存在也会加速金属间扩散。而作为数字隔离器，若发生分层、裂缝等封装失效，将改变原有的爬电路径从而引起数字隔离器出现漏电、击穿电压降低等问题。键合引线互联可靠性问题，不满足宽温使用场景
2、键合引线互联可靠性问题，不满足宽温使用场景
虽然目前行业内有通过在陶瓷封装管壳内部灌封有机硅胶的方案用于提升数字隔离器耐压能力，解决了高可靠使用场景应用的问题，但该方案亦存在不足，在宽温-55℃～+125℃的使用环境下，由于温度交变应力的影响，灌封胶体会发生膨胀收缩，而CTE与键合线有较大差异，导致灌封胶和键合线界面产生应力，造成键合丝脱键、断裂等封装失效。
传统数字隔离器陶封耐压能力不足
3、传统数字隔离器陶封耐压能力不足
行业内目前的陶封数字隔离器通过灌胶工艺仅可以实现2500Vrms隔离耐压能力，对于更高耐压要求的应用场景不能得到相关使用。
发明内容
本发明的目的是提供一种集成隔离电源的数字隔离器陶瓷封装结构，用于克服传统塑料封装数字隔离器产品在特殊应用场景的缺陷和不足。
本发明的实施例通过以下技术方案实现：
一种集成隔离电源的数字隔离器陶瓷封装结构，包括：
陶瓷管壳，所述陶瓷管壳具有空腔；所述空腔内设有第一焊盘，所述陶瓷管壳设有若干外引脚，所述第一焊盘与所述外引脚电连接；
隔离电路，所述隔离电路包括第一信号隔离芯片、第二信号隔离芯片、接口芯片和隔离电源芯片；所述第一信号隔离芯片、所述第二信号隔离芯片和所述接口芯片分别与所述第一焊盘倒装焊接，并分别填充有底部填充胶；所述隔离电源芯片倒装焊接在所述第一焊盘上；
盖板，所述盖板设置在所述陶瓷管壳上，用于盖住所述空腔；
其中，所述空腔中还填充有耐压有机硅胶。
在本发明的一实施例中，所述第一信号隔离芯片、所述第二信号隔离芯片和所述接口芯片上分别设有依次连接的重布线层、金属膜和焊料凸块；所述第一信号隔离芯片、所述第二信号隔离芯片和所述接口芯片分别通过所述焊料凸块倒装焊接在所述第一焊盘上。
在本发明的一实施例中，所述焊料凸块为焊料凸点、金凸点和铜凸点中的任意一种。
在本发明的一实施例中，所述隔离电路还包括若干滤波电容；所述滤波电容设置在所述第一信号隔离芯片和所述第二信号隔离芯片与所述陶瓷管壳内壁之间。
在本发明的一实施例中，所述隔离电源芯片通过第二焊盘焊接有若干焊球，所述隔离电源芯片通过所述焊球倒装焊接在所述第一焊盘上。
在本发明的一实施例中，所述隔离电源芯片内设有若干原边电源线圈和若干副边电源线圈。
在本发明的一实施例中，所述原边电源线圈和所述副边电源线圈之间具有中间介质层，所述中间介质层的厚度为0.1mm。
在本发明的一实施例中，所述第一焊盘上设有镍镀层和金镀层。
在本发明的一实施例中，所述金镀层的厚度为0.03um-0.5um，所述镍镀层的厚度为1.3um-8.9um。
在本发明的一实施例中，所述第一焊盘的共面性≤40um。
本发明实施例的技术方案至少具有如下优点和有益效果：
本发明的集成隔离电源的数字隔离器陶瓷封装结构，在集成隔离电源的数字隔离器中，相对于传统塑料封装，本发明采用陶瓷封装结构，满足高可靠应用场景的使用；在采用陶瓷封装结构的集成隔离电源的数字隔离器中，相对于传统通过键合引线互联灌封可靠性低的问题，本发明采用RDL重布线和倒装工艺，解决了传统键合线脱键、断裂造成器件失效的问题；在采用陶瓷封装结构的集成隔离电源的数字隔离器中，隔离耐压能力从2500Vrms提升至4000Vrms。
附图说明
图1为本发明的爆炸视图；
图2为本发明的主视图；
图3为第一信号隔离芯片或第二信号隔离芯片或接口芯片的结构示意图；
图4为隔离电源芯片的结构示意图；
图5为信号IO示意图。
图标：1-陶瓷管壳，1a-空腔，11-第一焊盘，12-外引脚，2-隔离电路，21-第一信号隔离芯片，22-第二信号隔离芯片，23-隔离电源芯片，24-接口芯片，25-滤波电容，26-重布线层，27-焊料凸块，28-第二焊盘，29-焊球，3-底部填充胶，4-盖板，5-耐压有机硅胶。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相正对地重要性。仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
请参照图1-图5，一种集成隔离电源的数字隔离器陶瓷封装结构，包括陶瓷管壳1、隔离电路2和盖板4。
如图1和图5所示，陶瓷管壳1具有空腔1a，空腔1a内设有第一焊盘11，陶瓷管壳1外还设有若干外引脚12；其中，陶瓷管壳1在第一焊盘11和外引脚12之间设有多层金属走线，以实现第一焊盘11和外引脚12的电连接；当隔离电路2设置在第一焊盘11上时，整个链路完成芯片信号从d ie到器件外引脚12的IO。
第一焊盘11采用化学镀薄金工艺，其顶部镀有镍镀层和金镀层，其中，金镀层的厚度为0.03um-0.5um，镍镀层的厚度为1.3um-8.9um；同时，为满足装配需求，第一焊盘11的共面性≤40um。
如图1-图2所示，隔离电路2包括第一信号隔离芯片21、第二信号隔离芯片22、接口芯片24和隔离电源芯片23；第一信号隔离芯片21、第二信号隔离芯片22、接口芯片24和隔离电源芯片23分别倒装焊接在第一焊盘11上。
隔离电路2还包括若干滤波电容25，滤波电容25设置在第一信号隔离芯片21和第二信号隔离芯片22与陶瓷管壳1内壁之间，用于滤除该数字隔离电路2的交流信号成分，使输出的DC更加光滑。
本实施例中，接口芯片24可以为CAN接口、485接口、422接口或其它接口。
具体的，如图3所示，第一信号隔离芯片21、第二信号隔离芯片22和接口芯片24在初始状态为wi rebond设计，表面分布有用于键合的接口，为了满足第一信号隔离芯片21、第二信号隔离芯片22和接口芯片24的倒装焊接需求，分别在第一信号隔离芯片21、第二信号隔离芯片22和接口芯片24依次设置有重布线层26、金属膜和焊料凸块27；即进行RDL重布线设计并制造，再通过C4技术生成多层金属膜UBM，最后在制备好的金属膜UBM上进行焊料凸块27的生长。
第一信号隔离芯片21、第二信号隔离芯片22和接口芯片24均通过焊料凸块27倒装焊接在第一焊盘11上；并且，焊料凸块27和第一焊盘11之间的间隙还填充有底部填充胶3，提升耐压性能，保护焊料凸块27不受CET适配造成不适当应力损坏；同时，由于芯片和陶瓷管壳1在使用过程中易因热失配而造成连接失效。底部填充胶3能够减少硅芯片和陶瓷管壳1间热膨胀失配造成的影响，并能有效地缓冲机械冲击的损伤程度。
本实施例中，焊料凸块27可以为焊料凸点、金凸点和铜凸点中的任意一种；其中，焊料凸点可以由高铅焊料、共晶焊料和无铅焊料制成。
再具体的，如图4所示，隔离电源芯片23通过第二焊盘28焊接有若干焊球29，隔离芯片通过焊球29倒装焊接在第一焊盘11上；其中，一部分第二焊盘28为用于植球的信号IO焊盘，另一部分第二焊盘28为用于应力平衡安装的焊盘；相应的，一部分焊球29为信号IO焊球29，另一部分焊球29为平衡焊球29；信号IO焊球29和平衡焊球29均通过植球工艺回流焊接在第二焊盘28上。
如图4所示，隔离电源芯片23内设有若干原边电源线圈和若干副边电源线圈；通过原边电源线圈和副边电源线圈的电感耦合，隔离电源芯片23实现了输入和输出之间的电气隔离，避免了输入端可能存在的电流、电压涌动、干扰等问题对输出端的影响；同时，通过功率传输，隔离电源芯片23能够将合适的电能传递给负载，满足其工作要求，提高安全性、稳定性和效率。
本实施例中，隔离电源芯片23内分别设有两个原边电源线圈和两个副边电源线圈，且原边电源线圈和副边电源线圈用于成型的导体采用金属；进一步地，为满足4000Vms隔离耐压能力，原边电源线圈和副边电源线圈之间具有中间介质层，该中间介质层的厚度为0.1mm。
其中，本实施例中的中间介质层优选为低温共烧氧化铝陶瓷。
如图1所示，空腔1a中还灌注有耐压有机硅胶5，耐压有机硅胶5包裹住第一信号隔离芯片21、第二信号隔离芯片22、接口芯片24和隔离电源芯片23，满足要求的耐压能力。
如图1所示，当耐压有机硅胶5灌注完成后，盖板4通过平行封焊工艺或金锡熔封工艺设置在陶瓷管壳1上，从而盖住空腔1a。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种集成隔离电源的数字隔离器陶瓷封装结构，其特征在于，包括：
陶瓷管壳，所述陶瓷管壳具有空腔；所述空腔内设有第一焊盘，所述陶瓷管壳设有若干外引脚，所述第一焊盘与所述外引脚电连接；
隔离电路，所述隔离电路包括第一信号隔离芯片、第二信号隔离芯片、接口芯片和隔离电源芯片；所述第一信号隔离芯片、所述第二信号隔离芯片和所述接口芯片分别与所述第一焊盘倒装焊接，并分别填充有底部填充胶；所述隔离电源芯片倒装焊接在所述第一焊盘上；
盖板，所述盖板设置在所述陶瓷管壳上，用于盖住所述空腔；
其中，所述空腔中还填充有耐压有机硅胶。
2.根据权利要求1所述的一种集成隔离电源的数字隔离器陶瓷封装结构，其特征在于，所述第一信号隔离芯片、所述第二信号隔离芯片和所述接口芯片上分别设有依次连接的重布线层、金属膜和焊料凸块；所述第一信号隔离芯片、所述第二信号隔离芯片和所述接口芯片分别通过所述焊料凸块倒装焊接在所述第一焊盘上。
3.根据权利要求2所述的一种集成隔离电源的数字隔离器陶瓷封装结构，其特征在于，所述焊料凸块为焊料凸点、金凸点和铜凸点中的任意一种。
4.根据权利要求1所述的一种集成隔离电源的数字隔离器陶瓷封装结构，其特征在于，所述隔离电路还包括若干滤波电容；所述滤波电容设置在所述第一信号隔离芯片和所述第二信号隔离芯片与所述陶瓷管壳内壁之间。
5.根据权利要求1所述的一种集成隔离电源的数字隔离器陶瓷封装结构，其特征在于，所述隔离电源芯片通过第二焊盘焊接有若干焊球，所述隔离电源芯片通过所述焊球倒装焊接在所述第一焊盘上。
6.根据权利要求1所述的一种集成隔离电源的数字隔离器陶瓷封装结构，其特征在于，所述隔离电源芯片内设有若干原边电源线圈和若干副边电源线圈。
7.根据权利要求6所述的一种集成隔离电源的数字隔离器陶瓷封装结构，其特征在于，所述原边电源线圈和所述副边电源线圈之间具有中间介质层，所述中间介质层的厚度为0.1mm。
8.根据权利要求1所述的一种集成隔离电源的数字隔离器陶瓷封装结构，其特征在于，所述第一焊盘上设有镍镀层和金镀层。
9.根据权利要求8所述的一种集成隔离电源的数字隔离器陶瓷封装结构，其特征在于，所述金镀层的厚度为0.03um-0.5um，所述镍镀层的厚度为1.3um-8.9um。
10.根据权利要求1所述的一种集成隔离电源的数字隔离器陶瓷封装结构，其特征在于，所述第一焊盘的共面性≤40um。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| CN213780970U (zh) * | 2020-12-16 | 2021-07-23 | 湖南航天机电设备与特种材料研究所 | 一种基于sip技术的导航数据处理器及其封装结构 |
Patent Citations (5)
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