CN117133721A - 一种具有导热体腔的多层陶瓷封装管壳结构及组件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有导热体腔的多层陶瓷封装管壳结构及组件，属于芯片封装技术领域，该多层陶瓷封装管壳结构包括盖板以及基于LTCC技术制成的底座；底座设置有容置导热体的导热体腔，导热体容置于导热体腔后，导热体的底面与底座的底面平齐，导热体顶面用于承载芯片；底座的底面设置有下表面导电层，用于与外部器件进行电连接；底座还设置有高频信号传输结构和低频信号传输结构；高频信号传输结构和低频信号传输结构均包括设置在导热体腔顶面的顶面导电层；顶面导电层能够通过导线与导热体腔中的芯片电连接；盖板用于盖合底座的上端敞口。该管壳结构能够满足毫米波信号对散热大的需求，特别适用于对散热要求较高的大功率芯片的封装。

Description

一种具有导热体腔的多层陶瓷封装管壳结构及组件
技术领域
本发明属于芯片封装技术领域，具体涉及一种具有导热体腔的多层陶瓷封装管壳结构及组件。
背景技术
随着无线技术的发展，设备的工作频率越来越高，5G通信、卫星通信、高精度雷达等系统已经使用毫米波频段进行信号传输，且系统对集成密度的需求也越来越高。在毫米波频段的利用过程中，封装管壳至关重要。封装管壳一般用于安装、固定、密封、保护裸芯片（Die），并将裸芯片的管脚引出，使芯片便于运输和装配，可以说芯片封装的好坏影响着芯片性能的发挥。
毫米波信号对传输结构的材料、尺寸等物理参数很敏感，但是传统的封装如塑料封装、金属封装、陶瓷封装等形式在毫米波频段的性能不理想。例如，塑料封装使用灌封方式，其材料在毫米波频段损耗大、寄生参数大、散热性能差；金属封装尺寸大，不适用于小型化、高密度集成、表面贴装；高温陶瓷封装内部导线采用钨、锰等材料，损耗大，不适用于毫米波频段。因此，亟需设计一种能够满足毫米波信号对损耗、尺寸以及散热需求的封装管壳。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种具有导热体腔的多层陶瓷封装管壳结构，该多层陶瓷封装管壳结构基于LTCC技术制成带有腔室的底座，并且该腔室用于设置导热体，导热体的顶面能够用于承载芯片，能够实现密封、导热、绝缘性能，能够满足毫米波信号对损耗小、尺寸小以及散热大的需求。
本发明提供的具有导热体腔的多层陶瓷封装管壳结构采用以下技术方案：
一种具有导热体腔的多层陶瓷封装管壳结构，包括盖板以及基于LTCC技术制成的底座；
所述底座设置有用于容置导热体的导热体腔，所述导热体腔上下敞口，所述导热体腔上表面的高度小于所述底座上表面的高度，所述导热体容置于所述导热体腔后，所述导热体的底面能够与所述底座的底面平齐，所述导热体的顶面用于承载芯片；
所述底座的底面设置有下表面导电层，用于与外部器件进行电连接；
所述底座还设置有高频信号传输结构和低频信号传输结构；所述高频信号传输结构和所述低频信号传输结构均包括设置在所述导热体腔顶面的顶面导电层，且所述高频信号传输结构包括高频信号导电柱，所述低频信号传输结构包括低频信号导电柱，所述高频信号导电柱和所述低频信号导电柱的两端分别连接所述顶面导电层和所述下表面导电层；所述顶面导电层能够通过导线与所述导热体腔中的所述芯片电连接；
所述盖板用于盖合所述底座的上端敞口。
进一步地，所述导热体腔包括从上至下内径依次减小的上腔和下腔；
所述上腔和所述下腔构成台阶形腔室结构，用于容置纵切截面为T形的导热体。
进一步地，所述底座的上表面与所述导热体腔的上表面之间形成空气腔。
进一步地，所述空气腔的内径大于所述上腔的内径。
进一步地，所述高频信号传输结构的高频信号导电柱周围分布有若干接地导电柱，所述底座的陶瓷基板上的若干导电层把所述接地导电柱连接起来对所述高频信号传输结构形成半包围结构；
且所述高频信号传输结构与所述半包围结构构成不闭合的同轴结构和微带结构。
进一步地，所述底座的陶瓷基板上设置有接地层，所述接地层与所述顶面导电层构成微波传输线。
此外，本发明还提供了一种具有导热体腔的多层陶瓷封装管壳组件，其包括上述的具有导热体腔的多层陶瓷封装管壳结构以及导热体和芯片；
所述导热体设置于所述导热体腔；
所述芯片设置于所述导热体的顶面，且所述芯片的顶面通过导线与所述高频信号传输结构和所述低频信号传输结构中的所述顶面导电层电连接。
进一步地，所述芯片的顶面与所述空气腔的底面的高度差小于0.3mm。
进一步地，所述芯片的顶面与所述空气腔的底面平齐；
所述芯片与所述导热体腔的内壁间隙为20μm~300μm。
进一步地，连接所述高频信号传输结构和所述芯片的导线长度在300μm以下；
所述导热体为金属或石墨或氮化铝。
有益效果：
1、一种具有导热体腔的多层陶瓷封装管壳结构，包括盖板以及基于LTCC技术制成的底座，底座设置有用于容置导热体的导热体腔，导热体腔上下敞口，导热体腔上表面的高度小于底座上表面的高度，导热体容置于导热体腔后，导热体的底面能够与底座的底面平齐，导热体的顶面能够用于承载芯片；底座的底面设置有下表面导电层，用于与外部器件进行电连接；底座还设置有高频信号传输结构和低频信号传输结构；高频信号传输结构和低频信号传输结构均包括设置在导热体腔顶面的导电层，且高频信号传输结构包括高频信号导电柱，低频信号传输结构包括低频信号导电柱，导热体腔的顶面导电层和下表面导电层通过高频信号导电柱和低频信号导电柱连接；导热体腔的顶面导电层能够通过导线与芯片电连接；盖板用于盖合所述底座的上端敞口。
如此，利用LTCC技术的多层陶瓷封装管壳能够满足毫米波信号对损耗小、尺寸小的需求，另外，封装管壳中能够设置导热体，且导热体的底面与底座的底面平齐，则芯片产生的热量能够直接通过导热体传输到封装管壳的底部，极大地提高了散热性能，能够满足毫米波信号对散热大的需求，特别适用于对散热要求较高的大功率芯片的封装。
2、导热体腔包括从上至下内径依次减小的上腔和下腔，上腔和下腔构成台阶形腔室结构，能够容置纵切截面为T形的导热体。如此，纵切截面为T形的导热体能够方便地承载于导热体腔的台阶上，便于导热体的安装。
3、底座的上表面与导热体腔的上表面之间形成空气腔。如此，能够使承载于导热体的芯片的上方不被介质覆盖，避免了在介质层形成表面波，有利于芯片高频信号的传输。
4、空气腔的内径大于上腔的内径。如此，通过设计合适的导热体腔的深度能够使芯片安装后，芯片上表面与空气腔的底面平齐，这样可以减小键合丝（导线）的长度，有利于高频信号传输。
5、高频信号传输结构的高频信号导电柱的周围分布有若干接地导电柱，底座陶瓷基板上的若干导电层把接地导电柱连接起来对高频信号传输结构形成半包围结构；高频信号传输结构与半包围结构不连接，且高频信号传输结构与半包围结构构成不闭合的同轴结构和微带结构。
如此，能够通过控制高频信号传输结构中高频信号导电柱的直径、导热体腔顶面的导电层的宽度、高频信号传输结构以及半包围结构的距离来获得合适的阻抗，使高频传输信号匹配，而且，半包围结构能够束缚电磁波。
6、芯片的顶面与空气腔的底面的高度差小于0.3mm，这样可以减小键合丝的长度，有利于高频信号的传输。
附图说明
图1为本发明提供的一种具有导热体腔的多层陶瓷封装管壳组件的爆炸示意图；
图2为本发明提供的一种具有导热体腔的多层陶瓷封装管壳组件的纵切截面示意图；
图3为本发明提供的一种具有导热体腔的多层陶瓷封装管壳组件中底座的细节结构示意图；
图4为本发明提供的一种具有导热体腔的多层陶瓷封装管壳组件中的半包围结构示意图；
图5为本发明提供的一种具有导热体腔的多层陶瓷封装管壳组件中底座的结构示意图；
其中，1-底座，101-下表面导电层，102-高频信号导电柱，103-顶面导电层，104-键合丝，105-接地导电柱，2-芯片，3-盖板，4-导热体，5-上腔，6-下腔，7-空气腔。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
实施例一：
参照图1~图5，本实施例提供一种具有导热体腔的多层陶瓷封装管壳结构，其组成包括盖板3以及基于LTCC技术制成的底座1，其中：
底座1设置有用于容置导热体4的导热体腔，导热体腔上下敞口，导热体腔上表面的高度小于底座1上表面的高度；导热体4容置于导热体腔后底面能够与底座1的底面平齐，导热体4的顶面能够用于承载芯片2；底座1的底面设置有下表面导电层101，用于与外部器件进行电连接；下表面导电层101由若干分离的导电区域组成；底座1还设置有高频信号传输结构和低频信号传输结构；高频信号传输结构和低频信号传输结构均包括设置在导热体腔顶面的顶面导电层103，而且，高频信号传输结构包括高频信号导电柱102，低频信号传输结构包括低频信号导电柱，高频信号导电柱102和低频信号导电柱嵌设于基座中，顶面导电层103和下表面导电层101通过高频信号导电柱102和低频信号导电柱连接；导热体腔的顶面导电层103能够通过导线（如键合丝104）与芯片2电连接；盖板3是一个薄板，长度和宽度尺寸与底座1相同或略小，厚度为0.1mm~1mm，材料可以是塑料、玻璃、陶瓷、金属等，可以通过粘结或焊接的方式与底座1连接起来，用于盖合底座1的上端敞口。
如此，利用LTCC技术的多层陶瓷封装管壳能够满足毫米波信号对损耗小、尺寸小的需求，另外，封装管壳中能够设置导热体4，且导热体4的底面与底座1的底面平齐，则芯片2产生的热量能够直接通过导热体4传输到封装管壳的底部，极大地提高了散热性能，能够满足毫米波信号对散热大的需求，特别适用于对散热要求较高的大功率芯片的表贴封装。
更具体地，本例中，导热体4是一个上大下小的实心结构，其纵切截面为T形结构。而且，导热体腔包括从上至下内径依次减小的上腔5和下腔6，且上腔5和下腔6构成台阶形腔室结构，能够用于容置纵切截面为T形的导热体4。如此，纵切截面为T形的导热体4能够方便地承载于导热体腔的台阶上，便于导热体4的安装。
作为改进，底座1还设置有空气腔7，空气腔7位于导热体腔的上方（可以理解为：底座1上表面与导热体腔上表面之间的空间为空气腔7），并与导热体腔构成台阶形腔室结构。如此，能够使承载于导热体4的芯片2上方不被介质覆盖，避免了在介质层形成表面波，有利于芯片2高频信号的传输。而且，使空气腔7的内径大于上腔的内径，如此，通过设计合适的导热体腔的深度能够使芯片2安装后，芯片2上表面与空气腔7的底面平齐，这样可以减小键合丝104的长度，有利于高频信号传输。
作为进一步改进，如图4所示，高频信号传输结构的高频信号导电柱102周围分布有若干接地导电柱105，底座1陶瓷基板上的若干导电层把接地导电柱105连接起来对高频信号传输结构形成半包围结构，高频信号传输结构与半包围结构不连接，且高频信号传输结构与半包围结构构成不闭合的同轴结构和微带结构。如此，能够通过控制高频信号传输结构中高频信号导电柱102的直径、导热体腔顶面的导电层的宽度、高频信号传输结构以及半包围结构的距离获得合适的阻抗，使高频传输信号匹配（可以通过电磁仿真来确定），而且，半包围结构能够束缚电磁波。此外，底座1的陶瓷基板上设置有接地层，接地层与顶面导电层103构成微波传输线，如此，可以通过对顶面导电层103的宽度进行调整从而进行阻抗匹配的微调。
实施例二：
在实施例一的基础上，提供一种具有导热体腔的多层陶瓷封装管壳组件，该组件包括实施一中的多层陶瓷封装管壳结构以及封装在该管壳结构内部的导热体4和芯片2，其中：
导热体4设置于导热体腔，如图2所示，导热体4上部的尺寸比上腔5的尺寸略小，使得导热体4与上腔5之间有间隙；导热体4下部的尺寸比下腔6的尺寸略小，使得导热体4与下腔6之间有间隙；导热体4与导热体腔的台阶连接，连接方式可以为粘结或焊接。芯片2设置于导热体4的顶面，且芯片2的顶面通过键合丝104与高频信号传输结构和低频信号传输结构中的导热体腔的顶面导电层103电连接。而且，芯片2的顶面与空气腔7的底面的高度差在0.3mm以下，优选使芯片2的顶面与空气腔7的底面平齐，这样可以减小键合丝104的长度，有利于高频信号的传输。
另外，在芯片2的高频信号侧，芯片2与导热体腔的内壁间隙优选为20μm~300μm，该间距可以保证比较短的键合丝104长度，并将键合丝104寄生电感控制在比较小的范围，保证了芯片2较高的工作频率，有利于高频信号的传输，本例中，连接高频信号传输结构和芯片2的键合丝104的长度在300μm以下；导热体4为具有高热导率的材料，可以是金属（如铜、钼、柯伐合金等）或石墨或氮化铝等。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。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)

1.一种具有导热体腔的多层陶瓷封装管壳结构，其特征在于，包括盖板以及基于LTCC技术制成的底座；
所述底座设置有用于容置导热体的导热体腔，所述导热体腔上下敞口，所述导热体腔上表面的高度小于所述底座上表面的高度，所述导热体容置于所述导热体腔后，所述导热体的底面能够与所述底座的底面平齐，所述导热体的顶面用于承载芯片；
所述底座的底面设置有下表面导电层，用于与外部器件进行电连接；
所述底座还设置有高频信号传输结构和低频信号传输结构；所述高频信号传输结构和所述低频信号传输结构均包括设置在所述导热体腔顶面的顶面导电层，且所述高频信号传输结构包括高频信号导电柱，所述低频信号传输结构包括低频信号导电柱，所述高频信号导电柱和所述低频信号导电柱的两端分别连接所述顶面导电层和所述下表面导电层；所述顶面导电层能够通过导线与所述芯片电连接；
所述盖板用于盖合所述底座的上端敞口。
2.根据权利要求1所述的一种具有导热体腔的多层陶瓷封装管壳结构，其特征在于，所述导热体腔包括从上至下内径依次减小的上腔和下腔；
所述上腔和所述下腔构成台阶形腔室结构，用于容置纵切截面为T形的导热体。
3.根据权利要求2所述的一种具有导热体腔的多层陶瓷封装管壳结构，其特征在于，所述底座的上表面与所述导热体腔的上表面之间形成空气腔。
4.根据权利要求3所述的一种具有导热体腔的多层陶瓷封装管壳结构，其特征在于，所述空气腔的内径大于所述上腔的内径。
5.根据权利要求3~4任意一项所述的一种具有导热体腔的多层陶瓷封装管壳结构，其特征在于，所述高频信号传输结构的高频信号导电柱周围分布有若干接地导电柱，所述底座的陶瓷基板上的若干导电层把所述接地导电柱连接起来对所述高频信号传输结构形成半包围结构；
且所述高频信号传输结构与所述半包围结构构成不闭合的同轴结构和微带结构。
6.根据权利要求5所述的一种具有导热体腔的多层陶瓷封装管壳结构，其特征在于，所述底座的陶瓷基板上设置有接地层，所述接地层与所述顶面导电层构成微波传输线。
7.一种具有导热体腔的多层陶瓷封装管壳组件，其特征在于，包括权利要求3-6任意一项所述的具有导热体腔的多层陶瓷封装管壳结构以及导热体和芯片；
所述导热体设置于所述导热体腔；
所述芯片设置于所述导热体的顶面，且所述芯片的顶面通过导线与所述高频信号传输结构和所述低频信号传输结构中的所述顶面导电层电连接。
8.根据权利要求7所述的一种具有导热体腔的多层陶瓷封装管壳组件，其特征在于，所述芯片的顶面与所述空气腔的底面的高度差小于0.3mm。
9.根据权利要求7所述的一种具有导热体腔的多层陶瓷封装管壳组件，其特征在于，所述芯片的顶面与所述空气腔的底面平齐；
所述芯片与所述导热体腔的内壁间隙为20μm~300μm。
10.根据权利要求7-9任意一项所述的一种具有导热体腔的多层陶瓷封装管壳组件，其特征在于，连接所述高频信号传输结构和所述芯片的导线长度在300μm以下；
所述导热体为金属或石墨或氮化铝。
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