CN117855157B - 一种毫米波固态功率放大器的封装结构及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及封装技术领域，具体公开了一种毫米波固态功率放大器的封装结构及方法，封装结构包括设置有热沉区域且采用铝合金制备的封装主体结构、设置在封装主体结构上与封装主体结构一体成型且与封装主体结构之间不形成间隙的热沉；所述热沉呈层状结构且位于热沉区域，包括采用铝基碳化硅复合材料制备的上层结构、以及采用金刚石/铝复合材料制备且位于上层结构的底部的下层结构；以及公开了封装方法；本发明消除了热沉与封装主体结构之间的装配间隙，不但提高了射频芯片的散热通道的散热效率，降低高频传输损耗；既保证了芯片的散热通道效率和热膨胀系数匹配性，又保证了封装结构的整体可机械加工成型性和高效的镀涂性。
Description
技术领域
本发明涉及封装技术领域，更具体地讲，涉及一种毫米波固态功率放大器的封装结构及方法。
背景技术
现有技术中的毫米波固态放大器一般采用混合集成工艺制造；采用金属封装方式进行封装，芯片一般采用导热率较高的钎料焊接在热沉上，然后再将热沉焊接或粘接或机械固定在封装盒体中，其它部位采用微组装混合集成工艺常用手段进行装配，最终形成功率放大器整件；
上述装配模式对于低频段的固态功率放大器而言，可实现可靠地制造；
然而，当固态放大器的频段进行毫米波段时，装配精度对电性能的影响逐渐明显；主要表现为射频通道装配界面对损耗和驻波的影响增大，特别是芯片的热沉与封装盒体之间的装配界面；
在目前的封装结构下，只能通过控制加工精度和装配精度来改善；在不改变封装结构的情形下，提高加工精度和装配精度带来的射频信号传输性能改善有限。
目前工程化应用的主流固态功率放大器主要从两个方面来改善产品射频通道传输性能；一是在封装结构设计上，尽可能提高射频通道的加工精度和配合精度；二是在装配过程中，采用自动化装配来提高装配精度；具体的，芯片的热沉是后装配在封装结构体上的，故此热沉四周必然和封装结构体上有一物理缝隙，该缝隙一般在0.2mm-0.3mm。在高频微波信号传输时，该缝隙会增大传输损耗。
然而当固态功率放大器的频率达到W频段时，传统的从设计和装配上来提升射频通道传输损耗的方法所起到的作用不太显著。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种毫米波固态功率放大器的封装结构及方法，消除了热沉与封装主体结构之间的装配间隙，不但提高了射频芯片的散热通道的散热效率，降低高频传输损耗；既保证了芯片的散热通道效率和热膨胀系数匹配性，又保证了封装结构的整体可机械加工成型性和高效的镀涂性。
本发明解决技术问题所采用的解决方案是：
一方面：
本发明公开了一种毫米波固态功率放大器的封装结构，包括设置有热沉区域且采用铝合金制备的封装主体结构、设置在封装主体结构上与封装主体结构一体成型且与封装主体结构之间不形成间隙的热沉；
所述热沉呈层状结构且位于热沉区域，包括采用铝基碳化硅复合材料制备的上层结构、以及采用金刚石/铝复合材料制备且位于上层结构的底部的下层结构。
在一些可能的实施方式中，
所述铝基碳化硅复合材料中的碳化硅颗粒的直径为30μm-60μm，碳化硅颗粒的体积分数为42%-65%。
在一些可能的实施方式中，
所述金刚石/铝复合材料中的金刚石颗粒的直径为40μm-200μm，金刚石颗粒的体积分数为55%-60%。
在一些可能的实施方式中，
所述上层结构远离下层结构一侧的侧面与封装主体结构的内侧面共面。
在一些可能的实施方式中，
所述上层结构的厚度为A，A=0.08mm-0.1mm；所述下层结构的底部与封装主体结构的底部之间的距离为D，D=0.1mm-0.2mm。
在一些可能的实施方式中，
还包括粘贴或烧结在上层结构上的芯片、功放组件、以及用于将封装主体结构封闭的盖体。
在一些可能的实施方式中，
所述热沉在X轴方向和Y轴方向的尺寸均大于芯片的外轮廓尺寸，且均大于0.1mm。
另一方面：
本发明还公开了一种如以上所述的毫米波固态功率放大器的封装结构的封装方法，具体包括以下步骤：
步骤S1：绘制封装结构的图纸；
步骤S2：采用粉末冶金的方式做出封装结构的雏形；
步骤S3：对雏形进行精加工、镀涂金属层；
步骤S4：芯片、功放组件安装；
步骤S5：盖体组装，完成制备。
在一些可能的实施方式中，所述步骤S2包括以下步骤：
步骤S21：按照图纸，采用铝合金粉末、铝基碳化硅复合材料、金刚石/铝复合材料分别进行封装主体结构、上层结构、下层结构的压合；
步骤S22：将压合后的封装主体结构、上层结构、下层结构进行组装并包套紧固，形成一个整体；
步骤S23：将整体放入热等静压设备进行热等静压；其中，温度为400℃-600℃，压力为10MPa-150MPa，保温时间为1h-10h；
步骤S24:将步骤S23处理后的产品进行热处理和淬火处理；
其中，热处理时，温度为500℃-530℃，时间为2.5h-3.5h；
淬火处理时，温度为5℃-30℃，时间为10s-15s；
步骤S25:退火处理；其中，温度为170℃-180℃，处理时间为7h-8h，获得封装结构的雏形。
在一些可能的实施方式中，所述步骤S3具体包括以下步骤：
步骤S31：采用线切割或电火花加工或铣削方式对雏形进行精加工，获得封装结构体；
步骤S32：采用化学镀或电镀的方式，在封装结构体的表面镀涂金属层。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明通过采用粉末冶金的方式实现封装主体结构、上层结构、下层结构形成一个整体；从而使得上层结构与下层结构所形成的热沉与封装主体结构之间不会形成装配间隙，芯片直接装配在封装结构的热沉区域，减少了一级过渡，消除了热沉与封装主体结构的界面；不但提高了芯片的散热通道的散热效率，很大程度上改善了射频通道的传输性能，降低高频传输损耗；
本发明中通过采用铝基碳化硅复合材料制备的上层结构，并采用金刚石/铝复合材料制备下层结构，两者层叠设置形成热沉；下层结构设置在上层结构与封装主体结构之间；上层结构的设置将有效的保证封装结构的整体可机械加工成型性和高效的镀涂性；同时金刚石/铝复合材料将保证芯片的散热通道效率和热膨胀系数匹配性；
本发明中通过热沉与封装主体结构的一体成型，使得热沉和封装结构体之间在宏观结构和电性能上没有界面，并在材料微观上形成有材料成分变化的界面，该材料成分变化的界面不会影响射频信号传输的损耗，但是会降低热沉和封装结构之间的热阻，提高芯片的散热效率。
附图说明
图1为本发明中封装主体结构、热沉、芯片、功放组件的结构示意图；
图2为本发明中图1中a处的放大示意图；
图3为本发明中芯片与热沉的位置关系俯视图；
其中：1、封装主体结构；2、热沉；21、上层结构；22、下层结构；3、芯片。
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，可以是两个元件内部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。
一方面：
如图1-图3所示，本发明公开了一种毫米波固态功率放大器的封装结构，包括设置有热沉区域且采用铝合金制备的封装主体结构1、设置在封装主体结构1上与封装主体结构1一体成型且与封装主体结构1之间不形成间隙的热沉2、粘贴或烧结在上层结构21上的芯片3、功放组件、以及用于将封装主体结构1封闭的盖体；
所述热沉2呈层状结构且位于热沉区域，包括采用铝基碳化硅复合材料制备的上层结构21、以及采用金刚石/铝复合材料制备且位于上层结构21底部的下层结构22；
热沉区域呈一个凹槽结构且设置在封装主体结构1上，热沉2将位于凹槽结构内，且与封装主体结构1采用粉末冶金的方式一体成型；热沉2与封装主体结构1之间将不会形成间隙；采用该设置将使得芯片3直接装配在封装结构主体的热沉区域，减少了一级过渡；从而消除了现有技术中热沉2与封装主体结构1的界面；不但提高了射频芯片3的散热通道的散热效率，同时由于热沉2与封装主体结构1一体成型消除了热沉2与封装主体结构1之间的缝隙，改善了射频通道的传输性能，降低高频传输损耗；对毫米波段，特别是W频段的固态功放电性能和散热能力提升效果极为明显；
金刚石/铝复合材料其导热性好、较小的热膨胀系数以及较低的密度；保证了芯片3的散热通道效率和热膨胀系数匹配性；然而金刚石/铝复合材料直接机械加工难度相当大，对高体积分数的金刚石/铝复合材料来说，机械加工很难保证其表面粗糙度达到预期效果，同时金刚石/铝复合材料和与铝合金同时表面镀涂金属时，工艺控制相关困难；故采用在下层结构22上采用铝基碳化硅复合材料制备一层上层结构21，来实现保证了封装结构的整体可机械加工成型性和高效的镀涂性；从而满足封装结构的功能需求；
进一步的，所述铝基碳化硅复合材料中的碳化硅颗粒的直径为30μm-60μm，碳化硅颗粒的体积分数为42%-65%；
进一步的，所述金刚石/铝复合材料中的金刚石颗粒的直径为40μm-200μm，金刚石颗粒的体积分数为55%-60%；
通过上述体积分数、粒径的设置，使得在保证具有良好的导热效果下，还能够有效的实现封装主体结构与热沉的加工，使其能够良好的结合，进而进一步的提高散热效率，并使得能够改善了射频通道的传输性能，降低了高频传输损耗；
进一步的，所述上层结构21远离下层结构22一侧的侧面与封装主体结构1的内侧面共面；
具体的，如图2所示，所述上层结构21的厚度为A，A=0.08mm-0.1mm；所述下层结构22底部与封装主体结构1底部之间的距离为D，D=0.1mm-0.2mm；
进一步的，为了有效的满足芯片3的安装；热沉2在X轴方向和Y轴方向的尺寸均大于芯片3的外轮廓尺寸，且均大于0.1mm；即如图3所示，B＞0.1mm。
另一方面：
本发明还公开了一种如以上所述的毫米波固态功率放大器的封装结构的封装方法，具体包括以下步骤：
步骤S1：绘制封装结构的图纸；
步骤S2：采用粉末冶金的方式做出封装结构的雏形；所述步骤S2包括以下步骤：
步骤S21：按照图纸，采用铝合金粉末、铝基碳化硅复合材料、金刚石/铝复合材料分别进行封装主体结构1、上层结构21、下层结构22的压合；
步骤S22：将压合后的封装主体结构1、上层结构21、下层结构22进行组装并包套紧固，形成一个整体，并对该整体进行抽真空处理；
步骤S23：将整体放入热等静压设备进行热等静压；其中，温度为400℃-600℃，压力为10MPa-150MPa，保温时间为1h-10h；
步骤S24:将步骤S23处理后的产品进行热处理和淬火处理；
其中，热处理时，温度为500℃-530℃，时间为2.5h-3.5h；
淬火处理时，温度为5℃-30℃，时间为10s-15s；
步骤S25:退火处理；其中，温度为170℃-180℃，处理时间为7h-8h，获得封装结构的雏形；
采用上述方法进行粉末冶金，使得最终获得封装结构的雏形，不仅使其具有良好的力学性能，还使得其的界面密封性和材料内应力满足封装要求；
步骤S3：对雏形进行精加工、镀涂金属层；所述步骤S3具体包括以下步骤：
步骤S31：采用线切割或电火花加工或铣削方式对雏形进行精加工，获得低损耗高散热的封装结构体；
步骤S32：采用现有技术中化学镀或电镀的方式，在封装结构体的表面镀涂金属层，从而获得可进行微组装的表面状态；具体的金属层可以为镍层、镍/金层；
微组装是指采用混合集成电路装配相关方法，将芯片3和相关元器件采用烧结、粘接、机械装配等方式装配成具有独立功能的固态功放产品；
步骤S4：芯片3、功放组件安装；
步骤S5：盖体组装，完成制备。
实施例1：
本实施例中，封装主体结构1采用6063铝合金制成，包括设置有热沉区域的底板、以及设置在底板且与底板一体成型的侧板，底板与侧板配合形成安装腔，凹槽设置在底板上，热沉位于凹槽内后其面与安装腔的底面共面；安装腔沿Z轴方向的高度为C，C≥1mm；
盖板采用4047铝合金制成，两者采用激光焊接的方式与侧板的顶面连接；底板对应的热沉区域上设置有用于设置热沉2的凹槽；
芯片3通过粘贴或烧结的方式设置在采用铝基碳化硅复合材料制成上层结构21的上表面上，上层结构21沿Z轴方向的厚度为A，A=0.1mm-0.15mm，其中,碳化硅颗粒的直径为30μm，碳化硅颗粒的体积分数为65%；
如图2所示，上层结构21下方的下层结构22为金刚石/铝复合材料制成，下层结构22的底部与封装主体结构1底面之间的距离为D，D=0.1mm-0.2mm，其中的金刚石颗粒直径200μm，金刚石颗粒体积分数为55%；
如图3所示，芯片3在水平面上的外轮廓与热沉2在水平的外轮廓之间存在至少0.1mm的距离；
芯片3以粘接或烧结的方式安装在该热沉区域的热沉2上；其他功放组件的组装方式采用混合集成常用手段进行，包括金丝焊接、阻容元器件钎焊等。
其封装方法为：
采用AutoCAD、CATIA等工具绘制封装结构机械制造图纸；
采用粉末冶金的方式做出封装结构的雏形，在该阶段要考虑加工余量和加工定位面；
即：采用6063铝合金粉末材料压合形成符合要求的封装主体结构1；
采用铝基碳化硅复合材料压合形成上层结构21；
采用金刚石/铝复合材料压合形成下层结构22；
随后将三者进行组装并包套紧固，形成一个整体；
将整体放入热等静压设备中进行热等静压，在500℃-530℃温度下进行真空保温保压，获得封装结构的雏形；
对雏形采用精密加工的方式加工，得到封装结构体；
采用电镀或化学镀的方式在封装结构体的表层需要部位镀涂金属层；
利用混合集成电路装配常用手段将组成固态功放的零部件、元器件等装配成毫米波固态功率放大器；其中芯片3采用钎焊或粘接的方式安装在封装结构体上的层状包覆热沉区域。
最后，再利用激光焊接等方式将盖板与封装结构进行熔焊密封；
至此，形成功能完备的毫米波固态功率放大器。
本发明从电性能方面来说，将芯片3的热沉2与封装主体结构1在制造时就制造成一个整体，然后再通过机械加工形成封装结构；芯片3的热沉2和封装主体结构1之间在宏观结构和电性能上没有界面，只在材料微观上有材料成分变化的界面，该材料成分变化的界面不会影响射频信号传输的损耗，但是会降低热沉2和封装结构之间的热阻，提高芯片3的散热效率；
芯片3直接装配在封装主体结构1的热沉区域，减少了一级过渡；从而消除了热沉2与封装主体结构1组装时的界面，提高了射频芯片3的散热通道的散热效率；
同时消除了射频热沉2与封装主体结构1之间的缝隙，很大程度上改善了射频通道的传输性能，降低了高频传输损耗；
进一步的，对毫米波段，特别是W频段的固态功放电性能和散热能力提升效果极为明显；
由于本发明中采用金刚石/铝复合材料来实现散热，然而直接金刚石/铝复合材料机械加工难度相当大，对高体积分数金刚石/铝复合材料来说，机械加工很难保证其表面粗糙度达到预期效果。而且金刚石/铝复合材料和与铝合金同时表面镀涂镍金时，工艺控制相关困难，对此芯片3正下方采用铝基碳化硅复合材料＋金刚石/铝复合材料+铝合金的三明治包覆结构，既保证了芯片3的散热通道效率和热膨胀系数匹配性，又保证了封装结构的整体可机械加工成型性和高效的镀涂性；
现有技术中还有采用石墨/铜复合材料作为热沉进行封装主体结构1进行制备，然而虽然能够实现散热，但在长时间使用后，由于环境中水汽的长时间积留，从而使得石墨存在水解的风险，进而使得界面失效，无法正常使用，铜基与铝合金为不同种类材料，在加工制备时，加工工艺要求严格，加工制备难度较大，成品率较低；
对此，本申请中采用铝基碳化硅复合材料制备的上层结构21、以及采用金刚石/铝复合材料制备且位于上层结构21底部的下层结构22组合形成的热沉将有效的避免水汽影响正常使用，大大提高了使用寿命；
同时，由于本发明中封装主体结构1采用铝合金制成，上层结构和下层结构均为铝基材料，这将使得上层结构、下层结构、封装主体结构在采用粉末冶金进行制备时加工更加简单，三者之间便能够友好的结合，从而消除热沉2与封装主体结构1的界面，制造工艺窗口更加宽，成品率较高；
消除了热沉2与封装主体结构1组装时的界面，提高了射频芯片3的散热通道的散热效率；
同时消除了热沉2与封装主体结构1之间的缝隙，很大程度上改善了射频通道的传输性能，降低了高频传输损耗；对毫米波段，特别是W频段的固态功放电性能和散热能力提升效果极为明显，其中波段在2GHz到18GHz范围内时，传输插损改善0.5dB-1.0dB。
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 (9)
1.一种毫米波固态功率放大器的封装结构，其特征在于，包括设置有热沉区域且采用铝合金制备的封装主体结构、设置在封装主体结构上与封装主体结构一体成型且与封装主体结构之间不形成间隙的热沉；
所述热沉呈层状结构且位于热沉区域，包括采用铝基碳化硅复合材料制备的上层结构、以及采用金刚石/铝复合材料制备且位于上层结构的底部的下层结构；
所述的热沉区域呈一个凹槽结构且设置在封装主体结构上，热沉将位于凹槽结构内；
所述上层结构的厚度为A，A=0.08mm-0.1mm；所述下层结构的底部与封装主体结构的底部之间的距离为D，D=0.1mm-0.2mm。
2.根据权利要求1所述的一种毫米波固态功率放大器的封装结构，其特征在于，所述铝基碳化硅复合材料中的碳化硅颗粒的直径为30μm-60μm，碳化硅颗粒的体积分数为42%-65%。
3.根据权利要求1所述的一种毫米波固态功率放大器的封装结构，其特征在于，所述金刚石/铝复合材料中的金刚石颗粒的直径为40μm-200μm，金刚石颗粒的体积分数为55%-60%。
4.根据权利要求1所述的一种毫米波固态功率放大器的封装结构，其特征在于，所述上层结构远离下层结构一侧的侧面与封装主体结构的内侧面共面。
5.根据权利要求1-4任一项所述的一种毫米波固态功率放大器的封装结构，其特征在于，还包括粘贴或烧结在上层结构上的芯片、功放组件、以及用于将封装主体结构封闭的盖体。
6.根据权利要求5所述的一种毫米波固态功率放大器的封装结构，其特征在于，所述热沉在X轴方向和Y轴方向的尺寸均大于芯片的外轮廓尺寸，且均大于0.1mm。
7.一种封装方法，其特征在于，基于权利要求1-6任一项所述的毫米波固态功率放大器的封装结构，具体包括以下步骤：
步骤S1：绘制封装结构的图纸；
步骤S2：采用粉末冶金的方式做出封装结构的雏形；
步骤S3：对雏形进行精加工、镀涂金属层；
步骤S4：芯片、功放组件安装；
步骤S5：盖体组装，完成制备。
8.根据权利要求7所述的一种封装方法，其特征在于，所述步骤S2包括以下步骤：
步骤S21：按照图纸，采用铝合金粉末、铝基碳化硅复合材料、金刚石/铝复合材料分别进行封装主体结构、上层结构、下层结构的压合；
步骤S22：将压合后的封装主体结构、上层结构、下层结构进行组装并包套紧固，形成一个整体；
步骤S23：将整体放入热等静压设备进行热等静压；其中，温度为400℃-600℃，压力为10MPa-150MPa，保温时间为1h-10h；
步骤S24:将步骤S23处理后的产品进行热处理和淬火处理；
其中，热处理时，温度为500℃-530℃，时间为2.5h-3.5h；
淬火处理时，温度为5℃-30℃，时间为10s-15s；
步骤S25:退火处理；其中，温度为170℃-180℃，处理时间为7h-8h，获得封装结构的雏形。
9.根据权利要求8所述的一种封装方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括以下步骤：
步骤S31：采用线切割或电火花加工或铣削方式对雏形进行精加工，获得封装结构体；
步骤S32：采用化学镀或电镀的方式，在封装结构体的表面镀涂金属层。
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