CN205582916U - 垂直导热封装结构的ic元件 - Google Patents

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Abstract

本实用新型提出一种垂直导热封装结构的IC元件，包括：一具有一凹槽的塑框；一固定到所述凹槽的底面的导热基板；至少一安装到所述导热基板上的IC芯片；至少一设置在所述凹槽内、并将所述IC芯片和所述塑框的位于凹槽之外的电极触点电连接的连接部；以及填充在所述塑框的凹槽内的胶部。本实用新型可以减小IC元件的热阻，适用于更小体积更高功率的应用场合，增加IC芯片可靠性，延长使用寿命，制作工艺简单。

Description

垂直导热封装结构的IC元件
技术领域
本实用新型涉及IC(集成电路)元件领域，具体涉及的是一种垂直导热封装结构的IC元件。
背景技术
IC芯片经过封装，就成为元件，可以焊接在PCB(Printed circuit board，印制电路板)上使用。现在一般采用的封装结构是SOP(small Out-Line Package，小外形封装)。先用金属材料加工制成电极引脚；然后把IC芯片通过银胶绑定在电极引脚上，并焊好电连接线；接着进行模压工艺，用热塑性环氧树脂将电极引脚中包含IC芯片的部分包裹成型，再将电极引脚切开分离，形成元件；整个过程叫封装。
SOP封装结构的IC元件在使用功率和环境上都有较为严重的缺陷，如在空间比较小而且散热条件不足的照明光源中，例如是A60球泡灯，整灯功率一般小于5W，而且对外壳的散热要求很高，一般要求IC元件的外部环境的温度不能超过50℃。事实上，现在的球泡灯外壳尽量不考虑采用散热较好的金属结构，而是采用以金属为框架且外部包裹塑胶的复合结构，使得防触电的安全性有保障，而且成本大大降低，但是散热条件变差了，因此，SOP封装结构的IC元件无法适用到此类照明光源中。
此外，现在的IC元件大多采用SOP方式封装，该封装结构的元件(热阻*面积)高达20K*mm2/W以上，限制了IC元件的应用领域，一是小体积的灯不能用，因为散热条件不够；二是超过5W的灯不能用，因为IC元件的发热量太大；三是因为IC元件的耗散功率同输入电压有关，而许多国家和地区的市电电压变化范围很大，使得IC元件的耗散功率太大，无法正常工作。现有SOP封装技术不适合用于线性驱动IC元件，因为该封装结构使得IC元件热阻高(50-100K/W@0.5mm2裸芯)而且体积大，而这种IC裸芯的特点就是体积小而且耗散功率大，一般面积只有0.5-1.0mm2，厚度不超过0.5mm，而耗散功率可以高到2-4W。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题是提供一种垂直导热封装结构的IC元件，可以减小IC元件的热阻，适用于更小体积更高功率的应用场合，增加IC芯片可靠性，延长使用寿命，制作工艺简单。
此外，本实用新型提供的垂直导热封装结构的IC元件可以用于线性恒流驱动IC芯片封装形成元件，线性恒流驱动IC元件适用于更小体积更高功率的灯，在IC元件耗散功率较大情况下灯仍能正常工作。
为解决上述问题，本实用新型提出一种垂直导热封装结构的IC元件，包括：一具有一凹槽的塑框；一固定到所述凹槽的底面的导热基板；至少一安装到所述导热基板上的IC芯片；至少一设置在所述凹槽内、并将所述IC芯片和所述塑框的位于凹槽之外的电极触点电连接的连接部；以及填充在所述塑框的凹槽内的胶部。
根据本实用新型的一个实施例，所述连接部包括：固定到所述凹槽的底面的导电片；连接所述IC芯片的电极触点和所述导电片的电极触点的连接导线；及从所述导电片引出并连接到所述塑框的电极触点的引出导线。
根据本实用新型的一个实施例，所述导电片为铜片。
根据本实用新型的一个实施例，所述导热基板包括固定到所述凹槽的底面的铜片及覆设在所述铜片上的银膜；所述IC芯片通过银胶安装到所述导热基板上。
根据本实用新型的一个实施例，所述铜片为纯铜或铜的合金，铜片的厚度范围为0.1-0.3mm。
根据本实用新型的一个实施例，所述银胶为合金化的银胶。
根据本实用新型的一个实施例，所述胶部的基材为热固性树脂。
根据本实用新型的一个实施例，所述胶部的基材为环氧树脂或硅树脂或硅树脂杂化的耐高温树脂。
根据本实用新型的一个实施例，所述IC芯片为线性恒流驱动IC芯片。
根据本实用新型的一个实施例，所述IC元件的热阻范围为2-10K*mm2/W。
采用上述技术方案后，本实用新型相比现有技术具有以下有益效果：将IC芯片安装到导热基板的一表面上，不同于现有SOP封装横向传递热量，导热基板可以进行垂直方向的导热，更有利于散热，降低封装结构的热阻，且用具有凹槽的塑框作为支撑，将导热基板、芯片及相应连接部内置在凹槽中，凹槽可以承接住流动性的胶，点胶固定后IC元件完成封装；使得IC元件的(热阻*面积)降至2-10K*mm2/W，因而使得这种IC元件的耗散功率可以加大到2-4W，整个电路回路(若用于灯中则为整灯)的功率可以升至20W以上，而且在电压波动很大的情况下还能保持输出电流的稳定性；又由于热阻降低，在工作状态下IC芯片的温度降低，所以该芯片的可靠性也增加了，寿命可以长至10万小时。
此外，将现行恒流驱动IC元件采用本实用新型的封装结构，可以使得元件体积较小，能够塞进很小的灯里，如蜡烛灯；散热效果优良，能够用到较大功率的灯中，发热量不影响整灯功能；可以保证在IC元件耗散功率较大情况下仍能正常工作，满足市场需求。
附图说明
图1为本实用新型一实施例的垂直导热封装结构的IC元件未设胶部的结构示意图；
图2为本实用新型一实施例的垂直导热封装结构的IC元件的点胶示意图；
图3为本实用新型一实施例的IC元件封装的热阻计算结构示意图。
具体实施方式
为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型。但是本实用新型能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本实用新型内涵的情况下做类似推广，因此本实用新型不受下面公开的具体实施的限制。
参看图1和图2，本实施例的垂直导热封装结构的IC元件，包括塑框1、导热基板2、IC芯片3、连接部(41和42)和胶部5。其中，塑框1作为导热基板2的支撑，塑框1具有凹槽(图中未标记)，导热基板2、IC芯片3和连接部均内置在凹槽中，胶部5填充在凹槽中，胶部5优选的可以填平凹槽，可以理解，胶部5是在导热基板2、IC芯片3和连接部均内置在凹槽中之后再形成的。
导热基板2固定在凹槽的底面上，在导热基板2上安装IC芯片3，IC芯片3颗数不作为限定，可以为一颗或以上，在IC芯片3为多颗时，封装后的结构也可以做进一步的分割，以形成多颗IC元件。在凹槽内还设置有连接部，连接部将IC芯片3和塑框1的位于凹槽之外的电极触点电连接起来，用于IC芯片3正负电极和信号电极与外部装置或部件的电性连接。
在一个实施例中，连接部包括导电片41、连接导线42和引出导线(图中未示出)。导电片41固定在凹槽的底面上，导电片41的固定区域与导热基板2的固定区域不重叠。连接导线一端连接IC芯片3的电极触点，另一端连接导电片41的电极触点，连接导线42的数目可以根据芯片电极触点的个数而确定。引用导线从导电片41引出来，引出端连接到塑框1的电极触点。连接导线42和引出导线可以在导电片41中电性连接，也可以为同一根导线。
在较佳的实施例中，导电片41可选为铜片，导热基板2同样可选为铜片。择优采用导热系数较高而且抗氧化的厚度在0.1-0.3mm之间金属铜片，铜片可以为纯铜或铜的合金。
首先将一整块铜片冲压成所需形状，该形状里包含所需电极以及面积相对较大导热极，电极作为导电片41，导热极作为导热基板2，当然一块大面积铜片里可以重复电极和导热极的设计，即一块铜片可以具有多组电极和导热极，用来置放一百至几百粒IC裸芯(IC芯片)，整体封装成一百至几百粒IC元件。
接着通过注塑工艺将铜片用塑胶包裹形成塑框1，塑框1具有凹槽，所需的导热极、电极裸露，塑框1的材料例如为PPA塑胶(聚邻苯二甲酰胺)或PCT塑胶(聚对苯二甲酸环乙酯)。
然后用银胶将IC裸芯3绑定在导热极上，通过金线或合金线将连接IC芯片的正负电极、信号电极与铜片上的电极(导电片41)相连，再通过金线或合金线将导电片41与塑框1的电极触点连接起来，金线或合金线的直径在0.02-0.03mm之间可选。
参看图2，接下来在塑框1内形成胶部5，胶部5的基材可选为热固性树脂。胶部5的基材优选为环氧树脂或硅树脂或硅树脂杂化的耐高温树脂。滴入固化后能耐温260℃的热固性黑色环氧树脂或硅树脂或杂化树脂，树脂加温烘烤彻底固化后，封装工艺完成。最后，若形成的封装体包含多个可独立工作的IC元件，则可以实施冲压工艺，将原本一整块铜片上的电极和导热极切开，形成一个个单个的封装好的IC元件。若形成的封装体本身为一个IC元件，则无需冲压。
在一个实施例中，导热基板2可以包括固定到凹槽的底面的铜片及覆设在铜片上的银膜；IC芯片3通过银胶安装到导热基板2上。具体的，IC芯片3通过银胶粘接在镀银的铜基板上，在铜片上镀银膜有两个作用，一是让银胶和导热基板之间粘接得更好，二是镀银膜能保护铜片不被氧化和腐蚀。一整块铜片通过塑胶的包裹支撑，而后分成3-5小嵌片，其中处于中心位置的面积最大的那个嵌片是导热基板2，也可以说是热沉，起了导热通道的作用，另外2或3或4个铜嵌片可以作为导电片41，导电片41可以是触点型电极，可以作为直流电的正负电极，也可以作为信号输入的电极。
如图3中所示，对于一个长方体的热导体，热阻计算如下公式:
RTh＝L/(σA)
其中，L是长度，A是截面积，σ是材料的导热系数。
现有的SOP封装结构中，尽管金属引脚又粗又大，但是其导热通道是横向的，所以热阻非常大。如果按横向方向来计算这个长方体的热阻，如果a＝0.01m，b＝0.001m，c＝0.1m，铜的导热系数为360W/mK，则Rth＝0.1/(0.01*0.001*360)＝28K/W。
本实用新型的封装结构中，导热通道是垂直的。如果按垂直方向来计算这个长方体的热阻，则Rth＝0.001/(0.1*0.01*360)＝28x10-3K/W。
相比较而言，本实用新型的热阻与现有SOP封装结构的热阻低了1000倍。按垂直方向，铜引脚产生的热阻可以忽略不计。本实用新型的IC元件的热阻范围为2-10K*mm2/W。
本实用新型通过一片薄薄的铜片在垂直方向的正面留出来放置芯片，背面可以用焊锡直接焊在PCB的铜膜上，利用PCB的铜膜将热量导出，原理同降低热阻相同。当IC芯片3绑定在铜片而且焊接好金线以后，采用滴胶的方法将芯片和金线包裹起来。由于这种胶有流动性，而且铜片需要有支撑，所以采用注塑成型的塑胶材料将预先冲压成型的铜片包裹起来，形成的塑框1类似碗框，可以承接流动的胶。这种滴胶的工艺采用热固性的树脂，而且能耐高温至回流焊温度260℃，如环氧树脂和硅树脂杂化的耐高温树脂。
优选的，IC芯片为线性恒流驱动IC芯片，封装形成的IC元件为线性恒流驱动IC元件。线性恒流驱动IC元件可以串联在多颗LED(发光二极管)串联的回路里，保证整个电路回路的电流恒定，即使输入电压的变化范围很大。这种IC元件是一种功率性器件，其工作状态下的耗散功率会随着电压的上升而变得非常大(2-4W)。最终这个耗散功率(即热量)需要通过散热管理设计来交换到空气中去，否则IC的温度会非常高，无法正常工作。
本实用新型的垂直导热封装结构的线性驱动IC元件的热阻是指IC芯片到铜片导热极(导热基板)之间的热阻，符合下述公式：
Rth(IC元件)＝Rth(IC芯片)+Rth(银胶)+Rth(导热基板)
下面通过一个具体实施例来说明本实用新型的IC元件的热阻，但不以此为限。设定这个IC芯片的面积为0.5mm2，芯片硅衬底厚度为0.25mm，黄铜片基座厚度为0.15mm，银胶厚度为0.02mm；硅的导热系数为149W/mK；紫铜为360W/mK；黄铜为100W/mK；银胶的三层平均导热系数为5.0W/mK(三层银胶指两层界面层和一层中间层)。
Rth(芯片)＝0.25X10-3(m)/{149(W/mK)*0.5X10-6(m2)}＝3.36K/W；
Rth(紫铜片导热极，垂直导热部分)＝0.15X10-3(m)/{360(W/mK)*0.5X10-6(m2)}＝0.83K/W
Rth(黄铜片导热极，垂直导热部分)＝0.15X10-3(m)/{100(W/mK)*0.5X10-6(m2)}＝3.00K/W
Rth(银胶和界面)＝0.02X10-3(m)/{5.0(W/mK)*0.5X10-6(m2)}＝8.00K/W；
所以Rth(IC元件，紫铜)＝12.19K/W；Rth(IC元件，黄铜)＝14.46K/W。
本实用新型优选采用了合金化的银胶，使得银胶的三层平均导热系数提高到20-50W/mK，相当于银胶和界面的热阻降至0.8-2.0K/W，这样，IC元件的总热阻(紫铜片导热极)降至5.0-6.2K/W。
本实用新型的线性恒流驱动IC元件，针对0.5mm2面积的裸芯，整体元件热阻可以控制在5.0-15.0K/W，远低于现在市场上的水平，即40-100K/W。
本实用新型虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定权利要求，任何本领域技术人员在不脱离本实用新型的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本实用新型的保护范围应当以本实用新型权利要求所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种垂直导热封装结构的IC元件，其特征在于，包括：一具有一凹槽的塑框；一固定到所述凹槽的底面的导热基板；至少一安装到所述导热基板上的IC芯片；至少一设置在所述凹槽内、并将所述IC芯片和所述塑框的位于凹槽之外的电极触点电连接的连接部；以及填充在所述塑框的凹槽内的胶部。
2.如权利要求1所述的垂直导热封装结构的IC元件，其特征在于，所述连接部包括：固定到所述凹槽的底面的导电片；连接所述IC芯片的电极触点和所述导电片的电极触点的连接导线；及从所述导电片引出并连接到所述塑框的电极触点的引出导线。
3.如权利要求2所述的垂直导热封装结构的IC元件，其特征在于，所述导电片为铜片。
4.如权利要求1所述的垂直导热封装结构的IC元件，其特征在于，所述导热基板包括固定到所述凹槽的底面的铜片及覆设在所述铜片上的银膜；所述IC芯片通过银胶安装到所述导热基板上。
5.如权利要求3或4所述的垂直导热封装结构的IC元件，其特征在于，所述铜片为纯铜或铜的合金，铜片的厚度范围为0.1-0.3mm。
6.如权利要求4所述的垂直导热封装结构的IC元件，其特征在于，所述银胶为合金化的银胶。
7.如权利要求1所述的垂直导热封装结构的IC元件，其特征在于，所述胶部的基材为热固性树脂。
8.如权利要求7所述的垂直导热封装结构的IC元件，其特征在于，所述胶部的基材为环氧树脂或硅树脂或硅树脂杂化的耐高温树脂。
9.如权利要求1所述的垂直导热封装结构的IC元件，其特征在于，所述IC芯片为线性恒流驱动IC芯片。
10.如权利要求9所述的垂直导热封装结构的IC元件，其特征在于，所述IC元件的热阻范围为2-10K*mm2/W。
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