TWI797845B - 封裝散熱結構及包含其的晶片 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種封裝散熱結構，包含外框以及散熱載座。外框包含陶瓷框體。散熱載座附著於外框的陶瓷框體。散熱載座為陶瓷材料，且散熱載座的熱傳導係數為陶瓷框體的熱傳導係數之十倍以上。

Description

封裝散熱結構及包含其的晶片
本發明係關於一種封裝散熱結構及包含封裝散熱結構的晶片。
電信產業需要更高的資料傳輸速率以及電子設備工作希望涵蓋更寬的頻率範圍。對於例如手機、平板電腦、Wi-Fi基地台、藍芽、和衛星通訊等需要寬頻的電子產品，高功率放大器是一個重要元件。目前，高功率放大器多採用多功能單晶微波積體電路(Monolithic Microwave Integrated Circuits，MMIC)封裝設計，其包含用於產生RF訊號的裸晶(Die)、承載裸晶的載座以及用於傳輸RF訊號或是向裸晶提供電源的金屬電極。
隨著電子產品逐漸往微型化和具備多功能性的方向發展，高功率放大器中的晶片散熱是業界急需解決的問題之一。通常而言，前述承載裸晶的載座會使用高溫共燒陶瓷(High temperature co-fired ceramic，HTCC)以提供良好的散熱效率，然而HTCC在高頻通訊應用下容易產生頻率漂移(Frequency drift)現象，進而導致RF訊號傳輸損耗，此外HTCC多採用高熔點的鎢作為金屬電極以便進行高溫(1600°C以上)燒結，但鎢對於高頻訊號具有高阻抗。相對地，低溫共燒陶瓷(Low temperature co-fired ceramic，LTCC)的共振頻率溫度係數(Temperature coefficient of resonant frequency)趨近於零因而較不會影響RF訊號傳輸，但LTCC的散熱效率遠遠比不上HTCC。
目前，針對LTCC載座散熱效率差的問題，有一種方案是在載座上打數個穿孔填充金屬作為散熱通道，但由於散熱不均勻的缺點其成效不彰。因此，在高頻通訊應用的情況下同時滿足良好散熱效率與RF訊號傳輸低損耗的需求是目前業界存在的一個難題。
鑑於上述問題，本發明提供一種晶片的封裝散熱結構，有助於解決難以兼顧散熱效率和訊號傳輸低損耗的問題。
本發明一實施例所揭露之封裝散熱結構包含一外框以及一散熱載座。外框包含一陶瓷框體。散熱載座附著於外框的陶瓷框體。散熱載座為陶瓷材料，且散熱載座的熱傳導係數為陶瓷框體的熱傳導係數之十倍以上。
本發明另一實施例所揭露之晶片包含前述的封裝散熱結構以及一裸晶，其中裸晶承載於散熱載座上。
根據本發明揭露之封裝散熱結構，包含了對訊號傳輸品質影響較低的陶瓷框體以及具有高熱傳導係數的電性絕緣散熱載座。散熱載座可承載產生電訊號的裸晶，並且裸晶能夠經由散熱載座進行散熱。藉此，封裝散熱結構藉由具有高熱傳導係數的散熱載座提供良好的散熱效率，並且藉由陶瓷框體防止過高的插入損耗與反饋損耗，兼顧散熱效率和訊號傳輸低損耗的需求。
以上關於本發明內容之說明及以下實施方式之說明係用以示範與解釋本發明之原理，並提供本發明之專利申請範圍更進一步之解釋。
於以下實施方式中詳細敘述本發明之詳細特徵及優點，其內容足以使任何熟習相關技藝者了解本發明之技術內容並據以實施，且根據本說明書所揭露的內容、申請專利範圍及圖式，任何熟習相關技藝者可輕易理解本發明相關之目的及優點。以下實施例係進一步詳細說明本發明之觀點，但非以任何觀點限制本發明之範疇。
請參照圖1和圖2，其中圖1為根據本發明一實施例之封裝散熱結構的立體示意圖，圖2為圖1之封裝散熱結構的立體示意圖的另一視角。在本實施例中，封裝散熱結構1包含外框10以及散熱載座20。
外框10包含陶瓷框體110，且散熱載座20附著於陶瓷框體110。散熱載座20為陶瓷材料，且散熱載座20的熱傳導係數為陶瓷框體110的熱傳導係數之十倍以上。散熱載座20的熱傳導係數可以是100 W/(m·K)。
在本實施例中，外框10的陶瓷框體110為LTCC，且散熱載座20為HTCC。LTCC陶瓷框體110具有極小的共振頻率溫度係數以防止訊號傳輸損耗。HTCC散熱載座20可由導熱性良好的材料製成，例如氮化鋁或氧化鋁，其能夠滿足前述高於陶瓷框體110的熱傳導係數以提升封裝散熱結構1的散熱效率。在部分其他實施例中，散熱載座可以是具備良好導熱性的金屬片，例如氮化鋁片材或是氧化鋁片材。
圖3為圖1之封裝散熱結構的剖切示意圖。在本實施例中，外框10進一步包含設置於陶瓷框體110的電極120，並且至少部分電極120位於陶瓷框體110內。具體來說，電極120包含相連的第一部分121、第二部分122和第三部分123。第一部分121位於陶瓷框體內，且第二部分122和第三部分123顯露於外。更明確來說，第二部分122與第三部分123分別位於陶瓷框體110的相對兩表面，其中第二部分122位於陶瓷框體110的上表面111並且可作為銲接點，第三部分123位於陶瓷框體110的下表面112並且可作為電性連接接腳。圖1和圖2繪示出外框10包含複數個電極120，但電極120的數量並非用以限制本發明。
在本實施例中，陶瓷框體110與電極120共燒製成外框10。更進一步來說，當陶瓷框體110為LTCC時，在外框10的製作過程中，尚未燒結的陶瓷框體110能夠和低熔點、低電阻且低阻抗的金屬一起燒結，例如可以和銀層共燒，而因此電極120可使用銀電極。
在本實施例中，外框10的陶瓷框體110與散熱載座20相結合。具體來說，陶瓷框體110可與散熱載座20共燒，而使散熱載座20附著於陶瓷框體110。當陶瓷框體110為LTCC時可包含玻璃材質。在封裝散熱結構1的製程中，於燒結LTCC陶瓷框體110之前，散熱載座20被擺放在LTCC陶瓷框體110半成品的開口處。於燒結LTCC陶瓷框體110的過程中，LTCC陶瓷框體110熱縮而與散熱載座20之間達到緊配結合，並且融化或軟化的玻璃材質附著於散熱載座20。藉此，陶瓷框體110與散熱載座20之間的連接不需要透過例如散熱膏或樹脂等額外的黏接材料，而有助於簡化封裝散熱結構1的製程。
圖4為包含圖1之封裝散熱結構的晶片的示意圖。晶片2例如但不限於是射頻晶片，裸晶3例如但不限於是用於產生RF訊號的裸晶，其承載於散熱載座20上，並且裸晶3可藉由打線接合與電極120的第二部分122電性連接。在本實施例中，一部分電極120用於高頻訊號傳輸，以將裸晶3產生的RF訊號傳輸至與第三部分123電性連接的外部電路。另一部分電極120用於提供電源，以自與第三部分123電性連接的外部電源供電給裸晶3。此外，外框10的陶瓷框體110可以包含上蓋113，其用以密封裸晶3，但本發明並不以此為限。上蓋113可以是LTCC且與陶瓷框體110一體成型，或者上蓋113可以是黏附於陶瓷框體110的非金屬製片材。
圖5為圖4之晶片設置於散熱器上的示意圖。封裝散熱結構1可設置於散熱器4(例如銅片)，而使散熱載座20與散熱器4熱接觸。裸晶3產生的熱經由散熱載座20被傳遞至散熱器4。
圖6為圖4之晶片的插入損耗，顯示出在20GHz以上的訊號傳輸應用，包含封裝散熱結構1之晶片2的插入損耗在0dB至-0.4dB之間，並且在40GHz以上的高頻訊號傳輸應用中可觀察到插入損耗僅為大約-0.3dB。圖7為圖4之晶片的反饋損耗，顯示出在20GHz以上的訊號傳輸應用，包含封裝散熱結構1之晶片2的反饋損耗在-20dB至-40dB之間，並且在40GHz以上的高頻訊號傳輸應用中可觀察到反饋損耗僅為大約-23dB。
綜上所述，根據本發明揭露之封裝散熱結構，包含了對訊號傳輸品質影響較低的陶瓷框體以及具有高熱傳導係數的電性絕緣散熱載座。散熱載座可承載產生電訊號的裸晶，並且裸晶能夠經由散熱載座進行散熱。藉此，封裝散熱結構藉由具有高熱傳導係數的散熱載座提供良好的散熱效率，並且藉由陶瓷框體防止過高的插入損耗與反饋損耗，兼顧散熱效率和訊號傳輸低損耗的需求。
此外，陶瓷框體可以是LTCC，而能夠和低熔點、低電阻且低阻抗的金屬共燒製成外框。更進一步地，LTCC陶瓷框體可以與散熱載座共燒，在共燒過程中LTCC陶瓷框體熱縮而能與散熱載座之間達到緊配結合。再者，LTCC陶瓷框體含有的玻璃材質被加熱融化或軟化後可以附著於散熱載座，因而陶瓷框體與散熱載座之間的連接不需要透過接合材料，而有助於簡化封裝散熱結構的製程。
本發明之實施例揭露雖如上所述，然並非用以限定本發明，任何熟習相關技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，舉凡依本發明申請範圍所述之形狀、構造、特徵及精神當可做些許之變更，因此本發明之專利保護範圍須視本說明書所附之申請專利範圍所界定者為準。
1:封裝散熱結構
2:晶片
3:裸晶
4:散熱器
10:外框
110:陶瓷框體
111:上表面
112:下表面
113:上蓋
120:電極
121:第一部分
122:第二部分
123:第三部分
20:散熱載座
圖1為根據本發明一實施例之封裝散熱結構的立體示意圖。 圖2為圖1之封裝散熱結構的立體示意圖的另一視角。 圖3為圖1之封裝散熱結構的剖切示意圖。 圖4為包含圖1之封裝散熱結構的晶片的示意圖。 圖5為圖4之晶片設置於散熱器上的示意圖。 圖6為圖4之晶片的插入損耗(Insertion loss)。 圖7為圖4之晶片的反饋損耗(Return loss)。
1:封裝散熱結構
10:外框
110:陶瓷框體
111:上表面
112:下表面
120:電極
121:第一部分
122:第二部分
123:第三部分
20:散熱載座

Claims (11)

  1. 一種封裝散熱結構，包含：一外框，包含一陶瓷框體以及一電極，該電極設置於該陶瓷框體，且至少部分該電極位於該陶瓷框體內；以及一散熱載座，附著於該外框的該陶瓷框體，該散熱載座為陶瓷材料，且該散熱載座的熱傳導係數為該陶瓷框體的熱傳導係數之十倍以上。
  2. 如請求項1所述之封裝散熱結構，其中該散熱載座的材料包含氮化鋁或氧化鋁。
  3. 如請求項1所述之封裝散熱結構，其中該陶瓷框體為低溫共燒陶瓷(Low temperature co-fired ceramic，LTCC)，且該散熱載座為高溫共燒陶瓷(High temperature co-fired ceramic，HTCC)。
  4. 如請求項1所述之封裝散熱結構，其中該電極包含位於該陶瓷框體內的一第一部分以及顯露於外的一第二部分，且該第二部分作為銲接點。
  5. 如請求項1所述之封裝散熱結構，其中該電極的材質為銀，且該電極的至少一部份位於該陶瓷框體內。
  6. 如請求項1所述之封裝散熱結構，其中該陶瓷框體與該電極共燒製成該外框。
  7. 如請求項1所述之封裝散熱結構，其中藉由該陶瓷框體與該散熱載座共燒使該散熱載座附著於該陶瓷框體。
  8. 如請求項1所述之封裝散熱結構，其中該陶瓷框體包含一玻璃材質，且該散熱載座附著於該陶瓷框體的該玻璃材質。
  9. 如請求項1所述之封裝散熱結構，其中該封裝散熱結構適用於20GHz以上的訊號傳輸。
  10. 一種晶片，包含：如請求項1至9任一項所述之封裝散熱結構；以及一裸晶，承載於該散熱載座上。
  11. 如請求項10所述之晶片，其中該晶片為射頻晶片。
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