一种倒装焊芯片的气密性陶瓷封装体的制作方法

本实用新型公开一种倒装焊芯片的气密性陶瓷封装体，使封装内部倒装焊裸芯片发出的热量能良好地传导至外部空间，保证芯片能在安全温度下正常工作；同时倒装焊陶瓷封装的气密性得以保持，确保芯片在恶劣环境中工作时不受湿气和腐蚀性气体的侵扰，在苛刻的环境中能够正常工作。

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背景技术：

目前，商用芯片主要以塑料封装为主，而军品级及工业级产品主要应用而陶瓷封装，因为陶瓷封装的高可靠性，在航空、航天、兵器、船舶等行业应用非常普遍。

采用陶瓷封装的好处主要包括以下几方面：

1.可靠性高，气密性(一般为真空或者充氮)，不吸潮气，在苛刻环境中工作的芯片一定要做到气密性封装，防止外面空气、潮气进入，当腐蚀性气体进入封装后，会腐蚀芯片，造成芯片功能失效；

2.陶瓷采用了空腔结构，空腔一般为充氮或者为真空状态，避免了塑封材料填充带来的信号传输的额外损耗，很多微波芯片采用陶瓷封装就是因为这点；

3.陶瓷材质热导率高，散热相对比较好。

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技术实现要素：

基于引线键合Bond Wire的陶瓷封装通常可以实现密封，而基于倒装焊的陶瓷封装通常却无法实现密封，一个主要原因是散热问题无法合理解决。

本专利介绍的一种倒装焊芯片的气密性陶瓷封装体，其特征在于：包括倒装焊裸芯片(1)、散热片(2)、底部填料(3)、陶瓷基板(4)、焊料球(5)、金属盖板(6)、导热硅胶片(8)、镀金铜片 (9)。其中，倒装焊裸芯片(1)安装在陶瓷基板(4)上，位于金属盖板(6)的下方，金属盖板(6)上方安装散热片(2)。通过导热硅胶片(8)或者镀金铜片(9)+导热硅胶片(8)将倒装焊裸芯片(1)与金属盖板(6)连接，将倒装焊裸芯片(1)发出的热量散发到外部空间。

参看图1传统的倒装焊陶瓷封装形式，倒装焊芯片1通过焊接安装在陶瓷基板4上，底部填料3用于加固，上部安装散热片2用于散热。整个芯片裸露在空气中，无法实现气密性，因此，无法抵御潮湿气体和腐蚀性气体，在恶劣环境中工作的可靠性大大降低。

为何传统倒装焊陶瓷封装不能采用密封结构呢？主要因为散热问题无法合理的处理。

首先，参看图2，倒装焊裸芯片1通过焊接安装在陶瓷基板4上，底部填料3用于加固，上部是密封盖板6，如果此盖板和芯片直接接触散热，因为盖板固定在陶瓷基板上，基本上没有任何弹性，倒装焊裸芯片相当于处在陶瓷基板4和金属盖板6两块刚体之间，在热胀冷缩的过程中，芯片不可避免地被挤压破碎。因此，在实际工程中，图2方案无法采用。

为了避免裸芯片在热胀冷缩过程中被挤压损坏，参看图3，使得金属盖板6离开倒装焊裸芯片1一定的空间距离7，由于空气是热的不良导体，这样，热量就无法从上表面散出，散热片2基本起不到任何作用，芯片可能会由于温度过高而不能正常工作。因此，在实际工程中，图3方案也无法采用。

本实用新型中描述的密封及散热方案如下：

方案1：参看图4，在金属盖板6和倒装焊裸芯片1之间增加一层柔性导热材料：导热硅胶片8，导热硅胶片和倒装焊芯片直接接触，厚度为X mm，安装空间为X减去(0.1～0.3)mm 这样导热硅胶片在安装时被压缩0.1～0.3mm，其面积和芯片顶部面积相等，从而降低热阻，提高热通量。

在方案1中：导热硅胶片8的主要作用有二：①将倒装焊裸芯片1发出的热量传递到金属盖板6继而传递到散热片2，②在热胀冷缩时提供缓冲力，避免倒装焊裸芯片1被挤碎。

导热硅胶片是一种导热介质，双面具有粘性，通常用来减少热源表面与散热器件接触面之间的接触热阻，同时还起到绝缘、减震、密封等作用，能够满足设备小型化及超薄化的设计要求。导热硅胶片柔软、可压缩，给部件提供轻度压力，可持续使用在-60～280℃且保持性能，不溶胀并且对大多数金属和非金属材料具有良好的粘接性，是一种极佳的导热填充材料。

导热硅胶片的导热系数λ为1.0～8.0W/mK，厚度从0.1mm-3mm之间，该设计方案中厚度X可在0.1mm-3mm之间选择，导热系数则选择较高导热系数为宜，例如4-8W/mK。

方案2：参看图5，如果芯片面积相对较小，但发热量比较大，为了增加传热面积，可以在倒装焊裸芯片1上部先安装一镀金铜片9，然后在镀金铜片9上部和金属盖板6之间安装导热硅胶片8，例如选用X mm的导热硅胶片，安装空间为X减去(0.1～0.3)mm，导热硅胶片 8会压紧镀金铜片9及倒装焊裸芯片1，提高散热效率。

其中镀金铜片和倒装焊裸芯片之间可采用热融合法进行连接，或者采用导热胶粘合芯片和镀金铜片。

为何方案2采用了两种材料：镀金铜片+导热硅胶片，主要原因在于降低总热阻。

热阻θ＝L/(λS)，式中：λ是导热系数，反映的是物质的导热能力，这种能力是由物质的原子或分子结构决定的。其中铜的导热系数380W/mK，空气的导热系数0.025W/mK，导热硅胶片的导热系数为4-8W/mK。L是材料厚度，S是传热面积。

在此方案中，因为倒装焊裸芯片1面积较小，所以首先通过镀金铜片9增大散热截面积，更有利于热量的传递，铜的导热系数380W/Mk，有更好的导热性，并且铜具有刚性，对导热硅胶片8起到支持作用，不会由于热循环作用而发生变形，丧失或者降低传热效能，从而提高了散热的可靠性，镀金的作用主要是防止铜氧化。

在方案2中：镀金铜片9的作用主要是增大散热通道的截面积，将芯片热量更快传递到导热硅胶片8；导热硅胶片8的主要作用有二：①将镀金铜片9传递的热量传递到金属盖板6 继而传递到散热片2，②在热胀冷缩时提供缓冲力，避免倒装焊裸芯片1被挤碎。

4附图说明

图1传统的非密封倒装焊陶瓷封装形式，无法抵御湿气和腐蚀性气体。

图2无法采用的倒装焊陶瓷封装密封形式1，热胀冷缩时，倒装焊裸芯片会被挤压破碎。

图3无法采用的倒装焊陶瓷封装密封形式2，空气间隙，无法正常将芯片热量传递到散热片。

图4该实用新型申请的陶瓷封装密封及散热方案1，通过导热硅胶片传递热量。

图5该实用新型申请的陶瓷封装密封及散热方案2，通过镀金铜片+导热硅胶片传递热量。

5具体实施方式

1)对于表面积相对较大的倒装焊裸芯片1，参看图4，首先，按照传统工艺将倒装焊芯片焊接在陶瓷基板4上，并用底部填胶3固定。

2)然后，在倒装焊裸芯片上表面安装导热硅胶片8，厚度为X mm，然后焊接盖板，盖板下表面和芯片上表面安装空间X-(0.1～0.3)mm，这样盖板将导热硅胶片压缩 (0.1～0.3)mm，实现了更为可靠的热接触。热量主要传递方式：从倒装焊裸芯片→导热硅胶片→金属盖板→散热片装置。(具体数值可根据实际项目的情况进行调整)

3)如果倒装焊裸芯片面积相对较小，但同样发热量比较大，为了增加传热通道的截面积，首先倒装焊裸芯片上部安装一镀金铜片，厚度为0.1-0.5mm，其面积尽可能大，但以不和封装外壳发生干涉为宜。

4)然后，在镀金铜片上部安装导热硅胶片，导热硅胶片面积和镀金铜片相等，厚度为X mm，然后焊接盖板，盖板下表面和镀金铜片上表面安装空间X-(0.1～0.3)mm，这样盖板将导热硅胶片压缩0.1～0.3mm，导热硅胶片会压紧镀金铜片及裸芯片，提高散热效率，热量主要传递方式：从倒装焊裸芯片→镀金铜片→导热硅胶片→金属盖板→散热片装置。(具体数值包括铜片、导热硅胶片的厚度和安装空间的距离均可根据实际项目情况进行调整，镀金铜片和倒装焊裸芯片之间可采用热融合法进行无缝连接，或者采用导热胶粘合芯片和镀金铜片)

5)空腔10进行充氮或者真空密封，使陶瓷封装达到气密性要求。