一种氮化铝多层陶瓷无引线片式载体封装外壳的制作方法

文档序号:10513924
一种氮化铝多层陶瓷无引线片式载体封装外壳的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种氮化铝多层陶瓷无引线片式载体封装外壳,涉及电子封装技术领域。本发明包括陶瓷外壳,陶瓷外壳四周的外侧壁上设有金属导通槽,陶瓷外壳为氮化铝材料制成,陶瓷外壳包括正面向上开口的上腔体和反面向下开口的下腔体,中间为基板,在基板的下表面和上表面均设有用于粘接芯片或无源器件的粘接区,粘接区的外周设有引线键合区,引线键合区能与粘接在粘接区上的芯片通过键合丝连接,引线键合区与金属导通槽连接;引线键合区外周设有密封区,在陶瓷外壳的下表面的密封区的外周设有引出端焊盘,引出端焊盘与金属导通槽连通。本发明可有效提高器件的散热效率、降低结温、提高器件的可靠性和寿命。
【专利说明】
一种氮化铝多层陶瓷无引线片式载体封装外壳
技术领域
[0001]本发明涉及电子封装技术领域,尤其涉及一种氮化铝多层陶瓷无引线片式载体封装外壳。
【背景技术】
[0002]随着电子整机和电子元器件朝着微型、轻量、高速、高效、高集成度、高可靠性和大功率输出等方向快速发展,器件单位体积内所产生的热量急剧增加,这对基片和封装材料的散热提出了更高要求。如果热量不能由基板及时散发出去,器件将难以正常工作,严重情况下,甚至会烧毁。
[0003]国内的高密度、高功率封装主要采用氧化铝陶瓷材料、金属材料、氧化铝陶瓷+高导热材料(钨铜、钼铜及CPC等)、LTCC基板材料+氧化铝陶瓷以及LTCC基板材料+金属材料,目前还没有基于氮化铝技术的多层陶瓷外壳。Al2O3的热导率较低,热膨胀系数和硅不太匹配;虽然金属材料有较高的导热系数,但与芯片衬底较高的热膨胀系数失配难以满足大功率器件的封装要求,且采用金属材料的外壳集成度较低;氧化铝陶瓷+高导热材料(钨铜、钼铜及CPC等)虽然具有较高的导热性能,但由于要使其具有较高的机械性能,就必须保证管壳与高导热材料具有一定的焊接搭接尺寸,才能实现管壳与高导热材料的焊接可靠性,这就限制了其尺寸的小型化,且采用高导热材料的外壳集成度较低,故该种模式管壳很难实现小型化和集成化;LTCC基板与氧化铝陶瓷或者金属材料组合后,虽然能解决热膨胀系数失配的问题,但导热率仅为30W/m.K,导热能力较弱,需要导热孔或开腔焊钨铜散热块,组合后的强度低,可靠性差,为增加强度需焊金属底板,只能采用低温焊料组装,组装能力差;与其它材料比较而言,AlN综合性能优异,是新一代高集成度和功率器件理想的基板和封装材料。

【发明内容】

[0004]本发明所要解决的技术问题是提供一种氮化铝多层陶瓷无引线片式载体封装外壳,可有效提高器件的散热效率、降低结温、提高器件的可靠性和寿命。
[0005]为解决上述技术问题,本发明所采取的技术方案是:
一种氮化铝多层陶瓷无引线片式载体封装外壳,包括陶瓷外壳,陶瓷外壳四周的外侧壁上设有金属导通槽,陶瓷外壳为氮化铝材料制成,陶瓷外壳包括正面向上开口的上腔体和反面向下开口的下腔体,中间为基板,在基板的下表面和上表面均设有用于粘接芯片或无源器件的粘接区,粘接区的外周设有引线键合区,引线键合区能与粘接在粘接区上的芯片通过键合丝连接,引线键合区与金属导通槽连接;引线键合区外周设有密封区,在陶瓷外壳的下表面的密封区的外周设有引出端焊盘,引出端焊盘与金属导通槽连通。
[0006]进一步优选的技术方案,金属导通槽的横断面为半圆形,在相对的两外侧壁上设置的两组金属导通槽的结构为:金属导通槽内壁的金属层设置在金属导通槽的下部,金属导通槽的上端部未镀金属层;同时,在相对的另两组金属导通槽,金属导通槽内壁的金属层设置在金属导通槽的上部,金属导通槽的下端部未镀金属层。
[0007]进一步优选的技术方案,金属导通槽的孔径为0.15?0.60_。
[0008]进一步优选的技术方案,引出端焊盘的节距为1.27mm、1.016mm、0.80mm、0.65mm、0.635mm中的一种。
[0009]进一步优选的技术方案,陶瓷外壳内设有I?10个用于容纳芯片或无源器件的多边形腔体。
[0010]采用上述技术方案所产生的有益效果在于:
(1)本发明主要基于高导热氮化铝多层技术,具备多层布线、高可靠性、高气密性等特点,具有布线密度高、散热能力强、自身强度高、可靠性高的特点;
(2)可有效减小集成后器件体积和重量,实现小型化、高密度、高集成度封装,满足功率器件散热要求,能有效解决集成微电路高密度高功率封装的难题;
(3)封装气密性高:气密性满足<1X10-3 Pa.cm3/s,A4;
(4)侧面金属导通槽,满足板级安装要求,便于板级焊接效果检查;
(5)引线键合区与引出端焊盘之间的导电路径较短,封装体内布线电阻以及电感等封装寄生参数很低,具有优异的电性能;
(6)环境适应性好,抗腐蚀能力强,可满足盐雾48h,温度循环-65°C_150°C下循环100次,耐湿1次;
(7)机械可靠性高,可满足恒定加速度30000g,Yl方向,Imin;
(8)耐贮存性能好;
(9)应用范围广,因其具有高可靠性和高气密性,可应用于航空、航天等领域。
【附图说明】
[0011]图1是本发明的主视图;
图2是图1的俯视图;
图3是图1的仰视图;
图中:1、金属导通槽;2、引线键合区;3、粘接区;4、密封区;5、陶瓷外壳;6、下腔体;7、上腔体;8、引出端焊盘。
【具体实施方式】
[0012]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步详细的说明。
[0013]本发明包括陶瓷外壳5,陶瓷外壳5为氮化铝材料制成,所述陶瓷外壳5的正反两面分别设有上腔体7和下腔体6,参见图2、图3,引出端焊盘8设置在陶瓷外壳5的下表面,上腔体7和下腔体6的底部设有用于粘接芯片或无源器件的粘接区3,粘接区3的四周设有引线键合区2,引线键合区2与粘接于粘接区3上的芯片用键合丝连接,引出端焊盘8与引线键合区2相连。
[0014]参见图1所示,在相对的两外侧壁上设置的两组金属导通槽I,金属导通槽I内壁的金属层设置在金属导通槽I的下部,金属导通槽I的上端部未镀金属层;同时,在相对的另两组金属导通槽I,金属导通槽I内壁的金属层设置在金属导通槽I的上部,金属导通槽I的下端部未镀金属层。金属导通槽的设置实现内部键合,其优点是:引线键合区与引出端焊盘通过管壳侧面的金属导通槽来实现电连接,采用这种方式,可有效降低引线键合区与引出端焊盘之间的导电路径,且由于金的方阻较低(约7πιΩ),极大地降低了装体内布线电阻以及电感等的封装寄生参数,从而使管壳具有优异的电性能;采用侧面金属导通槽,同时可有效降低板级安装时对位难度,有效提高板级安装焊接的位置精度,满足板级安装要求便于板级焊接效果检查。
[0015]本发明陶瓷外壳采用氮化铝材料,氮化铝陶瓷具有较高的热导率,最高热导率达至lJl80W/m.K。可有效避免器件温度过高而不能正常工作甚至报废的问题,能满足功率器件散热要求;同时其具有较低的热膨胀系数(4.7ppm),与硅相当,能解决芯片安装时陶瓷管壳与芯片热膨胀系数不匹配的问题,有效释放应力,提高芯片安装可靠性。
[0016]本发明氮化铝陶瓷外壳具备可多层布线、高可靠性、高气密性等特点,具有布线密度高、散热能力强和可靠性高的特点,可有效减小集成后器件体积和重量,实现小型化,满足功率器件散热要求;陶瓷外壳可具有I?10个用于容纳芯片或无源器件的多边形腔体;陶瓷外壳可具有2层到30层的布线结构;该类外壳常用的引出端节距有1.27mm、1.016mm、
0.80mm,0.65mm,0.635mm。该类陶瓷外壳的引出端焊盘8呈两边对称或者四边均匀排布。常见引出端形式有2种,一种是引出端焊盘8与键合与陶瓷外壳的四边侧面的金属导通槽进行连接,另一种是键合指与引出端采用埋层形式互连。引出端形式采用的金属导通槽孔径0.15?0.60mm,空心孔的长度0.15?4.00mm。
[0017]氮化铝多层陶瓷外壳主要用于激光二极管、高亮度LED、RF和微波封装、雷达模块封装、功率模块封装、电源模块、IR探测器、CCD,CMOS成像系统、开关电源、大功率集成电路等器件的封装。该类外壳常用的引线节距有I.27mm、I.016mm、0.80mm、0.65mm、0.635mm,具有寄生参数小、体积小、重量轻、散热好等特点,适于表面安装,有腔体向下和腔体向上及双面腔体等多种结构,在腔体内部可以设置一个或多个分区用以安装多个芯片和多种无源器件,满足用户高集成度封装的要求,可广泛应用于电力电子、航空航天、国防军事、汽车和机车、通讯以及其它工业领域。
[0018]LCC系列的氮化铝陶瓷封装外壳由氮化铝陶瓷体、金属封口环(可根据客户需求决定有无)及热沉(可根据客户需求决定有无)组成,根据用户信息,确定腔体尺寸,依据板极安装要求,确定引线排布以及内部布线的互连关系,在此基础上进行结构设计,并进行结构和电性能仿真,保证其结构可靠性和散热及电性能要求。
[0019]金属封口环材质为铁镍或铁镍钴合金,热沉材质为无氧铜、钼铜、钨铜及CPC等高导热合金材料。金属封口环用于金锡封口、平行缝焊或激光缝焊封口,热沉用于芯片接地或散热。
[0020]LCC类氮化铝多层陶瓷外壳采用AlN多层陶瓷共烧技术,具体流程为:外壳经流延、热切后,冲腔和冲孔、孔金属化后,经印刷、定位、层压、热切成单个生瓷件,再通过烧结、镀镍、镀金后形成单个的功率器件或其它器件用的LCC类氮化铝多层陶瓷封装外壳。
[0021]本发明采用氮化铝(AlN)陶瓷作为封装外壳,氮化铝(AlN)具有高的热导率(理论热导率为320W/m.K,为氧化铝陶瓷的10倍左右)。采用氮化铝陶瓷后可有效提高器件的散热效率、降低结温、提高器件的可靠性和寿命。
[0022]本发明的封装形式为陶瓷无引线片式(LCC- Ceramic Leadless Chip Carrier)的氮化铝多层陶瓷外壳。氮化铝陶瓷是一种新型的高导热基板和封装材料,具有高的热导率、低的热膨胀系数、低的介电常数和介电损耗、高的机械强度等特点,其热膨胀系数与硅和砷化镓等芯片材料相匹配、绝缘性能和介电特性良好,高温下材料强度大,环保无毒、化学稳定性良好,广泛用于高功率电子领域。氮化铝多层陶瓷技术使得氮化铝陶瓷产品的设计更加灵活,提供了一种能够更好实现器件、模块和组件性能的快捷方式,能够实现电性能、热性能、机械性能的设计优化,能够实现多腔体、多层布线、多过孔互连和气密性的封装结构,能够满足器件、模块和组件的不同需要,实现器件、模块和组件的高功率、高密度、小型化和高可靠要求。
[0023]采用本发明所产生的有益效果在于:
(1)本发明主要基于高导热氮化铝多层技术,具备多层布线、高可靠性、高气密性等特点,具有布线密度高、散热能力强、自身强度高、可靠性高的特点;
(2)可有效减小集成后器件体积和重量,实现小型化、高密度、高集成度封装,满足功率器件散热要求,能有效解决集成微电路高密度高功率封装的难题;
(3)封装气密性高:气密性满足<1X10-3 Pa.cm3/s,A4,其中A4为GJB548B中对未封口管壳的一种检漏方法,目的是确定具有内腔的微电子器件和半导体器件封装的气密性;
(4)侧面金属导通槽,满足板级安装要求,便于板级焊接效果检查;
(5)引线键合区与引出端焊盘之间的导电路径较短,封装体内布线电阻以及电感等封装寄生参数很低,具有优异的电性能;
(6)环境适应性好,抗腐蚀能力强,可满足盐雾48h,温度循环-65°C_150°C下循环100次,耐湿1次;
(7)机械可靠性高,可满足恒定加速度30000g,Yl方向,Imin;其中,采用恒定加速度试验设备确定恒定加速度对微电子器件的影响,除另有规定外,应在Xl、X2、Y1、Y2、Z1、Z2各个方向上对器件施加Imin规定竖直的恒定加速度;
(8)耐贮存性能好;
(9)应用范围广,因其具有高可靠性和高气密性,可应用于航空、航天等领域。
【主权项】
1.一种氮化铝多层陶瓷无引线片式载体封装外壳,包括陶瓷外壳(5),陶瓷外壳(5)四周的外侧壁上设有金属导通槽(1),其特征在于,陶瓷外壳(5)为氮化铝材料制成,陶瓷外壳(5)包括正面向上开口的上腔体(7)和反面向下开口的下腔体(6),中间为基板,在基板的下表面和上表面均设有用于粘接芯片或无源器件的粘接区(3),粘接区(3)的外周设有引线键合区(2),引线键合区(2)能与粘接在粘接区(3)上的芯片通过键合丝连接,引线键合区(2)与金属导通槽(I)连接;引线键合区(2)外周设有密封区(4),在陶瓷外壳(5)的下表面的密封区(4)的外周设有引出端焊盘(8),引出端焊盘(8)与金属导通槽(I)连通。2.根据权利要求1所述的一种氮化铝多层陶瓷无引线片式载体封装外壳,其特征在于,金属导通槽(I)的横断面为半圆形,在相对的两外侧壁上设置的两组金属导通槽(I)的结构为:金属导通槽(I)内壁的金属层设置在金属导通槽(I)的下部,金属导通槽(I)的上端部未镀金属层;同时,在相对的另两组金属导通槽(1),金属导通槽(I)内壁的金属层设置在金属导通槽(I)的上部,金属导通槽(I)的下端部未镀金属层。3.根据权利要求1所述的一种氮化铝多层陶瓷无引线片式载体封装外壳,其特征在于,金属导通槽(I)的孔径为0.15?0.60mm。4.根据权利要求1所述的一种氮化铝多层陶瓷无引线片式载体封装外壳,其特征在于,引出端焊盘(8)的节距为1.27mm、I.01 6mm、0.80mm、0.65mm.0.635mm中的一种。5.根据权利要求1所述的一种氮化铝多层陶瓷无引线片式载体封装外壳,其特征在于,陶瓷外壳内设有I?10个用于容纳芯片或无源器件的多边形腔体。
【文档编号】H01L23/48GK105870085SQ201610483600
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年6月28日
【发明人】杨振涛, 彭博
【申请人】中国电子科技集团公司第十三研究所
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