功率器件及其基底、功率器件组件、射频模块和基站的制作方法

本发明涉及通信领域，尤其涉及一种功率器件的基底、功率器件、射频功率器、射频模块和基站。

背景技术：

功率芯片由于具有高击穿电压、高功率密度、高电子迁移率、高电子饱和漂移速度等优点，在雷达、航空航天、通讯、汽车电子等军用和民用领域都具有广阔的应用前景。随着gan功率芯片朝着更小尺寸、更高频率和更大输出功率的方向发展，降低gan功率芯片的工作温度，降低功耗，是目前制约gan功率芯片发展的瓶颈之一。

目前，功率芯片通常是在碳化硅、硅或者蓝宝石的基底上生长有源层(亦称外延层)，并在有源层上生成电路，形成完整的芯片粘结到金属基底上，封装成为可以直接在基站使用的功率器件。然而，在功率芯片工作时，由于金属基底的热阻较大，导热性能较差，严重影响功率芯片的性能和寿命。

技术实现要素：

本发明提供了一种功率器件及其基底、功率器件组件、射频模块和基站。

本发明实施例提供一种功率器件的基底，用于支撑功率器件的功率芯片。所述功率器件的基底包括：金属基座、导热块和保护金属层，所述金属基座的封装面设有安装槽，所述导热块包括基材和多个均匀或随机嵌设于所述基材内的导热粒子，所述导热块收容并固定于所述安装槽内，所述导热块包括用于支撑所述功率芯片的支撑面，所述支撑面与所述金属基座的封装面朝向相同，所述保护金属层层叠于所述支撑面上。本实施例将混合有导热粒子的导热块嵌设到金属基座内，以降低基底的热阻，提高热导率，在安装功率芯片时，将功率芯片安装在导热块的支撑面上，使功率芯片产生的热量通过导热块及时导出，降低了功率芯片的工作温度，提高功率芯片的使用寿命和工作效率。

本实施例中，所述基材的热膨胀系数与所述金属基座的热膨胀系数相同或相近，避免所述基底接收所述功率芯片传导的热量而发生膨胀时，由于所述基材的热膨胀系数和所述金属基座的热膨胀系数差距较大而导致所述导热块和所述金属基座的接触界面发生开裂，结合不稳固。

其中，所述导热块和所述安装槽之间过盈配合，以增强所述导热块与所述金属基座的结合稳定性。

进一步的，所述保护金属层包括延伸段，所述延伸段层叠于所述金属基座的封装面以外的表面上。所述保护金属层由金等惰性金属制成，所述保护金属层及其延伸段完全覆盖所述金属基座的外表面，防止所述金属基座氧化。

进一步的，所述基底还包括中间金属层，所述中间金属层覆盖所述封装面及所述金属基座的封装面以外的表面并位于所述金属基座和所述保护金属层之间。所述中间金属层的热膨胀系数可以介于所述金属基座的热膨胀系数和所述保护金属层的热膨胀系数之间，以减小所述金属基座与所述保护金属层之间的热膨胀系数差异，避免所述金属基座与所述保护金属层在受热时，接触界面因热膨胀系数不匹配而开裂。

其中，所述金属基座包括与所述金属基座的封装面相对设置的底面，所述安装槽贯穿所述底面，进一步增强所述基底对所述功率芯片的散热能力。

进一步的，所述支撑面与所述金属基座的表面平齐。

本发明实施例提供一种功率器件，包括功率芯片和上述功率器件的基底，所述功率芯片包括依次层叠的接地层、衬底和外延层，所述功率芯片位于支撑面上，所述接地层朝向所述支撑面并与所述支撑面固定连接。本发明所述的功率器件可以是射频功率放大器、功率晶体管、绝缘栅双极型晶体管或功率电源芯片等电子元器件。所述功率器件的基底通过导热块实现对所述功率芯片的快速散热，保证所述功率芯片的工作性能及质量，并且所述功率芯片通过所述接地层与所述导热块上的保护金属层连接而不是直接与所述基底连接，减小了所述功率芯片与所述基底之间的连接应力。

其中，所述支撑面的尺寸大于所述接地层朝向所述基底的表面的尺寸，在所述功率芯片装配在所述基底上时，所述功率芯片完全放置在所述导热块上，以加快所述基底对所述功率芯片的散热。

一实施方式中，所述接地层与所述保护金属层粘结或键合，所述接地层与所述基底中保护金属层的热膨胀系数相同，由于所述基底中保护金属层的热膨胀系数和所述接地层的热膨胀系数相同，在所述功率芯片工作时，所述基底和所述功率芯片同时受热发生膨胀，所述基底和所述功率芯片的接触界面不会因为热膨胀系数差异过大而发生开裂，进而保证了功率芯片及功率器件的性能和工作效率。

另一实施方式中，所述功率器件包括粘接层，所述粘接层粘结所述接地层和所述保护金属层，所以粘结层的厚度在1μm～50μm之间。

进一步的，所述功率芯片部分嵌设于所述粘结层内，以将所述功率芯片与所述基底稳固连接。

其中，所述导热块的热膨胀系数大于所述功率芯片的热膨胀系数且小于所述金属基座的热膨胀系数。

其中，所述功率器件包括两个与所述功率芯片电连接的引脚，每一所述引脚包括开口通槽，所述开口通槽由所述引脚中部向所述引脚的一侧部延伸并贯穿所述侧部，所述引脚的另一侧部设于所述基底的表面上，两个所述引脚分别位于所述功率芯片的相对两侧且与所述功率芯片间隔设置。当所述功率器件安装时，两个所述引脚被所述开口通槽隔开的部分焊接在电路板上，一个所述引脚将电信号输入功率芯片上，另一个所述引脚将经所述功率芯片处理过的电信号输出，所述开口通槽可以减小所述引脚与焊盘的机械应力，还可以使熔融的焊料中的气泡从所述开口通槽中排出，以增加所述引脚的连接稳定性。

进一步的，所述功率器件包括封装盖，所述封装盖与所述基底固定连接且与所述基底围成封装所述功率芯片的封装空间，两个所述引脚伸出所述封装空间。所述封装盖封装保护所述功率芯片，两个所述引脚伸出所述封装空间以便于所述功率器件与电路板焊接导通。

本发明实施例提供一种功率器件组件，包括电路板、散热基板和上述功率器件。所述电路板设于所述散热基板的表面，所述电路板上设有通孔，所述散热基板的表面设有与所述通孔连通的收容槽，所述功率器件穿过所述通孔并收容于所述收容槽内，所述功率器件包括两个引脚，两个所述引脚与所述电路板焊接并导通。本发明所述功率器件组件使用具有导热块的基底实现对所述功率芯片的快速散热，保证所述功率芯片的工作性能及质量，并且所述功率芯片通过所述接地层与所述导热块上的保护金属层连接而不是直接与所述基底连接，减小了所述功率芯片与所述基底之间的连接应力。

其中，每一所述引脚包括开口通槽，所述开口通槽由所述引脚中部向所述引脚的一侧部延伸并贯穿所述侧部，被所述开口通槽贯穿的部分与所述电路板焊接，所述引脚的另一侧部设基底的表面上，两个所述引脚分别位于功率芯片的相对两侧且与所述功率芯片间隔设置。两个所述引脚被所述开口通槽隔开的部分焊接在所述电路板上，一个所述引脚将电信号输入功率芯片上，另一个所述引脚将经所述功率芯片处理过的电信号输出，所述开口通槽可以减小所述引脚与焊盘的机械应力，还可以将熔融的焊料中的气泡排出，增加所述引脚的连接稳定性。

其中，所述功率器件中外延层上的电路通过通孔和基底与所述散热基底实现接地，所述外延层实现接地以保护所述功率器件。

本发明实施例提供一种射频模块，包括电路板、散热基板和上述功率器件，所述电路板设于所述散热基板的表面，所述电路板上设有通孔，所述散热基板的表面设有与所述通孔连通的收容槽，所述功率器件穿过所述通孔并收容于所述收容槽内，所述功率器件包括两个引脚，两个所述引脚与所述电路板焊接并导通。本发明所述射频模块使用具有导热块的基底实现对所述功率芯片的快速散热，保证所述功率芯片的工作性能及质量，并且所述功率芯片通过所述接地层与所述导热块上的保护金属层连接而不是直接与所述基底连接，减小了所述功率芯片与所述基底之间的连接应力。

其中，每一所述引脚包括开口通槽，所述开口通槽由所述引脚中部向所述引脚的一侧部延伸并贯穿所述侧部，每一所述引脚被所述开口通槽贯穿的部分与所述电路板焊接，所述引脚的另一侧部设基底的表面上，两个所述引脚分别位于功率芯片的相对两侧且与所述功率芯片间隔设置。两个所述引脚被所述开口通槽隔开的部分焊接在所述电路板上，一个所述引脚将电信号输入功率芯片上，另一个所述引脚将经所述功率芯片处理过的电信号输出，所述开口通槽可以减小所述引脚与焊盘的机械应力，还可以将熔融的焊料中的气泡排出，增加所述引脚的连接稳定性。

本发明实施例提供一种无线基站，包括上述射频模块。

本发明所述基底将混合有导热粒子的导热块嵌设到金属基座内，以降低基底的热阻，提高热导率，在安装功率芯片时，将功率芯片安装在导热块的支撑面上，功率芯片产生的热量通过导热块及时导出，降低了功率芯片的工作温度，提高功率芯片的使用寿命和工作效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的功率器件的基底的截面示意简图；

图2为图1所示的功率器件的基底的平面示意简图，其中，只对金属基座和导热块做了平面展示；

图3为本发明的功率器件的基底第二种实施例的截面示意简图；

图4为本发明的功率器件的基底第三种实施例的截面示意简图；

图5为本发明的功率器件的截面示意简图；

图6为本发明的功率器件第二种实施例的截面示意简图；

图7为本发明的功率器件第三种实施例的截面示意简图；

图8为图5～图7所示的功率器件中引脚的平面示意简图；

图9为本发明的功率器件组件的截面示意简图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1和图2，本发明实施例提供一种功率器件的基底10，用于支撑功率器件的功率芯片。所述功率器件的基底10包括金属基座11、导热块12和保护金属层13。所述金属基座11的封装面111设有安装槽112，所述导热块12包括基材121和多个均匀或随机嵌设于所述基材121内的导热粒子122，所述导热块12收容并固定于所述安装槽112内，所述导热块12包括用于支撑所述功率芯片的支撑面123，所述支撑面123与所述金属基座11的封装面111朝向相同，所述保护金属层13层叠于所述支撑面123上。其中，所述支撑面123与所述金属基座11的封装面111平齐。

本发明所述的功率器件的基底10将混合有导热粒子121的导热块12嵌设到金属基座11内，以降低所述基底10的热阻，提高热导率，在与二极管芯片等功率芯片安装时，所述功率芯片安装在导热块12的支撑面123上，所述功率芯片产生的热量通过导热块12及时导出，降低了所述功率芯片的工作温度，提高了所述功率芯片的使用寿命和工作效率。

本实施例中，所述导热块12和所述安装槽112之间过盈配合，以增强所述导热块12与所述金属基座11的结合稳定性。具体的，所述基材121的热膨胀系数与所述金属基座11的热膨胀系数相同。当所述基底10接收所述功率芯片传导的热量而膨胀时，避免由于基材121的热膨胀系数和金属基座11的热膨胀系数不匹配而导致所述导热块12和金属基座11的接触界面发生开裂。其中，金属基座11和基材121均由铜(cu)制成，所述导热粒子122为金刚石颗粒。由于金刚石具有较好的导热性能(热导率最高可为2000w/m·k)，相比于现有技术中由纯铜制成的基底，本实施例将金刚石颗粒与铜混合而成的导热块12嵌入金属基座11内，显著提升了基底10的导热性能。需要说明的是，在其他实施例中，所述金属基座可以为铝(al)等高导热金属制成，也可以为由铜和钼(mo)交错堆叠而成的多层结构，且所述多层结构的最外侧为铜，或者，所述基材121也可以由银(ag)等高导热金属制成。

进一步的，所述基底10还包括中间金属层14，所述中间金属层14覆盖所述支撑面123并位于所述金属基座11和所述保护金属层13之间，所述中间金属层14的热膨胀系数可以介于所述金属基座11的热膨胀系数和所述保护金属层13的热膨胀系数之间，以减小金属基座11与保护金属层13之间的热膨胀系数差异，避免金属基座11与保护金属层11在受热时，接触界面因热膨胀系数不匹配而开裂。具体的，所述中间金属层14和所述保护金属层13依次层叠于所述支撑面123上。本实施例中，所述保护金属层13由金(au)制成，所述保护金属层13可以当做焊料，使得所述功率芯片可以直接焊接在保护金属层13上。所述中间金属层14由镍(ni)制成，将金属基座11与保护金属层13之间的热膨胀系数差异转化成中间金属层14与金属基座11和保护金属层13之间的热膨胀系数差异，避免了所述基底10在受热膨胀时，金属基座11与保护金属层13的接触界面因热膨胀系数不匹配而导致的开裂或剥落现象。需要说明的是，在其他实施例中，所述保护金属层也可以为银(ag)等金属材料，或者，所述中间金属层也可以为镍和铜交错堆叠而成的双层结构，且所述铜层位于所述镍层和所述保护金属层之间。

请参阅图3，在本发明所述功率器件的基底10的第二种实施例中，与上述实施例不同之处在于，所述金属基座11包括与所述金属基座11的封装面111相对设置的底面113，所述安装槽112贯穿所述封装面111和所述底面113。具体的，所述导热块12完全填充于所述安装槽112内，以进一步增强所述基底10对所述功率芯片的散热能力。

请参阅图4，在本发明所述功率器件的基底10的第三种实施例中，与上述两种实施例不同之处在于，所述保护金属层13包括延伸段131，所述延伸段131层叠于所述金属基座11的封装面111以外的表面上。具体的，所述保护金属层13完全覆盖所述金属基座11的整个外表面并且位于导热块以外的部分为所述延伸段131，以防止所述金属基座11被氧化。进一步的，所述中间金属层14覆盖所述封装面111及所述金属基座11的封装面111以外的表面并位于所述金属基座11和所述保护金属层13之间，以减小金属基座11与保护金属层13之间的热膨胀系数差异，避免金属基座11与保护金属层11在受热时，接触界面因热膨胀系数不匹配而开裂。

本发明实施例提供一种功率器件，所述功率器件可以是射频功率放大器、功率晶体管、绝缘栅双极型晶体管或功率电源芯片等电子元器件。请参阅图5，所述功率器件20包括功率芯片21和上述功率器件的基底10，所述功率芯片21包括依次层叠的接地层211、衬底212和外延层213，所述功率芯片21位于支撑面123上，所述接地层211朝向所述支撑面123并与所述支撑面123固定连接。其中，所述导热块12的热膨胀系数与所述功率芯片21的热膨胀系数相近，且所述导热块12的热膨胀系数大于所述功率芯片21的热膨胀系数且小于所述金属基底11的热膨胀系数。具体的，所述外延层213上的电路通过通孔214和所述接地层211与所述基底10电连接，且所述通孔214贯穿所述外延层213、所述衬底212和所述接地层211。进一步的，所述接地层211与保护金属层13粘结或直接键合，且所述接地层211的热膨胀系数和所述基底10中保护金属层13的热膨胀系数相同。本实施例中，所述接地层211由金制成，所述功率芯片21直接焊接在所述保护金属层13上，在所述功率芯片21工作时，所述基底10和所述功率芯片21同时受热发生膨胀，所述基底10和所述功率芯片21的接触界面不会因为热膨胀系数不匹配而发生开裂，进而保证了功率芯片21和功率器件20的性能和工作效率。需要说明的是，在其他实施例中，所述接地层的热膨胀系数可以为所述保护金属层的热膨胀系数的两倍，或者，所述保护金属层的热膨胀系数是所述接地层的热膨胀系数的两倍。

本发明所述功率器件20采用上述功率器件的基底10支撑所述功率芯片21，所述基底10不仅可以实现对所述功率芯片21的快速散热，由于所述基底10中导热块12的热膨胀系数和所述功率芯片21的热膨胀系数相近，在所述功率芯片21工作，所述基底10和所述功率芯片21同时受热发生膨胀时，所述基底10和所述功率芯片21的接触界面不会因为热膨胀系数不匹配而发生开裂。

本实施例中，所述支撑面123的尺寸大于所述接地层211朝向所述基底10的表面的尺寸。在所述功率芯片21装配在所述基底10上时，所述功率芯片21放置在所述导热块12的支撑面123上，所述功率芯片21的热量直接传递给所述导热块12，以加快所述基底10对所述功率芯片21的散热，并且此时所述接地层211可以与所述支撑面123完全接触而不接触其他表面，所述功率芯片21和所述导热块12的接触界面不会因膨胀系数不同而发生开裂。

请参阅图6，在本发明所述功率器件20的第二种实施例中，与上述实施例不同之处在于，所述保护金属层13包括延伸段131，所述延伸段131层叠于所述金属基座11的封装面111以外的表面上。具体的，所述保护金属层13包裹所述基底10的整个外表面且所述延伸段131覆盖所述导热块12以外的所述金属基座11的表面，以防止所述金属基座11被氧化。进一步的，所述中间金属层14覆盖所述封装面111及所述金属基座11的封装面111以外的表面并位于所述金属基座11和所述保护金属层13之间，以减小金属基座11与保护金属层13之间的热膨胀系数差异，避免金属基座11与保护金属层11在受热时，接触界面因热膨胀系数不匹配而开裂。

请参阅图7，在本发明所述功率器件20的第三种实施例中，与上述两种实施例不同之处在于，所述功率器件20包括粘接层22，所述粘接层22粘接所述接地层211和所述保护金属层13，以缓解所述功率芯片21和所述基底10之间的机械应力，减小所述保护金属层13与所述接地层211之间接触界面的热膨胀系数差异，避免两者的接触界面因热膨胀系数差异而开裂。具体的，所述粘结层22的厚度在1μm～50μm之间，且所述粘接层22将所述功率芯片21固定于所述基底10的支撑面123上，且所述功率芯片21部分嵌设于所述粘结层22内，以将所述功率芯片21与所述基底10稳固连接。其中，所述粘接层22由铜、锡化铜(8％的铜和92％的锡)和锡膏(sac305)混合而成，铜占比20％～30％，锡化铜占比70％～80％，锡膏占比0％～10％。需要说明的是，所述保护金属层13和所述接地层211的材料可以相同也可以不同，本实施例中，对此不作具体限定。

请一并参阅图8，进一步的，基于上述三种实施例所述的功率器件20，本发明所述功率器件20还包括两个与所述功率芯片21电连接的引脚23，每一所述引脚23包括开口通槽24，所述开口通槽24由所述引脚23中部向所述引脚23的一侧部231延伸并贯穿所述侧部231，所述引脚23的另一侧部232设于所述基底10的表面上，两个所述引脚23分别位于所述功率芯片21的相对两侧且与所述功率芯片21间隔设置。具体的，所述引脚23包括位于所述开口通槽24两侧的焊接分支233，两个所述焊接分支233伸出所述基底10，当所述功率器件20装配到外接电路板上时，两个所述焊接分支233焊接于外界电路板上，位于两个所述焊接分支233之间的开口通槽24不仅可以减小所述引脚23焊接时与焊盘的机械应力，避免所述引脚23焊接过程中断裂，还可以将熔融的焊料中的气泡排出，增加所述引脚23的连接稳定性。进一步的，两个所述引脚23通过导线25与所述功率芯片21电连接，所述功率器件20通过两个所述引脚23焊接在所述外接电路板上并导通，一个所述引脚23将电信号传输到所述功率芯片21上，另一个所述引脚23将经所述功率芯片21处理过的电信号输出。

本发明中，所述功率器件20还包括绝缘层，所述绝缘层设于所述基底10朝向所述功率芯片21的表面上，所述绝缘层包括两个绝缘图案部分261，两个所述绝缘图案部分261分别设于所述功率芯片21的两侧，两个所述引脚23分别设于两个所述绝缘图案部分261背离所述基底10的表面上，以使所述引脚23与所述基底10之间绝缘。具体的，两个所述绝缘图案部分261设于所述基座11的封装面111的相对两端，两个所述引脚23未设有开口通槽24的部分层叠于所述绝缘层图案部分261的表面上。

进一步的，所述功率器件20包括封装盖27，所述封装盖27与所述基底10固定连接且与所述基底10围成封装所述功率芯片21的封装空间201，两个所述引脚23伸出所述封装空间201。具体的，所述封装盖27为罩状，所述封装盖27罩设于所述封装面111上。进一步的，所述封装盖27可以通过所述绝缘层与所述基底10固定连接以封装功率芯片21，所述功率芯片21封装于所述封装空间201内以避免被水分或氧气侵蚀。

请参阅图9，本发明实施例提供一种功率器件组件30，包括电路板31、散热基板32和上述任一种功率器件20。以上述第三种实施例所述功率器件20为例进行具体说明，所述电路板31设于所述散热基板32的表面，所述电路板31上设有通孔311，所述散热基板32的表面设有与所述通孔311连通的收容槽321，所述功率器件20穿过所述通孔31并收容于所述收容槽321内，所述功率器件20包括两个引脚23，两个所述引脚23与所述电路板31焊接并导通。具体的，所述功率器件20焊接于所述收容槽321的槽底，所述功率器件20中外延层213通过通孔214和基底10与所述散热基板32实现接地，以保护所述功率器件20。

本发明实施例提供一种射频模块，所述射频模块包括电路板、散热基板和上述功率器件，所述电路板设于所述散热基板的表面，所述电路板上设有通孔，所述散热基板的表面设有与所述通孔连通的收容槽，所述功率器件穿过所述通孔并收容于所述收容槽内，所述功率器件包括两个引脚，两个所述引脚与所述电路板焊接并导通。其中，每一所述引脚包括开口通槽，所述开口通槽由所述引脚中部向所述引脚的一侧部延伸并贯穿所述侧部，每一所述引脚被所述开口通槽贯穿的部分与电路板焊接，所述引脚的另一侧部设于基底的表面上，两个所述引脚分别位于功率芯片的相对两侧且与所述功率芯片间隔设置。

本发明实施例提供一种基站，包括上述射频模块。

本发明中所描述的流程图仅仅为一个实施例，在不偏离本发明的精神的情况下对此图示或者本发明中的步骤可以有多种修改变化。比如，可以不同次序的执行这些步骤，或者可以增加、删除或者修改某些步骤。本领域的一般技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。