CN105870071A - 氮化铝多层陶瓷四边无引线扁平封装外壳 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种氮化铝多层陶瓷四边无引线扁平封装外壳，涉及陶瓷封装技术领域。本发明包括陶瓷外壳，陶瓷外壳向上开口，在陶瓷外壳基板的下表面中央设有中央焊盘，在中央焊盘的四周设有引出端焊盘，中央焊盘与引出端焊盘间设有间隙，陶瓷外壳采用氮化铝材料制成，在陶瓷外壳基板的上表面中央设有芯片粘接区，在芯片粘接区的四周设有引线键合区，引线键合区呈放射状，在陶瓷外壳四周的外侧壁上设有若干金属导通槽，芯片粘接区通过键合丝与引线键合区连接，引线键合区通过金属导通槽与引出端焊盘连接。具有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。

Description

氮化铝多层陶瓷四边无引线扁平封装外壳

技术领域

本发明涉及陶瓷封装技术领域，尤其涉及一种氮化铝多层陶瓷四边无引线扁平封装外壳。

背景技术

CQFN（Ceramic Quad Flat No-lead）类外壳主要用于封装各种高速ADC、DAC和DDS芯片，产品包括ADC、DAC、DDS、GaAs MMIC 开关、跟踪保持放大器、混频放大器、功率放大器、混频器和转换器等。该类外壳最大优势在于能够满足数字、数模、模拟和MEMS封装，跨领域应用面广。该类外壳常用的引线节距有0.50mm，具有寄生参数小、尺寸小、散热好、应用频率高、高频性能好、适于量产等特点。目前RF性能可覆盖Ka 波段，适于表面安装。发展方向：高频、高速、低成本。适用于航空航天与防务、汽车应用、能源、医疗保健、仪器仪表测量、电机控制、过程控制及工艺自动化等领域。

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。氮化铝（AlN）陶瓷具有高的热导率（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。

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（Low Temperature Co-fired Ceramic）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；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

本发明所要解决的技术问题是提供一种氮化铝多层陶瓷四边无引线扁平封装外壳，具有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。

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四边无引线扁平封装外壳，包括陶瓷外壳，陶瓷外壳向上开口，在陶瓷外壳基板的下表面中央设有中央焊盘，在中央焊盘的四周设有引出端焊盘，中央焊盘与引出端焊盘间设有间隙，陶瓷外壳采用氮化铝材料制成，在陶瓷外壳基板的上表面中央设有芯片粘接区，在芯片粘接区的四周设有引线键合区，引线键合区呈放射状，在陶瓷外壳四周的外侧壁上设有若干金属导通槽，芯片粘接区通过键合丝与引线键合区连接，引线键合区通过金属导通槽与引出端焊盘连接。

进一步的技术方案，在陶瓷外壳基板中央设有热沉结构。

进一步的技术方案，热沉材质为无氧铜、钼铜、钨铜及CPC中的一种。

进一步的技术方案，金属导通槽的断面为半圆形，金属导通槽上端设有封底，该封底与引线键合区的上表面共面设置，金属导通槽的孔径为0.15～0.60mm，槽长为0.15～4.00mm。

进一步的技术方案，引出端焊盘在陶瓷外壳基板的下表面两两对边呈对称分布或在四边均匀分布，其数量与对应的外侧壁上设置的金属导通槽的数量相等。

进一步的技术方案，陶瓷外壳的四角设有弧形凹槽，弧形凹槽在陶瓷外壳的上下表面之间贯通。

进一步的技术方案，引出端焊盘的节距为0.5mm。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明为氮化铝多层陶瓷外壳，利用氮化铝的优异性能，使采用氮化铝的陶瓷产品的设计更加灵活，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、高散热性和高可靠要求。

附图说明

图1是本发明不带热沉的主视图；

图2是图1的俯视图；

图3是图1的仰视图；

图4是本发明带有热沉的主视图；

图5是图4的俯视图；

图6是图4的仰视图；

图中：1、陶瓷外壳；2、芯片粘接区；3、引线键合区；4、密封区；5、金属导通槽；6、引出端焊盘；7、热沉；8、中央焊盘；9、弧形凹槽；10、封底。

具体实施方式

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。

本发明结构如图1、图2所示，包括陶瓷外壳1，陶瓷外壳1向上开口，在陶瓷外壳1基板的下表面中央设有中央焊盘8如图3所示，在中央焊盘8的四周设有引出端焊盘6，陶瓷外壳1采用氮化铝材料制成，基板的上表面中央设有芯片粘接区2，在芯片粘接区2的四周设有引线键合区3，引线键合区3呈放射状，引线键合区3四周为密封区4，在陶瓷外壳1四周的外侧壁上设有若干金属导通槽5，芯片粘接区2通过键合丝与引线键合区3连接，引线键合区3通过金属导通槽5与引出端焊盘6连接。中央焊盘8用于接地和散热。

另外，还可以是在腔体的底部中央设有热沉7结构，如图4、图5、图6所示，其中，热沉7材质为无氧铜、钼铜、钨铜及CPC中的一种。

其中，金属导通槽5的结构为，金属导通槽5的上端设有封底10，该封底10的底面与引线键合区3的上表面共面设置，金属导通槽5的孔径为0.15～0.60mm，槽长为0.15～4.00mm。其中引线键合区3侧向与金属导通槽5连接。

引出端焊盘6在陶瓷外壳1的下表面两两对边呈对称分布或在四周均匀分布，即，其中一对相对边的引出端焊盘6数量与另一对相对边引出端焊盘6数量不相等，另外引出端焊盘6总数量与对应的外侧壁上设置的金属导通槽5的数量相等。

陶瓷外壳1的四角设有弧形凹槽9，弧形凹槽9在陶瓷外壳1的上下表面之间贯通。

CQFN系列的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1～10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0.50mm。该类陶瓷外壳的引出端焊盘呈四边均匀排布。常见引出端形式有2种，一种是引出端焊盘与键合指从外壳的四边侧面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。

CQFN系列的化铝陶瓷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。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。

CQFN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CQFN类氮化铝多层陶瓷封装外壳。

本发明主要封装形式为四边无引线（CQFN- Ceramic Quad Flat No-lead）的扁平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，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。

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，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。

氮化铝多层陶瓷外壳与常规LTCC一体化外壳或氧化铝陶瓷外壳相比，氮化铝陶瓷具有较高的热导率，最高热导率达到180W/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，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。

Claims (7)

1.一种氮化铝多层陶瓷四边无引线扁平封装外壳，包括陶瓷外壳（1），陶瓷外壳（1）向上开口，在陶瓷外壳（1）基板的下表面中央设有中央焊盘（8），在中央焊盘（8）的四周设有引出端焊盘（6），中央焊盘（8）与引出端焊盘（6）间设有间隙，其特征在于，陶瓷外壳（1）采用氮化铝材料制成，在陶瓷外壳（1）基板的上表面中央设有芯片粘接区（2），在芯片粘接区（2）的四周设有引线键合区（3），引线键合区（3）呈放射状，在陶瓷外壳（1）四周的外侧壁上设有若干金属导通槽（5），芯片粘接区（2）通过键合丝与引线键合区（3）连接，引线键合区（3）通过金属导通槽（5）与引出端焊盘（6）连接。

2.根据权利要求1所述的氮化铝多层陶瓷四边无引线扁平封装外壳，其特征在于，在陶瓷外壳（1）基板中央设有热沉（7）结构。

3.根据权利要求2所述的氮化铝多层陶瓷四边无引线扁平封装外壳，其特征在于，热沉（7）材质为无氧铜、钼铜、钨铜及CPC中的一种。

4.根据权利要求1或2所述的氮化铝多层陶瓷四边无引线扁平封装外壳，其特征在于，金属导通槽（5）的断面为半圆形，金属导通槽（5）上端设有封底（10），该封底（10）与引线键合区（3）的上表面共面设置，金属导通槽（5）的孔径为0.15～0.60mm，槽长为0.15～4.00mm。

5.根据权利要求1或2所述的氮化铝多层陶瓷四边无引线扁平封装外壳，其特征在于，引出端焊盘（6）在陶瓷外壳（1）基板的下表面两两对边呈对称分布或在四边均匀分布，其数量与对应的外侧壁上设置的金属导通槽（5）的数量相等。

6.根据权利要求1或2所述的氮化铝多层陶瓷四边无引线扁平封装外壳，其特征在于，陶瓷外壳（1）的四角设有弧形凹槽（9），弧形凹槽（9）在陶瓷外壳（1）的上下表面之间贯通。

7.根据权利要求1或2所述的氮化铝多层陶瓷四边无引线扁平封装外壳，其特征在于，引出端焊盘（6）的节距为0.5mm。