CN111627875A - 一种高导热散热装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种高导热散热装置，所述装置自下而上依次由高导热底板、围框和盖板组成；高导热底板上且围框内设有至少一层HTCC基板，所述单层HTCC基板的上下表面中的至少一面用于放置发热器件；所述HTCC基板与高导热底板相连接的一面不放置发热器件。本发明提供的高导热散热装置利用大面积的HTCC基板和金刚石铝底板，解决了微波功率模块的高热流密度发热芯片的散热问题。

Description

一种高导热散热装置

技术领域

本发明涉及微波功率模块领域，尤其涉及一种高导热散热装置。

背景技术

微波功率模块广泛应用于雷达、电子对抗、通信等军事和民用领域，随着GaN三代半导体材料的发展，集成度和功率不断提高，微波功率模块的发热量成倍提高，X波段功率芯片的热流密度达到200W/cm2甚至更高，对模块散热能力尤其是热传导提出了很大挑战。

目前国内的军用或者民用领域，微波功率模块发热芯片的热沉多采用钨铜、铜-钼铜等二代热管理材料，例如专利CN201310001249.X“层叠结构热沉材料及制备方法”中提到的铜-钼铜热沉材料，采用三层复合，实现钼铜或钨铜热沉的制备。专利CN200910213372.1“铜钼铜热沉材料及制备方法”中提到的铜钼铜热沉材料。封装壳体则是可伐、铝硅等一至三代热管理材料，例如专利CN201810044629.4“电子封装用可伐合金墙体的制备方法”中提到的可伐合金封装壳体，专利CN201510812388.X“一种梯度铝硅电子封装材料的制备方法”中提到的铝硅壳体封装材料。在部分高端应用领域，开始逐步应用金刚石铝、金刚石铜等第四代热沉材料，例如专利CN201710434894.9“一种用作电子封装材料的金刚石-铝复合材料”中提到的热沉材料，专利CN201520980982.5“金刚石铜热沉材料”中提到的热沉材料。金刚石基复合材料，虽然热导率高达约600W/m/K，是铝的3倍左右，由于金刚石颗粒的存在，导致难加工、成本高的缺点，一般只能通过研磨的办法实现平板结构。而对于微波功率模块的封装壳体而言，需要设计供电、射频接口以便安装连接端子，必然存在螺纹、倒角、阶梯孔等精细复杂结构，只能通过机加工方式完成，从而限制了金刚石基复合材料在封装壳体上的应用，因此封装壳体上应用金刚石基复合材料未见报道。

此外，在微波功率模块内部，LTCC基板应用非常广泛，随着基板功能扩展和集成度提高，功率芯片热沉的可用面积逐渐减小，在Ka等高频段，热沉面积甚至和芯片相当，没有发挥扩热作用。在高导热需求下，HTCC(High Temperature co-fired Ceramic,高温共烧陶瓷)基板也开始逐渐使用，例如专利CN201811144572.1“一种四通道微波T/R组件”中提到的基板材料，专利CN201520794769.5“一种TR组件的高密度组装结构”中提到的HTCC基板，同样存在热沉扩热面积不够的问题。

综合来看，为提高大功率微波功率模块的散热能力，亟需解决如何实现金刚石基高导热材料作为封装壳体应用，如何提高热沉的扩热能力的技术问题。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题，提出了一种高导热散热装置，所述装置自下而上依次由高导热底板、围框和盖板组成；高导热底板上且围框内设有至少一层HTCC基板，所述单层HTCC基板的上下表面中的至少一面用于放置发热器件；所述HTCC基板与高导热底板相连接的一面不放置发热器件。

进一步地，所述发热器件为芯片，除最下层芯片外的任一芯片的功率不大于位于其下方的芯片的功率。

进一步地，所述高导热底板为金刚石铝复合材料，HTCC基板和高导热底板的热膨胀系数的差值大于等于-3ppm/K小于等于3ppm/K。

进一步地，所述HTCC基板为一层，上表面设置有凹腔，所述凹腔用于放置芯片，所述凹腔内的芯片的表面位于所在HTCC基板的上下表面之间，所述芯片在竖直方向上错位分布。

进一步地，所述围框内设有多层HTCC基板，HTCC基板堆叠于高导热底板上；除设置于最上层HTCC基板的上表面的芯片外，其他芯片均通过HTCC基板表面的凹腔设置，所述凹腔内的芯片的表面位于所在HTCC基板的上下表面之间，所述芯片在竖直方向上错位分布。

进一步地，围框的底面设置有定位销，在高导热底板相应位置打孔与定位销进行配合定位。

进一步地，围框使用Al 6061，在高导热底板的制备过程中生成，盖板使用Al4047。

进一步地，围框使用铝AlSi50，盖板使用AlSi27。

进一步地，围框使用TC4，盖板使用TA2。

本发明与现有技术相比，具备以下优点：

(1)利用大面积的HTCC基板，解决了微波功率模块的高热流密度发热芯片的扩热难问题；

(2)利用金刚石/铝复合底板，解决了微波功率模块的壳体热传导温升高的问题，同时有效的二次扩热，进一步降低热流密度，减小了模块和冷板间的接触温升；

(3)通过采用不同类型材料的底板、围框和盖板以及复合连接，解决了微波功率模块直接采用高导热材料产生的加工难、密度大、成本高等工程使用问题。

附图说明

图1为实施例一的整体装配视图。

图2为实施例一的分解视图。

图3为实施例一的围框和高导热底板的装配视图。

图4为微波功率模块的传统传热方式示意图。

图5为应用本发明的微波功率模块的传热方式示意图。

图6为实施例一的局部示意图。

图7为图6的A-A向剖视图。

图中标号所代表的含义为：

盖板1、围框2、高导热底板3、上层HTCC基板4、下层HTCC基板5、小功率芯片6、大功率芯片7。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定意在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。

实施例一

本发明提出的高导热散热装置的示意图如图1、图2所示，所述装置自下而上依次由高导热底板3、围框2和盖板1组成。装置内封装有上层HTCC基板4和下层HTCC基板5；HTCC基板4和下层HTCC基板5上设置有小功率芯片6和大功率芯片7。

高导热底板3为金刚石铝复合材料，通过调整金刚石的体积分数，使得底板的热膨胀系数和HTCC基板相匹配。一般HTCC基板的热膨胀系数在4-5ppm/K(ppm/K为温度系数)，当金刚石在金刚石铝中的体积分数达到70％以上时，可使金刚石铝复合材料的热膨胀系数达到7ppm/K左右，满足两层焊接界面热膨胀系数的差值大于等于-3ppm/K小于等于3ppm/K的需求。高导热底板3的表面，在制备工艺如高压铸造中，可以直接形成铝金属层，如采用压力浸渗工艺，则需后续研磨再镀金属层，如镀钛再镀铜，从而满足和HTCC基板采用软钎焊大面积连接的要求。单侧铝金属层或金属镀层的厚度控制在50um，与一般金锡焊料厚度相当，双侧总厚度约100um，按照一般底板总厚度2mm计算，铝箔层占比约5％，其对整个底板的热膨胀系数影响很小，可以保证底板和HTCC基板的热匹配，以及焊接对表面金属化的要求。高导热底板和围框采用软钎焊连接。

上层HTCC基板4传热路径远，由于上层无遮挡，上表面可以表贴或者焊接小功率芯片6，也可以通过凹腔5-1焊接小功率芯片6，具体如图6和7所示，凹腔5-1的表面位于所在HTCC基板的上下表面之间。下层HTCC基板5传热路径近，可以焊接呈阵列排布的大功率芯片7，由于下层HTCC基板5的上表面需要和上层HTCC基板4的下表面大面积焊接，只能其在上表面做凹腔5-1，大功率芯片7焊接凹腔5-1中，芯片焊接在凹腔5-1中的高度低于HTCC基板4的表面。下层HTCC基板5与高导热底板3焊接，焊接面不放置芯片。下层HTCC基板5和上层HTCC基板4通过BGA连接或大面积锡焊。传热路径为(小功率芯片6→上层HTCC基板4)→(大功率芯片7→下层HTCC基板5)→高导热底板3。小功率芯片6和大功率芯片7在竖直方向应错位分布，形成合理的散热路径。

围框2和盖板1，有多种搭配选择。如优先考虑低成本，围框2可选择Al6061，在高导热底板3的制备过程如高压铸造或压力浸渗中生成，避免了再次镀金属层，盖板1选择Al4047；如优先考虑和原铝硅等封装壳体工艺兼容，围框2可选择铝硅合金(AlSi50)，镀镍镀金后和高导热底板3焊接，盖板1选择铝硅合金(AlSi27)；如考虑高强度及高可靠性，围框2可选择钛合金(TC4)，连接方法和铝硅合金类似，盖板1可选择钛合金(TA2)。围框2和盖板1，采用激光气密封焊工艺进行连接。如图3所示，围框2使用铝硅合金或者钛合金时，为保证大尺寸的围框和高导热底板3焊接时的精准固定，围框2的底面采用圆形或四边形的定位销2-1，高导热底板3相应位置打孔进行配合定位。围框2和高导热底板3通过软钎焊连接。

所述装置的整体连接工艺为两步阶梯焊接和一步封焊，具体为：

首先，进行高导热底板3和围框2的焊接，定位配对并使用工装夹具，采用最高焊接温度，可选用金锡焊料，焊接温度约283℃，形成不含盖板1的封装壳体。

其次，在HTCC基板上用金锡焊料或耐温300℃以上的导电银胶进行芯片与HTCC基板的连接，包括大功率芯片7和下层HTCC基板5、小功率芯片6和上层HTCC基板4的连接，形成带发热芯片的2个单层HTCC基板；之后，将2个带发热芯片的单层HTCC叠加，与封装壳体大面积焊接，可选锡铅焊料，焊接温度约183℃。

最后，盖板1和封装壳体进行激光气密封焊，保证应用于微波功率模块时的气密性要求。

实施例二

本实施例与实施例一基本相同，不同点在于，上层HTCC基板的下表面设置有凹腔5-1，凹腔5-1中焊接有小功率芯片6，所述小功率芯片6的表面位于所在HTCC基板的上下表面之间。

实施例三

本实施例与实施例一基本相同，不同点在于，本实施例中的HTCC基板为单层。单层HTCC基板的上表面表贴或者焊接小功率芯片6，其与高导热底板3相连接的一面不设芯片。

本发明利用大面积的HTCC基板，解决了微波功率模块的高热流密度发热芯片扩热难题；

本发明利用金刚石/铝复合底板，解决了微波功率模块的壳体热传导温升高的问题，同时有效的二次扩热，进一步降低热流密度，减小了模块和冷板间的接触温升；

本发明通过采用不同类型材料的底板、围框和盖板以及复合连接，解决了微波功率模块直接采用高导热材料产生的加工难、密度大、成本高等工程使用问题。

图4为传统的传热方式，传热路径窄，热阻大，而本发明的实施例三的传热方式如图5所示，传热路径宽，热流低，热阻小。

综上所述，本发明提供的高导热散热装置，相比传统的钼铜热沉和铝、铝硅或铝碳硅封装壳体，有效传热路径宽，可以很快把芯片处的高热流密度降低为低热流密度，总的传导热阻小，并采用特殊的底板、围框以及盖板复合结构设计，满足易加工、轻量化、经济性、气密性等生产加工要求，给后续换热的冷板或散热器创造了很好的先决条件，

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种高导热散热装置，其特征在于，所述装置自下而上依次由高导热底板(3)、围框(2)和盖板(1)组成；高导热底板(3)上且围框(2)内设有至少一层HTCC基板，所述单层HTCC基板的上下表面中的至少一面用于放置发热器件；所述HTCC基板与高导热底板(3)相连接的一面不放置发热器件。

2.根据权利要求1所述的高导热散热装置，其特征在于，所述发热器件为芯片，除最下层芯片外的任一芯片的功率不大于位于其下方的芯片的功率。

3.根据权利要求2所述的高导热散热装置，其特征在于，所述高导热底板(3)为金刚石铝复合材料，HTCC基板和高导热底板(3)的热膨胀系数的差值大于等于-3ppm/K小于等于3ppm/K。

4.根据权利要求3所述的高导热散热装置，其特征在于，所述HTCC基板为一层，上表面设置有凹腔(5-1)，所述凹腔(5-1)用于放置芯片，所述凹腔(5-1)内的芯片的表面位于所在HTCC基板的上下表面之间。

5.根据权利要求3所述的高导热散热装置，其特征在于，所述围框(2)内设有多层HTCC基板，HTCC基板堆叠于高导热底板(3)上；除设置于最上层HTCC基板的上表面的芯片外，其他芯片均通过HTCC基板表面的凹腔(5-1)设置，所述凹腔(5-1)内的芯片的表面位于所在HTCC基板的上下表面之间，所述芯片在竖直方向上错位分布。

6.根据权利要求4或5所述的高导热散热装置，其特征在于，围框(2)的底面设置有定位销(2-1)，在高导热底板(3)相应位置打孔与定位销(2-1)进行配合定位。

7.根据权利要求6所述的高导热散热装置，其特征在于，围框(2)使用Al 6061，在高导热底板(3)的制备过程中生成，盖板(1)使用Al 4047。

8.根据权利要求6所述的高导热散热装置，其特征在于，围框(2)使用铝AlSi50，盖板(1)使用AlSi27。

9.根据权利要求6所述的高导热散热装置，其特征在于，围框(2)使用TC4，盖板(1)使用TA2。

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