一种大功率LTCC微波组件散热结构及制造工艺的制作方法

一种大功率ltcc微波组件散热结构及制造工艺
技术领域
[0001]
本发明涉及一种大功率ltcc微波组件散热结构及制造工艺。


背景技术：

[0002]
射频电路散热问题一直是射电路工艺制造中必须要解决的主要问题。影响散热主要因素有：电路外壳材料、基板材料、功率芯片散热片材料、功率芯与散热片及其安装工艺、以及电路基板与外壳的装配结构等等。
[0003]
目前用于射频电路的ltcc基板导热系数为2.0w/mk～2.5 w/mk，外壳材料有：硅铝合金（100 w/mk～180 w/mk）、钼铜合金（150 w/mk～200 w/mk）、钨铜合金（180 w/mk～260 w/mk）、不锈钢（10 w/mk～30 w/mk）。
[0004]
通常大功率射频电路散热结构是：散热外壳与散热凸台一体结构，功率芯片贴装在散热凸台上，外围电路用高频电路板（罗杰斯板）拼接而成。这种结构，设计简单，散热性能好，适用于简单射频电路结构散热设计。但对于复杂多通道大功率射频电路，这种简单结构不能满足散热结构设计要求。


技术实现要素：

[0005]
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种大功率ltcc微波组件散热结构及制造工艺，可满足大功率射频电路的散热要求。
[0006]
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：一种大功率ltcc微波组件散热结构，包括散热底座、散热凸台、片材、开有直通孔的ltcc基板和金属盖板；至少一个散热凸台焊接在散热底座内；ltcc基板装配在与散热外壳内，且散热凸台对应地从ltcc基板上的直通孔内穿过，形成一暴露于ltcc基板外的上表面，可用于承载功率裸芯；散热凸台与直通孔之间形成的缝隙中由片材填充。
[0007]
进一步地，所述ltcc基板上集成有微波元器件和非微波元器件。
[0008]
进一步地，采用焊接或粘接方法将ltcc基板装配到散热外壳内。
[0009]
进一步地，所述片材采用导热导电胶半烧结方法填充至散热凸台周围的缝隙。
[0010]
进一步地，所述功率裸芯通过散热载片安装在散热凸台上表面。
[0011]
进一步地，所述功率裸芯采用au80sn20焊料焊接在散热载片上。
[0012]
进一步地，所述散热载片采用钼铜或钨铜材料。
[0013]
进一步地，所述散热载片采用焊料共晶点≤183℃的焊料或导热导电胶半烧结到散热凸台。
[0014]
进一步地，所述ltcc基板上通过smt焊接工艺或导电胶粘片/键合工艺组装有非功率元器件。
[0015]
一种大功率ltcc微波组件散热结构制造工艺，
将散热凸台焊接在散热底座内的底面上；开有直通孔的ltcc基板装配在散热外壳内，且散热凸台对应地从ltcc基板上的直通孔内穿过，形成一暴露于ltcc基板外的上表面；将片材填充在散热凸台与直通孔之间形成的缝隙中；功率裸芯焊接在散热载片上，散热载片焊接或烧结到散热凸台的上表面；通过smt焊接工艺或导电胶粘片/键合工艺将非功率元器件组装到ltcc基板上；通过粘接胶粘接工艺、平行缝焊或激光焊工艺将金属盖板封盖在散热底座上。
[0016]
本发明所达到的有益效果：1) 有效提高大功率微波组件散热性能；2）大幅度减小射频组件的集成体积，降低微波信号传输寄生参数；3）大大提高ltcc基板利用率，降低生产制造成本。
附图说明
[0017]
图1a散热底座示意图；图1b散热凸台示意图；图1c薄片示意图；图1dltcc基板示意图；图1e金属盖板示意图；图2散热外壳示意图；图3微波芯组一示意图；图4微波芯组二示意图；图5功率器件示意图；图6微波芯组三示意图；图7大功率ltcc微波组件爆炸图；图8制造工艺流程图。
具体实施方式
[0018]
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
[0019]
本实施例中的大功率ltcc微波组件散热结构及制造工艺，包括：散热结构设计、关键工艺及材料选用要求等信息。
[0020]
1、大功率ltcc微波组件散热结构及制造工艺特点1) 散热凸台与散热底座采用高温（焊料共晶点≥218℃）焊料焊接；2）ltcc 基板上大功率芯片安装区开有直通孔，ltcc基板与底座安装时，散热凸台从直通孔中穿过；3）功率芯片用au80sn20焊料焊接在用于散热的钼铜或钨铜载片上；4）带载片的功率芯片用低温焊料（焊料共晶点≤183℃）或导热导电胶半烧结到散热凸台上。
[0021]
5）其它非功率元器件集成在ltcc基板正背面。
[0022]
1.1 技术方案大功率微波组件散热结构包括：散热底座1、散热凸台2、薄片3、开有直通孔41的ltcc基板4和金属盖板5，见图1（微波组件爆炸图见图7）；散热凸台2与散热底座1采用高温焊料焊接（焊料共晶点≥218℃），形成散热外壳1-2，如图2所示；开有直通孔41的ltcc基板4上集成有小功率元件（包括微波元器件和非微波元器件）；采用焊接或粘接办法将ltcc基板4与散热外壳1-2装配到一起形成微波芯组一1-2-4，ltcc基板4上的直通孔大小位置与散热凸台2相配合，装配时，散热凸台2通过直通孔贯穿ltcc基板4，如图3所示；采用导热导电胶半烧结方法将微波芯组一1-2-4中散热凸台四周缝隙用薄片3填充，形成微波芯组二1-2-4-3，如图4所示；功率裸芯6用au80sn20焊料焊接在散热的钼铜或钨铜载片7上形成功率器件6-7，如图5所示；功率器件6-7用低温焊料（焊料共晶点≤183℃）或导热导电胶半烧结到微波芯组二1-2-4-3的散热凸台2上，形成微波芯组三，图6 所示；通过smt焊接工艺或导电胶粘片/键合工艺将非功率元器件组装到ltcc基板4上；通过粘接胶粘接工艺或平行缝焊（或激光焊）等工艺将金属盖板5最后封盖在微波芯组三上。
[0023]
如图8所示，本实施例中大功率ltcc微波组件散热结构制造工艺流程为：将散热凸台焊接在散热底座内的底面上；开有直通孔的ltcc基板装配在散热外壳内，且散热凸台对应地从ltcc基板上的直通孔内穿过，形成一暴露于ltcc基板外的上表面；将片材填充在散热凸台与直通孔之间形成的缝隙中；功率裸芯焊接在散热载片上，散热载片焊接或烧结到散热凸台的上表面；通过smt焊接工艺或导电胶粘片/键合工艺将非功率元器件组装到ltcc基板上；通过粘接胶粘接工艺、平行缝焊或激光焊工艺将金属盖板封盖在散热底座上。
[0024]
2、关键材料选用2.1 零部件材料选用1）散热底座：ce11（si50%-al50%，硅铝合金）或钼铜（mocu）或钨铜（wcu）。
[0025]
2）散热凸台：紫铜或钼铜（mocu）或钨铜（wcu）。
[0026]
3）功率裸芯、载片：钼铜（mocu）或钨铜（wcu）。
[0027]
4）ltcc基板：dupont951或ferro-a6或相当性能生瓷材料。
[0028]
5）散热凸台周围填缝用的薄片3材料：厚度10μm～15μm紫铜片；6）盖板：铝4047或可伐 4j29。
[0029]
2.2 关键工艺材料选用1）散热凸台与散热底座焊接材料：sac305焊膏（sn96.5ag3.0cu0.5）或sn96.5ag3.5焊膏。
[0030]
2）功率裸芯与载片焊接材料：25μm～30μm厚度au80sn20焊片或相当性能的半烧结银导热导电胶。
[0031]
3）ltcc基板与散热底座的装配材料：63sn37pb焊膏或相当性能导电环氧胶。
[0032]
4）功率器件与散热凸台的装配材料：63sn37pb焊膏或半烧结银导热导电胶。
[0033]
5）散热凸台四周缝隙填充粘接材料：半烧结银导热导电胶。
[0034]
3、关键工艺方法及参数控制3.1 散热凸台与散热底座焊接1）工艺方法：采用热板或者真空再流焊炉焊接；2）焊接峰值温度：焊料共晶点+（20℃～40℃）；3）合金焊层厚度：5μm～15μm；4）焊透率：≥90%。
[0035]
3.2 功率裸芯与载片装配方法1：ausn共晶焊接1）工艺方法：采用热板或者真空共晶焊炉焊接；2）焊接峰值温度：焊料共晶点+（15℃～25℃）；3）合金焊层厚度：5μm～15μm；4）焊透率：≥90%。
[0036]
方法2：半烧结银导热导电胶粘接1）工艺方法：点胶
→
粘片
→
固化（半烧结）；2）点胶厚度：5μm～15μm，均匀无空洞；3）固化温度：保证导热导电胶充分固化（半烧结）且低于功率芯片耐受温度；3.3 ltcc基板与散热外壳装配方法1：sn63pb37焊膏红外再流焊接 1）工艺方法：采用sn63pb37焊膏红外再流焊接，焊接过程中，采用长尾镂空金属夹夹持焊件，保持两个焊接面可靠接触；2）焊接峰值温度：焊料共晶点+（15℃～25℃）；3）合金焊层厚度：10μm～20μm；4）焊透率：≥75%。
[0037]
方法2：导电环氧胶粘接1）工艺方法：点胶
→
粘片
→
固化，固化过程中，采用长尾镂空金属夹夹持焊件，保持两个粘接面可靠接触；2）点胶厚度：15μm～25μm，均匀无空洞；；3）固化温度：温度低于组件上所有元器件耐受温度同时，保证导热导电胶充分固化；3.4 微波芯组一的散热凸台四周缝隙填充1）工艺方法：点胶
→
填铜片
→
固化。
[0038]
2）点胶厚度：30μm～50μm，四周缝隙一次性填上薄铜片，粘接胶不要污染薄铜片上侧表面；3）固化温度：温度低于组件上所有元器件耐受温度同时，保证导热导电胶充分固化；3.5 功率器件与散热凸台装配方法1：sn63pb37焊膏焊接1）工艺方法：采用sn63pb37焊膏红外再流焊接或者热板焊接；
2）焊接峰值温度：焊料共晶点+（15℃～25℃）；3）合金焊层厚度：10μm～20μm；4）焊透率：≥90%。
[0039]
方法2：半烧结银导热导电胶粘接1）工艺方法：点胶
→
粘片
→
固化（半烧结）；2）点胶厚度：5μm～15μm，均匀无空洞；3）固化温度：保证导热导电胶充分固化（半烧结）且低于组件上所有元器件耐受温度。
[0040]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。