一种集成式半导体制冷散热封装结构的设计方法与流程

1.本发明涉及半导体封装技术领域，具体地说是一种集成式半导体制冷散热封装结构的设计方法。


背景技术：

2.随着电子倍增emccd的综合性能要求不断提高，以及实际应用对外形物理尺寸的小型化要求，现有设计方法没有考虑到长期可靠性工作、尤其是与散热器耦合以及封装之间的相互影响，因此，原有设计方法存在可靠性低、体积大等缺点。


技术实现要素：

3.本发明的技术任务是解决现有技术的不足，提供一种集成式半导体制冷散热封装结构的设计方法。
4.本发明的技术方案是按以下方式实现的，本发明的一种集成式半导体制冷散热封装结构的设计方法，该设计方法同时考虑到制冷器件、图像传感器和封装结构三者的相互影响，以制冷性、气密性、可靠性、散热性为设计宗旨，将三者在同一平台上进行设计；
5.制冷器件采用半导体制冷器，半导体制冷器的选型条件兼顾该器件所使用的环境温度、被冷却物体应达到的低温温度、以及二者之间的温差、所计算热负载和冷损的总量、确定制冷器级数、制冷器电堆数量确定、被冷却物体的发热功耗，热辐射，键合引线产生的冷损进行精确计算，结合芯片尺寸和制冷工况的特性曲线完成半导体制冷器的选型；
6.图像传感器的信号输出结构设计；图像传感器信号输出端的间距、零部件分布，尺寸；
7.集成式壳体及散热器设计；集成式壳体尺寸由半导体制冷器尺寸、信号输出结构、光学镜头与图像传感器距离、真空接口、集成式散热器决定；
8.光窗尺寸及材料设计：光窗的尺寸设计需要与图像传感器以及制冷封装结构尺寸相匹配；光窗的材料需要满足密封可靠性、机械强度；
9.密封工艺设计：整体结构各零部件之间封装以及密封材料和密封方式的选用；
10.真空处理：整体结构装配完毕，图像传感器封装后，进行真空排气，形成真空封装结构。
11.该方法的步骤包括：
12.首先，根据图像传感器的发热功耗和产生的冷损进行精确计算，结合芯片尺寸和制冷工况的特性曲线完成半导体制冷器选型；
13.其次，根据半导体制冷器物理尺寸，结合图像传感器距光学窗口的距离完成腔体的结构和物理尺寸设计，同时，参照壳体底部尺寸，完成集成散热器尺寸设计；
14.然后，按照图像传感器芯片焊盘分布特征，并依据气密性封装设计规则，完成陶瓷环框架外形尺寸，输出管脚间距设计；
15.最后，依据气密性封装设计规则结合陶瓷环框架外形尺寸，完成光学窗口尺寸设
计。
16.图像传感器采用电子倍增emccd。
17.在该设计方法中：
18.《1》制冷封装结构设计：
19.采用autocad设计方法，同时考虑制冷的半导体制冷器器件、图像传感器的光学器件emccd和封装结构三者的相互影响，将三者在同一平台上进行设计，达到制冷、气密性、可靠性、散热设计的目的；
20.《2》半导体制冷器的选型原则是：
21.(1)确定制冷器的工作状态；根据工作电流的方向和大小决定制冷器的制冷，加热和恒温性能；
22.(2)确定制冷时热端实际温度；因为制冷器是温差器件，要达到最佳的制冷效果，制冷器必须安装在散热器上，根据散热条件的好坏决定制冷时制冷器热端的实际温度；由于温度梯度的影响，制冷器热端实际温度要比散热器表面温度高；同样，除了热端存在散热梯度外，被冷却的空间与制冷器冷端之间也存在温度梯度；
23.(3)确定制冷器工作环境和气氛；确定工作环境是在真空状况或是在常温常压大气环境下；确定气氛环境是干燥氮气或其它保护性气体、静止或流动空气及周围的环境温度，由此来考虑保温或绝热措施，并决定漏热的影响；
24.(4)确定制冷器工作对象、热负载和冷损的大小；除了受热端温度影响外，制冷器所能达到的最低温度或最大温差是在空载和绝热两个条件下确定的，实际上，制冷器达不到真正绝热，其也有热负载；
25.(5)确定制冷器的级数；制冷器级数的选定必需满足实际温差的要求，制冷器标称的温差必需高于实际要求的温差，达到设计要求；级数的选定兼顾成本；
26.(6)制冷器的规格；选定制冷器的级数后即可选定制冷器的规格，特别是制冷器的工作电流；由于本图像传感器的类型和工作条件所决定，通常选用工作电流最小的制冷器；
27.(7)确定电堆的数量；根据能满足温差要求的制冷器制冷总功率来决定，保证在工作温度时制冷器冷量总和大于工作对象热负载的总功率。
28.半导体制冷器选型：
29.(1)使用的环境温度th℃；
30.(2)被冷却物体应达到的低温温度tc℃，计算出温差δt；
31.(3)计算热负载q和冷损的总量；
32.(4)确定制冷器级数；
33.(5)确定型号后，查阅该型号的温差电制冷特性曲线，由使用环境和散热方式确定制冷器的热端温度得出相近的低温温度，在相应的特性曲线图中查处冷端qc的制冷量，最后由所需要的制冷量除以每个电堆产生的制冷量qc就可以得到所需要的电堆数量，n＝q/qc，这个参数决定制冷器整体性能；
34.(6)根据emccd的发热功耗，热辐射，键合引线产生的冷损进行精确计算，结合芯片尺寸和制冷工况的特性曲线完成半导体制冷器选型；
35.《3》集成式制冷散热封装结构设计：
36.封装结构由上至下分别为光窗、信号输出结构、半导体制冷器、集成式壳体及散热
器；
37.首先，根据emccd的发热功耗和产生的冷损进行精确计算，结合芯片尺寸和制冷工况的特性曲线完成半导体制冷器选型；
38.其次，根据半导体制冷器物理尺寸，结合emccd距光学窗口的距离完成腔体的结构和物理尺寸设计，同时，参照壳体底部尺寸，完成集成散热器尺寸设计；
39.然后，按照emccd芯片焊盘分布特征，并依据气密性封装设计规则，完成陶瓷环框架外形尺寸，输出管脚间距设计；
40.最后，依据气密性封装设计规则结合陶瓷环框架外形尺寸，完成光学窗口尺寸设计；
41.其中：
42.(1)集成式壳体及散热器
43.壳体尺寸由半导体制冷器尺寸，信号输出结构，光学镜头与emccd距离，真空接口，集成式散热器决定，
44.a.从安装的角度出发：
45.壳体内腔长宽尺寸大于半导体制冷器尺寸；二者相配合；
46.壳体高度高于tce高度，以避免封装后emccd与光窗、引线接触；
47.b.从综合散热和刚性性能出发：
48.设计并确定壳体底板厚度；壳体设计玻璃绝缘子、熔封引线，实现半导体制冷器电极通电；
49.设计使用无氧铜作为真空管道，与真空处理系统相匹配，设计确定真空管道的直接外径，由于无氧铜材料延展性高，易于冷切，便于实现真空封接；
50.c.为镜头支架结合，配合设计安装孔配合连接；
51.为最大限度降低热阻，提高散热效果，散热器与壳体设计构成一体；
52.d.从导热、刚性和可加工的角度出发：
53.壳体材料设计选用金属铝，壳体与散热器通过3d打印方式制作，后期装配引线和真空管道；
54.(2)光窗尺寸及材料
55.从与制冷封装结构匹配的角度出发：
56.光窗尺寸整体大于陶瓷环密封内腔，确定单边密封区域宽度；
57.从密封可靠性的角度出发：
58.光窗材料选用蓝宝石，提高机械强度；
59.(3)密封工艺
60.由于陶瓷环与光窗密封区域均未设计金属化，故采用胶封形式完成密封工艺；
61.壳体，陶瓷环与光窗三者之间的密封使用双组份环氧树脂为密封胶，经室温固化，耐温-60℃～+100℃.固化后，与粘接物品附着力高，气密性检测的泄漏率指标能满足项目考核要求；
62.(4)真空处理
63.壳体装配完毕，emccd封装后经光电参数筛选后进行真空排气操作；当真空度达到预期真空度要求后，使用管钳将真空管道进行剪切，壳体内部形成真空。
64.本发明与现有技术相比所产生的有益效果是：
65.现有图像传感器制冷封装结构设计内容包括以下内容：
66.(1)封装结构：根据电气输出，光学镜头要求，结合封装键合、贴装、密封、真空处理工艺，进行制冷封装结构设计。
67.(2)散热结构：根据封装壳体底部尺寸匹配翅片，扩大散热面积以提高散热效果，存在散热尺寸偏大情况或散热能力不足情况。
68.(3)半导体制冷器选型：根据应用需求，将能量守恒公式各自参数带入公式：
[0069][0070]
进行匹配，其中q为芯片功耗或发热量，
△
t为制冷温差，qmax为半导体制冷器最大制冷功耗，
△
tmax为半导体制冷器最大制冷温差。q和
△
t为已知参数，
△
tmax按环境要求进行极值代入，计算出qmax后再在半导体制冷器产品库里进行筛选选型。
[0071]
这种半导体制冷器选型方法存在偏差大缺点，易造成半导体制冷器最大制冷功耗超出实际应用，造成半导体制冷器不必要的过载工作。
[0072]
本发明的一种集成式半导体制冷散热封装结构的设计方法，相对于制冷密封壳体与散热器各自独立结构，采取了一种集成制冷散热于一体的密闭壳体，具备一定可靠性和使用价值的封装结构。
[0073]
通过emccd的发热功耗，热辐射，键合引线产生的冷损计算和autocad设计，综合了半导体制冷器性能，图像传感器和封装壳体结构的相互影响，提高了设计精度和实用性。
[0074]
相对于全金属化真空封装形式，本发明为一种低成本、高性价比、具备一定可靠性的制冷封装结构。
[0075]
总体上，该设计结构紧凑、封装占空比大、密封效果好，封装壳体与散热器通过3d打印形成一体，热阻最小，散热效果最佳。
[0076]
从应用的角度出发，本发明属于固定真空，封装后不可拆卸，需要将初步筛选光电性能合格的emccd芯片封装至内部。
[0077]
本发明的一种集成式半导体制冷散热封装结构的设计方法设计合理、结构简单、安全可靠、使用方便、易于维护，具有很好的推广使用价值。
附图说明
[0078]
附图1是本发明的集成式制冷散热封装结构图；
[0079]
附图2是本发明的信号输出结构；
[0080]
附图3是本发明的集成式壳体及散热器的结构示意图；
[0081]
附图4是本发明的集成式壳体及散热器的结构示意图；
[0082]
附图5是本发明的陶瓷环框架的结构示意图；
[0083]
附图6是本发明的陶瓷环框架的结构示意图；
[0084]
附图7是本发明的陶瓷环框架的结构示意图；
[0085]
附图8是本发明的陶瓷环框架的结构示意图。
[0086]
附图中的标记分别表示：
[0087]
1、光窗，2、信号输出结构，3、半导体制冷器，4、集成式壳体，5、散热器，
[0088]
6、短路环，7、焊盘，8、管脚，9、三氧化二铝陶瓷。
具体实施方式
[0089]
下面结合附图对本发明的一种集成式半导体制冷散热封装结构的设计方法作以下详细说明。
[0090]
如附图所示，本发明的一种集成式半导体制冷散热封装结构的设计方法，该设计方法是：
[0091]
1.制冷封装结构设计：
[0092]
采用autocad设计方法，同时考虑制冷(半导体制冷器器件)、图像传感器(光学器件)和封装(结构)三者的相互影响，将三者在同一平台上进行设计，达到制冷、气密性、可靠性、散热设计的目的。
[0093]
2.半导体制冷器选型：
[0094]
1)使用的环境温度th℃.
[0095]
2)被冷却物体应达到的低温温度tc℃,计算出温差δt.
[0096]
3)计算热负载q和冷损的总量。
[0097]
4)确定制冷器级数。
[0098]
5)确定型号后，查阅该型号的温差电制冷特性曲线，由使用环境和散热方式确定制冷器的热端温度得出相近的低温温度，在相应的特性曲线图中查处冷端qc的制冷量，最后由所需要的制冷量除以每个电堆产生的制冷量qc就可以得到所需要的电堆数量，n＝q/qc，这个参数决定制冷器整体性能。
[0099]
6)根据emccd的发热功耗，热辐射，键合引线产生的冷损进行精确计算，结合芯片尺寸和制冷工况的特性曲线完成半导体制冷器选型。
[0100]
相对于制冷密封壳体与散热器各自独立结构，本发明采取了一种集成制冷散热于一体的密闭壳体，具备一定可靠性和使用价值的封装结构。
[0101]
封装结构由上至下的材料名称分别为光窗、信号输出结构、半导体制冷器、集成式壳体、散热器。
[0102]
首先，根据emccd的发热功耗和产生的冷损进行精确计算，结合芯片尺寸和制冷工况的特性曲线完成半导体制冷器选型；
[0103]
其次，根据半导体制冷器物理尺寸，结合emccd距光学窗口的距离完成腔体的结构和物理尺寸设计，同时，参照壳体底部尺寸，完成集成散热器尺寸设计；
[0104]
然后，按照emccd芯片焊盘分布特征，并依据气密性封装设计规则，完成陶瓷环框架外形尺寸，输出管脚间距设计；
[0105]
最后，依据气密性封装设计规则结合陶瓷环框架外形尺寸，完成光学窗口尺寸设计。
[0106]
目前，半导体芯片被动制冷的方式通常由三种，如斯特林制冷机，焦耳-汤姆逊制冷器和半导体制冷器(以下称半导体制冷器)。前两者通常应用于深制冷技术领域，制冷温度可达到-196℃，一般用于红外成像器件领域，如锑化铟材料，碲镉汞材料图像传感器。半导体制冷器则应用于浅制冷技术领域，适合-80℃以上要求，如硅基ccd,cmos图像传感器。
[0107]
针对emccd(电子倍增ccd)需要在低温环境，如-40℃真空条件下工作。因此，为保
证emccd正常成像或探测，需设计、制作一种封闭的结构供该图像传感器在低温环境工作。由于制冷封装结构内部包括盖板，导体制冷器，信号输出结构，集成式壳体及散热器，光窗尺寸及集成式壳体及散热器，密封工艺和真空处理，以下进行分别阐述。
[0108]
1.半导体制冷器：
[0109]
(1)确定制冷器的工作状态。根据工作电流的方向和大小就可以决定制冷器的制冷，加热和恒温性能。
[0110]
(2)确定制冷时热端实际温度。因为制冷器是温差器件，要达到最佳的制冷效果，制冷器必须安装在一个良好的散热器上，根据散热条件的好坏决定制冷时制冷器热端的实际温度。由于温度梯度的影响，制冷器热端实际温度要比散热器表面温度高，通常少则零点几度，多则高几度、十几度。同样，除了热端存在散热梯度外，被冷却的空间与制冷器冷端之间也存在温度梯度。
[0111]
(3)确定制冷器工作环境和气氛。这包括是工作在真空状况还是在普通大气，干燥氮气或其它保护性气体，静止或流动空气及周围的环境温度，由此来考虑保温(绝热)措施，并决定漏热的影响。
[0112]
(4)确定制冷器工作对象、热负载和冷损的大小。除了受热端温度影响外，制冷器所能达到的最低温度或最大温差是在空载和绝热两个条件下确定的，实际上，制冷器不可能真正绝热，也有热负载。
[0113]
(5)确定制冷器的级数。制冷器级数的选定必需满足实际温差的要求，制冷器标称的温差必需高于实际要求的温差，否则达不到要求。但级数不能太多，因为制冷器的价格随着级数的增加而大大提高。
[0114]
(6)制冷器的规格。选定制冷器的级数后就可以选定制冷器的规格，特别是制冷器的工作电流。因为同时能满足温差及制冷的制冷器有几种，但是由于工作条件不同，通常选用工作电流最小的制冷器。
[0115]
(7)确定电堆的数量。这根据能满足温差要求的制冷器制冷总功率来决定，它必需保证在工作温度时制冷器冷量总和大于工作对象热负载的总功率。
[0116]
首先，制冷所需要带走的热量包括emccd自身的发热功耗，热辐射和键合引线产生的冷损。本发明专利中，由于采用真空封装，故不考虑对流原因而产生的冷损。
[0117]
emccd芯片在真空环境下产生的热辐射应符合公式1.
[0118][0119]
qr是辐射产生的热量损失，单位是w；
[0120]
s表示stefan-boltzmann常数，5.67
×
10-8w/m2k4；
[0121]
a是暴露的表面积，单位是m2；
[0122]
ε
xt
是暴露表面的发射率，见公式2；
[0123][0124]
ε1，ε2为高温、低温表面的发射率；
[0125]f12
是表面1到表面2的角系数；
[0126]
th是热端表面的绝对温度，单位是k；
[0127]
tc是冷端表面的绝对温度，单位是k。
[0128]
本发明涉及emccd表面尺寸为34mm
×
22mm；芯片与光窗呈平行状态，则f
12
角系数为1；th热端表面的绝对温度通常为313k(40℃)，tc冷端表面的绝对温度为233k(-40℃)；ε1光窗辐射系数为0.94，ε2芯片辐射系数为0.94，则代入公式2中ε
xt
暴露表面的发射率则为0.633，代入公式1中，热辐射qr值为0.18w.
[0129]
键合引线产生的冷损属于热传导，应符合公式3.
[0130][0131]
其中，q代表材料上的热传导的热量，单位是w；
[0132]
k表示材料的热导率，单位是w/m℃；
[0133]
a表示材料的横截面积，单位是m2；
[0134]
x表示材料的厚度或长度，单位是m；
[0135]
δt表示材料冷热端面之间的温差，单位是℃.
[0136]
本发明专利涉及键合引线材料为铝丝，k热导率为240w/m℃；直径为25μm，面积a则为1.13x10-9
m2；引线长度为0.002mm,引线数量为24根；温差为80℃，则键合引线产生的冷损q为0.26w.
[0137]
本发明专利涉及emccd自身的发热功耗设计值为0.5w,则半导体制冷器需带走的总热量为0.94w.
[0138]
其次，根据制冷温度或制冷温差进行制冷器级数确定，
[0139]
根据上述原则，选择制冷器的步骤如下：
[0140]
1)确定使用的环境温度th℃。
[0141]
2)被冷却物体应达到的低温温度tc℃,计算出温差δt。
[0142]
3)计算热负载q和冷损的总量。
[0143]
4)确定制冷器级数，可参照表1提供的最大制冷温差对应制冷器级数。
[0144]
表1最大制冷温差对应制冷器级数
[0145]
级数最大制冷温差(℃)/氮气@1atm最大制冷温差(℃)/真空164672849139510941011155——1216——127
[0146]
(5)确定型号后，查阅该型号的温差电制冷特性曲线，由使用环境和散热方式确定制冷器的热端温度得出相近的低温温度，在相应的特性曲线图中查处冷端qc的制冷量，最后由所需要的制冷量除以每个电堆产生的制冷量qc就可以得到所需要的电堆数量，n＝q/qc。
[0147]
(6)采用公式(4)可初步判断选用制冷器是否满足应用需求。
[0148]
[0149]
2.信号输出结构
[0150]
信号输出结构见图2所示。
[0151]
图2是输出结构示意图，图中记录了输出端的间距、分布，尺寸，表明其结构的合理性。
[0152]
信号输出结构技术要求：
[0153]
1.单向剖面线区域，表示金属化区域，金属零件及外露的金属化区域要先镀上镍，再在镍层上镀金。
[0154]
交错网状剖面线区域，表示瓷件剖面区域。
[0155]
2.电气连接：键合指pad1～pad52和引脚pin1～pin52一一对应连接。
[0156]
3.镀层厚度:镍层厚度:1.3μm～8.9μm；金层厚度:1.3μm～5.7μm。
[0157]
4.引线电阻:≤1.5ω；绝缘电阻:≥1
×
109/ω(100v dc)。
[0158]
5.密封性：r1≤1
×
10-3
/pa
·
cm3/s(he)。
[0159]
6.陶瓷尺寸公差按sj/t10742-1996的6级；金属件公差按gb/t1804-2000的f级，圆角及金属化尺寸不作为成品检验尺寸。
[0160]
3.集成式壳体及散热器
[0161]
壳体尺寸由半导体制冷器尺寸，信号输出结构，光学镜头与emccd距离，真空接口，集成式散热器决定，举例如下：
[0162]
从安装的角度出发，壳体内腔长宽尺寸比半导体制冷器尺寸大2mm～6mm；壳体高度比tce高度高2mm～5mm,以避免封装后emccd与光窗、引线接触；综合散热和刚性性能，壳体底板厚度为2mm；壳体有玻璃绝缘子/熔封引线，实现半导体制冷器电极通电；使用无氧铜作为真空管道，与现有的真空处理系统相匹配，其直接外径为4mm，更为重要的是，无氧铜材料延展性高，易于冷切，便于实现真空封接；为镜头支架结合，设计了4个安装孔；为最大限度降低热阻，提高散热效果，散热器与壳体形成一体。集成式壳体及散热器示意图见图3、图4所示。
[0163]
技术要求：
[0164]
1漏气速率≤1
×
10-3
/pa
·
cm3/s；
[0165]
2引线间绝缘电阻≥1
×
109/ω；
[0166]
3表面涂覆：ni：3.00μm～8.90μm；铜管内不镀ni；
[0167]
4公差按gb/t 1804-m。
[0168]
从导热、刚性和可加工的角度出发，壳体材料选用金属铝，壳体与散热器通过3d打印方式实现制作，后期装配引线和真空管道。
[0169]
4.光窗尺寸及材料
[0170]
从与制冷封装结构匹配的角度出发，光窗尺寸整体比陶瓷环密封内腔大5mm～8mm，单边密封区域宽度为2mm～4mm，举例如下：
[0171]
陶瓷环密封内腔尺寸为40mm
×
28mm，外形尺寸为50mm
×
39mm，则光窗尺寸设计为47mm(长)
×
35mm(宽)
×
1mm(厚)。
[0172]
从密封可靠性的角度出发，光窗材料选用蓝宝石，较石英材料的机械强度更高。
[0173]
5.密封工艺
[0174]
由于陶瓷环与光窗密封区域均未设计金属化，故本结构采用胶封形式完成密封工
艺。
[0175]
壳体，陶瓷环与光窗三者之间的密封使用双组份环氧树脂为密封胶，经室温固化，耐温-60℃～+100℃。固化后，与粘接物品附着力高，气密性检测的泄漏率指标能满足项目考核要求，已在光电成像器件的密封中有过成功范例。
[0176]
6.真空处理
[0177]
壳体装配完毕，emccd封装后经光电参数筛选就可以进行真空排气操作。当真空度达到预期要求后，使用管钳将真空管道进行剪切，壳体内部形成真空。
[0178]
真空管道材料为无氧铜，其机械性能，延展性能和密封性能优异。使用管钳剪切后，无氧铜管道合拢，达到原子间结合效果，形成封闭状态。
[0179]
总体上，该设计结构紧凑、封装占空比大、密封效果好，封装壳体与散热器通过3d打印形成一体，热阻最小，散热效果最佳。从应用的角度出发，这属于固定真空，封装后不可拆卸，需要将初步筛选光电性能合格的emccd芯片封装至内部。
[0180]
按该制冷封装结构设计制作的实物经封装操作，按组件级考核规范进行了热学，力学和1000小时增益老化试验验证，emccd及制冷组件均能正常工作，内部真空得到保持，有一定的使用和实用价值。
[0181]
相对而言，该结构的成本只占全金属化真空封装的成本十分之一，有明显的价格优势和市场竞争力。
[0182]
该结构的体积较活真空形式的杜瓦(一种内部为真空的壳体)小十分之一，适合使用的场景相对更多。