CN116427002B - 一种针式散热基板的表面处理工艺及选择镀治具 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种针式散热基板的表面处理工艺及选择镀治具，对针式散热基板的金属底板上表面互连区域，以及针翅阵列和金属底板的上表面互连区域以外，采用选择镀治具分别镀覆不同的材料层，从而满足功率模块新一代封装结构对针式散热基板不同位置表面镀层的均匀性、耐腐蚀性、可焊性及低界面热阻等性能需求。本发明处理后的针式散热基板能够实现与功率模块的芯片封装衬板之间的高质量连接，提升功率模块产品的散热效率和工作可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于集成冷却封装结构的针式散热基板的表面选择镀工艺及选择镀治具，属于功率半导体封装技术领域。
背景技术
功率半导体模块的功率等级高、功耗大，对封装结构的散热效果要求较高。传统的封装结构采用芯片、互连层、衬板、互连层、底座、互连层、散热器的结构，多个互连界面直接影响了封装结构整体的散热效率。为了提升功率模块的热管理性能，业界提出了无底座封装结构，也可称为集成冷却封装结构，自上而下依次为芯片、互连层、衬板、互连层和散热器，该封装结构中将散热器直接与衬板相连接，去掉了底座和一层互连界面的热阻，相比较传统的封装结构在热传导方面很有优势。集成冷却针式散热基板是目前以新能源汽车为代表的功率模块应用领域中广泛使用的散热产品。
为保证针式散热基板在水冷工作环境中不受腐蚀，通常会在针式散热基板表面镀镍，然而集成冷却封装结构中针式散热基板与衬板直接相连，其界面状况以及与衬板的互连质量就成为影响功率模块整体散热效果的关键因素，因此可焊性更好的锡镀层受到关注。专利号为200610126106.1、201780079427.7的专利都有提出，锡电镀由于具有优良焊接浸润度，非常适合电子及半导体行业。然而锡镀层无法满足水冷环境的耐腐蚀要求，因此本专利提出对针式散热基板金属底板上表面互连区域与针式散热基板的针翅阵列以及上表面互连区域以外，设计治具进行不同材料的选择镀。
发明内容
本发明的目的在于满足集成冷却封装结构对针式散热基板不同位置表面镀层的均匀性、耐腐蚀性、可焊性及低界面热阻等性能需求，提出一种针式散热基板选择镀的表面处理工艺及选择镀治具，在针式散热基板表面整体镀石墨烯-镍，改善表面镀层耐腐蚀性的同时提高其热传导性能，再对针式散热基板的金属底板上表面互连区域二次镀锡，进一步提高该界面的可焊性。
所述针式散热基板的表面处理工艺是在针式散热基板表面整体镀石墨烯-镍(一次镀)之后，将其装入选择镀治具中密封，仅余针式散热基板的金属底板上表面互连区域与外界电镀液接触，然后再对针式散热基板的金属底板上表面互连区域镀锡(二次镀)。
具体的，一次镀对针式散热基板表面镀石墨烯-镍时，在镀镍机构中设置有搅动机构，电镀液为镍镀液和石墨烯分散液的混合溶液，通过电极移动或控制气流对电镀液形成搅动。
所述选择镀治具包括上壳体、下壳体、外密封圈和多个内密封圈；下壳体下表面开有多个通槽；通槽朝内的一侧具有台阶，台阶上加装内密封圈，待镀针式散热基板的金属底板上表面朝下，通过内密封圈加装在通槽内侧；上壳体和下壳体之间通过外密封圈紧密结合，将针式散热基板的针翅阵列容纳于上壳体和下壳体之间形成的腔体中，与外界电镀液隔离；仅余待镀针式散热基板的金属底板上表面互连区域与外界电镀液接触。
具体的，所述内密封圈具有双台阶，上台阶用于装配待镀针式散热基板的金属底板，上台阶的形状尺寸与金属底板对应吻合；下台阶的开口形状尺寸与金属底板的上表面互连区域吻合，当金属底板的上表面互连区域为一个矩形时，内密封圈下台阶的开口为对应的一个矩形，当金属底板的上表面互连区域为多个矩形时，内密封圈下台阶的开口为对应的多个矩形。
具体的，所述上壳体和下壳体由聚丙烯材料制成。外密封圈和内密封圈由氢化丁腈橡胶制成。
本发明具有如下优点：
1、本发明在针式散热基板表面整体镀石墨烯-镍，改善表面镀层耐腐蚀性的同时，提高其热传导性能，进而提高功率模块的散热效率。
2、本发明对针式散热基板的金属底板上表面互连区域二次选择镀锡，进一步提高该界面的可焊性，增强针式散热基板与功率模块芯片封装衬板之间的互连质量，进而提高功率模块的工作可靠性。
附图说明
图1是本发明应用的集成冷却封装结构的剖面示意图。
图2是功率模块传统封装散热结构及其热阻示意图。
图3是针式散热基板一种实施例的剖面结构示意图。
图4是针式散热基板另一种实施例的剖面结构示意图。
图5是本发明实施例中针式散热基板的金属底板上表面互连区域示意图。
图6是本发明另一实施例中针式散热基板的金属底板上表面互连区域示意图。
图7是本发明实施例中选择镀治具的剖面结构示意图。
图8是本发明实施例中选择镀治具下壳体的主视图。
图9是针式散热基板加装在选择镀治具中的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
本发明适用于功率模块中的集成冷却封装结构，这是一种新一代的封装散热结构，如图1所示，自上而下依次为：芯片11、第一互连层12、芯片封装衬板13、第二互连层14和针式散热基板15。其中芯片封装衬板13的结构自上而下依次为第一铜层131、陶瓷层132和第二铜层133，陶瓷层132的材料可以是氧化铝、氮化铝或氮化硅。集成冷却封装结构中将针式散热基板15直接与芯片封装衬板13的第二铜层133相连，去掉了传统封装散热结构中的底座16和导热硅脂17，在热传导方面更有优势，如图2所示，从芯片结温Tj到环境温度Ta的热传输路径中，减少了R底座和RTIM两部分热阻，热阻之和Rth变为：
Rth＝R芯片+R互连1+RDBC+R互连2+R散热器
针式散热基板15如图3和图4所示，包括金属底板151和单侧针翅阵列152两部分，其材质可以是铜或铝。单根针翅横截面可以是圆形，或椭圆形，或水滴形，示意图中以圆柱形针翅为例。针翅高度约4mm或6mm，可根据散热需求不同进行选择，加工公差为-0.15mm；阵列中针翅间距可以全部一致，范围在3～4mm，公差为±0.1mm，也可以分成若干组，如图4所示，每组内针翅间距一致，组间的间距为l，约6～8mm。
针式散热基板的金属底板151一般是长方体，其上表面互连区域101根据需要可以是一个矩形区域，也可以是多个分开的矩形区域。
如果要跟图1所示的芯片封装衬板13的第二铜层133互连，由于芯片封装衬板13的第二铜层133是一块整体，那么金属底板151上表面互连区域101也是一个整体，如图5所示，其形状大小与芯片封装衬板13的第二铜层133相同。如果要跟图1所示的芯片封装衬板13的第一铜层131互连，由于第一铜层131按照电路的拓扑结构进行整体图形化制作，分为了三个矩形，则金属底板151的上表面互连区域101也相应地分为三个矩形，如图6所示。
实施例中，针翅阵列152的外边缘与金属底板151左右边缘的距离为d1，约8±0.1mm，与金属底板151上下边缘的距离为d2，约15±0.1mm。由于上下侧边设计有螺丝装配孔，所以间距略大。
本发明提出的针式散热基板的表面处理工艺是将上述针式散热基板表面整体镀石墨烯-镍之后，将其装入本发明设计地选择镀治具中密封，仅余针式散热基板的金属底板上表面互连区域与外界电镀液接触，然后再对针式散热基板的金属底板上表面互连区域镀锡。
实施例总体流程如下：
步骤1：将针式散热基板15按批次挂到悬挂机构上，先后经过超声波机构、除油机构、电解机构、抛光机构、酸洗机构、镀镍机构以及多次清洗的机构，最后经过风干机构，传送至剥挂机构。
其中镀镍机构中设置有搅动机构，其中电镀液为镍镀液和石墨烯分散液的混合溶液，可以通过电极移动或控制气流对镀液形成搅动，使石墨烯均匀分散在电镀液中。
步骤2：按照设定流程控制机械手，将步骤1中完成石墨烯-镍镀的针式散热基板15，放置在制作好的选择镀治具里，传送至镀锡机构，镀锡后再经过清洗、风干机构。
所述选择镀治具包括上壳体21、下壳体22、外密封圈23和内密封圈组24，如图7～9所示，其中上壳体21和下壳体22由聚丙烯材料制成，外密封圈23和内密封圈组24由氢化丁腈橡胶制成。下壳体22下表面开有多个通槽25，通槽25朝内的一侧具有台阶，台阶上加装内密封圈24，待镀针式散热基板的金属底板上表面朝下，通过内密封圈24加装在通槽25内侧。上壳体21和下壳体22之间通过外密封圈23紧密结合，将针式散热基板的针翅阵列容纳于上壳体21和下壳体22之间形成的腔体中。
按照电镀每批次的数量，可以在下壳体22开多个双孔径通槽25(图8中以8个通槽为例)，每个通槽25上加装一个内密封圈24。在步骤2中，机械手将待镀针式散热基板15的金属底板151上表面朝下，通过内密封圈24加装在下壳体22的通槽25台阶上，然后盖上上壳体21和外密封圈23，将针式散热基板15的针翅阵列152和金属底板151上表面互连区域以外的部分与电镀液隔离，如图9所示。
选择镀治具的下壳体22的通槽25和内密封圈24均为双孔径，如图7所示，内密封圈24具有上下两个台阶，上台阶241用于装配待镀针式散热基板15的金属底板，因此上台阶241的形状尺寸与金属底板151对应一致，从而能够将针式散热基板15固定于通槽25上。下台阶242的开口形状尺寸与金属底板151的上表面互连区域101一致，当金属底板151的上表面互连区域101为图5所示一个整体时，内密封圈24下台阶242的开口是一个形状尺寸相同的矩形；当金属底板151的上表面互连区域101为图6所示的三个矩形时，下台阶242的开口即为相应的三个矩形，以求将金属底板上表面互连区域101露出与外界电镀液接触。
使用选择镀治具进行锡电镀时，镀液从治具下壳体22的通槽25底部流入，对裸露在外的针式散热基板15的金属底板151上表面互连区域101进行电镀，而针翅阵列152和金属底板151上表面互连区域101以外的部分都被隔离保护在上壳体21和下壳体22之间，已经镀好的石墨烯-镍层不会被二次镀液所污染。
步骤3：经过了步骤1和步骤2，得到的针式散热基板15的金属底板上表面互连区域101镀上了石墨烯-镍镀层和锡镀层；针翅阵列152和金属底板的上表面互连区域101以外的表面镀上了石墨烯-镍镀层。对以上完成选择镀的针式散热基板15进行清洁和外观检验，即可应用于图1的集成冷却封装结构中。
本发明提出的针式散热基板表面处理工艺使得针翅阵列152和金属底板151上表面互连区域以外的部分有石墨烯-镍镀层保护，改善表面镀层耐腐蚀性的同时，也提高了热传导性能，而金属底板151上表面互连区域101的镀层结构自下而上为石墨烯-镍镀层、锡镀层，在石墨烯-镍层上表面制作锡镀层，提高了该界面的可焊性，增强了后续针式散热基板15与芯片封装衬板13之间的互连质量。
本发明所述仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种针式散热基板的表面处理工艺，其特征是，在针式散热基板表面整体镀石墨烯-镍之后，将其装入选择镀治具中密封，仅余针式散热基板的金属底板上表面互连区域与外界电镀液接触，然后再对针式散热基板的金属底板上表面互连区域镀锡；
所述选择镀治具包括上壳体（21）、下壳体（22），下壳体（22）下表面开有多个通槽（25）；通槽（25）朝内的一侧具有台阶，台阶上加装内密封圈（24），将待镀针式散热基板的金属底板上表面朝下，通过内密封圈（24）加装在通槽（25）内侧，然后盖上上壳体（21），上壳体（21）下壳体（22）之间通过外密封圈（23）紧密结合，即将针式散热基板的针翅阵列容纳于上壳体（21）和下壳体（22）之间形成的腔体中，与外界电镀液隔离；
所述内密封圈（24）具有双台阶，上台阶用于装配待镀针式散热基板的金属底板，上台阶的形状尺寸与金属底板对应吻合；下台阶的开口形状尺寸与金属底板的上表面互连区域吻合，当金属底板的上表面互连区域为一个矩形时，内密封圈下台阶的开口为对应的一个矩形，当金属底板的上表面互连区域为多个矩形时，内密封圈下台阶的开口为对应的多个矩形。
2.根据权利要求1所述的一种针式散热基板的表面处理工艺，其特征在于，对针式散热基板表面镀石墨烯-镍时，在镀镍机构中设置有搅动机构，电镀液为镍镀液和石墨烯分散液的混合溶液，通过电极移动或控制气流对电镀液形成搅动。
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