CN116742466B - 一种双面冷却激光器芯片封装结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于工业设计领域，尤其涉及高功率芯片散热改善，具体是一种双面冷却激光器芯片封装结构及其制备方法。本发明通过将激光器芯片嵌入陶瓷基板，得到了一种激光器芯片用双面冷却封装设计。本发明设计的双面冷却封装结构能够将激光器芯片所产生的热量经过与其接触的双面基板芯片扩散到热沉，显著增强激光器芯片的散热能力。另外，这种无引线键合结构，可以做到无需打线键合就能进行线路导通使激光器发光，能够消除因为键合线工艺产生的疲劳效应，从而提高封装的可靠性。
Description
技术领域
本发明属于工业设计领域，尤其涉及高功率芯片散热改善，具体是一种双面冷却激光器芯片封装结构及其制备方法。
背景技术
随着电子器件向着小型化、高功率化发展，对于高散热的需求越来越高。激光器作为高功率且通信速度快的光学器件，因其产热高和低温工作等因素，设计中需充分快速冷却激光器芯片。当前使用的冷却***大部分采用的是芯片当面冷却，因其导热效率低且为芯片下表面冷却，芯片连续工作时仍保持在较高温度；部分双面冷却激光器，接触热阻多且为纵向排布。存在的问题如下：1)当面冷却效率低，且连续工作时持续升温，器件有失效风险；2)芯片与金属表面刚性接触，在恶劣环境中有碎裂失效风险；3)需要打金线会出现键合失效风险；4)部分双面冷却激光器有导电块会增加安全风险。
为了克服现有技术的缺陷，本发明提供了一种双面冷却激光器芯片封装结构及其制备方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种双面冷却激光器芯片封装结构及其制备方法，以解决现有技术中的问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
一种双面冷却激光器芯片封装结构的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：在陶瓷片两侧覆金属，形成金属层，得到陶瓷基板；
步骤二：将陶瓷基板分别作为底板、面板，在底板一侧金属层表面压印，形成压印槽；在压印槽底部涂覆焊料，烧结嵌入激光器芯片；在激光器芯片四周填充绝缘材料，形成绝缘层，绝缘层上覆面板，烧结成型，得到双面基板芯片；
步骤三：将双面基板芯片放在金属外壳内，双面基板芯片一侧与金属外壳底部的热沉板焊接，另一侧与金属外壳焊接，得到激光器芯片封装结构。
较为优化地，步骤一中，金属层为铜层或铝层；陶瓷片为氮化铝、氧化铝、氮化硅、氮化硼中的任意一种。
较为优化地，步骤二中，压印槽的深度小于激光器芯片的高度，所述压印槽尺寸与激光器芯片相适配，压印槽长度为1-10mm，宽度为0.3-5mm，深度为0.02-0.2mm。
较为优化地，步骤二中，烧结条件为：温度为100-350℃，压强为1-20MPa；焊料为金焊料、锡焊料、银焊料的一种。
较为优化地，步骤二中，绝缘材料为聚酰亚胺，当绝缘材料为聚酰亚胺溶液时，通过低温阶梯固化将固含量为0.1％-10％的聚酰亚胺溶液涂覆填充至激光器芯片四周，形成绝缘层；当绝缘材料为聚酰亚胺胶带或聚酰亚胺薄膜时，将聚酰亚胺胶带或聚酰亚胺薄膜贴合在底板金属层表面，并包覆在激光器芯片四周，低温热压成型，形成绝缘层。
较为优化地，低温阶段固化工艺参数为：120-130℃反应10-14min，150-160℃反应10-14min，200-220℃反应10-14min。
较为优化地，低温热压工艺参数为：温度：100-300℃，压强：0.5-10MPa。
较为优化地，步骤三中，焊接工艺参数为：焊接温度为180℃-260℃，压力为0-5MPa。
较为优化地，步骤三中，激光器芯片封装结构的工作原理为：在激光器下层陶瓷基板表面的金属层通电，由于表面含有绝缘层导致电流不能直接经过金属层导电，所以电流通过金属层表面并经过嵌入激光器芯片位置到达上层陶瓷基板金属层表面；接下来电流会在上层陶瓷基板金属层位置向左侧移动一格，在第二片芯片处移动到下层金属层；电流在上述金属层与激光器芯片往复移动，重复上述步骤；最后，电流在最后一个陶瓷基板表面金属层出去，电流在***中形成回路，使激光器发光。
本发明的有益效果：
本发明提供了一种激光器芯片用双面冷却封装设计，提供了一种将激光器芯片嵌入陶瓷基板的方法。该冷却封装设计包括激光器芯片，陶瓷基板和绝缘层；其中陶瓷基板包括陶瓷片和金属层。本发明设计的双面冷却封装结构能够将激光器芯片所产生的热量经过与其接触的双面基板芯片扩散到热沉，与空气接触带走热量，从而显著增强激光器芯片的散热能力。
本发明的特点在于在激光器下层冷却陶瓷基板通电时，由于表面含有绝缘层，因此电流不能直接经过金属层导电，电流将会通过金属层表面嵌入激光器芯片位置到达上层陶瓷基板金属层表面，然后电流在上层基板金属层位置向左侧移动一格，在第二片激光器芯片处移动到下层金属层，电流在上述金属层与激光器芯片往复移动，在最后一个陶瓷基板表面金属层出去，电流在***中形成回路，提供了一种新型串联导电方法；同时在此过程中激光器芯片所产生的热量经过与其接触的双面基板芯片扩散到热沉，与空气接触带走热量，从而显著增强激光器芯片的散热能力。另外，这种无引线键合结构，可以做到无需打线键合就能进行线路导通使激光器发光，消除了因为键合线工艺产生的疲劳效应，提高了封装的可靠性。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明双面基板芯片的结构示意图；
图2是本发明双面基板芯片的截面结构示意图；
图3是本发明的激光器内部三芯片结构示意图；
图4是本发明的激光器内部七芯片结构示意图；
图5是本发明双面基板芯片的立体图；
图6是本发明双面基板芯片的立体展开图；
图中：101：激光器芯片，102：陶瓷基板，102-1：金属层，102-2：陶瓷片，103：绝缘层，104：焊料，301：金属外壳，302：热沉板，1：双面基板芯片。
具体实施方式
下面将结合本发明的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
原料来源：
氮化铝瓷片，由中山市思考电子科技有限公司提供，型号为：THC1-19912；铝板，由上海睿铭铝业有限公司提供，型号为：rm-22-11-08-001；铜板，由山东佳盈金属制品有限公司提供，型号为：H65；激光器芯片，由苏州长光华芯光电技术股份有限公司提供，EB-BC-024-0976-03-044；聚酰亚胺胶带，由盐城汇添富五金有限公司采购，型号为：8423PI双面胶带(金手指双面胶带厂商)；聚酰亚胺薄膜，由盐城汇添富五金有限公司提供，型号为：100MT杜邦KAPTON薄膜(美国杜邦)。
实施例1：步骤一：在氮化铝陶瓷片102-2两侧覆金属铝102-1，得到陶瓷基板102；
步骤二：将陶瓷基板102分别作为底板、面板，在底板一侧铝层102-1表面压印，形成压印槽，压印槽尺寸为5×0.5×0.05mm；在压印槽底部涂覆金焊料104，在温度250℃，压强5MPa的条件下烧结嵌入厚度为0.15mm激光器芯片101；低温低压条件下在激光器芯片101四周通过点胶机滴入固含量为8％聚酰亚胺溶液，在85℃烘烤40min，125℃烘烤40min，155℃烘烤70min，185℃烘烤70min，255℃烘烤40min的工艺完成后形成绝缘层103；在绝缘层103上覆面板，压合成型，得到双面基板芯片1；
步骤三：将双面基板芯片1放在金属外壳301内，双面基板芯片1一侧与金属外壳底部的热沉板302焊接，另一侧与金属外壳301焊接，得到激光器芯片封装结构。
实施例2：步骤一：在氮化铝陶瓷片102-2两侧覆金属铝102-1，得到陶瓷基板102；
步骤二：将陶瓷基板102分别作为底板、面板，在底板一侧铝层102-1表面压印，形成压印槽，压印槽尺寸为5×0.5×0.05mm；在压印槽底部涂覆锡焊料104，在温度250℃，压强5MPa的条件下烧结嵌入厚度为0.15mm激光器芯片101；低温低压条件下在激光器芯片101四周通过点胶机滴入固含量为8％聚酰亚胺溶液，在85℃烘烤40min，125℃烘烤40min，155℃烘烤70min，185℃烘烤70min，255℃烘烤40min的工艺完成后形成绝缘层103；在绝缘层103上覆面板，压合成型，得到双面基板芯片1；
步骤三：将双面基板芯片1放在金属外壳301内，双面基板芯片1一侧与金属外壳底部的热沉板302焊接，另一侧与金属外壳301焊接，得到激光器芯片封装结构。
实施例3：步骤一：在氮化铝陶瓷片102-2两侧覆金属铝102-1，得到陶瓷基板102；
步骤二：将陶瓷基板102分别作为底板、面板，在底板一侧铝层102-1表面压印，形成压印槽，压印槽尺寸为5×0.5×0.05mm；在压印槽底部涂覆银焊料104，在温度250℃，压强5MPa的条件下烧结嵌入厚度为0.15mm激光器芯片101；低温低压条件下在激光器芯片101四周通过点胶机滴入固含量为8％聚酰亚胺溶液，在85℃烘烤40min，125℃烘烤40min，155℃烘烤70min，185℃烘烤70min，255℃烘烤40min的工艺完成后形成绝缘层103；在绝缘层103上覆面板，压合成型，得到双面基板芯片1；
步骤三：将双面基板芯片1放在金属外壳301内，双面基板芯片1一侧与金属外壳底部的热沉板302焊接，另一侧与金属外壳301焊接，得到激光器芯片封装结构。
实施例4：步骤一：在氮化铝陶瓷片102-2两侧覆金属铝102-1，得到陶瓷基板102；
步骤二：将陶瓷基板102分别作为底板、面板，在底板一侧铝层102-1表面压印，形成压印槽，压印槽尺寸为5×0.5×0.05mm；在压印槽底部涂覆金焊料104，在温度250℃，压强5MPa的条件下烧结嵌入厚度为0.15mm激光器芯片101；将聚酰亚胺薄膜贴合在底板铝层表面，并包覆在激光器芯片101四周，在温度为260℃，压强为10MPa的高温热压条件下，形成绝缘层103；在绝缘层103上覆面板，压合成型，得到双面基板芯片1；
步骤三：将双面基板芯片1放在金属外壳301内，双面基板芯片1一侧与金属外壳底部的热沉板302焊接，另一侧与金属外壳301焊接，得到激光器芯片封装结构。
实施例5：步骤一：在氮化铝陶瓷片102-2两侧覆金属铜102-1，得到陶瓷基板102；
步骤二：将陶瓷基板102分别作为底板、面板，在底板一侧铜层102-1表面压印，形成压印槽，压印槽尺寸为5×0.5×0.05mm；在压印槽底部涂覆金焊料104，在温度250℃，压强5MPa的条件下烧结嵌入厚度为0.15mm激光器芯片101；将聚酰亚胺薄膜贴合在底板铜层表面，并包覆在激光器芯片101四周，在温度为250℃，压强为10MPa的高温热压条件下，形成绝缘层103；在绝缘层103上覆面板，压合成型，得到双面基板芯片1；
步骤三：将双面基板芯片1放在金属外壳301内，双面基板芯片1一侧与金属外壳底部的热沉板302焊接，另一侧与金属外壳301焊接，得到激光器芯片封装结构。
结论：观察实施例1-5制备的激光器芯片封装结构，由于其与外部空间连通，激光器芯片101的热量可以直接与外部空间交换，提升散热的整体效果。另外，该封装结构无需引线键合结构，既能够降低产品成本也能降低工艺难度。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程方法物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程方法物品或者设备所固有的要素。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。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 (8)
1.一种双面冷却激光器芯片封装结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：在陶瓷片（102-2）两侧覆金属，形成金属层（102-1），得到陶瓷基板（102）；
步骤二：将陶瓷基板（102）分别作为底板、面板，在底板一侧金属层（102-1）表面压印，形成压印槽；在压印槽底部涂覆焊料（104），烧结嵌入激光器芯片（101）；在激光器芯片（101）四周填充绝缘材料，形成绝缘层（103），绝缘层（103）上覆面板，烧结成型，得到双面基板芯片（1）；其中绝缘材料为聚酰亚胺，当绝缘材料为聚酰亚胺溶液时，通过低温阶梯固化将聚酰亚胺溶液涂覆填充至激光器芯片（101）四周，形成绝缘层（103）；当绝缘材料为聚酰亚胺胶带或聚酰亚胺薄膜时，将聚酰亚胺胶带或聚酰亚胺薄膜贴合在底板金属层表面，并包覆在激光器芯片（101）四周，低温热压成型，形成绝缘层（103）；在激光器下层陶瓷基板（102）表面的金属层（102-1）通电，电流通过金属层（102-1）表面并经过嵌入激光器芯片（101）位置到达上层陶瓷基板（102）金属层（102-1）表面；接下来电流会在上层陶瓷基板（102）金属层（102-1）位置向左侧移动一格，在第二片激光器芯片（101）处移动到下层金属层（102-1）；电流在上述金属层（102-1）与激光器芯片（101）往复移动，最后，电流在最后一个陶瓷基板（102）表面金属层（102-1）出去，电流在***中形成回路，使激光器发光；
步骤三：将双面基板芯片（1）放在金属外壳（301）内，双面基板芯片（1）一侧与金属外壳底部的热沉板（302）焊接，另一侧与金属外壳（301）焊接，得到激光器芯片封装结构。
2.根据权利要求1所述的一种双面冷却激光器芯片封装结构的制备方法，其特征在于：步骤一中，金属层（102-1）为铜层或铝层；陶瓷片（102-2）为氮化铝、氧化铝、氮化硅、氮化硼中的任意一种。
3.根据权利要求1所述的一种双面冷却激光器芯片封装结构的制备方法，其特征在于：步骤二中，压印槽的深度小于激光器芯片（101）的高度，所述压印槽与激光器芯片（101）相适配。
4.根据权利要求1所述的一种双面冷却激光器芯片封装结构的制备方法，其特征在于：步骤二中，烧结条件为：温度为100-350℃，压强为1-20MPa；焊料（104）为金焊料、锡焊料、银焊料的一种。
5.根据权利要求1所述的一种双面冷却激光器芯片封装结构的制备方法，其特征在于：步骤二中，低温阶段固化工艺参数为：120-130℃ 反应10-14min，150-160℃反应10-14min，200-220℃反应10-14min。
6.根据权利要求1所述的一种双面冷却激光器芯片封装结构的制备方法，其特征在于：步骤二中，低温热压工艺参数为：温度为100-300℃，压强为0.5-10MPa。
7.根据权利要求1所述的一种双面冷却激光器芯片封装结构的制备方法，其特征在于：步骤三中，焊接工艺参数为：温度为180-260℃，压强为0-10MPa，焊接时间为10-20min。
8.一种双面冷却激光器芯片封装结构，其特征在于，根据权利要求1-7中任一项所述制备方法制备得到。
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| CN104134638A (zh) * | 2013-05-03 | 2014-11-05 | 英飞凌科技股份有限公司 | 有键合衬底上冷却附接半导体芯片的冷却结构的功率模块 |
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| CN114389142A (zh) * | 2020-10-21 | 2022-04-22 | 英特尔公司 | 用于在激光器芯片上实现双面冷却的新颖封装设计 |
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Patent Citations (5)
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