CN117174682A - Pqfn封装的dc-dc转换器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种PQFN封装的DC‑DC转换器及其制作方法，涉及集成电路模组技术领域。该DC‑DC转换器包括引线框，以及在所述引线框上设置的多层陶瓷基板，所述多层陶瓷基板内形成有层叠功率电感，所述多层陶瓷基板背离所述引线框的一侧设置有与所述层叠功率电感连接的功率器件，以形成DC‑DC转换电路，其中，所述引线框与所述多层陶瓷基板重合的正投影面积大于所述多层陶瓷基板面积的50%。采用上述形式，能够给大尺寸软磁铁氧体多层陶瓷基DC‑DC转换器提升产品的机械强度，底部和四周裸露的引线金属，还可以增强散热性能，进而提升DC‑DC转换器的适用性。
Description
技术领域
本申请涉及集成电路模组技术领域，具体而言，涉及一种PQFN封装的DC-DC转换器及其制作方法。
背景技术
DC-DC转换器是转变输入电压并有效输出固定电压的电压转换器，DC-DC转换器广泛应用于光通信、SSD固态硬盘、视频图像处理***、工业自动化、数据中心、人工智能、物联网以及卫星通信等产品中。DC-DC转换器在使用过程中是利用电容、电感的储能特性，通过可控开关（MOSFET等）进行高频开关的动作，将输入的电能储存在电容或电感中，当开关断开时，电能再释放至负载，提供能量。
目前已公开专利202220856498.1采用多层陶瓷基板来搭载半导体元件及其它电子部件，并且对这些电子部件相互进行布线而实现模块化。多层陶瓷基板具备多个层叠的陶瓷绝缘体层和各种形态的布线导体，以使贴装在多层陶瓷基板上的各电子部件有序连接，从而实现所需的电压转换需求。
在实际的应用中，因为陶瓷材料的脆性，陶瓷基板比较适用于小尺寸的DC-DC转换器，如果产品尺寸较大，厚度又比较薄，受限于陶瓷材料的脆性，陶瓷基板机械强度会不够，而容易断裂，且小尺寸的DC-DC转换器产热较为集中，影响散热效果，不利于提升DC-DC转换器的适用性。
发明内容
本申请的目的在于提供一种PQFN封装的DC-DC转换器及其制作方法，可以给大尺寸软磁铁氧体多层陶瓷基DC-DC转换器提升产品的机械强度，底部和四周裸露的引线金属，还可以增强散热性能，进而提升DC-DC转换器的适用性。本申请的实施例是这样实现的：
本申请实施例的一方面，提供一种PQFN封装的DC-DC转换器，包括引线框，以及在所述引线框上设置的多层陶瓷基板，所述多层陶瓷基板内形成有层叠功率电感，所述多层陶瓷基板背离所述引线框的一侧设置有与所述层叠功率电感连接的功率器件，以形成DC-DC转换电路，其中，所述引线框与所述多层陶瓷基板重合的正投影面积大于所述多层陶瓷基板面积的50%。
可选地，所述引线框上设置有多个第一引出脚，所述多层陶瓷基板上设置有多个第二引出脚，且所述第一引出脚与所述第二引出脚一一对应连接，且所述第一引出脚与所述第二引出脚在所述引线框上的正投影重合。
可选地，每组所述第一引出脚和所述第二引出脚之间通过金属焊接连接。
可选地，所述功率器件包括电阻、电容、IC芯片和场效应晶体管。
可选地，所述多层陶瓷基板上贯穿设置有导热柱，所述导热柱连接于所述场效应晶体管和所述引线框之间。
可选地，所述引线框的厚度大于或等于0.203mm。
可选地，所述多层陶瓷基板包括层叠设置的多个陶瓷基体，每个所述陶瓷基体上设置有导电图案，相邻所述陶瓷基体上的所述导电图案具有重叠区域。
可选地，所述陶瓷基体为软磁铁氧体陶瓷。
可选地，所述引线框、所述多层陶瓷基板和所述功率器件的***整体封装有环氧树脂。
可选地，所述引线框包括矩形框体，以及设置在所述矩形框体内的多个支撑筋，部分所述第一引出脚设置于所述支撑筋上。
本申请实施例的另一方面，提供一种PQFN封装的DC-DC转换器的制作方法，所述方法包括：
制作引线框，其中，所述引线框包括多个第一引出脚；
制作多层陶瓷基板，其中，所述多层陶瓷基板内形成有层叠功率电感，且所述多层陶瓷基板底部设置有与多个所述第一引出脚对应的多个第二引出脚；
在所述多层陶瓷基板的顶部贴装功率器件，以和所述多层陶瓷基板内部线圈及底部所述第一引出脚共同形成DC-DC转换电路；
将所述第一引出脚与所述第二引出脚通过金属焊接，以使所述多层陶瓷基板与所述引线框连接，其中，所述引线框与所述多层陶瓷基板重合的正投影面积大于所述多层陶瓷基板面积的50%；
对所述多层陶瓷基板与所述引线框进行塑封；
沿所述多层陶瓷基板外圈进行切割，以得到单个的DC-DC转换器。
本申请实施例的有益效果包括：
本申请实施例提供的一种PQFN封装的DC-DC转换器及其制作方法，通过引线框，以及在引线框上设置的多层陶瓷基板形成对DC-DC转换器的支撑结构。同时，通过在多层陶瓷基板内形成的层叠功率电感，以及在多层陶瓷基板上贴装的功率器件，各部件连接以形成对应的DC-DC转换电路。在DC-DC转换器的使用过程中，由于引线框与多层陶瓷基板重合的正投影面积大于多层陶瓷基板面积的50%，引线框对多层陶瓷基板起到了良好的支撑作用，提升了多层陶瓷基板的支撑强度，无需为保证多层陶瓷基板的机械强度而对多层陶瓷基板进行增厚处理即可增大产品尺寸，底部和四周裸露的引线金属，还可以增强散热性能，提升DC-DC转换器的适用性。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本申请实施例提供的DC-DC转换器的结构示意图；
图2为本申请实施例提供的引线框的结构示意图；
图3为本申请实施例提供的DC-DC转换器的底部示意图；
图4为本申请实施例提供的多层陶瓷基板的***图；
图5为本申请实施例提供的DC-DC转换器的制作流程示意图。
图标：100-DC-DC转换器；110-引线框；112-第一引出脚；114-矩形框体；116-支撑筋；120-多层陶瓷基板；122-陶瓷基体；124-第二引出脚；130-功率器件；140-外壳。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本申请的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
针对目前陶瓷基板比较适用于小尺寸的DC-DC转换器，如果产品尺寸较大，厚度又比较薄，受限于陶瓷材料的脆性，陶瓷基板机械强度会不够，而容易断裂，而且小尺寸的DC-DC转换器产热较为集中，影响散热效果的问题，本申请实施例提供以下技术方案，以克服上述问题。
请参照图1，本实施例提供一种PQFN封装的DC-DC转换器100，包括引线框110，以及在引线框110上设置的多层陶瓷基板120，多层陶瓷基板120内形成有层叠功率电感，多层陶瓷基板120背离引线框110的一侧设置有与层叠功率电感连接的功率器件130，以形成DC-DC转换电路，其中，引线框110与多层陶瓷基板120重合的正投影面积大于多层陶瓷基板120面积的50%。
具体地，引线框110通常采用金属制成，具有一定的强度和韧性，可以对多层陶瓷基板120起到支撑的作用。在多层陶瓷基板120与引线框110之间配合时，通过将引线框110与多层陶瓷基板120重合的正投影面积设置为大于多层陶瓷基板120面积的50%，可以对多层陶瓷基板120起到强有力的支撑作用，这样一来，在多层陶瓷基板120受到外力影响时，不会因为多层陶瓷基板120较薄而产生断裂的问题。
需要说明的是，多层陶瓷基板120的形式，便于在多层陶瓷基板120内形成所需的层叠功率电感，以和功率器件130相配合形成所需的DC-DC转换电路。本申请实施例中的功率器件130是形成DC-DC转换电路所需的电子元器件的总称，并不是单个的元器件。另外，本申请实施例中的DC-DC转换电路采用常规的电路形式，区别在于电路布线和电感集成于多层陶瓷基板120内。
本申请实施例提供的DC-DC转换器100，通过引线框110，以及在引线框110上设置的多层陶瓷基板120形成对DC-DC转换器100的支撑结构。同时，通过在多层陶瓷基板120内形成的层叠功率电感，以及在多层陶瓷基板120上贴装的功率器件130，各部件连接以形成对应的DC-DC转换电路。在DC-DC转换器100的使用过程中，由于引线框110与多层陶瓷基板120重合的正投影面积大于多层陶瓷基板120面积的50%，引线框110对多层陶瓷基板120起到了良好的支撑作用，提升了多层陶瓷基板120的支撑强度，无需为保证多层陶瓷基板120的机械强度而对多层陶瓷基板120进行增厚处理即可增大产品尺寸，在使用时，底部和四周裸露的引线金属，还可以增强散热性能，提升DC-DC转换器的适用性。如图2和图3所示，引线框110上设置有多个第一引出脚112，多层陶瓷基板120上设置有多个第二引出脚124，且第一引出脚112与第二引出脚124一一对应连接，且第一引出脚112与第二引出脚124在引线框110上的正投影重合。
具体地，通过在引线框110上设置第一引出脚112，并在多层陶瓷基板120上设置第二引出脚124，在第一引出脚112和第二引出脚124一一对应叠加时，可以提升整体的结构强度，降低了LGA封装形式造成引出脚容易剥落的风险。另外，第一引出脚112与第二引出脚124在引线框110上的正投影重合，可以将第一引出脚112与第二引出脚124直接焊接连接，而第二引出脚124通过多层陶瓷基板内线圈与顶部的功率器件的电气互联形成电路，整个结构无需再借助键合线进行连接，可以简化引线框的设计，有利于降低连接走线难度，提升连接时的方便性和连接效率。
进一步地，每组第一引出脚112和第二引出脚124之间通过金属焊接连接。采用上述方式，可以使第一引出脚112和第二引出脚124更牢固的连接，同时可以增大DC-DC转换器焊盘面积，增强引出脚强度，减少引出脚剥落隐患，有利于提升散热性和可靠性。其中，焊接所采用的金属可以为银。
在本申请的可选实施例中，功率器件130包括电阻、电容、IC芯片和场效应晶体管。
其中，通过DC-DC转换器100形成的DC-DC转换电路（如电感储能类型的转换电路），利用电容、电感的储能的特性，通过场效应晶体管进行高频开关的动作，将输入的电能储存在电容或电感中，当开关断开时，电能再释放给负载，提供能量。电阻则可以起到分配电压的作用，以使输出的电压满足需求。其中，输出的功率或电压的能力与开关导通时间和整个开关的周期比值有关，即与占空比有关。
如图3所示，多层陶瓷基板120包括层叠设置的多个陶瓷基体122，每个陶瓷基体122上设置有导电图案，相邻陶瓷基体122上的导电图案具有重叠区域。
具体地，通过在每个陶瓷基体122上设置导电图案，在相邻陶瓷基体122层叠设置时，能够实现层叠功率电感的配合形式，并且根据陶瓷基体122数量的多少来改变对应的耦合系数，从而实现定制化的参数调整，满足个性化需求。其中，导电图案可通过例如丝网印刷或照相凹版印刷或者转移具有预定图案的金属箔来印刷导电膏，从而形成于陶瓷基体122表面上，此时，需要根据实际情况在对应的位置使陶瓷基体122上下表面的导电图案连通。也可以直接将导电图案内嵌于陶瓷基体122内，实现所需的电性连接。
其中，本申请实施例对陶瓷基体122的个数不做具体限制，可以根据实际需要灵活设置。示例的，陶瓷基体122可以设置为8至100片，如设置10片或20片，以满足不同场景下的需求。
在本申请的可选实施例中，多层陶瓷基板120上贯穿设置有导热柱，导热柱连接于场效应晶体管和引线框110之间。
具体地，在场效应晶体管工作过程中会产生大量的热量，为了促使产生的热量及时传导出去，可以在多层陶瓷基板120上贯穿设置导热柱，通过导热柱的导热特性，在场效应晶体管与导热柱直接接触时，可以更好的将热量传导至引线框110，而引线框110通常为金属材料，也具有良好的导热性，从而将场效应晶体管产生的热量及时导出DC-DC转换器100，以提升DC-DC转换器100使用时的稳定性。
在本申请的可选实施例中，引线框110的厚度大于或等于0.203mm。
采用上述方式，可以保证引线框110自身的结构强度，以使多层陶瓷基板120减薄的情况下，引线框110依然能够提供稳定的支撑。其中，引线框110的具体厚度与多层陶瓷基板120的整体厚度有关，在实际的实施过程中，可以根据实际需要进行调整。
如图2所示，引线框110包括矩形框体114，以及设置在矩形框体114内的多个支撑筋116，部分第一引出脚112设置于支撑筋116上。
具体地，引线框110可以采用薄片金属作为基材，通过冲压或蚀刻等工艺进行成型，为了保证对多层陶瓷基板120的稳定支撑，矩形框体114内的多个支撑筋116最好匀称分布，以使多层陶瓷基板120受力均衡，避免局部产生断裂的问题。另外，本申请实施例的DC-DC转换器100采用功率四方扁平无引线半导体封装（PQFN）工艺，第一引出脚112均位于引线框110所在平面，为了保证第一引出脚112均落到实体上，需要将部分第一引出脚112设置于支撑筋116上。本申请实施例与LGA封装的形式相比，可以增大焊盘面积，增强引出脚强度，减少引出脚剥落隐患，能够提升散热性和可靠性。
在本申请的可选实施例中，陶瓷基体122为软磁铁氧体陶瓷。软磁铁氧体陶瓷电阻率远大于金属磁性材料,抑制了涡流的产生,使铁氧体能应用于高频领域。同时，采用陶瓷工艺易于制成各种不同的形状和尺寸，化学特性稳定、不生锈，具有较低的制造成本。
可选地，引线框110、多层陶瓷基板120和功率器件130的***整体封装有环氧树脂。采用上述方式，能够形成DC-DC转换器100的外壳140，以对DC-DC转换器100起到保护的作用。
如图5所示，本申请实施例还提供一种PQFN封装的DC-DC转换器100的制作方法，该方法包括：
S100、制作引线框110，其中，引线框110包括多个第一引出脚112。
具体地，本申请实施例对引线框110在使用时可以具有多个与多层陶瓷基板120对应的区域，该区域可以使矩阵排列，也可以是直线排列。在后续多层陶瓷基板120与引线框110对位配合时，可以将多个多层陶瓷基板120依次设置在引线框110上，方面后续的整体塑封和切割，以更高的提高加工效率。
S200、制作多层陶瓷基板120，其中，多层陶瓷基板120内形成有层叠功率电感，且多层陶瓷基板120底部设置有与多个第一引出脚112对应的多个第二引出脚124。
具体地，制作引线框110的过程和制作多层陶瓷基板120的过程可以分开同步进行，然后进行总装即可，可以更大限度的提升加工效率。其中，通过在多层陶瓷基板120底部设置的与多个第一引出脚112对应的多个第二引出脚124，方面后续对位连接。
S300、在多层陶瓷基板120的顶部贴装功率器件130，以和多层陶瓷基板内部线圈及底部第一引出脚112共同形成DC-DC转换电路。
具体地，在多层陶瓷基板120主体制作完成之后，可以在多层陶瓷基板120的顶部贴装功率器件130，功率器件130包括电阻、电容、IC芯片和场效应晶体管，在进行有序的连接之后，和多层陶瓷基板内部线圈及底部第一引出脚共同形成DC-DC转换电路。其中，功率器件130的贴装可以采用表面贴装技术（Surface Mounted Technology，STM）进行。
S400、将第一引出脚112与第二引出脚124通过金属焊接，以使多层陶瓷基板120与引线框110连接，其中，引线框110与多层陶瓷基板120重合的正投影面积大于多层陶瓷基板120面积的50%。
示例的，第一引出脚112与第二引出脚124可以通过银焊接，以使多层陶瓷基板120与引线框110连接。另外，引线框110与多层陶瓷基板120重合的正投影面积大于多层陶瓷基板120面积的50%，引线框110对多层陶瓷基板120起到了良好的支撑作用，提升了多层陶瓷基板120的机械强度。
S500、对多层陶瓷基板120与引线框110进行塑封。
具体地，进行塑封时，可以采用环氧树脂进行封装，以起到防水、防潮、防震、防尘、防腐蚀、散热、保密等的作用。
S600、沿多层陶瓷基板120外圈进行切割，以得到单个的DC-DC转换器100。
在封装完成后，为了防止切割的时候对多层陶瓷基板120造成损坏，需要沿多层陶瓷基板120外圈进行切割，以保证DC-DC转换器完整性。
本申请实施例提供的DC-DC转换器100的制作方法，能够提升多层陶瓷基板120的支撑强度，无需为保证多层陶瓷基板120的机械强度而对多层陶瓷基板120进行增厚处理即可增大产品尺寸，在使用时，底部和四周裸露的引线金属，还可以增强散热性能，此外，电路与功率器件的电气互联可以通过多层基板内线圈互联，无需键合线，有利于简化引线框的设计，降低连接走线难度，提升连接时的方便性和连接效率。进而提升DC-DC转换器100的适用性。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (11)
1.一种PQFN封装的DC-DC转换器，其特征在于，包括引线框，以及在所述引线框上设置的多层陶瓷基板，所述多层陶瓷基板内形成有层叠功率电感，所述多层陶瓷基板背离所述引线框的一侧设置有与所述层叠功率电感连接的功率器件，以形成DC-DC转换电路，其中，所述引线框与所述多层陶瓷基板重合的正投影面积大于所述多层陶瓷基板面积的50%。
2.根据权利要求1所述的PQFN封装的DC-DC转换器，其特征在于，所述引线框上设置有多个第一引出脚，所述多层陶瓷基板上设置有多个第二引出脚，且所述第一引出脚与所述第二引出脚一一对应连接，且所述第一引出脚与所述第二引出脚在所述引线框上的正投影重合。
3.根据权利要求2所述的PQFN封装的DC-DC转换器，其特征在于，每组所述第一引出脚和所述第二引出脚之间通过金属焊接连接。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的PQFN封装的DC-DC转换器，其特征在于，所述功率器件包括电阻、电容、IC芯片和场效应晶体管。
5.根据权利要求4所述的PQFN封装的DC-DC转换器，其特征在于，所述多层陶瓷基板上贯穿设置有导热柱，所述导热柱位于所述场效应晶体管和所述引线框之间。
6.根据权利要求1-3任意一项所述的PQFN封装的DC-DC转换器，其特征在于，所述引线框的厚度大于或等于0.203mm。
7.根据权利要求1-3任意一项所述的PQFN封装的DC-DC转换器，其特征在于，所述多层陶瓷基板包括层叠设置的多个陶瓷基体，每个所述陶瓷基体上设置有导电图案，相邻所述陶瓷基体上的所述导电图案具有重叠区域。
8.根据权利要求7所述的PQFN封装的DC-DC转换器，其特征在于，所述陶瓷基体为软磁铁氧体陶瓷。
9.根据权利要求1-3任意一项所述的PQFN封装的DC-DC转换器，其特征在于，所述引线框、所述多层陶瓷基板和所述功率器件的***整体封装有环氧树脂。
10.根据权利要求2或3所述的PQFN封装的DC-DC转换器，其特征在于，所述引线框包括矩形框体，以及设置在所述矩形框体内的多个支撑筋，部分所述第一引出脚设置于所述支撑筋上。
11.一种PQFN封装的DC-DC转换器的制作方法，其特征在于，所述方法包括：
制作引线框，其中，所述引线框包括多个第一引出脚；
制作多层陶瓷基板，其中，所述多层陶瓷基板内形成有层叠功率电感，且所述多层陶瓷基板底部设置有与多个所述第一引出脚对应的多个第二引出脚；
在所述多层陶瓷基板的顶部贴装功率器件，以和所述多层陶瓷基板内部线圈及底部所述第一引出脚共同形成DC-DC转换电路；
将所述第一引出脚与所述第二引出脚通过金属焊接，以使所述多层陶瓷基板与所述引线框连接，其中，所述引线框与所述多层陶瓷基板重合的正投影面积大于所述多层陶瓷基板面积的50%；
对所述多层陶瓷基板与所述引线框进行塑封；
沿所述多层陶瓷基板外圈进行切割，以得到单个的DC-DC转换器。
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2023
- 2023-11-02 CN CN202311449277.8A patent/CN117174682B/zh active Active
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