毫米波固态功率放大器低损耗高散热的封装结构及方法与流程

1.本发明涉及固态功率放大器结构设计领域，具体涉及一种毫米波固态功率放大器低损耗高散热的封装结构及方法。


背景技术：

2.固态功放广泛应用于电子系统中，可对小信号进行放大，放大倍数可达数百倍。可以有效减小天线尺寸，进而减小电子系统的物理体积，提高系统灵活性。随着通信卫星的发展，低频段的频谱资源日益紧张，毫米波卫星通信优势日益明显。毫米波通信具有可用带宽高，信息传输容量大；同时可实现很窄的点波束，提高天线增益和等效全向辐射功率值，从而减小地面天线的尺寸，实现地面终端小型化，这对于发展移动通信具有十分重要的意义。毫米波卫星通信对毫米波频段固态放大器提出了明确的需求。
3.现有的毫米波固态放大器一般采用混合集成工艺制造。组件采用金属封装方式，功放芯片一般采用导热率较高的钎料焊接在热沉上，然后再将热沉焊接或粘接或机械固定在封装盒体中，其它部位采用微组装混合集成工艺常用手段进行装配，最终形成功率放大器整件。这种装配模式对于低频段的固态功率放大器而言，可实现可靠地制造。当固态放大器的频段进行毫米波段时，装配精度对电性能的影响逐渐明显。主要表现为射频通道装配界面对损耗和驻波的影响增大，特别是功放芯片的热沉与封装盒体之间的装配界面。图1所示为目前市场上固态功放主流封装结构示意图。功放芯片的热沉是后装配在封装结构体上的，故此热沉四周必然和封装结构体上有一物理缝隙，该缝隙一般在0.2mm～0.3mm。在高频微波信号传输时，该缝隙会增大传输损耗。在目前的封装结构下，只能通过控制加工精度和装配精度来改善。在不改变封装结构的情形下，提高加工精度和装配精度带来的射频信号传输性能改善有限。
4.目前工程化应用的主流固态功率放大器主要从两个方面来改善产品射频通道传输性能。一是在封装结构设计上，尽可能提高射频通道的加工精度和配合精度；二是在装配过程中，采用自动化装配来提高装配精度。当固态功率放大器的频率达到w频段时，传统的从设计和装配上来提升射频通道传输损耗的方法所起到的作用不太显著。


技术实现要素：

5.针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种毫米波固态功率放大器低损耗高散热的封装结构及方法解决了w频段固态功放散热和传输损耗的问题。
6.为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种毫米波固态功率放大器低损耗高散热的封装结构，包括功放芯片和封装结构体，所述功放芯片安装在封装结构主体的热沉区域上，所述热沉区域的材质为石墨/铜复合材料，其中石墨的含量为55％-65％。
7.进一步地：所述封装结构主体采用铝合金与石墨/铜复合材料用粉末冶金的方法一体化制造而成。
8.进一步地：所述封装结构主体的激光焊接密封部位为铝合金，且厚度不小于1mm。
9.进一步地：所述石墨/铜复合材料的厚度不低于1.5mm，长和宽均不小于功放芯片的长和宽。
10.进一步地：所述功放芯片采用粘接或钎焊的方式安装在热沉区域上。
11.进一步地：还包括功放组件其余零部件，所述功放组件其余零部件与功放芯片共同组成毫米波固态功率放大器，所述功放组件其余零部件的组装方式采用混合集成手段进行，包括金丝焊接、阻容元器件钎焊。
12.一种毫米波固态功率放大器低损耗高散热的封装方法，包括以下步骤：
13.s1、采用绘图软件绘制该结构的工程图纸；
14.s2、采用粉末冶金或扩散连接的方式做出毫米波固态功率放大器封装结构雏形；
15.s3、采用精密加工的方式将毫米波固态功率放大器封装结构加工成型；
16.s4、采用电镀或化镀的方式在毫米波固态功率放大器封装结构体表层需要部位镀涂金属层；
17.s5、利用混合集成电路装配手段将功放组件其余零部件、功放芯片装配成毫米波固态功率放大器；功放芯片采用钎焊或粘接的方式安装在封装结构体上的石墨/铜复合材料区域；
18.s6、利用激光焊接方式将组件外盖体与一体化基体进行熔焊密封。
19.进一步地：所述步骤s2具体为：采用粉末冶金或扩散连接的方式将铝合金和钨铜或钼铜合金制造成一块整体的封装材料，封装材料上装配功放芯片的部位材料制造为石墨/铜复合材料，其中石墨的含量为55％～65％，其余部位根据固态功放组件整体性能需求制造成铝合金。
20.本发明的有益效果为：本发明采用粉末冶金或扩散连接、精密数控机加和钎焊或粘接的工艺路线，制作出一种毫米波固态功率放大器低损耗高散热的封装结构。这种封装结构最大的特点是将功放芯片的热沉与封装盒体在封装材料制造时就制造成一个整体，功放芯片直接装配在封装体的热沉区域，减少了一级过渡。从而消除了功放芯片热沉与组件封装盒体组装时的界面。这种封装结构减小了一层装配界面，不但提高了射频芯片的散热通道的散热效率，同时消除了射频芯片热沉与封装盒体之间的缝隙，很大程度上改善了射频通道的传输性能，主要表现为降低高频传输损耗。对毫米波段，特别是w频段的固态功放电性能和散热能力提升效果极为明显。
附图说明
21.图1为传统固态功放封装结构示意图；
22.图2为本发明的固态功放封装结构示意图。
具体实施方式
23.下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
24.如图2所示，一种毫米波固态功率放大器低损耗高散热的封装结构，封装结构主体
采用铝合金制造。功放芯片直接装配在封装结构体上，不需要热沉过渡。在封装结构体材料制造和机械加工时，功放芯片安装部位制造成石墨/铜复合材料。该区域石墨颗粒体积含量为55％～65％，厚度不低于1.5mm，xy方向的尺寸大于芯片轮廓尺寸0.1mm。功放芯片以粘接或钎焊的方式安装在该热沉区域。功放组件其余零部件的组装方式采用混合集成常用手段进行，包括金丝焊接、阻容元器件钎焊等。
25.本发明的核心思想是采用粉末冶金、精密数控机加和钎焊或粘接的工艺路线，实现毫米波固态功率放大器低损耗、高散热组装和封装。
26.一种毫米波固态功率放大器低损耗高散热的封装方法为：第一，采用绘图软件绘制该结构的工程图纸。第二，采用粉末冶金或扩散连接的方式做出毫米波固态功率放大器封装结构雏形。第三，采用精密加工的方式将毫米波固态功率放大器封装结构加工成型。第四，采用电镀或化镀的方式在毫米波固态功率放大器封装结构体表层需要部位镀涂金属层。第五，利用混合集成电路装配常用手段将组成固态功放的零部件、元器件等装配成毫米波固态功率放大器。其中功放芯片采用钎焊或粘接的方式安装在封装结构体上的石墨/铜复合材料区域。最后，再利用激光焊接等方式将组件外盖体与一体化基体进行熔焊密封。至此，形成功能完备毫米波固态功率放大器。
27.本发明中所述封装结构采用铝合金与石墨/铜复合材料用粉末冶金的方法一体化制造而成。
28.基于上述封装材料，本发明提供了一种毫米波固态功率放大器低损耗高散热的封装结构设计方法。该方法依靠下述工艺过程实现：图纸绘制、材料制造、精密数控机加工、表面镀涂和微组装。
29.图纸绘制，是指使用autocad、catia等工具绘制封装结构机械制造图纸。
30.材料制造，是指采用粉末冶金或扩散连接的方式将铝合金和钨铜或钼铜合金制造成一块整体的封装材料，封装材料上装配功放芯片的部位材料制造为石墨/铜复合材料，其中石墨的含量为55％～65％，其余部位根据固态功放组件整体性能需求制造成铝合金。在封装体上材料设计时需考虑安装于其上的元器件热膨胀系数、导热性需求、熔焊密封性需求等。具体包括：
31.1)封装结构主体材料优选4047、6061和6063铝合金；
32.2)封装结构激光焊接密封部位优选6063或6061铝合金，且厚度不小于1mm；
33.3)功放芯片安装部位材料设计为石墨含量为55％～65％的石墨/铜复合材料，且厚度不低于1.5mm。该区域石墨/铜复合材料xy方向的尺寸不小于芯片尺寸，以轮廓尺寸大于芯片尺寸0.1mm为宜；
34.4)封装结构上除功放芯片外的其它元器件如果采用粘接或钎焊的方式进行装配，则待安装部位的材料热膨胀系数制造为与该元器件差7ppm以内。
35.所述精密数控机加工，是指根据封装盒体结构设计要求(包括上述4条要求)，采用线切割、电火花加工和铣削等机械加工工艺方法，将制造的材料加工成封装结构体。从而获得一种毫米波固态功率放大器低损耗高散热的封装结构。
36.所述表面镀涂，是指采用化学镀或电镀的方式在上述加工好的封装结构表面镀上镍或镍/金，从而获得可进行微组装的表面状态。
37.所述微组装，是指采用混合集成电路装配相关方法，将功放芯片和相关元器件采
用钎焊、粘接、机械装配等方式装配成具有独立功能的固态功放产品。
38.功放芯片的热沉与封装结构体在材料制造时，就制造成一个整体，然后再通过机械加工形成封装结构体。功放芯片的热沉和封装结构体之间在宏观结构和电性能上没有界面。只在材料微观上有材料成分变化的界面，该材料成分变化界面不会影响射频信号传输的损耗，但是会降低热沉和封装结构之间的热阻，提高功放芯片的散热效率。

技术特征：
1.一种毫米波固态功率放大器低损耗高散热的封装结构，其特征在于，包括功放芯片和封装结构主体，所述功放芯片安装在封装结构主体的热沉区域上，所述热沉区域的材质为石墨/铜复合材料，其中石墨的含量为55％-65％。2.根据权利要求1所述的毫米波固态功率放大器低损耗高散热的封装结构，其特征在于，所述封装结构主体采用铝合金与石墨/铜复合材料用粉末冶金的方法一体化制造而成。3.根据权利要求1所述的毫米波固态功率放大器低损耗高散热的封装结构，其特征在于，所述封装结构主体的激光焊接密封部位为铝合金，且厚度不小于1mm。4.根据权利要求1所述的毫米波固态功率放大器低损耗高散热的封装结构，其特征在于，所述石墨/铜复合材料的厚度不低于1.5mm，长和宽均不小于功放芯片的长和宽。5.根据权利要求1所述的毫米波固态功率放大器低损耗高散热的封装结构，其特征在于，所述功放芯片采用粘接或钎焊的方式安装在热沉区域上。6.根据权利要求1所述的毫米波固态功率放大器低损耗高散热的封装结构，其特征在于，还包括功放组件其余零部件，所述功放组件其余零部件与功放芯片共同组成毫米波固态功率放大器，所述功放组件其余零部件的组装方式采用混合集成手段进行，包括金丝焊接、阻容元器件钎焊。7.一种毫米波固态功率放大器低损耗高散热的封装方法，其特征在于，包括以下步骤：s1、采用绘图软件绘制该结构的工程图纸；s2、采用粉末冶金或扩散连接的方式做出毫米波固态功率放大器封装结构雏形；s3、采用精密加工的方式将毫米波固态功率放大器封装结构加工成型；s4、采用电镀或化镀的方式在毫米波固态功率放大器封装结构体表层需要部位镀涂金属层；s5、利用混合集成电路装配手段将功放组件其余零部件、功放芯片装配成毫米波固态功率放大器；功放芯片采用钎焊或粘接的方式安装在封装结构体上的石墨/铜复合材料区域；s6、利用激光焊接方式将组件外盖体与一体化基体进行熔焊密封。8.根据权利要求7所述的毫米波固态功率放大器低损耗高散热的封装方法，其特征在于，所述步骤s2具体为：采用粉末冶金或扩散连接的方式将铝合金和钨铜或钼铜合金制造成一块整体的封装材料，封装材料上装配功放芯片的部位材料制造为石墨/铜复合材料，其中石墨的含量为55％～65％，其余部位根据固态功放组件整体性能需求制造成铝合金。

技术总结
本发明公开了一种毫米波固态功率放大器低损耗高散热的封装结构及方法，包括功放芯片和封装结构主体，所述功放芯片安装在封装结构主体的热沉区域上，所述热沉区域的材质为石墨/铜复合材料，其中石墨的含量为55％-65％。本发明将功放芯片的热沉与封装盒体在封装材料制造时就制造成一个整体，功放芯片直接装配在封装体的热沉区域，减少了一级过渡。从而消除了功放芯片热沉与组件封装盒体组装时的界面。不但提高了射频芯片的散热通道的散热效率，同时消除了射频芯片热沉与封装盒体之间的缝隙，很大程度上改善了射频通道的传输性能，主要表现为降低高频传输损耗。主要表现为降低高频传输损耗。主要表现为降低高频传输损耗。


技术研发人员：崔西会 方杰 张人天 胡助明 廖玉堂 何东 王强 敬小东
受保护的技术使用者：中国电子科技集团公司第二十九研究所
技术研发日：2023.04.10
技术公布日：2023/8/24