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CN113922205B - 基板、利用基板形成封装结构的方法和封装结构 - Google Patents

基板、利用基板形成封装结构的方法和封装结构 Download PDF

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Abstract

本发明涉及基板、利用基板形成封装结构的方法及封装结构，该基板包括基板本体、第一凹槽结构和第二凹槽结构。基板本体具有利用接合材料来接合被接合部件的接合面。第一凹槽结构形成在接合面中，并具有等于被接合部件的尺寸的开口尺寸以能够在接合面的平面方向上定位被接合部件。第二凹槽结构形成在第一凹槽结构中并具有第二深度，使得第一凹槽结构仅在沿周边的能够在垂直方向上支撑被接合部件的多个支撑位置处具有小于第二深度的第一深度。在第二凹槽结构的内部设置有用于传导来自被接合部件的热量的导热台，其顶表面至多与第一凹槽结构的底部齐平。根据本发明，能够在装置封装过程中严格控制接合材料的厚度均一性及被接合部件的定位。

Description

基板、利用基板形成封装结构的方法和封装结构
技术领域
本发明涉及基板、基板封装方法和封装结构，并尤其涉及能够在装置封装过程中严格控制接合材料的厚度均一性及被接合部件的定位的基板、利用基板的封装结构形成方法和封装结构。
背景技术
采用蓝光激光二极管(LD)激发波长转换装置的光源具有高效率、高亮度等优点。然而，由于蓝光LD的光斑小且功率大，并进而其光功率密度较大，所以对波长换转装置的散热性能要求较高。通常的例如具有“导热基板+漫反射层+发光层”结构的波长转换装置无法满足其散热需求。相比地，“导热基板+漫反射层+发光层”结构更有利于散热。
目前，“导热基板+漫反射层+发光层”结构主要是采用焊料将金属化的发光陶瓷或者玻璃与铜基板进行焊接。图1示出了这种波长转换装置封装结构。如图1所示，封装结构包括铜基板1、焊锡膏2、由波长转换材料32和金属化层31构成的波长转换芯片3以及透镜组4。在此结构中，具有波长λ1的激发光通过透镜组4入射到波长转换材料32，使得波长转换材料32发出具有不同于波长λ1的波长λ1的受激光。
焊锡膏2是用于将作为被接合部件的波长转换芯片3连接至铜基板1的接合层。由于焊锡材料的粘度、润湿性及焊接工艺等条件的影响，焊锡膏2的厚度变得不均匀。同时，在回流焊接工艺过程中，液态锡的流动性及不可控性会导致波长转换芯片的位置发生漂移和/或歪斜。偏位后的芯片将影响透镜组4的收光效率及整个光源系统的组装。
为解决被接合部件的偏位及接合层的厚度均一性，目前提出了以下技术。
例如，专利文献CN104517931B提出一种在表面上设置有突出支点阵列的基板。通过基板上的支点阵列来控制衬板与基板之间的焊层的厚度均一性。进一步，支点阵列位于衬板的背面和/或基板的表面的四周或四角。这样的设计使得支点阵列在起到支撑作用的前提下不会阻挡焊层的流动，从而最大程度地降低了在焊层中出现空洞和非连续性焊点的几率。然而，采用此铜基板并不能解决衬板偏位的问题。而且，为解决衬板偏位问题，需要通过定位治具进行修正，这增加了工艺的复杂性和成本。
专利文献CN105814681A提出一种具有凹槽结构的基板。在该基板中，凹处的开口比被接合部件大，被接合部件的外周缘所面对的凹处外周部比凹处中央部深。该发明主要是为了解决大功率半导体焊接过程中芯片位置偏移而影响后续金属线绑定时成品率恶化等问题。该基板能改善芯片平面方向位置偏移，但是由于焊锡在垂直方向的不可控性，该基板不能控制芯片在垂直方向上的位置。
总而言之，目前采用锡基合金共晶焊等方式将波长转换芯片焊接于普通铜基板上存在一些问题。具体地，在焊接过程中由于锡合金在液态时的不可控性，焊接后会出现焊接层厚度不一致，引起波长转换芯片歪斜、偏位，焊接后样品的一致性较差。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明旨在防止被接合部件偏位并控制接合材料厚度的均一性，使得焊接后的被接合部件与基板及透镜保持平行，从而保证最大的收光效率。此外，本发明也旨在控制不同样品的接合材料厚度具有一致性，由此减小了后期不同样品的调试工作。
根据本发明的第一方面，提供了一种基板，所述基板包括：基板本体，所述基板本体具有利用接合材料来接合被接合部件的接合面；第一凹槽结构，所述第一凹槽结构形成在所述接合面中，并具有等于所述被接合部件的尺寸的开口尺寸以能够在所述接合面的平面方向上定位所述被接合部件；及第二凹槽结构，所述第二凹槽结构用于容纳所述接合材料，所述第二凹槽结构形成在所述第一凹槽结构中并具有第二深度，使得所述第一凹槽结构仅在沿周边的能够在垂直方向上支撑所述被接合部件的多个支撑位置处具有小于所述第二深度的第一深度；在所述第二凹槽结构的内部设置有用于传导来自所述被接合部件的热量的导热台，所述导热台的顶表面至多与所述第一凹槽结构的底部齐平。
根据本发明的第二方面，提供了一种利用上述的基板形成封装结构的方法，所述方法包括：提供所述基板；将接合材料印刷至被接合部件的接合表面；以使所述被接合部件的接合表面面向所述基板的方式，将所述被接合部件贴装在所述基板的所述第一凹槽结构处；在所述被接合部件上放置配重块；将此时获得的包括所述基板、所述被接合部件和所述配重块的组合体放置在真空共晶炉中进行焊接，以允许所述接合材料在所述基板的所述第二凹槽结构中自由流动；且在焊接完成后，移除所述配重块。
根据本发明的第三方面，提供了一种封装结构，所述封装结构包括：上述的基板；被接合部件；以及接合材料，所述接合材料用于将所述被接合部件接合至所述基板的所述接合面上。
根据本发明，由于第一凹槽结构的开口尺寸完全对应于被接合部件的尺寸，所以第一凹槽结构能够在平面方向上精确地定位被接合部件在基板中的位置。
另外，根据本发明，由于第一凹槽结构在沿周边的多个支撑位置的深度小于第二凹槽结构的深度，所以第一凹槽结构能够在垂直方向上支撑被接合部件。
由此，根据本发明的第一至第三方面，能够在装置封装过程中严格控制接合材料的厚度均一性及被接合部件的定位。
下面结合附图和具体实施例，对本发明的技术方案进行详细说明。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，以下将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，以下描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图所示实施例得到其它的实施例及其附图。
图1示出现有技术的波长转换装置的封装结构。
图2示出了根据本发明的第一示例的基板的立体图。
图3示出了根据本发明的第一示例的基板的平面图。
图4示出了沿图3的A-A线截取的剖面图。
图5示出了沿图3的B-B线截取的剖面图。
图6示出了根据本发明的第一示例的封装结构的平面图。
图7示出了沿图6的C-C线截取的剖面图。
图8示出了沿图6的D-D线截取的剖面图。
图9示出了根据第一示例的变形示例1的基板的立体图。
图10示出了根据第一示例的变形示例2的基板的立体图。
图11示出了根据第一示例的变形示例2的基板的立体图。
图12示出了根据第一示例的变形示例3的基板的立体图。
图13示出了根据本发明的第二示例的基板的立体图。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明各实施例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的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。
注意，附图是示意性的，且不是基于实际比例绘制的。附图中图示的部件的相对尺度和比例在尺寸方面被放大或缩小，且任何尺度仅是示例性的且不具有限制性。附图中的相同的结构、元件或部件由相同的附图标记表示。
基板的第一示例
图2至图5示出了根据本发明的第一示例的基板。具体地，图2示出了本发明的基板的立体图。图3示出了本发明的基板的平面图。图4和图5分别示出了沿图3的A-A线和B-B线截取的剖面图。
图6至图8示出了利用根据本发明的第一示例的基板形成的封装结构的状态。具体地，图6示出了封装结构的平面图。图7和图8分别示出了沿图6的C-C线和D-D线截取的剖面图。
本发明的基板可以用于封装各种高功率电子芯片，例如波长转换芯片等。仅出于说明的目的，在本文中，以波长转换芯片为示例进行说明。此时，采用焊锡膏作为接合材料的示例。
本发明的基板1包括基板本体11、第一凹槽结构12和第二凹槽结构13。
如图2所示，例如，方形的基板1可以由铜板原料冲压或者切割而成，其中，铜板原料的厚度可以为2mm～10mm，优选为3mm。铜基板1的平面尺寸可以为20mm*20mm。基板1的材料可以选用热导率为300w/m·k以上的纯铜或者铜合金，优选热导率为398w/m·k的铜材料。一般地，为了防止分子扩散和/或提高抗腐蚀性能等，对铜基板进行镀镍处理。
第一凹槽结构12和第二凹槽结构13通过诸如激光刻蚀、化学刻蚀或者机械加工等工艺形成在基板本体11的用于接合波长转换芯片3的接合表面上。在本示例中，波长转换芯片3可以是诸如波长转换芯片之类的电子芯片。
第一凹槽结构12用于在平面方向上定位波长转换芯片3并在垂直方向上支撑波长转换芯片3。在电子芯片领域中，出于成本和工艺简化的考虑，作为波长转换芯片3的电子芯片的形状一般为正方形，但也不排除长方形、三角形、六边形、圆形等各种形状。为了实现对波长转换芯片3的定位和支撑，第一凹槽结构12的平面形状(即，在图3中的形状)应当对应于波长转换芯片的形状。具体地，第一凹槽结构12的开口尺寸必须等于波长转换芯片的尺寸。
仅出于说明的目的，在此示例中，如图3所示，第一凹槽结构12的平面形状为正方形。在此情况下，波长转换芯片3应当同样具有正方形形状。在图3中，第一凹槽结构12的宽度(边长)由W0表示，其中，W0应满足W0＝波长转换芯片的宽度(边长)，由此第一凹槽结构12能够在平面方向上定位波长转换芯片。这里，例如，W0＝5mm。
第二凹槽结构13是进一步形成在第一凹槽结构12中的凹槽结构，并具有深度H2(参见图8)。第二凹槽结构13是用于在回流焊接工艺过程中允许焊锡膏2自由流动的空间。
在本示例中，如图2和图8所示，第一凹槽结构12仅在沿周边的四个角部处具有小于深度H2的深度H1。也就是说，在第一凹槽结构12中，第二凹槽结构13的形成位置是除四个角部之外的其它位置。由此，第一凹槽结构12沿周边具有能够用于在垂直方向上支撑波长转换芯片3的四个角部支撑位置。
另外，在非必要但优选的特征中，为了在接合材料3超过规定量的情况下在回流焊接工艺过程中允许多余的接合材料的自由流动，第二凹槽结构13还可以进一步从第一凹槽结构12的四个边在四个方向上向外延伸到第一凹槽结构12的外部。换句话说，第二凹槽结构13还从第一凹槽结构12的位于四个角部支撑位置之间的周边向外延伸到第一凹槽结构12的外部。
由此，与第二凹槽结构13没有延伸到第一凹槽结构12外部的情况相比，通过使第二凹槽结构13延伸到第一凹槽结构12的外部，能够进一步获得在回流焊接工艺过程中允许多余的结合材料自由流动的作用和效果。
然而，对于本领域技术人员来说，应当理解的是，虽然在本发明的所有附图中将第二凹槽结构13示出为具有延伸到第一凹槽结构12外部的部分，但第二凹槽结构13并不一定必须向外延伸。在生产工艺能够确保适量的接合材料的前提下，没有向外延伸的第二凹槽结构就足以在回流焊接工艺过程中允许接合材料的自由流动。在这种情况下，第二凹槽结构13仅形成在第一凹槽结构12中。在第一凹槽结构12的四个边处，第二凹槽结构13与第一凹槽结构12齐平。这同样适用于后文描述的示例。
尽管如此，在本示例中，如图2至8所示，将第二凹槽结构13延伸到第一凹槽结构12外部的情况作为示例进行了具体说明。
由此，在第二凹槽结构13延伸到第一凹槽结构12外部的情况下，第二凹槽结构13由形成在第一凹槽结构12中的部分和形成在第一凹槽结构12外部的部分组成，并因而具有十字形的平面形状。
如图3所示，第二凹槽结构13具有长度W1和宽度W2。由于第二凹槽结构13形成在第一凹槽结构12中的除四个角部支撑位置之外的位置，所以如图5所示，第二凹槽结构13的宽度W2应当小于第一凹槽结构12的宽度W0。而且，由于第二凹槽结构13从第一凹槽结构12的位于四个角部支撑位置之间的周边外延伸到第一凹槽结构12的外部，所以如图4所示，第二凹槽结构13的长度W1应当大于第一凹槽结构12的宽度W0。这里，例如，W0和W2的差值可以为1mm至2mm，优选为1mm。例如，W1和W0的差值可以为3mm至15mm，优选为5mm。
图6至图8示出了利用根据本发明的第一示例的基板形成的封装结构的状态。下面将参考图6至图8说明利用根据本发明的基板形成封装结构的过程及由此形成的封装结构。
在将波长转换芯片3焊接至基板1之前，例如采用钢网印刷方法将焊锡膏2印刷在波长转换芯片3的接合表面(例如，金属化表面)上。然后，以使波长转换芯片3的印刷有焊锡膏的接合表面面对基板1的方式，将波长转换芯片3贴装在第一凹槽结构12处。此后，在波长转换芯片3上放置配重块。然后，将此时获得的包括基板、波长转换芯片和配重块的组合体放置到真空回流炉中，按照设定好的温度、压力曲线进行焊接。此时，接合材料在基板的第二凹槽结构13中能够自由流动。最后，在焊接完成后，移除配重块。此时，获得了图6所示的封装结构。
当然，应当理解，封装结构的形成及封装结构也可以利用下文描述的其它示例的基板。
如图6所示，第一凹槽结构12的深度H1要等于或小于芯片3的厚度H0。这里，例如，芯片3的厚度H0＝300μm。例如，H0和H1的差值可以为0～100μm，优选50μm。
例如，第二凹槽结构13的深度H2要大于芯片3的厚度H0。从图9可以看出，焊锡膏2的厚度为H2-H1，其值为100～300μm，优选150μm。
根据本示例，由于第一凹槽结构12的开口尺寸完全对应于芯片3的尺寸，所以第一凹槽结构能够在平面方向上精确地定位芯片3在基板1中的位置。即使在回流焊接工艺过程中，芯片3仍不会由于焊锡膏2的流动性和不可控性而在平面方向上发生漂移。
另外，根据本示例，由于第一凹槽结构12的四个角部支撑位置的深度H1小于第二凹槽结构13的深度H2，所以第一凹槽结构12能够在垂直方向上支撑芯片3，由此在回流焊接工艺过程中，芯片3不会发生任何歪斜。
此外，根据本示例，由于第二凹槽结构13形成在第一凹槽结构12中并具有大于第一凹槽结构12的深度的深度，因此在回流焊接工艺过程中，焊锡膏2能够自由地流动，从而提高了芯片3与基板1之间的焊锡膏2的厚度的一致性。另外，可选地，由于第二凹槽结构13可以进一步具有延伸到第一凹槽结构12外部的部分，因此在回流焊接工艺过程中，即使焊锡膏2超过规定量，仍能够在第二凹槽结构13中自由地流动，从而提高了芯片3与基板1之间的焊锡膏2的厚度的一致性。
在第一示例中，第二凹槽结构从第一凹槽结构的位于多个支撑位置之间的周边向外延伸。然而，第二凹槽结构也可以从第一凹槽结构的位于多个支撑位置之间的周边的一部分向外延伸。下面，通过列举变形示例1至3来说明这种情况。
<第一示例的变形示例1>
图9示出了根据变形示例1的基板的立体图。
在第一示例中，第二凹槽结构13从第一凹槽结构12的四个边向外延伸到第一凹槽结构12的外部。然而，如图9所示，在变形示例1中，第二凹槽结构13从第一凹槽结构12的三个边向外延伸到第一凹槽结构12的外部，但没有从第一凹槽结构12的其余一个边(在本示例中，上侧边)向外延伸。
从图9可以看出，在上侧边处，第一凹槽结构12和第二凹槽结构13齐平。
根据本变形示例的基板也可以获得与第一示例相同的作用和效果。
<第一示例的变形示例2>
图10和图11示出了根据变形示例2的基板的立体图。
在第一示例中，第二凹槽结构13从第一凹槽结构12的四个边向外延伸到第一凹槽结构12的外部。然而，如图10和11所示，在变形示例2中，第二凹槽结构13从第一凹槽结构12的两个对边或相邻边向外延伸到第一凹槽结构12的外部，但没有从第一凹槽结构12的其余的两个对边(在本示例中，图10的上侧边和下侧边)或相邻边(在本示例中，图11的下侧边和右侧边)向外延伸。
从图10可以看出，在上侧边和下侧边处，第一凹槽结构12和第二凹槽结构13齐平。从图11可以看出，在下侧边和右侧边处，第一凹槽结构12和第二凹槽结构13齐平。
根据本变形示例的基板也可以获得与第一示例相同的作用和效果。
<第一示例的变形示例3>
图12示出了根据变形示例1的基板的立体图。
在第一示例中，第二凹槽结构13从第一凹槽结构12的四个边向外延伸到第一凹槽结构12的外部。然而，如图12所示，在变形示例3中，第二凹槽结构13从第一凹槽结构12的一个边向外延伸到第一凹槽结构12的外部，但没有从第一凹槽结构12的其余三个边(在本示例中，上侧边、下侧边和左侧边)向外延伸。
从图12可以看出，在上侧边、下侧边和左侧边处，第一凹槽结构12和第二凹槽结构13齐平。
根据本变形示例的基板也可以获得与第一示例相同的作用和效果。
<第一示例的其它变形示例>
在上面的第一示例及其变形示例1至3中，多个支撑位置设置在第一凹槽结构的沿周边的四个角部处。然而，只要这些支撑位置能够在垂直方向上支撑芯片，这些支撑位置的数量可以更多或更少，且设置位置可以不限于角部位置。例如，也可以在第一凹槽结构的任意边的中心部分设置支撑位置，并且/或者可以省略该边的一个或两个相应角部处的支撑位置。
另外，在上面的第一示例及其变形示例1至3中，第一凹槽结构具有正方形的平面形状。然而，由于芯片还可能具有不同于正方形的其它形状，所以第一凹槽结构也可以是不同于正方形的其它形状，例如长方形、三角形、六边形、圆形等。在此情况下，一般性地，多个支撑位置可以沿第一凹槽结构的周边适当地设置，以能够在垂直方向上支撑芯片。另外，类似于第一示例及其变形示例1至3，第二凹槽结构也可以从第一凹槽结构的位于多个支撑位置之间的周边的至少一部分向外延伸。
基板的第二示例
图13示出了根据本发明的第二示例的基板。第二示例是对第一示例的改进。
如图13所示，在第二凹槽结构13中进一步设置有用于传导来自芯片3的热量的高热导率导热台5，以用于提高封装结构的热性能。除此之外，根据第二示例的基板的其它构造可以采用第一示例及其变形例的构造。
例如，导热台5可以是在基板1中形成第二凹槽结构13时有意保留的一部分材料。此时，导热台5的材料与基板的材料相同。由于铜的热导率比锡的热导率高7～8倍，所以通过形成高热导率导热台5，能够提高导热性能。
导热台5的上表面至多与第一凹槽结构12的底部平齐，即在高度上不超过凹槽结构12的底部。导热台5形成在波长转换芯片的发热位置的下方，即形成在用于接收和转换激发光的区域的下方。另外，导热台5的上表面的形状对应于激发光的光斑形状，且可以是正方形、长方形、圆形等任意形状。此外，导热台5的上表面面积要稍大于波长转换芯片的接收激发光的区域的面积。
在回流焊接工艺过程中，在真空环境及毛细作用力下，导热台5与波长转换芯片3之间形成一层非常薄的焊锡膏。此时，并未降低波长转换装置的强度，但减薄了光斑处的焊锡膏的厚度，从而大大降低了焊锡膏的热阻。
除了上述效果之外，根据第二示例的基板还可以获得与第一示例及其变形示例相同的作用和效果。
尽管在上面已经参照附图说明了本发明的实施例，但是本发明不限于此，且本领域技术人员应理解，在不偏离本发明随附权利要求书限定的精神或范围的情况下，可以做出各种改变、组合、次组合以及变型。

Claims (13)

1.一种基板，其包括：
基板本体，所述基板本体具有利用接合材料来接合被接合部件的接合面；
第一凹槽结构，所述第一凹槽结构形成在所述接合面中，并具有等于所述被接合部件的尺寸的开口尺寸以能够在所述接合面的平面方向上定位所述被接合部件；及
第二凹槽结构，所述第二凹槽结构用于容纳所述接合材料，所述第二凹槽结构形成在所述第一凹槽结构中并具有第二深度，使得所述第一凹槽结构仅在沿周边的能够在垂直方向上支撑所述被接合部件的多个支撑位置处具有小于所述第二深度的第一深度；
在所述第二凹槽结构的内部设置有用于传导来自所述被接合部件的热量的导热台，所述导热台的顶表面至多与所述第一凹槽结构的底部齐平。
2.根据权利要求1所述的基板，其中，所述第一深度等于或小于所述被接合部件的厚度。
3.根据权利要求1所述的基板，其中，所述第一凹槽结构具有正方形平面形状。
4.根据权利要求3所述的基板，其中，所述多个支撑位置是所述第一凹槽结构的四个角部处的位置。
5.根据权利要求1所述的基板，其中，所述第一凹槽结构具有正方形平面形状，所述多个支撑位置是所述第一凹槽结构的四个角部处的位置，且所述第二凹槽结构从所述第一凹槽结构的至少一个边延伸到所述第一凹槽结构的外部。
6.根据权利要求5所述的基板，其中，所述第二凹槽结构从所述第一凹槽结构的四个边延伸到所述第一凹槽结构的外部，并具有十字形平面形状。
7.根据权利要求6所述的基板，其中，所述第二凹槽结构的宽度小于所述第一凹槽结构的宽度，且所述第二凹槽结构的长度大于所述第一凹槽结构的宽度。
8.根据权利要求1所述的基板，其中，所述导热台的位置对应于所述被接合部件的发热位置。
9.根据权利要求1所述的基板，其中，所述导热台的平面形状为正方形、长方形和圆形中的一者。
10.根据权利要求1所述的基板，其中，所述被接合部件为波长转换芯片。
11.根据权利要求1所述的基板，其中，所述接合材料为焊锡膏。
12.一种利用根据权利要求1至11中任一项所述的基板形成封装结构的方法，所述方法包括：
提供所述基板；
将接合材料印刷至被接合部件的接合表面；
以使所述被接合部件的接合表面面向所述基板的方式，将所述被接合部件贴装在所述基板的所述第一凹槽结构处；
在所述被接合部件上放置配重块；
将此时获得的包括所述基板、所述被接合部件和所述配重块的组合体放置在真空共晶炉中进行焊接，以允许所述接合材料在所述基板的所述第二凹槽结构中自由流动；且
在焊接完成后，移除所述配重块。
13.一种封装结构，所述封装结构包括：
根据权利要求1至11中任一项所述的基板；
被接合部件；以及
接合材料，所述接合材料用于将所述被接合部件接合至所述基板的所述接合面上。
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