阅读说明：本技术 一种立体集成整流阵列及其制作方法 (Three-dimensional integrated rectifier array and manufacturing method thereof ) 是由 陈夏冉 朱晓辉 汪冰 门国捷 刘小为 张崎 刘俊夫 王超 朱喆 于 2019-12-16 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种立体集成整流阵列及其制作方法,包括：AMB-陶瓷基板,其上端面沿其四周固设有金属环框,所述金属环框与所述AMB-陶瓷基板形成一腔体,位于所述腔体内的AMB-陶瓷基板上开设有通孔,所述通孔内填塞有铜柱；第一焊盘,其包括阳极焊盘Pn和阴极焊盘Nn,所述第一焊盘焊接在所述铜柱的上表面和下表面,且所述阳极焊盘Pn和所述阴极焊盘Nn间隔排布,同一所述铜柱上焊接的第一焊盘的类型相同；二极管芯片,其位于所述腔体内且设于所述阳极焊盘Pn的上端面,所述二极管芯片与相邻的阴极焊盘Nn互联；将所述腔体封盖的金属盖板。本发明中的立体集成整流阵列尺寸小、重量轻、可靠性高且气密性好。(The invention discloses a three-dimensional integrated rectifier array and a manufacturing method thereof, wherein the three-dimensional integrated rectifier array comprises the following steps: the metal ring frame is fixedly arranged on the upper end face of the AMB-ceramic substrate along the periphery of the AMB-ceramic substrate, a cavity is formed by the metal ring frame and the AMB-ceramic substrate, a through hole is formed in the AMB-ceramic substrate positioned in the cavity, and a copper column is filled in the through hole; the first bonding pads comprise anode bonding pads Pn and cathode bonding pads Nn, the first bonding pads are welded on the upper surface and the lower surface of the copper column, the anode bonding pads Pn and the cathode bonding pads Nn are arranged at intervals, and the types of the first bonding pads welded on the same copper column are the same; the diode chip is positioned in the cavity and arranged on the upper end face of the anode bonding pad Pn, and the diode chip is interconnected with the adjacent cathode bonding pad Nn; and the metal cover plate is used for covering the cavity. The three-dimensional integrated rectifying array has the advantages of small size, light weight, high reliability and good air tightness.)

一种立体集成整流阵列及其制作方法

技术领域

本发明属于电子器件领域，具体涉及一种立体集成整流阵列及其制作方法。

背景技术

高密度超小型整流阵列由于具有芯片集成度高、体积小、应用灵活的特点，可实现节约空间、简化电路布局面积，符合航天型号用器件小型化、轻型化的发展趋势，已逐渐成为当前军用通信卫星、导航系统以及载人航天工程微波数传系统使用的核心部件。卫星系统中多路高功率密度信号的集中控制，必须采用高功率密度多通道集成开关来实现。此外，宇航系统高压输出电源中大量应用的半波整流、全波整流、桥式整流等功能目前都需要不同结构形式的分立整流二极管通过串并联实现，布线复杂且不利于微型化，并且根据不同的整流需求，整流电路需设计成不同的结构，兼容性和重构性较差。

国内宇航星载用整流二极管器件仍以单芯片单管为主，暂无厂家推出高密度小型化多芯片立体集成阵列产品，工艺制造技术方面仍然面临很多难点。该类产品已成为制约我国卫星数传系统研制的重大技术瓶颈。

发明内容

有鉴于此，本发明有必要提供一种立体集成整流阵列及其制作方法，该立体集成整流阵列以AMB-陶瓷基板为核心，将AMB-陶瓷基板与金属环框焊接形成腔体，在腔体内形成独立的整流通道，并在底部设置焊盘，使得该整流阵列体积小、重量轻、功率大，且拓扑可重构，气密性优良，解决了现有的整流阵列兼容性、重构性差，无法高密度小型化的技术问题。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种立体集成整流阵列，包括：

AMB-陶瓷基板，其上端面沿其四周固设有金属环框，所述金属环框与所述AMB-陶瓷基板形成一腔体，位于所述腔体内的AMB-陶瓷基板上开设有通孔，所述通孔内填塞有铜柱；

第一焊盘，其包括阳极焊盘Pn和阴极焊盘Nn，所述第一焊盘焊接在所述铜柱的上表面和下表面，且所述阳极焊盘Pn和所述阴极焊盘Nn间隔排布，同一所述铜柱上焊接的第一焊盘的类型相同；

二极管芯片，其位于所述腔体内且设于所述阳极焊盘Pn的上端面，所述二极管芯片通过铝丝键合与相邻的阴极焊盘Nn互联；

金属盖板，其设于所述金属环框的上端，将所述腔体封盖。

进一步的，所述AMB-陶瓷基板为AMB-AlN陶瓷基板。

进一步的，所述金属环框为可伐金属环框。

进一步的，其还包括：

第二焊盘，其为Pad焊盘，焊接在所述AMB-陶瓷基板的底部，且与所述第一焊盘无连接。

优选的，所述第二焊盘位于述AMB-陶瓷基板的底部中心位置。

进一步的，所述通孔围绕所述AMB-陶瓷基板四周呈阵列排布，且所述阳极焊盘Pn与所述阴极焊盘Nn间隔排布。

进一步的，所述二极管芯片为堆叠芯片，所述堆叠芯片由两层二极管裸芯片串联堆叠放置，位于所述堆叠芯片上层的二极管裸芯片通过铝丝键合与相邻的阴极焊盘Nn互联。

本发明还提供了一种上述立体集成整流阵列的制作方法，包括以下步骤：

将陶瓷基板清洗干净并对铜片进行退火处理和清洗；

在清洗后的陶瓷基板上冲制通孔后再次清洗，并在通孔内填塞铜柱，然后在陶瓷基板的表面印刷活性焊料，将清洗后的铜片通过活性钎焊工艺与陶瓷基板焊接；

去除陶瓷基板上的杂质或废料，完成线路制作后，激光划片制得AMB-陶瓷基板；

对填塞铜柱后的AMB-陶瓷基板进行加热，软化铜材，施加外力使基板覆铜凹陷形变与铜柱接触；

在铜柱的上下表面焊接第一焊盘，并在AMB-陶瓷基板的底部焊接第二焊盘；

在位于AMB-陶瓷基板上端面的阳极焊盘Pn上制作二极管芯片，并将所述二极管芯片通过铝丝键合与相邻的阴极焊盘Nn互联；

将金属环框焊接在AMB-陶瓷基板的上端面后，用金属盖板采用平行封焊将所述金属环框封盖实现气密封装。

进一步的，所述活性焊料的组成为Ti-Ag-Cu和有机载体。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.本发明采用AMB-陶瓷金属一体化外壳，内部二极管芯片通过芯片堆叠及键合进行互联，整个整流阵列封装尺寸小，可实现整流阵列的小型化、轻型化、气密性和高可靠性。

2.本发明采用SMD结构，可以实现高达20A的电流通流能力拓展，并且能够将每个通道的热耗散通过铜柱焊盘垂直向下传导，保证器件的散热性能。

3.本发明拓扑可重构，可根据使用需要通过外部接线实现拓扑重构，应用灵活，兼容性好。

附图说明

图1为本发明中一较佳实施例中立体集成整流阵列的剖面结构示意图；

图2为本发明中一较佳实施例中立体集成整流阵列的腔体内部结构示意图；

图3为本发明中一较佳实施例中立体集成整流阵列的底部焊盘布局示意图；

图4为本发明中一较佳实施例中立体集成整流阵列的电路结构图。

图中：1-AMB-AlN陶瓷基板，2-铜柱，3-金属环框，4-金属盖板，5-第一焊盘，51-阳极焊盘Pn，52-阴极焊盘Nn，6-二极管芯片，7-铝丝，8-第二焊盘。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将结合具体的实施方式对本发明进行更全面的描述。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。

如图1中所示的，一种立体集成整流阵列，其包括AMB-AlN陶瓷基板1，可以理解的是，这里的AMB-AlN陶瓷基板1为本发明中的一种最优的方式，这里的陶瓷基板可以选择本领域的其他陶瓷基板，而由于AlN陶瓷基板的导热率高，因此，本实施例中优选为采用AlN陶瓷基板。具体来说，这里的AMB-AlN陶瓷基板1是采用AMB工艺形成的SMD结构，具体来说，是在陶瓷基板通过涂覆活性焊料后进行活性钎焊将陶瓷和金属进行接合，首次将其应用在结构封装领域，该AMB-AlN陶瓷基板1利用钎料中含有的少量活性元素与陶瓷反应生成能被液态钎料润湿的反应层，以实现陶瓷与金属的接合，保证封装气密性。

请结合图2和图1参见，进一步的，在AMB-AlN陶瓷基板1上端面沿其四周固设有金属环框3，这里的金属环框3的材质可采用金属外壳封装领域常用的材质，在本实施例中，金属环框3为可伐金属环框，本实施例中，其是通过银铜焊接与AMB-AlN陶瓷基板1进行焊接的。从而使得AMB-AlN陶瓷基板1和金属环框3形成一腔体，本实施例中整流阵列的电路结构在所述腔体内进行布线。具体来说，位于所述腔体内的AMB-AlN陶瓷基板1上开设有通孔，在通孔内填塞有铜柱2，在铜柱2的上下表面均焊接有第一焊盘5，优选的，保证上下表面第一焊盘5的紧密连接，从而实现大电流的通流能力，且能够将每个通道的热耗散通过铜柱2垂直向下传导，实现高效散热。这里的第一焊盘5包括阳极焊盘Pn 51和阴极焊盘Nn 52，同一铜柱2的上下表面焊接的第一焊盘5的类型相同，也就是说，同一铜柱2的上下表面焊接的要么都是阳极焊盘Pn 51，要么都是阴极焊盘Nn 52，其阳极焊盘Pn 51和阴极焊盘Nn 52间隔排布，第一焊盘5之间的间隔安全距离，这里不再具体赘述，在本实施例中，第一焊盘5之间的间距选择为0.5mm。优选的，在本实施例中，所述通孔围绕所述AMB-AlN陶瓷基板1的四周呈阵列排布，从而使得第一焊盘5也呈阵列排布，且所述阳极焊盘Pn 51与所述阴极焊盘Nn52间隔排布。

更进一步的，在位于腔体内的阳极焊盘Pn 51的上端面连接有二极管芯片6，如图1中所示的，将二极管芯片6通过铝丝键合与相邻的阴极焊盘Nn互联。进一步的，本实施例中二极管芯片6为堆叠芯片，其由两层二极管裸芯片堆叠串联成，如图2中所示的，在最上层的二极管裸芯片通过铝丝7与相邻的阴极焊盘Nn 52键合，从而实现互联，可以理解的是，这里的铝丝7的数量可以是2根也可以是3根以上，根据需要进行调整即可，这里不再具体的限定。

本实施例中的整流阵列的电路连接，具体如图2中所示的，8个二极管芯片6形成8个独立的整流通道，每个整流通道由阳极焊盘Pn 51、与其相邻的阴极焊盘Nn 52和设于阳极焊盘Pn 51上的二极管芯片6，首尾串联。在AMB-AlN陶瓷基板1底部的第一焊盘5的排布如图3中所示的，在中部还焊接有第二焊盘8，第二焊盘8为Pad焊盘，其与周围的第一焊盘5无电气连接，主要是用于散热和保证焊接的可靠性，其具体的位置可以根据需要进行调整，在本实施例中优选的为焊接在底部的中心位置。具体的，8个整流通道的电路结构如图4中所示的，其可在外部通过改变各整流通道的串并联关系实现拓扑重构，从而满足半波整流、全波整流、桥式整流、高压整流等功能。

本实施例中的立体集成整流阵列尺寸小，为11.5mm×11.5mm×3.2mm，阳极焊盘Pn51中的P1、P3、P5和P7的尺寸为2.7mm×2.7mm，其余的焊盘N1、P2、N2、N3、P4、N4、N5、P6、N6、N7、P8和N8焊盘尺寸为1.3mm×2.7mm，第二焊盘8的尺寸设计为4.9mm×4.9mm，如图2和图3中所示的，阳极焊盘Pn 51和阴极焊盘Nn 52间隔布局，且每个独立整流通道的阳极和阴极焊盘相邻布局，二极管芯片6于AMB-AlN陶瓷基板1上分散均匀分布，且直接焊接于铜柱2焊盘上方，确保良好的散热和方阻特性。

更进一步方案，如图1中所示的，在金属环框3上封盖有金属盖板4，将所述腔体封盖。

本实施例中还公开了一种立体集成整流阵列的制作方法，包括以下步骤：

将AlN陶瓷基板清洗干净并对铜片进行退火处理和清洗；这里的清洗、退火等处理均采用本领域常用的选择，因此不再详细赘述；

在清洗后的AlN陶瓷基板上冲制通孔后再次清洗，并在通孔内填塞铜柱2，然后在AlN陶瓷基板的表面印刷活性焊料，将清洗后的铜片通过活性钎焊工艺与AlN陶瓷基板焊接；

去除AlN陶瓷基板上的杂质或废料，本实施例中主要是通过铜腐蚀液及焊料腐蚀液去除上述杂质和废料，完成线路制作后，激光划片制得AMB-AlN陶瓷基板1；

对AMB-AlN陶瓷基板1进行加热，软化铜材，施加外力使基板覆铜凹陷形变与铜柱2接触；具体来说，可通过压接工艺施加外力使基板覆铜凹陷形变与铜柱2接触，此步骤主要是保证铜柱2上下表面的第一焊盘5紧密连接；

在铜柱2的上下表面焊接第一焊盘5，并在AMB-AlN陶瓷基板1的底部焊接第二焊盘8；

在位于AMB-AlN陶瓷基板1上端面的阳极焊盘Pn 51上制作二极管芯片6，并将所述二极管芯片通过铝丝7与相邻的阴极焊盘Nn 52键合互联；

再将AMB-AlN陶瓷基板1与金属环框3焊接后，用金属盖板4采用平行封焊将所述金属环框封盖实现气密封装。这里的焊接方式均为本领域的常规操作，因此不再详细赘述。

进一步的，所述活性焊料的组成为Ti-Ag-Cu和有机载体。

本实施例中的整流阵列体积小、重量轻、拓扑可重构，可靠性高，气密性优良，其漏气率小于1×10^-8atm·com³sec^-1，能够满足宇航、星载等应用需求。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。