具有多级基板堆叠与垂直散热通道的射频微系统三维封装组件与制作方法技术方案

本发明专利技术涉及一种具有多级基板堆叠与垂直散热通道的射频微系统三维封装组件与制作方法，包括外壳，其包括陶瓷底座，陶瓷底座的两侧均开设腔室，形成双面腔结构，每个腔室内嵌设若干陶瓷基板，且两个腔室之间形成水平散热通道；腔室内设置若干层台阶，每层台阶表面分布BGA焊盘面阵结构，在朝向地面的腔室端面两侧平出金属引线，在两个腔室的开口端分别架设金属框架；陶瓷基板表面或者底面分别开设至少一个腔体，陶瓷基板的表面同样设置BGA焊盘面阵结构，且位于陶瓷基板表面的BGA焊盘面阵结构与位于台阶表面的BGA焊盘面阵结构匹配；在每个陶瓷底座的腔室内，沿着台阶的端面设置垂直散热通道；本发明专利技术具备集成度高、微波性能优良、散热性能较佳的特质。

【技术实现步骤摘要】
具有多级基板堆叠与垂直散热通道的射频微系统三维封装组件与制作方法
本专利技术涉及一种具有多级基板堆叠与垂直散热通道的射频微系统三维封装组件与制作方法，属于射频微系统封装领域。
技术介绍
射频微系统组件一般具备两种典型的封装形式；一是PCB配合金属壳体，这种形式制造难度较低，是一种比较传统的封装形式。该类封装形式一般尺寸大，对复杂结构的设计和生产构成瓶颈，应用受限，现阶段的应用较少；另一种是目前最常用的低温共烧陶瓷(LTCC)配合铝基复合金属材料壳体，LTCC基板的介质损耗低、硬度高，可以实现复杂的布线要求，具备实现多通道传输的条件，是目前国内外最常用的射频微系统组件封装形式。铝基复合金属材料壳体为LTCC基板提供信号输入输出通道、散热通道，机械支撑和受保护的工作环境。这种封装形式尺寸通常也比较大。有采用AlN基板、倒装单片微波集成电路(MMIC)、毛纽扣的形式实现射频微系统组件的封装，但毛纽扣需要较好的精确对位和组装，实用性不强，可靠性较低。近年来，三维封装组件越来越受到重视，有报道在金属壳体内部通过LTCC基板本身的BGA结构实现多级LTCC基板的垂直堆叠。这种封装结构虽然在一定程度上减小了封装体积，但是需要依靠SMT同轴型接头将金属壳体内部微波信号传输出来，导致微系统整体封装体积仍然较大。同时垂直堆叠LTCC基板之间的散热问题是该领域一直存在的问题。传统方法是通过在金属壳体内部灌胶的方法解决垂直散热问题，但是受限于灌胶的热导率本身比较低，垂直散热效果并不理想。射频微系统组件必须向着更高的集成度和小型化的方向发展。相比于LTCC技术，高温共烧陶瓷(HTCC)技术具备更高的可靠性、更低的成本，并且可实现更高的集成度与小型化。基于HTCC技术的具有多级基板堆叠与垂直散热通道的射频微系统三维封装组件可实现更丰富的封装形式，应用场景更为广阔；外形上通过设计多腔体多通道结构，可以省去金属壳体结构，实现射频微系统组件的进一步小型化。因此亟需一种基于基于HTCC的射频微系统三维封装技术开发出来的射频微系统三维封装组件，以实现解决射频微系统三维封装组件领域在集成度、微波性能、散热性等方面一直存在的问题。
技术实现思路
本专利技术提供一种具有多级基板堆叠与垂直散热通道的射频微系统三维封装组件与制作方法，具备集成度高、微波性能优良、散热性能较佳的特质。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种具有多级基板堆叠与垂直散热通道的射频微系统三维封装组件，该组件采用陶瓷封装形式，包括外壳，外壳为双面腔结构；前述的外壳包括陶瓷底座，陶瓷底座的两侧均开设腔室，形成双面腔结构，每个腔室内嵌设若干陶瓷基板，且两个腔室之间形成水平散热通道；在每个腔室内设置若干层台阶，每层台阶表面分布BGA焊盘面阵结构，在朝向地面的腔室端面两侧平出金属引线，在两个腔室的开口端分别架设金属框架；前述的陶瓷基板，其表面或者底面分别开设至少一个腔体，陶瓷基板的表面同样设置BGA焊盘面阵结构，且位于陶瓷基板表面的BGA焊盘面阵结构与位于台阶表面的BGA焊盘面阵结构匹配；在两个腔室连通的水平散热通道内嵌设散热金属材料，且在散热金属材料的表面、底面均布设芯片；在每个陶瓷底座的腔室内，沿着台阶的端面设置垂直散热通道，垂直散热通道内同样嵌设散热金属材料；在每个金属框架上覆设金属盖板，将两个腔室封闭；作为本专利技术的进一步优选，前述的BGA焊盘面阵结构作为微波传输结构，其为仿同轴形式，每个焊盘包括一个中心金属孔，在中心金属孔周围环绕设置若干金属接地孔，金属接地孔以中心金属孔为圆心，形成圆环；前述的中心金属孔直径范围为0.05-0.10mm，金属接地孔的孔径范围为0.10-0.20mm，形成的圆环半径范围为0.4mm-2.0mm；作为本专利技术的进一步优选，位于腔室内的台阶表面翘曲度小于1μm/mm，各层台阶上表面都水平分布BGA焊盘面阵结构，焊盘直径范围为0.3mm-0.5mm，相邻焊盘之间的距离小于1.5mm，该焊盘与金属引线通过陶瓷底座内部布线实现电连通性；作为本专利技术的进一步优选，前述的水平散热通道与垂直散热通道之间通过焊接导热连接体实现连通导热；作为本专利技术的进一步优选，嵌设在水平散热通道内的散热金属材料选用钨铜或者钼铜或者金刚石铜；嵌设在垂直散热通道内的散热金属材料选用钨铜或者钼铜或者金刚石铜；基于前述所述的具有多级基板堆叠与垂直散热通道的射频微系统三维封装组件的制作方法，外壳的制作工艺具体包括以下步骤：第一步，按照低损耗陶瓷配方进行配料，球磨，流延出厚度范围为0.20mm-0.35mm的生瓷带，备用；第二步，采用高温共烧多层陶瓷工艺对备用的生瓷带进行打孔、填孔、印刷金属化图形，打腔，叠片，层压、生切形成陶瓷底座；陶瓷底座成形的具体步骤如下：第21步，预备一块镂空铝板，镂空铝板仅包括边框，边框上插设定位销，镂空铝板上的定位销与备用的生瓷带边缘定位孔位置一致，再预备两张镂空金属片，其中一张镂空金属片上的镂空图形与陶瓷底座的一个腔室图形相同，另一张镂空金属片上的镂空图形与陶瓷底座的另一个腔室图形相同，每张镂空金属片边缘开设与定位销位置匹配的定位孔；第22步，将多层备用的生瓷带进行芯片区开腔，使芯片区具有符合设计要求的镂空腔体图形；第23步，定义朝向地面的腔室为下腔室，朝向上方的腔室为上腔室，先将与下腔室图形匹配的镂空金属片叠放在镂空铝板的定位销上，将经过开腔的生瓷带顺次由底层至顶层叠加在定位销上，接着在叠放完毕的生瓷带表面叠放另一张镂空金属片，此镂空金属片与上腔室图形相同，且将镂空金属片与生瓷带上的镂空腔体图形重合；第24步，在两片镂空金属片的表面铺设软硅胶垫，每块软硅胶垫的厚度大于或者等于叠层生瓷带总厚度的二分之一；第25步，将第24步获取的整体结构置于塑料包封袋中经过真空包封、层压处理，热压压力范围为100-300psi，得到整叠生瓷，对整叠生瓷进行生切，得到单个双腔结构的生瓷底座，对生瓷底座内沿着台阶的端面需要焊接的区域手工涂覆金属化浆料；第三步，将生瓷底座按照低损耗陶瓷烧结工艺进行预烧，预烧后进行二次重烧结，其中预烧的温度范围为1000℃-1600℃，二次重烧结的温度范围为1600℃-1700℃；第四步，对烧结后的陶瓷底座表面金属区域进行镀镍；第五步，选取两个与腔室开口端匹配的金属框架，对金属框架以及嵌设在水平散热通道内的散热金属材料表面镀镍，镍层厚度为1.5-4.0μm；第六步，将两个金属框架、陶瓷底座、金属引线以及散热金属材料依次嵌设至模具内，经过高温钎焊组装形成外壳预制品，具体步骤包括：第61步，首先将散热金属材料与陶瓷底座放入石墨钎焊模具中，同时放入厚度为0.05-0.10mm的银铜焊料片，在790±10℃的氢气条件下钎焊在一起，组成半成品A；第62步，将半成品A与金属框架、金属引线放入石墨钎焊模具中，同时放入厚度为0.05-0.10mm的银铜本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有多级基板堆叠与垂直散热通道的射频微系统三维封装组件，该组件采用陶瓷封装形式，其特征在于：包括外壳，外壳为双面腔结构；/n前述的外壳包括陶瓷底座，陶瓷底座的两侧均开设腔室，形成双面腔结构，每个腔室内嵌设若干陶瓷基板，且两个腔室之间形成水平散热通道；在每个腔室内设置若干层台阶，每层台阶表面分布BGA焊盘面阵结构，在朝向地面的腔室端面两侧平出金属引线，在两个腔室的开口端分别架设金属框架；/n前述的陶瓷基板，其表面或者底面分别开设至少一个腔体，陶瓷基板的表面同样设置BGA焊盘面阵结构，且位于陶瓷基板表面的BGA焊盘面阵结构与位于台阶表面的BGA焊盘面阵结构匹配；/n在两个腔室连通的水平散热通道内嵌设散热金属材料，且在散热金属材料的表面、底面均布设芯片；/n在每个陶瓷底座的腔室内，沿着台阶的端面设置垂直散热通道，垂直散热通道内同样嵌设散热金属材料；/n在每个金属框架上覆设金属盖板，将两个腔室封闭。/n

【技术特征摘要】
1.一种具有多级基板堆叠与垂直散热通道的射频微系统三维封装组件，该组件采用陶瓷封装形式，其特征在于：包括外壳，外壳为双面腔结构；
前述的外壳包括陶瓷底座，陶瓷底座的两侧均开设腔室，形成双面腔结构，每个腔室内嵌设若干陶瓷基板，且两个腔室之间形成水平散热通道；在每个腔室内设置若干层台阶，每层台阶表面分布BGA焊盘面阵结构，在朝向地面的腔室端面两侧平出金属引线，在两个腔室的开口端分别架设金属框架；
前述的陶瓷基板，其表面或者底面分别开设至少一个腔体，陶瓷基板的表面同样设置BGA焊盘面阵结构，且位于陶瓷基板表面的BGA焊盘面阵结构与位于台阶表面的BGA焊盘面阵结构匹配；
在两个腔室连通的水平散热通道内嵌设散热金属材料，且在散热金属材料的表面、底面均布设芯片；
在每个陶瓷底座的腔室内，沿着台阶的端面设置垂直散热通道，垂直散热通道内同样嵌设散热金属材料；
在每个金属框架上覆设金属盖板，将两个腔室封闭。


2.根据权利要求1所述的具有多级基板堆叠与垂直散热通道的射频微系统三维封装组件，其特征在于：
前述的BGA焊盘面阵结构作为微波传输结构，其为仿同轴形式，每个焊盘包括一个中心金属孔，在中心金属孔周围环绕设置若干金属接地孔，金属接地孔以中心金属孔为圆心，形成圆环；
前述的中心金属孔直径范围为0.05-0.10mm，金属接地孔的孔径范围为0.10-0.20mm，形成的圆环半径范围为0.4mm-2.0mm。


3.根据权利要求1所述的具有多级基板堆叠与垂直散热通道的射频微系统三维封装组件，其特征在于：位于腔室内的台阶表面翘曲度小于1μm/mm，各层台阶上表面都水平分布BGA焊盘面阵结构，焊盘直径范围为0.3mm-0.5mm，相邻焊盘之间的距离小于1.5mm，该焊盘与金属引线通过陶瓷底座内部布线实现电连通性。


4.根据权利要求1所述的具有多级基板堆叠与垂直散热通道的射频微系统三维封装组件，其特征在于：前述的水平散热通道与垂直散热通道之间通过焊接导热连接体实现连通导热。


5.根据权利要求1所述的具有多级基板堆叠与垂直散热通道的射频微系统三维封装组件，其特征在于：
嵌设在水平散热通道内的散热金属材料选用钨铜或者钼铜或者金刚石铜；
嵌设在垂直散热通道内的散热金属材料选用钨铜或者钼铜或者金刚石铜。


6.基于权利要求1所述的具有多级基板堆叠与垂直散热通道的射频微系统三维封装组件的制作方法，其特征在于：外壳的制作工艺具体包括以下步骤：
第一步，按照低损耗陶瓷配方进行配料，球磨，流延出厚度范围为0.20mm-0.35mm的生瓷带，备用；
第二步，采用高温共烧多层陶瓷工艺对备用的生瓷带进行打孔、填孔、印刷金属化图形，打腔，叠片，层压、生切形成陶瓷底座；陶瓷底座成形的具体步骤如下：
第21步，预备一块镂空铝板，镂空铝板仅包括边框，边框上插设定位销，镂空铝板上的定位销与备用的生瓷带边缘定位孔位置一致，再预备两张镂空金属片，其中一张镂空金属片上的镂空图形与陶瓷底座的一个腔室图形相同，另一张镂空金属片上的镂空图形与陶瓷底座的另一个腔室图形相同，每张镂空金属片边缘开设与定位销位置匹配的定位孔；
第22步，将多层备用的生瓷带进行芯片区开腔，使芯片区具有符合设计要求的镂空腔体图形；
第23步，定义朝向地面的腔室为下腔室，朝向上方的腔室为上腔室，先将与下腔室图形匹配的镂空金属片叠放在镂空铝板的定位销上，将经过开腔的生瓷带顺次由底层至顶层叠加在定位销上，接着在叠放完毕的生瓷带表面叠放另一张镂空金属片，此镂空金属片与上腔室图形相同，且将镂空金属片与生瓷带上的镂空腔体图形重合；
第24步，在两片镂空金属片的表面铺设软硅胶垫，每块软硅胶垫的厚度大于或者等于叠层生瓷带总厚度的二分之一；
第25步，将第24步...

【专利技术属性】
技术研发人员：庞学满，陈寰贝，夏庆水，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第五十五研究所，
类型：发明
国别省市：江苏;32