一种具有三维堆叠形式的微系统封装组件及其制作方法技术方案

本发明专利技术涉及一种具有三维堆叠形式的微系统封装组件及其制作方法，组件包括外壳与陶瓷基板，外壳底座材料为低损耗陶瓷，采用低损耗陶瓷作为传输介质，可工作在微波至毫米波频段；内腔为多层台阶结构，陶瓷基板堆叠在外壳内腔台阶表面，外壳底面引出端为水平引出的金属引线，底面设置可用于散热的金属热沉，可以实现底面芯片的散热；陶瓷基板材料为低温共烧多层陶瓷或者高温共烧多层陶瓷，表面或者底面设置多个可局部密封的腔体，用于封装芯片；本发明专利技术具有集成度高、微波传输性能好、可靠性高等方面的特点。

【技术实现步骤摘要】
一种具有三维堆叠形式的微系统封装组件及其制作方法
本专利技术涉及一种具有三维堆叠形式的微系统封装组件及其制作方法，属于射频微系统组件封装领域。
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组件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，难以有效降低整体封装尺寸。随着三维集成应用要求越发严苛，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技术的多层BGA焊盘面阵结构的射频微系统三维封装外壳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。在HTCC外壳的基础上堆叠多级陶瓷基板，可以实现组件良好的微波传输性能，有效减少组件体积，提高组件整体可靠性。因此，基于HTCC的射频微系统三维封装技术将成为微系统封装领域未来发展的重要方向；亟需一种基于HTCC技术开发的微系统封装组件，能够有效解决射频微系统三维封装组件领域在集成度、微波性能、可靠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三维堆叠形式的微系统封装组件及其制作方法，是一种集成度高、微波性能优良、可靠性高的具有三维堆叠形式的微系统封装组件。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种具有三维堆叠形式的微系统封装组件，其为陶瓷封装形式，可工作在微波至毫米波频段，包括外壳以及嵌设在外壳内部的陶瓷基板；前述的外壳包括陶瓷底座、金属框架、金属引线以及金属热沉，陶瓷底座内腔设置多层台阶，台阶表面分布BGA焊盘面阵结构，在陶瓷底座的底面中心位置设置台阶腔，台阶腔内嵌入金属热沉，金属热沉的表面设置功率芯片，同时在陶瓷底座底面平出金属引线，在陶瓷底座的表面架设金属框架；前述的陶瓷基板嵌设在陶瓷底座内腔，且其表面或者底面开设至少一个腔体，陶瓷基板的表面同样设置BGA焊盘面阵结构，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焊盘面阵结构配合；作为本专利技术的进一步优选，位于外壳内的BGA焊盘面阵结构，其作为微波传输结构工作的波频段范围为40GHz-60GHz；BGA焊盘面阵结构为仿同轴形式，包括若干中心金属孔，每个中心金属孔的四周均匀环绕设置若干金属接地孔，若干金属接地孔构成以中心金属孔为圆心的圆环，圆环的半径范围为0.4mm-2.0mm，中心金属孔的直径范围为0.05mm-0.10mm，金属接地孔的直径范围为0.10mm-0.20mm；作为本专利技术的进一步优选，陶瓷底座采用陶瓷作为传输介质，其损耗角正切值小于5×10-4；作为本专利技术的进一步优选，陶瓷底座内腔设置多层台阶，每层台阶表面的翘曲度小于1μm/mm，各层台阶上表面都水平分布若干BGA焊盘面阵结构，焊盘直径为0.3mm-0.5mm，相邻焊盘之间的距离小于1.5mm，该BGA焊盘与外壳底板背面的金属引线通过陶瓷内部布线实现电连通性；作为本专利技术的进一步优选，金属热沉为高热导率材料，采用钨铜或者钼铜或者铜-钼铜-铜或者金刚石铜；金属引线与金属框架选用铁镍合金制作；如前述所述的一种具有三维堆叠形式的微系统封装组件的制作方法，前述外壳内陶瓷底座采用低损耗陶瓷制备工艺结合HTCC工艺进行制备，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，流延出厚度为0.200mm-0.35mm的生瓷带，备用；第二步，采用HTCC工艺对生瓷带进行打孔、填孔、印刷金属化图形，打腔，叠片，层压、生切制作形成陶瓷底座，陶瓷底座的成型方法包括以下步骤：第21步，预备一块镂空铝板，镂空铝板包括边框，在边框上嵌设定位销，定位销与生瓷带边缘位置的定位孔位置匹配，再预备两张镂空金属片，一张镂空金属片的镂空图形与预备制作的陶瓷底座表面腔体图形一致，另一张镂空金属片的镂空图形与预备制作的陶瓷底座底面腔体图形一致，两张镂空金属片的边缘均设置与镂空铝板上定位销位置匹配的定位孔；第22步，将多层生瓷带进行芯片区开腔，芯片区具备符合设计要求的镂空腔体图形；第23步，将与底面腔体图形一致的镂空金属片叠设在镂空铝板的定位销上，再将第22步获取的生瓷片由底部至顶部的顺序顺次叠加在定位销上，在最顶部的一层生瓷带表面覆设与表面腔体图形一致的镂空金属片，且该镂空金属片与顶部生瓷带上的镂空腔体图形重合；第24步，在位于顶部的镂空金属片表面铺设软硅胶垫，位于底部的镂空金属片底面同样铺设软硅胶垫，软硅胶垫的厚度大于或者等于多层生瓷带叠加总厚度的二分之一；第25步，将第24步获取的结构外部包裹塑料包封袋，经过真空包封、层压处理，热压压力为100-300psi，得到表面以及底部都设有腔体结构的整叠生瓷，对生瓷进行生切，得到生瓷底座；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，对烧结后的生瓷底座表面金属区域进行镀镍；第五步，将金属框架在800℃-1200℃，氢气气氛条件下进行退火，随炉冷却，将金属热沉表面镀镍，镍层厚度1.5-4.0μm；第六步，将金属框架、金属热沉、金属引线、金属底板通过银铜焊料在790±10℃的气氛条件下钎焊在一起，组成外壳半成品；第七步，将外壳半成品表面金属区域电镀镍层和金层，镍层厚度范围为2.5-6.0μm，BGA焊盘表面金层厚度范围为0.1-0.3μm，外壳表面其他金属区域金层厚度范围为1.3-5.7μm；作为本专利技术的进一步优选，前述陶瓷基板通过多层陶瓷工艺制作，具体包括以下步骤：第⑴步，按照陶瓷配方进行配料、球磨，流延出厚度为0.10mm-0.35mm生瓷片，备用；第⑵步，采用高温共烧多层陶瓷工艺或者低温共烧多层陶瓷工艺对备用的生瓷片进行打孔、填孔、印刷金属化图形；第⑶步，对第⑵步获取的生本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有三维堆叠形式的微系统封装组件，其为陶瓷封装形式，可工作在微波至毫米波频段，其特征在于：包括外壳以及嵌设在外壳内部的陶瓷基板；/n前述的外壳包括陶瓷底座、金属框架、金属引线以及金属热沉，陶瓷底座内腔设置多层台阶，台阶表面分布BGA焊盘面阵结构，在陶瓷底座的底面中心位置设置台阶腔，台阶腔内嵌入金属热沉，金属热沉的表面设置功率芯片，同时在陶瓷底座底面平出金属引线，在陶瓷底座的表面架设金属框架；/n前述的陶瓷基板嵌设在陶瓷底座内腔，且其表面或者底面开设至少一个腔体，陶瓷基板的表面同样设置BGA焊盘面阵结构，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焊盘面阵结构配合。/n

【技术特征摘要】
1.一种具有三维堆叠形式的微系统封装组件，其为陶瓷封装形式，可工作在微波至毫米波频段，其特征在于：包括外壳以及嵌设在外壳内部的陶瓷基板；
前述的外壳包括陶瓷底座、金属框架、金属引线以及金属热沉，陶瓷底座内腔设置多层台阶，台阶表面分布BGA焊盘面阵结构，在陶瓷底座的底面中心位置设置台阶腔，台阶腔内嵌入金属热沉，金属热沉的表面设置功率芯片，同时在陶瓷底座底面平出金属引线，在陶瓷底座的表面架设金属框架；
前述的陶瓷基板嵌设在陶瓷底座内腔，且其表面或者底面开设至少一个腔体，陶瓷基板的表面同样设置BGA焊盘面阵结构，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焊盘面阵结构配合。


2.根据权利要求1所述的具有三维堆叠形式的微系统封装组件，其特征在于：位于外壳内的BGA焊盘面阵结构，其作为微波传输结构工作的波频段范围为40GHz-60GHz；
BGA焊盘面阵结构为仿同轴形式，包括若干中心金属孔，每个中心金属孔的四周均匀环绕设置若干金属接地孔，若干金属接地孔构成以中心金属孔为圆心的圆环，圆环的半径范围为0.4mm-2.0mm，中心金属孔的直径范围为0.05mm-0.10mm，金属接地孔的直径范围为0.10mm-0.20mm。


3.根据权利要求1所述的具有三维堆叠形式的微系统封装组件，其特征在于：陶瓷底座采用陶瓷作为传输介质，其损耗角正切值小于5×10-4。


4.根据权利要求1所述的具有三维堆叠形式的微系统封装组件，其特征在于：陶瓷底座内腔设置多层台阶，每层台阶表面的翘曲度小于1μm/mm，各层台阶上表面都水平分布若干BGA焊盘面阵结构，焊盘直径为0.3mm-0.5mm，相邻焊盘之间的距离小于1.5mm，该BGA焊盘与外壳底板背面的金属引线通过陶瓷内部布线实现电连通性。


5.根据权利要求1所述的具有三维堆叠形式的微系统封装组件，其特征在于：金属热沉为高热导率材料，采用钨铜或者钼铜或者铜-钼铜-铜或者金刚石铜；
金属引线与金属框架选用铁镍合金制作。


6.如权利要求1所述的一种具有三维堆叠形式的微系统封装组件的制作方法，其特征在于：前述外壳内陶瓷底座采用低损耗陶瓷制备工艺结合HTCC工艺进行制备，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，流延出厚度为0.200mm-0.35mm的生瓷带，备用；
第二步，采用HTCC工艺对生瓷带进行打孔、填孔、印刷金属化图形，打腔，叠片，层压、生切制作形成陶瓷底座，陶瓷底座的成型方法包括以下步骤：
第21步，预备一块镂空铝板，镂空铝板包括边框，在边框上嵌设定位销，定位销与生瓷带边缘位置的定位孔位置匹配，再预备两张镂空金属片，一张镂空金属片的镂空图形与预备制作的陶瓷底座表面腔体图形一致，另一张镂空金属片的镂空图形与预备制作的陶瓷底座底面腔体图形一致，两张镂空金属片的边缘均设置与镂空铝板上定位销位置匹配的定位孔；
第22步，将多层生瓷带进行芯片区开腔，芯片区具备符合设计要求的镂空腔体图形；
第23步，将与底面腔体图形一致的镂空金属片叠设在镂空铝板的定位销上，再将第22步获取的生瓷片由底部至顶部的顺序顺次叠加在定位销上，在最顶部的一层生瓷带表...

【专利技术属性】
技术研发人员：庞学满，李华新，谢新根，
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