CN102709275B - 同轴型非接触式3d-mcm垂直互连方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种同轴型非接触式3D-MCM的垂直互连方法，以同轴线1作为输入口，同轴线（1）的内芯（7）垂直穿过空气介质孔（9）和第一介质基板（4）的过孔（12）与第一耦合电容片（14）相连接，并且同轴线的内芯暴露在空气介质孔（9）中；第一介质基板，B面上的第一耦合电容片和第二介质基板（5），C面上的第二耦合电容片（20）分别螺旋环绕高阻微带线（15、21），并且高阻微带线（15、21）分别接地；第一介质基板，B面上的第一耦合电容片和第二介质基板，C面上的第二耦合电容片通过电磁耦合，信号传输到带有阻抗变化的微带线（22）上，经过阻抗变化后最后传输到微带传输线输出口（2），实现同轴线到微带线的垂直过渡。

Description

同轴型非接触式3D-MCM垂直互连方法

技术领域

本发明涉及一种主要应用于K波段三维多芯片组件(3D-MCM)垂直互连方法。 

背景技术

随着大规模集成电路技术、新型电子材料技术和封装互连技术的快速发展，电子装备正在向小型化、轻量化、高可靠、多功能和低成本方向发展，尤其对机载和星载等电子装备，实现小型化、轻量化对于提高其电性能指标和灵活机动性尤为重要。作为电子装备前端的微波组件已在现代通讯导航、民用和军用雷达等系统中广泛应用，因此必须研究解决微波组件功能越来越复杂、电性能指标要求越来越高，而体积越来越小、重量越来越轻的矛盾，在满足微波组件电气性能要求的前提下，尽可能提高微波组件的集成度、减小体积和重量。目前在微波毫米波频段，单一的MMIC芯片尚无法实现复杂系统级集成，而90年代发展起来的多芯片组件 (MCM) 技术将多个集成电路芯片和其它片式元器件封装在一块高密度多层互连基板上，成为一个独立的系统级组件，解决了系统发展的矛盾，是目前能最大限度的发挥高集成度，高速单片IC性能，实现整机小型化、高可靠、高性能的最有效的途径之一。所谓封装是指将半导体集成电路芯片可靠地安装到一定的外壳上，封装用的外壳不仅起着安放、固定、密封、保护芯片和增强电热性能的作用，而且还是沟通芯片内部世界与外部电路的桥梁，即芯片上的接点用导线连接到封装外壳的引脚上，这些引脚又通过印制板上的导线与其他器件建立连接。因此，封装对集成电路和整个电路系统都起着重要的作用。芯片的封装技术已经历了几代的变迁，从DIP、PQFP、PGA、BGA、CSP到MCM，技术更先进，芯片面积与封装面积之比越来越趋近于1，适用频率更高，耐温性能更好，引脚数增多，引脚间距减小，可靠性提高，使用更加方便。 

随着IC的飞速发展，I／O数急剧增加，要求封装的引脚数相应增多，出现了“高密度封装”，90年代，在高密度、单芯片封装的基础上，将高集成度、高性能、高可靠性的通用集成电路芯片和专用集成电路芯片ASIC在高密度多层互连基板上用表面安装技术(SMT)组装成为多种多样的电子组件、子系统或系统，由此而产生了多芯片组件(MCM)。在通常的芯片印刷电路板(PCB)和表面安装技术(SMT)中，芯片工艺要求过高，影响其成品率和成本；印刷电路板尺寸偏大，不符合当今功能强、尺寸小的要求，并且其互连和封装的效应明显，影响了系统的特性；多芯片组件将多块未封装的裸芯片通过多层介质、高密度布线进行互连和封装，尺寸远比印刷电路板紧凑，工艺难度又比芯片小，成本适中。因此，MCM是现今较有发展前途的系统实现方式，是微电子学领域的一项重大变革技术，对现代化的计算机、自动化、通讯业等领域将产生重大影响。MCM组装的是超大规模集成电路和专用集成电路的裸片，而不是中小规模的集成电路，技术上MCM追求高速度、高性能、高可靠性和多功能，而不像一般混合IC技术以缩小体积重量为主。MCM是将多块未封装的IC芯片高密度安装在同一基板上构成的部件，省去了IC的封装材料和工艺，节约了原材料，减少了制造工艺，缩小整机／组件封装尺寸和重量。 

随着微电子技术的进一步发展，芯片的集成度大幅度提高，对封装的要求也更加严格，2D-MCM的缺点也逐渐暴露出来。目前，2D-MCM组装效率最高可达85％，已接近二维组装所能达到的最大理论极限，这已成为混合集成电路持续发展的障碍。当前二维MCM封装密度已不能满足新一代通信系统、微波或毫米波雷达的应用要求。为了改变这种状况，目前MCM技术已经发展到最高组装密度可达200％的三维多芯片组件(3D-MCM)封装。3D-MCM是将多个裸芯片或二维多芯片组件(2D MCM)沿z轴方向层叠起来的封装技术,相对于单芯片封装和2D MCM具有很多优点,如体积小、重量轻,硅片的封装效率大大提高,延迟进一步缩短,噪声降低,速度更快等。三维多芯片组件(3D MCM- Three Dimension 

Multi-Chip Module)是近几年正在发展的一种电子封装技术。3D-MCM封装进一步减小了体积，减轻了重量。相对于2D-MCM而言，3D-MCM可使系统的体积缩小芯片预留腔10倍以上，重量减轻6倍以上。3D-MCM中芯片之间的互连长度比2D-MCM短得多，可进一步减小信号传输延迟时间和信号噪声，降低了功耗，信号传输(处理)速度增加。互连带宽，特别是存储器带宽往往是影响计算机和通信系统性能的重要因素。降低延迟时间和增大总线宽度是增大信号宽度的重要方法。3D-MCM正好具有实现此特性的突出优点。由于3D—MCM内部单位面积的互连点数大大增加，具有更高的集成度，使其整机(或系统)的外部连接点数和插板大大减小，因此可靠性得到进一步提高。3D-MCM与2D-MCM及SMT技术单位连接点数相比较,每单位面积的连接点数比2D-MCM多1～3个数量级以上,比SMT技术多1～4个数量级以上。 

3D-MCM虽然具有以上所述的优点，但仍然有一些困难需要克服。和2D-MCM相比，3D-MCM的封装密度增加了。在3D-MCM封装中,随着芯片封装密度的增加,基板面积上的单位体积容纳的热量就越来越高，因此散热是关键问题，一般采用以下方法：采用低热阻材料，如金刚石或化学气相淀积(CVD)金刚石薄膜；采用水冷或强制空冷；采用导热粘胶或散热通孔将热量尽快散发出去。另外，作为一项新技术，3D-MCM还需进一步完善，需更新设备，开发新的软件，还要承担一定的风险。 

根据多层互连基板的结构和工艺技术的不同，MCM大体上可分为三类：①层压介质MCM(MCM-L)；②陶瓷或玻璃瓷MCM(MCM-C)；③硅或介质材料上的淀积布线MCM(MCM-D)。 

MCM-L是采用多层印制电路板做成的MCM，制造工艺较成熟，生产成本较低，但因芯片的安装方式和基板的结构所限，高密度布线困难，因此电性能较差，主要用于30MHz以下的产品。     MCM-C是采用高密度多层布线陶瓷基板制成的MCM，结构和制造工艺都与先进IC极为相似，其优点是布线层数多，布线密度、封装效率和性能均较高，主要用于工作频率(30-50)MHz的高可靠产品。它的制造过程可分为高温共烧陶瓷法(HTCC)和低温共烧陶瓷法(LTCC)，由于低温下可采用Ag、Au、Cu等金属和一些特殊的非传导性材料，近年来，低温共烧陶瓷法占主导地位。     MCM-D是采用薄膜多层布线基板制成的MCM，其基体材料又分为MCM-D／C(陶瓷基体薄膜多层布线基板的MCM)、MCM-D／M(金属基体薄膜多层布线基板的MCM)、MCM-D／Si(硅基薄膜多层布线基板的MCM)等三种，MCM-D的组装密度很高，主要用于500MHz以上的产品。     三维封装的基本特点是在垂直于芯片表面的方向上进行堆叠芯片,芯片之间通过线焊、通孔垂直互连或倒装焊形式连接。主要有三种类型:埋置型、有源基板型和叠层型。其主要优点为:体积小、重量轻,信号传输延迟时间小、低噪声、功耗低、极大地提高了组装效率和互连效率,增大信号带宽,加快信号传输速度,多功能性、高可靠性和低成本性。3D封装虽然可有效地缩减封装面积并进行系统的整合,但其结构较复杂且散热设计、电学特性、翘曲度及可靠性控制与组装合格率等都比单一芯片封装更具挑战性。3D-MCM技术是适应集成电路向小型、高速、大功率和高密度发展需要的关键技术,已成为当前国内外的研究热点。国内外也可以看到一些关于3D-MCM的研究报道,但研究对象一般是单种芯片叠层型,通常是在陶瓷或有机基板上通过单一的键合互连工艺如倒扣焊。 

在3D-MCM中，形成三维结构的关键在于如何实现各平面电路间的垂直互连。垂直互连是完成2D-MCM转化为3D-MCM的重要途径。垂直互连是指3D模块内电源、接地、信号与层之间的相互连接。微波电路的垂直互连主要考虑的是损耗问题，即其电特性要符合低插入损耗、高隔离度、低反射等要求。微波垂直互连结构研究的主要目标是提高集成电路的集成度、速度和可靠性。目前，应用最多的3D-MCM垂直互连技术——焊球阵列连接技术。 

基于叠层型基板的3D-MCM封装结构，采用焊球阵列连接技术以焊料为主体。首先在需连接的基板上形成金属化焊盘，然后在焊盘上放置焊球形成焊料凸点。还要通过引线键合、倒装焊等多种互连方式将不同类型的半导体芯片三维封装于一种由叠层模块所形成的立体封装结构中;通过封装表层的植球工艺形成与表面组装技术（SMT）兼容的BGA器件输出端子;利用不同熔点焊球实现封装体内各级球栅阵列（BGA ）的垂直互连,形成融合多种互连方式3D-MCM封装结构垂直互连所形成的焊料凸点、基扳之间的连接。焊球本身在操作、存储和运输过程中，由于彼此以及与容器壁的碰撞会变黑。氧化作用如果严重，会造成焊球和其相连的衬底焊盘间引起不充分的焊接。并且这种垂直互连技术如果温度控制不当，BGA与引线键合芯片同面组装情况下芯片封装面高出焊球高度，会造成焊料凸点结构不均匀或焊料凸点存在许多气孔状物。焊料凸点少量的气孔不影响连接功能，但是如果凸点内气孔的面积很大，将对凸点的结构轻度造成负面影响，可能引起脱焊或塌陷，最后将导致3D-MCM内部开路、短路、抗机械冲击能力下降，影响垂直互连的可靠性。如果多块基板与隔板的叠装和垂直互连焊料凸点中的孔洞、基板与隔板垂直互连中的虚焊和3D-MCM不同焊接区域焊料脱焊或塌陷，需要重新焊接的话，需要重新置球，给生产装配3D-MCM带来不便，不利于自动化组装生产；而且由于焊球阵列所占基板体积较大，因此不适应3D-MCM小型化发展的趋势。 

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术存在的不足之处，提供一种插入损耗小，连接可靠性高、能够进一步减小体积，并能覆盖K波段的3D-MCM的垂直互连方法，以突破焊球阵列连接技术体积大，可靠性差的瓶颈。 

本发明的上述目的可以通过以下措施来达到，一种同轴型非接触式3D-MCM的垂直互连方法，其特征在于包括如下步骤：在上模块3上制出一个台阶孔8作为同轴线1的输入口，同轴线1的内芯7垂直穿过空气介质孔9和第一介质基板4的过孔12与第一耦合电容片14相连接；在第一介质基板4,B面上的第一耦合电容片14和第二介质基板5,C面上的第二耦合电容片20分别对应无地区域13、24，并在电容片周围布局接地孔；第一耦合电容片14和第二耦合电容片20通过电磁耦合，将信号传输到带有阻抗变化的微带线22上，经过阻抗变化后最后传输到微带传输线输出口2，实现同轴线到微带线的垂直过渡；然后在上模块3与下模块6之间设置屏蔽电磁耦合区域的屏蔽板17，把屏蔽板17镂空圆弧过渡开口18的镂空部分作为两耦合电容片的耦合区域，并让出微带传输线2的路由位置；当上模块3、屏蔽板17和下模块6三者合一时，通过第一接地孔11、第二接地孔19和屏蔽板17部分形成共地，构成叠层型3D-MCM结构。 

一种同轴型非接触式3D-MCM垂直互连结构，包括上模块3、屏蔽板17和下模块6，其特征在于，制有芯片预留位置10的上模块3包含制有台阶孔8和空气介质孔9的第一金属腔体，同轴线1、贴合在上模块3下端面上的第一介质基板4，其中，同轴线1的内芯7穿过下端面第一介质基板4的过孔12与第一耦合电容片14相连接，第一介质基板4，B面上的第一耦合电容片14布有接地的螺旋形第一高阻线15；下模块6包含一个对应第二耦合电容片20位置制有圆形孔25的第二金属腔体6和贴合在下模块6上端面的第二介质基板5，其中，布有第二高阻线21的第二耦合电容片20相连微带传输线22，带有阻抗变化的微带传输线22与微带传输线2连接；为上述两耦合电容片提供耦合区域的屏蔽板17位于第一介质基板4和在第二介质基板5之间，同轴线1上的射频信号通过电容耦合的方式过渡至微带传输线2中，构成叠层型3D-MCM结构。 

本发明相比于现有技术具有如下有益效果。 

为了使垂直互连结构所占体积小，本发明采用螺旋形式围绕在耦合电容片的周围高阻线，缩小了耦合区域面积，满足了结构小型化。由于采用电磁耦合，屏蔽板17提供0.15mm的空气间距，使得垂直互连的插入损耗小，连接可靠性高，并且由于整个结构分为三个部分，易于组装和返修，因此这种垂直互连在电路、结构、工艺三方面取得了平衡。本发明的垂直互连的电容片面积比焊球阵列所占面积小，并且上模块3与下模块6之间不需要焊接，只需要通过电容片电磁耦合的实现垂直过渡，解决了目前垂直互连无法在小型化，连接可靠性，易于组装三者之间达到平衡的问题。 

附图说明

图1是本发明同轴型非接触式3D-MCM垂直互连结构的示意图。 

图2是图1上模块3的分解结构示意图。 

图3是图1的分解示意图。 

图4是图3第一介质基板4的A面构造示意图。 

图5是图3第一介质基板4的B面构造示意图。 

图6是图3第二介质基板的C面构造示意图。 

图7是图3第二介质基板的D面构造示意图。 

图中：1同轴线，2微带传输线输出端口，3上模块，4第一介质基板，5第二介质基板，6下模块，7同轴线1的内芯，8台阶孔，9空气介质孔，10芯片预留腔，11第一接地孔，12过孔，13无地区域，14第一耦合电容片，15第一高阻线，16第二无地区域，17屏蔽板，18镂空圆弧过渡开口，19第二接地孔，20第二耦合电容片，21第二高阻线，22带有阻抗变化的微带传输线，23第三无地区域，24第四无地区域，25圆形孔。 

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。 

参阅图1。运用于K波段3D-MCM垂直互连结构由上模块3、屏蔽板17和下模块6三大部分构成，为了实现垂直互连，阻抗50Ω同轴线1通过台阶孔8垂直插入空气介质孔9中。台阶孔8固定住同轴线1。整个模块垂直过渡路线为：同轴线1输入端口→通过空气介质孔9的同轴线1的内芯7→第一耦合电容片14和第二耦合电容片20电磁耦合→带有阻抗变化的微带传输线22→微带传输线输出端口2。 

参阅图2、图3。同轴线1的主模为TEM模（在传播方向上，电场与磁场的纵向分量都为零的传播模式），无截止频率，可以从直流工作到毫米波。 同轴型非接触式3D-MCM垂直互连结构，包括上模块3、屏蔽板17、下模块6。上模块3包含制有芯片预留位置10、台阶孔8和空气介质孔9的第一金属腔体、贴合在上模块3下端面上的第一介质基板4和同轴线1；同轴线1的内芯7垂直穿过空气介质孔9，和第一介质基板4的过孔12与第一耦合电容片14相连接，并且同轴线1的内芯7暴露在空气介质孔9中，并与之形成同轴；同轴线1的内芯7穿过下端面第一介质基板4的过孔12与第一耦合电容片14相连接，第一介质基板4，B面上的第一耦合电容片14螺旋环绕第一高阻线15，第一高阻线15接地；第一介质基板4，B面上的第一耦合电容片14和第二介质基板5，C面上的第二耦合电容片20通过电磁耦合，信号传输到带有阻抗变化的微带线22上，经过阻抗变化后最后传输到微带传输线输出口2，实现同轴线到微带线的垂直过渡；下模块6包含一个含有圆形孔25的第二金属腔体和位于下模块6上端面的第二介质基板5，圆形孔25对应第二耦合电容片20的位置；分布在第二介质基板5，C面上的第二耦合电容片20和第二高阻线21，第二耦合电容片20与带有阻抗变化的微带传输线22连接，带有阻抗变化的微带传输线22与微带传输线2连接，第二高阻线21接地；并制有为上述两耦合电容片提供耦合区域的屏蔽板17位于第一介质基板4和第二介质基板5之间。第一介质基板4，B面上的第一耦合电容片14和第二介质基板5，C面上的第二耦合电容片20周围分别布局的接地孔11和19。当上模块3、屏蔽板17、下模块6三者合一时，通过第一接地孔11、第二接地孔19和屏蔽板17部分形成共地。 

在上模块3与下模块 6之间设置屏蔽电磁耦合区域的屏蔽板17，把屏蔽板17镂空圆弧过渡开口18的镂空部分作为两耦合电容片的耦合区域，并让出微带传输线2的路由位置；将分布在第一介质基板4，B面上的第一耦合电容片14和第二介质基板5，C面上的第二耦合电容片20分别螺旋环绕的第一高阻线15和第二高阻线21后，除第一耦合电容片14、第二高耦合电容片20分别对应无地区域13、24外，其余部分全部为地，使得信号更多地集中在耦合区域内；屏蔽板17的镂空部分镂空圆弧过渡开口18形成有0.15mm厚度的空气间隙，屏蔽板的实体部分17对电磁耦合区域起屏蔽作用。第一耦合电容片14和第一高阻线15分布在第一介质基板4的B面上，第一耦合电容片14与同轴线1的内芯7连接，第一高阻线15接地；第二耦合电容片20和第二高阻线21分布在第二介质基板5的C面上，第二耦合电容片20与带有阻抗变化的微带传输线22连接，带有阻抗变化的微带传输线22与微带传输线2连接，第二高阻线21接地。接地孔11、19需要金属化，第一介质基板4和第二介质基板5用焊锡分别焊到上模块3的第一金属腔体和下模块6的第二金属腔体，第一介质基板4,B面第一耦合电容片14与同轴线内芯7相焊接，上模块3、屏蔽板17、下模块6从上而下罗叠起来。 

参阅图4-图7。分布在第一介质基板4的B面上的第一耦合电容片14和第一高阻线15，第二介质基板5的C面上的第二耦合电容片20和第二高阻线21，第一高阻线15、第二高阻线21模拟电感的作用。为了使其第一耦合电容片14和第一高阻线15、第二耦合电容片20和第二高阻线21的体积缩小，第一高阻线15、第二高阻线21分别螺旋地环绕在第一耦合电容片14、第二耦合电容片20的外围，并且第一高阻线15、第二高阻线21接地。为了使信号更多地集中在耦合区域内，上模块3下端面的第一介质基板4的A面和下模块6上端面第二介质基板5的D面，除了第一耦合电容片14、第二耦合电容片20分别对应第一无地区域13、第四无地区域24的圆形位置，其余部分都为地。为了电磁屏蔽，第一耦合电容片14、第二耦合电容片20周围分别布满第一接地孔11和第二接地孔19，而第一耦合电容片14和第一高阻线15与地之间有一定的间隙，形成圆环第二无地区域16。而位于第二介质基板5上的第二耦合电容片20、第二高阻线21、带有阻抗变化的微带传输线22和微带传输线2与地之间同样形成有圆环图形的第三无地区域23。为了防止电磁泄漏，在下模块6的第二金属腔体中对应第二耦合电容片20的位置有个直径与第四无地区域24一样大，深度为0.8mm的下陷圆孔25。当上模块3、屏蔽板17、下模块6三者合一时，通过第一接地孔11、第二接地孔19和屏蔽板17部分形成共地。为了实现射频信号的理想合成与传输，垂直互连的两个端口需进行阻抗匹配，其中同轴线输入端口1的匹配通过调整介质空气孔9的高度和宽度，以及在第一介质基板4的B面上的第一耦合电容片14和第一高阻线15来实现；微带线输出端口2的阻抗匹配，通过在第二介质基板5的C面上的第二耦合电容片20和第二高阻线21，以及连接第二耦合电容片20带有阻抗变化的微带传输线22来完成。 

Claims (2)

1.一种同轴型非接触式3D-MCM的垂直互连方法，其特征在于包括如下步骤：在上模块（3）上制出一个台阶孔（8）作为同轴线（1）的输入口，同轴线（1）的内芯（7）垂直穿过空气介质孔（9）和第一介质基板（4）的过孔（12）与第一耦合电容片（14）相连接；在第一介质基板（4）B面上的第一耦合电容片（14）和第二介质基板（5）C面上的第二耦合电容片（20）分别对应无地区域（13、24），并在电容片周围布局接地孔；第一耦合电容片（14）和第二耦合电容片（20）通过电磁耦合，将信号传输到带有阻抗变化的微带传输线（22）上，经过阻抗变化后最后传输到微带传输线输出端口（2），实现同轴线到微带线的垂直过渡；然后在上模块（3）与下模块（6）之间设置屏蔽电磁耦合区域的屏蔽板（17），把屏蔽板（17）镂空圆弧过渡开口（18）的镂空部分作为两耦合电容片的耦合区域，并让出带有阻抗变化的微带传输线（22）和微带传输线输出端口（2）的路由位置；当上模块（3）、屏蔽板（17）和下模块（6）三者合一时，通过第一接地孔（11）、第二接地孔（19）和屏蔽板（17）部分形成共地，构成叠层型3D-MCM结构。

2.根据权利要求1所述的同轴型非接触式3D-MCM的垂直互连方法，其特征在于，整个模块的垂直过渡路线为：同轴线（1）输入端口→通过空气介质孔（9）的同轴线（1）的内芯（7）→第一耦合电容片（14）和第二耦合电容片（20）电磁耦合→带有阻抗变化的微带传输线（22）→微带传输线输出端口（2）。

3.根据权利要求1所述的同轴型非接触式3D-MCM的垂直互连方法，其特征在于，同轴线（1）输入端口的匹配通过调整空气介质孔（9）的高度和宽度，以及在第一介质基板（4）B面上的第一耦合电容片（14）和第一高阻线（15）来实现。

4.根据权利要求1所述的同轴型非接触式3D-MCM的垂直互连方法，其特征在于，微带传输线输出端口（2）的阻抗匹配，通过在第二介质基板（5）C面上的第二耦合电容片（20）和第二高阻线（21），以及连接第二耦合电容片（20）带有阻抗变化的微带传输线（22）来完成。

5.一种按权利要求1所述方法制作的同轴型非接触式3D-MCM垂直互连结构，包括上模块（3）、屏蔽板（17）和下模块（6），其特征在于，制有芯片预留位置（10）的上模块（3）包含制有台阶孔（8）和空气介质孔（9）的第一金属腔体，同轴线（1）、贴合在上模块（3）下端面上的第一介质基板（4），其中，同轴线（1）的内芯（7）穿过下端面第一介质基板（4）的过孔（12）与第一耦合电容片（14）相连接，第一介质基板（4）B面上的第一耦合电容片（14）布有接地的螺旋形第一高阻线（15）；下模块（6）包含一个对应第二耦合电容片（20）位置制有圆形孔（25）的第二金属腔体和贴合在下模块（6）上端面的第二介质基板（5），其中，布有第二高阻线（21）的第二耦合电容片（20）相连带有阻抗变化的微带传输线（22），带有阻抗变化的微带传输线（22）与微带传输线输出端口（2）连接；为上述两耦合电容片提供耦合区域的屏蔽板（17）位于第一介质基板（4）和第二介质基板（5）之间，同轴线（1）上的射频信号通过电容耦合的方式过渡至微带传输线输出端口（2）中，构成叠层型3D-MCM结构。