CN103945638A - 系统级封装中的多层复合媒质基板 - Google Patents

Abstract

系统级封装中的多层复合媒质基板，涉及一种多层复合媒质基板技术领域，其主旨在于提供一种成本低廉的小型化微波电路系统，并且具有良好散热性能与电磁兼容性能。其包括至少两块介质基板，介质基板上设置有覆铜层，两两介质基板通过半固化片粘合，半固化片两端与介质基板的粘合面中，仅有一面设置有覆铜层，通过该技术可实现层间互连、芯片装配与互连、接地与偏置电路连接、无源元件内埋置，最后构成一个基于SiP技术且具有良好散热性能与电磁兼容性能的小型化、低成本的微波电路系统。

Description

系统级封装中的多层复合媒质基板

技术领域

本发明涉及一种多层复合媒质基板(Multilayer Composite Medium Substrates,简称MLCMS)技术，该多层复合媒质基板技术采用将不同材料的介质基板进行多层叠压，可创新性地应用于基于系统级封装(System In  Package ，SiP)技术的小型化高频微波系统中。

背景技术

电路基板是SiP产品极为重要的组成部分，它不仅为元器件提供机械支撑和电互连，还可以埋置无源元件，从而提高系统集成度。目前，在SiP产品中应用比较广泛的基板材料主要是LTCC型和树脂型，这两种材料基板都具有较高的布线层数和密度，适合各类元器件的高密度集成。但是树脂型基板材料形成的多层板机械强度比较差；LTCC技术加工成本高、制作周期长，这些缺陷都无法满足SiP产品的发展要求。因此开发适用于SiP技术的低成本基板材料是实现基于SiP技术的各频段电路系统低成本化的关键，结合国内加工工艺，创新性的研究和开发适用于SiP技术的低成本多层复合媒质基板技术，保证利用该技术实现的复合媒质基板有良好的叠压牢固性和电路可实现性，对实现小型化高频微波系统有非常重要的意义。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种由不同材料的介质基板进行多层叠压的多层复合媒质基板(MLCMS)技术，通过该技术可实现层间互连、芯片装配与互连、接地与偏置电路连接、无源元件内埋置，最后构成一个基于SiP技术且具有良好散热性能与电磁兼容性能的小型化、低成本的微波电路系统。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

    系统级封装中的多层复合媒质基板，其特征在于：包括至少2块介质基板，介质基板上设置有覆铜层，两两介质基板通过半固化片粘合，半固化片两端与介质基板的粘合面中，仅有一面设置有覆铜层。

介质基板：包括介质基板一、介质基板二、介质基板三和介质基板四；

覆铜层：用于实现不同的微带结构，包括覆铜层一、覆铜层二、覆铜层三、覆铜层四和覆铜层五；

半固化片：包括半固化片一、半固化片二和半固化片三；

金属通孔：包括散热金属通孔，信号传输金属通孔；

所述覆铜层一、介质基板一、半固化片一、覆铜层二、介质基板二、半固化片二、覆铜层三、介质基板三、覆铜层四、半固化片三、介质基板四和覆铜层五从上至下依次设置；

所述散热金属通孔贯穿介质基板、覆铜层和半固化片后外接金属腔体；所述信号传输金属通孔连接覆铜层一、覆铜层二、覆铜层三、覆铜层四和覆铜层五。

四层普通介质基板之间采用半固化片粘合。选用的半固化片的介电常数需要和介质基板材料的接近，这是为了保证该四层复合媒质基板具有良好的传输特性，因此本发明半固化片材料采用fastrise27，基板材料采用clte-xt。常规制造工艺的PCB基板是正反面都覆铜的成品板材，由于半固化片的厚度会引起所粘合的两层基板之间产生电磁干扰问题,四层基板的厚度不一致，也是基于电磁兼容的考虑，因此应该保证半固化片的正反面不能同时存在覆铜层，所以该四层复合媒质基板只在介质基板一的正面、介质基板二的正面、介质基板三的正面和反面和介质基板四的反面覆铜，总共五层覆铜层。

在该四层复合媒质基板间构造从顶层到底层的金属化通孔，金属化通孔主要分为两类，模型中最外面的两个散热金属通孔3与金属托板直接连接，可以将热量通过金属化通孔直接从金属托板或者外部腔体直接散发出去，保证了系统有良好的散热功能。里面的两个信号传输金属通孔4，贯穿于整个四层复合媒质基板，实现层间信号的互连。

值得注意的是：普通的多层PCB板的应用不能达到微波及微波以上的频段，而微波及微波以上频段的基板材料例如本发明所选用的clte-xt和fastrise27都只具备单层板的应用，按照现有的工艺不能实现单独某种基板材料的多层叠压。

而本发明创新的将2种材料加一起，意想不到的实现了将微波频段的单层基板材料进行多层叠压，实现基于SiP技术微波电路的多层设计。

附图说明

图1为本发明的结构图；

图2为三模滤波器内埋置模型；

图3为内埋置三模滤波器仿真结果；

图4利用三层复合媒质基板技术设计出的X波段的接收模块；

图5三层复合媒质基板第一层结构；

图6三层复合媒质基板第二层结构；

图7三层复合媒质基板第三层结构；

图8利用普通平面电路技术设计出的X波段的接收模块；

图9顶层信号到中间层信号的层间互连；

图10顶层信号到底层信号的层间互连；

图11 层间互联的传输性能仿真结果；

图12 四层复合媒质基板散热结构；

图13放大器裸片工作的时候的温度范围；

图14 连接外部金属腔体后放大器芯片工作时候的温度范围；

图中1-介质基板、2-半固化片、3-散热金属通孔、4-信号传输金属通孔、5-覆铜层、6-金属腔体、7-GaAs材料，代表各类微波电路芯片，8-可伐材料，9-钼铜。

具体实施方式

本专利创新性地提出一种由不同材料的介质基板进行多层叠压的多层复合媒质基板(MLCMS)技术，实现层间互连、芯片装配与互连、接地与偏置电路连接、无源元件内埋置，最后构成一个基于SiP技术且具有良好散热性能与电磁兼容性能的小型化、低成本的微波电路系统。

一个功率放大器的热仿真实例可以很好的说明复合媒质基板通过内部结构的改变来达到有效的散热目的，放大器裸片工作的时候的温度变化范围为70-172.6摄氏度，芯片温度为170摄氏度左右，在芯片对应位置的复合媒质基板下开出金属化过孔，利用可伐材料连接钼铜，将芯片的大部分热量通过钼铜连接的外部金属腔体散发出去 ，从而使整体温度变化范围为47-63摄氏度，芯片温度为61摄氏度左右，芯片能够正常有效的工作，如图13和图14所示。

    微带线是在金属化厚度为h的介质基片的一面制作宽度为W，厚度为t的导体带，另一面做接地金属平板而构成。介质基片的相对介电常数用                                                表示。微带线中传输的场为一种混合的TE-TM波场，其纵向场分量是由介质-空气分界面处的边缘场引起的，它们与导体带和接地板之间的横向场分量相比很小，所以微带线中传输模特性与TEM模相差很小，称之为准TEM模。由于微带线的场有一部分分布在基片上面的空气区域内，为了能够精确的分析微带线的传输特性，引入有效介电常数的均匀介质来代替微带线的混合介质。那么特性阻抗和传输常数可以表示为：

，

其中为介质基片换成空气微带线单位长度电容，为微带线单位长度电容。表示为空气微带线的特性阻抗。相速，波导波长。

    假定已形成的线路导体的厚度t与基片的厚度h相比可以忽略()，在这种情况下，我们可以利用只与线路尺寸(W和h)和介电常数有关的经验公式来精确的表示微带线的特性阻抗和有效介电常数。以的比值与1的大小关系可以划分为两个表达部分：

    对于多层复合媒质基板来说，介质基片材料由相对介电常数和厚度均不同的两种不同介质组成，那么就需要将这两种或多种不同的相对介电常数等效为一种介电常数，等效介电常数用表示，然后利用上面推导的近似公式来表示复合媒质基板上微带的传输特性。利用计算电磁学中的时域有限差分法(FDTD)能够快速的推导出多层多导体系统中的等效介电常数：

    对于多层系统来说，可以用不同介质基片的厚度来代替，计算出多层复合媒质基板的等效介电常数，从而得到多层复合媒质基板的特性阻抗和有效介电常数。

以一个运用多层复合媒质基板技术的四层基板为例来详细阐述本发明的技术方案：

    该四层复合媒质基板结构由图1所示，由四层材料为clte-xt的介质基板1叠压构成，板之间采用材料为fastrise的半固化片2粘合，半固化片总共有三层。选用的半固化片的介电常数和介质基板材料的相接近，这是为了保证该四层复合媒质基板具有良好的传输特性。常规制造工艺的介质基板是正反面都覆铜的成品板材，由于半固化片的厚度会引起所粘合的两层基板之间产生电磁干扰问题，四层基板的厚度不一致，也是基于电磁兼容的考虑，在后面讲电磁兼容的方面会专门提到，因此应该保证半固化片的正反面不能同时存在覆铜层，所以该四层复合媒质基板只在第一层的正面，第二层的正面，第三层的正面和反面，第四层的反面覆铜，总共五层覆铜层。

    在该四层复合媒质基板间构造从顶层到底层的金属化通孔，金属化通孔主要分为两类，模型中最外面的两个金属化通孔3与金属托板直接连接，可以将热量通过金属化通孔直接从金属托板或者外部墙体直接散发出去，保证了系统有良好的散热功能。里面的两个金属化通孔4，贯穿于整个四层复合媒质基板，实现层间信号的互连。

无源器件内埋置

下面以一个中心频点10GHz的三模滤波器为例来说明多层复合媒质基板技术中无源器件内埋置的优越性。中间层三模滤波器仿真模型如图2所示，在滤波器周围带上两排对称的金属化过孔是为了更好的约束微波信号在微带线中传输，相应的仿真结果如图3所示，由仿真模型可以看出，无源器件的内埋置使电路基板顶层有了充分的空间可以实现电路设计，与传统的无源器件放在二维平面设计有了明显的小型化优势并可以达到一样良好的性能。滤波器、功分器、混频器、开关等多种无源器件均可以在该多层复合媒质基板中通过内埋置实现小型化并达到良好的性能。

小型化

    传统的电路设计中，面积占据最大、数量最多的是无源元件的体积和元器件之间连接电路所占用的面积，而过多的焊接除了降低系统的可靠度，也增加了产品加工成本，因此传统的二维平面的电路设计体积过大已经无法满足电子产品小型化的趋势。

鉴于以上传统的平面电路设计的瓶颈和LTCC型基板材料的加工成本过高等缺点，本发明提出的多层复合媒质基板的每一层都可以充当微波电路系统的信号输入输出，接地，偏置电路，控制电路，无源元件的埋置等任何作用，元器件之间连接电路，中层控制电路与顶层元器件的连接，可以通过金属化通孔实现，并且复合媒质基板技术可以将每一层都有效的利用起来，对比单层微波基板材料实现的电路系统，多层复合媒质基板将会成倍的减小系统的电路尺寸，使微波电路系统实现小型化。

下面以一个X波段的接收模块来详细的对比采用多层复核媒质基板技术与采用普通平面电路技术的区别：

图4为利用三层复合媒质基板技术设计出的X波段的接收模块，输入信号经由第一个开关，到第一级低噪声放大器，在经过一个数字衰减器到达第第二级低噪声放大器，最后经由第二个开关传输到后续信号处理模块。该三层复合媒质基板的第一层用于各个芯片的放置，输入信号的微带走线以及接地，第二层和第三层则用于有源芯片的直流供电走线，开关的直流控制走线以及数字衰减器的直流控制走线，如图5、图6和图7所示。利用三层复合媒质基板技术设计出的X波段接收模块的整体尺寸为16.5mm×35mm。

图8为利用普通平面电路技术技术设计出的X波段的接收模块，输入信号同样经由第一个开关，到第一级低噪声放大器，在经过一个数字衰减器到达第第二级低噪声放大器，最后经由第二个开关传输到后续信号处理模块。由于所有的芯片放置，接地模块，输入信号的微带走线，有源芯片的直流供电走线，开关的直流控制走线以及数字衰减器的直流控制走线都在同一层，使得该X波段的接收模块的尺寸为35mm×75mm。

由以上的例子可以看出，三层复核媒质基板技术所设计出的X波段的接收模块比普通平面电路技术设计出的X波段的接收模块面积节约了4倍以上。如果是利用大于三层的复合媒质基板技术来设计该模块，还会节约更多的面积尺寸。

层间互连+传输性能

    层间信号的互联采用金属化通孔的方式实现多层板间信号传输。金属化通孔结构较简单，可以和基板上的用于接地功能的金属化通孔一次加工，节省了大量时间与成本，考虑到国内的加工工艺，并对金属化通孔在电路互连中的不连续性分析，使得多层板间信号的传输（过渡）达到良好的性能。顶层信号到中间层信号的层间互连图如图9所示，顶层信号到底层信号的层间互连图如图10所示。

    对信号的传输性能仿真显示，在选用的基板材料和半固化片介电常数接近的情况下，多层复合媒质基板层间信号互联回波损耗优于-40dB，插损小于0.1dB，如图11所示。

散热性能

散热性能主要是通过在复合媒基板打上金属化通孔与外部腔体连接，利用腔体大面积的金属与空气的接触来达到一个良好的散热性能，示意图如图12所示，绿色的表示GaAs材料做成的各类微波电路芯片，下面通过可伐材料(蓝色)连接材料为钼铜的金属化通孔（深黄色），金属化通孔的目的在上文已经提到。

Claims (4)

1.系统级封装中的多层复合媒质基板，其特征在于：包括至少2块介质基板，介质基板上设置有覆铜层，两两介质基板通过半固化片粘合，半固化片两端与介质基板的粘合面中，仅有一面设置有覆铜层。

2.根据权利要求1所述的系统级封装中的多层复合媒质基板，其特征在于：

介质基板：包括介质基板一、介质基板二、介质基板三和介质基板四；

覆铜层：包括覆铜层一、覆铜层二、覆铜层三、覆铜层四和覆铜层五；

半固化片：包括半固化片一、半固化片二和半固化片三；

金属通孔：包括散热金属通孔，信号传输金属通孔；

所述覆铜层一、介质基板一、半固化片一、覆铜层二、介质基板二、半固化片二、覆铜层三、介质基板三、覆铜层四、半固化片三、介质基板四和覆铜层五从上至下依次设置；

所述散热金属通孔贯穿介质基板、覆铜层和半固化片后外接金属腔体；所述信号传输金属通孔连接覆铜层一、覆铜层二、覆铜层三、覆铜层四和覆铜层五。

3.根据权利要求1-2任一所述的系统级封装中的多层复合媒质基板，其特征在于：半固化片的介电常数与介质基板接近。

4.根据权利要求1-2任一所述的系统级封装中的多层复合媒质基板，其特征在于：半固化片材料采用fastrise27，基板材料采用clte-xt。