CN104051352A - 基于高温共烧陶瓷的毫米波芯片外壳及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明是基于高温共烧陶瓷的毫米波芯片外壳及其制造方法。在高温共烧陶瓷形成的瓷件基础上，利用商品化的钼铜作为钎焊底座与垫片。形成一种表贴类外壳。本发明的有益效果：利用共面波导与类同轴的信号传输结构，能够实现毫米波下良好的微波性能。按照本发明所述工艺路线和方法制作的外壳，其散热能力、气密性和长期可靠性也能够满足Ka波段器件的封装需求。

Description

基于高温共烧陶瓷的毫米波芯片外壳及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种毫米波芯片外壳及其制造方法，尤其涉及一种基于高温共烧陶瓷的毫米波芯片外壳及其制造方法。 

背景技术

目前，低温共烧陶瓷(LTCC，Low-temperature co-fired ceramic)是近年来兴起的一种面向电子组装和封装的材料技术，以其优异的电子、机械、热机械特性已成为未来电子元件集成化、模组化的首选方式之一，广泛用于低频至毫米波频段的微电子电路或者模块的封装基板制造。LTCC由休斯公司于1982年开发，相应的封装基板加工方法是：将LTCC(陶瓷粉与玻璃相材料制成的混合材料)通过流延工艺制成厚度精确而且致密的生瓷带，在各层生瓷带上利用激光打孔、微孔注浆、精密导体浆料印刷等工艺制出所需要的水平和垂直电互连图形，并将多个无源组件(如低容值电容、电阻、滤波器、阻抗转换器、耦合器等)埋入各层陶瓷基板中，然后层压在一起，内外电互连引线可分别使用银、铜、金等高电导率金属，在800~900℃下烧结，制成内置无源元件的、具备高密度三维电互连网络的封装基板。LTCC基板表面可以贴装IC或分立有源器件，制成无源/有源元器件高密度集成的功能模块，特别适合用于小型化的电子设备的制造。 

而高温共烧陶瓷(HTCC，High-temperature co-fired ceramic)技术是一种采用将钨等高熔点金属化浆料印刷于92-96％的氧化铝流延生瓷带上，然后经过叠片，层压后，在1500-1600℃的高温下共烧为一体的工艺技术。高温共烧陶瓷与低温共烧陶瓷相比具有机械强度高，化学性质稳定，散热系数高和材料成本低等优点。 

高频和大功率正在成为封装外壳的重点发展方向，而以往的毫米波段芯片外壳多采用基于低温共烧陶瓷工艺，其缺点在于成本过高，高温可靠性以及气密性都难以满足恶劣条件的要求。因此在航空航天等高可靠领域，需要可靠性等级更高的HTCC技术制作毫米波芯片外壳。但是由于HTCC领域的材料特性比LTCC材料特性稍差，氧化铝陶瓷材料与LTCC陶瓷相比，介电常数与介质损耗都相对较高，而且目前国内的HTCC加工精度也不如LTCC的加工精度高。这些都限制了HTCC在毫米波芯片外壳中的应用。 

本发明正是针对这些方面，以HTCC为基础，设计了特殊的传输结构，并采用特制低损耗氧化铝陶瓷为原料，严格控制加工精度，最终获得满足高可靠要求的毫米波芯片外壳。 

发明内容

有鉴于此，针对现有技术中上述或其他不足，本发明提出了一种毫米波芯片外壳及其制造方法，其能够实现毫米波芯片封装在Ka波段内较低的插入损耗与电压驻波比。 

本发明提供一种基于高温共烧陶瓷的毫米波芯片外壳，其包括：陶瓷腔，由多层陶瓷形成一体，用于放置所述毫米波芯片；陶瓷布线区，其为印在上层陶瓷上的金属导线形成，该金属导线延伸至空腔的边缘，通过键合线与空腔内部的所述芯片电连接；可伐引线，其在所述外壳每条边位于中间的引线为射频信号连接端；金属热沉，由垫片和底座形成；其中，所述金属热沉和所述可伐引线都通过金属焊料焊接到陶瓷腔的底面；所述陶瓷布线区通过金属化通孔分别与陶瓷腔区、背面引线上下形成电气连接。 

优选地，通过垂直方向上打孔与平面方向上印刷金属化线条相结合实现电信号的导通，在射频信号两旁采用密集的金属化通孔工艺，实现射频信号与其它信号的隔离，射频通路采用共面波导与类同轴相连接的方式，控制线宽，线间距以及通孔直径使得其特征阻抗为50欧姆。 

优选地，所述底座和垫片的材料采用钼铜合金。 

优选地，陶瓷内腔的尺寸为6.25mm*4.30mm*0.50mm,垫片的尺寸为6.05mm*4.10mm*0.35mm,底座的尺寸为7.13mm*5.18mm*0.15mm。 

优选地，正面射频信号的线宽与线间距分别为0.4mm和0.12mm,其背面射频信号的线宽与线间距分别为0.25mm和0.38mm，信号通路的金属化通孔孔径为0.2mm，而接地金属化通孔孔径为0.15mm。 

优选地，采用低损耗氧化铝陶瓷为原料制作流延生瓷带制备的陶瓷框，其介电常数为9.2。 

优选地，还包括盖板，采用陶瓷盖板封接形式，避免了因采用金属盖板而引入的特征阻抗的变化，从而保证高频下微波性能的稳定，另外，在陶瓷腔上层瓷带上印刷有阻焊层，以防止封帽过程中焊料向内流淌。 

优选地，连接金属引脚和封装内部导线的过孔是位于陶瓷内部实心过孔，各个金属引脚之间的陶瓷腔体上制作金属化半切挂孔，获得良好的隔离。 

本发明还提供了一种基于高温共烧陶瓷的毫米波芯片外壳的制造方法，其特征是该方法包括如下工艺步骤： 

(1)采用低损耗陶瓷为原料制作流延生瓷带，按照HTCC多层陶瓷工艺制做内部有毫米波射频通路的氧化铝陶瓷框； 

(2)将可伐引线、钼铜底座与垫片和陶瓷框通过Ag-Cu焊料在810℃～830℃的条件下钎焊组装为毫米波外壳的半成品。钎焊顺序为先焊接底座与背面引线，然后再焊接垫片； 

(3)将上述毫米波外壳的半成品，进行常规的镀镍镀金。形成封装Ka波段芯片的毫米波外壳。 

本发明的有益效果：本发明利用共面波导与类同轴相结合的传输模型，通过控制线宽与线间距，以及通孔直径达到最小的插入损耗与驻波比，并实现50欧姆阻抗匹配。在射频通道周围采用密集的金属化通孔进行接地，以实现射频信号与其他信号的良好隔离。另外，通过控制腔体的尺寸，使其主模的谐振频率高于芯片的工作频率，从而避免腔体谐振。本发明采用低损耗陶瓷材料以及HTCC工艺为基础，利用SMT技术的多引线封装外壳，可广泛应用于多I/O引脚的芯片的封装。 

附图说明

图1为本发明毫米波芯片外壳的正面示意图； 

图2为本发明毫米波芯片外壳的背面示意图； 

图3是本发明毫米波芯片外壳的射频通路的垂直剖面图； 

图4为本发明毫米波芯片外壳的三维立体图； 

图5是高温共烧陶瓷工艺的生产流程图； 

图6本发明毫米波芯片外壳陶瓷框两层瓷带之间的印刷图。 

图7为本发明毫米波芯片外壳的S参数仿真结果图。 

具体实施方式

首先参照图1与图2的产品的结构与外形图，采用机加工法制备外形尺寸为6.05mm*4.10mm*0.35mm的钼铜垫片，7.13mm*5.18mm*0.15mm的钼铜底座以及如1图所示的可伐引线。对上述金属零件进行常规的清洗，镀镍后待用。 

其次，按照如图5所示的HTCC工艺，采用特制低损耗陶瓷材料制作的流延生瓷带制作尺寸为10.21mm*8.25mm*0.5mm，内部布线满足要求的氧化铝陶瓷，并对其镀镍后待用。 

然后按照图1、2所示，将镀镍后的可伐引线与钼铜底座一并通过Ag-Cu焊料在800℃左右高温下焊接在陶瓷件的背面，再将钼铜垫片在同样的条件下焊接在正面的内腔中。 

将上述钎焊半成品经过常规的电镀镍金工艺制作形成毫米波表贴型外壳。经过测 试与筛选，可以用于Ka波段芯片的封装。 

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。 

图1为本发明毫米波芯片外壳的正面示意图。如图所示，本发明提供了一种基于高温共烧陶瓷的毫米波芯片外壳，其包括盖板(图未示)和封装外壳。 

陶瓷腔由多层陶瓷构成，例如，本发明采用两层特制的低损耗氧化铝陶瓷带，其介电常数约为9.2。其可以由高温共烧陶瓷工艺制成。在制作过程中，将低损耗陶瓷原料采用流延工艺制作成生瓷带作为衬底，将金属导线印制在每一层衬底上，并打好过孔，填充上胶泥态的金属材料。然后把下层陶瓷和上层陶瓷并在一起经过层压工艺压紧成为一体，放入炉中烧制。这两层陶瓷将成为一体的陶瓷件。金属热沉和金属引线用金属焊料分别焊接到陶瓷腔底面的地平面和焊盘上。 

这两层陶瓷中心的空腔一样大。印在上层陶瓷上的金属导线完全暴露。这些金属导线一直延伸到空腔的边缘，将通过键合线与空腔内部的器件相连接。 

其中，封装外壳包括陶瓷件1、陶瓷布线区、可伐引线2、垫片4和底座7形成的金属热沉，其中陶瓷布线区通过特定的金属化通孔分别与陶瓷腔区、背面引线上下形成电气连接。其中，背面热沉底座7与腔内垫片4均采用导热性能良好的钼铜材料。 

如图1所示，引线有16个引脚，每条边位于中间的引脚为射频信号连接端，其中，正面射频信号连接端的线宽与线间距分别为0.4mm和0.12mm。 

射频信号连接端连接射频信号。地线包围着射频信号连接端，形成共面波导传输线。实心过孔将上层地线连接至陶瓷腔底面的地平面。这种设置有助于在信号存在不连续性时将辐射降到最小。射频信号连接端通过中心的过孔连接到引脚上。引脚连接印制电路板上的相应信号输出区域，以达到最优射频性能。 

侧面金属化的半切过孔是用来辅助屏蔽射频和直流信号的。半切过孔穿过整个陶瓷腔。金属化过孔将陶瓷上下层金属地连接起来。半切过孔是将金属化的空心过孔切去一半制成的。这些半切过孔使封装焊接到印制电路板后目测焊点状况变得容易，有利于检查焊接质量。 

金属热沉和金属引脚都通过金属焊料焊接到陶瓷腔的底面。陶瓷腔底面印有焊盘来连接这些引脚。为了降低寄生电感电容，射频引脚应越短越好，射频端的焊盘也应该比较小。 

氧化铝陶瓷阻焊层3印在陶瓷件1上部。在安装芯片后，用低熔点的焊料把封装外壳和盖板焊接在一起。从而使整个外壳形成完全密闭的腔体结构，以保护芯片和内部电 路免受环境的冲击和侵蚀。阻焊层的作用在于防止焊接盖板时焊料向腔体方向流动，避免信号线短路。此处使用的焊料的熔点比金属热沉和陶瓷腔之间使用的焊料的熔点低，这样当盖板通过回熔焊接到封装壳时，金属热沉和引线与陶瓷体的连接点不会受影响。 

采用陶瓷盖板封接形式，避免了因采用金属盖板而引入的特征阻抗的变化，从而保证高频下微波性能的稳定。 

在最佳实施例中，热沉采用导热性好的金属制成。在其他实施例中，热沉也可以采用表面进行过金属化处理的具有良好导热性能的非金属基板或者具有金属化过孔的陶瓷基板。 

图2所示为本发明毫米波芯片外壳的背面示意图。底座7和金属引脚6都焊接在陶瓷件的底面。焊盘焊接着引脚。每边的中心引脚接射频信号，其他引脚接直流信号。引脚的设计保证了在很宽频率范围内都能具有最优阻抗匹配，焊盘的尺寸设计对于达到良好射频性能至关重要。其背面射频信号的线宽与线间距分别为0.25mm和0.38mm。信号通路的金属化通孔孔径为0.2mm，而接地金属化通孔孔径为0.15mm。 

在最佳实施例中，底座7和金属引脚厚度相同，这样金属基底和金属引脚处于同一水平面上，从而保证这个封装是真正的表面贴装形式。 

图3为本发明毫米波芯片外壳的射频通路的垂直剖面图。射频信号由背面引线11经过金属化通孔和正面金属化线条9，最后通过金丝键合到达芯片的pad(图中未画金丝键合线与芯片)。另外图中8为氧化铝陶瓷，10为钼铜垫片，12为钼铜底座。 

图4所示为本发明毫米波外壳的三维立体图。从图中可以观察本毫米波外壳通过垂直方向上打孔与平面方向上印刷金属化线条实现电信号的导通。在射频信号两旁采用密集的金属化通孔工艺，实现射频信号与其它信号的良好隔离。射频通路采用共面波导与类同轴相连接的方式，并通过控制线宽，线间距以及通孔直径使得其特征阻抗约为50欧，并在毫米波段具有较低的插入损耗与驻波比。陶瓷内腔的尺寸为6.25mm*4.30mm*0.50mm。 

陶瓷中间有一个空腔。金属导线—直延伸到空腔边缘，可以和空腔中的器件相连。金属导线还连接到边缘过孔周围的焊盘上。射频线夹在两根地线中间。这种按照共面波导(CPW)设置的射频线能够使封装内到封装外的过渡达到最优，并使辐射达到最小。射频线由多截不同宽度的导线构成，这种阶梯化设计可以拓宽封装的工作带宽，整个设计可以保证封装在上至40G的宽频带内有良好的频率响应、很低的插入损耗和良好的阻抗匹配。如果经过适当优化，频率上限还可以进一步提升。 

陶瓷腔由两层陶瓷构成。表层陶瓷上的金属导线完全露出来，实心过孔穿过第一层和第二层陶瓷把表层金属化图形连接到陶瓷腔底部的地平面上。这些过孔使表层金属化图形和地短路，从而抑制了高频谐振。过孔的间距由工作频带的上限频率决定，上限频率越高，过孔间距越小。围绕射频线的过孔对于达到宽带性能至关重要。 

封装的盖板，它可以由陶瓷或者其它材料做成。在陶瓷的底部有一个金属密封圈，这个密封圈的形状与陶瓷件第二层陶瓷顶部的密封区域相匹配。使用适当的密封材料将两个密封圈连在一起，盖板就和陶瓷腔共同保护它们所形成的空腔中放置的有源器件。如果需要实现全密封，要用低温焊料密封。若不需要全密封，可以用其他树脂密封材料密封。 

封装内的引脚和导线的连接也可以采用其他方式。信号线端头的实心过孔可以通过边缘的半切过孔取代。这些半切过孔可以实现良好的电连接。这些射频过孔和引脚的尺寸与位置对于达到良好的射频性能至关重要。 

不带引脚的封装的实施例。在这种实施例中，只有金属基底焊在陶瓷腔的底部。外壳内部的导线可以通过金属化的半切过孔连到底部焊盘上。但在这种实施例中封装上没有引脚，将焊盘直接连接印制电路板。通过优化射频布线结构达到最佳射频性能。由于没有引脚，这种实施例的射频性能更优。但是焊盘表面和金属基底的底部不在同一个平面上，因此必须在印制电路板上挖孔来承纳金属基底，或者去除陶瓷底面的金属基底，采用共烧金属化图形来实现接地。 

图5是典型的高温共烧陶瓷工艺的生产流程。具体工艺过程如下：通过流延机将混合好的浆料流延为生瓷带；在生瓷带上进行打孔，打孔分为激光打孔与机械打孔，激光打孔因其较高的精度有着更加广泛的应用；将激光打孔过的瓷带利用丝网印刷工艺进行填孔与印刷；将印刷过的生瓷带进行叠片，并在温度与压力的作用下层压为一体；用生切机将层压为一体的几张瓷带切割为若干个单个产品；最后在烧结炉内将切好的单个产品烧为熟瓷。 

图6所示为本发明毫米波芯片外壳第一张瓷带上表面的印刷图。从图中可以看出，外壳每条边的射频信号周围存在密集的金属化通孔，这些金属化通孔一方面构成类同轴的高频信号传输路径，另一方面，接地孔对信号间的串扰也起到了一定的屏闭作用。另外，腔体外侧的侧面金属化挂孔也起到接地作用。信号传输通孔设置在表层金属化线条的端头，上下两层直通连接。射频信号线周围接地通孔设置的结构为围绕射频信号传输通孔周围两圈，成类似圆周分布。直流信号线周围接地通孔只在直流信号线之间设置一 个。陶瓷腔体外侧的侧面金属化挂孔设置为信号线之间的位置，如此设置可以更好的实现接地以及信号线之间的屏蔽，达到毫米波频段的传输要求。 

图7所示为本发明毫米波芯片外壳的S参数仿真结果。其中横坐标为频率，范围从25G至40G，纵坐标为dBw值。图中的两条曲线分别为回波损耗(S11)与插入损耗(S21),经过电磁场仿真软件的分析，证明本发明的毫米波芯片外壳对Ka波段信号有较低的插入损耗与电压驻波比。 

Claims (9)

1.一种基于高温共烧陶瓷的毫米波芯片外壳，其包括：

陶瓷腔，由多层陶瓷形成一体，用于放置所述毫米波芯片；

陶瓷布线区，其为印在上层与底层陶瓷上的金属导线形成，该金属导线延伸至空腔的边缘，通过键合线与空腔内部的所述芯片电连接；

可伐引线，其在所述外壳每条边位于中间的引线为射频信号连接端；

金属热沉，由垫片和底座形成；

其中，所述金属底座和所述可伐引线都通过金属焊料焊接到陶瓷腔的底面，再将所述金属垫片通过金属焊料焊接在正面腔体内部；

所述陶瓷布线区通过金属化通孔分别与陶瓷腔区、背面引线上下形成电气连接。

2.如权利要求1所述的毫米波芯片外壳，其中，通过垂直方向上打孔与平面方

向上印刷金属化线条相结合实现电信号的导通，在射频信号两旁采用密集的金属化通孔工艺，实现射频信号与其它信号的隔离，射频通路采用共面波导与类同轴相连接的方式，控制线宽，线间距以及通孔直径使得其特征阻抗为50欧姆。

3.如权利要求1所述的毫米波芯片外壳，其中，所述底座和垫片的材料采用钼铜合金。

4.如权利要求1所述的毫米波芯片外壳，其中，陶瓷内腔的尺寸为6.25mm*4.30mm*0.50mm,垫片的尺寸为6.05mm*4.10mm*0.35mm,底座的尺寸为7.13mm*5.18mm*0.15mm。

5.如权利要求1所述的毫米波芯片外壳，其中，正面射频信号的线宽与线间距分别为0.4mm和0.12mm,其背面射频信号的线宽与线间距分别为0.25mm和0.38mm，信号通路的金属化通孔孔径为0.2mm，而接地金属化通孔孔径为0.15mm。

6.如权利要求1所述的毫米波芯片外壳，其中,采用低损耗氧化铝陶瓷为原料制作流延生瓷带制备的陶瓷框，其介电常数为9.2。

7.如权利要求1所述的毫米波芯片外壳，其中，还包括盖板，所述盖板采用陶瓷盖板封接，且在陶瓷腔上层瓷带上印刷有阻焊层。

8.根据权利要求1所述毫米波芯片外壳，其中，连接金属引脚和封装内部导线的过孔是位于陶瓷内部实心过孔，各个金属引脚之间的陶瓷腔体上制作金属化半切挂孔。

9.一种基于高温共烧陶瓷的毫米波芯片外壳的制造方法，其特征是该方法包括如下工艺步骤：

(1)采用低损耗陶瓷为原料制作流延生瓷带，按照高温共烧陶瓷多层陶瓷工艺制做内部有毫米波射频通路的氧化铝陶瓷框；

(2)将可伐引线、钼铜底座与垫片和陶瓷框通过Ag-Cu焊料在810℃～830℃的条件下钎焊组装为毫米波外壳的半成品，钎焊顺序为先焊接底座与背面引线，然后再焊接垫片；

(3)将上述毫米波外壳的半成品，进行常规的镀镍镀金，形成封装Ka波段芯片的毫米波外壳。