CN107978593B - 一种集成可调谐天线阵与射频模块的封装结构以及封装方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种集成可调谐天线阵与射频模块的封装结构及方法，所述封装结构包括用于设置天线阵贴片的刚柔结合板和用于封装射频芯片的射频模块封装体，刚柔结合板与射频模块封装体之间上下相对设置并通过分布在边角的四个相配的螺栓螺母进行紧固，所述刚柔结合板与射频模块封装体的一侧通过第二柔性基板固定连接。本发明制备的集成天线阵与射频模块的封装结构，不仅实现了两者的集成，而且还能够实现天线阵的调谐，具有集成度高、电磁屏蔽效果好、天线增益以及辐射效率高、辐射功率小、损耗低的特点，能够满足不同应用场合的需求。
Description
技术领域
本发明涉及半导体封装技术领域，特别是一种射频模块的封装结构及方法。
背景技术
5G网络由于其大带宽、低时延、高速率的特点在物联网、车联网、工业自动化和AR/VR等领域存在着广泛的应用前景。为了提高传输速率，5G网络将在微基站和移动终端采用毫米波和MIMO技术，但是现有的用于移动终端和基站的天线阵与射频模块往往是分开集成的，并通过较长的互连线互连，这种方式存在以下缺陷：首先，天线的工作频率逐渐增高，对传输线上的不连续性非常敏感，容易造成阻抗失配；其次，移动终端和微基站对天线多极化，多工作频带，高匹配带宽等性能方面提出更高的要求；再之，移动终端和微基站对射频模块的集成度、生产效率、生产成本方面有更高的需求。由此看来，该集成方式已经不再适用于5G网络的应用，那么在移动终端和微基站将天线阵列与射频模块集成便成为必然。同时，物联网、车联网等的迅猛发展将对可调谐的射频模块的需求逐渐增加，因此，设计一种集成可调谐天线阵与射频模块的封装结构有着重要的价值和意义。
现有天线与射频模块集成的方案有以下几种，但都存在一定的缺陷。
第一种集成方式是直接将贴片天线集成在PCB上，这种集成方式加工流程简单、成本低；但是由于天线基底的厚度和材料受限于PCB基板的厚度和材料，因此天线难以实现宽频带、高效率的要求；其次，为了避免天线与射频芯片之间有严重的电磁干扰，天线与射频芯片之间需要有较大的距离，由此增加了集成面积，因此如果以这种方式集成天线阵列，天线阵列本身将占用较大PCB的面积，造成集成块体积庞大。
第二种集成方式是将贴片天线集成在在集成无源器件的底部，并通过倒装焊的方式装配到PCB上，将PCB中的地平面作为天线的反射平面，这种方式可以大大节省额外集成天线占用的面积和成本，但是天线基底的厚度受限于集成无源器件焊球的高度，而且焊球的塌陷程度难以控制，影响天线的制造精度；并且在毫米波段应用中，高频信号在经过焊球时由于阻抗失配容易引起反射，从而降低了天线的辐射效率。如为了降低天线与射频芯片之间的电磁干扰，在需要集成有天线的集成无源器件与射频芯片之间保持一定的距离，这样又降低了集成度。
第三种集成方式如文献Kam D G, Liu D, Natarajan A, et al. OrganicPackages With Embedded Phased-Array Antennas for 60-GHz Wireless Chipsets[J].IEEE Transactions on Components Packaging & Manufacturing Technology, 2011, 1(11):1806-1814，是将天线阵列与射频芯片通过三维堆叠的方式集成，利用了具有良好电学和机械性能的液晶聚合物作为天线馈线与反射平面间的介质材料，射频芯片放置在腔体中通过倒装焊的方式与馈线互连，避免了使用高插入损耗的通孔，天线贴片下方是空腔以太，提高了天线的增益和带宽以及集成度；但是天线阵贴片下方的基底和射频芯片的集成需要挖腔，增加了工艺流程的复杂性，并且射频芯片的输入/输出口需要经过多层互连线和通孔与主板互连，会造成较大的插入损耗。
第四种集成方式如文献Liu D, Gu X, Baks C, et al. 60 GHz antennas inpackage for portable applications[C]// IEEE International Symposium onAntennas and Propagation & Usnc/ursi National Radio Science Meeting. IEEE,2015:1536-1537，是将天线集成在多层基板中，射频芯片通过传输线和过孔为天线贴片馈电，这种集成方式由于基板层数较多、过孔长度增加，会引起较大的插入损耗，同时过孔的不连续性会在高频应用中引起较大的反射，从而降低了整个射频模块的增益和带宽；另外，相对于天线的空气基底，该集成方式的基底材料会引起较大的损耗，由此降低天线的辐射效率。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是提供了一种集成可调谐天线与阵射频模块的封装结构及方法，以解决现存移动终端和微基站中天线与射频模块集成在毫米波波段时存在的缺陷，进一步满足5G网络的应用需求。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案如下。
一种集成可调谐天线阵与射频模块的封装结构，包括用于设置天线阵贴片的刚柔结合板和用于封装射频芯片的射频模块封装体，刚柔结合板与射频模块封装体之间上下相对设置并通过分布在边角的四个相配的螺栓螺母进行紧固，所述刚柔结合板与射频模块封装体的一侧通过第二柔性基板固定连接。
上述一种集成可调谐天线阵与射频模块的封装结构，所述射频模块封装体包括上下平行设置的第二PCB板和第一PCB板，第二PCB板和第一PCB板之间通过围合在四周的金属框固定连接；所述射频模块中射频芯片分为两组设置在第一PCB板的上端面上，其中第一射频芯片组嵌装在第一PCB板一侧的凹槽中，第一射频芯片组中的各射频芯片之间以及射频芯片与第一PCB板之间分别通过键合线互连，凹槽内的第一射频芯片组和各键合线通过其上的塑封胶层包裹并固定在第一PCB板上；第二射频芯片组中的各射频芯片倒装焊接在第一PCB板的另一侧，第二射频芯片组与第一PCB板之间的凸点通过填充胶层固封；所述第一PCB板的底端面上布设有若干焊球。
上述一种集成可调谐天线阵与射频模块的封装结构，所述第二PCB板的底端面上设置有电磁屏蔽层，所述电磁屏蔽层与金属框的顶沿通过导电胶层固定连接；所述第二PCB板的顶端面上周期性排布有若干人工磁导体，第二PCB板的边角处开设有嵌装螺母的螺母通孔。
上述一种集成可调谐天线阵与射频模块的封装结构，所述刚柔结合板包括平行于第二PCB板的第一柔性基板和压合在第一柔性基板两端的两块刚性基板；所述第一柔性基板的顶端面上周期性排布有若干天线阵贴片，各刚性基板的两端分别开设有穿过螺栓的螺栓通孔；所述第二柔性基板弧形设置，第二柔性基板弯曲的两端分别连接刚性基板和第一PCB板。
上述一种集成可调谐天线阵与射频模块的封装结构，所述螺母为弹簧螺母。
一种集成可调谐天线阵与射频模块的封装方法，具体包括以下步骤：
步骤一，加工制造射频模块的第一PCB板，其中第一PCB板的四周预留密封环；
步骤二，将第一射频芯片组通过face-up的方式嵌入第一PCB板一侧的凹槽中，第一射频芯片组中的各射频芯片之间以及射频芯片与第一PCB板之间分别通过键合线实现互连；然后再利用塑封胶覆盖第一射频芯片组中射频芯片的有源面和键合线；第二射频芯片组中的各射频芯片分别通过倒装焊的形式与第一PCB板的另一侧实现互连，并在第二射频芯片组与第一PCB板之间凸点间隙处填充底部填充胶来固定第二射频芯片组的各射频芯片；
步骤三，通过冲压工艺制作金属框，金属材料为铜、铝或钼中的一种；
步骤四，将步骤三中制作好的金属框焊接在步骤二中载有射频芯片的第一PCB板的密封环上；
步骤五，在第一PCB板的底端面上植焊球；
步骤六，在第二PCB板的顶端面上电镀一层人工磁导体，之后经过图形化制作周期性排布的人工磁导体，在第二PCB板的底端面上设置导体层作为电磁屏蔽层，在第二PCB板四个边角处分别开设一个焊接弹簧螺母的螺母通孔；
步骤七，将步骤六制备的第二PCB板与步骤四中的金属框对齐，并利用导电胶将第二PCB板粘接在金属框105上，之后将弹簧螺母焊接在第二PCB板上预留的螺母通孔中，形成射频模块封装体；
步骤八，在第一柔性基板上制作周期性排布的天线阵贴片，之后在柔性基板两端分别压合一块刚性基板形成刚柔结合板，再在各刚性基板的两端分别钻有两个螺栓通孔；
步骤九，利用压合工艺，将步骤八中制备好的刚柔结合板与步骤七制备好的射频模块封装体通过第二柔性基板互连起来；把第二柔性基板折叠，将刚柔结合板放在射频模块封装体的正上方，四边对其后，将螺栓穿过预留的螺栓通孔拧入对应的四个弹簧螺母中，由此完成整个封装结构的装配。
由于采用了以上技术方案，本发明所取得技术进步如下。
本发明制备的集成天线阵与射频模块的封装结构，不仅实现了两者的集成，而且还能够实现天线阵的调谐，具有集成度高、电磁屏蔽效果好、天线增益以及辐射效率高、辐射功率小、损耗低的特点，能够满足不同应用场合的需求。
附图说明
图1为本发明所述步骤一加工完成后的结构示意图；
图2为本发明所述步骤二加工完成后的结构示意图；
图3为本发明所述步骤三种金属框的结构示意图；
图4为本发明所述步骤四加工完成后的结构示意图；
图5为本发明所述步骤五加工完成后的结构示意图；
图6为本发明所述步骤六加工完成后的结构示意图；
图7为本发明所述步骤六加工完成后的俯视图；
图8为本发明所述步骤七加工完成后的结构示意图；
图9为本发明所述步骤八加工完成后的结构示意图；
图10为本发明所述步骤八加工完成后的俯视图；
图11为本发明所述步骤九中各部分连接后的结构示意图；
图12为本发明的成品结构示意图。
其中：101.第一PCB板；102.密封环；103.第一射频芯片组；1031.第二射频芯片组；1032.凸点；1033.键合线；1034.塑封胶层；104.填充胶层；105.金属框；106.第二PCB板；1061.螺母通孔；1062.人工磁导体；1063.电磁屏蔽层；107.导电胶层；108.弹簧螺母；109.天线阵贴片；110.第一柔性基板；111.刚性基板；112.螺栓通孔；113.第二柔性基板；114.螺栓；115.焊球。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施例对本发明进行进一步详细说明。
一种集成可调谐天线阵与射频模块的封装结构，包括上下相对设置的刚柔结合板和射频模块封装体，刚柔结合板用于设置天线阵贴片109的，射频模块封装体用于封装射频芯片103，刚柔结合板与射频模块封装体之间通过分布在边角的四个相配的螺栓螺母进行紧固，两者之间可通过螺栓拧入螺母的长度进行距离的调节，进而实现天线阵的调谐，所述的调谐既可以是对带宽、辐射效率等的调节，以提高天线在某一应用场合中的性能，又可以是对天线中心频率的调节，以适用于多种应用场合的需求。上述刚柔结合板与射频模块封装体的一侧通过第二柔性基板113固定连接，第二柔性基板用于实现良好的阻抗匹配，从而实现产品的高质量信号传输。
射频模块封装体的结构如图12所示，包括上下平行设置的第二PCB板106和第一PCB板101，第二PCB板106和第一PCB板101之间通过围合在四周的金属框105固定连接。本发明中射频模块的射频芯片分为两组设置在第一PCB板101的上端面上，其中第一射频芯片103组嵌装在第一PCB板101一侧的凹槽中，第一射频芯片组中的各射频芯片之间以及射频芯片与第一PCB板101之间分别通过键合线1033互连，凹槽内的第一射频芯片组和各键合线1033通过其上的塑封胶层1034包裹，并固定在第一PCB板101上；第二射频芯片组1031中的各射频芯片倒装焊接在第一PCB板101的另一侧，第二射频芯片组与第一PCB板101之间的凸点1032通过填充胶层104固封，保证各射频芯片的牢固性。第一PCB板101的底端面上布设有若干焊球115，用于实现与其他模块的连接。射频模块封装体中金属框和PCB作为射频模块的金属屏蔽结构，可实现天线阵与射频芯片之间良好的电磁屏蔽效果。
第二PCB板106的底端面上设置有电磁屏蔽层1063，电磁屏蔽层1063与金属框105的顶沿通过导电胶层107固定连接；第二PCB板106的顶端面上周期性排布有若干人工磁导体1062，第二PCB板106的边角处开设有嵌装螺母的螺母通孔1061。本发明中，螺母通孔1061中的螺母采用弹簧螺母108。周期性排布的人工磁导体1062作为天线阵的反射平面，在减小天线基底的情况下，提高了天线增益和带宽，减小了后瓣辐射功率。
刚柔结合板包括平行于第二PCB板106的第一柔性基板110和压合在第一柔性基板110两端的两块刚性基板111；第一柔性基板110的顶端面上周期性排布有若干天线阵贴片109，各刚性基板111的两端分别开设有穿过螺栓的螺栓通孔112；第二柔性基板113弧形设置，第二柔性基板113弯曲的两端分别连接刚性基板111和第一PCB板101。
本发明中，刚柔结合板与人工磁导体1062之间为空气，即天线阵基底材料除了很薄的柔性基板外，大部分是空气，从而降低了损耗，提高了天线辐射效率，避免了现存技术中在天线阵贴片下方挖空腔的复杂流程。
一种集成可调谐天线阵与射频模块的封装方法，具体包括以下步骤。
步骤一，加工制造射频模块的第一PCB板101，其中第一PCB板101的四周预留密封环102；如图1所示。
步骤二，将第一射频芯片组103通过face-up的方式嵌入第一PCB板101一侧的凹槽中，第一射频芯片组103中的各射频芯片之间以及射频芯片与第一PCB板101之间分别通过键合线1033实现互连；然后再利用塑封胶覆盖第一射频芯片组103中射频芯片的有源面和键合线1033；第二射频芯片组1031中的各射频芯片分别通过倒装焊的形式与第一PCB板101的另一侧实现互连，并在第二射频芯片组1031与第一PCB板101之间凸点1032间隙处填充底部填充胶来固定第二射频芯片组1031的各射频芯片；如图2所示。
步骤三，通过冲压工艺制作金属框105，金属框的结构如图3所示，金属材料为铜、铝或钼中的一种；
步骤四，将步骤三中制作好的金属框105焊接在步骤二中载有射频芯片的第一PCB板101的密封环102上；如图4所示。
步骤五，在第一PCB板101的底端面上植焊球115；如图5所示。
步骤六，在第二PCB板106的顶端面上电镀一层人工磁导体，之后经过图形化制作周期性排布的人工磁导体1062，在第二PCB板106的底端面上设置导体层作为电磁屏蔽层1063，在第二PCB板106四个边角处分别开设一个焊接弹簧螺母108的螺母通孔1061；如图6和图7所示。
步骤七，将步骤六制备的第二PCB板106与步骤四中的金属框105对齐，并利用导电胶将第二PCB板106粘接在金属框105上，之后将弹簧螺母108焊接在第二PCB板106上预留的螺母通孔1061中，形成射频模块封装体；如图8所示。
步骤八，在第一柔性基板110上制作周期性排布的天线阵贴片109，之后在柔性基板110两端分别压合一块刚性基板111形成刚柔结合板，再在各刚性基板111的两端分别钻有两个螺栓通孔112；如图9和图10所示。
步骤九，利用压合工艺，将步骤八中制备好的刚柔结合板与步骤七制备好的射频模块封装体通过第二柔性基板113互连起来；如图11所示。把第二柔性基板113折叠，将刚柔结合板放在射频模块封装体的正上方，四边对其后，将螺栓114穿过预留的螺栓通孔112拧入对应的四个弹簧螺母108中，由此完成整个封装结构的装配，装配完成的封装结构如图12所示。
Claims (3)
1.一种集成可调谐天线阵与射频模块的封装结构，其特征在于：包括用于设置天线阵贴片（109）的刚柔结合板和用于封装射频芯片（103）的射频模块封装体，刚柔结合板与射频模块封装体之间上下相对设置并通过分布在边角的四个相配的螺栓螺母进行紧固，所述刚柔结合板与射频模块封装体的一侧通过第二柔性基板（113）固定连接；
所述射频模块封装体包括上下平行设置的第二PCB板（106）和第一PCB板（101），第二PCB板（106）和第一PCB板（101）之间通过围合在四周的金属框固定连接；所述射频模块中射频芯片分为两组设置在第一PCB板（101）的上端面上，其中第一射频芯片组嵌装在第一PCB板（101）一侧的凹槽中，第一射频芯片组中的各射频芯片之间以及射频芯片与第一PCB板（101）之间分别通过键合线（1033）互连，凹槽内的第一射频芯片组和各键合线（1033）通过其上的塑封胶层（1034）包裹并固定在第一PCB板（101）上；第二射频芯片组（1031）中的各射频芯片倒装焊接在第一PCB板（101）的另一侧，第二射频芯片组与第一PCB板（101）之间的凸点（1032）通过填充胶层（104）固封；所述第一PCB板（101）的底端面上布设有若干焊球（115）；
所述第二PCB板（106）的底端面上设置有电磁屏蔽层（1063），所述电磁屏蔽层（1063）与金属框（105）的顶沿通过导电胶层（107）固定连接，金属框（105）焊接在第一PCB板（101）的密封环（102）上；所述第二PCB板（106）的顶端面上周期性排布有若干人工磁导体（1062），第二PCB板（106）的边角处开设有嵌装螺母的螺母通孔（1061）；
所述刚柔结合板包括平行于第二PCB板（106）的第一柔性基板（110）和压合在第一柔性基板（110）两端的两块刚性基板（111）；所述第一柔性基板（110）的顶端面上周期性排布有若干天线阵贴片（109），各刚性基板（111）的两端分别开设有穿过螺栓的螺栓通孔（112）；所述第二柔性基板（113）弧形设置，第二柔性基板（113）弯曲的两端分别连接刚性基板（111）和第一PCB板（101）；
所述刚柔结合板与人工磁导体（1062）之间为空气。
2.根据权利要求1所述的一种集成可调谐天线阵与射频模块的封装结构，其特征在于：所述螺母为弹簧螺母（108）。
3.一种集成可调谐天线阵与射频模块的封装方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤一，加工制造射频模块的第一PCB板（101），其中第一PCB板（101）的四周预留密封环（102）；
步骤二，将第一射频芯片组通过face-up的方式嵌入第一PCB板（101）一侧的凹槽中，第一射频芯片组中的各射频芯片之间以及射频芯片与第一PCB板（101）之间分别通过键合线（1033）实现互连；然后再利用塑封胶覆盖第一射频芯片组中射频芯片的有源面和键合线（1033）；第二射频芯片组（1031）中的各射频芯片分别通过倒装焊的形式与第一PCB板（101）的另一侧实现互连，并在第二射频芯片组（1031）与第一PCB板（101）之间凸点（1032）间隙处填充底部填充胶来固定第二射频芯片组（1031）的各射频芯片；
步骤三，通过冲压工艺制作金属框（105），金属材料为铜、铝或钼中的一种；
步骤四，将步骤三中制作好的金属框（105）焊接在步骤二中载有射频芯片的第一PCB板（101）的密封环（102）上；
步骤五，在第一PCB板（101）的底端面上植焊球（115）；
步骤六，在第二PCB板（106）的顶端面上电镀一层人工磁导体，之后经过图形化制作周期性排布的人工磁导体（1062），在第二PCB板（106）的底端面上设置导体层作为电磁屏蔽层（1063），在第二PCB板（106）四个边角处分别开设一个焊接弹簧螺母（108）的螺母通孔（1061）；
步骤七，将步骤六制备的第二PCB板（106）与步骤四中的金属框（105）对齐，并利用导电胶将第二PCB板（106）粘接在金属框（105）上，之后将弹簧螺母（108）焊接在第二PCB板（106）上预留的螺母通孔（1061）中，形成射频模块封装体；
步骤八，在第一柔性基板（110）上制作周期性排布的天线阵贴片（109），之后在第一柔性基板（110）两端分别压合一块刚性基板（111）形成刚柔结合板，再在各刚性基板（111）的两端分别钻有两个螺栓通孔（112）；
步骤九，利用压合工艺，将步骤八中制备好的刚柔结合板与步骤七制备好的射频模块封装体通过第二柔性基板（113）固定连接，第二柔性基板（113）弯曲的两端分别连接刚性基板（111）和第一PCB板（101）；把第二柔性基板（113）折叠，将刚柔结合板放在射频模块封装体的正上方，四边对齐后，将螺栓（114）穿过预留的螺栓通孔（112）拧入对应的四个弹簧螺母（108）中，由此完成整个封装结构的装配。
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