CN107994010B - 实现微系统垂直互连一体化封装结构的工装及制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种实现微系统垂直互连一体化封装结构的工装及制作方法，包括用于组装天线板组件的第一衬底、第一定位板和位于第一衬底上可调节固定的挡板；还包括用于组装中频板和射频板组件的第二衬底、第二定位板和位于第二衬底上可调节固定的挡板。通过这套工装实现4层瓦片式结构微系统的一体化组装，封装精度高，可以实现微系统的垂直互连。

Description

实现微系统垂直互连一体化封装结构的工装及制作方法
技术领域
本发明涉及一种微系统一体化封装结构用的工装及制作方法。
背景技术
一体化封装具备这些优势：1）系统集成能力强。能将不同厂家的各类射频芯片、A/D、基带芯片进行集成，最终形成统一的接口形式和工作模式，从而实现了模块的统型。2）集成密度高。采用LTCC基板具有三维立体结构，可以将无源微波电路如功分器、滤波器、耦合器、巴伦等内埋在LTCC基板内部，不仅减小了系统的体积，而且通过内埋也减少了表贴无源器件的焊接数量，更有效地提高焊接可靠性；还可以利用3D特性，采用腔体形式实现片式器件、有源电路堆栈设计以及多模块叠加的瓦片设计，实现系统的小型化。
对于相控阵中的技术前沿射频微系统三维组封装方向，国内目前尚处于探索阶段，常用的三维组封装技术主要采用BGA和PGA实现垂直互连。
发明内容
本发明的目的在于提供一套实现微系统混合型垂直互连一体化封装结构的工装，通过这套工装实现4层瓦片式结构微系统的一体化组装。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
实现微系统垂直互连一体化封装结构的工装，其特征是，包括用于组装天线板组件的第一衬底、第一定位板和位于第一衬底上可调节固定的挡板；还包括用于组装中频板和射频板组件的第二衬底、第二定位板和位于第二衬底上可调节固定的挡板。
第一定位板与天线板大小相等，第一定位板上设置有与天线板上需要焊接的围框、接头位置对应的镂空孔。
第一衬底为十字型。
第一衬底四个端部大于天线板，四个端部上分别设置有调节孔，用于与挡板连接，使挡板在第一衬底上的固定位置可调节，对放置于第一衬底上的天线板及第一定位板进行夹持固定。
第二定位板与中频板、射频板大小均相等；第二定位板上设置有与中频板和射频板上需要焊接的接头位置对应的镂空孔。
第二衬底为十字型。
第二衬底的四个端部大于中频板和射频板，四个端部上分别设置有调节孔，用于与挡板连接，使挡板在第二衬底上的固定位置可调节，对层叠放置于第二衬底上的中频板或/和射频板及第二定位板进行夹持固定。
实现微系统垂直互连一体化封装结构的制作方法，其特征是，包括天线板组件组装步骤及射频板和中频板组件组装步骤：
天线板组件组装步骤：
(a1)将天线板一面印刷焊膏后，向上放置在第一衬底上，将第一定位板放置在天线板上，调节第一衬底上位于天线板和第一定位板周围的挡板，进行位置对准和限位后对挡板进行固定，然后将围框和接头通过第一定位板上的镂空孔放置在天线板上；
(b1)由再流焊炉焊接，使围框和接头焊接在天线板上；
(c1)在天线板上围框内的底部芯片腔中粘结芯片、键合；
(d1)采用激光焊的方法将天线板上的围框进行封盖；
射频板和中频板组件组装步骤：
(a2)将射频板和中频板的一面分别印刷焊膏，并在其中一块板的焊膏处植BGA焊球，放置BGA焊球后，将该植球的板通过再流焊炉将BGA焊球固定；
(b2)将射频板和中频板印刷焊膏的一面相对，放置在第二衬底上，通过光棱镜进行精确对位后，通过第二衬底上的挡板进行固定，由再流焊炉通过BGA焊球焊接成一体；
(c2)将射频板和中频板的另一面分别印刷焊膏，采用第二定位板进行位置对准和限位后通过挡板固定在第二衬底上，将接头通过第二定位板上的镂空孔放置在射频板和中频板上，由再流焊炉焊接，使接头分别焊接在射频板和中频板上。
还包括将天线板组件与射频板和中频板组件进行组合的步骤：
天线板组件中天线板上的接头与射频板和中频板组件中的射频板上的接头对应地进行对插；射频板和中频板组件中的中频板上的接头与FPGA板上的接头对应地进行对插。
天线板、射频板和/或中频板采用LTCC工艺制作。
本发明所达到的有益效果：
通过本发明的这套工装可以实现4层瓦片式结构微系统的一体化组装，封装精度高，可以实现垂直互连。
1）中频板和FPGA板之间对插，中频板16个接头对插FPGA板16个接头，阵列接头之间的对位精度优于±30μm；
2）天线板和射频板之间对插，天线板64个接头和4块射频板共64个接头一起对插，阵列接头之间的对位精度优于±30μm。
附图说明
图1天线板组装时正面示意图；
图2天线板组装时背面示意图；
图3天线板组装后的示意图；
图4射频板和中频板BGA互连工装；
图5射频板和中频板BGA互连；
图6中频板（中频板支架和基板背面组装后示意图）
图7a、图7b第一定位板正面及反面示意图；
图8a、图8b用于组装中频板第二定位板正面及反面示意图；
图9a、图9b用于组装射频板第二定位板正面及反面示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
本发明的工装包括：用于组装天线板的第一“十”字型衬底11、第一定位板12和位于第一“十”字型衬底上可调节固定的挡板13，如图1、图2、图7a和图7b所示；还包括用于组装中频板和射频板的第二“十”字型衬底21、第二定位板22、22’和位于第二“十”字型衬底上可调节固定的挡板23，如图4、图5、图8a、图8b、图9a和图9b所示。
第一定位板12与天线板大小相等，其上设置有与天线板上需要焊接的围框、接头位置对应的镂空孔121。第一“十”字型衬底11的四个端部大于天线板，四个端部上分别设置有调节孔111，用于与挡板13连接，使挡板13固定位置可调节，对放置于第一“十”字型衬底上的天线板及第一定位板进行夹持固定。在其他实施方式中，调节孔111的位置也可以根据第一定位板12与天线板的大小预先精准的确定。
同理，第二定位板22、22’与中频板、射频板大小均相等，其上设置有与中频板、射频板上需要焊接的接头位置对应的镂空孔221、221’。第二“十”字型衬底的四个端部大于中频板或射频板，四个端部上分别设置有调节孔211，用于与挡板连接，使挡板固定位置可调节，对放置于第二“十”字型衬底上的中频板或/和射频板及第二定位板进行夹持固定。在其他实施方式中，该调节孔的位置也可以根据第一定位板12与天线板的大小预先精准的确定。
采用本发明的工装进行垂直互连一体化封装结构的制造工艺：
(1) LTCC基板加工
天线板、射频板和中频板采用LTCC工艺制作。
(2) 天线板组装（上部组件）
(a)将天线板100印刷焊膏（采用高精度焊膏印刷机通过焊膏板进行焊膏印刷，焊膏图形为围框和接头的焊区图形）后，背面向上放置在第一“十”字型衬底11上，将第一定位板12放置在天线板100上，同时调节挡板13进行位置对准和限位，位置对准后通过挡板进行固定，然后将围框101和接头102通过第一定位板12上的镂空孔121放置在天线板上，工装及天线板正面如图1所示，工装及天线板背面如图2所示；
(b)由再流焊炉焊接，使围框101和接头102焊接在天线板100上，然后将工装去除如图3所示为天线板组装后示意图；
(c) 在天线板上围框内的底部芯片腔中粘结芯片、键合；
(4)采用激光焊的方法将天线板上面的64个阵列围框进行封盖，封盖需要达到氦（He）质谱细检漏测量漏率R1≤5×10－3Pa·cm3/s的高气密性要求。
(3) 射频板和中频板组装（中部组件）
(a)将射频板200正面向上放置，印刷焊膏后，然后在焊膏处植球，放置BGA焊球400后，过再流焊炉将BGA球固定在射频板上；
(b)将中频板300正面向上放置，印刷焊膏后，将射频板背面向上、正面朝向中频板放置在第二“十”字型衬底21上，将射频板和中频板通过光棱镜进行精确对位后，通过挡板23进行固定，如图4、图5所示，由再流焊炉焊接成一体；
(c) 在向上的射频板背面，印刷焊膏后，采用第二定位板位置对准和限位，位置对准后通过挡板进行固定，然后将接头201通过第二定位板22上的镂空孔221放置在射频板200上，由再流焊炉焊接，使接头焊接在射频板上，如图6所示。
（d）将中频板背面向上放置，印刷焊膏后，将形成一体的中频板和射频板放置在第二“十”字型衬底上，中频板背面向上，采用第二定位板进行位置对准和限位，位置对准后通过挡板进行固定，然后将接头通过第二定位板的镂空孔放置在中频板上，中频板正面如图6所示，由再流焊炉焊接，使接头焊接在中频板上。
步骤（c）、（d）不分先后顺序，可以在射频板一面先焊接接头，也可以在中频板一面先焊接接头。
(4)上、中部组件组合
上部组件天线板上的接头与中部组件射频板上的接头对插，天线板上的64个接头与4块中部组件射频板上的64个接头实现对插；每块中部组件中频板上的16个接头与每块FPGA板上的16个接头一一对应地进行对插，实现4层微系统的垂直互连一体化封装，封装精度高。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.实现微系统垂直互连一体化封装结构的工装，其特征是，包括用于组装天线板组件的第一衬底、第一定位板和位于第一衬底上可调节固定的挡板；还包括用于组装中频板和射频板组件的第二衬底、第二定位板和位于第二衬底上可调节固定的挡板；
第一定位板与天线板大小相等，第一定位板上设置有与天线板上需要焊接的围框、接头位置对应的镂空孔。
2.根据权利要求1所述的实现微系统垂直互连一体化封装结构的工装，其特征是，第一衬底为十字型。
3.根据权利要求2所述的实现微系统垂直互连一体化封装结构的工装，其特征是，第一衬底四个端部大于天线板，四个端部上分别设置有调节孔，用于与挡板连接，使挡板在第一衬底上的固定位置可调节，对放置于第一衬底上的天线板及第一定位板进行夹持固定。
4.根据权利要求1所述的实现微系统垂直互连一体化封装结构的工装，其特征是，第二定位板与中频板、射频板大小均相等；第二定位板上设置有与中频板和射频板上需要焊接的接头位置对应的镂空孔。
5.根据权利要求1所述的实现微系统垂直互连一体化封装结构的工装，其特征是，第二衬底为十字型。
6.根据权利要求5所述的实现微系统垂直互连一体化封装结构的工装，其特征是，第二衬底的四个端部大于中频板和射频板，四个端部上分别设置有调节孔，用于与挡板连接，使挡板在第二衬底上的固定位置可调节，对层叠放置于第二衬底上的中频板或/和射频板及第二定位板进行夹持固定。
7.实现微系统垂直互连一体化封装结构的制作方法，其特征是，包括天线板组件组装步骤及射频板和中频板组件组装步骤：
天线板组件组装步骤：
(a1)将天线板一面印刷焊膏后，向上放置在第一衬底上，将第一定位板放置在天线板上，调节第一衬底上位于天线板和第一定位板周围的挡板，进行位置对准和限位后对挡板进行固定，然后将围框和接头通过第一定位板上的镂空孔放置在天线板上；
(b1)由再流焊炉焊接，使围框和接头焊接在天线板上；
(c1)在天线板上围框内的底部芯片腔中粘结芯片、键合；
(d1)采用激光焊的方法将天线板上的围框进行封盖；
射频板和中频板组件组装步骤：
(a2)将射频板和中频板的一面分别印刷焊膏，并在其中一块板的焊膏处植BGA焊球，放置BGA焊球后，将该植BGA焊球的板通过再流焊炉将BGA焊球固定；
(b2)将射频板和中频板印刷焊膏的一面相对，放置在第二衬底上，通过光棱镜进行精确对位后，通过第二衬底上的挡板进行固定，由再流焊炉通过BGA焊球焊接成一体；
(c2)将射频板和中频板的另一面分别印刷焊膏，采用第二定位板进行位置对准和限位后通过挡板固定在第二衬底上，将接头通过第二定位板上的镂空孔放置在射频板和中频板上，由再流焊炉焊接，使接头分别焊接在射频板和中频板上。
8.根据权利要求7所述的实现微系统垂直互连一体化封装结构的制作方法，其特征是，还包括将天线板组件与射频板和中频板组件进行组合的步骤：
天线板组件中天线板上的接头与射频板和中频板组件中的射频板上的接头对应地进行对插；射频板和中频板组件中的中频板上的接头与FPGA板上的接头对应地进行对插。
9.根据权利要求7所述的实现微系统垂直互连一体化封装结构的制作方法，其特征是，天线板、射频板和/或中频板采用LTCC工艺制作。
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