CN109103165A - Ltcc基板三维堆叠结构及其气密封装方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开LTCC基板三维堆叠结构及其气密封装方法，三维堆叠结构包括元器件，第一、二LTCC基板，第一、二、三、四、五、六金属膜层，第一、二焊盘；气密封装方法：利用LTCC常规工艺加工在堆叠装配面增加有陶瓷假层的基板；将装配面表面研磨平整；利用后烧工艺在装配面上制作用于钎料焊接的金属化焊盘；在焊接区域预熔焊料并清洗干净；对基板进行元器件组装；将组装好元器件的基板的堆叠装配面对准并加热实现钎料焊接；对焊缝进行清理和焊料补足；检测堆叠好的LTCC基板的气密性，气密未达标者焊接返修至合格。本发明可一体化实现基板的局部气密封装和基板之间包括高频信号在内的垂直互联，为高密度集成提供简单、可靠的解决方案。
Description
技术领域
本发明涉及LTCC基板加工与装配领域，具体涉及LTCC基板三维堆叠结构及其气密封装方法。
背景技术
LTCC技术以其优异的高频性能、集成密度高、高可靠等优点在航空、航天、弹载等小型化微波领域获得广泛应用。随着多功能、高密度集成趋势的不断发展，传统的混合集成方式已经不能很好的满足产品的需求，尤其是为了实现裸芯片的气密封装，往往需要把LTCC基板整体密封到金属盒体中，基板之间的互联则靠大量的连接器和电缆实现，不仅大大弱化了产品的小型化程度，也提升了信号输入输出的难度。基于此，基板堆叠的互联方式将成为进一步提高集成密度，实现多功能集成的有效手段之一。
近年来，关于基板堆叠的研究也获得了较大的发展。徐达等人在论文“新型3D射频封装结构的可靠性模拟研究”中讨论了一种基板堆叠的方式，基板之间采用BGA实现互联，基板堆叠后通过金属围框实现整体气密，该结构需要的焊接梯度较多，工艺难度高。三星电机株式会社在专利“具有凹腔的层叠封装件及其制造方法”公开了一种用于元器件封装的堆叠结构，矽品精密工艺股份有限公司在专利“堆叠式封装结构及其制法”公开了一种封装基板的堆叠方法，但二者都是通过焊球实现上下封装之间的信号互联，无法实现裸芯片的气密封装。李训发等人在专利“堆叠式基板模组”中公开了一种基板堆叠的方法，但是该方法需要工艺复杂的基板侧面布线，且并无涉及对气密封装的考虑。黄洪光等人在专利“厚膜混合电路结构及制作方法”中公开了厚膜基板的堆叠方法，但是并未涉及气密封装的考虑。石伟等人在专利“一种LTCC基板3D叠层结构”中公开另一种LTCC基板的堆叠方法，但该方法将结构连接和电连接分区独立进行，工艺过程复杂，且未涉及对气密的考虑。黄学骄等人在专利“一种LTCC基板堆叠的微波电路三维封装结构”中公开了一种LTCC基板的堆叠方法，但该方法以铝板作为上下基板的机构连接件，存在热失配的结构可靠性问题，上下基板的信号互联需通过板间的金丝/金带的键合实现，无法实现高频信号传输，且没有考虑堆叠的气密性。季兴桥等人在专利“一种三维瓦片式微波封装组件”中公开了一种基板堆叠的方法，但是板间信号互联需要弹性连接器互联，且需要金属支撑架进行支持，工艺较为复杂，气密则是通过金属盒体的整体封装实现，不利于小型化。潘计划等人在专利“一种带散热装置的POP封装”中公开了一种芯片封装的堆叠方式，但封装间采用焊球进行信号互联，无法实现气密。潘计划等人还在专利“一种集成电路的3D封装结构”公开了一种基板的堆叠方式，但基板间采用连接器或插针方式进行互联，也无法实现气密。杨阳在专利“一种堆叠式封装结构”中公开了一种基板堆叠结构，但该结构基板之间通过焊接和铜质连接柱连接，无法实现基板之间的气密封装。
现已公开的研究中，基板堆叠通常通过BGA、连接器、插针方式实现板间信号互联，多数未考虑气密封装，不适用裸芯片的混合集成。同时，部分实现气密封装的堆叠方式中，气密方式还是沿用了传统的金属合体的整体气密封装，不利于小型化。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供LTCC基板三维堆叠结构及其气密封装方法，一体化实现基板的局部气密封装和基板之间包括高频信号在内的垂直互联，为高密度集成提供简单、可靠的解决方案。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
LTCC基板三维堆叠结构，包括放置有元器件的第一LTCC基板，以及气密封装于所述第一LTCC基板顶面的第二LTCC基板；
所述第一LTCC基板的顶面开设有用于放置元器件的腔体，所述腔体顶面开口，所述第一LTCC基板的顶面上环绕所述腔体的开口设置一层第一金属膜层，在所述第一LTCC基板的顶面上环绕所述第一金属膜层设置第二金属膜层，并且所述第一金属膜层和所述第二金属膜层相间分布，所述第一LTCC基板的顶面四周设有第三金属膜层，所述第一LTCC基板的顶面上位于所述第二金属膜层的两侧分别设有两个以上用于控制信号和射频信号垂直互联的第一焊盘；
所述第二LTCC基板的底面上，在与所述第三金属膜层相对应的位置处设有一层与所述第三金属膜层相配合以焊接的方式气密封装所述第一LTCC基板和所述第二LTCC基板的第四金属膜层，所述第二LTCC基板的底面上在与所述第二金属膜层相对应的位置处设有一层与所述第二金属膜层相配合以焊接的方式气密封装所述腔体的第五金属膜层，所述第二LTCC基板的底面上设有第二焊盘，所述第二焊盘的数量与所述第一焊盘相同并且一一对应，所述第二焊盘也是用于控制信号和射频信号的垂直互联，所述第二LTCC基板的底面上位于所述第五金属膜层内设有一层用于对所述腔体进行电磁屏蔽的第六金属膜层，所述第六金属膜层覆盖所述腔体顶面的开口且所述第六金属膜层的四边与所述第一金属膜层相对应，并且所述第六金属膜层的四边与所述第一金属膜层相配合以辅助气密封装所述腔体。
进一步地，所述容置腔体为两级台阶腔体，包括开设于所述第一LTCC基板顶面中央的第一级腔体，以及开设于所述第一级腔体底面中央用于放置元器件的第二级腔体，所述第一级腔体的台阶面上覆设有一层第七金属膜层，所述第二级腔体的底面覆设有一层第八金属膜层，所述第七金属膜层上开设有信号传输线，信号传输线分别通过一条连接线与放置于所述第二级腔体内的元器件相连接。
进一步地，所述第二金属膜层和所述第一金属膜层之间的区域为用于对所述第二金属膜层和所述第一金属膜层进行隔离的第一空白陶瓷焊料隔离区域，相同地，所述第五金属膜层和所述第六金属膜层之间的区域为用于对所述第五金属膜层和所述第六金属膜层进行焊料隔离的第二空白陶瓷隔离区域，所述第一空白陶瓷隔离区域和所述第二空白陶瓷隔离区域相互配合以共同起焊料隔离作用。
进一步地，所述第一LTCC基板的顶面还设有辅助金属膜层，所述辅助金属膜层包括第一辅助金属膜层和第二辅助金属膜层；
所述第二LTCC基板的底面在与每一条所述第一辅助金属膜层相对应的位置处分别设于一条第三辅助金属膜层，所述所述第二LTCC基板的底面在与每一块所述第二辅助金属膜层相对应的位置处分别设于一块第四辅助金属膜层。
进一步地，所述第二金属膜层、所述第三金属膜层、所述第四金属膜层、所述第五金属膜层、所有所述第一焊盘、所有所述第一辅助金属膜层、所有所述第二辅助金属膜层、所有所述第二焊盘、所有所述第三辅助金属膜层和所有所述第四辅助金属膜层的外表面上均预熔有一层焊料层。
LTCC基板三维堆叠结构的气密封装方法，包括以下步骤：
步骤1、利用常规工艺加工LTCC基板，加工时在LTCC基板的堆叠装配面增加陶瓷假层；
步骤2、对步骤1中加工好的LTCC基板的装配面进行表面研磨，获得平整表面；
步骤3、利用后烧工艺在步骤2加工好的LTCC基板装配面上制作金属化焊盘，用于钎料焊接；
步骤4、在步骤3加工好的LTCC基板焊接区域预熔焊料，并在预熔后将LTCC基板清洗干净；
步骤5、对步骤4清洗干净的LTCC基板进行元器件的组装，包括需要气密封装的元器件；
步骤6、将步骤5中两片组装好的LTCC基板的堆叠装配面对准，通过加热实现两片LTCC基板表面焊盘之间的钎料焊接；
步骤7、对步骤6中焊接好的LTCC基板边缘的焊缝进行清理和焊料补足，保证焊接的气密性；
步骤8、对步骤7中堆叠好的LTCC基板进行气密性检测，若气密未达标，则对LTCC基板边缘的气密焊接区域进行焊接返修，直到气密合格。
具体地说，在所述步骤1中，所述常规工艺是指LTCC基板制作的完整工艺流程，具体为：打孔、填孔、印刷、开腔、叠层、层压、烧结；所述陶瓷假层，是指在LTCC基板堆叠装配面一侧，增加厚度0.05-0.2mm的陶瓷层，材质与LTCC基板电路区域陶瓷相同，并且该陶瓷层不布置电路图形，只布置金属化通孔，将LTCC基板内部的信号引出到LTCC基板的表面；
在所述步骤2中，所述表面研磨，是对烧结好的LTCC基板表面的陶瓷假层进行磨平，研磨液颗粒为2μm-8μm，研磨时间、压力、转速根据具体产品进行调整，研磨去除厚度为0.05mm-0.15mm，最终实现LTCC基板表面的翘曲量小于10μm。
具体地说，在所述步骤3中，所述后烧工艺，是指在研磨后的LTCC基板表面印刷电子浆料，然后对LTCC基板进行干燥、烧结，形成表面金属化焊盘的过程，金属化焊盘的膜层厚度为10μm-50μm，且与焊料具有良好的润湿性，后烧金属化焊盘的膜层的形状位置误差在30μm以内；所述钎料焊接是指通过加热，将预先溶解在焊盘上的焊料熔化，实现焊盘之间焊接，该过程在惰性气体保护下进行，以实现芯片的气密封装；
在所述步骤4中，所述预熔焊料是指将焊料预先熔化在LTCC基板表面焊接区域的金属膜层上，预熔焊料时可以使用助焊剂，以实现焊料与金属膜层的良好润湿和均匀铺展，焊料以焊膏的形式印刷在焊区的金属膜层上，或者以焊片配合助焊剂的形式放置在焊区膜层上，焊料量根据具体的产品结构和焊缝的厚度进行控制，预熔后的焊料厚度为10μm-100μm。
具体地说，在所述步骤4中，所述LTCC基板清洗是指在焊料预熔后将LTCC基板表面的助焊剂及其它污染物清洗干净，以便于进行后道工序装配；
在所述步骤5中，所述LTCC基板进行元器件的组装是指将所需的元件及器件组装在LTCC基板上，组装方式有粘接、钎料焊接、金丝/金带键合，LTCC基板堆叠焊接面一侧只能将元器件装配在腔体里面，且高度不能高于LTCC基板表面；
在所述步骤6中，所述将LTCC基板的堆叠装配面对准，是指通过夹具或视觉对位设备，将两片LTCC基板的焊盘彼此精确对准，对位精度需控制在30μm以内。
具体地说，在所述步骤7中，所述对LTCC基板边缘的焊缝进行清理和焊料补足，是对位于LTCC基板边缘的焊缝进行多余焊料清理和欠缺焊料补充，焊料补充利用电烙铁即可完成；
在所述步骤8中，所述气密性检测是指利用氦气倍压法，对封装好的堆叠LTCC基板进行气密性测试，并根据产品尺寸和标准要求对气密性进行合格性评判；所述焊接返修，是指对LTCC基板边缘的焊接区域进行重复焊接，以实现基板堆叠的整体气密。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明LTCC基板三维堆叠结构设计科学合理、结构简单，使用方便，可一体化实现基板的局部气密封装和基板之间包括高频信号在内的垂直互联，为高密度集成提供简单、可靠的解决方案。
本发明通过钎焊工艺，一体化实现气密封装和信号垂直互联的基板堆叠方式；在容置腔体周围和LTCC基板边缘同时布置气密焊接区域的双保险气密结构；腔体周围设置焊料辅助容纳区域，防止多余焊料进入腔体内部的保护结构；通过预熔焊料，将钎焊用于气密性末级焊接；通过LTCC基板边缘设置气密焊接区域，对堆叠基板进行气密返修。
本发明的LTCC基板堆叠结构能够同时实现LTCC基板的气密封装和LTCC基板之间信号的垂直互联，比传统的金属盒体气密封装和BGA板间垂直互联节省更多的空间，可兼容高低频信号的板间互联，实现工艺过程也更为简单，且有较强的气密可返修性。
附图说明
图1为本发明LTCC基板三维堆叠结构的结构示意图。
图2为图1的A-A截面图。
图3为本发明第一LTCC基板的结构示意图。
图4为本发明第一LTCC基板表面焊料预融示意图。
图5为本发明第二LTCC基板的结构示意图。
图6为本发明第二LTCC基板表面焊料预融示意图。
图7为本发明气密封装式LTCC基板三维堆叠结构的气密封装方法的流程图。
其中，附图标记对应的名称为：
1-第一LTCC基板、2-第一级腔体、3-第七金属膜层、4-信号传输线、5-第二级腔体、6-第八金属膜层、7-第一焊盘、8-辅助金属膜层、9-第二金属膜层、10-第一空白陶瓷隔离区域、11-第一金属膜层、12-第三金属膜层、16-连接线、17-元器件、20-第二LTCC基板、21-第四金属膜层、22-第五金属膜层、23-第二焊盘、24-第六金属膜层、25-第二空白陶瓷隔离区域、26-第三辅助金属膜层、27-第四辅助金属膜层、81-第一辅助金属膜层、82-第二辅助金属膜层。
具体实施方式
下面结合附图说明和实施例对本发明作进一步说明，本发明的方式包括但不仅限于以下实施例。
如图1-6所示，本发明提供的LTCC基板三维堆叠结构，设计科学合理、结构简单，使用方便，可一体化实现基板的局部气密封装和基板之间包括高频信号在内的垂直互联，为高密度集成提供简单、可靠的解决方案。本发明的LTCC基板三维堆叠结构包括放置有元器件17的第一LTCC基板1，以及气密封装于所述第一LTCC基板1顶面的第二LTCC基板20。
本发明所述第一LTCC基板1的顶面开设有用于放置元器件17的腔体，所述腔体顶面开口，所述第一LTCC基板1的顶面上环绕所述腔体的开口设置有第一金属膜层11，在所述第一LTCC基板1的顶面上环绕所述第一金属膜层11设置有第二金属膜层9，并且所述第一金属膜层11和所述第二金属膜层9相间分布，所述第一LTCC基板1的顶面四周设有第三金属膜层12，所述第一LTCC基板1的顶面上设有用于控制信号和射频信号垂直互联的第一焊盘7。
本发明所述第二LTCC基板20的底面上在与所述第三金属膜层12相对应的位置处设有与所述第三金属膜层12相配合以焊接所述第一LTCC基板1和所述第二LTCC基板20的第四金属膜层21，所述第二LTCC基板20的底面上在与所述第二金属膜层9相对应的位置处设有与所述第二金属膜层9相配合以焊接所述腔体的第五金属膜层22，所述第二LTCC基板20的底面上设有第二焊盘23，所述第二焊盘23的数量与所述第一焊盘7相同并且一一对应，所述第二焊盘23也是用于控制信号和射频信号的垂直互联，所述第二LTCC基板20的底面上位于所述第五金属膜层22内设有一层用于对所述容置腔体进行电磁屏蔽的第六金属膜层24，所述第六金属膜层24覆盖所述容置腔体顶面的开口,与所述第一金属膜层11相对应，并且所述第六金属膜层24的四边与所述第一金属膜层11相配合以辅助气密封装所述腔体。
本发明所述腔体为两级台阶腔体，包括开设于所述第一LTCC基板1顶面的第一级腔体2，以及开设于所述第一级腔体2底面用于容置元器件17的第二级腔体5，所述第一级腔体2的底面台阶面上覆设有第七金属膜层3，所述第二级腔体5的底面覆设有一层第八金属膜层6，所述第七金属膜层3上开设有有信号传输线4，每条所述信号传输线4分别通过连接线16与放置于所述第二级腔体5内的元器件17相连接。
本发明所述第二金属膜层9和所述第一金属膜层11之间的区域为用于对所述第二金属膜层9和所述第一金属膜层11进行焊料隔离的第一空白陶瓷隔离区域10，相同地，所述第五金属膜层22和所述第六金属膜层24之间的区域为用于对所述第五金属膜层22和所述第六金属膜层24进行焊料隔离的第二空白陶瓷隔离区域25，所述第一空白陶瓷隔离区域10和所述第二空白陶瓷隔离区域25相互配合以共同起焊料隔离作用。
本发明所述第一LTCC基板1的顶面还设有辅助金属膜层8，包括81和82.
本发明所述第二LTCC基板20的底面在与每一条所述第一辅助金属膜层81相对应的位置处设有第三辅助金属膜层26，所述所述第二LTCC基板20的底面在与每一块所述第二辅助金属膜层82相对应的位置处分别设有第四辅助金属膜层27。
本发明所述第二金属膜层9、所述第三金属膜层12、所述第四金属膜层21、所述第五金属膜层22、所有所述第一焊盘7、所有所述第一辅助金属膜层81、所有所述第二辅助金属膜层82、所有所述第二焊盘23、所有所述第三辅助金属膜层26和所有所述第四辅助金属膜层27的外表面上均预熔有一层焊料层。
如图7所示，本发明提供的LTCC基板三维堆叠结构的气密封装方法，包括以下步骤：
步骤1、利用常规工艺加工LTCC基板，加工时在LTCC基板的堆叠装配面增加陶瓷假层。
该步骤中所述常规工艺是指LTCC基板制作的完整工艺流程，具体为：打孔、填孔、印刷、开腔、叠层、层压、烧结；该步骤中所述陶瓷假层，是指在LTCC基板堆叠装配面一侧，增加厚度0.05-0.2mm的陶瓷层，材质与LTCC基板电路区域陶瓷相同，并且该陶瓷层不布置电路图形，只布置金属化通孔，将LTCC基板内部的信号引出到LTCC基板的表面。
步骤2、对加工好的LTCC基板的装配面进行表面研磨，获得平整表面。
该步骤中所述表面研磨，是对烧结好的LTCC基板表面的陶瓷假层进行磨平，研磨液颗粒为2μm-8μm，研磨时间、压力、转速根据具体产品进行调整，研磨去除厚度为0.05mm-0.15mm，最终实现LTCC基板表面的翘曲量小于10μm。
步骤3、利用后烧工艺在LTCC基板装配面上制作金属化焊盘，用于钎料焊接。
该步骤中所述后烧工艺，是指在研磨后的LTCC基板表面印刷电子浆料，然后对LTCC基板进行干燥、烧结，形成表面金属化焊盘的过程，金属化焊盘的膜层厚度为10μm-50μm，且与焊料具有良好的润湿性，后烧金属化焊盘的膜层的形状位置误差在30μm以内；该步骤中所述钎料焊接是指通过加热，将预先溶解在焊盘上的焊料熔化，实现焊盘之间焊接，该过程在惰性气体保护下进行，以实现芯片的气密封装。
步骤4、在LTCC基板焊接区域预熔焊料，并在预熔后将LTCC基板清洗干净。
该步骤中所述预熔焊料是指将焊料预先熔化在LTCC基板表面焊接区域的金属膜层上，预熔焊料时可以使用助焊剂，以实现焊料与金属膜层的良好润湿和均匀铺展，焊料以焊膏的形式印刷在焊区的金属膜层上，或者以焊片配合助焊剂的形式放置在焊区膜层上，焊料量根据具体的产品结构和焊缝的厚度进行控制，预熔后的焊料厚度为10μm-100μm。
该步骤中所述LTCC基板清洗是指在焊料预熔后将LTCC基板表面的助焊剂及其它污染物清洗干净，以便于进行后道工序装配。
步骤5、对LTCC基板进行元器件的组装，包括需要气密封装的元器件。
该步骤中所述LTCC基板进行元器件的组装是指将所需的元件及器件组装在LTCC基板上，组装方式有粘接、钎料焊接、金丝/金带键合，LTCC基板堆叠焊接面一侧只能将元器件装配在腔体里面，且高度不能高于LTCC基板表面。
步骤6、将两片组装好的LTCC基板的堆叠装配面对准，通过加热实现两片LTCC基板表面焊盘之间的钎料焊接。
该步骤中所述将LTCC基板的堆叠装配面对准，是指通过夹具或视觉对位设备，将两片LTCC基板的焊盘彼此精确对准，对位精度需控制在30μm以内。
步骤7、对LTCC基板边缘的焊缝进行清理和焊料补足，保证焊接的气密性。
该步骤中所述对LTCC基板边缘的焊缝进行清理和焊料补足，是对位于LTCC基板边缘的焊缝进行多余焊料清理和欠缺焊料补充，焊料补充利用电烙铁即可完成。
步骤8、对LTCC基板进行气密性检测，若气密未达标，则对LTCC基板边缘的气密焊接区域进行焊接返修，直到气密合格。
该步骤中所述气密性检测是指利用氦气倍压法，对封装好的堆叠LTCC基板进行气密性测试，并根据产品尺寸和标准要求对气密性进行合格性评判；该步骤中所述焊接返修，是指对LTCC基板边缘的焊接区域进行重复焊接，以实现基板堆叠的整体气密。
本发明通过钎焊工艺，一体化实现气密封装和信号垂直互联的基板堆叠方式；在容置腔体周围和LTCC基板边缘同时布置气密焊接区域的双保险气密结构；容置腔体周围设置焊料辅助容纳区域，防止多余焊料进入腔体内部的保护结构；通过预熔焊料，首创性将钎焊用于气密性焊接；通过LTCC基板边缘设置气密焊接区域，首创性对堆叠基板进行气密返修。
本发明的LTCC基板堆叠结构能够同时实现LTCC基板的气密封装和LTCC基板之间信号的垂直互联，比传统的金属盒体气密封装和BGA板间垂直互联节省更多的空间，可兼容高低频信号的板间互联，实现工艺过程也更为简单，且有较强的气密可返修性。
本发明图1为将第二LTCC基板下表面堆叠焊接到第一LTCC基板上表面上，两片基板的接触面为1-1和a-a。
本发明图2为两片LTCC基板堆叠焊接以后的剖面图，其中13为溶解在两片基板之间的焊料，14为LTCC基板内部通孔示意，15为LTCC基板内部布线示意，17为气密封装在LTCC腔体内部的元器件，16为元器件17与基板信号传输线4之间连接线。
本发明图3为第一LTCC基板的结构示意图，其中1-1和1-2分别为基板1的上表面和下表面，2为第一LTCC基板内部腔体的第一级腔体，3为台阶面上的大面积第七金属膜层，4为台阶面上的信号传输线，5为腔体的第二级腔体，6为腔体底部的第八金属膜层，7为第一LTCC基板表面用于信号垂直互联的第一焊盘，包括控制信号和射频信号，8为基板表面用于提高基板堆叠焊接强度的辅助金属膜层，包括第一辅助金属膜层81和第二辅助金属膜层82，9为用于腔体气密焊接的第二金属膜层，11为焊料辅助容纳区域的第一金属膜层，10为9第二金属膜层和11第一金属膜层之间的第一空白陶瓷焊料隔离区域，12为基板边缘用于气密焊接的第三金属膜层。
本发明图4为在第一LTCC基板上表面预融焊料示意图，7、81、82、9、12金属焊盘上均预熔焊料。
本发明图5为第二LTCC基板的结构示意图，其中a-a和a-b分别为第二LTCC基板的下表面和上表面，23为第二LTCC基板下表面用于信号垂直互联的第二焊盘，包括控制信号和射频信号，22为用于腔体气密焊接的第五金属膜层，24为大面积第六金属膜层，用于封装腔体的电磁屏蔽，25为第五金属膜层22和第六金属膜层24之间的第二空白陶瓷焊料隔离区域，第三辅助金属膜层26和第四辅助金属膜层27为第二LTCC基板表面用于提高基板堆叠焊接强度的辅助焊接区域金属膜层，21为基板边缘用于气密焊接的第四金属膜层。
本发明图6为在第二LTCC基板下表面预融焊料示意图，23、22、26、27和21金属焊盘上均预熔焊料。
为了使本技术领域技术人员能够更好地理解本发明技术方案，现特提供以下实例加以说明。
1.利用Dupont 9K7材料体系制作第一LTCC基板1，单层介质厚度为0.11mm，第一LTCC基板总厚度为2.75mm，如图3所示。第一LTCC基板上表面1-1的最上面2层为介质假层，厚度为0.22mm，假层中只布置了通孔，作为信号引出通道。第一LTCC基板上表面1-1上具有第一、二级腔体2和5，第一级腔体2的深度为0.77mm，第二级腔体5的深度为0.22mm。第一LTCC基板1的内部通孔、内层大面积第七金属膜层3和第八金属膜层6，信号传输线金属膜层4，第一、二级腔体2和5均通过LTCC常规工艺制作。
2.对烧结好的第一LTCC基板上表面1-1进行单面研磨，研磨液颗粒为4μm-6μm，研磨去除第一LTCC基板厚度为0.1mm，研磨后表面翘曲量为4μm-5μm。
3.利用印刷工艺在第一LTCC基板上表面1-1上制作图形第一焊盘7、辅助金属膜层8(包括第一辅助金属膜层81和第二辅助金属膜层82)、第二金属膜层9、第一金属膜层11和第三金属膜层12，分别作为信号互联、气密封装、强度增强的焊盘，浆料牌号为Dupont6177t，通过干燥、烧结工艺形成金属化焊盘，烧结后焊盘厚度为15μm-17μm。
4.利用Dupont 9K7材料体系制作第二LTCC基板20，单层介质厚度为0.11mm，基片总厚度为2.75mm，如图5所示。第二LTCC基板20的第二LTCC基板下表面a-a的最下面2层为介质假层，厚度为0.22mm，假层中只布置了通孔，作为信号引出通道。第二LTCC基板20的内部通孔、内部布线均通过LTCC常规工艺制作。
5.对烧结好的第二LTCC基板下表面a-a进行单面研磨，研磨液颗粒为2μm-4μm，研磨去除陶瓷介质厚度为0.1mm，研磨后表面翘曲量为4μm-5μm。
6.利用印刷工艺在第二LTCC基板下表面a-a上制作图形第二焊盘23、第五金属膜层22、第六金属膜层24、第三辅助金属膜层26、第四辅助金属膜层27和第四金属膜层21，分别作为信号互联、气密封装、强度增强的焊盘，浆料牌号为Dupont 6177t，然后通过干燥、烧结工艺形成金属化焊盘，烧结后焊盘厚度为15μm-17μm。
7.将63Sn37Pb焊膏印刷在第一LTCC基板上表面1-1的第一焊盘7、辅助金属膜层8(包括第一辅助金属膜层81和第二辅助金属膜层82)、第二金属膜层9和第三金属膜层12上，以及将63Sn37Pb焊膏印刷在第二LTCC基板20的第二LTCC基板下表面a-a的第二焊盘23、第五金属膜层22、第三辅助金属膜层26、第四辅助金属膜层27和第四金属膜层21上。通过加热实现焊料在焊盘上的均匀铺展，分别如图4和图6所示。
8.将第二LTCC基板下表面a-a上预熔过焊锡的第二焊盘23、第五金属膜层22、第三辅助金属膜层26、第四辅助金属膜层27、第四金属膜层21分别与第一LTCC基板上表面1-1上预熔过焊锡的焊盘第一焊盘7、第二金属膜层9、第一辅助金属膜层81、第二辅助金属膜层82和第三金属膜层12进行精准对位，并通过夹具对对位后的基板进行夹持固定，以防止其滑动错位。
9.将对位并固定好的第一LTCC基板1和第二LTCC基板20放进N2保护的手套箱中，通过热板对基板进行加热，热板设定温度为230℃，加热过程中观察基板边缘焊缝中焊锡充分熔化，则停止加热并进行风冷。
10.待基板冷却后，在手套箱中取下夹持基板的夹具，检查基板边缘焊缝的焊接情况，如出现焊接不良情况，则通过电烙铁进行局部的焊料补足。
11.将焊接好的基板取出手套箱，清理基板边缘的多余焊料，清理后的堆叠基板如图1所示。
12.用氦气倍压法对堆叠基板进行气密性检测，若达到产品要求，则堆叠装配完成，若没有达到标准，则重新进入N2保护的手套箱中，通过10)的方法进行返修，直至达到气密要求。
13.气密堆叠好的基板剖面图如图2所示，其中13为焊缝中的焊料，14为第一LTCC基板1中的内部通孔，15为第一LTCC基板1中的内部走线，17为气密封装的器件，16为器件17和基板腔体台阶面上信号传输线4之间的互连线。
上述实施例仅为本发明的优选实施方式之一，不应当用于限制本发明的保护范围，但凡在本发明的主体设计思想和精神上作出的毫无实质意义的改动或润色，其所解决的技术问题仍然与本发明一致的，均应当包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.LTCC基板三维堆叠结构，其特征在于，包括放置有元器件(17)的第一LTCC基板(1)，以及气密封装于所述第一LTCC基板(1)顶面的第二LTCC基板(20)；
所述第一LTCC基板(1)的顶面开设有用于放置元器件(17)的腔体，所述腔体顶面开口，所述第一LTCC基板(1)的顶面上环绕所述腔体的开口设置一层第一金属膜层(11)，在所述第一LTCC基板(1)的顶面上环绕所述第一金属膜层(11)设置第二金属膜层(9)，并且所述第一金属膜层(11)和所述第二金属膜层(9)相间分布，所述第一LTCC基板(1)的顶面四周设有第三金属膜层(12)，所述第一LTCC基板(1)的顶面上位于所述第二金属膜层(9)的两侧分别设有两个以上用于控制信号和射频信号垂直互联的第一焊盘(7)；
所述第二LTCC基板(20)的底面上，在与所述第三金属膜层(12)相对应的位置处设有一层与所述第三金属膜层(12)相配合以焊接的方式气密封装所述第一LTCC基板(1)和所述第二LTCC基板(20)的第四金属膜层(21)，所述第二LTCC基板(20)的底面上在与所述第二金属膜层(9)相对应的位置处设有一层与所述第二金属膜层(9)相配合以焊接的方式气密封装所述腔体的第五金属膜层(22)，所述第二LTCC基板(20)的底面上设有第二焊盘(23)，所述第二焊盘(23)的数量与所述第一焊盘(7)相同并且一一对应，所述第二焊盘(23)也是用于控制信号和射频信号的垂直互联，所述第二LTCC基板(20)的底面上位于所述第五金属膜层(22)内设有一层用于对所述腔体进行电磁屏蔽的第六金属膜层(24)，所述第六金属膜层(24)覆盖所述腔体顶面的开口且所述第六金属膜层(24)的四边与所述第一金属膜层(11)相对应，并且所述第六金属膜层(24)的四边与所述第一金属膜层(11)相配合以辅助气密封装所述腔体。
2.根据权利要求1所述的LTCC基板三维堆叠结构，其特征在于，所述容置腔体为两级台阶腔体，包括开设于所述第一LTCC基板(1)顶面中央的第一级腔体(2)，以及开设于所述第一级腔体(2)底面中央用于放置元器件(17)的第二级腔体(5)，所述第一级腔体(2)的台阶面上覆设有一层第七金属膜层(3)，所述第二级腔体(5)的底面覆设有一层第八金属膜层(6)，所述第七金属膜层(3)上开设有信号传输线(4)，信号传输线(4)分别通过一条连接线(16)与放置于所述第二级腔体(5)内的元器件(17)相连接。
3.根据权利要求2所述的LTCC基板三维堆叠结构，其特征在于，所述第二金属膜层(9)和所述第一金属膜层(11)之间的区域为用于对所述第二金属膜层(9)和所述第一金属膜层(11)进行隔离的第一空白陶瓷焊料隔离区域(10)，相同地，所述第五金属膜层(22)和所述第六金属膜层(24)之间的区域为用于对所述第五金属膜层(22)和所述第六金属膜层(24)进行焊料隔离的第二空白陶瓷隔离区域(25)，所述第一空白陶瓷隔离区域(10)和所述第二空白陶瓷隔离区域(25)相互配合以共同起焊料隔离作用。
4.根据权利要求3所述的LTCC基板三维堆叠结构，其特征在于，所述第一LTCC基板(1)的顶面还设有辅助金属膜层(8)，所述辅助金属膜层(8)包括第一辅助金属膜层(81)和第二辅助金属膜层(82)；
所述第二LTCC基板(20)的底面在与每一条所述第一辅助金属膜层(81)相对应的位置处分别设于一条第三辅助金属膜层(26)，所述所述第二LTCC基板(20)的底面在与每一块所述第二辅助金属膜层(82)相对应的位置处分别设于一块第四辅助金属膜层(27)。
5.根据权利要求4所述的LTCC基板三维堆叠结构，其特征在于，所述第二金属膜层(9)、所述第三金属膜层(12)、所述第四金属膜层(21)、所述第五金属膜层(22)、所有所述第一焊盘(7)、所有所述第一辅助金属膜层(81)、所有所述第二辅助金属膜层(82)、所有所述第二焊盘(23)、所有所述第三辅助金属膜层(26)和所有所述第四辅助金属膜层(27)的外表面上均预熔有一层焊料层。
6.权利要求1-5任意一项所述的LTCC基板三维堆叠结构的气密封装方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、利用常规工艺加工LTCC基板，加工时在LTCC基板的堆叠装配面增加陶瓷假层；
步骤2、对步骤1中加工好的LTCC基板的装配面进行表面研磨，获得平整表面；
步骤3、利用后烧工艺在步骤2加工好的LTCC基板装配面上制作金属化焊盘，用于钎料焊接；
步骤4、在步骤3加工好的LTCC基板焊接区域预熔焊料，并在预熔后将LTCC基板清洗干净；
步骤5、对步骤4清洗干净的LTCC基板进行元器件的组装，包括需要气密封装的元器件；
步骤6、将步骤5中两片组装好的LTCC基板的堆叠装配面对准，通过加热实现两片LTCC基板表面焊盘之间的钎料焊接；
步骤7、对步骤6中焊接好的LTCC基板边缘的焊缝进行清理和焊料补足，保证焊接的气密性；
步骤8、对步骤7中堆叠好的LTCC基板进行气密性检测，若气密未达标，则对LTCC基板边缘的气密焊接区域进行焊接返修，直到气密合格。
7.根据权利要求6所述的气密封装方法，其特征在于，在所述步骤1中，所述常规工艺是指LTCC基板制作的完整工艺流程，具体为：打孔、填孔、印刷、开腔、叠层、层压、烧结；所述陶瓷假层，是指在LTCC基板堆叠装配面一侧，增加厚度0.05-0.2mm的陶瓷层，材质与LTCC基板电路区域陶瓷相同，并且该陶瓷层不布置电路图形，只布置金属化通孔，将LTCC基板内部的信号引出到LTCC基板的表面；
在所述步骤2中，所述表面研磨，是对烧结好的LTCC基板表面的陶瓷假层进行磨平，研磨液颗粒为2μm-8μm，研磨时间、压力、转速根据具体产品进行调整，研磨去除厚度为0.05mm-0.15mm，最终实现LTCC基板表面的翘曲量小于10μm。
8.根据权利要求7所述的气密封装方法，其特征在于，在所述步骤3中，所述后烧工艺，是指在研磨后的LTCC基板表面印刷电子浆料，然后对LTCC基板进行干燥、烧结，形成表面金属化焊盘的过程，金属化焊盘的膜层厚度为10μm-50μm，且与焊料具有良好的润湿性，后烧金属化焊盘的膜层的形状位置误差在30μm以内；所述钎料焊接是指通过加热，将预先溶解在焊盘上的焊料熔化，实现焊盘之间焊接，该过程在惰性气体保护下进行，以实现芯片的气密封装；
在所述步骤4中，所述预熔焊料是指将焊料预先熔化在LTCC基板表面焊接区域的金属膜层上，预熔焊料时可以使用助焊剂，以实现焊料与金属膜层的良好润湿和均匀铺展，焊料以焊膏的形式印刷在焊区的金属膜层上，或者以焊片配合助焊剂的形式放置在焊区膜层上，焊料量根据具体的产品结构和焊缝的厚度进行控制，预熔后的焊料厚度为10μm-100μm。
9.根据权利要求8所述的气密封装方法，其特征在于，在所述步骤4中，所述LTCC基板清洗是指在焊料预熔后将LTCC基板表面的助焊剂及其它污染物清洗干净，以便于进行后道工序装配；
在所述步骤5中，所述LTCC基板进行元器件的组装是指将所需的元件及器件组装在LTCC基板上，组装方式有粘接、钎料焊接、金丝/金带键合，LTCC基板堆叠焊接面一侧只能将元器件装配在腔体里面，且高度不能高于LTCC基板表面；
在所述步骤6中，所述将LTCC基板的堆叠装配面对准，是指通过夹具或视觉对位设备，将两片LTCC基板的焊盘彼此精确对准，对位精度需控制在30μm以内。
10.根据权利要求9所述的气密封装方法，其特征在于，在所述步骤7中，所述对LTCC基板边缘的焊缝进行清理和焊料补足，是对位于LTCC基板边缘的焊缝进行多余焊料清理和欠缺焊料补充，焊料补充利用电烙铁即可完成；
在所述步骤8中，所述气密性检测是指利用氦气倍压法，对封装好的堆叠LTCC基板进行气密性测试，并根据产品尺寸和标准要求对气密性进行合格性评判；所述焊接返修，是指对LTCC基板边缘的焊接区域进行重复焊接，以实现基板堆叠的整体气密。
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