CN111029296B - 堆叠间距可控的多层基板堆叠结构的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种堆叠间距可控的多层基板堆叠结构的制备方法，属于微波电路领域，包括步骤：获取上基板和下基板之间的目标堆叠间距和初选工艺参数，目标堆叠间距为上基板下表面和下基板上表面之间的预设间距，初选工艺参数为堆叠过程中预先设定的至少一个工艺参数；根据目标堆叠间距以及初选工艺参数确定调节工艺参数，调节工艺参数用于影响焊球的高度；基于初选工艺参数和所述调节工艺参数，在上基板下表面的第一焊盘上植入焊球；将第一焊盘上的焊球通过再流焊焊接在下基板上表面的第二焊盘上。本发明提供的制备方法只需提前获取各个参数，在操作的时候对应进行调整，就能够方便的调节目标堆叠间距，实现调整虚拟金属腔体的谐振频率。

Description

堆叠间距可控的多层基板堆叠结构的制备方法

技术领域

本发明属于微波电路技术领域，更具体地说，是涉及一种堆叠间距可控的多层基板堆叠结构的制备方法。

背景技术

现代通信和雷达系统技术的快速发展，对小型化、低成本、高可靠的微波射频电路需求日趋迫切。采用堆叠集成技术，将电路元器件分层放置不同电路基板，是实现模块电路小型化的重要技术途径之一。针对堆叠集成技术，需要对电路基板之间的间距进行调节，以调整堆叠结构的电学性能。

目前，微波电路基板堆叠的方式主要有两种，一种是通过金属铝框架进行支撑，再利用绝缘子或结合引线键合实现信号垂直互联，其要通过调节金属铝框架厚度来实现对基板层间高度的控制，但是这种方式适用频率较低，不利于提升堆叠结构的性能；还有一种是采用硅通孔结合焊球或铜柱实现基板之间的互联，焊球阵列、上基板接底层和下基板接地层构成虚拟金属屏蔽腔体，这种方式本身占用空间小，更有利于模块的小型化设计，但是实现难度较大，成本较高，目前，还没有公开有效的调节多层基板堆叠结构堆叠间距的方案，而堆叠间距对于微波电路电学性能尤为重要，并且影响着基板之间高度空间的有效利用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种堆叠间距可控的多层基板堆叠结构的制备方法，以解决现有技术中存在的缺乏对微波射频电路结构中通过焊球实现互联的基板之间的间距进行调节的方法的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种堆叠间距可控的多层基板堆叠结构的制备方法，包括如下步骤：

获取上基板和下基板之间的目标堆叠间距和初选工艺参数，所述目标堆叠间距为所述上基板下表面和所述下基板上表面之间的预设间距，所述初选工艺参数为堆叠过程中预先设定的至少一个工艺参数；

根据所述目标堆叠间距以及所述初选工艺参数确定调节工艺参数，所述调节工艺参数用于影响多层基板堆叠结构中焊球的高度；

基于所述初选工艺参数和所述调节工艺参数，在所述上基板下表面的第一焊盘上植入焊球；

将所述第一焊盘上的焊球通过再流焊焊接在所述下基板上表面的第二焊盘上。

作为本申请的另一个实施例，所述焊球为熔化塌落性焊球或非塌落性焊球。

作为本申请的另一个实施例，将所述第一焊盘上的焊球通过再流焊焊接在所述下基板上表面的第二焊盘上，具体包括：

在所述下基板上表面的第二焊盘上涂覆焊膏；

将所述第一焊盘上的焊球通过再流焊焊接在所述第二焊盘上。

作为本申请的另一个实施例，当所述焊球为熔化塌落性焊球时，所述初选工艺参数为堆叠工艺参数中的至少一种，所述调节工艺参数为所述堆叠工艺参数中除所述初选工艺参数之外的一种或多种，所述堆叠工艺参数包括所述第一焊盘和所述第二焊盘的焊盘尺寸参数、所述焊球的焊球尺寸参数、所述焊膏的涂覆量参数、再流焊焊接时间参数以及上基板总重量参数。

作为本申请的另一个实施例，所述焊盘尺寸参数与所述目标堆叠间距呈反比，所述焊球尺寸参数与所述目标堆叠间距呈正比，所述涂覆量参数与所述目标堆叠间距呈正比，所述再流焊焊接时间参数与所述目标堆叠间距呈反比，所述上基板总重量参数与所述目标堆叠间距呈反比。

作为本申请的另一个实施例，当所述焊球为非塌落性焊球时，所述初选工艺参数包括所述第一焊盘和所述第二焊盘的焊盘尺寸参数、所述焊膏的涂覆量参数以及再流焊焊接时间参数，所述调节工艺参数为焊球尺寸参数；或者，所述初选工艺参数包括所述第一焊盘和所述第二焊盘的焊盘尺寸参数、所述焊球尺寸参数以及再流焊焊接时间参数，所述调节工艺参数为所述焊膏的涂覆量参数；或者，所述初选工艺参数包括所述第一焊盘和所述第二焊盘的焊盘尺寸参数以及再流焊焊接时间参数，所述调节工艺参数为所述焊膏的涂覆量参数以及所述焊球尺寸参数；所述焊球尺寸参数与所述目标堆叠间距呈正比，所述涂覆量参数与所述目标堆叠间距呈正比。

作为本申请的另一个实施例，所述焊膏包括糊状的基体及分散于所述基体中的焊料，所述焊球的熔点高于所述焊料的熔点。

作为本申请的另一个实施例，所述焊球包括球心及包覆于球心外表面上的焊料层，所述焊膏包括糊状的基体及分散于所述基体中的基体焊料，所述焊料层的熔点与所述基体焊料的熔点一致，所述球心的熔点高于所述焊料层的熔点。

作为本申请的另一个实施例，所述焊料层通过电镀方式镀覆在所述球心表面。

作为本申请的另一个实施例，所述球心为纯金属构件或塑料构件。

本发明提供的堆叠间距可控的多层基板堆叠结构的制备方法的有益效果在于：与现有技术相比，本发明堆叠间距可控的多层基板堆叠结构的制备方法，先确定上基板下表面和下基板上表面之间的预设间距，并获取初选工艺参数，通过既定的初选工艺参数和目标堆叠间距，来对调节工艺参数进行调整，调节工艺参数为多层基板堆叠结构中焊球高度的直接影响因素，通过影响焊球高度，能直接影响目标堆叠间距，在确定好各个参数后，在上基板下表面的第一焊盘上植入焊球，随后将第一焊盘上的焊球通过再流焊焊接在下基板上表面的第二焊盘上。上述方法操作简单，只需提前获取各个参数，在操作的时候对应进行调整，就能够方便的调节目标堆叠间距，在固定元器件布局和焊球阵列分布情况下，实现调整虚拟金属腔体的谐振频率，防止微波链路信号在虚拟金属腔体内发生谐振造成的电路性能恶化；另外，还能满足微波电路模块中不同高度元件在电路基板层间装配需要，使得基板之间的空间得到更合理的利用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为采用本发明实施例提供的堆叠间距可控的多层基板堆叠结构的制备方法所制备的多层基本堆叠结构的主视结构示意图；

图2为采用本发明实施例提供的堆叠间距可控的多层基板堆叠结构的制备方法所制备的多层基本堆叠结构的立体结构示意图；

图3为本发明实施例提供的采用不同焊球尺寸参数的堆叠间距可控的多层基板堆叠结构的制备方法所制备的多层基板堆叠结构的对比图；

图4为本发明实施例提供的采用不同焊盘尺寸参数的堆叠间距可控的多层基板堆叠结构的制备方法所制备的多层基板堆叠结构的对比图；

图5为本发明实施例提供的采用不同涂覆量参数的堆叠间距可控的多层基板堆叠结构的制备方法所制备的多层基板堆叠结构的对比图；

图6为本发明实施例提供的采用不同上基板总重量参数的堆叠间距可控的多层基板堆叠结构的制备方法所制备的多层基板堆叠结构的对比图。

其中，图中各附图标记：

1-上基板；2-下基板；3-第一焊盘；4-第二焊盘；5-焊球；6-焊膏；7-导电盲孔；8-内部导线；9-接地通孔；10-微波电路芯片；11-键合丝；12-外部信号端口

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请一并参阅图1及图2，现对本发明提供的堆叠间距可控的多层基板堆叠结构的制备方法进行说明。所述堆叠间距可控的多层基板堆叠结构的制备方法，包括如下步骤：

获取上基板1和下基板之2间的目标堆叠间距和初选工艺参数，目标堆叠间距为上基板1下表面和下基板2上表面之间的预设间距，初选工艺参数为堆叠过程中预先设定的至少一个工艺参数；

根据目标堆叠间距以及初选工艺参数确定调节工艺参数，所述调节工艺参数用于影响多层基板堆叠结构中焊球的高度；

基于初选工艺参数和调节工艺参数，在上基板1下表面的第一焊盘3上植入焊球5；

将第一焊盘3上的焊球5通过再流焊焊接在下基板2上表面的第二焊盘4上。

多层基板堆叠结构是指采用多个电路基板在高度方向堆叠形成的层叠结构，基板一般为多层布线基板，如薄膜多层基板、多层印刷电路基板(PCB)、HTCC基板(高温共烧陶瓷基板)、LTCC基板(低温共烧陶瓷基板)等，各层电路基板之间通过焊球实现结构堆叠和信号垂直互联，并利用由焊球阵列、上基板接底层和下基板接地层构成虚拟金属屏蔽腔体。

本发明提供的堆叠间距可控的多层基板堆叠结构的制备方法，与现有技术相比，先确定上基板1下表面和下基板2上表面之间的预设间距，并获取初选工艺参数，通过既定的初选工艺参数和目标堆叠间距，来对调节工艺参数进行调整，调节工艺参数为多层基板堆叠结构中焊球5高度的直接影响因素，通过影响焊球高度，能直接影响目标堆叠间距，在确定好各个参数后，在上基板1下表面的第一焊盘3上植入焊球5，随后将第一焊盘3上的焊球5通过再流焊焊接在下基板2上表面的第二焊盘4上。上述方法操作简单，只需提前获取各个参数，在操作的时候对应进行调整，就能够方便的调节目标堆叠间距，在固定元器件布局和焊球阵列分布情况下，实现调整虚拟金属腔体的谐振频率，防止微波链路信号在虚拟金属腔体内发生谐振造成的电路性能恶化；另外，还能满足微波电路模块中不同高度元器件在电路基板层间装配需要，使得基板之间的空间得到更合理的利用。

请一并参阅图3至图6，作为本发明提供的堆叠间距可控的多层基板堆叠结构的制备方法的一种具体实施方式，为了进一步精确控制焊球5高度的改变，第一焊盘3的尺寸与第二焊盘4的尺寸相同。

作为本发明提供的堆叠间距可控的多层基板堆叠结构的制备方法的一种具体实施方式，焊球5为熔化塌落性焊球或非塌落性焊球。

熔化塌落性焊球是指在再流焊过程焊球高度发生塌落的焊球，该种类焊球主要由Sn63Pb37、SAC305等常用焊料制备而成，焊接过程中由于焊料熔化，在上基板重力作用下都会发生高度方向的塌落，并且在横向上焊球直径变大，高度变化比可达到20％～40％。

非塌落性焊球是指在再流焊过程焊球高度不发生塌落的焊球。

作为本发明提供的堆叠间距可控的多层基板堆叠结构的制备方法的一种具体实施方式，将第一焊盘3上的焊球5通过再流焊焊接在下基板2上表面的第二焊盘4上，具体包括：

在下基板2上表面的第二焊盘4上涂覆焊膏6；

将第一焊盘3上的焊球5通过再流焊焊接在第二焊盘4上。

再流焊(Reflow Soldering)，亦称回流焊，本实施方式中通过预先在印制电路板焊接部位(焊盘)施放适量和适当形式的焊料(焊料和膏状物混合形成焊膏)，然后贴放表面组装元器件，再利用外部热源使焊料再次流动达到焊接目的，为一种成组或逐点焊接工艺。由于再流焊能根据不同的加热方法使焊料再流，实现可靠的焊接连接，进而能完全满足各类表面组装元器件对焊接的要求。

作为本发明提供的堆叠间距可控的多层基板堆叠结构的制备方法的一种具体实施方式，当焊球5为熔化塌落性焊球时，初选工艺参数为堆叠工艺参数中的至少一种，调节工艺参数为堆叠工艺参数中除所述初选工艺参数之外的一种或多种，堆叠工艺参数包括第一焊盘3和第二焊盘4的焊盘尺寸参数、焊球5的焊球尺寸参数、焊膏6的涂覆量参数、再流焊焊接时间参数以及上基板总重量参数。

具体地，作为本发明提供的堆叠间距可控的多层基板堆叠结构的制备方法的一种具体实施方式，焊盘尺寸参数与目标堆叠间距呈反比，焊球尺寸参数与目标堆叠间距呈正比，涂覆量参数与目标堆叠间距呈正比，再流焊焊接时间参数与目标堆叠间距呈反比，上基板总重量参数与目标堆叠间距呈反比。

当焊球5为熔化塌落性焊球时，第一焊盘3和第二焊盘4的焊盘尺寸参数、焊球5的焊球尺寸参数、焊膏6的涂覆量参数以及再流焊焊接时间参数均对焊球5在再流焊之后的高度有影响，具体原理为：

1)焊球5的焊球尺寸参数一般为未与第一焊盘3和第二焊盘4连接的焊球5的原始尺寸参数。参阅图3，图3中的(a)展示了具有较小焊球尺寸参数的堆叠结构在焊接后的结构图，(b)展示了具有较大焊球尺寸参数的堆叠结构在焊接后的结构图，(a)中的目标堆叠间距小于(b)中的目标堆叠间距，差值为Δh1。可见，焊球尺寸参数可决定目标堆叠间距，在同样塌落高度变化比情况下，增加焊球尺寸，再流焊后目标堆叠间距增加；反之，目标堆叠间距减小。

2)参阅图4，图4中的(a)展示了具有较小焊盘尺寸参数的堆叠结构在焊接后的结构图，(b)展示了具有较大焊盘尺寸参数的堆叠结构在焊接后的结构图，(a)中的目标堆叠间距小于(b)中的目标堆叠间距，差值为Δh2。基板的焊盘尺寸参数决定了焊球5的焊接区域的截面积，在具有相同焊球尺寸参数和基板的条件下，焊盘面积减小，焊接区截面积减小，由于焊球体积不变，因此再流焊焊后焊球5高度必然增加，从而达到调整基板层间高度的目的。

3)参阅图5，图5中的(a)展示了具有较小涂覆量参数的堆叠结构在焊接后的结构图，(b)展示了具有较大涂覆量参数的堆叠结构在焊接后的结构图，(a)中的目标堆叠间距小于(b)中的目标堆叠间距，差值为Δh3。在基板堆叠时，下层基板需预先点涂或印刷与焊球5相同成分的预设量的焊膏，焊膏用于提供再流焊过程中所需要的助焊剂，同时给焊球补充一定体积的焊料，因此，焊膏涂覆量多，则焊球5得到的焊料补给越多，再流焊后焊球5的体积(高度和横向直径)越大，反之，焊膏涂覆量少，则焊球5得到的焊料补给越少，再流焊后焊球5的体积(高度和横向直径)越小。

对于点涂焊膏模式，可以通过点膏机参数调整(气压、点膏气阀开启时间、点膏高度)进行焊膏涂覆量量控制；对于印刷焊膏模式，通过改变钢网开口尺寸、钢网厚度和印刷刮刀力度等参数进行控制。

4)在再流焊过程中，焊球熔融后，其表面张力与上基板1重力形成一个动态的力学平衡状态，最高工艺温度升高、液相线以上时间延长等情况，都会导致焊球5在高温整体停留时间延长。焊球在0.5Ts-Ts(Ts代表焊球液相线温度)的高温区间强度低，在上层基板重力作用下产生高度方向的压缩塑性和蠕变变形，停留时间延长，焊球压缩塑性和蠕变变形量(变形量与时间相关)将增加，导致焊球高度在一定程度上降低。

5)参阅图6，图6中的(a)展示了具有较大上基板总重量参数的堆叠结构在焊接后的结构图，(b)展示了具有较小上基板总重量参数的堆叠结构在焊接后的结构图，(a)中的目标堆叠间距小于(b)中的目标堆叠间距，差值为Δh4。上基板总重量越重，焊接过程中焊球5受到的压力越大，产生高度方向的压缩塑性和蠕变变形程度越大，导致最终焊球的高度降低。在调节目标堆叠间距的时候，焊盘尺寸参数、焊球5的焊球尺寸参数、焊膏6的涂覆量参数、再流焊焊接时间参数以及上基板总重量参数可以择一进行单独调整，即为调节工艺参数，剩余的三个参数均为预先设定好的初选工艺参数；也可以选择多个参数进行综合调整，多个参数为调节工艺参数，剩余的参数均为预先设定好的初选工艺参数。根据实际工艺流程，可以灵活的选择不同的参数进行调整，进而能对焊球5的高度进行有效控制。

作为本发明提供的堆叠间距可控的多层基板堆叠结构的制备方法的一种具体实施方式，当焊球5为非塌落性焊球时，焊球尺寸参数与目标堆叠间距呈正比，涂覆量参数与目标堆叠间距呈正比，初选工艺参数及调节工艺参数的选择具体可为：

1)初选工艺参数包括第一焊盘3和第二焊盘4的焊盘尺寸参数、焊膏的涂覆量参数以及再流焊焊接时间参数，调节工艺参数为焊球尺寸参数。

2)初选工艺参数包括第一焊盘3和第二焊盘4的焊盘尺寸参数、焊球尺寸参数以及再流焊焊接时间参数，调节工艺参数为焊膏的涂覆量参数。

3)初选工艺参数包括第一焊盘3和第二焊盘4的焊盘尺寸参数以及再流焊焊接时间参数，调节工艺参数为焊膏的涂覆量参数以及焊球尺寸参数。

焊球5为非塌落性焊球时，焊球5的体积在焊接过程中不会发生改变，进而无需再通过调整焊盘尺寸参数以及再流焊焊接时间参数来因影响焊球高度，能决定焊球高度的有焊球尺寸参数和焊膏的涂覆量参数，影响原理与前述的熔化塌落性焊球类似。该实施方式的参数选择范围有限，操作过程中变量较少，操作控制更加方便。

作为本发明提供的堆叠间距可控的多层基板堆叠结构的制备方法的一种具体实施方式，为了防止焊接过程中焊球发生熔融，焊膏6包括糊状的基体及分散于基体中的焊料，焊球5的熔点高于焊料的熔点。

例如，用低熔点Sn63Pb37(熔点183℃)焊料搭配不同直径的高熔点的高铅焊球，如Pb90Sn10(熔点275～302℃)、Pb80Sn20(熔点183～208℃)。低熔点焊料在再流焊过程中发生熔化、焊接从而起到连接作用，而高熔点焊球不发生熔化，保持焊球高度不变，进而起到保持目标堆叠间距一定的作用。

作为本发明提供的堆叠间距可控的多层基板堆叠结构的制备方法的一种具体实施方式，为了防止焊接过程中焊球发生熔融，焊球5包括球心及包覆于球心外表面上的焊料层，焊膏包括糊状的基体及分散于基体中的基体焊料，焊料层的熔点与基体焊料的熔点一致，球心的熔点高于焊料层的熔点。在再流焊过程中镀覆基体焊料发生熔化、焊接，而内核的纯金属球或塑料球不熔化，保持高度不变起到保持基板层间某一固定高度作用。

作为本发明提供的堆叠间距可控的多层基板堆叠结构的制备方法的一种具体实施方式，焊料层通过电镀方式镀覆在球心表面。电镀能够在球心外周包覆一层较薄的焊料层，在焊接时，焊料层熔融，但由于其厚度较薄，对焊球的整体高度也基本没有影响，进而起到保持目标堆叠间距一定的作用。

作为本发明提供的堆叠间距可控的多层基板堆叠结构的制备方法的一种具体实施方式，为提高球心熔点，同时尽量降低制造成本，球心为纯金属构件或塑料构件。

例如，采用电镀方式将不同直径的纯金属球(如铜，熔点1084℃)或塑料球，通过电镀方式将常规焊料Sn63Pb37、SnAg3.5镀覆在其表面，形成复合式的焊球。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.堆叠间距可控的多层基板堆叠结构的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

获取上基板和下基板之间的目标堆叠间距和初选工艺参数，所述目标堆叠间距为所述上基板下表面和所述下基板上表面之间的预设间距，所述初选工艺参数为堆叠过程中预先设定的至少一个工艺参数；

根据所述目标堆叠间距以及所述初选工艺参数确定调节工艺参数，所述调节工艺参数用于影响多层基板堆叠结构中焊球的高度；

基于所述初选工艺参数和所述调节工艺参数，在所述上基板下表面的第一焊盘上植入焊球；

将所述第一焊盘上的焊球通过再流焊焊接在所述下基板上表面的第二焊盘上；

所述焊球为熔化塌落性焊球或非塌落性焊球；

将所述第一焊盘上的焊球通过再流焊焊接在所述下基板上表面的第二焊盘上，具体包括：

在所述下基板上表面的第二焊盘上涂覆焊膏；

将所述第一焊盘上的焊球通过再流焊焊接在所述第二焊盘上；

当所述焊球为熔化塌落性焊球时，所述初选工艺参数为堆叠工艺参数中的至少一种，所述调节工艺参数为所述堆叠工艺参数中除所述初选工艺参数之外的一种或多种，所述堆叠工艺参数包括所述第一焊盘和所述第二焊盘的焊盘尺寸参数、所述焊球的焊球尺寸参数、所述焊膏的涂覆量参数、再流焊焊接时间参数以及上基板总重量参数；

所述焊盘尺寸参数与所述目标堆叠间距呈反比，所述焊球尺寸参数与所述目标堆叠间距呈正比，所述涂覆量参数与所述目标堆叠间距呈正比，所述再流焊焊接时间参数与所述目标堆叠间距呈反比，所述上基板总重量参数与所述目标堆叠间距呈反比；

当所述焊球为非塌落性焊球时，所述初选工艺参数包括所述第一焊盘和所述第二焊盘的焊盘尺寸参数、所述焊膏的涂覆量参数以及再流焊焊接时间参数，所述调节工艺参数为焊球尺寸参数；或者，所述初选工艺参数包括所述第一焊盘和所述第二焊盘的焊盘尺寸参数、所述焊球尺寸参数以及再流焊焊接时间参数，所述调节工艺参数为所述焊膏的涂覆量参数；或者，所述初选工艺参数包括所述第一焊盘和所述第二焊盘的焊盘尺寸参数以及再流焊焊接时间参数，所述调节工艺参数为所述焊膏的涂覆量参数以及所述焊球尺寸参数；所述焊球尺寸参数与所述目标堆叠间距呈正比，所述涂覆量参数与所述目标堆叠间距呈正比。

2.如权利要求1所述的堆叠间距可控的多层基板堆叠结构的制备方法，其特征在于：所述焊膏包括糊状的基体及分散于所述基体中的焊料，所述焊球的熔点高于所述焊料的熔点。

3.如权利要求1所述的堆叠间距可控的多层基板堆叠结构的制备方法，其特征在于：所述焊球包括球心及包覆于球心外表面上的焊料层，所述焊膏包括糊状的基体及分散于所述基体中的基体焊料，所述焊料层的熔点与所述基体焊料的熔点一致，所述球心的熔点高于所述焊料层的熔点。

4.如权利要求3所述的堆叠间距可控的多层基板堆叠结构的制备方法，其特征在于：所述焊料层通过电镀方式镀覆在所述球心表面。

5.如权利要求3所述的堆叠间距可控的多层基板堆叠结构的制备方法，其特征在于：所述球心为纯金属构件或塑料构件。

Images