CN111048500B - 一体化封装射频微系统组件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一体化封装射频微系统组件，包括壳体、金属焊盘、接地焊盘；壳体内具有隔板，隔板两侧为密封的第一腔体和第二腔体；隔板的顶面固定安装多个芯片，隔板的底面固定安装多个芯片，第二腔体的底面固定安装多个芯片；多个金属焊盘固定在壳体的顶面，接地焊盘固定在壳体的底面；金属焊盘与芯片连接、芯片与芯片连接、芯片与接地焊盘连接。本发明的有益效果：本发明将射频前端收发通道分成三部分，每部分所对应的相应芯片元器件分别贴装，使得发射支路与接收支路所涉及的芯片均集成于一个封装体内，形式具有小体积、重量轻、高集成度并且利于阵列扩展等优点。

Description

一体化封装射频微系统组件
技术领域
本发明涉及一种封装技术，尤其涉及的是一种一体化封装射频微系统组件。
背景技术
随着系统级封装技术和射频微系统技术的快速发展，在雷达、通信领域的射频前端组件越来越向微型化、高集成化、轻量化等方向发展。射频前端组件是现代雷达和通信设备中的重要组成部分。射频前端阵列通道和单元数量众多，少则数百，多则接近百万通道。射频前端的每个收发通道均包含发射放大、接收放大、幅相多功能、电源调制等多颗芯片，因此，射频前端组件的高集成化设计和封装对于减少整个射频前端阵列的体积、重量，提高雷达和通信设备的集成度，拓展设备的应用领域均至关重要。
传统雷达中的射频前端采用非一体化设计，即电路基板和壳体是分离的。射频电路基板一般是高温共烧陶瓷(HTCC)、低温共烧陶瓷(LTCC)、PCB基板等，而壳体一般是金属壳体。工艺上，电路基板焊到金属壳体上，芯片、元器件等焊到电路基板上，然后对金属壳体封盖实现气密性封装。这种传统封装形式的可靠性方面毋庸置疑，可是由于电路基板是二维的平面结构，最终组件的横向尺寸比较大。并且金属壳体在重量和尺寸上都难以做小，因此传统组件无法满足现代雷达、通信装备的高集成度、轻量化、小型化的要求。
如申请号：201610626411.0，公开一种射频微系统封装模块，其特征在于，包括：第一晶片，具有相对的第一晶片正面和第一晶片背面，作为所述射频微系统封装模块的基板，包含第一半导体器件层、构置于第一半导体器件层上的第一射频晶体管以及构置于第一射频晶体管和第一晶片背面间的第一晶体管底部介质层；被垂直堆叠在所述第一晶片正面之上并包含于所述第一晶片边界之内的第二晶片，其具有相对的第二晶片正面和第二晶片背面，所述第二晶片包含第二半导体器件层和构置于第二半导体器件层上的第二射频晶体管，所述第二晶片正面与第一晶片正面相对；第一介质填充片体，置于第一晶片正面上并环绕第二晶片；一组第一晶片间互连线，将第一晶片和第二晶片实现电学耦合，其中至少一个第一晶片间互连线包含一个垂直穿透第一半导体器件层并深入到第二晶片内与第二射频晶体管实现电学耦合的第一通孔互连件。其中，第一晶片与第二晶片采用的仍然是硅衬底，并未将各个模块与金属壳体进行集成。
如申请号：201810340528.1，一种超宽带射频微系统的陶瓷双面三维集成架构，其特征在于，包括陶瓷基板，金属微框，正面盖板，背面盖板以及BGA焊球：所述陶瓷基板的双面均开设有用于安装芯片的腔槽，所述金属微框焊接在陶瓷基板的正面，所述正面盖板焊接在金属微框上，所述背面盖板焊接在陶瓷基板的背面腔槽上，所述陶瓷基板的背面除背面盖板以外的区域设置有BGA焊盘，BGA焊球通过BGA焊盘焊接在陶瓷基板的背面。并未根据功能划分区区域。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于：如何解决现有的射频前端体积大的问题。
本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：
一体化封装射频微系统组件，包括壳体、多个金属焊盘、接地焊盘；壳体内中部具有隔板，隔板两侧为密封的第一腔体和第二腔体；
隔板的顶面固定安装多个控制芯片，隔板的底面固定安装多个射频芯片，第二腔体内固定安装多个射频芯片；
多个金属焊盘固定在壳体的顶面，接地焊盘固定在壳体的底面；金属焊盘与控制芯片连接，金属焊盘与隔板底面的射频芯片连接，隔板顶面的控制芯片与隔板底面的射频芯片连接，隔板底面的射频芯片与第二腔体内的射频芯片连接，第二腔体内的射频芯片与接地焊盘连接。
本发明将射频前端收发通道分成三部分，每部分所对应的相应芯片元器件分别贴装在隔板的顶面的正面、隔板的底面以及第二腔体的底面，形成三个功能层，使得发射支路与接收支路所涉及的芯片均集成于一个封装体内，该组件能够包含射频接收通道和发射通道，并具有幅相控制和电源调制等功能，这种利用一体化三维基板的堆叠封装形式具有小体积、重量轻、高集成度并且利于阵列扩展等优点，有效避免了采用传统封装形式射频前端组件的横向尺寸大、集成度低、难以进行阵列扩展等缺点；并通过金属化孔与焊盘实现信号互连，能很好满足未来轻型化射频前端的需要，有效克服传统砖块式组件重量大、体积大、不易于集成和扩充等缺陷。
优选的，所述壳体的侧壁上具有多个金属化孔；金属焊盘通过金属化孔与控制芯片连接，金属焊盘通过金属化孔与隔板底面的射频芯片连接，隔板顶面的控制芯片通过金属化孔与隔板底面的射频芯片连接，隔板底面的射频芯片通过金属化孔与第二腔体内的射频芯片连接，第二腔体内的射频芯片通过金属化孔与接地焊盘连接。
优选的，所述壳体包括第一基板、第二基板，所述第一基板为H型结构，所述第二基板为U型结构，第一基板的焊接在第二基板的顶部。第一基板与第二基板通过焊接堆叠组装而成，第一基板中部的横板为隔板。
优选的，还包括金属盖板，所述第一基板的顶面为空，金属盖板密封连接在第一基板的顶面。
金属盖板通过焊接或导电银胶粘接的方式组装至壳体顶面，实现密封。
优选的，所述金属盖板为科瓦铁镍钴合金材料制得。
优选的，还包括金属散热块，所述第二基板的底面具有通孔，金属散热块密封连接在通孔内，第二腔体内的功率器件固定安装在金属散热块顶面。
金属散热块用于实现组件在工作过程中功率器件的散热。
优选的，所述第一基板的侧壁上具有多个垂直的金属化孔，所述第二基板的侧壁上具有多个垂直的金属化孔，第二基板的底面具有多个垂直的金属化孔。
第一基板与第二基板之间的电学信号通过基板侧壁的金属化孔实现互连和传输，另外第一基板以及第二基板与外界信号的连接亦通过基板内的金属化孔实现互连。
优选的，第二腔体底面的芯片包括功率器件、射频开关芯片、限幅器、低噪声放大器；隔板顶面的芯片包括串并转换芯片、电源调制芯片；隔板底面的芯片包括幅相多功能芯片、驱动放大器、衰减器。
优选的，所述第一基板与第二基板均为HTCC多层基板制得。
HTCC为High Temperature Co-Fired Ceramic高温共烧陶瓷材料。
优选的，还包括用于与天线单元连接以传输射频信号的射频信号焊盘，射频信号焊盘固定在壳体的底面，射频信号焊盘通过金属化孔与第二腔体内的射频开关芯片连接。
本发明的优点在于：
本发明将将射频前端收发通道分成三部分，每部分所对应的相应芯片元器件分别贴装在隔板的顶面的正面、隔板的底面以及第二腔体的底面，形成三个功能层，使得发射支路与接收支路所涉及的芯片均集成于一个封装体内，该组件能够包含射频接收通道和发射通道，并具有幅相控制和电源调制等功能这种利用一体化三维基板的堆叠封装形式具有小体积、重量轻、高集成度并且利于阵列扩展等优点，有效避免了采用传统封装形式射频前端组件的横向尺寸大、集成度低、难以进行阵列扩展等缺点；并通过金属化孔与焊盘实现信号互连，实现重量轻、体积小、集成度高，能很好满足未来轻型化射频前端的需要，有效克服传统砖块式组件重量大、体积大、不易于集成和扩充等缺陷。
附图说明
图1是本发明实施例一体化封装射频微系统组件的结构示意图；
图2为一体化封装射频微系统组件的俯视图；
图3为一体化封装射频微系统组件的仰视图；
图4为一体化封装射频微系统的原理框图。
图中标号：壳体1、隔板11、金属化孔12、第一基板13、第二基板14、射频信号焊盘141、金属焊盘2、接地焊盘3、金属盖板4、金属散热块5、功率芯片6、非功率芯片与元器件7；
射频开关N1、限幅器N2、低噪声放大器N3、幅相多功能芯片N4、波控芯片N5、驱动放大器N6、衰减器N7、功率放大器N8、电源调制芯片N9。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一：
如图1、图2、图3所示，一体化封装射频微系统组件，包括壳体1、多个金属焊盘2、接地焊盘3；壳体1内中部具有横向设置的隔板11，隔板11两侧为密封的第一腔体和第二腔体；
隔板11的顶面固定安装多个控制芯片，隔板11的底面固定安装多个射频芯片，第二腔体的底面固定安装功率芯片及射频芯片；
多个金属焊盘2固定在壳体1的顶面，接地焊盘3固定在壳体1的底面，壳体1的侧壁上具有多个金属化孔12；金属焊盘2通过金属化孔12与控制芯片连接，金属焊盘通过金属化孔12与隔板底面的射频芯片连接，隔板11顶面的控制芯片通过金属化孔12与隔板11底面的射频芯片连接，隔板11底面的射频芯片通过金属化孔12与第二腔体底面的功率芯片及射频芯片连接，第二腔体底面的功率芯片及射频芯片通过金属化孔12与接地焊盘2连接。
其中，金属焊盘2作为组件的对外信号接口，可用于传输电源、电源调制信号、调幅和调相的波控信号、来自系统的射频信号以及接地信号等。接地焊盘3作为金属镀层覆盖壳体1底面的绝大部分面积，从而实现整个微系统组件的良好接地和屏蔽效果。
本实施例中，所述壳体1包括第一基板13、第二基板14，所述第一基板13为H型结构，隔板11橫置在第一基板13内，所述第二基板14为U型结构，第一基板13的焊接在第二基板14的顶部。第一基板13与第二基板14通过焊接堆叠组装而成。且所述第一基板13的侧壁上具有多个垂直的金属化孔12；所述第二基板14的侧壁上具有多个垂直的金属化孔12，第二基板14的底面具有多个垂直的金属化孔12；第一基板13与第二基板14之间的电学信号通过基板侧壁的金属化孔12实现垂直互连和传输，另外第一基板13以及第二基板14与外界信号的连接亦通过基板内的金属化孔12实现互连，对外的接口形式为金属焊盘2与接地焊盘3。第一基板13与第二基板14采用的分割形式，便于将芯片安装在隔板11上。且不限于本实施例中的分割形式，凡是上、下两块三维陶瓷基板组装在一起，实现射频前端各芯片器件的三维分布以节省空间、提高集成度的技术方案均落入本发明的保护范围。
所述第一基板13与第二基板14均为HTCC多层基板制得。HTCC为High TemperatureCo-Fired Ceramic高温共烧陶瓷材料。
如图2所示，本实施例中，一体化封装射频微系统组件还包括金属盖板4，所述第一基板13的顶面为空，并在顶面设有台阶结构，金属盖板4通过焊接或导电银胶粘接的方式密封连接在第一基板13的顶面，多个金属焊盘2布置在金属盖板4的四周，金属焊盘2根据需要与金属盖板4接触或不接触。优选的，所述金属盖板4为科瓦铁镍钴合金材料制得。金属盖板4与HTCC一体化三维基板之间采用高温焊接和封口工艺，最终形成密封性良好的完整的三维微系统组件。
如图1所示，本实施例中，一体化封装射频微系统组件还包括金属散热块5，所述第二基板14的底面具有通孔，通孔为台阶结构，金属散热块5通过焊接的方式嵌入通孔内，第二腔体内的功率器件为功率芯片6，功率芯片6固定在金属散热块5的顶面；金属散热块5用于实现组件在工作过程中功率器件的散热。
因此，所涉及的三个功能层按照具体功能划分，具体的：金属散热块5的顶面通过焊接或高导热银胶粘接的方式组装功率芯片6(如功率放大器N8)，而第二基板14除金属散热块5的其他面积部位可按需布局射频开关芯片N1、限幅器N2、低噪声放大器N3等无散热需求的射频芯片；第一基板13内的隔板11的正反两面均利用焊接或导电银胶粘接的方式组装有非功率芯片及元器件7，如隔板11的顶面可布局串并转换芯片N5、电源调制芯片N9等控制类芯片；隔板11的底面可布局幅相多功能芯片N4、驱动放大器N6、衰减器N7等射频芯片。
实施例二：
如图3所示，本实施例在上述实施例一的基础上，还包括用于与天线单元连接以传输射频信号的射频信号焊盘141，射频信号焊盘141为圆形，焊接在第二基板14的底面，接地焊盘3留有一个圆形空的区域，射频信号焊盘141焊接在圆形空区域内，并与接地焊盘3间隔布置，二者不接触，射频信号焊盘141通过金属化孔12与射频开关芯片连接。
本实施例中涉及的结构为：MMIC(Monolithic Microwave Integrated Circuit微波单片集成电路)、裸芯片、表贴IC等片式元器件、三维多层基板、金属盖板4、金属散热块5；所涉及的焊接封装工艺基于MCM(Multi Chip Module多芯片组件)技术制备而成。MCM多芯片组件技术在高密度多层互连基板上，采用微焊接和封装工艺技术组装各种微型化片式元器件和半导体集成电路芯片，形成高密度的三维立体结构的先进微电子组件的技术。
本发明将将射频前端收发通道分成三部分，每部分所对应的相应芯片元器件分别贴装在隔板11的顶面、隔板11的底面以及第二腔体的底面，形成三个功能层，使得发射支路与接收支路所涉及的芯片均集成于一个封装体内，该组件能够包含射频接收通道和发射通道，并具有幅相控制和电源调制等功能这种利用一体化三维基板的堆叠封装形式具有小体积、重量轻、高集成度并且利于阵列扩展等优点，有效避免了采用传统封装形式射频前端组件的横向尺寸大、集成度低、难以进行阵列扩展等缺点；并通过金属化孔与焊盘实现信号互连，实现重量轻、体积小、集成度高，能很好满足未来轻型化射频前端的需要，有效克服传统砖块式组件重量大、体积大、不易于集成和扩充等缺陷。
如图4所示，本实施例的具体的工作信号流程为：
接收支路：来自天线所接收到的信号经过射频开关N1后进入接收支路，信号先经过限幅器N2进行限幅以免功率过大烧坏后续低噪声放大器，然后经过低噪声放大器N3(简称LNA)的信号放大后进入幅相多功能芯片N4，最后多功能芯片N4把信号进一步放大和滤波之后送入外部接口焊盘，以提供给后续的信号处理电路板进行处理。
发射支路：来自系统的射频信号输入到多功能芯片N4中，与此同时来自系统的波控信号经过波控芯片N5(即串并转换芯片)转换为并行波控码输送给多功能芯片N4，多功能芯片N4对射频信号进行幅度和相位控制之后，把信号放大并输入到驱动放大器N6(简称驱放)以及衰减器N7中，然后经过功率放大器N8(简称功放)把信号放大到所需的功率水平，在经由射频开关N1发送到组件外部的天线单元向外发射。
电源调制旁路：在组件的工作过程中，为了有效控制组件的接收和发射状态的切换以及发射占空比的调制等，需要通过电源调制芯片N9对低噪声放大器N3、多功能芯片N4、驱动放大器N6以及功率放大器N8进行电源开关状态的切换。而电源调制芯片N9的控制信号也是由组件外部信号所提供。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一体化封装射频微系统组件，其特征在于，包括壳体、多个金属焊盘、接地焊盘；壳体内中部具有隔板，隔板两侧为密封的第一腔体和第二腔体；
隔板的顶面固定安装多个控制芯片，隔板的底面固定安装多个射频芯片，第二腔体内固定安装多个射频芯片；
多个金属焊盘固定在壳体的顶面，接地焊盘固定在壳体的底面；金属焊盘与控制芯片连接，金属焊盘与隔板底面的射频芯片连接，隔板顶面的控制芯片与隔板底面的射频芯片连接，隔板顶面的射频芯片与第二腔体内的射频芯片连接，第二腔体内的射频芯片与接地焊盘连接；所述壳体包括第一基板、第二基板，所述第一基板为H型结构，所述第二基板为U型结构，第一基板的焊接在第二基板的顶部。
2.根据权利要求1所述的一体化封装射频微系统组件，其特征在于，所述壳体的侧壁上具有多个金属化孔；金属焊盘通过金属化孔与控制芯片连接，金属焊盘通过金属化孔与隔板底面的射频芯片连接，隔板顶面的控制芯片通过金属化孔与隔板底面的射频芯片连接，隔板底面的射频芯片通过金属化孔与第二腔体内的射频芯片连接，第二腔体内的射频芯片通过金属化孔与接地焊盘连接。
3.根据权利要求1所述的一体化封装射频微系统组件，其特征在于，还包括金属盖板，金属盖板密封连接在第一基板的顶面。
4.根据权利要求3所述的一体化封装射频微系统组件，其特征在于，所述金属盖板为科瓦铁镍钴合金材料制得。
5.根据权利要求1所述的一体化封装射频微系统组件，其特征在于，还包括金属散热块，所述第二基板的底面具有通孔，金属散热块密封连接在通孔内，第二腔体底面上的功率器件固定安装在金属散热块顶面。
6.根据权利要求1所述的一体化封装射频微系统组件，其特征在于，所述第一基板的侧壁上具有多个垂直的金属化孔，所述第二基板的侧壁上具有多个垂直的金属化孔，第二基板的底面具有多个垂直的金属化孔。
7.根据权利要求1所述的一体化封装射频微系统组件，其特征在于，第二腔体底面的芯片包括功率器件、射频开关芯片、限幅器、低噪声放大器；隔板顶面的芯片包括串并转换芯片、电源调制芯片；隔板底面的芯片包括幅相多功能芯片、驱动放大器、衰减器。
8.根据权利要求1所述的一体化封装射频微系统组件，其特征在于，所述第一基板与第二基板均为HTCC多层基板制得。
9.根据权利要求2所述的一体化封装射频微系统组件，其特征在于，还包括用于与天线单元连接以传输射频信号的射频信号焊盘，射频信号焊盘固定在壳体的底面，射频信号焊盘通过金属化孔与第二腔体底面上的射频开关芯片连接。
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