CN111698824B - 一种自气密封装功能模块的一体化互联结构及实现方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种自气密封装功能模块的一体化互联结构，包括自气密封装功能模块、结构转接层、系统母板；自气密封装功能模块通过结构转接层焊接在系统母板上，自气密封装功能模块的散热微通道端口经结构转接层开窗连接至系统母板的微通道接口，自气密封装功能模块通过BAG球与系统母板实现信号互联。通过引入金属结构转接层，同时实现了自气密封装功能模块高/低频电信号的BGA垂直互联和内置微通道与系统散热通道的接口连接，一体化实现功能模块与外部系统的高/低频电气互联、散热通道接口连接，并通过结构转接层材质的优选，缓解功能模块与系统母板之间的热失配，通过增加焊接面积提高装配强度，从而提高系统整体的可靠性。

Description

一种自气密封装功能模块的一体化互联结构及实现方法
技术领域
本发明涉及封装技术领域，特别涉及一种自气密封装功能模块的一体化互联结构及实现方法。
背景技术
现有技术中，以LTCC技术为代表的多层陶瓷电路基板及其多功能封装模块，以其优异的高频性能、高的集成密度和高的可靠性等特点，在机载、星载、弹载等电子信息装备平台获得广泛应用。随着信息装备整机系统对小型化、轻量化需求的进一步提升，多功能功能单元必须实现更小的体积、更加丰富的功能、更加紧凑的互联形式，产品的集成形态逐渐由传统的混合集成向基于多层电路基板的自气密封装集成转变，模块互联形式也从传统的绝缘子、多芯接头水平转接向BGA垂直互联转变。与此同时，对于大功率功能模块而言，必须具有高效的散热能力，以保证功能模块优异的性能和良好的可靠性。
基于大功率散热的迫切需求，近年来对多层陶瓷电路基板内部集成散热微通道开展了大量的研究工作。论文“基于LTCC的微通道散热设计”中分析了在LTCC基板内部集成散热微通道的所实现的高效散热效果，专利“一种在LTCC陶瓷基板中集成内埋散热微通道的方法”公开了一种利用数控铣切结合子模块叠层在LTCC基板内部集成复杂结构内埋通道的工艺实现方法，但其通道接口形式均是在基板正面焊接垂直换接口实现，无法适用于自气密封装功能模块的互联。专利“一种强化散热三维封装结构及其封装方法”公开了一种内置微通道的强化散热的封装结构，但未涉及封装体与外部的电信号互联，且基板底部是大面积金属热沉，无法适用于功能模块电信号的BGA垂直互联，还需要配置外部散热装置和水泵，不利于小型化和轻量化集成需求。专利“一种内置微流道的高散热LTCC基板及其制造方法”公开一种含有微通道和散热金属柱的LTCC基板，以提高散热效率，专利“热源面温度均匀的微通道散热器”公开了一种由基板和盖板组成的微通道散热器结构以提高散热均匀性，专利“微通道散热器冷却多芯片系统装置”公开了一种多芯片均匀散热的冷却器，以实现多芯片组件均匀散热，专利“一种采用均热板及微通道对多热源器件散热的均温装置”中利用含有微通道的金属均热板对LTCC基板上的多芯片进行冷却，以提升散热均匀性，专利“LTCC材料微通道制造要素的反演优化方法”公开了一种基于数值运算的LTCC微通道制作工艺推演方法，用于优化微通道工艺加工效果，专利“一种温度均匀变化的微通道散热器”公开了一种利用分流结构提升散热均匀性的散热器，已提升散热均匀性，专利“一种分形集合微通道散热装置”公开了一种利用几何分形结构提升散热效率和均匀性的微通道散热器，专利“一种多圆弧微通道散热装置”公开了一种在多圆弧的微通道结构，以提高基板散热均匀性，但均未涉及电路封装、封装体与外部电气互联、微通道接口互联等工程化应用问题。论文“大功率LED散热用微通道铝基板的有限元仿真”分析优化了含有微通道的铝基板在LED应用中的散热特性，论文“基于微通道散热的大功率LED阵列的热阻研究”研究了硅基板微通道在LED应用中的热阻模型，论文“典型微通道液冷冷板散热性能试验研究”研究了金属冷板中微通道结构对散热性能的影响，论文“微通道冷板的加工工艺及散热性能研究”研究了金属微通道冷板的成型工艺和散热性能，论文“用于高功率半导体激光器列阵散热的微通道热沉的研制”中利用DBC工艺制作了无氧铜微通道热沉，用于大功率激光器的散热，论文“基于扰流的蜂窝层叠微通道热沉散热实验研究”和“基于一种微通道散热器的散热实验研究”研究了一种蜂窝状金属微通道热沉的散热效果，论文“高效散热微通道液冷冷板焊接技术及成形工艺研究”优化了铝制微通道冷板的焊接效果，这些研究多集中在有源器件或金属冷板领域，均未涉及多功能电路模块的封装以及封装体与外部系统的电气互联、微通道接口连接。
针对自气密封装功能模块产品形态变化和内部集成微通道以实现大功率散热的需求，急需开发新的互联结构及工艺实现方法，实现自气密封装功能模块与外部系统的高/低频电信号、散热微通道端口的一体化可靠互联。
发明内容
针对上述存在的问题，本发明提供了一种自气密封装功能模块的一体化互联结构，特别是内部含有散热微通道的自气密封装功能模块的一体化互联结构及实现方法，本发明的互联结构能够同时实现自气密封装模块与外部电路系统高/低频的BGA互联(射频信号屏蔽效果优于单纯BGA互联)、封装模块内部散热微通道与外部系统散热通道的连接，并且能够通过结构转接层的引入，有效缓解封装模块与系统母板的热失配，提升功能模块装配时的焊接面积，从而提高系统整体的可靠性。本发明涉及的实现方法，均较为成熟，具有良好的工艺可实现性。
本发明采用的技术方案如下：一种自气密封装功能模块的一体化互联结构，包括自气密封装功能模块、结构转接层、系统母板；
所述自气密封装功能模块包括电路基板、装配在电路基板正面的芯片以及封装在电路基板正面的自气密封装罩，所述电路基板左右两侧分别开有贯通连接孔，基板正面连接孔开孔处设有导体膜层，基板背面连接孔开孔处设有信号焊盘，所述信号焊盘上焊接有BGA球；所述芯片通过金丝分别连接至导体膜层；所述多功能基板内部集成有散热微通道，所述散热微通道端口设于基板背面；
所述结构转接层焊接在电路基板背面，所述结构转接层上进行开窗形成多个通孔，通孔位置分别对应信号焊盘和散热微通道端口；
所述自气密封装功能模块通过结构转接层焊接在系统模板上，功能模块中的散热微通道端口经结构转接层的对应通孔与系统母板上的散热微通道端口连接，功能模块通过BGA球与系统母板电气互联。
本发明还提供了一种上述一体化互联结构的实现方法，包括以下步骤：
步骤1、采用常规LTCC工艺制作电路基板形成连接孔、散热微通道及散热微通道端口，将芯片装配到电路基板的正面，采用金丝通过键合的方式进行实现连接孔与芯片的信号互联，基板背面连接孔开孔处覆盖有信号焊盘，并将自气密封装罩封装至电路基板正面完成气密封装形成自气密封装功能模块，通过信号焊盘实现自气密封装功能模块内外信号互联；
步骤2、采用常规机加工工艺制作结构转接层，所述结构转接层长宽尺寸与电路基板相同，并在结构转接层上开窗形成多个通孔；
步骤3、将结构转接层焊接在电路基板背面，使得电路基板背面的信号焊盘和散热微通道端口分别与结构转接层的通孔对应；
步骤4、将BGA球焊接在电路基板背面的信号焊盘上；
步骤5、将焊接有结构转接层和BGA球的自气密封装功能模块焊接在系统模板上，自气密封装功能模块中散热微通道端口结构转接层中对应通孔与系统母板上的散热微通道端口连接，自气密封装功能模块与通过BGA球系统母板的电气互联。
进一步的，所述步骤1中电路基板材料体系为Dupont 9K7及其配套浆料，热膨胀系数为4.4ppm/℃；
进一步的，所述步骤1中，电路基板背面除散热微通道端口和信号焊盘所处部分外均覆盖导体膜层，厚度为20μm，与金锡焊接兼容。
进一步的，所述步骤2中，所述结构转接层由可伐金属材料制成，热膨胀系数为4-20ppm/℃系数，厚度为0.2mm-0.8mm；结构转接层中与散热微通道端口对应的通孔直径为0.5mm-5mm，与焊接焊盘对应的通孔直径为0.5mm-5mm。金属薄片
进一步的，所述步骤3中，焊接方式采用金锡共晶焊接，焊接温度高于BGA球焊接于信号焊盘上的焊接温度。
进一步的，所述散热微通道端口直径为0.8mm；信号焊盘直径为0.4mm，厚度为12μm，与锡铅焊接兼容；结构转接层厚度为0.4mm，结构转接层中与散热微通道端口对应的通孔直径为2mm，与焊接焊盘对应的通孔直径为1.6mm。
进一步的，所述BGA球为直径0.45的BGA锡铅球，焊接于信号焊盘上的焊接温度低于结构转接层焊接于电路基板背面上的焊接温度。
进一步的，所述步骤5中，系统母板采用微波印制电路制成，热膨胀系数为20ppm/℃，BGA球与系统母板上的信号连接孔焊接，结构转接层除通孔位置外采用锡铅焊膏焊接在系统母板上，形成一体化互联结构；一体化焊接温度与BGA球焊焊接于信号焊盘上的焊接温度相同。
进一步的，结构转接层焊接于电路基板背面上的焊接温度为300℃；BGA球焊焊接于信号焊盘上的焊接温度的焊接温度为210℃；一体化焊接温度为210℃。
与现有技术相比，采用上述技术方案的有益效果为：本发明通过引入结构转接层，同时实现了自气密封装功能模块高/低频电信号的BGA垂直互联和内置微通道与系统母板散热通道的接口连接，该结构还实现了高频信号BGA垂直互联的全金属屏蔽，有利于提升高密度射频信号互联的电磁屏蔽效果。通过优选结构转接层的材料，能够有效缓解功能模块与系统母板之间的热失配，同时，相对于传统的BGA互联而言，该结构增加了大面积焊接区域，能够有效提升焊接强度，从而提升整个系统的可靠性。
附图说明
图1为本发明的一种自气密封装功能模块的一体化互联结构示意图。
图2为本发明的一实施例的自气密封装功能模块示意图。
图3为本发明的一实施例的自气密封装功能模块的电路基板背面示意图。
图4为本发明的一实施例的结构转接层示意图。
图5为本发明的一实施例的焊接有结构转接层的自气密封装功能模块示意图。
图6为本发明的一实施例的焊接有结构转接层和BGA球的自气密封装功能模块示意图。
附图标记：1-电路基板,2-电路基板正面导体膜层,3-连接孔,4-信号焊盘,5-散热微通道端口,6-电路基板背面导体膜层,7-电路基板背面,8-结构转接层,9-系统母板，10-芯片,11-自气密封装罩,12-金丝，13-BGA球，801-信号焊盘对应通孔，802-散热微通道端口对应通孔，901-系统母板内部导体膜层，902-系统母板散热微通端口，903-电路母板信号连接孔，
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
如图1所示，一种自气密封装功能模块的一体化互联结构，包括自气密封装功能模块、结构转接层、系统母板；所述系统母板上设有用于电气互联的导体膜层和信号连接孔，系统母板上的导体膜层与信号连接孔相连；
所述自气密封装功能模块包括电路基板、装配在电路基板正面的芯片以及封装在电路基板正面的自气密封装罩，所述电路基板左右两侧分别开有贯通连接孔，基板正面连接孔开孔处设有导体膜层，基板背面连接孔开孔处设有信号焊盘，所述信号焊盘上焊接有BGA球；所述芯片通过金丝分别连接至导体膜层；所述多功能基板内部集成有散热微通道，所述散热微通道端口设于基板背面；
所述结构转接层焊接在电路基板背面，所述结构转接层上进行开窗形成多个通孔，通孔位置分别对应信号焊盘和散热微通道端口；
所述自气密封装功能模块通过结构转接层焊接在系统模板上，功能模块中的散热微通道端口经结构转接层的对应通孔与系统母板上的散热微通道端口连接，功能模块通过BGA球与系统母板电气互联。所述电路基板背面除散热微通道端口和信号焊盘所处部分外均覆盖导体膜层。
本实施例提供了一种上述一体化互联结构的实现方法：
步骤1、采用常规LTCC工艺制作电路基板，如图2所示，完成电路图形、连接孔、散热微通道及散热微通道端口的制作，将芯片装配到电路基板的正面，采用金丝通过键合的方式进行实现连接孔与芯片的信号互联，如图3所示，基板背面连接孔开孔处覆盖有信号焊盘，并将自气密封装罩封装至电路基板正面完成气密封装形成自气密封装功能模块，通过信号焊盘实现自气密封装功能模块内外信号互联；
步骤2、采用常规机加工工艺制作结构转接层，如图4所示，所述结构转接层长宽尺寸与电路基板相同，并在结构转接层上开窗形成多个通孔；
步骤3、如图5所示，将结构转接层焊接在电路基板背面，使得电路基板背面的信号焊盘和散热微通道端口分别与结构转接层的通孔对应；
步骤4、如图6所示，将BGA球焊接在电路基板背面的信号焊盘上；
步骤5、将焊接有结构转接层和BGA球的自气密封装功能模块焊接在系统模板上，自气密封装功能模块中散热微通道端口结构转接层中对应通孔与系统母板上的散热微通道端口连接，自气密封装功能模块与通过BGA球系统母板的电气互联。
其中，结构转接层材质为可伐金属薄片，热膨胀系数应与功能模块中的基板接近，通常为4～20ppm/℃，通过常规的机加工工艺制作相应结构，并能够与金锡共晶、锡铅焊接、锡银铜焊接等焊接工艺良好兼容。
通过设置结构转接层可以缓解封装模块与系统母板的热失配，该结构增加了大面积焊接区域，能够有效提升焊接强度从而提高系统整体的可靠性。
在结构转接层上开窗的尺寸根据信号焊盘大小、射频信号传输电磁匹配性、微通道端口尺寸确定，通常为0.5mm～5mm；结构转接层的厚度与BGA球的直径匹配选择，根据装配时BGA球的塌陷限定程度设定，通常为0.2mm～0.8mm。
步骤3中，焊接时，将结构转接层与基板背面的电路图形、微通道端口进行精准对位，并将二者用钎料焊接的方式结合在一起，该步骤焊料的焊接温度应高于功能模块最终的装配焊接温度。
在一个优选实施例中，步骤3中焊接方式采用金锡共晶焊接。
步骤4中，焊接时，该环步骤的焊接温度低于结构转接层焊接在电路基板背面时的温度。
步骤5中，焊接时，需将含有结构转接层和BGA球的自气密封装功能模块与系统母板进行精准对位，并通过钎料焊接的方式将二者紧密结合；自气密封装功能模块上BGA球焊接于系统母板的信号连接孔，实现信号互联，结构转接层开窗区域的电信号互联通过BGA焊球实现，散热微通道端口在结构转接层通孔处通过钎料焊接与系统母板上的微通道接口连接，结构转接层上的非开窗区域也利用钎料焊接的方式大面积焊接在系统模板上，实现高的焊接强度；该步骤的钎料焊接温度与BGA球的焊接温度相同。
在一个优选实施例中，所述步骤1中电路基板材料体系为Dupont 9K7及其配套浆料，热膨胀系数为4.4ppm/℃；
在一个优选实施例中，电路基板背面除散热微通道端口和信号焊盘所处部分外均覆盖导体膜层，厚度为20μm，与金锡焊接兼容。
在一个优选实施例中，所述散热微通道端口直径为0.8mm；信号焊盘直径为0.4mm，厚度为12μm，与锡铅焊接兼容；结构转接层厚度为0.4mm，结构转接层中与散热微通道端口对应的通孔直径为2mm，与焊接焊盘对应的通孔直径为1.6mm；所述BGA球为直径0.45的BGA锡铅球。
在一个优选实施例中，系统母板采用微波印制电路制成，热膨胀系数为20ppm/℃，BGA球与系统母板上的信号连接孔焊接，结构转接层除通孔位置外采用锡铅焊膏焊接在系统母板上，形成一体化互联结构；一体化焊接温度与BGA球焊焊接于信号焊盘上的焊接温度相同。
在一个优选实施例中，所述结构转接层焊接于电路基板背面上的焊接温度为300℃；BGA球焊焊接于信号焊盘上的焊接温度的焊接温度为210℃；一体化焊接温度为210℃。
本发明通过引入结构转接层，同时实现了自气密封装功能模块高/低频电信号的BGA垂直互联和内置微通道与系统母板散热通道的接口连接，该结构还实现了高频信号BGA垂直互联的全金属屏蔽，有利于提升高密度射频信号互联的电磁屏蔽效果。通过优选结构转接层的材料，能够有效缓解功能模块与系统母板之间的热失配，同时，相对于传统的BGA互联而言，该结构增加了大面积焊接区域，能够有效提升焊接强度，从而提升整个系统的可靠性。本发明使用的转接层为可伐，可伐的热膨胀系数随温度变化为线性的，基板的热膨胀系数为4.4/转接层(金属薄片)为4～20/微波印制母板为20.三者堆叠起来使用热膨胀系数更匹配。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。如果本领域技术人员，在不脱离本发明的精神所做的非实质性改变或改进，都应该属于本发明权利要求保护的范围。
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

Claims (10)

1.一种自气密封装功能模块的一体化互联结构，其特征在于，包括自气密封装功能模块、结构转接层、系统母板；
所述自气密封装功能模块包括电路基板、装配在电路基板正面的芯片以及封装在电路基板正面的自气密封装罩，所述电路基板左右两侧分别开有贯通连接孔，基板正面连接孔开孔处设有导体膜层，基板背面连接孔开孔处设有信号焊盘，所述信号焊盘上焊接有BGA球；所述芯片通过金丝分别连接至导体膜层；所述电路基板内部集成有散热微通道，所述散热微通道的端口设于基板背面；
所述结构转接层焊接在电路基板背面，所述结构转接层上进行开窗形成多个通孔，通孔位置分别对应信号焊盘和散热微通道端口；
所述自气密封装功能模块通过结构转接层焊接在系统母板上，功能模块中的散热微通道端口经结构转接层的对应通孔与系统母板上的散热微通道端口连接，功能模块通过BGA球与系统母板电气互联。
2.一种自气密封装功能模块的一体化互联结构实现方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、采用常规LTCC工艺制作电路基板形成连接孔、散热微通道及散热微通道端口，将芯片装配到电路基板的正面，采用金丝通过键合的方式进行实现连接孔与芯片的信号互联，基板背面连接孔开孔处覆盖有信号焊盘，并将自气密封装罩封装至电路基板正面完成气密封装形成自气密封装功能模块，通过信号焊盘实现自气密封装功能模块内外信号互联；
步骤2、采用常规机加工工艺制作结构转接层，所述结构转接层长宽尺寸与电路基板相同，并在结构转接层上开窗形成多个通孔；
步骤3、将结构转接层焊接在电路基板背面，使得电路基板背面的信号焊盘和散热微通道端口分别与结构转接层的通孔对应；
步骤4、将BGA球焊接在电路基板背面的信号焊盘上；
步骤5、将焊接有结构转接层和BGA球的自气密封装功能模块焊接在系统母板上，自气密封装功能模块中散热微通道端口与系统母板上的散热微通道端口连接，自气密封装功能模块通过BGA球与系统母板的电气互联。
3.根据权利要求2所述的一体化互联结构实现方法，其特征在于，所述步骤1中电路基板材料体系为Dupont 9K7及其配套浆料，热膨胀系数为4.4ppm/℃。
4.根据权利要求2所述的一体化互联结构实现方法，其特征在于，步骤1中，电路基板背面除散热微通道端口和信号焊盘所处部分外均覆盖导体膜层，厚度为20μm，与金锡焊接兼容。
5.根据权利要求2-4任一所述的一体化互联结构实现方法，其特征在于，步骤2中，所述结构转接层由可伐金属材料制成，热膨胀系数为4-20ppm/℃系数，厚度为0.2mm-0.8mm；结构转接层中与散热微通道端口对应的通孔直径为0.5mm-5mm，与焊接焊盘对应的通孔直径为0.5mm-5mm。
6.根据权利要求5所述的一体化互联结构实现方法，其特征在于，步骤3中，焊接方式采用金锡共晶焊接，焊接温度高于BGA球焊接于信号焊盘上的焊接温度。
7.根据权利要求6所述的一体化互联结构实现方法，其特征在于，散热微通道端口直径为0.8mm；信号焊盘直径为0.4mm，厚度为12μm，与锡铅焊接兼容；结构转接层厚度为0.4mm，结构转接层中与散热微通道端口对应的通孔直径为2mm，与焊接焊盘对应的通孔直径为1.6mm。
8.根据权利要求7所述的一体化互联结构实现方法，其特征在于，所述BGA球为直径0.45mm的BGA锡铅球，焊接于信号焊盘上的焊接温度低于结构转接层焊接于电路基板背面上的焊接温度。
9.根据权利要求8所述的一体化互联结构实现方法，其特征在于，步骤5中，系统母板采用微波印制电路制成，热膨胀系数为20ppm/℃，BGA球与系统母板上的信号连接孔焊接，结构转接层除通孔位置外采用锡铅焊膏焊接在系统母板上，形成一体化互联结构；一体化焊接温度与BGA球焊接于信号焊盘上的焊接温度相同。
10.根据权利要求9所述的一体化互联结构实现方法，其特征在于，结构转接层焊接于电路基板背面上的焊接温度为300℃；BGA球焊接于信号焊盘上的焊接温度为210℃；一体化焊接温度为210℃。
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