CN111933577B - 一种气密封装单元局部大面积焊接板级互连集成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种气密封装单元局部大面积焊接板级互连集成方法。本发明所涉及的焊盘增强型气密封装单元局部大面积焊接板级互连集成方法，通过HTCC工艺完成基板上增强型焊盘的制作；通过将封装基板、复合围框、盖板采用多温度梯度焊接实现气密封装；通过锡铅焊球/焊柱和复合围框结构组合焊接的方法，完成气密封装单元与系统母板的高可靠板级互连。
Description
技术领域
本发明涉及电子封装板级互联技术领域，具体涉及一种气密封装单元局部大面积焊接板级互连集成方法。
背景技术
电子整机对封装小型化、高密度、多功能性、高可靠性、大功率化等提出了更高要求，采用共烧多层陶瓷基板的系统级封装形式得到广泛青睐。这种多层陶瓷的封装与系统母板之间的信号互连通常采用球栅网格阵列(BGA)互连实现。然而，多层陶瓷基板和系统母板的热膨胀系数差异较大，随着封装功能复杂度提升、封装基板尺寸增大，在经历高低温载荷时，系统级封装陶瓷基板的焊盘处以及互连焊球处都承受热失配导致的较大的剪切应力和应变，这种应力和应变通常伴随有蠕变效应，最终使信号互连处中断，导致互连可靠性问题。
现有技术在LTCC基板需要BGA互连的表面通过后烧工艺实现代替阻焊层的外接介质结构，可以实现BGA植球，但并未考虑植球后的互连可靠性问题，由于LTCC的机械强度比较低，工程应用中发现，仅采用此种互连结构进行板级集成在受到较大的循环剪切力后，焊球局部过大应力会导致LTCC上焊盘脱落和焊盘下方的陶瓷体撕裂。现有技术在陶瓷电路基板表面设计凹坑结构，焊盘向下凹陷形成三维结构从而增加焊球的焊接面积来保证焊球的剪切强度，一定程度上提升了焊球互连的强度但在陶瓷电路基板上加工弧形凹坑或矩形凹坑尺寸精度很难控制，工程化应用困难。现有技术对焊盘尺寸和焊盘间距做出了明确要求，通过增大焊盘尺寸来提高BGA焊接强度，这样会牺牲信号传输密度，并不适用于尺寸较大的系统级封装板级互连。
其他现有技术均是从BGA焊盘结构尺寸和焊接工艺角度出发提升焊接可靠性，工程上提升空间有限。部分研究引入了底部填充、封装基板四角局部点胶来固定保护的方式，但返修性差，不利于工程应用。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种气密封装单元局部大面积焊接板级互连集成方法解决了多层陶瓷的封装与系统母板之间的信号互连可靠性不高的问题。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种气密封装单元局部大面积焊接板级互连集成方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、采用HTCC工艺制作气密封装基板；
S2、采用机加工方法制作柯伐合金微框结构和无氧铜过渡层结构，通过扩散焊的方式焊接柯伐合金微框结构和无氧铜过渡层结构，形成复合围框结构；
S3、对HTCC封装基板大面积焊盘区域与复合围框结构焊接面区域采用金锡合金进行共晶焊接，使得焊接后围框与基板焊接区域无贯穿孔洞；
S4、将柯伐合金盖板与复合围框结构顶部通过平行缝焊进行气密焊接，得到气密封装单元；
S5、在HTCC封装基板表面预置锡铅焊球/焊柱，得到预置有锡铅焊球的气密封装单元；
S6、在系统母板表面制作图形化焊盘；
S7、对系统母板的图形化焊盘区域印刷锡铅焊膏，并在系统母板上外围一圈大面积焊盘上预置锡铅焊片，得到预置有锡铅焊片的系统母板；
S8、通过工装夹具将预置有锡铅焊球的气密封装单元与预置有锡铅焊片的系统母板过回流炉焊接，完成板级互联。
进一步地：所述步骤S1的具体步骤为：
通过若干生瓷片堆叠组成封装基板，在第M层生瓷表面印刷金属化钨浆料作为HTCC基板上大面积焊盘，将第M层以上生瓷片的尺寸单边内缩W，在第N层生瓷表面印刷金属化钨浆料形成若干相同大小的HTCC基板上BGA焊盘，在HTCC基板上BGA焊盘表面化镀镍金，并在HTCC基板上BGA焊盘的顶部覆盖第N+1层生瓷，在第N+1层生瓷上通过机械冲孔实现阵列化通孔，使HTCC基板上BGA焊盘边缘一圈被空白生瓷所压覆，实现焊盘局部增强作用，通过高温共烧工艺形成一体化的封装基板；
所述单层生瓷的厚度为0.15mm，所述HTCC基板上BGA焊盘的厚度为12μm，所述镍金的厚度为0.5μm。
进一步地：所述HTCC基板上BGA焊盘的直径为D，所述生瓷通孔的直径为d，D＝d+0.3mm，所述生瓷通孔的直径d为0.5mm～0.89mm，所述封装基板的长边尺寸为20mm～30mm。
进一步地：所述步骤S2中的无氧铜过渡层结构的厚度可根据封装设计中选取的焊球/焊柱的高度进行调整。
进一步地：所述步骤S4中在气密焊接之前在HTCC封装基板表面完成功能器件的集成组装。
进一步地：所述步骤S5中锡铅焊球/焊柱的直径为0.45mm～0.8mm，所述锡铅焊球/焊柱的剖面位置精度在0.1mm以内，所述锡铅焊球/焊柱所组成的阵列的顶部平整度在0.05mm以内。
进一步地：所述步骤S6中的图形化焊盘包括外围一圈大面积焊盘和系统母板上BGA焊盘，所述系统母板上BGA焊盘的材料为厚度40μm的铜，所述系统母板上BGA焊盘表面化镀镍金，所述镍金的厚度为0.5μm。
进一步地：所述步骤S7中锡铅焊膏的印刷厚度为100μm，所述锡铅焊片的厚度可随焊球/焊柱的高度进行调整。
进一步地：所述步骤S8中工装夹具的对位精度在0.1mm以内。
本发明的有益效果为：本发明所涉及的焊盘增强型气密封装单元局部大面积焊接板级互连集成方法，通过HTCC工艺完成基板上增强型焊盘的制作；通过将封装基板、复合围框、盖板采用多温度梯度焊接实现气密封装；通过锡铅焊球/焊柱和复合围框结构组合焊接的方法，完成气密封装单元与系统母板的高可靠板级互连。与现有技术相比，本发明所提出的板级互连集成方法有以下优点：
(1)采用高结构强度的HTCC封装基板，通过高温共烧空白瓷阻焊限定结构提升基板信号互连处的焊盘抗拉与抗剪强度，极大程度减少了焊盘受外力脱落或撕裂，从而提升板级互连可靠性。
(2)HTCC基板、复合围框结构、盖板完成焊接后满足气密性封装的要求，可实现裸芯片的封装。
(3)提出了一种复合围框结构，该结构由柯伐合金微框和无氧铜过渡层结构扩散焊实现，焊接界面强度高。而无氧铜的热膨胀系数(～16ppm/℃)与系统母板(～19ppm/℃)的热膨胀系数非常接近，大面积焊接时极大地缓解了热失配造成的内部应力。
(4)将气密封装单元信号传输BGA焊盘区域内缩，通过复合围框结构大面积焊接和焊球/焊柱焊接组合的方式，有效降低互连焊点在交变温度载荷下的剪切应变，大幅提升宽带射频板级互连耐温度冲击可靠性。
附图说明
图1为本发明流程图；
图2为本发明中HTCC生瓷叠层结构示意图；
图3为本发明中共烧后的HTCC封装基板剖面结构示意图；
图4为本发明中共烧后的HTCC封装基板的等轴测视图；
图5为本发明中柯伐合金微框与无氧铜过渡层扩散焊后形成复合围框结构的等轴测视图；
图6为本发明中复合围框结构的剖面结构示意图；
图7为本发明中HTCC封装基板与复合围框结构对焊过程的等轴测视图；
图8为本发明中HTCC封装基板与复合围框结构焊接完成后的剖面结构示意图；
图9为本发明中HTCC封装基板与复合围框结构焊接完成后气密封盖形成气密封装单元的剖面结构示意图；
图10为本发明中气密封装单元中HTCC基板焊盘表面预置焊球等轴测示图；
图11为本发明中气密封装单元中HTCC基板焊盘表面预置焊球剖面结构示意图；
图12为本发明中系统母板表面制作图形化焊盘的俯视图；
图13为本发明中系统母板表面焊盘印刷焊膏后预置焊片的等轴测视图；
图14为本发明中气密封装单元与系统母板完成板级互连后的剖面结构示意图；
图15为本发明中焊盘增强型气密封装单元局部大面积焊接板级互连集成方法的应用场景示意图。
其中：1、生瓷片，2、金属化钨浆料，3、HTCC气密封装基板，4、HTCC基板上大面积焊盘，5、HTCC基板上BGA焊盘，6、柯伐合金微框结构，7、无氧铜过渡层结构，8、扩散焊界面，9、复合围框与HTCC大面积对焊面，10、Au80Sn20焊料，11、柯伐合金盖板，12、锡铅焊球，13、系统母板，14、系统母板上大面积焊盘，15、系统母板上BGA焊盘，16、锡铅焊膏，17、锡铅焊片，18、锡铅焊料，19、芯片及器件，20、信号传输线。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1所示，一种气密封装单元局部大面积焊接板级互连集成方法，包括以下步骤：
本实施例中选用锡铅焊球作为互连焊点。
S1、采用HTCC工艺制作气密封装基板；如图2～图4所示，采用共烧工艺制作HTCC气密封装基板3，通过该基板的金属焊盘处采用阻焊限定结构增强焊盘局部强度，具体为：单层生瓷片1的厚度0.15mm，在第M层表面印刷金属化钨浆料2作为HTCC基板上大面积焊盘4，第M层以上生瓷结构尺寸单边内缩W，在第N层生瓷片1表面印刷金属化钨浆料2作为HTCC基板上BGA焊盘5，焊盘厚度约12um，焊盘表面化镀镍金，厚度约0.5um，满足可焊性要求。
特别地，HTCC基板上BGA焊盘5的直径为D，并在其顶部覆盖第N+1层生瓷片1，顶部的第N+1层生瓷通过机械冲孔实现阵列化通孔，通孔直径为d，D＝d+0.3mm，保证第N层HTCC基板上BGA焊盘5边缘一圈被空白生瓷片所压覆，实现局部增强作用，通过高温共烧工艺形成一体化的封装基板；生瓷片通孔直径d范围为0.6mm，封装基板尺寸20mm×20mm。
S2、如图5和图6所示，采用机加工方法制作柯伐合金微框结构6和无氧铜过渡层结构7，表面镀金0.5um～1um，通过扩散焊的方式焊接柯伐合金微框结构和无氧铜过渡层结构，形成复合围框结构；其中柯伐合金微框结构6材料采用柯伐合金(热膨胀系数～5ppm/℃)，无氧铜过渡层结构7采用无氧铜(热膨胀系数～16ppm/℃)，采用无氧铜可极大地减小与系统母板13的热膨胀系数差异，无氧铜过渡层结构厚度H为0.54mm。
S3、对HTCC封装基板大面积焊盘区域与复合围框结构焊接面区域采用金锡合金进行共晶焊接，使得焊接后围框与基板焊接区域无贯穿孔洞；如图7和图8所示，完成HTCC封装基板上大面积焊盘4区域、复合围框与HTCC大面积对焊面9区域的共晶焊接，焊接界面材料采用Au80Sn20合金，保证复合围框与HTCC气密封装基板3焊接区域无贯穿孔洞。
S4、如图9所示，将柯伐合金盖板11与复合围框结构顶部通过平行缝焊进行气密焊接，得到气密封装单元；特别地，在封盖之前可以在HTCC气密封装基板3表面完成功能器件的集成组装；
S5、如图10和图11所示，在HTCC封装基板3表面预置锡铅焊球12，锡铅焊球直径0.6mm，要求焊接的平面位置精度控制在0.1mm以内，得到预置有锡铅焊球的气密封装单元；
S6、如图12所示，在系统母板13表面制作图形化焊盘，包括外围一圈系统母板上大面积焊盘14和系统母板上BGA焊盘15，焊盘材料为厚度40um的铜，焊盘表面化镀镍金，厚度约0.5um，满足可焊性要求。
S7、如图13所示，对系统母板13的图形化焊盘区域印刷锡铅焊膏16，印刷厚度约100um，并在系统母板13上外围一圈大面积焊盘14上预置锡铅焊片17，所选的锡铅焊片17厚度H为0.54mm，得到预置有锡铅焊片的系统母板；
S8、通过工装夹具对位，保证HTCC气密封装基板3上预置好的锡铅焊球12与系统母板13上的焊盘图形区域一一对应，对位精度控制在0.1mm以内将如图14所示，预置有锡铅焊球的气密封装单元与预置有锡铅焊片的系统母板过回流炉焊接，完成板级互联。
如图15所示，为本发明的信号互连场景示意图，裸芯片及器件19通过粘接或者焊接方式集成在HTCC气密封装基板3上，虚线部分代表信号传输线20，可以是射频信号、数字信号或接地信号。
使用过程中，尤其是在交变温度载荷下，复合围框中的无氧铜过渡层结构与气密封装单元边角区域大面积焊接区域起到强有力的机械支撑作用，极大缓冲了锡铅焊球本身所受的循环剪切应力和变形。HTCC气密封装基板上的焊盘增强结构也极大地提升力焊盘的抗拉和抗剪强度，复合围框中的无氧铜过渡层结构厚度可调，能灵活适应不同焊球尺寸的板级互连。
Claims (9)
1.一种气密封装单元局部大面积焊接板级互连集成方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、采用HTCC工艺制作气密封装基板；
S2、采用机加工方法制作柯伐合金微框结构和无氧铜过渡层结构，通过扩散焊的方式焊接柯伐合金微框结构和无氧铜过渡层结构，形成复合围框结构；
S3、对HTCC封装基板大面积焊盘区域与复合围框结构焊接面区域采用金锡合金进行共晶焊接，使得焊接后围框与基板焊接区域无贯穿孔洞；
S4、将柯伐合金盖板与复合围框结构顶部通过平行缝焊进行气密焊接，得到气密封装单元；
S5、在HTCC封装基板表面预置锡铅焊球/焊柱，得到预置有锡铅焊球的气密封装单元；
S6、在系统母板表面制作图形化焊盘；
S7、对系统母板的图形化焊盘区域印刷锡铅焊膏，并在系统母板上外围一圈大面积焊盘上预置锡铅焊片，得到预置有锡铅焊片的系统母板；
S8、通过工装夹具将预置有锡铅焊球的气密封装单元与预置有锡铅焊片的系统母板过回流炉焊接，完成板级互联；
所述步骤S1的具体步骤为：
通过若干生瓷堆叠组成封装基板，在第M层生瓷表面印刷金属化钨浆料作为HTCC基板上大面积焊盘，将第M层以上生瓷的尺寸单边内缩W，在第N层生瓷表面印刷金属化钨浆料形成若干相同大小的HTCC基板上BGA焊盘，在HTCC基板上BGA焊盘表面化镀镍金，并在HTCC基板上BGA焊盘的顶部覆盖第N+1层生瓷，在第N+1层生瓷上通过机械冲孔实现阵列化通孔，使HTCC基板上BGA焊盘边缘一圈被空白生瓷所压覆，实现焊盘局部增强作用，通过高温共烧工艺形成一体化的封装基板。
2.根据权利要求1所述的气密封装单元局部大面积焊接板级互连集成方法，其特征在于，所述单层生瓷的厚度为0.15mm，所述HTCC基板上BGA焊盘的厚度为12μm，所述镍金的厚度为0.5μm。
3.根据权利要求1所述的气密封装单元局部大面积焊接板级互连集成方法，其特征在于，所述HTCC基板上BGA焊盘的直径为D，所述生瓷通孔的直径为d，D＝d+0.3mm，所述生瓷通孔的直径d为0.5mm～0.89mm，所述封装基板的长边尺寸为20mm～30mm。
4.根据权利要求1所述的气密封装单元局部大面积焊接板级互连集成方法，其特征在于，所述步骤S2中的无氧铜过渡层结构的厚度可根据封装设计中选取的焊球/焊柱的高度进行调整。
5.根据权利要求1所述的气密封装单元局部大面积焊接板级互连集成方法，其特征在于，所述步骤S4中在气密焊接之前在HTCC封装基板表面完成功能器件的集成组装。
6.根据权利要求1所述的气密封装单元局部大面积焊接板级互连集成方法，其特征在于，所述步骤S5中锡铅焊球/焊柱的直径为0.45mm～0.8mm，所述锡铅焊球/焊柱的剖面位置精度在0.1mm以内，所述锡铅焊球/焊柱所组成的阵列的顶部平整度在0.05mm以内。
7.根据权利要求1所述的气密封装单元局部大面积焊接板级互连集成方法，其特征在于，所述步骤S6中的图形化焊盘包括外围一圈大面积焊盘和系统母板上BGA焊盘，所述系统母板上BGA焊盘的材料为厚度40μm的铜，所述系统母板上BGA焊盘表面化镀镍金，所述镍金的厚度为0.5μm。
8.根据权利要求1所述的气密封装单元局部大面积焊接板级互连集成方法，其特征在于，所述步骤S7中锡铅焊膏的印刷厚度为100μm，所述锡铅焊片的厚度可随焊球/焊柱的高度进行调整。
9.根据权利要求1所述的气密封装单元局部大面积焊接板级互连集成方法，其特征在于，所述步骤S8中工装夹具的对位精度在0.1mm以内。
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