CN112086371A - 宽带射频板级互连集成方法、结构及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种宽带射频板级互连集成方法、结构及装置，包括：步骤1，制作金属屏蔽结构；步骤2，在射频单元封装基板表面制作图形化焊盘，将所述金属屏蔽结构焊接至射频单元封装基板对应的焊盘图形区域，并预置焊点；步骤3，在射频母板表面制作图形化焊盘，该图形化焊盘与射频单元封装基板上的焊盘图形对应；步骤4，将载有金属屏蔽结构、焊点的所述射频单元封装基板与所述射频母板焊接，完成板级互连等；本发明完成宽带射频单元封装基板与射频母板的板级互连，可以改善驻波、降低传输损耗，缓解热失配，提升板级互连可靠性，满足射频、数字、接地等信号的灵活传输。

Description

宽带射频板级互连集成方法、结构及装置
技术领域
本发明涉及电子封装板级互连技术领域，更为具体的，涉及一种宽带射频板级互连集成方法、结构及装置。
背景技术
射频单元的系统级封装是实现产品小型化的关键技术之一，在宽带射频领域，由于低温共烧陶瓷(LTCC)具有多层灵活布线、集成无源器件内埋、宽带高频性能优异、封装气密性等优点，基于LTCC多功能陶瓷的射频单元封装得到了广泛应用。由于射频单元封装本身集成密度高，其射频和数字信号I/O接口通过陶瓷基板CBGA(陶瓷球珊网格阵列)回流焊集成在射频母板上，实现高密度信号传输。然而，多功能陶瓷基板和射频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， CBGA板级互连在经历交变温度载荷的过程中，封装内互连焊球与焊盘界面处会出现热失配导致的裂纹萌生和扩展，使信号传输中断，最终导致互连可靠性问题。
中国专利201710361137.3公布了一种微型射频连接器及其制作方法，采用LTCC9K7介质制作的类同轴射频传输结构，可用于上下基板的射频信号板间互连，但该连接器本身制作流程较复杂，且本身热膨胀系数较低，不适用于与高热膨胀系数的射频母板进行互连。中国专利201410091878.0 公布了一种射频微机电器件板级互连封装结构及其封装方法，使互连与封装一体化，但主要应用于微机电器件芯片的封装与互连，不满足大尺寸的宽带射频系统级封装板级互连的应用需求。中国专利201210595679.4公布了一种基于外围垂直互连技术的叠层型3D-MCM结构，该结构通过在MCM 外围焊接互连焊点实现板间互连，此种结构难以实现同轴、宽带射频传输。
部分研究文献中，一些数字类封装为了提升板级互连在交变温度载荷下的可靠性，采用底部填充、封装基板四角局部点胶来固定保护，但采用底部填充胶或局部点胶固定会增加传输损耗，影响射频性能，且返修性差，不利于工程应用；也有通过采用大尺寸高铅焊球、铅柱等提升互连高度，一定程度上提升了板级互连的耐温度冲击寿命和可靠性，但仅采用大尺寸焊球或焊点虽然在一定程度会减少板级互连焊点的应力和应变，但互连高度增加会带来射频传输信号的泄露，还会对板级互连的耐机械冲击性产生不利影响。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种宽带射频板级互连集成方法、结构及装置，通过微电铸工艺实现金属屏蔽结构，该金属屏蔽结构与其中心的焊球(或焊点)形成类同轴宽带射频传输结构，通过焊球 (或焊点)和金属屏蔽结构组合焊接的方法，完成宽带射频单元封装基板与射频母板的板级互连，可以改善驻波、降低传输损耗，缓解热失配，提升板级互连可靠性，满足射频、数字、接地等信号的灵活传输。
本发明的目的是通过以下方案实现的：
一种宽带射频板级互连集成方法，包括：
步骤1，制作金属屏蔽结构；
步骤2，在射频单元封装基板表面制作图形化焊盘，将所述金属屏蔽结构焊接至射频单元封装基板对应的焊盘图形区域，并预置焊点；
步骤3，在射频母板表面制作图形化焊盘，该图形化焊盘与射频单元封装基板上的焊盘图形对应；
步骤4，将载有金属屏蔽结构、焊点的所述射频单元封装基板与所述射频母板焊接，完成板级互连。
进一步地，步骤4中所述金属屏蔽结构及其中心的互连焊点形成的类同轴射频传输结构用于宽带射频信号地传输，除金属屏蔽结构及其中心的互连焊点以外的其余区域的互连焊点用于数字信号传输和接地。
进一步地，步骤2中所述金属屏蔽结构成型后的热膨胀系数控制在 10ppm/℃～15ppm/℃之间。
进一步地，所述金属屏蔽结构中的屏蔽孔半径R2与屏蔽孔中心互连焊点半径R1满足50欧姆匹配关系。
进一步地，所述金属屏蔽结构尺寸和排布位置可调；且所述金属屏蔽结构能用于射频单元封装基板中任意有射频信号传输要求的区域。
一种结构，该结构设有屏蔽孔，该屏蔽孔半径R2与孔中心互连焊点半径R1满足50欧姆匹配关系，该结构与该结构中心的互连焊点形成类同轴射频传输结构。
一种装置，包括金属屏蔽结构、射频单元封装基板和射频母板；射频单元封装基板通过金属屏蔽结构与射频母板焊接；所述金属屏蔽结构的屏蔽孔半径R2与孔中心互连焊点半径R1满足50欧姆匹配关系，该结构与该结构中心的互连焊点形成类同轴射频传输结构。
进一步地，包括铅柱，射频单元封装基板通过铅柱与射频母板焊接；所述金属屏蔽结构、铅柱、射频单元封装基板以及射频母板的局部区域形成密闭空间的空气环介质。
进一步地，在所述结构表面设有镍金层。
进一步地，包括第一图形化焊盘、第二图形化焊盘；第一图形化焊盘设置在射频单元封装基板上，第二图形化焊盘设置在射频母板上并与第一图形化焊盘对应。
本发明的有益效果是：
(1)本发明采用金属屏蔽孔及其中心位置焊球或焊点形成的射频同轴结构，可以改善驻波、降低传输损耗，实现宽带射频传输频段 DC～35GHz。
(2)本发明金属屏蔽结构的材料热膨胀系数10ppm/℃～15ppm/℃，介于射频封装基板(热膨胀系数约7ppm/℃)和射频母板(热膨胀系数约20ppm/℃)之间，极大地缓解了热失配。
(3)本发明将射频信号传输分布在封装基板边角区域，通过金属屏蔽结构大面积焊接和焊球或焊点焊接组合的方式，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。
(4)本发明根据需要，金属屏蔽结构尺寸和排布位置可调，可以满足更灵活的封装设计需求，满足射频、数字、接地等信号的灵活传输。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，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是采用微电铸工艺实现的金属屏蔽结构外观示意图；
图2是宽带射频封装基板的俯视示意图，阴影部分为图形化焊盘；
图3是宽带射频封装基板的图形化焊盘区域印刷完锡铅焊膏的等轴测视图，阴影部分为焊膏；
图4是宽带射频封装基板焊接完金属屏蔽结构和高铅焊点后的等轴测视图，金属屏蔽结构及其孔中心的高铅焊点形成了50欧姆匹配的同轴射频传输结构；
图5是宽带射频封装基板焊接完金属屏蔽结构和高铅焊点后的剖面结构示意图。
图6是射频母板的俯视示意图，阴影部分为图形化焊盘；
图7是射频母板的图形化焊盘区域印刷完锡铅焊膏的等轴测视图，阴影部分为焊膏；
图8是宽带射频封装基板与射频母板的板级集成示意等轴测视图，先将预置好金属屏蔽结构和高铅焊点的射频封装单元与射频母板对准，再通过回流炉焊接完成板级互连；
图9是宽带射频封装基板与射频母板完成板级互连集成后的剖面结构示意图；
图10是宽带射频封装基板与射频母板完成板级互连集成后的剖视图；
图11是高可靠宽带射频板级互连集成后的信号互连场景示意图，其中实线代表射频信号传输，虚线代表数字信号或接地信号传输；
图12是本发明的方法步骤流程图；
图中，1-金属屏蔽结构，2-射频单元封装基板，3-第一图形化焊盘，4- 锡铅焊膏，5-铅柱，6-锡铅焊料，7-射频母板，8-第二图形化焊盘，9-空气环介质，10-射频信号传输，11-数字与接地信号传输。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。本说明书中公开的所有特征，或隐含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。
一种宽带射频板级互连集成方法，包括：
步骤1，制作金属屏蔽结构；
步骤2，在射频单元封装基板表面制作图形化焊盘，将所述金属屏蔽结构焊接至射频单元封装基板对应的焊盘图形区域，并预置焊点；
步骤3，在射频母板表面制作图形化焊盘，该图形化焊盘与射频单元封装基板上的焊盘图形对应；
步骤4，将载有金属屏蔽结构、焊点的所述射频单元封装基板与所述射频母板焊接，完成板级互连。
进一步地，步骤4中所述金属屏蔽结构及其中心的互连焊点形成的类同轴射频传输结构用于宽带射频信号地传输，除金属屏蔽结构及其中心的互连焊点以外的其余区域的互连焊点用于数字信号传输和接地。
进一步地，步骤2中所述金属屏蔽结构成型后的热膨胀系数控制在 10ppm/℃～15ppm/℃之间。
进一步地，所述金属屏蔽结构中的屏蔽孔半径R2与屏蔽孔中心互连焊点半径R1满足50欧姆匹配关系。
进一步地，所述金属屏蔽结构尺寸和排布位置可调；且所述金属屏蔽结构能用于射频单元封装基板中任意有射频信号传输要求的区域。
一种结构，该结构设有屏蔽孔，该屏蔽孔半径R2与孔中心互连焊点半径R1满足50欧姆匹配关系，该结构与该结构中心的互连焊点形成类同轴射频传输结构。
一种装置，包括金属屏蔽结构1、射频单元封装基板2和射频母板7；射频单元封装基板2通过金属屏蔽结构1与射频母板7焊接；所述金属屏蔽结构1的屏蔽孔半径R2与孔中心互连焊点半径R1满足50欧姆匹配关系，该结构与该结构中心的互连焊点形成类同轴射频传输结构。
进一步地，包括铅柱5，射频单元封装基板2通过铅柱5与射频母板7 焊接；所述金属屏蔽结构1、铅柱5、射频单元封装基板2以及射频母板7 的局部区域形成密闭空间的空气环介质9。
进一步地，在所述结构表面设有镍金层。
进一步地，包括第一图形化焊盘3、第二图形化焊盘8；第一图形化焊盘3设置在射频单元封装基板2上，第二图形化焊盘8设置在射频母板7 上并与第一图形化焊盘3对应。
如图1所示，一种宽带射频板级互连集成方法，包括：
步骤1，制作金属屏蔽结构；
采用微电铸工艺制作金属屏蔽结构，金属屏蔽结构表面进行表面化镀镍金处理，表面金层厚度0.5um～1um。该结构平面尺寸不小于4.5mm× 4.5mm但不超过8mm×8mm，典型厚度H在0.45mm～2.1mm之间，平面度小于0.05mm；
所选用的金属屏蔽结构材料不限于某一金属或合金材料，但成型后的热膨胀系数为10ppm/℃～15ppm/℃，介于LTCC基板和射频母板之间，起到热失配缓冲作用。
步骤2，在射频单元封装基板表面制作图形化焊盘，将所述金属屏蔽结构焊接至射频单元封装基板对应的焊盘图形区域，并预置焊点；
通过后烧工艺在射频单元封装基板表面制作图形化焊盘，焊盘金属层材料采用6277型钯银浆料，厚度约10um，焊盘表面化镀镍钯金，厚度约 0.5um，满足可焊性要求；
优选地，采用LTCC多层共烧陶瓷作为射频封装基板，封装基板尺寸不小于20mm×20mm，焊盘直径范围0.5mm～0.89mm。
步骤3，在射频母板表面制作图形化焊盘，该图形化焊盘与射频单元封装基板上的焊盘图形对应；
将金属屏蔽结构焊接至封装基板对应的焊盘图形区域，并预置焊球(或焊点)，直径范围0.45mm～0.8mm。要求预置焊球(或焊点)的平面位置精度控制在0.1mm以内，特别的，金属屏蔽结构孔中心及其内部预置的焊球 (或焊点)中心同轴度不超过0.05mm；特别的，金属屏蔽结构中的屏蔽孔半径R2与孔中心互连焊球(或焊点)半径R1满足50欧姆匹配关系，用于实现DC～35GHz的宽带射频同轴传输结构，其余区域的焊球(或焊点)用于数字信号传输和接地；金属屏蔽结构的厚度H可随互连焊球(或焊点) 的高度尺寸进行调整，但H所造成的步骤(6)中的射频传输损耗不超过 0.5dB，驻波不超过1.5；射频母板表面制作图形化焊盘，该图形化焊盘与射频单元封装基板上的焊盘图形一致，焊盘材料为厚度约40um的铜，焊盘表面化镀镍金，厚度约0.5um，满足可焊性要求。
步骤4，将载有金属屏蔽结构、焊点的所述射频单元封装基板与所述射频母板焊接，完成板级互连。
通过工装夹具对位精度控制在0.1mm以内，将载有金属屏蔽结构和焊球(或焊点)的射频封装基板与射频母板过回流炉焊接，完成板级互连，焊接完成后，该集成方法同时满足：金属屏蔽结构孔及其中心的互连焊球 (或焊点)形成类同轴射频传输结构用于宽带射频信号的传输，其余区域的互连焊球(或焊点)用于数字信号传输和接地。而金属屏蔽结构的互连焊接起到热失配缓冲和机械强度支撑作用，缓解其他区域焊球(或焊点) 所受的热应变和应力；金属屏蔽结构可用于射频单元封装基板中任何有射频信号传输要求的区域，不限于在封装基板边缘布置，实施示例仅作为实施效果的展示。
一种结构，该结构为金属屏蔽结构，用于射频单元封装基板与射频母板互连，在金属屏蔽结构表面进行镀镍金处理，表面金层厚度0.5um～1um，该结构平面尺寸不小于4.5mm×4.5mm，不超过8mm×8mm，该结构厚度 H在0.45mm～2.1mm之间，该结构平面度小于0.05mm；该结构成型后的热膨胀系数为10ppm/℃～15ppm/℃；该结构中的屏蔽孔半径R2与孔中心互连焊点半径R1满足50欧姆匹配关系，该结构及其中心的互连焊点形成的类同轴射频传输结构。
优选的，金属屏蔽结构的厚度H能够随互连焊点的高度尺寸进行调整。载有金属屏蔽结构和焊点的射频封装基板与射频母板过回流炉焊接。
焊点包括焊球和焊柱等。
实施例1
本实施例提供了一种用于高可靠的宽带射频单元板级互连集成方法，本示例中选用高铅焊点作为互连焊点，其具体实现过程包含以下步骤：
(1)如图1所示，采用微电铸工艺制作金属屏蔽结构1，优选地，平面尺寸5mm×5mm，典型厚度为0.5mm，平面度小于0.05mm。所选用的金属材料成型后热膨胀系数典型值为12ppm/℃。
(2)对图1所示的金属屏蔽结构1表面进行表面化镀镍金处理，表面金层厚度0.5um～1um。
(3)如图2所示，通过后烧工艺在射频单元封装基板2表面制作图形化焊盘3，焊盘金属层材料采用6277型钯银浆料，厚度约10um，焊盘表面化镀镍钯金，厚度约0.5um，满足可焊性要求。
(4)优选地，采用LTCC陶瓷作为射频单元封装基板2，射频单元封装基板2的尺寸为20mm×20mm，封装基板2上的圆形焊盘直径 0.6mm。
(5)如图3所示，根据射频单元封装基板2上的图形化焊盘3区域印刷锡铅焊膏4，控制印刷厚度约100um。
(6)如图4所示，将金属屏蔽结构1焊接至射频单元封装基板2对应的焊盘图形区域，并预置高铅焊点5，高铅焊点5的直径典型值0.6mm。
要求焊接的平面位置精度控制在0.1mm以内，特别的，金属屏蔽结构1孔圆心及其孔内部预置的高铅焊点5的圆心同轴度不超过
0.05mm。
(7)如图5所示，金属屏蔽结构1的孔和其圆心位置的高铅焊点5形成50
欧姆匹配的射频同轴传输结构，金属屏蔽结构1的长度L和宽度W 均为5mm，厚度H为0.5mm，金属屏蔽结构1的孔半径R2为1.6mm，
高铅焊点5的半径R1为0.3mm，满足DC～35GHz的射频信号传输，
其余区域的高铅焊点5用于数字信号传输和接地。
(8)如图7所示，射频母板7表面制作图形化焊盘8，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。 (9)如图8所示，射频母板7上的图形化焊盘8表面印刷锡铅焊膏4，控制印刷厚度约100um。
(10)如图9所示，通过工装对位，保证射频单元封装基板2上预置好的金属屏蔽结构1和高铅焊点5与射频母板7上的图形化焊盘8区域一一对应，对位精度控制在0.1mm以内。将载有金属屏蔽结构1和高铅焊点5的射频封装基板2与射频母板7过回流炉焊接，完成板级互连。
(11)如图10所示的剖视图，焊接完成后，金属屏蔽结构1、高铅焊点5、射频单元封装基板2以及射频母板7局部区域形成密闭空间的空气环介质9，可实现DC～35GHz的射频信号传输。
(12)如图11所示为本发明的信号互连场景示意图，实线部分代表射频信号传输10，虚线部分代表数字或接地信号传输11。
使用过程中，尤其是在交变温度载荷下，射频单元封装基板2边角区域的金属屏蔽结构1与高铅焊点5形成的射频同轴结构，既能满足宽带射频信号传输，又能起到强有力的机械支撑作用，减少了焊点本身所受的循环应力和变形，由于金属屏蔽结构1制作简单，尺寸可调，相应地，焊球或焊点的尺寸和间距亦可调整，可以满足更灵活的封装设计需求。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种宽带射频板级互连集成方法，其特征在于，包括：
步骤1，制作金属屏蔽结构；
步骤2，在射频单元封装基板表面制作图形化焊盘，将所述金属屏蔽结构焊接至射频单元封装基板对应的焊盘图形区域，并预置焊点；
步骤3，在射频母板表面制作图形化焊盘，该图形化焊盘与射频单元封装基板上的焊盘图形对应；
步骤4，将载有金属屏蔽结构、焊点的所述射频单元封装基板与所述射频母板焊接，完成板级互连。
2.根据权利要求1所述的宽带射频板级互连集成方法，其特征在于，步骤4中所述金属屏蔽结构及其中心的互连焊点形成的类同轴射频传输结构用于宽带射频信号地传输，除金属屏蔽结构及其中心的互连焊点以外的其余区域的互连焊点用于数字信号传输和接地。
3.根据权利要求1所述的宽带射频板级互连集成方法，其特征在于，步骤2中所述金属屏蔽结构成型后的热膨胀系数控制在10ppm/℃～15ppm/℃之间。
4.根据权利要求1～3任一所述的宽带射频板级互连集成方法，其特征在于，所述金属屏蔽结构中的屏蔽孔半径R2与屏蔽孔中心互连焊点半径R1满足50欧姆匹配关系。
5.根据权利要求4所述的宽带射频板级互连集成方法，其特征在于，所述金属屏蔽结构尺寸和排布位置可调；且所述金属屏蔽结构能用于射频单元封装基板中任意有射频信号传输要求的区域。
6.一种结构，其特征在于，该结构设有屏蔽孔，该屏蔽孔半径R2与孔中心互连焊点半径R1满足50欧姆匹配关系，该结构与该结构中心的互连焊点形成类同轴射频传输结构。
7.一种装置，其特征在于，包括金属屏蔽结构(1)、射频单元封装基板(2)和射频母板(7)；射频单元封装基板(2)通过金属屏蔽结构(1)与射频母板(7)焊接；所述金属屏蔽结构(1)的屏蔽孔半径R2与孔中心互连焊点半径R1满足50欧姆匹配关系，该结构与该结构中心的互连焊点形成类同轴射频传输结构。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，包括铅柱(5)，射频单元封装基板(2)通过铅柱(5)与射频母板(7)焊接；所述金属屏蔽结构(1)、铅柱(5)、射频单元封装基板(2)以及射频母板(7)的局部区域形成密闭空间的空气环介质(9)。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，在所述结构表面设有镍金层。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，包括第一图形化焊盘(3)、第二图形化焊盘(8)；第一图形化焊盘(3)设置在射频单元封装基板(2)上，第二图形化焊盘(8)设置在射频母板(7)上并与第一图形化焊盘(3)对应。
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