CN112466864A - 一种基于高温共烧陶瓷的三维堆叠微波组件 - Google Patents

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孙彪
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Abstract

本发明公开了一种基于高温共烧陶瓷的三维堆叠微波组件，该组件包括焊接母板、底层陶瓷基座、中间层陶瓷基座、顶层陶瓷基座、BGA焊球、金属封装外壳和弹性导热材料，其中焊接母板、底层陶瓷基座、中间层陶瓷基座、顶层陶瓷基座自下至上顺次设置，焊接母板、底层陶瓷基座、中间层陶瓷基座和顶层陶瓷基座之间均采用BGA焊球互联，底层陶瓷基座、中间层陶瓷基座、顶层陶瓷基座中心位置设置有金属封装外壳，用于封装微波组件，底层陶瓷基座与中间层陶瓷基座之间、中间层陶瓷基座与顶层陶瓷基座之间设置有弹性导热材料。本发明提高了微波组件的焊接可靠性、调试过程的方便性、维修的良好性。

Description

一种基于高温共烧陶瓷的三维堆叠微波组件
技术领域
本发明涉及集成电路封装技术领域，特别是一种基于高温共烧陶瓷的三维堆叠微波组件。
背景技术
传统微波组件为二维封装设计，将MMIC芯片和元件贴装在壳体或多层PCB内部，采用金丝键合等方式实现器件和功能模块的互联，在此基础上进行复杂功能集成的设计一般较为复杂，面积较大，功能模块之间难以隔离，产品一致性较差。
另一方面，目前现有的三维堆叠封装组件的设计多采用LTCC(低温共烧陶瓷)直接堆叠实现，在内嵌有芯片、无源元件的LTCC基板上直接堆叠陶瓷基板，如专利号(CN107369627)《一种三维堆叠的气密封装方法》，其缺点是中间过程难以测试，装配密封完成后无法返修，散热能力较差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种焊接可靠性高、调试过程方便、维修性良好的基于高温共烧陶瓷的三维堆叠微波组件。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于高温共烧陶瓷的三维堆叠微波组件，包括焊接母板、底层陶瓷基座、中间层陶瓷基座、顶层陶瓷基座、BGA焊球、金属封装外壳和弹性导热材料；
所述焊接母板、底层陶瓷基座、中间层陶瓷基座、顶层陶瓷基座自下至上顺次设置；所述焊接母板、底层陶瓷基座、中间层陶瓷基座和顶层陶瓷基座之间均采用BGA焊球互联；底层陶瓷基座、中间层陶瓷基座、顶层陶瓷基座中心位置设置有金属封装外壳，用于封装微波组件；底层陶瓷基座与中间层陶瓷基座之间、中间层陶瓷基座与顶层陶瓷基座之间设置有弹性导热材料。
进一步地，所述底层陶瓷基座采用高温共烧陶瓷材料构成；所述金属封装外壳采用可伐金属材料制作，烧焊在底层陶瓷基座、中间层陶瓷基座和顶层陶瓷基座顶部，形成凸型结构的陶瓷封装模块；底层陶瓷基座和中间层陶瓷基座的金属封装外壳周围设置有BGA焊球以连接中间层陶瓷基座和顶层陶瓷基座；所述中间层陶瓷基座和顶层陶瓷基座底部掏空形成空腔结构，用于容纳底层陶瓷基座和中间层陶瓷基座凸起的金属封装外壳；所述焊接母板上底层陶瓷基座区域设置有BGA焊球以连接底层陶瓷基座；所述顶层陶瓷基座顶部做大面积铺地。
进一步地，所述BGA焊球采用带铜芯的锡焊球。
进一步地，所述底层陶瓷基座底面采用大面积BGA焊接。
进一步地，所述底层陶瓷基座与中间层陶瓷基座之间、中间层陶瓷基座与顶层陶瓷基座之间设置有弹性导热材料。
进一步地，所述基于高温共烧陶瓷的三维堆叠微波组件陶瓷封装传输高频信号的时候采用类同轴结构设计，类同轴结构是以陶瓷为介质，以圆形阵列排布的通孔作为屏蔽层，圆心位置的通孔作为信号导体，从陶瓷腔体内部直接垂直传到陶瓷底部，并在堆叠结构上进行信号的层间传输。
进一步地，所述底层陶瓷基座、中间层陶瓷基座和顶层陶瓷基座用金属框架高温钎焊到陶瓷基座上，焊接完毕清洗干净，内部芯片采用微组装工艺装配，并采用平行封焊，实现气密封装。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：(1)采用BGA焊接工艺结合陶瓷封装结构，可补偿陶瓷模块之间，以及陶瓷模块和母板之间的平整度不一致性带来的距离差，提高了焊接的可靠性；(2)每层之间独立装配，中间装配调试过程，每一层可以独立测试；(3)堆叠采用BGA焊接，如使用过程中器件出现故障也可以返修进行开盖维修，维修好再进行堆叠焊接，无需破坏陶瓷基座，可维修性良好。
附图说明
图1是本发明基于高温共烧陶瓷的三维堆叠微波组件的结构示意图。
图2是本发明的结构爆炸图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的的详细说明。
结合图1、图2，本发明一种基于高温共烧陶瓷的三维堆叠微波组件，包括焊接母板a1、底层陶瓷基座a2、中间层陶瓷基座a3、顶层陶瓷基座a4、BGA焊球a5、金属封装外壳a6和弹性导热材料a7；
所述焊接母板a1、底层陶瓷基座a2、中间层陶瓷基座a3、顶层陶瓷基座a4自下至上顺次设置；所述焊接母板a1、底层陶瓷基座a2、中间层陶瓷基座a3和顶层陶瓷基座a4之间均采用BGA焊球a5互联；底层陶瓷基座a2、中间层陶瓷基座a3、顶层陶瓷基座a4中心位置设置有金属封装外壳a6，用于封装微波组件；底层陶瓷基座a2与中间层陶瓷基座a3之间、中间层陶瓷基座a3与顶层陶瓷基座a4之间设置有弹性导热材料a7。
进一步地，所述底层陶瓷基座a2采用高温共烧陶瓷材料构成；所述金属封装外壳a6采用可伐金属材料制作，烧焊在底层陶瓷基座a2、中间层陶瓷基座a3和顶层陶瓷基座a4顶部，形成凸型结构的陶瓷封装模块；底层陶瓷基座a2和中间层陶瓷基座a3的金属封装外壳a6周围设置有BGA焊球a5以连接中间层陶瓷基座a3和顶层陶瓷基座a4；所述中间层陶瓷基座a3和顶层陶瓷基座a4底部掏空形成空腔结构，用于容纳底层陶瓷基座a2和中间层陶瓷基座a3凸起的金属封装外壳a6；所述焊接母板a1上底层陶瓷基座a2区域设置有BGA焊球a5以连接底层陶瓷基座a2；所述顶层陶瓷基座a4顶部做大面积铺地。
进一步地，所述BGA焊球a5采用带铜芯的锡焊球。
进一步地，所述底层陶瓷基座a2底面采用大面积BGA焊接，以增加散热接触面，改善散热效果。
进一步地，所述底层陶瓷基座a2与中间层陶瓷基座a3之间、中间层陶瓷基座a3与顶层陶瓷基座a4之间设置有弹性导热材料a7，以增加堆叠组件的整体散热效果。
进一步地，所述基于高温共烧陶瓷的三维堆叠微波组件陶瓷封装传输高频信号的时候采用类同轴结构设计，类同轴结构是以陶瓷为介质，以圆形阵列排布的通孔作为屏蔽层，圆心位置的通孔作为信号导体，从陶瓷腔体内部直接垂直传到陶瓷底部，并在堆叠结构上进行信号的层间传输。
进一步地，所述底层陶瓷基座a2、中间层陶瓷基座a3和顶层陶瓷基座a4用金属框架高温钎焊到陶瓷基座上，焊接完毕清洗干净，内部芯片采用微组装工艺装配，并采用平行封焊，实现气密封装。
实施例1
本发明一种基于高温共烧陶瓷的三维堆叠微波组件的生产设计流程为：以陶瓷基座作为封装主体，基于设计图形印刷电路图形，采用表面处理的薄膜进行陶瓷浆料流延，对流延好的生瓷片按照标准尺寸分切、冲孔、印刷、叠片、层压、热切、高温烧结，完成陶瓷主体，其中金属围框和陶瓷顶层采用金锡焊料烧结，陶瓷表面腔体和金属围框共同构成可安装芯片的腔体；然后腔体内部组装芯片，贴片，键合，最后采用平行封焊工艺封帽，完成每层独立的陶瓷微波模块封装，可采用毛纽扣等弹性测试夹具进行电性能测试。
对模块底部的焊盘进行BGA植球有两种方法，一种是采用夹具固定模块，植球面覆盖定位开孔的钢网，将焊球均匀铺洒在钢网表面，使焊球落入钢网开孔位置中，移开钢网，走回流焊，焊上锡球，植球完毕。另一种是用自动植球机进行植球，利用植球机的机械臂将单个锡球准确的放到焊盘上，再用植球机的激光发生器对单个焊球进行精准加热，重复这个过程，植球完毕。
最后对准每层堆叠模块的焊接位置并安置在焊接母板上，然后用根据焊接组件外形定制的夹具固定好，进行一次回流焊接，完成三维堆叠组件的焊接。

Claims (7)

1.一种基于高温共烧陶瓷的三维堆叠微波组件，其特征在于，包括焊接母板(a1)、底层陶瓷基座(a2)、中间层陶瓷基座(a3)、顶层陶瓷基座(a4)、BGA焊球(a5)、金属封装外壳(a6)和弹性导热材料(a7)；
所述焊接母板(a1)、底层陶瓷基座(a2)、中间层陶瓷基座(a3)、顶层陶瓷基座(a4)自下至上顺次设置；所述焊接母板(a1)、底层陶瓷基座(a2)、中间层陶瓷基座(a3)和顶层陶瓷基座(a4)之间均采用BGA焊球(a5)互联；底层陶瓷基座(a2)、中间层陶瓷基座(a3)、顶层陶瓷基座(a4)中心位置设置有金属封装外壳(a6)，用于封装微波组件；底层陶瓷基座(a2)与中间层陶瓷基座(a3)之间、中间层陶瓷基座(a3)与顶层陶瓷基座(a4)之间设置有弹性导热材料(a7)。
2.根据权利要求1所述的基于高温共烧陶瓷的三维堆叠微波组件，其特征在于，所述底层陶瓷基座(a2)采用高温共烧陶瓷材料构成；所述金属封装外壳(a6)采用可伐金属材料制作，烧焊在底层陶瓷基座(a2)、中间层陶瓷基座(a3)和顶层陶瓷基座(a4)顶部，形成凸型结构的陶瓷封装模块；底层陶瓷基座(a2)和中间层陶瓷基座(a3)的金属封装外壳(a6)周围设置有BGA焊球(a5)以连接中间层陶瓷基座(a3)和顶层陶瓷基座(a4)；所述中间层陶瓷基座(a3)和顶层陶瓷基座(a4)底部掏空形成空腔结构，用于容纳底层陶瓷基座(a2)和中间层陶瓷基座(a3)凸起的金属封装外壳(a6)；所述焊接母板(a1)上底层陶瓷基座(a2)区域设置有BGA焊球(a5)以连接底层陶瓷基座(a2)；所述顶层陶瓷基座(a4)顶部做大面积铺地。
3.根据权利要求1所述的基于高温共烧陶瓷的三维堆叠微波组件，其特征在于，所述BGA焊球(a5)采用带铜芯的锡焊球。
4.根据权利要求1所述的基于高温共烧陶瓷的三维堆叠微波组件，其特征在于，所述底层陶瓷基座(a2)底面采用大面积BGA焊接。
5.根据权利要求1所述的基于高温共烧陶瓷的三维堆叠微波组件，其特征在于，所述底层陶瓷基座(a2)与中间层陶瓷基座(a3)之间、中间层陶瓷基座(a3)与顶层陶瓷基座(a4)之间设置有弹性导热材料(a7)。
6.根据权利要求1所述的基于高温共烧陶瓷的三维堆叠微波组件，其特征在于，该微波组件陶瓷封装传输高频信号的时候采用类同轴结构设计，类同轴结构是以陶瓷为介质，以圆形阵列排布的通孔作为屏蔽层，圆心位置的通孔作为信号导体，从陶瓷腔体内部直接垂直传到陶瓷底部，并在堆叠结构上进行信号的层间传输。
7.根据权利要求1所述的基于高温共烧陶瓷的三维堆叠微波组件，其特征在于，所述底层陶瓷基座(a2)、中间层陶瓷基座(a3)和顶层陶瓷基座(a4)用金属框架高温钎焊到陶瓷基座上，焊接完毕清洗干净，内部芯片采用微组装工艺装配，并采用平行封焊，实现气密封装。
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