CN113300072B - 一种射频阵列前端三维集成结构及制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种射频阵列前端三维集成结构及制作方法,该结构包括从上至下依次堆叠的天线层、芯片层和电路板层。本发明实现了液冷流道与玻璃天线的一体化集成,射频芯片输出端紧贴天线基板,输入端与射频电路板垂直互连,在降低天线馈电损耗的同时解决了大规模阵列的散热问题。使用板级工艺实现大幅面天线加工以及与射频电路的低剖面三维堆叠,具有低成本优势,满足了高频、大规模阵列高密度集成的应用需求。
Description
技术领域
本发明属于微电子散热技术领域,尤其涉及一种射频阵列前端三维集成结构及制作方法。
背景技术
随着相控阵系统向着高频率、多功能、轻薄化方向发展,低剖面的平面贴片天线成为系统优选的天线结构,要求天线基材的介电常数低、损耗小,表面光洁度高,易于加工高精度图形。玻璃材料由于同时具备上述优势而成为高频相控阵系统的优选天线基材,相关专利包括CN 103782448A、CN 208723092U等。
相控阵系统的天线阵面由多个阵元组成,阵元数目越多,可实现的波束方向越多,系统功能性能更强。然而,天线阵元数量增加为系统的设计与实现带来了较大挑战,主要表现在以下几方面:
(1)随着阵元数量的增多,系统热耗上升,由于玻璃是热的不良导体,因此需要在天线与热源电路之间集成散热结构,但这样就增加了系统剖面与天线馈电损耗。
(2)天线阵面增加,晶圆级加工及晶圆键合工艺所能实现的幅面有限,难以实现大面积天线的加工以及天线、TR和控制电路的高密度三维集成。
如何将玻璃天线与散热结构进行一体化集成,在此基础上采用哪种工艺实现大幅面天线的加工,以及与有源电路的高密度三维堆叠,从而满足阵列系统低剖面、高性能的应用需求,现有技术尚未给出解决方案。
发明内容
本发明的目的在于,为克服现有技术缺陷,提供了一种射频阵列前端三维集成结构及制作方法,该集成结构实现了液冷流道与玻璃天线的一体化集成,射频芯片输出端紧贴天线基板,输入端与射频电路板垂直互连,在降低天线馈电损耗的同时解决了大规模阵列的散热问题。使用板级工艺实现大幅面天线加工以及与射频电路的低剖面三维堆叠,具有低成本优势,满足了高频、大规模阵列高密度集成的应用需求。
本发明目的通过下述技术方案来实现:
本发明提供了一种射频阵列前端三维集成结构,包括:从上至下依次堆叠的天线层、芯片层和电路板层;
所述天线层包括表面集成有辐射单元和馈电网络的内嵌微流道的玻璃天线,内嵌微流道的玻璃天线还设有进出液口;
所述芯片层包括完成射频芯片互联通孔、射频芯片有源层和射频芯片背面焊盘加工的射频芯片;
所述电路板层包括完成内层电路加工的射频电路板。
进一步的,天线层的内嵌微流道的玻璃天线内部设有贯穿玻璃天线基板的穿玻璃通孔、分流结构和阵列微流道散热结构;
辐射单元分布在玻璃基板的上表面,馈电网络分布在玻璃基板的下表面,辐射单元与馈电网络通过穿玻璃通孔实现电气互连;
阵列微流道散热结构投影方向与射频芯片安装位置对应,阵列微流道散热结构通过分流结构与进出液口互连。
进一步的,射频芯片有源层正面面向射频电路板安装,射频芯片互联通孔将信号从射频芯片有源层引导至射频芯片背面,射频芯片背面通过射频芯片背面焊盘与设置于馈电网络表面的射频芯片与天线互连结构实现互连。
进一步的,射频电路板表面设置有一层射频基板表层介质,射频电路板通过设置于射频芯片正面的微凸点与设置于射频基板表层介质表面的射频芯片与射频电路板互连结构实现互连。
进一步的,天线层与电路板层之间填充有基板间介质。基板间介质可增加封装的强度。
进一步的,在芯片层的射频芯片正面设置有底部填充层。底部填充起到固定芯片正面焊点的作用,同时防止介质材料进入芯片正面焊缝区域,因为介质材料的介电特性可能影响芯片的射频性能,所以需要专门的底部填充料。
另一方面,本发明还提供了一种射频阵列前端三维集成结构制作方法,包括以下步骤:
S1:制备内嵌微流道的玻璃天线、射频芯片和射频电路板;
S2:将射频芯片焊接在内嵌微流道的玻璃天线的下表面;
S3:将内嵌微流道的玻璃天线与射频电路板对位压合并加温固化;
S4:在内嵌微流道的玻璃天线与射频电路板之间填充基板间介质;
S4:在内嵌微流道的玻璃天线上加工进出液口。
进一步的,制备内嵌微流道的玻璃天线具体包括:
A1:提供两块玻璃基板A和玻璃基板B;
A2:在玻璃基板A表面加工微流道与分流结构腔槽;
A3:将玻璃基板A与玻璃基板B键合形成玻璃基板C;
A4:将玻璃基板C进行双面减薄抛光;
A5:在玻璃基板C上加工穿玻璃通孔;
A6:在玻璃基板C正反两面加工辐射单元图形与馈电网络,并去除进出液口对应区域射频网络层的介质;
A7:在馈电网络表面加工射频芯片与天线互连结构。
进一步的,制备射频芯片具体包括:
B1:提供完成射频芯片有源层、射频芯片互联通孔、射频芯片背面焊盘和微凸点加工的射频芯片晶圆;
B2:在射频芯片晶圆正面设置底部填充层;
B3:分片获得分立的射频芯片。
进一步的,制备射频电路板具体包括:
C1:提供完成内层电路加工的射频电路板;
C2:在射频电路板表面设置射频基板表层介质;
C3:将射频基板表层介质表面图形化,形成微凸点互连槽;
C4:在微凸点互连槽中印刷导电浆料。
本发明的有益效果在于:
(1)在玻璃天线内部集成阵列微流道散热结构,并将射频芯片的接口直接与馈电网络互连,在解决阵列散热问题的同时,保证了天线的低损耗馈电。
(2)在射频电路板表面集成液晶显示控制电路,并在天线与射频电路板之间填充液晶材料,还可实现液晶显示与阵列天线的一体化集成,满足系统多功能高密度集成的发展需求。
(3)玻璃天线加工工艺与板级封装工艺和液晶面板加工工艺相兼容,可实现大幅面天线阵面的高精度加工,玻璃天线与射频电路板的堆叠采用对位压合技术,工艺成熟,兼容性好。
附图说明
图1是射频阵列前端三维集成结构剖面示意图。
图2是内嵌微流道的玻璃天线投影示意图。
图3是内嵌微流道的玻璃天线加工过程示意图。
图4是射频芯片加工过程示意图。
图5是射频电路板加工过程示意图。
图6是内嵌微流道的玻璃天线与射频芯片集成结构剖面示意图。
图7是内嵌微流道的玻璃天线与射频电路板堆叠过程示意图。
附图标记:1-内嵌微流道的玻璃天线,2-射频芯片,3-射频电路板,4-基板间介质,5-辐射单元,6-进/出液口,7-阵列微流道散热结构,8-穿玻璃通孔,9-馈电网络,10-射频芯片与天线互连结构,11-射频芯片有源层,12-射频芯片互连通孔,13-微凸点,14-射频芯片背面焊盘,15-底部填充层,16-射频基板表层介质,17-射频芯片与射频电路板互连结构,18-分流结构。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式,本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用,本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用,在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是,在不冲突的情况下,以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是,为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面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。
因此,以下对本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围,而是仅仅表示本发明的选定实施例。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1
如图1和图2a所示,是本优选实施例提供的一种射频阵列前端三维集成结构的剖面示意图和内嵌微流道的玻璃天线投影示意图,该射频阵列前端三维集成结构包括从上至下依次堆叠的天线层、芯片层和电路板层。
其中,天线层包括表面集成有辐射单元5和馈电网络9的内嵌微流道的玻璃天线1,内嵌微流道的玻璃天线1还设有进出液口6。
天线层的内嵌微流道的玻璃天线1内部设有贯穿玻璃天线基板的穿玻璃通孔8、分流结构18和阵列微流道散热结构7。辐射单元5分布在玻璃基板的上表面,馈电网络9分布在玻璃基板的下表面,辐射单元5与馈电网络9通过穿玻璃通孔8实现电气互连。阵列微流道散热结构7投影方向与射频芯片2安装位置对应,阵列微流道散热结构7通过分流结构18与进出液口6互连。芯片层包括完成射频芯片互联通孔12、射频芯片有源层11和射频芯片背面焊盘14加工的射频芯片2。电路板层包括完成内层电路加工的射频电路板3。焊盘结构保证芯片散热面大面积紧贴天线便于散热,同时互连点用焊盘结构有比较高的互连密度。
内嵌微流道的玻璃天线基板为矩形,边长为50mm-600mm,厚度为400μm-800μm,穿玻璃通孔通孔直径为40μm-100μm。阵列微流道散热结构的微流道截面宽度为10μm-500μm,深度为50μm-500μm。分流结构的截面宽度大于微流道截面宽度,典型值为0.5mm-2mm。进/出液口的数量大于等于2个。辐射单元,穿玻璃通孔,馈电网络的导体材料为Au、Cu、Al、氧化铟锡(ITO)、铝掺杂的氧化锌(AZO)等导电薄膜。射频芯片厚度为10μm-100μm,背面焊盘材料为Cu、Ag、Au、NiAu、NiPdAu,焊盘边长/直径为100μm-500μm。正面微凸点材料为Au或Cu,微凸点直径为60μm-200μm。射频电路板为矩形,边长小于内嵌微流道的玻璃天线,材料为玻璃基板或多层高频印制板。
优选地,天线层的内嵌微流道的玻璃天线1内部设有贯穿玻璃天线基板的穿玻璃通孔8、分流结构18和阵列微流道散热结构7。辐射单元5分布在玻璃基板的上表面,馈电网络9分布在玻璃基板的下表面,辐射单元5与馈电网络9通过穿玻璃通孔8实现电气互连。阵列微流道散热结构7投影方向与射频芯片2安装位置对应,阵列微流道散热结构7通过分流结构18与进出液口6互连。
整个天线阵面中有多个热源需要微流道散热结构冷却,但是进出液口6一般会占用表面较大的面积,无法为每个热源都配一对进出液口6,因此整个阵面仅仅设置一两对进出液口6,然后通过分流网络与微流道散热结构互连来实现整个结构的进出液。
其中,内嵌微流道的玻璃天线1的玻璃天线基板为正方形,边长为400mm,厚度为500μm,穿玻璃通孔8直径为50μm,辐射单元5和阵列微流道散热结构7均呈阵列分布。
阵列微流道散热结构7的微流道截面宽度为50μm-100μm,深度为100μm-200μm。分流结构18的截面宽度为200μm-400μm。进出液口6数量为2个。
辐射单元5,穿玻璃通孔8与馈电网络9的导体材料为Cu。
优选地,射频芯片有源层11正面面向射频电路板3安装,射频芯片互联通孔12将信号从射频芯片有源层11引导至射频芯片2背面,射频芯片2背面通过射频芯片背面焊盘14与设置于馈电网络9表面的射频芯片与天线互连结构10实现互连。
射频芯片2厚度为80μm,射频芯片背面焊盘14材料为Au、射频芯片背面焊盘14边长/直径为150μm-200μm。
优选地,射频电路板3表面设置有一层射频基板表层介质16,射频电路板3通过设置于射频芯片2正面的微凸点13与设置于射频基板表层介质16表面的射频芯片与射频电路板互连结构17实现互连。
微凸点13材料为Cu,微凸点13直径为80μm-100μm。射频电路板为多层高频印制板。
优选地,天线层与电路板层之间填充有基板间介质4。基板间介质4材料为聚酰亚胺(PI)、聚苯撑苯并噁唑(PBO)、苯并环丁烯树脂(BCB)。
优选地,在芯片层的射频芯片2正面设置有底部填充层15。底部填充起到固定芯片正面焊点的作用,同时防止介质材料进入芯片正面焊缝区域,因为介质材料的介电特性可能影响芯片的射频性能,所以需要专门的底部填充料。
该优选实施例提供的射频阵列前端三维集成结构,制作方法如图3至图7所示,具体包括以下步骤:
(a)如图3所示,制作内嵌微流道的玻璃天线。
首先,提供两块石英玻璃基板A和B。基板厚度为为300μm-1000μm。其次,在玻璃A基板表面加工微流道与分流结构腔槽,采用的加工工艺为干法刻蚀、湿法刻蚀或激光诱导刻蚀。接着将玻璃A与玻璃B键合形成玻璃C,采用的键合工艺为SiO2熔融键合、静电键合或氢氧化物催化键合。然后将玻璃C进行双面减薄抛光,减薄后玻璃基板C下表面距离内部微流道下表面的距离为100μm-200μm。再采用激光诱导刻蚀技术在玻璃C上加工通孔,通过深孔溅射种子层结合电镀技术将孔内壁填充金属Cu,形成导电通孔。然后采用光刻结合薄膜沉积工艺在玻璃C正面加工辐射单元图形,采用多层薄膜加工技术在玻璃C反面加工馈电网络,其中多层薄膜图形的层间介质为PI,加工工艺为真空贴膜技术。最后在馈电网络表面加工射频芯片与天线互连结构。互连结构材料为低温纳米烧结浆料或Au/In层,低温纳米烧结浆料的制备方法为印刷工艺,厚度为10μm-50μm;In/Au层的制备方法为蒸发工艺,Au层厚度为0.5μm-3μm,In层厚度为2μm-6μm。
(b)如图4所示,准备射频芯片。
首先,提供完成有源层、互连通孔、背面焊盘与正面微凸点加工的射频芯片晶圆。其次,在射频芯片晶圆正面设置底部填充层,底部填充层加工工艺为旋涂或贴膜,微凸点超出底部填充层2μm-10μm。最后分片获得分立的射频芯片。
(c)如图5准备射频电路板。
首先,提供完成内层电路加工的射频电路板。其次,使用真空贴膜工艺在射频电路板表面设置表层介质,厚度为10μm-50μm。然后使用光刻工艺将介质层表面图形化,形成微凸点互连槽,开口直径为80μm-250μm。最后在微凸点互连槽中印刷导电胶。
(d)如图6所示,将射频芯片焊接在内嵌微流道玻璃天线的下表面,焊接最高温度为150℃。
(e)如图7所示,将内嵌微流道的玻璃天线与射频电路板对位压合,并加温固化。
(f)如图7所示,在玻璃天线与射频电路板之间填充层间介质PI并固化。
(g)如图7所示,使用激光烧蚀工艺加工进出液口。
本优选实施例提供的射频阵列前端三维集成结构,阵列辐射天线应用于相控阵,在玻璃天线内部集成阵列微流道散热结构,并将射频芯片的接口直接与馈电网络互连,在解决阵列散热问题的同时,保证了天线的低损耗馈电。玻璃天线加工工艺与板级封装工艺和液晶面板加工工艺相兼容,可实现大幅面天线阵面的高精度加工,玻璃天线与射频电路板的堆叠采用对位压合技术,工艺成熟,兼容性好。
实施例2
如图1和图2b所示是本优选实施例提供的另一种射频阵列前端三维集成结构的剖面示意图和内嵌微流道的玻璃天线投影示意图,与实施例1结构相同部分不再进行赘述。
射频电路板为玻璃基板时,可集成液晶显示控制电路。
如图2b所示,玻璃天线基板为正方形,边长为400mm,厚度为500μm,穿玻璃通孔通孔直径为50μm,辐射单元5和阵列微流道散热结构7分布在基板的两侧,中间区域用于液晶显示。
阵列微流道散热结构的微流道截面宽度为50μm-100μm,深度为100μm-200μm。分流结构的截面宽度为200μm-400μm。进/出液口数量为4个。
辐射单元5、穿玻璃通孔8与馈电网络9的导体材料为ITO或AZO。
射频芯片厚度为20μm,背面焊盘材料为Au、焊盘边长/直径为150μm-200μm。正面微凸点材料为Cu,微凸点直径为100μm-200μm。
射频电路板3为玻璃基板,基板表面中间区域已集成液晶显示控制电路,包括薄膜晶体管,像素电极存储电容等,图中未示出。
基板间介质4材料为液晶材料。
该优选实施例提供的射频阵列前端三维集成结构,制作方法如图3至图7所示,具体包括以下步骤:
(A)如图3所示,制作内嵌微流道的玻璃天线。
首先,提供两块玻璃基板A和B。玻璃基板材料为硼硅玻璃片,基板厚度为300μm-1000μm。其次,在玻璃A基板表面加工微流道与分流结构腔槽,采用的加工工艺为干法刻蚀、湿法刻蚀或激光诱导刻蚀。接着将玻璃A与玻璃B键合形成玻璃C,采用的键合工艺为SiO2熔融键合、静电键合或氢氧化物催化键合。然后将玻璃C进行双面减薄抛光,减薄后玻璃基板C下表面距离内部微流道下表面的距离为100μm-200μm。再采用激光诱导刻蚀技术在玻璃C上加工通孔,通过原子层沉积技术在通孔内壁制作导电薄膜ITO或AZO。然后采用光刻结合薄膜沉积工艺在玻璃C正面加工辐射单元图形;在玻璃C的背面中间区域贴彩色滤光片,再采用多层薄膜加工技术加工馈电网络,馈电网络中集成液晶显示器的公共电极,其中多层薄膜图形的层间介质为PI,表层介质为配相层薄膜。最后在馈电网络表面加工射频芯片与天线互连结构。互连结构材料为低温纳米烧结浆料或Au/In层,低温纳米烧结浆料的制备方法为印刷工艺,厚度为10μm-50μm;In/Au层的制备方法为蒸发工艺,Au层厚度为0.5μm-3μm,In层厚度为2μm-6μm。
(B)如图4所示,准备射频芯片。
首先,提供完成有源层、互连通孔、背面焊盘与正面微凸点加工的射频芯片晶圆。其次,在射频芯片晶圆正面设置底部填充层,底部填充层加工工艺为旋涂或贴膜,微凸点超出底部填充层2μm-10μm。最后分片获得分立的射频芯片。
(C)如图5准备射频电路板。
首先,提供完成液晶显示控制电路以及内部射频馈电电路加工的玻璃基板。其次,使用真空贴膜工艺在射频电路板表面设置表层介质,厚度为10μm-50μm。然后使用光刻工艺将介质层表面图形化,形成微凸点互连槽,开口直径为80μm-250μm。最后在微凸点互连槽中印刷纳米导电浆料。
(D)如图6所示,将射频芯片焊接在内嵌微流道玻璃天线的下表面,焊接最高温度为150℃。
(E)如图7所示,将内嵌微流道的玻璃天线与射频电路板对位压合,并加温固化。
(F)如图7所示,在玻璃天线与射频电路板之间填充层间介质液晶。
(G)如图7所示,使用激光烧蚀工艺加工进出液口。
本优选实施例提供的射频阵列前端三维集成结构,能够在射频电路板表面集成液晶显示控制电路,并在天线与射频电路板之间填充液晶材料,还可实现液晶显示与阵列天线的一体化集成,满足系统多功能高密度集成的发展需求。
前述本发明基本例及其各进一步选择例可以自由组合以形成多个实施例,均为本发明可采用并要求保护的实施例。本发明方案中,各选择例,与其他任何基本例和选择例都可以进行任意组合。本领域技术人员可知有众多组合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种射频阵列前端三维集成结构,其特征在于,包括:从上至下依次堆叠的天线层、芯片层和电路板层;
所述天线层包括表面集成有辐射单元(5)和馈电网络(9)的内嵌微流道的玻璃天线(1),内嵌微流道的玻璃天线(1)还设有进出液口(6),馈电网络中集成液晶显示的配相膜和公共电极;
所述芯片层包括完成射频芯片互联通孔(12)、射频芯片有源层(11)和射频芯片背面焊盘(14)加工的射频芯片(2);
所述电路板层包括完成内层电路加工的射频电路板(3);
所述射频电路板(3)包括玻璃基板,中间区域集成液晶显示控制电路,所述天线层与所述电路板层之间填充层间介质液晶,所述内嵌微流道的玻璃天线(1)和所述射频电路板(3)对位压合,所述射频电路板(3)表面设置有一层射频基板表层介质(16),射频电路板(3)通过设置于射频芯片(2)正面的微凸点(13)与设置于射频基板表层介质(16)表面的射频芯片与射频电路板互连结构(17)实现互连,所述微凸点(13)和所述射频芯片与射频电路板互连结构(17)之间的互连槽中印刷有纳米导电浆料。
2.如权利要求1所述的一种射频阵列前端三维集成结构,其特征在于,所述天线层的内嵌微流道的玻璃天线(1)内部设有贯穿玻璃天线基板的穿玻璃通孔(8)、分流结构(18)和阵列微流道散热结构(7);
辐射单元(5)分布在玻璃基板的上表面,馈电网络(9)分布在玻璃基板的下表面,辐射单元(5)与馈电网络(9)通过穿玻璃通孔(8)实现电气互连;
阵列微流道散热结构(7)投影方向与射频芯片(2)安装位置对应,阵列微流道散热结构(7)通过分流结构(18)与进出液口(6)互连。
3.如权利要求1所述的一种射频阵列前端三维集成结构,其特征在于,所述射频芯片有源层(11)正面面向射频电路板(3)安装,射频芯片互联通孔(12)将信号从射频芯片有源层(11)引导至射频芯片(2)背面,射频芯片(2)背面通过射频芯片背面焊盘(14)与设置于馈电网络(9)表面的射频芯片与天线互连结构(10)实现互连。
4.如权利要求1所述的一种射频阵列前端三维集成结构,其特征在于,在芯片层的射频芯片(2)正面设置有底部填充层(15)。
5.一种射频阵列前端三维集成结构制作方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1:制备内嵌微流道的玻璃天线(1)、射频芯片(2)和射频电路板(3);
其中,制备内嵌微流道的玻璃天线(1)具体包括:
A1:提供两块玻璃基板A和玻璃基板B;
A2:在玻璃基板A表面加工微流道与分流结构(18)腔槽;
A3:将玻璃基板A与玻璃基板B键合形成玻璃基板C;
A4:将玻璃基板C进行双面减薄抛光;
A5:在玻璃基板C上加工穿玻璃通孔(8);
A6:在玻璃基板C正反两面加工辐射单元(5)图形与馈电网络(9),在玻璃C的背面中间区域贴彩色滤光片,馈电网络中集成液晶显示器的公共电极,其表层介质为配相层薄膜,并去除进出液口(6)对应区域射频网络层的介质;
A7:在馈电网络(9)表面加工射频芯片与天线互连结构(10);
制备射频电路板(3)具体包括:
C1:提供完成内层电路加工的射频电路板(3);
C2:在射频电路板(3)表面设置射频基板表层介质(16);
C3:将射频基板表层介质(16)表面图形化,形成微凸点互连槽;
C4:在微凸点互连槽中印刷导电浆料;
S2:将射频芯片(2)焊接在内嵌微流道的玻璃天线(1)的下表面;
S3:将内嵌微流道的玻璃天线(1)与射频电路板(3)对位压合并加温固化;
S4:在内嵌微流道的玻璃天线(1)与射频电路板(3)之间填充基板间介质(4);
S5:在内嵌微流道的玻璃天线(1)上加工进出液口(6)。
6.如权利要求5所述的一种射频阵列前端三维集成结构制作方法,其特征在于,制备射频芯片(2)具体包括:
B1:提供完成射频芯片有源层(11)、射频芯片互联通孔(12)、射频芯片背面焊盘(14)和微凸点(13)加工的射频芯片晶圆;
B2:在射频芯片晶圆正面设置底部填充层(15);
B3:分片获得分立的射频芯片(2)。
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