CN113438831A - 一种任意层互联内埋芯片微波多功能组件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及雷达电子功能部件制造技术领域，具体涉及一种任意层互联内埋芯片微波多功能组件及其制造方法，包含数字层和微带层共计16层以上；数字部分采用HDI积层工艺，微带层部分使用微波PCB工艺制造，与芯片电气互连的图形使用LDI配合真空蚀刻的方法，形成与芯片焊端匹配的焊盘尺寸；内埋芯片通过焊接或粘接的方法，与上层微带层连通，并对焊端位置进行保护，芯片顶面贴具有一定柔性和弹性的导热胶膜；通过任意层互连方式将下层数字层和上层微带层合而为一，绝缘层为热固性半固化片。本发明有效解决了有效解决采用传统二维互连多功能板元器件表面安装密度低、电气布线密度低、散热路径长、散热能力有限等问题。

Description

一种任意层互联内埋芯片微波多功能组件及其制造方法
技术领域
本发明涉及雷达电子功能部件制造技术领域，具体涉及一种任意层互联内埋芯片微波多功能组件及其制造方法。
背景技术
随着军事电子设备向超小型化、多功能、高性能化和高频高速化的发展趋势，相控阵雷达对其关键组成一体化片式可扩充天线模块和全数字有源相控阵雷达数字阵列模块的集成度要求越来越高。传统砖式系统互连的方式不能适应新型机载的高密度、小型化需求，传统天线+T/R组件+功分器+矩阵开关+波束网络+波控+校正网络+数字阵列模块的天线单元模式，直接集成为单个多功组件的模式，因此对多功能组件中的板级互连提出更高要求。
元器件已实现多芯片的3D堆叠，如何实现多功能板内多层布线的一体化和融合化，已成为制约多功能组件组装密度进一步提高的瓶颈。传统多功能板上的元器件的安装方法为表面上二维安装(表面安装，SMT)，已不能满足多功组件的元器件密度，因此需要提供一种元器件三维安装的方法，使元器件与其连接线路实现一体化和融合化。
内埋芯片的多功能组件具有使系统具有更高密度化或微小型化、提高系统功能的可靠性、改善信号传输的性能、提高散热能力等诸多优点。在民用高速传输领域，以环氧树脂(FR4)、BT树脂、聚酰亚胺(PI)等为数字基材的HDI板已进行裸芯片的内埋，但多功能组件使用的多功能板为微波/数字混压体系，基材为聚四氟乙烯(PTFE)为主，加工性能、加工温度与数字基材差异很大。在多功能板内实现内埋芯片，且实现任意层互连，可使互连密度提高30％，加工装配稳定可靠、工艺流程简单快捷、电讯指标优良、可靠性高，其设计和工艺难度非常大，相关技术国内暂无相关报道。
鉴于上述缺陷，本发明创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本发明。
发明内容
本发明的目的在于解决在多功能板内实现内埋芯片，且实现任意层互连，可使互连密度提高30％，加工装配稳定可靠、工艺流程简单快捷、电讯指标优良、可靠性高，其设计和工艺难度非常大的问题，提供了一种任意层互联内埋芯片微波多功能组件及其制造方法。
为了实现上述目的，本发明公开了一种任意层互联内埋芯片微波多功能组件的制造方法，包括以下步骤：
S1：设计一种16层以上电路的微波段多功能板，包括下层数字层和上层微带层；
S2：下层数字层采用HDI积层工艺，积层以下包括图形制作好的芯板、半固化片、导电浆料，采用任意层互连的方式一次性制作；
S3：上层微带层部分使用微波PCB工艺制造，与芯片电器互连的图形使用LDI配合真空蚀刻的方法，形成与芯片焊端匹配的焊盘尺寸；
S4：内埋芯片焊点与上层微带层通过导电胶膜、导电胶或焊膏连通，并对焊端位置进行保护，芯片顶面贴有具有柔性和弹性的导热胶膜；
S5：通过任意层互连方式将下层数字层和上层微波层合而为一，通过真空塞孔机在热固性半固化片的孔内塞入导电浆料，在热风烘箱中以不超过120℃的条件预固化，预固化时间不超过3h，然后在真空层压机中以最高固化温度不超过180℃的条件完成多功能板的最终压合，压合时间不超过4h，使微波数字层粘合，并完成导电浆料的完全固化形成贯穿微波和数字电路的垂直互联通路。
所述步骤S1中数字层的层数大于等于6层，微带层的层数大于等于10层。
所述步骤S1，该数字层选用的基板材料为高Tg的FR4基板，Rogers公司的RO4350B、RO4003C，Taconic公司的RF45、TRF45，松下公司的Megtron 6、Megtron 7，生益公司的S7136H，旺灵公司的CT440、CT450等材料之一。
所述步骤S1，该微带层基板选用Rogers公司的RT6002、RO3003、CLTE-XT，Taconic公司的TSM-DS3，睿龙公司的RS300B，中电46所的CF294、CFG294，国能公司的GNC3004，生益科技的SG7300N、SG7294中材料之一或复配形成多层板。
所述步骤S1中微波段多功能板包括芯板、粘接片、铜箔，所述芯板厚度为0.127～0.508mm，所述粘接片厚度为0.1mm，所述铜箔厚度为18μm或35μm。
所述步骤S2中的导电浆料为电子铜浆或电子银浆，采用传统塞孔工艺，厚径比小于10:1。
所述步骤S2中通过激光钻孔形成锥形孔。
所述步骤S2中化学镀铜在孔壁形成附着层，厚度为0.1～0.2um。
所述步骤S2中通过电镀工艺使钻孔内形成充实结构。
所述步骤S2中电镀铜的工艺为浸酸→全板电镀铜→二次水洗→烘干→检测。
所述步骤S2中在半固化片上激光制备互联孔。
所述步骤S2中塞孔为丝网印刷辅助真空塞孔。
所述步骤S2中塞孔后使用覆盖膜保证固化过程中导电浆料的位置。
所述步骤S2中丝网印刷过程为：将网板、基板通过CCD定位，安装于真空塞孔机的工作台面，将导电浆料置于刮刀前方，按照设定工艺参数进行印刷，印刷过程中开启真空，使导电浆料均匀填充孔内，塞孔后撤除网板。
所述步骤S2中固化过程为将先基板放置于热风烘箱中固化。
所述步骤S2中预固化参数为按照导电浆料的推荐工艺曲线，最高固化温度不超过120℃，固化时间不超过3h。
所述步骤S2中导电浆料与半固化片在真空层压过程中完成最终固化。所述步骤S2中导电浆料选择热固性材料体系，采用杜邦公司的CB100、CB102、LF181、QM34、QM35和TH035，Tatsuta公司的AE2217、AE1244、AE3030中的一种。
所述步骤S2中适用的数字半固化片为对应公司的FR4半固化片，规格为1080、2116、7628中材料之一或复配。
所述步骤S2中含有导电浆料的半固化片与上层微波层和下层数字层的真空层压条件为，最高固化温度不超过180℃，固化时间不超过4h。压合完成后微波数字层粘合为一体，并完成导电浆料的完全固化形成贯穿微波和数字电路的垂直互联通路，形成任意层互联。所述步骤S3中微波多功能板微波层的焊片位置经过表面涂镀，涂镀材料为镀金、化金、镀镍金中的任意一种。
所述镀镍金涂镀层的镍厚为3～5μm，金厚为0.13～0.45mm。
所述步骤S4中焊接芯片时，焊料的熔点高于230℃。
所述步骤S4中粘接芯片时，导电胶膜的固化温度低于150℃。
所述步骤S4中的导电胶膜选择自汉高公司的CF3350、3M公司的9703、9079SL、东洋公司的TSC250-60、圣戈班的TC3001中的一种。
所述步骤S4中的导电胶选择自汉高公司的84-1A系列、派克固美丽JM7000/EK100-MP、Epo–tek公司的H20E系列导电胶中的一种。
所述步骤S4中的焊料选择熔点为183℃左右的锡铅或锡铅银焊料。
所述步骤S5中采用真空热压完成数字层和微波层的互联。
所述步骤S5中半固化片上对应位置钻孔后进行导电浆料塞孔。
所述步骤S5中任意层互联采用导电浆料真空塞孔后固化的工艺。
所述步骤S5中适用的半固化片选自Rogers公司的2929、Rogers公司的GenClad-280、AGC公司的Fastrise27/28系列、电科46所的CFB278F、睿龙公司的RLP30、生益科技的SGP28N中的一种。
本发明还公开了一种采用上述制造方法制得的任意层互联内埋芯片微波多功能组件。
与现有技术比较本发明的有益效果在于：本发明提供一种任意层互联内埋芯片微波段多功能组件的制造方法，该多功能组件可在Ka波段及以下使用，通过图形制作完成埋阻、埋容等无源元器件的埋置，通过后续埋置完成有源元器件的埋置。该多功能组件有效释放表面贴装的空间，降低组件高度，提高集成度和包含功能，有效降低雷达体积，推进了弹载、星载、机载等领域高集成度要求雷达的发展和应用。后续埋置完成有源元器件的工艺路线简单，无需采用逆序加成等前置内埋流程，不再经历复杂的加工步骤，对生产设备要求低，降低埋置过程中芯片的损坏率20％以上。任意层互连加工工艺减少层压次数，提高层间对位精度(与传统多次层压对位精度为±0.1mm相比，任意层互连最高可达±0.05mm)，尤其是满足对元器件的细间距电气传输的设计需求。与传统的芯片后置型埋入技术相比，任意层互连消除芯片只埋入基板表面层、纵向空间的利用率低的问题，数字层和微波层均可进行正常元器件表面安装，组件集成度提高20％以上，体积降低30％以上。芯片连接微带层部分采用导电浆料塞孔的方式，使局部散热能力由不足1W/m·k上升为12W/m·k以上。
附图说明
图1为本发明实施例1中的任意层互联内埋芯片Ku波段多功能组件的叠层示意图；
图2为本发明实施例1中的多功能组件任意层互联工艺流程图；
图3为本发明实施例2中的任意层互联内埋芯片X波段多功能组件的叠层示意图；
图4为本发明实施例2中的多功能组件任意层互联工艺流程图。
附图标记：
1-表层图形；2-与芯片焊端连接的盲孔；3-3层微波介质层；4-2层粘接材料层；5-微波介质层；6-贯穿微波层和数字层的金属化通孔，7-数字半固化片，8-数字内层图形；9-5层FR4介质层；10-底层图形；11-底部填充胶；12-铜块；13-导热胶膜；14-粘接芯片；15-高铅焊球；16-联通埋铜的数字层金属化盲孔，17-与芯片互连的内层图形；18-盲槽；19-积层激光孔；20-任意层互连预钻孔；21-位于半固化片中的任意层互联导电浆料，22-层内埋孔；23-内层图形；24-层内盲孔；25-与芯片焊端连接的盲孔；26-与数字层任意层互连的的盲孔；27-微波层表层图形，28-4层介质层；29-与芯片互连的内层图形；30-微波层与数字层间的半固化片，31-数字层内层图形；32-5层FR4介质层；33-积层激光孔；34-底层图形；35-底部填充胶；36-底部填充胶，37-导电胶；38-焊端凸点；39-微波芯片40-导热胶膜；41-埋置芯片的盲槽；42-任意层互连预钻孔。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。
实施例1
实施例1的电讯和结构设计如附图1所示，该任意层互联内埋芯片Ku波段多功能组件包含16层电路，从下至上依次包括：6层微波线路层、盲槽内的微波芯片、10层数字线路层。工艺流程如附图2所示。
顶层微波芯板依次进行机械钻孔、孔金属化(化学镀和电镀)、导电铜浆塞孔、固化、孔镀平、图形制作；中间两层微波芯板分别在反向控深、图形制作后与粘接片进行层压，之后与顶层微波芯板制作流程一致；再将二者与粘接片进行层压，进行图形制作后，控深开盖漏出盲槽底部需要焊接芯片的位置。在盲槽焊盘上喷印焊膏，通过贴片机完成微波芯片的贴装，并在SMT回流炉中完成有效焊接。电测合格后，在微波芯片底部焊点部位采用底部填充胶进行保护，微波芯片顶部贴具有一定弹性、可压缩的导热胶膜。
顶层数字芯板依次进行机械铣通槽，在数字芯板内埋置铜块并通过结构胶粘固化使铜块与数字芯板合为一体，再进行激光钻孔、HDI电镀填孔工艺、图形制作；其他数字芯板依次进行激光钻孔、HDI电镀填孔工艺、图形制作。
粘接片通过激光裁切形成垂直互联的通孔，通过真空塞孔完成导电浆料的贯孔填充，在烘箱中完成预固化。
将微波线路层、数字线路层、预固化后的粘接片(微波线路层和数字线路层之间、数字芯板之间)进行对位叠合，进行真空热压。将复合板依次进行机械钻孔、孔金属化(化学镀和电镀)、导电铜浆塞孔、固化、孔镀平、图形制作、表面涂镀和外形加工，得到最终组件成品。
6层微波线路层包括表层图形1(包括焊盘)，3层介质层3(为简便清晰，微波层数1-6层省略为1层)，2层粘接材料层4，内层图形23，层内盲孔24和埋孔22，与芯片焊端连接的盲孔2。其中，盲孔或埋孔均采用导电铜浆日本拓自达AE2217(传统塞孔用低温固化铜浆)塞孔镀平。多层微带板上开设盲槽18，与芯片互连的内层图形17位于盲槽底部。
在微带板盲槽底部焊盘上喷印熔点183℃锡铅焊膏，通过贴片机在盲槽里贴装埋置粘接芯片14，通过SMT焊接高铅焊球15，在芯片底部焊点位置涂覆底部填充胶11。而后在芯片顶层贴厚度合适的导热胶膜13。
10层数字线路层包括5层FR4介质层9，内层图形8，底层图形10，积层激光孔19，任意层互连预钻孔20，预埋铜块12。与微波层接触的顶层数字芯板首先进行机械铣通槽，然后将略大于芯片面积的铜块12嵌入槽内，用粘接树脂固定铜块和槽壁，并在120℃固化60min使铜块埋入顶层数字芯板中。而后对埋入铜块的芯板进行整版电镀，再进行钻孔、孔化和图形制作。任意层互连为半固化片钻孔后，用AE2217铜浆塞孔后在80℃以下预固化30min，整个数字层通过2116FR4半固化片在180℃整体压合3h。
贴装好的微带组件与数字层、数字层间通过低温粘接片进行层压合为一体使用2116FR4半固化片在180℃通过真空热压完成电气互连。
成品中微波芯片通过导热胶膜与铜块紧密贴合完成散热通道，通过和任意层互连孔16完成电气互连。该互联孔为每层HDI填孔与半固化片上导电塞孔的组合。任意层互联内埋芯片Ku波段多功能组件使用频段为12～18GHz，与同类设计相比体积减小15％，互连密度提高20％。该多功能板采用1次微波层压、1次数字层压，1次混合层压，即可完成所有层间的互连，与前置内埋芯片的逆序加成工艺相比，本专利中的芯片只需承受一次层压带来的温度和压力，与传统后置内埋芯片的芯片底层裸露相比，本专利的芯片受数字层的保护，不会在层压过程承受较大应力，芯片埋置后一次电测合格率为70％以上。
实施例2
实施例2的电讯和结构设计如附图3所示，该任意层互联内埋芯片X波段多功能组件包含18层电路，从下至上依次包括：8层微波线路层、盲槽内的粘接芯片、10层数字线路层。数字层和多功能板的任意层互连工艺流程如附图4所示。其余流程与实施例1类似，不再详细展开描述。
8层微波线路层包括表层图形27(包括焊盘)，4层介质层28(为简便清晰，附图层数省略为1层)，与芯片互连的内层图形29(包括焊盘)，与芯片焊端连接的盲孔或埋孔25，与数字层任意层互连的的盲孔或埋孔26。其中，盲孔或埋孔25和26均采用导电铜浆TH035塞孔镀平，在150℃固化60min。内层图形29的焊盘位置使用阻焊将焊盘信号传输部分隔离，接地焊盘可连续化。
10层数字线路层包括内层图形31，5层FR4介质层32(为简便清晰，附图层数省略为4层，底层两层为HDI积层)，底层图形34(包括焊盘)，积层激光孔33，任意层互连预钻孔42，埋置芯片的盲槽41。其中，任意层互连为半固化片钻孔后，用杜邦公司的TH035铜浆塞孔后在100℃以下预固化，整个数字层在190℃整体压合。
埋置芯片339的焊端凸点38采用美国派克固美丽JM7000导电胶37，在点胶贴片后于150℃在烘箱中快速固化30min，尔后在胶结位置涂敷底部填充胶35，并在芯片顶层贴厚度合适的导热胶膜40。
贴装好的微带组件与数字层通过使用2116类型的FR4半固化片和任意层互连孔35，在170℃通过真空热压4h完成电气互连。
任意层互联内埋芯片X波段多功能组件使用频段为9～10GHz，与同类设计相比体积减小20％，互连密度提高25％。该多功能板采用1次微波层压、1次数字层压，1次混合层压，即可完成所有层间的互连，与前置内埋芯片的逆序加成工艺相比，本专利中的芯片只需承受一次层压带来的温度和压力，与传统后置内埋芯片的芯片底层裸露相比，本专利的芯片受数字层的保护，不会在层压过程承受较大应力，芯片埋置后一次电测合格率为70％以上。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，对本发明而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本专业技术人员理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效，但都将落入本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种任意层互联内埋芯片微波多功能组件的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：设计一种16层以上电路的微波段多功能板，包括下层数字层和上层微波层；
S2：下层数字层采用HDI积层工艺，积层以下包括图形制作好的芯板、半固化片、导电浆料，采用任意层互连的方式一次性制作；
S3：上层微波层部分使用微波PCB工艺制造，与芯片电器互连的图形使用LDI配合真空蚀刻的方法，形成与芯片焊端匹配的焊盘尺寸；
S4：内埋芯片与上层微波层连通，并对焊端位置进行保护，内埋芯片顶面贴有具有柔性和弹性的导热胶膜；
S5：通过任意层互连方式将下层数字层和上层微波层合而为一，通过真空塞孔机在热固性半固化片的孔内塞入导电浆料，在热风烘箱中预固化，然后在真空层压机中完成多功能板的最终压合，使微波数字层粘合，并完成导电浆料的完全固化形成贯穿微波和数字电路的垂直互联通路。
2.如权利要求1所述的一种任意层互联内埋芯片微波多功能组件的制造方法，其特征在于，所述步骤S1中数字层的层数大于等于6层，微波层的层数大于等于10层。
3.如权利要求1所述的一种任意层互联内埋芯片微波多功能组件的制造方法，其特征在于，所述步骤S1中微波段多功能板包括芯板、粘接片、铜箔，所述芯板厚度为0.127～0.508mm，所述粘接片厚度为0.1mm，所述铜箔厚度为18μm或35μm。
4.如权利要求1所述的一种任意层互联内埋芯片微波多功能组件的制造方法，其特征在于，所述步骤S2中的导电浆料为电子铜浆或电子银浆，采用传统塞孔工艺，厚径比小于10:1。
5.如权利要求1所述的一种任意层互联内埋芯片微波多功能组件的制造方法，其特征在于，所述步骤S3中微波多功能板微波层的焊片位置经过表面涂镀，涂镀材料为镀金、化金、镀镍金中的任意一种。
6.如权利要求5所述的一种任意层互联内埋芯片微波多功能组件的制造方法，其特征在于，所述镀镍金涂镀层的镍厚为3～5μm，金厚为0.13～0.45mm。
7.如权利要求1所述的一种任意层互联内埋芯片微波多功能组件的制造方法，其特征在于，所述步骤S4中焊接芯片时，焊料的熔高于230℃。
8.如权利要求1所述的一种任意层互联内埋芯片微波多功能组件的制造方法，其特征在于，所述步骤S4中粘接芯片时，导电胶的固化温度低于150℃。
9.如权利要求1所述的一种任意层互联内埋芯片微波多功能组件的制造方法，其特征在于，所述步骤S5中预固化的温度≤120℃，预固化的时间≤3h，压合温度≤180℃，压合时间≤4h。
10.一种采用如权利要求1～9任一项所述的制造方法制得的任意层互联内埋芯片微波多功能组件。
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