CN113745169B - 多腔槽ltcc基板与封装盒体焊接结构及方法 - Google Patents

多腔槽ltcc基板与封装盒体焊接结构及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了多腔槽LTCC基板与封装盒体焊接结构及方法，该结构包括多腔槽LTCC基板、封装盒体和连接多腔槽LTCC基板与封装盒体的过渡金属片，所述过渡金属片设有若干不相连的通孔。本发明通过增加图形化的过渡金属片，有效缓解LTCC基板与金属盒体之间的热失配，提升了整个焊接结构的焊接可靠性。通过过渡金属片不同区域的开孔设计，在提升焊接可靠性的同时，保证整个焊接结构的接地性能与焊接气密性。通过焊接面活化、印刷焊膏焊接过渡金属片、清洗之后再使用焊料片真空焊接的方法解决了AuPtPd焊接层浸润性差，助焊剂难以清洗的问题。

Description

多腔槽LTCC基板与封装盒体焊接结构及方法
技术领域
本发明属于微波组件微组装技术领域，尤其涉及多腔槽LTCC基板与封装盒体焊接结构及方法。
背景技术
电子信息系统向着多功能、高性能、小型化的方向发展，微波组件的集成度越来越高，低温共烧陶瓷(LTCC)基板由于具有多层布线能力以及良好的射频信号传输特性，在微波组件中获得广泛应用。
微波组件中为保证射频信号的低损高隔离传输，芯片一般安装在腔槽内。随着组件功能密度的上升，集成芯片的数量激增，LTCC电路表面的腔槽数量与面积也随之增加。多腔槽大面积的LTCC基板与封装盒体焊接存在以下技术难点：
a)LTCC基板与轻质封装盒体(Al、SiAl等材料)之间存在严重热失配(热膨胀系数相差一至三倍)，在钎焊以及后续使用过程中，LTCC基板易发生开裂，造成组件失效。实用新型CN206200376U通过在陶瓷与金属的接触面设置释放空隙，缓解陶瓷与金属之间的热失配应力。但是，在LTCC的焊接面加工释放应力的腔槽结构，将进一步增大多腔槽LTCC电路片的加工难度，引起电路片翘曲变形；而在封装盒体焊接面加工腔槽结构，将降低盒体底板强度。
b)为了满足钎焊需求，LTCC工艺采用烧结浆料体系，最常用的焊接层为金铂钯金属与玻璃相的混合物，这一材料在没有助焊剂的情况下与焊料之间浸润非常差，难以实现焊接；若使用助焊剂，提升浸润性则由于焊接面积大，残余在焊接层内部的助焊剂难以清洗，将影响焊接界面的长期可靠性。
c)随着系统集成密度的提升，LTCC成为封装的一部分，与盒体的焊接需具有气密性并保证良好的接地特性。因此，如何解决多腔槽LTCC基板与封装盒体焊接过程的热失配、浸润性问题，同时保证焊接的强度、气密性与微波电路的接地特性，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，提供了多腔槽LTCC基板与封装盒体焊接结构及方法,通过增加图形化的过渡金属片，有效缓解LTCC基板与金属盒体之间的热失配，提升了整个焊接结构的焊接可靠性。通过过渡金属片不同区域的开孔设计，在提升焊接可靠性的同时，保证整个焊接结构的接地性能与焊接气密性。通过焊接面活化、印刷焊膏焊接过渡金属片、清洗之后再使用焊料片真空焊接的方法解决了AuPtPd焊接层浸润性差，助焊剂难以清洗的问题。
本发明目的通过下述技术方案来实现：
多腔槽LTCC基板与封装盒体焊接结构，包括多腔槽LTCC基板、封装盒体和连接多腔槽LTCC基板与封装盒体的过渡金属片，所述过渡金属片设有若干不相连的通孔，多腔槽LTCC基板不同区域上连接的过渡金属片的通孔占过渡金属片的面积不同，多腔槽LTCC基板与封装盒体间设有一层应力缓冲层，应力缓冲层包括若干结构完整的应力释放孔。
进一步的，所述过渡金属片通过含有少量助焊剂的辅料与多腔槽LTCC基板焊接；所述过渡金属片通过不含助焊剂的辅料与封装盒体焊接。
进一步的，所述过渡金属片与多腔槽LTCC基板连接的区域包括结构薄弱区、接地敏感区和重合区，重合区为结构薄弱区与接地敏感区重合部分；
在多腔槽LTCC基板的结构薄弱区，过渡金属片的通孔面积占多腔槽LTCC基板的结构薄弱区投影区域面积的至少60％；
在多腔槽LTCC基板的接地敏感区，过渡金属片的通孔面积占多腔槽LTCC基板的接地敏感区投影区域面积的至多40％；
在多腔槽LTCC基板的重合区，过渡金属片的通孔面积占多腔槽LTCC基板的接地敏感区投影区域面积的40％至50％。
进一步的，所述通孔的开孔方式为小孔阵列或网格。
进一步的，所述封装盒体底部设有通槽，在封装盒体底面的通槽投影区域，过渡金属片开与通槽同样外形的开孔，与通槽同样外形的开孔外缘和该开孔相邻的通孔外缘间距不小于0.5mm。
另一方面，本发明还提供了多腔槽LTCC基板与封装盒体焊接方法，所述多腔槽LTCC基板的表面腔槽总面积与表面积之比大于40％，封装盒体的热膨胀系数是LTCC基板热膨胀系数的1-3倍，该方法包括：
S1：S1：通过结构分析确定多腔槽LTCC基板的结构薄弱区，通过电路分析确定多腔槽LTCC基板的接地敏感区；
S2：活化多腔槽LTCC基板焊接面；
S3：在多腔槽LTCC基板焊接面上对应过渡金属片未开孔的区域印刷含有少量助焊剂的辅料；
S4：将过渡金属片焊接在多腔槽LTCC基板焊接面并清洗残留物；
S5：按顺序依次将焊料片、多腔槽LTCC基板和焊接工装装入封装盒体，通过焊接工装对多腔槽LTCC基板施加压力；
S6：将焊接了过渡金属片的多腔槽LTCC基板焊接在封装盒体内。
进一步的，对应设置在多腔槽LTCC基板的结构薄弱区、接地敏感区和重合区的过渡金属片开孔面积分别为：
在多腔槽LTCC基板的结构薄弱区，过渡金属片的通孔面积占多腔槽LTCC基板的结构薄弱区投影区域面积的至少60％；
在多腔槽LTCC基板的接地敏感区，过渡金属片的通孔面积占多腔槽LTCC基板的接地敏感区投影区域面积的至多40％；
在多腔槽LTCC基板的重合区，过渡金属片的通孔面积占多腔槽LTCC基板的接地敏感区投影区域面积的40％至50％；
所述焊料片的外形形状和开孔中心位置与过渡金属片一致。
进一步的，所述活化多腔槽LTCC基板焊接面具体为：
S21：将多腔槽LTCC基板加热至助焊剂活化所需温度；
S22：将助焊剂涂敷至多腔槽LTCC基板的焊接面；
S23：在保温30-60秒后将液体清洗并烘干；
S24：对焊接面做提升后续焊料浸润性的处理。
进一步的，所述含有少量助焊剂的辅料熔点比焊料片熔点高至少30℃。
进一步的，所述焊接工装包括压块、支撑体和垫板，垫板直接放置在多腔槽LTCC基板表面，支撑体放置在垫板表面对应多腔槽LTCC基板的非结构薄弱区，压块放置在支撑体上。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明通过在多腔槽LTCC基板与封装盒体之间增加图形化的过渡金属片，有效缓解了多腔槽LTCC基板与金属盒体之间的热失配，提升了整个焊接结构的焊接可靠性。
(2)本发明通过过渡金属片在多腔槽LTCC基板上的不同焊接区域的对应开孔设计，在提升焊接可靠性的同时，保证整个焊接结构的接地性能与焊接气密性。
(3)本发明通过将焊接面活化、印刷含有少量助焊剂的焊接辅料焊接过渡金属片并在清洗之后再使用不含助焊剂的焊料片进行真空焊接的方法解决了AuPtPd焊接层浸润性差，助焊剂难以清洗的问题。
附图说明
图1是本发明实施例1提供的多腔槽LTCC基板与封装盒体焊接结构剖面图；
图2是图1中A处放大图；
图3是本发明实施例1提供的多腔槽LTCC基板与封装盒体焊接结构中的多腔槽LTCC基板结构薄弱区示意图；
图4是本发明实施例1提供的多腔槽LTCC基板与封装盒体焊接结构中的过渡金属片示意图；
图5是本发明实施例1提供的多腔槽LTCC基板与封装盒体焊接结构中的封装盒体俯视示意图；
图6是本发明实施例2提供的多腔槽LTCC基板与封装盒体焊接方法流程框图；
图7是本发明实施例3提供的提升多腔槽LTCC基板与封装盒体焊接可靠性的工艺方法中的焊接工装放置示意图。
附图标记：1-多腔槽LTCC基板，2-封装盒体，3-过渡金属片，4-焊料片，5-焊膏，6-垫板，7-支撑体，8-压块，9-侧壁，10-底面，11-通槽。
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。
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
如附图1所示，是本实施例提供的多腔槽LTCC基板与封装盒体焊接结构剖面图，该结构具体包括多腔槽LTCC基板1、封装盒体2和连接多腔槽LTCC基板1与封装盒体2的过渡金属片3。过渡金属片3通过焊膏5与多腔槽LTCC基板1焊接，过渡金属片3通过焊料片4与封装盒体2焊接。多腔槽LTCC基板1不同区域上连接的过渡金属片3的通孔占过渡金属片3的面积不同，多腔槽LTCC基板1与封装盒体2间设有一层应力缓冲层，应力缓冲层包括若干结构完整的应力释放孔。
其中，多腔槽LTCC基板1的表面腔槽总面积与表面积之比大于40％，LTCC焊接层金属优选金铂钯层；轻质封装盒体2的热膨胀系数是LTCC基板热膨胀系数的1-3倍。
如附图4所示，是本实施例提供的多腔槽LTCC基板1与封装盒体2焊接结构中的过渡金属片3示意图。过渡金属片3在多腔槽LTCC基板1的不同区域设有占不同面积的若干不相连的通孔。过渡金属片3的厚度为0.1mm-0.5mm，表面镀涂Ni、NiAu或NiPdAu。过渡金属片3中设置圆形、椭圆形、矩形或不规则形状的通孔；最小直径或边长不低于0.5mm。
具体地，在多腔槽LTCC基板1的结构薄弱区，过渡金属片3的通孔面积占多腔槽LTCC基板1的结构薄弱区投影区域面积的至少60％。其中，如附图3所示，Q为该结构的结构薄弱区。
在多腔槽LTCC基板1的接地敏感区，过渡金属片3的通孔面积占多腔槽LTCC基板1的接地敏感区投影区域面积的至多40％。
在多腔槽LTCC基板1的重合区，过渡金属片3的通孔面积占多腔槽LTCC基板1的接地敏感区投影区域面积的40％至50％。重合区指结构薄弱区与接地敏感区重合的部分。
过渡金属片3的通孔采用小孔阵列或网格的方式开孔。在如附图5所示，四周是封装盒体侧壁9，在封装盒体2底面10的通槽11投影区域，过渡金属片3开与通槽同样外形的开孔。为保证多腔槽LTCC基板1与封装盒体2焊接的气密性，与通槽同样外形的开孔边缘与邻近的通孔边缘距离不小于0.5mm。若该间距小于0.5mm，则会发生漏气现象。
本实施例提供的多腔槽LTCC基板与封装盒体焊接结构，该结构能够通过在多腔槽LTCC基板与封装盒体之间增加图形化的过渡金属片来有效缓解多腔槽LTCC基板与金属盒体之间的热失配问题，提升了整个焊接结构的焊接可靠性。此外，该结构通过过渡金属片在多腔槽LTCC基板上的不同焊接区域的对应开孔，提升了焊接可靠性的同时，保证整个焊接结构的接地性能与焊接气密性。
实施例2
如附图6所示，本实施例提供的多腔槽LTCC基板与封装盒体焊接方法流程框图，该方法具体包括：
步骤一：通过电路分析确定多腔槽LTCC基板1的结构薄弱区和接地敏感区。通过结构仿真分析确定多腔槽LTCC基板1的结构薄弱位置为四个长腔的侧面薄壁结构，通过电路分析确定接地敏感位置为腔槽底部区域。
步骤二：活化多腔槽LTCC基板1焊接面。助焊剂活化LTCC基板焊接面，之后液体清洗并烘干，然后使用Ar/H2等离子体处理LTCC基板焊接面，提升后续焊料的浸润性。
步骤三：在多腔槽LTCC基板1焊接面上对应过渡金属片3未开孔的区域印刷焊膏5。
步骤四：将过渡金属片3焊接在多腔槽LTCC基板1焊接面并清洗残留物。焊接方法为真空回流焊。其中，对应设置在多腔槽LTCC基板1的结构薄弱区、接地敏感区和重合区的过渡金属片3开孔面积分别为：
在多腔槽LTCC基板1的结构薄弱区，过渡金属片3的通孔面积占多腔槽LTCC基板1的结构薄弱区投影区域面积的至少60％。
在多腔槽LTCC基板1的接地敏感区，过渡金属片3的通孔面积占多腔槽LTCC基板1的接地敏感区投影区域面积的至多40％。
在多腔槽LTCC基板1的重合区，过渡金属片3的通孔面积占多腔槽LTCC基板1的接地敏感区投影区域面积的40％至50％。
焊料片4的外形形状和开孔中心位置与过渡金属片3一致。外形尺寸比过渡金属片3外形尺寸大0.05mm-0.2mm，单个孔的直径/边长比过渡金属片3上对应孔/直径小0.02-0.1mm。焊料片4的材料为：In60Pb40、Sn63Pb37或Sn96.5Ag3Cu0.5，厚度为0.05-0.1mm。
步骤五：按顺序依次将焊料片4、多腔槽LTCC基板1和焊接工装装入封装盒体2，通过焊接工装对多腔槽LTCC基板1施加压力。焊接工装通过压块的重力对多腔槽LTCC基板1施加压力，在焊接过程中固定多腔槽LTCC基板1的位置，施加的压强为1000-10000Pa。
步骤六：将焊接了过渡金属片3的多腔槽LTCC基板1焊接在封装盒体2内。焊接方法为真空焊接，并且不施加助焊剂。
本实施例提供的多腔槽LTCC基板与封装盒体焊接方法，通过将焊接面活化、印刷焊膏焊接过渡金属片并在清洗之后再使用焊料片进行真空焊接的方法解决了焊接层浸润性差，助焊剂难以清洗的问题。同时，本方法通过过渡金属片在多腔槽LTCC基板上的不同焊接区域的对应开孔设计，在提升焊接可靠性的同时，保证整个焊接结构的接地性能与焊接气密性。此外，本方法通过在多腔槽LTCC基板与封装盒体之间增加图形化的过渡金属片，有效缓解了多腔槽LTCC基板与金属盒体之间的热失配，提升了整个焊接结构的焊接可靠性。
实施例3
本实施例提供了一种具体的提升多腔槽LTCC基板与封装盒体焊接可靠性的工艺方法。具体方法如下：
第一步，提供多腔槽LTCC基板1与封装盒体2。在本实施例中，多腔槽LTCC基板1的表面腔槽总面积与表面积之比为47％，尺寸为200mmⅹ150mm，LTCC焊接层金属为AuPtPd。封装盒体2的热膨胀系数是LTCC基板1热膨胀系数的1倍。
第二步，通过结构仿真分析确定多腔槽LTCC基板1的结构薄弱位置为四个长腔的侧面薄壁结构，通过电路分析确定多腔槽LTCC基板1的接地敏感位置为腔槽底部区域。封装盒体2底面有一个通孔，要求LTCC电路片与封装盒体2焊接具有气密性。
第三步，设计并加工过镀金属片3与焊料片4，所述过渡金属片的厚度为0.2mm，表面镀涂Ni、NiAu或NiPdAu。
过渡金属片3中设置圆形和矩形通孔，在结构薄弱区域开孔直径为8-10mm，开孔面积与该区域总面积之比为75％-80％；接地敏感区域开孔直径为2-3mm，开孔面积与该区域总面积之比为15％-20％；封装盒体2底面通槽投影位置的过渡金属片3开有同样外形的通孔，其边缘与邻近的通孔边缘距离不小于1mm。
根据过渡金属片3的设计，设计焊料片4，外形形状与开孔中心位置与过渡金属片3一致，外形尺寸比过渡金属片3外形尺寸大0.1mm，单个孔的直径比过渡金属片上对应孔小0.05mm。焊料片的材料为：In60Pb40，厚度为0.05-0.1mm。
第四步，将多腔槽LTCC基板1焊接面活化。将多腔槽LTCC基板1升温至助焊剂活化温度，将助焊剂涂敷到多腔槽LTCC基板1的焊接面，保温30s-60s之后液体清洗并烘干，然后使用Ar/H2等离子体处理多腔槽LTCC基板1焊接面。
第五步：在多腔槽LTCC基板1的焊接面印刷焊膏5，焊膏5分布于过渡金属片3未开孔的区域，焊膏5图形的边长不大于5mm。焊膏5的熔点比焊料片4熔点高30℃以上。防止焊料片4焊接过程中，焊膏5已经焊好的界面熔化，流动产生较大空洞。
第六步：将过渡金属片3焊接在多腔槽LTCC基板1焊接面并清洗。焊接方法为将过渡金属片3贴装在多腔槽LTCC基板1的焊接面，采用真空回流焊接将二者焊在一起，通过真空作用排除焊接空洞与多余助焊剂，焊接后采用浸泡清洗。
第七步，将焊料片4、多腔槽LTCC基板1以及焊接工装依次装入封装盒体2。如附图7所示是本实施例提供的多腔槽LTCC基板与封装盒体焊接方法中的焊接工装放置示意图。焊接工装包括压块8、支撑体7和垫板6，垫板6直接放置在多腔槽LTCC基板1表面，支撑体7放置在垫板6表面对应多腔槽LTCC基板1的非结构薄弱区，压块8放置在支撑体7上，压块8与多腔槽LTCC基板1之间的距离为10mm-20mm。焊接工装对多腔槽LTCC基板1施加的压强为1000-10000Pa。
第八步，将焊接了过渡金属片3的多腔槽LTCC基板1焊接在封装盒体2内。焊接方法为真空焊接，当焊料处于熔化状态时，抽真空并保持5-10s，整个焊接过程不施加助焊剂。
如附图2所示，过渡金属片的厚度与通孔设计能够保证在焊接过程中，焊料的毛细作用不能将通孔封住。
本实施例提供的多腔槽LTCC基板与封装盒体焊接方法，利用无助焊剂时金铂钯层浸润性差的特点，结合过渡金属片的厚度与通孔设计，保证焊接过程中，焊料的毛细作用不能将通孔封住，这样在焊接完成之后，LTCC基板与盒体的焊接界面形成0.2-0.7mm厚的应力缓冲层，缓冲层中，还保留结构完整的应力释放孔，有效缓解了LTCC基板与盒体之间的热失配，同时兼顾了气密性与接地性问题。
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 (8)

1.多腔槽LTCC基板与封装盒体焊接方法，所述多腔槽LTCC基板的表面腔槽总面积与表面积之比大于40％，封装盒体的热膨胀系数是LTCC基板热膨胀系数的1-3倍，其特征在于，包括：
S1：通过结构分析确定多腔槽LTCC基板的结构薄弱区，通过电路分析确定多腔槽LTCC基板的接地敏感区；
S2：活化多腔槽LTCC基板焊接面；
S3：在多腔槽LTCC基板焊接面上对应过渡金属片未开孔的区域印刷含有少量助焊剂的辅料；
S4：将过渡金属片焊接在多腔槽LTCC基板焊接面并清洗残留物，对应设置在多腔槽LTCC基板的结构薄弱区、接地敏感区和重合区的过渡金属片开孔面积分别为：
在多腔槽LTCC基板的结构薄弱区，过渡金属片的通孔面积占多腔槽LTCC基板的结构薄弱区投影区域面积的至少60％；
在多腔槽LTCC基板的接地敏感区，过渡金属片的通孔面积占多腔槽LTCC基板的接地敏感区投影区域面积的至多40％；
在多腔槽LTCC基板的重合区，过渡金属片的通孔面积占多腔槽LTCC基板的接地敏感区投影区域面积的40％至50％；
焊料片的外形形状和开孔中心位置与过渡金属片一致；
S5：按顺序依次将焊料片、多腔槽LTCC基板和焊接工装装入封装盒体，通过焊接工装对多腔槽LTCC基板施加压力；
S6：将焊接了过渡金属片的多腔槽LTCC基板焊接在封装盒体内。
2.如权利要求1所述的多腔槽LTCC基板与封装盒体焊接方法，其特征在于，所述活化多腔槽LTCC基板焊接面具体为：
S21：将多腔槽LTCC基板加热至助焊剂活化所需温度；
S22：将助焊剂涂敷至多腔槽LTCC基板的焊接面；
S23：在保温30-60秒后将液体清洗并烘干；
S24：对焊接面做提升后续焊料浸润性的处理。
3.如权利要求1所述的多腔槽LTCC基板与封装盒体焊接方法，其特征在于，所述含有少量助焊剂的辅料熔点比焊料片熔点高至少30℃。
4.如权利要求1所述的多腔槽LTCC基板与封装盒体焊接方法，其特征在于，所述焊接工装包括压块、支撑体和垫板，垫板直接放置在多腔槽LTCC基板表面，支撑体放置在垫板表面对应多腔槽LTCC基板的非结构薄弱区，压块放置在支撑体上。
5.多腔槽LTCC基板与封装盒体焊接结构，其特征在于，所述结构根据权利要求1-4任一所述的焊接方法制备，包括多腔槽LTCC基板、封装盒体和连接多腔槽LTCC基板与封装盒体的过渡金属片，所述过渡金属片设有若干不相连的通孔，多腔槽LTCC基板不同区域上连接的过渡金属片的通孔占过渡金属片的面积不同，多腔槽LTCC基板与封装盒体间设有一层应力缓冲层，应力缓冲层包括若干结构完整的应力释放孔。
6.如权利要求5所述的多腔槽LTCC基板与封装盒体焊接结构，其特征在于，所述过渡金属片通过含有少量助焊剂的辅料与多腔槽LTCC基板焊接；所述过渡金属片通过不含助焊剂的辅料与封装盒体焊接。
7.如权利要求5所述的多腔槽LTCC基板与封装盒体焊接结构，其特征在于，所述通孔的开孔方式为小孔阵列或网格。
8.如权利要求5所述的多腔槽LTCC基板与封装盒体焊接结构，其特征在于，所述封装盒体底部设有通槽，在封装盒体底面的通槽投影区域，过渡金属片开与通槽同样外形的开孔，与通槽同样外形的开孔外缘和该开孔相邻的通孔外缘间距不小于0.5mm。
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