CN114050422B - 相控阵天线微系统集成封装结构自修复方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种相控阵天线微系统集成封装结构自修复方法，封装可靠性高，不会损坏引脚。本发明通过下述技术方案实现：在封装了有源元器件的封装基板上面及底部制作阵列，焊球通过互联焊点网络焊球阵列以及嵌入式晶圆级球栅阵列，实现所有器件的晶圆级封装，通过层层互联，实现封装基板板间的电信号传输，形成封装微系统集成组件的微系统封装体；在微系统封装体两端设置可修复封装载体，并在可修复封装载体上制出连通每层封装基板通道的毛细填充管路，当微系统集成组件在服役过程中互联焊点出现缺陷时，液态金属通过可修复封装载体上设置的液态金属自充接口，给互联焊点进行补充液态金属，该液态金属在注入后成型，并与焊点融为一体。

Description

相控阵天线微系统集成封装结构自修复方法

技术领域

本发明涉及一种可填充液态金属自行修复系统封装方法，尤其是相控阵天线微系统集成封装结构自修复方法。

背景技术

微系统集成产品，可以提高其可信度、抗辐照等特殊环境的适应能力，是实现关注海洋、太空、和电磁的技术途径之一。微电子封装体和芯片(Chip或die)通过封装工艺(Packaging)组合成一个微电子器件(Device)，通常封装为芯片(或管芯)提供电通路、散热通路、机械支撑、环境防护等，所以微电子封装是微电器件的2个基本组成部分之一，器件的许多可靠性性能都是由封装的性能决定的。微电子封装不但直接影响着集成电路本身的电性能、机械性能、光性能和热性能，影响其可靠性和成本，还在很大程度上决定着电子整机系统的小型化、多功能化、可靠性和成本。微系统集成封装技术是综合运用高密度多层基板技术、多芯片组装技术(MCM)、三维立体组装技术以及系统级组装技术(SOC、SIP、SOP)，将集成电路裸芯片、薄/厚膜混合电路、微小型表面贴装元器件等进行高密度互连，构成三维立体结构的高密度、多功能模块化电子产品的一种先进电气互联技术。一般说来，微电子封装分为三级。所谓一级封装就是在半导体圆片裂片以后，将一个或多个集成电路芯片用适宜的封装形式封装起来，并使芯片的焊区与封装的外引脚用引线键合(WB)、载带自动键合(TAB)和倒装芯片键合(FCB)连接起来，使之成为有实用功能的电子元器件或组件。一级封装包括单芯片组件(SCM)和多芯片组件(MCM)两大类。三级封装就是将二级封装的产品通过选层、互连插座或柔性电路板与母板连结起来，形成三维立体封装，构成完整的整机系统，这一级封装应包括连接器、迭层组装和柔性电路板等相关材料、设计和组装技术。这一级也称系统级封装。所谓微电子封装是个整体的概念，包括了从一极封装到三极封装的全部技术内容。

微系统在航空领域已获得广泛应用。例如，密歇根大学研制的无人机上应用的微流动控制系统(电动流体微制动器)集成了传感器、处理器、致动器等器件；DARPA资助BAE系统公司研制的微惯性测量装置(IMU)包括陀螺仪、加速度计、信号处理等电路，在单芯片上实现了CMOS和MEMS的集成。美国的NASA正在大力开展NEPP项目。在手机、PDA、笔记本电脑、计算机输入、相机、游戏机等移动装置里，传感器和传感器模块受到高度关注。虽然手机中使用的传感器功能相对简单，但是市场战略更加注重嵌入式智能传感系统的硬件集成和软件开发。例如，微型电子鼻就是一种集成微系统，由微小尺寸、低功耗的集成传感、读出电路、特定应用程序和封装组成，其中，MEMS传感器起关键作用。微型电子鼻嵌入到智能手机中可增加监测周围的化学信号，以获得有用的信息，如空气质量监测、呼吸分析等医疗、工业、航空微系统。然而，随着微系统集成封装技术的飞速发展，对电子系统的成本、性能、重量、大小和长期可靠性都有很大的影响。近年来为了解决电子系统小型化、成本降低和可靠性与电性能提高所带来的问题，微系统封装技术得到了迅速的提高。在今后几年中，电子系统还将进一步朝着小型化和高复杂度的方向发展，要在此情况下降低成本和提高可靠性将是封装可靠性工程人员面临的主要难题。另外，随着新材料和新技术的不断出现，加上电子产品越来越多地应用于严酷环境中和世界各国对环保的日益重视。由于微系统集成组件工作的环境极为恶劣，通常要经历各种严酷的环境：盐雾、高温、高湿、高负载等，所以其互联焊点2必然会在湿热、盐雾等环境作用下产生蠕变或变形，甚至会产生裂纹、空隙等，从而会给微系统封装带来可靠性风险。这些都将给微系统封装提出新的可靠性问题。目前相控阵天线正走向天线阵列微系统。天线阵列微系统将天线触角伸向集成电路封，通过封装材料与工艺,将天线集成在携带芯片的封装内，相比于AoC,AiP将多种器件与电路集成在一个封装内,完成片上天线难以实现的复杂功能和特定的系统级封装,有效避免了半导体衬底的低电阻率带来的增益损耗问题。这些封装技术将厚膜技术实现的天线阵列同射频芯片通过金丝键合封装到一个QFN封装里面,实现了中心频率122GHz,带宽12GHz,最大增益11.5dBi的封装天线。但由于引脚数量大。而采用BGA可将细间距QFP的引脚中心距如果小到0.3mm时，引脚间距只有0.15mm,则需要很精密的安放设备以及完全不同的焊接工艺，并且实现起来极为困难。并且QFP存在引脚变形问题。由于目前BGA器件的应用越来越广泛，很多新产品设计时大量地应用这种器件，因此BGA焊接后焊点的质量和可靠性是令很多设计开发人员、组装加工人员颇为头痛的问题。焊点主要缺陷有：空洞，脱焊(开路)，桥接(短路)，焊球内部裂纹，焊点扰动，冷焊，锡球熔化不完全，移位(焊球于PCB焊盘不对准)，焊锡珠等。封装形式有芯片直接贴装(DCA)、焊盘阵列封装(LGA)、四侧无引线扁平封装(QFN)、嵌入式晶圆级球栅阵列(eWLB)封装,以及基于低温共烧陶瓷(LTCC)封装。空洞是焊点中常见的现象，对焊点的危害较大，统计分析显示，与空洞有关的失效占到了PCBA失效的20％。焊接空洞是由于在BGA加热期间焊料中的助焊剂、活化剂与金属表面氧化物反应时产生的气体在加热过程中膨胀无法及时逸出所导致的。焊球制作过程中夹杂的空洞、焊点合金的晶体结构、PCB板的设计、印刷时焊膏的沉积量、回流焊工艺参数、物料的保管等等都会引起BGA焊点空洞。空洞会减少有效焊接面积，削弱焊接强度从而降低可靠性，严重的空洞现象会影响焊点的电气连接，导致焊点间的短路。焊点内的空洞可以用切片、X-Ray等手段观察到，一般规定焊球中的空洞不应超过焊料球直径的20％，并且没有单个空洞出现在焊接点外表。枕头缺陷表现为在回流焊中BGA/CSP元件锡球与焊锡膏的焊接失效。这种缺陷的症状是BGA焊球落在由凝固的焊膏所形成的焊料堆顶上。虽然有了一定的机械接触，但却没有形成冶金焊点，也没有展示出完美的焊点形状，有可能形成开路不具有导电性能。使用显微镜或光纤内视镜通常只能看到最外面两排锡球，同时还得考虑前面的高零件挡住视线，执行起来限制较多。由于2D X-Ray只能由上往下检查、看不到断头的位置，很难发现枕头缺陷。焊锡珠是散布在焊点附近的微小柱状焊料，不仅会影响板级产品的外观，更有可能造成短路现象。

瓦片式阵列天线的结构特点是多功能电路板同时作为封装外壳的主体,其往往不使用或很少使用高频、低频接插件.采用瓦片式阵列可以大幅度降低天线系统的厚度,极大减少连接器和电缆的使用数量.射频模块可选择商用微波封装和制造技术,进一步降低成本.这种瓦片式阵列架构采用工业标准的QFN封装,将有源电路层直接焊接在一个廉价印制电路板(printedcircuitboard,PCB)上,然后再直接焊接到瓦片天线阵面的背部。由此可见，微系统集成封装的可靠性扮演了至关重要的作用。未来有源阵列天线的形态界限将趋于模糊,天线将集成越来越多的有源和无源电路,朝着天线阵列微系统方向发展，其应用需求的牵引,其内涵也在不断丰富和发展。微系统是以微纳尺度理论为支撑,以微电子、光电子、MEMS等为基础,结合体系架构和算法,运用微纳系统集成技术和方法,将传感、通信、处理、控制、微能源等功能单元,在微纳尺度上采用异构、异质等方法集成在一起的微型系统。天线阵列微系统是有源阵列天线发展的高级阶段,用较小的天线阵列微系统功能模块构建大型系统可能会更经济,这些天线功能模块可分开集成封装后再互连.天线阵列微系统定义为,以微纳尺度理论为支撑,以电磁场、微电子、光电子、材料和热力学为基础,结合体系架构和机电热多物理场模型,运用微纳系统集成技术和方法,将天线阵列、有源收发通道、功率合成/合成网络、频率源、波束控制和电源以及导热结构等三维异构混合集成在一个狭小的封装体里。天线阵列微系统与常规微系统共同之处是都具有微型化、集成化、智能化等特点,它们都区别于宏观系统的关键特征就是采用微纳尺度集成方式,尤其是三维异构混合集成,这不仅只是一个物理实现方式从平面式到立体式的变化,它们在体积重量大幅度缩小的同时,通过系统物理架构创新带来了功能/性能上的大幅提升,甚至能够实现宏观系统无法实现的功能.天线阵列微系统和常规微系统有一定的区别,常规微系统希望三维尺寸都能够缩减,使其达到最小体积和重量,而天线阵列微系统通过三维异构集成技术,使天线阵列孔径尺寸不变的情况下,尽量减小天线的厚度和重量.为了满足电子信息系统大功率孔径积的需求,天线阵列微系统重点关注性能(例如降低射频损耗等)提升和天线剖面厚度的降低,实现大孔径阵列天线可折叠或者可共形,在体系架构和集成方式上有一定的特殊性。未来电子信息系统,例如微波成像雷达,将划分为两个物理单元,一是数字计算机单元,也就是通用信号处理机；二是天线阵列微系统,也就是由天线、收发组件、波束控制、电源、频率综合、接收机等传统分系统组成的微系统。实现天线阵列微系统,需要解决两个方面的瓶颈问题,一是无源和有源电路芯片化或小型化；二是无源辐射天线单元,或者多个辐射天线单元组成小型天线子阵列,与多种无源/有源电路三维异构混合高密度集成,形成为一个独立功能天线微系统封装体。据公开资料报道，解决天线阵列微系统的长期稳定性与可靠性，只有赋予材料自修复能力是增强设备可靠性、耐用性和功能性的有效途径。使微系统集成封装具备一定自修复功能，必然离不开某些功能性特殊材料的应用。天线阵列微系统中包括了大量微波有源集成电路,对于未来相控阵阵列天线微系统集成封装来说，自修复功能尤为重要。

有国外关于设备、系统自修复材料方面的研究报道。尤其是自修复聚合物主要基于有机聚合物及其导电复合材料的柔性传感器、柔性超级电容器、锂离子电池等应用于可穿戴电子、环境监测、医疗保健等领域。尽管如此，在实际应用中，摩擦、碰撞、弯曲等会不可避免地给柔性电子器件带来划痕、折痕、裂纹等机械损伤，而这些损伤可能会引起器件电学性能恶化甚至失效，从而缩短器件使用寿命。比如，对于一个以碳纳米管导电网络作为电极的平板电容器，当电极上产生裂纹后，由于碳纳米管导电网络被阻断，电极导电性下降，导致器件电容值大大减小；对于以导电聚合物或者导电材料/聚合物复合材料作为敏感材料的压阻型传感器，当材料中产生裂纹后，材料的电阻大大增加，无法用作传感器的敏感材料；对于可穿戴电子器件来说，微小的裂纹在人体运动过程中会持续扩大，甚至会引起器件断裂、功能失效。所以自修复材料在这些领域中会起到非常关键的作用，可以提高其使用的可靠性，提升工作能力。那么，对于微系统集成组件来讲，微系统的互联焊点是其最薄弱的环节，互联焊点的寿命直接决定了微系统的使用寿命，所以微系统互联焊点具备自修复功能是微系统集成技术未来发展的趋势。

发明内容

本发明的目的是针对上述问题，提出一种封装可靠性高，不会损坏引脚，相控阵天线微系统集成封装结构自修复方法。

为了实现本发明的上述目的，本发明提供了一种相控阵天线微系统集成封装结构自修复方法，其特征在于：在封装了有源元器件芯片3的封装基板4上面及底部制作阵列，焊球作为电路的I/O端与印制线路板PCB互接，通过互联焊点2网络焊球阵列以及嵌入式晶圆级球栅阵列eWLB，实现包括基带、处理器、存储器、电源管理及射频收发器等单芯片的晶圆级封装，通过每层重布线层与封装基板4之间的层层互联，同时也通过互联焊点2实现封装基板4板间的电信号传输，形成封装微系统集成组件的封装体1；在封装体1两端设置可修复封装载体6，并在可修复封装载体6上制出连通每层封装基板4通道的毛细填充管路7，当微系统集成组件在服役过程中互联焊点2出现了蠕变、变形甚至产生裂纹、空隙等焊点缺陷时，液态金属可以通过可修复封装载体6上设置的液态金属自充接口5，给互联焊点2进行补充液态金属，该液态金属在注入后不久就会成型，并与焊点融为一体。

本发明相比于现有技术具有如下优点：

本发明形成的封装微系统集成组件的微系统封装体，设备简单，焊点缺陷率低，焊点牢固，成品率高。采用BGA可将细间距QFP的焊点的失效率200x10-6再减小到两个数量级，且无需对工艺作大的改动。由于BGA焊点的中心距一般为1.3左右mm，可以利用现有SMT工艺设备。通过互联焊点2网络焊球阵列以及嵌入式晶圆级球栅阵列eWLB，实现包括基带、处理器、存储器、电源管理及射频收发器等单芯片的晶圆级封装，共面损坏小，减少了共面损坏。引脚牢固。

本发明在封装了有源元器件芯片3的封装基板4上面及底部制作阵列，焊球作为电路的I/O端与印制线路板PCB互接BGA，实现MCM的高密度、高性能，封装密度高，引脚牢固，不像QFP那样存在引脚变形问题；BGA引脚很短，使信号路径短，减小了引线电感和电容，增强了电性能。电性能好；散热性好。球形触点阵列有利于散热。

本发明在封装体上设置可修复封装载体以及液态金属自充接口，通过液态金属自充接口给互联焊点进行补充液态金属，由毛细填充管路均匀的到达互联焊点内，实现对互联焊点的补充和修复，多余的液态金属将会被可修复封装载体回收和储存。可以实现微系统封装内层间互联焊点的自我修复，使微系统集成组件具备自修复功能，从而提高微系统集成组件的电气互联可靠性，增加微系统集成组件的服役期限。通过自行填充液态金属来修复微系统的互联焊点，确保了微系统集成组件在服役过程中，不会因为湿、热、蠕变等原因而导致互联焊点出现可靠性的问题，从而满足微系统集成组件的长期可靠性要求。

本发明特别适用于相控阵天线微系统集成等技术领域，可以实现海陆空三位一体的相控阵天线微系统集成组件具备自修复能力，从而具备超长的服役期限。

附图说明

下面结合附图和实施例进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

图1是本发明一种可填充液态金属自行修复相控阵天线微系统集成封装结构示意图。

图中：1封装体，2互联焊点，3有源元器件芯片，4封装基板，5液态金属自充接口，6可修复封装载体，7毛细填充管路。

下面通过结合附图和实施例一步说明本发明。

具体实施方式：

参阅图1。根据本发明，在封装了有源元器件芯片3的封装基板4上面及底部制作阵列，焊球作为电路的I/O端与印制线路板PCB互接，通过互联焊点2网络焊球阵列以及嵌入式晶圆级球栅阵列eWLB，实现包括基带、处理器、存储器、电源管理及射频收发器等单芯片的晶圆级封装，通过每层重布线层与封装基板4之间的层层互联，同时也通过互联焊点2实现封装基板4板间的电信号传输，形成封装微系统集成组件的封装体1；在封装体1两端设置可修复封装载体6，并在可修复封装载体6上制出连通每层封装基板4通道的毛细填充管路7，当微系统集成组件在服役过程中互联焊点2出现了蠕变、变形甚至产生裂纹、空隙等焊点缺陷时，液态金属可以通过可修复封装载体6上设置的液态金属自充接口5，给互联焊点2进行补充液态金属，该液态金属在注入后不久就会成型，并与焊点融为一体；尤其是针对互联焊点2产生裂纹或空隙的情况下，该补充的填充液态金属通过毛细填充管路7，均匀的对互联焊点2进行补充和修复。

在封装基板4的背面按阵列方式制出球形触点作为引脚，在封装基板4正面装配多引脚LSI部分BGA，有源元器件芯片3与引出端在封装基板4同一面。

填充液态金属自行修复相控阵天线微系统封装结构主要包含了：封装体1、互联焊点2、有源元器件芯片3、封装基板4、液态金属自充接口5、可修复封装载体6以及毛细填充管路7。其中，可修复封装载体6可以对多余的液态金属进行收集和储藏，避免因为液态金属填充过多，而造成焊点溢出，从而带来短路的风险。此外，可修复封装载体6内还可以设计流量传感器、开关和微泵，并利用可修复封装载体6内回收的多余的液态金属，通过流量传感器、开关和微泵为互联焊点2进行补充和修复，几乎可以达到智能化自适应修复功能。

上述已详尽描述了本发明专利的实施例，本领域内的技术人员在了解其基本创造性概念后，则可对本实施例进行各种改动和变型而不脱离本发明专利的设计精神和范围。本发明专利权利要求包含这些修改和变型。

Claims (7)

1.一种相控阵天线微系统集成封装结构自修复方法，其特征在于：在封装了有源元器件芯片(3)的封装基板(4)上面及底部制作阵列，焊球作为电路的I/O端与印制线路板PCB互接，通过互联焊点(2)网络焊球阵列以及嵌入式晶圆级球栅阵列eWLB，实现包括基带、处理器、存储器、电源管理及射频收发器单芯片的晶圆级封装，通过每层重布线层与封装基板(4)之间的层层互联，同时也通过互联焊点(2)实现封装基板(4)板间的电信号传输，形成封装微系统集成组件的封装体(1)；在封装体(1)两端设置可修复封装载体(6)，并在可修复封装载体(6)上制出连通每层封装基板(4)通道的毛细填充管路(7)，当微系统集成组件在服役过程中互联焊点(2)出现了焊点缺陷时，液态金属通过可修复封装载体(6)上设置的液态金属自充接口(5)，给互联焊点(2)进行补充液态金属，该液态金属在注入后成型，并与焊点融为一体。

2.如权利要求1所述的相控阵天线微系统集成封装结构自修复方法，其特征在于：针对互联焊点(2)产生裂纹或空隙的情况下，该补充的填充液态金属通过毛细填充管路(7)，均匀的对互联焊点(2)进行补充和修复。

3.如权利要求1所述的相控阵天线微系统集成封装结构自修复方法，其特征在于：可修复封装载体(6)对多余的液态金属进行收集和储藏。

4.如权利要求1所述的相控阵天线微系统集成封装结构自修复方法，其特征在于：在封装基板(4)的背面按阵列方式制出球形触点作为引脚，在封装基板(4)正面装配多引脚LSI部分BGA，有源元器件芯片(3)与引出端在封装基板(4)同一面。

5.如权利要求1所述的相控阵天线微系统集成封装结构自修复方法，其特征在于：填充液态金属自行修复相控阵天线微系统封装结构包含了：封装体(1)、互联焊点(2)、有源元器件芯片(3)、封装基板(4)、液态金属自充接口(5)、可修复封装载体(6)以及毛细填充管路(7)，其中，可修复封装载体(6)以对多余的液态金属进行收集和储藏。

6.如权利要求5所述的相控阵天线微系统集成封装结构自修复方法，其特征在于：可修复封装载体(6)还设有计流量传感器、开关和微泵。

7.如权利要求6所述的相控阵天线微系统集成封装结构自修复方法，其特征在于：利用可修复封装载体(6)内回收的多余的液态金属，通过流量传感器、开关和微泵为互联焊点(2)进行补充和修复。

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