CN115279027A - 一种大尺寸复杂微波电路及其多腔体局部气密性封装方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大尺寸复杂微波电路及其多腔体局部气密性封装方法，该封装方法包括：采用双面二次回流焊接工艺在LTCC基板的两侧表面焊接多个可伐小围框；清洗焊接有多个可伐小围框的LTCC基板；对LTCC基板进行真空烘烤；采用激光焊接工艺在每个可伐小围框的开口端焊接可伐盖板，实现裸芯片的气密性封装。上述封装方法采用分布式多腔体局部密封工艺，不受LTCC基板尺寸及有源裸芯片数量的限制，密封工艺残余应力小，可靠性高。
Description
技术领域
本发明涉及电子技术领域，具体涉及一种大尺寸复杂微波电路及其多腔体局部气密性封装方法。
背景技术
气密性封装是提高电子产品可靠性非常重要的工艺方法，尤其对于微波电子产品而言，为了提高产品集成度和微波特性，通常会采用大量裸芯片进行微电路的组装，对此类微电路的气密性封装就显得尤为重要。
常用的气密性封装主要依赖于管壳封装，工艺方法有平行封焊和激光焊接等。平行封焊封装尺寸小，多数针对单芯片或单一功能电路封装。激光焊接适用范围较广，但是当电路尺寸较大时，对应的封装管壳尺寸也随之增加，封装后的残余应力变大，尤其对于采用LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramic，低温共烧陶瓷)基板的微波电路而言，为了匹配LTCC基板的热膨胀系数，目前主要采用AlSi材料做管壳进行封装，但是AlSi材料脆性较大，当封装尺寸超过100mm时，激光焊接后管壳开裂或焊缝开裂的风险将明显增加。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种大尺寸复杂微波电路及其多腔体局部气密性封装方法，该封装方法采用分布式多腔体局部密封工艺，不受LTCC基板尺寸及有源裸芯片数量的限制，密封工艺残余应力小，可靠性高。
本发明采用以下具体技术方案：
本发明提供了一种大尺寸复杂微波电路的多腔体局部气密性封装方法，所述微波电路包括LTCC基板、可伐小围框、以及与所述可伐小围框一一对应的可伐盖板；所述LTCC基板具有相背的第一表面和第二表面；所述LTCC基板的长度和宽度均大于150mm、且厚度大于4mm；在所述LTCC基板的两个表面均焊接有多个所述裸芯片和围绕于每个所述裸芯片外周侧的所述可伐小围框；在每个所述可伐小围框的框口处均密封焊接有一个对应的可伐盖板；所述可伐小围框的单边长度小于等于40mm，单边厚度大于等于0.8mm；所述可伐小围框在与所述LTCC基板相接的一端侧壁设置有引脚；该封装方法包括以下步骤：
采用双面二次回流焊接工艺在LTCC基板的两侧表面焊接多个可伐小围框；
清洗焊接有多个可伐小围框的LTCC基板；
对LTCC基板进行真空烘烤；
采用激光焊接工艺在每个可伐小围框的开口端焊接可伐盖板，实现裸芯片的气密性封装。
更进一步地，采用双面二次回流焊接工艺在LTCC基板的两侧表面焊接多个可伐小围框，具体包括：
在LTCC基板的第一表面印刷焊膏；
在第一表面的裸芯片周围贴放可伐小围框；
将贴放于第一表面的多个可伐小围框的引脚粘接固定于第一表面；
采用回流焊接工艺将可伐小围框焊接于LTCC基板的第一表面；
在LTCC基板的第二表面印刷焊膏；
在第二表面的裸芯片周围贴放可伐小围框；
将贴放于第二表面的多个可伐小围框的引脚粘接固定于第二表面；
采用回流焊接工艺将可伐小围框焊接于LTCC基板的第二表面。
更进一步地，在可伐小围框的引脚处通过点贴片红胶进行粘接；
在对LTCC基板进行真空烘烤时，烘烤温度为80℃，烘烤时间为48h。
更进一步地，所述可伐小围框在背离LTCC基板的一端面设置有用于嵌设可伐盖板的台阶槽；
可伐盖板为平板结构；
台阶槽的深度与可伐盖板的厚度相同；
可伐盖板与可伐小围框之间的焊缝间隙小于0.05mm。
更进一步地，在焊接多个可伐小围框之前，还包括：
在LTCC基板的两侧表面形成用于焊接可伐小围框的焊道，焊道的厚度大于等于20μm，焊道的宽度比可伐小围框的侧壁厚度大0.3mm～1mm；
对所述可伐小围框除台阶槽外的表面进行电镀处理。
另外，本发明还提供了一种采用上述封装方法制备的大尺寸复杂微波电路，该微波电路包括LTCC基板、多个裸芯片、多个可伐小围框、以及与所述可伐小围框一一对应的可伐盖板；
所述LTCC基板具有相背的第一表面和第二表面；所述LTCC基板的长度和宽度均大于150mm、且厚度大于4mm；
在所述第一表面和所述第二表面均焊接有多个所述裸芯片；
所述可伐小围框的一端面焊接于所述LTCC基板的表面，并围绕于所述裸芯片的外周侧；所述可伐小围框在与所述LTCC基板相接的一端侧壁设置有引脚；
在每个所述可伐小围框的框口处均密封焊接有一个所述可伐盖板；
所述可伐小围框的单边长度小于等于40mm，单边厚度大于等于0.8mm。
有益效果：
(1)本发明多腔体局部气密性封装方法特别适用于尺寸大于150mm×150mm×4mm的大尺寸复杂微波电路的封装，该封装方法包括：采用双面二次回流焊接工艺在LTCC基板的两侧表面焊接多个可伐小围框；清洗焊接有多个可伐小围框的LTCC基板；对LTCC基板进行真空烘烤；采用激光焊接工艺在每个可伐小围框的开口端焊接可伐盖板，实现裸芯片的气密性封装；在对大尺寸复杂微波电路进行封装时，采用LTCC基板为载体，在基板表面分布多个可伐小围框作为有源裸芯片的密封腔体，避免了当LTCC基板尺寸较大时，不得不使用更大尺寸的整体密封壳体而带来的密封残余应力过大、壳体或焊缝容易开裂或根本就无法实现密封的风险，采用分布式多腔体局部密封工艺，不受LTCC基板尺寸及有源裸芯片数量的限制，密封工艺残余应力小，可靠性高。
(2)采用多腔体局部气密性封装方法，对裸芯片分别进行封装，返工的成本和风险低，当电路中出现元器件故障时只需将相应的可伐小围框与LTCC基板焊接界面的焊料熔化，取下可伐小围框即可对相应故障元器件进行维修和替换，LTCC基板上其余元器件由于受各自的可伐小围框气密性保护，并且各自可伐小围框又受隔热保护，因此，其余元器件不受返工的影响。
(3)由于焊道的厚度大于等于20μm，焊道的宽度比可伐小围框的侧壁厚度大0.3mm～1mm，使得可伐小围框居中放置于焊道上方时，可伐小围框侧壁两侧仍有足够的焊料润湿宽度，因此，能够保证焊料的良好润湿，还能避免与焊料过度反应。
(4)本发明的大尺寸复杂微波电路在LTCC基板两侧表面焊接多个可伐小围框，并在可伐小围框的开口端焊接可伐盖板，通过可伐小围框和可伐盖板形成多个局部密封腔体，实现对裸芯片的局部封装，解决了现有管壳封装工艺无法对大尺寸LTCC基板进行封装的问题，采用上述结构的大尺寸复杂微波电路，可以不受LTCC基板尺寸及有源裸芯片数量的限制，密封工艺残余应力小，可靠性高，可制作大尺寸的微波电路。
附图说明
图1为本发明多腔体局部气密性封装方法的流程图；
图2为本发明大尺寸复杂微波电路的立体结构示意图；
图3为图2中大尺寸复杂微波电路的爆炸结构示意图；
图4为可伐小围框的结构示意图；
图5为图4中可伐小围框的A-A截面示意图；
图6为可伐盖板的结构示意图。
其中，1-LTCC基板，2-可伐小围框，3-可伐盖板，4-引脚，5-台阶槽
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
实施例一
本实施例提供了一种大尺寸复杂微波电路的多腔体局部气密性封装方法，大尺寸复杂微波电路包括LTCC基板1、多个可伐小围框2、以及多个与每个可伐小围框2一一对应的可伐盖板3；LTCC基板1具有相背的第一表面和第二表面；如图2和图3结构所示，LTCC基板1的两面分别包含12个可伐小围框2和10个可伐小围框2，双面共计包含22个可伐小围框2；LTCC基板1构成复杂微波电路的主体，基板正反表面焊接阻容感等表贴无源器件，之后采用微组装工艺组装数百只甚至上千只有源裸芯片，相近的裸芯片可以共用一个可伐小围框2进行保护，基板正反两面分布式组装多个可伐小围框2，最终通过可伐盖板3与可伐小围框2激光焊接的方法实现对裸芯片的气密性封装；LTCC基板1采用低温共烧工艺进行制备，LTCC基板1的层间垂直互连及内部走线采用Au浆料进行共烧，LTCC基板1的表层金属分为两种，其中用于阻容感等无源器件表贴焊接的焊盘和可伐小围框2SnPb焊接的焊道均采用AuPtPd浆料烧结，而用于有源裸芯片粘片、键合等微组装工艺的焊盘采用Au浆料烧结，AuPtPd浆料烧结后的金属层厚度为25μm，用于可伐小围框2焊接的焊道宽度为1.5mm；基板层数不低于5层，内层间及表面布线根据电路设计需求及LTCC工艺规范执行，基板正反表面除按照功能电路进行所需的线条、焊盘制备外，还应设计用于焊接可伐小围框2的焊道；LTCC基板1正反两面用于焊接可伐小围框2的焊道应满足SnPb焊接的要求，焊道材料体系选择应保证既能够与SnPb焊料良好润湿，又不至于和液态SnPb焊料过度反应，焊道厚度不应低于20μm，焊道宽度应保证可伐小围框2居中放置于焊道上方时，可伐小围框2侧壁两侧仍有足够的SnPb焊料润湿宽度；
LTCC基板1的长度和宽度均大于150mm、且厚度大于4mm；在LTCC基板1的两个表面均焊接有多个裸芯片(图中未示出)和围绕于每个裸芯片外周侧的可伐小围框2；在每个可伐小围框2的框口处均密封焊接有一个对应的可伐盖板3；可伐小围框2的单边长度小于等于40mm，单边厚度大于等于0.8mm，即，可伐小围框2的长度、宽度或者高度均小于40mm，侧壁厚度大于等于0.8mm；可伐小围框2在与LTCC基板1相接的一端侧壁设置有引脚4；可伐小围框2应包含侧面引脚4，侧面引脚4的数量不少于3个，位于可伐小围框2与LTCC基板1的接触面处，引脚4可朝向可伐小围框2的侧壁内侧或外侧伸出，用于可伐小围框2与LTCC基板1焊接时的位置固定；
如图1所示，该封装方法包括以下步骤：
步骤S10，采用双面二次回流焊接工艺在LTCC基板1的两侧表面焊接多个可伐小围框2；具体包括：
在LTCC基板1的第一表面印刷焊膏，如采用丝网印刷工艺在LTCC基板1的第一表面阻容感器件焊盘及可伐小围框2焊道表面印刷SnPb焊膏，焊膏厚度为0.15mm；
在第一表面的裸芯片周围贴放可伐小围框2；可伐小围框2内的裸芯片可以微组装工艺进行裸芯片的粘接、键合；在印刷的SnPb焊膏上贴放阻容感器件及相应可伐小围框2；
将贴放于第一表面的多个可伐小围框2的引脚4粘接固定于第一表面，在对可伐小围框2的引脚4进行粘接固定时，可以通过点贴片红胶的方式将引脚4粘接于LTCC基板1的第一表面；
采用回流焊接工艺将可伐小围框2焊接于LTCC基板1的第一表面；采用红外热风回流炉进行LTCC基板1的第一表面回流焊接，通过优化回流焊接温度曲线，确保峰值焊接温度为215℃±8℃，183℃以上持续时间为60s～90s；
在LTCC基板1的第二表面印刷焊膏；同样可以采用丝网印刷工艺在LTCC基板1的第二表面阻容感器件焊盘及可伐小围框2焊道表面印刷SnPb焊膏，焊膏厚度为0.15mm；
在第二表面的裸芯片周围贴放可伐小围框2；在印刷的SnPb焊膏上贴放阻容感器件及相应可伐小围框2；
将贴放于第二表面的多个可伐小围框2的引脚4粘接固定于第二表面，在对可伐小围框2的引脚4进行粘接固定时，同样可以通过点贴片红胶的方式将引脚4粘接于LTCC基板1的第二表面
采用回流焊接工艺将可伐小围框2焊接于LTCC基板1的第二表面；采用红外热风回流炉进行LTCC基板1的第二表面回流焊接，通过优化回流焊接温度曲线，确保峰值焊接温度为215℃±8℃，183℃以上持续时间为60s～90s；
步骤S20，清洗焊接有多个可伐小围框2的LTCC基板1；
步骤S30，对LTCC基板1进行真空烘烤；在对LTCC基板1进行真空烘烤时，烘箱真空度低于10Pa，烘烤温度为80℃，烘烤时间为48h；
步骤S40，采用激光焊接工艺在每个可伐小围框2的开口端焊接可伐盖板3，实现裸芯片的气密性封装，激光焊接可在手套箱中进行，手套箱中充高纯氮气，箱内水、氧含量低于10ppm，先对LTCC基板1其中一面可伐小围框2与可伐盖板3进行激光点焊，防止可伐盖板3起翘，然后再采用脉冲激光进行正式焊接；待可伐小围框2依次焊接完成后，将LTCC基板1翻转，再对另一面的可伐小围框2依次进行焊接，激光焊接参数可以为：功率1500W、脉冲宽度8ms、光斑重叠率75％、离焦量-0.3mm。
上述多腔体局部气密性封装方法适用于尺寸大于150mm×150mm×4mm的大尺寸复杂微波电路的封装，即，长度大于150mm、宽度大于150mm且厚度大于4mm的LTCC基板1；该封装方法包括：采用双面二次回流焊接工艺在LTCC基板1的两侧表面焊接多个可伐小围框2；清洗焊接有多个可伐小围框2的LTCC基板1；对LTCC基板1进行真空烘烤；采用激光焊接工艺在每个可伐小围框2的开口端焊接可伐盖板3，实现裸芯片的气密性封装；在对大尺寸复杂微波电路进行封装时，采用LTCC基板1为载体，在基板表面分布多个可伐小围框2作为有源裸芯片的密封腔体，避免了当LTCC基板1尺寸较大时，不得不使用更大尺寸的整体密封壳体而带来的密封残余应力过大、壳体或焊缝容易开裂或根本就无法实现密封的风险，采用分布式多腔体局部密封工艺，不受LTCC基板1尺寸及有源裸芯片数量的限制，密封工艺残余应力小，可靠性高。
同时，采用多腔体局部气密性封装方法，对裸芯片分别进行封装，返工的成本和风险低，当电路中出现元器件故障时只需将相应的可伐小围框2与LTCC基板1焊接界面的焊料熔化，取下可伐小围框2即可对相应故障元器件进行维修和替换，LTCC基板1上其余元器件由于受各自的可伐小围框2气密性保护，并且各自可伐小围框2又受隔热保护，因此，其余元器件不受返工的影响。
一种具体的实施方式中，为了提高封装的气密性，可伐小围框2在背离LTCC基板1的一端面设置有用于嵌设可伐盖板3的台阶槽5；可伐盖板3为平板结构；台阶槽5的深度与可伐盖板3的厚度相同；可伐盖板3与可伐小围框2之间的焊缝间隙小于0.05mm。如图4和图5结构所示，可伐小围框2(不包含侧面引脚4)的长度为29mm，宽度为12mm，高度为4mm，侧壁厚度0.8mm(其中用于可伐盖板3搭接的台阶宽0.3mm，搭接台阶外用于激光焊接的侧壁厚度0.5mm)，可伐围框底面侧壁向外有4只引脚4，引脚4长2mm、宽1mm、厚1mm，可伐小围框2除激光焊接台阶三面不进行电镀外，其余面做电镀处理，镀层结构为EpNi6-8Au0.5；如图6结构所示，可伐盖板3长度为27.94mm，宽度为10.94mm，厚度为0.5mm，可伐盖板3与可伐小围框2匹配后，应保证四边匹配间隙不超过0.05mm，同时，可伐盖板3与可伐小围框2顶面应齐平。
通过在可伐小围框2的端面设置有用于嵌设可伐盖板3的台阶槽5，不仅方便可伐盖板3的安装，还增加了可伐小围框2与可伐盖板3之间的密封面数量，从而提高了可伐小围框2与可伐盖板3之间的密封性能；同时在焊接过程中使得可伐盖板3与可伐小围框2之间的焊缝间隙小于0.05mm，进一步提高了可伐小围框2与可伐盖板3之间的密封效果。可伐盖板3与可伐小围框2框口采用搭接结构，搭接后可伐盖板3与可伐小围框2上表面齐平，可伐盖板3与可伐小围框2搭接焊缝间隙要求四边均小于0.05mm。
更进一步地，在焊接多个可伐小围框2的步骤之前，上述封装方法还包括以下步骤：
在LTCC基板1的两侧表面形成用于焊接可伐小围框2的焊道，焊道的厚度大于等于20μm，焊道的宽度比可伐小围框2的侧壁厚度大0.3mm～1mm；焊道可以与LTCC基板1整体形成，即在制作LTCC基板1时一起形成焊道；
对可伐小围框2除台阶槽5外的表面进行电镀处理，即，对可伐小围框2表面做局部电镀处理，与LTCC基板1的焊接面包含有镀层，以适应SnPb焊接工艺要求，而与可伐盖板3的搭接面不含镀层，以满足激光焊接工艺要求。可伐盖板3无需电镀处理。
由于焊道的厚度大于等于20μm，焊道的宽度比可伐小围框2的侧壁厚度大0.3mm～1mm，使得可伐小围框2居中放置于焊道上方时，可伐小围框2侧壁两侧仍有足够的焊料润湿宽度，因此，能够保证焊料的良好润湿，还能避免与焊料过度反应。
实施例二
本实施例提供了一种采用上述封装方法制备的大尺寸复杂微波电路，该微波电路包括LTCC基板1、多个裸芯片、多个可伐小围框2、以及与可伐小围框2一一对应的可伐盖板3；LTCC基板1具有相背的第一表面和第二表面；LTCC基板1的长度和宽度均大于150mm、且厚度大于4mm；在第一表面和第二表面均焊接有多个裸芯片；可伐小围框2的一端面焊接于LTCC基板1的第一表面或者第二表面，并围绕于裸芯片的外周侧；可伐小围框2在与LTCC基板1相接的一端侧壁设置有引脚4；在每个可伐小围框2的框口处均密封焊接有一个可伐盖板3；可伐小围框2的单边长度小于等于40mm，单边厚度大于等于0.8mm。
上述大尺寸复杂微波电路在LTCC基板1两侧表面焊接多个可伐小围框2，并在可伐小围框2的开口端焊接可伐盖板3，通过可伐小围框2和可伐盖板3形成多个局部密封腔体，实现对裸芯片的局部封装，解决了现有管壳封装工艺无法对大尺寸LTCC基板1进行封装的问题，采用上述结构的大尺寸复杂微波电路，可以不受LTCC基板1尺寸及有源裸芯片数量的限制，密封工艺残余应力小，可靠性高，可制作大尺寸的微波电路。
对采用本发明的多腔体局部气密性封装方法制备的大尺寸复杂微波电路进行氦质谱检漏测试，气密性测试结果为2.2×10-8Pa·m3/s，满足气密性测试要求。
本发明提供的大尺寸复杂微波电路及其多腔体局部气密性封装方法均具有封装气密性好、可靠性高、不受LTCC基板1尺寸和有源裸芯片数量限制、封装应力小、工艺灵活、易于返工等优点，可应用于高可靠较大尺寸的复杂微波网络产品。
综上，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种大尺寸复杂微波电路的多腔体局部气密性封装方法，其特征在于，所述微波电路包括LTCC基板、可伐小围框、以及与所述可伐小围框一一对应的可伐盖板；所述LTCC基板具有相背的第一表面和第二表面；所述LTCC基板的长度和宽度均大于150mm、且厚度大于4mm；在所述LTCC基板的两个表面均焊接有多个所述裸芯片和围绕于每个所述裸芯片外周侧的所述可伐小围框；在每个所述可伐小围框的框口处均密封焊接有一个对应的可伐盖板；所述可伐小围框的单边长度小于等于40mm，单边厚度大于等于0.8mm；所述可伐小围框在与所述LTCC基板相接的一端侧壁设置有引脚；该封装方法包括以下步骤：
采用双面二次回流焊接工艺在LTCC基板的两侧表面焊接多个可伐小围框；
清洗焊接有多个可伐小围框的LTCC基板；
对LTCC基板进行真空烘烤；
采用激光焊接工艺在每个可伐小围框的开口端焊接可伐盖板，实现裸芯片的气密性封装。
2.如权利要求1所述的封装方法，其特征在于，采用双面二次回流焊接工艺在LTCC基板的两侧表面焊接多个可伐小围框，具体包括：
在LTCC基板的第一表面印刷焊膏；
在第一表面的裸芯片周围贴放可伐小围框；
将贴放于第一表面的多个可伐小围框的引脚粘接固定于第一表面；
采用回流焊接工艺将可伐小围框焊接于LTCC基板的第一表面；
在LTCC基板的第二表面印刷焊膏；
在第二表面的裸芯片周围贴放可伐小围框；
将贴放于第二表面的多个可伐小围框的引脚粘接固定于第二表面；
采用回流焊接工艺将可伐小围框焊接于LTCC基板的第二表面。
3.如权利要求2所述的封装方法，其特征在于，在可伐小围框的引脚处通过点贴片红胶进行粘接；
在对LTCC基板进行真空烘烤时，烘烤温度为80℃，烘烤时间为48h。
4.如权利要求1-3任一项所述的封装方法，其特征在于，所述可伐小围框在背离LTCC基板的一端面设置有用于嵌设可伐盖板的台阶槽；
可伐盖板为平板结构；
台阶槽的深度与可伐盖板的厚度相同；
可伐盖板与可伐小围框之间的焊缝间隙小于0.05mm。
5.如权利要求4所述的封装方法，其特征在于，在焊接多个可伐小围框之前，还包括：
在LTCC基板的两侧表面形成用于焊接可伐小围框的焊道，焊道的厚度大于等于20μm，焊道的宽度比可伐小围框的侧壁厚度大0.3mm～1mm；
对所述可伐小围框除台阶槽外的表面进行电镀处理。
6.一种采用权利要求1-5任一项所述的封装方法制备的大尺寸复杂微波电路，其特征在于，包括LTCC基板、多个裸芯片、多个可伐小围框、以及与所述可伐小围框一一对应的可伐盖板；
所述LTCC基板具有相背的第一表面和第二表面；所述LTCC基板的长度和宽度均大于150mm、且厚度大于4mm；
在所述第一表面和所述第二表面均焊接有多个所述裸芯片；
所述可伐小围框的一端面焊接于所述LTCC基板的表面，并围绕于所述裸芯片的外周侧；所述可伐小围框在与所述LTCC基板相接的一端侧壁设置有引脚；
在每个所述可伐小围框的框口处均密封焊接有一个所述可伐盖板；
所述可伐小围框的单边长度小于等于40mm，单边厚度大于等于0.8mm。
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