一种系统级封装结构及其制造方法与流程

[0001]
本发明属于电子封装技术领域，涉及微波、射频及数模混合封装，尤其是一种系统级封装结构及其制造方法。


背景技术：

[0002]
伴随电子产品多功能、高性能、高可靠性和小型化的需求，系统级封装技术今年来发展十分迅速。现有系统级封装技术按照使用的电路板类型可以分为硅基封装、陶瓷封装、金属封装和有机封装。
[0003]
现有硅基封装通常采用低温玻璃烧结、阳极键合的封装方式实现密封，该类封装可气密，但因工艺温度较高，无法将各种gaas、rf器件、存储器、处理器等ic共同集成在一个封装腔体内，适用范围较窄，通常仅用于mems封装。在此基础之上，专利cn104201113公布了一种系统级封装的气密密封结构及其制造方法，该专利采用软钎焊的方法解决了硅基电路板上集成多种芯片的难题，可实现大面积，复杂功能的气密集成。但该专利所采用的硅基电路板与pcb板之间热失配较为严重，大尺寸封装不能直接采用bga表贴的方式二次集成到pcb母板上，限制了该类封装与其它器件之间的高密度互联。
[0004]
现有陶瓷封装的方案通常为陶瓷电路板上焊接围框，表贴/粘接芯片后通过金丝/金带互连，最后平行封焊/软钎焊实现气密性封装，该类封装通常为气密封装；陶瓷封装也受制于pcb电路板的热失配，难以解决大尺寸封装条件下与pcb之间的高密度互联问题，同时陶瓷封装存在制造成本极高的问题；专利cn205177839公布了一种气密型陶瓷封装的系统级封装电路，该专利采用双面陶瓷气密封装，外部采用qfn等形式与周边互联，相较bga方式互联密度低，且大尺寸下与pcb集成存在可靠性问题。
[0005]
现有金属封装通常为气密封装，受制于金属壳体无法高密度布线的限制，难以实现高密度、多层布线的集成体系，已经无法满足当下系统封装高密度、小型化、轻量化的集成需求。
[0006]
塑封工艺可通过bga形式实现高密度外部互联，采用有机多层电路作为封装电路板，但相关技术不具备气密性，仅可用于非气密封装；此外塑封器件受限于材料特性，无法应用与射频/微波封装。
[0007]
专利cn106486427a公布了一种使用基于lcp有机电路板的气密性封装，其围框与有机电路板之间采用sac305焊接，盖板与围框采用激光封焊进行封装。该封装形式因lcp电路板散热差，激光封焊时必然出现焊料重熔，这一过程会导致气密性失效；且其封装形式无对外互连接口，对外互连存在困难；腔体内无电路分区，无法保障复杂系统腔体内的良好电磁屏蔽，电路串扰问题难以规避。


技术实现要素：

[0008]
本发明所要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供一种系统级封装结构及其制造方法。
[0009]
本发明采用的技术方案如下：
[0010]
一种系统级封装结构，包括：有机多层电路板、金属围框、bga焊球、预成型焊片一、预成型焊片二和带有凸台的金属盖板；所述金属围框包括最外圈的围框结构体和分布在围框结构体内的隔筋；所述金属围框的围框结构体和隔筋上方与带有凸台的金属盖板相匹配；
[0011]
所述bga焊球植于有机多层电路板背面；
[0012]
所述金属围框的围框结构体和隔筋下方使用预成型焊片一焊接于有机多层电路板正面；
[0013]
所述金属围框的隔筋上方与所述金属盖板的凸台使用预成型焊片二焊接，所述金属盖板的四周与金属围框的围框结构体上方气密焊接，使得金属盖板和有机多层电路板之间，通过金属围框的围框结构体和隔筋分割成若干个腔体；各个所述腔体中的所述有机多层电路板正面用于安装裸管芯或封装器件。
[0014]
在一些实施例中，所述有机多层电路板为气密有机材料制造的气密有机多层电路板，或者非气密的多层电路板。
[0015]
在一些实施例中，所述金属围框和金属盖板采用304不锈钢、321不锈钢、 10号钢、316l不锈钢或可伐合金制备而成。
[0016]
在一些实施例中，所述金属围框和金属盖板的表面镀有镍金镀层。
[0017]
在一些实施例中，所述bga焊球为sac305焊球或sn
63
pb
37
焊球。
[0018]
在一些实施例中，所述预成型焊片一采用熔点介于220-250℃之间的焊料制备而成，包括且不限于：pb
75
in
25
、sn
90
sb
10
、sn
95
sb5、sn
99.3
cu
0.7
和sn
96.5
ag
3.5
焊料。
[0019]
在一些实施例中，所述预成型焊片二采用sn
63
pb
37
、sn
42
bi
58
或纯in片制备而成。
[0020]
所述系统级封装结构的制造方法，包括如下步骤：
[0021]
s1，清洗金属盖板、金属围框和有机多层电路板；
[0022]
s2，金属围框的围框结构体和隔筋下方使用预成型焊片一焊接于有机多层电路板正面；
[0023]
s3，清洗并完全去除助焊剂后检漏；
[0024]
s4，bga焊球植于有机多层电路板背面；
[0025]
s5，在有机多层电路板正面被金属围框的围框结构体和隔筋分割成的若干个封装区域中，安装裸管芯或封装器件；
[0026]
s6，对安装的裸管芯或封装器件进行电学性能调测；
[0027]
s7，金属围框的隔筋上方与所述金属盖板的凸台使用预成型焊片二焊接；
[0028]
s8，金属盖板的四周与金属围框的围框结构体上方气密焊接，使得所述封装区域经金属盖板封焊后形成腔体。
[0029]
在一些实施例中，步骤s5中，安装裸管芯的方法为：所述裸管芯通过导电胶粘贴于有机多层电路板正面，并采用金丝键合的方式与有机多层电路板之间实现电气互连。
[0030]
在一些实施例中，步骤s5中，安装封装器件的方法为：所述封装器件采用smt的方式安装在有机多层电路板正面，并通过smt焊点与有机多层电路板之间实现电气互连。
[0031]
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
[0032]
本发明提供一种低成本、高密度、小型化的系统级封装方案：(1)通过金属盖板、金
属围框和有机多层电路板形成腔体，在这些腔体中可以安装裸管芯或封装器件(指经封装后的管芯)，实现系统级封装方案，这种封装形式可实现气密封装，也可以用于非气密封装；并且这种标准化、结构化模块设计可以实现电路可根据需求变化，灵活度高；(2)有机多层电路板的背面植bga焊球，可以实现外部互连，可用于数字电路、模拟电路及数模混合电路封装；可直接表贴于pcb模板上，通过bga互连，在尺寸大于30
×
30mm的条件下，仍然具备长期可靠性。
附图说明
[0033]
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
[0034]
图1a为本发明实施例的系统级封装结构示意的正视图。
[0035]
图1b为本发明实施例的系统级封装结构示意的俯视图。
[0036]
图2为图1b的a-a剖视图。
[0037]
图3为发明实施例的系统级封装结构的制造方法的流程框图。
[0038]
附图标记：1-有机多层电路板、2-金属围框、3-bga焊球、4-预成型焊片一、5-封装器件、6-smt焊点、7-裸管芯、8-导电胶、9-金丝、10-预成型焊片二、11-金属盖板。
具体实施方式
[0039]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的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。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的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。
[0040]
本发明的一种系统级封装结构，包括：有机多层电路板1、金属围框2、 bga焊球3、预成型焊片一4、预成型焊片二10和带有凸台的金属盖板11；所述金属围框2包括最外圈的围框结构体和分布在围框结构体内的隔筋；所述金属围框2的围框结构体和隔筋上方与带有凸台的金属盖板11相匹配；
[0041]
所述bga焊球3植于有机多层电路板1背面；
[0042]
所述金属围框2的围框结构体和隔筋下方使用预成型焊片一4焊接于有机多层电路板1正面；
[0043]
所述金属围框2的隔筋上方与所述金属盖板11的凸台使用预成型焊片二 10焊接，所述金属盖板11的四周与金属围框2的围框结构体上方气密焊接，使得金属盖板11和有机多层电路板1之间，通过金属围框2的围框结构体和隔筋分割成若干个腔体；各个所述腔体中的所述有机多层电路板1正面用于安装裸管芯7或封装器件5。
[0044]
本发明的核心是，提供一种低成本、高密度、小型化的系统级封装方案：
[0045]
(1)通过金属盖板11、金属围框2和有机多层电路板1形成腔体，在这些腔体中可以安装裸管芯7或封装器件5(指经封装后的管芯)，实现系统级封装方案，这种封装形式可实现气密封装，也可以用于非气密封装；并且这种标准化、结构化模块设计可以实现电路可根据需求变化，灵活度高；
[0046]
(2)有机多层电路板1的背面植bga焊球3，可以实现外部互连，可用于数字电路、模拟电路及数模混合电路封装；可直接表贴于pcb模板上，通过bga互连，在尺寸大于30
×
30mm的条件下，仍然具备长期可靠性。
[0047]
在一些实施例中，所述有机多层电路板1为气密有机材料制造的气密有机多层电路板1，如lcp有机多层电路板1，用于气密封装；或者非气密的多层电路板，如fr4、m6、m7多层电路板，用于非气密封装。
[0048]
在一些实施例中，所述金属围框2和金属盖板11采用304不锈钢、321 不锈钢、10号钢、316l不锈钢或可伐合金制备而成。
[0049]
在一些实施例中，所述金属围框2和金属盖板11的表面镀有镍金镀层，用于实现气密焊接。
[0050]
在一些实施例中，所述bga焊球3为sac305焊球或sn
63
pb
37
焊球。
[0051]
在一些实施例中，所述预成型焊片一4采用熔点介于220-250℃之间的焊料制备而成，包括且不限于：pb
75
in
25
、sn
90
sb
10
、sn
95
sb5、sn
99.3
cu
0.7
和sn
96.5
ag
3.5
焊料。
[0052]
在一些实施例中，所述预成型焊片二10采用sn
63
pb
37
、sn
42
bi
58
或纯in片制备而成。
[0053]
所述系统级封装结构的制造方法，包括如下步骤：
[0054]
s1，清洗金属盖板11、金属围框2和有机多层电路板1；
[0055]
s2，金属围框2的围框结构体和隔筋下方使用预成型焊片一4焊接于有机多层电路板1正面；
[0056]
s3，清洗并完全去除助焊剂后检漏；
[0057]
s4，bga焊球3植于有机多层电路板1背面；
[0058]
s5，在有机多层电路板1正面被金属围框2的围框结构体和隔筋分割成的若干个封装区域中，安装裸管芯7或封装器件5；
[0059]
s6，对安装的裸管芯7或封装器件5进行电学性能调测；
[0060]
s7，金属围框2的隔筋上方与所述金属盖板11的凸台使用预成型焊片二 10焊接；
[0061]
s8，金属盖板11的四周与金属围框2的围框结构体上方气密焊接，使得所述封装区域经金属盖板11封焊后形成腔体。
[0062]
在一些实施例中，步骤s5中，安装裸管芯7的方法为：所述裸管芯7通过导电胶8粘贴于有机多层电路板1正面，并采用金丝9键合的方式与有机多层电路板1之间实现电气互连。所述导电胶8通常为h20e导电胶8或者 eg8050导电胶8。
[0063]
在一些实施例中，步骤s5中，安装封装器件5的方法为：所述封装器件5采用smt的方式安装在有机多层电路板1正面，并通过smt焊点6与有机多层电路板1之间实现电气互连。通常采用smt的方式时使用的焊料为 sac305焊料。
[0064]
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
[0065]
本实施例提供的一种系统级封装结构，包括：lcp有机多层电路板1、金属围框2、sn
63
pb
37
焊球、sn
90
sb
10
预成型焊片一4、sn
63
pb
37
预成型焊片二10 和带有凸台的金属盖板11；
所述金属围框2包括最外圈的围框结构体和分布在围框结构体内的隔筋；所述金属围框2的围框结构体和隔筋上方与带有凸台的金属盖板11相匹配；
[0066]
所述sn
63
pb
37
焊球植于lcp有机多层电路板1背面；
[0067]
所述金属围框2的围框结构体和隔筋下方使用sn
90
sb
10
预成型焊片一4焊接于lcp有机多层电路板1正面；
[0068]
所述金属围框2的隔筋上方与所述金属盖板11的凸台使用sn
63
pb
37
预成型焊片二10焊接，所述金属盖板11的四周与金属围框2的围框结构体上方气密焊接，使得金属盖板11和lcp有机多层电路板1之间，通过金属围框2的围框结构体和隔筋分割成若干个腔体，此时各个腔体之间实现了电磁屏蔽；各个所述腔体中的所述lcp有机多层电路板1正面用于安装裸管芯7或封装器件5；
[0069]
所述裸管芯7通过h20e导电或eg8050导电胶8胶粘贴于lcp有机多层电路板1正面，并采用金丝9键合的方式与lcp有机多层电路板1之间实现电气互连；
[0070]
所述封装器件5使用sac305焊料采用smt的方式安装在有机多层电路板1正面，并通过smt焊点6与有机多层电路板1之间实现电气互连。
[0071]
如图3所示，是所述系统级封装结构的制造方法：
[0072]
(1)清洗金属盖板11、金属围框2和lcp有机多层电路板1；
[0073]
(2)金属围框2的围框结构体和隔筋下方使用sn
90
sb
10
预成型焊片一4，采用热风回流焊的方式焊接于lcp有机多层电路板1正面；
[0074]
(3)清洗并完全去除助焊剂后检漏；
[0075]
(4)检漏通过后，使用再流焊工艺将sn
63
pb
37
焊球植于lcp有机多层电路板1背面；
[0076]
(5)在lcp有机多层电路板1正面被金属围框2的围框结构体和隔筋分割成的一些封装区域中，印刷sac305焊料并表贴封装器件5，回流焊焊接封装器件5与lcp有机多层电路板1，实现封装器件5与lcp有机多层电路板1 之间的电气互连；
[0077]
(6)清洗并完全去除助焊剂；
[0078]
(7)在lcp有机多层电路板1正面被金属围框2的围框结构体和隔筋分割成的另外一些封装区域中，将裸管芯7通过h20e导电胶8或eg8050导电胶8粘贴于lcp有机多层电路板1正面，并采用金丝9键合的方式与lcp有机多层电路板1之间实现电气互连；
[0079]
至此，裸管芯7和封装器件5全部完成与lcp有机多层电路板1的电气互连；
[0080]
(8)对安装的裸管芯7或封装器件5进行电学性能调测；
[0081]
(9)金属围框2的隔筋上方与所述金属盖板11的凸台使用sn
63
pb
37
预成型焊片二10焊接，实现各个封装区域之间的电磁屏蔽；
[0082]
(10)金属盖板11的四周与金属围框2的围框结构体上方气密焊接，使得所述封装区域经金属盖板11封焊后形成腔体，获得整个系统级气密封装。
[0083]
以上过程采用的是lcp有机多层电路板1，以实现气密封装，如采用非气密的多层电路板，如fr4、m6、m7多层电路板，来替代所述lcp有机多层电路板1，则获得系统级非气密封装。
[0084]
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。