一种采用BGA接口的宽带射频系统级封装结构的制作方法

一种采用bga接口的宽带射频系统级封装结构
技术领域
[0001]
本发明涉及集成电路、芯片封装技术领域，尤其是一种采用bga接口的宽带射频系统级封装结构。


背景技术：

[0002]
随着半导体及集成电路技术进步，系统集成要求进一步提升，当前的电子电路设计和制造，都朝着尺寸更小、集成密度更高方向发展，相当大的工作都在多芯片封装领域进行。在先进的封装形式中，通过sip技术，将多个射频(rf)芯片、数字集成电路(ic)芯片、微小型片式元器件等，组装在封装基板上，然后集成于一个封装体中。这种多芯片的封装形式，缩短了芯片之间的引脚距离，大大提高了封装密度，一定程度可以满足系统级封装的需求。
[0003]
根据封装基板材料的不同，封装方式通常又可分为两种：一种是采用具有空腔结构的多层陶瓷封装，另一种是采用多层pcb基板作为芯片衬底材料的塑料封装。
[0004]
陶瓷封装基板具有高集成密度、高可靠性、高气密性、高热导率、优良的耐腐蚀性等优点。但受制于陶瓷材料与pcb电路板材料的热失配，无法进行大尺寸的封装，同时陶瓷封装存在制造成本极高的问题。
[0005]
塑料封装基板具有成本低，工艺相对简单，互联密度较高的特点，且可通过bga等形式，实现与pcb母板的二次高密度互联。其最大不足是普通pcb材料吸湿率高、阻挡水汽性能较差，无法做到气密封装；同时受限一般树脂材料的介电特性(介电常数、介质损耗)，无法应用于射频/微波传输。这些不足限制了塑料封装在高可靠、高性能芯片封装中的应用，目前其主要应用领域是消费类电子。
[0006]
有机基板材料，由于具有优异的介电传输特性，极低的吸湿率、透水性和氧透过率，与铜匹配的平面热膨胀系数，高的耐热性和耐化学腐蚀性等突出优点，契合了射频/微波芯片对封装基板材料的严苛要求，是高可靠、高性能芯片封装应用领域潜力巨大、应用前景广阔的新一代基板材料。
[0007]
现有已公开的技术，还没有利用有机基板实现多芯片、高气密要求、高电磁屏蔽、高可靠互联的带bga接口的封装组件的技术解决方案。


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，提供一种采用bga接口的宽带射频系统级封装结构，可以满足多芯片、高气密要求、高电磁屏蔽、高可靠互联的系统级封装要求。
[0009]
本发明采用的技术方案如下：
[0010]
一种采用bga接口的宽带射频系统级封装结构，包括：有机材料任意层互联封装基板、bga焊球、芯片、金属围框和金属盖板；
[0011]
所述bga焊球焊接于有机材料任意层互联封装基板底面，作为所述宽带射频系统
级封装结构对外的二次级联i/o接口；
[0012]
所述金属围框中分布有金属隔筋；所述金属围框和金属隔筋焊接于有机材料任意层互联封装基板上表面，所述金属盖板焊接于金属围框和金属隔筋上，使有机材料任意层互联封装基板和金属盖板之间，通过金属围框和金属隔筋形成具有气密封装性能和电磁屏蔽性能的多个空腔结构；每个空腔结构中包含一个或多个盲槽；每个盲槽用于安装一个芯片，当安装的芯片无电磁屏蔽要求时，则安装在同一空腔结构中，当安装的芯片有电磁屏蔽要求时，则安装在不同空腔结构中；所述芯片通过导电胶粘接于盲槽中，并通过金丝键合的方式与有机材料任意层互联封装基板上表面的第一层图形化金属线路层中的芯片i/o焊接及信号传输用线路层实现电气互连；
[0013]
所述宽带射频系统级封装结构具有a、b、c三种封装尺寸；a、b、c三种封装尺寸具有如下关系：
[0014]
lc＝2
×
wb+d＝2
×
la+d；wc＝lb＝2
×
wa+d；
[0015]
其中，la、lb、lc分别表示a、b、c三种封装尺寸的长度；wa、wb、wc分别表示a、b、c三种封装尺寸的宽度；d表示多个所述宽带射频系统级封装结构在pcb母板上进行sip封装的间距。
[0016]
进一步地，所述bga焊球在有机材料任意层互联封装基板底面的分布包括：5
×
5的bga焊球阵列形成的射频区，以及围绕在射频区周围至少两圈bga焊球中设置的电源区、数字区和接地区。
[0017]
进一步地，所述金属围框的一角为倒圆角，在有机材料任意层互联封装基板底面与该倒圆角对应的一角设置有带色丝印。
[0018]
进一步地，金属围框与有机材料任意层互联封装基板焊接处设置有用于穿过微带传输线的过线结构；该过线结构包括设置在有机材料任意层互联封装基板与金属围框焊接处的门框型阻焊层，以及在该门框型阻焊层上方且设置在金属围框上的拱门结构；该拱门结构比门框型阻焊层更宽，该门框型阻焊层比微带传输线更宽。
[0019]
进一步地，所述有机材料任意层互联封装基板包括：
[0020]
从表面至底面分布的n层图形化金属线路层，底面的第n层图形化金属线路层设有用于焊接bga焊球的结构；
[0021]
位于相邻图形化金属线路层之间的n-1层绝缘介质层；
[0022]
位于第一层图形化金属线路层和第二层图形化金属线路层之间的绝缘介质层中，且开口朝向所述第一层图形化金属线路层的多个盲槽；
[0023]
用于实现n层图形化金属线路层中任意层互联的多个盲孔。
[0024]
进一步地，所述有机材料任意层互联封装基板表面的第一层图形化金属线路层包括外边缘一圈环绕金属层和在环绕金属层内侧的多组芯片i/o焊接及信号传输线路层，每组芯片i/o焊接及信号传输线路层的形状为矩形或异形的孤岛，且每组芯片i/o焊接及信号传输线路层经一个电绝缘区域与环绕金属层相接；该环绕金属层的电学属性为接地层、工艺属性为气密焊接层；所述第一层图形化金属线路层上表面依次设有涂覆层和上表面阻焊层；所述涂覆层覆盖所述环绕金属层和每组芯片i/o焊接及信号传输线路层；所述上表面阻焊层包括第一环绕阻焊层和多个第二环绕阻焊层，其中，每个第二环绕阻焊层对应围绕每个电绝缘区域，所述第一环绕阻焊层围绕所有第二环绕阻焊层；
[0025]
每组芯片i/o焊接及信号传输线路层内，包含芯片i/o焊盘及信号传输线路，以及一个或多个盲槽；每组芯片i/o焊接及信号传输用线路层内信号的传输，通过该组芯片i/o焊接及信号传输用线路层内的芯片i/o焊盘及信号传输线路，或者经由各层盲孔及下层图形化金属线路层中对应部分共同完成；两组及以上芯片i/o焊接及信号传输层之间的信号传输，由各层盲孔及下层图形化金属线路层中对应部分共同完成。
[0026]
进一步地，第一层图形化金属线路层和第二层图形化金属线路层之间的绝缘介质层，由有机基板和粘接膜构成，所述粘接膜熔点比有机基板低；第二层图形化金属线路层至第n层图形化金属线路层之间的绝缘介质层均由有机基板构成。
[0027]
进一步地，所述盲槽底部为第二层图形化金属线路层中的大面积金属接地层，并具有涂覆层；所述盲槽在第一层图形化金属线路层的开口周围是芯片i/o焊盘或图形；所述盲槽的数量和大小根据安装芯片的数量和大小确定。
[0028]
9.根据权利要求5所述的采用bga接口的宽带射频系统级封装结构，其特征在于，所述盲孔贯穿并连接相邻图形化金属线路层，并且所有盲孔在垂直方向上可对正或错排堆叠；每个盲孔的直径大小相同，且盲孔深径比≤1，盲孔内填充实心电镀铜。
[0029]
进一步地，所述第n层图形化金属线路层下表面具有涂覆层；在第n层图形化金属线路层下表面的涂覆层上，设置有所述有机材料任意层互联封装基板对外二次级联i/o焊接用焊盘或图形，以及下表面阻焊层；该下表面阻焊层的开窗为圆形且呈栅格阵列式分布，用于焊接bga焊球。
[0030]
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
[0031]
1、本发明利用有机材料实现任意层互联封装基板，实现了一种能够满足多芯片、高气密要求、高电磁屏蔽、高可靠互联的系统级封装要求的系统级封装结构，并提供三种封装尺寸以最大化利用pcb模板布线空间。
[0032]
2、采用本发明的基于有机基板实现的系统级封装结构，以高密度栅格阵列式bga焊球实现对外二次级联，与pcb母板兼容性良好，可进行大尺寸、高集成密度的系统级封装。
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1为本发明实施例的采用bga接口的宽带射频系统级封装结构示意图；其中，其中：61-宽带射频系统级封装结构；1-有机材料任意层互联封装基板；2-bga焊球；3-芯片；4-金丝；5-金属围框；51-金属隔筋；6-金属盖板；7-空腔结构；12-盲槽；16-基板内信号传输路径。
[0035]
图2为本发明实施例的三种封装尺寸关系示意图。
[0036]
图3a为本发明实施例采用三种封装尺寸的pcb模板空间分布示意图。
[0037]
图3b为本发明实施例仅采用一种矩形封装的pcb模板空间分布示意图。
[0038]
图3c为本发明实施例仅采用一种正方形封装的pcb模板空间分布示意图。
[0039]
图4a为本发明实施例的a封装bga焊球功能分区示意图。
[0040]
图4b为本发明实施例的b封装bga焊球功能分区示意图
[0041]
图4c为本发明实施例的c封装bga焊球功能分区示意图
[0042]
图5为本发明实施例的功能分区的通道隔离实测波形图。
[0043]
图6为本发明实施例的有机材料任意层互联封装基板与金属围框焊接处过线结构示意图；其中：501-门框型阻焊层；502-拱门结构；503-焊片；504-微带传输线。
[0044]
图7为发明实施例的有机材料任意层互联封装基板的结构示意图；其中：1-有机材料任意层互联封装基板；11-图形化金属线路层；111-第一层图形化金属线路层；112-第二层图形化金属线路层；113-第三层至第n-1层图形化金属线路层；114-第n层图形化金属线路层；12-盲槽；1211-盲槽底部的大面积金属接地层；13-涂覆层；14-盲孔；15-绝缘介质层；151-有机基板；152-粘接膜；16-基板内信号传输路径；17-上表面阻焊层；18-下表面阻焊层。
[0045]
图8为本发明实施例的有机材料任意层互联封装基板的第一层图形化金属线路层的结构示意图；其中：21、22、23-芯片i/o焊接及信号传输用线路层；211、221、231-芯片安装盲槽位置；212、222、232-芯片i/o焊盘及信号传输线路；213、223、233-电绝缘区域；171、172、173-第二环绕阻焊层；24-环绕金属层；174-第一环绕阻焊层；16-基板内信号传输路径。
[0046]
图9为本发明实施例的有机材料任意层互联封装基板的第n层图形化金属线路层的结构示意图；其中：18-下表面阻焊层；31-栅格阵列式阻焊开窗；32-封装基板对外二次级联i/o焊接用焊盘或图形。
具体实施方式
[0047]
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。
[0048]
如图1所示，本实施例提供的一种采用bga接口的宽带射频系统级封装结构61，包括：有机材料任意层互联封装基板1、bga焊球2、芯片3、金属围框5和金属盖板6；
[0049]
所述bga焊球2焊接于有机材料任意层互联封装基板1底面，作为所述宽带射频系统级封装结构61对外的二次级联i/o接口；
[0050]
所述金属围框5中分布有金属隔筋51；所述金属围框5和金属隔筋51焊接于有机材料任意层互联封装基板1上表面，所述金属盖板6焊接于金属围框5和金属隔筋51上，使有机材料任意层互联封装基板1和金属盖板6之间，通过金属围框5和金属隔筋51形成具有气密封装性能和电磁屏蔽性能的多个空腔结构7；每个空腔结构7中包含一个或多个盲槽12；每个盲槽12用于安装一个芯片3，当安装的芯片3无电磁屏蔽要求时，则安装在同一空腔结构7中，当安装的芯片3有电磁屏蔽要求时，则安装在不同空腔结构7中；所述芯片3通过导电胶粘接于盲槽12中，并通过金丝4键合的方式与有机材料任意层互联封装基板1上表面的第一层图形化金属线路层中11的芯片i/o焊接及信号传输用线路层21、22、23实现电气互连。
[0051]
如图2所示，所述宽带射频系统级封装结构61具有a、b、c三种封装尺寸。相同母板面积可放置1个c封装尺寸或2个b封装尺寸或4个a封装尺寸的宽带射频系统级封装结构61。考虑到可装配、可返修性，进行sip封装需要保持一定的间距d，从而三种封装尺寸的封装面积不是严格的s
c
＝2
×
s
b
＝4
×
s
a
。具体地，a、b、c三种封装尺寸具有如下关系：
[0052]
lc＝2
×
wb+d＝2
×
la+d；wc＝lb＝2
×
wa+d；
[0053]
其中，la、lb、lc分别表示a、b、c三种封装尺寸的长度；wa、wb、wc分别表示a、b、c三种封装尺寸的宽度；d表示多个所述宽带射频系统级封装结构61在pcb母板上进行sip封装的间距。
[0054]
例如，所述a、b、c三种封装采用2.5mm、3mm、3.5mm三种高度，均为包含bga焊球后的总高度(bga焊球直径0.45mm，bga焊球间中心间距0.75mm，最外圈bga焊球到基板边缘距离0.75mm)。a封装的长、宽分别是：la＝15mm、wa＝9.75mm；b封装的长、宽分别是：lb＝22.5mm、wb＝15mm；c封装的长、宽分别是：lc＝33mm、wc＝22.5mm；放置间距d＝3mm。两个a封装并列放置且间距3mm时，所占用空间与一个b封装相等。两个b封装并列放置且间距3mm时，所占用空间与一个c封装相等。
[0055]
本发明通过设计三种封装尺寸，可满足不同规模、不同复杂度组件的设计需求；同时还易于加工、集成，显著提高pcb母板空间利用率。如图3a所示，考虑上级pcb母板为矩形的典型情况，若采用a、b、c三种封装尺寸的宽带射频系统级封装结构在pcb母板上进行sip封装，基本可以完全利用pcb母板的布线空间。如图3b和3c所示，若只采用一种矩形封装或正方形封装，母板空间有较多浪费，从而降低了上级系统的集成度。
[0056]
进一步，所有a、b、c三种封装尺寸的宽带射频系统级封装结构61中的bga焊球2按功能分区，以提升射频通道间隔离度，防止射频、数字信号串扰。具体地，所述bga焊球在有机材料任意层互联封装基板底面的分布包括：5
×
5的bga焊球阵列形成的射频区，以及围绕在射频区周围至少两圈bga焊球中设置的电源区、数字区和接地区。如图4a、4b、4c所示分别为a、b、c三种封装尺寸的宽带射频系统级封装结构61中的bga焊球2功能分区示意图。其中，实心标记的bga焊球及以其为中心的5
×
5阵列为射频区，“+”标记的bga焊球区域为电源区，
“-”
标记的bga焊球区域为数字区，其它为接地区。通过这种设计，如图5所示，每25个bga焊球一组，实测可在5ghz～40ghz频率范围内实现至少80dbc的通道隔离。
[0057]
进一步，所述金属围框5的一角为倒圆角，在有机材料任意层互联封装基板1底面与该倒圆角对应的一角设置有带色丝印，通过这样的设置作为起始方向标示，便于封装。另外，还可以在金属盖板6上表面激光刻字用于产品功能描述和批次标示。
[0058]
如图6所示，所述金属围框5与有机材料任意层互联封装基板1焊接处设置有用于穿过微带传输线的过线结构；该过线结构包括设置在有机材料任意层互联封装基板1与金属围框5焊接处的门框型阻焊层501，以及在该门框型阻焊层501上方且设置在金属围框5上的拱门结构502；该拱门结构502比门框型阻焊层501更宽，该门框型阻焊层501比微带传输线504更宽，使得微带传输线504够穿过门框型阻焊层501。使用一块完整的焊片503焊接，完整的焊片503具备更好的可加工性以及更好的装配对位精度，焊片503在拱门结构502处不切断，保证焊片503的完整性。有机材料任意层互联封装基板1与金属围框5通过焊片503焊接时，焊料融化后向拱门结构502两侧移动并堆积，而微带传输线504上焊料极少留存，不会导致微带传输线504短路，也不影响微带传输线504的传输性能。
[0059]
如图7所示，所述有机材料任意层互联封装基板1包括：
[0060]
从表面至底面分布的n层图形化金属线路层11，底面的第n层图形化金属线路层114设有用于焊接bga焊球2的结构；
[0061]
位于相邻图形化金属线路层之间的n-1层绝缘介质层15；
[0062]
位于第一层图形化金属线路层111和第二层图形化金属线路层112之间的绝缘介
质层15中，且开口朝向所述第一层图形化金属线路层111的多个盲槽；
[0063]
用于实现n层图形化金属线路层11中任意层互联的多个盲孔14。
[0064]
(1)n层图形化金属线路层11
[0065]
如图8所示，所述第一层图形化金属线路层111包括外边缘一圈环绕金属层24和在环绕金属层24内侧的多组芯片i/o焊接及信号传输线路层21、22、23，每组芯片i/o焊接及信号传输线路层21、22、23的形状为矩形或异形的孤岛，且每组芯片i/o焊接及信号传输线路层21、22、23经一个电绝缘区域213、223、233与环绕金属层24相接；该环绕金属层24的电学属性为接地层、工艺属性为气密焊接层；所述第一层图形化金属线路层111上表面依次设有涂覆层13和上表面阻焊层17；所述涂覆层13覆盖所述环绕金属层24和每组芯片i/o焊接及信号传输线路层21、22、23；所述上表面阻焊层17包括第一环绕阻焊层174和多个第二环绕阻焊层171、172、173，其中，每个第二环绕阻焊层171、172、173对应围绕每个电绝缘区域213、223、233，所述第一环绕阻焊层174围绕所有第二环绕阻焊层171、172、173；
[0066]
每组芯片i/o焊接及信号传输线路层21、22、23内，包含芯片i/o焊盘及信号传输线路212、222、223，以及一个或多个盲槽12；每组芯片i/o焊接及信号传输用线路层21、22、23内信号的传输，通过该组芯片i/o焊接及信号传输用线路层21、22、23内的芯片i/o焊盘及信号传输线路212、222、223，或者经由各层盲孔14及下层图形化金属线路层(第二层图形化金属线路层112至第n层图形化金属线路层114)中对应部分共同完成；两组及以上芯片i/o焊接及信号传输层之间的信号传输，由各层盲孔14及下层图形化金属线路层(第二层图形化金属线路层112至第n层图形化金属线路层114)中对应部分共同完成，如图1、7、8中的传输路径16。
[0067]
第二层图形化金属线路层112、第三层图形化金属线路层至第n-1层图形化金属线路层113包括多组芯片i/o焊接及信号传输线路层、电绝缘区域和环绕金属层，均为常规的图形化金属线路层，其具体结构在此不再赘述。
[0068]
如图9所示，所述第n层图形化金属线路层114下表面具有涂覆层13；在第n层图形化金属线路层114下表面的涂覆层13上，设置有所述lcp封装基板1对外二次级联i/o焊接用焊盘或图形32，以及下表面阻焊层18；该下表面阻焊层18的开窗31为圆形且呈栅格阵列式分布，用于焊接bga焊球2。
[0069]
(2)绝缘介质层15
[0070]
所述第一层图形化金属线路层111和第二层图形化金属线路层112之间的绝缘介质层15，由有机基板151和粘接膜152构成，所述粘接膜152熔点比有机基板低，便于压合；第二层图形化金属线路层112至第n层图形化金属线路层114之间的绝缘介质层15均由有机基板151构成。所述有机基板15是指有机材料制成的基板，所述有机材料为lcp、m6、tsm-ds3、clte-xt和em827中的一种或多种组合。
[0071]
(3)盲槽12
[0072]
所述盲槽12(211、221、231)底部为第二层图形化金属线路层112中的大面积金属接地层1211，并具有涂覆层；所述盲槽12在第一层图形化金属线路层111的开口周围是芯片i/o焊盘或图形(即芯片i/o焊盘及信号传输线路212、222、223中的芯片i/o焊盘或图形)；所述盲槽12的数量和大小根据安装芯片的数量和大小确定。
[0073]
(4)盲孔14
[0074]
所有盲孔14在垂直方向上可对正或错排堆叠，用于实现n层图形化金属线路层11中任意层互联要求。另外，每个盲孔14的直径大小相同，且盲孔深径比≤1，盲孔14内填充实心电镀铜。所有盲孔14的直径大小相同，一方面是为了填充实心电镀铜可以统一制作完成；更重要地，可以在高温组装过程中均匀形变，从而提升整体封装基板互联可靠性。而盲孔深径比≤1，可以实现盲孔填孔实心电镀铜的过程更好实现，避免电镀铜空洞缺陷的出现。
[0075]
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。