一种高可靠三维异构集成射频模拟数字一体化微系统的制作方法

1.本发明是一种高可靠三维异构集成射频模拟数字一体化微系统，属微电子封装技术领域。


背景技术：

2.摩尔定律已接近物理极限，但未来电子信息系统将持续向更高集成度、更高性能、更高工作频率等方向发展，传统的集成封装技术逐渐难以满足新型系统集成要求。未来的技术发展趋势将是延续摩尔定律与超越摩尔定律结合起来，通过三维异质异构集成，实现更高价值的系统——微系统。微系统集成技术通过在微纳尺度上采用异质异构方法集成，是实现更高集成度、更高性能、更高工作频率需求的主要手段。
3.射频微系统集成技术作为系统微型化趋势下的先进集成封装技术，已经成为引领装备发展、推动电子技术创新的重大基础技术，是支撑电子信息装备在传感、通信领域能力变革的重要技术平台，同时也是当前电子信息技术研究的核心技术之一。
4.射频微系统主要针对5g通信、物联网等前沿领域内一体化射频前端、有源阵面等小型化、轻量化、多功能化的应用需求，以微电子、光电子、mems等电子元器件为基础，采用以微纳加工技术为代表的微系统异质异构集成工艺技术，结合架构、软件和算法，将射频、数字、光电、能源等分系统进行高密度集成，实现射频系统体积与功耗大幅降低、性能与可靠性大幅提升、通道成本与全寿命周期成本大幅降低等目的。射频微系统技术在信息技术、生物、医疗、工业控制、消费电子等前沿领域具有广泛的应用。
5.pop（堆叠封装）是目前最主流的三维封装技术之一。pop由顶层封装模块、若干中间层封装模块和底层封装模块通过堆叠的形式封装而成。通常，pop采用焊球或者焊柱等垂直互联方式实现各层封装模块之间的互联，大大减小了引线长度，减少了寄生参数，降低了能量损耗，信号的传输速率更高，性能更好。pop可以在装配前单独对各个封装模块进行测试，从而使总的制造成本降低，具有工艺相对简单、良品率高、可靠性强等优点。
6.传统的高可靠气密陶瓷封装射频微系统，采用的是多台阶多腔体多层布线一体化陶瓷管壳封装，陶瓷管壳既作为封装体，又作为走线层，设计上要同时兼顾多层台阶键合指设计、多层高速布线和多腔体结构设计，由于陶瓷材料布线精度有限，布线层数较多，整体设计复杂，工艺实现难度大，加工周期长，生产良率低，管壳成本高，工程上很难大范围推广；此外，无论电路设计需要修改或者管壳结构需要修改，陶瓷管壳都需要重新设计加工，迭代周期太长，不利于快速推出产品，抢占市场先机。


技术实现要素：

7.本发明提出的是一种高可靠三维异构集成射频模拟数字一体化微系统，其目的在于针对现有技术存在的缺陷，创造性地采用了3级pop堆叠实现三维异构集成，大大简化了封装设计，降低了工艺难度，同时实现了微系统的高密度集成和高可靠性，具有很强的工程实用性。
8.本发明的技术解决方案：一种高可靠三维异构集成射频模拟数字一体化微系统，包括陶瓷基座、射频基板、数模基板和聚合物底座，采用四层高密度射频基板和十层高密度数模基板作为布线介质，陶瓷基座只需要四层结构；所述射频基板具有四层高密度布线结构，正面实现射频电路全裸芯片和无源器件的装配，背面的球栅阵列通过内部bga焊球堆叠到陶瓷基座的射频腔内；所述数模基板具有十层高密度布线结构，正面实现数模电路全裸芯片和无源器件的装配，背面的球栅阵列通过内部bga焊球堆叠到陶瓷基座的数模腔内；陶瓷基座通过信号垂直传输实现射频基板、数模基板之间的信号内部互联，同时所有输出信号通过陶瓷基座上的bga焊盘扇出；所述聚合物底座具有垂直传输结构，通过内部bga焊球将聚合物底座堆叠到陶瓷基座的背面，射频腔的外围；通过垂直传输结构将陶瓷基座背面的bga信号传输到聚合物底座外部的bga焊盘，陶瓷基座封帽完成之后，将陶瓷基座和聚合物底座进行pop堆叠并用底填胶填充间隙，聚合物底座进行信号的垂直传输，形成最终完整的封装体结构。
9.采用引线键合结构，通过引线键合，将裸芯片组装到射频基板或数模基板的正面。
10.采用倒装焊结构，通过倒装焊工艺，将裸芯片组装到射频基板或数模基板的正面。
11.采用smt结构，通过smt工艺，将无源器件组装到射频基板或数模基板的正面。
12.通过bga球栅阵列将射频基板或数模基板背面的信号扇出。
13.通过内部bga焊球将射频基板堆叠在陶瓷基座背面的射频腔内；数模基板堆叠在陶瓷基座正面的数模腔内。
14.通过陶瓷基座的垂直传输结构实现射频基板或数模基板内部信号电气互联；将射频基板或数模基板上所有输出信号通过陶瓷基座上的bga焊盘扇出。
15.通过内部bga焊球将聚合物底座堆叠到陶瓷基座的背面，射频腔的外围；通过聚合物底座的垂直传输结构将陶瓷基座背面的bga信号传输到聚合物底座外部的bga焊盘；通过外部bga焊球将聚合物底座外部的bga焊盘扇出。
16.所述陶瓷基座上还分别焊接有射频外框和数模外框，通过平行封焊工艺封帽。
17.所述微系统通过内部底填胶将倒装焊芯片和基板、基板和陶瓷基座之间的间隙填充，提高芯片与基板、基板和陶瓷基座之间的连接强度，对陶瓷基座内部结构起到加固作用；所述微系统通过外部底填胶将陶瓷基座和聚合物底座之间的间隙填充，提高陶瓷基座和聚合物底座之间的连接强度，对陶瓷基座外部结构起到加固作用。
18.本发明的有益效果：（1）传统的高可靠气密陶瓷封装射频数模一体化微系统，采用的是多台阶多腔体多层布线一体化陶瓷管壳封装，陶瓷管壳既作为封装体，又作为走线层，设计上要同时兼顾多层台阶键合指设计、多层高速布线和多腔体结构设计，由于电路复杂，互联密度高，陶瓷材料布线精度有限，布线层数较多（几十层），整体设计复杂；本发明的射频模拟数字一体化微系统采用四层高密度射频基板和十层高密度数模基板作为布线介质，陶瓷基座只需要四层结构，充分发挥有机封装基板/硅基转接板/玻璃基转接板的高密度互联能力，能够替代等效四十层以上的传统多台阶多腔体一体化布线陶瓷管壳，不仅实现了传统一体化陶瓷管壳的所有功能，还减小了键合指面积，减少了布线层数，大大缩小了整个封装体积，在实现高集成度的同时实现了高可靠性.（2）传统的高可靠气密陶瓷封装射频数模一体化微系统，陶瓷管壳底座和pcb直接
焊接时，由于材料热膨胀系数差异较大产生的热应力会导致焊球变形、焊盘脱落等失效问题；本发明的射频模拟数字一体化微系统采用了3级pop堆叠实现三维异构集成，将陶瓷基座和聚合物底座进行pop堆叠并用底填胶填充间隙，使用时聚合物底座和pcb直接焊接，材料热膨胀系数差异较小，热应力在可控范围内，极大降低了工艺难度和风险，提升了可靠性，具有很强的创新性和工程实用性。
19.（3）传统的高可靠气密陶瓷封装射频数模一体化微系统，无论电路设计需要修改或者管壳结构需要修改时，陶瓷管壳都需要重新设计加工，迭代周期太长，不利于快速推出产品，抢占市场先机；本发明的射频模拟数字一体化微系统采用射频/数模基板作为布线介质，陶瓷管壳作为气密封装体和信号扇出介质，设计需要修改时只需要重新设计加工相应基板，陶瓷管壳保持不变，从而实现了产品的设计、加工快速迭代，快速响应市场需求。
附图说明
20.图1为高可靠三维异构集成射频模拟数字一体化微系统顶部视图。
21.图2为高可靠三维异构集成射频模拟数字一体化微系统底部视图。
22.图3为高可靠三维异构集成射频模拟数字一体化微系统剖视图。
23.图4为高可靠三维异构集成射频模拟数字一体化微系统射频基板视图。
24.图5为高可靠三维异构集成射频模拟数字一体化微系统数模基板视图。
25.图6为高可靠三维异构集成射频模拟数字一体化微系统引线键合示意图。
26.图7为高可靠三维异构集成射频模拟数字一体化微系统倒装焊示意图。
27.图8为高可靠三维异构集成射频模拟数字一体化微系统smt示意图。
28.图9为高可靠三维异构集成射频模拟数字一体化微系统内部bga焊球示意图。
29.图10为高可靠三维异构集成射频模拟数字一体化微系统聚合物底座示意图。
30.图11为高可靠三维异构集成射频模拟数字一体化微系统外部bga焊球示意图。
31.图12为高可靠三维异构集成射频模拟数字一体化微系统内部底填胶示意图。
32.图13为高可靠三维异构集成射频模拟数字一体化微系统外部底填胶示意图。
33.其中， 1
‑
陶瓷基座，2
‑
射频外框，3
‑
射频盖板，4
‑
数模外框，5
‑
数模盖板，6
‑
射频基板，7
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数模基板，8
‑
引线键合，9
‑
倒装焊，10
‑
smt，11
‑
聚合物底座，12
‑
内部bga焊球，13
‑
外部bga焊球，14
‑
内部底填胶，15
‑
外部底填胶。
具体实施方式
34.本发明采用3级pop堆叠架构实现三维异构集成，结合有机封装基板/硅基转接板/玻璃基转接板、htcc/ltcc/dpc陶瓷基板、引线键合、倒装焊、smt、底部填充和bga技术。
35.本发明的射频模拟数字一体化微系统采用四层高密度射频基板和十层高密度数模基板作为布线介质，充分发挥有机封装基板/硅基转接板/玻璃基转接板的高密度互联能力，陶瓷基座只需要四层结构，作为气密封装体的同时，只需要进行简单的信号扇出，能够替代等效四十层以上的传统多台阶多腔体一体化布线陶瓷管壳；减小了键合指面积，减少了布线层数，简化了多层台阶键合指设计和多腔体结构，大大缩小了整个封装体积，在实现高集成度的同时实现了高可靠性；降低了管壳工艺实现难度，缩短了加工周期，显著提升了生产良率，降低了管壳成本，便于工程上大范围推广；将陶瓷基座和聚合物底座进行pop堆
叠并用底填胶填充间隙，使用时聚合物底座和pcb直接焊接，材料热膨胀系数差异较小，热应力在可控范围内，解决了传统的陶瓷管壳和pcb直接焊接时，由于材料热膨胀系数差异较大产生的热应力过大导致焊球、焊盘失效问题，极大降低了工艺难度和风险，提升了可靠性；设计需要修改时只需要重新设计加工相应基板，陶瓷管壳保持不变，从而实现了产品的设计、加工快速迭代，快速响应市场需求。
36.如图1~图3所示，本发明的一种高可靠三维异构集成射频模拟数字一体化微系统，包括陶瓷基座、射频外框、射频盖板、数模外框、数模盖板、射频基板、数模基板和聚合物底座。所述射频基板具有四层高密度布线结构，正面实现射频电路全裸芯片和无源器件的装配，背面的球栅阵列通过内部bga焊球堆叠到陶瓷基座的射频腔内；所述数模基板具有十层高密度布线结构，正面实现数模电路全裸芯片和无源器件的装配，背面的球栅阵列通过内部bga焊球堆叠到陶瓷基座的数模腔内；陶瓷基座通过信号垂直传输实现射频基板、数模基板之间的信号内部互联，同时所有输出信号通过陶瓷基座上的bga焊盘扇出；所述聚合物底座具有垂直传输结构，通过内部bga焊球将聚合物底座堆叠到陶瓷基座的背面，射频腔的外围；通过垂直传输结构将陶瓷基座背面的bga信号传输到聚合物底座外部的bga焊盘。
37.进一步的，通过引线键合/倒装焊工艺，将裸芯片组装到射频/数模基板的正面。
38.进一步的，通过smt工艺将无源器件组装到射频/数模基板的正面。
39.进一步的，通过射频/数模基板多层布线实现各裸芯片和无源器件之间的信号互联，将需要输出的信号通过基板背面bga焊盘扇出。
40.进一步的，通过内部bga焊球将射频基板堆叠在陶瓷基座背面的射频腔内；数模基板堆叠在陶瓷基座正面的数模腔内，实现射频/数模基板和陶瓷基座的信号互联。
41.进一步的，通过陶瓷基座的垂直传输结构实现射频/数模基板内部信号电气互联；将射频/数模基板上所有输出信号通过陶瓷基座上的bga焊盘扇出。
42.进一步的，通过内部bga焊球将聚合物底座堆叠到陶瓷基座的背面，射频腔的外围；通过聚合物底座的垂直传输结构将陶瓷基座背面的bga信号传输到聚合物底座外部的bga焊盘；通过外部bga焊球将聚合物底座外部的bga焊盘扇出。
43.该射频模拟数字一体化微系统通过四层高密度射频基板和十层高密度数模基板作为布线介质，充分发挥有机封装基板/硅基转接板/玻璃基转接板的高密度互联能力，陶瓷基座只需要四层结构，作为气密封装体的同时，只需要进行简单的信号扇出，能够替代等效四十层以上的传统多台阶多腔体一体化布线陶瓷管壳，大大简化了封装设计，降低了设计、工艺实现难度，缩小了整个封装体积，实现了高集成度；陶瓷基座上焊接射频/数模外框，通过平行封焊工艺封帽，实现微系统的高气密性。该射频模拟数字一体化微系统具有高集成度和高可靠性等优点。
44.下面结合附图和实施例对本发明所提供的一种高可靠三维异构集成射频模拟数字一体化微系统进行详细说明。
实施例
45.结合图1～图3，本发明提供的射频模拟数字一体化微系统由15部分组成，包括陶瓷基座1，射频外框2，射频盖板3，数模外框4，数模盖板5，射频基板6，数模基板7，引线键合8，倒装焊9，smt10，聚合物底座11，内部bga焊球12，外部bga焊球13，内部底填胶14，外部底
填胶15。
46.如图4，图5所示，本发明的射频模拟数字一体化微系统采用四层高密度射频基板和十层高密度数模基板作为布线介质，充分发挥有机封装基板/硅基转接板/玻璃基转接板的高密度互联能力，实现电路内部信号互联，能够替代等效四十层以上的传统多台阶多腔体一体化布线陶瓷管壳。
47.如图6所示，本发明的射频模拟数字一体化微系统采用引线键合结构，通过引线键合工艺，将键合芯片组装到射频/数模基板的正面。
48.如图7所示，本发明的射频模拟数字一体化微系统采用倒装焊结构，通过倒装焊工艺，将倒装焊芯片组装到射频/数模基板的正面。
49.如图8所示，本发明的射频模拟数字一体化微系统采用smt结构，无源器件通过smt工艺组装到射频/数模基板的正面。
50.如图9所示，本发明的射频模拟数字一体化微系统通过内部bga焊球将射频基板堆叠在陶瓷基座背面的射频腔内；数模基板堆叠在陶瓷基座正面的数模腔内，实现射频/数模基板和陶瓷基座的信号互联；将聚合物底座堆叠到陶瓷基座的背面，射频腔的外围，实现陶瓷基座和聚合物底座的信号互联。
51.如图10所示，本发明的射频模拟数字一体化微系统聚合物底座具有垂直传输结构。待陶瓷基座封帽完成之后，将陶瓷基座和聚合物底座进行pop堆叠并用底填胶填充间隙，聚合物底座进行信号的垂直传输，形成最终完整的封装体结构。
52.如图11所示，本发明的射频模拟数字一体化微系统通过外部bga焊球将聚合物底座外部的bga焊盘扇出。
53.如图12所示，本发明的射频模拟数字一体化微系统通过内部底填胶将倒装焊芯片和基板、基板和陶瓷基座之间的间隙填充，提高芯片与基板、基板和陶瓷基座之间的连接强度，对陶瓷基座内部结构起到加固作用。
54.如图13所示，本发明的射频模拟数字一体化微系统通过外部底填胶将陶瓷基座和聚合物底座之间的间隙填充，提高陶瓷基座和聚合物底座之间的连接强度，对陶瓷基座外部结构起到加固作用。
55.本发明所提供的射频模拟数字一体化微系统，总体上采用3级pop三维堆叠架构（package on package，堆叠封装），巧妙利用高密度射频/数模基板作为布线介质，充分发挥有机封装基板/硅基转接板/玻璃基转接板的高密度互联能力，结合htcc/ltcc/dpc陶瓷基板、引线键合、倒装焊、smt、底部填充和bga技术的优势，实现多种功能：（1）通过引线键合/倒装焊工艺，将裸芯片组装到射频/数模基板的正面；（2）通过smt工艺将无源器件组装到射频/数模基板的正面；（3）通过射频/数模基板多层布线实现各裸芯片和无源器件之间的信号互联，将需要输出的信号通过基板背面bga焊盘扇出；（4）通过内部bga焊球将射频基板堆叠在陶瓷基座背面的射频腔内；数模基板堆叠在陶瓷基座正面的数模腔内，实现射频/数模基板和陶瓷基座的信号互联；（5）通过陶瓷基座的垂直传输结构实现射频/数模基板内部信号电气互联；将射频/数模基板上所有输出信号通过陶瓷基座上的bga焊盘扇出。（6）通过内部bga焊球将聚合物底座堆叠到陶瓷基座的背面，射频腔的外围；通过聚合物底座的垂直传输结构将陶瓷基座背面的bga信号传输到聚合物底座外部的bga焊盘；通过外部bga焊球将聚合物底座外部的bga焊盘扇出。