一种采用载体支撑实现多层基板三维堆叠的方法与流程

本发明属于电子电路与系统的小型化集成技术领域，尤其涉及其中一种采用载体支撑实现多层基板三维堆叠的方法。

背景技术：

目前实现电路三维集成，特别是微波毫米波电路三维集成常用的方法包括：

1，芯片内埋技术，该技术将芯片内埋如基板中，通过单层基板叠压、芯片安装、空腔填充(或不填充)、基板封盖的方式实现芯片内埋，同时二次或多次进行上述过程，实现芯片三维布局与堆叠，形成系统，各层通过金属化通孔互联；

2，bga焊球支撑与电互连的三维基板堆叠技术，该技术使用焊锡球支撑各层基板，各层基板上布置电路和芯片，bga焊球支撑，为基板间流出布置电路和芯片所需空间，同时使用bga焊球实现电互联；

3，使用围框支撑，金丝/金带上下互联的三维基板堆叠技术，该技术上下层基板使用金属围框支撑，为基板布置电路和芯片留出空间，使用金丝/金带实现上下层的电互联；

4，使用tsv技术实现大规模集成电路的高密度三维堆叠。

但是上述集成方法都存在不同的缺陷，具体如下：

方法1的缺点在于工艺技术复杂，对过程中的温度控制要求高，内埋的芯片需要特别设计，且芯片与基板的热匹配问题突出；

方法2的缺点在于难以实现多层堆叠，各层基板的焊球需要有明显的温度梯度，而现在广泛使用的焊料难以得到三个以上温度梯度；

方法3的缺点在于上下层的电互联必须在电路板的边沿完成，对于较多上下互联的电路存在限制；

方法4对于微波毫米波电路的使用存在限制，且其工艺复杂成本较高，适合于大规模生产的电路。

鉴于现在方法存在的种种缺陷，本发明人提出了一种使用基板堆叠实现模拟电路、数字电路及微波毫米波电路系统的三维集成封装方式。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种采用载体支撑实现多层基板三维堆叠的方法，该方法可以使用支撑载体实现多层堆叠基板的层间支撑，支撑载体为多层堆叠的基板提供散热通道解决了热匹配问题，还提高了多层堆叠的基板抗剪应力的能力和为层间器件提供了足够的空间，解决了温度梯度的问题，而且可以简单自由地实现上下电路的互联，大大突破了多层基板三位堆叠的技术工艺。

本发明的技术方案如下：

一种采用载体支撑实现多层基板三维堆叠的方法，其特征在于：使用单块基板作为电路和元器件的载体；在所述基板上根据散热需求及力学支撑需求选择位置焊接支撑载体，所述支撑载体的材料需根据所述基板的热力学性质进行匹配；然后在支撑载体上表面放置焊料，焊料厚度需与bga焊球焊接后的形变量配合，保证同时实现可靠焊接，使其能实现与上层基板的焊接；所述基板上按电互联需求、功能区隔离需求和bga阵列设计规则约束设计bga焊球排布，bga焊球作为电路不同功能区的分隔墙、实现上下层基板间的电互联、电信号的输入输出；将多层具备上述结构的基板堆叠，则形成一个多层基板三维堆叠的电路。

所述作为支撑载体的单块基板可以是多层电路板，比如6层的ltcc基板等。

所述单块基板上可制作各种无源电路、焊盘、阻焊等。

所述支撑载体为金属或非金属材料，例如钼铜材料，需根据所述基板的热力学性质进行匹配。

所述支撑载体本身或经过镀层具备良好的可焊性、耐焊性和焊接强度，且焊料能在支撑载体上面有效附着。

所述支撑载体应与基板具备相近的热膨胀系数。

所述支撑载体的高度应高于基板上器件装配后的最高高度。

所述支撑载体通过高于bga焊球融化温度20摄氏度以上的焊接方式实现其下表面与基板焊接上表面的焊接。

所述支撑载体加上焊料的高度应低于bga焊球的高度，此处高度差即为焊球自然回流塌陷的高度，一般不应低于0.1mm。

所述支撑载体上表面放置的焊料应与bga焊球具备相同融化温度。

所述放置焊料后的支撑载体高度应与bga焊球具有相同的高度。

所述bga焊球应在支撑载体安装后安置到基板上。

所述元器件包括分立元器件和裸芯片；进一步的，所示元器件可以采用表贴、粘接、倒装、wirebanding等方式装配。所述元器件应在多层基板堆叠前完成装配。

所述多层基板堆叠过程中可借助激光对准、红外对准或分光镜光学对准等方法实现上下层对准。

所述多层基板堆叠后，为了保证焊接可靠，需施加一个指向底层的压力或借助重力，在叠层的焊接过程中支撑载体保证上下层间的间距，且bga焊球不会被压塌，保证焊球及支撑载体的焊接全面。

所述多层基板堆叠使用回流焊接方式实现各层基板间的焊接互连。

本发明相对于现有技术具有以下有益效果：

1.所需焊料的温度梯度少，仅有两个温度即可，一个高温焊接焊料实现支撑载体与基板的焊接和一个实现bga焊球焊接的温度；

2.可一次实现多层基板的堆叠，由于支撑载体的存在，不会有由于层数过多导致下层焊球被压塌的问题；

3.工艺简单成熟，该方法中使用的bga焊球技术和基板间的对准技术均非常成熟且广泛使用；

4.根据实际需要，可使用较小尺寸的bga焊球，实现上下层的高密度互联；

5.通过选择合适的基板材料，可实现与裸芯片较好的热膨胀系数匹配；

6.支撑载体可实现良好的热传导功能，选用高热导率的材料，安装在高散热需求的器件下方，可实现良好的热传导功能；

7.支撑载体焊接的接触面积较大，可提供大的抗剪应力能力，提高焊球点热循环寿命。

8.支撑载体可起着挡板的作用，在对基板施加压力时，控制球的塌陷高度。

附图说明

图1为本发明堆叠形成的整体电路示意图。

图2为本发明完成支撑载体、bga焊球、元器件安装的单层基板的俯视图。

图3为本发明完成支撑载体、bga焊球、元器件安装的单层基板侧面视图。

图4为本发明叠层安装后在真空回流炉实现层间焊接的示意图。

图5为本发明的工艺流程图。

图中标记为：1为bga焊球，2为基板，2-1为底层基板，2-2为中间层基板，2-3为顶层基板，3为支撑载体，4为表贴分立元器件，5为裸芯片，6为高温焊接面，7为焊料，8为砝码，9为真空回流炉。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

如图1所示，多层堆叠的三维基板包括底层基板2-1、中间层基板2-2和顶层基板2-3，他们需用al2o3多层陶瓷基板，基板间使用bga焊球1互联，支撑载体3选用钼铜材料加工，为保证良好的焊接性能，表面做镀金处理，支撑载体3与底层基板2-1、中间层基板2-2通过280℃金锡焊接在一起，bga焊球1使用sn96.5ag3cu0.5焊球或sn63pb37球，同时如图3中支撑载体4上表面安置与焊球同熔点的焊料片7，bga焊球直径设计为0.5mm，其焊接成型后高度约为0.4mm，支撑载体高度设计为0.3mm，则设计如图3中焊料片7的厚度为0.05或0.075mm。

如图2所示，对于单层的电路基板，其上可包括分立元器件4和裸芯片5，分立元器件4需在裸芯片安装前完成焊接并清洗，裸芯片5可使用导电胶粘贴于对应位置，并使用金丝键合的方式与外部电路相连，裸芯片5安装后不能使用单一频率的超声清洗，但可使用汽相清洗或其它对裸芯片5无损伤的方式清洗。

如图4所示为叠层安装后在真空回流炉9中实现层间焊接的示意，此时的焊接温度应控制在高于焊料球的熔化温度20℃左右，砝码8一般重20~200g，为堆叠提供压力，若基板本身可提供足够的力，也可不使用砝码8。

如图5所示为实现该实施例的简略工艺流程图，该图反映的各个工艺过程的先后顺序，由于温度梯度的设计，支撑载体使用高温的金锡焊接方式，应最先完成，表贴元器件焊接的温度次之，故其随后完成，前述工艺步骤可能会引入助焊剂和其他污染或多余物，故可使用超声波或喷淋进行彻底清洗，裸芯片粘贴使用环氧导电胶，其不会引入污染，固化温度控制在不高于140℃，其后进行各层电路中裸芯片的金丝/金带键合工艺，这步完成后可进行一些检验测试，其后为bga植球和叠层安装，主要是叠层间的对准和堆叠的固定，经真空回流炉的焊接后，需视堆叠植球是否添加助焊剂确定是否清洗，若需要，则选择汽相清洗或其它对裸芯片无损伤的方式清洗，最后进行电性能的检验测试。