射频管壳的制备方法、功放模块封装方法及功放模块与流程

1.本技术属于微波组件技术领域，尤其涉及一种射频管壳的制备方法、功放模块封装方法及功放模块。


背景技术：

2.随着半导体工艺的发展，放大器单片的功率由几十瓦提升到百瓦。但芯片的功耗随着工作频率的增加急剧增加。特别是工作频率到达50ghz以上，功放芯片有接近一半的功率耗散。芯片需要散热良好的管壳保护才能正常工作。同时，在高频条件下工作，芯片对接地非常敏感，最好芯片的安装区全部接地。为同时满足散热、接地和高可靠性的需要，金属-陶瓷管壳被大量采用。
3.最常用的金属-陶瓷管壳方案为在底面采用钼铜或者钨铜等整块金属，正面焊接htcc陶瓷环形成安装腔，最终顶面焊接可伐盖板形成气密封装。但该方案加工过程中容易在高温过程出现图形畸变，导体损耗大，且输入输出端仅能在整块管壳的侧面边缘，集成度和隔离度不够，不能满足高频大功率功放的需求。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明提供了一种射频管壳的制备方法、功放模块封装方法及功放模块，旨在解决现有技术中的射频管壳的制备不能满足高频大功率功放的需求的问题。
5.本发明实施例的第一方面提供了一种射频管壳的制备方法，包括：
6.在介质基板上制备贯穿介质基板上下表面的过孔；
7.对所述过孔以及所述介质基板的上下表面溅射金属种子层后，在所述介质基板上下表面分别制备正面金属图形和背面金属图形；
8.分别对所述正面金属图形和所述背面金属图形进行局部加厚，制备得到正面金属围框和底面热沉；
9.从所述金属围框内选取一区域作为芯片贴装区域，去除所述介质基板在所述芯片贴装区域的部分，制备得到射频管壳。
10.在一种可能的实现方式中，去除所述介质基板在所述芯片贴装区域的部分，包括：
11.采用超短脉冲激光对所述介质基板在芯片贴装区域的部分进行冷加工以去除该部分的介质基板。
12.在一种可能的实现方式中，所述介质基板上下表面分别制备正面金属图形和背面金属图形，包括：
13.将光阻层涂覆在所述介质基板的上下表面；
14.在所述介质基板上下表面上定义表面图形；
15.对所述表面图形进行加厚，得到所述正面金属层和所述背面金属层。
16.在一种可能的实现方式中，所述对所述表面图形进行加厚，得到所述正面金属图形和所述背面金属图形，包括：
17.采用电化学沉积法对表面图形进行加厚，得到所述正面金属图形和所述背面金属图形。
18.在一种可能的实现方式中，去除所述介质基板在芯片贴装区域内的部分之前，还包括：
19.采用标准去膜工艺，去除所述介质基板上光阻层，以露出金属种子层；
20.定义腐蚀图形；
21.采用化学腐蚀法去除非腐蚀图形定义区域的金属种子层，以露出在芯片贴装区域的介质基板。
22.在一种可能的实现方式中，所述介质基板的材质为蓝宝石、碳化硅、氮化硅、氧化锆；所述介质基板的厚度处于[0.1，0.25]mm之间。
[0023]
在一种可能的实现方式中，所述金属种子层的结构为ti/cu，所述金属种子层的总厚度处于[50nm，5000]nm之间；
[0024]
所述底面热沉的厚度处于[100-300]μm之间；
[0025]
所述介质基板上的孔的上下孔径差小于预设阈值；
[0026]
所述介质基板上的孔的平均孔径处于所述介质基板厚度的1/4-1/3之间。
[0027]
在一种可能的实现方式中，在去除所述介质基板在所述芯片贴装区域的部分之后，还包括：
[0028]
制备盖板；
[0029]
其中，所述盖板与所述正面金属围框相匹配；所述盖板用于在将芯片安装在所述芯片贴装区域之后，密封在所述正面金属围框上。
[0030]
本发明实施例的第二方面提供了一种功放模块封装方法，应用于由如上第一方面所述的射频管壳的制备方法制备的射频管壳，包括：
[0031]
将射频芯片安装在所述射频管壳芯的芯片贴装区域；
[0032]
将盖板密封在所述射频管壳的正面金属围框上；
[0033]
将所述射频管壳安装在母板上。
[0034]
本发明实施例的第三方面提供了一种功放模块，包括：由如上第一方面所述的射频管壳的制备方法制备的射频管壳以及封装在该射频管壳中的射频芯片。
[0035]
本发明实施例提供的射频管壳的制备方法、功放模块封装方法及功放模块，通过在介质基板上制备贯穿介质基板上下表面的过孔；对过孔以及介质基板的上下表面溅射金属种子层后，在介质基板上下表面分别制备正面金属图形和背面金属图形；分别对正面金属图形和背面金属图形进行局部加厚，制备得到正面金属围框和底面热沉；从金属围框内选取一区域作为芯片贴装区域，去除介质基板在芯片贴装区域的部分，制备得到射频管壳。本发明的方法制备的射频管壳采用电镀纯铜作为管壳的底板，一面贴装芯片，另一面直接作为管壳的外部贴装面，在保证散热、接地效果的同时，能够就近引出，以保证良好的高频特性。
附图说明
[0036]
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些
实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0037]
图1是本发明实施例提供的射频管壳的制备方法的实现流程图；
[0038]
图2是本发明实施示例提供的射频管壳的制备过程中的俯视图、顶视图和剖面图；
[0039]
图3是本发明实施例提供的功放模块封装方法的实现流程图；
[0040]
图4是本发明实施例提供的功放模块的结构示意图。
具体实施方式
[0041]
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。
[0042]
图1是本发明实施例提供的射频管壳的制备方法的实现流程图。射频管壳的制备方法，包括：
[0043]
s101，在介质基板上制备贯穿介质基板上下表面的过孔。
[0044]
本实施例中，介质基板为用0.1-0.25mm厚的陶瓷材料，例如蓝宝石、碳化硅、氮化硅、氧化锆等。设计支撑板过孔时，可以采用皮秒冷激光加工钻孔。
[0045]
s102，对过孔以及介质基板的上下表面溅射金属种子层后，在介质基板上下表面分别制备正面金属图形和背面金属图形。
[0046]
本实施例中，可以采用物理超声和化学腐蚀结合的方式清洁陶瓷表面并溅射金属种子层。首先将表面和孔壁清洗干净，然后在表面沉积一层金属，再进行电化学沉积一提供种子层。种子层的沉积方式可以为物理气相沉积(physical vapor deposition，pvd)、化学气相沉积(chemical vapor deposition，cvd)等，在此不做限定。在溅射金属种子层后，对其进行光刻、电镀、表面平坦化等处理，以得到正面金属图形和背面金属图形。
[0047]
s103，分别对正面金属图形和背面金属图形进行局部加厚，制备得到正面金属围框和底面热沉。
[0048]
本实施例中，可以对正面金属图形和背面金属图形进行光刻、电镀、研磨、抛光，以完成表面图形的局部加厚。从功能上完成正面金属围框和底面热沉的制备。其中底面热沉的材料可以为铜。
[0049]
s104，从金属围框内选取一区域作为芯片贴装区域，去除介质基板在芯片贴装区域的部分，制备得到射频管壳。
[0050]
本实施例中，芯片贴装区域一般处于基板中心，尺寸根据芯片的大小确定，在此不做限定。
[0051]
本实施例中，通过在介质基板上制备贯穿介质基板上下表面的过孔；对过孔以及介质基板的上下表面溅射金属种子层后，在介质基板上下表面分别制备正面金属图形和背面金属图形；分别对正面金属图形和背面金属图形进行局部加厚，制备得到正面金属围框和底面热沉；从金属围框内选取一区域作为芯片贴装区域，去除介质基板在芯片贴装区域的部分，制备得到射频管壳。本实施例制备的射频管壳采用电镀纯铜作为管壳的底板，一面贴装芯片，另一面直接作为管壳的外部贴装面，在保证散热、接地效果的同时，能够就近引
出，以保证良好的高频特性。
[0052]
在一些实施例中，s104可以包括：
[0053]
采用超短脉冲激光对介质基板在芯片贴装区域的部分进行冷加工以去除该部分的介质基板。
[0054]
在一些实施例中，s102可以包括：
[0055]
将光阻层涂覆在介质基板的上下表面；
[0056]
在介质基板上下表面上定义表面图形；
[0057]
对表面图形进行加厚，得到正面金属层和背面金属层。
[0058]
本实施例中，可以将光阻层通过旋涂或覆膜热压方式涂覆在基板的衬底表面，然后通过曝光、显影等标准光刻工艺获得表面图形，表面图形用于后续制作外导体结构。光阻可以是高粘度光刻胶，也可以是高解析度光敏干膜，在此不作限定。光阻层厚度大于100μm，线条解析度小于10微米，曝光后侧壁陡直。
[0059]
在一些实施例中，对表面图形进行加厚，得到正面金属图形和背面金属图形，包括：
[0060]
采用电化学沉积法对表面图形进行加厚，得到正面金属图形和背面金属图形。
[0061]
本实施例中，可以采用电化学沉积法将表面图形加厚到100μm。电化学沉积材料可以为铜。电镀时可以采用脉冲镀和直流镀组合使用，以提升效率。在电镀完成后，可以采用研磨和化学机械抛光的方式对镀层进行厚度减薄和表面处理，可以获得更高精度的金属层厚和更低的表面粗糙度，得到正面金属图形和背面金属图形。
[0062]
在一些实施例中，s104之前，还包括：
[0063]
采用标准去膜工艺，去除介质基板上光阻层，以露出金属种子层；
[0064]
定义腐蚀图形；
[0065]
采用化学腐蚀法去除非腐蚀图形定义区域的金属种子层，以露出在芯片贴装区域的介质基板。
[0066]
在一些实施例中，介质基板的材质可以包括但不限于下述至少一项：蓝宝石、碳化硅、氮化硅、氧化锆；介质基板的厚度处于[0.1，0.25]mm之间。
[0067]
在一些实施例中，金属种子层的结构为ti/cu，金属种子层的总厚度处于[50nm，5000]nm之间；
[0068]
底面热沉的厚度处于[100-300]μm之间；
[0069]
介质基板上的孔的上下孔径差小于预设阈值；
[0070]
介质基板上的孔的平均孔径处于介质基板厚度的1/4-1/3之间。
[0071]
本实施例中，为降低射频损耗、提升隔离度，需要射频信号过孔分布和尺寸有特殊考量。孔的平均孔径需要控制在70-125μm之间，以保证基板厚度和通孔直径比在4:1到3:1范围内。可选的，孔的平均孔径为125μm。激光开孔孔壁光滑、垂直度要高，以减少传输损耗。可选的，预设阈值为5％。
[0072]
在一些实施例中，在s104之后，还包括：
[0073]
制备盖板；
[0074]
其中，盖板与正面金属围框相匹配；盖板用于在将芯片安装在芯片贴装区域之后，密封在正面金属围框上。
[0075]
本发明提出的射频管壳的制备方法，制备了一种采用集成输入输出端口的熟瓷环支撑，以及电镀铜做管壳底面热沉的一体化金属-陶瓷管壳。本发明采用高强度介质陶瓷做基板，采用激光钻通孔模式加工正反面互联孔，之后表面金属化，图形电镀制作正面和背面金属图形。采用光刻工艺加工输入输出端口图形，采用铜作为导体，可显著提升高频功放芯片的效率，且精度高一致性好。之后将中心芯片安装区的陶瓷本体全部去除，露出瓷体背面的电镀金属层作为芯片的安装面，电镀纯铜作为管壳的底板，一面贴装芯片，另一面直接作为管壳的外部贴装面，以实现射频管壳的制备，具备良好的高频特性。
[0076]
本发明提供的射频管壳制备方法制备的射频管壳，底面是99.5％纯铜，导热、接地效果好。具体可以采用底面采用钼铜或者钨铜等整块金属，正面焊接htcc陶瓷环形成安装腔，最终在安装腔内部装配芯片并互联后在顶面焊接可伐盖板形成气密封装的金属-陶瓷管壳，能够广泛应用于射频前端，特别是功率放大器单片的封装。
[0077]
下面通过一个实施示例对射频管壳的制备过程进行说明，但并不作为限定。图2是本发明实施示例提供的射频管壳的制备过程中的俯视图、顶视图和剖面图。如图2所示，在该实施示例中，射频管壳的制备的步骤如下：
[0078]
步骤1，打孔：用0.1-0.25mm厚的陶瓷介质基板22上制备贯穿介质基板22上下表面的过孔，其中孔径125μm，上下表面孔径差值小于5％。
[0079]
步骤2.1，溅射金属种子层：采用物理超声和化学腐蚀结合的方式，将介质基板22的表面和孔壁清洗干净。然后表面沉积一层金属，采用电化学沉积的方式提供金属种子层，金属种子层的金属化层的结构为ti/cu，总厚度为50nm-5000nm。
[0080]
步骤2.2，定义表面图形。将光阻层24通过旋涂或覆膜热压方式涂覆在衬底表面，然后通过曝光、显影等标准光刻工艺得到表面图形。
[0081]
步骤2.3，采用电化学沉积法将表面图形加厚到100μm。电化学沉积材料选择铜，电镀时采用脉冲镀和直流镀组合使用，提升效率。采用研磨和化学机械抛光两个步骤对镀层进行厚度减薄和表面处理，可以获得更高精度的金属层厚和更低的表面粗糙度，获得图2中步骤2所示的导体21。
[0082]
步骤3，对导体21局部加厚：光刻、电镀、研磨、抛光，完成表面图形的局部加厚。从功能上完成正面金属围框和底面铜热沉的制备。
[0083]
步骤4，采用标准去膜工艺，去除光阻材料，露出种子层。再次光刻，定义腐蚀图形。采用化学腐蚀的方法去除非腐蚀图形定义区域的种子层，露出基板22支撑层。
[0084]
步骤5，管壳的外侧贴装面采用耐高温、与基板22和铜匹配的材料通过光刻、自流平、注塑等方式在瓷体下表面的部分金属化区域进行强化填充，得到强化填充层23，以增加管壳的强度，降低应力。
[0085]
步骤6，将芯片贴装区域的陶瓷本体全部去除，露出瓷体背面的电镀金属层作为芯片的安装面。之后采用化学镀的方式，对表面图形所在区域进行保护，提升环境耐受性。
[0086]
在完成如图2所示的步骤之后，还可以进行以下步骤以实现射频管壳的制备：
[0087]
步骤7，分版：采用砂轮或激光划片，分割成独立的单元。
[0088]
步骤8，装配：将芯片粘接、键合在管壳的芯片贴装区域内。
[0089]
步骤9，密封：制备盖板并进行激光缝焊盖板密封；
[0090]
步骤10，植球焊接：在管壳下安装面植锡球并与母版互联。
[0091]
在实现射频管壳的制备之后，还可以对制备完成的射频管壳进行性能筛查测试和环境试验。
[0092]
本发明的射频管壳的制备方法的有益效果具体如下：
[0093]
1.通过将管壳中心贴装区域的基材去除掉，露出底面金属层，以形成底面为金属、侧面为瓷体的盲槽。使管壳的底面为全金属结构，散热、接地效果好，能够满足高功率芯片封装需求。
[0094]
2.采用底面垂直输出的单层陶瓷气密管壳，使用皮秒激光在熟瓷片上加工微孔和安装腔，相对位置精度高。表面图形采用半导体光刻工艺制备高精度线条，阻抗匹配性好，损耗低。采用微带结构，无需匹配，传输损耗低、高频特性好。芯片上表面与输入输出端口等高，键合距离最短，杂散小。
[0095]
3.管壳的背面金属层采用图形电镀模式制备，设计灵活。导体区域采用电镀厚铜，实现气密；图形间隙采用低温固化的绝缘材料进行结构加强，形成可靠贴装表面。管壳底面兼容bga(ball grid array package，球栅阵列封装)和qfn(quad flat no-leads package，方形扁平无引脚封装)焊盘，兼顾散热和组装密度。芯片贴装需要散热的区域采用qfn表贴焊盘，保证接触面积、加强散热。输入输出端口可采用bga模式，方便就近引出。
[0096]
4.作为管壳载体的陶瓷片因输入输出金属过孔和安装区而结构被破坏，孔内填充的金属和瓷体存在热失配，无法实现致密连接。制备表面导体层时，电镀铜层厚度＞10μm可实现气密和抗形变。芯片安装区的瓷体被全部去除作为芯片的安装空间，芯片贴装在陶瓷芯板的背面金属层上。背面金属铜厚度在100-300μm，保证结构强度，同时作为芯片的热沉。装配和测试完成后管壳和金属盖板采用激光熔焊实现最终气密。
[0097]
图3是本发明实施例提供的功放模块封装方法的实现流程图。如图3所示，在该实施例中，功放模块封装方法，应用于由上述任一实施例所示的射频管壳的制备方法制备的射频管壳，包括：
[0098]
s301，将射频芯片安装在射频管壳芯的芯片贴装区域；
[0099]
s302，将盖板密封在射频管壳的正面金属围框上；
[0100]
s303，将射频管壳安装在母板上。
[0101]
本实施例中，在管壳制备完成后，进行芯片装配，然后封盖再与母板互联，形成完整的功放模块。
[0102]
应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。
[0103]
图4是本发明实施例提供的功放模块的结构示意图。如图4所示，在该实施例中，功放模块，包括：由上述任一实施例所示的射频管壳的制备方法制备的射频管壳以及封装在该射频管壳中的射频芯片40。
[0104]
本实施例中，射频管壳可以包括导体41、介质基板42、强化填充层43、盖板44、高温焊料45、键合线46、母板47、母板焊盘48、低温焊料49，射频管壳各部分以及射频芯片40的位置关系如图4所示。
[0105]
应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限
定。
[0106]
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。实施例中的各功能单元、模块可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中，上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。另外，各功能单元、模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本技术的保护范围。上述系统中单元、模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
[0107]
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
[0108]
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。