基于硅基载板的三维集成T/R组件封装结构及封装方法与流程

本发明涉及封装技术领域，尤其涉及一种基于硅基载板的三维集成t/r组件封装结构及封装方法。

背景技术：

相控阵雷达是当今雷达领域的一个重要发展方向，而t/r组件作为相控阵雷达的核心部分正朝着小型化、低成本、高频率、高可靠性的方向发展。由于频率高、天线阵元间距小，使得有源相控阵t/r组件在电路布局、信号互联和高密度封装等方面面临着极大的挑战。因此在满足微波电路电气性能指标的前提下，提升t/r组件的集成封装密度一直是毫米波有源相控阵领域应用研究的重点和难点。

有多种方式可以提高t/r组件的集成度，其中毫米波砷化镓单片式微波集成电路(gaasmmic)性能的不断提升以及低温共烧陶瓷(ltcc)、薄膜多层等基板制造工艺的快速发展，为相控阵组件的集成封装提供了可能。

现有技术中存在已研制的毫米波八单元收发组件封装模型如图1所示，毫米波gaasmmic有源器件通过导电胶贴装在ltcc基板的腔体中，组装时ltcc基板首先与可伐围框进行高温焊接；然后通过析产焊接工艺焊接在镀金的wcu底座上；最后通过平行封盖实现盖板与组件的气密性封装。该方法的不足之处在于封装体的尺寸过大，不满足t/r组件迫切小型化的要求。

中国专利申请号cn201621153659.1，公开了一种新型高集成度t/r组件，该t/r组件由两个8通道模块对接组合而成，如图2所示，所述8通道模块包括安置器件的腔体及腔体内的pcb板，其中低频pcb板可作为射频微波电路的屏蔽盖板，提高了外围构件的集成度。该方法虽然通过堆叠的方式提高了集成度，但受限于腔体及pcb板的尺寸，整个组件的小型化程度有限。

现有技术公开了一种一体化集成t/r组件芯片的3d组装方法，通过生瓷片叠层结构把有源器件立体封装在叠层的矩形空腔内，芯片之间通过生瓷片叠层间的金丝键合垂直互联结构进行连接，通过将生瓷片对位叠压、烧结，制成内置无源元件的三维共烧陶瓷ltcc基板，如图3所示。该方法的不足之处在于，虽然使用了三维堆叠结构，但是限于ltcc基板的厚度，整个封装体的尺寸很难进一步缩小。

技术实现要素：

本发明针对相控阵雷达中的t/r组件提出了一种高密度的基于硅基载板的三维集成t/r组件封装结构及封装方法，该方法采用垂直裸芯片互联的三维堆叠封装结构，通过使用异形垫片，实现在封装体中有效避让rf芯片的空气桥结构和微带线，使得t/r组件小型化的同时，维持其原有的电气性能指标的目的。

有鉴于此，本发明一方面提供了一种基于硅基载板的三维集成t/r组件封装结构，该结构包括：

硅基载板，作为该封装结构的基底；

进一步的，硅基载板上具有金属薄膜；

硅基载板上还具有布线层，以及设置有无源元件、过孔和焊盘。

多个垂直互连的rf芯片，该垂直互连的rf芯片中最底部的rf芯片贴装在硅基载板的金属薄膜面上；

进一步的，rf芯片的结构为：一面具有空气桥结构，另一面为金属薄膜。

至少一个异形垫片，该异形垫片具有凹形结构，分别设置于不同的两个垂直互连的rf芯片之间，实现不同rf芯片的垂直堆叠与封装；

进一步的，该异形垫片的结构为：一面为部分空腔设计，另一面为金属薄膜；

异形垫片的材料为硅或二氧化硅。

以及引线，实现不同rf芯片间、rf芯片与硅基载板间的信号互连。

更进一步的，其中，硅基载板、rf芯片与异形垫片的贴装方式为：

上述最底部的rf芯片具有金属薄膜的一面与硅基载板的金属薄膜部分导电互连；

异形垫片通过其空腔部分与rf芯片的空气桥结构和微带线结构相隔离；

异形垫片的金属薄膜部分与rf芯片具有金属薄膜的一面导电互连。

本发明另一方面还提供了一种基于硅基载板的三维集成t/r组件封装方法，该方法包括以下步骤：

制备硅基载板，在该硅基载板上设计制备金属薄膜、布线层、焊盘和过孔；

对该硅基载板引出焊盘进行植球；

将一rf芯片具有金属薄膜的一面通过导电胶贴装在该硅基载板的金属薄膜上；

将异形垫片具有空腔的一面通过绝缘胶贴装在该rf芯片的另一面上；

将另一rf芯片具有金属薄膜的一面通过导电胶贴装在该异形垫片的金属薄膜面；

使用引线通过焊盘实现不同rf芯片间、rf芯片与硅基载板间的互连。

本发明提出的该基于硅基载板的三维集成t/r组件封装结构及封装方法，其结构如图4所示，使用异形垫片3实现rf芯片2和rf芯片4在硅基载板1上的裸芯片垂直堆叠结构。优势有以下三点：

(1)砷化镓的rf芯片为了在高频率时进一步降低rc延迟时间，一般使用空气桥结构的制造工艺，因为空气的介电常数为1，可使电容降到最小。但是空气桥是一种很脆弱的金属结构，如果直接在上面压合芯片会造成空气桥的破坏。异形垫片3的下表面有一个经过精心设计的凹槽，当异形垫片3与下面的rf芯片2压合时，可以保证异形垫片3支撑结构完美避让rf芯片2里的空气桥结构，并对其施加保护；

(2)异形垫片3的另一个优点可以从附图所示的仿真结果中得出，图5为不同垫片形式的s11参数的仿真结果(no_ip：无垫片；silica：sio2垫片；silica+cavity：异形sio2垫片；silicon：si垫片；silicon+cavity：异形si垫片)，图6为不同垫片形式的s21参数仿真结果，图7为不同垫片形式的传输线阻抗的仿真结果。从结果中可以看到，相比于传统垫片，使用材料为硅或者二氧化硅的带空腔结构的异形垫片可以大大降低微带线的回波损耗和插入损耗，并且几乎不改变传输线阻抗。因此使用异形垫片可以最大限度地保证rf芯片中的重要参数在封装前后相一致；

(3)iii-v族芯片但不限于iii-v族芯片的背面有接地需求，目前的微组装技术缺乏解决芯片背面接地的有效方案，而异形垫片的上表面有一层金属薄膜，可以作为rf芯片的接地引出电极。

附图说明

图1是现有技术中毫米波八单元收发组件封装模型；

图2是公开实施例高集成度t/r组件的整体结构示意图；

图3是公开实施例一体化集成t/r组件芯片的3d组装方法中毫米波有源相控阵天线的t/r多功能芯片3d组装结构示意图；

图4是本发明实施例提供的基于硅基载板的三维集成t/r组件封装结构的一种表现形式；

图5是不同垫片形式下的s11参数的仿真结果图；

图6是不同垫片形式下的s21参数的仿真结果图；

图7是不同垫片形式下的传输线阻抗的仿真结果图；

图8本发明实施例提供的基于硅基载板的三维集成t/r组件封装结构示意图；

图9-图14是本发明实施例提供的基于硅基载板的三维集成t/r组件封装方法流程示意图。

图中：

硅基载板1rf芯片2、4异形垫片3

导电胶5、8金属焊盘6绝缘胶7引线9

过孔10布线层11焊球12金属薄膜13

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，对本发明作进一步的详细说明。

本发明一实施例提供了一种基于硅基载板的三维集成t/r组件封装结构，可将rf芯片进行垂直互联堆叠。整个封装结构如图8所示，包括：

硅基载板，作为该封装结构的基底；

一些实施例中，硅基载板上具有金属薄膜；

该硅基载板上还具有布线层，以及设置有无源元件、过孔和焊盘。

本实施例中，请参照图9，包含有无源元件及布线层11的硅基载板1，其表面具有金属薄膜，在该硅基载板1上同时设置有焊盘6，以供引线的连接，和过孔10等垂直互连结构，为该封装结构的制备提供准备条件。

多个垂直互连的rf芯片，该垂直互连的rf芯片中最底部的rf芯片贴装在硅基载板的金属薄膜面上；

一些实施例中，该各个rf芯片的结构为：一面具有空气桥结构，另一面为金属薄膜。

本实施例中，请参照图8，以两个rf芯片的封装制备为例，包括具有空气桥结构及金属薄膜的rf芯片2和具有空气桥结构及金属薄膜的rf芯片4，两个芯片通过一异形垫片实现垂直互联堆叠。

至少一个异形垫片，该异形垫片具有凹形结构，分别设置于不同的两个垂直互连的rf芯片之间，实现不同rf芯片的垂直堆叠与封装；

一些实施例中，异形垫片的结构为：一面为部分空腔设计，另一面为金属薄膜，异形垫片的材料为硅或二氧化硅。

本实施例中，经过表面金处理的异形垫片3，通过金处理形成了一面为金属薄膜，另一面为精心设计的凹槽，即所述的部分空腔设计，该异形垫片3实现rf芯片2和rf芯片4的垂直互联堆叠。

一些实施例中，上述各个结构的具体连接方式有以下表现：

上述最底部的rf芯片具有金属薄膜的一面与硅基载板的金属薄膜部分导电互连；

异形垫片通过其空腔部分与rf芯片的空气桥结构和微带线结构相隔离；

异形垫片的金属薄膜部分与rf芯片具有金属薄膜的一面导电互连。

基于以上实施例，在本实施例中，再请参照图8，其中，rf芯片2具有金属薄膜的一面通过导电胶5贴装在硅基载板1的金属薄膜上；异形垫片3的支撑腿通过绝缘胶7贴装在rf芯片2具有空气桥的一面上，使该异形垫片3的凹槽部分可保护rf芯片的空气桥不被破坏同时避让rf芯片中的微带线结构；rf芯片4具有金属薄膜的一面通过导电胶8贴装在表面含有金属薄膜的异形垫片3上。

以及引线，实现不同rf芯片间、rf芯片与硅基载板间的信号互连；

本实施例中，多个rf芯片之间的互连以及rf芯片与硅基载板的互联均通过在金属焊盘6上进行引线键合9来完成。

另外，需要说明的是，异形垫片3的结构不限于图5中的形式，它可以是任何一种一面含有金属薄膜而另一面具有部分腔体的结构，异形垫片3的材料可以是硅或者二氧化硅。而整个封装体的rf芯片数量、异形垫片数量及二者的焊盘数量和位置均可以根据实际情况进行调整。

有鉴于上述基于硅基载板的三维集成t/r组件封装结构，本发明另一实施例提供了一种基于上述封装结构所提供的实施例的封装方法，具体技术方案如下：

(1)如图9所示，完成硅基载板1的制作，根据系统要求，在该硅基载板上涉及制备有布线层11、焊盘6和过孔10等垂直互联结构，以及金属薄膜；

(2)如图10所示，对该硅基载板引出焊盘12进行植球；

(3)如图11所示，将rf芯片2具有金属薄膜的一面通过导电胶5贴在表面具有金属薄膜的硅基载板上；

(4)如图12所示，将异形垫片3具有空腔的一面的支撑腿通过绝缘胶7贴装在rf芯片2的另一表面，其中异形垫片3的上表面为一层金属薄膜13，该层金属薄膜可以通过溅射或者蒸镀的方式形成，它的作用是为了与其上的rf芯片4具有金属薄膜的一面做互联；

(5)如图13所示，使用导电胶8将rf芯片4具有金属薄膜的一面贴装在拥有金属薄膜13的异形垫片3上；

(6)如图14所示，在硅基载板及rf芯片焊盘6上用引线键合9将多个rf芯片间、rf芯片与硅基载板进行信号互联。

该实施例提供了一种基于硅基载板的三维集成t/r组件封装结构的封装方法，同样需要说明的是，本发明中提到的rf芯片数量、异形垫片数量及二者的焊盘数量和位置均可以根据实际情况进行调整制备，只需保证在制备过程中：rf芯片具有金属薄膜的一面通过导电材料贴装在硅基载板的金属薄膜或异形垫片的金属薄膜上；异形垫片具有空腔的一面通过绝缘材料贴装在rf芯片的另一面(具有空气桥结构的一面)上。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。