一种三维高密度集成大功率微波组件的制作方法

1.本发明涉及射频微波组件集成与封装领域，尤其涉及一种三维高密度集成大功率微波组件。


背景技术：

2.随着gan技术的不断发展，大功率器件的输出功率越来越大。微波组件对大功率前提下的小型化、集成化的要求越来越高。受限于大功率伴随的散热问题，目前三维高密度集成组件研究的主要研究热点为小型化、多功能、高频率，但输出功率普遍不高，无法满足系统对大功率下的小型化需求。
3.随着输出功率的增大，三维集成大功率组件的小型化除了需要解决堆叠结构底层的局部瞬时高密度热流的散热问题，三维集成组件堆叠层器件的局部瞬时高密度热流的散热问题也亟待解决。
4.因此亟需一种新型的三维高密度集成大功率微波组件，实现有效解决大功率射频微波组件三维集成与封装领域的堆叠互连集成、散热、电磁兼容和可靠性等方面的问题。


技术实现要素：

5.发明目的：本发明的目的是提供一种解决堆叠层局部高密度热流的散热问题、提升电磁兼容性能的三维高密度集成大功率微波组件。
6.技术方案：本发明的三维高密度集成大功率微波组件，包括底层组件、中层组件和上层组件，各组件自下而上通过bga焊球、中层组件和上层组件内的金属化通孔实现三维垂直电气互连和堆叠；
7.所述底层组件上设有管壳金属框和金属帽，所述中层组件和上层组件设于管壳金属框内，所述管壳金属框和金属帽组成密封结构；
8.所述底层组件包括金属热沉、陶瓷基座和大功率功放载片，陶瓷基座设于金属热沉上，陶瓷基座内的信号通过布线经过钎焊引线引出；大功率功放载片设于金属热沉上、与陶瓷基座连接；
9.所述中层组件包括异形金属散热平台、中层多层布线陶瓷基板、微波芯片、无源器件、大热耗散元器件、第二金属化通孔和中层多层布线，所述异形金属散热平台、微波芯片和无源器件设于中层多层布线陶瓷基板上，微波芯片和无源器件分别通过金丝键合引线与中层多层布线陶瓷基板连接；大热耗散元器件通过异形金属散热平台与金属热沉连接；
10.所述上层组件包括上层多层布线陶瓷基板、第一金属化通孔、多层布线和电源芯片，上层多层布线设于上层多层布线陶瓷基板内，电源芯片设于上层多层布线陶瓷基板上、通过金丝键合引线与上层多层布线连接；
11.中层组件内的各金属化通孔与中层多层布线连接，上层组件内的金属化通孔与上层多层布线。
12.进一步，所述大功率功放载片设于金属热沉上，大功率功放载片的输入输出信号
通过金丝键合引线与陶瓷基座上的焊盘连接。
13.进一步，大热耗散元器件通过金丝键合引线与中层多层布线陶瓷基板上的焊盘连接。
14.进一步，中层多层布线陶瓷基板、上层多层布线陶瓷基板、第二金属化通孔和bga焊球形成多个芯片屏蔽腔体。
15.进一步，金属热沉选用的材料为：钨铜，或钼铜，或铜-钼-铜，或铜-钼铜-铜，或金刚石铜；
16.异形金属散热平台选用的材料为：钨铜，或钼铜，或铜-钼-铜，或铜-钼铜-铜，或金刚石铜。
17.进一步，所述bga焊球采用具有支撑作用的非塌落型bga焊球。
18.进一步，大功率功放载片采用金锡焊料烧结在金属热沉之上。
19.进一步，所述无源器件采用分立式器件通过导电胶粘在中层多层布线陶瓷基板、上层多层布线陶瓷基板之间，或直接集成到中层多层布线陶瓷基板、上层多层布线陶瓷基板之间。
20.本发明与现有技术相比，其显著效果如下：
21.1、本发明将微波芯片、电源芯片和无源器件通过三维异构集成技术集成在小型化组件中，集成密度高；
22.2、本发明通过多种材料的三维高密度异构集成和堆叠形成三维散热结构，能解决大功率三维集成组件中的堆叠层局部高密度热流的散热问题，可用于百瓦、乃至千瓦级射频微波组件的三维高密度集成和小型化；
23.3、本发明选用的耐高功率元器件，抗烧毁功率大；通过设计有多个芯片屏蔽腔体，提升了电磁兼容性能，工艺简单，封装成本低，可靠性高等。
附图说明
24.图1为本发明的封装剖面图；
25.图2为本发明的封装总体外形图。
具体实施方式
26.下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明做进一步详细描述。
27.如图1所示，本发明三维高密度集成大功率微波组件，在很小的尺寸内集成了陶瓷基板、有源元器件、无源元器件，集成密度高，包括管壳底部金属热沉1、陶瓷基座2、钎焊引线3、异形金属散热平台4、中层多层布线陶瓷基板5、上层多层布线陶瓷基板6、金属框7、金属帽8、大功率功放载片9、金丝键合引线10、bga焊球11、微波芯片12、无源器件13、上层陶瓷基板内的第一金属化通孔14、陶瓷基板内多层布线15、电源芯片16、大热耗散元器件17、中层陶瓷基板内的第二金属化通孔18；
28.其中，陶瓷基座2、中层多层布线陶瓷基板5和上层多层布线陶瓷基板6自下而上通过bga焊球11和第一金属化通孔14进行三维堆叠，实现微波信号、电源信号和控制信号的垂直互连，极大缩减了高功率微波组件的尺寸，实现了高集成和小型化。
29.陶瓷基座2上设置管壳金属框7和金属帽8形成密封气密结构，提升了三维集成大
功率组件的可靠性。
30.陶瓷基座2内信号通过底层陶瓷基座内布线经过钎焊引线3引出，实现微波、电源和控制信号的引出。
31.大功率功放载片9采用金锡共晶烧结在陶瓷基座2的金属热沉1上，大功率功放载片9的输入输出信号通过金丝键合引线10与陶瓷基座2上的焊盘连接，通过这种散热结构设计，底部高密度热流能及时通过金属热沉1及时导出。
32.中间堆叠层的大热耗散元器件17通过异形金属散热平台4与金属热沉1连接，信号通过金丝键合引线10与中层多层布线陶瓷基板5上的焊盘连接，通过这种三维散热结构设计，中间层局部高密度热流能及时通过异形金属散热平台4和金属热沉1及时导出，异型结构保证散热的同时也避让开大功率功放载片9的上部空间，进一步提升集成度。
33.电源芯片16通过金丝键合引线10与上层多层布线陶瓷基板6上的布线焊盘连接，再通过垂直互连的第一金属化通孔14、第一多层布线15实现上下层互连和扇出；微波芯片12和无源器件13分别通过金丝键合引线10与上中层多层布线陶瓷基板5上的布线焊盘连接，再通过垂直互连的第二金属化通孔18、第二多层布线19实现上下层互连和扇出，由此，本发明通过三维垂气互连和堆叠实现了高集成和小型化。
34.中层多层布线陶瓷基板5、上层多层布线陶瓷基板6、第二金属化通孔18和bga焊球11形成多个芯片屏蔽腔体，提升了三维集成大功率组件电磁隔离和电磁兼容性能。
35.陶瓷基座2、中层多层布线陶瓷基板5和上层多层布线陶瓷基板6采用多层布线陶瓷工艺实现，具体的可采用高温共烧陶瓷(htcc)或低温共烧陶瓷(ltcc)。进一步的，可采用有机介质基板加工方式替代中层多层布线陶瓷基板5、上层多层布线陶瓷基板6，实现低成本制造。
36.管壳底部金属热沉1和异形金属散热平台4采用高热导率材料，包括钨铜、钼铜、铜-钼-铜(cmc)、铜-钼铜-铜(cpc)、金刚石铜等，极大提升三维集成大功率组件的散热性能。
37.实现三维垂直互连的bga焊球11采用具有支撑作用的非塌落型bga焊球。
38.底部大功率功放载片9由gan管芯、陶瓷预匹配电路、偏置电路、单层电容器组成，各元器件分别使用金锡焊料烧结在底部金属热沉1之上，依次通过金丝键合的方式实现互连。
39.无源器件13包括电桥、滤波器、功分器等，可采用分立式器件通过导电胶粘接到中层多层布线陶瓷基板5、上层多层布线陶瓷基板6之上，各元器件依次通过金丝键合的方式实现互连；也可设计陶瓷基板布线直接集成到中层多层布线陶瓷基板5、上层多层布线陶瓷基板6内，在陶瓷基板内直接互连，选用的耐高功率元器件可保证三维集成大功率组件耐百瓦级以上射频功率；其中，无源器件13与上层多层布线陶瓷基板6之间设有一定间隙。
40.如图2所示，本发明的三维高密度集成大功率微波组件，包括底层组件20、中层组件21和上层组件22，自下而上通过bga焊球11、第一金属化通孔14和第二金属化通孔18实现三维垂直电气互连和堆叠。
41.装配工艺如下：
42.使用焊料将底部大功率功放载片9烧结在陶瓷基座2的金属热沉1之上，使用金丝键合引线10将大功率功放载片9和陶瓷基座2上的焊盘连接。
43.使用焊料将大热耗散元器件17烧结在异形金属散热平台4之上，使用金丝键合引线10将大热耗散元器件17和中层多层布线陶瓷基板5上的焊盘连接。
44.使用焊料将载有大热耗散元器件17的异形金属散热平台4烧结在陶瓷基座2的底部金属热沉1之上。
45.将微波芯片12、无源器件13、电源芯片16等使用导电胶粘接芯片至中层多层布线陶瓷基板5、上层多层布线陶瓷基板6上，使用金丝键合引线10将微波芯片12、无源器件13、电源芯片16的焊盘和中层多层布线陶瓷基板5上的焊盘连接。
46.在中层多层布线陶瓷基板5、上层多层布线陶瓷基板6底面的bga焊盘位置植上bga焊球11；将中层多层布线陶瓷基板5底面的bga焊球11通过回流焊焊接到陶瓷基座2上表面的bga焊盘上，完成底层和中层陶瓷基板的堆叠。
47.将上层多层布线陶瓷基板6底面的bga焊球11通过回流焊焊接到陶瓷基座5上表面的bga焊盘上，完成中层多层布线陶瓷基板5、上层多层布线陶瓷基板6的堆叠。
48.采用平行封焊或激光封焊将金属帽8焊接到管壳金属框7上形成密封气密结构。
49.管壳金属框7、钎焊引线3与陶瓷基座2之间采用银铜焊料实现焊接。

技术特征：
1.一种三维高密度集成大功率微波组件，其特征在于，包括底层组件(20)、中层组件(21)和上层组件(22)，各组件自下而上通过bga焊球(11)、中层组件和上层组件内的金属化通孔实现三维垂直电气互连和堆叠；所述底层组件(20)上设有管壳金属框(7)和金属帽(8)，所述中层组件(21)和上层组件(22)设于管壳金属框(7)内，所述管壳金属框(7)和金属帽(8)组成密封结构；所述底层组件(20)包括金属热沉(1)、陶瓷基座(2)和大功率功放载片(9)，陶瓷基座(2)设于金属热沉(1)上，陶瓷基座(2)内的信号通过布线经过钎焊引线(3)引出；大功率功放载片(9)设于金属热沉(1)上、与陶瓷基座(2)连接；所述中层组件(21)包括异形金属散热平台(4)、中层多层布线陶瓷基板(5)、微波芯片(12)、无源器件(13)、大热耗散元器件(17)、第二金属化通孔(18)和中层多层布线(19)，所述异形金属散热平台(4)、微波芯片(12)和无源器件(13)设于中层多层布线陶瓷基板(5)上，微波芯片(12)和无源器件(13)分别通过金丝键合引线(10)与中层多层布线陶瓷基板(5)连接；大热耗散元器件(17)通过异形金属散热平台(4)与金属热沉(1)连接；所述上层组件(22)包括上层多层布线陶瓷基板(6)、第一金属化通孔(14)、多层布线(15)和电源芯片(16)，上层多层布线(15)设于上层多层布线陶瓷基板(6)内，电源芯片(16)设于上层多层布线陶瓷基板(6)上、通过金丝键合引线(10)与上层多层布线(15)连接；中层组件(21)内的各金属化通孔与中层多层布线(19)连接，上层组件(22)内的金属化通孔与上层多层布线(15)。2.根据权利要求1所述三维高密度集成大功率微波组件，其特征在于，所述大功率功放载片(9)设于金属热沉(1)上，大功率功放载片(9)的输入输出信号通过金丝键合引线(10)与陶瓷基座(2)上的焊盘连接。3.根据权利要求1所述三维高密度集成大功率微波组件，其特征在于，大热耗散元器件(17)通过金丝键合引线(10)与中层多层布线陶瓷基板(5)上的焊盘连接。4.根据权利要求1所述三维高密度集成大功率微波组件，其特征在于，中层多层布线陶瓷基板(5)、上层多层布线陶瓷基板(6)、第二金属化通孔(18)和bga焊球(11)形成多个芯片屏蔽腔体。5.根据权利要求1-4任一项所述三维高密度集成大功率微波组件，其特征在于，金属热沉(1)选用的材料为：钨铜，或钼铜，或铜-钼-铜，或铜-钼铜-铜，或金刚石铜；异形金属散热平台(4)选用的材料为：钨铜，或钼铜，或铜-钼-铜，或铜-钼铜-铜，或金刚石铜。6.根据权利要求1-4任一项所述三维高密度集成大功率微波组件，其特征在于，所述bga焊球(11)采用具有支撑作用的非塌落型bga焊球。7.根据权利要求1-4任一项所述三维高密度集成大功率微波组件，其特征在于，大功率功放载片(9)采用金锡焊料烧结在金属热沉(1)之上。8.根据权利要求1-4任一项所述三维高密度集成大功率微波组件，其特征在于，所述无源器件(13)采用分立式器件通过导电胶粘在中层多层布线陶瓷基板(5)、上层多层布线陶瓷基板(6)之间，或直接集成到中层多层布线陶瓷基板(5)、上层多层布线陶瓷基板(6)之间。

技术总结
本发明公开了一种三维高密度集成大功率微波组件，包括陶瓷管壳、大功率功放载片、异形金属散热平台、中层陶瓷基板、微波芯片、上层陶瓷基板、电源芯片、无源器件、金属帽；底层陶瓷管壳、中层陶瓷基板和上层陶瓷基板通过BGA焊球实现垂直互连；底部大功率功放载片直接和底层陶瓷管壳的金属热沉烧结；堆叠层的大热耗散元器件通过异形金属热沉平台与底部金属热沉连接；芯片和无源器件通过引线结构与陶瓷基板上的布线焊盘连接；上下层陶瓷基板、陶瓷基板内金属化通孔、BGA焊球形成各功能芯片的屏蔽腔体；本发明通过三维散热结构将大功率器件的热流导出，解决三维组件大功率元器件的散热问题；实现了输出功率大、抗烧毁功率大和可靠性高。高。高。


技术研发人员：姜浩 张端伟 方健 赵俊顶 陈晓青
受保护的技术使用者：中国电子科技集团公司第五十五研究所
技术研发日：2023.06.29
技术公布日：2023/9/9