一种双面互连气密封装结构及其制备方法与流程

1.本发明涉及微电子封装技术领域，具体而言，涉及一种双面互连气密封装结构及其制备方法。


背景技术：

2.小型化、多功能化和高性能化是电子系统发展的重要方向，基于系统级封装(sip，system in package)的三维集成技术是实现电子系统小型化和多功能化的重要途径，该技术强调使用转接板、封装基板，在三维方向实现芯片的堆叠，将多种芯片、器件和无源元件集成在一个封装体内，实现综合集成密度更高，使用封装体堆叠技术(pop，package on package)将不同功能的封装进行三维堆叠，可以进一步提升电子系统的集成密度，在pop技术中，通常需要实现封装体两侧的互连，从而满足三维集成后电气信号垂直传输的需求。
3.在塑封结构中，通常使用tmv(through molding via，塑封通孔)技术，即，在底层塑封模块的塑封料上垂直打孔至基板的焊盘处，然后对tmv孔进行金属化，通过bga(ball grid array，焊球阵列封装)焊球与顶层模块进行互连，实现pop叠层封装，现有技术中均采用前述技术实现pop叠层封装，然而，塑封结构由于不气密，不能满足高可靠应用的需求。
4.在硅基封装结构中，通常使用tsv(through siliconvia，硅通孔)技术，即，通过在硅转接板内开腔，结合tsv、金属微凸点或金属微焊盘，使用晶圆级键合技术实现pop叠层封装，然而，该技术成本高，且不适用于大尺寸封装；陶瓷和金属封装工艺灵活性较高，同时具有高集成密度和气密性，是应用最广泛的高可靠封装工艺，业内针对该工艺已经进行了广泛的研究，然而，如何在满足高集成密度、气密封装的同时，实现基于bga的双面互连，尚有一些技术难点亟待突破。


技术实现要素：

5.本发明旨在提供一种双面互连气密封装结构及其制备方法，以解决现有技术中封装结构不能满足pop叠层封装的要求、不能满足与印制电路板双面互连的要求和在提升集成密度的同时无法保证封装气密性要求的问题。
6.本发明解决技术问题所采用的解决方案是：
7.一种双面互连气密封装结构，包括第一封装基板和第二封装基板；
8.上述第一封装基板和上述第二封装基板均为陶瓷封装基板，上述第一封装基板与上述第二封装基板相互平行，并且，上述第一封装基板和上述第二封装基板的两侧均具有若干焊盘；
9.上述第一封装基板与上述第二封装基板的焊盘之间设有金属围框，上述金属围框的两端分别固定连接在上述第一封装基板与上述第二封装基板的相应焊盘上，上述第一封装基板、上述金属围框和上述第二封装基板共同构成气密封装结构；
10.上述金属围框中部分区域镂空成半圆柱型空腔，上述半圆柱型空腔内均设有同轴的金属微柱，上述金属微柱的两端分别固定连接于上述第一封装基板与上述第二封装基板
的相应焊盘上；
11.上述第一封装基板和上述第二封装基板与上述金属微柱互连区域设置有同轴转微带的射频传输结构；
12.上述气密封装结构内部设有若干裸芯片，若干上述裸芯片分别固定在上述第一封装基板与上述第二封装基板内表面的相应焊盘上；
13.上述第一封装基板和上述第二封装基板外表面上的焊盘分别固定连接有第一焊球和第二焊球。
14.本实施方案公开的双面互连气密封装结构通过在陶瓷封装基板正、反两面布置第一焊球和第二焊球的方式，使得该封装结构既能满足pop叠层封装的要求、也能满足与印制电路板双面集成的要求，提升了集成密度，增强了封装的使用灵活性；通过第一封装基板、上述金属围框和上述第二封装基板共同构成气密封装结构，保证了封装结构的气密性。
15.可选地：上述金属围框的热膨胀系数与上述第一封装基板和上述第二封装基板的热膨胀系数相同或相近，即二者的热膨胀系数差不超过5ppm/℃。
16.如此设置，相同或相近的热膨胀系数能够便于上述金属围框的两端分别焊接在上述第一封装基板和上述第二封装基板内表面上。
17.可选地：上述金属微柱均位于上述气密封装结构内，并且，上述金属微柱的一端焊接在上述第一封装基板内表面上的相应焊盘上，上述金属微柱的另一端焊接在上述第二封装基板内表面上的相应焊盘上。
18.如此设置，通过若干上述焊盘，便于实现电气信号的连通。
19.可选地：上述金属微柱的高度高于上述金属围框的高度，上述金属微柱与上述金属围框之间的高度差在10μm～50μm之间。
20.如此设置，通过调整上述金属微柱与上述金属围框的相对高度，使得上述金属微柱高度略高于上述金属围框，并将上述金属微柱与上述第二封装基板的焊接过程和上述金属围框与上述第二封装基板的焊接过程分离，保证了上述金属微柱与上述第二封装基板焊接的强度；避免了上述金属微柱与上述金属围框同高度、同时焊接时，焊料不足时导致的电气信号断路风险或焊料过多溢流时导致的电气信号短路风险。
21.可选地：上述金属围框的一端与上述第一封装基板的相应焊盘之间设有第一封焊面，上述金属围框的一端通过上述第一封焊面焊接于上述第一封装基板的相应焊盘上；
22.上述金属围框的另一端与上述第二封装基板的相应焊盘之间设有第二封焊面，上述金属围框的另一端通过上述第二封焊面焊接于上述第二封装基板的相应焊盘上。
23.如此设置：通过上述第一封焊面和上述第二封焊面使得上述第一封装基板、上述金属围框和上述第二封装基板共同构成气密封装结构。
24.在本实施例的一种实施方式中：还提供一种双面互连气密封装结构的制备方法，上述方法包括如下步骤：
25.s1：提供上述第一封装基板、上述金属围框和上述金属微柱，将上述金属围框和上述金属微柱的一端与上述第一封装基板内表面焊接起来，其中，上述金属围框的一端与上述第一封装基板内表面的焊接面为上述第一封焊面；
26.s2：提供上述第二封装基板和上述裸芯片，将上述裸芯片集成在上述第一封装基板和上述第二封装基板的内表面相应焊盘上；
27.s3：将通过步骤s2得到的上述第二封装基板与上述第一封装基板表面的上述金属微柱进行焊接；
28.s4：使用激光植球工艺将若干密封焊球依次喷射在上述第二封装基板与上述金属围框之间，每个密封焊球之间的距离在10μm～50μm之间；
29.s5：将通过步骤s4得到的由上述第一封装基板、上述金属围框和上述第二封装基板构成的封装结构置于充满高纯惰性气体的手套箱内，使用激光局部钎焊工艺将步骤s4中的密封焊球融化得到上述第二封焊面，从而得到气密封装结构；
30.s6：提供上述第一焊球和上述第二焊球，使用激光植球工艺将第一焊球和第二焊球分别植在上述气密封装结构中上述第一封装基板和上述第二封装基板的外表面相应焊盘上，以得到双面互连气密封装结构。
31.可选地：上述步骤s1中，焊接工艺可采用真空回流焊接，也可采用真空共晶焊接工艺，上述第一封焊面为气密封焊面。
32.如此设置，以便于保证了封装结构的气密性。
33.可选地：上述步骤s3中，焊接工艺可采用回流焊接，也可采用共晶焊接工艺。
34.如此设置：以实现上述第一封装基板与上述第二封装基板之间的电气互连。
35.可选地：上述步骤s4中，密封焊球的尺寸为50μm～300μm，密封焊球的材料为金锡等高温焊料，上述激光植球工艺为局部加热工艺。
36.如此设置，通过先激光植球、后在手套箱内激光局部钎焊密封的工艺，保证了封装结构的气密性，同时保证了封装结构内气氛为高纯惰性气体，与整体加热相比，本发明保证了封装内气氛的压力为一个大气压，解决了双面互连结构的气密封装难的有益效果。
37.可选地：上述步骤s6中，上述第一焊球和上述第二焊球的尺寸为100μm～1000μm，上述第一焊球和上述第二焊球的材料为锡铅、锡银、锡银铜等中低温焊料。
38.综合以上描述，本发明公开的一种双面互连气密封装结构及其制备方法具有以下有益效果：
39.(1)通过在上述第一封装基板和上述第二封装基板的外侧面布置若干上述密封焊球的方式，使得该封装结构既能满足pop叠层封装的要求、也能满足与印制电路板双面集成的要求，提升了集成密度，增强了封装的使用灵活性。
40.(2)通过调整上述金属微柱与上述金属围框的相对高度，使得上述金属微柱高度略高于上述金属围框，并将上述金属微柱与上述第二封装基板的焊接过程和上述金属围框与上述第二封装基板的焊接过程分离，保证了上述金属微柱与上述第二封装基板焊接的强度；避免了上述金属微柱与上述金属围框同高度、同时焊接时，焊料不足时导致的电气信号断路风险或焊料过多溢流时导致的电气信号短路风险。
41.(3)通过先激光植球、后在手套箱内激光局部钎焊密封的工艺，保证了封装结构的气密性，同时保证了封装结构内气氛为高纯惰性气体；与整体加热相比，本发明保证了封装内气氛的压力为一个大气压，解决了双面互连结构的气密封装难题。
附图说明
42.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对
范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
43.图1中示出了本发明实施例中一种双面互连气密封装结构的结构剖面示意图；
44.图2中示出了本发明实施例中金属围框与金属微柱的布局示意图；
45.图3中示出了本发明实施例中密封焊球喷射过程示意图；
46.图4中示出了本发明实施例中激光局部钎焊过程示意图；
47.图5中示出了本发明实施例中双面互连气密封装结构的制备方法的工艺流程图。
48.图标：1-第一封装基板，2-第二封装基板，3-焊盘，4-金属围框，5-气密封装结构，6-半圆柱型空腔，7-金属微柱，8-同轴转微带的射频传输结构，9-裸芯片，10-第一焊球，11-第二焊球，12-第一封焊面，13-第二封焊面，14-密封焊球。
具体实施方式
49.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
50.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
51.实施例1
52.参见图1、图2、图3和图4，本实施例公开了一种双面互连气密封装结构，包括第一封装基板1和第二封装基板2；
53.第一封装基板1和第二封装基板2均为陶瓷封装基板，第一封装基板1与第二封装基板2相互平行，并且，第一封装基板1和第二封装基板2的两侧均具有若干焊盘3；
54.第一封装基板1与第二封装基板2的焊盘3之间设有金属围框4，金属围框4的两端分别固定连接在第一封装基板1与第二封装基板2的相应焊盘3上，第一封装基板1、金属围框4和第二封装基板2共同构成气密封装结构5；
55.金属围框4中部分区域镂空成半圆柱型空腔6，半圆柱型空腔6内均设有同轴的金属微柱7，金属微柱7的两端分别固定连接于第一封装基板1与第二封装基板2的相应焊盘3上；
56.第一封装基板1和第二封装基板2与金属微柱7互连区域设置有同轴转微带的射频传输结构8；
57.气密封装结构5内部设有若干裸芯片9，若干裸芯片9分别固定在第一封装基板1与第二封装基板2内表面的相应焊盘3上；
58.第一封装基板1和第二封装基板2外表面上的焊盘3分别固定连接有第一焊球10和第二焊球11。
59.本实施方案公开的双面互连气密封装结构通过在陶瓷封装基板正、反两面布置第一焊球10和第二焊球11的方式，使得该封装结构既能满足pop叠层封装的要求、也能满足与
印制电路板双面集成的要求，提升了集成密度，增强了封装的使用灵活性；通过第一封装基板1、金属围框4和第二封装基板2共同构成气密封装结构5，保证了封装结构的气密性。
60.参见图1、图2、图3和图4，金属围框4的热膨胀系数与第一封装基板1和第二封装基板2的热膨胀系数相同或相近，即二者的热膨胀系数差不超过5ppm/℃，相同或相近的热膨胀系数能够便于金属围框4的两端分别焊接在第一封装基板1和第二封装基板2内表面上。
61.金属微柱7均位于气密封装结构5内，并且，金属微柱7的一端焊接在第一封装基板1内表面上的相应焊盘3上，金属微柱7的另一端焊接在第二封装基板2内表面上的相应焊盘3上，通过若干焊盘3，便于实现电气信号的连通。
62.金属微柱7的高度高于金属围框4的高度，金属微柱7与金属围框4之间的高度差在10μm～50μm之间，通过调整金属微柱7与金属围框4的相对高度，使得金属微柱7高度略高于金属围框4，并将金属微柱7与第二封装基板2的焊接过程和金属围框4与第二封装基板2的焊接过程分离，保证了金属微柱7与第二封装基板2焊接的强度；避免了金属微柱7与金属围框4同高度、同时焊接时，焊料不足时导致的电气信号断路风险或焊料过多溢流时导致的电气信号短路风险。
63.金属围框4的一端与第一封装基板1的相应焊盘3之间设有第一封焊面12，金属围框4的一端通过第一封焊面12焊接于第一封装基板1的相应焊盘3上；金属围框4的另一端与第二封装基板2的相应焊盘3之间设有第二封焊面13，金属围框4的另一端通过第二封焊面13焊接于第二封装基板2的相应焊盘3上：通过第一封焊面12和第二封焊面13使得第一封装基板1、金属围框4和第二封装基板2共同构成气密封装结构5。
64.实施例2
65.参见图1、图2、图3、图4和图5，本实施例具体公开了实施例1的制备方法，具体包括如下步骤：
66.s1：提供第一封装基板1、金属围框4和金属微柱7，将金属围框4和金属微柱7的一端与第一封装基板1内表面焊接起来，其中，金属围框4的一端与第一封装基板1内表面的焊接面为第一封焊面12；
67.步骤s1中，焊接工艺可采用真空回流焊接，也可采用真空共晶焊接工艺，第一封焊面12为气密封焊面，以便于保证了封装结构的气密性；
68.进一步的，所述焊接工艺为金锗焊接工艺；
69.s2：提供第二封装基板2和裸芯片9，将裸芯片9集成在第一封装基板1和第二封装基板2的内表面相应焊盘3上；
70.s3：将通过步骤s2得到的第二封装基板2与第一封装基板1表面的金属微柱7进行焊接，以实现第一封装基板1与第二封装基板2之间的电气互连；
71.步骤s3中，焊接工艺可采用回流焊接，也可采用共晶焊接工艺；
72.进一步的，所述焊接工艺为金锗焊接工艺；
73.s4：使用激光植球工艺将若干密封焊球14依次喷射在第二封装基板2与金属围框4之间，每个密封焊球14之间的距离在10μm～50μm之间；
74.步骤s4中，密封焊球14的尺寸为50μm～300μm，密封焊球14的材料为金锡等高温焊料，激光植球工艺为局部加热工艺，通过先激光植球、后在手套箱内激光局部钎焊密封的工艺，保证了封装结构的气密性，同时保证了封装结构内气氛为高纯惰性气体，与整体加热相
比，本发明保证了封装内气氛的压力为一个大气压，解决了双面互连结构的气密封装难的有益效果；
75.s5：将通过步骤s4得到的由第一封装基板1、金属围框4和第二封装基板2构成的封装结构置于充满高纯惰性气体的手套箱内，使用激光局部钎焊工艺将步骤s4中的密封焊球14融化得到第二封焊面13，从而得到气密封装结构5；
76.s6：提供第一焊球10和第二焊球11，使用激光植球工艺将第一焊球10和第二焊球11分别植在气密封装结构5中第一封装基板1和第二封装基板2的外表面相应焊盘3上，以得到双面互连气密封装结构5；
77.步骤s6中，第一焊球10和第二焊球11的尺寸为100μm～1000μm，第一焊球10和第二焊球11的材料为锡铅、锡银、锡银铜等中低温焊料。
78.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。