阅读说明：本技术 放大器芯片封装结构及制作方法 (Amplifier chip packaging structure and manufacturing method ) 是由 曲韩宾 张晓朋 吴兰 高博 邢浦旭 崔培水 谷江 于 2019-11-12 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种放大器芯片封装结构及制作方法,涉及芯片封装技术领域,包括芯片、封装基板以及封盖；封装基板设有至少两层介质层,且位于顶层的介质层上设有凹槽,封装基板上设有顶部金属层、中间金属层和底部金属层,封盖设置于封装基板上。本发明提供的放大器芯片封装结构,实现了多层布线,将芯片设置于凹槽内,有效的缩短了芯片与封装基板的顶部金属层之间的连接长度,提高了二者之间的传输能力,降低了射频传输的损耗,带有内腔的封盖使芯片的上方有一层低介电损耗的空气层,避免了传统封装芯片需要直接接触塑封料造成的介电损耗,有效的降低了封装结构造成的毫米波波段的性能损耗。(The invention provides an amplifier chip packaging structure and a manufacturing method thereof, relating to the technical field of chip packaging, wherein the amplifier chip packaging structure comprises a chip, a packaging substrate and a sealing cover; the packaging substrate is provided with at least two layers of dielectric layers, a groove is formed in the top layer of the dielectric layer, a top metal layer, a middle metal layer and a bottom metal layer are arranged on the packaging substrate, and the sealing cover is arranged on the packaging substrate. The amplifier chip packaging structure provided by the invention realizes multilayer wiring, the chip is arranged in the groove, the connection length between the chip and the top metal layer of the packaging substrate is effectively shortened, the transmission capability between the chip and the top metal layer is improved, the loss of radio frequency transmission is reduced, the sealing cover with the inner cavity enables an air layer with low dielectric loss to be arranged above the chip, the dielectric loss caused by the fact that the traditional packaging chip needs to be in direct contact with a plastic packaging material is avoided, and the performance loss of a millimeter wave band caused by the packaging structure is effectively reduced.)

放大器芯片封装结构及制作方法

技术领域

本发明属于芯片封装技术领域，更具体地说，是涉及一种放大器芯片封装结构及制作该封装结构的方法。

背景技术

随着射频频段频谱资源的利用和开发，各种通信系统的工作频率已从较低的频段扩展到了毫米波频段。毫米波频段具有波长短、频带宽、信息容量大等优势，毫米波通信技术被广泛应用于移动通信、雷达探测、电子对抗、精确制导等领域。毫米波放大器能够放大毫米波频段的微波信号，是5G通信接收发射系统的关键器件。毫米波频段的放大器芯片一般采用单片微波集成电路的设计，具有微波性能好、集成度高的优势。

目前，微波射频芯片多采用塑封封装工艺。但是传统的塑封芯片，均采用实心注塑封装工艺，该工艺首先制作金属的封装载体框架，然后在框架上粘接芯片，把芯片键合到封装引脚上，通过注塑机完成芯片注塑，最后通过切割工艺形成最终的封装产品。该封装结构只适用于低于10GHz的频段的芯片封装，对于20GHz以上的5G毫米波频段放大器，存在寄生损耗过大、使用性能差的问题，无法保证芯片的正常使用。

针对毫米波芯片的封装也有部分产品采用陶瓷管壳封装工艺，该工艺是采用无机的AL₂O₃陶瓷材料，在陶瓷基板上制作需要的金属图形，采用低温共烧陶瓷工艺，制作的封装结构，最后分割形成独立封装管壳和盖板，芯片封装过程就是把芯片装载到管壳内部，然后通过金锡焊料或者耐高温胶密封。其优点是损耗小、散热良好、耐高温和气密性良好，但是封装成本很高、封装尺寸较大。主要应用于军工，很难商用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种放大器芯片封装结构及制作该封装结构的方法，以解决现有技术中存在的塑封结构容易造成毫米波放大器损耗过大、使用性能差的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种放大器芯片封装结构，包括芯片、封装基板以及封盖；芯片的上表面外周设有若干个金属压点，其中至少两个金属压点为芯片射频端口；封装基板上设有自下而上层叠设置的至少两层介质层，且位于顶层的介质层上设有开口向上且用于容纳芯片的凹槽，凹槽的底面上设有导电层，介质层的顶面上设有若干个位于芯片的外周且分别与若干个金属压点一一对应的顶部金属层，相邻两层介质层之间设有与顶部金属层一一上下对应的中间金属层，位于底层的介质层的底面上设有与中间金属层一一上下对应以及与导电层上下对应的底部金属层，封盖设置于封装基板上且用于封盖封装基板，封盖设有开口向下的内腔。

作为本申请另一实施例，与芯片射频端口相对应的顶部金属层分别为第一射频端口，芯片射频端口与第一射频端口一一对应相连，与第一射频端口上下对应的底部金属层上分别设有第二射频端口。

作为本申请另一实施例，封装基板上设有若干个位于导电层下方的铜条，铜条延伸至位于凹槽下方的底部金属层上，铜条的顶部与导电层连通。

作为本申请另一实施例，凹槽贯穿顶层的介质层的板面，导电层与中间金属层齐平。

作为本申请另一实施例，芯片射频端口与第一射频端口通过键合丝相连；第一射频端口上设有用于与键合丝键合的镀层。

作为本申请另一实施例，键合丝设有两根，且键合丝与芯片和第一射频端口分别通过锲焊或球焊相连。

作为本申请另一实施例，封盖的底面边缘处设有用于与封装基板的外周粘合的胶粘层，芯片与凹槽采用导电胶粘接。

作为本申请另一实施例，芯片的顶面与封装基板的顶面齐平，芯片与第一射频端口相邻的两侧面与凹槽的侧面之间的间距值为50-200μm。

作为本申请另一实施例，与第一射频端口上下对应的底部金属层上设有第二射频端口，第二射频端口与第一射频端口通过金属化通孔相连。

一种制作放大器芯片封装结构的方法，包括如下步骤：

制作封装基板，将顶部金属层、介质层、中间金属层、介质层和底部金属层层叠设置，在位于顶部的介质层上开设凹槽，在凹槽内设置导电层；

粘接芯片至封装基板上，将封装基板放置在粘接台上，将芯片粘接至凹槽内，将芯片和封装基板烘干至粘接胶固化；

分别键合芯片射频端口至对应的第一射频端口上，将芯片和封装基板放置在键合台上，加热芯片和封装基板，分别连接芯片射频端口至对应的第一射频端口上；

安装封盖，将封装基板加热至125℃；将封盖固定至封装基板上，升温并保持后自然冷却。

本发明提供的放大器芯片封装结构的有益效果在于：与现有技术相比，本发明提供的放大器芯片封装结构，采用顶部金属层、底部金属层、中间金属层与多个介质层结合的形式，能够实现多层布线，将芯片设置于凹槽内，有效的缩短了芯片与封装基板的顶部金属层之间的连接长度，降低了键合丝的寄生电感，提高了二者之间射频信号的传输能力，最大限度的保证了芯片的自身射频性能，带有内腔的封盖使芯片的上方有一层低介电损耗的空气层，由于空气的介电损耗因子远小于一般的塑封料，避免了传统封装芯片需要直接接触塑封料造成的介电损耗，有效的降低了封装结构造成的毫米波波段的性能损耗。

本发明提供的一种制作放大器芯片封装结构的方法，采用了将顶部金属层、底部金属层、中间金属层与多个介质层结合的成型方式，该方式制作的封装结构能够有效的提高制作效率，且能有效的降低芯片的封装成本。另外带有内腔的封盖，通过与封装基板的粘接实现结构的密封，相比传统的注塑式塑封而言，不仅粘接简便还有效的降低了高频波段的损耗。在封装基板设置凹槽进行芯片的安装的方式，除了便于缩短键合丝的长度，还使芯片与封装基板的底面之间的距离有效缩短，缩短了芯片的散热路径，增大散热效率，有助于芯片的稳定工作。

附图说明

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。

图1为本发明实施例提供的放大器芯片封装结构实施例一的主视剖视结构示意图；

图2为图1中封装基板的俯视结构示意图；

图3为图2中A-A的剖视结构示意图；

图4为本发明实施例提供的放大器芯片封装结构实施例二的主视剖视结构示意图；

图5为图4中B-B的剖视结构示意图。

其中，图中各附图标记：

100、芯片；110、金属压点；111、芯片射频端口；112、芯片直流端口；120、键合丝；200、封装基板；210、介质层；220、底部金属层；221、第二射频端口；222、第二直流端口；230、中间金属层；240、顶部金属层；241、第一射频端口；242、第一直流端口；250、凹槽；251、导电层；260、铜条；270、金属化通孔；300、封盖；310、内腔。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请一并参阅图1至图5，现对本发明提供的放大器芯片封装结构及制作该封装结构的方法进行说明。放大器芯片封装结构，包括芯片100、封装基板200以及封盖300；芯片100的上表面外周设有若干个金属压点110，其中至少两个金属压点110为芯片射频端口111；封装基板200设有自下而上层叠设置的至少两层介质层210，且位于顶层的介质层210上设有开口向上且用于容纳芯片100的凹槽250，凹槽250的底面上设有导电层251，介质层210的顶面上设有位于芯片100的外周且分别与若干个金属压点110一一对应的顶部金属层240，相邻两层介质层210之间设有与顶部金属层240一一上下对应的中间金属层230，位于底层的介质层210的底面上设有与中间金属层230一一上下对应以及与导电层251上下对应的底部金属层220，封盖300设置于封装基板200上且用于盖住封装基板200，封盖300设有开口向下的内腔310。

需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。

本发明提供的一种放大器芯片封装结构，与现有技术相比，本发明提供的放大器芯片封装结构，采用顶部金属层240、底部金属层220、中间金属层230与至少两个介质层210结合的形式，能够实现多层布线，有效的满足射频布线和电源布线的要求，将芯片100设置于封装基板200的凹槽250内，有效的缩短了芯片100与顶部金属层240之间的连接长度，提高了二者之间的传输能力，降低了射频传输的损耗，最大限度的保证了芯片100的自身性能。在封装基板200上设置凹槽250进行芯片100的安装的方式，还使芯片100与封装基板200的底面之间的距离有效缩短，缩短了芯片100的散热路径，增大散热效率，有助于芯片100的稳定工作。带有内腔310的封盖300，通过外周的底面与封装基板200的顶面相连，使得与封装基板200顶面齐平的芯片100与封盖300的内腔310之间设有间隙，芯片100上方有一定厚度的空气隔离芯片100与封盖300，进而使金属压点110直接接触空气，避免了传统封装需要接触电解质造成的损耗，有效的降低了高频波段的损耗。

本实施例中，介质层210采用低介电损耗因子的树脂材料，可以有效降低损耗，适合高频段的毫米波放大器芯片。芯片100粘接于凹槽250内的安装方式，不仅操作简便，还有效缩短了芯片100与顶部金属层240之间的连接长度，便于降低射频传输的损耗。封盖300采用耐高温塑料材质，其下部设有开口向下的内腔310，有效的降低了毫米波频波段的介电损耗，通过与封装基板200的粘接实现结构的密封，相比传统的注塑式塑封而言，粘接操作十分简单方便。该结构适合GaN毫米波放大器芯片或GaAs毫米波放大器芯片。

根据加工要求和实际应用，顶部金属层240、底部金属层220、中间金属层230的厚度为18um-30um，介质层210厚度为60um-100um。

顶部金属层240作为射频走线和电源馈电层，中间金属层230作为接地层、走线层使用，底部金属层220作为焊盘层使用，与PCB焊盘焊接。采用两层介质层210和一层中间金属层230相结合的方式，能够很好的满足射频布线和电源布线的要求。

采用该封装结构，可以针对芯片100的射频布线和电源布线的数量多少以及走线交叉情况，选择设置两层介质层210或者三层介质层210，对应两层介质层210则需设置一层顶部金属层240、一层底部金属层220和一层中间金属层230，对应三层介质层210则需设置一层顶部金属层240、一层底部金属层220和两层中间金属层230，中间金属层230的设置更便于芯片100的射频布线和电源布线，提高封装结构的适用性。顶部金属层240、介质层210、中间金属层230、底部金属层220和介质层210层叠设置的方式，省去了塑封工艺中的定制专用塑封框架的繁琐工序，同时通过介质层210中设置凹槽250，更容易保证芯片100的安装精度，同时还便于多层布线和降低高频波段的损耗。

作为本发明实施例的一种具体实施方式，请参阅图1至图5，与芯片射频端口111相对应的顶部金属层240为第一射频端口241，芯片射频端口111与第一射频端口241相连，其中两个底部金属层220上分别设有与第一射频端口241上下对应的第二射频端口221。本实施例中，除芯片射频端口111之外的金属压点110为芯片直流端口112，对应芯片直流端口112的顶部金属层240分别为第一直流端口242，对应芯片直流端口112的底部金属层220分别为第二直流端口222，芯片直流端口112与第一直流端口242相连，且第一直流端口242与第二直流端口222可以通过金属化通孔270或者其他方式相连。

进一步的，芯片射频端口111可以设置为两个、三个或者四个的形式，其最少设置为两个，对应的第一射频端口241和第二射频端口221也设置为与芯片射频端口111数量一致的形式。

作为本发明实施例的一种具体实施方式，请参阅图4至图5，封装基板200上设有若干个位于凹槽250下方且延伸至封装基板200的底面的铜条260，铜条260的顶部与导电层251连通。由于铜材质是导热性能良好的材质，铜条260的设置能够实现热量的快速导出，铜条260还可以设置为位于凹槽250下方的铜柱，铜柱的主轴沿上下方向设置，铜柱的顶端与导电层251连通，底端延伸至底部金属层220上，能够实现同样的导热功能。铜条260的长向垂直于上下方向设置，可以采用平行于射频信号传输方向设置的形式，也可以采用垂直于射频信号传输方向设置的形式，还可以采用与射频传输信号呈一定夹角设置的形式。射频信号传输方向指的是封装基板200顶面上的两个第一射频端口241连线的方向。

进一步的，采用的铜条260的宽度在100um-300um之间，铜条260的宽度与相邻两个铜条260之间的间距的比例为5:1～2:1，该参数范围能够保证良好的热传输性能。

作为本发明实施例的一种具体实施方式，请参阅图1和图4，凹槽250贯穿位于顶部的介质层210的板面，导电层251与中间金属层230齐平。本身实施例中，根据芯片100的厚度设置顶部的介质层210的厚度，采用将顶部介质层210贯穿设置的形式，实现凹槽250底部恰好与中间金属层230齐平，且位于两层介质层210之间的效果。

导电层251可以利用在两个介质层210之间设置中间金属层230替代。该凹槽250的结构设置方式，有效的缩短了芯片100与封装基板200底面之间的距离，降低了芯片100与外部的热阻。铜条260的厚度与介质层210的厚度一致，用于连接中间金属层230和底部金属层220，降低了芯片100的接地电感，形成良好的接地通路，同时也形成良好的导热通路。

作为本发明实施例的一种具体实施方式，请参阅图2至图3，芯片射频端口111与第一射频端口241通过键合丝120相连。第一射频端口241上设有用于与键合丝120键合的镀层，镀层的材质为镍钯金。键合丝120设有两根，且键合丝120与芯片100和第一射频端口241分别通过锲焊或球焊相连。键合丝120用于连接芯片100的金属压点110与第一封装基板上的顶部金属层240上的第一射频端口241，键合丝120采用双根25μm的金丝，利用锲焊或球焊的方式进行连接。封装基板200上镀层的设置可以提高与键合丝120的键合强度，提高封装的可靠性。键合丝120可以采用双根或者多根的形式，能够实现较小的集成电感，提高封装性能。

本实施例中，第一射频端口241采用了化学镀镍钯浸金技术进行表面处理，增强键合丝120的键合拉力，提高封装可靠性。

进一步的，封装基板200上的第一射频端口241与第二射频端口221直接采用微带线或共面波导的形式连接，作为第一射频端口241的顶部金属层240的宽度由介质层210的厚度和介电常数决定，通过金属化通孔270与封装基板200底部的第二射频端口221连接，实现整个封装结构内部和外部射频信号的馈通。金属化通孔270的主轴沿上下方向设置，也就是与封装基板200的板面垂直的形式。微带线是由支在顶层介质层210上的单一导体带构成的微波传输线，适合制作微波集成电路的平面结构传输线。与其他导波系统相比，其具有体积小、重量轻、频带宽、适合微波单片的封装集成等优点。

共面波导，又叫共面微带传输线，是在介质基板的一个面上制作出中心导体，并在紧邻中心导体的两侧制作出参考地导体。共面波导传播由于中心导体与参考地导***于同一平面内，在本封装基板中，采用共面波导形式，可以有效的减少电磁波传输模式的改变，降低芯片射频端口111的射频传输损耗。

作为本发明实施例的一种具体实施方式，封盖300的底面边缘处设有用于与封装基板200的外周粘合的胶粘层，芯片100与凹槽250采用导电胶粘接。封盖300通过底面外周的胶粘层实现与封装基板200之间的有效粘合，粘合时通过加热实现胶粘层的融化，实现封盖300和封装基板200之间有效粘合为整体的效果。

作为本发明实施例的一种具体实施方式，请参阅图1至图5，芯片100的顶面与封装基板200的顶面齐平，芯片100与第一射频端口241相邻的两侧面与凹槽250的侧面之间的间距值为50-200μm。封装基板200上凹槽250的设置不仅使芯片100与封装基板200底面的距离有效缩短，提高了散热效率，同时还使芯片100的顶面与封装基板200的顶面更加邻近，在进行芯片100顶面上的金属压点110与封装基板200上的第一射频端口241进行连接时，能够有效的缩短连接长度，降低传输损耗。本实施例中，凹槽250的深度和芯片100的厚度一致，使芯片100安装完成后芯片100的顶面与封装基板200的顶面持平，则使得金属压点110与第一射频端口241之间的尺寸缩至最短，且有效的减小了键合丝120的弯曲弧度，金属压点110与第一射频端口241通过键合丝120相连，且键合丝120采用双根金丝的形式，通过降低键合丝120的寄生参数，改善该封装结构的高频传输能力，最大限度的发挥了毫米波放大器芯片的自身性能。

进一步的，芯片100与第一射频端口241相邻的两侧面与凹槽250的侧面之间的间距应该设置为较小的形式，本实施例中采用50-200μm的间距范围，能够有效缩短键合丝120的长度，而芯片100的另外两条侧边则不限制与凹槽250另外两侧壁的间距，可以采用较大的间距以实现便于加工的效果。

作为本发明实施例的一种具体实施方式，请参阅图1至图5，与第一射频端口241上下对应的底部金属层220上设有第二射频端口221，第二射频端口221与第一射频端口241通过金属化通孔270相连。位于封装基板200底面上的第二射频端口221与第一射频端口241之间采用是金属化通孔270连接，金属化通孔270周围可以制作多个接地实心铜柱，形成同轴线传输效应，从而减少微波信号传输的不连续性，降低金属化通孔270的传输损耗。

本实施例中，采用设置一层中间金属层230的形式，位于顶部的介质层210上设置的凹槽250的底面延伸至中间金属层230的顶面上，中间金属层230充当凹槽250底部设置的导电层251，该中间金属层230的下方设置有若干个平行排布的铜条260，铜条260的顶面与中间金属层230连通，且铜条260向下延伸至下层的介质层210的底面，实现与外部空间的连通。由于铜材质具有良好的导热性能，所以可以将芯片100散发的热量快速的导送至封装基板200的外部，实现内部热量的向外的快速输送，避免芯片100温度过高。

进一步的，此处的铜条260也可以采用主轴沿上下方向设置的柱体的形式，也能够实现将中间金属层230处的热量导送至封装基板200外部的效果。

本发明还提供一种制作放大器芯片封装结构的方法，包括如下步骤：

1.制作封装基板200：层叠设置两层介质层210，并在两层介质层210之间设置与芯片100的金属压点110相对应的中间金属层230，在顶层的介质层210上设置与芯片100的金属压点110相对应的顶部金属层240，在底层的介质层210上设置与芯片100的金属压点110相对应的底部金属层220，介质层210选用厚度为60um的高频板材，中间金属层230、顶部金属层240和底部金属层220分别采用厚度为30um的铜层。在顶层的介质层210上开设凹槽250，开槽深度为60um，凹槽250底部露出中间金属层230，芯片100与第一射频端口241及第二射频端口221不相邻的一侧边缘距凹槽250的边缘距离为60um；将上层介质层210的表面进行镀涂处理，镀层采用镍钯金材质，镍、钯、金三种材质自下而上层叠设置，具有较软的质地，便于提高键合丝120在顶部金属层240上的附着力，有助于提高粘附性能。

2.粘接芯片100至封装基板200上：将封装基板200放置到粘接台上，通过高导热率的导电胶将芯片100粘接到封装基板200的凹槽250中；将已经粘接芯片100的封装基板200放置到高温烘箱内，烘干温度为150℃，烘干时间4小时，使芯片100与封装基板200之间的粘接胶充分固化，满足芯片100固定和导热的要求。

3.键合芯片射频端口111与第一射频端口241，将已经粘接好芯片100的封装基板200放置到键合台上，加热到键合需要的温度120℃；采用25um金丝，键合芯片射频端口111与第一射频端口241，同时键合芯片直流端口112与第一直流端口242。

4、安装封盖300：将已经键合好芯片100的封装基板200加热至125℃；封盖300固定到封装基板200正上方，保持封装基板200及封盖300温度125℃不变，施加一定压力，保持10min-30min，使封盖300的粘接胶充分融化，继续升温至160℃保持1小时；将封装好的芯片100自然冷却到室温。

最后对封装好的产品进行外观及X光检查，判断是否划伤或者有键合丝120压断等现象，采用激光对封装产品的正面进行打标。

进一步的，在制作完封装基板200后，可以将封装基板200粘接到划片膜上，对封装基板200进行划片分割，该方式适合于小批量的加工测试使用；也可以在整个封装结构制作完成后再进行划片分割，该方式适合于大批量的加工生产中使用。

本发明提供的一种制作放大器芯片封装结构的方法，采用了将顶部金属层240、底部金属层220、中间金属层230与多个介质层210结合的成型方式，该方式制作的封装结构能够有效的提高制作效率，且能有效的降低芯片100的封装成本。该结构还便于实现多层布线的要求，将芯片100利用粘接胶粘接于封装基板200的凹槽250内的方式，不仅操作简便，还有效的缩短了芯片100与顶部金属层240之间的键合丝120的长度，提高了芯片100与封装基板200之间的传输能力，降低了射频传输的损耗，适用于高频波段的有效传输，另外带有内腔310的封盖300，通过与封装基板200的粘接实现结构的密封，相比传统的注塑式塑封而言，不仅粘接简便还有效的降低了高频波段的损耗。在封装基板200设置凹槽250进行芯片100的安装的方式，除了便于缩短键合丝120的长度，还使芯片100与封装基板200的底面之间的距离有效缩短，缩短了芯片100的散热路径，增大散热效率，有助于芯片100的稳定工作。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。