一种小型化高频四边无引线陶瓷外壳及其加工工艺

技术领域

本发明涉及电子元器件封装外壳，具体涉及一种小型化高频四边无引线陶瓷外壳及其加工工艺。

背景技术

微电子具有小型化和高性能的发展趋势。当前，高频四边无引线陶瓷外壳(Ceramic Quad Flat Non-leaded Package,CQFN)多采用类同轴结构实现信号的异面传输，类同轴结构占用空间大，无法实现在保证芯区尺寸的前提下缩小外壳尺寸，且类同轴结构自身存在较大的寄生电感，当使用频段达到Ku及以上时，需在芯区内部进行一定的补偿，以避免对电源信号产生影响，这会进一步占用芯区空间。以上因素制约了采用类同轴结构高频CQFN外壳的小型化。

另一方面，CQFN外壳加工传统采用高温共烧陶瓷工艺(HTCC)，加工过程中会引入一系列的误差，包括叠片错位、屏蔽孔偏移、生切偏移、印刷线边缘存在锯齿等，这些误差会从传输信号反射、信号泄露、阻抗不匹配等多个方面对信号通道的传输性能造成影响。当CQFN外壳的尺寸达到3mm×3mm及以下时，由于信号通道的尺寸大幅减小，对加工过程中引入的误差会更加敏感，进而会严重影响传输性能，甚至产生谐振。

发明内容

发明目的：本发明的第一目的是提供一种能够实现高频信号传输，尤其是Ku及以上频段信号传输的小型化CQFN外壳；本发明的第二目的是提供一种加工误差小、能够保证CQFN外壳传输性能的CQFN外壳加工工艺。

技术方案：本发明所述的小型化高频四边无引线陶瓷外壳，具有芯区、封接区和键合区，陶瓷外壳四周的外侧壁上设置用于实现射频信号异面传输的挂孔结构，所述挂孔结构为半圆槽状的侧壁金属化，键合区键合指通过侧壁金属化与背面焊盘连通。

采用挂孔结构(侧壁金属化)取代传统的类同轴结构实现高频信号的异面传输，挂孔结构不需要在信号过孔周围设置一圈地孔组成类同轴结构，仅需在外壳侧壁形成侧壁金属化的半圆槽结构，大幅减小了信号传输线所占用的空间。

挂孔结构为容性负载，在电路设计中可在陶瓷外壳上的无缘通道上设置补偿电容消除挂孔结构的寄生电容，不会影响CQFN外壳的尺寸。

在信号传输通道的设计上，挂孔结构由中间传输高频、高速信号的金属化和两边连通键合区和背面参考地(即背面焊盘)的金属化组成，在电路设计中可以理解为垂直方向传输的共面波导结构，可以通过调节挂孔结构中参考地距信号传输线的间距调节该部分的特征阻抗。其余部分均为水平传输的共面波导结构，通过调整共面波导的传输线宽度、到地高度、传输线间距等关键参数，使各个部分的特征阻抗均趋于50Ω，实现阻抗匹配。

再通过在键合区和封接区、芯区中间设置参考地平面，在陶瓷外壳四角设置角孔，以及在信号传输端口两侧设置密集地孔，可以屏蔽Ka频段内的高频信号，保证信号在外壳的传输过程中不会出现电磁泄露，且相邻信号间不会相互串扰，避免在外壳内部形成谐振和自激。

进一步地，所述的小型化高频四边无引线陶瓷外壳能够实现30GHz频段的信号传输，在陶瓷外壳外形达到3mm×3mm尺寸时，芯腔尺寸可达到1.5mm×1.5mm。

进一步地，所述的小型化高频四边无引线陶瓷外壳具有3个射频端口和2～4个控制端口，其中射频端口分布在陶瓷外壳的三边，用于传输30GHz及以下的射频信号，独立传输且相互之间不存在谐振和串扰；控制端口集中在陶瓷外壳的剩余一边，用于传输控制信号。

进一步地，所述陶瓷外壳的三边，传输高频信号的射频挂孔位于中间，射频挂孔旁边的两个挂孔连接上下参考地。

进一步地，射频端口键合指的宽度为0.15～0.4mm，既可以保证键合面积，也可以保证射频性能；用于实现异面传输的侧壁金属化与两边连通上下参考地的侧壁金属化间距为0.5～0.7mm，保证外壳强度和传输特性。

进一步地，键合区微带线与带状线的过渡中采用渐近线的结构，以及在带状线与挂孔结构过渡处设置圆弧焊盘，进一步减小信号反射对传输特性的影响。

在外壳加工中，传统的HTCC工艺是将单层的生瓷带进行打孔、填孔、印刷、挂孔、开腔等工序，最后进行叠片、生切、烧结，形成陶瓷外壳的陶瓷部分，在生瓷带加工过程中，均采用打孔的定位孔进行对位，但瓷带会随着各个工序的加工发生形变，导致挂孔和过孔间的层叠错位，以及印刷图形与挂孔和过孔错位。本发明所述的小型化高频四边无引线陶瓷外壳的加工工艺，采用二次叠片的半成品工艺进行陶瓷外壳的加工，包括：将相同开腔的陶瓷部分在打孔之后直接进行叠片，之后进行挂孔工序，根据挂孔对位点进行印刷工序，保证印刷图形与挂孔金属化完全对位，且是叠片好之后一次开腔和挂孔，外壳不会存在开腔和挂孔错位，进一步保证信号传输的连续性。

进一步地，将2～3张陶瓷进行一次层压(压力不宜过大)之后再进行侧壁金属化工序，采用开腔、挂孔、吸孔的工序形成一个边缘具有金属化的圆形腔体，在半成品间的挂孔处印刷上圆形焊盘，有效增强各个半成品间参考地的屏蔽，整体叠片之后采用生切工序，在陶瓷外壳边缘形成一个具有金属化覆盖的半圆形腔体；印刷图形的对位标记是在侧壁金属化工序中通过开腔形成，以保证印刷图形与侧壁金属化完全契合。

进一步地，将所有键合指包括参考地通过金属化图形引出至外壳外部并全部连通，可以通过电镀金的工艺实现全部表层金属化的厚金镀覆，保证金丝或金带键合的强度；最后通过生切，将外围连通的金属化断开，恢复外壳所需的连通关系，可以避免为实现电镀在互相不连通的键合指上打丝连通进行电镀后铲丝，留下铲丝痕迹，既增加了成本，也影响了外观和实用性。

进一步地，陶瓷壳体材料包括氧化铝陶瓷、氮化铝陶瓷、低温陶瓷；芯区依据芯片功率和屏蔽需求采用陶瓷底或者金属底，金属材料包括钼铜合金、可伐合金、CPC合金；封接区依据封帽工艺采用可伐合金或者陶瓷面。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有如下显著优点：

(1)结构上，采用挂孔结构取代类同轴结构实现高频CQFN外壳的异面传输功能，可大幅减小信号传输通道所占用的面积，同时对阻抗匹配、增强屏蔽、消除寄生电感进行设计优化，可以实现30GHz频段的信号传输，在陶瓷外壳外形达到3mm×3mm尺寸时芯腔尺寸可达到1.5mm×1.5mm，实现了小型化、大腔体、高频段、低成本的芯片封装需求，在不压缩封装芯片尺寸的前提下可以将封装后的组件体积减小至一半，且在信号传输通道的尺寸大幅减小的情况下仍具有优异的传输性能(至少与类同轴结构高频CQFN外壳相当)。

(2)在挂孔结构基础上，采用二次叠片的半成品工艺，控制陶瓷在加工过程中由于收缩变形所引入的譬如叠片错位、屏蔽孔偏移、生切偏移、印刷线边缘存在锯齿等误差，保证信号传输性能。

该款陶瓷外壳的支持频段可向下兼容。

附图说明

图1是本申请实施例提供的小型化高频四边无引线陶瓷外壳的结构示意图；

图2是图1的俯视图；

图3是图1的仰视图；

图4是本申请实施例中地孔分布示意图；

图5是本申请实施例中圆弧焊盘示意图；

图6是本申请实施例中信号传输通道的回波损耗|S11|；

图7是本申请实施例中信号传输通道的插入损耗|S21|。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

附图1至7中的附图标记如下：

1，陶瓷壳体；2，芯区；3，封接区；4，键合区；5，侧壁金属化；6，背面焊盘；7，圆弧焊盘。

如图1至图3所示的小型化高频四边无引线陶瓷外壳，该陶瓷壳体1内部具有芯区2和键合区4，顶部具有封接区3，其中，芯区2对陶瓷外壳1内部的芯片电路起到支撑作用，封接区3进行封帽以保证陶瓷外壳1内部的芯片电路的气密性。陶瓷壳体1具有信号传输通道，以实现陶瓷外壳1内部的芯片电路与外部的PCB板相连通。

具体地，陶瓷外壳1四周的外侧壁上设置用于实现射频信号异面传输的挂孔结构，挂孔结构为半圆槽状的侧壁金属化5，内部芯片通过金丝或者金带与键合区4键合指相连，键合指通过侧壁金属化5与背面焊盘6连通。将陶瓷壳体1表贴在外部系统电路上，背面焊盘6与板级电路相连，从而实现内部芯片与外部系统电路的连通。

本实施例采用挂孔结构取代传统的类同轴结构实现高频信号的异面传输，仅需在外壳侧壁形成一圈侧壁金属化的半圆槽结构，大幅减小了信号传输线所占用的空间。本实施例外壳每一边各有三个挂孔，其中三边由一个射频挂孔传输高频信号，射频挂孔旁边的两个挂孔连接上下参考地，剩余一边的三个挂孔传输三个低频信号。

挂孔结构为容性负载，在电路设计中可以在陶瓷外壳1上的无缘通道上设置补偿电容，消除挂孔结构的寄生电容，不会影响CQFN外壳的尺寸。

射频信号传输通道设计为共面波导-带状线-侧壁金属化-共面波导的结构，挂孔结构由中间传输高频、高速信号的金属化和两边连通键合区4和背面焊盘6的金属化组成，在电路设计中可以理解为垂直方向传输的共面波导结构，通过调节挂孔结构中参考地距信号传输线的间距调节该部分的特征阻抗。其余部分均为水平传输的共面波导结构，通过调整共面波导的传输线宽度、到地高度、传输线间距等关键参数，使共面波导的特征阻抗均趋于50Ω，实现阻抗匹配。

并且，在键合区4中的微带线与带状线的过渡中采用渐近线的结构，以及在带状线与挂孔结构过渡处设置圆弧焊盘7，减小信号反射对传输特性的影响。圆弧焊盘7设置在传输结构内部，如图5所示。

此外，通过在键合区4和封接区3、芯区2中间设置参考地平面，在陶瓷外壳1四角设置角孔，以及在由挂孔、键合区4和背面焊盘6共同组成的信号传输端口两侧设置密集地孔(如图4所示)，可以屏蔽Ka频段内的高频信号，保证信号在陶瓷外壳1的传输过程中不会出现电磁泄露，且相邻信号间不会相互串扰，避免在陶瓷外壳1内部形成谐振和自激。

本实施例中，陶瓷壳体1具有3个射频端口和3个控制端口，其中射频端口分布在陶瓷外壳1的三边，用于传输30GHz及以下的射频信号，独立传输且相互之间不存在谐振和串扰；控制端口集中在陶瓷外壳的剩余一边，用于传输控制信号。控制端口的数量根据需要，也可以设置为例如2个或者4个。射频端口键合指的宽度为0.15～0.4mm，既可以保证键合面积，也可以保证射频性能；用于实现异面传输的侧壁金属化5与两边连通上下参考地的侧壁金属化间距为0.5～0.7mm(太近会影响可靠性，太远的话会影响传输性能)，保证外壳强度和传输特性。

本申请实施例还提供一种小型化高频四边无引线陶瓷外壳的加工工艺，传统陶瓷外壳加工工艺是将每一层陶瓷上所需要的印刷、打孔、填孔、挂孔、开腔等工序完成后，最后将其进行叠片层压。而本发明采用二次叠片的半成品工艺进行陶瓷外壳的加工，具体包括如下的步骤。

步骤(1)、将相同开腔的陶瓷部分在印刷之后直接进行叠片，具体为将2～3张陶瓷在打孔之后根据打孔留下的叠片孔采用较小的压力进行第一次层压。

步骤(2)、将层压后半成品进行挂孔和开腔工序，其中内部的方形腔体用于封装芯片，外部的圆形腔体用于侧壁金属化，之后再对外部的圆形腔体进行挂孔和吸孔工艺，在圆形腔体表面形成一层侧壁金属化。

步骤(3)、表面图形印刷，具体为将半成品根据侧壁金属化留下的对位孔进行表面图形的印刷，可以保证印刷图形与侧壁金属化和腔体完全对齐，不会发生因为加工过程中陶瓷的收缩导致的错位现象。

步骤(4)、二次叠片和烧结，具体为将各个半成品进行二次叠片，经过生切后在适当的气氛和温度曲线下进行烧结形成瓷件。

步骤(5)、电镀，具体为将所有键合指包括参考地通过金属化图形引出至外壳外部并全部连通，可以通过电镀金的工艺实现全部表层金属化的厚金镀覆，保证金丝或金带键合的强度；最后将外围连通的金属化断开，恢复外壳所需的连通关系，可以避免为实现电镀在互相不连通的键合指上打丝连通进行电镀后铲丝，不会留下铲丝痕迹，降低生产成本的同时提高可靠性和实用性。最终形成本申请实施例中所述的小型化高频四边无引线陶瓷外壳。

陶瓷壳体1材料包括氧化铝陶瓷、氮化铝陶瓷、低温陶瓷；芯区2依据芯片功率和屏蔽需求采用陶瓷底或者金属底，金属材料包括钼铜合金、可伐合金、CPC合金；封接区3依据封帽工艺采用可伐合金或者陶瓷面。

本发明解决了现有高频CQFN外壳小型化与高性能传输相冲突的问题，通过采用挂孔结构取代类同轴结构实现CQFN外壳的异面传输功能，可以大幅减小信号传输通道所占用的面积，实现陶瓷外壳外形达到3mm×3mm尺寸时芯腔尺寸可达到1.5mm×1.5mm，在小型化的同时，也提高了芯腔利用率。在设计上采用新颖的挂孔结构结合创新性的二次叠片半成品工艺，可以有效减小传输过程中反射信号和电磁泄露对传输特性的影响，在信号传输通道的尺寸大幅减小的情况下，仍具有优异的传输性能。参照图6和图7，本发明的陶瓷外壳可以实现在30GHz的频段下，回波损耗|S11|≥17dB，插入损耗|S21|≤0.25dB。最后，采用半切裂片工艺，可以进一步节约制造成本和提升外壳外观，实现外壳的小型化、高性能、低成本。