本发明涉及陶瓷封装技术领域，具体涉及一种双腔体陶瓷封装外壳及其制备方法。该环框包括底板和与所述底板连接设置的环框，环框内部设置隔墙形成双腔体结构；在封装外壳的射频信号传输区域内，底板上开设有贯穿底板的射频信号传输孔，射频信号传输孔包括一个中心射频信号传输孔，和在中心射频信号传输孔周围呈十字状布置的四个边缘接地孔；以中心射频信号传输孔为圆心，边缘接地孔的相邻两孔之间，设置弧形金属墙，四个弧形金属墙以中心射频信号传输孔为中心形成非连续的圆环形。本发明提供的封装外壳可以减少芯片封装过程中的信号干扰以及提高高频信号传输的完整性。
1.一种双腔体陶瓷封装外壳，包括底板（10）和与所述底板（10）连接设置的环框（20），其特征在于，所述环框（20）内部设置隔墙（21）形成双腔体结构；
在封装外壳的射频信号传输区域内，所述底板（10）上开设有贯穿所述底板（10）的射频信号传输孔（30），所述射频信号传输孔（30）包括一个中心射频信号传输孔（31），和在所述中心射频信号传输孔（31）周围呈十字状布置的四个边缘接地孔（32）；以所述中心射频信号传输孔（31）为圆心，所述边缘接地孔（32）的相邻两孔之间，设置弧形金属墙（34），四个弧形金属墙（34）以所述中心射频信号传输孔（31）为中心形成非连续的圆环形；
所述底板（10）的上表面和下表面均设置带有镀层（111）的金属化层（11），所述射频信号传输孔（30）的孔内均填充金属材料形成金属柱，所述射频信号传输孔（30）孔内的金属柱的两端分别与底板（10）的上表面和下表面的金属化层（11）连接；所述底板上还设置有馈电传输孔（40）；所述馈电传输孔（40）成排设置，单排馈电传输孔（40）位于同一个非金属化的腰圆形阻焊开窗（41）内部，所述腰圆形阻焊开窗（41）内部在馈电传输孔（40）周围均保留一个独立的矩形金属化区域形成焊盘（42）；馈电传输孔（40）的孔内填充金属材料形成金属柱，所述馈电传输孔（40）孔内的金属柱（50）的顶端与焊盘（42）连接，下端与底板（10）下表面的金属化层（11）连接；
所述底板（10）的下表面与上表面相对应设置有腰圆形阻焊开窗（41），且所述中心射频信号传输孔（31）位于底板（10）的下表面位置的外侧设置有环形阻焊开窗（14）；所述底板（10）下表面的金属化层（11）的镀层（111）表面还设置有阻焊层（12），所述阻焊层为液态光致阻焊剂层。
2.如权利要求1所述的一种双腔体陶瓷封装外壳，其特征在于，所述弧形金属墙（34）的厚度与所述底板（10）厚度相同，所述中心射频信号传输孔（31）在底板（10）的上表面位置的外侧还设置有非金属化的矩形环状阻焊开窗（33），所述矩形环状阻焊开窗（33）与弧形金属墙（34）间具有间隙，所述中心射频信号传输孔（31）和所述边缘接地孔（32）的直径、以及所述弧形金属墙（34）的径向宽度相等，且每个所述弧形金属墙（34）的圆心角为60°。
3.如权利要求1所述的一种双腔体陶瓷封装外壳，其特征在于，所述底板（10）上还呈阵列状开设有多个通孔（60），所述通孔（60）以设定间距布满所述底板（10），并与所述射频信号传输区域以及腰圆形阻焊开窗（41）的位置相避让；所述通孔（60）的孔内填充金属材料形成金属柱，所述通孔（60）孔内的金属柱的两端分别与底板（10）的上表面和下表面的金属化层（11）连接。
4.如权利要求2‑3任一项所述的一种双腔体陶瓷封装外壳，其特征在于，所述底板（10）与环框（20）的连接处，环绕所述底板（10）设置有一圈非金属化的阻焊带（13）。
5.如权利要求3所述的一种双腔体陶瓷封装外壳，其特征在于，所述封装外壳为矩形封装，所述隔墙（21）平行于环框（20）的短边设置，所述隔墙（21）的厚度与环框（20）本体厚度相同，且所述隔墙（21）与环框（20）的连接处使用圆角过渡连接。
6.如权利要求5所述的一种双腔体陶瓷封装外壳，其特征在于，所述馈电传输孔（40）沿垂直于所述隔墙（21）的方向平行设置两排，所述封装外壳在其四个内角位置分别设置一个所述射频信号传输区域，四个所述射频信号传输区域被所述隔墙（21）分隔为两组，同组的射频信号传输区域的连线方向与所述隔墙（21）平行。
7.如权利要求6所述的一种双腔体陶瓷封装外壳，其特征在于，所述底板（10）为氮化铝陶瓷底板，所述金属化层（11）及所述填充金属材料的材质均为Cu。
8.一种如权利要求7所述的一种双腔体陶瓷封装外壳的制备方法，其特征在于，步骤如下：
S1. 利用激光在底板（10）上开设通孔（60）、射频信号传输孔（30）、馈电传输孔（40）以及容纳弧形金属墙（34）的空间；
S2.对底板（10）进行活化处理，在底板（10）上下表面及所述通孔（60）、射频信号传输孔（30）、馈电传输孔（40）的孔内表面和容纳弧形金属墙（34）的空间表面溅射种子层，并在种子层表面电镀金属化层（11），同时利用电镀将所述通孔（60）、射频信号传输孔（30）、馈电传输孔（40）的孔内以及容纳弧形金属墙（34）的空间填实，形成金属柱（50）和弧形金属墙（34）；
S3. 在所述金属化层（11）表面设置镀层（111），所述镀层包括与所述金属化层（11）接触的Ni层和与所述Ni层接触的Au层；
S4. 在底板（10）下表面的金属化层（11）的镀层（111）外表面涂覆阻焊层（12），且所述阻焊层（12）与所述通孔（60）、射频信号传输孔（30）、馈电传输孔（40）的下端相避让；
S5.将带隔墙（21）的环框（20）焊接在底板（10）上并烧结成型。
一种双腔体陶瓷封装外壳及其制备方法
技术领域
[0001] 本发明涉及陶瓷封装技术领域，具体涉及一种双腔体陶瓷封装外壳及其制备方法。
背景技术
[0002] 随着半导体技术的不断发展及系统封装技术的不断进步，器件的信号传输的频率要求也越来越高。同时，为了减少封装外壳体积，越来越多的功能器件被集成在同一基板上，以实现不同功能。为了满足封装气密性、热膨胀特性、以及电气性等要求，可靠度高的陶瓷封装外壳成了IC封装的主流方向。
[0003] 金属环框焊接陶瓷板的结构，能够形成单独的密封腔体，由于外壳是全密封结构，能够极大程度上避免外界对内部芯片的干扰和侵蚀，从而使得器件具有较高的可靠性。在垂直信号传输上，类同轴的传输结构应用最为广泛，常采用的结构形式为在中心导体旁边进行打孔，但这种形式信号传输能力有限，无法是适应高频率传输要求。同时，随着频率的提高，分布密集的微波器件会在特定的谐振点上会形成谐振峰，对器件的高频信号传输造成阻碍。
发明内容
[0004] 为解决上述技术问题，本发明的目的之一在于提供一种双腔体陶瓷封装外壳，该封装外壳可以减少芯片封装过程中的信号干扰以及提高高频信号传输的完整性。
[0005] 本发明采用了以下技术方案：
[0006] 一种双腔体陶瓷封装外壳，包括底板和与所述底板连接设置的环框，所述环框内部设置隔墙形成双腔体结构；
[0007] 在封装外壳的射频信号传输区域内，所述底板上开设有贯穿所述底板的射频信号传输孔，所述射频信号传输孔包括一个中心射频信号传输孔，和在所述中心射频信号传输孔周围呈十字状布置的四个边缘接地孔；以所述中心射频信号传输孔为圆心，所述边缘接地孔的相邻两孔之间，设置弧形金属墙，四个弧形金属墙以所述中心射频信号传输孔为中心形成非连续的圆环形。
[0008] 优选的，所述底板的上表面和下表面均设置带有镀层的金属化层，所述射频信号传输孔的孔内均填充金属材料形成金属柱，所述金属柱的两端分别与底板的上表面和下表面的金属化层连接。
[0009] 优选的，所述弧形金属墙的厚度与所述底板厚度相同，所述中心射频信号传输孔在底板的上表面位置的外侧还设置有非金属化的矩形环状阻焊开窗，所述矩形环状阻焊开窗与弧形金属墙间具有间隙，所述中心射频信号传输孔和所述边缘接地孔的直径、以及所述弧形金属墙的径向宽度相等，且每个所述弧形金属墙的圆心角为60°。
[0010] 优选的，所述底板上还设置有馈电传输孔；所述馈电传输孔成排设置，单排馈电传输孔位于同一个非金属化的腰圆形阻焊开窗内部，所述腰圆形阻焊开窗内部在馈电传输孔周围均保留一个独立的矩形金属化区域形成焊盘；馈电传输孔的孔内填充金属材料形成金属柱，所述金属柱的顶端与焊盘连接，下端与底板下表面的金属化层连接。
[0011] 优选的，所述底板的下表面与上表面相对应设置有腰圆形阻焊开窗，且所述中心射频信号传输孔位于底板的下表面位置的外侧设置有环形阻焊开窗；所述底板下表面的金属化层的镀层表面还设置有阻焊层，所述阻焊层为液态光致阻焊剂层。
[0012] 优选的，所述底板上还呈阵列状开设有多个通孔，所述通孔以设定间距布满所述底板，并与所述射频信号传输区域以及腰圆形阻焊开窗的位置相避让；所述通孔的孔内填充金属材料形成金属柱，金属柱的两端分别与底板的上表面和下表面的金属化层连接，用于信号回流。
[0013] 优选的，所述底板与环框的连接处，环绕所述底板设置有一圈非金属化的阻焊带。
[0014] 优选的，所述封装外壳为矩形封装，所述隔墙平行于环框的短边设置，所述隔墙的厚度与环框本体厚度相同，且所述隔墙与环框的连接处使用圆角过渡连接。
[0015] 优选的，所述馈电传输孔沿垂直于所述隔墙的方向设置两排，所述封装外壳在其四个内角位置分别设置一个所述射频信号传输区域，四个所述射频信号传输区域被所述隔墙分隔为两组，同组的射频信号传输区域的连线方向与所述隔墙平行。
[0016] 优选的，所述底板为氮化铝陶瓷底板，所述金属化层及所述填充金属材料的材质均为Cu，所述镀层的材质为Ni和Au。
[0017] 本发明的目的之二在于提供一种上述双腔体陶瓷封装的制备方法，该方法包括以下步骤：
[0018] S1.利用激光在底板上开设通孔、射频信号传输孔、馈电传输孔以及容纳弧形金属墙的空间；
[0019] S2.对底板进行活化处理，在底板表面及所述通孔、射频信号传输孔、馈电传输孔的孔内表面和容纳弧形金属墙的空间表面溅射种子层，并在种子层表面电镀金属化层，同时利用电镀将所述通孔、射频信号传输孔、馈电传输孔的孔内以及容纳弧形金属墙的空间填实，形成金属柱和弧形金属墙；
[0020] S3.在所述金属化层表面设置镀层，所述镀层包括与所述金属化层接触的Ni层和与所述Ni层接触的Au层；
[0021] S4.在底板下表面的金属化层表面的镀层的外侧面涂覆阻焊层，且所述阻焊层与所述通孔、射频信号传输孔、馈电传输孔的下端相避让；
[0022] S5.将带隔墙的环框焊接在底板上并烧结成型。
[0023] 本发明的有益效果在于：
[0024] 1)采用带有隔墙的环框形成双腔体结构，可避免在陶瓷开槽的情况下，实现封装外壳内信号隔离，避免信号的串联、耦合及向外发散，使相同面积上集成更多的功能模块，减小封装外壳的尺寸。同时，隔墙增加了环框的结构强度，对封盖起到支撑作用，可以有效防止封装外壳变形。
[0025] 2)射频信号传输区域使用环状分布的垂直传输结构，即采用了中心射频信号传输孔加边缘接地孔的布局，并设置了非金属化的弧形金属墙。弧形金属墙形成圆柱形，在信号传输过程中，能够将电磁波约束在弧形金属墙即外导体内部，减少能量向外扩散，即使两信号传输结构距离很近，弧形金属墙外部也几乎没有电磁场的分布，从而避免信号串扰的问题。
[0026] 3)射频信号传输孔和弧形金属墙形成类同轴结构，减少了互连面积，充分利用纵向空间，能够极大降低孔间的噪声耦合，降低信号传输过程中的反射与损耗，提升高频信号的传输能力。本发明尤其适用于高频芯片的封装。
[0027] 4)在底板与环框的连接处，环绕底板一圈设置的阻焊带可以防止底板与环框焊接时焊料溢出，造成短路的问题；还能够使底板与环框焊接处形成焊料堆积，避免焊料流淌过开产生焊缝。
[0028] 5)底板最外面设置的阻焊层能够防止在陶瓷封装的BGA植球过程中焊料外溢，减少虚焊的可能。
附图说明
[0029] 图1为本发明的结构示意图；
[0030] 图2为本发明中射频信号传输区域的设置图，图中α数值为60°；
[0031] 图3为沿图2中A‑A’的截面图；
[0032] 图4A为图3中Ⅰ部分的放大图，图4B为图3中Ⅱ部分的放大图；
[0033] 图5为本发明射频信号传输区域的设置的立体图；
[0034] 图6为实施例2中仿真实验的结果图。
[0035] 图中标注符号的含义如下：
[0036] 10‑底板 11‑金属化层 111‑镀层 12‑阻焊层 13‑阻焊带 14‑环形阻焊开窗[0037] 20‑环框 21‑隔墙
[0038] 30‑射频信号传输孔 31‑中心射频信号传输孔 32‑边缘接地孔 33‑矩形环状阻焊开窗 34‑弧形金属墙
[0039] 40‑馈电传输孔 41‑腰圆形阻焊开窗 42‑焊盘
[0040] 50‑金属柱
[0041] 60‑通孔
具体实施方式
[0042] 下面结合附图和实施例来对本发明的技术方案做出更为具体的说明：
[0043] 实施例1
[0044] 如图1‑5所示，一种双腔体陶瓷封装外壳，包括呈矩形的底板10和与底板10连接设置的矩形环框20。底板10材质为氮化铝陶瓷底板，环框20内部设置隔墙形21成双腔体结构，隔墙21平行于环框20的短边设置。隔墙21的厚度与环框20本体厚度相同，且隔墙21与环框20的连接处使用圆角过渡连接，增加封装的机械强度，防止变形。
[0045] 底板10的上表面和下表面均设置有金属化层11，金属化层11的厚度约为50μm，金属化层材料为Cu；金属化层11表面还设置有镀层111，镀层111包括与金属化层11接触的Ni层和与Ni层接触的Au层。底板10下表面的金属化层11的镀层111的外表面还设置有阻焊层12，阻焊层12为涂覆的一层绿油，即液态光致阻焊剂层。
[0046] 在封装外壳的射频信号传输区域内，底板10上开设有贯穿底板10的射频信号传输孔30，射频信号传输孔30包括一个中心射频信号传输孔31，和在中心射频信号传输孔31周围呈十字状布置的四个边缘接地孔32。以中心射频信号传输孔31为中心，其在底板10的上表面位置的外侧设置非金属化的矩形环状阻焊开窗33，边缘接地孔32的相邻两孔之间，设置非金属化的弧形金属墙34，四个弧形金属墙34以中心射频信号传输孔31为圆心形成非连续的圆环形。弧形金属墙34的厚度与底板10的厚度相同，即弧形金属墙34与中心射频信号传输孔31形成了类同轴结构，类同轴结构可以降低射频信号传输孔31间的噪声耦合，实现高频信号传输能力的提升。
[0047] 上述类同轴结构中，矩形环状阻焊开窗33为裸露的陶瓷底板10，中心射频信号传输孔31周围实际为金属化区域。矩形环状阻焊开窗33与弧形金属墙34间具有金属化间隙，中心射频信号传输孔31和边缘接地孔32的直径、以及弧形金属墙34的径向宽度相等，弧形金属墙34的两端与边缘接地孔32不直接接触，且每个弧形金属墙34的圆心角为60°，以实现更好的传输功能。
[0048] 射频信号传输孔30的孔内填充金属材料形成金属柱50，金属柱50的两端分别与底板10的上表面和下表面的金属化层11连接。并且，中心射频信号传输孔31位于底板10的下表面位置的外侧设置有环形阻焊开窗14，环形阻焊开窗14的设置使得中心射频信号传输孔31的下端实际与一圆形金属化区域相连。
[0049] 底板上还设置有馈电传输孔40，馈电传输孔40成排设置，本实施例中，馈电传输孔40沿垂直于隔墙21的方向平行设置两排。每排馈电传输孔40均位于同一个非金属化的腰圆形阻焊开窗41内部，且腰圆形阻焊开窗41在每个馈电传输孔40的周围都留有独立的矩形金属化区域形成焊盘42以保证通导。
[0050] 馈电传输孔40的孔内填充金属材料形成金属柱50，金属柱50的顶端与焊盘42连接，下端与底板10下表面的金属化层11连接，底板10的下表面还与上表面相对应地设置有腰圆形阻焊开窗41。
[0051] 底板10上还呈阵列状开设有多个通孔60，通孔60以设定间距布满底板10，并与射频信号传输区域以及腰圆形阻焊开窗41的位置相避让。通孔60的孔内填充金属材料形成金属柱50，金属柱50的两端分别与底板的上表面和下表面的金属化层11连接，用于信号回流。需强调，在图1中，通孔41顶端被金属化层11覆盖，在实际产品中是无法直接看到的。
[0052] 底板10与环框20的连接处，环绕底板10设置有一圈非金属化的阻焊带13，阻焊带13即为未设置金属化层11和镀层111的裸露底板10。
[0053] 本实施例中，封装外壳在其四个内角附近的相同位置分别设置一个射频信号传输区域，四个射频信号传输区域被隔墙21分隔为两组，即双腔体的每个腔体中包含两个射频信号传输区域，同组的射频信号传输区域的连线方向与隔墙21平行。
[0054] 环框20上还设置有盖板以封闭封装外壳。
[0055] 上述双腔体陶瓷封装外壳的制备方法，包括以下步骤：
[0056] S1.利用激光在底板10上开设通孔60、射频信号传输孔30、馈电传输孔40以及容纳弧形金属墙34的空间；
[0057] S2.对底板10进行活化处理，在底板10表面及通孔60、射频信号传输孔30、馈电传输孔40的孔内表面和容纳弧形金属墙34的空间表面溅射种子层，并在种子层表面电镀金属化层11，金属化层11厚度约50μm；同时利用电镀Cu将通孔60、射频信号传输孔30、馈电传输孔40的孔内以及容纳弧形金属墙34的空间填实，形成金属柱50和弧形金属墙34；本实施例中，种子层采用磁控溅射，种子层材料可以是Ti、Au、Cu等；
[0058] S3.在金属化层11表面设置镀层111，镀层包括与金属化层11接触的Ni层和与Ni层接触的Au层；
[0059] S4.在底板10下表面的金属化层11的镀层111外表面涂覆阻焊层12，且阻焊层12与通孔60、射频信号传输孔30、馈电传输孔40的下端相避让；
[0060] S5.将底板10、焊料和带隔墙21的环框20依次放入模具中，再将模具送入钎焊炉中烧结，烧结温度在320‑350℃，即得到双腔体陶瓷封装。
[0061] 更进一步的，上述双腔体陶瓷封装在放入芯片以及引出引线与键盘键合后，采用激光封盖盖合盖板，形成完整的封装。
[0062] 实施例2
[0063] 在实施例1的结构基础上，一种双腔体陶瓷封装外壳，包括氮化铝陶瓷底板10和可伐金属环框20。氮化铝陶瓷底板10长16.0mm，宽11.0mm，厚度0.60mm；环框20中部设置有隔墙，隔墙厚度与环框厚度一致为0.55mm，隔墙与环框墙体的连接处采用R0.30圆角过渡。
[0064] 氮化铝陶瓷底板10采用DPC或其他镀膜工艺制备金属化层11，金属化层为Cu层，厚度为50μm；表面镀层111为镍金层，总厚度60‑70μm；底板10下表面阻焊层12厚度为30μm。
[0065] 底板10与环框20的连接处，环绕底板10一圈设置的非金属化的阻焊带13宽度为0.2mm，阻焊带13实际为非金属化区域，即底板10裸露区域，用于防止底板10和环框20焊接时焊料溢出，造成短路的问题；同时能够使底板10与环框20的焊接处形成焊料堆积，避免焊料流淌过开产生焊缝。
[0066] 底板10上开设有贯穿底板10的射频信号传输孔30和馈电传输孔40，射频信号传输孔30和馈电传输孔40的直径均为0.1mm。其中，射频信号传输孔30的周围环绕非金属化的阻焊开窗及弧形金属墙；馈电传输孔40成排设置在一个腰圆形阻焊开窗41内部，腰圆形阻焊开窗41尺寸为：长6.60mm，宽1.00mm。馈电传输孔40设置数量与电路基板中设置的接口相对应。为了保证导通，馈电传输孔40内部金属柱50上端均对应设置一个焊盘42，该焊盘42的大小与矩形环状阻焊开窗33内部的金属化区域大小相同，均为长宽0.42mm的方形。上述焊盘42和矩形环状阻焊开窗33内部的金属化区域可以看作金属化层11的一部分。
[0067] 底板10上还阵列开设有贯穿底板10的通孔60，通孔60的直径为0.1mm，相邻孔之间间距为0.80mm，通孔60内利用金属材料电镀填实形成金属柱50，金属材料为Cu等导电性较好的材料，金属柱50的两端分别与底板10上、下表面的金属化层11相连接。
[0068] 实际生产中，底板10上可以先呈阵列装加工出统一的圆孔，再按照不同的阻焊区域设置划分出射频信号传输孔30、馈电传输孔40及通孔60。
[0069] 利用本实施例中的封装外壳进行三维电磁仿真软件HFSS(High Frequency Structure Simulator)信号传输仿真模拟实验，结果如图6所示。
[0070] 图中S11表示回波损耗，即被反射回源端(Port1)的能量，S11值越小越好，一般建议S11<0.1，即－20dB；S21表示插入损耗，即被传输到目的端(Port2)的能量，S21值越大越好，理想值是1，即0dB，S21值越大代表传输的效率越高，一般建议S21>0.7，即－3dB。从图6上可以看出，在20HZ‑30HZ波段，S11(即插入损耗)明显小于‑20dB，能够满足K波段信号传输使用需求。
[0071] 以上仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造；尽管参照前述实施方式对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：凡在本发明创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。
