高频芯片的电磁屏蔽与机械支撑一体化封装结构及方法与流程

本发明涉及集成电路、光通信芯片先进封装，具体为高频芯片的电磁屏蔽与机械支撑一体化封装结构及方法。

背景技术：

1、随着通信技术向高频段演进，高频芯片对电磁屏蔽效能和封装结构的可靠性提出更高要求，在现有的高频芯片封装工艺中，底部填充结构与外围电磁屏蔽结构依赖多道离散工序分步完成，常规流程是先向芯片底部注入绝缘胶液保护焊点并进行加热固化，随后使用树脂进行整体塑封，最后再通过溅射、电镀或喷涂等方式在封装体外表面制备导电屏蔽层。

2、这种多工序的制造方式不仅延长封装制备工艺流程，还不可避免地引入多个异质材料界面，由于底部填充胶、塑封树脂以及金属屏蔽层之间的热膨胀系数存在差异，在经历多步加热固化以及后续实际运行的温度循环环境中，这些物理界面处会产生热循环残余应力累积，当应力集中超过材料间的结合强度时，封装体内部往往会出现界面分层、微裂纹或外层屏蔽膜屏蔽层剥离失效等缺陷，从而影响整体的机械力学稳定性与射频信号的传输质量。

3、为尝试简化工艺步骤，部分常规做法是在树脂材料中直接掺入导电填料以期实现一体化成型，但常规的均相共混复合材料在注入模腔并固化后，其内部的导电填料分布大体是均匀的，这就无法解决芯片底部密集焊球区域需要可靠绝缘，而封装体顶部及外围需要高导电搭接网络这一结构层面的矛盾，因此，如何在单一封装材料体系和单次注胶固化周期内，促使混合组分在空间上自发形成满足底层绝缘支撑与顶层电磁屏蔽的合理分布，是目前封装制造环节中仍需解决的技术问题。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了高频芯片的电磁屏蔽与机械支撑一体化封装结构及方法，解决了现有高频芯片封装中底部绝缘填充与外层电磁屏蔽需多步制备导致工艺复杂且界面会产生热应力界面分层缺陷的问题。

2、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

3、第一方面，本发明提供高频芯片的电磁屏蔽与机械支撑一体化封装结构，包括基板和底座，基板的顶部固定连接有芯片，基板的外侧固定连接有支撑框，底座和支撑框通过定位柱与基板对位组装并形成用于容纳流体的封装型腔；

4、封装型腔内填充有固化成型的封装组合物，组合物经固化相分离后，在顶层原位生成与支撑框共同固化并包覆芯片的无缝的屏蔽罩，在底部生成填满芯片底部间隙并包覆芯片外围的绝缘支撑层；

5、封装组合物由包含以下重量份的原料制成：双酚f型环氧树脂50至70份；双酚a型氰酸酯树脂30至50份；全氟烷基乙基缩水甘油醚3至8份；双氰胺微粉3至6份；敌草隆1至3份；改性球形熔融二氧化硅55至75份；改性超薄片状银粉20至40份。

6、通过采用上述技术方案，利用特定的树脂基体与填料及固化体系的复配，能够促进均相流体在成型过程中的多维梯度相分离，获得电磁屏蔽与底部支撑同步成型的结构，双酚a型氰酸酯树脂受热发生三聚反应形成含三嗪环的预聚物，该预聚物进一步与双酚f型环氧树脂共聚，由此构建出含有噁唑烷酮环和醚键的交联网络，这种网络结构在固化后表现出较高的玻璃化转变温度，并在一定程度上降低体系的介电常数与介电损耗，以适应高频芯片的电气环境。

7、在填料行为方面，全氟烷基乙基缩水甘油醚作为稀释剂参与交联的同时，还能降低液态体系的表面张力，由于改性超薄片状银粉表面携带含氟低表面能基团，这使得它在树脂中具有向气液界面迁移的自发趋势，相比之下，改性球形熔融二氧化硅因为密度偏大且缺少相应的低表面能修饰，会在重力作用下逐渐沉降，在成型初期的加热阶段，由双氰胺微粉与敌草隆构成的潜伏固化体系大体维持颗粒状态，树脂尚未发生剧烈的凝胶化交联。

8、这种状态为填料在体系内部的重新分布提供一个相对低粘度的弛豫窗口，伴随外界压力的交替变化，流体内部受到扰动而产生对流，二氧化硅颗粒向下沉降并堆积在芯片底部，挤占底部空间，底层高浓度二氧化硅粒子聚集产生体积排阻效应，挤压上层流体，进一步推动片状银粉向封装顶部迁移富集，促使银粉在顶层互相搭接形成导电网络作为屏蔽层，而底部则固化为具有绝缘支撑作用的富硅树脂层。

9、优选的，全氟烷基乙基缩水甘油醚为1h,1h,2h,2h-全氟辛基缩水甘油醚、1h,1h,2h,2h-全氟己基缩水甘油醚或1h,1h,2h,2h-全氟癸基缩水甘油醚。

10、通过采用上述技术方案，上述含氟缩水甘油醚的分子末端带有较多氟原子，参与共聚时，部分氟代长链段倾向于在界面处排列，这一过程有助于降低液态树脂的表面张力，从而给含氟银粉向表层迁移创造适宜的界面环境，并且固化后的产物在疏水防潮方面也能得到一定改善。

11、优选的，改性超薄片状银粉为经1h,1h,2h,2h-全氟辛基三乙氧基硅烷表面修饰的超薄片状银粉；未改性前的超薄片状银粉的纯度≥99.9%，中位片径d50介于8μm至12μm之间，平均厚度介于100nm至200nm之间。

12、通过采用上述技术方案，1h,1h,2h,2h-全氟辛基三乙氧基硅烷可以通过与银粉表面的羟基缩合，在其表面引入全氟烷基链段，进而降低银粉的表面自由能，特定范围的中位片径和厚度使得银粉具备较高的径厚比，当其迁移到树脂顶层时，往往倾向于以面面接触的方式进行堆叠，这种排布方式有助于形成相对致密的导电渗流网络，从而为封装结构提供所需的电磁屏蔽效能。

13、优选的，改性球形熔融二氧化硅为经3-缩水甘油醚氧基丙基三甲氧基硅烷表面修饰的无定形二氧化硅；未改性前的球形熔融二氧化硅的中位粒径d50介于2μm至5μm之间。

14、通过采用上述技术方案，利用3-缩水甘油醚氧基丙基三甲氧基硅烷对二氧化硅进行修饰，可以预先在颗粒表面引入环氧基团，在后续的高温固化阶段，这些基团有机会与树脂基体形成化学键结合，这对提升底部支撑层的力学模量以及导热表现具有积极作用，采用该范围的中位粒径，主要是为让颗粒能够渗入并填充芯片底部的细小间隙，同时维持在一个比较合适的重力沉降速度区间。

15、第二方面，本发明还提供高频芯片的电磁屏蔽与机械支撑一体化封装结构的制备方法，包括以下步骤：

16、预先对球形熔融二氧化硅和超薄片状银粉进行表面修饰，分别得到改性球形熔融二氧化硅和改性超薄片状银粉；

17、在真空搅拌釜中依次加入双酚f型环氧树脂、双酚a型氰酸酯树脂以及全氟烷基乙基缩水甘油醚并混合均匀；随后加入双氰胺微粉和敌草隆，再分批加入上述改性球形熔融二氧化硅及改性超薄片状银粉，进行真空搅拌分散，制得各向同性的均相流体组合物；

18、将芯片倒装焊接于基板上；将底座、支撑框通过定位柱与基板进行对位组装，形成用于容纳流体的封装型腔；将基板预热后，将组合物注入封装型腔内并包覆芯片外围；

19、将组件转移至程控真空固化炉，升温至第一设定温度并恒温保持，同时启动动态变压循环程序；

20、动态变压结束后，将炉腔压力恢复至第一设定压力；升温至第二设定温度并进行恒温固化；固化成型后原组合物发生相分离，冷却至室温，即得到一体化封装结构。

21、通过采用上述技术方案，本制备方法尝试将底部填充与屏蔽层制备的离散流程进行合并，具体而言，借助外部温度和压力的变化干扰体系内部的平衡状态，第一设定温度和动态变压操作相互配合，可以在一定程度上调控组合物在未完全交联时的流变状态，促使内部组分重新分布；之后的第二设定温度促使树脂网络加速交联成型，这种原位固化的方式有助于减少不同材料分步加热成型时会累积的界面残余应力。

22、优选的，进行真空搅拌分散，制得各向同性的均相流体组合物的步骤包括：

23、将釜体密闭，在温度为50至70℃、绝对压力为1至10kpa的条件下，以200至500rpm的转速搅拌分散45至90分钟。

24、通过采用上述技术方案，将搅拌温度控制在设定范围，目的是在不引发固化剂提前剧烈反应的前提下，适当降低树脂的初始粘度，配合真空低压环境，主要是为抽出粉体混入时裹挟的微小气泡，在这个参数组合下进行的机械搅拌，能够使较高比例的填料均匀分散在树脂基体中，形成一种暂时的均相触变流体。

25、优选的，将基板预热后，将组合物注入封装型腔内并包覆芯片外围的步骤包括：

26、使用精密点胶机将基板预热至75至95℃，将制得的组合物注入封装型腔内，使组合物依靠毛细作用填满芯片底部锡球间隙。

27、通过采用上述技术方案，对基板进行预热操作，当流体组合物接触到热基板时，其局部粘度会下降而变得会流动，在毛细作用的影响下，这种低粘度状态有利于组合物自发渗入并填入芯片底部密集的锡球间隙中，从而减少底部填充出现填充孔隙、填充缺陷的概率。

28、优选的，将组件转移至程控真空固化炉，升温至第一设定温度并恒温保持，同时启动动态变压循环程序的步骤包括：

29、以3至8℃/min的升温速率将炉腔升温至第一设定温度105至115℃，恒温保持30至60分钟；动态变压循环程序的单次循环周期设定为2至5分钟，交变参数为：将腔室压力抽至绝对压力10至30kpa保持1至2.5分钟，随后充入氮气恢复至绝对压力95至105kpa保持1至2.5分钟。

30、通过采用上述技术方案，在第一设定温度下，双氰胺微粉和敌草隆仅有少量开始熔融或溶解，体系整体的交联反应尚不明显，组合物处于粘度相对偏低的阶段，此时引入交变压力，腔室内部气压的波动会导致流体内部出现细微的扰动和局部压力差，外部干预打散粉体填料最初形成的触变网络，使流体偏离静止状态，进而为银粉的向上迁移以及二氧化硅的向下沉降提供额外的动力环境。

31、优选的，将炉腔压力恢复至第一设定压力；升温至第二设定温度并进行恒温固化的步骤包括：

32、将炉腔压力恢复至绝对压力95至105kpa后，以4至8℃/min的升温速率将温度跃升至第二设定温度150至170℃，并恒温固化90至150分钟。

33、通过采用上述技术方案，温度跃升至第二设定温度后，树脂基体与固化剂的交联反应加快，在这个阶段，树脂体系快速凝胶化并构建起三维网络，使得经过前期重新分布的填料状态被原位固定下来，这一升温锁定的步骤主要目的是固化已经形成的相分离结构，防止组分因为长时间的液态热力学扩散而再次变得杂乱。

34、优选的，启动动态变压循环程序的步骤中：

35、维持双氰胺微粉与敌草隆的微粒状态以延缓树脂交联凝胶化，提供使该组合物的复数粘度保持低水平的流体力学弛豫窗口；并利用动态变压循环程序引发体系内部压力失衡，配合被含氟长链包裹且流体拖拽效应显著的改性超薄片状银粉，破坏填料原本形成的触变网络，打破体系静止触变状态，形成向气液界面迁移的逆重力马兰戈尼对流运动以促进组合物相分离。

36、通过采用上述技术方案，当进行真空抽气时，残留在组合物内部的微小气体空间倾向于膨胀，这往往会引起局部液面张力的变化；而在充入氮气恢复压力的过程中，流体又会相应地受压收缩，在狭小的封装模腔内，这种往复的压力刺激会诱发流体内部的对流运动，改性超薄片状银粉在自身相对较低的表面能以及液相对流的共同带动下，会挣脱树脂的阻碍，向着上方的气液界面发生迁移，进而促成宏观层面的相分离。

37、本发明适用于各类高频集成电路裸片、晶圆级封装芯片、硅光光模块芯片的后道一体化封装；由光刻掩膜板完成图形制备后的功能晶圆、射频芯片、高速光电集成芯片均可采用本结构与制备方法实现同步绝缘填充与电磁屏蔽成型，提升高频器件可靠性与生产效率。

38、本发明提供了高频芯片的电磁屏蔽与机械支撑一体化封装结构及方法。具备以下有益效果：

39、1、本发明通过对树脂基体、表面改性填料以及潜伏固化体系进行特定配比，使封装组合物能够在单一模腔内同步完成底部填充与外围屏蔽层的构建，这种一体化成型方式改变传统需要多次点胶和分步固化的离散工序，不仅在一定程度上简化生产流程，同时也有助于减少由于不同材料分步加热而产生的界面残余应力，降低封装结构在使用中发生局部剥离或界面分层的风险。

40、2、本发明利用含氟基团对超薄片状银粉进行低表面能修饰，配合自身密度较大且无低表面能修饰的球形熔融二氧化硅，使得流体体系在热力学上获得自发重新分布的趋势，当液态树脂在加热初期处于低粘度状态时，银粉倾向于向顶部的气液界面迁移并搭接成导电网络，二氧化硅颗粒则向下沉降填充至芯片底部的微小间隙中，这种原位生成的梯度分布结构较好地兼顾高频芯片运作所需的电磁屏蔽效能与底部的物理支撑强度。

41、3、本发明在固化工艺方面，引入动态变压循环程序对液相内部施加周期性的气压扰动，可以在树脂交联网络尚未完全建立的流体力学弛豫窗口期诱发内部对流，这一外部干预动作破坏填料原本形成的触变网络，打破体系静止触变状态，为不同密度和表面能的粉体迁移提供必要的机械动力环境；底层高浓度二氧化硅粒子聚集产生体积排阻效应，挤压上层流体，进一步推动片状银粉向封装顶部迁移富集。随后配合阶跃式升温操作使树脂迅速凝胶化，将已经形成功能界面分层的微观状态及时固定，从而保障最终封装制品内部结构的稳定性。