CN101841312B - 一种yig谐振子、yig振荡器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种YIG谐振子、YIG振荡器及其制作方法，所述YIG谐振子包括耦合环和布置于所述耦合环中的YIG单晶，其中，所述耦合环为通过低温共烧铁氧体工艺按预设的耦合类型布置于多层陶瓷基板中的耦合环；所述YIG单晶镶嵌于所述耦合环中，并通过低温共烧陶瓷工艺与所述耦合环烧结为一体。本发明提供的YIG谐振子克服了耦合环手工绕制产生的一致性差、精确性差等缺陷，保证了耦合环制作的一致性、精确性。

Description

一种YIG谐振子、YIG振荡器及其制作方法

技术领域

本发明涉及集成电路领域，尤其涉及一种钇铁石榴石YIG谐振子、YIG振荡器及其制作方法。

背景技术

YIG谐振子由于在微波波段有很高的Q值，其调谐频率与大小尺寸无关，在偏置磁场作用下，其谐振频率呈线性变化。因而YIG谐振子常用来制作YIG振荡器、YIG滤波器。YIG谐振子由YIG单晶体和耦合环构成，而YIG单晶体一般是采用YIG小球或YIG薄膜。如图1所示，为传统的两种通用YIG谐振子的结构模型图，依次为通用YIG小球谐振子和YIG薄膜谐振子。两种结构模型谐振子的等效电路图如图2所示，即YIG谐振子等效为一个电感电容电阻并联结构。

YIG谐振子的装配和调试作为纯手工操作的工序，受各种条件影响带来相当多的不确定因数。对于YIG小球谐振子，需要支撑杆使YIG小球悬空在磁场正中间，这大大降低了器件的可靠性，同时由于震颤效应而降低频率稳定度、产生相位噪声，此外还需使用加热器及其他辅助元件来使YIG小球谐振子达到温度稳定以减少环境温差的影响。对于YIG薄膜谐振子，由于YIG薄膜是粘结在陶瓷基板上，因而可靠性也不理想，同时由于耦合环仍靠手工绕制制作，造成产品的不一致性也不能进行批量生产。

传统的YIG振荡器由分立的YIG谐振子与振荡匹配电路两部分组成。如图3所示，为YIG振荡器的拓扑形式，根据振荡器工作原理要求，有源部分应在尽可能宽的频带范围内提供负阻，并且其负阻幅值应考虑YIG谐振耦合结构的损耗，以抵消其在不同频段所带来的损耗，通常情况下这种损耗是随频率的增加而增加的。在宽带范围内满足足够的负阻余量是器件宽带工作的先决条件，并且其阻抗虚部应避免呈现为容性电抗而导致与YIG的感性负载发生寄生振荡，这种不随磁场变化的固定振荡频率将限制器件的宽带工作范围。利用反馈元件可以在一定范围内调整有源部分的负阻幅值大小和频率范围。要达到两个倍频程以上的宽带负阻，就需要一种可以在一定范围内随磁场动态变化的反馈元件，如YIG谐振子反馈回路。利用YIG谐振子磁场—阻抗变化的特性来提供动态反馈，使其在工作频带内成为随磁场(频率)变化的反馈元件，以满足持续变化的负阻需要，这是任何固定反馈元件所无法提供的。

YIG振荡器传统工艺流程如图4所示，其工艺流程要陶瓷基片溅射光刻，YIG小球需要使用支撑杆固定在使用手工绕制的金丝耦合环中，双极性NPN管芯、MMIC放大器、电源芯片粘结在陶瓷基片上，宽带振荡匹配电路、去耦电容、偏置扼流电感以及传输线靠金丝键合连接，在批量生产中耦合环和小球的位置一致性较差，金丝键合长度不一致，导致器件一致性难以保证；并且，采用当前工艺制得的YIG振荡器的集成度相对较低。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种YIG谐振子、YIG振荡器及其制作方法。

具体的，本发明提供的一种YIG谐振子，包括耦合环和布置于所述耦合环中的YIG单晶，其特征在于，

所述耦合环为通过低温共烧铁氧体工艺按预设的耦合类型布置于多层陶瓷基板中的耦合环；所述YIG单晶镶嵌于所述耦合环中，并通过低温共烧陶瓷工艺与所述耦合环烧结为一体。

其中，所述耦合环布置于所述多层陶瓷中为垂直立体结构。

所述耦合类型包括：1/2耦合环、3/4耦合环、整环和双耦合环。

所述YIG单晶为YIG单晶小球或者为YIG单晶薄膜。

本发明还提供一种制作上述YIG谐振子的方法，包括：在生瓷带上依次进行打孔、填孔、烘干、印刷布线、叠片、层压、切割、排胶和烧结的操作，其特征在于，所述方法中：

在所述生瓷带上打孔时，还根据预先设计的耦合环类型，以打孔的方式在所述生瓷带上制作耦合环架构，并通过导电材料填孔步骤得到YIG谐振子的耦合环；

在所述生瓷带上打孔时，还根据所述耦合环的架构，在所述生瓷带上制作YIG单晶空腔；

在所述切割操作后、排胶前，还进行将YIG单晶镶嵌于所述YIG单晶空腔内的操作。

本发明还提供一种应用上述YIG谐振子的YIG振荡器，所述YIG振荡器由直流源、谐振回路、自屏蔽磁路和其他微波电路组成，其中，所述谐振回路由至少一个YIG谐振子和电磁铁调谐回路组成，其特征在于，

所述YIG振荡器包括多层陶瓷基板，所述多层陶瓷基板中顶层和中间层用于根据预先设计的电路布局布置所述微波电路；底层陶瓷基板为接地层；

所述顶层和中间层陶瓷基板上设有YIG谐振子空腔，所述空腔内镶嵌有YIG谐振子；且所述顶层和中间层陶瓷基板间通过金属过孔互通连接。

进一步的，所述YIG振荡器还包括至少一层介质层，所述介质层布置在所述多层金属基板间；所述介质层上设有YIG谐振子空腔。

进一步的，上述底层陶瓷基板为网格线烧银面。

进一步的，所述顶层陶瓷基板上还印刷有微带布线和电源滤波电路。

本发明还提供一种制作上述YIG振荡器的方法，所述方法包括：在生瓷带上依次进行打孔、填孔、烘干、印刷布线、叠片、层压、切割、排胶、烧结、微组装和测试的操作，其特征在于，所述方法中：

在进行打孔时，还根据预先设计的电路布局图制作用于放置微波电路中表面贴装元件和微波芯片的空腔和用于镶嵌YIG谐振子的空腔；

在切割操作后、排胶前，还进行将YIG谐振子镶嵌于所述空腔内的操作。

与现有技术相比，本发明有益效果如下：

本发明所提供YIG谐振子的耦合环由导电材料印刷在多层陶瓷上低温共烧制成，克服了耦合环手工绕制产生的一致性差、精确性差等缺陷，保证了耦合环制作的一致性、精确性。YIG谐振子的单晶体镶嵌在该多层陶瓷中与所述耦合环一起低温共烧，单晶体烧结后与陶瓷成为一体，紧固在多层陶瓷中，增大了可靠性、消除了震颤效应、成为了一体化结构；并且，通过本发明所述的制作方法实现了YIG谐振子的批量化生产。

本发明所提供的YIG振荡器中YIG谐振子的耦合环和微波电路均由导电材料印刷在多层陶瓷上低温共烧制成，减少了焊点、缩短了连线、结合混合集成技术表贴SMT元件或者腔体内埋芯片提高了YIG振荡器的集成度，且可进行批量生产。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，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为现有技术中YIG谐振子的结构模型图；

图2为YIG谐振子的等效电路图；

图3为YIG振荡器的拓扑形式；

图4为YIG振荡器传统工艺流程图；

图5为本发明提供的YIG谐振子结构模型图；

图6A为本发明提供的3/4耦合环的YIG谐振子结构图；

图6B为本发明提供的双耦合环的YIG谐振子结构图；

图7为本发明中YIG谐振子的工艺流程图；

图8A为本发明中YIG小球谐振子的耦合环结构示意图；

图8B为本发明中YIG薄膜谐振子的耦合环结构示意图；

图9为本发明实施例提供的YIG振荡器的结构图；

图10为本发明实施例提供的YIG振荡器的制作工艺流程图。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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。

为了解决现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种低温共烧多层YIG谐振子，所述YIG谐振子的耦合环通过低温共烧铁氧体LTCF工艺由导电材料印刷在多层陶瓷上低温共烧制成，所述YIG谐振子的单晶体镶嵌在所述多层陶瓷中与制成耦合环一起低温共烧。通过这种LTCF方式制作的谐振子结构模型图如图5所示，该图是以YIG薄膜谐振子为例进行说明的。

所述YIG谐振子的具体结构图如图6所示，其中图6A为3/4耦合环的YIG谐振子结构图；图6B为双耦合环的YIG谐振子结构图。由图可以清楚的看出，所述YIG谐振子的结构是在多层陶瓷上制作通孔和空腔，然后将制得的通孔通过导电浆料进行填孔，形成耦合环；然后再将YIG单晶小球或者YIG单晶薄膜镶嵌到所述空腔内，最终制得YIG谐振子。

下面结合图7对低温共烧多层YIG谐振子的工艺流程进行详细说明，当然，值得一提的是，下述工艺流程是目前比较成熟的技术，其创新点在于对新型YIG谐振子的制作。

具体的，本发明所提供的YIG谐振子的制作过程包括：在生瓷带上依次进行打孔、填孔、烘干、印刷布线、叠片、层压、切割、镶嵌YIG小球或者薄膜、共烧、排胶、烧结、倒角、烧银、电镀等工艺步骤制作而成。所述工艺流程中，为了制作耦合环，在进行打孔操作时，根据预先设计的耦合环类型，以打孔的方式在所述生瓷带上制作耦合环架构，并通过导电材料填孔步骤得到YIG谐振子的耦合环；并且在打孔时，进行YIG单晶空腔的制作，该空腔用于镶嵌YIG单晶。

为了更为直观的说明耦合环的结构，图8给出了在低温共烧多层工艺下制得的YIG谐振子的耦合结构示意图。其中，图8A为YIG小球谐振子；图8B为YIG薄膜谐振子。其中，耦合环由多层平面导体图形通过金属过孔连接形成垂直立体耦合环，垂直立体耦合环与镶嵌在内的YIG小球形成低温共烧多层YIG谐振子。

本发明提供的YIG谐振子，其耦合环由导电材料印刷在多层陶瓷上低温共烧制成，克服了耦合环手工绕制产生的一致性差、精确性差等缺陷，保证了耦合环制作的一致性、精确性；并且YIG谐振子的单晶体镶嵌在该多层陶瓷中与所述耦合环一起低温共烧，单晶体烧结后与陶瓷成为一体，紧固在多层陶瓷中，增大了可靠性、消除了震颤效应、成为了一体化结构；再者，通过本发明提供的YIG谐振子可实现批量化生产。

本发明所提供的YIG谐振子，可以应用于各种相关器件中，如利用低温共烧多层YIG谐振子的YIG滤波器等。传统工艺的YIG滤波器需要制作微波谐振腔，使用漆包线绕制耦合环，并将耦合环通过焊接在电缆组件上使其固定在谐振腔中；YIG小球定向后粘结在铍陶瓷杆，铍陶瓷杆通过支撑架将小球固定在耦合环中间。而使用本发明提供的采用低温共烧工艺的YIG滤波器流程是YIG谐振子的耦合环由导电材料印刷在多层陶瓷上并通过通孔连接形成环状后低温共烧制成，YIG谐振子的单晶体镶嵌在该多层陶瓷中与所述耦合环一起低温共烧，单晶体烧结后与陶瓷成为一体，紧固在多层陶瓷中，并通过导电材料印刷将多个谐振子级连成为了一体化结构的滤波器。

本发明还提供一种YIG振荡器，该振荡器采用低温共烧多层陶瓷工艺制得，通过该工艺制得的振荡器与通过传统的陶瓷基片溅射光刻工艺获得的振荡器具有更高的集成度。

该振荡器与传统的振荡器相同均包括：直流源、谐振回路、自屏蔽磁路和其他微波电路；其中，谐振回路由至少一个YIG谐振子和电磁铁调谐回路组成。

本发明中采用低温共烧多层陶瓷工艺制作YIG振荡器，具体是将微波电路印刷在多层陶瓷基板上，再将YIG谐振子镶嵌在基板内的预先制作的空腔中，最后通过烧结工艺得到YIG振荡器。当然，上述在多层陶瓷基板上布置微波电路是本领域技术人员的所熟知的，所以对于其设计思路在此不做赘述。

下面对本发明提供的YIG振荡器的结构进行说明：

本发明所述YIG振荡器是由多层LTCC布线基板构成，其中所述的多层基板根据设计需求设定有一定层数的陶瓷层，用于印刷微波集成电路；设定有一定层数的介质层，用于保证基片厚度和腔体深度；进一步的设有一层或多层陶瓷接地层。

确切的说，所述YIG振荡器的顶层基板为陶瓷层，在顶层上印刷微带布线、电源滤波电路和输出匹配电路等；在中间陶瓷层上布置级间匹配及反馈电路，最终通过在顶层陶瓷基板和中间陶瓷基板上印刷布线形成YIG振荡器的微波集成电路。

在具体制作时，在LTCC多层基板上按预先设计的电路布局在基板上制作一定形状的空腔，该空腔是通过对部分陶瓷层采用激光挖腔形成的，将表面贴装元件(SMD)和微波芯片通过导电胶粘合固定于空腔中，各个电路之间的互连传输线通过金丝焊接连接腔体内的SMD和微波芯片。进一步的，在LTCC多层基板上还制作有YIG谐振子空腔，该空腔用于镶嵌YIG谐振子。

下面通过一具体示例，来说明本发明提供的YIG振荡器的具体结构，如图9所示为YIG振荡器的三维结构图，所述YIG振荡器的多层布线基板共由4层陶瓷层(电路印刷层101、107、114、115、115b)和11层介质层(102、103、104、105、106、109、108、110、111、112、113)组成。由于工艺的限制，在顶层101上印刷微带布线且将电源滤波电路也设计在顶层101上，外部提供的电源通过电源滤波电路进行必要的滤波操作；其中顶层101上的导体图形101c形成信号输出端。电路印刷层101及107为微波电路部分(主要包括反馈电路、级间匹配电路、输出匹配电路)，其中，中间层107与顶层101通过金属过孔连线互通连接。

陶瓷层114和115为接地层(可以根据具体情况自由设定接地层的层数)，将陶瓷层背面烧银作为电路和磁路接地，在具体制作时考虑到接地烧银面的面积太大，在工艺实现的时候由于烧银部分和LTCC介质部分的热膨胀系数不同，LTCC器件在烧结冷却后容易因收缩不均匀而产生变形，因此设计时用网格线面来代替完整的填充面，也即在本发明中采用网格地替代大面积地以克服LTCC工艺限制，因此陶瓷层115和114同为网格地，且通过过孔连接接地层115b起到中间地的作用，两层陶瓷层115和114保证了YIG振荡器接地良好，其中层115与115b是介质层105a的正反两面导体图形。

将制作完成的YIG谐振子镶嵌于LTTC多层基板腔体116内，然后与LTCC多层基板共烧制作完成YIG振荡器，该器件实现了YIG谐振子、电阻、电容、电感等关键元件的内置设计，相对常规的振荡器其集成化程度大幅度提高，元件数量和焊线数量分别减小了30％～50％，整体装配效率也提高了近一倍，性能一致性大幅度提高

下面结合图10对本发明所提供的YIG振荡器的低温共烧工艺流程进行阐述，值得一提的是，下述工艺流程是目前比较成熟的技术，其创新点在于对新型YIG振荡器的制作。所述工艺流程具体包括：基于预先设计的电路布局对生瓷带进行打孔、制作空腔，然后利用导电材料进行填孔，再依次进行烘干、印刷布线、叠片、层压、切割、镶嵌YIG谐振子、共烧、排胶、烧结、倒角、微组装、烧银、电镀等工艺步骤制作而成。其中，所述空腔主要包括用于放置微波电路中表面贴装元件和微波芯片的空腔，以及用于镶嵌YIG谐振子的空腔。

本发明提供的YIG谐振子的耦合环、反馈电路、级间匹配电路、输出匹配电路均由导电材料印刷在多层陶瓷上低温共烧制成，减少了焊点、缩短了连线、结合混合集成技术表贴SMT元件或者腔体内埋芯片提高了YIG振荡器的集成度。各种内埋热沉、通孔连接、穿孔接地以及共晶焊、金丝键合等厚薄膜工艺的应用，实现了YIG谐振子，振荡电路，放大电路的三维集成，制作成了多层叠层的YIG振荡器。YIG振荡器的批量化生产能力大幅度提高。

需要说明的是，本发明保护的范围不限于上述具体实施方式，凡利用低温共烧多层YIG谐振子制作的器件和组件均在本发明的保护范围内，如利用低温共烧多层YIG谐振子制作带通滤波器、带阻滤波器、限幅器等。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种YIG谐振子，包括耦合环和布置于所述耦合环中的YIG单晶，其特征在于，

所述耦合环为通过低温共烧铁氧体工艺按预设的耦合类型布置于多层陶瓷基板中的耦合环；所述YIG单晶镶嵌于所述耦合环中，并通过低温共烧陶瓷工艺与所述耦合环烧结为一体。

2.如权利要求1所述的YIG谐振子，其特征在于，所述耦合环布置于所述多层陶瓷中为垂直立体结构。

3.如权利要求1所述的YIG谐振子，其特征在于，所述耦合类型包括：1/2耦合环、3/4耦合环、整环和双耦合环。

4.如权利要求1或2或3所述的YIG谐振子，其特征在于，所述YIG单晶为YIG单晶小球或者为YIG单晶薄膜。

5.一种应用权利要求1所述YIG谐振子的YIG振荡器，所述YIG振荡器由直流源、谐振回路、自屏蔽磁路和其他微波电路组成，其中，所述谐振回路由至少一个YIG谐振子和电磁铁调谐回路组成，其特征在于，

所述YIG振荡器包括多层陶瓷基板，所述多层陶瓷基板中顶层和中间层用于根据预先设计的电路布局布置所述微波电路；底层陶瓷基板为烧银接地层；

所述顶层和中间层陶瓷基板上设有YIG谐振子空腔，所述空腔内镶嵌有YIG谐振子；且所述顶层和中间层陶瓷基板间通过金属过孔互通连接。

6.如权利要求5所述的YIG振荡器，其特征在于，所述YIG振荡器还包括至少一层介质层，所述介质层布置在所述多层陶瓷基板间；所述介质层上设有YIG谐振子空腔。

7.如权利要求5或6所述的YIG振荡器，其特征在于，所述底层陶瓷基板为网格线烧银面。

8.如权利要求5或6所述的YIG振荡器，其特征在于，所述顶层陶瓷基板上还印刷有微带布线和电源滤波电路。

9.一种制作权利要求5所述YIG振荡器的方法，所述方法包括：在生瓷带上依次进行打孔、填孔、烘干、印刷布线、叠片、层压、切割、排胶、烧结、微组装和测试的操作，其特征在于，所述方法中：

在进行打孔时，还根据预先设计的电路布局图制作用于放置微波电路中表面贴装元件和微波芯片的空腔和用于镶嵌YIG谐振子的空腔；

在切割操作后、排胶前，还进行将YIG谐振子镶嵌于所述空腔内的操作。

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