CN103762400A - 一种使用基片集成波导连通电路结构的方法及电路传输结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种使用基片集成波导连通电路结构的方法，首先预留需要连通的电路结构以及基片集成波导的位置，并设计该基片集成波导的参数；然后确定基片集成波导的金属化通孔位置；最后选择键合线的属性并进行键合。另外还提供一种使用基片集成波导作为传输线的电路传输结构，待连通的电路结构的待键合边与基片集成波导的待键合的短边边缘贴合，且电路结构与基片集成波导的中轴线对齐；键合线一端键合在电路结构上，另一端键合在基片集成波导上。使用本发明的方法及电路传输结构，降低了对电路板加工精度、微带基片以及键合性能的要求，使得连通更加稳定可靠。

Description

一种使用基片集成波导连通电路结构的方法及电路传输结构

技术领域

本发明涉及通讯领域，尤其涉及一种使用基片集成波导连通电路结构的方法及电路传输结构。

背景技术

基片集成波导（substrate integrated waveguide，SIW）是一种可以集成于介质基片中的新型导波结构，这种结构在介质基片中按一定间隔排列多个金属化通孔成为波导光滑侧壁的替代结构，从而与上下表面金属围成一个准封闭的导波结构，保持了金属波导的低插损、高功率容量等特点。基片集成波导已经被成功的用于设计多种微波结构，如基片集成波导天线、滤波器、双工器、功分器等。

微带线是微波领域传统的传输线结构，其具有的平面结构特点使其广泛的应用于微波与毫米波电路。现代微波电路使用微带线作为传输与连接结构。

在微波与毫米波电路中，经常使用未封装的单片集成电路的裸片（die）来实现电路的具体功能，比如低噪声放大器裸片、混频器裸片等。为了保证性能，这些裸片不能被封装，而必须通过键合（Wire Bonding）的方式连接到电路中来实现其功能。通常使用金丝或铝丝作为键合线将裸片键合到电路的微带线上。如图1所示，5为基片电路板，键合线4的一端键合在裸片的焊盘2上，另一端键合在微带线3上，从而实现裸片1与电路的连接。另外，在射频和微波电路中也常采用键合的方式来实现单片微波集成电路（MMIC）、集总式电阻和电容等元器件与微带线的互连，以及微波传输线之间等的互连。

但是，使用微带线作为传输线有着难以克服的缺陷。

第一，对电路板加工精度的敏感度。在毫米波频段，随着频率的升高，一定特性阻抗（比如50欧姆）的微带线的线宽越来越小，在相对介电常数2.2，0.127mm厚的Rogers RT/Duroid5880板材作为基板的情况下，50欧姆的微带线线宽大约在0.38mm。在键合时，考虑到阻抗匹配的情况，微带线的宽度可能会更细，可能会达到0.1mm-0.2mm的量级。而电路板厂商对微带线的图形加工精度在0.05mm-0.1mm左右，已经达到和微带线理论要求线宽相比拟的程度。在这种情况下，电路板加工精度将极大的影响使用微带线进行传输时，键合的阻抗匹配，进而影响传输的性能与结果。

第二，对微带基片的限制。根据电磁场理论，为避免高次模的出现，微带线应选用较低介电常数的介质基片。毫米波电路中经常选择相对介电常数为2.2的Rogers RT/Duroid5880板材作为基片。随着频率的提高，对基片的厚度也要求越来越薄，一般情况，为避免高次模出现，微带线的宽度不应大于其四分之一波长。在这种情况下，当频率到达E波段或W波段以上时，常用的0.508mm和0.254mm厚的Rogers RT/Duroid5880介质基片便无法使用，而只能选择更薄的（比如0.127mm）相应板材，便大大限制了基片的使用范围，另外，由于加工工艺限制，对较薄的基片的加工精度（钻孔及机械加工精度）明显差于较厚板材，电路中的相应性能会出现下降及恶化的情况。

第三，对键合性能的敏感度。在毫米波频段，随着频率的提高，键合的性能对键合线的属性越来越敏感。键合线的拱高、跨距、键合点位置及键合线的数量和线宽等因素对键合的效果具有很大的影响。在毫米波频段，上述各因素的改变会导致阻抗失配与反射，进而导致传输与反射性能迅速恶化。当微波频率逐渐升高，到达或超过V波段（50-75GHz）时，上述因素的轻微改变即可能会导致电路的反射与传输性能恶化到几乎不可用的地步。

总之，使用微带线作为传输线时，由于微带线线宽较小，微带线尺寸的的细微改变也会导致阻抗匹配情况的恶化，从而导致键合性能迅速下降。且对电路板加工精度、微带的介质基片以及键合性能，都有很高的要求。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提出了一种在毫米波频段的微波电路中，使用基片集成波导作为传输线连通电路结构的方法，以及电路传输结构。

为达到上述目的，本发明技术方案是这样实现的：

本发明提供一种使用基片集成波导连通电路结构的方法，首先预留需要连通的电路结构以及基片集成波导的位置，并设计该基片集成波导的参数；然后确定基片集成波导的金属化通孔位置；最后选择键合线的属性并进行键合。

进一步地，电路结构包括但不限于芯片的裸片、封装芯片、分立元件、微带线、共面波导、基片集成波导。

进一步地，设计该基片集成波导的参数具体指：首先用一个具有与该基片集成波导相同特性的介质填充波导等效该基片集成波导的导波模式，按照传统介质填充矩形波导传输理论计算出在相应的毫米波频段矩形波导的截面的宽边的长度；

然后根据基片集成波导与介质填充波导之间的等效公式、金属化通孔直径、相邻金属化通孔中心距离以及所得到的所述毫米波频段矩形波导的截面的宽边的长度，计算出两排金属化通孔列的中心线之间的距离。

进一步地，计算出两排金属化通孔列的中心线之间的距离，具体可以根据公式

$a\_\mathrm{RWG}=a\×({\mathrm{\ξ}}_1+\frac{{\mathrm{\ξ}}_2}{p/d+({\mathrm{\ξ}}_1+{\mathrm{\ξ}}_2-{\mathrm{\ξ}}_3)/({\mathrm{\ξ}}_3-{\mathrm{\ξ}}_1)})$

${\mathrm{\ξ}}_1=1.0198+\frac{0.3465}{a/p-1.0684}$

${\mathrm{\ξ}}_2=-0.1183-\frac{1.2729}{a/p-1.2010}$

${\mathrm{\ξ}}_3=1.0082-\frac{0.9163}{a/p+0.2152}$

计算出两排金属化通孔列的中心线之间的距离a的值；

或者，当相邻金属化通孔中心的距离p足够小，同时满足等效波导宽度a_RWG介于a和a-d之间的时候，使用公式

$a\_\mathrm{RWG}=a-\frac{d^2}{0.95\×p}$

计算出两排金属化通孔列的中心线之间的距离a的值；

其中a_RWG为所述毫米波频段矩形波导的截面的宽边的长度，d为金属化通孔直径，p为相邻金属化通孔中心距离。

进一步地，在毫米波频段，常用的PCB工艺结构下，d取0.3mm-1mm，p取0.6mm-2mm。

进一步地，根据需键合的电路结构的性能及键合线属性，确定基片集成波导的金属化通孔位置，对基片集成波导计补偿结构，消除键合引入的电感效应。

另外，本发明还提供一种使用基片集成波导作为传输线的电路传输结构，其特征在于，所述结构包括待连通的电路结构、基片集成波导，以及用于键合所述电路结构和所述基片集成波导的键合线；其中，所述待连通的电路结构的待键合边与所述基片集成波导的待键合的短边边缘贴合，且所述电路结构与所述基片集成波导的中轴线对齐；所述键合线一端键合在所述电路结构上，另一端键合在所述基片集成波导上。

进一步地，当所述待连通的电路结构为裸片时，所述裸片的焊盘边与所述基片集成波导的待键合边边缘贴合，所述裸片与所述基片集成波导的中轴线对齐；所述键合线一端键合在所述裸片的焊盘上，另一端键合在所述基片集成波导的金属化通孔中轴线上。

本发明采用SIW进行键合连接电路，SIW键合不同于微带键合，微带键合的本质仍然是双线传输线的连接，也就是使用金丝连通了焊盘和金属微带线，从而使得信号得以传输。而SIW由于是波导结构，其键合是将焊盘通过金丝连接到SIW的金属表面，使得焊盘的信号过渡到SIW的导波结构，然后进行传输。

本发明是带有补偿结构的SIW键合结构，该结构引入了基于基片集成波导结构的等效电容结构，与键合线的等效电感效应形成滤波结构，从而提高了键合的可用频带。

使用本发明所提出的使用基片集成波导连通电路结构的方法及电路传输结构，降低了对电路板加工精度、微带基片以及键合性能的要求，使得连通更加稳定可靠。

附图说明

图1是使用微带线作为传输线连接电路结构的示意图；

图2是裸片与基片集成波导（SIW）键合示意图；

图3是SIW结构示意图；

图4是图3的相应等效波导示意；

图5是裸片与具有补偿结构的基片集成波导（SIW）键合示意图。

其中：1、裸片，2、焊盘，3、微带线，4、键合线，5、基片电路板，6、金属化通孔，7、金属面，8、介质基片，9、基片集成波导，10、金属壁，11、部分金属化通孔。

具体实施方式

下面结合附图对技术方案的实施作进一步的详细描述：

使用基片集成波导作为传输线来实现联通电路结构的方法，具体有如下步骤：

一、设计电路板，预留需要连通的电路结构以及基片集成波导的位置，并设计该基片集成波导的参数。

使用基片集成波导作为传输线时，键合的一侧目标为该基片集成波导，另外一侧的键合目标不局限于芯片的裸片，也可以是封装芯片、分立元件、微带线、共面波导、基片集成波导等电路结构。

以基片集成波导与裸片的键合为例。附图2为基片集成波导9与裸片1键合的示意图。在设计电路板时，需要按照裸片的尺寸在电路板上留出相关位置，以方便制版后的加工制作。同时，要根据电路工作频率与基片属性设计基片集成波导的宽度、金属化通孔直径、孔距等指标。参考附图3、图4，基片集成波导的设计方法如下：

由于基片集成波导与传统波导的传播模式类似，可以将其等效起来。即用一个具有与基片集成波导相同特性的介质填充波导来近似的等效基片集成波导的导波模式。基片集成波导的两排金属化通孔6等效为等效波导中的光滑金属壁10。7为上下金属面，8为介质基片。这样，首先按照传统介质填充矩形波导传输理论，可以计算出在相应的毫米波频段矩形波导的截面的宽边的长度a_RWG。然后根据基片集成波导与介质填充波导之间的等效公式（1），可以计算出两排金属化通孔列的中心线之间的距离a的值。d为金属化通孔直径，p为相邻金属化通孔中心距离。在毫米波频段，常用的PCB工艺结构下，d一般取0.3mm-1mm，p一般取0.6mm-2mm。

$a\_\mathrm{RWG}=a\×({\mathrm{\ξ}}_1+\frac{{\mathrm{\ξ}}_2}{p/d+({\mathrm{\ξ}}_1+{\mathrm{\ξ}}_2-{\mathrm{\ξ}}_3)/({\mathrm{\ξ}}_3-{\mathrm{\ξ}}_1)})---\left(1\right)$

${\mathrm{\ξ}}_1=1.0198+\frac{0.3465}{a/p-1.0684}$

${\mathrm{\ξ}}_2=-0.1183-\frac{1.2729}{a/p-1.2010}$

${\mathrm{\ξ}}_3=1.0082-\frac{0.9163}{a/p+0.2152}$

在相邻金属化通孔中心的距离p足够小，同时满足等效波导宽度a_RWG介于a和a-d之间的时候有另一种简化的计算公式（2）：

$a\_\mathrm{RWG}=a-\frac{d^2}{0.95\×p}---\left(2\right)$

二、根据需键合的电路结构的性能及键合线属性，确定基片集成波导的金属化通孔位置。

在微波电路键合时，随着频率的升高，尤其是到了毫米波频段以上，键合的性能受多方面因素制约与影响。这些因素中，键合目标的特性、键合线的参数特性等尤为重要。以对裸片键合为例，由附图4所示，裸片1的焊盘2与需键合连接的基片集成波导9有一定距离，该距离在键合时会使键合线4引入寄生电感效应，并且该电感效应的强度受键合线的数量、拱高、跨距、键合点位置、线宽等特性影响明显。在毫米波以上频段，该效应引入的电感会导致键合的传输与反射性能恶化。因此，需要针对基片集成波导的结构设计补偿结构（如附图5所示，部分金属化通孔11的位置根据设计结果调整），以消除引入的电感效应，从而提升性能。补偿结构可以有多种形式，其目标是为了引入等效的电容效应与之前所述的电感效应形成对应频段的滤波效应，从而抵消由于前述因素引入的电感效应。补偿结构的设计方法如下：（1）在未添加补偿结构的电路中，对键合电路进行仿真，以确定引入的电感效应的大小及其对性能的影响。（2）如附图5所示，通过调整SIW键合侧的部分金属化通孔位置，来调整CX和CY的值，从而对引入的电感效应进行补偿。通过仿真来获得CX和CY的具体取值，从而决定最终的补偿结构。

也可以引入更复杂的等效电路效应来取得相应指标的改善。

三、根据需要选择键合线的相关属性并进行键合。以裸片键合为例，裸片的焊盘往往直接限制了键合线的宽度和数量。一般来说，在焊盘尺寸许可的范围内，尽量选择较宽或较多的键合线。毫米波电路中，由于希望键合线引入的微波不连续性越小越好，一般要求键合线的拱高和跨距尽量小。在基片集成波导9一端，由附图5所示，在y方向，要求键合线4的中心位置要尽量落在基片集成波导两排通孔之间的居中位置。在x方向，要求键合线全部连接在基片集成波导的金属表面并且键合线尽量短。

总体来说，通过以上方法步骤，即可实现使用基片集成波导作为传输线，连通电路结构。这样的方式降低了对电路板加工精度、微带基片以及键合性能的要求，使得连通和传输更加稳定可靠，性能更优。

另外，本发明还披露一种使用基片集成波导作为传输线的电路传输结构。该电路传输结构包括待连通的电路结构，例如裸片、封装芯片、分立元件、微带线、共面波导、基片集成波导等。还包括作为传输线使用的基片集成波导，以及键合该电路结构和该基片集成波导的键合线。其中，键合线一端键合在该电路结构上，另一端键合在基片集成波导上，从而实现该电路结构与整体电路的连接。

如图5所示，以裸片为例。电路传输结构包括一个裸片1，以及一个基片集成波导9。该裸片与该基片集成波导尽可能靠近，且中轴线对齐。键合线4的一端键合在该裸片的焊盘2上，另一端键合在基片集成波导9上，从而实现裸片与整体电路的连接。在y方向，要求键合线的中心位置要尽量落在基片集成波导两排通孔之间的居中位置。在x方向，要求键合线全部连接在基片集成波导的金属表面并且键合线尽量短。

通过这样的电路传输结构，可以实现使用基片集成波导作为传输线连通电路结构。这样的方式降低了对电路板加工精度、微带基片以及键合性能的要求，使得连通和传输更加稳定可靠，性能更优。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (9)

1.一种使用基片集成波导连通电路结构的方法，其特征在于，包括步骤：

首先预留需要连通的电路结构以及基片集成波导的位置，并设计该基片集成波导的参数；然后确定基片集成波导的金属化通孔位置；最后选择键合线的属性并进行键合。

2.根据权利要求1所述使用基片集成波导连通电路结构的方法，其特征在于，所述电路结构包括但不限于芯片的裸片、封装芯片、分立元件、微带线、共面波导、基片集成波导。

3.根据权利要求1所述的使用基片集成波导连通电路结构的方法，其特征在于，所述设计该基片集成波导的参数具体指：首先用一个具有与该基片集成波导相同特性的介质填充波导等效该基片集成波导的导波模式，按照传统介质填充矩形波导传输理论计算出在相应的毫米波频段矩形波导的截面的宽边的长度；

然后根据基片集成波导与介质填充波导之间的等效公式、金属化通孔直径、相邻金属化通孔中心距离以及所得到的所述毫米波频段矩形波导的截面的宽边的长度，计算出两排金属化通孔列的中心线之间的距离。

4.根据权利要求3所述的使用基片集成波导连通电路结构的方法，其特征在于，所述计算出两排金属化通孔列的中心线之间的距离，具体可以根据公式

$a\_\mathrm{RWG}=a\×({\mathrm{\ξ}}_1+\frac{{\mathrm{\ξ}}_2}{p/d+({\mathrm{\ξ}}_1+{\mathrm{\ξ}}_2-{\mathrm{\ξ}}_3)/({\mathrm{\ξ}}_3-{\mathrm{\ξ}}_1)})$

${\mathrm{\ξ}}_1=1.0198+\frac{0.3465}{a/p-1.0684}$

${\mathrm{\ξ}}_2=-0.1183-\frac{1.2729}{a/p-1.2010}$

${\mathrm{\ξ}}_3=1.0082-\frac{0.9163}{a/p+0.2152}$

计算出两排金属化通孔列的中心线之间的距离a的值；

或者，当相邻金属化通孔中心的距离p足够小，同时满足等效波导宽度a_RWG介于a和a-d之间的时候，使用公式

$a\_\mathrm{RWG}=a-\frac{d^2}{0.95\×p}$

计算出两排金属化通孔列的中心线之间的距离a的值；

其中a_RWG为所述毫米波频段矩形波导的截面的宽边的长度，d为金属化通孔直径，p为相邻金属化通孔中心距离。

5.根据权利要求4所述的使用基片集成波导连通电路结构的方法，其特征在于，在毫米波频段，常用的PCB工艺结构下，d取0.3mm-1mm，p取0.6mm-2mm。

6.根根据权利要求1所述的使用基片集成波导连通电路结构的方法，其特征在于，根据需键合的电路结构的性能及键合线属性，确定基片集成波导的金属化通孔位置，对基片集成波导计补偿结构，消除键合引入的电感效应。

7.一种使用基片集成波导作为传输线的电路传输结构，其特征在于，所述结构包括待连通的电路结构、基片集成波导，以及用于键合所述电路结构和所述基片集成波导的键合线；其中，所述待连通的电路结构的待键合边与所述基片集成波导的待键合的短边边缘贴合，且所述电路结构与所述基片集成波导的中轴线对齐；所述键合线一端键合在所述电路结构上，另一端键合在所述基片集成波导上。

8.如权利要求7所述的一种使用基片集成波导作为传输线的电路传输结构，其特征在于，在所述基片集成波导与所述电路结构连接的一端还设置有补偿结构。

9.如权利要求7所述的一种使用基片集成波导作为传输线的电路传输结构，其特征在于，当所述待连通的电路结构为裸片时，所述裸片的焊盘边与所述基片集成波导的待键合边边缘贴合，所述裸片与所述基片集成波导的中轴线对齐；所述键合线一端键合在所述裸片的焊盘上，另一端键合在所述基片集成波导的金属化通孔中轴线上。

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