CN103904396A - 一种基于siw的毫米波芯片气密性封装结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于SIW的毫米波芯片气密性封装，属于半导体技术领域。本发明包括自上而下依次密封连接的底座、LTCC基板、密封环以及盖板；底座的中央凸台；LTCC基板绕凸台四周设置，且由上下排列的、上表面都涂有金属层的信号传输层和陶瓷腔体层组成，信号传输层其中一对相对的两边为传输射频信号的SIW结构；密封环位于陶瓷腔体层的上部，盖板位于密封环的上方。本发明克服了现有技术中陶瓷管壳封装在毫米波损耗大的缺陷，并且适用频率越高，封装的损耗越小，达到了解决毫米波段微波单片集成电路、尤其是功放电路的密封性问题；重要的是本发明的实现工艺简单、便于加工，可间接带来较大的经济效益，具有较佳的推广前景。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域。
背景技术
对于微波集成电路的封装而言，频率响应特性往往限制了电路的应用频率范围，设计在射频性能方面要予以特别考虑。微波工作频率越高，封装寄生参量对电路的影响越显著。为了减少寄生的对性能影响，在毫米波模块和组件中，单片集成电路一般都采用裸片的形式应用，为了保证密封性，只能通过焊锡或激光封焊对整个模块进行密封。由于组件一般体积较大，由于工艺的限制，这两种密封技术稳定性不容易保证，很难达到气密性封装。而通常的锡封或激光封焊对组件整体进行密封，工艺稳定比较难，成品率存在问题，要做的高等级的气密非常困难。对密封要求很高的场合，用管壳封装保证气密，是比较好的选择，而在毫米波段，特别是30GHz以上频率，由于表面安装管壳封装中馈线的微带-带状线-微带线结构的传输损耗和辐射损耗较大，不适合毫米波管壳封装，目前没有见过表面安装封装的管壳。
基片集成波导（Substrate integrated waveguide ，SIW）技术是近年来在微波毫米波领域倍受关注的技术，其主要特点是，在上下接地的介质板中通过两排合理设计的接地过孔或接地槽，形成在介质中传播具有矩形波导模式的传输结构。其电磁传输特性和应用研究有大量文章报道。基片集成波导的应用主要包括滤波、功分、功率合成以及与有源器件构成的电路，等等。低温共烧陶瓷（Low-temperature cofired ceramics ，LTCC）技术是实现SIW的良好载体，由于低温共烧陶瓷能够实现多层陶瓷与金、银等良导体进行多层层压烧结，具有良好的射频性能，LTCC技术和工艺已经成为微波基板、电路和封装良好载体。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于SIW的毫米波芯片气密性封装，该封装可克服现有技术中陶瓷管壳封装在毫米波损耗大的缺陷，解决毫米波段微波单片集成电路、其是功放电路的密封性封装问题，本发明可实现低成本、高性能的毫米波芯片的气密性封装，工艺简单、便于加工，可带来较大的经济效益。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种基于SIW的毫米波芯片气密性封装，包括自上而下依次密封连接的底座、LTCC基板、密封环以及盖板；其中
底座的中央设有烧结毫米波芯片的凸台；
LTCC基板绕凸台四周设置，且由上下排列的陶瓷腔体层和信号传输层组成，陶瓷腔体层和信号传输层的上表面都涂有金属层，所述信号传输层其中一对相对的两边为传输射频信号的SIW结构；
密封环位于陶瓷腔体层的上部；
盖板位于密封环的上方，两者密封配合。
信号传输层中SIW结构的两边的边宽至少为4.5mm。
信号传输层由4层LTCC带料烧结而成，每层的厚度为0.097mm。
密封环的边宽小于或等于陶瓷腔体层的边宽。
所述密封环为可伐环。
所述密封环采用与LTCC基板的热膨胀系数相同或相近的可伐材料制成。
所述底座的材料为钨铜、钼铜或无氧铜材料。
采用上述技术方案取得的技术进步为：本发明利用LTCC工艺基板制作技术，结合传统的封装技术，采用新颖的SIW结构，开创性的实现了低成本、高性能的毫米波芯片的气密性封装；该封装克服了现有技术中陶瓷管壳封装在毫米波损耗大的缺陷，并且适用频率越高，封装的损耗越小，达到了解决毫米波段微波单片集成电路、尤其是功放电路的密封性问题，在毫米波芯片封装领域是一个先驱性的发明；重要的是本发明的实现工艺简单、便于加工，可间接带来较大的经济效益，具有较佳的推广前景。
附图说明
图1所示为本发明的结构示意图；
其中，1、盖板，2、密封环，3、凸台，4、陶瓷腔体层，5、信号传输层，6、底座。
具体实施方式
由图1所示可知：一种基于SIW的毫米波芯片气密性封装，包括自上而下依次密封连接的底座6、LTCC基板、密封环2以及盖板1。
封装的底座6采用钨铜材料制成，钨铜的热膨胀系数与GaAs等微波集成电路的热膨胀系数相同，而且散热性能比较好，可以提高毫米波芯片功放电路的热传导和热匹配，提高功放电路的效率，提高毫米波芯片工作的可靠性。
底座6的中央设有烧结毫米波芯片用的凸台3，凸台3之外的底座6在高度上低于凸台3；底座6的四周还可以设置安装孔便于安装。
LTCC基板围绕凸台3四周设置，且由上下排列的陶瓷腔体层4和信号传输层5组成，两者采用的材料相同。信号传输层5和陶瓷腔体层4的上表面都涂有金属层，信号传输层5其中一对相对的两边为传输射频信号的SIW结构，此两边对应的信号传输层5的边宽应该不小于4.5mm，以保证波导模式的微波信号的正常有效传输。该信号传输层5由4层LTCC带料烧结而成，每层的厚度为0.097mm。
陶瓷腔体层4位于信号传输层5之上，该层相当于封装的侧壁结构。该层巧妙的利用LTCC技术在多层陶瓷加工的便利条件，将互连线埋置在陶瓷腔体内，可以用来进行电路的偏置、控制布线等，从而巧妙的实现加电、控制等线的互连。
密封环2为可伐环，位于陶瓷腔体层4之上，其边宽小于（或等于）陶瓷腔体层4的边宽，密封环2主要起支撑作用，盖板1位于密封环2之上，采用平行缝焊技术将盖板1焊接在密封环2上，两者之间密封配合。
本发明采用400℃的金锡焊料将底座6、LTCC基板和密封环2密封烧结到一起。
为了保证整个封装的性能，密封环2的热膨胀系数与LTCC基板的热膨胀系数相差应控制在10%以内。两者的热膨胀系数越接近，封装效果越好，最优选的技术方案为两者的热膨胀系数相同。
底座6的材料为还可以为钼铜或无氧铜材料。本领域技术人员根据实际需要进行选择即可，可根据底座6的材料选择合适的材料制作LTCC基板。
射频信号的馈入从共面波导逐渐向基片集成波导过渡。基片波导既有波导的传输特性，特别适合频率高的微波信号传输，其本身具有与矩形波导中TE10模相似的传输模式，具有较高的品质因数。因此从原理上将要保证较好的波导模式，波导传输线的长度不能太短，而管壳封装设计的原则是在保证性能的前提下尽量小，因此波导传输线的长度和管壳封装体积之间就不可避免的产生了矛盾。本发明很好的解决了这一矛盾，通过电磁场仿真优化确定共面波导向基片集成波导的渐变过渡结构，本专利确定的基片集成波导结构的墙体宽度不小于4.5mm。仿真和测试表明该结构够在很宽的范围内能够有很小的损耗，从而适合做毫米波的管壳封装的射频结构。
本发明中，除了信号传输层SIW结构的边宽外，其他涉及厚度、宽度等参数的地方，本领域技术人员可以结合实际情况选择合适的数据或者范围。
本发明利用LTCC工艺基板制作技术，结合传统的封装技术，采用新颖的SIW结构，开创性的实现了低成本、高性能的毫米波芯片的气密性封装；该封装克服了现有技术中陶瓷管壳封装在毫米波损耗大的缺陷，并且适用频率越高，封装的损耗越小，达到了解决毫米波段微波单片集成电路、尤其是功放电路的密封性问题，在毫米波芯片封装领域是一个先驱性的发明；重要的是本发明的实现工艺简单、便于加工，可间接带来较大的经济效益，具有较佳的推广前景。
Claims (7)
1.一种基于SIW的毫米波芯片气密性封装，其特征在于包括自上而下依次密封连接的底座（6）、LTCC基板、密封环（2）以及盖板（1）；其中
底座（6）的中央设有烧结毫米波芯片的凸台（3）；
LTCC基板绕凸台（3）四周设置，且由上下排列的陶瓷腔体层（4）和信号传输层（5）组成，陶瓷腔体层（4）和信号传输层（5）的上表面都涂有金属层，所述信号传输层（5）其中一对相对的两边为传输射频信号的SIW结构；
密封环（2）位于陶瓷腔体层（4）的上部；
盖板（1）位于密封环（2）的上方，两者密封配合。
2.根据权利要求1所述的一种基于SIW的毫米波芯片气密性封装，其特征在于信号传输层（5）中SIW结构的两边的边宽至少为4.5mm。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于SIW的毫米波芯片气密性封装，其特征在于信号传输层（5）由4层LTCC带料烧结而成，每层的厚度为0.097mm。
4.根据权利要求1或2所述的一种基于SIW的毫米波芯片气密性封装，其特征在于密封环（2）的边宽小于或等于陶瓷腔体层（4）的边宽。
5.根据权利要求1或2所述的一种基于SIW的毫米波芯片气密性封装，其特征在于所述密封环（2）为可伐环。
6.根据权利要求1所述的一种基于SIW的毫米波芯片气密性封装，其特征在于所述密封环（2）采用与LTCC基板的热膨胀系数相近的可伐材料制成。
7.根据权利要求1所述的一种基于SIW的毫米波芯片气密性封装，其特征在于所述底座（6）的材料为钨铜、钼铜或无氧铜材料。
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