CN104051434B - 一种集成vco和波导天线的封装结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种集成VCO和波导天线的封装结构，包括由底层介质基板层、若干中间介质基板层和顶层介质基板层构成的LTCC封装体，LTCC封装体的一端封装VCO芯片，另一端封装波导反射腔及微带耦合探针。通过微带波导转换与芯片封装技术的结合，将E波段压控振荡器和微带波导转换天线集成在一个标准的LTCC封装芯片内部，不仅减小了微波电路应用和装配的尺寸，更加便于产品的小型化设计，更重要的是有效的降低了在电路连接过程中寄生和分布参数对电路的影响。采用LTCC封装技术获得了和采用金属陶瓷封装相近的性能，工作频率相对带宽大于20％，工作频带内，由微带波导转化而引入的插入损耗小于1.2dB。

Description

一种集成VCO和波导天线的封装结构

技术领域

本发明属于E波段芯片封装技术领域，涉及一种集成VCO和波导天线的封装结构。

背景技术

由于频率低、频谱拥挤以及对更卓越性能的追求，E波段(60GHz-90GHz)正受到越来越多的重视。目前欧洲许多国家都在逐渐加大对E波段微波电子元器件的开发投入，但其设计安装的技术难度大，性能和成本之间的矛盾一直是制约其更多商业应用的主要因素。然而由于市场上面的一系列的需求促使需要一个更加可靠稳定的方式来降低产品的成本、简化应用方式以及扩大应用的范围来实现其在各个领域中的广泛应用，随着表面贴装技术(SMT)的成熟应用，提供了一种低成本解决方案，对于该波段的应用更加充满信心和期望。因此，新一代E波段设备要获得商业上的大批量生产和应用，就必须在芯片封装技术及实现方式方面取得革命性的突破。

在E波段时，器件层次采用简单、标准封装技术难度大，使得毫米波射频前端成本高，严重制约了77GHz车载雷达和E波段高速雷达的市场应用；在现有工艺条件下，芯片到芯片以及芯片到焊盘之间的连接线长度很难做到0.3mm以下，由于寄生效应而等效一个0.2-0.5nH的电感，同焊盘的电容效应一起形成一个低通滤波器会对芯片的性能产生影响。如果间距等于或小于0.3mm时，要精确地搭载在电路图形上并与其占电路组件一起采用再流焊一次完成实装，难度极大，需要采用专用自动搭载以及高超的技能，致使价格剧增，而且还存在可靠性及成品率方面的问题。此时采用四边J形引脚扁平封装时，可以解决上述问题，但是该种形式芯片封装的管脚会表现出低通滤波器效应，在设计电路时必须考虑对毫米波信号的影响，增加了设计的难度及电路模块的成本。

目前市场上主要的高频封装技术有以下两种：(1)四边扁平无引脚封装已经成功应用于40GHz以下频段，芯片通过金丝键合和外部电路实现互联；然而其缺陷在于：由于金丝键合线寄生效应的影响，难以实现阻抗匹配并且插入损耗大。微波器件工作在E波段时需要考虑电路系统及外界环境各方面的影响，因此导致对于PCB板的设计难度增大，而且在PCB设计时不能采用普通的微波板材，由于工作频率高，因此对工艺的加工精度要求也会进一步的提高，降低产品的成品率，这就进一步导致成本的提高，限制了其应用的广泛性。(2)可应用于E波段的芯片金属封装技术，采用辐射单元同外部电路之间进行耦合，不需要同外部电路进行机械连接，封装外壳为金属陶瓷材料。采用该方式的其缺陷在于：虽然可以工作到E波段，但由于采用了金属陶瓷封装，其成本大幅度提高，在大批量生产中，这个缺点将更加凸显；而且其不能采用标准的生产线，产品再设计时还需要克服焊盘和管脚之间寄生参数对芯片整体性能的影响，增加设计的投入，而且也会制约后期的PCB电路设计和应用。

发明内容

本发明解决的问题在于提供一种集成VCO和波导天线的封装结构，其采用基于LTCC工艺的封装结构，其集成度更高，可靠性和稳定性更加优良，对于小型化设计应用优势更加明显。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种集成VCO和波导天线的封装结构，包括由底层介质基板层、若干中间介质基板层和顶层介质基板层构成的LTCC封装体，LTCC封装体的一端封装VCO芯片，另一端封装波导反射腔及微带耦合探针；

所述的VCO芯片设置在底层介质基板层的一端，其余的介质基板层的该端开设有与VCO芯片相匹配的通孔，顶层介质基板层还设有密封该通孔的金属盖，底层介质基板层上设有为VCO芯片提供“地”平面的GND金属 网格反射面；

所述的微带耦合探针设置在与VCO芯片的高度相持平的中间介质基板层上，该中间介质基板层上还设有将微带耦合探针与VCO芯片输出管脚相连接的微带过渡，微带过渡周围设有地孔；

所述的波导反射腔包括设置在微带耦合探针的周围并贯穿LTCC封装体的金属柱和设置在顶层介质基板层下表面的金属反射板，用于连接WR12矩形波导的波导反射腔的开口开设在底层介质基板层上；

所述的LTCC封装体外侧还设有封装引脚，封装引脚通过连接线与VCO芯片管脚相连接。

所述的VCO芯片的输出管脚通过金丝键合线与微带过渡相连接；

所述的波导反射腔中，除放置微带耦合探针所需的介质基板外，去除其余的介质基板。

所述的LTCC封装体由四层介质基板层构成，其中底层介质基板层的一端设置VCO芯片，另一端开设波导反射腔出口，在其余位置铺设GND金属网格反射面；第二层介质基板层上设有微带耦合探针及微带过渡，并设有VCO芯片通孔；第三层介质基板层上设有VCO芯片通孔；第四层介质基板层的一端设有VCO芯片通孔及金属盖，另一端设有金属反射板；微带过度上方的金属柱贯穿第三、第四层介质基板层，其余金属柱贯穿第一到第四层介质基板层。

所述的VCO芯片通过封装引脚与PCB板相连接，VCO芯片的输出管脚通过微带耦合探针、波导反射腔，从微带线传输模式转变成矩形波导TE10模式。

所述的微带耦合探针为微带贴片天线，所述的微带过渡为二阶四分之一波长馈电匹配结构。

所述的GND金属网格反射面为金属良导体；金属反射板为短路参考面， 其作为波导反射腔的顶层反射面，经过四分之一波长变换变为开路面。

所述的金属反射板与微带耦合探针之间的间距是四分之一工作波长或其周期性间距。

所述的连接线与微带过渡设置在同一层介质基板层上，连接线设置在VCO芯片四周，其与VCO芯片的管脚通过金丝键合线相连接。

所述的波导反射腔的开口的周围还设有法兰盘安装孔。

所述的波导反射腔开口选择宽边，并且开口宽度以二分之一波长为参考值，高度以四分之波长为参考值。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明提供的集成VCO和波导天线的封装结构，是一种基于LTCC工艺来实现集成微带波导转换天线的芯片(适用于E波段集成了压控振荡器VCO)封装结构。通过微带波导转换与芯片封装技术的结合，将E波段压控振荡器和微带波导转换天线集成在一个标准的LTCC封装芯片内部，不仅减小了微波电路应用和装配的尺寸，更加便于产品的小型化设计，更重要的是有效的降低了在电路连接过程中寄生和分布参数对电路的影响，在芯片使用过程中不必过多考虑寄生参数和分布参数的影响，简化和降低了PCB电路设计过程中的难度，便于大批量的生产和应用。而且发明降低了生产成本，并首次使得LTCC封装技术可以应用于E波段，采用LTCC封装技术获得了和采用金属陶瓷封装相近的性能，工作频率相对带宽大于20％，工作频带内，由微带波导转化而引入的插入损耗小于1.2dB。

与目前采用的大多数封装技术相比，本发明采用LTCC工艺的封装，其集成度更高，可靠性和稳定性更加优良，对于小型化设计应用优势更加明显。

本发明提供的集成VCO和波导天线的封装结构，封装体采用LTCC工艺封装并集合VCO芯片；与采用金属陶瓷封装的芯片相比，性能大致相同，然而成本却只与后者相比明显降低，并可采用标准LTCC工艺生产线生产， 实现规模化自动化生产，降低生产成本。而且由于VCO的输出端不需要同电路板进行机械连接，使得芯片的主板可以采用普通、低成本的微波材料，设计电路的复杂度降低，便于装配、测试，缩短研发周期，更加有利于目前所追求的小型化的设计和应用，大幅度降低成本。本发明解决了在E波段应用中成本和性能之间的矛盾，可应用于77GHz汽车防撞雷达和E波段高速雷达以及相关波段天线的设计之中。

本发明提供的集成VCO和波导天线的封装结构，还可以采用标准QFN封装，用LTCC工艺封装技术代替在E波段为了获得较好性能而采取的金属陶瓷封装，获得了相近的性能。采用微带波导转换天线作为辐射单元将压控振荡器的输出从微带线传输准TEM模转换成TE10模，解决了在E波段插入损耗大，电路微带线难以匹配的问题。

本发明提供的集成VCO和波导天线的封装结构，VCO芯片的输出和PCB之间无机械连接，全部而是采用微带线匹配连接，无需考虑PCB在77GHz时的插入损耗和工作波长的影响，只需要考虑输出频率的1/8分频输出，即9.625GHz时电路设计，降低了电路设计的难度，同时可以采用相对便宜的微波板材，降低产品加工设计成本。

本发明提供的集成VCO和波导天线的封装结构，将LTCC工艺封装技术应用于E波段(60GHz-90GHz)，可实现规模化自动化生产，降低成本而且采用LTCC工艺封装技术代替金属陶瓷封装，获得相近的性能，成本与金属陶瓷封装相比有大幅度降低。

本发明提供的集成VCO和波导天线的封装结构，微带波导转换天线使得VCO的输出是从微带线传播的准TEM模式转变成矩形波导TE10模式，不需要和PCB直接连接，本发明设计的LTCC工艺封装技术可以直接安装在低成本的主板上，而不需要考虑高达77GHz的输出频率，降低设计难度和缩短产品研发周期。

本发明提供的集成VCO和波导天线的封装结构，使用方便，不需要考虑考虑输出频率的匹配、插入损耗、工作波长的问题，只需要在PCB上根据要求留出相应尺寸的矩形波导开口和安装孔即可。测量时通过标准连接件和测试仪器连接即可测量，测试方便。

本发明提供的集成VCO和波导天线的封装结构，在应用过程中，便于小型化设计，PCB设计板材可以采用普通的板材，而且采用LTCC芯片封装工艺，集成度显著提高，对于设计产品的小型化更加有优势，显著降低设计成本。

附图说明

图1是本发明的封装立体结构示意图；

图2是本发明的分离立体结构示意图之一；

图3是本发明的分离立体结构示意图之二；

图4是本发明的VOC芯片波导反射腔及微带耦合探针放置示意图。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

参见图1～图4，一种集成VCO和波导天线的封装结构，包括由底层介质基板层、若干中间介质基板层和顶层介质基板层构成的LTCC封装体，LTCC封装体的一端封装VCO芯片，另一端封装波导反射腔及微带耦合探针；

所述的VCO芯片设置在底层介质基板层的一端，其余的介质基板层的该端开设有与VCO芯片相匹配的通孔，顶层介质基板层还设有密封该通孔的金属盖，底层介质基板层上设有为VCO芯片提供“地”平面的GND金属网格反射面；

所述的微带耦合探针设置在与VCO芯片的高度相持平的中间介质基板层上，该中间介质基板层上还设有将微带耦合探针与VCO芯片输出管脚相 连接的微带过渡，微带过渡周围设有地孔；

所述的波导反射腔包括设置在微带耦合探针的周围并贯穿LTCC封装体的金属柱和设置在顶层介质基板层下表面的金属反射板，用于连接WR12矩形波导的波导反射腔的开口开设在底层介质基板层上；波导反射腔的开口的周围还设有法兰盘安装孔；

所述的LTCC封装体外侧还设有封装引脚，封装引脚通过连接线与VCO芯片管脚相连接。

进一步的，所述的波导反射腔中，除放置微带耦合探针所需的介质基板外，去除其余的介质基板。

所述的波导反射腔开口选择宽边，并且开口宽度以二分之一波长为参考值，高度以四分之波长为参考值。

具体的，参见图3，所述的集成VCO和波导天线的封装结构，LTCC封装体由四层介质基板层构成，其中底层介质基板层1的一端设置VCO芯片13，另一端开设波导反射腔出口，在其余位置铺设GND金属网格反射面12；

第二层介质基板层2上设有微带耦合探针15及微带过渡16，并设有VCO芯片通孔7；

第三层介质基板层3上设有VCO芯片通孔8；

第四层介质基板层4(顶层介质基板层)的一端设有VCO芯片通孔9及金属盖11，另一端设有金属反射板；微带过渡16上方的金属柱10贯穿第三、第四层介质基板层，其余金属柱10贯穿第一到第四层介质基板层。

所述的连接线与微带过渡设置在同一层介质基板层上，连接线设置在VCO芯片四周，其与VCO芯片的管脚通过金丝键合线相连接。

其中，从下到上底层介质基板层1、第二层介质基板层2、第三层介质基板层3和第四层介质基板层4，其厚度依次为h1、h2、h3和h4。底层介质基板层1用作支撑VCO芯片和外围电路并引出VCO芯片焊接管脚，为整个芯 片提供一个固定和电路印制板层。LTCC介质基板1上的GND金属网格反射面12(所述的GND金属网格反射面为金属良导体)，为整个芯片及外围电路提供一个统一的“地”平面，同时用作微带波导转换天线的短路反射面。

第二层介质基板层2上挖去一个正方形通孔，由于VCO芯片13及外围电路的填埋以及引脚的外引都需要有足够的空间才能够完成操作。在第二层介质基板层2上面印制微带过渡16，微带过渡包含如下三部分：50欧姆宽度的微带线，二阶四分之一波长串联阻抗变换结构，微带过渡16与微带耦合探针15相连接。

所述的微带耦合探针为微带贴片天线，所述的微带过渡为二阶四分之一波长馈电匹配结构。

第三层介质基板层3上面挖去一个正方形通孔，该通孔要比第二层介质基板层2所挖去的通孔大，由于要用到金丝键合线14引线结构，在金丝键合线14将底层介质基板层1上面的芯片引脚和第二层介质基板层2上面微带过渡的50欧姆微带线相连接时要预留一定的空间。

第四层介质基板层4上面挖去一个稍大的通孔，该层介质基板为提供密封作用以及配合第二层介质基板层2和第三层介质基板层3通过打过孔来形成波导反射腔5结构，并在其下表面相应的部分铺设金属反射板；在第四层介质基板层4所挖掉的通孔内放置为金属盖11，从而实现将底层芯片及电路的密封，并且在第二层介质基板层2和第三层介质基板层3打两排间距为D的通孔，该通孔结构沿着微带线结构两边形成地孔，起到一种信号隔离与屏蔽作用，防止干扰。

金属反射板为短路参考面，其作为波导反射腔的顶层反射面，经过四分之一波长变换变为开路面。金属反射板与微带耦合探针之间的间距是四分之一工作波长或其周期性间距。

LTCC封装体外侧还设有封装引脚6，将VCO芯片管脚通过外侧印刷金 属导带的方式引出，封装引脚6的宽度采用50欧姆的微带结构，方便在应用过程中的焊接和外部电路设计。

所述的VCO芯片通过封装引脚与PCB板相连接，VCO芯片的输出管脚通过微带耦合探针、波导反射腔，从微带线传输模式转变成矩形波导TE10模式。

本发明的集成VCO和波导天线的封装结构通过在电磁场仿真软件里面建模仿真，其仿真结果表明，在中心频率76.5GHz，带宽为4GHz范围内，电压驻波比(VSWR)小于1.2，S11参数小于-20dB，S12和S21参数大于-0.06dB，可见本发明的集成VCO和波导天线的封装结构在E波段中应用有良好的转换性能，实用性非常好。

以上所述是对本发明的解释，但并不仅仅受上述实例的限制，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创新构思的前提下所做出的若干变形和改进，均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种集成VCO和波导天线的封装结构，其特征在于，包括由底层介质基板层、若干中间介质基板层和顶层介质基板层构成的LTCC封装体，LTCC封装体的一端封装VCO芯片，另一端封装波导反射腔及微带耦合探针；

所述的VCO芯片设置在底层介质基板层的一端，其余的介质基板层的该端开设有与VCO芯片相匹配的通孔，顶层介质基板层还设有密封该通孔的金属盖，底层介质基板层上设有为VCO芯片提供“地”平面的GND金属网格反射面；

所述的微带耦合探针设置在与VCO芯片的高度相持平的中间介质基板层上，该中间介质基板层上还设有将微带耦合探针与VCO芯片输出管脚相连接的微带过渡，微带过渡周围设有地孔；

所述的波导反射腔包括设置在微带耦合探针的周围并贯穿LTCC封装体的金属柱和设置在顶层介质基板层下表面的金属反射板，用于连接WR12矩形波导的波导反射腔的开口开设在底层介质基板层上；

所述的LTCC封装体外侧还设有封装引脚，封装引脚通过连接线与VCO芯片管脚相连接。

2.如权利要求1所述的集成VCO和波导天线的封装结构，其特征在于，所述的VCO芯片的输出管脚通过金丝键合线与微带过渡相连接；

所述的波导反射腔中，除放置微带耦合探针所需的介质基板外，去除其余的介质基板。

3.如权利要求1所述的集成VCO和波导天线的封装结构，其特征在于，所述的LTCC封装体由四层介质基板层构成，其中底层介质基板层的一端设置VCO芯片，另一端开设波导反射腔出口，在其余位置铺设GND金属网格反射面；第二层介质基板层上设有微带耦合探针及微带过渡，并设有VCO芯片通孔；第三层介质基板层上设有VCO芯片通孔；第四层介质基板层的一端设有VCO芯片通孔及金属盖，另一端设有金属反射板；微带过渡上方的金属柱贯穿第三、第四层介质基板层，其余金属柱贯穿第一到第四层介质基板层。

4.如权利要求1所述的集成VCO和波导天线的封装结构，其特征在于，所述的VCO芯片通过封装引脚与PCB板相连接，VCO芯片的输出管脚通过微带耦合探针、波导反射腔，从微带线传输模式转变成矩形波导TE10模式。

5.如权利要求1所述的集成VCO和波导天线的封装结构，其特征在于，所述的微带耦合探针为微带贴片天线，所述的微带过渡为二阶四分之一波长馈电匹配结构。

6.如权利要求1所述的集成VCO和波导天线的封装结构，其特征在于，金属反射板与微带耦合探针之间的间距是四分之一工作波长或其周期性间距。

7.如权利要求1所述的集成VCO和波导天线的封装结构，其特征在于，所述的连接线与微带过渡设置在同一层介质基板层上，连接线设置在VCO芯片四周，其与VCO芯片的管脚通过金丝键合线相连接。

8.如权利要求1所述的集成VCO和波导天线的封装结构，其特征在于，波导反射腔的开口的周围还设有法兰盘安装孔。