CN105453332B - 通孔过渡及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本公开提供了一种通孔过渡，包括：两个端部分；高阻抗部分和低阻抗部分。所述高阻抗部分和所述低阻抗部分被交替布置在所述两个端部分之间，并且所述通孔过渡形成在基底中。本公开还提供了一种包括所述通孔过渡的功率分配器以及一种制造低通型通孔过渡的方法。

Description

通孔过渡及其制作方法
技术领域
本公开总体上涉及多层集成电路，更具体地，涉及一种通孔过渡(viatransition)及其制作方法。
背景技术
本部分用于提供本公开所述技术的各种实施例的背景技术。本部分中的描述可以包括可能追求的构思，但这些构思未必是先前构想或追求过的构思。因此，除非文中另有说明，本部分所述的内容不是本公开的说明书和/或权利要求的现有技术，并且不因仅被包括在本部分中而被认作现有技术。
通孔过渡被广泛地应用于多层集成电路，以便将布置在电路基底(substrate)的不同层上的并行传输线相互连接。
按图1所示的方式构造，传统通孔过渡由于辐射和反射而遭受显著的电学不连续，因此具有非常有限的应用带宽。通常，为了确保S参数S11优于-14.99dB且S21优于-1dB，传统通孔过渡必须操作在0到2.579GHz的频率范围内，如图2所示。
为了克服传统通孔过渡的带宽限制，提出了宽带通孔过渡，其中使用补助元件(诸如，通孔、腔体、衬垫和准同轴)来消除通孔过渡的电学不连续(例如，参见【1】-【3】)。
添加补助元件使得通孔过渡的制造变得相当复杂。此外，使用补助元件的通孔过渡的带宽不够宽，无法达到毫米波频段。
发明内容
综上，本公开的目标在于通过提供新结构的通孔过渡来避免上述缺点中的至少一个。本公开的另一目标在于提供一种制造这种通孔过渡的方法。
在本公开的一个方面，提供了一种形成在基底中的通孔过渡。所述通孔过渡包括高阻抗部分(segment)和低阻抗部分。高阻抗部分和低阻抗部分交替地布置在通孔过渡的两个端部分。
通过被构造为包括交替布置在两个端部分之间的高阻抗部分和低阻抗部分，根据本公开的第一方面的通孔过渡相较于使用额外补助元件的通孔过渡，具有更简单的结构。此外，由于通过交替布置的高阻抗部分和低阻抗部分形成的阶梯式阻抗低通滤波结构，可以有效地减小通孔过渡的辐射损耗和串扰，因此可以明显地增大通孔过渡的带宽。
在本公开的第二方面，提供了一种用于在基底中形成根据本公开的第一方面的通孔过渡的方法。所述方法包括以下步骤：形成端部分、高阻抗部分和低阻抗部分中的每一个，其中所述端部分、高阻抗部分和低阻抗部分延伸通过多个介电层中的一个或更多个。接下来，以高阻抗部分和低阻抗部分交替布置在两个端部分之间的方式，堆叠介电层。此后，对所有堆叠的层进行层压和共烧，以便形成多层化的结构。
根据本公开的第二方面，可以以高性价比的方式来制作根据本公开的第一方面的通孔过渡。
附图说明
根据以下参考附图的对本公开实施例的描述，将清楚本公开的上述和其他目标、特征和优点，附图中：
图1是根据现有技术的通孔过渡的透视图；
图2是示出了根据现有技术的通孔过渡的S参数S11和S21的仿真幅度-频率曲线的图；
图3是根据本公开实施例的通孔过渡的透视图；
图4示意性地示出了根据本公开实施例的通孔过渡的顶视图、底视图和侧视图；
图5是示出了根据本公开实施例的通孔过渡的等效电路的图；
图6是示出了根据本公开实施例的通孔过渡的S参数S11和S21的仿真幅度-频率曲线与实测幅度-频率曲线的图；以及
图7是示出了根据本公开实施例的制造通孔过渡的方法的流程图。
应注意，附图中的各个部分并非是按比例绘制的，而仅是用于进行说明，因此，不应将其理解为对本发明的范围的限制和约束。
具体实施方式
根据本公开的总体构思，在基底中形成的通孔过渡可以被构造为包括高阻抗部分和低阻抗部分。所述高阻抗部分和低阻抗部分交替地布置在通孔过渡的两个端部分。
在没有额外补助元件的情况下，相较于【1】-【3】中提出的通孔过渡，可以方便地制作本文所提出的通孔过渡。此外，由于通过基底中交替布置的高阻抗部分和低阻抗部分形成的阶梯式阻抗低通滤波结构，可以有效地减小通孔过渡的辐射损耗和串扰，并可以明显增加通孔过渡的带宽。
因此，由于其结构简单，所提出的通孔过渡相较于【1】-【3】中提出的通孔过渡，明显地改善了成品率。此外，所提出的通过过渡的性能在高频下仍保持合理，即使所提出的通孔过渡由低成本金属(诸如，铜、铝、铁等)而不是由金制成。因此，明显降低了制造所提出的通孔过渡的成本。
CN 202205870 U和CN 101056094 A分别提出了一种具有较高抑制性能的大功率低通滤波器以及一种大功率低通滤波同轴阻抗转换器。由于所提出的滤波器和转换器使用的特定目的和通过经由机械部件将传输线相连来构造它们的必要性，当所要解决的问题是如何消除在基底中形成的通孔过渡的电学不连续时，无法诉诸于CN 202205870 U和CN101056094 A。
在其中形成通孔过渡的基底可以例如是低温共烧陶瓷(LTCC)、高温共烧陶瓷(HTCC)、液晶聚合物(LCP)或有机印刷电路板(PCB)基底。优选地，LTCC基底由介电常数为5.9且损耗因数(loss tangent)为0.002的Ferro A6S制成。每个LTCC介电层的火后(post-fired)厚度可以为100um。
为了便于制造，每个部分可以优选地形成为延伸通过所述基底的一层或多层。
所提出的通孔过渡可以被包括在分支线、电力分配器、或需要通孔过渡的任何其他器件中。
下文中，将参考附图详细描述根据以上总体构思的示例性通孔过渡。然而，应理解，示例通孔过渡的详情(诸如，部分的数目、每个部分的几何形状和尺寸等)都仅是为了促使理解本公开，而不是为了限制本公开。本领域技术人员可以进行各种显而易见的替换和修改，而不脱离本公开的范围。
图3示意性示出了根据本公开的通孔过渡的透视图。图4示出了所述通孔过渡的顶视图、底视图和侧视图。在图3和4中，附加地将两个传输线示出为分别与两个端部分L1和L5相耦接。根据应用场景，传输线可以是带状线或微带线。
如在图4所示的侧视图中所明确标记，通孔过渡包括两个端部分L1和L5，四个低阻抗部分C1、C2、C3和C4及三个高阻抗部分L2、L3和L4。低阻抗部分C1、C2、C3和C4及高阻抗部分L2、L3和L4被交替布置在端部分L1和L5之间。文中所提供的低阻抗部分和高阻抗部分的特定数目在通孔过渡的性能和制造通孔过渡的复杂性之间实现折中。如上所述，本领域技术人员可以根据具体设计目标来算出其他数目的低阻抗部分和高阻抗部分。
在实际制造中，所有部分可以是同一形状的并且是同轴对齐的，可以通过调整所述部分的横截面面积和/或长度来方便地控制每个部分的阻抗。
例如，如图3和4所示，所有的端部分L1和L5、低阻抗部分C1、C2、C3和C4及高阻抗部分L2、L3和L4都是相同形状的圆柱体且是同轴对齐的。低阻抗部分C1、C2、C3和C4每个相较于端部分L1和L5中的任一个都具有较小的横截面面积，且高阻抗部分L2、L3和L4每个相较于端部分L1和L5中的任一个都具有较大的横截面面积。本领域技术人员应认识到，尽管在图3和4中将低阻抗部分C1、C2、C3和C4的横截面面积示出为是相同的，它们可以是彼此不同的。高阻抗部分L2、L3和L4的横截面面积也是如此。
可以从图4的侧视图进一步看出，在其中形成通孔过渡的基底具有20层。低阻抗部分C1和C4每个都延伸通过所述基底的单层。端部分L1和L5、低阻抗部分C2和C3以及高阻抗部分L3每个都延伸通过所述基底的两层。高阻抗部分L2和L4每个都延伸通过所述基底的三层。
图5示意性示出了图3和4所示的示例性通孔过渡的等效电路。如图5所示，高阻抗部分L2、L3和L4等效于串联的电感器，低阻抗部分C1、C2、C3和C4等效于并联的电容器，端部分L1和与其相耦接的上传输线等效于电阻器，端部分L5和与其相耦接的下传输线等效于电阻器。
给定所提出的通孔过渡的尺寸和材料，可以确定通孔过渡的等效电路中的等效元件的参数。因此，可以确定通孔过渡的S参数。优选地，所提出的通孔过渡以及传输线由导电性非常高的金或银制成，使得所述通孔过渡的性能在高频下非常好。
为了便于描述，图4中给出的一些附图标记表示所述部分的尺寸。如图4具体所述，r1表示上端部分L1的直径；R表示低阻抗部分C1、C2、C3和C4的直径；r2表示高阻抗部分L2、L3和L4的直径；r3表示下端部分L5的直径；h1表示上端部分L1的高度；h2表示低阻抗部分C1和C4的高度；h3表示高阻抗部分L2和L4的高度；h4表示低阻抗部分C2和C3的高度；h5表示高阻抗部分L3的高度的一半；W表示分别耦接到端部分L1和L5的传输线的宽度。
假设R＝0.6mm、r1＝0.18mm、r2＝0.12mm、r3＝0.22mm、h1＝h4＝0.2mm、h2＝h5＝0.1mm、h3＝0.3mm、w＝0.14mm且通孔过渡和传输线由金制成，由高阻抗部分L2和L4引起的电感器将具有相同的电感值0.62nH，由高阻抗部分L3引起的电感器的电感值应为0.42nH，由低阻抗部分C1和C4引起的电容器应具有相同的电容值0.03pf，由低阻抗部分C2和C3引起的电容器应具有相同的电容值0.13pf，由上端部分L1和上传输线引起的电阻器应具有电阻值50ohm，该值与由下端部分L5和下传输线引起的电阻器的电阻值相同。
在图6中，描述了使用以上列出的尺寸的通孔过渡的S参数S11和S21的仿真幅值-频率曲线和实测幅值-频率曲线。如图所示，在0到30GHz的范围内，实测的S11优于-15dB，实测的S21优于-1dB。也就是说，在S11＜-15dB和S21＞-1dB的相同条件下，所提出的通孔过渡的应用带宽是传统通孔过渡的应用带宽的30/2.579≈12倍，达到了毫米波频段。
为了基于所需设计指标(诸如，S参数)来确定所提出的通孔过渡的真实尺寸，可以根据所需设计指标首先导出特定频率下的插入损耗。然后，可以使用下式(1)，基于导出的插入损耗，计算通孔过渡的近似尺寸，所述式(1)描述了阶梯式阻抗低通滤波器的插入损耗特性：
其中PL表示插入损耗，θ0是在截至频率(ωc)下的高阻抗和低阻抗部分的平均电学长度，Tn(x)是n阶切比雪夫多项式，n是高阻抗和低阻抗部分的数目；以及
h2＝anti1g(LAR/10)-1 (2)
其中LAR是通带中的最大dB衰减。
接下来，可以通过优化近似尺寸以最小化由近似尺寸导致的真实插入损耗特性与用于计算近似尺寸的插入损耗特性(1)之间的误差，来获得所提出的通孔过渡的真实尺寸。可以通过使用诸如EMsight的微波办公模拟器来从数值上实现这种优化。
图7示出了根据本发明实施例的制造示例通孔过渡的方法。应注意，为了清楚起见，省略了与本公开无关的制作步骤。
如图7所示，开始时，在步骤S701形成端部分L1和L5、高阻抗部分L2、L3和L4及低阻抗部分C1、C2、C3和C4，其中每个部都延伸通过多个介电层之一或更多个介电层。
接着，在步骤S702，以高阻抗部分L2、L3和L4及低阻抗部分C1、C2、C3和C4交替布置在两个端部分L1和L5之间的方式来堆叠介电层。
此后，在步骤S703，对所有堆叠的层进行层压和共烧，以便形成多层化的结构。
优选地，在制造通孔过渡的过程期间或在其之后，可以将两个传输线分别形成在多个介电层的顶部介电层和底部介电层上，以便直接耦接到端部分L1和L5。
以上参考其实施例描述了本公开。然而，这些实施例仅用于说明目的，而不是为了限制本公开。通过所附权利要求及其等同物来限定本公开的范围。本领域技术人员可以进行各种变形和修改，而不脱离本公开的范围内，其中所有这些变形和修改均落入本公开的范围内。
参考文献
【1】Y.C.Lee and C.S.Park.：‘A 60 GHz stripline BPF for LTCC System-in-Package applications’，IEEE Microwave symposium Digest2005，pp.1-4.
【2】I.Ju，I.B.Y，H.S.Lee and S.H.Oh.：‘High performance verticaltransition from DC to 70 GHz for system-on package applications’，38thEuropean Microwave Conference，2008，pp.1338-1341.
【3】R.E.Amaya，M.Li，K.Hettak and C.J.Verver.：‘A broadband 3D verticalmicrostrip to stripline transition in LTCC using a quasi-coaxial structurefor millimetre-wave SOP applications’，40th European Microwave Conference，2010，pp.109-112.

Claims (16)

1.一种通孔过渡，包括：
两个端部分(L1，L5)；
高阻抗部分(L2，L3，L4)；以及
低阻抗部分(C1，C2，C3，C4)，
其中所述高阻抗部分(L2，L3，L4)和所述低阻抗部分(C1，C2，C3，C4)被交替布置在两个端部分(L1，L5)之间，并且所述通孔过渡形成在基底中，
其中每个部分延伸通过所述基底的一个或更多个介电层。
2.根据权利要求1所述的通孔过渡，其中所述基底是低温共烧陶瓷LTCC、高温共烧陶瓷HTCC、液晶聚合物LCP或有机印刷电路板PCB基底。
3.根据权利要求1或2所述的通孔过渡，其中所述低阻抗部分(C1，C2，C3，C4)的数目是4，所述高阻抗部分(L2，L3，L4)的数目是3。
4.根据权利要求1或2所述的通孔过渡，其中每个部分的形状都为圆柱形，且所有部分都是同轴对齐的。
5.根据权利要求1或2所述的通孔过渡，其中高阻抗部分(L2，L3，L4)中的每一个的横截面面积比端部分(L1，L5)中的任一个的横截面面积更小，低阻抗部分(C1，C2，C3，C4)中的每一个的横截面面积比端部分(L1，L5)中的任一个的横截面面积更大。
6.根据权利要求1或2所述的通孔过渡，其中所述两个端部分(L1，L5)被分别直接耦接到两个传输线。
7.根据权利要求6所述的通孔过渡，其中所述通孔过渡和所述传输线由金或银制成。
8.根据权利要求2所述的通孔过渡，其中所述LTCC基底由Ferro A6S制成，所述FerroA6S的介电常数为5.9且损耗因数为0.002。
9.根据权利要求2或8所述的通孔过渡，其中每个LTCC介电层的火后厚度为100um。
10.一种包括根据权利要求1-9中的任一个所述的通孔过渡的功率分配器。
11.一种用于在基底中形成通孔过渡的方法，所述通孔过渡包括两个端部分和高阻抗部分与低阻抗部分，其中高阻抗部分和低阻抗部分交替布置在两个端部分之间，所述方法包括：
形成(S701)端部分(L1，L5)、高阻抗部分(L2，L3，L4)和低阻抗部分(C1，C2，C3，C4)中的每一个，其中所述端部分(L1，L5)、高阻抗部分(L2，L3，L4)和低阻抗部分(C1，C2，C3，C4)延伸通过多个介电层中的一个或更多个；
以所述高阻抗部分(L2，L3，L4)和所述低阻抗部分(C1，C2，C3，C4)交替布置在两个端部分(L1，L5)之间的方式，堆叠(S702)介电层；以及
对所有堆叠的层进行层压(S703)和共烧，以便形成多层化的结构。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述基底是低温共烧陶瓷LTCC、高温共烧陶瓷HTCC、液晶聚合物LCP或有机印刷电路板PCB基底。
13.根据权利要求11所述的方法，其中所述低阻抗部分(C1，C2，C3，C4)的数目是4，所述高阻抗部分(L2，L3，L4)的数目是3。
14.根据权利要求11-13中的任一个所述的方法，其中每个部分的形状都为圆柱形，且所有部分都是同轴对齐的。
15.根据权利要求11-13中的任一个所述的方法，其中所述高阻抗部分(L2，L3，L4)中的每一个的横截面面积比端部分(L1，L5)中的任一个的横截面面积更小，所述低阻抗部分(C1，C2，C3，C4)中的每一个的横截面面积比端部分(L1，L5)中的任一个的横截面面积更大。
16.根据权利要求11-13中任一个所述的方法，还包括：
在所述多个介电层的顶部介电层上形成传输线，以便将所述传输线与端部分(L1，L5)之一直接耦接；以及
在所述多个介电层的底部介电层上形成另一传输线，以便将所述另一传输线与端部分(L1，L5)中的另一端部分直接耦接。
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