CN105680133B - 基片集成脊波导板间垂直互联电路结构 - Google Patents

基片集成脊波导板间垂直互联电路结构 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种基片集成脊波导板间垂直互联电路结构，旨在提供一种小体积，易集成，具有良好互联性能和长期可靠性的毫米波板间垂直互联电路结构。本发明通过下述技术方案予以实现：LTCC多层电路板(1)上，集成有垂直于基板表面的基片集成脊波导SIRW(3)，并在LTCC多层电路板(1)表面金属地上对应出口处蚀刻有基片集成脊波导开口；Z向金属化填充孔(2)排列成金属孔栅阵列，等效构成波导壁和波导内的单侧脊，50欧姆带状线(8)两侧金属屏蔽孔与探针约束腔(7)等间距排列；通过销孔对位实现两板间对侧SIRW接口的对位压接，并以此实现两板间毫米波信号由50欧姆带状线—SIRW—SIRW—50欧姆带状线的垂直互联过渡。

Description

基片集成脊波导板间垂直互联电路结构
技术领域
本发明涉及一种基于Z向基片集成脊波导(Substrate-Integrated-Ridge-Waveguide,SIRW)的板间垂直互联电路结构。
背景技术
随着毫米波技术的快速发展和广泛应用，对毫米波毫米波组件的小型化、多功能、高集成度提出了越来越高的要求。针对上述需求，通常有芯片级一次集成和多功能基板的二次集成两种技术实现途径，相应集成架构也逐渐由之前的二维平面集成向三维堆叠集成转变。芯片级的一次集成可以借助TSV、Flipchip等半导体工艺技术在一个封装内完成多芯片的堆叠及高低频信号互联；而多功能基板的二次集成，则涉及到多板间三维堆叠及高低频信号互联，尤其是毫米波频段的毫米波信号板间互联，对实现结构的体积、集成度、可实现性、互联性能等都有很高要求。
在毫米波组件中，高频信号主要通过同轴线、波导(包含不同截面形状、加脊、空气或介质填充等类型)、平面线(如微带线、带状线、共面波导)等传输线结构进行传输。考虑到毫米波组件小型化、高密度集成的要求，组件内通常采用易于与裸芯片集成的微带线、共面波导等平面线形式作为信号传输结构。而作为单导体结构的波导虽然可集成性不高，但毫米波频段具有接口单一、传输插损小、功率容量大等优点，在组件高频信号传输互联中仍在广泛应用。基片集成波导SIW的出现，是对传统波导传输线可集成性的一次提升应用，它是通过沿电路衬底垂直方向上嵌入两列平行金属化孔构成波导的窄壁，而原有的上下导体面则视为矩形波导的宽壁，信号传输方向沿基板平面，由于利用介质基板自身形成波导传输结构，提高了与基板上电路元件的可集成性。
传统的毫米波板间互联通常先将便于与芯片集成的平面传输结构从基板水平组装面转为垂直于基板水平面(即Z向)的毫米波接口，然后再通过面对面的两个接口相连，实现两板间的垂直互联，如常见的微带探针—空气波导—空气波导—微带探针板间垂直互联。但这种结构存在的主要问题有：微带探针实现波导微带过渡，需要额外的金属波导短路面结构件，增加了电路体积和重量；空气波导体积过大，尤其在毫米波频段不利于高密度集成的实现；整个过渡结构包含不止一种电路元件，需要二次混合集成工艺实现。
微型毫米波连接器的快速发展也为毫米波板间互联提供了解决途径，体积越做越小的高频连接器如SSMP、WMP可以实现毫米波电路的板间垂直互联，但存在如下问题：利用微型连接器实现毫米波板间垂直互联，实际需要两个安装在基板上的高频接头和双阴(KK)连接器实现，这种方式虽然可实现盲插并具有一定的三维偏轴冗余性，但整体互联结构的体积相对于毫米波频段高密度集成的要求来讲仍然偏大；互联结构共需两个高频接头和一个KK连接器，高频接头还需通过SMT工艺安装于基板表面，集成度较差，安装工艺复杂、大批量使用的成本较高。
近年来随着工艺技术水平的发展，提出了在基板上植入BGA等效同轴传输结构的方式来实现板间的高频垂直互联。但由于其开放式的布局导致毫米波频段的传输和相互隔离效果不佳，两板间的最终连接还需通过BGA球高温熔融实现，增加了整个组件组装的温度梯度，容易带来裸芯片的二次污染，并且基板热应力、焊点断裂等会带来一系列长期可靠性问题。
发明内容
本发明针对上述互联方式存在的不足之处，提出一种小体积，易集成，无需特殊装配工艺，并具有良好互联性能和长期可靠性的毫米波板间垂直互联电路结构。
为实现上述目的，本发明通过以下措施来达到。一种基片集成脊波导板间垂直互联电路结构，包括：上下两块具有相同转换电路的低温共烧陶瓷LTCC多层电路板1，波导短路面5以及通过高阻带线9匹配连接的50欧姆带状线8和带状线探针6，其特征在于：LTCC多层电路板1上，集成有垂直于基板表面的基片集成脊波导SIRW3，并在LTCC多层电路板1表面金属地上对应出口处蚀刻有基片集成脊波导开口；Z向金属化填充孔2排列成金属孔栅阵列，以此等效构成波导壁和波导内的单侧脊，50欧姆带状线8通过高阻带线9匹配过渡为带状线探针6，并沿主模电场方向从单侧介质波导脊10一侧伸入SIRW3内，50欧姆带状线8两侧金属屏蔽孔与探针约束腔7等间距排列；最终通过销孔对位实现两对侧SIRW3接口的对位压接，并以此实现两板间毫米波信号由50欧姆带状线—SIRW—SIRW—50欧姆带状线的垂直互联过渡。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果:
垂直互联结构体积小，易集成，非常适用于毫米波组件中高密度三维堆叠集成的应用。其中波导单元采用SIRW3形式，其优点在于：介质填充波导在相同主模频率条件下体积明显小于空气波导，尤其填充介质介电常数较大时。与常规基片集成波导(SIW)不同，利用基板内金属化填充孔2和埋置金属带4等效构成单侧脊，形成等效脊波导结构，进一步缩小了波导体积。在实际设计中采用介电常数约6.0的基板材料，SIRW 3接口口径约为2.2*1.3mm，整个体积约为同频段空气矩形波导的7％左右。而SIRW 3的实现巧妙利用了LTCC多层电路板1Z向厚度方向空间，将波导主模传输方向沿Z向设置，SIRW 3波导壁和单侧脊均采用金属化填充孔2和埋置金属带4共同等效构成，并且由于带状线探针6从单侧介质波导脊10一侧伸入，脊等效结构还兼具电磁场约束功能，省去了部分探针约束腔7的长度。整个SIRW完全采用高频多层基板制造工艺，与电路基板的制造同步且一体化集成实现，多层电路基板既是毫米波裸片的二次集成载体，同时也具有带线介质波导转接功能，使一体化集成和过渡转接功能简单巧妙地融合在一起，很好地适应了毫米波高密度三维堆叠集成对电路体积和可集成性的严格要求。
垂直互联结构具有良好的电气性能和批量一致性。本互联结构具有宽带传输特性，其过渡带宽主要由50欧姆带状线8到SIRW 3的转换带宽决定。Z向金属化填充孔2与埋置金属带4使SIRW 3对传输主模的等效电壁和等效磁壁在毫米波频段仍然有良好的逼近效果，加脊波导的电路形式降低了SIRW 3主模特性阻抗，展宽了主模工作带宽，而带状线探针过渡结构本身即具有良好的宽带特性。从仿真和实物测试对比来看，该互联结构能覆盖28GHz～38GHz主模频率。由于互联结构全部由多层基板加工工艺同步完成，无任何附加元件的集成装配误差，阵列排布使用或多批次使用互联性能都具有良好的一致性。
垂直互联结构简单易于实现，制造工艺兼容性好，成本低廉。由于互联结构中核心部分50欧姆带状线8到SIRW 3的过渡电路全部由高频多层板加工工艺来完成，无需任何外加金属波导和短路面结构，LTCC多层电路板1即具备过渡功能，实现了互联结构的最简化。同时该结构可适应多种成熟的高频多层板加工工艺，如LTCC(MCM-C)、高频多层PCB(MCM-L)等工艺，尤其高频多层PCB工艺还使互联结构的成本得到进一步降低。
本发明适用于毫米波高密度三维集成组件中的板间垂直互联，特别适用于毫米波系统级封装(SOP)和毫米波有源相控阵瓦片式TR组件中。
附图说明
图1是本发明基片集成脊波导板间垂直互联电路结构XY平面俯视图。
图2是本发明基片集成脊波导板间垂直互联电路结构三维立体透视图。
图中：1LTCC多层电路板，2金属化填充孔，3SIRW，4埋置金属带，5介质波导短路面，6带状线探针，7探针约束腔，850欧姆带状线，9高阻带线，10介质波导脊。
具体实施方式
参阅图1和图2。在以下描述的实施例中，一种基片集成脊波导板间互联电路结构，包括两块具有相同转换电路结构的LTCC多层电路板1，基板表面金属地蚀刻出SIRW 3接口，由基板内Z向金属化填充孔2等效构成SIRW 3的波导壁和波导内的单侧等效介质波导脊10，波导短路面5以及通过高阻带线9匹配连接的50欧姆带状线8和带状线探针6，其中：LTCC多层电路板1上，集成有垂直于基板表面的SIRW3，并在LTCC多层电路板1表面金属地上对应出口处蚀刻有基片集成脊波导开口；Z向金属化填充孔2，等效构成波导壁和波导内的单侧脊，每隔3层LTCC介质层沿金属化填充孔增加一圈埋置金属带4，每隔3层金属化填充孔阵列交错1/2孔间距，并利用埋置金属带4实现上下两组交错孔的电气连通；50欧姆带状线8通过高阻带线9匹配过渡为带状线探针6，并沿主模电场方向从单侧介质波导脊10一侧伸入SIRW 3内，50欧姆带状线8两侧金属屏蔽孔与探针约束腔7等间距排列；最终通过销孔对位实现两对侧SIRW3接口的对位压接，并以此实现两板间毫米波信号由50欧姆带状线—SIRW—SIRW—50欧姆带状线的垂直互联过渡。
由于对主模而言金属孔栅阵列仅能较为理想等效SIRW 3波导磁壁，为在毫米波频段使SIRW 3获得较为理想的脊波导传输线等效效果，每隔3层LTCC介质层沿金属孔栅增加一圈埋置金属带条4，以此增强该结构对基片集成脊波导SIRW 3主模电壁的等效效果。考虑到LTCC基板的加工工艺要求，每隔3层LTCC介质金属孔栅阵列交错1/2孔间距，并利用埋置金属带条4实现上下两组交错孔的电气连通。
与传统空气波导微带探针过渡结构原理类似，50欧姆标准带状线8沿SIRW 3主模电场方向从单侧等效介质波导脊10一侧伸入波导内，由于SIRW 3的波导阻抗与50欧姆带状线8存在阻抗差异，带状线8与波导内带状线探针6之间通过高阻带线9进行阻抗匹配过渡，高阻带线的长度和宽度可由仿真优化获得。等效介质波导脊10外侧部分正好作为带状线探针6的波导介质约束腔7，朝50欧姆带状线8方向两侧屏蔽孔与波导介质约束腔等宽布置。为使带状线探针6处耦合电磁场能量最强，即波导主模场在该处呈现开路特性，设置SIRW3中的介质波导短路面5距带状线探针6的距离为1/4等效波导波长。
实际使用时，将两块集成有相同SIRW 3到50欧姆带状线8过渡结构的LTCC多层电路板1，按表面蚀刻出的SIRW接口面对面贴合，利用外围销钉保证SIRW接口两两对准，并通过外部结构将两板均匀叠压，即可实现50欧姆带状线—SIRW—SIRW—50欧姆带状线的毫米波板间垂直互联过渡。

Claims (4)

1.一种基片集成脊波导板间垂直互联电路结构，包括：上下两块具有相同转换电路的低温共烧陶瓷LTCC多层电路板（1），波导短路面（5）以及通过高阻带线（9）匹配连接的50欧姆带状线（8）和带状线探针（6），其特征在于：LTCC多层电路板（1）上集成有垂直于基板表面，沿Z向传输的脊波导SIRW（3），每隔3层LTCC介质金属孔栅阵列交错1/2孔间距，并利用埋置金属带条（4）实现上下两组交错孔的电气连通，其中，SIRW（3）中的介质波导短路面（5）距带状线探针（6）的距离为1/4等效波导波长，并在LTCC多层电路板（1）表面金属地上对应出口处蚀刻有基片集成脊波导开口；Z向金属化填充孔（2）排列成金属孔栅阵列，以此等效构成波导壁和波导内的单侧脊，50欧姆带状线（8）通过高阻带线（9）匹配过渡为带状线探针（6），并沿主模电场方向从单侧介质波导脊（10）一侧伸入SIRW（3）内，50欧姆带状线（8）两侧金属屏蔽孔与探针约束腔（7）等间距排列；最终通过销孔对位实现两对侧SIRW（3）接口的对位压接，并通过外部结构将两板均匀叠压，以此实现两板间毫米波信号由50欧姆带状线—SIRW—SIRW—50欧姆带状线的板间垂直互联过渡。
2.如权利要求1所述的基片集成脊波导板间垂直互联电路结构，其特征在于：每隔3层LTCC介质层沿金属孔栅增加一圈埋置金属带条（4），以此增强该埋置金属带条结构对SIRW（3）主模电壁的等效效果。
3.如权利要求1所述的基片集成脊波导板间垂直互联电路结构，其特征在于：带状线（8）与波导内带状线探针（6）之间通过高阻带线（9）进行阻抗匹配过渡，高阻带线的长度和宽度由仿真优化获得。
4.如权利要求1所述的基片集成脊波导板间垂直互联电路结构，其特征在于：等效介质波导脊（10）外侧部分同时作为带状线探针（6）的波导介质约束腔（7），朝50欧姆带状线（8）方向两侧屏蔽孔与波导介质约束腔等宽布置。
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