CN108063302A - 射频基板垂直互联结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的一种射频基板垂直互联结构，旨在提供一种易于集成、色散效应小、具有良好电气性能的基板垂直互联结构。本发明通过下述就方案予以实现：第一介质基板层(1)、和第二介质基板层(15)上表面都设有U型共面波导结构，所述CPW结构是由制有U型开槽的从板体一侧中部沿U型开槽轨迹内侧边，绕中部金属化垂直过孔(4)圆弧走线与所述U型开槽轨迹路径平行的U形输入微带线构成的；两层介质基板的信号传输金属焊球(10)对应焊盘(16)、金属焊球(11)对应第二接地通孔(12)提供两层介质基板的连接与接地，接地通孔分别贯穿两层介质基板层和金属印刷层，通过接地金属焊球共同构成公共地。

Description

射频基板垂直互联结构
技术领域
本发明涉及一种射频电气互联领域，基于共面波导基板结构和通过球栅阵列(Ball Grid Array，以下简称BGA)进行射频传输的射频基板垂直互联结构。
背景技术
随着现代电子技术的快速发展，对设备的体积要求越来越小，传统的二维平面封装已经不能满足需求，取而代之的一个方向就是需要对产品进行三维(Three Dimension，3D)集成。在电子装备和产品不断朝着三维集成化方向发展的过程中，垂直互联结构在数字电路、存储器和低频电路领域已经得到广泛的应用。随着微电子技术的发展，器件的速度和延迟时间等性能对器件之间的互连提出了更高的要求，由于互连信号延迟、串扰噪声、电感电容耦合以及电磁辐射等影响越来越大，由传统高密度封装的IC和其他电路元件构成的功能电路已不能满足高性能的要求。电子封装正朝着小尺寸、高性能、高可靠性和低成本的趋势发展，芯片的集成度大幅度提高，对封装的要求也越严格，封装已成为限制其性能提高的主要因素之一。
垂直互连也是微波和毫米波三维集成电路中的常用结构。射频系统要进行3D集成封装实现微系统化的一项重要技术就是射频垂直互联技术。3D集成封装的主要优点是体积小、重量轻，信号传输延迟时间减小，低噪声，低功耗，可以极大地提高组装效率和互连效率，增大信号带宽，加快信号传输速度，实现多功能性、高可靠性和低成本性。在封装过程中，高频和小尺寸使得三维互连和封装对整个电路系统性能的影响越来越大。由于在射频领域普遍存在的寄生效应，使得垂直互联结构在射频中的运用相对较少，而且主要还是集中在Ku频段及以下，工作于Ka频段及其以上的更是甚少。
共面波导作为在介质板上覆金属来制作的结构，金属层被两个纵贯两端的缝隙分割，形成了中心导带以及两边“地”。共面波导作为一种平面传输线，以其低损耗，高传输率、低色散效应，以及易于集成其它器件等优点在射频领域得到越来越广泛的应用。
现有射频的垂直互联结构主要采用直接在基板上打垂直通孔、毛纽扣、硅通孔(Through Silicon Via,TSV)、通孔四周打接地孔的类同轴等形式。信号通过通孔时其高频分量会产生衰减和反射，引起信号的畸变，从而带来一系列的信号完整性和电磁干扰问题。若在高速、高频条件下无法保证信号的有效传输，将会造成整个系统性能的下降甚至崩溃，影响系统的可靠性。目前国内外学者对信号完整性的研究主要集中在PCB过孔和互连线等方面，而对多芯片组件用BGA和垂直通孔结构作为射频过渡进行传输的特性分析相对较少。垂直互联结构基板材料主要选取LTCC基板、PCB板和硅基板等材料。现有技术的输入输出端口通常采用50Ω的微带传输线形式；垂直互联用的毛纽扣结构体积和插入损耗都较大；TSV目前在由于工艺的限制，在射频段的寄生效应明显，不利于在毫米波3D集成领域直接运用、类同轴因为需要在信号通孔四周打接地孔使得设计和加工都更加复杂。
发明内容
本发明提出一种利用U型共面波导(Coplanar Waveguide,CPW)射频基板垂直通孔和BGA相结合的结构，旨在提供一种易于集成、色散效应小、具有良好电气性能的毫米波微波垂直互联的电路结构。
本发明的上述目的可以通过以下方案予以实现：一种射频基板垂直互联结构，包括：上表面都设有作为同层间信号传输的U型CPW结构的第一介质基板层1、和第二介质基板层15，信号传输金属焊球10和接地金属焊球11，其特征在于，所述第一介质基板层1上的CPW结构是由制有U型开槽的第一金属面层2和从板体一侧中部沿U型开槽轨迹内侧边，绕中部金属化垂直过孔4圆弧走线与所述U型开槽轨迹路径平行的第一U形输入微带线3构成的；所述第二介质基板层15上的CPW结构是由制有U型开槽的第二金属面层14和从板体一侧中部沿U型开槽轨迹内侧边，绕中部金属焊盘16圆弧走线与所述U型开槽轨迹路径平行的第二U形输出微带线13构成的；在CPW结构中，所述第一U形输入微带线3开口端为射频输入端口，U型开槽上设有U型金属隔离环6，第一U形输入微带线3的U型曲线端设有隔离环5，两层介质基板的第一U形输入微带线3和第二U形输出微带线13导带居中，第二U形输出微带线13开口端为射频输出端口，输入输出端口之间夹角为180°，信号传输金属焊球10对应焊盘16、金属焊球11对应第二接地通孔12提供两层介质基板的连接与接地，接地通孔分别贯穿整个第一介质基板层1与第二介质基板层15以及和第一金属面层2和第二金属面层14，通过接地金属焊球11共同构成公共地。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果。
易于集成、色散效应小。本发明利用CPW结构作为同层间的信号传输和射频输入、输出端，可以在实现毫米波信号的低损耗垂直传输的同时有效减少射频传输的色散特性，提高了射频传输的电气性能，通过在传输线的末端设置U型隔离环形成电容效应，取代了在垂直通孔周围打一圈金属通孔形成的类同轴结构，与金属垂直互联构成的电感效应形成一个谐振结构，还减少了通孔加工的数量，节约了成本。
本发明可用于毫米波、微波等射频领域。
附图说明
图1为本发明射频基板垂直互联结构示意图。
图2为本发明射频基板垂直互联结构分解示意图。
图3为本发明第一介质基板层的俯视图。
图4为本发明第一介质基板层的底面斜视图。
图5为本发明第二介质基板层的俯视图。
图6为本发明第二介质基板层的底面斜视图。
图7为本发明射频基板垂直互联结构的S参数仿真图。
图中：1.第一介质基板层，2.第一金属面层，3.第一U形输入微带线，4.金属化垂直过孔，5.隔离环，6.U型金属隔离环，7.第一接地通孔，8.金属焊盘，9.第一介质基板底面金属层，10.信号传输金属焊球、11.金属焊球，12.第二接地通孔，13.第二U形输出微带线，14.第二金属面层，15.第二介质基板层，16.焊盘，17.第二介质基板底面金属层，18.金属隔离环。
下面通过具体的实施例并结合附图对本发明作进一步详细的描述。
具体实施方式
参阅图1。在以下描述的实施例中，一种射频基板垂直互联结构，包括：上表面都设有作为同层间信号传输的U型CPW结构的第一介质基板层1、和第二介质基板层15，信号传输金属焊球10和接地金属焊球11。所述第一介质基板层1上的CPW结构是由制有U型开槽的第一金属面层2和从板体一侧中部沿U型开槽轨迹内侧边，绕中部金属化垂直过孔4圆弧走线与所述U型开槽轨迹路径平行的第一U形输入微带线3构成的；所述第二介质基板层15上的CPW结构是由制有U型开槽的第二金属面层14和从板体一侧中部沿U型开槽轨迹内侧边，绕中部金属焊盘16圆弧走线与所述U型开槽轨迹路径平行的第二U形输出微带线13构成的；在CPW结构中，所述第一U形输入微带线3开口端为射频输入端口，U型开槽上设有U型金属隔离环6，第一U形输入微带线3的U型曲线端设有隔离环5，两层介质基板的第一U形输入微带线3和第二U形输出微带线13导带居中，第二U形输出微带线13开口端为射频输出端口，输入输出端口之间夹角为180°，信号传输金属焊球10对应焊盘16、金属焊球11对应第二接地通孔12提供两层介质基板的连接与接地，接地通孔分别贯穿整个第一介质基板层1与第二介质基板层15以及和第一金属面层2和第二金属面层14，通过接地金属焊球11共同构成公共地。
U型口射频的输入、输出端口特性阻抗为50Ω。地层金属隔离环半径0.325mm,信号线与地间距离至少0.06mm,可有效地减小特性阻抗的突变及信号的反射和延迟。回波损耗随着过孔半径4的增大而减小,随信号线与地间距离的增大而减小。
信号传输金属焊球10焊接于第二介质基板层15中的焊盘16上，并且与第一介质基板层1中填充实心铜浆的垂直过孔4底部相连，为上下两层CPW中间信号传输线提供连接，形成信号传输通道。
金属焊球11焊接于第二介质基板层15上的第二接地通孔12和第一介质基板层1上的金属焊盘8之间，为上下两层地层金属面提供连接，形成接地通道；输入输出微带线周围的地过孔自上而下贯穿整个两层介质基板；使得第一介质基板层1上的第一接地通孔7、U型第一金属面层2、第一介质基板底面金属层和第二介质基板层15上第二接地通孔12、第二金属面层14和背面设置第二介质基板底面金属层17形成接地通道。
第一U形输入微带线3的宽度要大于金属化垂直过孔4的直径。
所述隔离环5设在金属化垂直过孔4的外部，隔离环5的半径大于金属化垂直过孔4的半径。
金属焊接环5和U型金属隔离环6之间有一道没有金属层的隔离带。
金属化垂直过孔4穿过第一介质基板层1形成通孔，在金属化垂直过孔4内壁可电镀金属形成有金属壁的通孔或者在金属化垂直过孔4内壁填充铜浆或其它金属浆料形成实心金属柱。
第一介质基板层1上设有并穿过U型第一金属面层2、第一介质基板底面金属层的第一接地通孔7；第一接地通孔7内壁可电镀金属形成有金属壁的通孔或者第一接地通孔7内壁填充铜浆或其它金属浆料形成实心金属柱。
第一介质基板层1上设置的第一接地通孔7内壁可电镀金属形成有金属壁的通孔或者在金属化垂直过孔4内壁填充铜浆或其它金属浆料形成实心金属柱。
第二介质基板层15的背面设置第二介质基板底面金属层17和第二接地通孔12，第二接地通孔12内壁可电镀金属形成有金属壁的通孔或者在第二接地通孔12内壁填充铜浆或其它金属浆料形成实心金属柱。
第一介质基板层1上设有并穿过U型第一金属面层2、第一介质基板底面金属层的第一接地通孔7。第二介质基板层15上设有并穿过U型第二金属面层14、底层金属面17的第二接地通孔12。
金属化垂直过孔4、U型开槽两边线阵排列的第一接地通孔7、第二接地通孔12内壁电镀金属形成有金属壁的通孔或者内壁填充铜浆或其它金属浆料形成实心金属柱，且孔端焊盘焊接球栅阵列(BGA)的金属焊球。
第一介质基板层1上设有U型第一金属面层2和第一U形输入微带线3构成的CPW结构，第二介质基板层15的上表面设置有第二金属面层14和第二U形输入微带线13构成的CPW结构。
第一U形输入微带线3即可作为输入端口、也可以作为输出端口，第二U形输出微带线13即可作为输出端口、也可以作为输入端口。
U型第一金属面层2在内壁开口形成U型金属隔离环6并和第一U形输入微带线3位于第一介质基板层1的上表面，共同构成中平面波导结构。
第一U形输入微带线3在位于第一介质基板层1的内壁一端设有金属化垂直过孔4和隔离环5。第一U形输入微带线3的宽度要大于金属化垂直过孔4的直径。
金属化垂直过孔4半径为0.17mm，接地通孔半径为至少0.2mm，第一U形输入微带线3和第二U形输出微带线13宽至少0.37mm，金属焊接环半径至少0.4mm，金属隔离环半径至少0.6mm。所述射频垂直互联结构可用于毫米波、微波等射频领域。
所述第二介质基板层15与第一介质基板层1可以是同一种材料，也可以是不同的基板材料。
采用的介质基板为Rogers4350B，介电常数为3.66，损耗正切为0.004，基板厚度0.254mm-0.30mm。

Claims (10)

1.一种射频基板垂直互联结构，包括：上表面都设有作为同层间信号传输的U型共面波导(CPW)结构的第一介质基板层(1)、和第二介质基板层(15)，信号传输金属焊球(10)和接地金属焊球(11)，其特征在于，所述第一介质基板层(1)上的CPW结构是由制有U型开槽的第一金属面层(2)和从板体一侧中部沿U型开槽轨迹内侧边，绕中部金属化垂直过孔(4)圆弧走线与所述U型开槽轨迹路径平行的第一U形输入微带线(3)构成的；所述第二介质基板层(15)上的CPW结构是由制有U型开槽的第二金属面层(14)和从板体一侧中部沿U型开槽轨迹内侧边，绕中部金属焊盘(16)圆弧走线与所述U型开槽轨迹路径平行的第二U形输出微带线(13)构成的；在CPW结构中，所述第一U形输入微带线(3)开口端为射频输入端口，U型开槽上设有U型金属隔离环(6)，第一U形输入出微带线(3)的U型曲线端设有隔离环(5)，两层介质基板的第一U形输入微带线(3)和第二U形输出微带线(13)导带居中，所述第二U形输出微带线(13)开口端为射频输出端口，输入输出端口之间夹角为180°，信号传输金属焊球(10)对应焊盘(16)、金属焊球(11)对应第二接地通孔(12)提供两层介质基板的连接与接地，接地通孔分别贯穿整个第一介质基板层(1)与第二介质基板层(15)以及和第一金属面层(2)和第二金属面层(14)，通过金属焊球(11)共同构成公共地。
2.如权利要求1所述的射频基板垂直互联结构，其特征在于：U型口射频的输入、输出端口特性阻抗为50Ω。
3.如权利要求1所述的射频基板垂直互联结构，其特征在于：地层金属隔离环半径至少0.325mm,信号线与地间距离至少0.06mm。
4.如权利要求1所述的射频基板垂直互联结构，其特征在于：信号传输金属焊球(10)焊接于第二介质基板层(15)中的焊盘(16)上，并且与第一介质基板层(1)中填充实心铜浆的垂直过孔(4)底部相连，为上下两层CPW中间信号传输线提供连接，形成信号垂直传输通道。
5.如权利要求1所述的射频基板垂直互联结构，其特征在于：金属焊球(11)焊接于第二介质基板层(15)上的第二接地通孔(12)和第一介质基板层(1)上的金属焊盘(8)之间，使得第一介质基板层(1)上的第一接地通孔(7)、U型第一金属面层(2)、第一介质基板底面金属层(9)和第二介质基板层(15)上第二接地通孔(12)、第二金属面层(14)和背面设置第二介质基板底面金属层(17)形成接地通道。
6.如权利要求1所述的射频基板垂直互联结构，其特征在于：第一U形输入微带线(3)周围的地过孔自上而下贯穿整个两层介质基板；使得第一介质基板层(1)上的第一接地通孔(7)、U型第一金属面层(2)、第一介质基板底面金属层(9)和第二介质基板层(15)上第二接地通孔(12)、第二金属面层(14)和背面设置第二介质基板底面金属层(17)形成接地通道，且第一U形输入微带线(3)的宽度要大于金属化垂直过孔(4)的直径。
7.如权利要求1所述的射频基板垂直互联结构，其特征在于：金属焊接环(5)和U型金属隔离环(6)之间有一道没有金属层的隔离带；所述隔离环(5)设在金属化垂直过孔(4)的外部，隔离环(5)的半径大于金属化垂直过孔(4)的半径。
8.如权利要求1所述的射频基板垂直互联结构，其特征在于：U型第一金属面层(2)在内壁开口形成U型金属隔离环(6)并和第一U形输入微带线(3)位于第一介质基板层(1)的上表面，共同构成平面波导结构，第一U形输入微带线(3)开口端为输入端口或输出端口，第二U形输出微带线(13)开口端为输出端口或输入端口。
9.如权利要求1所述的射频基板垂直互联结构，其特征在于：第一介质基板层(1)上设有并穿过U型第一金属面层(2)、第一介质基板底面金属层(9)的第一接地通孔(7)，第二介质基板层(15)上设有并穿过U型第二金属面层(14)、底层金属面(17)的第二接地通孔(12)。
10.如权利要求1所述的射频基板垂直互联结构，其特征在于：金属化垂直过孔(4)、第一接地通孔(7)、第二接地通孔(12)内壁电镀金属形成有金属壁的通孔或者内壁填充铜浆或其它金属浆料形成实心金属柱；金属化垂直过孔(4)、U型开槽两边线阵排列的第一接地通孔(7)、第二接地通孔(12)内壁电镀金属形成有金属壁的通孔或者内壁填充铜浆或其它金属浆料形成实心金属柱，且孔端焊盘焊接球栅阵列BGA的金属焊球。
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