CN108198788A - 一种具有高射频信号垂直互联传输性能的ltcc基板 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有高射频信号垂直互联传输性能的LTCC基板，LTCC基板由多层生瓷片构成，且其由上到下依次为元器件安装层、信号层、电源层、接地层以及对外连接层，各层之间通过垂直通孔进行互联；所述信号层有多层，且最上层信号层与最下层信号层之间设置有信号垂直通孔，所述信号垂直通孔的下端设有空气腔。本发明的具有高射频信号垂直互联传输性能的LTCC基板在60GHz范围内插损和驻波均可以满足微波电路设计的需求，比传统的结构极大地扩展了使用频率范围，该基板设计简单快速，加工过程方便，使用频率高，应用带宽大，插损小，驻波较好，工艺实现简单，便于批量化生产。该结构可以广泛应用于基于LTCC基板微波组件中。

Description

一种具有高射频信号垂直互联传输性能的LTCC基板
技术领域
本发明涉及电子技术领域，特别是涉及一种具有高射频信号垂直互联传输性能的LTCC基板。
背景技术
T/R组件组装技术经历了从分立电路、到混合微波集成电路(HMIC)、到单片微波集成电路(MMIC)、到微波多芯片模块(MMCM)、再到三维立体组装微波组件和系统级组装的发展过程。从发展的规律来看，组装密度每提高10％，电路模块的体积可减少40～50％、重量减少20～30％。多层微波集成电路是由分立的有源器件与多层无源器件、互连线构成的集成电路。伴随着近年来三维基板技术的在微波领域的逐渐成熟，基于多层基板封装技术的微波组件得到了广泛的应用。这其中，使用最广的当属LTCC多层基板技术。
LTCC(低温共烧陶瓷)是一种新型的陶瓷多层基板技术，它与其它多层基板技术相比较，具有以下特点：
1)易于实现更多布线层数，提高组装密度；
2)易于内埋置元器件，提高组装密度，实现多功能；
3)便于基板烧成前对每一层布线和互连通孔进行质量检查，有利于提高多层基板的成品率和质量，缩短生产周期，降低成本；
4)具有良好的高频特性和高速传输特性；
5)易于形成多种结构的空腔，从而可实现性能优良的多功能微波组件；
6)与薄膜多层布线技术具有良好的兼容性，二者结合可实现更高组装密度和更好性能的混合多层基板和混合型多芯片组件；
7)易于实现多层布线与封装一体化结构，进一步减小体积和重量，提高可靠性。
LTCC基板包括元器件安装层(顶层)、信号层、电源层、接地层和对外连接层(底层)等几部分，陶瓷介质位于各导体层之间，起电绝缘作用。顶层含各种焊盘，用以安装相位的电子元器件。为了提高组装密度，可以采用双面安装多层基板，即在基板的顶面和底面都安装电子元器件。多层基板的信号层在顶层下方，主要布置元器件之间的互连线，层数视组件规模和布线密度而定。电源层和接地层一般都独立设置，可按组件电性能的要求进行设计。陶瓷基板的以上各层由垂直通孔进行互连。
根据LTCC基板的设计微波电路的特点，LTCC基板中间层与顶层或者底层射频信号的传输性能直接决定了微波电路的性能，因此提高LTCC基板射频信号垂直互联的性能，成为使用LTCC基板进行微波电路设计的关键问题。图1为常用的LTCC基板射频信号垂直连接方式，图2为该垂直互联性能的仿真结果，从仿真结果来看，该垂直互联的插损和驻波性能在35GHz以内满足微波电路设计的要求，超过35GHz驻波性能急剧恶化，无法满足微波电路设计要求，因此如何提高LTCC基板在35GHz以上驻波和插损的性能，使其满足微波电路设计的要求成为了亟待解决的问题。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种具有高射频信号垂直互联传输性能的LTCC基板。
技术方案：为实现上述目的，本发明的一种具有高射频信号垂直互联传输性能的LTCC基板，LTCC基板由多层生瓷片构成，且其由上到下依次为元器件安装层、信号层、电源层、接地层以及对外连接层，各层之间通过垂直通孔进行互联；所述信号层有多层，且最上层信号层与最下层信号层之间设置有信号垂直通孔，所述信号垂直通孔的下端设有空气腔。
进一步地，所述生瓷片的材质为Ferro-A6S。
进一步地，LTCC基板由九层基板构成，其第二层到第六层均为信号层，所述信号垂直通孔连接第二层信号层与第六层信号层。
进一步地，LTCC基板的总厚度为0.85mm。
有益效果：本发明的具有高射频信号垂直互联传输性能的LTCC基板在60GHz范围内插损和驻波均可以满足微波电路设计的需求，比传统的结构极大地扩展了使用频率范围，该基板设计简单快速，加工过程方便，使用频率高，应用带宽大，插损小，驻波较好，工艺实现简单，便于批量化生产。该结构可以广泛应用于基于LTCC基板微波组件中。
附图说明
附图1为LTCC基板的层叠结构图；
附图2为常用LTCC基板的仿真结构图；
附图3为常用LTCC基板的仿真结果图；
附图4为本发明的新型LTCC基板的仿真结构图；
附图5为本发明的新型LTCC基板的仿真结果图；
附图6为新型垂直互联背靠背结构的LTCC基板的仿真结构图；
附图7为新型垂直互联背靠背结构的LTCC基板的仿真结果图；
附图8为新型垂直互联背靠背结构的LTCC基板的实物仿真结果图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如附图1所示的具有高射频信号垂直互联传输性能的LTCC基板，LTCC基板由九层生瓷片构成，且其由上到下依次为元器件安装层1、信号层2、电源层3、接地层4以及对外连接层5，各层之间通过垂直通孔进行互联；其中第二层至第六层均为信号层2，且第二层信号层2与第六层信号层2之间设置有信号垂直通孔，所述信号垂直通孔的下端设有空气腔。该空气腔有三个作用：(1)空气介质比其他任何介质的介电常数要小，因此可以减小介电损耗；(2)空气介质的介电常数相对其他介质的介电常数，更稳定，随着频率的变化不敏感，因此可以提高垂直互联通孔的工作频率；(3)空气介质可以和周边的接地通孔可以构成基片集成波导结构，不仅提高了工作频率，而且提高了垂直互联的Q值。
所述生瓷片的材质为Ferro-A6S，该基板的介电常数为5.9，介质损耗为0.15％(10MHz)，热导率为2W/mk，性能很高。LTCC基板的总厚度为0.85mm。
下面对该LTCC基板进行仿真以及实验验证，首先，对常用的LTCC基板结构在商用软件HFSS中进行了建模，模型如图2所示，仿真结果如图3所示。然后，对本发明的新型LTCC基板结构在商用软件HFSS中进行了建模，模型如图4所示，仿真结果如图5所示。通过对仿真结果图5和图3的对比，得出结论：新型的垂直互联结构在60GHz范围内插损和驻波均可以满足微波电路设计的需求，比传统的结构极大地扩展了使用频率范围，性能得到了巨大的优化。
最后，为了测试方便性，本发明设计了一种新型垂直互联背靠背结构，仿真模型如图6所示，仿真结果如图7所示。对于该结构的实物测试结果如图8所示，(实测结果未扣除测试接头的驻波)。根据图7中的仿真结果和图8中的实物测试结果可以得出，新型垂直互联结构应用频率范围宽，插损更小，驻波更好，设计与实测结果接近。
综上，本发明提出的新型射频信号垂直互联结构，设计简单快速，加工过程方便，使用频率高，应用带宽大，插损小，驻波较好，工艺实现简单，便于批量化生产。该结构可以广泛应用于基于LTCC基板微波组件中。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种具有高射频信号垂直互联传输性能的LTCC基板，其特征在于：LTCC基板由多层生瓷片构成，且其由上到下依次为元器件安装层、信号层、电源层、接地层以及对外连接层，各层之间通过垂直通孔进行互联；所述信号层有多层，且最上层信号层与最下层信号层之间设置有信号垂直通孔，所述信号垂直通孔的下端设有空气腔。
2.根据权利要求1所述的一种具有高射频信号垂直互联传输性能的LTCC基板，其特征在于：所述生瓷片的材质为Ferro-A6S。
3.根据权利要求1所述的一种具有高射频信号垂直互联传输性能的LTCC基板，其特征在于：LTCC基板由九层基板构成，其第二层到第六层均为信号层，所述信号垂直通孔连接第二层信号层与第六层信号层。
4.根据权利要求1-3任一项所述的一种具有高射频信号垂直互联传输性能的LTCC基板，其特征在于：LTCC基板的总厚度为0.85mm。
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