CN108258379B - 毫米波3d同轴传输线设计制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于LTCC技术的毫米波3D同轴传输线设计制造方法，LTCC技术是一种多层布线、立体互连技术，可实现100层的陶瓷基片烧结。本发明采用在毫米波频段内低损耗的Ferro A6M陶瓷材料作为基片，在单层基片上利用激光工艺加工准直度和形貌均良好的通孔，利用激光对准技术将多个通孔进行高精度对准，利用圆形保护焊盘将多个填充了金属浆料单层的通孔互连，叠加成所需要的高度的长通孔；利用环形保护焊盘将外围的长通孔互连，两者围绕成网状结构充当外导体，从而构建3D结构的毫米波同轴传输线。仿真结果显示，新型高可靠性同轴传输线可工作至300 GHz。

Description

毫米波3D同轴传输线设计制造方法

技术领域

本发明涉及一种毫米波3D同轴传输线设计制造方法。

背景技术

毫米波器件小型化技术是毫米波技术发展的趋势之一，将毫米波器件在三维空间高密度集成是实现小型化的有效途径。毫米波系统的集成需要采用传输线结构来实现器件互连。然而，当电磁波的工作频率增加到毫米波频段时，毫米波系统集成需要高精度的加工工艺和安装工艺，这增加了毫米波系统的成本和集成难度。目前的平面传输线的设计和加工技术无法实现毫米波系统的三维集成，因此需要解决三维传输线的设计和加工难题。

传统同轴传输线是经典三维传输线，由内导体、中心介质和封闭的外导体组成，因传输带宽大、可传输横电磁波等优点在微波/毫米波领域广泛使用。可采用金属工艺加工，如镜面电火花工艺和激光工艺来制造；也可采用硅材料的微机电MEMS工艺等微纳米制造技术来制造。在现有的技术方案中，利用金属加工工艺实现毫米波三维传输线，需要制作高分辨率的精细结构，这意味着高昂的加工成本，同时在填充空气的金属腔体内安装内导体难度大，在复杂环境下应用的可靠性低；MEMS工艺可以实现单层硅材料的深刻蚀加工，但是这种去除材料的方式无法一次性加工较厚的复杂结构，此外，将多个单层结构对准后粘接既存在对准精度问题，也存在可靠性问题。

因此，在以上技术领域内存在利用现有技术难以设计高可靠性、便于系统集成的毫米波同轴传输线。

发明内容

本发明的目的在于提供一种毫米波3D同轴传输线设计制造方法，能够实现3D结构的毫米波准同轴传输线。

为解决上述问题，本发明提供一种毫米波3D同轴传输线设计制造方法，包括：

采用Ferro A6M系列陶瓷作为微波/毫米波准同轴传输线的LTCC介质基板，在每层LTCC介质基板上加工通孔，并加入金属浆料，形成金属化实心通孔；

外导体结构的制造方法为：在所述LTCC多层介质基板上，将竖直实心的多个金属通孔绕所述微波/毫米波准同轴传输线的中心组成圆筒状结构，在每层LTCC介质基板的表面利用金属化同心圆环将所述圆筒状的多个竖直实心的金属通孔互连，该同心圆环也称为环形保护焊盘，不同层的同心圆环形状与尺寸相同，在XOY平面坐标相同，形成由围绕成圆筒状的金属通孔与环形保护焊盘组成的网状的外导体结构，并将其作为测试端口接地结构。

进一步的，在上述方法中，形成由圆筒状的金属通孔与环形保护焊盘组成的网状的外导体结构中，采用的环形保护焊盘的宽度超过外导体结构中的金属通孔直径50 μm以保证外围多个金属化通孔的连接性。

进一步的，在上述方法中，形成由圆筒状的金属通孔与环形保护焊盘组成的网状的外导体结构中，所述外导体结构的金属通孔的间距根据工艺要求需不小于金属通孔的直径的两倍。

进一步的，在上述方法中，在所述介质基板上将竖直实心的金属通孔绕准同轴传输线的中心组成圆筒状结构之前，还包括：

利用激光打孔技术在单层Ferro A6M陶瓷打出金属通孔，使用激光对准技术将多层Ferro A6M陶瓷上连续的金属通孔组成垂直的长金属通孔，作为所述微波/毫米波准同轴传输线的中心导体柱；

利用环形保护焊盘，将上下相邻的两层Ferro A6M陶瓷中的金属通孔互连。

进一步的，在上述方法中，微同轴传输线的中心导体根据层数不同选择是否采用圆形保护焊盘；总高度在3层以上的金属实心通孔在两层之间采用圆形保护焊盘互连，利用环形保护焊盘的直径超出金属通孔直径50 μm，3层以下的金属实心通孔可直接堆叠互连。

进一步的，在上述方法中，所述圆筒状的多个竖直实心的金属通孔互连，形成网状的外导体结构之后，，还包括：

在多层LTCC介质基板叠加后，利用激光定位技术检查所述上下层的金属通孔是否对准，并保证所述中心导体柱与外导体结构的相对距离的精度。

进一步的，在上述方法中，利用每层LTCC介质基板的表面的金属同心圆环将所述圆筒状的多个竖直实心的金属通孔互连之前，还包括：

在每一层Ferro A6M陶瓷的上表面均设计形状一致的金属同心圆环，同样利用激光定位技术保证多层陶瓷叠加后的金属同心圆环的位置精度。

进一步的，在上述方法中，所述每一层的高度度为烧结后的高度；传输线所需的电长度由多层介质叠加后决定。。

与现有技术相比，使用毫米波损耗较低的Ferro A6M材料作为基板；使用激光对准技术保证叠加烧结后的定位精度；使用激光打孔技术获得所期望的准确的金属通孔形状和内壁形貌；使用实验和仿真建模的方式获得加工版图与设计图形的相对应的模型；利用圆筒状的金属通孔与环形保护焊盘组成的网状结构作为外导体结构，可有效屏蔽电磁波泄露；采用较薄的陶瓷基片(96 μm)和较小的圆筒状中两个相邻的金属通孔间距，因此工作频率高；采用一体化烧结技术和图形与通孔膨胀率控制技术来获得毫米波3D准同轴传输线，与金属工艺和MEMS工艺相比较，不需要后续对准叠加或安装，同时一体化结构具有较高的可靠性；新型传输线的设计参数多，在阻抗控制和结构设计时具有多个自由度，可灵活应用于多种毫米波电路的设计。

附图说明

图1是本发明一实施例的3D毫米波传输线顶视图；

图2是本发明一实施例的3D 毫米波传输线正视图；

图3是本发明实施例1的仿真的两端口S参数曲线图；

图4是本发明实施例1的仿真的两端口S参数曲线图；

其中， 1代表中心导体柱， 2代表每一层的中心导体柱的圆形保护焊盘， 3代表环形保护焊盘， 4代表环绕成圆筒状的接地通孔柱，5代表多层陶瓷介质。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明的3D传输线的顶视图的示意图。图2为本发明的3D传输线的正视图，如图1和2所示，本发明提供一种毫米波3D同轴传输线设计制造方法，包括：

采用微波/毫米波频段中损耗较小（损耗角正切为0.002）的Ferro A6M陶瓷作为微波/毫米波准同轴传输线的LTCC（(Low-temperature cofired ceramics, 低温共烧陶瓷工艺)介质基板；

在所述介质基板上将竖直实心的金属通孔绕所述微波/毫米波准同轴传输线的中心环成圆筒状结构，并利用每层LTCC介质基板的表面的金属同心圆环将所述圆筒状的多个竖直实心的金属通孔互连，形成由圆筒状的金属通孔与环形保护焊盘组成的网状的外导体结构，其中，所述环形保护焊盘环绕所述外导体结构中的金属通孔；

将采用金属浆料(金或银)填充的所述实心通孔作为测试端口接地结构。本发明提出的立体结构如图1、图2所示，其中上表面作为传输线的输入端口，下表面作为传输线的输出端口。

本发明提出一种新型毫米波3D传输线结构和谐振腔结构，利用低温共烧陶瓷工艺(Low-temperature cofired ceramics, LTCC)中基本的平面电路工艺和垂直互连金属通孔工艺作为基础，实现了3D结构的毫米波准同轴传输线。LTCC技术是一种多层布线、立体互连技术，可实现100层的陶瓷基片烧结，特别是Ferro A6M陶瓷材料具备优良的微波/毫米波传输特性，适于设计加工微波/毫米波器件。

本发明的毫米波3D同轴传输线设计制造方法一实施例中，形成由圆筒状的金属通孔与环形保护焊盘组成的网状的外导体结构中，环绕所述外导体结构中的金属通孔的环形保护焊盘的宽度一般需要超过外导体结构中的金属通孔直径50 μm，中心导体的圆形保护焊盘一般需要超过内导体金属通孔直径50 μm。

本发明的毫米波3D同轴传输线设计制造方法一实施例中，形成由圆筒状的金属通孔与环形保护焊盘组成的网状的外导体结构中，根据工艺加工的可靠性原则，组成所述圆筒状结构的金属通孔的间距采用最小工艺限制，即所述外导体结构的金属通孔的间距为所述外导体结构的金属通孔的直径的两倍。

具体的，圆筒状结构的金属通孔的最小间距和多层陶瓷中上下相邻的环形保护焊盘的间距共同决定了3D准同轴传输线在毫米波频段的漏波量，也决定了准同轴传输线的工作频率上限。

本发明的毫米波3D同轴传输线设计制造方法一实施例中，在所述介质基板上将竖直实心的金属通孔绕准同轴传输线中心环成圆筒状结构之前，还包括：

利用激光打孔技术在单层Ferro A6M陶瓷打出定位精度高、孔壁形貌好的金属通孔，将多层Ferro A6M陶瓷上连续的金属通孔组成的垂直、形貌好的长金属通孔作为所述微波/毫米波准同轴传输线的中心导体柱；

在单层Ferro A6M陶瓷上利用环形保护焊盘来保证上下相邻的两层Ferro A6M陶瓷中的金属通孔互连，以避免多层陶瓷中金属通孔中金属浆料不均匀形成断点。

本发明的毫米波3D同轴传输线设计制造方法一实施例中，将多层Ferro A6M陶瓷上连续的金属通孔组成的垂直、形貌好的长金属通孔作为所述微波/毫米波准同轴传输线的中心导体柱中，中心导体柱的金属通孔的周围利用环形保护焊盘的直径一般需要超出金属通孔直径50 μm。

本发明的毫米波3D同轴传输线设计制造方法一实施例中，利用每层LTCC介质基板的表面的金属同心圆环将所述圆筒状的多个竖直实心的金属通孔互连，形成网状的外导体结构之后，还包括：

在多层LTCC介质基板叠加后，利用激光定位技术检查保证所述金属通孔的上下对准，并保证所述中心导体柱与外导体结构的相对距离的精度。

具体的，金属通孔的阻抗特性由中心导体柱的金属通孔的直径、圆筒状金属通孔与中心导体柱的金属通孔的相对距离、环形保护焊盘的内直径共同决定。

所需要的3D准同轴传输线的电长度由工作频率、陶瓷的介电常数和所使用的多层陶瓷中陶瓷的层数决定。

本发明的毫米波3D同轴传输线设计制造方法一实施例中，利用每层LTCC介质基板的表面的金属同心圆环将所述圆筒状的多个竖直实心的金属通孔互连之前，还包括：

在每一层Ferro A6M陶瓷的上表面均设计形状一致的金属同心圆环，同样利用激光定位技术保证多层陶瓷叠加后的金属同心圆环的位置精度。

具体的，可以通过实验研究和计算获得通孔的烧结后膨胀率，修改设计版图保证利用激光打孔技术加工的成品的金属通孔尺寸与设计预期一致。

可以通过实验研究和计算获得烧结后多层陶瓷中单层陶瓷上不同厚度和不同面积的金属图形的膨胀率，并将其应用于设计图形尺寸转化为加工版图的计算。

可以利用ADS设计软件获得目标同轴传输的特征阻抗值，主要是作为中心导体柱的金属通孔的直径和作为外导体的圆筒状金属通孔与中心导体的中心处的距离，并将其作为准同轴传输线基本结构尺寸设计优化的初值。

实施例1：工作频率上限为150 GHz，阻抗为50 ohm的3D传输线。

选择中心导体柱1直径为100 μm，中心导体柱的保护焊盘2直径为150 μm；环绕成圆筒状的接地通孔柱4的直径为 100 μm，距离中心导体柱1的中心距离为480 μm，环形保护焊盘3内径为 760 μm, 外径为 960 μm；采用的Ferro A6M 陶瓷介质材料相对介电常数为5.9，陶瓷烧结后的单层高度为 96 μm，使用的陶瓷的层数为 9层。仿真的两端口S参数曲线如图3所示。

实施例2：工作频率上限为300 GHz，阻抗为50 ohm的传输线。环绕成圆筒状的接地通孔柱的直径为 100 μm，距离中心导体柱1的中心距离为700 μm，环形保护焊盘3的内径为625 μm, 外径为 775 μm；采用的Ferro A6M 陶瓷介质材料相对介电常数为 5.9，单层陶瓷烧结后的高度为 96 μm，使用的陶瓷的层数为 9层。仿真的两端口S参数曲线如图4所示。

本发明优于现有技术方案体现在：使用毫米波损耗较低的Ferro A6M材料作为基板；使用激光对准技术保证叠加烧结后的定位精度；使用激光打孔技术获得所期望的准确的金属通孔形状和内壁形貌；使用实验和仿真建模的方式获得加工版图与设计图形的相对应的模型；利用圆筒状的金属通孔与环形保护焊盘组成的网状结构作为外导体结构，可有效屏蔽电磁波泄露；采用较薄的陶瓷基片(96 μm)和较小的圆筒状中两个相邻的金属通孔间距，因此工作频率高；采用一体化烧结技术和图形与通孔膨胀率控制技术来获得毫米波3D准同轴传输线，与金属工艺和MEMS工艺相比较，不需要后续对准叠加或安装，同时一体化结构具有较高的可靠性；新型传输线的设计参数多，在阻抗控制和结构设计时具有多个自由度，可灵活应用于多种毫米波电路的设计。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (4)

1.一种毫米波3D同轴传输线设计制造方法，其特征在于，包括：

采用Ferro A6M系列陶瓷作为微波/毫米波准同轴传输线的LTCC介质基板(5)；

外导体结构的制造方法为：在多层所述LTCC介质基板上，将竖直实心的多个金属接地通孔(4)绕所述微波/毫米波准同轴传输线的中心组成圆筒状结构，在每层LTCC介质基板的表面利用金属化同心圆环将所述圆筒状结构的多个竖直实心的金属接地通孔互连，该同心圆环也称为环形保护焊盘(3)，不同层的同心圆环形状与尺寸相同，在XOY平面坐标相同，形成由围绕成圆筒状结构的金属接地通孔与环形保护焊盘组成的网状的外导体结构，并将其作为测试端口接地结构；

在所述LTCC介质基板上将竖直实心的金属接地通孔绕微波/毫米波准同轴传输线的中心组成圆筒状结构之前，还包括：

利用激光打孔技术在单层LTCC介质基板打出金属实心通孔，使用激光对准技术将多层LTCC介质基板上连续的金属实心通孔组成垂直的长金属通孔，作为所述微波/毫米波准同轴传输线的中心导体柱（1）；

利用中心导体柱的环形保护焊盘（2），将上下相邻的两层LTCC介质基板中的金属通孔互连；

所述圆筒状结构的多个竖直实心的金属接地通孔互连，形成网状的外导体结构之后，还包括：

在多层LTCC介质基板叠加后，利用激光定位技术检查上下层的金属接地通孔是否对准，并保证所述中心导体柱与外导体结构的相对距离的精度；

利用每层LTCC介质基板的表面的金属化同心圆环将所述圆筒状结构的多个竖直实心的金属接地通孔互连之前，还包括：

在每一层LTCC介质基板的上表面均设计形状一致的金属化同心圆环，同样利用激光定位技术保证多层LTCC介质基板叠加后的金属化同心圆环的位置精度；

中心导体柱(1)作为信号线，外导体结构作为参考地；

外导体结构中，采用的环形保护焊盘的宽度超过外导体结构中的金属接地通孔直径50μm，以保证多个金属接地通孔的连接性，中心导体柱的环形保护焊盘超过中心导体柱直径50 μm。

2.如权利要求1所述的毫米波3D同轴传输线设计制造方法，其特征在于，外导体结构中，所述外导体结构的金属接地通孔的间距根据工艺要求需不小于金属接地通孔的直径的两倍。

3.如权利要求1所述的毫米波3D同轴传输线设计制造方法，其特征在于，微波/毫米波准同轴传输线的中心导体柱根据层数不同选择是否采用中心导体柱的环形保护焊盘(2)；总高度在3层以上的金属实心通孔在两层之间采用中心导体柱的环形保护焊盘互连，3层以下的金属实心通孔可直接堆叠互连。

4.如权利要求1所述的毫米波3D同轴传输线设计制造方法，其特征在于，所述每一层的LTCC介质基板的高度为烧结后的高度；微波/毫米波准同轴传输线所需的电长度由多层LTCC介质基板叠加后决定。

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