CN108470729A - 混合印刷电路板 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混合印刷电路板,其包括低频基板、高频基板和安装在低频基板上的单片微波集成电路晶粒，低频基板包括第一低频基板和第二低频基板，高频基板包括第一高频基板和第二高频基板，第一高频基板和第二高频基板层压于第二低频基板的表面，且第一高频基板和第二高频基板之间设置有间隔，第一低频基板位于间隔中且层压于第二低频基板的所述表面，单片微波集成电路晶粒位于间隔中且安装于第一低频基板的一表面，第一高频基板和第二高频基板表面分别设有第一、第二辐射单元，第一、第二辐射单元分别与单片微波集成电路晶粒电连接。本发明提高了电路的功能复杂性，降低了成本，减少杂散电感，从而获得更好的工作带宽，提高系统的射频性能。

Description

混合印刷电路板

技术领域

本发明涉及集成电路技术领域，更具体地说，本发明涉及一种混合印刷电路板。

背景技术

目前，在集成电路技术领域，传统的芯片模块封装是通过使用多个分立集成电路(IC，Integrated Circuits)以及多个有源和无源电子元件组成的。采用这些传统方法的缺点是体积大，功耗大，信号线长，随着工作频率不断提高，其已经成为一个制约提高模块性能的严重问题。与使用多个分立集成电路以及多个有源和无源电子元件组成的传统系统不同，多芯片模块(MCM，Multi-ChipModule)封装技术由于克服了分立元件的缺陷，近年来获得了长足的发展。

但是，封装尺寸的减小和运行频率的提高给系统级封装(SiP，System-In-Package)厂商带来了一些挑战。由于技术的限制和不同特性材料的集成，电路基板的成本大幅提高。另外，由于工艺性问题，有时则有可能需要在模块的高频性能上作出妥协。

工业上广泛使用的典型MCM基板是低温共烧陶瓷(LTCC，Co-fired Ceramics)，陶瓷和层压玻璃纤维印刷电路板，每种材料都有其优点和缺点：

1、LTCC，虽然其由于损耗正切常数低而具有良好的射频性能，但基板容易翘曲，图案比薄膜处理的陶瓷基板精确度低，制造成本高。

2、陶瓷，基于薄膜的基板具有上述所有材料中最好的射频和微波性能。但是，由于其成本很高，所以应当被用于必要的地方。同时，其材料本身十分易碎，应特别注意安装。此外，可供选择的基板厚度也是有限的，因此限制了设计的灵活性。

3、层压玻璃纤维材料，选择层厚的成本低，灵活性大。可设算大量的层数以实现复杂的性能。然而，其缺陷在于它们在微波频段的高损耗特性。

图1示出了一种使用传统混合基板设计的MCM方案。在这种设计中，将高频单片微波集成电路(MMIC，Monolithic Microwave Integrated Circuits)晶粒安装在由陶瓷和有机层压印刷线路板组成的混合基板上。MMIC晶粒和基板之间通过键合引线电连接。由于通常位于晶粒顶部的键合焊盘与基板表面之间的高度差异，以及MMIC晶粒的物理厚度，键合引线的长度不能太短，在实际情况下，键合引线的长度大约在50μm至100μm之间。由于这种过长的键合引线长度，及其显著的固有杂散电感，因此会限制系统的射频性能。

此外，图1所示的结构中层压有机层压印刷线路板的层数非常有限，有可能降低整个系统功能的复杂性，这是不理想的。

有鉴于此，确有必要提供一种制造成本低、电路功能复杂以及工作带宽更好的混合印刷电路基板。

发明内容

本发明的目的在于：克服现有技术的不足，提供一种制造成本低、电路功能复杂以及工作带宽更好的混合印刷电路基板。

为了实现上述发明目的，本发明提供了一种混合印刷电路板，其包括低频基板、高频基板和单片微波集成电路(MMIC，Multi-Chip Module)晶粒，所述MMIC晶粒安装于所述低频基板上，其中，所述低频基板包括第一低频基板和第二低频基板，所述高频基板包括第一高频基板和第二高频基板，所述第一高频基板和第二高频基板层压于所述第二低频基板的一表面，且所述第一高频基板和第二高频基板之间设置有间隔，所述第一低频基板位于所述间隔中且层压于所述第二低频基板的所述表面，所述MMIC晶粒位于所述间隔中且安装于所述第一低频基板的一表面，所述第一高频基板和第二高频基板表面分别设有第一辐射单元和第二辐射单元，所述第一辐射单元和第二辐射单元分别与所述MMIC晶粒电连接。

作为本发明的一种实施方式，所述第一、第二辐射单元的所述表面与所述MMIC晶粒的所述表面处于同一平面。

作为本发明的一种实施方式，所述低频基板可以包括N块层压低频基板，所述N块层压低频基板从第一低频基板、第二低频基板开始依次层叠。

作为本发明的一种实施方式，所述第一低频基板的表面积小于所述第二低频基板的表面积。

作为本发明的一种实施方式，所述MMIC晶粒区域的表面积小于所述第一低频基板的表面积。

作为本发明的一种实施方式，所述第一高频基板和第二高频基板与MMIC晶粒和第一低频基板之间分别设置有间隙。

作为本发明的一种实施方式，所述MMIC晶粒和高频基板之间的间隙小于等于50μm。

作为本发明的一种实施方式，所述MMIC晶粒和所述第一、第二辐射单元上分别设有焊盘，所述MMIC晶粒和所述第一、第二辐射单元的焊盘之间通过键合引线实现电连接。

作为本发明的一种实施方式，所述MMIC晶粒和所述第一、第二辐射单元之间设置多条平行的高频引线。

作为本发明的一种实施方式，所述高频引线是宽度为100μm的带状导线。

作为本发明的一种实施方式，电连接在MMIC晶粒和所述第一、第二辐射单元的焊盘之间的所述高频引线的侧面轮廓为楔形。

作为本发明的一种实施方式，高频基板的材质选自氧化铝、氮化铝、氧化铍、石英、陶瓷和蓝宝石中的一种或多种。这类材料具有优异的材料特性，极低的损耗正切系数。因此，微波信号可以长距离传输而不会有太多的损失，远高于50GHz的范围。

作为本发明的一种实施方式，所述MMIC晶粒与第一低频基板之间的电连接通过低频连接线实现，所述N块层压低频基板之间通过低频基板间开设的通孔和穿过通孔的内层导线实现电连接。

相对于现有技术，本发明混合印刷电路板可以任意地增加基板的层数，使得电路的功能复杂性得到提高。同时，由于昂贵的高性能材料只是用在关键的射频和微波电路上，因此可以降低成本。此外，通过采用不同厚度的低频基板，可以获得低频基板和高频基板之间的期望高度差，使得MMIC晶粒和第一、第二辐射单元之间高频引线长度更段、高度更低，能够显著减少高频引线的杂散电感，从而获得更好的工作带宽，提高系统的射频性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1所示为传统混合基板设计的示意图。

图2为本发明混合印刷电路板的示意图。

图3为图2所示混合印刷电路板的内层连接的示意图。

图4为图3所示混合印刷电路板的高频引线的示意图。

图5为使用传统电路板的两种放大器设计的频率响应特性。

图6为使用本发明混合印刷电路板的两种放大器设计的频率响应特性。

其中，附图标记说明如下：

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。

请参阅图2所示，本发明提供了一种混合印刷电路板，其包括低频基板10、高频基板20和单片微波集成电路(MMIC，Multi-Chip Module)晶粒30，MMIC晶粒30安装于低频基板10上，其中，低频基板10包括第一低频基板10a和第二低频基板10b，高频基板20包括第一高频基板20a和第二高频基板20b，第一高频基板20a和第二高频基板20b层压于第二低频基板10b的一表面，且第一高频基板20a和第二高频基板20b之间设置有间隔60，第一低频基板10a位于间隔60中且层压于第二低频基板10b的所述表面，MMIC晶粒30位于间隔60中且安装于第一低频基板10a的一表面，第一高频基板20a和第二高频基板20b表面分别设有第一辐射单元200a和第二辐射单元200b，第一辐射单元200a和第二辐射单元200b分别与MMIC晶粒30电连接。其中，MMIC晶粒30与第一高频基板20a和第二高频基板20b之间的高频信号通过高频引线40来实现，MMIC晶粒30与第一低频基板10a之间的低频信号通过低频引线50来实现。

作为本发明的一种实施方式，低频基板10可以包括N块层压低频基板10a，10b…10n，所述N块层压低频基板10a，10b…10n从第一低频基板10a、第二低频基板10b开始到第N低频基板10n依次层压。在本发明中，可用常见的焊膏或导电银环氧树脂来构建这些层压结构。

本发明所采用的低频基板10为低成本的有机基板，例如FR-4(环氧玻璃布层压板)。这种有机基板材料使得为印刷电路板提供低成本的高密度电路解决方案成为可能，并被广泛应用于大多数电子系统。缺点是它们的高频特性(损耗正切系数)，这使得它在高于5GHz的高频下工作时损耗非常大。对于本发明所采用的高频基板20，可以采用具有优异的材料特性(极低的损耗正切系数)的氧化铝、氮化铝、氧化铍、石英、陶瓷和蓝宝石中的一种或多种。。

第一高频基板20a和第二高频基板20b安装于第二低频基板10b上，在第一高频基板20a和第二高频基板20b预留一定宽度的间隔60，间隔60用于合理到放置MMIC晶粒30，MMIC晶粒30位于第二低频基板10b的上方。为了获得理想的MMIC晶粒30与第一高频基板20a和第二高频基板20b之间的相对位置，在位于间隔60中的MMIC晶粒30和第二低频基板10b之间垫设第一低频基板10a，使得第一低频基板10a位于间隔60中且层压于第二低频基板10b的表面，MMIC晶粒30安装于第一低频基板10a的表面。

一般情况下，标准的MMIC晶粒30的厚度包括50μm，100μm，250μm，400μm，600μm和725/775μm，同时，标准陶瓷高频基板20的厚度包括：0.254mm，0.381mm，0.508mm，0.635mm，0.762mm，1.016mm和2.159mm，因此，在电路板的设计过程中，高频基板20和MMIC晶粒30之间会存在高度差。可选地，第一低频基板10a可以采用不同厚度的低频基板，或者包括多层相互层压的不同规格的低频基板，以获得最合理的MMIC晶粒30和高频基板20之间的相对位置，且提高了整体的层叠电路板系统的复杂程度。

第一高频基板20a和第二高频基板20b的表面分别设有第一辐射单元200a和第二辐射单元200b，第一辐射单元200a和第二辐射单元200b分别与MMIC晶粒30电连接。作为本发明的一种实施方式，通过选用合理的第一低频基板10a的厚度，使得第一辐射单元200a和第二辐射单元200b与MMIC晶粒30的所述表面处于同一平面。这样的设计能够使得高频引线40的长度更短，有效避免了因高频引线40过长而导致显著的固有杂散电感，能够提高系统的射频性能。

为了获得良好的加工工艺性并保证稳定的工作性能，由图2可知，第一低频基板10a的表面积小于第二低频基板10b的表面积。作为本发明的一种实施方式，MMIC晶粒30区域的表面积小于第一低频基板10a的表面积。同时，第一高频基板20a和第二高频基板20b与MMIC晶粒30和第一低频基板10a之间分别设置有间隙。请同时结合图3所示，位于高频引线40之间的间隙，其大小设置成小于等于50μm，这样可以使得高频引线40的长度尽可能的更短，以降低其固有的杂散电感，提高系统的射频性能。此外，位于第一低频基板10a和MMIC晶粒30之间用于设置低频引线50的空间的宽度可以设置在100μm～150μm之间，其用于焊膏或导电性环氧树脂溢流的用途。这些低频引线50从MMIC晶粒30接合连接到第一低频基板10a，并通过N块层压低频基板10a，10b…10n所设有的通孔102和内层导线100，实现多层低频基板10之间的信号传递。

请参阅图2至图4所示，MMIC晶粒30和第一、第二辐射单元200a、200b上分别设有焊盘400，MMIC晶粒30和第一、第二辐射单元200a、200b的焊盘400之间通过高频引线40实现电连接。

MMIC晶粒30和第一、第二辐射单元200a、200b之间可以设置多条平行的高频引线40。并联设置的多条引线可以减少寄生电感。引线的数量取决于焊盘400的大小和角度。在80μm×150μm尺寸键合焊盘400上，键合引线的常见数量是2至3根，即每根额外的键合引线需要50μm～80μm的空间。

作为本发明的一种实施方式，本发明的高频引线是宽度为100μm的带状导线，以获得最好的射频/微波性能。

作为本发明的一种实施方式，电连接在MMIC晶粒30和第一、第二辐射单元200a、200b的焊盘400之间的高频引线40的侧面轮廓为楔形。楔形引线的高度约为100μm，其能有效减少寄生电感，从而获得更好的工作带宽。

图4和图5比较了两种不同驱动放大器MMIC设计(放大器1和放大器2)的频率响应特性，图4表示使用传统电路板的两种设计的频率响应特性，图5表述使用本发明的混合电路板的两种设计的频率响应特性。其中，y轴表示放大器的增益，x轴表示频率。放大器1设计的典型3dB带宽从35GHz增加到44GHz，增加了约20％，放大器2设计的典型3dB带宽从27GHz增加到32GHz，增加了约18％。在低频时，传统的宽带放大器可以达到所需的增益而没有问题。随着频率的增加，增益逐渐下降，放大器电路跟不上速度(或频率)。显然，这些性能提高主要来自杂散电感的减少。本发明的混合印刷电路板可以实现更高的带宽，使得能够传输更高容量的数据且不失真。

本发明的混合印刷电路板可以用于任何要求高工作频率(10GHz以上)的高性能系统级封装(SiP)或多芯片模块(MCM)。本发明的混合印刷电路板可以用于光纤传输设备内的发射模块和接收模块，包括发射端使用的调制器驱动器和激光二极管驱动器，以及接收端使用的集成光电二极管和跨阻放大器。本发明混合印刷电路板还可以在雷达或无线基站上，其可用于功率放大器模块，本地振荡模块，合成器和低噪声放大器。

相对于现有技术，本发明的技术效果至少包括：

1、可以任意地增加基板的层数，使得电路的功能复杂性得到提高。

2、由于昂贵的高性能材料只是用在关键的射频和微波电路上，因此可以降低成本。

3、通过采用不同厚度的低频基板，可以获得低频基板和高频基板之间的期望高度差，使得MMIC晶粒30和第一、第二辐射单元200a、200b之间高频引线40的长度更、高度更低，能够显著减少高频引线40的杂散电感，从而获得更好的工作带宽，提高系统的射频性能。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种混合印刷电路板，其包括低频基板、高频基板和单片微波集成电路晶粒，所述单片微波集成电路晶粒安装于所述低频基板上，其中，所述低频基板包括第一低频基板和第二低频基板，所述高频基板包括第一高频基板和第二高频基板，所述第一高频基板和第二高频基板层压于所述第二低频基板的一表面，且所述第一高频基板和第二高频基板之间设置有间隔，所述第一低频基板位于所述间隔中且层压于所述第二低频基板的所述表面，所述单片微波集成电路晶粒位于所述间隔中且安装于所述第一低频基板的一表面，所述第一高频基板和第二高频基板表面分别设有第一辐射单元和第二辐射单元，所述第一辐射单元和第二辐射单元分别与所述单片微波集成电路晶粒电连接。

2.根据权利要求1所述的混合印刷电路板，其中，所述第一、第二辐射单元的所述表面与所述单片微波集成电路晶粒的所述表面处于同一平面。

3.根据权利要求1所述的混合印刷电路板，其中，所述低频基板包括N块层压低频基板，所述N块层压低频基板从第一低频基板、第二低频基板开始依次层压。

4.根据权利要求1所述的混合印刷电路板，其中，所述单片微波集成电路晶粒区域的表面积小于所述第一低频基板的表面积。

5.根据权利要求4所述的混合印刷电路板，其中，所述第一高频基板和第二高频基板与单片微波集成电路晶粒和第一低频基板之间分别设置有间隙。

6.根据权利要求1所述的混合印刷电路板，其中，所述单片微波集成电路晶粒和所述第一、第二辐射单元上分别设有焊盘，所述单片微波集成电路晶粒和所述第一、第二辐射单元的焊盘之间通过高频引线实现电连接。

7.根据权利要求6所述的混合印刷电路板，其中，所述单片微波集成电路晶粒和所述第一、第二辐射单元之间设置多条平行的高频引线。

8.根据权利要求6所述的混合印刷电路板，其中，电连接在单片微波集成电路晶粒和所述第一、第二辐射单元的焊盘之间的所述高频引线的侧面轮廓为楔形。

9.根据权利要求1所述的混合印刷电路板，其中，所述高频基板的材质选自氧化铝、氮化铝、氧化铍、石英、陶瓷和蓝宝石中的一种或多种。

10.根据权利要求3所述的混合印刷电路板，其中，所述单片微波集成电路晶粒与第一低频基板之间的电连接通过低频连接线实现，所述N块层压低频基板之间通过低频基板间开设的通孔和穿过通孔的内层导线实现电连接。