CN109935949B - 一种微波多层电路中金丝键合宽带匹配结构及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微波多层电路中金丝键合宽带匹配结构及其设计方法，应用于多层电路板，多层电路板包括若干层介质板，其中，在当前层介质板的金丝键合点处设置第一匹配结构，且在当前层介质板的下方的介质板中，位于金丝键合点处的下方的位置第二匹配结构；第一匹配结构位于多层电路板中的表层介质板中，第二匹配结构位于多层电路板中的中间层介质板，第一匹配结构和第二匹配结构通过金属填充的过孔连接。本发明具有在微波多层电路中金丝键合匹配结构匹配带宽宽、匹配结构尺寸小以及插入损耗低的优点。

Description

一种微波多层电路中金丝键合宽带匹配结构及其设计方法

技术领域

本发明涉及基于多层介质板的微波多芯片组件(MMCM)技术领域，更具体涉及MMCM中射频芯片与电路基板间互联匹配。

背景技术

雷达和通讯技术的发展，对微波多芯片组件(MMCM)的性能指标和小型化提出了越来越高的要求。当前，基于微波多芯片组件技术的小型化、综合化和集成化的组件和系统得到了广泛的应用。通过将微波无源结构、有源裸芯片、控制电路、电容、电阻等元器件组装在同一块电路基板上，达到减少组装层次、节约成本、提高可靠性的目的。随着工艺技术的进步，多层电路板的使用，使得微波组件的体积和重量得到成倍的减少。

在基于多层电路板微波组件的设计中，芯片和传输线间互连，多层电路之间的垂直互连等内部互联结构，对组件的性能、尺寸和成本都有着很大的影响。近些年来，很多研究人员对MMCM内部互联结构展开研究，其中很重要的一块就是金丝键合匹配，很多理论成果已经在工程实践中得到证实和推广。

研究人员通过数值仿真和解析解计算对金丝模型进行分析和寄生参数提取，并提出了很多有效的匹配结构。1991年Steve Nelson等人给出了金丝键合结构寄生参数的等效电路，并引入了一种翼型节匹配结构。目前，在微波频段，这种翼型节匹配结构被广泛使用，用来补偿金丝键合结构带来的感性寄生参数。其主要不足是需要在金丝两端的键合点处同时进行匹配。在射频芯片与传输线之间的键合连接的情况下，我们只能在电路板一侧设计匹配结构，单纯使用翼型节结构，其匹配性能很难满足需求；同时，电路板表层有限的匹配空间，更增加了匹配的难度。2007年南京理工大学李成国等人基于5阶带通滤波器原理对翼型节结构进行了优化改进。2009年东南大学毫米波国家重点实验室张红影等人通过微带调配分支线，实现了毫米波金丝键合结构的单侧匹配。但是这些设计方法在匹配带宽、匹配结构尺寸、插入损耗等方面仍不能很好的满足工程应用需求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于现有技术的微波多层电路中金丝键合匹配结构匹配带宽窄、匹配结构尺寸大以及插入损耗高的问题。

本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：一种微波多层电路中金丝键合宽带匹配结构，应用于多层电路板，所述多层电路板包括若干层介质板，其中，在当前层介质板的金丝键合点处设置第一匹配结构，且在当前层介质板的下方的介质板中，位于所述金丝键合点处的下方的位置第二匹配结构；所述当前层介质板设置为多层电路板中的表层介质板，所述在当前层介质板的下方的介质板设置为多层电路板中的中间层介质板，所述第一匹配结构和第二匹配结构通过金属填充的过孔连接。

优选的，所述当前层介质板中设置第一微带线和第二微带线，第一微带线和第二微带线之间有间隔；第一匹配结构设置在第一微带线朝向第二微带线的一端，且所述第一匹配结构通过金丝与第二微带线连接。

优选的，所述第二匹配结构位于所述第一匹配结构的正下方。

优选的，所述第一匹配结构包括一段微带高阻线、第一金属焊盘，所述微带高阻线的一端与所述第一微带线连接，所述微带高阻线的另一端与所述第一金属焊盘的一端连接，所述第一金属焊盘与所述第二微带线之间有间隔，所述第一金属焊盘和第二微带线之间通过金丝压焊连接。

优选的，所述第二匹配结构为第二金属焊盘，第二金属焊盘位于第一金属焊盘的正下方，第二金属焊盘与第一金属焊盘通过金属填充的过孔连通。

优选的，所述过孔为垂直过孔。

优选的，所述多层电路板包括底层介质板，所述底层介质板中设置微带地层。

优选的，所述多层电路板的若干层介质板为Ferro A6低温共烧陶瓷介质板，介电常数为5.9，损耗正切为0.002，每层介质板厚度是0.096mm。

优选的，所述第一微带线和第二微带线均为50Ω。

本发明还提供一种微波多层电路中金丝键合宽带匹配结构的设计方法，包括以下步骤：

步骤一：选取合适的连接过孔的孔径；

步骤二：在当前层介质板上的第一微带线上金丝键合点处设计第一匹配结构中的第一金属焊盘，第一匹配结构包括：与第一微带线连接的高阻线以及与高阻线连接的第一金属焊盘；

步骤三：在当前层介质板的下方的介质板中设计第二金属焊盘，其中，所述第二金属焊盘设置在所述金丝键合点处的正下方的位置；

步骤四：在表层的第一微带线与第一金属焊盘之间设计一段高阻线。

优选的，在当前层介质板的下方的介质板下设计若干层介质板，以增强电路板强度。

本发明相比现有技术具有以下优点：本发明能有效补偿微波多层电路中金丝键合的寄生参数，实现低插入损耗、宽带宽的阻抗匹配，与传统方法相比，一方面过孔利用了中间层的空间，实现表层匹配结构小型化；另一方面具有可以仅在键合金丝一个端点处进行匹配设计的优势，能很好的应用于微波多芯片组件中微带传输线之间、微带传输线与射频芯片之间的金丝键合匹配，保障传输性能，满足微波多芯片组件小型化、紧凑型布板需求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对发明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他的附图。

图1是本发明实施例所公开的一种微波多层电路中金丝键合宽带匹配结构的三维图；

图2是本发明实施例所公开的一种微波多层电路中金丝键合宽带匹配结构的侧视图；

图3是本发明实施例所公开的一种微波多层电路中金丝键合宽带匹配结构表层的俯视图；

图4是本发明实施例所公开的一种微波多层电路中金丝键合宽带匹配结构中间层的俯视图；

图5是本发明实施例所公开的一种微波多层电路中金丝键合宽带匹配结构与等长微带线和传统翼型节匹配结构的对比图；

图6是本发明实施例所公开的一种微波多层电路中金丝键合宽带匹配结构与等长微带线和传统翼型节匹配结构的回波损耗对比图；

图7是本发明实施例所公开的一种微波多层电路中金丝键合宽带匹配结构与等长微带线和传统翼型节匹配结构的插入损耗对比图。

图8是发明实施例所公开的一种微波多层电路中金丝键合宽带匹配结构的等效电路图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1和图2所示，一种微波多层电路中金丝键合宽带匹配结构，应用于多层电路板，所述多层电路板包括若干层介质板1，包括第一微带线2、第二微带线3、第一匹配结构4、所述第二匹配结构5、金丝6、过孔7以及微带地层8。

本发明实施例中，若干层介质板1的当前层为表层，当前层介质板的下方的介质板为中间层，中间层的下方为底层。所述若干层介质板1的表层设置第一微带线2和第二微带线3，第一微带线2和第二微带线3之间有间隔，第一微带线2或第二微带线3均可以作为输入端口或输出端口。在所述若干层介质板1的表层金丝键合点处及其正下方的中间层分别设置第一匹配结构4和第二匹配结构5，所述第一匹配结构4位于表层，所述第二匹配结构5位于中间层，所述第一匹配结构4仅在表层的第一微带线2所在侧进行设计，第二微带线3所在侧不需要设计匹配结构。

所述第一匹配结构4包括一段微带高阻线401和第一金属焊盘402，所述一段微带高阻线401和第一金属焊盘402与所述第一微带线2、第二微带线3同轴设置，中心点位于同一条直线上，所述微带高阻线401的左端与所述第一微带线2的右端连接，所述微带高阻线401的右端与所述第一金属焊盘402的左端连接，所述第一金属焊盘402的右端与所述第二微带线3之间有间隔，所述第一金属焊盘402和第二微带线3之间通过两根金丝6连通，所述两根金丝6一端压焊于第一金属焊盘402，所述两根金丝6另一端压焊于所述第二微带线3的左端。

所述第二匹配结构5为一个金属焊盘，即第二金属焊盘，第二金属焊盘位于第一金属焊盘402的正下方，第二金属焊盘的中心与第一金属焊盘402的中心通过金属填充的垂直过孔7连通。

所述若干层介质板1的底层设置微带地层8。

作为本发明的优选方案，所述多层电路板的若干层介质板1型号为4层Ferro A6低温共烧陶瓷介质板，介电常数为5.9，损耗正切为0.002，每层介质板厚度是0.096mm。

所述第一匹配结构4的俯视图如图3所示，图中L1、W1为微带高阻线401的可调参数，L1、W1分别代表微带高阻线401的长度和宽度，调整微带高阻线401的长度和宽度可以调节微带高阻线引入的电感性匹配调节参数；L2、W2为第一金属焊盘402可调参数，L2、W2分别代表第一金属焊盘402的长度和宽度，调整第一金属焊盘402的长度和宽度可以调节第一金属焊盘402引入的电容性匹配参数。

所述第二匹配结构5的俯视图如图4所示，图4中L3、W3为第二金属焊盘的可调参数，L3、W3分别代表第二金属焊盘的长度和宽度。调整第二金属焊盘的长度和宽度可以调节第二金属焊盘引入的电容性参数。

需要强调的是，中间层介质板可以为当前层介质板的下一层介质板，也可以为与当前层介质板间隔若干层介质板的介质板，即中间层不限于某一层，只要在当前层的下方即可作为中间层，底层是位于中间层下方的最后一层介质板，本发明实施例对此并不做出限定。另外，为了节约物料和降低过孔深度，过孔可以为垂直过孔；为了降低加工难度，过孔可以为在竖直方向上弯曲延伸的过孔，或者连接第一金属焊盘与第二金属焊盘的倾斜过孔。

另外，本发明实施例中所说的下方仅仅是为了表述方便，即，第一金属焊盘可以位于表层介质板中，第二金属焊盘可以位于表层介质板下方的中间层介质板中；

或者，

第二金属焊盘可以位于表层介质板中，第一金属焊盘可以位于表层介质板下方的中间层介质板中；

或者，

第一金属焊盘可以位于竖直设置的第一介质板中，第二金属焊盘可以位于第一介质板左侧或者右侧的第二介质板中。

本发明还提供一种微波多层电路中金丝键合宽带匹配结构的设计方法，包括以下步骤：

步骤一：选取合适的连接过孔7的孔径；需要注意的是，合适的孔径是指过孔的外径不大于第一金属焊盘以及第二金属焊盘的最小宽度；

步骤二：在第一微带线2上金丝键合点处设计第一金属焊盘402；

步骤三：在中间层，第一金属焊盘402的正下方，设计第二金属焊盘；

步骤四：在表层的第一微带线2与第一金属焊盘402之间设计一段高阻线401。

优选的，实际使用时，需在若干层介质板1的两层介质下设计若干层冗余介质层，以增强电路板强度。

如图5所示，引入了本发明所述一种微波多层电路中金丝键合宽带匹配结构与等长微带线以及传统翼形节的微波传输效果对比，以直观证明本发明所述的多层电路中金丝键合宽带匹配结构有效性。图中曲线CH1为等长微带线；曲线CH2为传统两侧匹配翼形节；曲线CH3为本发明所述一种微波多层电路中金丝键合结构宽带匹配结构。与传统方法的等长微带线相比，利用了多层电路板中间层的空间，实现表层匹配结构小型化；与传统两侧匹配翼形节相比，具有可以仅在键合金丝一个端点处进行匹配设计的优势，能很好的应用于微波多芯片组件中微带传输线之间、微带传输线与射频芯片之间的金丝键合匹配，保障传输性能，满足微波多芯片组件小型化、紧凑型布板需求。

如图6所示，显示了本发明所述一种微波多层电路中金丝键合宽带匹配结构与等长微带线和传统翼形节回波损耗对比图。图中曲线CH1为等长微带线回波损耗；曲线CH2为传统两侧匹配翼形节回波损耗；曲线CH3为本发明所一种微波多层电路中金丝键合结构宽带匹配结构回波损耗。由对比图可知，本发明所述一种微波多层电路中金丝键合宽带匹配结构在X波段(8-12GHz)回波损耗在-29dB以下，其中8.2GHz-12GHz频段内，在-30dB以下，接近于一根等长微带线的传输性能，与传统翼形节匹配性能相当，部分频段性能更优。

如图7所示，显示了本发明所述一种微波多层电路中金丝键合宽带匹配结构与等长微带线和传统翼形节插入损耗对比图。图中曲线CH1为等长微带线插入损耗；曲线CH2为传统两侧匹配翼形节插入损耗；曲线CH3为本发明所一种微波多层电路中金丝键合结构宽带匹配结构插入损耗。由对比图可知，本发明所述一种微波多层电路中金丝键合宽带匹配结构在X波段(8-12GHz)插入损耗小于0.12dB，接近一根等长微带线的插入损耗，在9GHz-12GHz频段内插入损耗稍小于传统翼形节。这里说本发明的匹配结构在X波段(8-12GHz)插入损耗小于0.12dB，接近一根等长微带线的插入损耗。

结合图6和图7，本发明提供的一种微波多层电路中金丝键合宽带匹配结构实现了宽带宽的阻抗匹配，在8-12GHZ范围内传输性能好以及插入损耗低。

如图8所示，是本发明提供的一种微波多层电路中金丝键合宽带匹配结构的等效电路图，图中翼形节代表一段微带高阻线401和第一金属焊盘402组成的翼形结构即第一匹配结构4，翼形节等效为电容C2和电容C3以及电感L2，匹配结构代表第一匹配结构4和第二匹配结构5组成的整体，第二匹配结构5等效为一个电容C4和一个电感L3，等效为电感L3和电容C4以及，金丝6等效为一个电阻R1、电感L1以及电容C1，左右两个端口即端口1和端口2均可以作为输入或者输出端口。

通过以上技术方案，本发明所提供的一种微波多层电路中金丝键合宽带匹配结构，微波传输性能接近于一条连续的微带传输线，稍优于传统翼形节的匹配性能，并且具有表层所占面积小、可调参数多、仅在金丝一端进行匹配设计的优势，可有效应用于宽带宽、表层匹配空间不足电路基板间金丝键合匹配，以及射频芯片与电路板上微带线间金丝键合匹配的需求，符合微波多芯片组件小型化、紧凑型布板的发展趋势。

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 (11)

1.一种微波多层电路中金丝键合宽带匹配结构，其特征在于，应用于多层电路板，所述多层电路板包括若干层介质板，其中，

在当前层介质板的金丝键合点的一侧端点设置第一匹配结构，且在当前层介质板的下方的介质板中，位于所述金丝键合点一侧端点的下方的位置设置第二匹配结构，在当前层介质板的金丝键合点的另一侧端点不设置匹配结构；

所述当前层介质板设置为多层电路板中的表层介质板，所述在当前层介质板的下方的介质板设置为多层电路板中的中间层介质板，所述第一匹配结构和第二匹配结构通过金属填充的过孔连接。

2.根据权利要求1所述的一种微波多层电路中金丝键合宽带匹配结构，其特征在于，所述当前层介质板中设置第一微带线和第二微带线，第一微带线和第二微带线之间有间隔；

第一匹配结构设置在第一微带线朝向第二微带线的一端，且所述第一匹配结构通过金丝与第二微带线连接。

3.根据权利要求1所述的一种微波多层电路中金丝键合宽带匹配结构，其特征在于，所述第二匹配结构位于所述第一匹配结构的正下方。

4.根据权利要求2所述的一种微波多层电路中金丝键合宽带匹配结构，其特征在于，所述第一匹配结构包括一段微带高阻线、第一金属焊盘，所述微带高阻线的一端与所述第一微带线连接，所述微带高阻线的另一端与所述第一金属焊盘的一端连接，所述第一金属焊盘与所述第二微带线之间有间隔，所述第一金属焊盘和第二微带线之间通过金丝压焊连接。

5.根据权利要求4所述的一种微波多层电路中金丝键合宽带匹配结构，其特征在于，所述第二匹配结构为第二金属焊盘，第二金属焊盘位于第一金属焊盘的正下方，第二金属焊盘与第一金属焊盘通过金属填充的过孔连通。

6.根据权利要求5所述的一种微波多层电路中金丝键合宽带匹配结构，其特征在于，所述过孔为垂直过孔。

7.根据权利要求1所述的一种微波多层电路中金丝键合宽带匹配结构，其特征在于，所述多层电路板包括底层介质板，所述底层介质板中设置微带地层。

8.根据权利要求1所述的一种微波多层电路中金丝键合宽带匹配结构，其特征在于，所述多层电路板的若干层介质板为Ferro A6低温共烧陶瓷介质板，介电常数为5.9，损耗正切为0.002，每层介质板厚度是0.096mm。

9.根据权利要求2所述的一种微波多层电路中金丝键合宽带匹配结构，其特征在于，所述第一微带线和第二微带线均为50Ω。

10.根据权利要求书1-8任一所述的微波多层电路中金丝键合宽带匹配结构的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：选取合适的连接过孔的孔径；

步骤二：在当前层介质板上的第一微带线上金丝键合点处设计第一匹配结构中的第一金属焊盘；

步骤三：在当前层介质板的下方的介质板中设计第二金属焊盘，其中，所述第二金属焊盘设置在所述金丝键合点处的正下方的位置；

步骤四：在表层的第一微带线与第一金属焊盘之间设计一段高阻线，第一匹配结构包括：与第一微带线连接的高阻线以及与高阻线连接的第一金属焊盘。

11.根据权利要求书9所述的微波多层电路中金丝键合宽带匹配结构的设计方法，其特征在于，在当前层介质板的下方的介质板下设计若干层介质板。

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