CN110824462A - 一种小型化高可靠低频垂直互联结构 - Google Patents

一种小型化高可靠低频垂直互联结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种小型化高可靠低频垂直互联结构，数字电路基板与LTCC射频电路基板平行正对设置，LTCC转接板安装在LTCC射频电路基板朝向数字电路基板的端面上，LTCC转接板与LTCC射频电路基板通过贴合面上设置的焊盘焊接相连，数字电路基板及LTCC转接板背向LTCC射频电路基板的端面上设置有相对应的焊盘，相对应的焊盘通过键合金带相连。本发明采用LTCC（低温共烧陶瓷）工艺设计LTCC转接板及LTCC射频电路基板，能够有效的减小转接板尺寸，实现垂直转接的小型化设计，相比PCB工艺的转接板，能够节省电路空间，缓解电路板走线压力。其次，LTCC转接板及LTCC射频电路基板配合使用，LTCC射频电路基板与裸芯片热匹配度好，高低温可靠性高，满足T/R组件的使用要求。

Description

一种小型化高可靠低频垂直互联结构
技术领域
本发明涉及相控阵雷达T/R组件，具体涉及一种小型化高可靠低频垂直互联结构。
背景技术
瓦片式T/R组件采用高密度集成、高可靠微波垂直互联等技术，有着更小的尺寸，更优良的散热性能，在降低T/R组件成本，减小体积尺寸、减轻设备重量和改善T/R组件可靠性等方面具有较大优势，易于实现相控阵的大规模阵列集成。
低频垂直互联结构是指包含直流电源与数字信号的互联结构。因相控阵雷达的T/R组件通道数量大、使用器件多，所以低频垂直互联结构的直流电源部分一般承载电流较大，而数字信号部分存在控制线多的特点。所以，制作性能优良的低频垂直互联结构是实现瓦片式T/R组件的关键之一，处理不当容易造成T/R组件中有源器件工作状态异常、直流馈电线局部温度过高等问题。这些问题会影响整个T/R组件的性能指标，如：输出功率一致性、通道间相位一致性、通道间幅度一致性等，进而影响了相控阵天线波束指向精度，对装备性能造成巨大的影响。
现阶段，瓦片式T/R组件低频垂直互联结构主要采用对插式连接器、互联导线、毛纽扣等方式，不同的T/R组件可能采用不同的互联结构。
现有新型专利“一种瓦片式相控阵TR组件”，专利号“CN207021990U”，该专利技术方案采用PCB转接板的方式实现层间信号互联，转接板采用印制板（PCB）工艺制作，使用时放置在收发通道板四周，用于实现收发通道板和数字板之间的低频连接。该专利中采用的转接板虽然能够实现信号的低频连接，但有以下几个缺点：①该PCB转接板体积较大，在实现层间互联上不可避免的占据了上下层的空间，从而增加了上下层基板中电路的走线难度。②受高低温下材料热膨胀系数不一致的影响。在高可靠应用中，PCB转接板需要配合PCB收发通道板使用，否则容易引起因热膨胀系数不一致而导致的应力，从而影响多芯片组件的可靠性。所以，利用PCB作为芯片的承载基板有着较低的可靠性，并非多芯片组件的最优选择。
因此，如何既保证瓦片式T/R组件的可靠性又满足其小型化的需求成为了本领域技术人员急需解决的问题。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，本发明需要解决的问题是：如何既保证瓦片式T/R组件的可靠性又满足其小型化的需求。
为解决现有技术中的问题，本发明采用了如下的技术方案：
一种小型化高可靠低频垂直互联结构，包括数字电路基板、LTCC射频电路基板、LTCC转接板及键合金带，其中，数字电路基板与LTCC射频电路基板平行正对设置，LTCC转接板安装在LTCC射频电路基板朝向数字电路基板的端面上，LTCC转接板与LTCC射频电路基板通过贴合面上设置的焊盘焊接相连，数字电路基板及LTCC转接板背向LTCC射频电路基板的端面上设置有相对应的焊盘，所述相对应的焊盘通过键合金带相连，LTCC转接板两端面的焊盘通过LTCC转接板内部的导通结构相连通。
优选地，LTCC射频电路基板上的焊盘包括第一直流焊盘及第一信号焊盘，LTCC转接板与LTCC射频电路基相贴合的端面上的焊盘包括与第一直流焊盘及第一信号焊盘相对应的第二直流焊盘及第二信号焊盘，第一直流焊盘及第二直流焊盘的面积大于第一信号焊盘及第二信号焊盘的面积。
优选地，信号焊盘均为方形焊盘，直流焊盘均为相邻边不等长的矩形焊盘。
优选地，LTCC转接板整体呈长条状，第一信号焊盘及第二信号焊盘均沿LTCC转接板长度方向呈多行排列，不同行之间的信号焊盘沿LTCC转接板宽度方向交错设置；每行第一信号焊盘的两端位置设置有第一直流焊盘，每行第二信号焊盘的两端位置设置有第二直流焊盘；LTCC转接板背向LTCC射频电路基板的端面上设置有与第二信号焊盘及第二直流焊盘对应的相对应的第三焊盘；数字电路基板背向LTCC射频电路基板的端面靠近LTCC转接板的一侧设置有与第三信号焊盘及第三直流焊盘对应的第四焊盘；LTCC转接板背向LTCC射频电路基板的端面及数字电路基板背向LTCC射频电路基板的端面上的焊盘的排列方式与LTCC转接板与LTCC射频电路基相贴合的端面上的焊盘的排列方式相同。
优选地，LTCC转接板长度方向上背向LTCC射频电路基板中心的侧面与LTCC射频电路基板的外侧面齐平，数字电路基板背向LTCC射频电路基板中心的侧面与转接板长度方向上朝向LTCC射频电路基板中心的侧面相平行；LTCC转接板与数字电路基板上对应焊盘之间的距离小于或等于2mm，LTCC转接板上焊盘沿LTCC转接板长度方向的间距大于0.2mm，数字电路基板及LTCC转接板背向LTCC射频电路基板的端面之间沿垂直于端面方向的距离小于0.5mm，LTCC转接板的厚度范围为0.5mm~4mm。
优选地，LTCC射频电路基板及LTCC转接板相贴合的两个端面的焊盘采用LTCC外层PtPdAu工艺加工得到，导体膜厚为10um±3um，LTCC射频电路基板与LTCC转接板相贴合的两个端面的焊盘采用Sn63Pb37焊料焊接。
优选地，LTCC转接板背向LTCC射频电路基板的端面的焊盘采用LTCC外层Au印刷工艺得到，导体膜厚为10um±3um，数字电路基板背向LTCC射频电路基板的端面的焊盘采用PCB软金印刷工艺得到，金厚≥3um。
综上所述，本发明公开了一种小型化高可靠低频垂直互联结构，包括数字电路基板、LTCC射频电路基板、LTCC转接板及键合金带，其中，数字电路基板与LTCC射频电路基板平行正对设置，LTCC转接板安装在LTCC射频电路基板朝向数字电路基板的端面上，LTCC转接板与LTCC射频电路基板通过贴合面上设置的焊盘焊接相连，数字电路基板及LTCC转接板背向LTCC射频电路基板的端面上设置有相对应的焊盘，所述相对应的焊盘通过键合金带相连，LTCC转接板两端面的焊盘通过LTCC转接板内部的导通结构相连通。本发明采用LTCC（低温共烧陶瓷）工艺设计LTCC转接板及LTCC射频电路基板，能够有效的减小转接板尺寸，实现垂直转接的小型化设计，相比PCB工艺的转接板，能够节省电路空间，缓解电路板走线压力。其次，LTCC转接板及LTCC射频电路基板配合使用，LTCC射频电路基板与裸芯片热匹配度好，高低温可靠性高，满足T/R组件的使用要求。
附图说明
为了使发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：
图1为本发明公开的一种小型化高可靠低频垂直互联结构的一种具体实施例的结构示意图；
图2为本发明公开的一种小型化高可靠低频垂直互联结构的一种具体实施例的结构分解图；
图3为本发明公开的一种小型化高可靠低频垂直互联结构的一种具体实施例的尺寸示意图；
图4为本发明公开的一种小型化高可靠低频垂直互联结构的一种具体实施例的互联结构应用实例图；
图5为本发明公开的一种小型化高可靠低频垂直互联结构的一具体实例的直流导通电阻测试值示意图；
图6为本发明公开的一种小型化高可靠低频垂直互联结构的一具体实例的引线键合拉力测试值示意图。
附图标记说明：LTCC射频电路基板1、LTCC转接板2、键合金带3、数字电路基板4、第一直流焊盘5、第一信号焊盘6、第二直流焊盘7、第二信号焊盘8、第三焊盘9、金属柱10、第四焊盘11、LTCC转接板与数字电路基板上对应焊盘之间的距离12、LTCC转接板上焊盘沿LTCC转接板长度方向的间距13、数字电路基板及LTCC转接板背向LTCC射频电路基板的端面之间沿垂直于端面方向的距离14、LTCC转接板的厚度15。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
如图1及图2所示，本发明公开了一种小型化高可靠低频垂直互联结构，包括数字电路基板4、LTCC射频电路基板1、LTCC转接板2及键合金带3，其中，数字电路基板4与LTCC射频电路基板1平行正对设置，LTCC转接板2安装在LTCC射频电路基板1朝向数字电路基板4的端面上，LTCC转接板2与LTCC射频电路基板1通过贴合面上设置的焊盘焊接相连，数字电路基板4及LTCC转接板2背向LTCC射频电路基板1的端面上设置有相对应的焊盘，所述相对应的焊盘通过键合金带3相连，LTCC转接板2两端面的焊盘通过LTCC转接板2内部的导通结构相连通。
本发明中的导通结构具体可为LTCC转接板2内部的金属柱10。
本发明采用LTCC（低温共烧陶瓷）工艺设计LTCC转接板2及LTCC射频电路基板1，能够有效的减小转接板尺寸，实现垂直转接的小型化设计，相比PCB工艺的转接板，能够节省电路空间，缓解电路板走线压力。其次，LTCC转接板2及LTCC射频电路基板1配合使用，LTCC射频电路基板1与裸芯片热匹配度好，高低温可靠性高，满足T/R组件的使用要求。
具体实施时，LTCC射频电路基板1上的焊盘包括第一直流焊盘5及第一信号焊盘6，LTCC转接板2与LTCC射频电路基相贴合的端面上的焊盘包括与第一直流焊盘5及第一信号焊盘6相对应的第二直流焊盘7及第二信号焊盘8，第一直流焊盘5及第二直流焊盘7的面积大于第一信号焊盘6及第二信号焊盘8的面积。
本发明通过引线键合焊盘的布局设计，将直流供电与数字信号集成到一个转接板中，简化了上下层电路基板的电路设计。信号焊盘实现数字信号的传输，直流焊盘实现直流供电。由于直流焊盘的横截面积大于信号焊盘，与采用相同的焊盘传递电流和数字信号相比，本发明可以降低直流通路的导通电阻，降低因导通电阻而带来的电压压降，满足LTCC射频电路基板1中有源器件的使用需求。
具体实施时，信号焊盘均为方形焊盘，直流焊盘均为相邻边不等长的矩形焊盘。
为了便于排列各个安排的位置和便于加工焊接，因此可将信号焊盘设置为方形焊盘，直流焊盘设置为相邻边不等长的矩形焊盘。
如图4所示，具体实施时，LTCC转接板2整体呈长条状，第一信号焊盘6及第二信号焊盘8均沿LTCC转接板2长度方向呈多行排列，不同行之间的信号焊盘沿LTCC转接板2宽度方向交错设置；每行第一信号焊盘6的两端位置设置有第一直流焊盘5，每行第二信号焊盘8的两端位置设置有第二直流焊盘7；LTCC转接板2背向LTCC射频电路基板1的端面上设置有与第二信号焊盘8及第二直流焊盘7对应的相对应的第三焊盘9（每个第二信号焊盘8及第二直流焊盘7都有对应的第三焊盘9，且通过金属柱10连接，图上为了便于看清金属柱10结构因此并未画出所有金属柱10）；数字电路基板4背向LTCC射频电路基板1的端面靠近LTCC转接板2的一侧设置有与第三信号焊盘及第三直流焊盘对应的第四焊盘11；LTCC转接板2背向LTCC射频电路基板1的端面及数字电路基板4背向LTCC射频电路基板1的端面上的焊盘的排列方式与LTCC转接板2与LTCC射频电路基相贴合的端面上的焊盘的排列方式相同。
在本发明中，直流焊盘设置在每行信号焊盘两端的位置，如图2所示，不一定需要设置在最边上，可设置在每行端部最靠外的两个信号焊盘之间。由于直流焊盘的面积大于信号焊盘的面积，因此，采用这种设置方式，可以将直流焊盘设置在焊盘阵列的角上，使得焊接之后整个焊接整列的强度更高。
现有技术中，以现有新型专利“一种瓦片式相控阵TR组件”，专利号“CN207021990U”为例，该专利所设计转接板上引线键合采用并排方式，且在转接板三个边缘进行键合，这种方式增加了引线键合的难度，同时容易出现引线间短路的情况。
而本发明中，将焊盘以特殊的阵列结构设置，采用“交指型”引线键合方式，简化了引线键合的工序，减小了引线键合的难度，缩小了转接板的结构尺寸，占用层间空间更小，缓解了上下层电路板的走线难度，有利于T/R组件的小型化设计。
如图3所示，具体实施时，LTCC转接板2长度方向上背向LTCC射频电路基板1中心的侧面与LTCC射频电路基板1的外侧面齐平，数字电路基板4背向LTCC射频电路基板1中心的侧面与转接板长度方向上朝向LTCC射频电路基板1中心的侧面相平行；LTCC转接板2与数字电路基板4上对应焊盘之间的距离小于或等于2mm，LTCC转接板2上焊盘沿LTCC转接板2长度方向的间距大于0.2mm，数字电路基板4及LTCC转接板2背向LTCC射频电路基板1的端面之间沿垂直于端面方向的距离小于0.5mm，LTCC转接板2的厚度范围为0.5mm~4mm。
LTCC转接板2与数字电路基板4之间用于引线键合的焊盘距离不宜过大，跨度过大会影响键合金带3的可靠性，具体表现为引线的塌陷、引线间短路等，该尺寸应控制在2mm以内；LTCC转接板2中上下两排焊盘的焊盘距离不宜过小，间距过小会增加LTCC转接板2的加工难度，同时会增加键合金带3之间短路的可能性，应控制在0.2mm以上；LTCC转接板2与数字电路基板4之间垂直高度差应尽量小，以减小键合金带3的制作难度，应控制在0.5mm以内；LTCC转接板2的厚度可以根据需要对LTCC进行层增加或减小，从而可以根据需要实现0.5mm~4mm之间的厚度调节。上述关键尺寸的设计关系到低频垂直转接结构的可靠性，特别是引线键合的可靠性，可以通过具体情况进行调节。
具体实施时，LTCC射频电路基板1及LTCC转接板2相贴合的两个端面的焊盘采用LTCC外层PtPdAu工艺加工得到，导体膜厚为10um±3um，LTCC射频电路基板1与LTCC转接板2相贴合的两个端面的焊盘采用Sn63Pb37焊料焊接。
采用PtPdAu工艺，能够让项贴合的两个端面采用回流焊的方式进行焊接，采用10um±3um厚度的膜厚是为了让焊接后的可靠性更高；采用Sn63Pb37是因为该焊料浸润性好，在焊接过程中焊盘空洞率小，从而在电路上表现为导通电阻小，结构力学上表现为可靠性高。
具体实施时，LTCC转接板2背向LTCC射频电路基板1的端面的焊盘采用LTCC外层Au印刷工艺得到，导体膜厚为10um±3um，数字电路基板4背向LTCC射频电路基板1的端面的焊盘采用PCB软金印刷工艺得到，金厚≥3um。
LTCC基板上采用Au印刷工艺，能够满足引线键合的需求。PCB上采用软金，也是同样的道理。其次，Au是贵金属，采用这样的金厚度是为在电性能、可靠性和成本上的折衷选择。
LTCC转接板2两端面的焊盘采用金属柱10相连，由于陶瓷与金属的收缩率不一致，所以在烧结时需要对金属浆料数量进行控制，保证烧结后LTCC转接板2上焊盘的平整。键合金带3可采用100um×25um的尺寸，使得能够承载较大直流电流。
在一具体实例中，LTCC转接板2表面焊盘的数量为57个，包含通过直流焊盘8个及信号焊盘49个，所有焊盘均做在一个LTCC转接板2上，水平距离为0.3mm，厚度为2.8mm，整个转接板的尺寸为17mm×1.7mm×2.8mm。垂直转接结构中焊盘距离为2mm，垂直高度差为0.4mm。整个转接结构尺寸较小，不占用LTCC射频电路基板1与数字电路基板4过多的空间，减小了其他电路的设计难度。
按照上述方式与尺寸进行低频垂直互联结构制作，利用高精度数字万用表对垂直互联结构中8路直流焊盘通路进行测试，测试结果如图5所示，直流电流通道的导通电阻能够控制在70mΩ以内；在较大电流下，减小了因导通电阻而带来的电压压降。
另一方面，利用拉力剪切力测试仪对57个焊盘的键合拉力进行了测试，测试结果如图6所示，键合拉力均在20g以上，满足GJB 548B相关要求。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过参照本发明的优选实施例已经对本发明进行了描述，但本领域的普通技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其做出各种各样的改变，而不偏离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围。

Claims (7)

1.一种小型化高可靠低频垂直互联结构，其特征在于，包括数字电路基板、LTCC射频电路基板、LTCC转接板及键合金带，其中，数字电路基板与LTCC射频电路基板平行正对设置，LTCC转接板安装在LTCC射频电路基板朝向数字电路基板的端面上，LTCC转接板与LTCC射频电路基板通过贴合面上设置的焊盘焊接相连，数字电路基板及LTCC转接板背向LTCC射频电路基板的端面上设置有相对应的焊盘，所述相对应的焊盘通过键合金带相连，LTCC转接板两端面的焊盘通过LTCC转接板内部的导通结构相连通。
2.如权利要求1所述的小型化高可靠低频垂直互联结构，其特征在于，LTCC射频电路基板上的焊盘包括第一直流焊盘及第一信号焊盘，LTCC转接板与LTCC射频电路基相贴合的端面上的焊盘包括与第一直流焊盘及第一信号焊盘相对应的第二直流焊盘及第二信号焊盘，第一直流焊盘及第二直流焊盘的面积大于第一信号焊盘及第二信号焊盘的面积。
3.如权利要求2所述的小型化高可靠低频垂直互联结构，其特征在于，信号焊盘均为方形焊盘，直流焊盘均为相邻边不等长的矩形焊盘。
4.如权利要求2所述的小型化高可靠低频垂直互联结构，其特征在于，LTCC转接板整体呈长条状，第一信号焊盘及第二信号焊盘均沿LTCC转接板长度方向呈多行排列，不同行之间的信号焊盘沿LTCC转接板宽度方向交错设置；每行第一信号焊盘的两端位置设置有第一直流焊盘，每行第二信号焊盘的两端位置设置有第二直流焊盘；LTCC转接板背向LTCC射频电路基板的端面上设置有与第二信号焊盘及第二直流焊盘对应的相对应的第三焊盘；数字电路基板背向LTCC射频电路基板的端面靠近LTCC转接板的一侧设置有与第三信号焊盘及第三直流焊盘对应的第四焊盘；LTCC转接板背向LTCC射频电路基板的端面及数字电路基板背向LTCC射频电路基板的端面上的焊盘的排列方式与LTCC转接板与LTCC射频电路基相贴合的端面上的焊盘的排列方式相同。
5.如权利要求1至4任一项所述的小型化高可靠低频垂直互联结构，其特征在于，LTCC转接板长度方向上背向LTCC射频电路基板中心的侧面与LTCC射频电路基板的外侧面齐平，数字电路基板背向LTCC射频电路基板中心的侧面与转接板长度方向上朝向LTCC射频电路基板中心的侧面相平行；LTCC转接板与数字电路基板上对应焊盘之间的距离小于或等于2mm，LTCC转接板上焊盘沿LTCC转接板长度方向的间距大于0.2mm，数字电路基板及LTCC转接板背向LTCC射频电路基板的端面之间沿垂直于端面方向的距离小于0.5mm，LTCC转接板的厚度范围为0.5mm~4mm。
6.如权利要求1所述的小型化高可靠低频垂直互联结构，其特征在于，LTCC射频电路基板及LTCC转接板相贴合的两个端面的焊盘采用LTCC外层PtPdAu工艺加工得到，导体膜厚为10um±3um，LTCC射频电路基板与LTCC转接板相贴合的两个端面的焊盘采用Sn63Pb37焊料焊接。
7.如权利要求1所述的小型化高可靠低频垂直互联结构，其特征在于，LTCC转接板背向LTCC射频电路基板的端面的焊盘采用LTCC外层Au印刷工艺得到，导体膜厚为10um±3um，数字电路基板背向LTCC射频电路基板的端面的焊盘采用PCB软金印刷工艺得到，金厚≥3um。
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