CN111668582B - 半空气填充基片集成凹槽间隙波导及其微带过渡转换装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种半空气填充基片集成凹槽间隙波导及其微带过渡转换装置，所述基片集成凹槽间隙波导利用倒装芯片技术将上下两块基板通过BGA焊料球倒装而成，上下两块基板垂直叠加在一起，基板之间的空气间隙层由焊料球支撑，空气间隙层和下层基板内的部分介质构成了该基板集成凹槽间隙基片集成凹槽间隙波导电磁波传输的路径。所述基片集成凹槽间隙波导的微带过渡转换装置。所述过渡转换装置由T形枝节、阻抗匹配段、一对反射焊料球构成。该发明的过渡转换装置能够实现所发明的新型半空气填充基片集成凹槽间隙波导至微带线的径向过渡转换。本发明具有剖面低、重量轻、体积小、易于集成等优点。
Description
技术领域
本发明属于电磁场与微波技术领域，具体涉及半空气填充基片集成凹槽间隙波导(BGA-GWG)及其微带过渡转换装置。
背景技术
随着无线通信技术的迅速发展与应用，各种新型无线通信系统信息传输效率和质量越来越高，结构也越来越复杂。尤其在毫米波和太赫兹工作频段，在各种微波系统中，信号的传输和无源、有源电路的实现都离不开低损耗传输媒介。为了满足低损耗、高集成系统的需求，2009年瑞典的P.-S.Kildal教授提出间隙基片集成凹槽间隙波导(Gap Waveguide,GWG)传输线技术。与传统基片集成凹槽间隙波导对比，GWG具有在毫米波和太赫兹工作频段应用中低传输损耗的优势。此外，GWG具有垂直于传播方向的非接触式电磁屏蔽，因此其传输质量对加工误差不敏感，这对于毫米波和太赫兹工程应用也十分重要。
间隙基片集成凹槽间隙波导分为三种类型：脊间隙基片集成凹槽间隙波导(RidgeGWG)，凹槽间隙基片集成凹槽间隙波导(Groove GWG)和微带间隙基片集成凹槽间隙波导。这三种GWG结构可由全金属构成，也可由金属与印刷电路板(Printed Circuit Borad,PCB)混合构成。电磁波分别以准横电磁(Transverse Electromagnetic,TEM)模和准(Transverse Electric,TE)模的形式在脊/微带GWG和凹槽GWG中传播。
典型的脊GWG设计中使用的是销钉型周期单元。脊在非传播方向上被周期性的销钉包围，通常是由机械加工制成。脊GWG也可以通过PCB或低温共烧陶瓷(LTCC)基板集成。在这些基板集成的脊GWG中，采用了蘑菇型周期单元。在过去发表的一些研究中，LTCC或PCB基板由基于金属基底的基板框架支撑，以保持气隙层，实现低传输损耗特性。但是，很难在较大的尺寸上保持恒定的气隙高度，甚至在任何较小的压力或碰撞中导致性能下降或不稳定。也有一些研究中提出了完整的基板集成脊GWG，它们在基板损耗更大的情况下仍显示了自封装的优势。
典型的凹槽GWG设计也主要使用的是销钉型周期单元，销钉阵列之间的凹槽是电磁波的传播路径。由于设计轻巧，通常使用3-D打印技术而不是机械加工来制造槽GWG。已有学者研究了微电子机械系统(MEMS)技术，以设计用于基片集成凹槽间隙波导和封装的W波段槽GWG带通滤波器。目前，与3-D打印技术相比，MEMS技术具有加工精度高、体积小的优点。然而，槽GWG的设计尺寸受限于晶片尺寸，并且其研究成本相对较高。此外，MEMS槽GWG在制造过程中需要两块硅晶片作为边界，这使得其难以与其他元件或基片集成。为了解决上述问题，需要开发新型的基片集成槽GWG解决方案。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种半空气填充基片集成凹槽间隙波导及其微带过渡转换装置，为传统槽间隙基片集成凹槽间隙波导的一种基板集成解决方案，具有剖面低、重量轻、体积小、易于集成等优点，可应用于嵌入式晶圆级封装的前端收发机等有源芯片构建全介质集成的前端系统，应用于对尺寸和重量有较高要求的小型无人机等平台。
为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：
半空气填充基片集成凹槽间隙波导，包括T基板和B基板，所述T基板平行设于B基板的正上方；
所述T基板下表面设有第一金属化层，第一金属化层上覆盖阻焊掩膜层，用于球栅阵列(Ball Grid Array，BGA)焊料球的植球；
所述B基板下表面为第二金属化层，B基板上表面的纵向两侧设有相同的金属焊盘阵列，用于焊接BGA焊料球；
所述BGA焊料球按照金属焊盘阵列对应的位置焊接在T基板的下表面，然后将T基板通过倒装技术装配于B基板的正上方，从而T基板和B基板之间通过两列BGA焊球阵列支撑，形成空气间隙层；
每一个BGA焊料球、其正上方T基板的部分、正下方B基板的部分以及空气间隙层的部分构成一个BGA周期单元；
所述基片集成凹槽间隙波导的凹槽位于BGA焊料球之间，由空气间隙层和B基板构成。
为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
上述的T基板和B基板为Al2O3。
对于W波段的基片集成凹槽间隙波导设计，所述BGA周期单元的周期p设置为0.8mm，所述BGA焊料球的直径为300um，空气间隙层的高度，即BGA焊料球的最终塌陷高度设置为h2＝0.16mm，且介电常数εr＝9.9，损耗角正切tanδ＝0.0001，T基板的高度h1＝0.254mm，B基板的高度h3＝0.127mm，凹槽两侧BGA焊球阵列之间的距离为g＝2.2mm。
上述的BGA周期单元的周期p小于波长的一半。
上述的BGA焊料球的直径小于0.5p。
上述的过渡转换装置包括T形枝节，阻抗匹配段和一对反射焊料球；
所述T形枝节插入微带线和基片集成凹槽间隙波导交接处，并向基片集成凹槽间隙波导内部延伸；
所述阻抗匹配段，由宽度按照一定规律渐变的微带线段组成，位于T形枝节和微带线之间；
所述一对反射焊料球，其形状规格和基片集成凹槽间隙波导中的BGA焊料球一致，位于阻抗匹配段中心位置附近两侧；
所述T形枝节实现微带线电磁场至基片集成凹槽间隙波导的凹槽的分布和耦合，其内部包含了磁场匹配区域；
所述阻抗匹配段实现微带线至T形枝节的阻抗匹配功能；
所述一对反射焊料球实现电磁场的反射，使电磁场向基片集成凹槽间隙波导的凹槽传输。
上述的过渡转换装置具体结构参数为：阻抗匹配段微带渐变的系列宽度分别为w1＝0.067mm，w2＝0.15mm，w3＝0.24mm，w4＝0.28mm，w5＝0.42mm，w6＝0.6mm；从微带线至阻抗匹配段及T形枝节的微带渐变的系列长度分别为l1＝0.83mm，l2＝0.95mm，l3＝1.57mm，l4＝1.66mm，l5＝1.8mm，l6＝1.9mm，l7＝2.0mm；一对反射焊料球中心距离凹槽对称轴的距离为w7＝0.6mm；T形枝节内部圆形磁场匹配区域圆半径为rv＝0.25mm；T形枝节内部圆形磁场匹配区域中心距离微带线边沿的距离为d1＝1.8mm；一对反射焊料球中心距离微带线边沿的距离为d2＝1.4mm；微带线及阻抗匹配段在T基板外的纵向距离为d3＝1.0mm。
上述的基片集成凹槽间隙波导工作频率设计于毫米波频段和太赫兹频段。
上述的过渡转换装置设计工作于和基片集成凹槽间隙波导匹配的频段。
本发明具有以下有益效果：
本发明的新型半空气填充的基片集成凹槽间隙波导利用倒装芯片(Flip-Chip)技术将上下两块基板通过球栅阵列(Ball Grid Array，BGA)焊料球倒装而成，因此本发明中也简称之BGA-GWG。在本发明新型半空气填充的基片集成凹槽间隙波导中，上下两块基板垂直叠加在一起，基板之间的空气间隙层由焊料球支撑，空气间隙层和下层基板内的部分介质构成了该基板集成凹槽间隙基片集成凹槽间隙波导电磁波传输的路径。
为了便于与其他无源/有源器件进行系统集成，本发明还公开了所发明新型半空气填充的基片集成凹槽间隙波导的微带过渡转换装置。该过渡转换装置由T形枝节、阻抗匹配段、一对反射焊料球构成。该发明的微带过渡转换装置能够实现所发明的新型半空气填充基片集成凹槽间隙波导至微带线的径向过渡转换。
相比于已有机械加工或三维打印凹槽间隙基片集成凹槽间隙波导，本发明具有低剖面、轻量化和全介质集成等优点，能够广泛应用于毫米波和太赫兹电路设计与天线领域，配合晶圆级嵌入式封装的前端收发芯片，本发明能够提供毫米波和太赫兹频段前端系统的全介质集成方案，特别适用于对尺寸和重量要求较高的小型化无人机载应用领域。
附图说明
图1是本发明基片集成凹槽间隙波导的结构示意图；
图2是本发明过渡转换装置的结构示意图；
图3是根据本发明仿真的基片集成凹槽间隙波导传输性能结果；
图4是根据本发明仿真的基片集成凹槽间隙波导至微带线过渡转换装置的背靠背传输性能仿真结果。
其中的附图标记为：凹槽1，BGA焊料球2，空气间隙层3，T基板4，B基板5，第一金属化层6，第二金属化层7，微带线8，T形枝节9，阻抗匹配段10，一对反射焊料球11。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。
参见图1，半空气填充基片集成凹槽间隙波导,由上下两片底层金属化的基板通过BGA焊料球垂直安装组成，根据它们的相对位置，将上下两个基板分别称为T基板4和B基板5；T基板4和B基板5的下表面都被金属覆盖，构成了金属平行板；基片集成凹槽间隙波导的宽度和长度分别为w和l，可以十分方便地和嵌入式晶圆级封装的毫米波、太赫兹有源芯片构成全介质集成的前端收发系统。
具体的，所述基片集成凹槽间隙波导包括T基板4和B基板5，所述T基板4平行设于B基板5的正上方，基板的形状不局限于矩形；
所述T基板4下表面设有第一金属化层6，第一金属化层6上覆盖阻焊掩膜层，用于BGA焊料球2的植球；
所述B基板5下表面为第二金属化层7，B基板5上表面的纵向两侧设有相同的金属焊盘阵列，用于焊接BGA焊料球2；
所述BGA焊料球2按照金属焊盘阵列对应的位置焊接在T基板4的下表面，然后将T基板4通过倒装技术装配于B基板5的正上方，从而T基板4和B基板5之间通过两列BGA焊球阵列支撑，形成空气间隙层3；
每一个BGA焊料球2、其正上方T基板4的部分、正下方B基板5的部分以及空气间隙层3的部分构成一个BGA周期单元；
所述基片集成凹槽间隙波导的凹槽1位于BGA焊料球2之间，由空气间隙层3和B基板5构成。
实施例中，所述T基板4和B基板5可以选择相同或者不同的各类型衬底基板材料；例如T基板4和B基板5为Al2O3。
实施例中，对于W波段的基片集成凹槽间隙波导设计，所述BGA周期单元的周期p设置为0.8mm，所述BGA焊料球2的直径为300um，空气间隙层3的高度，即BGA焊料球2的最终塌陷高度设置为h2＝0.16mm，且介电常数εr＝9.9，损耗角正切tanδ＝0.0001，T基板4的高度h1＝0.254mm，B基板5的高度h3＝0.127mm，凹槽1两侧BGA焊球阵列之间的距离为g＝2.2mm。
实施例中，为了避免布拉格散射，所述BGA周期单元的周期p小于波长的一半。
实施例中，为了在倒装工艺过程中保持两个相邻BGA焊料球2之间的安全间隙，建议所述BGA焊料球2的直径小于0.5p。
所述的半空气填充基片集成凹槽间隙波导的的微带过渡转换装置，可实现所述的半空气填充基片集成凹槽间隙波导与其他无源/有源器件的全介质集成。
参见图2，所述过渡转换装置包括T形枝节9，阻抗匹配段10和一对反射焊料球11；
所述T形枝节9插入微带线8和基片集成凹槽间隙波导交接处，并向基片集成凹槽间隙波导内部延伸；
所述阻抗匹配段10，由宽度按照一定规律渐变的微带线段组成，位于T形枝节9和微带线8之间；
所述一对反射焊料球11，其形状规格和基片集成凹槽间隙波导中的BGA焊料球2一致，位于阻抗匹配段10中心位置附近两侧；
所述T形枝节9实现微带线电磁场至基片集成凹槽间隙波导的凹槽1的分布和耦合，其内部包含了磁场匹配区域；
所述阻抗匹配段10实现微带线至T形枝节9的阻抗匹配功能；
所述一对反射焊料球11实现电磁场的反射，使电磁场向基片集成凹槽间隙波导的凹槽1传输。
实施例中，所述基片集成凹槽间隙波导工作频率设计于毫米波频段和太赫兹频段。
实施例中，所述过渡转换装置设计工作于和基片集成凹槽间隙波导匹配的频段。
参见图2，实施例中，所述过渡转换装置具体结构参数为：阻抗匹配段10微带渐变的系列宽度分别为w1＝0.067mm，w2＝0.15mm，w3＝0.24mm，w4＝0.28mm，w5＝0.42mm，w6＝0.6mm；从微带线8至阻抗匹配段10及T形枝节9的微带渐变的系列长度分别为l1＝0.83mm，l2＝0.95mm，l3＝1.57mm，l4＝1.66mm，l5＝1.8mm，l6＝1.9mm，l7＝2.0mm；一对反射焊料球11中心距离凹槽1对称轴的距离为w7＝0.6mm；T形枝节9内部圆形磁场匹配区域圆半径为rv＝0.25mm；T形枝节9内部圆形磁场匹配区域中心距离微带线边沿的距离为d1＝1.8mm；一对反射焊料球11中心距离微带线边沿的距离为d2＝1.4mm；微带线8及阻抗匹配段10在T基板外的纵向距离为d3＝1.0mm。
参见图3和图4，从图3中可以看出，所述基片集成凹槽间隙波导通带频率范围为70GHz～118GHz。从图4中可以看出本实施例中的所述基片集成凹槽间隙波导至微带过渡转换装置可以在90GHz～98.8GHz频率范围内实现电磁波的正常传输。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。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前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.半空气填充基片集成凹槽间隙波导，其特征在于，包括T基板(4)和B基板(5)，所述T基板(4)平行设于B基板(5)的正上方；
所述T基板(4)下表面设有第一金属化层(6)，第一金属化层(6)上覆盖阻焊掩膜层，用于BGA焊料球(2)的植球；
所述B基板(5)下表面为第二金属化层(7)，B基板(5)上表面的纵向两侧设有相同的金属焊盘阵列，用于焊接BGA焊料球(2)；
所述BGA焊料球(2)按照金属焊盘阵列对应的位置焊接在T基板(4)的下表面，然后将T基板(4)通过倒装技术装配于B基板(5)的正上方，从而T基板(4)和B基板(5)之间通过两列BGA焊球阵列支撑，形成空气间隙层(3)；
每一个BGA焊料球(2)、其正上方T基板(4)的部分、正下方B基板(5)的部分以及空气间隙层(3)的部分构成一个BGA周期单元；
所述基片集成凹槽间隙波导的凹槽(1)位于BGA焊料球(2)之间，由空气间隙层(3)和B基板(5)构成。
2.根据权利要求1所述的半空气填充基片集成凹槽间隙波导，其特征在于，所述T基板(4)和B基板(5)为Al2O3。
3.根据权利要求1所述的半空气填充基片集成凹槽间隙波导，其特征在于，对于W波段的基片集成凹槽间隙波导设计，所述BGA周期单元的周期p设置为0.8mm，所述BGA焊料球(2)的直径为300um，空气间隙层(3)的高度，BGA焊料球(2)的最终塌陷高度设置为h2＝0.16mm，且介电常数εr＝9.9，损耗角正切tanδ＝0.0001，T基板(4)的高度h1＝0.254mm，B基板(5)的高度h3＝0.127mm，凹槽(1)两侧BGA焊球阵列之间的距离为g＝2.2mm。
4.根据权利要求1所述的半空气填充基片集成凹槽间隙波导，其特征在于，所述BGA周期单元的周期p小于波长的一半。
5.根据权利要求4所述的半空气填充基片集成凹槽间隙波导，其特征在于，所述BGA焊料球(2)的直径小于0.5p。
6.根据权利要求1-5任一所述的半空气填充基片集成凹槽间隙波导的微带过渡转换装置，其特征在于，
所述过渡转换装置包括T形枝节(9)，阻抗匹配段(10)和一对反射焊料球(11)；
所述T形枝节(9)插入微带线(8)和基片集成凹槽间隙波导交接处，并向基片集成凹槽间隙波导内部延伸；
所述阻抗匹配段(10)，由宽度按照一定规律渐变的微带线段组成，位于T形枝节(9)和微带线(8)之间；
所述一对反射焊料球(11)，其形状规格和基片集成凹槽间隙波导中的BGA焊料球(2)一致，位于阻抗匹配段(10)中心位置两侧；
所述T形枝节(9)实现微带线电磁场至基片集成凹槽间隙波导的凹槽(1)的分布和耦合，其内部包含了磁场匹配区域；
所述阻抗匹配段(10)实现微带线至T形枝节(9)的阻抗匹配功能；
所述一对反射焊料球(11)实现电磁场的反射，使电磁场向基片集成凹槽间隙波导的凹槽(1)传输。
7.根据权利要求6所述的微带过渡转换装置，其特征在于，所述过渡转换装置具体结构参数为：阻抗匹配段(10)微带渐变的系列宽度分别为：w1＝0.067mm，w2＝0.15mm，w3＝0.24mm，w4＝0.28mm，w5＝0.42mm，w6＝0.6mm；从微带线(8)至阻抗匹配段(10)及T形枝节(9)的微带渐变的系列长度分别为：l1＝0.83mm，l2＝0.95mm，l3＝1.57mm，l4＝1.66mm，l5＝1.8mm，l6＝1.9mm，l7＝2.0mm；一对反射焊料球(11)中心距离凹槽(1)对称轴的距离为w7＝0.6mm；T形枝节(9)内部圆形磁场匹配区域圆半径为rv＝0.25mm；T形枝节(9)内部圆形磁场匹配区域中心距离微带线边沿的距离为d1＝1.8mm；一对反射焊料球(11)中心距离微带线边沿的距离为d2＝1.4mm；微带线(8)及阻抗匹配段(10)在T基板外的纵向距离为d3＝1.0mm。
8.根据权利要求6所述的微带过渡转换装置，其特征在于，所述基片集成凹槽间隙波导工作频率设计于毫米波频段和太赫兹频段。
9.根据权利要求8所述的微带过渡转换装置，其特征在于，所述过渡转换装置设计工作于和基片集成凹槽间隙波导匹配的频段。
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