CN112018066A - 基于htcc的高频垂直互联结构及封装结构 - Google Patents

基于htcc的高频垂直互联结构及封装结构 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于HTCC的高频垂直互联结构及封装结构，属于微波器件技术领域，包括陶瓷基板、射频信号背面引脚焊盘、射频信号正面引脚焊盘、接地正面引脚焊盘、接地背面引脚焊盘、背面接地区、芯片安装区、顶层封口环和垂直接地孔组，射频信号正面引脚焊盘通过射频信号侧面垂直过渡半孔与射频信号背面引脚焊盘垂直互联；接地正面引脚焊盘通过接地侧面垂直过渡半孔与接地背面引脚焊盘垂直互联；背面接地区设置于第三层陶瓷阶梯的背面；芯片安装区设置于第三层陶瓷阶梯的正面；垂直接地孔组垂直贯穿陶瓷基板。本发明提供的基于HTCC的高频垂直互联结构，寄生电感小，能够提高在高频时的传输性能，满足高频封装的需求。

Description

基于HTCC的高频垂直互联结构及封装结构
技术领域
本发明属于微波器件技术领域，更具体地说，是涉及一种基于HTCC的高频垂直互联结构及封装结构。
背景技术
随着电子设备小型化及集成度的需求越来越高，需要采用高性能高可靠的射频垂直互联结构。对于芯片级封装垂直互联结构的实现，现在经常采用的互联形式有微波电缆、线缆、金属连接器以及毛纽扣等，但这些互联结构体积大、互联密度低且在高频时微波性能差。随着高温共烧陶瓷(High Temperature Cofired Ceramics，以下简称HTCC)技术的不断成熟，基于HTCC工艺的封装产品在电子设备上实现高频、高密度互连的需求越来越高。目前应用的HTCC垂直互联结构采用打孔方式互联，寄生电感大，在高频时传输性能不理想，不能满足高频封装的需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于HTCC的高频垂直互联结构，旨在解决现有基于HTCC封装的产品高频传输时性能差的问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种基于HTCC的高频垂直互联结构，包括：陶瓷基板、射频信号正面引脚焊盘、射频信号背面引脚焊盘、接地正面引脚焊盘、接地背面引脚焊盘、背面接地区、芯片安装区、顶层封口环和垂直接地孔组，陶瓷基板为阶梯状包括自上至下顺次相连的第一层陶瓷阶梯、第二层陶瓷阶梯和第三层陶瓷阶梯；射频信号正面引脚焊盘设置于所述第二层陶瓷阶梯的正面；射频信号背面引脚焊盘设置于所述第三层陶瓷阶梯的背面，所述射频信号正面引脚焊盘通过设置于所述陶瓷基板侧面的射频信号侧面垂直过渡半孔与所述射频信号背面引脚焊盘实现垂直互联，用于信号传递；接地正面引脚焊盘设置于所述第二层陶瓷阶梯的正面；接地背面引脚焊盘设置于所述第三层陶瓷阶梯的背面，所述接地正面引脚焊盘通过设置于所述陶瓷基板侧面的接地侧面垂直过渡半孔与所述接地背面引脚焊盘实现垂直互联；背面接地区设置于所述第三层陶瓷阶梯的背面，用于大面积接地，与所述接地背面引脚焊盘互联；芯片安装区设置于所述第三层陶瓷阶梯的正面，用于安装芯片，所述芯片安装区与所述接地侧面垂直过渡半孔垂直互联；顶层封口环设置于所述第一层陶瓷阶梯的正面；垂直接地孔组垂直连接所述顶层封口环、所述接地正面引脚焊盘、所述芯片安装区、所述接地背面引脚焊盘和所述背面接地区。
作为本申请另一实施例，所述射频信号正面引脚焊盘通过设置于所述陶瓷基板内的信号传输带状线与所述射频信号侧面垂直过渡半孔互联。
作为本申请另一实施例，所述射频信号正面引脚焊盘的结构为宽度渐变的对称结构。
作为本申请另一实施例，所述宽度渐变的对称结构自所述信号传输带状线向芯片安装区方向，宽度逐渐增加。
作为本申请另一实施例，所述接地正面引脚焊盘通过设置于所述陶瓷基板内的接地带状线与所述接地侧面垂直过渡半孔互联。
作为本申请另一实施例，所述接地背面引脚焊盘均为矩形。
作为本申请另一实施例，所述芯片安装区为矩形结构，其一侧延伸铺设在所述第二层陶瓷阶梯和所述第三层陶瓷阶梯之间，所述芯片安装区与所述接地侧面垂直过渡半孔之间设有连接板。
作为本申请另一实施例，所述垂直接地孔组包括贯穿第一层陶瓷阶梯、第二层陶瓷阶梯和第三层陶瓷阶梯的第一接地孔，贯穿第二层陶瓷阶梯和第三层陶瓷阶梯的第二接地孔，以及贯穿所述第三层陶瓷阶梯的第三接地孔。
本发明的目的还在于提供一种封装结构，包括：所述的高频垂直互联结构、芯片和封帽，芯片安装于所述芯片安装区的正面，所述芯片与所述射频信号正面引脚焊盘通过金丝键合；封帽连接于所述顶层封口环上，用于密封所述芯片。
本发明提供的基于HTCC的高频垂直互联结构的有益效果在于：与现有技术相比，本发明基于HTCC的高频垂直互联结构，采用射频信号侧面垂直过渡半孔和接地侧面垂直过渡半孔实现垂直互联，寄生电感小，更容易实现高频传输，提高在高频时的传输性能，满足高频封装的需求。
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他的附图。
图1为本发明实施例提供的基于HTCC的高频垂直互联结构的立体结构示意图一；
图2为本发明实施例提供的基于HTCC的高频垂直互联结构的立体结构示意图二；
图3为本发明实施例提供的基于HTCC的高频垂直互联结构的透视结构示意图一；
图4为本发明实施例提供的基于HTCC的高频垂直互联结构的透视结构示意图二；
图5为本发明实施例提供的基于HTCC的高频垂直互联结构的透视结构示意图三；
图6为本发明实施例提供的基于HTCC的高频垂直互联结构的部分结构示意图一；
图7为本发明实施例提供的基于HTCC的高频垂直互联结构的部分结构示意图二；
图8为本发明实施例提供的陶瓷基板的立体结构示意图；
图9为本发明实施例提供的封装结构的结构示意图。
图10为本发明实施例的仿真结果图。
图中：1、射频信号侧面垂直过渡半孔；2、接地侧面垂直过渡半孔；3、顶层封口环；4、第一层陶瓷阶梯；5、接地正面引脚焊盘；6、第二层陶瓷阶梯；7、芯片安装区；8、第三层陶瓷阶梯；9、接地背面引脚焊盘；10、射频信号正面引脚焊盘；11、射频信号背面引脚焊盘；12、第一接地孔；13、第二接地孔；14、第三接地孔；15、接地带状线；16、信号传输带状线；17、连接板；18、封帽；19、芯片；20、金丝；21、背面接地区。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请一并参阅图1至图8，现对本发明提供的基于HTCC的高频垂直互联结构进行说明。所述基于HTCC的高频垂直互联结构，包括陶瓷基板、射频信号正面引脚焊盘10、射频信号背面引脚焊盘11、接地正面引脚焊盘5、接地背面引脚焊盘9、背面接地区21、芯片19安装区7、顶层封口环3和垂直接地孔组，陶瓷基板为阶梯状包括自上至下顺次相连的第一层陶瓷阶梯4、第二层陶瓷阶梯6和第三层陶瓷阶梯8；射频信号正面引脚焊盘10设置于所述第二层陶瓷阶梯6的正面；射频信号背面引脚焊盘11设置于所述第三层陶瓷阶梯8的背面，所述射频信号正面引脚焊盘10通过设置于所述陶瓷基板侧面的射频信号侧面垂直过渡半孔1与所述射频信号背面引脚焊盘11实现垂直互联，用于信号传递；接地正面引脚焊盘5设置于所述第二层陶瓷阶梯6的正面；接地背面引脚焊盘9设置于所述第三层陶瓷阶梯8的背面，所述接地正面引脚焊盘5通过设置于所述陶瓷基板侧面的接地侧面垂直过渡半孔2与所述接地背面引脚焊盘9实现垂直互联；背面接地区21设置于所述第三层陶瓷阶梯8的背面，用于大面积接地；芯片19安装区7设置于所述第三层陶瓷阶梯8的正面，用于安装芯片19，所述芯片19安装区7与所述接地侧面垂直过渡半孔2垂直互联；顶层封口环3设置于所述第一层陶瓷阶梯4的正面；垂直接地孔组垂直连接所述顶层封口环3、所述接地正面引脚焊盘5、所述芯片19安装区7、所述接地背面引脚焊盘9和所述背面接地区21。
本发明提供的基于HTCC的高频垂直互联结构，与现有技术相比，采用射频信号侧面垂直过渡半孔1和接地侧面垂直过渡半孔2实现垂直互联，寄生电感小，更容易实现高频传输，提高在高频时的传输性能，满足高频封装的需求。
下面对本发明提供的基于HTCC的高频垂直互联结构进行仿真，对该互联结构在商用软件HFSS中进行建模，模型如图1所示，仿真结果如图10所示。通过仿真结果可以得出，基于HTCC的高频垂直互联结构在40GHz内插损和驻波均可以满足高频T/R组件封装的需求。
作为本发明提供的基于HTCC的高频垂直互联结构的一种具体实施方式，请参阅图4至图5，所述射频信号正面引脚焊盘10通过设置于所述陶瓷基板内的信号传输带状线16与所述射频信号侧面垂直过渡半孔1互联。
作为本发明实施例的一种具体实施方式，请参阅图4至图5，所述射频信号正面引脚焊盘10的结构为宽度渐变的对称结构。
作为本发明实施例的一种具体实施方式，参阅图4及图5，所述宽度渐变的对称结构自所述射频信号侧面垂直过渡半孔1向所述芯片安装区7方向，宽度逐渐增加。
作为本发明实施例的一种具体实施方式，请参阅图4至图5，所述接地正面引脚焊盘5通过设置于所述陶瓷基板内的接地带状线15与所述接地侧面垂直过渡半孔2互联。
作为本发明实施例的一种具体实施方式，请参阅图3至图5，所述接地正面引脚焊盘5和所述接地背面引脚焊盘9均为矩形。
本实施例中，射频信号正面引脚焊盘10、射频信号背面引脚焊盘11、接地正面引脚焊盘5、接地背面引脚焊盘9、芯片19安装区7、背面接地区21均为金属板。
作为本发明实施例的一种具体实施方式，请参阅图4至图5，所述芯片19安装区7为矩形结构，其一侧延伸铺设在所述第二层陶瓷阶梯6和所述第三层陶瓷阶梯8之间，所述芯片19安装区7与所述接地侧面垂直过渡半孔2之间设有连接板17。
作为本发明实施例的一种具体实施方式，请参阅图4至图8，所述垂直接地孔组包括贯穿第一层陶瓷阶梯4、第二层陶瓷阶梯6和第三层陶瓷阶梯8的第一接地孔12，贯穿第二层陶瓷阶梯6和第三层陶瓷阶梯8的第二接地孔13，以及贯穿所述第三层陶瓷阶梯8的第三接地孔14。
本发明的设计原则如下：
(1)材料选择
HTCC采用材料为钨、钼、锰等高熔点金属，发热电阻浆料按照发热电路设计的要求印刷于92％-96％的氧化铝流延陶瓷生坯上，4％-8％的烧结助剂多层叠合，在1500-1600℃的高温下共烧成一体。因此HTCC基板具有结构强度高、热导率高、化学稳定性好和布线密度高等优点。HTCC中较为重要的是以氧化铝、莫来石和氮化铝为主要成分的陶瓷。
(2)传输结构设计
一般使用时，可能的信号传输路径为：射频信号正面引脚焊盘→信号传输带状线→射频信号侧面垂直过渡半孔→射频信号背面引脚焊盘。按传输路径，保持特征阻抗恒定，信号传输带状线是以HTCC陶瓷基板内层印制线为导带、以封口环和接地背面引脚焊盘为接地面的带状线。其特性阻抗为:
Figure BDA0002604367970000061
其中，εr是陶瓷基板的相对介电常数，h为陶瓷基板厚度，w为信号传输带状线宽度，t为信号传输带状线金属层厚度。
(3)阻抗匹配
为实现信号在广域频率范围内的稳定传输，传输路径上都要满足阻抗匹配要求，特别是信号在水平传输线与垂直传输线的交界处。为缓解结构突变引起的阻抗失配，通过仿真优化陶瓷基板正面引脚焊盘、信号传输带状线与陶瓷基板背面引脚焊盘的长度与宽度，减小水平引脚焊盘与垂直过渡半孔间的阻抗差异。
(4)装配方法设计
此种垂直互联结构装配工艺简便，陶瓷基板正面引脚焊盘采用金丝20键合线与芯片19进行键合连接。陶瓷基板背面引脚焊盘与PCB采用标准SMT流程进行装配即可。
本发明的具体实施例如下：
各参数的详细数据如下：
陶瓷基板的第一层陶瓷阶梯厚度为0.2mm，第二层陶瓷阶梯厚度为0.15mm，第三层陶瓷阶梯厚度为0.42mm。
接地带状线的导带宽度0.08mm，导带厚度0.02mm。
所述射频信号正面引脚焊盘由窄边宽度0.104mm过渡到宽边宽度0.2mm，过渡段长度为0.2mm，所述射频信号正面引脚焊盘总长度为0.35mm。
所述射频信号背面引脚焊盘为长度0.3mm的正方形构件，且与所述射频信号侧面垂直过渡半孔互联。
所述信号传输带状线：导带宽度0.08mm，导带厚度0.02mm，陶瓷基板厚度0.79mm，陶瓷基板相对介电常数9.8。
接地侧面垂直过渡半孔2及用于传递信号的信号侧面垂直过渡半孔孔径均为0.16mm，且用于传递信号的侧面垂直过渡半孔的高度为0.41mm，侧面接地垂直过渡板孔高度为0.83mm。
陶瓷基板中间的接地孔的孔径为0.1mm，高度分别为0.79mm，0.37mm，0.2mm。
陶瓷基板顶层封口环3的宽度为0.6mm。
射频信号正面引脚焊盘10、射频信号背面引脚焊盘11、接地正面引脚焊盘5、接地背面引脚焊盘9、背面接地区21、顶层封口环3及信号传输带状线的金属层厚度均为0.02mm。
上述提供的数据参数仅仅是为了说明本发明，本发明提供的垂直互联结构的金属板的厚度不限于上述描述。
本发明的目的在于提供一种封装结构，参见图9，包括：所述的高频垂直互联结构、芯片19和封帽18，芯片19安装于所述芯片19安装区7的正面，所述芯片19与所述射频信号正面引脚焊盘10通过金丝20键合；封帽18连接于所述顶层封口环3上，用于密封所述芯片19。其中，芯片19粘接在芯片19安装区7。
本发明提供的封装结构，由于采用了上述的高频垂直互联结构，能够提高高频传输的性能，满足高频T/R组件的需求。
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.基于HTCC的高频垂直互联结构，其特征在于，包括：
陶瓷基板，为阶梯状，包括自上至下顺次相连的第一层陶瓷阶梯、第二层陶瓷阶梯和第三层陶瓷阶梯；
射频信号正面引脚焊盘，设置于所述第二层陶瓷阶梯的正面；
射频信号背面引脚焊盘，设置于所述第三层陶瓷阶梯的背面，所述射频信号正面引脚焊盘通过设置于所述陶瓷基板侧面的射频信号侧面垂直过渡半孔与所述射频信号背面引脚焊盘实现垂直互联，用于信号传递；
接地正面引脚焊盘，设置于所述第二层陶瓷阶梯的正面；
接地背面引脚焊盘，设置于所述第三层陶瓷阶梯的背面，所述接地正面引脚焊盘通过设置于所述陶瓷基板侧面的接地侧面垂直过渡半孔与所述接地背面引脚焊盘实现垂直互联；
背面接地区，设置于所述第三层陶瓷阶梯的背面，与所述接地背面引脚焊盘互联；
芯片安装区，设置于所述第三层陶瓷阶梯的正面，用于安装芯片，所述芯片安装区与所述接地侧面垂直过渡半孔垂直互联；
顶层封口环，设置于所述第一层陶瓷阶梯的正面；
垂直接地孔组，垂直连接所述顶层封口环、所述接地正面引脚焊盘、所述芯片安装区、所述接地背面引脚焊盘和所述背面接地区。
2.如权利要求1所述的基于HTCC的高频垂直互联结构，其特征在于，所述射频信号正面引脚焊盘通过设置于所述陶瓷基板内的信号传输带状线与所述射频信号侧面垂直过渡半孔互联。
3.如权利要求2所述的基于HTCC的高频垂直互联结构，其特征在于，所述射频信号正面引脚焊盘的结构为宽度渐变的对称结构。
4.如权利要求3所述的基于HTCC的高频垂直互联结构，其特征在于，所述宽度渐变的对称结构自所述射频信号侧面垂直过渡半孔向所述芯片安装区方向，宽度逐渐增加。
5.如权利要求1所述的基于HTCC的高频垂直互联结构，其特征在于，所述接地正面引脚焊盘通过设置于所述陶瓷基板内的接地带状线与所述接地侧面垂直过渡半孔互联。
6.如权利要求1所述的基于HTCC的高频垂直互联结构，其特征在于，所述接地正面引脚焊盘和所述接地背面引脚焊盘均为矩形。
7.如权利要求1所述的基于HTCC的高频垂直互联结构，其特征在于，所述背面接地区为矩形。
8.如权利要求1所述的基于HTCC的高频垂直互联结构，其特征在于，所述芯片安装区为矩形结构，其一侧延伸铺设在所述第二层陶瓷阶梯和所述第三层陶瓷阶梯之间，所述芯片安装区与所述接地侧面垂直过渡半孔之间设有连接板。
9.如权利要求1所述的基于HTCC的高频垂直互联结构，其特征在于，所述垂直接地孔组包括贯穿第一层陶瓷阶梯、第二层陶瓷阶梯和第三层陶瓷阶梯的第一接地孔，贯穿第二层陶瓷阶梯和第三层陶瓷阶梯的第二接地孔，以及贯穿所述第三层陶瓷阶梯的第三接地孔。
10.封装结构，其特征在于，包括：
如权利要求1-8任一项所述的高频垂直互联结构；
芯片，安装于所述芯片安装区，所述芯片与所述射频信号正面引脚焊盘通过金丝键合；
封帽，连接于所述顶层封口环上，用于密封所述芯片。
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