CN112117238A - 一种基于sip封装技术的小型化光电振荡器 - Google Patents

一种基于sip封装技术的小型化光电振荡器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于SIP封装技术的小型化光电振荡器芯片，包括光电振荡器光模块、光电振荡器电模块和封装用的金属陶瓷壳体；光模块的器件通过垫片烧结在镀金的壳体底面，电模块的器件通过微带板挖孔方式烧结在镀金的壳体底面，并经微带板传输信号；光电振荡器芯片呈现模块化隔离，光模块与电模通过金属隔板隔离，隔板外分别涂敷吸光材料和吸波材料。光电振荡器芯片供电和输出等信号通过陶瓷四边引线扁平封装(CQFP)的引脚进行传输。本发明利用SIP封装技术实现低相位噪声光电振荡器的芯片化三维集成，实现一体化、轻小型、可调谐、电磁兼容设计，大幅降低光电振荡器系统体积和重量，满足未来雷达的频综系统模块化、高可靠、小型化等发展需求。

Description

一种基于SIP封装技术的小型化光电振荡器
技术领域
本发明涉及射频收发领域，具体设计一种基于SIP封装技术的小型化光电振荡器，可以应用于通信系统、雷达、空间探测等领域。
背景技术
振荡器在雷达、导航制导、通信系统、仪器测量等领域发挥重要的作用，直接影响电子系统的各项性能。光电振荡器作为一种光路与电路结合的新型微波信号源，能产生高品质因素、高频谱纯净度和低相位噪声的光、电两种信号输出，在未来有望作为电子系统的优质微波信号源。
现有的光电振荡器一般采用多个模块化器件连接，尚未能实现小型化集成。
专利申请CN1111342332A“主动锁模光电振荡器”，公开日期2020年6月2日，介绍了一种采用了主动调制器模块调制光信号的方法实现的光电振荡器系统，该系统由多个模块构成环路，包含长光纤，通过滤波器模块的中心频率可以调节输出频率。相比于本发明，构成主动锁模光电振荡器均采用模块化器件连接而成，未能实现集成化，结构比较复杂，直接制约频率综合器和雷达系统的体积和灵活性。
相比于”主动锁模光电振荡器”实现的大型模块式光电振荡器，采用光学微腔等高Q值光延迟器件，可以大大提供系统集成度。专利申请CN106921106A“一种轻小型超低相噪光电振荡器及其光学微腔制作方法”，公开日期2017年7月4日，介绍了一种光电混合组件经过高Q值光学微腔进行光延迟、光储能。该光学微腔是一种回音壁模微球腔，由光腔输入耦合装置，微球腔和光腔输出耦合装置组成。电子器件也可由集成化MMIC芯片代替，以进一步实现小型化，相比于本发明，其系统体积大，未能达到封装形式的小型化和通用化，并且只能产生电信号输出，不能同时产生光信号输出。专利申请CN108183380A“集成光电振荡器”，公开日期2018年6月19日，介绍了一种由光电子芯片、电子芯片集成在磷化铟基上，通过金丝键合的方式将两者连接起来形成环路，再将电子器件集成于硅基或印制板，实现的小型化光电振荡器芯片。相比于本发明，其无法实现光信号与电信号的隔离，且未形成封装，成品率低，散热差，通用化较难实现。
由于光电振荡器产生任意频率和超低相噪频率的关键性作用，及进一步提高雷达系统集成度的目的，在现有工艺下实现片上集成、高密度金丝键合互联，直接的效果将是频率综合器及雷达系统的小型化。因此，本发明以SIP芯片封装为基础，通过将光模块器件与电器件芯片烧结在同一金属腔体中，将光模块与电模块的一体化集成与空间隔离，实现光电振荡器集成、一体化、轻小型、可扩展架构的设计，提高雷达系统小型化和集成化。
发明内容
本发明涉及一种基于SIP封装技术的小型化光电振荡器芯片，减小芯片的纵向尺寸，达到小型化的目标。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供一种基于SIP封装技术的小型化光电振荡器，包括光电振荡器光模块、光电振荡器电模块，和对其封装的金属陶瓷壳体，所述光电振荡器光模块与所述光电振荡器电模块通过壳体内的金属隔板隔离，所述隔板内开孔设置射频绝缘子，用以连接光电振荡器光模块与光电振荡器电模块的相应器件进行信号传输；
其中，所述光电振荡器光模块的器件通过垫片烧结在镀金的壳体内表面；
所述光电振荡器电模块的器件通过微带板上的开孔，烧结在镀金的壳体内表面，经微带板传输信号；射频绝缘子焊接在微带板的传输线上。
可选地，所述金属陶瓷壳体包含以可伐材料制备的金属腔体，并采用95％AL2O3的陶瓷材料作为外壳；可伐材料与陶瓷材料之间用纯银焊料焊接平封边；可伐材料的金属腔体表面镀金。
可选地，所述金属隔板使用可伐材料制成；
所述金属隔板的两侧表面分别涂敷吸光材料和吸波材料。
可选地，所述金属隔板处用于放置射频绝缘子的孔径大于二分之一波长。
可选地，所述光电振荡器光模块的器件使用分立式的光学芯片器件，以导电胶H20E粘接在镀金的壳体内表面；
所述光电振荡器光模块的器件的焊盘之间，光电振荡器的芯片引脚与光电振荡器光模块的器件的焊盘之间，均实现金丝键合。
可选地，所述光电振荡器电模块的器件使用MMIC器件，通过微带板的开孔，以H20E导电胶粘接在镀金的壳体内表面，经Rogers5880微带板传输信号；所述光电振荡器电模块的器件的焊盘之间，光电振荡器的芯片引脚与光电振荡器电模块的器件的焊盘之间，均实现金丝键合。
可选地，所述光电振荡器光模块包括激光器、电光调制器、光耦合器、回音廊式光延迟单元、光电探测器；所述光电振荡器电模块包括开关芯片、多级滤波器、低噪声放大器、电耦合器；
其中，光电探测器与开关芯片之间，电耦合器与电光调制器之间，均通过射频绝缘子实现光电振荡器光模块与光电振荡器电模块的信号互连。
可选地，光电振荡器芯片采用陶瓷四边引线扁平封装，通过供电引脚进行信号驱动，通过两个焊接绝缘子引脚进行信号传输；其中，焊接绝缘子引脚采用50欧姆引脚，其余引脚采用铜线表面镀镍处理。
可选地，光电振荡器芯片的尺寸为30×30×10mm3。
与现有技术相比，本发明具有如下优势：
1.本发明提供一种基于SIP封装集成技术的光电振荡器，利用H20E导电胶、Rogers5880微带板、芯片焊盘与引线金丝键合等实现不同材料芯片异构集成与光模块与电模块一体化设计，实现微波信号三维信号传输、电磁兼容设计，将金属陶瓷材料作为芯片封装的外壳，提高封装密度、减小系统体积，增加芯片可靠性。
2.本发明的光模块与电模块通过隔墙开孔的方式进行信号传输，采用隔板隔离光模块与电模块，隔板打孔放置绝缘子实现两模块间互连，同时在两侧分别涂覆吸光材料和吸波材料，既达到了良好的微波性能，又解决了光模块与电模块的互联问题。
3.本发明采用可伐金属材料作为腔体，热膨胀系数与陶瓷材料接近，且热导率高，可以将芯片内的热量散发出去，从而保证光电振荡器的正常稳定工作，解决输出信号频率的温度漂移。
附图说明
图1是本发明所述基于SIP封装技术的小型光电振荡器原理示意图；
图2a～图2c是本发明所述芯片封装(CQFP)结构示意图；
图3是本发明所述芯片装配工艺示意图。
具体实施方式
下面结合附图说明本发明的优选实施例。
本发明提供一种基于SIP封装(系统级封装)集成技术应用光电振荡器系统。如图1所示，系统设有光电振荡器的光模块15和光电振荡器的电模块16。其中，所述光模块15包含：YAG激光器1(钇铝石榴石激光器)、Mach-Zehnder电光调制器2(马赫-曾德尔电光调制器)、光耦合器3、光延迟单元4、光电探测器5；所述电模块16包含：单刀单掷开关6、第一电调滤波器7、第一低噪声放大器8、第二电调滤波器9、第二低噪声放大器10、电耦合器11。光电探测器5与单刀单掷开关6之间，电耦合器11与Mach-Zehnder电光调制器2之间均通过射频绝缘子21(图3)实现光模块与电模块的信号互连。
光模块15与电模块16构成的环路可产生频谱纯净的光信号和电信号。光电探测器5采用PIN管，探测频带范围宽，光延迟单元4采用回音廊式腔体，有效提高Q值的同时减小尺寸，提高系统稳定性。第一电调滤波器7和第二电调滤波器9实现光电振荡器芯片的可调谐功能。单刀单掷开关6可实现通断和频谱的调制功能。两级低噪声放大器能提高环路增益，加快环路输出稳定信号。
如图2a～图2c所示，光电振荡器芯片采用陶瓷四边引线扁平封装(CQFP)，可以方便地通过回流焊将芯片安装在微带板或印制板上，具备小型化和通用化的优点。其中，芯片外壳19采用金属陶瓷封装，陶瓷材料为95％AL2O3，具有耐高温性能；金属腔体18采用可伐材料制备，可伐材料与陶瓷材料之间用纯银焊料焊接平封边，可伐金属表面镀金，便于芯片烧结。光电振荡器芯片呈现模块化隔离，即光模块15与电模块16通过金属隔板13隔离，隔板13两侧的表面涂敷吸光材料和吸波材料。
芯片供电和输出等信号通过封装的引脚进行传输。芯片有64个引脚，其中的62脚引线17采用铜线表面镀镍处理，可以有效散热的同时，具备抗氧化和耐腐蚀特性。芯片左右对应于隔板13处射频绝缘子21位置的2脚引线12、14，采用50欧姆引脚，以较低损耗传输射频信号，传输射频信号频率高达W波段。
芯片装配工艺示意图，如图3所示，光模块15的器件使用分立式光学芯片器件，这些器件的焊盘与连接引脚的焊盘之间，通过金丝键合实现信号驱动；所述器件通过高温焊料烧结于镀金的芯片壳体上，例如，通过H20E导电胶粘接在镀金的可伐金属腔体18内表面，信号通过金属隔板13内的射频绝缘子21传输至电模块16。
所述隔板13采用与金属腔体18相同的可伐材料制备，隔板13中间开孔用来安装射频绝缘子21，以连接光模块与电模块。孔径应大于二分之一波长(λ/2，λ为工作波长)，隔板13外分别涂敷吸光材料和吸波材料，以实现较好的电磁兼容性能。射频绝缘子21通过217℃锡铅焊料20焊接至Rogers5880微带板23的传输线上。
电模块16的器件使用MMIC(单片微波集成电路)芯片，通过微带板打孔的方式，用H20E导电胶粘接在镀金的可伐金属腔体18内表面，安装完成后导电胶需在120℃条件下烘干1小时。信号经Rogers5880微带板23传输。芯片之间的焊盘及芯片焊盘与引线之间通过金丝24实现键合。完成键合连接后进行封帽，以屏蔽外界水汽影响。
本发明所述基于SIP封装技术的小型化光电振荡器体积约(30×30×10)mm3。该小型化光电振荡器芯片通过供电引脚进行信号驱动，通过芯片左右的两根焊接绝缘子引脚进行信号传输。
综上所述，该小型化光电振荡器芯片通过分立式光芯片与MMIC芯片在芯片可伐腔体中异构集成、金丝键合和引脚传输等方式使得芯片内光信号与射频信号依照光模块输出—电模块输出—引脚传输的路径呈现横向、纵向的三维立体式传播。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (9)

1.一种基于SIP封装技术的小型化光电振荡器，其特征在于，
包括光电振荡器光模块、光电振荡器电模块，和对其封装的金属陶瓷壳体，所述光电振荡器光模块与所述光电振荡器电模块通过壳体内的金属隔板隔离，所述隔板内开孔设置射频绝缘子，用以连接光电振荡器光模块与光电振荡器电模块的相应器件进行信号传输；
其中，所述光电振荡器光模块的器件通过垫片烧结在镀金的壳体内表面；所述光电振荡器电模块的器件通过微带板上的开孔，烧结在镀金的壳体内表面，经微带板传输信号；射频绝缘子焊接在微带板的传输线上。
2.如权利要求1所述的小型化光电振荡器，其特征在于，
所述金属陶瓷壳体包含以可伐材料制备的金属腔体，并采用95％AL2O3的陶瓷材料作为外壳；可伐材料与陶瓷材料之间用纯银焊料焊接平封边；可伐材料的金属腔体表面镀金。
3.如权利要求1所述的小型化光电振荡器，其特征在于，
所述金属隔板使用可伐材料制成；
所述金属隔板的两侧表面分别涂敷吸光材料和吸波材料。
4.如权利要求1所述的小型化光电振荡器，其特征在于，
所述金属隔板处用于放置射频绝缘子的孔径大于二分之一波长。
5.如权利要求1所述的小型化光电振荡器，其特征在于，
所述光电振荡器光模块的器件使用分立式的光学芯片器件，以导电胶H20E粘接在镀金的壳体内表面；
所述光电振荡器光模块的器件的焊盘之间，光电振荡器的芯片引脚与光电振荡器光模块的器件的焊盘之间，均实现金丝键合。
6.如权利要求1所述的小型化光电振荡器，其特征在于，
所述光电振荡器电模块的器件使用MMIC器件，通过微带板的开孔，以H20E导电胶粘接在镀金的壳体内表面，经Rogers5880微带板传输信号；
所述光电振荡器电模块的器件的焊盘之间，光电振荡器的芯片引脚与光电振荡器电模块的器件的焊盘之间，均实现金丝键合。
7.如权利要求1所述的小型化光电振荡器，其特征在于，
所述光电振荡器光模块包括激光器、电光调制器、光耦合器、回音廊式光延迟单元、光电探测器；所述光电振荡器电模块包括开关芯片、多级滤波器、低噪声放大器、电耦合器；
其中，光电探测器与开关芯片之间，电耦合器与电光调制器之间，均通过射频绝缘子实现光电振荡器光模块与光电振荡器电模块的信号互连。
8.如权利要求1所述的小型化光电振荡器，其特征在于，
光电振荡器芯片采用陶瓷四边引线扁平封装，通过供电引脚进行信号驱动，通过两个焊接绝缘子引脚进行信号传输；其中，焊接绝缘子引脚采用50欧姆引脚，其余引脚采用铜线表面镀镍处理。
9.如权利要求1所述的小型化光电振荡器，其特征在于，
光电振荡器芯片的尺寸为30×30×10mm3。
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