CN112349668A - 一种采用射频母板的宽带射频模块结构及其设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种射频模板及宽带射频模块封装结构，所述射频母板包括n‑1层高频材料层和n层信号传输层；第1层信号传输层上表面和第n层信号传输层下表面设置有用于焊接BGA封装射频系统的焊盘；还设置有分别连通第1层和第2层信号传输层，以及第n‑1层和第n层信号传输层的过孔一；连通第2层至第n‑1层信号传输层的过孔二；所述过孔一和过孔二在第2层和第n‑1层信号传输层的开口之间设有信号线；过孔一、过孔二和信号线用于实现焊接的BGA封装射频系统之间的信号联通。本发明能够将多个BGA封装射频系统在射频母板两面进行安装，简化了各种连接插头座的设计，将各个模块单元之间的电气互连做到最简，实现了集成度，减少布板面积，实现小型化。

Description

一种采用射频母板的宽带射频模块结构及其设计方法
技术领域
本发明涉及射频电路技术领域，尤其是一种采用射频母板的宽带射频模块结构及其设计方法。
背景技术
随着对电子系统小型化集成度越来越高的要求，BGA封装射频系统因其高密度集成的特点得到了飞速的发展及广泛的应用。
目前数字器件采用BGA封装得到了广泛的应用，通过PCB板集成多个BGA封装数字器件更是成熟的技术。
但是如何在保证电磁兼容性，可靠性的情况下对多个BGA封装射频系统进行集成，完成高频信号在三维立体结构下的传输成为了一个亟待解决的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供一种采用射频母板的宽带射频模块结构及其设计方法。
本发明提供了一种射频母板，所述射频母板由n-1层高频材料层和n层信号传输层交替间隔叠层压合而成；第1层信号传输层上表面和第n层信号传输层下表面设置有用于焊接对应BGA封装射频系统的焊盘；第1层高频材料层中设置有露出第2层信号传输层的台阶结构；n≥2且n为整数；
在第1层和第n-1层高频材料层中设置有分别连通第1层和第2层信号传输层，以及第n-1层和第n层信号传输层的过孔一；在第2层至第n-2层高频材料层中设置有连通第2层至第n-1层信号传输层的过孔二；所述过孔一和过孔二在第2层和第n-1层信号传输层的开口之间设有信号线；所述过孔一、过孔二和信号线用于实现分别在第1层信号传输层上表面和第n层信号传输层下表面焊接的BGA封装射频系统之间的信号联通。
进一步，所述BGA封装射频系统通过BGA焊球焊接在焊盘上，采用的BGA焊球尺寸比所述焊盘小，每个焊盘之间具有阻焊结构；并且每个BGA焊球具有相同尺寸，使每个所述BGA封装射频系统高度保持一致。
进一步，焊接每个所述BGA封装射频系统的BGA焊球包括射频属性焊球、低频属性焊球和地属性焊球，所述射频属性焊球和低频属性焊球周边均包围有若干层地属性焊球；对应的，所述焊盘包括射频属性焊盘、低频属性焊盘和地属性焊盘，所述射频属性焊盘用于与射频属性焊球对应焊接、所述低频属性焊盘用于与低频属性焊球对应焊接，所述地属性焊盘用于与地属性焊球对应焊接。
进一步，对应每个所述BGA封装射频系统的焊盘的一角设有丝印标识，用于标明对应BGA封装射频系统的1号管脚。
进一步，第2层和第n-1层信号传输层的信号线具有匹配图形，并在相应的匹配图形周边的第1层至第2层信号传输层中，以及第n-1层至第n层信号传输层中存在大量接地孔。
本发明还提供一种宽带射频模块结构，包括上述的射频母板、BGA封装射频系统、射频连接器、低频连接器、盒体、盖板和围框；
所述围框与射频母板贴合形成若干空腔结构；每个空腔结构中设置一个BGA封装射频系统，并使所述BGA封装射频系统顶部与围框贴合，其底部通过BGA焊球与射频母板上对应的焊盘焊接；
所述盒体与盖板匹配连接后能够包裹围框和射频母板；并且所述盒体两端具有分别匹配射频连接器和低频连接器的第一凹槽结构和第二凹槽结构；所述射频连接器和低频连接器分别设置在第一凹槽结构和第二凹槽结构中，并与射频模板实现信号互连。
进一步，所述盒体与盖板采用激光封焊方式连接。
进一步，所述射频连接器和低频连接器与盒体烧结在一起。
进一步，在射频母板与盒体之间填充有薄铜皮。
进一步，所述射频连接器和低频连接器与射频模板实现信号互连的方式为：
(1)所述射频连接器与射频母板采用微带传输线和金带实现信号互连：所述微带传输线的一端焊接金带，然后用所述金带包裹射频连接器的金属内导体实现射频连接器与微带传输线的射频信号联通；所述微带传输线的另一端与射频母板的台阶结构露出的第2层信号传输层之间焊接金带实现射频信号联通；
(2)所述低频连接器与射频母板采用金带实现信号互连：所述低频连接器露出上下两排插针，将上下两排插针通过金带与射频母板上下两面进行焊接，完成与射频母板的低频信号联通。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、本发明能够将多个BGA封装射频系统在射频母板两面进行安装，简化了各种连接插头座的设计，将各个模块单元之间的电气互连做到最简，实现了集成度，减少布板面积，实现小型化。
2、本发明为功能复杂的微波系统提供新的解决思路，功能复杂的微波系统将功能分解为各个功能单元，将各个功能单元实现为多个BGA封装射频系统之后再集成。微波系统功能单元划分清晰，利于后续研制及生产。
3、本发明的射频母板对应BGA封装射频系统的射频及低频接口周围均有大量的地属性焊盘包裹，形成类同轴结构，提升了信号完整性及电磁兼容能力，有利于高低频信号的传输。
4、本发明的射频母板对应BGA封装射频系统存在大量的地属性焊盘，使用BGA焊球互连，加强连接，有助于散热。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
图1为本发明实施例1的射频母板的结构示意图。
图2为本发明实施例1的射频母板上焊接BGA封装射频系统结构示意图。
图3为本发明实施例1的射频属性焊盘及周边地属性焊盘分布示意图。
图4为本发明实施例1的低频属性焊盘及周边地属性焊盘分布示意图。
图5为本发明实施例1的焊盘分布示意图。
图6a为本发明实施例1的多个BGA封装射频系统之间信号联通示意图。
图6b为图6a中A部分信号线及匹配图形结构示意图。
图6c为图6a中B部分信号线及匹配图形结构示意图。
图7为本发明实施例2的宽带射频模块封装结构示意图。
图8为图7中C部分结构示意图。
图9为图8中微带传输线的另一端与金带焊接的结构示意图。
图10为宽带下变频链路示意图。
附图标记：1-射频母板、11-过孔一、12-过孔二、13-接地孔、14-匹配图形、100-信号层、200-高频材料层、2-BGA封装射频系统、3-射频连接器、4-低频连接器、5-盒体、6-盖板、7-围框、8-安装螺钉、9-微带传输线、10-薄铜皮、11-金带。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
本实施例提供的一种射频母板，所述射频母板由n-1层高频材料层和n层信号传输层交替间隔叠层压合而成；第1层信号传输层上表面和第n层信号传输层下表面设置有用于焊接对应BGA封装射频系统的焊盘；第1层高频材料层中设置有露出第2层信号传输层的台阶结构300；n≥2且n为整数；
在第1层和第n-1层高频材料层中设置有分别连通第1层和第2层信号传输层，以及第n-1层和第n层信号传输层的过孔一；在第2层至第n-2层高频材料层中设置有连通第2层至第n-1层信号传输层的过孔二；所述过孔一和过孔二在第2层和第n-1层信号传输层的开口之间设有信号线；所述过孔一、过孔二和信号线用于实现分别在第1层信号传输层上表面和第n层信号传输层下表面焊接的BGA封装射频系统之间的信号联通。
如图1所示，n＝8的示例，则所述射频母板由7层高频材料层和8层信号传输层(依次为TOP层、L2、L3、L4、L5、L6、L7、BOTTOM层)交替间隔叠层压合而成；其中，第1层信号传输层(TOP层)上表面和第8层信号传输层(BOTTOM层)下表面设置有用于焊接对应BGA封装射频系统的焊盘；L2层和L7层信号传输层带信号线，L3层和L6层信号传输层为参考地面层，L4层和L5层信号传输层为低频线、电源层。
在第1层和第7层高频材料层中设置有分别连通第1层和第2层信号传输层(即连通TOP层和L2层)，以及第7层和第8层信号传输层(即L7层和BOTTOM层)的过孔一；在第2层至第6层高频材料层(高频材料层的高频材料可以是M6、EM827、CLTE-XT等)中设置有连通第2层至第7层信号传输层的过孔二；所述过孔一和过孔二在第2层和第7层信号传输层的开口之间设有信号线；所述过孔一、过孔二和信号线用于实现分别在第1层信号传输层上表面和第8层信号传输层下表面焊接的BGA封装射频系统之间的信号联通。也就是说，在TOP层的BGA封装射频系统通过在第1层高频材料层的过孔一可以将信号传输到L2层、再通过信号线和过孔二可以传输到L7层，再通过信号线和在第7层高频材料层的过孔一可以传输到BOTTOM层，并与BOTTOM层上焊接的BGA封装射频系统进行信号联通。
如图2所示，所述BGA封装射频系统通过BGA焊球焊接在焊盘上，采用的BGA焊球尺寸比所述焊盘小，每个焊盘之间具有阻焊结构，以防止短路；并且每个BGA焊球具有相同尺寸，使每个所述BGA封装射频系统高度保持一致，以保证装配及返修性。
如图3和4所示，焊接每个所述BGA封装射频系统的BGA焊球包括射频属性焊球、低频属性焊球和地属性焊球，所述射频属性焊球和低频属性焊球周边均包围有若干层地属性焊球；对应的，所述焊盘包括射频属性焊盘、低频属性焊盘和地属性焊盘，所述射频属性焊盘用于与射频属性焊球对应焊接、所述低频属性焊盘用于与低频属性焊球对应焊接，所述地属性焊盘用于与地属性焊球对应焊接。通过这样的结构，形成类同轴结构，提升了信号完整性及电磁兼容能力，有利于高低频信号的传输。同时，使用BGA焊球互连，加强连接，有助于散热。
如图5所示，对应每个所述BGA封装射频系统的焊盘的一角设有丝印标识，用于标明对应BGA封装射频系统的1号管脚，以防止出现安装BGA封装射频系统时出现方向错误情况。
如图6a、6b、6c所示，第2层和第n-1层信号传输层的信号线具有匹配图形，并在相应的匹配图形周边的第1层至第2层信号传输层中，以及第n-1层至第n层信号传输层中存在大量接地孔，保证射频传输性能。
实施例2
基于实施例1提供的射频母板，本实施例提供一种宽带射频模块结构，如图7所示，所述宽带射频模块结构包括实施例1所述的射频母板、BGA封装射频系统、射频连接器、低频连接器、盒体、盖板和围框；
所述围框与射频母板贴合形成若干空腔结构；每个空腔结构中设置一个BGA封装射频系统，并使所述BGA封装射频系统顶部与围框贴合，其底部通过BGA焊球与射频母板上对应的焊盘焊接；通过形成的若干空腔结构，能够将多个BGA封装射频系统在射频母板两面进行安装，简化了各种连接插头座的设计，将各个模块单元之间的电气互连做到最简，实现了集成度，减少布板面积，实现小型化；
所述盒体与盖板匹配连接后能够包裹围框和射频母板；并且所述盒体两端具有分别匹配射频连接器和低频连接器的第一凹槽结构和第二凹槽结构；所述射频连接器和低频连接器分别设置在第一凹槽结构和第二凹槽结构中，并与射频模板实现信号互连。
其中，所述盒体与盖板可以采用激光封焊方式连接，从图7中可知，所述盖板分为上、下盖板，其分别与盒体上下侧匹配并采用激光封焊方式连接，能够提升气密性；再者，所述射频连接器和低频连接器与盒体烧结在一起，即第一凹槽结构和第二凹槽结构的内壁形状是与射频连接器和低频连接器的外形轮廓相匹配的，通过烧结在一起，进一步提高整体的气密性。另外，所述射频母板与盒体可以通过安装螺钉进行固定。
所述射频连接器和低频连接器与射频模板实现信号互连的方式为：
(1)如图8所示，所述射频连接器与射频母板采用微带传输线和金带实现信号互连：所述微带传输线的一端焊接金带，然后用所述金带包裹射频连接器的金属内导体实现射频连接器与微带传输线的射频信号联通；所述微带传输线的另一端与射频母板的台阶结构露300出的第2层信号传输层之间焊接金带实现射频信号联通；如图9所示，所述微带传输线两侧为地属性焊盘，与射频母板通过焊接金带连接。另外，从图8可以看出，在射频母板与盒体之间填充有薄铜皮，可以提高复杂电磁屏蔽，提高射频传输性能，薄铜皮的厚度一般取0.05～0.1mm。
(2)如图7所示，所述低频连接器与射频母板采用金带实现信号互连：所述低频连接器露出上下两排插针，将上下两排插针通过金带与射频母板上下两面进行焊接，完成与射频母板的低频信号联通。
通过所述宽带射频模块结构，能够为功能复杂的微波系统提供新的解决思路，例如能够实现10～18GHz下变频功能的宽带射频模块结构，如图8所示，将宽带下变频链路划分为，前端放大滤波单元、一次变频单元、二次变频单元、中频单元、一本振单元、二本振单元。将将各个功能单元实现为多个BGA封装射频系统，最后通过本发明的射频母板和宽带射频模块结构将多个BGA封装射频系统进行信号联通，得到能够实现10～18GHz下变频功能的宽带射频模块结构。如此，微波系统功能单元划分清晰，利于后续研制及生产。
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)

1.一种射频母板，其特征在于，所述射频母板由n-1层高频材料层和n层信号传输层交替间隔叠层压合而成；第1层信号传输层上表面和第n层信号传输层下表面设置有用于焊接对应BGA封装射频系统的焊盘；第1层高频材料层中设置有露出第2层信号传输层的台阶结构；n≥2且n为整数；
在第1层和第n-1层高频材料层中设置有分别连通第1层和第2层信号传输层，以及第n-1层和第n层信号传输层的过孔一；在第2层至第n-2层高频材料层中设置有连通第2层至第n-1层信号传输层的过孔二；所述过孔一和过孔二在第2层和第n-1层信号传输层的开口之间设有信号线；所述过孔一、过孔二和信号线用于实现分别在第1层信号传输层上表面和第n层信号传输层下表面焊接的BGA封装射频系统之间的信号联通。
2.根据权利要求1所述的射频母板，其特征在于，所述BGA封装射频系统通过BGA焊球焊接在焊盘上，采用的BGA焊球尺寸比所述焊盘小，每个焊盘之间具有阻焊结构；并且每个BGA焊球具有相同尺寸，使每个所述BGA封装射频系统高度保持一致。
3.根据权利要求2所述的射频母板，其特征在于，焊接每个所述BGA封装射频系统的BGA焊球包括射频属性焊球、低频属性焊球和地属性焊球，所述射频属性焊球和低频属性焊球周边均包围有若干层地属性焊球；对应的，所述焊盘包括射频属性焊盘、低频属性焊盘和地属性焊盘，所述射频属性焊盘用于与射频属性焊球对应焊接、所述低频属性焊盘用于与低频属性焊球对应焊接，所述地属性焊盘用于与地属性焊球对应焊接。
4.根据权利要求1所述的射频母板，其特征在于，对应每个所述BGA封装射频系统的焊盘的一角设有丝印标识，用于标明对应BGA封装射频系统的1号管脚。
5.根据权利要求1所述的射频母板，其特征在于，第2层和第n-1层信号传输层的信号线具有匹配图形，并在相应的匹配图形周边的第1层至第2层信号传输层中，以及第n-1层至第n层信号传输层中存在大量接地孔。
6.一种宽带射频模块结构，其特征在于，包括如权利要求1-5任一项所述的射频母板、BGA封装射频系统、射频连接器、低频连接器、盒体、盖板和围框；
所述围框与射频母板贴合形成若干空腔结构；每个空腔结构中设置一个BGA封装射频系统，并使所述BGA封装射频系统顶部与围框贴合，其底部通过BGA焊球与射频母板上对应的焊盘焊接；
所述盒体与盖板匹配连接后能够包裹围框和射频母板；并且所述盒体两端具有分别匹配射频连接器和低频连接器的第一凹槽结构和第二凹槽结构；所述射频连接器和低频连接器分别设置在第一凹槽结构和第二凹槽结构中，并与射频模板实现信号互连。
7.根据权利要求6所述的宽带射频模块结构，其特征在于，所述盒体与盖板采用激光封焊方式连接。
8.根据权利要求6所述的宽带射频模块结构，其特征在于，所述射频连接器和低频连接器与盒体烧结在一起。
9.根据权利要求6所述的宽带射频模块结构，其特征在于，在射频母板与盒体之间填充有薄铜皮。
10.根据权利要求6所述的宽带射频模块结构，其特征在于，所述射频连接器和低频连接器与射频模板实现信号互连的方式为：
(1)所述射频连接器与射频母板采用微带传输线和金带实现信号互连：所述微带传输线的一端焊接金带，然后用所述金带包裹射频连接器的金属内导体实现射频连接器与微带传输线的射频信号联通；所述微带传输线的另一端与射频母板的台阶结构露出的第2层信号传输层之间焊接金带实现射频信号联通；
(2)所述低频连接器与射频母板采用金带实现信号互连：所述低频连接器露出上下两排插针，将上下两排插针通过金带与射频母板上下两面进行焊接，完成与射频母板的低频信号联通。
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