CN112437535A - 一种具有高稳定性的射频前端 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有高稳定性的射频前端，属于射频前端技术领域，包括多层电路板、芯片、垂直过渡结构、介质围框，实现了射频前端在高频高集成要求下的高稳定工作。所述多层电路板，为含有射频传输线层、控制线层、电源网络层以及隔离地层的多层介质板，与芯片通过焊球及散热衬底互连，实现电气与热传输；芯片为功率放大器、LNA、射频开关、幅相控制芯片、功分器芯片等；垂直过渡结构为与带状传输线连接的垂直金属连接孔，介质围框与多层电路板的介质材料相同，四周有垂直金属接地孔，制备在芯片腔的外围，形成一定高度的隔离边界。本发明有效地提高了射频前端模块以及应用系统的性能与工作稳定性。

Description

一种具有高稳定性的射频前端

技术领域

本发明涉及射频前端技术领域，具体涉及一种具有高稳定性的射频前端。

背景技术

射频前端是无线通信或雷达系统的重要组成部分,是将前端的所有功能电路集成为一个整体,包括射频放大电路、幅相控制电路、开关电路以及电源分配网络等。在应用系统开发时,射频前端负责信号的发射接收以及幅度相位控制，是通信或雷达系统实现功能的核心模块，因此射频前端的性能对应用系统的性能有至关重要的影响。

随着技术的发展，通信、雷达等系统的性能要求不断提高，同时小型化、轻量化的需求也越来越高。因此，作为系统核心模块，射频前端也不断向着高集成、高性能的方向发展。但是集成度的提高也带来了一系列的技术问题。高集成射频模块的电磁兼容问题是其中关键问题之一。

射频模块中包括了多个射频放大芯片，同时还有数字控制芯片和电源芯片。多个芯片集成在一个很小的模块上，相互之间距离很近，空间电磁辐射会产生干扰，影响模块的性能与稳定性。模块一般会采用盒体形式的封装，以满足系统装配和气密性要求，而射频功率器件在这样的封装中容易产生腔体谐振效应，工作时有产生振荡自激的风险，严重时会烧毁前端模块甚至系统。此外，传统的射频前端模块中，芯片与电路板的互联主要采用金丝键合的方式，而随着技术不断发展，应用系统的工作频率也不断提高，目前已进入毫米波甚至更高频段，在这么高的频率下，金丝连接会产生严重的寄生电感效应，影响性能。

对于射频模块集成度提高之后的电磁兼容问题，研究人员们也进行了很多的技术研究，提出和采用了多种解决方法。对于空间电磁辐射干扰，会采用模块盖板加贴吸波材料的方式进行改善，但是需要额外增加工序，且改善效果有限，芯片之间的干扰仍然是存在的。

腔体谐振效应一般采用内部隔墙分割的方式，改变腔体谐振频率，使其远离工作点。传统采用结构件制作隔墙，安装位置有很大限制，且随着集成度提高，射频前端尺寸越来越小，结构件方式已经不再适用。

芯片与电路板互联技术，除了传统金丝键合，也发展了倒装焊等技术，芯片倒扣与电路板焊盘通过焊球连接，这一技术不使用金丝连接，而且能够缩短连接长度减少损耗。但是芯片的接地和散热问题还需要改进。为此，提出一种具有高稳定性的射频前端。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于：如何有效地提高射频前端模块以及应用系统的性能与工作稳定性，提供了一种具有高稳定性的射频前端。

本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的，本发明包括多层电路板、芯片、垂直过渡结构、介质围框；

所述多层电路板为采用PCB板材制备的多层介质板，所述多层电路板的内部包括射频传输层、信号控制层、电源网络层与隔离地层，所述隔离地层设置在所述射频传输层与所述信号控制层之间、所述信号控制层与所述电源网络层之间，所述多层电路板上设置有与所述芯片形状相匹配的芯片安装凹槽，所述芯片通过所述芯片安装凹槽设置在所述多层电路板上，所述芯片通过所述垂直过渡结构与所述多层电路板电连接；

所述介质围框垂直于所述多层电路板设置在所述芯片安装凹槽的外部四周，形成芯片隔离腔，所述介质围框与所述多层电路板连接，所述介质围框上开设有多个垂直金属接地孔，所述垂直金属接地孔与所述多层电路板中的隔离地层连接。

更进一步的，所述芯片采用底面四周植球封装，焊球植于所述芯片的信号与电源接口上。

更进一步的，所述芯片安装凹槽内部四周设有多个焊盘，多个所述焊盘与所述芯片上多个焊球的位置相匹配，所述芯片安装凹槽内部中间设置有散热接地衬底，在所述芯片上的焊球与所述焊盘连接时，所述芯片的底面中间位置与所述散热接地衬底连接。

更进一步的，所述散热接地衬底为钼铜衬底。

更进一步的，所述垂直过渡结构包括多个垂直金属连接孔，多个所述垂直金属连接孔均贯穿设置在所述芯片安装凹槽内部四周，多个所述垂直金属连接孔的上端均与所述焊盘连接，下端与所述多层电路板内部的所述射频传输层、所述信号控制层、所述电源网络层对应连接。芯片与多层电路板的此种连接方式，传输路径较短，且均在多层电路板的介质层内，相互之间通过隔离地层隔离，避免了电磁泄漏和干扰问题。

更进一步的，所述芯片的种类包括功率放大器、LNA(低噪声放大器)、射频开关、幅相控制芯片、功分器芯片等。

更进一步的，多个所述垂直金属连接孔与所述射频传输层、所述信号控制层、所述电源网络层中设置的带状传输线对应连接。

更进一步的，所述介质围框的介质材料与所述多层电路板的介质材料相同，所述介质围框与所述多层电路板一体加工成型。

更进一步的，多个所述垂直金属接地孔均匀分布在所述介质围框上，形成电磁屏蔽层。

本发明相比现有技术具有以下优点：通过设置的芯片安装凹槽，槽底中间部分为芯片的散热接地衬底，四周为金属焊盘，通过垂直过渡结构连接多层电路板中信号与电源线，电路板的表层没有任何走线，有效避免了电磁泄漏；并且芯片底部中央区域与槽内中间的散热接地衬底连接，这样芯片不使用金丝键合，与倒装焊相比，散热和接地面积大很多，性能更好；通过在芯片安装凹槽的四周制备一定高度的介质围框，介质围框上分布的多个垂直金属接地孔形成电磁屏蔽层，这样阻隔了不同芯片之间的电磁干扰信号；介质围框采用与多层电路板相同工艺加工，便于集成装配和尺寸控制，适用于高频高集成的射频前端，可以灵活有效制备在需要的芯片安装凹槽位置，有效地对芯片进行电磁干扰屏蔽，提高射频前端工作的稳定性。

附图说明

图1是本发明实施例中一种具有高稳定性的射频前端的结构示意图；

图2是图1中多层电路板的结构示意图；

图3是图1中芯片的结构示意图；

图4是图2中芯片安装凹槽的局部示意图；

图5是图2中垂直过渡结构的局部示意图；

图6是本发明实施例中芯片安装凹槽的局部俯视示意图；

图7是本发明实施例中安装了芯片的多层电路板芯片安装凹槽的局部结构示意图。

图中：1、多层电路板；2、芯片；3、垂直过渡结构；4、介质围框；5、芯片安装凹槽；6、信号和控制焊盘；7、钼铜衬底；8、垂直金属连接孔；9、垂直金属接地孔。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例以一种具有高稳定性的射频前端应用在毫米波为例，适用于该波段的无线通信系统。本实施例由四个部件组成，包括多层电路板1、芯片2、垂直过渡结构3、介质围框4。

如图2所示，所述多层电路板1采用PCB板材制备，为矩形板，所述多层电路板1上有预留的芯片安装凹槽5，比芯片2尺寸稍大，深度为一个板层厚度；所述多层电路板1表面没有任何走线，其内部包含了射频传输层、信号控制层、电源网络层，上述三种走线金属层两两之间均有隔离地层隔离开。

如图3所示，芯片2为GaAs射频芯片与Si基的数字控制芯片，包括功率放大器、LNA、射频开关、幅相控制芯片、功分器芯片等，芯片2采用底部四周植球封装，底面中间区域是芯片2的接地和散热区域。

如图4所示，所述多层电路板1的芯片安装凹槽5内部四周设有信号和控制焊盘6，与芯片2底部的焊球对应，槽内中间为钼铜衬底7，提供芯片的接地和散热连接。此处钼铜衬底7直接与所述多层电路板1的隔离地层连接。

如图5所示，垂直过渡结构3包括多个垂直金属连接孔8，贯穿设置在焊盘下方的板层内部，芯片2通过垂直金属连接孔8与多层电路板1内部的射频带状线、信号线、电源线等连接，传输路径短，且均在多层电路板1的介质层内，相互之间通过隔离地层隔离，避免了电磁泄漏和干扰问题。

如图6、图7所示，芯片2安装在槽内，周围设有由介质围框4形成的介质隔离腔，介质围框4上分布的多个垂直金属接地孔9形成电磁屏蔽层，电磁屏蔽层形成的原理为射频信号在多层电路板1的介质层以及电路板表面一定范围内的空间传播，垂直金属接地孔9按一定间距(一般为射频电磁波波长的1/20)排列时，射频信号到达金属孔时会沿着垂直金属接地孔9传播进入接地层，而无法穿透排列的垂直金属接地孔9到达外部介质或空间，从而阻隔了不同芯片之间的电磁干扰信号。芯片2的射频传输、信号控制以及电源分配通过垂直过渡结构3与多层电路板1内部各层分别对应连接来实现，电路板表面无任何电路走线，避免了表面电磁泄漏和不同类型电路走线的互相干扰。

综上所述，本实施例的多层电路板，芯片安装位置为凹进去的矩形槽，槽底中间部分为芯片的散热接地衬底，四周为金属焊盘，通过垂直过渡结构连接信号与电源线，多层电路板表层没有任何走线，有效避免了电磁泄漏；本实施例的芯片，芯片的信号与电源接口位于芯片底部四周，植有焊球，芯片底部中央区域为接地和散热区域，芯片有源区正面向上，安装在多层电路板上，信号与电源接口通过四周焊球与凹槽内四周对应焊盘连接，芯片底部中央区域与槽内中间散热接地衬底连接，这样芯片不使用金丝键合，与倒装焊相比，散热和接地面积大很多，性能更好；本实施例的芯片隔离腔，在芯片安装槽的四周制备一定高度的介质围框，围框上分布的垂直金属接地孔形成电磁屏蔽层，阻隔了不同芯片之间的电磁干扰信号，介质围框采用与多层电路板相同工艺加工，便于集成装配和尺寸控制，适用于高频高集成的射频前端，可以灵活有效制备在需要的芯片槽位置，有效地对芯片进行电磁干扰屏蔽，提高射频前端工作的稳定性。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (9)

1.一种具有高稳定性的射频前端，其特征在于：包括多层电路板、芯片、垂直过渡结构、介质围框；

所述多层电路板为采用PCB板材制备的多层介质板，所述多层电路板的内部包括射频传输层、信号控制层、电源网络层与隔离地层，所述隔离地层设置在所述射频传输层与所述信号控制层之间、所述信号控制层与所述电源网络层之间，所述多层电路板上设置有与所述芯片形状相匹配的芯片安装凹槽，所述芯片通过所述芯片安装凹槽设置在所述多层电路板上，所述芯片通过所述垂直过渡结构与所述多层电路板电连接；

所述介质围框垂直于所述多层电路板设置在所述芯片安装凹槽的外部四周，形成芯片隔离腔，所述介质围框与所述多层电路板连接，所述介质围框上开设有多个垂直金属接地孔，所述垂直金属接地孔与所述多层电路板中的隔离地层连接。

2.根据权利要求1所述的一种具有高稳定性的射频前端，其特征在于：所述芯片采用底面四周植球封装，焊球植于所述芯片的信号与电源接口上。

3.根据权利要求2所述的一种具有高稳定性的射频前端，其特征在于：所述芯片安装凹槽内部四周设有多个焊盘，多个所述焊盘与所述芯片上多个焊球的位置相匹配，所述芯片安装凹槽内部中间设置有散热接地衬底，在所述芯片上的焊球与所述焊盘连接时，所述芯片的底面中间位置与所述散热接地衬底连接。

4.根据权利要求3所述的一种具有高稳定性的射频前端，其特征在于：所述散热接地衬底为钼铜衬底。

5.根据权利要求1所述的一种具有高稳定性的射频前端，其特征在于：所述垂直过渡结构包括多个垂直金属连接孔，多个所述垂直金属连接孔均贯穿设置在所述芯片安装凹槽内部四周，多个所述垂直金属连接孔的上端均与所述焊盘连接，下端与所述多层电路板内部的所述射频传输层、所述信号控制层、所述电源网络层对应连接。

6.根据权利要求5所述的一种具有高稳定性的射频前端，其特征在于：多个所述垂直金属连接孔与所述射频传输层、所述信号控制层、所述电源网络层中设置的带状传输线对应连接。

7.根据权利要求1所述的一种具有高稳定性的射频前端，其特征在于：所述芯片的种类包括功率放大器、LNA、射频开关、幅相控制芯片、功分器芯片。

8.根据权利要求1所述的一种具有高稳定性的射频前端，其特征在于：所述介质围框的介质材料与所述多层电路板的介质材料相同，所述介质围框与所述多层电路板一体加工成型。

9.根据权利要求1所述的一种具有高稳定性的射频前端，其特征在于：多个所述垂直金属接地孔均匀分布在所述介质围框上，形成电磁屏蔽层。

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