CN112530910A - 一种用于芯片三维封装的金属波导装置及其设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于芯片三维封装的金属波导装置及其设计方法，解决了利用在波导屏蔽腔体外部直流电路对集成封装于金属波导内部的芯片进行集成、控制的问题，并降低了传输中的电磁波损耗。本发明先确定该芯片工作的频率范围，根据此设计金属波导内部的空气腔的尺寸；接着设计电磁带隙波导结构的参数，包括周期性长方形金属柱的高度h，底面边长w和周期距离p，使得在空腔里传播的电磁波无法从两侧泄露，且h与空气腔的高度一致，同时尺寸满足易于加工的要求；最后根据芯片的尺寸，在电磁带隙波导结构中的预留空槽中镶嵌入芯片，并将芯片控制引线从空气腔内部途经周期性长方形金属柱之间的空隙引出，连接至PCB控制电路板上。

Description

一种用于芯片三维封装的金属波导装置及其设计方法
技术领域
本发明属于芯片集成设计的技术领域，具体涉及一种用于芯片三维封装的金属波导装置及其设计方法。
背景技术
随着对电磁波谱的不断探索，人类对电子学和光学获得了充分的认识，并且通过对电子学和光学的研究，研发了各种微波、毫米波和光波器件。由于微波、毫米波器件的成本较高，之前主要应用于军事，然而随着高速宽带无线通信、汽车辅助驾驶、安检、医学检测等应用领域的快速发展，近年来微波、毫米波在民用领域也得到了广泛的研究和应用。微波、毫米波频段具有工作波长短，可以有效减小器件及系统的尺寸；其次，微波、毫米波频段有着丰富的频谱资源，可以胜任未来超高速通信的需求。此外，由于波长短，微波毫米波频段用在雷达、成像等方面有着更高的分辨率。到目前为止，人们已开展了大量的研究，在通信、成像以及雷达等系统已得到广泛的应用。值得一提的是，在这些系统中，芯片在对系统实时控制和完成数据高速处理等方面发挥了重要作用。另一方面，通信和雷达系统的快速发展对电磁波传输损耗提出了更高的要求，人们更多地采用金属波导结构以解决电磁波在传播时的高损耗问题。然而，传统金属波导结构由于存在密闭腔体，使得其与芯片集成时，位于波导腔体内部的芯片难以通过直流引线连接到腔体外控制电路，这就使得实现电磁波低损耗与系统实时控制仍然是一个难以解决的问题。因此，目前亟需一种在金属波导结构下，能够将内部芯片与外部控制电路连接，对芯片进行集成、控制，且降低传输中电磁波损耗的方法。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种用于芯片三维封装的金属波导装置及其设计方法，解决了在波导屏蔽腔体外部直流电路对集成封装于金属波导内部的芯片进行集成、控制的问题，并降低了传输中的电磁波损耗。
为达到上述目的，本发明的技术方案为：
本发明提出了一种用于芯片三维封装的金属波导装置，包括：芯片、电磁带隙波导和控制电路。
芯片长为l，宽为w，厚度为t；
电磁带隙波导包括空气腔、空腔下方的下方金属板、空气腔两侧的周期性金属柱体和空气腔上方的上方金属板；周期性金属柱由长方体金属柱组周期排布组成，长方体金属柱的底面边长为w，高度为h，两两之间的周期距离为p。
控制电路打印在PCB板上，经直流控制引线在长方体金属柱的间隙中通过，与芯片连接。
在空气腔上方的上方金属板的金属壁上挖出与芯片等尺寸的空气槽型结构，用于将芯片固定在内部。
进一步的，芯片在不同的应用场景下，替换为对应实现功能的芯片。
进一步的，电磁带隙波导的材料为铝，直流控制引线的材料为铜。
进一步的，PCB板的材料为FR-4，芯片的材料视功能与用途而定。
本发明提出一种用于芯片三维封装的金属波导装置的设计方法，针对任一所述的金属波导装置，采用如下步骤进行设计：
步骤一、确定所需封装芯片的工作频率范围，根据频率范围确定金属波导结构的空气腔的尺寸，同时参考标准波导尺寸表。
步骤二、设计电磁带隙波导的参数；电磁带隙波导采用周期性长方体金属柱代替传统金属波导侧壁的金属板，根据空气腔的尺寸设计长方体金属柱的底面边长w、高度h和两两之间的周期距离p，使得在空腔里传播的电磁波无法从两侧泄露，且高度h与所述空气腔的高度一致。
步骤三、根据芯片的尺寸，在空气腔的上方的金属壁预先挖出等尺寸的空气槽型结构，将芯片镶嵌入空气槽型结构并固定；将芯片的直流控制引线从波导屏蔽腔体的内部途经周期性长方体金属柱之间的空隙引出，连接至PCB控制电路板上。
有益效果：与现有技术相比，本发明提供了一种设计电磁带隙波导结构的方法，替代原有的传统金属波导结构，在不增加电磁波传输损耗的同时，使得控制电路的直流引线可通过空气缝隙将芯片连接入金属波导结构内部实现各种功能，从而实现了芯片与金属波导结构集成的设计，可以满足微波系统对于电磁波传输低损耗和芯片可编程控制的要求，实现芯片在波导屏蔽腔体内进行集成的目的。
附图说明
图1为传统与本发明提出的金属波导结构对比图。图1中的(a)为传统金属波导结构图；图1中的(b)为本发明提出的电磁带隙金属波导结构图。
图2是本发明芯片三维波导结构封装结构图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
图1(a)为传统金属波导结构，图1(b)为本发明实施例设计的用于芯片三维封装的电磁带隙金属波导结构。芯片在电磁带隙金属波导内封装结构组成如图2所示，芯片根据其功能用途放置于电磁带隙金属波导结构内部，PCB控制电路放置于波导外部，其与芯片的直流控制引线在长方体金属柱之间的缝隙进行排布，有效的避免了传统金属波导封闭腔结构对直流控制电路的阻断。本发明提出一种金属波导结构，包括芯片、电磁带隙波导和控制电路。其中，所述芯片长为l，宽为w，厚度为t；电磁带隙波导为周期性长方体金属柱，长方体金属柱的底面边长为w，高度为h，两两之间的周期距离为p。
控制电路打印在PCB板上，经直流控制引线在长方体金属柱的间隙中通过，与芯片连接；电磁带隙波导分布在空气腔两侧，成固定间隔排布；在空气腔上方的金属壁挖出与芯片等尺寸的空气槽型结构，用于将芯片固定在内部。
本发明实施例中，芯片为毫米波芯片，且根据具体应用场景和使用需求替换为具有不同功能的芯片。
本发明实施例中，电磁带隙波导的材料为铝，所述PCB板的材料为FR-4，所述直流控制引线的材料为铜，所述芯片的材料视功能与用途而定。
本发明实施例中使用了一种芯片在电磁带隙波导结构内封装的设计方法，包括以下具体步骤：
步骤1，首先确定该芯片工作的频率范围，根据此设计该波导结构内部的空气腔的尺寸。本例中设计了工作在140GHz的芯片，根据波导腔体的尺寸与其中传输电磁波的频率范围的对应关系，并查阅了标准波导尺寸表，确定本设计的电磁带隙金属波导内部空气腔的尺寸为1.651mm*0.8mm。
步骤2，接着设计用来替代传统金属波导侧壁的周期性长方体金属柱参数。金属柱的高度需要与金属空气腔的高度保持一致，即为0.8mm。进一步，设计金属柱的边长及相邻金属柱直接的间隔。观察仿真图，若在该间隔下，各金属柱之间没有电场分布，即判定为电磁波没有泄露，该间隔值可取。此时，金属柱的边长设计为0.55mm，相邻金属柱的间隔为0.5mm，这样使得在空腔里传播的电磁波无法从两侧泄露。同时，高度h、边长w和周期距离p的选择需要满足易于加工的要求。该电磁带隙金属波导最终结构如图1(b)所示。
步骤3，最后根据芯片的尺寸，在电磁带隙金属波导中的预留空槽中镶嵌入芯片，并将芯片的直流控制引线从波导腔内部途经周期性金属柱之间的空隙引出连接至PCB控制电路板上，如图2所示，从而实现了控制电路通过直流控制引线对金属波导内部的芯片的控制。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种用于芯片三维封装的金属波导装置，其特征在于，包括：芯片、电磁带隙波导和控制电路；
所述芯片长为l，宽为w，厚度为t；
所述电磁带隙波导包括空气腔、空腔下方的下方金属板、空气腔两侧的周期性金属柱体和空气腔上方的上方金属板；所述周期性金属柱由长方体金属柱组周期排布组成，所述长方体金属柱的底面边长为w，高度为h，两两之间的周期距离为p；
所述控制电路打印在PCB板上，经直流控制引线在所述长方体金属柱的间隙中通过，与所述芯片连接；
在所述空气腔上方的上方金属板的金属壁上挖出与所述芯片等尺寸的空气槽型结构，用于将所述芯片固定在内部。
2.如权利要求1所述的一种用于芯片三维封装的金属波导装置，其特征在于，所述芯片在不同的应用场景下，替换为对应实现功能的芯片。
3.如权利要求1所述的一种用于芯片三维封装的金属波导装置，其特征在于，所述电磁带隙波导的材料为铝，所述直流控制引线的材料为铜。
4.如权利要求1所述的一种用于芯片三维封装的金属波导装置，其特征在于，所述PCB板的材料为FR-4，所述芯片的材料视功能与用途而定。
5.一种用于芯片三维封装的金属波导装置的设计方法，其特征在于，针对如权利要求1～4任一所述的金属波导装置，采用如下步骤进行设计：
步骤一、确定所需封装芯片的工作频率范围，根据所述频率范围确定所述金属波导结构的空气腔的尺寸，同时参考标准波导尺寸表；
步骤二、设计所述电磁带隙波导的参数；所述电磁带隙波导采用周期性长方体金属柱代替传统金属波导侧壁的金属板，根据所述空气腔的尺寸设计长方体金属柱的底面边长w、高度h和两两之间的周期距离p，使得在空腔里传播的电磁波无法从两侧泄露，且高度h与所述空气腔的高度一致；
步骤三、根据所述芯片的尺寸，在所述空气腔的上方的金属壁预先挖出等尺寸的空气槽型结构，将芯片镶嵌入空气槽型结构并固定；将所述芯片的直流控制引线从所述波导屏蔽腔体的内部途经所述周期性长方体金属柱之间的空隙引出，连接至PCB控制电路板上。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113871831A (zh) * 2021-09-24 2021-12-31 北京理工大学 一种毫米波及太赫兹单片电路封装过渡结构及其实现方法
CN114597612A (zh) * 2022-03-10 2022-06-07 中国电子科技集团公司第四十一研究所 一种基于电磁带隙结构的法兰及太赫兹波导连接件
CN114709579A (zh) * 2022-04-06 2022-07-05 南京大学 一种片上集成太赫兹功能芯片的波导封装

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20100328178A1 (en) * 2009-06-24 2010-12-30 Won Woo Cho Printed circuit board including electromagnetic bandgap structure
CN102496759A (zh) * 2011-11-29 2012-06-13 华为技术有限公司 平面波导、波导滤波器及天线
CN104488134A (zh) * 2012-06-18 2015-04-01 加普韦夫斯公司 用于THz应用的间隙波导结构
CN106537682A (zh) * 2014-05-14 2017-03-22 加普韦夫斯公司 在平行导电平面之间的间隙中的波导和传输线
CN106937521A (zh) * 2017-02-15 2017-07-07 浙江大学 一种基于缝隙波导理论的电磁辐射抑制结构及其应用
CN107146943A (zh) * 2017-03-20 2017-09-08 中国电子科技集团公司第三十八研究所 栅格槽超材料波导缝隙天线及其设计方法
CN109786940A (zh) * 2019-01-10 2019-05-21 西安交通大学 一种空气填充的基片集成缝隙波导微波滤波器
CN110137633A (zh) * 2019-04-23 2019-08-16 西安空间无线电技术研究所 一种低无源互调波导法兰转换装置
CN110661070A (zh) * 2019-10-17 2020-01-07 盛纬伦(深圳)通信技术有限公司 一种应用于毫米波波段电磁波的垂直传输结构

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20100328178A1 (en) * 2009-06-24 2010-12-30 Won Woo Cho Printed circuit board including electromagnetic bandgap structure
CN102496759A (zh) * 2011-11-29 2012-06-13 华为技术有限公司 平面波导、波导滤波器及天线
CN104488134A (zh) * 2012-06-18 2015-04-01 加普韦夫斯公司 用于THz应用的间隙波导结构
CN106537682A (zh) * 2014-05-14 2017-03-22 加普韦夫斯公司 在平行导电平面之间的间隙中的波导和传输线
CN106937521A (zh) * 2017-02-15 2017-07-07 浙江大学 一种基于缝隙波导理论的电磁辐射抑制结构及其应用
CN107146943A (zh) * 2017-03-20 2017-09-08 中国电子科技集团公司第三十八研究所 栅格槽超材料波导缝隙天线及其设计方法
CN109786940A (zh) * 2019-01-10 2019-05-21 西安交通大学 一种空气填充的基片集成缝隙波导微波滤波器
CN110137633A (zh) * 2019-04-23 2019-08-16 西安空间无线电技术研究所 一种低无源互调波导法兰转换装置
CN110661070A (zh) * 2019-10-17 2020-01-07 盛纬伦(深圳)通信技术有限公司 一种应用于毫米波波段电磁波的垂直传输结构

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113871831A (zh) * 2021-09-24 2021-12-31 北京理工大学 一种毫米波及太赫兹单片电路封装过渡结构及其实现方法
CN114597612A (zh) * 2022-03-10 2022-06-07 中国电子科技集团公司第四十一研究所 一种基于电磁带隙结构的法兰及太赫兹波导连接件
CN114709579A (zh) * 2022-04-06 2022-07-05 南京大学 一种片上集成太赫兹功能芯片的波导封装
CN114709579B (zh) * 2022-04-06 2022-12-09 南京大学 一种片上集成太赫兹功能芯片的波导封装

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