CN112748472B - 毫米波多通道宽带开关阵列及其组装方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种毫米波多通道宽带开关阵列及其组装方法，所述组装方法包括：将电路板采用夹具工装烧结到金属壳体上；将放大器、开关MMIC芯片和芯片电容粘接到所述金属壳体上；对所述放大器、所述开关MMIC芯片、所述芯片电容分别与所述电路板进行金丝键合，形成开关阵列组件。本发明提供一种毫米波多通道宽带开关阵列及其组装方法，无需设计芯片载片，减少了装配工序和加工成本。
Description
技术领域
本发明涉及毫米波电路技术领域，尤其涉及一种毫米波多通道宽带开关阵列及其组装方法。
背景技术
随着微波毫米波技术的不断发展，毫米波宽带产品在人们生产生活的各个领域的应用越来越广泛，已经从过去的单一军事应用扩展到民用领域。毫米波人体安检系统主要用于对人体近距离(小于1米)进行SAR(合成孔径)成像，需要成百上千个天线对人体进行实时电扫描，通过发射开关阵列将自产生宽带毫米波信号传输到人体、并将人体回波数据回传给接收机及后台处理计算机。为提高距离维的分辨率，毫米波开关阵列的工作带宽一般为10GHz左右。
目前毫米波多通道宽带开关阵列的加工技术主要采用微组装工艺，需要将放大器、开关MMIC(单片微波集成电路)芯片、芯片电容共晶或者粘贴到钼铜载片上并形成组件，再将该组件粘贴到金属壳体上。
但是，上述采用微组装工艺加工的毫米波多通道宽带开关阵列，由于应用了钼铜载片来匹配平衡金属壳体与开关MMIC芯片之间的热膨胀系数，因此增加了钼铜载片额外的加工成本，且在生产过程中附加了芯片共晶或粘贴载片的装配工序、增加了时间成本。
发明内容
本发明提供一种毫米波多通道宽带开关阵列及其组装方法，无需设计芯片载片，减少了装配工序和加工成本。
本发明一方面提供一种毫米波多通道宽带开关阵列的组装方法，包括：
将电路板采用夹具工装烧结到金属壳体上；
将放大器、开关MMIC芯片和芯片电容粘接到所述金属壳体上；
对所述放大器、所述开关MMIC芯片、所述芯片电容分别与所述电路板进行金丝键合，形成开关阵列组件。
如上所述的装配方法，所述将电路板采用夹具工装烧结到金属壳体上具体包括：
提供待装配的所述电路板和所述金属壳体；
清洗并晾干所述电路板和所述金属壳体；
将焊料片、所述电路板、滤纸和金属压块依次放入所述金属壳体的容置腔体中，并使用所述夹具固定所述金属壳体，形成第一装配组件；
将所述第一装配组件放置在加热平台上烧结，加热平台的温度为240-250℃，烧结时间为1-1.5min，待所述焊料片融化后取出所述第一装配组件并静置至常温；
拆除所述夹具、所述金属压块和所述滤纸，清洗并晾干烧结完成后的所述电路板和所述金属壳体。
如上所述的装配方法，将放大器、开关MMIC芯片和芯片电容粘接到所述金属壳体上具体包括：
在显微镜下对所述电路板上的用于安装所述放大器、所述开关MMIC芯片和所述芯片电容的容置凹槽进行补修配平；
均匀点涂所述导电胶，将所述放大器、所述开关MMIC芯片和所述芯片电容用镊子轻轻贴装到所述容置凹槽内并调平高度；
将粘贴有所述放大器、所述开关MMIC芯片和所述芯片电容的腔体组件放置在95-105℃的烘箱上烘11-12h；
用镊子从烘箱取下所述腔体组件并放置在散热块上冷却至室温。
如上所述的装配方法，所述对所述放大器、所述开关MMIC芯片、所述芯片电容分别与所述电路板进行金丝键合具体包括：
将所述腔体组件固定在键合加热平台上，并放置于显微镜镜头下；
利用超声波金丝键合机分别对所述放大器、所述开关MMIC芯片、所述芯片电容与所述电路板进行金丝键合。
如上所述的装配方法，所述利用超声波金丝键合机对所述开关MMIC芯片与所述电路板进行金丝键合，具体包括：将超声波的功率调节至230W，加工时间设置为70ms，且在所述开关MMIC芯片和所述电路板之间采用75μm金带键合；
所述利用超声波金丝键合机对所述芯片电容与所述电路板进行金丝键合，具体包括：在所述芯片电容与所述电路板之间采用锲型焊，将超声波的功率调节至200W，加工时间设置为60ms。
如上所述的装配方法，所述将所述放大器贴装到所述容置凹槽内并调平高度具体包括：
将所述放大器固定在散热板上，再将所述散热板贴装到所述容置凹槽内，并调平所述放大器和所述电路板的高度。
如上所述的装配方法，所述电路板的厚度为0.127mm。
如上所述的装配方法，所述形成开关阵列组件之后，还包括：
对所述开关阵列组件进行调试、测试、封盖和打标。
本发明实施例提供的毫米波多通道宽带开关阵列的装配方法，适用于主动毫米波人体安检成像领域，工作在室温条件，由于在装配工序中采用了芯片直接贴装，取消了芯片载片，因此降低了制造加工成本，增加了多通道批量化的可生产性，简化了微组装工艺步骤，提高了毫米波宽带信号的匹配性能和传输质量。
本发明另一方面提供一种毫米波多通道宽带开关阵列，包括：金属壳体、电路板、放大器、开关MMIC芯片和芯片电容；
所述电路板烧结在所述金属壳体上，所述放大器、开关MMIC芯片和芯片电容粘接在所述金属壳体上，且所述放大器、开关MMIC芯片和芯片电容分别与所述电路板通过键合金丝连接。
如上所述的开关阵列，所述电路板固定在所述金属壳体上的容置腔体内，所述放大器、所述开关MMIC芯片和所述芯片电容固定在所述电路板上的容置凹槽内，所述电路板、所述放大器、所述开关MMIC芯片和所述芯片电容的上表面与所述金属壳体的上表面平齐。
本发明实施例提供的毫米波多通道宽带开关阵列，适用于主动毫米波人体安检成像领域，工作在室温条件，芯片直接贴装在金属壳体上，而无需设计芯片载片，不仅降低了制造加工成本，增加了多通道批量化的可生产性，简化了微组装工艺步骤，而且提高了毫米波宽带信号的匹配性能和传输质量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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性的前提下，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毫米波多通道宽带开关阵列的组装方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的毫米波多通道宽带开关阵列的剖面结构示意图；
图3为电路板烧结到金属壳体上的结构示意图；
图4为开关MMIC芯片和芯片电容粘接到金属壳体上的局部结构示意图；
图5为开关MMIC芯片和芯片电容与电路板进行金丝键合后的局部结构示意图。
附图标记：
100-金属壳体；
200-电路板；
300-开关MMIC芯片；
400-芯片电容；
500-键合金丝。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
天线阵列由几百个到上千个通道组成、间距仅为6-10毫米，内部毫米波开关和放大器MMIC芯片装配密度大，现有技术中一般采用微组装工艺技术进行加工制造。对于每个独立的天线通道都需要采用毫米波开关和放大器MMIC芯片，导致毫米波MMIC芯片数量多，是决定系统成本的重要组成部分。
目前毫米波多通道宽带开关阵列的加工技术主要采用微组装工艺，主要来源于军品领域。军用产品应用环境温度要求一般为-45℃～+75℃，在有源器件尤其是放大器MMIC芯片进行微组装装配时，需要应用钼铜载片来匹配平衡结构件与MMIC芯片之间的热膨胀系数，避免热膨胀系数差别过大引起GaAs芯片因热应力而破裂。因此，毫米波多通道宽带开关阵列的加工工艺由于钼铜载片的应用，增加了载片额外的加工成本，同时生产过程中也附加了芯片共晶或粘贴载片的装配工序、增加了时间成本。
并且，军用产品毫米波MMIC芯片(一般厚度0.1mm)采用了钼铜载片(一般采用0.1mm厚度的载片)，经共晶或导电胶粘贴工艺后形成组件1厚度略微大于0.2mm。为方便后续金丝键合两边高度一致性要求，只能采用0.254mm厚度的Rogers 5880基板来进行微带电路板的设计，示意图见图1。而0.254mm厚度的Rogers 5880基板的50Ω微带线宽度为0.76mm，与GaAs芯片的50Ω微带线宽度0.1mm的差距较大，直接进行键合增加了级联的不连续性和设计的不匹配性，毫米波宽带信号传输能量的损耗变大，给后续设计、生产、测试、调试增加了额外的难度，最终导致毫米波宽带开关阵列频率特性变差、工作带宽变窄、通道间的一致性较难控制。
为了解决上述问题中的至少一个，本发明提供一种毫米波多通道宽带开关阵列，主要应用于毫米波人体安检系统，其通道数量多、加工工艺复杂、产品附加值高，是系统的核心关键部件。
下面参考附图并结合具体的实施例描述本发明。
实施例一
图1为本发明实施例提供的毫米波多通道宽带开关阵列的组装方法的流程图，图2为本发明实施例提供的毫米波多通道宽带开关阵列的剖面结构示意图，参考图1和图2所示，本发明实施例提供一种毫米波多通道宽带开关阵列的组装方法，包括以下步骤。
S101、将电路板200采用夹具工装烧结到金属壳体100上。
其中，将电路板200采用夹具工装烧结到金属壳体100上，具体包括以下步骤：
首先，提供待装配的电路板200和金属壳体100。电路板200可采用0.127mm的电路板，例如Rogers5880，裁剪电路板200至适用于金属壳体100的装配尺寸，并去除工艺边，以便于装配。金属壳体100为一个整体的结构件，其上设置有容置腔体，以用于容纳电路板200。其中，金属壳体100的具体尺寸和结构，以及电路板200的具体尺寸和电路走线，根据需要得到的开关阵列的产品的需求制作。
接着，清洗并晾干电路板200和金属壳体100。可通过将电路板200和金属壳体100浸泡到酒精里，并利用超声波清洗机对两者进行清洗。清洗完毕后，还需要取出电路板200和金属壳体100，擦拭后放置在滤纸上晾干5min左右。
然后，将焊料片、电路板200、滤纸和金属压块依次放入金属壳体100的容置腔体中，并使用夹具固定金属壳体100，形成第一装配组件。其中，焊料片放置在电路板200的下方，以在高温下融化并将电路板200烧结在金属壳体100上。夹具固定在金属壳体100的外部，以保证第一装配组件的连接稳固性。
接下来，将第一装配组件放置在加热平台上烧结，加热平台的温度为240-250℃，烧结时间为1-1.5min，待焊料片融化后取出第一装配组件并静置至常温。焊料片溶化后，电路板200被烧结连接在金属壳体100的容置腔体中。此时，应及时取出第一装配组件，防止加热时间过长对电路板200的其它结构造成损害。
最后，拆除夹具、金属压块和滤纸，清洗并晾干烧结完成后的电路板200和金属壳体100。依次拆除夹具、金属压块和滤纸，并将烧结完成后的电路板200和金属壳体100放入到超声波清洗机中进行清洗，然后晾干。
图3为电路板烧结到金属壳体上的结构示意图，参考图3所示，完成S101后，电路板200烧结到金属壳体100上，图3中以具有四通道的开关阵列为例。
S102、将放大器、开关MMIC芯片300和芯片电容400粘接到金属壳体100上。
其中，将放大器、开关MMIC芯片300和芯片电容400粘接到金属壳体100上具体包括：
首先，提供导电胶。导电胶可以为H20E，使用前需要将其从冷冻贮存装置中取出并解冻，然后按照配比要求配比，并充分搅拌10分钟左右，以保证导电胶的导电性。
接着，在显微镜下对电路板200的用于安装放大器、开关MMIC芯片300和芯片电容400的容置凹槽进行补修配平，以保证容置凹槽有足够容纳放大器、开关MMIC芯片300和芯片电容400的装配空间，且保证放大器、开关MMIC芯片300和芯片电容400与电路板200的表面平齐度。其中，容置凹槽为开设在电路板200上的贯穿电路板200的上下表面的开槽，容置凹槽的面积略大于待装配的放大器、开关MMIC芯片300或芯片电容400的面积。
然后，均匀点涂导电胶，将放大器、开关MMIC芯片300和芯片电容400用镊子轻轻贴装到容置凹槽内并调平高度。其中，芯片电容400包括滤波电容和隔直电容等，不同种类的芯片具有不同的尺寸和作用，应当根据其功能设计其安装位置。贴装后，还应当调平高度以保证放大器、开关MMIC芯片300和芯片电容400与电路板200的表面平齐度。其中，将放大器、开关MMIC芯片300和芯片电容400用镊子轻轻贴装到容置凹槽内，由于容置凹槽为电路板200上的贯穿上下表面的开槽，因此，放大器、开关MMIC芯片300或芯片电容400贴装在容置凹槽内，同时，放大器、开关MMIC芯片300或芯片电容400的底部贴装在金属壳体100的上表面上。
接下来，将粘贴有放大器、开关MMIC芯片300和芯片电容400的腔体组件放置在95-105℃的烘箱上烘11-12h。通过烘干可使得导电胶固化，以保证导电胶的粘接可靠。
最后，用镊子从烘箱取下腔体组件并放置在散热块上冷却至室温。导电胶烘干完成后，即可从烘箱中取出，并降温至室温。
图4为开关MMIC芯片300和芯片电容400粘接到金属壳体100上的局部结构示意图，参考图4所示，开关MMIC芯片300和芯片电容400根据其功能设置在电路板200的通道走线附近。
需要注意的是，在民用产品中，由于开关阵列需要的功率较小，因此对放大器的功率要求较低，此时放大器的贴装和粘接方式与上述开关MMIC芯片300和芯片电容400一致。然而，当所需的放大器功率较高时，出于散热考虑，可将放大器固定在散热板上，再将散热板贴装到容置凹槽内，并调平放大器和电路板200的高度。
S103、对放大器、开关MMIC芯片300、芯片电容400分别与电路板200进行金丝键合，形成开关阵列组件。
其中，对放大器、开关MMIC芯片300、芯片电容400分别与电路板200进行金丝键合，具体包括以下步骤：
首先，将腔体组件固定在键合加热平台上，并放置于显微镜镜头下。键合加热平台在使用前需要安装球焊瓷嘴，在将腔体组件固定在键合加热平台上后，需要将该键合加热平台放置在显微镜镜头下，以便于后续金丝键合操作。
然后，利用超声波金丝键合机分别对放大器、开关MMIC芯片300、芯片电容400与电路板200进行金丝键合。
其中，利用超声波金丝键合机对开关MMIC芯片300与电路板200进行金丝键合，具体包括：将超声波的功率调节至230W，加工时间设置为70ms，且在开关MMIC芯片300和电路板200之间采用75μm金带键合。
利用超声波金丝键合机对芯片电容400与电路板200进行金丝键合，具体包括：在芯片电容400与电路板200之间采用锲型焊，将超声波的功率调节至200W，加工时间设置为60ms。
图5为开关MMIC芯片300和芯片电容400与电路板200进行金丝键合后的局部结构示意图，参考图5所示，金丝键合操作完成后，开关MMIC芯片300和芯片电容400分别与电路板200通过键合金丝500连接。
在上述实施例的基础上，在上述步骤完成后，还需要对形成的开关阵列组件进行调试、测试、封盖和打标。具体地，首先需要装配外部毫米波连接器和测试高频电缆，并连接外围电路和仪器仪表，在对开关阵列组件进行调试和测试，调试和测试完成后，封盖、打标。
现有技术中，由于采用了钼铜载片，为了方便后续金丝键合两边高度的一致性要求，因此，采用厚度为0.254mm的电路板进行设计。该厚度的电路板与芯片直接进行键合会增加级联的不连续性和设计的不匹配性，毫米波宽带信号传输能量的损耗变大，给后续设计、生产、测试、调试增加了额外的难度，最终导致毫米波宽带开关阵列频率特性变差、工作带宽变窄、通道间的一致性较难控制。
而本实施例中，电路板200的厚度为0.127mm。电路板200的带线宽度与芯片的微带线宽度的差距较小，直接进行键合即可，级联连续、设计匹配，毫米波宽带信号传输能量的损耗小，从而有利于提高毫米波宽带开关阵列频率的特性和通道间的一致性。并且，相比于现有技术中设置芯片载片的方案，由于不需要设置芯片载片，因此电路板200可以设置为较低的厚度，以便于与芯片的高度一致。
本发明实施例提供的毫米波多通道宽带开关阵列的装配方法，适用于主动毫米波人体安检成像领域，工作在室温条件，由于在装配工序中采用了芯片直接贴装，取消了芯片载片，因此降低了制造加工成本，增加了多通道批量化的可生产性，简化了微组装工艺步骤，提高了毫米波宽带信号的匹配性能和传输质量。
实施例二
本发明另一方面提供一种毫米波多通道宽带开关阵列，包括：金属壳体100、电路板200、放大器、开关MMIC芯片300和芯片电容400；
电路板200烧结在金属壳体100上，放大器、开关MMIC芯片300和芯片电容400粘接在金属壳体100上，且放大器、开关MMIC芯片300和芯片电容400分别与电路板200通过键合金丝500连接。
电路板200固定在金属壳体100上的容置腔体内，放大器、开关MMIC芯片300和芯片电容400固定在金属壳体100上的容置凹槽内，容置腔体和容置凹槽的深度不同，电路板200、放大器、开关MMIC芯片300和芯片电容400的上表面与金属壳体100的上表面平齐。
本发明实施例提供的毫米波多通道宽带开关阵列，适用于主动毫米波人体安检成像领域，工作在室温条件，芯片直接贴装在金属壳体上，而无需设计芯片载片，不仅降低了制造加工成本，增加了多通道批量化的可生产性，简化了微组装工艺步骤，而且提高了毫米波宽带信号的匹配性能和传输质量。
在本发明的描述中，需要理解的是，所使用的术语“中心”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“顶端”、“底端”、“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”“轴向”、“周向”等指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的位置或原件必须具有特定的方位、以特定的构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
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一个或者更多个该特征。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。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等应做广义理解，例如可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成为一体；可以是机械连接，也可以是电连接或者可以互相通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以使两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (8)
1.一种毫米波多通道宽带开关阵列的组装方法，其特征在于，包括：
将电路板采用夹具工装烧结到金属壳体上；
将放大器、开关MMIC芯片和芯片电容粘接到所述金属壳体上；
对所述放大器、所述开关MMIC芯片、所述芯片电容分别与所述电路板进行金丝键合，形成开关阵列组件；
将放大器、开关MMIC芯片和芯片电容粘接到所述金属壳体上具体包括：
在显微镜下对所述电路板上的用于安装所述放大器、所述开关MMIC芯片和所述芯片电容的容置凹槽进行补修配平；所述容置凹槽为所述电路板上的贯穿上下表面的开槽；
均匀点涂导电胶，将所述放大器、所述开关MMIC芯片和所述芯片电容用镊子轻轻贴装到所述容置凹槽内并调平高度；
将粘贴有所述放大器、所述开关MMIC芯片和所述芯片电容的腔体组件放置在95-105℃的烘箱上烘11-12h；
用镊子从烘箱取下所述腔体组件并放置在散热块上冷却至室温。
2.根据权利要求1所述的组装方法，其特征在于，所述将电路板采用夹具工装烧结到金属壳体上具体包括：
提供待装配的所述电路板和所述金属壳体；
清洗并晾干所述电路板和所述金属壳体；
将焊料片、所述电路板、滤纸和金属压块依次放入所述金属壳体的容置腔体中，并使用所述夹具固定所述金属壳体，形成第一装配组件；
将所述第一装配组件放置在加热平台上烧结，加热平台的温度为240-250℃，烧结时间为1-1.5min，待所述焊料片融化后取出所述第一装配组件并静置至常温；
拆除所述夹具、所述金属压块和所述滤纸，清洗并晾干烧结完成后的所述电路板和所述金属壳体。
3.根据权利要求1所述的组装方法，其特征在于，所述对所述放大器、所述开关MMIC芯片、所述芯片电容分别与所述电路板进行金丝键合具体包括：
将所述腔体组件固定在键合加热平台上，并放置于显微镜镜头下；
利用超声波金丝键合机分别对所述放大器、所述开关MMIC芯片、所述芯片电容与所述电路板进行金丝键合。
4.根据权利要求3所述的组装方法，其特征在于，所述利用超声波金丝键合机对所述开关MMIC芯片与所述电路板进行金丝键合，具体包括：将超声波的功率调节至230W，加工时间设置为70ms，且在所述开关MMIC芯片和所述电路板之间采用75μm金带键合；
所述利用超声波金丝键合机对所述芯片电容与所述电路板进行金丝键合，具体包括：在所述芯片电容与所述电路板之间采用锲型焊，将超声波的功率调节至200W，加工时间设置为60ms。
5.根据权利要求1所述的组装方法，其特征在于，所述将所述放大器贴装到所述容置凹槽内并调平高度具体包括：
将所述放大器固定在散热板上，再将所述散热板贴装到所述容置凹槽内，并调平所述放大器和所述电路板的高度。
6.根据权利要求1-5任一项所述的组装方法，其特征在于，所述电路板的厚度为0.127mm。
7.根据权利要求1-5任一项所述的组装方法，其特征在于，所述形成开关阵列组件之后，还包括：
对所述开关阵列组件进行调试、测试、封盖和打标。
8.一种毫米波多通道宽带开关阵列，其特征在于，包括：金属壳体、电路板、放大器、开关MMIC芯片和芯片电容；
所述电路板烧结在所述金属壳体上，所述放大器、开关MMIC芯片和芯片电容粘接在所述金属壳体上，且所述放大器、开关MMIC芯片和芯片电容分别与所述电路板通过键合金丝连接；
所述电路板固定在所述金属壳体上的容置腔体内，所述放大器、所述开关MMIC芯片和所述芯片电容固定在所述电路板上的容置凹槽内，所述电路板、所述放大器、所述开关MMIC芯片和所述芯片电容的上表面与所述金属壳体的上表面平齐；所述容置凹槽为所述电路板上的贯穿上下表面的开槽。
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