CN114236709A - 一种面通孔结构的陶瓷封装高速外壳 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种面通孔结构的陶瓷封装高速外壳，属于电子元器件的封装外壳技术领域。通过激光开腔、挂孔等技术实现内腔中平行相对的一对金属面，称为面通孔。在高速差分信号的垂直传输中采用了全新的面通孔结构取代传统的过孔传输方式。在信号传输上相较于传统的过孔传输，更能够保障信号完整性，在S参数、高速信号时延、耦合噪声等方面也具有更大的优化空间，且受信号垂直传输的高度影响较小。在如今信号传输速率越来越高的情况下具有更加优异的电性能，可以支持更高速率的光电模块及芯片的封装。
Description
技术领域
本发明是一种面通孔结构的陶瓷封装高速外壳，属于电子元器件的封装外壳技术领域。
背景技术
光发射组件（Transmitter optical sub-assembly, TOSA）和光接收组件（Receiver optical sub-assembly, ROSA）的管壳多由两个端口组成，一端通过光窗连接光纤传输光信号，另一端通过射频端口连接电信号，在管壳内部实现光/电或电/光转化。传统的高速信号传输端口水平传输采用微带线-带状线-微带线的传输结构，而垂直信号的传输则采用微带线-过孔-微带线的传输结构，传统采用的过孔为感性负载，其电感与过孔的高度成正比，而与过孔的半径不成线性关系，故过孔的阻抗调配较难，采用该传输结构往往会出现阻抗失配现象，在信号传输的过程中发生反射。当信号的传输速率较高时，信号完整性得不到保障。并且通孔的寄生效应也很难消除，随着传输速率的提高，会造成损耗增大、S参数恶化、产生耦合噪声、时延增加等等负面效果。虽然通过调整过孔的各个参数譬如过孔直径、高度、焊盘尺寸、反焊盘尺寸等等可以对阻抗失配产生一定的作用，或者调整连接参考地（GND）的过孔位置、反焊盘的形状以及减少过孔数量也可以减轻阻抗失配带来的问题。但这些办法还是无法十分有效地改善信号完整性问题，尤其是在阻抗失配方面。采用传统的通孔结构，在信号频率达到25GHz以上时，很难通过调节关键参数，使其回波损耗|S11|、插入损耗|S21|达到理想值。
发明内容
本发明提出的是一种面通孔结构的陶瓷封装高速外壳，其目的在于针对现有技术存在的缺陷，提出一种全新的垂直传输结构，即面通孔结构，该结构与传统的过孔结构不同，在工艺流程上采用先开腔后挂孔再开腔的步骤，在端口中跨平面传输处形成了一对平行的金属边来传输高速差分信号。面通孔的传输结构呈容性负载，便于通过调节尺寸来调节传输阻抗，可以有效地解决差分信号在传输中造成的阻抗失配问题。
本发明的技术解决方案：一种面通孔结构的陶瓷封装高速外壳，包括壳体1、端口2和光窗3，壳体为设有至少一个用于容纳芯片或无源器件的多边形腔体，端口采用面通孔2-1结构进行信号的传输，所述面通孔由在开好的腔内侧挂涂的一对平行且相对的金属面组成，且上下均与微带线相连，所述面通孔的两侧开有两个圆形腔2-2。
所述面通孔的高度为0.8-5.0mm，宽度为0.15-2.0mm。
传输差分对的两个面通孔2-1的截距为0.2-2.0mm。
所述端口2采用四层及以上陶瓷叠片、需要在内部印刷两层参考地。
所述参考地中设置有反焊盘，反焊盘的半径为0.2-2.0mm。
所述圆形腔2-2 的半径为0.2-2.0mm。
所述微带线中，上端微带线2-3通过微带线-带状线-微带线的穿墙结构与管壳内部所封装芯片或光电转化模块通过金丝键合实现差分信号的传输，其中上端微带线2-3的截距为0.2-1.0mm。
所述微带线中，下端微带线2-4通过焊上引线实现差分信号的传输，其中下端微带线2-4的截距为0.5-1.0mm。
本发明的有益效果：面通孔的电容和电感受挂涂金属面的尺寸影响很大，即可以通过调整金属面的尺寸来调节金属面的阻抗，实现传输结构的阻抗匹配问题，可以支持高速率信号传输且能够有效地保障信号的完整性。当垂直高度提升时，采用面通孔结构进行垂直信号的传输，不会产生过大的寄生电感，即面通孔的高度对整体传输结构的信号完整性不大，所以当传输结构所采用的高度差越大，面通孔结构的实用性就越高。无论是在眼图测试还是在时域反射（TDR）的测试中，面通孔结构也优于相同条件中的差分过孔传输结构，具有优异的电性能。相比于传统结构，该结构在S参数、信号完整性、高速信号时延、耦合噪声等方面均有较大的优化空间。在频率高达40GHz的信号下，面通孔的传输结构可以通过调节部分参数，保证S11≤-10dB，S21≥-0.8dB，优于传统的通孔结构。
附图说明
附图1是信号传输端口结构示意图。
附图2是信号传输端口俯视图。
附图3是信号传输端口背面图。
附图4是实施例的结构示意图。
附图5是信号传输线的结构示意图。
图中1—壳体，2—端口，3—光窗，2-1—面通孔，2-2—圆形腔，2-3—上端微带线，2-4—下端微带线。
具体实施方式
如附图1、2所示，将传统的过孔结构改为新型的面通孔结构，采用侧壁挂涂的金属面进行高速信号的垂直传输，金属面的上下两端仍旧连接微带线。
作为优选，所述陶瓷高速外壳的面通孔高度为0.8-5.0mm。
作为优选，传输差分对的两个面通孔的截距0.2-2.0mm。
作为优选，面通孔的宽度0.15-2.0mm。
作为优选，所述陶瓷高速外壳的端口需要采用至少四层陶瓷叠片且需要在内部印刷两层参考地。
作为优选，需要在参考地中设置反焊盘，且反焊盘的半径0.2-2.0mm。
作为优选，在面通孔的两侧需要开两个圆形腔，其中圆形腔的半径0.2-2.0mm。
作为优选，上端微带线通过微带线-带状线-微带线的穿墙结构与管壳内部所封装芯片或光电转化模块通过金丝键合实现差分信号的传输，其中上端微带线的截距为0.2-1.0mm。
作为优选，下端微带线通过焊上引线实现差分信号的传输，其中下端微带线的截距为0.5-1.0mm。
作为优选，所述陶瓷壳体设有至少一个用于容纳芯片或无源器件的多边形腔体。
作为优选，采用氧化铝或氮化铝陶瓷作为介质。
实施例1
参照图4所示，本发明为一款ROSA管壳，包括壳体以及位于壳体两侧的信号传输端口，其中光窗3用于光信号的输入，封装于腔体内部的光电转化模块将接受的光信号转化为相应的电信号，并通过端口2将电信号通过引线输出，实现光接受组件的功能。
请参照图5所示，所述端口在高速信号的水平传输中采用微带线-带状线-微带线的结构，可以通过多层陶瓷印刷的工艺手段将传输线印刷在陶瓷的表面的内部。而在高速信号的垂直传输中采用面通孔结构取代传统的过孔结构，相较于先打孔再填孔的传统过孔工艺，面通孔需要先开方腔再挂孔，最后二次开圆腔，实现一对平行且相对的金属面来传输高速差分信号。
金属面呈现容性负载，阻抗与金属面的尺寸，间距影响较大，通过调节金属面的尺寸可以有效地调节传输结构中的阻抗匹配，而传统的过孔结构呈现感性负载，阻抗与过孔的高度影响较大，但在信号传输上，垂直传输的高度往往不便于调节，故当高度较大时，过孔传输结构在调节阻抗匹配问题上起不到明显的效果。
本发明解决现有技术中高速信号在垂直传输中因为过孔结构导致的阻抗失配问题从而影响信号完整性，采用相比过孔结构而言加工路径较为复杂的面通孔结构来实现高速信号传输结构中的阻抗匹配。当信号垂直传输的高度＞0.8mm时，面通孔传输结构的信号完整性要明显优于传统的过孔结构。
进一步的，请参照图3和图5所示，壳体内的高速信号通过金丝键合传输到端口内部的微带线上，再通过微带线-带状线-微带线的穿墙结构将高速信号通过面通孔结构实现信号的垂直传输，最后通过端口外部的微带焊上引线将信号传出，实现了接受光信号并通过光/电转化模块将电信号输出。
在产品的制作加工中会存在误差，为了确保在端口处不存在短路现象，需对面通孔的尺寸有一定的要求，其中传输差分对的两个面通孔的截距＞0.2mm；面通孔的宽度＞0.15mm；反焊盘的半径＞0.2mm；圆形腔的半径＞0.2mm。
本发明采用了高温陶瓷共烧技术，通过打孔、填孔、印刷、挂孔、叠片、层压、开腔、烧结等多种工艺步骤制备出陶瓷端口，再通过钎焊、镀镍、镀金后形成图3所示的陶瓷封装高速外壳。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想，面通孔的结构需要落入本发明权利要求的保护范围内。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
Claims (8)
1.一种面通孔结构的陶瓷封装高速外壳，其特征是包括壳体(1)、端口(2)和光窗(3)，壳体为设有至少一个用于容纳芯片或无源器件的多边形腔体，端口采用面通孔(2-1)结构进行信号的传输，所述面通孔结构的两侧开有两个圆形腔(2-2)，在开好的圆形腔内侧挂涂一对平行且相对的金属面，且上下均与微带线相连，制备时采用先开腔后挂孔再开腔的方法，在端口中跨平面传输处形成了一对平行的金属边来传输高速差分信号。
2.根据权利要求1所述的一种面通孔结构的陶瓷封装高速外壳，其特征是所述面通孔的高度为0.8-5.0mm，宽度为0.15-2.0mm。
3.根据权利要求1所述的一种面通孔结构的陶瓷封装高速外壳，其特征是传输高速差分信号的两个面通孔(2-1)的截距为0.2-2.0mm。
4.根据权利要求1所述的一种面通孔结构的陶瓷封装高速外壳，其特征是所述端口(2)采用四层及以上陶瓷叠片、需要在内部印刷两层参考地。
5.根据权利要求4所述的一种面通孔结构的陶瓷封装高速外壳，其特征是所述参考地中设置有反焊盘，反焊盘的半径为0.2-2.0mm。
6.根据权利要求1所述的一种面通孔结构的陶瓷封装高速外壳，其特征是所述圆形腔(2-2) 的半径为0.2-2.0mm。
7.根据权利要求1所述的一种面通孔结构的陶瓷封装高速外壳，其特征是所述微带线中，上端微带线(2-3)通过微带线-带状线-微带线的穿墙结构与管壳内部所封装芯片或光电转化模块通过金丝键合实现差分信号的传输，其中上端微带线(2-3)的截距为0.2-1.0mm。
8.根据权利要求1所述的一种面通孔结构的陶瓷封装高速外壳，其特征是所述微带线中，下端微带线(2-4)通过焊上引线实现差分信号的传输，其中下端微带线(2-4)的截距为0.5-1.0mm。
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