CN114554688B - 基于电热兼容的多层ltcc基板的发射前端装置 - Google Patents

基于电热兼容的多层ltcc基板的发射前端装置 Download PDF

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Abstract

一种基于电热兼容的多层LTCC基板的发射前端装置，包括：第一和第二表面贴装单元、设置于第一表面贴装单元外侧的用于保护芯片以及设有信号输入输出口的中空围墙结构单元以及设置于第一和第二表面贴装单元之间的电源供电以及数字电路布线单元、用于连通各个芯片的输入输出信号的无源电路互连单元和接地散热单元，输入信号通过中空围墙单元输入无源电路互连单元的带状线功分器，并进一步输出至表面贴装单元上的元器件，并通过微带线和金属键合线信号传输后通过中空围墙单元输出信号。本发明能够保证功率放大器芯片去耦要求的同时，满足了大面积散热地的需求，从而实现多芯片组件高密度封装下的高性能和高散热能力。

Description

基于电热兼容的多层LTCC基板的发射前端装置
技术领域
本发明涉及的是一种微波设备领域的技术，具体是一种基于电热兼容的多层LTCC基板的发射前端装置。
背景技术
现有低温共烧陶瓷(Low Temperature Co-fired Ceramics，LTCC)技术是多芯片组件技术中的一种多层布线基板技术，该技术将未烧结的流延陶瓷材料叠层在一起而制成的多层电路，内有印制互连导体、元件和电路，并将该结构烧制成一个集成式陶瓷多层材料，然后在表面贴装裸芯片等构成具有一定部件或系统功能的高密度微电子组件技术。
发明内容
本发明针对现有小尺寸LTCC基板上多芯片集成以及组件高密度封装下的散热缺陷，提出一种基于电热兼容的多层LTCC基板的发射前端装置，利用一分四功分器将输入信号分为四路输出信号，通过上下表面同时贴装芯片的方式以及各功能单元域的合理布局实现组件小型化设计，又通过同时使用两种去耦电容的方式为芯片散热接地面留出空间，保证功率放大器芯片去耦要求的同时，满足了大面积散热地的需求，从而实现多芯片组件高密度封装下的高性能和高散热能力。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种基于电热兼容的多层LTCC基板的发射前端装置，包括：第一和第二表面贴装单元、设置于第一表面贴装单元外侧的用于保护芯片以及设有信号输入输出口的中空围墙结构单元以及设置于第一和第二表面贴装单元之间的电源供电以及数字电路布线单元、用于连通各个芯片的输入输出信号的无源电路互连单元和接地散热单元，其中：输入信号通过中空围墙单元输入无源电路互连单元的带状线功分器，并进一步输出至表面贴装单元上的元器件，并通过微带线和金属键合线信号传输后通过中空围墙单元输出信号。
所述的多层LTCC基板是指：经LTCC印刷金属布线加工工艺实现且每层均有一侧印刷有金属层的基板。
所述的中空围墙结构单元的高度大于芯片高度，该中空围墙结构单元具体包括：若干层中空LTCC基板、信号输入输出口以及供电电路控制电路引出口，其中：中空LTCC基板是指围绕在中央贴装芯片类似围墙结构的中心挖空的基板，其高度需要大于芯片的高度以起到保护作用，四面围墙既可保护中心芯片又可通过围墙内的金属化通孔设置信号输入输出口以及供电电路控制电路引出口。
所述的表面贴装单元用于贴装芯片以及电容器等器件，可以选择装置的单面贴装或者双面贴装，该表面贴装单元具体包括：装置上表面或下表面一层完整的LTCC基板、LTCC基板上印刷有金属，其中：金属包括接地面和信号线，芯片以及电容器通过导电银胶贴装在装置表面LTCC基板印刷的金属接地面上，信号线是连接芯片的信号的输入与输出。
所述的表面贴装单元上进一步设有砷化镓芯片和电容器，其中：砷化镓芯片通过背面金属接地，平板电容背面接地，它们能够共用相同的接地面，因而在芯片周围分布多个平板电容，既能够为芯片提供去耦电容，又能够加大芯片的接地面面积，从而提供良好的散热条件。
所述的砷化镓芯片和电容器中，同层贴装芯片与芯片之间以及芯片与平板电容之间的互连方式通过金属键合线相连。
所述的电源供电以及数字电路布线单元用于为芯片提供电源供电以及为芯片提供使能控制数字信号，该电源供电以及数字电路布线单元具体包括：若干层完整的LTCC基板、基板上印刷有相应电路的金属，其中：基板设置在靠近表面贴装单元为芯片提供电源供电以及控制使能信号，基板上印刷的金属即为电路走线，基板内的通孔连接不同层之间电路。
所述的无源电路互连单元具体包括：若干层完整的LTCC基板、带状线功分器、基板上印刷有金属，其中：无源电路互连单元中最上层基板印刷带状线金属上接地面，最下层基板印刷带状线金属下接地面，两金属接地面通过金属化通孔相连，中间的带状线功分器是用于连接信号以及分路作用，基板的层数可根据设计的带状线功分器决定。
所述的接地散热单元具体包括：LTCC基板上大面积的接地金属、LTCC基板内的金属阵列通孔，其中：接地散热单元是在已有LTCC基板层内设置的，其中的接地金属与其他单元的接地金属需要通过金属化通孔相连，相连的金属化通孔以阵列的形式设置在各层基板中，能够将LTCC基板内的热量通过金属化通孔顺利导出实现散热功能。
所述的电容器，包括平板电容和贴片电容，其连接构成去耦电路，其中：平板电容通过金属键合线与芯片的供电端口相连，贴片电容的一端贴装于芯片加电微带，另一端贴装于接地金属上。
通常芯片需要多级去耦电路，小容值的电容可以采用平板电容，平板电容布置在芯片附近的位置能够为芯片增大接地面积提高散热能力，而大容值的平板电容所占面积太大，与组件小型化冲突，采用贴片电容直接跨接在已有的加电微带线和接地金属之间，能够提供大容值去耦电容且无需额外空间。
所述的芯片的散热通过芯片底部大面积金属地以及密集的金属化通孔导热实现，芯片底面的接地面越大散热效果越好，散热通孔的数量越多散热越好。因而优化散热方案是在芯片贴装层除去射频电路以及馈电电路以外部分都印刷金属来增大接地面面积，同时在避开下层布线的情况下尽可能地增多散热孔的数量。
技术效果
本发明通过中空围墙结构布置芯片以及电路，从四周围墙引出输入输出信号，便于将组件信号与其他设备连接；采用上下表面都贴装芯片以及各功能单元域的合理布局的方式，提高组件的集成度，组件小型化；采用两种类型的电容器，满足芯片去耦要求电性能稳定的情况下，增大芯片散热地面积提高了散热能力的同时实现了组件进一步的小型化，并且通过不同类型电容器的使用以及高密度布线和通孔，实现了多芯片组件高密度封装下的高性能和高散热能力。
附图说明
图1为本发明整体结构的三维视图；
图2为本发明LTCC基板倒装的分层示意图；
图3为本发明基板上下表面芯片贴装图；
图4为本发明用于性能验证的S11、S22和S21测试响应图。
图5为实施例散热原理示意图；
图6为实施例散热优化前后热仿真对比图；
图中：1中空围墙结构单元、2信号输入端口、3信号输出端口、4供电电路控制电路引出口、5第一表面贴装单元、6驱动放大器芯片、7五位数字衰减器芯片、8六位数字移相器芯片、9功率放大器芯片、10串并转换器芯片、11第二表面贴装单元、12单层片式电容器(平板电容)、13金属键合线、14电源供电以及数字电路布线单元、15无源电路互连单元、16接地散热单元、17通孔反焊盘、18带状线一分四功分器、19互连通孔、20芯片供电及控制电路、21串并转换器芯片供电及使能电路、22功率放大器芯片供电电路、23多层片式陶瓷电容器(贴片电容)。
具体实施方式
如图1所示，为本实施例涉及一种基于电热兼容的LTCC基板的发射前端装置，为多层LTCC基板组成的堆叠结构，包括：第一表面贴装单元5和第二表面贴装单元11、设置于第一表面贴装单元5外侧的中空围墙结构单元1、分别设置于第一表面贴装单元5和第二表面贴装单元11内侧的电源供电以及数字电路布线单元14、无源电路互连单元15和接地散热单元16。
所述的第一表面贴装单元5和第二表面贴装单元11上分别设有驱动放大器芯片6、五位衰减器芯片7、六位移相器芯片8、功率放大器芯片9、串并转换器芯片10、单层片式电容器12和多层片式陶瓷电容器23。
所述的电源供电以及数字电路布线单元14上设有芯片供电及控制电路20、串并转换器芯片供电及使能电路21以及功率放大器芯片供电电路22。
所述的无源电路互连单元15上设有带状线一分四功分器18。
所述的接地散热单元16上设有大面积接地金属面以及密集的金属散热通孔。
所述的驱动放大器芯片6、五位衰减器芯片7、六位移相器芯片8、功率放大器芯片9和串并转换器芯片10每种各四颗且分别与带状线一分四功分器18相连以构成四通道发射前端。
所述的中空围墙结构单元1在本实施例中采用四层LTCC基板堆叠，中间空腔的尺寸为14mm×14mm，其上进一步设有信号输入端口2、信号输出端口3以及供电电路控制电路引出口4。所述的表面贴装单元在本实施例中进行双面贴装，故需两层LTCC基板。所述的电源供电以及数字电路布线单元14在本实施例中分布在三处，芯片供电及控制电路20、串并转换器芯片供电及使能电路21以及功率放大器芯片供电电路22，故需三层LTCC基板。所述的无源电路互连单元15在本实施例中采用带状线一分四功分器18，由四层LTCC基板堆叠而成。所述的接地散热单元16在本实施例中尽可能地布置，在第一表面贴装单元5除去射频电路以及供电电路以外部分都印刷金属来增大接地面面积，同时在避开下层布线的情况下尽可能地增多散热孔的数量。
所述的多层LTCC基板，在本实施中采用十三层LTCC生瓷带材料Ferro-A6M制成，其大小为18mm×18mm，通过打孔、填孔、网印、层压、烧结等工艺形成电路，LTCC介电常数为5.9，每层基板的厚度为96μm，每层印刷的金厚度为10μm，故总厚度约为1.35mm。
如图2所示，为所述的发射前端装置的分层示意图，将该发射组件整体进行倒装，射频信号从中空围墙结构单元1的信号输入端口2输入，经过金属化通孔向上通过八层基板以及通孔反焊盘17到达无源电路互连单元15的带状线一分四功分器18，将信号分为四路后再经过通孔向下通过四层基板到达第一表面贴装单元5，然后通过微带线以及金属键合线13进入驱动放大器6放大信号，再经过金属键合线13传入衰减器7和移相器8，最后经过功率放大器9放大信号后向下穿过中空围墙结构单元1分别从四路信号输出端口3输出，第一表面贴装单元5的芯片通过供电电路20和功率放大器芯片供电电路22上电，第二表面贴装单元11上串并转换器芯片10的供电和使能则是通过串并转换器芯片供电及使能电路21实现的，而串并转换器芯片10与衰减器芯片7和移相器芯片8的连接是由直穿九层基板的互连通孔19实现的。功率放大器9的散热需求通过芯片底部接地面以及周围单层片式电容器12底部接地面和密集的散热通孔实现。
如图3所示，所述的驱动放大器芯片6的尺寸为2.64mm×1.04mm；所述的五位数字衰减器芯片7的尺寸为2.35mm×1mm；所述的六位数字移相器芯片8的尺寸为3.2mm×1.4mm；所述的功率放大器芯片9的尺寸为2.64mm×1.96mm，所述的串并转换芯片10的尺寸为2.95mm×1.95mm。其中同层芯片之间的互连以及芯片与平板电容12的互连都是通过金属键合线13连接，平板电容12采用双面金涂层，一面用导电银胶与接地面贴连，另一面用金属键合线13与芯片的焊盘相连，而贴片电容23则是一端贴装于接地面上另一端贴装于加电微带线上。每个功率放大器芯片9周围贴装了八个平板电容12，保证功率放大器芯片9去耦要求的同时，满足了大面积散热地的需求。
如图4所示，为本实施例涉及的一种新型面向K波段的LTCC多芯片组件发射前端装置测试的S11、S22和S21的曲线，增益在20dB以上。
如图5所示，该集成发射前端的散热主要通过放大器芯片底部与基板表面金属层接触传导，再通过组件基板内部的金属互连和金属化通孔阵列传导至中空围墙结构处，再通过焊球将热量传导到系统热沉上。该系统通过将非射频线路避开热源即放大器芯片正下方，采用两种电容器使得导热路径中能够设置尽量大面积的金属散热地和数量更多的金属化过孔阵列，从而降低导热路径的热阻。结果表明，通过散热优化设计，可以有效地将放大器芯片热源的热量传导至热沉上，使得最大温度下降21％。
经过具体实际实验，在探针台上使用矢量网络分析仪对样品进行测试，给芯片供电后，将探针扎在信号输入端口和信号输出端口，能够得到的实验数据是：各通道带内传输增益大于20.5dB，5位衰减器从0.5到15.5dB各衰减状态的幅度误差均在-1.1～+0.22dB以内，6位移相器从5.625°到180°的相位误差均在-2.6°到+3.6°以内。
如图6所示，为本实施例涉及的一种新型面向K波段的LTCC多芯片组件发射前端装置散热优化前后的热仿真对比图，芯片散热路径是先通过芯片底面接触的金属地，后通过散热孔从围墙传出，经过增大接地面面积和散热孔数量的散热优化后，比散热优化前温度下降了40摄氏度，散热性能提高了21％。
所述的金属导带、金属地、金属化通孔以及金属键合线13使用的金属都是金，其中金属导带和金属地是印刷在LTCC基板上，金属化通孔是基板经过激光打孔后进行金属填充形成的，而金属键合线是由引线键合机焊接在焊盘上直径25μm的金丝。
与现有技术相比，本装置通过LTCC基板上下两面都贴装芯片的方式实现了多芯片组件的小型化，通过单层片式电容器(平板电容)和多层片式陶瓷电容器(贴片电容)的混合使用，以及多层陶瓷基板的高密度布线和通孔，实现多芯片组件高密度封装下的高性能和高散热能力。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (9)

1.一种基于电热兼容的多层LTCC基板的发射前端装置，其特征在于，包括：第一和第二表面贴装单元、设置于第一表面贴装单元外侧的用于保护芯片以及设有信号输入输出口的中空围墙结构单元以及设置于第一和第二表面贴装单元之间的电源供电以及数字电路布线单元、用于连通各个芯片的输入输出信号的无源电路互连单元和接地散热单元，其中：输入信号通过中空围墙单元输入无源电路互连单元的带状线功分器，并输出至表面贴装单元上的元器件，并通过微带线和金属键合线信号传输后通过中空围墙单元输出信号。
2.根据权利要求1所述的基于电热兼容的多层LTCC基板的发射前端装置，其特征是，所述的中空围墙结构单元的高度大于芯片高度，该中空围墙结构单元具体包括：若干层中空LTCC基板、信号输入输出口以及供电电路控制电路引出口，其中：中空LTCC基板是指围绕在中央贴装芯片围墙结构的中心挖空的基板，其高度需要大于芯片的高度以起到保护作用，四面围墙既可保护中心芯片又可通过围墙内的金属化通孔设置信号输入输出口以及供电电路控制电路引出口。
3.根据权利要求1所述的基于电热兼容的多层LTCC基板的发射前端装置，其特征是，所述的表面贴装单元具体包括：装置上表面或下表面一层完整的LTCC基板、LTCC基板上印刷有金属，其中：金属包括接地面和信号线。
4.根据权利要求3所述的基于电热兼容的多层LTCC基板的发射前端装置，其特征是，所述的表面贴装单元上设有砷化镓芯片和电容器，其中：砷化镓芯片和电容器均通过设置于背面的金属接地。
5.根据权利要求4所述的基于电热兼容的多层LTCC基板的发射前端装置，其特征是，所述的电容器，包括平板电容和贴片电容，其连接构成去耦电路，其中：平板电容通过金属键合线与芯片的供电端口相连，贴片电容的一端贴装于加电微带线上，另一端贴装于接地金属上。
6.根据权利要求4所述的基于电热兼容的多层LTCC基板的发射前端装置，其特征是，所述的芯片的散热通过芯片底部表面贴装单元的大面积金属地以及密集的金属化通孔导热实现，具体为：在芯片贴装层除去射频电路以及馈电电路以外部分都印刷金属来增大接地面面积，同时在避开下层布线的情况下增设多个散热孔。
7.根据权利要求1所述的基于电热兼容的多层LTCC基板的发射前端装置，其特征是，所述的电源供电以及数字电路布线单元具体包括：若干层完整的LTCC基板、基板上印刷有相应电路的金属，其中：基板设置在靠近表面贴装单元为芯片提供电源供电以及控制使能信号，基板上印刷的金属即为电路走线，基板内的通孔连接不同层之间电路。
8.根据权利要求1所述的基于电热兼容的多层LTCC基板的发射前端装置，其特征是，所述的无源电路互连单元具体包括：若干层完整的LTCC基板、带状线功分器、基板上印刷有金属，其中：无源电路互连单元中最上层基板印刷带状线金属上接地面，最下层基板印刷带状线金属下接地面，两金属接地面通过金属化通孔相连，中间的带状线功分器是用于连接信号以及分路作用，基板的层数可根据设计的带状线功分器决定。
9.根据权利要求7或8所述的基于电热兼容的多层LTCC基板的发射前端装置，其特征是，所述的接地散热单元具体包括：若干层完整的LTCC基板、设置于LTCC基板上的大面积的接地金属以及设置于LTCC基板内的金属阵列通孔，其中：接地金属间通过金属化通孔相连，相连的金属化通孔以阵列的形式设置在各层基板中并将LTCC基板内的热量通过金属化通孔顺利导出实现散热功能。
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