CN116525596A - 一种太赫兹芯片三维封装结构及实现方法 - Google Patents

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周梓乔
彭洪
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Abstract

本发明公开了一种太赫兹芯片三维封装结构及实现方法。本发明提供了基于封闭悬置线和三维电磁带隙的太赫兹芯片三维封装结构，在一定程度上摆脱了加工方式的制约，提供了一种低成本、低损耗、宽频带太赫兹芯片封装的可行方法，在保证封装结构宽带性能和低传输损耗的同时，还具有加工和装配方式简便、加工精度要求较低、制造成本低等优势，避免了复杂的工艺和高频段过于精细的加工要求；具有传输损耗小、工作带宽大的优点，能够实现封装和器件之间的高性能互连，在太赫兹芯片封装领域具备更广泛的适用性；封装结构整体由金属加工制成，工艺和安装较为简便，结构稳定，能够在太赫兹频段实现大规模应用。

Description

一种太赫兹芯片三维封装结构及实现方法
技术领域
本发明涉及太赫兹技术，具体涉及一种太赫兹芯片三维封装结构及实现方法。
背景技术
太赫兹(THz)波一般指频率在0.1～10THz(波长为3000～30μm)范围内的电磁波，相比微波/毫米波频段，在无线通信领域具有更高传输速率和更大工作带宽的优势，在感知成像领域具有更高分辨率和穿透性。但是更高的频率也使得太赫兹芯片和器件的尺寸更小，这给太赫兹器件的制造和芯片的封装带来了巨大困难。另一方面，随着通感一体、万物智联等领域的快速发展，芯片的集成度越来越高，太赫兹芯片的大规模集成互联也对其封装结构提出了更高要求。当前，由于标准金属波导结构在太赫兹波段昂贵的制造成本、平面传输线在太赫兹波段的高损耗和窄带宽、悬置线需要介质支撑会引入更多传输损耗等问题，基于传统金属波导、平面传输线和悬置线的太赫兹芯片封装性能严重受限，难以满足当前太赫兹芯片对低损耗封装与宽带互联的需求。因此，研究和设计一种低成本、低损耗、宽频带的太赫兹芯片封装结构和实现方法，对于6G太赫兹高速通信、高分辨率成像和高精度雷达等系统的性能提升和紧凑集成具有重要意义。
发明内容
基于上述技术及需求，本发明提出了一种太赫兹芯片三维封装结构及实现方法，通过利用多层金属基板堆叠构成的封闭悬置线结构、三维电磁带隙结构，实现了低成本、低损耗和宽频带太赫兹芯片封装，能够应用于太赫兹芯片的低成本封装与集成。
本发明的一个目的在于提出一种太赫兹芯片三维封装结构。
本发明的太赫兹芯片三维封装结构包括：上壁板、上主体板、下主体板、芯片承接板、下壁板、反射板和固定台；其中，在固定台上从上至下依次为上壁板、上主体板、下主体板、芯片承接板、下壁板和反射板；
上壁板包括第一金属基板和第一矩形波导，第一金属基板为矩形的平板状，在第一金属基板的左右两侧分别开设有打穿第一金属基板上下表面的第一矩形波导；
上主体板包括第二金属基板、第二矩形波导、上悬置线导体空气腔、上芯片空气腔和上支撑短截线空气腔；第二金属基板为矩形的平板状，在第二金属基板上开设有打穿第二金属基板上下表面的第二矩形波导、上悬置线导体空气腔、上芯片空气腔和上支撑短截线空气腔；两个第二矩形波导分别位于第二金属基板的左右两侧；上悬置线导体空气腔连接两侧的第二矩形波导，上悬置线导体空气腔的宽度小于第二矩形波导的宽度；上芯片空气腔开设在上悬置线导体空气腔的中间，上芯片空气腔的宽度大于上悬置线导体空气腔的宽度，上芯片空气腔的水平尺寸不小于芯片；四个上支撑短截线空气腔分别开设在上悬置线导体空气腔的左右两侧靠近矩形波导的位置以及靠近上芯片空气腔的位置，四个上支撑短截线空气腔分别与上悬置线导体空气腔连通，位于上芯片空气腔同侧的两个上支撑短截线空气腔分别位于上悬置线导体空气腔的两边；
下主体板包括第三金属基板、第三矩形波导、悬置线导体安装腔、下芯片空气腔和支撑短截线安装腔，以及设置有悬置线导体和支撑短截线；第三金属基板为矩形的平板状，在第三金属基板上开设有打穿第三金属基板上下表面的第三矩形波导、悬置线导体安装腔、下芯片空气腔和支撑短截线安装腔；两个第三矩形波导分别位于第三金属基板的左右两侧；悬置线导体安装腔连接两个第三矩形波导，悬置线导体安装腔的形状和尺寸与上悬置线导体空气腔相同并且沿竖直方向的位置对正；下芯片空气腔位于悬置线导体安装腔的中间，下芯片空气腔的形状和尺寸与上芯片空气腔相同并且沿竖直方向的位置对正，下芯片空气腔将悬置线导体安装腔分为左悬置线导体安装腔和右悬置线导体安装腔；四个支撑短截线安装腔分别开设在左悬置线导体安装腔和右悬置线导体安装腔靠近矩形波导的位置以及靠近下芯片空气腔的位置，左侧的两个支撑短截线安装腔与左悬置线导体安装腔连通，并且右侧的两个支撑短截线安装腔与右悬置线导体安装腔连通，每一个支撑短截线安装腔的形状和尺寸与上支撑短截线空气腔相同并且相应的沿竖直方向的位置对正；在左悬置线导体安装腔和右悬置线导体安装腔中分别放置悬置线导体，并且在支撑短截线安装腔中分别设置支撑短截线，左侧的两段支撑短截线将左侧的悬置线导体连接至下主体板，以及右侧的两段支撑短截线将右侧的悬置线导体连接至下主体板，支撑短截线和悬置线导体构成悬置线；
芯片承接板包括第四金属基板、第四矩形波导、左下悬置线导体空气腔、右下悬置线导体空气腔和下支撑短截线空气腔；第四金属基板为矩形的平板状，在第四金属基板上开设有打穿第四金属基板上下表面的第四矩形波导、左下悬置线导体空气腔、右下悬置线导体空气腔和下支撑短截线空气腔；两个第四矩形波导分别位于第四金属基板的左右两侧；在第四金属基板的上表面中心正对下和上芯片空气腔的位置设置待封装的太赫兹芯片；左下悬置线导体空气腔和右下悬置线导体空气腔分别位于太赫兹芯片的左右两侧，左下悬置线导体空气腔和右下悬置线导体空气腔分别与下主体板的左和右悬置线导体安装腔沿竖直方向的位置对正；四个下支撑短截线空气腔分别开设在左下悬置线导体空气腔和右下悬置线导体空气腔靠近第四矩形波导的位置以及靠近太赫兹芯片的位置，四个下支撑短截线空气腔分别与上悬置线导体空气腔连通，并且分别与四个上支撑短截线空气腔沿竖直方向的位置对正；太赫兹芯片的引脚通过金丝键合线分别连接至下主体板左侧的悬置线导体和右侧的悬置线导体；
下壁板包括第五金属基板和第五矩形波导，第五金属基板为矩形的平板状，在第五金属基板的左右两侧分别开设有打穿第五金属基板上下表面的第五矩形波导；
第一至第五矩形波导的形状和尺寸均相同，且沿竖直方向的位置对正；
上壁板、上主体板、下主体板、芯片承接板和下壁板构成封闭悬置线结构；
反射板包括第六金属基板，第六金属基板为矩形的平板状；
第一至第六金属基板的长度和宽度均相同；
在第一至第六金属基板上且位于矩形波导的周围分别开设有打穿各自上下表面的一圈或多圈滑动对称孔，每一圈滑动对称孔包括多个滑动对称孔；各层金属基板中的滑动对称孔构成三维电磁带隙结构；每一个滑动对称孔的直径是太赫兹芯片三维封装结构中心工作频率的二分之一波长，相邻的滑动对称孔之间的距离为一个波长，相邻层金属基板之间相应圈的滑动对称孔交错排列，滑动对称孔的位置垂直错位为四分之一波长；同一层金属基板中不同圈的滑动对称孔交错排列，滑动对称孔的位置平行错位为四分之一波长；
太赫兹波从一侧的第一矩形波导进入至太赫兹芯片三维封装结构，通过位于各层金属基板的矩形波导传输，直至反射板反射，反射板是实现封闭悬置线结构和矩形波导的过渡；反射后向上传输的太赫兹波进入至一侧的悬置线导体；太赫兹波通过金丝键合线传输至太赫兹芯片上，经过太赫兹芯片进行信号处理后，太赫兹波经过金丝键合线传输至另一侧的悬置线导体；太赫兹波在悬置线导体传输的过程中同时向上和向下传输，向下传输的太赫兹波至反射层反射向上传输，最终全部太赫兹波向上传输，从另一侧的第一矩形波导输出；三维电磁带隙结构抑制太赫兹波从缝隙中泄露，并增加工作带宽。
位于两侧的靠近矩形波导的上支撑短截线空气腔，与矩形波导的距离小于0.2mm；位于中间的靠近上芯片空气腔的上支撑短截线空气腔，与上芯片空气腔的距离小于0.2mm。
滑动对称孔的圈数为1～4。
上壁板、上主体板、下主体板、芯片承接板、下壁板和反射板的材料均采用导电性好的金属，金属铜或铜体上镀金。固定台的材料采用固体材料，金属铜或塑料。上壁板、上主体板、下主体板、芯片承接板、下壁板和反射板按顺序通过销钉固定安装在固定台上。各层金属基板的厚度为太赫兹芯片三维封装结构的中心工作频率的十分之一波长。上主体板、下主体板、芯片承接板和下壁板的厚度b以及悬置线导体的厚度w决定封闭悬置线的特性阻抗Z0，特性阻抗满足以下公式：
其中，εr为空腔的相对介电常数，这里是空气，因此εr＝1，b/w一般在0.5～1.5范围才能保证封闭悬置线与矩形波导间有良好的匹配效果。
太赫兹芯片利用导电胶固定在芯片承接板上。位于下主体板的悬置线导体尽可能的接近待封装的芯片，并且避免悬置线导体与芯片引脚直接接触，直接连接效果不大，必须得用金丝键合线跳接，悬置线导体与芯片之间的距离为0.1～0.2㎜。
四段支撑短截线分为两对，其中靠近矩形波导的两段支撑短截线是一对，靠近太赫兹芯片的两段支撑短截线是另一对，起到断路和支撑悬置线的作用，两对长度不完全相同，靠近太赫兹芯片的一对支撑短截线的长度为太赫兹芯片工作带宽下边带频点对应的四分之一波长，靠近矩形波导的一对支撑短截线的长度为太赫兹芯片工作带宽上边带频点对应的四分之一波长，使两对支撑短截线工作于不同的最佳频率，进一步提高封装结构的工作带宽。支撑短截线会导致悬置线引入滤波效应，个数越多则悬置线传输损耗越大，因此四个最合适，既能起到支撑功能，同时传输损耗也最低。
各层金属基板上的滑动对称孔大小和形状完全相同，各层金属基板上的相邻圈滑动对称孔交错排列，以实现抑制各层金属基板间缝隙导致的太赫兹波泄漏；相邻层滑动对称孔交错排列，以实现封装结构的工作带宽增大。
太赫兹芯片三维封装结构、太赫兹芯片和太赫兹波的中心频率是一样的，本发明中以太赫兹芯片的工作频率来设计太赫兹芯片三维封装结构的尺寸，即需要保证太赫兹芯片三维封装结构的工作频率范围＞太赫兹芯片工作频率范围＝太赫兹波工作频率范围。
三维电磁带隙结构和封闭悬置线结构均由金属线切割加工制成，不需要额外的工艺或者介质。
根据太赫兹频率选择对应的矩形波导尺寸；上下悬置线导体空气腔的长度没有限制，但是为了方便测试接口连接，一般要大于太赫兹芯片三维封装结构中心工作频率对应波长的三倍；上下悬置线导体空气腔和上下支撑短截线空气腔的宽度相同，为悬置线导体宽度的三倍，悬置线导体宽度不小于悬置线导体高度。
本发明的另一个目的在于提出一种太赫兹芯片三维封装结构的实现方法。
本发明的太赫兹芯片三维封装结构的实现方法，包括以下步骤：
1)制备太赫兹芯片三维封装结构：
提供第一至第六金属基板，均为矩形的平板状，且长度、宽度和厚度相同；
在第一至第五金属基板的左右两侧相同的位置分别开设形状和尺寸均相同的第一至第五矩形波导；
开设有第一矩形波导的第一金属基板构成上壁板；开设有第五矩形波导的第五金属基板构成下壁板；
在第二金属基板上开设有打穿第二金属基板上下表面的第二矩形波导、上悬置线导体空气腔、上芯片空气腔和上支撑短截线空气腔；两个第二矩形波导分别位于第二金属基板的左右两侧；上悬置线导体空气腔连接两侧的第二矩形波导，上悬置线导体空气腔的宽度小于第二矩形波导的宽度；上芯片空气腔开设在上悬置线导体空气腔的中间，上芯片空气腔的宽度大于上悬置线导体空气腔的宽度，上芯片空气腔的水平尺寸不小于芯片；四个上支撑短截线空气腔分别开设在上悬置线导体空气腔的左右两侧靠近矩形波导的位置以及靠近上芯片空气腔的位置，四个上支撑短截线空气腔分别与上悬置线导体空气腔连通，位于上芯片空气腔同侧的两个上支撑短截线空气腔分别位于上悬置线导体空气腔的两边在第二金属基板上开设有打穿第二金属基板上下表面的第二矩形波导、上悬置线导体空气腔、上芯片空气腔和上支撑短截线空气腔；两个第二矩形波导分别位于第二金属基板的左右两侧；上悬置线导体空气腔连接两侧的第二矩形波导，上悬置线导体空气腔的宽度小于第二矩形波导的宽度；上芯片空气腔开设在上悬置线导体空气腔的中间，上芯片空气腔的宽度大于上悬置线导体空气腔的宽度，上芯片空气腔的水平尺寸不小于芯片；四个上支撑短截线空气腔分别开设在上悬置线导体空气腔的左右两侧靠近矩形波导的位置以及靠近上芯片空气腔的位置，四个上支撑短截线空气腔分别与上悬置线导体空气腔连通，位于上芯片空气腔同侧的两个上支撑短截线空气腔分别位于上悬置线导体空气腔的两边，构成上主体板；
在第三金属基板上开设有打穿第三金属基板上下表面的第三矩形波导、悬置线导体安装腔、下芯片空气腔和支撑短截线安装腔；两个第三矩形波导分别位于第三金属基板的左右两侧；悬置线导体安装腔连接两个第三矩形波导，悬置线导体安装腔的形状和尺寸与上悬置线导体空气腔相同并且沿竖直方向的位置对正；下芯片空气腔位于悬置线导体安装腔的中间，下芯片空气腔的形状和尺寸与上芯片空气腔相同并且沿竖直方向的位置对正，下芯片空气腔将悬置线导体安装腔分为左悬置线导体安装腔和右悬置线导体安装腔；四个支撑短截线安装腔分别开设在左悬置线导体安装腔和右悬置线导体安装腔靠近矩形波导的位置以及靠近下芯片空气腔的位置，左侧的两个支撑短截线安装腔与左悬置线导体安装腔连通，并且右侧的两个支撑短截线安装腔与右悬置线导体安装腔连通，每一个支撑短截线安装腔的形状和尺寸与上支撑短截线空气腔相同并且相应的沿竖直方向的位置对正；在左悬置线导体安装腔和右悬置线导体安装腔中分别放置悬置线导体，并且在支撑短截线安装腔中分别设置支撑短截线，左侧的两段支撑短截线将左侧的悬置线导体连接至下主体板，以及右侧的两段支撑短截线将右侧的悬置线导体连接至下主体板，支撑短截线和悬置线导体构成悬置线，构成下主体板；
在第四金属基板上开设有打穿第四金属基板上下表面的第四矩形波导、左下悬置线导体空气腔、右下悬置线导体空气腔和下支撑短截线空气腔；两个第四矩形波导分别位于第四金属基板的左右两侧；在第四金属基板的上表面中心正对下和上芯片空气腔的位置设置待封装的太赫兹芯片；左下悬置线导体空气腔和右下悬置线导体空气腔分别位于太赫兹芯片的左右两侧，左下悬置线导体空气腔和右下悬置线导体空气腔分别与下主体板的左和右悬置线导体安装腔沿竖直方向的位置对正；四个下支撑短截线空气腔分别开设在左下悬置线导体空气腔和右下悬置线导体空气腔靠近第四矩形波导的位置以及靠近太赫兹芯片的位置，四个下支撑短截线空气腔分别与上悬置线导体空气腔连通，并且分别与四个上支撑短截线空气腔沿竖直方向的位置对正；太赫兹芯片的引脚通过金丝键合线分别连接至下主体板左侧的悬置线导体和右侧的悬置线导体，构成芯片承接板；
上壁板、上主体板、下主体板、芯片承接板和下壁板构成封闭悬置线结构；
在第一至第六金属基板上且位于矩形波导的周围分别开设有打穿各自上下表面的一圈或多圈滑动对称孔，每一圈滑动对称孔包括多个滑动对称孔；各层金属基板中的滑动对称孔构成三维电磁带隙结构；每一个滑动对称孔的直径是太赫兹芯片三维封装结构中心工作频率的二分之一波长，相邻的滑动对称孔之间的距离为一个波长，相邻层金属基板之间相应圈的滑动对称孔交错排列，滑动对称孔的位置垂直错位为四分之一波长；同一层金属基板中不同圈的滑动对称孔交错排列，滑动对称孔的位置平行错位为四分之一波长；
2)太赫兹波从一侧的第一矩形波导进入至太赫兹芯片三维封装结构，通过位于各层金属基板的矩形波导传输，直至反射板反射，反射板是实现封闭悬置线结构和矩形波导的过渡；
3)反射后向上传输的太赫兹波进入至一侧的悬置线导体；
4)太赫兹波通过金丝键合线传输至太赫兹芯片上，经过太赫兹芯片进行信号处理后，太赫兹波经过金丝键合线传输至另一侧的悬置线导体；
5)太赫兹波在悬置线导体传输的过程中同时向上和向下传输，向下传输的太赫兹波至反射层反射向上传输，最终全部太赫兹波向上传输，从另一侧的第一矩形波导输出；
6)太赫兹波在封闭悬置线结构的传输过程中，三维电磁带隙结构抑制太赫兹波从缝隙中泄露，并增加工作带宽。
本发明的优点：
本发明提出了基于封闭悬置线和三维电磁带隙的太赫兹芯片三维封装结构，在一定程度上摆脱了加工方式的制约，提供了一种低成本、低损耗、宽频带太赫兹芯片封装的可行方法，在保证封装结构宽带性能和低传输损耗的同时，还具有加工和装配方式简便、加工精度要求较低、制造成本低等优势，避免了复杂的工艺和高频段过于精细的加工要求；具有传输损耗小、工作带宽大的优点，能够实现封装和器件之间的高性能互连，在太赫兹芯片封装领域具备更广泛的适用性；封装结构整体由金属加工制成，工艺和安装较为简便，结构稳定，能够在太赫兹频段实现大规模应用。
附图说明
图1为本发明的太赫兹芯片三维封装结构的一个实施例的爆炸图；
图2为本发明的太赫兹芯片三维封装结构的一个实施例的上壁板的示意图；
图3为本发明的太赫兹芯片三维封装结构的一个实施例的上主体板的示意图；
图4为本发明的太赫兹芯片三维封装结构的一个实施例的下主体板的示意图；
图5为本发明的太赫兹芯片三维封装结构的一个实施例的芯片承接板的示意；
图6为本发明的太赫兹芯片三维封装结构的一个实施例的下壁板的示意图；
图7为本发明的太赫兹芯片三维封装结构的一个实施例的反射板的示意图；
图8为本发明的太赫兹芯片三维封装结构的一个实施例的的仿真S参数图。
具体实施方式
下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。
如图1所示，本实施例太赫兹芯片三维封装结构包括：上壁板1、上主体板2、下主体板3、芯片承接板4、下壁板5、反射板6、固定台7和三维电磁带隙结构；其中，在固定台7上从上至下依次为上壁板1、上主体板2、下主体板3、芯片承接板4、下壁板5和反射板6；在图1中，上下方向沿z轴，为竖直方向，第一至第六金属基板的表面位于xy平面，为水平面，左右两侧沿y轴，上悬置线导体空气腔的顶边至底边的方向沿x轴；
如图2所示，上壁板1包括：第一金属基板103和第一矩形波导101，第一金属基板为矩形的平板状，在第一金属基板的左右两侧分别开设有打穿第一金属基板上下表面的第一矩形波导；
如图3所示，上主体板2包括：第二金属基板、第二矩形波导、上悬置线导体空气腔202、上芯片空气腔203和上支撑短截线空气腔201；第二金属基板为矩形的平板状，在第二金属基板上开设有打穿第二金属基板上下表面的第二矩形波导、上悬置线导体空气腔、上芯片空气腔和上支撑短截线空气腔；两个第二矩形波导分别位于第二金属基板的左右两侧；上悬置线导体空气腔连接两侧的第二矩形波导，上悬置线导体空气腔的宽度为0.6mm小于第二矩形波导的宽度；上芯片空气腔开设在上悬置线导体空气腔的中间，上芯片空气腔的宽度大于上悬置线导体空气腔的宽度，上芯片空气腔的水平尺寸不小于芯片；四个上支撑短截线空气腔分别开设在上悬置线导体空气腔的左右两侧靠近矩形波导的位置以及靠近上芯片空气腔的位置，四个上支撑短截线空气腔分别与上悬置线导体空气腔连通，位于上芯片空气腔左侧的两个上支撑短截线空气腔分别位于上悬置线导体空气腔的顶边和底边，位于上芯片空气腔右侧的两个上支撑短截线空气腔分别位于上悬置线导体空气腔的底边和顶边；
如图4所示，下主体板3包括：第三金属基板、第三矩形波导、悬置线导体安装腔、下芯片空气腔303和支撑短截线安装腔，以及设置有悬置线导体302和支撑短截线301；第三金属基板为矩形的平板状，在第三金属基板上开设有打穿第三金属基板上下表面的第三矩形波导、悬置线导体安装腔、下芯片空气腔和支撑短截线安装腔；两个第三矩形波导分别位于第三金属基板的左右两侧；悬置线导体安装腔连接两个第三矩形波导，悬置线导体安装腔的形状和尺寸与上悬置线导体空气腔相同并且沿竖直方向的位置对正；下芯片空气腔位于悬置线导体安装腔的中间，下芯片空气腔的形状和尺寸与上芯片空气腔相同并且沿竖直方向的位置对正，下芯片空气腔将悬置线导体安装腔分为左悬置线导体安装腔和右悬置线导体安装腔；四个支撑短截线安装腔分别开设在左悬置线导体安装腔和右悬置线导体安装腔靠近矩形波导的位置以及靠近下芯片空气腔的位置，左侧的两个支撑短截线安装腔与左悬置线导体安装腔连通，并且右侧的两个支撑短截线安装腔与右悬置线导体安装腔连通，每一个支撑短截线安装腔的形状和尺寸与上支撑短截线空气腔相同并且相应的沿竖直方向的位置对正；在左悬置线导体安装腔和右悬置线导体安装腔中分别放置悬置线导体，并且在支撑短截线安装腔中分别设置支撑短截线，左侧的两段支撑短截线将左侧的悬置线导体连接至下主体板3，以及右侧的两段支撑短截线将右侧的悬置线导体连接至下主体板3，支撑短截线和悬置线导体构成悬置线；上支撑短截线的宽度为0.2mm，靠近矩形波导口的悬置线支撑短截线的长度为0.79mm，靠近待封装的太赫兹芯片的支撑短截线的长度为0.62mm；
如图5所示，芯片承接板4包括：第四金属基板、第四矩形波导、左下悬置线导体空气腔402、右下悬置线导体空气腔和下支撑短截线空气腔401；第四金属基板为矩形的平板状，在第四金属基板上开设有打穿第四金属基板上下表面的第四矩形波导、左下悬置线导体空气腔、右下悬置线导体空气腔和下支撑短截线空气腔；两个第四矩形波导分别位于第四金属基板的左右两侧；在第四金属基板的上表面中心正对下和上芯片空气腔的位置设置待封装的太赫兹芯片403；左下悬置线导体空气腔和右下悬置线导体空气腔分别位于太赫兹芯片的左右两侧，左下悬置线导体空气腔和右下悬置线导体空气腔与上主体板2的上悬置线导体空气腔沿竖直方向的位置对正；四个下支撑短截线空气腔分别开设在左下悬置线导体空气腔和右下悬置线导体空气腔靠近第四矩形波导的位置以及靠近太赫兹芯片的位置，四个下支撑短截线空气腔分别与上悬置线导体空气腔连通，并且分别与四个上支撑短截线空气腔沿竖直方向的位置对正；太赫兹芯片的引脚通过金丝键合线分别连接至下主体板3左侧的悬置线导体和右侧的悬置线导体；
如图6所示，下壁板5包括：第五金属基板和第五矩形波导，第五金属基板为矩形的平板状，在第五金属基板的左右两侧分别开设有打穿第五金属基板上下表面的第五矩形波导；
第一至第五矩形波导的形状和尺寸均相同，尺寸为1.65mm×0.83mm，且沿竖直方向的位置对正，两个矩形波导之间相距30mm；
上壁板1、上主体板2、下主体板3、芯片承接板4和下壁板5构成封闭悬置线结构；
如图7所示，反射板6包括第六金属基板，第六金属基板为矩形的平板状；
第一至第六金属基板的长度、宽度和厚度均相同，长度为59mm，宽度为25mm、厚度均为0.2mm，固定台7的长宽高分别为64mm、30mm和10mm，整个封装结构可以利用领域内常用的CNC(Computer Numerical Control)工艺加工制作；
在第一至第六金属基板上且位于矩形波导的周围分别开设有打穿各自上下表面的两圈滑动对称孔102，每一圈滑动对称孔包括多个滑动对称孔，各个孔的尺寸均相同，直径为0.9mm，相邻孔的距离为1.8mm；各层金属基板中的滑动对称孔构成三维电磁带隙结构；每一个滑动对称孔的直径是太赫兹芯片三维封装结构中心工作频率的二分之一波长，相邻的滑动对称孔之间的距离为一个波长；在本实施例中，位于第一、第三和第五金属基板上的内圈和外圈滑动对称孔的位置分别在沿竖直方向相同，内圈滑动对称孔的中心位于同一个矩形上；位于第二、第四和第六金属基板上的内圈滑动对称孔的位置相同，内圈滑动对称孔的中心位于同一个跑道型上，跑道型为一对相同且平行的线段，两端分别连接半圆；外圈滑动对称孔的中心位于同一个矩形上；相邻层金属基板之间相应圈的滑动对称孔沿垂直于所在的矩形或跑道型交错排列，滑动对称孔的位置错位为四分之一波长；同一层金属基板中不同圈的滑动对称孔沿平行于所在的矩形或跑道型交错排列，滑动对称孔的位置错位为四分之一波长。
太赫兹波从一侧的第一矩形波导进入至太赫兹芯片三维封装结构，通过位于各层金属基板的矩形波导传输，直至反射板6反射，反射板6是实现封闭悬置线结构和矩形波导的过渡；反射后向上传输的太赫兹波进入至一侧的悬置线导体；太赫兹波通过金丝键合线传输至太赫兹芯片上，经过太赫兹芯片进行信号处理后，太赫兹波经过金丝键合线传输至另一侧的悬置线导体；太赫兹波在悬置线导体传输的过程中同时向上和向下传输，向下传输的太赫兹波至反射层反射向上传输，最终全部太赫兹波向上传输，从另一侧的第一矩形波导输出；三维电磁带隙结构抑制太赫兹波从缝隙中泄露，并增加工作带宽。
如图8所示，利用三维电磁场仿真软件CST Studio Suite进行模拟仿真，可以得到本发明的太赫兹芯片三维封装结构的S参数仿真结果，其中，其中S参数表示输出功率与输入功率的比值，当对第一矩形波导101输入的太赫兹信号功率进行归一化处理后，回波损耗S11表示反射回矩形波导的功率；带宽内传输损耗S21表示输出另一侧的矩形波导的功率；可以看出，太赫兹芯片三维封装结构具有120～160GHz的工作带宽，且带宽内传输损耗S21低于5dB，回波损耗S11低于15dB，满足太赫兹芯片的封装需求。
最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (8)

1.一种太赫兹芯片三维封装结构，其特征在于，所述太赫兹芯片三维封装结构包括：上壁板、上主体板、下主体板、芯片承接板、下壁板、反射板和固定台；其中，在固定台上从上至下依次为上壁板、上主体板、下主体板、芯片承接板、下壁板和反射板；
上壁板包括第一金属基板和第一矩形波导，第一金属基板为矩形的平板状，在第一金属基板的左右两侧分别开设有打穿第一金属基板上下表面的第一矩形波导；
上主体板包括第二金属基板、第二矩形波导、上悬置线导体空气腔、上芯片空气腔和上支撑短截线空气腔；第二金属基板为矩形的平板状，在第二金属基板上开设有打穿第二金属基板上下表面的第二矩形波导、上悬置线导体空气腔、上芯片空气腔和上支撑短截线空气腔；两个第二矩形波导分别位于第二金属基板的左右两侧；上悬置线导体空气腔连接两侧的第二矩形波导，上悬置线导体空气腔的宽度小于第二矩形波导的宽度；上芯片空气腔开设在上悬置线导体空气腔的中间，上芯片空气腔的宽度大于上悬置线导体空气腔的宽度，上芯片空气腔的水平尺寸不小于芯片；四个上支撑短截线空气腔分别开设在上悬置线导体空气腔的左右两侧靠近矩形波导的位置以及靠近上芯片空气腔的位置，四个上支撑短截线空气腔分别与上悬置线导体空气腔连通，位于上芯片空气腔同侧的两个上支撑短截线空气腔分别位于上悬置线导体空气腔的两边；
下主体板包括第三金属基板、第三矩形波导、悬置线导体安装腔、下芯片空气腔和支撑短截线安装腔，以及设置有悬置线导体和支撑短截线；第三金属基板为矩形的平板状，在第三金属基板上开设有打穿第三金属基板上下表面的第三矩形波导、悬置线导体安装腔、下芯片空气腔和支撑短截线安装腔；两个第三矩形波导分别位于第三金属基板的左右两侧；悬置线导体安装腔连接两个第三矩形波导，悬置线导体安装腔的形状和尺寸与上悬置线导体空气腔相同并且沿竖直方向的位置对正；下芯片空气腔位于悬置线导体安装腔的中间，下芯片空气腔的形状和尺寸与上芯片空气腔相同并且沿竖直方向的位置对正，下芯片空气腔将悬置线导体安装腔分为左悬置线导体安装腔和右悬置线导体安装腔；四个支撑短截线安装腔分别开设在左悬置线导体安装腔和右悬置线导体安装腔靠近矩形波导的位置以及靠近下芯片空气腔的位置，左侧的两个支撑短截线安装腔与左悬置线导体安装腔连通，并且右侧的两个支撑短截线安装腔与右悬置线导体安装腔连通，每一个支撑短截线安装腔的形状和尺寸与上支撑短截线空气腔相同并且相应的沿竖直方向的位置对正；在左悬置线导体安装腔和右悬置线导体安装腔中分别放置悬置线导体，并且在支撑短截线安装腔中分别设置支撑短截线，左侧的两段支撑短截线将左侧的悬置线导体连接至下主体板，以及右侧的两段支撑短截线将右侧的悬置线导体连接至下主体板，支撑短截线和悬置线导体构成悬置线；
芯片承接板包括第四金属基板、第四矩形波导、左下悬置线导体空气腔、右下悬置线导体空气腔和下支撑短截线空气腔；第四金属基板为矩形的平板状，在第四金属基板上开设有打穿第四金属基板上下表面的第四矩形波导、左下悬置线导体空气腔、右下悬置线导体空气腔和下支撑短截线空气腔；两个第四矩形波导分别位于第四金属基板的左右两侧；在第四金属基板的上表面中心正对下和上芯片空气腔的位置设置待封装的太赫兹芯片；左下悬置线导体空气腔和右下悬置线导体空气腔分别位于太赫兹芯片的左右两侧，左下悬置线导体空气腔和右下悬置线导体空气腔分别与下主体板的左和右悬置线导体安装腔沿竖直方向的位置对正；四个下支撑短截线空气腔分别开设在左下悬置线导体空气腔和右下悬置线导体空气腔靠近第四矩形波导的位置以及靠近太赫兹芯片的位置，四个下支撑短截线空气腔分别与上悬置线导体空气腔连通，并且分别与四个上支撑短截线空气腔沿竖直方向的位置对正；太赫兹芯片的引脚通过金丝键合线分别连接至下主体板左侧的悬置线导体和右侧的悬置线导体；
下壁板包括第五金属基板和第五矩形波导，第五金属基板为矩形的平板状，在第五金属基板的左右两侧分别开设有打穿第五金属基板上下表面的第五矩形波导；
第一至第五矩形波导的形状和尺寸均相同，且沿垂直方向的位置对正；
上壁板、上主体板、下主体板、芯片承接板和下壁板构成封闭悬置线结构；
反射板包括第六金属基板，第六金属基板为矩形的平板状；
第一至第六金属基板的长度和宽度均相同；
在第一至第六金属基板上且位于矩形波导的周围分别开设有打穿各自上下表面的一圈或多圈滑动对称孔，每一圈滑动对称孔包括多个滑动对称孔；各层金属基板中的滑动对称孔构成三维电磁带隙结构；每一个滑动对称孔的直径是太赫兹芯片三维封装结构中心工作频率的二分之一波长，相邻的滑动对称孔之间的距离为一个波长，相邻层金属基板之间相应圈的滑动对称孔交错排列，滑动对称孔的位置垂直错位为四分之一波长；同一层金属基板中不同圈的滑动对称孔交错排列，滑动对称孔的位置平行错位为四分之一波长；
太赫兹波从一侧的第一矩形波导进入至太赫兹芯片三维封装结构，通过位于各层金属基板的矩形波导传输，直至反射板反射，反射板是实现封闭悬置线结构和矩形波导的过渡；反射后向上传输的太赫兹波进入至一侧的悬置线导体；太赫兹波通过金丝键合线传输至太赫兹芯片上，经过太赫兹芯片进行信号处理后，太赫兹波经过金丝键合线传输至另一侧的悬置线导体；太赫兹波在悬置线导体传输的过程中同时向上和向下传输，向下传输的太赫兹波至反射层反射向上传输，最终全部太赫兹波向上传输，从另一侧的第一矩形波导输出；
三维电磁带隙结构抑制太赫兹波从缝隙中泄露，并增加工作带宽。
2.如权利要求1所述的太赫兹芯片三维封装结构，其特征在于，所述上主体板、下主体板、芯片承接板和下壁板的厚度b以及悬置线导体的厚度w决定封闭悬置线的特性阻抗Z0，特性阻抗满足以下公式：
其中，εr为空腔的相对介电常数，b/w为0.5～1.5。
3.如权利要求1所述的太赫兹芯片三维封装结构，其特征在于，位于两侧的靠近矩形波导的上支撑短截线空气腔，与矩形波导的距离小于0.2mm；位于中间的靠近上芯片空气腔的上支撑短截线空气腔，与上芯片空气腔的距离小于0.2mm。
4.如权利要求1所述的太赫兹芯片三维封装结构，其特征在于，所述滑动对称孔的圈数为1～4。
5.如权利要求1所述的太赫兹芯片三维封装结构，其特征在于，所述上壁板、上主体板、下主体板、芯片承接板、下壁板和反射板的材料均采用导电金属。
6.如权利要求1所述的太赫兹芯片三维封装结构，其特征在于，所述固定台的材料采用固体材料。
7.如权利要求1所述的太赫兹芯片三维封装结构，其特征在于，四段支撑短截线分为两对，其中靠近矩形波导的两段支撑短截线是一对，靠近太赫兹芯片的两段支撑短截线是另一对，两对长度不同，靠近太赫兹芯片的一对支撑短截线的长度为太赫兹芯片工作带宽下边带频点对应的四分之一波长，靠近矩形波导的一对支撑短截线的长度为太赫兹芯片工作带宽上边带频点对应的四分之一波长。
8.一种如权利要求1所述的太赫兹芯片三维封装结构的实现方法，其特征在于，所述实现方法包括以下步骤：
1)制备太赫兹芯片三维封装结构：
提供第一至第六金属基板，均为矩形的平板状，且长度、宽度和厚度相同；
在第一至第五金属基板的左右两侧相同的位置分别开设形状和尺寸均相同的第一至第五矩形波导；
开设有第一矩形波导的第一金属基板构成上壁板；开设有第五矩形波导的第五金属基板构成下壁板；
在第二金属基板上开设有打穿第二金属基板上下表面的第二矩形波导、上悬置线导体空气腔、上芯片空气腔和上支撑短截线空气腔；两个第二矩形波导分别位于第二金属基板的左右两侧；上悬置线导体空气腔连接两侧的第二矩形波导，上悬置线导体空气腔的宽度小于第二矩形波导的宽度；上芯片空气腔开设在上悬置线导体空气腔的中间，上芯片空气腔的宽度大于上悬置线导体空气腔的宽度，上芯片空气腔的水平尺寸不小于芯片；四个上支撑短截线空气腔分别开设在上悬置线导体空气腔的左右两侧靠近矩形波导的位置以及靠近上芯片空气腔的位置，四个上支撑短截线空气腔分别与上悬置线导体空气腔连通，位于上芯片空气腔同侧的两个上支撑短截线空气腔分别位于上悬置线导体空气腔的两边在第二金属基板上开设有打穿第二金属基板上下表面的第二矩形波导、上悬置线导体空气腔、上芯片空气腔和上支撑短截线空气腔；两个第二矩形波导分别位于第二金属基板的左右两侧；上悬置线导体空气腔连接两侧的第二矩形波导，上悬置线导体空气腔的宽度小于第二矩形波导的宽度；上芯片空气腔开设在上悬置线导体空气腔的中间，上芯片空气腔的宽度大于上悬置线导体空气腔的宽度，上芯片空气腔的水平尺寸不小于芯片；四个上支撑短截线空气腔分别开设在上悬置线导体空气腔的左右两侧靠近矩形波导的位置以及靠近上芯片空气腔的位置，四个上支撑短截线空气腔分别与上悬置线导体空气腔连通，位于上芯片空气腔同侧的两个上支撑短截线空气腔分别位于上悬置线导体空气腔的两边，构成上主体板；
在第三金属基板上开设有打穿第三金属基板上下表面的第三矩形波导、悬置线导体安装腔、下芯片空气腔和支撑短截线安装腔；两个第三矩形波导分别位于第三金属基板的左右两侧；悬置线导体安装腔连接两个第三矩形波导，悬置线导体安装腔的形状和尺寸与上悬置线导体空气腔相同并且沿竖直方向的位置对正；下芯片空气腔位于悬置线导体安装腔的中间，下芯片空气腔的形状和尺寸与上芯片空气腔相同并且沿竖直方向的位置对正，下芯片空气腔将悬置线导体安装腔分为左悬置线导体安装腔和右悬置线导体安装腔；四个支撑短截线安装腔分别开设在左悬置线导体安装腔和右悬置线导体安装腔靠近矩形波导的位置以及靠近下芯片空气腔的位置，左侧的两个支撑短截线安装腔与左悬置线导体安装腔连通，并且右侧的两个支撑短截线安装腔与右悬置线导体安装腔连通，每一个支撑短截线安装腔的形状和尺寸与上支撑短截线空气腔相同并且相应的沿竖直方向的位置对正；在左悬置线导体安装腔和右悬置线导体安装腔中分别放置悬置线导体，并且在支撑短截线安装腔中分别设置支撑短截线，左侧的两段支撑短截线将左侧的悬置线导体连接至下主体板，以及右侧的两段支撑短截线将右侧的悬置线导体连接至下主体板，支撑短截线和悬置线导体构成悬置线，构成下主体板；
在第四金属基板上开设有打穿第四金属基板上下表面的第四矩形波导、左下悬置线导体空气腔、右下悬置线导体空气腔和下支撑短截线空气腔；两个第四矩形波导分别位于第四金属基板的左右两侧；在第四金属基板的上表面中心正对下和上芯片空气腔的位置设置待封装的太赫兹芯片；左下悬置线导体空气腔和右下悬置线导体空气腔分别位于太赫兹芯片的左右两侧，左下悬置线导体空气腔和右下悬置线导体空气腔分别与下主体板的左和右悬置线导体安装腔沿竖直方向的位置对正；四个下支撑短截线空气腔分别开设在左下悬置线导体空气腔和右下悬置线导体空气腔靠近第四矩形波导的位置以及靠近太赫兹芯片的位置，四个下支撑短截线空气腔分别与上悬置线导体空气腔连通，并且分别与四个上支撑短截线空气腔沿竖直方向的位置对正；太赫兹芯片的引脚通过金丝键合线分别连接至下主体板左侧的悬置线导体和右侧的悬置线导体，构成芯片承接板；
上壁板、上主体板、下主体板、芯片承接板和下壁板构成封闭悬置线结构；
在第一至第六金属基板上且位于矩形波导的周围分别开设有打穿各自上下表面的一圈或多圈滑动对称孔，每一圈滑动对称孔包括多个滑动对称孔；各层金属基板中的滑动对称孔构成三维电磁带隙结构；每一个滑动对称孔的直径是太赫兹芯片三维封装结构中心工作频率的二分之一波长，相邻的滑动对称孔之间的距离为一个波长，相邻层金属基板之间相应圈的滑动对称孔交错排列，滑动对称孔的位置垂直错位为四分之一波长；同一层金属基板中不同圈的滑动对称孔交错排列，滑动对称孔的位置平行错位为四分之一波长；
2)太赫兹波从一侧的第一矩形波导进入至太赫兹芯片三维封装结构，通过位于各层金属基板的矩形波导传输，直至反射板反射，反射板是实现封闭悬置线结构和矩形波导的过渡；
3)将反射板反射后向上传输的太赫兹波进入至一侧的悬置线导体；
4)太赫兹波通过金丝键合线传输至太赫兹芯片上，经过太赫兹芯片进行信号处理后，太赫兹波经过金丝键合线传输至另一侧的悬置线导体；
5)太赫兹波在悬置线导体传输的过程中同时向上和向下传输，向下传输的太赫兹波至反射层反射向上传输，最终全部太赫兹波向上传输，从另一侧的第一矩形波导输出；
6)太赫兹波在封闭悬置线结构的传输过程中，三维电磁带隙结构抑制太赫兹波从缝隙中泄露，并增加工作带宽。
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