CN116722335A - 一种垂直过渡结构及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种垂直过渡结构及应用，包括：多层陶瓷介质、共面线、类同轴结构和金属过孔。所述多层陶瓷介质，为共烧多层陶瓷材料，采用高温共烧多层陶瓷工艺或低温共烧多层陶瓷工艺制成；共面线，所述多层陶瓷介质上分为顶层部分和台阶部分，顶层表面和台阶表面均设置有共面线；类同轴结构，多层陶瓷介质的所述顶层部分和所述台阶部分均具布设有上下贯穿的类同轴结构，用于射频信号低损耗垂直过渡传输；金属过孔，位于多层陶瓷介质所述顶层部分，为上下贯穿结构，用于保证所述共面线、所述类同轴结构与装配所述多层陶瓷介质的腔体之间良好的射频地回路和地连续性。本发明解决现有TR模块无法同时满足高集成化、小型化等需求的问题。
Description
技术领域
本发明涉及无线通信设备领域，尤其涉及一种垂直过渡结构及应用。
背景技术
在相控阵雷达/通信系统中，射频收发模块（TR模块）占据了整个系统很大一部分比重的重量、功耗和成本。而相控阵雷达/通信系统不断地往小型化、高集成化方向发展，TR模块的尺寸也在不断地被压缩，这就导致在某些应用场景中，TR模块输入、输出射频信号口位置高度差较大。为射线射频信号的低损耗传输，需要采用相应的射频信号传输高台阶转换措施，来减小高度差对射频信号传输的影响。
现有的射频信号传输高台阶转换措施，主要有斜坡传输方式和分多级台阶过渡的方式来实现。当台阶高度较高时，常规的斜坡传输方式中，斜坡的坡度受限于工艺可靠性的问题，角度需要控制在一定范围内。因此其斜坡长度往往都比较长，在小型化、高集成应用场景中的使用受到限制；而分多级台阶过渡的方式也同样需要一定级数和长度来满足射频信号的低损耗过渡，同样受到限制。
如CN115173010A公开的《一种微波传输装置》中介绍一种呈台阶结构的微带传输装置，其底座包括两个台阶部，分别沿X方向延伸形成有两条T型微带线，两条存在高度差的微带线通过金丝键合的方式连接。该方式虽然减小了设计的复杂性，但当台阶较高时会影响键合金丝的性能，需要多级台阶和一定长度的微带线来进行过渡，因此在小型化应用上会受到限制。这就亟需在高集成化、小型化的应用前景下寻求能满足射频信号低损耗的更小尺寸的射频信号垂直过渡结构。
发明内容
本发明的目的在于解决上述现有技术存在的缺陷，提供一种垂直过渡结构及应用，以解决现有TR模块无法同时满足高集成化、小型化等需求的问题。
本发明采用如下技术方案：
一种垂直过渡结构，包括多层陶瓷介质、共面线、类同轴结构和金属过孔。
其中，所述多层陶瓷介质，为共烧多层陶瓷材料，可以采用高温共烧多层陶瓷工艺（HTCC）或低温共烧多层陶瓷工艺（LTCC）。
所述多层陶瓷介质上分为顶层部分和台阶部分，顶层表面和台阶表面均设置有共面线。
所述顶层表面距台阶表面具有高度差，顶层表面上键合金丝与上层射频微带或射频芯片互连，台阶表面键合金丝与下层射频微带或射频芯片相连。实现射频信号在大高度差场景下的垂直过渡传输。
所述共面线设置于所述多层陶瓷介质上，主要用于射频信号低损耗传输，与上层射频微带或射频芯片传输射频信号的射频结构相比，共面线结构损耗低，更能保证射频地连续性。所述共面线靠近所述多层陶瓷介质端面设置匹配枝节，匹配金丝键合带来的感性分量。
所述类同轴结构，多层陶瓷介质的所述顶层部分和所述台阶部分布设有上下贯穿的类同轴结构。主要用于射频信号低损耗垂直过渡传输。
金属过孔，为除所述类同轴结构外的金属孔结构，位于多层陶瓷介质所述顶层部分、台阶部分，为上下贯穿结构。主要用于保证所述共面线、所述类同轴结构与装配所述多层陶瓷介质的腔体之间良好的射频地回路和地连续性。
进一步的，所述多层陶瓷介质为多层介质，由多个单层陶瓷介质采用HTCC/LTCC工艺共烧而成。HTCC/LTCC具有高介电常数、加工精度高、物理化学性质稳定、加工图形灵活等优点，能根据实际应用场景定制所需图形。
进一步的，所述类同轴结构由信号过孔和地过孔构成，射频信号能量主要集中在射频信号过孔和地过孔之间。
一种基于垂直过渡结构的芯片封装，包含垂直过渡结构、封装腔体、金丝、上层射频微带或射频芯片、下层射频微带或射频芯片，封装盖板。封装盖板密封封装腔体，上层射频微带或射频芯片设置在封装腔体的上层台阶，下层射频微带或射频芯片设置在封装腔体的底部，垂直过渡结构设置在封装腔体内，并位于底部，垂直过渡结构的顶层的第一匹配枝节与上层射频微带或射频芯片之间通过金丝键合实现互连，垂直过渡结构的台阶的第二匹配枝节与下层射频微带或射频芯片之间通过金丝键合实现互连，从而实现射频信号在大高度差场景下的垂直过渡传输。
本发明的有益效果：
1.相较于现有斜坡过渡、分级台阶过渡结构，本发明的尺寸更小，一致性好，更适用于高集成化、小型化应用场景，提高系统集成度和可靠性，减小尺寸。
2.本发明采用HTCC/LTCC陶瓷腔体，介电常数高，加工精度高，更有利于射频信号垂直传输，减小体积。
3.本发明垂直过渡结构，尺寸更小、性能更优，能解决部分高集成化、小型化应用场景无法实现射频信号低损耗传输的难题。
附图说明
图1为本发明垂直过渡结构的三维示意图。
图2为本发明垂直过渡结构的侧视图。
图3为本发明垂直过渡结构的透视图。
图4为本发明垂直过渡结构中类同轴结构的透视图。
图5为本发明垂直过渡结构的应用封装结构侧视图。
图6为传统多级台阶过渡结构的应用封装结构侧视图。
图7为本发明垂直过渡结构的应用封装结构三维示意图。
图中：1-垂直过渡结构、11-多层陶瓷介质、12-共面线、13-类同轴结构、14-金属过孔、111-单层陶瓷介质、112-台阶、122-第一射频信号线、121-第一射频地线、123-第一匹配枝节、124-第二射频信号线、125-第二射频地线、126-第二匹配枝节、131-信号过孔、132-地过孔。
2-封装腔体、3-金丝、4-上层射频微带或射频芯片、5-下层射频微带或射频芯片、6-封装盖板、7-多级台阶过渡结构、71-微波基板。
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。
顶层部分：多层陶瓷介质高出的层。
台阶部分：多层陶瓷介质低矮的一层或几层。
顶层表面，多层陶瓷介质顶层部分的表面。
台阶表面，多层陶瓷介质台阶部分的表面。
实施例
如图1所示，本发明的垂直过渡结构1，包括多层陶瓷介质11、共面线12、类同轴结构13和金属过孔14，各层结构结合为一个整体。
参见附图2，多层陶瓷介质11，材料为陶瓷，采用高温共烧多层陶瓷工艺（HTCC）。多层陶瓷介质11为多层介质，由多个单层陶瓷介质111采用HTCC工艺共烧而成。
多层陶瓷介质11上具有台阶112，多层陶瓷介质11顶层部分和台阶112部分上均设置有共面线12。
参照附图5所示，多层陶瓷介质11顶层表面距离台阶112表面具有高度差，多层陶瓷介质11顶层表面和台阶表面上均键合金丝3。金丝3与上层射频微带或射频芯片4互连，以及金丝3与下层射频微带或射频芯片5互连，实现射频信号在大高度差场景下的垂直过渡传输。
参照附图3所示，共面线12设置于多层陶瓷介质11顶层表面和台阶112表面上。多层陶瓷介质11顶层共面线由第一射频信号线122、第一射频地线121和第一匹配枝节123组成，第一射频信号线122靠端面位置与第一匹配枝节123相连接，另一端与类同轴结构的信号过孔131相连接。第一射频地线121与第一射频信号线122、第一匹配枝节123之间有避让距离，起防止信号泄露和防止外部信号干扰的作用。
台阶112上共面线由第二射频信号线124、第二射频地线125和第二匹配枝节126组成，第二射频信号线124靠端面位置与第二匹配枝节126相连接，另一端与类同轴结构上下贯穿的信号过孔131相连接。第二射频地线125与第二射频信号线124、第二匹配枝节126之间有避让距离，起防止信号泄露和防止外部信号干扰的作用。
第一匹配枝节123和第二匹配枝节126分别设置于多层陶瓷介质11顶层表面和台阶表面靠端面位置，主要用于匹配金丝3键合带来的感性分量。
参照附图4所示，类同轴结构13设置于多层陶瓷介质11顶层部分和台阶112部分，主要用于射频信号低损耗垂直过渡传输。类同轴结构13由信号过孔131和地过孔132构成，信号过孔131和地过孔132由上至下贯穿多层陶瓷介质11顶层部分至台阶112部分，射频信号能量主要集中在射频信号过孔131和射频信号地过孔132之间。参照附图3所示，信号过孔131在多层陶瓷介质11顶层与第一射频信号线122连接，地过孔132在多层陶瓷介质11顶层与第一射频地线121相连接。
金属过孔14为除类同轴结构13中信号过孔131和地过孔132外的金属孔结构，顶层金属过孔14贯穿第一射频地线121所在层陶瓷介质（实际应用中可根据下层陶瓷介质布线情况设置为通孔，由上至下贯穿多层陶瓷介质），台阶金属过孔14贯穿第二射频地线125所在层陶瓷介质，主要用于保证共面线12、类同轴结构13与装配多层陶瓷介质11的腔体之间良好的射频地回路和地连续性。
参照附图5和附图7所示，一种基于垂直过渡结构的芯片封装，包含垂直过渡结构1、封装腔体2、金丝3、上层射频微带或射频芯片4，下层射频微带或射频芯片5，封装盖板6。封装盖板6密封封装腔体2，上层射频微带或射频芯片4设置在封装腔体2的上层台阶，下层射频微带或射频芯片5设置在封装腔体2的底部，垂直过渡结构1设置在封装腔体2内，并位于底部，垂直过渡结构1的顶层的第一匹配枝节123与上层射频微带或射频芯片4之间通过金丝键合实现互连，垂直过渡结构1的台阶112的第二匹配枝节126与下层射频微带或射频芯片5之间通过金丝3键合实现互连，从而实现射频信号在大高度差场景下的垂直过渡传输。
参照附图6所示，一种基于传统多级台阶过渡结构的芯片封装，与附图5所示封装结构在同等条件下，将垂直过渡结构1替换为多级台阶过渡结构7，整体封装结构尺寸更大，过渡结构占用空间更多，造成此差异的原因主要有两点：其一是受腔体结构台阶加工尺寸限制，腔体多级台阶之间通过逐级键合金丝实现传输互连，但腔体台阶不适宜直接键合金丝，需要在台阶上粘接微波基板71，金丝键合在微波基板表面的金属微带上，因此，腔体加工台阶结构，对台阶宽度及台阶伸出长度有一定极限条件；其二是受金丝装配工艺限制，多级台阶之间通过逐层键合金丝3实现互连，而台阶上键合金丝需考虑台阶尺寸不挡住劈刀，即金丝键合间距需满足1：0.3（前级台阶高度：键合点至前级台阶距离），还需考虑金丝长度控制在金丝直径的100倍以内，防止金丝长度过长导致金丝断裂以及损耗过大。因此多级台阶过渡的方式需要一定级数和长度来满足射频信号的低损耗过渡。
本发明所述垂直过渡结构只需一级台阶，HTCC/LTCC多层陶瓷加工工艺台阶宽度及伸出长度极限可做0.5mm。相较之下，大高度差场景下本发明垂直过渡结构占用空间尺寸更小。所以采用本发明垂直过渡结构的芯片封装尺寸更小，具备更多的空间布设射频芯片，达到更高的集成度。同时，多级台阶过渡的方式需要对腔体进行多次加工，将台阶部分抛光打磨并镀金，相较于可大批量加工的HTCC/LTCC多层陶瓷工艺，在大批量生产的情况下，加工周期和加工成本都处于劣势。
本实施例的芯片封装，基于多层HTCC陶瓷工艺，实现了高集成化、小型化和低成本化应用要求。
最后应说明的是：以上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精神和范围。
Claims (8)
1.一种垂直过渡结构，其特征在于，包括多层陶瓷介质、共面线、类同轴结构和金属过孔；
其中，所述多层陶瓷介质，为共烧多层陶瓷材料；
共面线，所述多层陶瓷介质分为顶层部分和台阶部分，顶层表面和台阶表面均设置有共面线，用于射频信号低损耗传输，所述顶层表面距台阶表面具有高度差；
类同轴结构，多层陶瓷介质的所述顶层部分和台阶部分设有上下贯穿的类同轴结构，用于射频信号低损耗垂直过渡传输；
金属过孔，位于多层陶瓷介质所述顶层部分和台阶部分，为上下贯穿结构，用于保证所述共面线、所述类同轴结构与装配所述多层陶瓷介质的腔体之间良好的射频地回路和地连续性。
2.根据权利要求1所述的垂直过渡结构，其特征在于，所述多层陶瓷介质为多层介质，由多个单层陶瓷介质采用HTCC/LTCC工艺共烧而成。
3.根据权利要求1所述的垂直过渡结构，其特征在于，所述顶层表面上键合金丝与上层射频微带或射频芯片互连，台阶表面键合金丝与下层射频微带或射频芯片相连。
4.根据权利要求1所述的垂直过渡结构，其特征在于，多层陶瓷介质顶层表面的共面线由第一射频信号线、第一射频地线和第一匹配枝节组成，第一射频信号线靠端面位置与第一匹配枝节相连接，另一端与类同轴结构的信号过孔相连接，第一射频地线与第一射频信号线、第一匹配枝节之间有避让距离，起防止信号泄露和防止外部信号干扰的作用；
台阶表面的共面线由第二射频信号线、第二射频地线和第二匹配枝节组成，第二射频信号线靠端面位置与第二匹配枝节相连接，另一端与类同轴结构上下贯穿的信号过孔相连接，第二射频地线与第二射频信号线、第二匹配枝节之间有避让距离，起防止信号泄露和防止外部信号干扰的作用。
5.根据权利要求4所述的垂直过渡结构，其特征在于，第一匹配枝节和第二匹配枝节分别设置于多层陶瓷介质顶层表面和台阶表面靠端面位置，用于匹配金丝键合带来的感性分量。
6.根据权利要求4所述的垂直过渡结构，其特征在于，类同轴结构由信号过孔和地过孔构成，信号过孔和地过孔由上至下贯穿多层陶瓷介质顶层部分所在层和台阶部分所在层，射频信号能量主要集中在射频信号过孔和射频信号地过孔之间，信号过孔在多层陶瓷介质顶层与第一射频信号线相连接和地过孔在多层陶瓷介质顶层分别与第一射频地线相连接。
7.根据权利要求4所述的垂直过渡结构，其特征在于，金属过孔为除类同轴结构中信号过孔和地过孔外的金属孔结构，顶层金属过孔贯穿第一射频地线所在层陶瓷介质，台阶部分金属过孔贯穿第二射频地线所在层陶瓷介质。
8.一种基于垂直过渡结构的芯片封装，其特征在于，包含如权利要求1-7中的任意一项的垂直过渡结构、封装腔体、金丝、上层射频微带或射频芯片、下层射频微带或射频芯片、封装盖板；封装盖板密封封装腔体，上层射频微带或射频芯片设置在封装腔体的上层台阶，下层射频微带或射频芯片设置在封装腔体的底部，所述垂直过渡结构设置在封装腔体内、并位于底部，所述垂直过渡结构的顶层的第一匹配枝节与上层射频微带或射频芯片之间通过金丝键合实现互连，垂直过渡结构的台阶的第二匹配枝节与下层射频微带或射频芯片之间通过金丝键合实现互连，从而实现射频信号在大高度差场景下的垂直过渡传输。
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