CN1625321A - 安装微波单片集成电路的衬底及微波通信发送器和收发器 - Google Patents

安装微波单片集成电路的衬底及微波通信发送器和收发器 Download PDF

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Abstract

提供一种安装MMIC(微波单片集成电路)的衬底，包括：具有一电介质衬底和形成在所述衬底两侧上的金属箔图案的双金属箔电介质衬底(2)；安装在所述双金属箔电介质衬底(2)一侧上的作为高功率放大器的MMIC；以及附着到所述双金属箔电介质衬底(2)的另一侧的金属底盘(3)。所述双金属箔电介质衬底(2)具有多个通孔(2a)，作为金属箔图案的铜箔图案连续延伸以覆盖通孔(2a)的各个内表面以及所述电介质衬底的两侧，并且在通孔(2a)中填埋焊料。

Description

安装微波单片集成电路的衬底及微波通信发送器和收发器
本申请要求分别于2003年12月4日和2004年10月5日提交给日本专利局的日本专利申请No.2003-405961和No.2004-292417的优先权，其全部内容在此引入作为参考。
技术领域
本发明涉及一种具有安装在其上的微波单片集成电路(下文中称为“MMIC”)的衬底。所述安装MMIC的衬底主要用于卫星通信的发送装置，特别是用于Ku波段收发器和Ku波段发送器中。
背景技术
日本实用新型公开No.5-31307公开了一种促进高功率放大器的高输出晶体管散热的常规技术。此外，日本专利公开No.2003-06053公开了一种在多层衬底上安装产生大量热的无线电通信模块的半导体器件的常规技术。对于这两种技术，必须在安装了芯片的衬底的区域中设置凹陷部件。
以下讨论的技术是已知在其中没有凹陷部件的衬底上安装必要的芯片、同时从芯片有效散热的方法。
参照图16和17，以下将描述安装MMIC的衬底，其中MMIC为安装在衬底上的常规高功率放大器(HPA)。如图16所示，安装MMIC的衬底包括双金属箔电介质衬底2和附着于衬底一侧的金属底盘3。双金属箔电介质衬底2具有金属箔图案，其通过将金属箔附着于电介质衬底两侧、然后通过例如蚀刻的方法部分地去除金属箔以形成某种图案来制造。在此处所示的实例中，金属箔图案是铜箔图案，双金属箔电介质衬底2具有铜箔图案(未示出)，该铜箔图案带有形成于电介质衬底两侧的某种图案形状。图17是作为高功率放大器的MMIC的放大图。高功率放大器、即MMIC必须面对产生热量的问题。因此，为了有效地散热和接地，在MMIC本体7a一侧的较低端部设置金属凸缘7b以制造带凸缘的MMIC7。此外，多个端子7c从另一侧的较低端部突出，所述另一侧与其上设置MMIC本体7a的凸缘7b的那一侧不同。
如图16所示，双金属箔电介质衬底2具有附着孔(attachment hole)8，其为在尺寸上对应带凸缘的MMIC7的通孔。在附着孔8中，暴露了金属底盘3的表面。带凸缘的MMIC7经由双金属箔电介质衬底2的附着孔8连接到金属底盘3的表面。具体地说，使用凸缘7中的通孔，用螺钉4将带凸缘的MMIC7直接固定到金属底盘3的表面。图18是带凸缘的MMIC7在固定状态的平面图。MMIC本体7a被固定在附着孔8中从而与金属底盘3的表面直接接触。从MMIC本体7a的横向侧突出的端子7c延伸到附着孔8的外部从而被放置在双金属箔电介质衬底2前侧上对应的铜箔图案2c上并通过手工焊接到对应的铜箔图案2c。
端子7c被分为两组，即接地端子7c1与信号端子7c2。同时，铜箔图案2c也大致分为两组，即接地图案2c1和信号图案2c2。接地端子7c1连接到接地图案2c1并且信号端子7c2连接到信号图案2c2。
上述传统技术的问题在于，作为高功率放大器，必须制备为带凸缘的MMIC，而不是简单的MMIC。
此外，由于带凸缘的MMIC7安装在暴露于附着孔8中的金属底盘3的表面上，而不是双金属箔电介质衬底2的上表面，因此在焊接前需要首先将螺钉4拧紧在金属底盘3中。因此，端子7c在具有大热容量的金属底盘3已经附着的状态下被焊接。在这种状态，即使在回流槽(reflow bath)中对整体加热，大部分的热量也被金属底盘3带走，因而不能达到良好质量的焊接。因此，与普通的表面安装(surface-mount)部件不同，不可能将焊料事先应用于衬底并安装部件，同时完成焊接。这意味着首先用螺钉4将带凸缘的MMIC7固定到金属底盘3，此后通过手工焊接端子7c，很可能由于手工造成可靠性的劣化。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种无需制备带凸缘MMIC的安装MMIC的衬底，其能够不使用手工焊接而装配并能够有效地散热。
为了达到上述目的，根据本发明的安装MMIC的衬底包括：具有一电介质衬底和设置在所述电介质衬底两侧上的金属箔的一双金属箔电介质衬底；安装在所述双金属箔电介质衬底一侧上的作为高功率放大器的一MMIC；以及附着到所述双金属箔电介质衬底的另一侧的一金属底盘。所述双金属箔电介质衬底具有多个通孔，所述金属箔连续延伸以覆盖所述通孔的各个内表面以及所述电介质衬底的所述两侧，并且在所述通孔中填埋焊料。应用这种结构可以无需制备带凸缘的MMIC。可使用在所述通孔内部的焊料完成焊接，因此不需要手工来完成焊接。此外，由于从MMIC传输到双金属箔电介质衬底前侧上的金属箔的热量能够经由在通孔中的焊料迅速输送到双金属箔电介质衬底后侧上的金属底盘，因此能够有效地散热。另外，通过在连接到MMIC端子的金属箔中设置通孔，能够以低电阻实现到金属底盘的电连接，由此能够稳定在高频下的操作。
优选地，根据本发明，所述金属箔镀金。应用这种结构能够防止腐蚀并改善厚度的精确度，由此稳定表面状态。因此，在使用微波时，特性稳定。
优选地，根据本发明，所述金属箔镀以焊料。应用这种结构能够改善以后在焊接工艺中应用的焊料的一致性。
优选地，根据本发明，所述焊料是焊膏(cream solder)。应用这种结构能够基本上仅通过安装部件的传统工艺、即丝网印刷和在回流槽中退火来很容易地制造具有填埋在通孔中的焊料的结构。
优选地，根据本发明，所述安装MMIC的衬底还包括与所述金属箔接触并穿过所述双金属箔电介质衬底以连接到所述金属底盘的螺钉。应用这种结构能够使从MMIC产生并传输到在双金属箔电介质衬底前侧上的金属箔的热量能够除在通孔中的焊料之外经由螺钉输送，由此实现有效的散热。同时，可经由螺钉实现从MMIC的端子到金属底盘的电连接，以使电阻最小化。
优选地，根据本发明，所述安装MMIC的衬底还包括与所述MMIC的顶表面接触的一散热板，并且所述螺钉穿过所述散热板而被固定同时将所述散热板压紧到所述MMIC上。应用这种结构能够通过所述散热板从MMIC的顶表面散热，并且从MMIC更有效地散热。
优选地，根据本发明，所述螺钉穿过一垫圈并且该垫圈夹在所述螺钉的螺钉头与所述双金属箔电介质衬底之间。应用这种结构能够防止由于时间改变造成的螺钉松动。
优选地，根据本发明，所述安装MMIC的衬底还包括与所述MMIC的顶表面接触的一散热板，该散热板包括板部分和螺钉部分，所述板部分和所述螺钉部分形成为整体，并且所述螺钉部分穿过所述双金属箔电介质衬底和所述金属底盘从而在所述金属底盘的后侧被抓住。应用这种结构可以使所述板部分平坦而没有从其上的突起，由此降低从所述双金属箔电介质衬底前侧的高度。
根据本发明，无需制备带凸缘的MMIC。在通孔中的焊料能够用于焊接，由此能够实现不用手工的焊接。从MMIC传输到双金属箔电介质衬底前侧上的金属箔的热量能够经由通孔中的焊料迅速输送到双金属箔电介质衬底后侧上的金属底盘，因此能够有效地散热。在连接到MMIC端子的金属箔中设置通孔从而能够以低电阻实现到金属底盘的电连接，由此能够稳定在高频下的操作。
通过以下结合附图对本发明的详细描述，本发明的上述和其他目的、特征、方面和优点将变得更加明显。
附图说明
图1是根据本发明第一实施例的安装MMIC的衬底的剖视图；
图2是根据本发明第一实施例的安装MMIC的衬底的局部放大剖面图；
图3是根据本发明第一实施例安装在双金属箔电介质衬底表面上的MMIC及其附近区域的局部放大图；
图4是根据本发明第一实施例安装MMIC的衬底的MMIC及其附近区域的局部放大剖面图；
图5是根据本发明第一实施例的端子的连接部分和铜箔的横剖视图；
图6是根据本发明第一实施例的没有MMIC本体的安装MMIC的衬底的局部放大平面图；
图7是根据本发明第二实施例的安装MMIC的衬底的剖视图；
图8是根据本发明第二实施例的没有螺钉的安装MMIC的衬底的局部放大平面图；
图9是根据本发明第二实施例的螺钉及其附近的透视图；
图10是根据本发明第三实施例的安装MMIC的衬底的剖视图；
图11是根据本发明第三实施例安装MMIC的衬底的MMIC及其附近的局部放大剖面图；
图12是根据本发明第四实施例的安装MMIC的衬底的剖视图；
图13是根据本发明第四实施例安装MMIC的衬底的MMIC及其附近的局部放大剖面图；
图14是根据本发明第五实施例的发送装置的电路框图；
图15是根据本发明第六实施例的收发装置的电路框图；
图16是传统的安装MMIC的衬底的剖视图；
图17是传统MMIC的透视图；
图18是在固定状态的传统MMIC的平面图。
具体实施方式
第一实施例
参照图1至6，描述了根据本发明第一实施例的安装MMIC的衬底。如图1所示，安装MMIC的衬底包括双金属箔电介质衬底2、MMIC1和金属底盘3。在图1中，为了描述方便起见，MMIC1被表示为与双金属箔电介质衬底2分离。MMIC1是表面安装高功率放大器并且设置在双金属箔电介质衬底2的一侧上。金属底盘3附着于双金属箔电介质衬底2的另一侧。图2是图1所示安装MMIC的衬底的局部放大剖面图。如图2所示，双金属箔电介质衬底2具有形成在电介质衬底2e两侧上作为金属箔图案的铜箔图案2c。双金属箔电介质衬底2具有其中排列了数个通孔2a的区域。MMIC1安装在这样的区域中。
图3是安装在双金属箔电介质衬底2表面上的MMIC1及其附近区域的放大图。图3中没有表示出金属底盘3。
MMIC1包括MMIC本体1a以及从MMIC本体1a的两侧延伸的端子1c。端子1c大致分为两组，即接地端子1c1和信号端子1c2。设置数个信号端子1c2以及数个信号图案2c2。尽管在图3中表示了四个信号端子和四个信号图案，端子和图案的数目不限于四个。接地图案2c1和信号图案2c2彼此电分离。接地端子1c1连接到接地图案2c1并且信号端子1c2连接到信号图案2c2。图4表示了图3结构的剖面。如图4所示，通过焊料9，每个端子1c连接到对应的铜箔图案2c。作为实例，图5表示了端子1c2和铜箔2c2的连接部分的横剖面。
为了解释端子1c、铜箔图案2c和通孔2a之间的二维位置关系，图6表示了没有MMIC本体1a的图3中结构的平面图。在图6中，被MMIC本体1a占据的区域用双点划线表示。如图6所示，在位于MMIC本体1a下面的接地图案2c1的区域、包括其位于接地端子1c1下面的区域中，排列了通孔2a。相反，在信号端子1c2下面的区域和信号图案2c2的区域中，未设置通孔2a。在如图2所示的通孔2a中，用金属箔覆盖通孔2a的内表面，并且在双金属箔电介质衬底2的前侧上的金属箔和在其后侧上的金属箔彼此电连接。此外，在每个通孔2a中填埋焊料以形成焊料填埋部分2b。由于接地端子1c1与双金属箔电介质衬底2的前表面接触，接地端子1c1电连接到在双金属箔电介质衬底2后表面上的铜箔图案2c。
根据这一实施例，MMIC1的接地端子1c1按顺序经由在双金属箔电介质衬底2前侧的铜箔图案2c连接到金属底盘3、通孔2a的焊料填埋部分2b以及在双金属箔电介质衬底2后侧的金属箔图案2c，即这些部分是彼此相连的金属。因此，通过这一金属路径，能够完成散热和到金属底盘3的接地。填充有金属的焊料填埋部分2b比电介质衬底2e具有明显高的热传导性。存在这样的焊料填埋部分2b显著改善了从双金属箔电介质衬底2的前侧向其后侧的热传导效率。由此能够改善作为高功率放大器的MMIC1的散热效率。
关于接地，由于能够经由在许多通孔2a中的焊料进行双金属箔电介质衬底2的前侧和后侧之间的电连接，减小了电阻，从而即使在数个GHz或更高的高频操作时，仍然能够稳定地完成操作。
在信号图案2c2的区域中，信号端子1c2和信号图案2c2电连接到通信信号。在这一区域中，未设置通孔2a，由此使包含在信号中的任何部件能够与在后侧上的例如接地图案2c1和铜箔图案2c的任何部件电隔离。
然而，如果能够与包含在接地中的任何部件保持电隔离，则可在信号图案的区域中设置通孔。在这种情况下，也可在通孔中填埋焊料从而以低电阻建立与双金属箔电介质衬底2的后侧的电连接。
优选地，铜箔图案2c镀金。镀金能够防止腐蚀并有助于提高厚度的精确度从而提供稳定的表面状态。当安装MMIC的衬底用于微波应用时，由于微波的趋肤效应，能量集中在铜箔图案2c的表面上。在这种情况下，稳定的表面状态使性能稳定。特别地，优选对双金属箔电介质衬底2两侧上的铜箔图案2c镀金。
优选地，对双金属箔电介质衬底2两侧上的铜箔图案2c镀以焊料，这样能提高以后在焊接工艺中应用的焊料的一致性。
优选地，在焊料填埋部分2b中的焊料为焊膏。使用这种焊料，基本仅通过用于安装部件的传统工艺，就可自动地形成焊料填埋部分2b。换言之，无需附加工艺，通过下述方法可用焊料填充通孔2a。
在焊接表面安装部件之前，通过丝网印刷将焊膏应用于将安装部件的双金属箔电介质衬底2的表面区域以及排列了通孔2a的区域。在安装表面安装部件时，存在将焊膏施加于将安装部件的区域的传统工艺。根据本发明，焊料还施加于排列了通孔2a的区域。
然后，通过机械装配工，在双金属箔电介质衬底2的前表面上放置每个部件。在这一阶段，还未附着金属底盘3。具有安装在其前表面上的部件的双金属箔电介质衬底2在回流槽中被处理。经过在回流槽中的高温，焊膏熔化使得安装部件被焊接到双金属箔电介质衬底2的前表面。焊料流入通孔2a中以形成焊料填埋部分2b。换言之，可以同时完成部件的焊接和焊料填埋部分2b的形成。在这之后，将金属底盘3附着于双金属箔电介质衬底2的后侧。
第二实施例
参照图7至9，描述了根据本发明第二实施例的安装MMIC的衬底。如图7所示，安装MMIC的衬底包括双金属箔电介质衬底2、MMIC1、金属底盘3和螺钉4。在图7中，为了描述方便起见，MMIC1被表示为与双金属箔电介质衬底2分离。螺钉4穿过双金属箔电介质衬底2以连接到金属底盘3。图8是螺钉4连接前的平面图。如图8所示，螺钉孔2d设置在双金属箔电介质衬底2的被MMIC本体1a占据的区域外部，并相对靠近MMIC本体1a。在接地图案2c1中设置螺钉孔2d。
如图9所示，螺钉4拧在螺钉孔2d中。螺钉4与MMIC1分开。
当拧紧螺钉4时，螺钉4被直接拧紧并固定到接地图案2c1。更优选地，如图9所示，使用金属垫圈10。在这种情况下，螺钉4穿过垫圈10且垫圈10夹在螺钉4的螺钉帽与双金属箔电介质衬底2之间。因此，能够防止随时间改变造成的螺钉4的松动。垫圈10可以与通孔2a重叠。
上述配置中的任何一种均允许螺钉4与作为附着于双金属箔电介质衬底2前侧的金属箔的接地图案2c1接触，直接接触或者仅经由垫圈10。
除以上讨论之外的其他部件与结构与参考第一实施例所描述的类似，不再重复对其的描述。
根据这一实施例，螺钉4通过在安装MMIC1的区域附近穿过双金属箔电介质衬底2到达金属底盘3而连接。因此，从MMIC1产生并传输到双金属箔电介质衬底2前侧上的铜箔图案2c的热量能够穿过除通孔2a的焊料填埋部分2b之外的螺钉4到达金属底盘3。由此，热量能够经由在热传导方面优于焊料填埋部分2b的螺钉4传导，从而能够使金属底盘3迅速地散热。当使用垫圈10时，仍能获得这一优点。由于垫圈10由金属制成，接地图案2c1所保持的热量能够经由垫圈10和螺钉4发散到金属底盘3。
关于接地，经由在直径上大于通孔2a的螺钉4的接地能够降低双金属箔电介质衬底2的前侧与后侧之间的电阻。因此，能够有效地完成接地。
尽管在这一实例中，螺钉孔2d设置在相应地两个位置，螺钉位置的数目不限于两个并且也可以使用至少一个螺钉。
第三实施例
参照图10和11，描述了根据本发明第三实施例的安装MMIC的衬底。如图10所示，安装MMIC的衬底包括双金属箔电介质衬底2、MMIC1、金属底盘3、散热板5和螺钉4。在图10中，为了描述方便起见，MMIC1被表示为与双金属箔电介质衬底2分离。散热板5与MMIC1的顶表面接触并且具有通孔以用于从中穿过螺钉4。散热板5优选由金属制成。螺钉4穿过散热板5被扣紧同时将散热板5压紧到MMIC1上，如图11的剖面图中所示。
除以上讨论之外的其他部件与结构与参考第一和第二实施例所描述的类似，不再重复对其的描述。
根据这一实施例，除结合第二实施例描述的效果之外，即经由螺钉4向金属底盘3有效散热和接地，能够实现从MMIC1更加有效散热的进一步的效果，因为热量能够通过散热板5从MMIC1的顶表面释放。从MMIC1的顶表面释放的热量传输到散热板5，从散热板5部分地消散到空气中，其余的热量经由螺钉4传输到金属底盘3。
尽管在这一实例中，通过两个螺钉4支撑散热板5，支撑散热板5的螺钉数目不限于两个，可以是至少一个的任何数目。此外，优选散热板5与MMIC1接触尽可能大的面积。散热板5不限于平板形状的散热板，而可以是任何不平的板或曲面板。
第四实施例
参照图12和13，描述了根据本发明第四实施例的安装MMIC的衬底。如图12所示，安装MMIC的衬底包括双金属箔电介质衬底2、MMIC1、金属底盘3和散热板6。在图12中，为了描述方便起见，MMIC1被表示为与双金属箔电介质衬底2分离。如图13所示，散热板6与MMIC1的顶表面接触。散热板6包括板部分6a和螺钉部分6b。板部分6a和螺钉部分6b形成为整体。散热板6优选由金属制成。螺钉部分6b穿过双金属箔电介质衬底2和金属底盘3。螺钉部分6b的前端从金属底盘3的后侧突出并且突出部分被螺母11抓紧。
除以上讨论之外的其他部件与结构与参考第一实施例所描述的类似，不再重复对其的描述。
根据这一实施例，除结合第二实施例描述的效果之外，即经由螺钉4向金属底盘3有效散热和接地，能够实现从MMIC1更加有效散热的进一步的效果，因为热量能够通过散热板6从MMIC1的顶表面释放。从MMIC1的顶表面释放的热量传输到散热板6的板部分6a，从板部分6a部分地消散到空气中，其余的热量经由螺钉部分6b传输到金属底盘3。
此外，由于散热板6由形成为整体的板部分6a和螺钉部分6b形成，螺钉的螺钉头不从板部分的顶部突出，从而降低了从双金属箔电介质衬底2的高度。
尽管在这一实例中设置了两个螺钉部分6b，散热板6的螺钉部分6b的数目不限于两个而可以是至少一个的任何数目。此外，整体的螺钉部分和结合第三实施例所示的分开的螺钉可以结合使用。另外，优选散热板6与MMIC1接触尽可能大的面积。板部分6a不限于平板形状，而可以是任何不平的板或曲面板。
第五实施例
参照图14，描述了根据本发明第五实施例的发送装置。这种发送装置用于微波通信中且仅用于发送。图14表示了发送装置的电路框图。在该发送装置中，经由中频放大器(IF amplifier)和带通滤波器、简称BPF的传输信号通过混频器被转化为在微波波段的高频信号。此外，转化为高频信号并经由激励放大器提供的传输信号通过MMIC高功率放大器进行功率放大。MMIC高功率放大器包括以上结合每个实施例描述的安装MMIC的衬底。
发送装置具有以上结合每个实施例描述的安装MMIC的衬底，使得发送装置能够有效的散热以用作可靠的发送装置。
第六实施例
参照图15，描述了根据本发明第六实施例的收发装置。这种收发装置用于微波通信中且用于发送/接收。即，该收发装置具有发送功能和接收功能。图15表示了该收发装置的电路框图。在这种收发装置中，传输信号通过与结合第五实施例描述的相同的路径被传输并通过MMIC高功率放大器进行功率放大。MMIC高功率放大器包括以上结合每个实施例描述的安装MMIC的衬底。
收发装置具有以上结合每个实施例描述的安装MMIC的衬底，使得收发装置能够有效的散热以用作可靠的收发装置。
尽管上述实施例均包括作为附着于电介质衬底两侧的金属箔的铜箔，金属箔可以是除铜之外的任何材料。
尽管已描述并具体说明了本发明，应清楚理解的是仅通过说明和实例来描述本发明，但本发明不限于这些说明和实例。本发明的主旨和范围仅由所附权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种安装微波单片集成电路的衬底，包括：
包括一电介质衬底和设置在所述电介质衬底两侧上的金属箔的一双金属箔电介质衬底；
安装在所述双金属箔电介质衬底一侧上的作为表面安装高功率放大器的一微波单片集成电路；以及
附着到所述双金属箔电介质衬底的另一侧的一金属底盘，
其中所述双金属箔电介质衬底具有多个通孔，所述金属箔连续地延伸以覆盖所述通孔的各个内表面以及所述电介质衬底的所述两侧，并且在所述多个通孔中填埋焊料。
2.根据权利要求1所述的安装微波单片集成电路的衬底，其中所述金属箔镀金。
3.根据权利要求1所述的安装微波单片集成电路的衬底，其中所述金属箔镀焊料。
4.根据权利要求1所述的安装微波单片集成电路的衬底，其中所述焊料是焊膏。
5.根据权利要求1所述的安装微波单片集成电路的衬底，还包括与所述金属箔接触并穿过所述双金属箔电介质衬底以连接到所述金属底盘的螺钉。
6.根据权利要求5所述的安装微波单片集成电路的衬底，还包括与所述微波单片集成电路的顶表面接触的一散热板，其中所述螺钉穿过所述散热板被固定同时将所述散热板压紧到所述微波单片集成电路上。
7.根据权利要求5所述的安装微波单片集成电路的衬底，其中所述螺钉穿过一垫圈并且该垫圈夹在所述螺钉的螺钉头与所述双金属箔电介质衬底之间。
8.根据权利要求1所述的安装微波单片集成电路的衬底，还包括与所述微波单片集成电路的顶表面接触的一散热板，该散热板包括板部分和螺钉部分，所述板部分和所述螺钉部分形成为整体，并且所述螺钉部分穿过所述双金属箔电介质衬底和所述金属底盘从而在所述金属底盘的后侧被抓住。
9.一种在微波波段通信中仅用于发送的发送装置，其具有根据权利要求1所述的安装微波单片集成电路的衬底。
10.一种在微波波段通信中用于发送/接收的收发装置，其具有根据权利要求1所述的安装微波单片集成电路的衬底。
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