KR100511814B1 - 혼합 신호 인쇄 배선 보드 상의 단일 조립체를 위한저비용, 대용량의 ｒｆ 혼성 패키지 - Google Patents

혼합 신호 인쇄 배선 보드 상의 단일 조립체를 위한저비용, 대용량의 ｒｆ 혼성 패키지 Download PDF

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Abstract

RF 상호 연결부는 가압형 중심 전도체 (퍼즈 버튼) 상호 연결부를 사용하여 다층 PWB 상에 직접 접착하기 위해 RF 패키지(50) 내에 결합된다. 모듈은 마이크로파 주파수에서 작동하는 회로를 갖는다. 모듈 패키지는 벽 구조체(54)를 포함하는 외부 하우징(52)을 포함한다. 모듈은 패키지와 PWB 사이에 RF 상호 연결을 제공하는 복수개의 RF 상호 연결부를 포함한다. 각 상호 연결부는 유전성 스페이스 소자(74)에 의해 절연이 제공되고, 금속 바닥벽 내에 형성된 개구를 통해 돌출된 중심 핀(72)을 포함한다. 중심 핀은 모듈 하우징의 바닥벽의 외부 표면에 접착된 차폐 핀(76)의 링으로 둘러싸인다. 핀은 PWB 내에 형성된 구멍 내에 삽입될 수 있고, 구멍 내에 배치된 중심 핀 가압형 와이어 상호 연결 구조체(130) 및 차폐 핀 가압형 와이어 다발 상호 연결 구조체(132)와 접촉한다. 회로는 RF 신호 전도 및 접지를 위해 퍼즈 버튼 상호 연결부를 PWB의 적절한 레벨에 연결시킨다.

Description

혼합 신호 인쇄 배선 보드 상의 단일 조립체를 위한 저비용, 대용량의 ＲＦ 혼성 패키지{LOW COST, LARGE SCALE RF HYBRID PACKAGE FOR SIMPLE ASSEMBLY ONTO MIXED SIGNAL PRINTED WIRING BOARDS}
본 발명은 마이크로파 회로, 특히 RF 상호 연결 기술에 관한 것이다.
RF 인쇄 배선 보드(PWBs) 상으로 직접 MIC(마이크로파 집적 회로; Microwave Integrated Circuit) 모듈을 상호 연결하기 위한 공지된 기술은 동축 케이블 또는 리본 및 커넥터를 포함한다. 이러한 기술의 단점은 크기, 중량 및 비용에 관한 것이다. 또한, PWB 상으로 이러한 모듈을 장착하도록 직접 땜납 및 에폭시 접착이 사용될 때, 열 팽창 계수(CTE)가 관련된 다른 패키징 재료와 맞지 않는 것에 따른 신뢰성의 문제가 있다.
도1a는 본 발명의 태양을 구체화하는 다기능 RF 모듈 패키지의 외부 저면도이고, 도1b는 도1a의 모듈 패키지의 측부 부분 절결도이고, 도1c는 도1a의 모듈 패키지의 평면도.
도2는 본 발명의 태양에 따른 RF 상호 연결부를 도시하는 동일 단면도.
도3은 본 발명의 태양에 따른 RF 접지 핀에 의해 둘러싸인 RF 중심 핀의 개략도.
도4는 RF 모듈 패키지와 혼합 신호 다층 PWB의 구조를 도시하는, RF 모듈 패키지와 혼합 신호 다층 PWB의 분해 단면도.
도5는 도4와 유사하지만, PWB 구조로 상호 연결된 RF 모듈 패키지를 도시하는 도면.
도6은 RF 접지 패드와 도금된 관통 구멍으로 둘러싸인 스트립라인 전도체 트레이스의 평면도.
본 발명은 마이크로파 패키징에 있어서 신규하고, 강력하고, 서비스 가능하고 그리고 콤팩트한 방법을 제공한다. 유용 실 면적과 높이를 줄이면서 분리되는 개별 MIC 모듈이 현재 용이하게 수직으로 장착되고 제거될 수 있다.
RF 상호 연결부는 가압형 중심 전도체(퍼즈 버튼) 상호 연결부를 사용하여 다층 PWB 상에 직접 접착하기 위하여 RF 모듈 패키지에 합체된다. 모듈은 마이크로파 주파수에서 작동하는 회로를 구비한다. 모듈 패키지는 금속 하부 벽 구조체를 포함하는 금속 하우징을 포함한다. 모듈은 패키지와 PWB 사이에서 RF 상호 연결을 제공하는 복수의 RF 상호 연결부를 포함한다. 각각의 상호 연결부는 유전성 관통 제공(feedthrough) 절연체에 의해 절연이 제공되는, 금속 하부벽에 형성된 개구를 통해 돌출하는 관통 제공 중심 핀을 포함한다. 중심 핀은 모듈 하우징의 하부벽의 외부면에 접착된 차폐 핀의 링으로 둘러싸인다. 핀은 PWB 내에 형성된 구멍으로 삽입 가능하고 구멍에 배치된 퍼즈 버튼 상호 연결부와 접촉한다. 회로는 접지와 RF 신호 전도를 위해 퍼즈 버튼 상호 연결부를 PWB의 적절한 레벨에 연결시킨다.
본 발명의 이러한 그리고 다른 특징 및 이점들은 첨부된 도면에 도시되는 바와 같이, 대표적인 실시예의 이하의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.
본 발명의 태양에 따르면, RF 상호 연결부는 가압형 전도체(퍼즈 버튼) 상호 연결부를 사용하여 혼합 신호 다층 PWB 상에 직접 보드를 접착하기 위해 대형 다기능 RF 모듈 혼성 패키지에 합체된다. 모듈 혼성 패키지는 일반적으로 하나 이상의 혼성 회로, 즉 교대로 패키지 하우징에 장착된, 보드 상에 장착된 능동소자를 포함한다. 모듈 혼성 패키지는 마이크로파 주파수에서 작동한다. 본 발명의 태양에 따른 상호 연결부는 높은 온도에서 매우 신뢰성 있는 연결을 제공하면서 동축 케이블 및 커넥터의 사용을 필요로 하지 않는다.
도1a 내지 도1c는 본 발명을 구체화하는 RF 패키지(50)의 대표적인 실시예를 도시하고 있다. RF 패키지(50)는 내부에 위치된 하나 이상의 혼성 회로를 구비하는, 벽 구조체(54)를 포함하는 외부 하우징(52)을 포함한다. 하우징은 대응하는 DC 커넥터 단자와 정합하기 위해 하부벽으로부터 종래의 DC 신호 핀(60)의 상호 연결 스트립을 돌출시킨다.
RF 패키지(50)은 RF 패키지(50)와 다층 PWB 사이에서 RF 상호 연결을 제공하도록 구성된, 본 발명에 따른 복수의 RF 상호 연결부(70)를 추가로 포함한다. 대표적인 실시예에서, 각각의 RF 상호 연결부(70)는 벽 구조체(54)에 형성된 상호 연결 개구(54A)를 통해 돌출하는 중심 핀(72)(도2 참조)을 포함한다. 중심 핀(72)은 개구 내에 고정되고 유전성 스페이스 소자(74)에 의해 금속벽으로부터 절연된다. 중심 핀(72)은 외부 하우징(52)의 벽 구조체(54)의 외부면(54B)에 접착된 작은 차폐 핀(76)의 링으로 둘러싸인다. 차폐 핀(76)은 중심 핀(72) 주위로 RF 차폐를 제공하도록 중심 핀 주위로 배열되고, 본 실시예에서는 벽 구조체(54)에 직접 납땜되고, 중심 핀(72)은 50 오옴 유전성 스페이스 소자(74)로부터 연장된다.
대표적인 실시예에서, 4 내지 8개의 작은 차폐 핀(76)이 양호한 접지 접촉을 보장하도록 중심 핀(72) 주위로 배치되어, 마이크로파 주파수 범위에서의 작업을 위해 C밴드까지 차폐한다. 이는 차폐를 위해 4개의 차폐 핀(76)으로 둘러싸인 중심 핀(72)의 경우에 도3에 도시된 바와 같이 50 오옴 관통 제공부를 위해 연장되는 중심 핀을 둘러싸는 차폐 핀(76)의 직경 및 공간을 선택함으로써 수행된다. 따라서, 직경(d)을 갖는 중심 핀(72)의 경우에, 4개의 차폐 핀(76)은 정방형 코너 상의 인접 차폐 핀으로부터 거리(D)만큼 이격될 경우, RF 상호 연결부의 특징적인 임피던스는
d < D일 경우, Z0 = (173/ε1/2)log10(D/0.933d)
로 주어진다.
1985년 발행된 샘 & 컴퍼니 출판사 호워드 에스.저 제6판 "엔지니어를 위한 기준 데이터: 라디오, 전자 제품, 컴퓨터, 통신 기기"를 참조한다. 차폐 핀(76)은 차폐를 개선하기 위해 RF 중심 핀을 둘러싸는 데 이용될 수 있다. 이들 경우는 50 오옴 전송 라인을 위한 치수를 결정하도록 입수 가능한 소프트 웨어 도구를 이용하여 모델링될 수 있다. 이들 소프트웨어 도구는 휴렛 팩커드 HFSS, 소네트(Sonnet) 및 안소프트 에미넌스(Ansoft Eminence)를 포함한다.
이들 기술은 구형과 핀들이 유전 기판에 접착되는 종래의 볼 격자 어레이(BGA) 및 핀 격자 어레이(PGA)와 상이하다. 이 모듈 패키지는 상호 연결을 위한 동축 커넥터와 동축 케이블이 필요없게 된다. 다른 이점은 RF 및 DC/신호 상호 연결부의 장착 및 접착이 동일한 조립 공정을 사용하여 모든 상호 연결부가 동시에 접착될 수 있다는 것이다. 본 발명은 종래의 금 접착 작동에 우수한 상호 연결 접근법을 제공한다.
PWB 측부 상에, 압축 가능한 와이어 또는 "퍼즈 버튼"은 PWB를 접속하도록 종래의 동축 커넥터를 사용하는 것과 비교할 때 간단하고 저가이며 시험 적합 연결 기술을 제공한다. 예시적인 실시예에서, 퍼즈 버튼 상호 연결부는 PWB 내로 드릴링된 구멍 내로 끼워지도록 하는 일반적으로 원통인 구조로 조밀하게 패킹된 얇은 금 도금 와이어로 제조된다. 퍼즈 버튼 상호 연결부는 상용되고 있는 동축 커넥터보다 작고 경량일 수있어서, 더욱 조밀하게 패키징될 수 있다. 또한, 이 기술은 패키지가 영역 제거 가능하고 교체 가능하게 한다. RF 가스켓은 z축 CTE 부정합(mismatch)을 완화하기 위해 필요할 수 있는데, 이는 얻기에 용이하며 저가이다. 퍼즈 버튼은 입력 동력이 8 w까지 시험되었지만, 보다 높은 레벨을 잠재적으로 처리할 수 있다.
퍼즈 버튼 연결부는 도4에 도시된 바와 같이 통합된 RF/DC 또는 혼합 신호 PWB(100) 내에 미리 드릴링된 중심 핀 구멍(116A) 및 차폐 핀 구멍(116B) 내로 삽입된다. PWB(100)는 이 일예에서의 층(102 내지 114)인 복수의 PWB 층을 포함한다. 이 층들은 두로이드(상표명), 유리 직물 테플론(상표명) 재료, 폴리이미드(polyimide) 또는 에폭시 유리와 같은 유전 재료로 이루어진 층들을 포함한다. 층들은 고주파수 작동에 바람직한 두로이드(상표명)로 상이한 층들에 수반된 신호의 주파수 범위에 따라서 상이한 재료로 제조될 수 있다. 2개의 유전층(114, 112)은 유전층(114)의 바닥 표면과 유전층(112)의 상부 표면 상에 각각 형성된 제1 및 제2 접지 평면 전도층(120, 122)을 포함하는 스트립라인 전송 라인을 한정한다. 스트립라인 전도체(124)는 유전층(114)의 상부 표면 상에 형성되어 스트립라인 전도체 트레이스를 제공한다. 개구(122A)는 RF 상호 연결 단자가 형성되는 제2 접지 평면 전도층(122) 내에 형성된다. 중심 핀 구멍(116A) 및 차폐 핀 구멍(116B)은 PWB층(110)의 상부 표면으로 연장된 깊이로 PWB층 내에 드릴링된다. 각각의 구멍 내에 퍼즈 상호 연결 구조체가 배치된다. 따라서, 중심 핀(72)에 있어서는, 중심 핀 가압형 와이어 상호 연결 구조체(130)가 중심 핀 구멍(116A) 내로 삽입된다. 차폐 핀(76)에 있어서는, 차폐 핀 가압형 와이어 다발 상호 연결 구조체(132)가 차폐 핀 구멍(116B) 내에 각각 배치된다. DC 신호 핀에 있어서는, DC 핀 구멍(140)은 PWB(100) 내로 층(110)의 상부 표면까지 드릴링되며, 퍼즈 버튼 상호 연결 구조체는 DC 핀 구멍(140) 내로 삽입된다. 각각의 드릴링된 구멍의 바닥에는 유전층(112)의 상부 표면 상에 형성된 전도체 패드가 있다. 따라서, 전도성 패드(136)는 중심 핀 구멍(116A)에서 유전층(112) 상에 형성되며, 전도성 패드(138)는 차폐 핀 구멍(116B)과 정합하여 유전층(112) 상에 형성된다. 패드(144)는 DC 핀 구멍(140)과 정합하여 층(110) 상에 형성된다. 각각의 패드는 PWB 내에 다양한 층들에 이르는 도금된 관통 구멍에 연결된다. 다양한 PWB층들에는 DC/신호 라인(146), DC 동력평면(즉, 전압이 인가되는 구리층 또는 다른 전도체층), 제1 및 제2 접지 평면 전도층(120, 122) 및 스트립라인 전도체(124)이 있다. 전도성 패드(138)는 도금된 관통 구멍(148)에 의해 제2 및 제1 접지 평면 전도층(122, 120)에 연결된다. 전도성 패드(136)는 도금된 관통 구멍(150)에 의해 스트립라인 전도체(124)에 연결된다. DC 신호 패드(144)는 도금된 관통 구멍(152)에 의해 DC/신호 라인(146)에 연결된다.
RF 패키지(50)는 도4 내지 5에 도시된 바와 같은 접착 구조체(160), 예를 들어 접착 필름, 기계식 클램프 및 나사식 체결구를 포함한 다양한 기술을 사용하여 PWB(100) 상에 장착될 수 있다. 접착 필름(160)은 RF 패키지(50)가 PWB(100)에 조립될 때 DC 신호 핀(60), 중심 핀(72) 및 차폐 핀(76)을 관통하여 수용하도록 내부에 복수의 여유 구멍(162)을 갖는다.
도5는 도4와 유사하지만, PWB(100)에 대해 삽입되어 완전히 조립된 상태의 RF 패키지(50)를 도시하고 있다. DC 신호 핀(60), 중심 핀(72) 및 차폐 핀(76)의 선단은 중심 핀 가압형 와이어 상호 연결 구조체(130), 차폐 핀 가압형 와이어 다발 상호 연결 구조체(132) 및 DC 핀 구멍 가압형 배선 와이어 상호 연결 구조체(142)의 단부와 접촉하여 서로 전기적 접촉을 이룬다. RF 패키지(50)는 바람직하게는 양면 접착층 구조인 접착 필름(160)에 의해 PWB(100)에 고정된다.
유전층(114)의 상부 표면 상의 스트립라인 전도체(124)는 전도성 패드(138) 상의 RF 접지 도금된 관통 구멍(148)과 접촉하지 않고 도6에 도시된 바와 같이 그 사이에 뻗어 있다. 여기서 RF 중심 전도체 도금된 관통 구멍(150)과 접촉하는 전도성 패드(136)는 전도성 패드(138)와 도금된 관통 구멍(148) 사이에 뻗어 있다.
상호 연결 기술은 RF/DC 모듈로부터 퍼즈 버튼 상호 연결부를 포함하는 PWB의 미리 드릴링된 구멍 내로 핀을 삽입하는 것을 포함한다. 핀은 PWB 내의 전도체 패드에 대항하여 퍼즈 버튼 접촉자를 압박하여 도5에 도시된 바와 같은 다양한 RF 및 DC/신호 층에 연결을 완성한다.
RF 모듈 혼성 패키지에 대한 이러한 신규한 상호 연결 접근법은 PWB에 접속하는 RF 상호 연결부용 동축 커넥터 및 동축 케이블이 필요없게 된다. 다른 이점은 RF 및 DC/신호 상호 연결부의 장착 및 접착이 동일한 조립 공정을 사용하여 모든 상호 연결부가 동시에 접착될 수 있다는 것이다.
퍼즈 버튼 상호 연결부는 간단하고, 저가이며, 시험 적합한 연결 방법을 제공한다. 이들은 상용되고 있는 동축 커넥터보다 작고 경량이며, 또한 MIC(마이크로파 집적 회로) 패키지로도 공지된 RF 모듈 혼성 패키지가 영역 제거 가능하고 대체 가능하도록 한다.
예시적인 사용은 RF PWB에 직접 접착된 MIC 모듈 사이에 RF 신호를 전달하는 것으로, 적은 손실, 최소한의 공간, 적은 비용, 단일 모드 전송 및 수직 전환을 포함한 이점을 제공한다. 적용예는 수신기/여자기, 통신 서브시스템 및 다른 마이크로파 회로에서 발견될 수 있는, 적층되고 제거 가능한 RF 조립체 사이에 수직 상호 연결을 포함한다. 이러한 회로는 레이더 시스템, 위성, 마이크로파 자동차 전자 장치, 미사일 시스템 및 크기가 중요한 다른 적용예(예컨대, 휴대폰)에서 발견될 수 있다.
전술한 실시예들은 단지 본 발명의 원리를 표현하는 가능한 특정 실시예들을 예시하고 있다. 이들 원리에 따라 다른 배열이 본 발명의 범주 및 사상으로부터 벗어나지 않고 당해 기술 분야의 숙련자에 의해 용이하게 고안될 수 있다.

Claims (10)

  1. RF 전기 조립체이며,
    RF 패키지(50)와,
    다층 인쇄 배선 보드(PWB, 100)를 포함하고,
    RF 패키지(50)는,
    상호 연결 개구(54A)가 형성된 벽 구조체(54)를 포함하는 외부 하우징(52)과,
    상호 연결 개구 내에 장착되며, 상호 연결 개구 내에 유전성 스페이서 소자(74) 상에 지지되고 RF 회로에 연결하기 위해 하우징 내에 배치된 내부 단부와 RF 패키지 외부에 상호 연결 구조체와 상호 연결되는 말단부를 포함하는 긴 전기 전도성 중심 핀(72)을 갖는 전기 전도성 관통 제공 핀 구조체와,
    벽 구조체에 연결되고 하우징으로부터 외향으로 연장되며 중심 핀의 외부를 둘러싸도록 배치되어 동축 차폐 구조체를 형성하는 복수개의 전기 전도성 차폐 핀(76)을 포함하고,
    다층 인쇄 배선 보드는 상기 핀과 동축 차폐 구조체를 통해 RF 패키지에 전기적으로 연결되며,
    제1 표면을 통하여 제1 소정 깊이로 형성된 중심 핀 구멍(116A)과,
    상기 제1 표면을 통하여 제2 소정 깊이로 형성된 복수개의 차폐 핀 구멍(116B)과,
    상기 중심 핀 구멍 내에 배치되어 패키지가 PWB에 조립될 때 중심 핀의 말단 선단부와 전기적으로 접촉하는 중심 핀 가압형 와이어 상호 연결 구조체(130)와,
    상기 차폐 핀 구멍 내에 배치되어 패키지가 PWB에 조립될 때 차폐 핀의 각 말단 선단부와 전기적으로 접촉하는 복수개의 차폐 핀 가압형 와이어 다발 상호 연결 구조체(132)를 포함하는 것을 특징으로 하는 조립체.
  2. 제1항에 있어서, 중심 핀 가압형 와이어 상호 연결 구조체(130) 및 차폐 핀 가압형 와이어 다발 상호 연결 구조체(132)는 조밀하게 패킹된 얇은 금 도금 와이어로 제조되는 것을 특징으로 하는 조립체.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 제1 소정 거리는 제2 소정 거리와 동일한 것을 특징으로 하는 조립체.
  4. 제1항에 있어서, 패키지는 벽 구조체를 통해 연장되고 하우징 내의 DC 회로에 연결하기 위해 내부 단부와 PWB 상의 DC 상호 연결 구조체에 연결하기 위해 벽 구조체로부터 멀리 연장된 외부 단부를 갖는 적어도 하나의 DC 신호 핀(60)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 조립체.
  5. 제4항에 있어서, DC 상호 연결 구조체는 상기 PWB의 제1 표면을 통하여 PWB의 제3 소정 깊이로 형성된 DC 핀 구멍(140)과, 상기 핀 구멍 내에 배치되어 패키지가 PWB에 조립될 때 DC 핀의 말단 선단부와 전기적으로 접촉하는 DC 핀 구멍 가압형 배선 와이어 상호 연결 구조체(142)를 포함하는 것을 특징으로 하는 조립체.
  6. 제1항에 있어서, PWB는 스트립라인 전도체(124)와 유전층(112, 114)을 개재한 제1 및 제2 접지 평면 전도층(120, 122)에 의해 한정된 RF 스트립라인 전송 라인을 포함하고, 상기 중심 핀 가압형 와이어 상호 연결 구조체는 상기 스트립라인 전도체에 차례로 전기적으로 연결된 전도성 패드(136)와 접촉하고, 상기 차폐 핀 가압형 와이어 다발 상호 연결 구조체는 제1 및 제2 접지 평면 구조체의 각각에 차례로 전기적으로 연결된 전도성 패드(138)에 각각 접촉하는 것을 특징으로 하는 조립체.
  7. 제1항에 있어서, 패키지가 PWB에 조립될 때 PWB에 RF 패키지를 고정시키기 위한 접착 구조체(160)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 조립체.
  8. 제7항에 있어서, 접착 구조체는 접착층을 포함하는 것을 특징으로 하는 조립체.
  9. 제1항에 있어서, 하우징은 금속 하우징인 것을 특징으로 하는 조립체.
  10. 제1항에 있어서, RF 패키지는 복수개의 상기 RF 상호 연결부를 포함하고, PWB는 각 RF 상호 연결부에 대해 대응 중심 구멍 핀, 복수개의 차폐 핀 구멍, 중심 핀 가압형 와이어 상호 연결 구조체 및 차폐 핀 가압형 와이어 다발 상호 연결 구조체를 포함하고, 회로가 RF 신호 전도 및 접지를 위해 PWB의 적절한 레벨에 가압형 전도체 상호 연결 구조체를 연결하는 것을 특징으로 하는 조립체.
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