TW202107957A - 扁線銅垂直發射微波互連方法 - Google Patents

Abstract

一種電路結構，包括具有形成在其上的信號跡線的信號基材以及設置在該信號基材之上的微帶基材，該微帶基材包括形成在其上的微帶跡線以及通過該微帶基材的孔。該電路結構也包括一導體，該導體通過且實質上填充通過該微帶基材的該孔並與在信號基材上之信號跡線電接觸，以及一將該微帶跡線電氣接連至導體的第一端的扁線連接器，該扁線連接器係配置使該扁線連接器與該微帶基材的頂面之間形成空隙。

Description

扁線銅垂直發射微波互連方法

本揭露涉及射頻印刷電路板電路，特別是利用扁線銅垂直發射方法形成可用於射頻電路的多層電路結構。

為了生產更緊湊的射頻（RF）和電磁電路，可以使用傳統的印刷電路板（PCB）方式生產。一些RF和電磁電路可能包括若干層，因此，需要在不同層上的導體之間建立電接連。通常用來描述這種層間連接的術語是「通路(via)」。

傳統的PCB製造過程可能形成一個通路，以提供層間的導電。這些過程可能包括很多個不同的步驟，包括在危險材料中進行的水浴，並且可能需要多次迭代、大量的人工等，所有這些都導致更高的成本和更慢的周轉時間。

此外，可以形成通路的傳統方式受到大小的限制。也就是說，傳統的方法不善於形成小的形貌。這種較小尺寸的限制可能會限制這種設備可支持的最高信號的範圍。

根據一實施例，揭露了一種電路結構，該電路結構包括具有形成在其上的一信號跡線的一信號基材和設置在該信號基材上的一微帶基材，該微帶基材包括形成在其上的一微帶跡線和一個通過它的孔。該電路還包括一導體，該導體通過且實質上填充通過該微帶基材的該孔並與該信號基材上之該信號跡線電接觸，以及一將該微帶跡線電接連至該導體的第一端的扁線連接器，該扁線連接器係配置成使該扁線連接器與該微帶基材的頂表面之間形成一空隙。

根據電路結構的任一前述實施例，將該扁線連接器焊接到該微帶跡線和該導體的頂部。

根據電路結構的任一前述實施例，該導體是實心導線。

根據電路結構的任一前述實施例，將該導體的第二端焊接至該信號跡線。

根據電路結構的任一前述實施例，該導體的一頂部延伸到該微帶跡線的頂表面上方。

根據電路結構的任一前述實施例，該電路進一步包括位於該信號基材和該微帶基材之間的中間基材，該中間基材包括在其中形成的孔，其係與通過該微帶基材的孔對齊。

根據電路結構的任一前述實施例，該導體通過貫穿該微帶基材的孔，也通過在中間基材中形成的孔。

本文亦揭露了一種製造電路結構的方法，該方法包括：在一信號基材上形成一信號跡線；直接或間接地將一微帶基材粘合在該信號基材之上；在該微帶基材上形成一個孔；使一導體通過並實質上填充通過該微帶基材的該孔，使其與該信號基材上的該信號跡線電接觸；並且將一扁線連接器電氣連接到該微帶和該導體的第一端，使該扁線連接器與該微帶基材的頂表面之間形成一空隙。

根據任一前述的方法，該方法可進一步包括在將導體通過該孔之前在該信號跡線上形成一焊錫球。

根據任一前述的方法，該方法可進一步包括向該導體施加熱以使該焊錫球回流。

根據任一前述的方法，該方法還可以包括在將該導體通過該孔前在導體的第二端上形成焊錫球；並且在該導體通過該孔後，對該導線施加熱以使焊錫球回流。

根據任一前述的方法，將該扁線連接器電氣接連至該微帶和該導體的第一端的步驟包括將該扁線連接器焊接到該微帶及將該扁線連接器焊接到該導體的第一端。

根據任一前述的方法，該導體為一實心導線。

根據任一前述的方法，該方法還可以包括：在將微帶基材粘合於該信號基材上之前，將一中間基材與該信號基材粘合；並形成一貫穿該中間基材的孔。

根據任一前述的方法，使該導體通過該微帶基材中的該孔的步驟包括使該導體通過形成於該中間基材中的孔。

在一實施例中，揭露了一種共面波導電路結構。該共面波導電路結構包括一基材，該基材包括形成在其頂表面的第一和第二微帶接地跡線，該基材還包括形成於該頂表面上並位在該第一和第二微帶接地跡線與設置於該基材的底面上的一接地平面之間之一信號微帶。該共面波導電路結構還包括一通過並實質上填充一貫穿該基材的第一孔且電接觸該接地面之第一導體，以及一將該第一微帶接地跡線電氣連接至該第一導體的第一端之第一扁線連接器。該第一扁線連接器係配置成使該第一扁線連接器與該基材的頂表面之間形成一第一空隙。

該共面波導電路結構還可包括：一第二導體，其通過並實質上填充一通過該基材的第二孔並與該接地平面電接觸；以及一第二扁線連接器，其將第二微帶接地跡線電接連至第二導體的第一端，該第二扁線連接器係配置成使該第二扁線連接器與該基材的頂表面之間形成一第二空隙。

經由本發明的技術實現了更多的特徵和優勢。在此對本發明的其他實施例和其他方面進行了詳細的描述，其等係被視為所請求之發明的一部分。

圖1為一示意圖的橫斷面視圖，說明根據一個實施例形成的一電磁電路結構100。該電路可以是例如RF頻率發射器或接收器。在一實施例中，電路100可由本文稍後所揭露的方法形成。本發明所述的這種製造方法，使用合適的減法（如研磨、鑽孔）和加法（如3D列印、填充）製造設備，可特別適用於製造具有能夠支持在8至75 GHz或更高，例如達300 GHz或更高之範圍內的電磁信號的小電路形貌的電路結構。符合本揭露所述系統和方法的電磁電路可特別適用於28至70 GHz系統的應用，包括毫米波通信、感測、測距等。所述的方面和實施例也可適用於較低頻率的應用，例如在S頻段（2-4 GHz）、X頻段（8-12 GHz）或其他頻段。

依據本揭露所述的電磁電路和製造方法包括各種加法和減法製造技術，以生產與傳統電路和方法相比能夠以更低成本、更低週期時間及更低設計風險來處理更高頻率、更低輪廓的電磁電路和元件。例如，從基材表面加工（如研磨）導電材料以形成尺寸可能比傳統PCB製程所允許的小得多的信號跡線（如信號導體、帶狀線）或穿孔，、加工一個或多個基材以形成溝槽、使用3D列印技術將印出的導電油墨沉積到溝槽中以形成一連續的電氣屏障（如法拉第牆）（而非，例如，一系列要求最小間距的接地通路）、“垂直發射”信號路徑，經由加工（如研磨、鑽孔或沖孔）一個貫穿基材的一部分的孔，並在其中放置一根導線（及/或印刷導電油墨）使電氣連接到設置在基材（或一相反的基材）表面上的信號跡線，並使用3D列印技術來沉積印刷電阻油墨，以形成電阻元件。

上述任何一個範例技術和/或其他（如焊接和/或焊料回流），可以組合而做成各種電磁元件和/或電路。在此針對射頻互連技術來描述和說明這些技術的各面向和實例，該射頻互連技術係以沿著一層電磁電路在一個維度包含和傳送電磁信號並在另一維度垂直地通過該電路的其他層。這裡描述的技術可以用於形成各種電磁元件、連接器、電路、組合件和系統。

參照圖1，電路100包括一微帶跡線102，如傳輸線或天線結構。微帶跡線102藉由一導體112電氣接連至內部信號跡線（或帶狀線跡線）110，如饋線或信號線。導體112在此可以指垂直發射結構。

在微帶跡線102和內部信號跡線110之間設置一個或多個基材層。如圖所示，在微帶跡線102和內部信號跡線110之間形成兩個基材層130、140。這並不是限制，而是作為一個例子。基材層數可少至1層，也可多於2層，如3、4、……100層。

微帶跡線102可以經由導體112而被饋送由內部信號跡線110提供的信號。微帶跡線102也可以從另一個來源接收信號，並經由導體112將該信號提供給內部信號跡線110。在一個實例中，導體112可以再微帶跡線102和內部信號跡線110之間同時向兩個方向（如雙向）傳送一個或多個信號。

在其他一些包含導體112的電路的實例中，微帶跡線102直接連接在導體112的頂部。然而，由於導體的熱膨脹係數可能與基材不同（如基材120、130、140），這樣的配置可能導致微帶跡線102與導體斷開連接。在本文中的實施例中，導入了扁線垂直發射的概念。在這樣的實施例中，微帶跡線102與導體112之間的連接係由扁線連接器150所構成，該扁線連接器係偏離或至少在其長度的一部分內不接觸形成微帶跡線102或讓微帶跡線以其他方式位於其上的基材。如圖1所示，扁線連接器150與基材140的頂表面之間存在一空隙g。在這種情況下，基材140可被成為「頂部」或「微帶」基材。在連接器及基材暴露在熱中並以不同速率膨脹的情況下，用扁線連接器150將微帶跡線102連接到導體112上將允許相對移動而不破壞導體112和微帶跡線102之間的電接連。換句話說，經由提供扁線連接器150，實現了長垂直發射互連的應變緩解。這可以允許，例如，垂直發射連接（例如，基材120及140頂部之間的距離）超過0.090英吋。

在各種實例中，導體112插入至電路100的一或多個基材及/或層中的開口中，且可以經由焊點在實體上和電氣上固定到微帶跡線102上，例如藉由在內部信號跡線110上於一或多個位置或表面施加焊點凸塊，然後在製造過程中在某個點進行焊料回流操作。因此，導體112不需要在開口(孔)內壓縮或迫入配合，並可相對於該開口的壁有一鬆配合。

在基材120、130、140上以容納導體112的開口，可以經由研磨或鑽一個具有適當大小以容納導體112的孔來形成。導體112可以是導線、例如銅或其他導電導線，可以是實心的、空心的、單股的或多股的。在各種實例中，研磨孔及/或導體112的直徑可小至直徑約5毫微米（0.005英吋），或經由適當的加工設備可小至直徑約2或3毫微米。

在圖1中，該電路包括其他可選元件，如位於頂部或微帶基材140和所示的中央或中間基材130之間的接地平面114。  圖1所示的範例還包括在該底部的相對面上或承載信號的基材120上形成的第二接地平面116，使該內部信號跡線110具有一對接地平面114、116。接地平面160、170可由電鍍材料，如銅，配置在各別基材的一或多個表面上而形成。

圖2A至2E顯示了形成一個電路的建構過程，例如圖1所示的電路包括一扁線垂直發射的電路。最初，提供一底部或承載信號的基材120。導電材料沉積在頂部（內部信號跡線110）上，也選擇性地提供在信號承載基材120的底部（第二接地平面116）上。經由磨除多餘的導電材料以形成內部信號跡線110，可以從導電材料的至少一個面形成內部信號跡線110。

可將內部信號跡線110（以及圖1的微帶102）或在基材上形成於基材上或以其他方式承載於基材上的任何其他電連接構造研磨成適合特定信號類型的適當寬度，其可能部分地基於一可供跡線使用的頻率範圍。還可以選擇信號基材120的厚度和材料，使得在與可選的第二接地平面116相結合之下，對於由內部信號跡線110傳送的信號保持一個特徵阻抗。

將一焊料或其他金屬凸點（焊點凸塊202）施加於內部信號跡線110。如圖所示，焊點凸塊202位於或接近信號跡線的末端，但可能位於其他位置。

如圖2B所示，可以經由各種類型的粘合薄膜210（如粘著劑）和粘合方法選擇性地將另一個基材（中間基材130）粘合到信號或底部基材120上。然而，沒有這樣的中間層130的實施例係在本發明的範圍內，其僅包含信號基材120和微帶基材140（圖1）。另外，粘合薄膜如圖2B至2E所示，但這不是必需的，因為其他連結層的方法也適用。

中間基材130包括一個在其中形成的孔204，用於接取信號跡線120的終端（以及焊點凸塊202）。孔142可以在中間基材130粘合到信號基材或底部基材120之前或之後進行研磨。然而，如果在此之後，孔需要通過粘合薄膜210，以便在粘合過程中焊點凸塊可以在孔204中回流。

如圖2C所示，另一基材微帶基材140可經由各種類型的粘合薄膜230（如粘著劑）和粘合方法粘合到中間基材130上。與中間基材130類似，微帶基材包括在其中形成的孔220，以提供對焊點凸塊202的接取。孔220可以在微帶基材140粘合到中間基材之前或之後進行研磨。然而，如果在此之後，孔將需要通過粘合薄膜230。微帶基材上的孔220與中間基材上的孔204對齊，以允許導體112通過兩者並接觸焊點凸塊202。在一個實例中，微帶跡線102形成在微帶基材140上，然後將其粘合到中間基材130上。例如，微帶可以是具有設置在微帶基材140表面上的各種形狀的輻射器，例如，被組配成當被饋入適當的信號時，輻射出電磁能量的線性或螺旋信號跡線。

在本實例中，可以包括任意數量的中間基材，其中一些或全部可以包括形成於其上的接地平面或跡線。

當微帶基材140被粘合至中間基材130後，可將鑽頭或其他工具插入孔204/220中，以去除可能流入孔內的任何粘合薄膜。 至少在接觸焊點凸塊202之前，鑽孔過程一直向下進行。孔204、220可以形成一個實質上連續的開口貫穿基材140、150以提供對焊點凸塊202的接取，以及因此，對內部信號跡線110的接取。

如圖2D所示，可以由孔204/220（為清晰起見，未顯示）插入導體112，使其接觸到焊點凸塊202。除了以上提供的範例以外，還應注意導體112在一實施例中是直徑為5毫米的實心銅圓筒。在一實施例中，導體112實質上填充了孔204/220。

可於導線的一端施加焊槍或熱源，使焊點凸塊202回流，並在導線112的一端與內部信號跡線110之間形成穩固的電連接。

但是，應該理解，在一實施例中，焊錫球可能不像如上所示地被施加至內部信號跡線110。在這種情況下，該球可以被放在插入孔204/220的導體112的一端。然後可以加熱導線，使焊錫球回流。

如圖2e所示，扁線連接器150可以電耦合到微帶跡線102及導體112上，以將這兩個元件電耦合在一起。

圖3顯示了扁線連接器150可以電氣耦合到微帶跡線102和導體112的一種方式。特別是，一第一焊點凸塊305可以回流到扁線連接器150的頂表面上，以將其實體粘合並電氣耦合到微帶跡線102上。類似地，經由在導體112的頂部回流第二個焊點凸塊335，將扁線連接器150實體上及電氣上耦合至導體112。

如圖所示，導體在微帶基材的頂表面以上延伸高度為h。此高度在一實施例中大於2毫米。高度h確保在扁線連接器150和微帶基材140的頂表面320之間形成空隙g。

在上述範例中，導體112將微帶跡線連接到內部信號跡線（如帶狀線跡線）。應了解，本文中的教示可以應用於在共面波導中將微帶接地跡線連接到接地平面。

例如，如圖4所示，一或多個導體112a、112b可以穿過基材408將第一和第二（或更多）微帶接地跡線402a、402b連接到一接地平面406。一信號微帶跡線420設置在微帶地面跡線402a、402b之間。

更詳細地說，微帶接地跡線402a、402b位於基材408的頂表面430上，接地平面位於基材408的底表面432上。該基材408包括通過該基材408的第一孔440a和也通過該基材408的第二孔440b。第一導體112a通過並實質上填充第一孔440a並電接觸接地平面406。  第一導體112a與第一導體之間的連接可以藉由第一焊點凸塊442a來實現。

與上述類似，第一扁線連接器150a將第一微帶接地跡線402a電氣接連至第一導體112a的第一端。藉此，第一導體112a將第一微帶接地跡線402a電氣接連到接地平面406。該第一扁線連接器150a係配置成使得在該第一扁線150a與該基材408的頂表面430之間形成空隙（g1）。

第二扁線連接器150b將第二微帶接地跡線402b電氣接連至第二導體112b的第一端。藉此，該第二導體112a將該第二微帶接地跡線402b電氣接連至該接地平面406。與上述類似，該第二扁線連接器150b係配置成使得在該第二扁線連接器150a與該基材408的頂表面430之間形成空隙（g2）。

在本文中，為了容易敘述，使用空間上相關的用語，如「下方」、「在下方」、「之下」、「上方」、「之上」等來描述如圖所示之一個元素或特徵與另一個元素或特徵之間的關係。將被理解的是，這些空間上相關的用語，除圖中所示方位以外，乃意欲包含該裝置在使用或操作中的不同方位。例如，如果圖中的裝置被反轉，那麼被描述為在其他元素或特徵「下方」、「之下」的元素將被定位為在該其他元素或特徵「上方」。因此，「下方」一詞既可以包含上方的方位，亦可以包含下方的方位。該裝置可以其他方式定方位（旋轉90度或其他方位），本文中使用的空間相對描述符也可以相對應地進行解釋。

下列請求項中對應的結構、材料、動作和所有手段或步驟功能元件的對等物，意欲涵蓋，用於與特定請求的其他請求元件共同執行功能的任何結構、材料或動作。本發明的描述是為了說明和描述的目的提出的，但不欲是窮盡的或限制本發明於所揭露的形式。許多修改和變化對那些在本領域中具有普通技能者而言將是顯而易見，而不偏離範圍和發明的精神。實施例的選擇及描述是為了最好地說明本發明的原理和實際應用，並使本領域中具有普通技能的其他人能夠理解本發明經過各種修改的各種實施例，適合預期的特定用途。

雖然已經描述了本發明的優選實例，但可以理解的是，現在和將來本領域中的技術人員可以再以下請求項的範圍內進行各種改善和增進。這些請求項應被解釋成維持對此首揭發明的適當保護。

100:電路 102:微帶跡線 110:內部信號跡線 112:導體 112a:第一導體 112b:第二導體 114,116,406,160,170:接地平面 120,130,140,408:基材 150:扁線連接器 150a:第一扁線連接器 150b:第二扁線連接器 202,305,335:焊點凸塊 204,220:孔 210,230:粘合薄膜 320,430:頂表面 402a:第一微帶接地跡線 402b:第二微帶接地跡線 420:信號微帶跡線 432:底表面 440a:第一孔 440b:第二孔 g,g1,g2:空隙

為了更全面地理解本揭露，現參照以下簡單說明，連同所附的圖式和詳細描述，其中類似的參考數字代表類似的部分：

圖1顯示了根據一實施例的電路結構；

圖2A至2E顯示了可用於形成圖1之電路結構的各種方法步驟；

圖3詳細顯示了根據一實施例扁線連接器如何將微帶連接到圖1的導體；以及

圖4顯示了一個共面波導的實例，其中包括兩個垂直發射結構。

102:微帶跡線

110:內部信號跡線

112:導體

114:接地平面

116:第二接地平面

120,130,140:基材

150:扁線連接器

202:焊點凸塊

210,230:粘合薄膜

Claims (17)

1. 一種電路結構，包含： 一信號基材，其具有形成於其上的一信號跡線； 一微帶基材，其設置在該信號基材之上，包括形成於其上的一微帶跡線及一通過它的孔； 一導體，其穿過並實質上填充該通過微帶基材的孔，並電氣連接該信號基材上之該信號跡線；以及 一扁線連接器，其將該微帶跡線電氣接連至該導體的一第一端，該扁線連接器係配置成使該扁線連接器與該微帶基材的一頂表面之間形成一空隙。
2. 如請求項1所述的電路板，其中該扁線連接器被焊接至該微帶跡線和該導體的一頂部。
3. 如請求項1所述的電路結構，其中該導體為一實心導線。
4. 如請求項1所述的電路結構，其中該導體的一第二端被焊接至信號跡線。
5. 如請求項1所述的電路，其中該導體的一頂部延伸到該微帶基材的該頂表面之上。
6. 如請求項1所述的電路結構，進一步包括位於該信號基材和該微帶基材之間的一中間基材，該中間基材包括一形成於其上的孔，其係與該通過微帶基材的孔對齊。
7. 如請求項6所述的電路結構，其中該導體通過該通過微帶基材的孔和在該形成於中間基材上的孔。
8. 一種製造一電路結構的方法，該方法包括： 在一信號基材上形成一信號跡線； 直接或間接地將一微帶基材粘合在該信號基材之上； 在微帶基材中形成一孔； 使一導體通過該孔，以實質上填充該通過微帶基材的孔， 使其電氣連接該信號基材上的該信號跡線；且 將一扁線連接器電氣接連至該微帶和至該導體的一第一端，使該扁線連接器與該微帶基材的一頂表面之間形成一空隙。
9. 如請求項8所述的方法，進一步包含： 在使該導體通過該孔之前，在該信號跡線上形成一焊錫球。
10. 如請求項9所述的方法，進一步包含： 對該導體加熱，使該焊錫球回流。
11. 如請求項8所述的方法，進一步包含： 在該導體的一第二端上形成一焊錫球，再將其穿過該孔；以及 在該導體通過該孔後，對該導體施加熱以使該焊錫球回流。
12. 如請求項8所述的方法，其中電接連該扁線連接器至該微帶及至該導體的該第一端之步驟包括將該扁線連接器焊接至該微帶和將該扁線連接器焊接至該導體的該第一端。
13. 如請求項8所述的方法，其中該導體為一實心導線。
14. 如請求項8所述的方法，進一步包含： 在將該微帶基材粘合在該信號基材上之前，將一中間基材與該信號基材粘合；以及 形成一穿過該中間基材的孔。
15. 如請求項14所述的方法，其中將一導體通過該微帶基材中的該孔的步驟包括將該導體通過形成於該中間基材中的該孔。
16. 一種共面波導電路結構，包含： 一基材，其包含在其頂表面形成的一第一微帶接地跡線和一第二微帶接地跡線，該基材還包括在其頂表面上以及在該第一微帶接地跡線和該第二微帶接地跡線之間形成的一信號微帶； 一接地面，其被配置在該基材的一底表面上； 一第一導體，其通過並實質上填充通過基材的一第一孔並與該接地面電氣連接；以及 一第一扁線連接器，其將該第一微帶接地跡線電氣接連至該第一導體的一第一端，該第一扁線電解器係配置成使該第一扁線連接器與該基材的頂表面之間形成一第一空隙。
17. 如請求項16所述的共面波導電路結構，進一步包含： 一第二導體，其通過並實質上填充一通過該基材的第二孔，並與該接地面電氣連接；以及 一第二扁線連接器，其將該第二微帶接地跡線電氣接連至該第二導體的一第一端，該第二扁線連接器係配置成使該第二扁線連接器與該基材的頂表面之間形成一第二空隙。

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