适用于微波毫米波集成系统的无源电路的制作方法

本发明属于微波集成电路与系统领域，尤其涉及一种适用于微波毫米波集成系统的无源电路。
背景技术：
：近年来，微波毫米波电路集成芯片的发展极大地促进了微波系统的多功能化和小型化，同时对芯片集成和系统封装(SIP)提出了更高要求，微波毫米波传输线和馈电线要求具有更高频率、更低损耗以及更高的隔离度。但是，由于现有微波集成电路和系统封装中多采用基于平面印刷电路板(PCB)技术的微带、共面波导和金丝键合等开腔形式的半开放结构。在微波信号互联时，电磁耦合严重，辐射损耗较大，信号串扰明显，严重限制了多芯片集成封装的应用频率和小型化发展。因此，现有的平面工艺的信号互联技术难以实现微波毫米波系统的集成化与微型化。为了实现微波毫米波电子系统的小型化、集成化，并提升信号传输频率和隔离度，本发明研究了基于三维金属微加工技术的微同轴传输线的传输性能，分析了传输线的结构特点和计算方法，并将微同轴用于多芯片毫米波电路三维集成领域。技术实现要素：针对现有技术的不足，为了减小毫米波集成电路系统的体积，加强微波子系统的集成功能，更好发挥微同轴传输线结构及其相应无源器件信号隔度高、低插损、易于集成的优势，将毫米波电路不同层之间的信号进行较好的互联，本发明提出一种适用于微波毫米波集成系统的无源电路，其基于微同轴结构形式毫米波垂直互联结构和功率分配结构，应用于毫米波集成电路，其具体结构如下：适用于微波毫米波集成系统的无源电路，包括微波电路板1、微波器件和微波导线。其中，微波电路板1不少于2层。在微波电路板1上设有微波器件。通过微波导线将位于同一微波电路板1上的微波器件、位于不同微波电路板1上的微波器件连接在一起。此外：微波器件的工作频率在30-60GHz之间，微波导线的阻抗在40至60欧姆之间，微波导线的每毫米单位高度损耗小于0.1dB，且信号隔离度大于80dB，即微波器件产生和接受的信号均为微波毫米波信号。微波导线为传输微波毫米波信号的导体。进一步说，微波导线包括垂直互联结构线2和Y型功率分配器3。其中，垂直互联结构线2具有2个端口。垂直互联结构线2用以将位于不同微波电路板1上的微波器件连接在一起，即用于竖直方向微波器件的连接，用以不同信号层之间毫米波信号互联。垂直互联结构线2为同轴的内外双导体结构。Y型功率分配器3具有3个端口。Y型功率分配器3用以将位于同一微波电路板1上的微波器件连接在一起，即用于水平方向微波器件的连接，用以同层毫米波合成与分配。Y型功率分配器3为同轴的内外双导体结构。本发明提供两种结构的微同轴：一种是垂直互联结构，另一种是Y型功率分配器3。这两种结构均由内导体和外导体构成，内导体用SU8光刻胶进行支撑。垂直互联结构主要用于毫米波集成电路不同信号层之间的毫米波信号互联，有输入输出两个端口，下端口与下层的微波信号采用镓铟锡合金熔融态焊接互联，上端口采用金丝焊接的方式与微波电路进行互联。上层电路将毫米波信号输入输出grand-signal-grand-pad(GSG-PAD)留出，以方便与微同轴进行集成连接。垂直互联微同轴的高度由三维电路层与层之间的高度决定。为了进行毫米波信号匹配，减少互联与接口的损耗，垂直微同轴的结构设计尺寸需进行特点计算与设计，以达到在频率30-60GHz范围内，微同轴的输入输出阻抗等于或接近50欧姆，每毫米单位高度损耗小于0.1dB，信号隔离度大于80dB。同时，保证内导体的长宽比、横截面积、内外导体间距在合理范围内，以方便与不同信号层之间进行信号互联。功率分配器(也称为功率合成器)微同轴结构采用Y字型，主要由三个端口构成，一个功率输入端口和两个对称的功率输出端口。主要用于同层之间的毫米波信号合成与分配。内导体同样采用SU8光刻胶进行支撑。设计时，主要考虑应用频段范围内，功分器三个端口的阻抗值要与其他毫米波器件进行匹配，毫米波功率分配或合成时，提升信号的合成效率，减小插入损耗，提升两个输出端口的幅度和相位的一致性，同时提升两个输的端口之间的隔离度。因此在设计的时候，需要根据频段进行精确设计和计算。本发明所提出的微同轴垂直互联结构和功分器，均采用紫外线光刻技术结合微电铸技术进行加工制造，将制造好的器件应用于毫米波集成电路中，与电路不同层的信号进行互联，最终构成低损耗、高隔离度、高集成度的三维立体毫米波集成电路。有益的技术效果本发明基于三维微波毫米波集成电路设计，包括垂直同轴结构和微同轴功率分配器。由硅基板作为微波微电路的载体，微同轴采用溅射金属层技术，紫外线光刻技术和微电铸技术在微波基板上实现。电路中的部分芯片采用镓铟锡合金温度控制技术和凹槽技术实现与垂直微同轴输入输出的信号连接。平面放置芯片采用金丝微焊接技术和微同轴输入输出端口的过渡结构实现信号互联。本发明优化了微波信号的立体互连技术，并有着良好的信号互联效果和信号隔离效果。实现了微波信号的高性能、高可靠和超宽带互连，以及微波系统的小型化集成化。已在2～60GHz宽带微波系统测试中表现出了良好的系统功能，全频段信号互联插损小于0.1dB/mm，芯片间信号隔离度大于-65dB，信号传输过程中电磁能量泄露小于-86dB。本发明依靠微同轴的易匹配，易集成，低损耗的优点，实现了微波毫米波集成电路的三维集成结构，与现有技术相比，本发明提供了一种微波集成电路信号互联构架形式，具有阻抗易匹配、体积较小、性能可靠、带宽较宽、集成度较高的优点，实现了微波子系统的高集成度和高性能。本发明包括垂直同轴结构和微同轴功率分配器，与现有垂直互连方式-硅通孔(TSV)等相比，具有以下优势：1)克服现有技术所存在的纵向互连的高度较高，TSV等收到深宽比的限制，不能将纵向传输线作的很高的问题。2)从互连的信号质量来说，本发明中的垂直微同轴的工作带宽很宽，可以到100GHz，但现有的诸如TSV等结构只能工作到60GHz。3)本发明(垂直微同轴)的结构强度大大优于TSV等结构，具有较好的承压能力。4)本发明(垂直微同轴)的插入损耗大大小于现有TSV等结构。5)TSV只能做垂直结构，不能做平面结构，本发明(垂直互联结构线2和Y型功率分配器3)可以是垂直结构，也可以是Y字型的平面结构，并且Y字型平面结构具有很好的信号隔离度。附图说明图1为本发明的三维立体结构示意图。图2为图1透视效果图。图3为图1中垂直互联结构线2(垂直微同轴结构)的示意图。图4为图3的透视图。图5是图3的俯视图。图6是图1中垂直互联结构线底部与电路板(微波芯片)连接方式的立体透视示意图。图7是图1中垂直互联结构线底部与电路板(微波芯片)连接方式的简示图，即垂直微同轴与芯片的连接方式示意图。图8是图1中垂直互联结构线纵跨多个数字板后将位于顶层的微波板与底层的微波板连接在一起的示意图，即立体集成电路示意图。图9为图1中：Y型功率分配器3的结构示意图。图10是图9的透视效果图。图11是图9的剖视图。图12是图9中功分器内导体31的端部示意图。图13本发明与微波板/微波芯片连接方式的示意图。图14是采用本发明后，单位毫米高度的垂直互联结构线2(垂直微同轴)插入损耗图。图15是采用本发明后，单位毫米高度的垂直互联结构线2(垂直微同轴)输入输出驻波图。图16是采用本发明后，Y型功率分配器3(微同轴功分器)的功分性能图。具体实施方式结合图1、2、8和13，适用于微波毫米波集成系统的无源电路，包括微波电路板1、微波器件和微波导线。其中，微波电路板1不少于2层。在微波电路板1上设有微波器件。通过微波导线将位于同一微波电路板1上的微波器件、位于不同微波电路板1上的微波器件连接在一起。微波器件的工作频率在30-60GHz之间，微波导线的输入输出阻抗在40至60欧姆之间，微波导线的每毫米单位高度损耗小于0.1dB，且信号隔离度大于80dB，即微波器件产生和接受的信号均为微波毫米波信号。微波导线为传输微波毫米波信号的导体。结合图1、2、8和13，进一步说，微波导线包括垂直互联结构线2和Y型功率分配器3。其中，参见图3和4，垂直互联结构线2具有2个端口。垂直互联结构线2用以将位于不同微波电路板1上的微波器件连接在一起，即用于竖直方向微波器件的连接，用以不同信号层之间毫米波信号互联。垂直互联结构线2为同轴的内外双导体结构。参见图9和10，Y型功率分配器3具有3个端口。Y型功率分配器3用以将位于同一微波电路板1上的微波器件连接在一起，即用于水平方向微波器件的连接，用以同层毫米波合成与分配。Y型功率分配器3为同轴的内外双导体结构。参见图3、4和5，进一步说，垂直互联结构线2包括垂直内导体21和垂直外导体22。其中，垂直内导体21呈长条状。在垂直内导体21的径向外侧套有垂直外导体22。垂直内导体21与垂直外导体22互不接触。换言之，垂直外导体22的水平截面为环形，垂直内导体21位于垂直外导体22之中，且垂直内导体21与垂直外导体22不接触——即相互绝缘。进一步说，在垂直内导体21和垂直外导体22之间设有垂直支撑体。垂直支撑体的材质为绝缘体。垂直支撑体或仅与垂直内导体21相连接、或仅与垂直外导体22相连接、或同时与垂直内导体21、垂直外导体22相连接。垂直支撑体对垂直内导体21和垂直外导体22进行绝缘的同时，还对垂直内导体21、垂直外导体22起到物理支撑的作用。参见图13，进一步说，在垂直内导体21的顶部、垂直外导体22的顶部分别设有顶部金属连接线23，优选的方案是，所述顶部金属连接线23为金丝。参见图6和7，进一步说，在垂直内导体21的底部、垂直外导体22的底部分别设有底部金属连接片24，底部金属连接片24为焊块。优选的方案是，底部金属连接片24呈薄片状。底部金属连接片24的材质为镓铟锡合金。垂直支撑体为绝缘体。进一步说，垂直电路内、外导体之间的结构支撑，支撑材料无需全覆盖，可分段式插在内外导体之间，内导体四面均需有支撑体，的材质为光刻胶。优选的方案是，垂直支撑体的材质为型号是SU8的光刻胶。优选的方案是，垂直互联结构线2由垂直内导体21、垂直支撑体、垂直外导体22三部分构成。其中，垂直内导体21为圆柱、圆管、矩形块、方管、截面呈多边形的柱体或管。在垂直内导体21的顶部设有顶部金属连接线23，在垂直内导体21的底部设有底部金属连接片24。优选的方案是，顶部金属连接线23的材质为金，底部金属连接片24的材质为镓铟锡合金。在垂直内导体21的外壁上套有环形的垂直支撑体。垂直支撑体为绝缘体。进一步说，垂直支撑体的材质为光刻胶。在垂直支撑体的外壁上套有环形的垂直外导体22垂直支撑体对垂直内导体21、垂直外导体22进行物理支撑的同时，还起到对垂直内导体21和垂直外导体22进行绝缘的效果。在垂直外导体22的顶部设有顶部金属连接线23，在垂直外导体22的底部设有底部金属连接片24。优选的方案是，顶部金属连接线23的材质为金，底部金属连接片24的材质为镓铟锡合金。结合图9、10、11和12，进一步说，Y型功率分配器3由功分器内导体31、功分器支撑体32、功分器外导体33三部分构成。其中，功分器内导体31为T形或Y形结构，且为水平放置。功分器外导体33为中空的T形或Y形结构。功分器外导体33套在功分器内导体31的外部。通过功分器支撑体32将功分器内导体31与功分器外导体33的内壁连接在一起。功分器支撑体32为绝缘材质，功分器内导体31和功分器外导体33之间不接触。即功分器支撑体32、功分器外导体33均与功分器支撑体32的外形相匹配。结合图11，进一步说，中空的功分器外导体33水平放置。在功分器外导体33空腔的底部铺有功分器支撑体32，功分器支撑体32的轮廓与功分器外导体33的轮廓相一致，在功分器支撑体32的顶部设有功分器内导体31。其中，功分器内导体31、功分器外导体33均为导电材质，功分器支撑体32为绝缘材质。结合图11，进一步说，中空的功分器外导体33水平放置。在功分器外导体33空腔的底部设有3个以上的功分器支撑体32，在功分器支撑体32的顶部设有功分器内导体31。功分器内导体31的轮廓与功分器外导体33的轮廓相一致，功分器支撑体32为块体。即功分器内导体31由功分器支撑体32分段支撑。换言之，功分器支撑体32起到类似于桥墩状的结构应力支撑的作用，由于功分电路水平放置，因此仅需在内导体底部进行绝缘体支撑。优选方案为SU8光刻胶功分器支撑体32对垂直内导体21和垂直外导体22进行绝缘的同时，还对垂直内导体21、垂直外导体22起到物理支撑的作用。参见图12和13，进一步说，在功分器内导体31的端部设有第一渐变连接体34。所述第一渐变连接体34由柱状结构件和扁平结构件2部分构成。其中，柱状结构件与功分器内导体31相连接。柱状结构件和扁平结构件相连接，且两者连接处为线性、平滑的过渡。扁平结构件用以与微波器件直接连接。在功分器外导体的端部设有第二渐变连接体。所述第二渐变连接体为楔形，即斜板状过渡。在第二渐变连接体上设有金属线，优选的方案是，所述金属线为金Au丝。通过金属线将第二渐变连接体与微波器件连接在一起，即第一渐变连接体34与微波器件直接连接在一起的，第二渐变连接体不与微波器件直接连接在一起。功分器支撑体32的材质为光刻胶。优选的方案是，功分器支撑体32的材质为型号是SU8的光刻胶。优选的方案是，Y型功率分配器3由功分器内导体31、功分器支撑体32、功分器外导体33三部分构成。其中，功分器内导体31呈T形或Y形。在功分器内导体31的3个端部均设有第一渐变连接体34。所述第一渐变连接体34由柱状结构件和扁平结构件2部分构成。其中，柱状结构件与功分器内导体31相连接。柱状结构件和扁平结构件相连接，且两者连接处为线性、平滑的过渡。扁平结构件用以与微波器件直接连接。即通过第一渐变连接体34将功分器内导体31与微波器件直接连接在一起。在功分器内导体31的外表面包裹有功分器支撑体32。即功分器支撑体32为中空的T形或Y形结构件。在功分器支撑体32的外表面包裹有功分器外导体33。即功分器外导体33为中空的T形或Y形结构件。在功分器外导体33的端部设有第二渐变连接体。所述第二渐变连接体为楔形。在第二渐变连接体上设有金线，通过金线将与第二渐变连接体相连的功分器外导体33与微波器件间接连接在一起。功分器支撑体32的材质为绝缘光刻胶，功分器支撑体32对垂直内导体21和垂直外导体22进行绝缘的同时，还对垂直内导体21、垂直外导体22起到物理支撑的作用。现对本发明所示结构进一步阐述如下：本发明是基于微同轴结构的三维微波集成微系统设计的，改变了传统三维微系统集成形式，克服了微带线、共面波导等微波毫米波信号连接方式的弊端。同时，利用微同轴的优势，将不同层之间的微波毫米波信号用垂直微同轴的结构进行互连，加强了微波集成系统的立体化设计。具体设计内容包含以下三个部分：(1)垂直微同轴的设计微同轴由接地的外导体和传输信号的内导体构成，其内外导体的结构尺寸以及内外导体之间的间距，填充介质的材料，由设计频带和芯片的匹配阻抗决定，其工艺实现方法为紫外线光刻加微电铸技术。其立体结构如下图3所示，其横截面如图4所示，为上下、左后对称结构：参见图5，垂直互联结构线2的尺寸参数分别按下表1所示：表1垂直电路尺寸表(单位：um)W1W2W3W4W5H1H2H3H4H54002408012060300220407080本发明中的Y型功率分配器3(微同轴功率分配器)为三端口器件，其中1个端口为信号合成端口，另2个端口为信号分配端口，通过优化矩形内导体横截面的宽高比、内外导体之间的间距以及Y字型结构中三条支路之间的角度。以上关键参数的计算和优化目标是使功分器具有较低的插入损耗、较好的隔离度以及合适的信号连接端口。功率分配器结构示意图与透视图见图9和10。其中微同轴功分器的三个支路横截面结构与垂直微同轴的横截面相同，但尺寸数值不同。参见图11，Y型功率分配器3的尺寸参数分别按下表2所示：表2Y型功分电路尺寸表(单位：um)W1W2W3W4W5H1H2H3H4H54002408012060200120404040功率分配器的工艺制造同样采用紫外线光刻与微电铸结合的方式，BPN光刻胶与SU-8光刻胶交替实用。最后留下部分SU-8光刻胶做内导体支撑。(3)微同轴接口的信号互联垂直互联结构线2(微同轴信号)的输入输出连接方式可采用如下方式：一种是采用镓铟锡合金进行芯片PAD与微同轴内外导体直接连接，微同轴的内导体与芯片中间的信号PAD直接焊接，两边的外导体与接地的两个PAD焊接，微同轴的内外导体横截面积和内外导体间距与GSG-PAD的尺寸需进行匹配设计，如图6和7所示。另一种连接方式采用垂直互联结构线2(微同轴)的内导体和外导体渐变结构，内导体由立体柱状结构形式线性过渡为扁平带状结构形式，直接与连接芯片的信号PAD输入输出微带线或共面波导相对接，外导体采用斜坡状过渡，并与芯片的接地PAD相连接，形成同轴至微带或同轴至共面波导的过渡对接，然后采用金丝焊接的方式将两种器件的接口进行连接。这种连接方式是微同轴互联层与芯片在同一水平面上的连接，如图13所示。实施例1现结合实例、附图对本发明做进一步描述。应理解，该实例仅用于说明本发明，而不用于限定本发明的适用范围。在阅读本发明后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改，均落于本申请所附权利要求所限定的范围。实例一：垂直微同轴结构在24GHz无线通讯领域-微波集成电路中的应用设计本发明采用以下技术方案：24GHz集成电路具有多层结构，数字信号在中间层电路，微波信号在最上层和最下层，如图8所示。采用垂直微同轴结构将最上层的微波信号与最下层的微波信号进行纵向互连，使得微波电路层能够在纵向进行叠加，提升了电路的集成度，优化了信号传输质量。微波在集成电路设计中，将上下两层的微波信号通过水平微同轴或其他传输线形式引入每一层的边缘，使用垂直微同轴，将两层微波信号进行互连。上层微同轴输出端口与信号的互连方式采用金属焊接的饭方式，下层微同轴输出端口与信号的互联方式为镓铟锡合金与GSA-PAD熔融焊接，结构如示意图1所示。垂直微同轴的电路插入损耗，输入输出驻波等关键性能指标分别如图14和图15所示。可以看出，应用垂直微同轴进行三维互联，不仅通信集成电路的集成度有所提升，其性能指标也有了非常明显的优化。实施例2微同轴功分器结构在24GHz无线通讯领域-微波集成电路中的应用设计本发明采用以下技术方案：在24GHz集成电路上表面的微波信号层，利用微同轴功分器，将输入信号进行两路等幅同相功率分配。数字信号在中间层电路，微波信号在最上层和最下层，如图8所示。Y字型功率分配器采用合适的内外导体尺寸设计，使功分器在24GHz频段具有很好的功率分配效果和阻抗匹配效果，功率分配效率高于90％，幅度和相位误差小于1％，能够对微波信号进行高效率分配，同时对具有很好的微波信号屏蔽性能，微波信号屏蔽指标优于80dB，参见图16。当前第1页1 2 3