表面安装微波装置及组件的制作方法

相关申请

本申请主张于2017年9月6日申请的美国临时专利申请us62/554741的优先权，该美国临时申请通过援引其整体上并入本文。

本公开概括而言涉及微波装置，而更特别而言涉及能够表面安装于一电路板或电路部件的环行器和隔离器。

背景技术：

当以相对高的速度运行一电子系统时，阻抗上的小的中断和变化可能会显著影响系统的运行。构件与电路板或电路部件之间的相互连接常会引起阻抗上的这种中断和变化。特别是，一构件和一电路板之间的表面安装接头可能会引起沿系统的传输线在电容上的增加并由此产生的在阻抗上的所不希望的变化。

试图减小表面安装接头的尺寸常会增加将表面安装构件安装和焊接于一电路板的复杂性。这种增加的复杂性会增加最终安装工艺的成本和/或质量。

技术实现要素：

在一个方面，一种微波装置，包括：一第一介电件，具有一第一向外表面和一相反面向的第一向内表面；以及一第一导电层，设置在所述第一介电件的第一向外表面上；以及一第二介电件，具有限定所述微波装置的一安装方向的一第二向外表面以及一相反面向的第二向内表面；以及一第二导电层，设置在所述第二介电件的第二向外表面上。所述第一介电件和所述第二介电件中的一个具有与所述微波装置的一中心轴对齐的一中心孔以及设置在所述中心孔内的一铁氧体元件；且一磁性元件与所述中心孔对齐。一导电元件设置在所述第一介电件的第一向内表面与所述第二介电件的第二向内表面之间，其中所述导电元件具有沿所述中心轴的一中心部以及电连接于所述中心部并从所述中心部延伸的第一、第二和第三传输线。一第一导电件电连接于所述第一传输线，其中所述第一导电件从所述第一传输线延伸至所述第二介电件的第二向外表面并与所述第二导电层间隔开。一第二导电件电连接于所述第二传输线，其中所述第二导电件从所述第二传输线延伸至所述第二介电件的第二向外表面并与所述第二导电层间隔开。一第三导电件电连接于所述第三传输线；以及所述第一导电件和所述第二导电件不电连接于所述微波装置上的焊盘。

在另一方面，一种组件包括一电路部件以及一微波装置。所述电路部件包括：一安装表面；一接地面；以及第一和第二信号导体，与所述接地面间隔开。所述微波装置包括：一第一介电件，具有一第一向外表面以及一相反面向的第一向内表面；以及一第一导电层，设置在所述第一介电件的第一向外表面上；以及一第二介电件，具有限定所述微波装置的安装方向的一第二向外表面以及一相反面向的第二向内表面；以及一第二导电层，设置在所述第二介电件的第二向外表面上。所述第一介电件和所述第二介电件中的一个具有与所述微波装置的一中心轴对齐的一中心孔以及设置在所述中心孔内的一铁氧体元件；且一磁性元件与所述中心孔对齐。一导电元件设置在所述第一介电件的第一第一向内表面与所述第二介电件的第二向内表面之间，其中所述导电元件具有沿所述中心轴的一中心部以及电连接于所述中心部并从所述中心部延伸的第一、第二和第三传输线。一第一导电件电连接于所述第一传输线，其中所述第一导电件从所述第一传输线延伸至所述第二介电件的第二表面并与所述第二导电层间隔开，且所述第一导电件在一第一互连处通过焊料机械及电连接于所述电路部件的第一信号导体。一第二导电件电连接于所述第二传输线，其中所述第二导电件从所述第二传输线延伸至所述第二介电件的第二向外表面并与所述第二导电层间隔开，且所述第二导电件在一第二互连处通过焊料机械及电连接于所述电路部件的第二信号导体。一第三导电件电连接于所述第三传输线；以及所述第一和第二信号导体在相邻所述第一和第二互连处没有焊盘。

在又一方面，一种组件包括一电路部件以及一微波装置。所述电路部件包括：一安装表面；一接地面；一第一信号导体，与所述接地面间隔开，其中所述第一信号导体没有焊盘且具有相邻一第一互连位置的一第一宽度；以及一第二信号导体，与所述接地面间隔开，其中所述第二信号导体没有焊盘且具有相邻一第二互连位置的一第二宽度。所述微波装置包括：一第一介电件，具有一第一向外表面以及一相反面向的第一向内表面；以及一第一导电层，设置在所述第一介电件的第一向外表面上；以及一第二介电件，具有限定所述微波装置的安装方向的一第二向外表面以及一相反面向的第二向内表面；以及一第二导电层，设置在所述第二介电件的第二向外表面上。所述第一介电件和所述第二介电件中的一个具有与所述微波装置的一中心轴对齐的一中心孔以及设置在所述中心孔内的一铁氧体元件；且一磁性元件与所述中心孔对齐。一导电元件设置在所述第一介电件的第一向内表面与所述第二介电件的第二向内表面之间，其中所述导电元件具有沿所述中心轴的一中心部以及电连接于所述中心部并从所述中心部延伸的第一、第二和第三传输线。一第一导电件电连接于所述第一传输线，其中所述第一导电件从所述第一传输线延伸至所述第二介电件的第二表面并与所述第二导电层间隔开，且所述第一导电件在一第一互连位置通过焊料机械及电连接于所述电路部件的第一信号导体且具有不大于所述第一信号导体的第一宽度的一第一终端宽度。一第二导电件电连接于所述第二传输线，其中所述第二导电件从所述第二传输线延伸至所述第二介电件的第二向外表面并与所述第二导电层间隔开，且所述第二导电件在一第二互连位置通过焊料机械及电连接于所述电路部件的第二信号导体且具有不大于所述第二信号导体的第二宽度的一第二终端宽度。一第三导电件电连接于所述第三传输线。

在还一方面，一种设计一表面安装微波装置的方法包括：确定一电路部件上的多个信号导体的一所需的阻抗；确定各信号导体的相邻各信号导体的一终端位置的一导体宽度；以及确定材料的类型以及第一和第二介电层的厚度。所述方法还包括：确定第一、第二和第三传输线的所需的形状；确定从所述第一传输线延伸至所述表面安装微波装置的安装表面的一第一导电表面安装元件的一第一终端宽度，所述第一终端宽度不大于所述导体宽度；以及确定从所述第二传输线延伸至所述安装表面的一第二导电表面安装元件的一第二终端宽度，所述第二终端宽度不大于所述导体宽度。

附图说明

图1是以一隔离器配置的一表面安装微波装置的一立体图；

图2是从图1的表面安装微波装置的一不同角度的一立体图；

图3是图1的表面安装微波装置的一分解立体图；

图4是图1的表面安装微波装置的导电元件和下层的一俯视图；

图5是以一环行器配置的一表面安装微波装置的一第二实施例的一立体图；

图6是与图4类似的但为图5的表面安装微波装置的导电元件和下层的一俯视图；

图7是将表面安装微波装置安装在一电路板之前的一立体图；

图8是图7的一部分的但为将表面安装微波装置安装在电路板之后的一放大图；

图9是以一隔离器配置的一表面安装微波装置的一第三实施例的一立体图，示出了一替代的表面安装元件；以及

图10是以一隔离器配置的一表面安装微波装置的一第四实施例的一立体图。

具体实施方式

参照图1至图3，以一表面安装隔离器配置的一表面安装微波装置10包括由多个可操作地连接的层形成的一本体12以及安装在基板上的一磁性元件或构件16和一负载17。本体12具有一上表面或第一表面13、与上表面相反的一下表面或第二表面14以及围绕基板延伸的侧缘或壁15。如所示出的，磁性元件16和负载17安装在上表面13上，其中磁性元件沿本体12的中心轴18定位。

参照图3，一第一或上平面层20包括以大致平面圆盘形构件配置的一第一介电或绝缘件21。第一介电件21具有一向外(或如图中所示上)表面22以及一相反面向的向内(或如图中所示下)表面23以及将向外表面和向内表面相互连接的一大致圆形的侧缘24。第一介电件21还包括一中心洞或孔25，中心洞或孔25在向外表面22和向内表面23之间延伸并沿本体12的中心轴18安置或定位。

如果需要，第一介电件21还可包括多个相对小的洞或孔26，孔26在向外表面22和向内表面23之间延伸并与中心孔25间隔开。介电元件21还可包括如下面进一步详细说明的用于与负载17相互连接的多个相对小的洞或孔27。

此外，第一介电件21可包括从侧缘24延伸或突出的一对间隔开的突起30。各突起30包括在向外表面22与向内表面23之间延伸的一信号洞或孔31。尽管各突起30示出为具有一弧形的外表面32或略微为半圆形，但可以考虑其它形状。

第一层20还包括以一大致平面圆盘形构件配置的一第一或上铁氧体元件35，第一或上铁氧体元件35在尺寸上设置成固定于介电件21的中心孔25内并沿本体12的中心轴18固定。第一铁氧体元件35包括一向外(或如图所示上)表面36和一相反面向的向内(或如图所示下)表面(未示出)以及将向外表面和向内表面相互连接的一大致圆形的侧缘(未示出)。

一第二或下平面层40大致类似于第一层20且包括以大致平面圆盘形构件配置的一第二介电或绝缘件41。第二介电件41具有一向外(或如图所示下)表面42和一相反面向的向内(或如图所示上)表面43以及将向外表面和向内表面相互连接的一大致圆形的侧缘44。向外表面42限定表面安装微波装置10的一安装表面或安装方向，尽管如下所述，向外表面包括在其上的第二导电层88。第二介电件41还包括一中心洞或孔45，中心洞或孔45在向外表面42和向内表面43之间延伸且沿本体12的中心轴18安置或定位。

如果需要，第二介电件41还可包括多个相对小的洞或孔46，所述多个相对小的洞或孔46在向外表面42和向内表面43之间延伸并与中心孔45间隔开。这些小的孔46可以按与第一介电件21的小孔26的图案相同的图案配置。

此外，第二介电件41可包括从侧缘44延伸或伸出的一对间隔开的突起50。各突起50包括在向外表面42与向内表面43之间延伸的一信号洞或孔51。尽管各突起50示出为具有一弧形的外表面52或略微为半圆形，但可以考虑其它形状。

第二层40还包括以一大致平面圆盘形构件配置的一第二或下铁氧体元件55，第二或下铁氧体元件55在尺寸上设置成固定于介电件41的中心孔45内并沿本体12的中心轴18固定。第二铁氧体元件55可大致相同于第一铁氧体元件35且包括一向外(或如图所示下)表面(未示出)和一相反面向的向内(或如图所示上)表面57以及将向外表面和向内表面相互连接的一大致圆形侧缘(未示出)。

一第一导电层85诸如通过将第一导电层涂覆于第一介电件21的第一向外表面22和第一铁氧体元件35的向外表面36而设置在第一层20上。应注意的是，第一导电层85包括相邻孔31(孔31延伸穿过第一介电件21的突起30)的第一切口或未镀覆区86以及相邻负载17的第二切口87。

一第二导电层88诸如通过将第二导电层涂覆于第二介电件41的第二向外表面42和第二铁氧体元件55的向外表面(未示出)而设置在第二层40上。第二导电层88包括相邻孔51(孔51延伸穿过第二介电件41的突起50)的切口或未镀覆区89。

一导电元件60通常设置在第一层20(即，第一介电件21的向内表面23和第一铁氧体元件35的向内表面37)与第二层40(即，第二介电件41的向内表面43和第二铁氧体元件55的向内表面57)之间。更具体地且参照图4，导电第三层60具有与本体12的中心轴18对齐的一圆形的中心部61以及电连接于中心部61并从中心部61径向延伸的一第一传输线62、一第二传输线63和第三传输线64。中心部61、第一传输线62、第二传输线63以及第三传输线64可大致为平的并形成第一层20与第二层40之间的一第三层65。

各传输线62、63、64可配置成提供所需的电气特性或阻抗。在一些应用中，可能可取的是各传输线具有50欧姆的阻抗。在图3至图4所示的示例性实施例中，第一传输线62和第二传输线63包括从中心部61依次向外的具有矩形形状的一相对宽的第一部分66、具有一矩形形状的一相对窄的第二部分67以及具有一矩形形状且宽度比第一部分窄而比第二部分宽的一第三部分68。导电元件60及其相反两侧的第一和第二导电层85、88的构造限定了一带状(stripline)传输线。

第一传输线62和第二传输线63各包括相邻第三部分68的最外端76的一圆形的开口或孔75(图4)。

第一传输线62和第二传输线63各还包括一导电表面安装元件，导电表面安装元件为机械地及电性连接于孔75的一空心圆柱体或桶形镀覆通孔或过孔77的形式。如图1至图3所示，过孔77从孔75竖向延伸穿过第一介电件21的突起30中的信号孔31和第二介电件41的突起50中的信号孔51。将过孔77的内表面或周缘与表面安装微波装置10安装于其上的电路板或电路部件300上的信号导体或迹线301(图7)相互连接的焊料(图8)形成导电元件60与信号导体之间的一机械地及电性连接。

在一些实施例中，过孔77可包括围绕其上缘和下缘的导电材料。例如，一第一圆形部78可处于相邻第一介电件21的向外表面22而一第二圆形部79可处于相邻第二介电件41的向外表面42。第一和第二圆形部78、79可略大于过孔77的桶体的直径。在一个示例中，第一和第二圆形部78、79的直径可等于信号孔31、51的直径加上过孔77的壁的镀覆层的两倍厚度。可以考虑其它形状和其它直径。

第一和第二圆形部78、79可基于与表面安装微波装置10的制造相关的制造工艺和公差存在。例如，在一个实施例中，过孔77以及第一和第二导电层85、88可由于镀覆操作而同时形成或相互连接。第一和第二导电层85、88的切口86、89可通过一减成(subtractive)或蚀刻工艺形成。当进行减成工艺时，可取的是避免从过孔77中去除任何材料。为了减少从过孔77中去除材料的可能性，可在过孔的周围留有少量材料，以在去除过程中提供制造公差或充当误差余量(margin)。

可以理解的是，由于第一和第二圆形部78、79不用作为导电元件60与表面安装微波装置10安装其上的电路板之间的主要机械连接，因此第一和第二圆形部78、79显著(substantially)小于传统焊盘(solderpad)。(应注意的是，焊料可从过孔77迁移至第一和第二圆形部78、79，且由此，第一和第二圆形部可在表面安装微波装置10和电路板300之间提供某种机械连接，但这种连接不是主要的机械连接。因此，如本文所使用的，导电材料的一相对小的部分(诸如围绕过孔77的桶体或从过孔77的桶体延伸的第一和第二圆形部78、79)不被考虑且与传统焊盘(传统焊盘用于通过将一构件焊接于一电路板或其它装置来实现一机械及电连接)不同。换句话说，由于过孔77与电路板300上的一导体或迹线301(图7至图8)之间的主要电及机械连接是来自过孔77的孔内的焊料305而不是第一和第二圆形部，因此第一和第二圆形部78、79不是焊盘且可与焊盘不同。

在如上所述的一个示例中，第一和第二圆形部78、79的直径可等于信号孔31、51的直径加上过孔77的壁的镀覆层的两倍厚度。在另一示例中，第一和第二圆形部78、79可不大于0.2mm宽。在又一示例中，第一和第二圆形部78、79可不大于0.5mm宽。在还一示例中，围绕一过孔77的上或下缘的导电材料的面积可不大于过孔的横截面积。在这些构造的每一个中，围绕过孔77的与表面安装微波装置10的安装表面相邻的导电材料不应被视为焊盘，因为其主要目的不是提供安装微波装置与电路板300之间的一焊接连接。

第三传输线64包括具有一矩形形状的从中心部61径向向外延伸的一第一部分69以及具有比第一部分宽的一矩形形状的一第二部分70。第三传输线64还包括多个相对小的过孔71，所述多个相对小的过孔71将第二部分70互连于一焊盘72(负载17可诸如通过焊接电连接于焊盘72)。

如果第一介电件21包括相对小的孔26且第二介电件41包括相对小的孔46，那么桶形镀覆通孔或过孔90可延伸穿过并连接于第一导电层和第二导电层，以在多个位置将两个导电层电连接。过孔90以及孔26和孔46与导电元件60的构件(例如，中心部61、第一传输线62、第二传输线63以及第三传输线64)间隔开。在一个实施例中，过孔90与导电元件60的构件之间的距离可以为至少等于第一介电件21和第二介电件41的厚度的距离。

第一和第二介电件21、41各可以由任何所需的材料形成。在一个示例中，第一和第二介电件21、41可以由用于形成一电路板的材料(诸如玻璃增强纤维或任何其它的树脂或非导电材料)形成。表面安装微波装置10包括仅两个介电层21、41。与具有超过两个介电层的传统表面安装微波装置相比，这在介电层上的减少提供了改善的电性能(通过减少插入损耗)并简化了制造过程。铁氧体元件35、55配置成与铁氧体元件35、55插入其中的介电件21、41的厚度相同。磁性元件16可以是一永久磁铁或任何其它类型的用于产生一所需磁场的装置。

导电元件60、第一导电层85以及第二导电层88可由任何所需的材料形成。在一个示例中，导电元件60、第一导电层85以及第二导电层88可由铜形成。此外，如果需要，一保护涂层(未示出)可涂覆于第一导电层85和第二导电层88。磁性元件可以按任何所需的方式固定于表面安装微波装置。在一个示例中，磁性元件可以用一粘接剂固定。

设想了多个替代实施例。例如，尽管图1至图4的表面安装微波装置10以一隔离器来说明，但是本文公开的构思同样可适用于一表面安装环行器。参照图5，一表面安装微波装置110以一环行器来说明，其除了隔离器的第三传输线64和负载17被替换为与第一和第二传输线62、63相同的一第三传输线164(图6)之外，与图1至图4的表面安装隔离器相同。

更具体地，在类似的附图标记代表类似的部件的情况下，第一介电元件121设有具有一信号孔131的一另外的突起130且第二介电元件141设有具有一信号孔(未示出)的一另外的突起150。一过孔177延伸穿过第一和第二介电元件121、141的信号孔。参照图6，第三传输线164与第一传输线62和第二传输线63相同。对应地，如所示出的，第三传输线164包括从中心部61依次向外的具有一矩形形状的一相对宽的第一部分166、具有一矩形形状的一相对窄的部分167以及具有一矩形形状的且宽度比第一部分窄而比第二部分宽的一第三部分168。第三传输线164还包括相邻第三部分168的最外端176的一圆形的开口或孔175。

过孔177(过孔177类似于连接于第一传输线62和第二传输线63的过孔77)从第三传输线164的孔175竖向延伸并与第三传输线164的孔175电连接。连接于第三传输线164的过孔177延伸穿过第一介电件21的所述另外的突起130的信号孔131和第二介电件41的所述另外的突起150的信号孔151。与过孔77一样，过孔177未机械或电连接于表面安装微波装置110上的一焊盘。

利用过孔77、177并取消表面安装微波装置10、110上的焊盘提供了很多优点。第一，过孔77、177的顶部处的开口可允许或简化对表面安装微波装置10、110和表面安装微波装置10、110安装其上的电路板或电路部件300(图7)之间的焊点305(图8)的视觉检查。第二，表面安装微波装置10、110上的焊盘的取消通过维持一所需的阻抗并减少插入损耗而改善了装置(由此整个系统)的电性能。

更进一步地，参照图7至图8，使用过孔77、177与电路板300互连允许消除电路板上的在表面安装微波装置10与电路板之间的互连处附近或互连处的焊盘。电路板300包括一对信号导体或迹线301、一接地面302以及各信号导体与接地面之间的一未镀覆区域303。应注意的是，信号导体301具有一恒定的宽度且没有焊盘。在一个示例中，信号导体301可具有50欧姆的阻抗。表面安装微波装置10如箭头“a”所示地安装在电路板并焊接于电路板，从而焊点或填角(fillet)305形成在过孔77的内表面或内径与信号导体301之间。应注意的是，将过孔77、177的内表面焊接于电路板300的信号导体301消除了对电路板300上的用于机械及电连接于信号导体301的一加大区域(诸如焊盘)的需要。通过消除电路板300上的加大区域(即一焊盘)，可以通过保持所需的阻抗并减小插入损耗来实现电路板(由此整个系统)的电性能的改善。

随着运行速度的增加，提供了一进一步的优点。当以相对低的速度运行时，与以相对高的速度运行的系统相比，焊盘的取消可具有较小的影响。例如，在较高频率下，电路板或电路部件上的电路迹线与那些在较低频率下运行的相比通常较窄。例如，在3.5ghz频率时，50欧姆的电路线或迹线在不对性能产生不利影响的情况下可达10毫米宽，但其常处于大约1.6-2.1毫米的范围内。在15ghz时，50欧姆的电路线可能仅宽至约2.0毫米而不会对性能产生不利影响；而在28ghz时，宽于约0.5毫米的50欧姆的电路线可能会对性能产生不利影响。因此，消除由于焊盘导致的沿电路迹线增加的宽度或尺寸可以在系统性能的运行速度增加上提供明显的优势。

参照图9，示出了一表面安装微波装置210的另一替代实施例，其中，类似的附图标记表示类似的部件。表面安装微波装置210类似于图1至图4的表面安装微波装置10但是突起230、250和导电表面安装元件被剖开或切开以形成具有近似半圆形的半圆形过孔277。过孔277的半圆形可通过允许改进或简化的视觉检查而在一些应用中提供优点。例如，随着系统的运行速度的增加和信号迹线变得更窄(例如，在35ghz下为0.5mm)，通过过孔77、177的空心圆柱体的视觉检查可能更具挑战性。过孔277的半圆形的开口侧可允许半圆形过孔277与其相关的电路迹线之间的焊点的可视性更大。

设想了表面安装微波装置的还一替代实施例。例如，本体可以具有其它构造(诸如为矩形)而不是像本体12为盘形。此外或替代地，过孔可以定位在其它所需的位置，而不是像过孔77、177等距地或120度隔开。例如，参考图10，其中类似的附图标记表类似的部件，表面安装微波装置310被描述为具有矩形的本体312。一第一传输线362机械地及电连接于沿本体的一第一缘313设置的一个半圆形过孔377a。第二和第三传输线363、364沿本体的一第二相对缘314机械地及电连接于对应的一对半圆形过孔377b。

应注意的是，本文说明的表面安装微波装置10、110、210、310仅包括两个介电元件，两个介电元件形成装置的第一和第二层的部分。在一些实施例中，表面安装微波装置10、110、210、310可包括超过两个的介电元件，但也可利用本文所述的圆柱形或半圆形的导电表面安装元件。此外，在一些实施例中，本文说明的表面安装微波装置10、110、210、310可仅包括两个介电元件，但包括导电表面安装元件的其它实施例。在再有的其他实施例中，仅一层20、40可包括一铁氧体元件35、55以形成不对称的带状线传输线。在这种情况下，不具有铁氧体元件的层可以具有固体介电元件。

在一个实施例中，为了设计表面安装微波装置10，可以规定装置的所需的阻抗。基于所需的阻抗，可以确定第一和第二介电层21、41的材料的类型和厚度以及第一、第二和第三传输线62、63、64的形状。为了确定导电表面安装元件(例如，过孔77、177或半圆形过孔277)的直径或宽度，可以基于形成电路板的材料的类型和电路迹线的所需的阻抗来规定或确定电路板300上的信号导体301的宽度。过孔77、177或半圆形过孔277的直径可以设定或规定成使过孔或半圆形过孔的内径等于或小于信号导体的宽度。然后表面安装微波装置10可以以所需的构造以及具有所需尺寸的过孔77、177或半圆形过孔277来制造。

在上述示例中，其中，用于在15ghz下运行的一50欧姆电路线的宽度约为2.0毫米，过孔77、177或半圆形过孔277的内径可以配置为2.0毫米以下。类似地，在上述示例中，其中，用于在28ghz下运行的一50欧姆电路线的宽度约为0.5毫米，过孔77、177或半圆形过孔277的内径可以配置为0.5毫米以下。

在任何示例且特别是与那些极小的过孔(诸如1.0毫米和更小)相关的，可能可取的是利用半圆形过孔277来提高视觉检查焊点的能力。与圆形过孔77、177一样，半圆形过孔277的内径仍可以配置成不大于电路板300上的电路线301的宽度。

将认识到的是，前述说明书提供了所公开的系统和技术的示例。然而，考虑到的是，本公开的其它实施方式可与前述示例在细节上不同。对本公开或其示例的所有参照旨在参照在那个说明点处正在讨论的特定的示例但不意欲暗指对本公开的范围做更一般性的任何限定。针对某些特征的所有的明显不同的或贬低性的语言意欲说明对于那些特征不是优选的，但不意欲从本公开的范围中整个排除那些特征，除非另有说明。

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