一种异质基板高频互连结构的制作方法

本实用新型涉及电子工程和射频信号传输技术领域，尤其是指一种异质基板高频互连结构。

技术背景

现代通信系统与军用通信设施，如5G通信、相控阵雷达等系统，在集成度、小型化、低剖面等方面的要求越来越高，因此，对系统微波电路的设计要求也越发提高，特别是SIP（system in package，系统级封装）的构架实现，对异质基板间的高频互连有了更高的要求。

异质基板之间互连的传统方式主要有两种：一种是采用高频同轴连接器，来实现射频信号传输，这种方式存在射频传输连接部分体积大、剖面高、连接损耗较大的问题；第二种是采用BGA（焊球阵列封装）球焊接等小体积射频信号连接方式，但存在异质材料之间收缩率不一致的问题，容易导致不同区域连接紧密程度差异大，因此，这种连接方式可靠性较差。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种异质基板高频互连结构，该结构具有体积小、剖面低、差损小的优点，并且采用免焊接方式，解决了异质结构间不同收缩率的问题，有效提升了射频互连的可靠性。

为了实现上述目的，本实用新型所采用的技术方案如下：

一种异质基板高频互连结构，包括相互异质的第一基板和第二基板，还包括位于第一基板和第二基板之间的射频连接结构，所述第一基板上具有射频通孔，第一基板的底面具有接地端，所述射频通孔内具有实心化金属填充，所述射频连接结构包括微型弹性套和微细弹性金属柱，所述第二基板上具有凹腔结构，所述凹腔结构包括彼此同心的外部圈形凹腔和内部槽形凹腔，所述外部圈形凹腔的底部为接地端，所述内部槽形凹腔的底部为信号端，所述微型弹性套和微细弹性金属柱分别嵌入所述外部圈形凹腔和内部槽形凹腔中，所述第一基板与所述第二基板紧密压配，所述微型弹性套和微细弹性金属柱承压形变并形成射频同轴结构，所述微细弹性金属柱的上下端与所述实心化金属填充及信号端分别电接触，所述微型弹簧套的上下端与两基板的接地端分别电接触。

可选的，所述第一基板为载有双端口馈电天线的PCB基板，所述第二基板为设有圆极化合成网络的LTCC基板。

可选的，所述微型弹性套为圆柱形的螺旋弹簧，所述螺旋弹簧的两端具有削面，当微型弹性套被压缩时，所述削面呈平直状态并与接地端平行接触。

可选的，所述微细弹性金属柱包括铜管和位于铜管内的微细弹簧，铜管的两端各插有一个金属柱，所述铜管的两端具有内收的挡口，所述金属柱的管内端具有圆座，所述微细弹簧在两个圆座之间处于承压状态，所述圆座被所述挡口挡住。

采用上述技术方案的有益效果如下：

1.本实用新型采用可形变的弹性射频连接结构压缩在两个异质基板之间，可以实现异质基板之间的高频垂直互连，其传输损耗较传统的接插件连接可减小50%以上。

2.本实用新型的互连结构可以实现异质基板之间的免焊接互连，解决了异质基板间收缩率不同而不宜焊接的问题，大大提升了结构的可靠性。

3.本实用新型的射频连接结构采用微细结构，占用空间小，精度高，剖面低，易于高密度集成。

4.本实用新型装配过程简单灵活，拆卸方便，结构成熟经济，资源丰富，便于推广。

总之，本实用新型提出了一种基于弹性微细结构的射频连接结构，能够实现异质基板之间的垂直互连，具有结构简单、装配方便、适应性强、信号传输效果好的特点，是对现有技术的一种重要改进。

附图说明

图1 是本实用新型实施例中异质基板高频互连结构的爆炸图；

图2 是本实用新型实施例中射频连接结构和凹腔结构部分的结构示意图；

图3是图2中微细弹性金属柱的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

一种异质基板高频互连结构，包括相互异质的第一基板和第二基板，还包括位于第一基板和第二基板之间的射频连接结构，所述第一基板上具有射频通孔，第一基板的底面具有接地端，所述射频通孔内具有实心化金属填充，所述射频连接结构包括微型弹性套和微细弹性金属柱，所述第二基板上具有凹腔结构，所述凹腔结构包括彼此同心的外部圈形凹腔和内部槽形凹腔，所述外部圈形凹腔的底部为接地端，所述内部槽形凹腔的底部为信号端，所述微型弹性套和微细弹性金属柱分别嵌入所述外部圈形凹腔和内部槽形凹腔中，所述第一基板与所述第二基板紧密压配，所述微型弹性套和微细弹性金属柱承压形变并形成射频同轴结构，所述微细弹性金属柱的上下端与所述实心化金属填充及信号端分别电接触，所述微型弹簧套的上下端与两基板的接地端分别电接触。

可选的，所述第一基板为载有双端口馈电天线的PCB基板，所述第二基板为设有圆极化合成网络的LTCC基板。

可选的，所述微型弹性套为圆柱形的螺旋弹簧，所述螺旋弹簧的两端具有削面，当微型弹性套被压缩时，所述削面呈平直状态并与接地端平行接触。

可选的，所述微细弹性金属柱包括铜管和位于铜管内的微细弹簧，铜管的两端各插有一个金属柱，所述铜管的两端具有内收的挡口，所述金属柱的管内端具有圆座，所述微细弹簧在两个圆座之间处于承压状态，所述圆座被所述挡口挡住。

如图1～2所示，一种异质高频互连结构，包括两种异质基板：PCB（印制电路板）基板1与LTCC（低温共烧陶瓷电路）基板2（也可采用其他的异质基板组合）；还包括用于实现异质基板之间高频互连的弹性射频连接结构，该弹性射频连接结构包括微型弹性套31以及微细金属柱结构32。

LTCC基板由于其高集成度，低损耗，高可靠性，广泛应用于高频微波射频领域。本例中LTCC基板不仅作为粘接芯片与布线的载体，同时，也是本互连结构的重要构成。利用其开腔工艺，在LTCC基板表面设计成高度为H（高度等同于微细探针与微型弹簧），环形宽度为r0+0.1mm（r0为微型弹簧线径）的陷入式圈形凹槽结构201，用于放置微型弹性套，将其限位其中，环形腔底面为射频地211，实现地之间弹性互连。在LTCC基板的凹槽结构的中心再挖出直径为r+0.05mm（r为微细金属柱状结构直径）的圆柱形腔体202，其底部焊盘212打孔连接内部的带状线结构，将微细金属柱放置其中，实现高频同轴结构互连。

微细弹性金属柱的结构如图3所示，其包括两端活动的镀金金属块3230，加上中间铜管321内套微细弹簧322组合而成的接触件，镀金金属块3230被铜管321两端的挡口3210与微细弹簧322限位其中，实现承压后的弹性上下位移，其具有快速免焊接连接，阵列式高密度低矮化安装等特点，可广泛适用于板到板，芯片到板的应用。利用其两端弹性金属端头323，可作为高频微波垂直互连的通路，方便连接上下异质板。其接触弹力：20gf~120gf，接触电阻为100毫欧姆，其长度与宽度皆可定制，最小直径r可做到0.254mm，本例中长度在其压缩完毕后为H。

微型弹性套31为此互连结构的另一弹性结构，其弹性材质可选择SiMn钢丝，或不锈钢丝等刚性金属丝，其电导率良好，刚性模数G在7300Kg/mm以上，其内径为R，线径为r0，圈数为n。微型弹性套31的两端具有削面310，当微型弹性套31被压缩并紧时，削面310恰好与上下两接地端平行接触，从而扩大微型弹性套31与接地端的接触面，实现微型弹性套31与两个异质基板的良好电接触。与此同时，在微型弹性套31处于完全压缩状态时，可近似等效成厚度为r0的金属圆柱体，同微细金属柱状结构内外配合组成理想的同轴结构，具有良好的屏蔽效果，来实现高频垂直互连。其压缩完成后，高度为H。根据公式：

H=nr0

可确定其实际圈数。

PCB板或者其它基板，作为器件10或布线的载体，其射频通孔制作加工成实心101，可与微细金属柱状结构压缩状态时实现全面接触，保证射频性能。

此高频互连结构还可用于异质天线中。此天线结构主要包含作为第二基板的LTCC基板以及作为第一基板的天线印制板，两者通过射频连接结构实现LTCC基板和天线印制板之间的垂直互连。LTCC基板工艺集成度高，可将电桥等无源器件内埋其中，背面亦可粘接有源芯片，方便集成化设计。但由于其常用的LTCC材料，如Ferro A6，杜邦951等，其介电常数高，对于微带天线而言，其天线的增益与带宽相对于介电常数低的PCB基板如Rogers 5880，Rogers 4350,都会有所变差，因此对于此类天线，可以采用低损耗的基板材料，以提高天线的方向图性能。

对于此例中的天线而言，其射频连接结构的关键尺寸可通过计算并结合场仿真而确定。射频连接结构的关键尺寸为微型弹性结构的内径R与微型金属柱状结构的直径r，以及对应限位此弹性结构的LTCC陷入式凹槽的尺寸。LTCC基板材料选用高频性能优良,介电常数=5.9的Ferro A6。结合天线性能与实际结构，本例中采用的微细金属柱状结构直径r=0.254mm，高度H=1mm。根据公式：

（）

可加工具有良导电率的不锈钢材料的微型弹性结构参数：内径R=2.0mm，线径r0=0.2mm，即中径D=2.1mm，圈数n=5,压缩行进距离F0为1mm，其接触弹力根据公式

F=(G*r0⁴)/(8*D³*n)*F0

其接触弹力约为30gf,同微型金属柱状结构类似。

根据实际计算与仿真情况，加工LTCC基板，LTCC基板加工工艺参数精确，流程成熟可控。根据此天线结构，将LTCC生磁带进行多层加工，如内层中90°电桥器件与隔离电阻等印刷其中，在经过冲孔，填孔及印刷，叠片，静压，切割，并在900℃以下烧结制成三维空间的高密度电路。本天线中， LTCC基板的陷入式凹槽的加工尤为关键，其环形形状通过激光切割在每层生磁带上，并通过对位叠层，可精确将其加工，并制版成型。从图2可见，其基板上共有两种陷入式凹槽，其中中间的圆柱形凹槽用于安装并限位微细弹性金属柱，从而实现上下基板的高频互连；环形的凹槽用于限位微型弹性套，并实现上下异质基板之间的接地连接。

同时，加工PCB天线片，将天线的两个馈电孔进行实心化工艺处理，利于与微细弹性金属柱的完整接触，该工艺成熟简单，此处不再赘述。

最后将其所有结构进行装配，采用适合的压配结构将其紧密压合，即完成本天线的加工制作过程。

总之，本实用新型具有结构简单、装配方便、适应性强、信号传输效果好的特点，能够实现异质基板之间低损耗、低剖面、免焊接的高频弹性垂直互连，是对现有技术的一种重要改进。

需要指出的是，以上具体实施方式只是本专利实现方案的具体个例，没有也不可能覆盖本专利的所有实现方式，因此不能视作对本专利保护范围的限定；凡是与以上案例属于相同构思的实现方案，或是上述若干方案的组合方案，均在本专利的保护范围之内。