一种基于HTCC的超宽带毫米波垂直互联结构的制作方法

一种基于htcc的超宽带毫米波垂直互联结构
技术领域
1.本发明属于射频互联技术领域，尤其涉及一种基于htcc的超宽带毫米波垂直互联结构。


背景技术：

2.在后摩尔时代，先进的半导体芯片技术已接近物理极限，系统级封装(system in package，sip)是超越摩尔定律下的重要实现路径。sip是从封装的立场出发，对不同芯片进行并排或叠加的封装方式，将多个具有不同功能的有源电子元件与可选无源器件，以及诸如微机电器件或者光学器件等其他器件优先组装到一起，实现一定功能的单个标准封装件。
3.sip一般由衬底、金属围框、封焊盖板和内部电路(由多种器件互联组成)等几部份构成，sip一般通过衬底底面的焊盘锡焊在pcb母板上使用。高温共烧陶瓷(high temperature co-fired ceramic，htcc)因其高频电特性优越、可实现多层结构、高杨氏模量(不易变形)、高气密性、在温度变化下维持高刚性等特点，被广泛用作sip的衬底材料。
4.htcc衬底一般是由钨导体层与陶瓷介质层相互交叠形成多层结构，两层钨导体层之间通过垂直钨柱互联；pcb母板一般是由铜导体层与有机介质层相互交叠形成多层结构，两层铜导体层之间通过垂直金属通孔互联。通过合理设计htcc衬底中每层钨导体层图形、钨导体层间的垂直钨柱和pcb母板中每层铜导体层图形、铜导体层间的垂直金属通孔可得到合适的垂直互联结构，用于完成sip内部电路到pcb母板上的射频信号传输。随着信号频率的升高、信号带宽的展宽，其射频信号在垂直互联结构中传输的不连续性成为制约sip在超高频、超宽带领域应用的瓶颈。在目前主流htcc工艺水平的基础上，尽可能实现更高频率、更宽带宽、更低插入损耗的垂直互联结构是问题的关键。


技术实现要素：

5.针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种基于htcc的超宽带毫米波垂直互联结构，对采用htcc作衬底材料的sip，提供一种基于成熟htcc工艺技术的超宽带毫米波垂直互联结构，该射频垂直互联结构实现了工作频率高、工作频段宽、插入损耗低等优良的电特性，且需要满足易于加工、可靠性高等特点。
6.为了达到以上目的，本发明采用的技术方案为：
7.本方案提供一种基于htcc的超宽带毫米波垂直互联结构，包括：由上而下依次设置有htcc衬底顶层电路、htcc衬底上介质层、htcc衬底中间层电路、htcc衬底下介质层以及htcc衬底底层电路的htcc衬底，以及由上而下依次设置有pcb母板顶层电路和pcb母板接地平面的pcb母板；
8.所述htcc衬底和pcb母板上依次串联有由第一共面波导、第一类同轴、第一带状线、第二类同轴、第二带状线以及第二共面波导形成的传输子结构。
9.本发明的有益效果是：本发明通过合理设计htcc衬底中每层钨导体层图形、钨导
体层间的垂直钨柱和pcb母板中每层铜导体层图形、铜导体层间的垂直金属通孔，得到了垂直互联结构：从sip内部电路到pcb母板上形成由第一共面波导、第一类同轴、第一带状线、第二类同轴、第二带状线以及第二共面波导这六种特性阻抗为50ω传输线依次串联的传输子结构，同时在第一共面波导和第一类同轴、第一类同轴和第一带状线、第一带状线和第二类同轴之间使用高低阻抗匹配结构，在第二类同轴和第二带状线之间为降低制造难度使用直连匹配结构，在第二带状线和第二共面波导之间使用宽度渐变匹配结构。本发明实现了2ghz～40ghz全频段插入损耗不大于0.36db的超宽带毫米波射频垂直互联，具有工作频率超高、工作频段超宽、插入损耗超低等优异的电特性，同时该互联结构易于加工、可靠性高、一致性好，可派生性强，非常适合批量生产。
10.进一步地，所述第一共面波导和第一类同轴的级联处通过第一高低阻抗匹配子结构进行匹配，所述第一类同轴和第一带状线的级联处通过第二高低阻抗匹配子结构进行匹配，所述第一带状线和第二类同轴的级联处通过第三高低阻抗匹配子结构进行匹配，所述第二类同轴和第二带状线的级联处通过直接匹配子结构进行匹配，所述第二带状线和第二共面波导的级联处通过宽度渐变匹配子结构进行匹配。
11.上述进一步方案的有益效果是：在保障htcc衬底和pcb母板可制造性和可靠性的基础上，实现所述htcc衬底和pcb母板上依次串联的六种传输子结构的超宽带、低反射互联。
12.再进一步地，所述第一共面波导的中心导体位于所述htcc衬底顶层电路上；所述第一共面波导的外导体包括：htcc衬底顶层电路上位于第一共面波导的中心导体两侧的钨导体面、htcc衬底中间层电路上位于第一共面波导的中心导体下方的钨导体面以及htcc衬底上介质层上位于第一共面波导的中心导体两侧并连接所述两个钨导体面的垂直钨柱；
13.所述第一类同轴的中心导体为位于htcc衬底上介质层中坐标为(0，l2+2*l3)的垂直钨柱；所述第一类同轴的外导体包括：htcc衬底上介质层在y方向距离第一类同轴的中心导体为
±
l3的4个垂直钨柱；其中，l2表示htcc衬底屏蔽垂直钨柱y方向的间距，l3表示第一类同轴屏蔽垂直钨柱与第一类同轴的中心导体y方向的间距；
14.所述第一高低阻抗匹配子结构位于所述htcc衬底顶层电路上，所述第一高低阻抗匹配子结构连接所述第一共面波导和所述第一类同轴的中心导体。
15.上述进一步方案的有益效果是：采用合适的高低阻抗匹配方式对第一共面波导和第一类同轴在其中心导体互联处进行超宽带匹配，实现第一共面波导与第一类同轴的超宽带射频互联。
16.再进一步地，所述第一带状线的中心导体位于htcc衬底中间层电路上；所述第一带状线的外导体包括：htcc衬底顶层电路上位于第一带状线的中心导体上方的钨导体面、htcc衬底中间层电路上位于第一带状线的中心导体两侧的钨导体面、htcc衬底底层电路上位于第一带状线的中心导体下方的钨导体面以及htcc衬底上介质层和htcc衬底下介质层中位于第一带状线的中心导体两侧并连接所述三个钨导体面的垂直钨柱；
17.所述第二高低阻抗匹配子结构位于htcc衬底中间层电路上，所述第二高低阻抗匹配子结构连接所述第一类同轴和第一带状线的中心导体。
18.上述进一步方案的有益效果是：采用合适的高低阻抗匹配方式对第一类同轴和第一带状线在其中心导体互联处进行超宽带匹配，实现第一类同轴与第一带状线的超宽带射
频互联。
19.再进一步地，所述第二类同轴的中心导体为htcc衬底下介质层中坐标为(0，0)的垂直钨柱；所述第二类同轴的外导体包括：htcc衬底下介质层在y方向距离第二类同轴的中心导体为
±
l3的4个垂直钨柱，其中，l3表示第二类同轴屏蔽垂直钨柱与第二类同轴中心导体y方向的间距；
20.所述第三高低阻抗匹配子结构位于htcc衬底中间层电路上，所述第三高低阻抗匹配子结构连接所述第一带状线和第二类同轴的中心导体。
21.上述进一步方案的有益效果是：采用合适的高低阻抗匹配方式对第一带状线和第二类同轴在其中心导体互联处进行超宽带匹配，实现第一带状线与第二类同轴的超宽带射频互联。
22.再进一步地，所述第二带状线的中心导体为htcc衬底底层电路上的焊盘和pcb母板顶层电路上的焊盘锡焊形成的共同体；所述第二带状线的外导体包括：htcc衬底顶层电路上位于第二带状线的中心导体上方的钨导体面、htcc衬底底层电路上位于第二带状线的中心导体两侧的钨导体面和pcb母板顶层电路上位于第二带状线的中心导体两侧的铜导体面锡焊形成的共同体、pcb母板接地平面上位于第二带状线的中心导体下方的铜导体面以及htcc衬底；
23.所述直接匹配子结构位于htcc衬底底层电路上，所述直接匹配子结构连接第二类同轴和第二带状线的中心导体。
24.上述进一步方案的有益效果是：采用线宽固定的直接匹配方式对第二类同轴和第二带状线在其中心导体互联处进行匹配，在保证htcc衬底与pcb母板之间焊接可靠性的同时实现第二类同轴与第二带状线的超宽带射频互联。
25.再进一步地，所述第二共面波导的中心导体位于pcb母板顶层电路上；所述第二共面波导的外导体包括：pcb母板顶层电路上位于所述第二共面波导的中心导体两侧的铜导体面、pcb母板接地平面上位于所述第二共面波导的中心导体下方的铜导体面以及pcb母板中位于所述第二共面波导的中心导体两侧连接所述两个铜导体面的垂直金属通孔；
26.所述宽度渐变匹配子结构位于所述pcb母板顶层电路上，所述宽度渐变匹配子结构连接第二带状线和第二共面波导的中心导体。
27.上述进一步方案的有益效果是：采用合适的宽度渐变匹配方式对第二带状线和第二共面波导在其中心导体互联处进行超宽带匹配，实现第二带状线与第二共面波导的超宽带射频互联。
附图说明
28.图1为本发明的三维模型示意图。
29.图2为图1中的yoz平面剖视图。
30.图3为本实施例中htcc衬底顶层电路图。
31.图4为本实施例中htcc衬底上介质层图。
32.图5为本实施例中htcc衬底中间层电路图。
33.图6为本实施例中htcc衬底下介质层图。
34.图7为本实施例中htcc衬底底层电路图。
35.图8为本实施例中pcb母板顶层电路图。
36.图9为本发明回波损耗和频率曲线图。
37.图10为本发明插入损耗和频率曲线图。
38.其中，1-第一共面波导，2-第一高低阻抗匹配子结构，3-第一类同轴，4-第二高低阻抗匹配子结构，5-第一带状线，6-第三高低阻抗匹配子结构，7-第二类同轴，8-直接匹配子结构，9-第二带状线，10-宽度渐变匹配子结构，11-第二共面波导。
具体实施方式
39.下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
40.实施例1
41.本发明公开的一种基于htcc的超宽带毫米波垂直互联结构，如图1所示，图1中yoz平面的剖视图如图2所示，图2中htcc衬底顶层电路图形如图3所示，图2中htcc衬底上介质层图形如图4所示，图2中htcc衬底中间层电路图形如图5所示，图2中htcc衬底下介质层图形如图6所示，图2中htcc衬底底层电路图形如图7所示，图2中pcb母板顶层电路图形如图8所示。本发明通过合理设计htcc衬底中每层钨导体层图形、钨导体层间的垂直钨柱和pcb母板中每层铜导体层图形、铜导体层间的垂直金属通孔，得到了垂直互联结构：从sip内部电路到pcb母板上形成由第一共面波导1、第一类同轴3、第一带状线5、第二类同轴7、第二带状线9以及第二共面波导11这六种特性阻抗为50ω传输线依次串联的传输子结构，同时在第一共面波导1和第一类同轴3、第一类同轴3和第一带状线5、第一带状线5和第二类同轴7之间使用高低阻抗匹配结构，在第二类同轴7和第二带状线9之间为降低制造难度使用直连匹配结构，在第二带状线9和第二共面波导11之间使用宽度渐变匹配结构，其具体结构如下：
42.一种基于htcc的超宽带毫米波垂直互联结构包括：由上而下依次设置有htcc衬底顶层电路、htcc衬底上介质层、htcc衬底中间层电路、htcc衬底下介质层以及htcc衬底底层电路的htcc衬底，以及由上而下依次设置有pcb母板顶层电路和pcb母板接地平面的pcb母板；htcc衬底和pcb母板上依次串联有由第一共面波导1、第一类同轴3、第一带状线5、第二类同轴7、第二带状线9以及第二共面波导11形成的传输子结构。
43.第一共面波导1和第一类同轴3的级联处通过第一高低阻抗匹配子结构2进行匹配，第一类同轴3和第一带状线5的级联处通过第二高低阻抗匹配子结构4进行匹配，第一带状线5和第二类同轴7的级联处通过第三高低阻抗匹配子结构6进行匹配，第二类同轴7和第二带状线9的级联处通过直接匹配子结构8进行匹配，第二带状线9和第二共面波导11的级联处通过宽度渐变匹配子结构10进行匹配。
44.第一共面波导1的中心导体位于htcc衬底顶层电路上；第一共面波导1的外导体包括：htcc衬底顶层电路上位于第一共面波导1的中心导体两侧的钨导体面、htcc衬底中间层电路上位于第一共面波导1的中心导体下方的钨导体面以及htcc衬底上介质层上位于第一共面波导1的中心导体两侧并连接两个钨导体面的垂直钨柱；第一类同轴3的中心导体为位于htcc衬底上介质层中坐标为(0，l2+2*l3)的垂直钨柱；第一类同轴3的外导体包括：htcc
衬底上介质层在y方向距离第一类同轴3的中心导体为
±
l3的4个垂直钨柱；其中，l2表示htcc衬底屏蔽垂直钨柱y方向的间距，l3表示第一类同轴3屏蔽垂直钨柱与第一类同轴3的中心导体y方向的间距；第一高低阻抗匹配子结构2位于htcc衬底顶层电路上，第一高低阻抗匹配子结构2连接第一共面波导1和第一类同轴3的中心导体。
45.第一带状线5的中心导体位于htcc衬底中间层电路上；第一带状线5的外导体包括：htcc衬底顶层电路上位于第一带状线5的中心导体上方的钨导体面、htcc衬底中间层电路上位于第一带状线5的中心导体两侧的钨导体面、htcc衬底底层电路上位于第一带状线5的中心导体下方的钨导体面以及htcc衬底上介质层和htcc衬底下介质层中位于第一带状线5的中心导体两侧并连接三个钨导体面的垂直钨柱；第二高低阻抗匹配子结构4位于htcc衬底中间层电路上，第二高低阻抗匹配子结构4连接第一类同轴3和第一带状线5的中心导体。
46.第二类同轴7的中心导体为htcc衬底下介质层中坐标为(0，0)的垂直钨柱；第二类同轴7的外导体包括：htcc衬底下介质层在y方向距离第二类同轴7的中心导体为
±
l3的4个垂直钨柱，其中，l3表示第二类同轴7屏蔽垂直钨柱与第二类同轴7中心导体y方向的间距；第三高低阻抗匹配子结构6位于htcc衬底中间层电路上，第三高低阻抗匹配子结构6连接第一带状线5和第二类同轴7的中心导体。
47.第二带状线9的中心导体为htcc衬底底层电路上的焊盘和pcb母板顶层电路上的焊盘锡焊形成的共同体；第二带状线9的外导体包括：htcc衬底顶层电路上位于第二带状线9的中心导体上方的钨导体面、htcc衬底底层电路上位于第二带状线9的中心导体两侧的钨导体面和pcb母板顶层电路上位于第二带状线9的中心导体两侧的铜导体面锡焊形成的共同体、pcb母板接地平面上位于第二带状线9的中心导体下方的铜导体面以及htcc衬底；直接匹配子结构8位于htcc衬底底层电路上，直接匹配子结构(8)连接第二类同轴7和第二带状线9的中心导体。
48.第二共面波导11的中心导体位于pcb母板顶层电路上；第二共面波导11的外导体包括：pcb母板顶层电路上位于第二共面波导11的中心导体两侧的铜导体面、pcb母板接地平面上位于第二共面波导11的中心导体下方的铜导体面以及pcb母板中位于第二共面波导11的中心导体两侧连接两个铜导体面的垂直金属通孔；宽度渐变匹配子结构10位于pcb母板顶层电路上，宽度渐变匹配子结构10连接第二带状线9和第二共面波导11的中心导体。
49.本实施例中，该基于htcc的超宽带毫米波垂直互联结构工作频段为2ghz～40ghz且全频段插入损耗不大于0.36db，具有工作频率超高、工作频段超宽、插入损耗超低等优异的电特性，非常适合具有更高工作频率、更宽工作带宽和更低噪声要求的毫米波sip；该基于htcc的超宽带毫米波垂直互联结构的信号路径由6个单一传输结构和结构间匹配电路组成，通过适当改变和优化匹配结构参数可适用于不同厚度、不同层数、不同介电常数等多种不同参数的htcc衬底，可派生性强。
50.本实施例中，如表1所示，表1为基于htcc的垂直互联结构的尺寸参数表。
51.表1
52.53.[0054][0055]
本实施例中，该基于htcc的超宽带毫米波垂直互联结构在设计布局中充分考虑了目前主流htcc工艺水平，结构中所有尺寸参数均未超出htcc正常加工能力范围，易于加工、可靠性高、一致性好，完全符合通用化的设计要求，非常适合批量生产。
[0056]
上述提供的参数仅仅是为了说明本发明，本发明提供的基于htcc的超宽带毫米波垂直互联结构的参数不限于上述描述。
[0057]
本实施例中，通过高频仿真软件hfss仿真分析得到其回波损耗(s11参数)见图9，插入损耗(s21参数)见图10，该结构在20ghz、40ghz、42ghz的s11和s21参数见表2，根据上述仿真结果可知该垂直互联结构在2ghz～40ghz全频段回波损耗均小于-22.9db，在2ghz～40ghz全频段插入损耗不大于0.36db。
[0058]
本实施例中，如表2所示，表2为回波损耗和插入损耗参数表。
[0059]
表2
[0060]
频率(ghz)回波损耗s11(db)传输损耗s21(db)20-25.9-0.1840-22.9-0.3642-14.8-0.57
[0061]
本发明提供的htcc衬底中的垂直互联结构为基于成熟htcc工艺技术，其实现了2ghz～40ghz全频段插入损耗不大于0.36db的超宽带毫米波射频垂直互联，具有工作频率超高、工作频段超宽、插入损耗超低等优异的电特性，同时该互联结构易于加工、可靠性高、一致性好，可派生性强，非常适合批量生产。
[0062]
实施例2
[0063]
如图2所示，本发明提供了一种封装结构，包括实施例1的基于htcc的超宽带毫米波垂直互联结构、封焊盖板以及金属围框，基于htcc的超宽带毫米波垂直互联结构安装于封焊盖板和金属围框内，封焊盖板盖于金属围框内。
[0064]
本实施例中，本发明提供的封装结构，由于采用了实施例1的基于htcc的超宽带毫米波垂直互联结构，其具有工作频率超高、工作频段超宽、插入损耗超低等优异的电特性，同时该互联结构易于加工、可靠性高、一致性好，可派生性强，非常适合批量生产。
[0065]
以上仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。