專利名稱：高性能低成本小型化ltcc收發(fā)組件的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種高性能低成本的微波毫米波收發(fā)組件，特別是由LTCC(低溫共燒陶瓷)多層介質(zhì)基片集成的收發(fā)組件。本發(fā)明屬于微封裝技術領域。
背景技術：
收發(fā)組件是雷達的重要組成部分之一?，F(xiàn)代有源相控陣雷達的快速發(fā)展對收發(fā)組件提出了更高的要求，如何研制高性能、低成本、小型化的收發(fā)組件是關鍵。在微波、毫米波頻段，天線單元間的間距非常小，這使得收發(fā)組件的電路模塊在二維尺寸下難以容納，收發(fā)組件的三維封裝無疑是今后的發(fā)展方向。目前可行的三維封裝技術包括多層薄膜技術、 HTCC(高溫共燒陶瓷)技術和LTCC技術。薄膜技術的優(yōu)點是線條精度高，采用Cu、Au等電阻率低的材料作導帶，微波損耗??；其缺點是耐功率不足、多層成本高；HTCC的優(yōu)點是熱導率高、成方低，缺點是由于采用的電阻率高的Mo、W等漿料制作導帶，微波損耗較大，不適合用于微波毫米波場合；而LTCC成本較低，且具有可靠性高、低損耗、低介電常數(shù)和低膨脹系數(shù)的優(yōu)點，尤其是LTCC多層介質(zhì)基片既可集成有源器件，又可在表面和內(nèi)部埋置無源器件， 使得收發(fā)組件的尺寸大大減小。LTCC作為一種有潛力的收發(fā)組件三維封裝技術，引起了國內(nèi)外機構對其研究的熱潮。1998年，歐盟開始了 RAMP計劃來研究LTCC的頻率和功率特性， 建立一個頻率高達40GHz的基于LTCC技術的新型系統(tǒng)集成平臺。2000年德國教育研究部和德國航天局聯(lián)合發(fā)起的EASTON項目進行了各種LTCC商用基板的測試，比較40GHz以下各類基板的特性。2005年在意大利芬梅卡尼卡集團的框架下，SELEX-SI和Alenia Spazio 公司共同研制了 C波段和X波段的收發(fā)組件。國內(nèi)基于LTCC技術收發(fā)組件的研究才剛剛起步，且Ku波段及其以上微波毫米波段的收發(fā)組件尚未見成功的設計。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了提供一種LTCC收發(fā)組件裝置，它以高性能、低成本、小型化的優(yōu)點展現(xiàn)一種高集成度的微波毫米波收發(fā)組件。本發(fā)明公開一種微波毫米波收發(fā)組件裝置，由發(fā)射支路、接收支路及微帶線(5)、 芯片饋電網(wǎng)絡(3)、控制網(wǎng)絡(4)、輸入輸出接口和金屬盒體構成；發(fā)射支路屬于射頻部分， 由功率放大器(PA)、移相器(PS)、衰減器(ATT)、開關(SW)、環(huán)行器(CL)功能電路模塊構成；接收支路包含射頻、中頻兩部分。射頻部分由低噪聲放大器(PA)、帶通濾波器(BPF)、 移相器(PS)、衰減器(ATT)、開關(SW)、環(huán)行器(CL)功能電路模塊構成，中頻部分由混頻器(MX)、低通濾波器(LPF)功能電路模塊構成；發(fā)射和接收支路共用移相器(PS)、衰減器 (ATT)、開關(Sff)和環(huán)行器(CL)。功能電路模塊集成在LTCC(低溫共燒陶瓷)多層介質(zhì)基片中共同組成小型化的微波三維立體結構。三維立體結構的特征是由LTCC介質(zhì)基片與金屬導帶交替構成，三維結構的最上層和最底層為金屬導帶，其邊緣緊密靠近金屬盒體。LTCC介質(zhì)基片總厚度(h2)由裝置的復雜性、機械結構的穩(wěn)定性和強度決定。帶通濾波器(BPF)、低通濾波器(LPF)和微帶線(5)、芯片饋電網(wǎng)絡(3)、控制網(wǎng)絡(4)、輸入輸出接口由不同形狀的金屬導帶印刷在不同層的LTCC介質(zhì)基片構成。帶通濾波器(BPF)分布在L04，低通濾波器(LPF)分布在L11，芯片饋電網(wǎng)絡(3)分布在L07，控制網(wǎng)絡(4)分布在 L02 ；除環(huán)行器(CL)、帶通濾波器(BPF)、低通濾波器(LPF)外的功能電路模塊由MMIC芯片 (10)平面電路實現(xiàn)。環(huán)行器(CL)和各匪IC芯片(10)嵌入在LTCC介質(zhì)基片的空腔(2)中?？涨虎?由一定層數(shù)的介質(zhì)基片構成，其形狀為長方體，在長方體的基礎將其上表面四個頂點修改為擴充的圓弧(20)形式。環(huán)行器嵌入的空腔深度與介質(zhì)基片總厚度(h2)相等，其它MMIC 芯片(10)嵌入的空腔深度Oi1)小于介質(zhì)基片總厚度(h2)，其空腔深度Qll)由微帶線(5) 的特征阻抗和LTCC基片的介電常數(shù)決定。匪IC芯片饋電網(wǎng)絡(3)的近端由饋線焊盤(30)和圍繞焊盤的網(wǎng)格狀金屬導帶 (32)組成。金屬導帶(32)將饋線焊盤(30)中心圍繞成閉合的結構，饋線焊盤(30)不直接接觸匪IC芯片(10)的空腔⑵邊緣。饋線焊盤(30)的輸入端由饋電金屬化通孔(31)連接到遠端的電源接口，饋線焊盤(30)的輸出端由金絲在空氣中形成弧線跳線和MMIC芯片 (10)的片上饋電焊盤(11)連接。三維立體結構至少包含三層地平面，第一層地平面(GNDl)是局部地平面，分布在 Lll層，由網(wǎng)格狀的金屬導帶構成，其作用是電磁屏蔽。金屬導帶(32)即為第一層地平面 (GNDl)的一部分。第二、三層地平面(GND2、GND3)由網(wǎng)格狀的金屬導帶和長方形的實心金屬導帶混合構成，實心金屬導帶位于MMIC芯片(10)正下方和重要微帶線(5)下方。其中第二層地平面(GND2)是微波地，分布在L08層，第三層地平面(GND3)是最底層地，分布在 LOO層。第二層地平面(GND2)連接MMIC芯片(10)背面金屬地和第三層地平面(GND3)。第三層地平面(GND3)連接三維結構的底面和金屬盒體。三層以上的地平面位于第二、三層地平面(GND2、GND3)之間。第一、二層地平面(GND1、GND2)通過金屬化通孔(60)短路連接， 第二、三層地平面(GND2、GND3)通過金屬化通孔(61)短路連接。收發(fā)組件通過多排金屬化通孔(60，61)構成的屏蔽層實現(xiàn)收發(fā)隔離。與其它現(xiàn)行收發(fā)組件相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點1)高性能一是功能電路模塊之間的互連采用垂直金屬化通孔(31，40)，減小了封裝、互連所帶來的寄生效應；二是由于空腔頂點擴充圓弧(20)的形式，空腔邊緣與MMIC 芯片距離(21，22)很小，減小了金絲的長度，降低了對匪IC芯片(10)性能的影響；三是匪IC芯片饋電網(wǎng)絡(3)極大地抑制了數(shù)字、控制電路對電源供電的影響，增強了電源和 MMIC芯片的隔離，提高了收發(fā)組件裝置的電磁兼容性；四是三層地平面間金屬化短路通孔 (60,61)的使用很好地抑制了多層地平面間的平板波導模式的產(chǎn)生，保證收發(fā)組件高穩(wěn)定的工作。2)低成本一是體現(xiàn)在收發(fā)支路間移相器(PS)、衰減器(ATT)、開關(SW)和環(huán)行器(CL)的共用，極大地減小了收發(fā)組件中昂貴的功能電路的數(shù)量，降低了收發(fā)組件的成本；二是收發(fā)組件中無源器件與有源器件相比雖然成本低，但是無源器件的數(shù)量多，組裝費用占系統(tǒng)成本比例較大。LTCC可以在其內(nèi)部埋置無源器件，并且一體化共燒了帶通濾波器 (BPF)、低通濾波器(LPF)，減少了收發(fā)組件中裝配的工序和時間，很好地減少了組裝成本。3)小型化一是在LTCC三維結構中，在不同介質(zhì)層上的金屬導帶都可制作無源電路模塊的圖形，比如帶通濾波器(BPF)、低通濾波器(LPF)的實現(xiàn)；二是由于金屬通孔(31， 40)的使用，信號走線、焊盤、管腳等的間距和尺寸極大的減??；三是MMIC芯片(10)的尺寸很小，使得收發(fā)組件可以高密度的集成各種功能電路模塊。以上三個原因最終形成收發(fā)組件裝置的小型化。
圖1高性能低成本小型化LTCC收發(fā)組件整體框圖，其中PA——功率放大器， PS——移相器，ATT——衰減器，SW——開關，CL——環(huán)行器，LNA——低噪聲放大器，MX—— 混頻器，BPF——帶通濾波器，LPF——低通濾波器；圖2收發(fā)組件的剖面圖，其中10——匪IC芯片，12——銷銅載體，22——空腔⑵ 邊緣與匪IC芯片(10)的橫向距離，30——饋線焊盤，31——饋電金屬化通孔，4——控制網(wǎng)絡，40——控制網(wǎng)絡金屬化通孔，5——微帶，60——連接GNDl和GND2的金屬化通孔， 61——連接GND2和GND3的金屬化通孔，Ii1——空腔深度，h2——介質(zhì)基片總厚度，LOO—— 最底層金屬導帶，Lll——表層金屬導帶，LOl LlO——中間層金屬導帶；圖3單個典型匪IC芯片在LTCC中集成的局部俯視圖，其中11——芯片的片上饋電焊盤，20——擴展的圓弧，21——空腔⑵邊緣與匪IC芯片(10)的縱向距離，3——芯片饋電網(wǎng)絡，32——網(wǎng)格狀金屬導帶；圖4單個典型匪IC芯片在LTCC中集成的局部仰視圖，其中 ——金屬化通孔 (60)的橫向間距，Id1——金屬化通孔(60)的縱向間距，a2——金屬化通孔(61)的橫向間距， b2——金屬化通孔(61)的縱向間距。
具體實施例方式下面結合附圖和實例對本發(fā)明作進一步說明。實例Ku波段LTCC收發(fā)組件圖1是高性能低成本小型化LTCC收發(fā)組件整體框圖。收發(fā)組件由兩大部分組成， 虛線左邊是收發(fā)組件的射頻部分，虛線右邊是接收支路的中頻部分，共包含13個功能電路模塊。收發(fā)信號的傳輸方向為發(fā)射信號從開關2 (SW2)進入發(fā)射支路，經(jīng)過移相器(PS)、 衰減器(ATT)和開關3(SW3)到達功率放大器(PA)，信號被放大到一定功率后，進入環(huán)行器(CL)并輸出到天線接口 ；回波信號從天線進來，經(jīng)過環(huán)行器(CL)進入接收支路，信號沿著低噪聲放大器1 (LNAl)、開關1 (SWl)、低噪聲放大器2 (LNA2)、帶通濾波器(BPF)、開關 2(SW2)、移相器(PS)、衰減器(ATT)、開關3(SW3)和低噪聲放大器3 (LNA3)進入中頻部分， 中頻部分包括下變頻混頻器(MX)和低通濾波器(LPF)，經(jīng)過濾波的信號寬頻輸出。在圖1 中，收發(fā)支路共用的模塊為開關2 (SW2)、移相器(PS)、衰減器(ATT)、開關3(SW3)和環(huán)行器 (CL)。發(fā)射和接收支路分時工作，由環(huán)行器(CL)和開關1、開關2、開關3(511、512、513)來進行信號傳輸方向的控制。構成收發(fā)組件的LTCC多層介質(zhì)基片選用Ferro A6M生瓷材料，相對介電常數(shù)5. 9， 燒結后的基片厚度為0.096mm?？紤]到基板的機械強度和系統(tǒng)的指標需求，LTCC介質(zhì)基片層數(shù)選擇11層，總厚度為1. 056mm。圖2是收發(fā)組件的剖面圖。左側標識了不同層金屬導帶的名字，從下往上數(shù)，分別為LOO到L11，L00是最底層，連接金屬盒體，Lll是LTCC表層，金屬導帶的層與層之間即為 LTCC介質(zhì)基片。環(huán)行器(CL)采用的是微帶接頭的drop-in形式，帶通濾波器(BPF)采用平行耦合形式，由L04的金屬導帶實現(xiàn)，低通濾波器(LPF)采用高低阻抗線形式，與微帶線一樣都由Lll的金屬導帶構成，芯片饋電網(wǎng)絡(3)和控制網(wǎng)絡⑷分別由L07和L02的金屬導帶構成。除環(huán)行器(CL)、帶通濾波器(BPF)、低通濾波器(LPF)外的功能電路模塊由匪IC 芯片(10)平面電路實現(xiàn)，匪IC芯片(10)采用Triquint、Avago、MimiX公司的Ku波段相關產(chǎn)品。收發(fā)組件共用了十個匪IC芯片(10)，以其中一個典型的匪IC芯片在LTCC集成為例，來解釋其具體設計。圖3是收發(fā)組件中單個典型MMIC芯片(10)在LTCC中集成的局部俯視圖。環(huán)行器(CL)和各MMIC芯片(10)嵌入在LTCC介質(zhì)基片的空腔O)中?？涨?2) 的形狀為長方體，其上表面四個頂點采用擴充的圓弧方式00)可以減小空腔( 邊緣與 MMIC芯片(10)的距離，橫向距離(22)最小取0.05mm，縱向距離(21)最小取0. 075mm。環(huán)行器嵌入的空腔(10)深度為11層。50歐姆微帶線的寬度大約為0. 43mm對收發(fā)組件布線有利，根據(jù)5. 9的相對介電常數(shù)和每層介質(zhì)基片0.096mm的厚度，因此MMIC芯片(10)嵌入的空腔深度Oi1)為3層介質(zhì)基片。MMIC芯片焊接在0. 2mm的鉬銅載體(12)上，使得其表面與Lll 一致。三維立體結構至少包含三層地平面(GND1、GND2、GND3)，GNDl是第一層地平面，位于Lll層，GND2是第二層地平面，位于L08層，GND3是第三層地平面，位于LOO層。第一、二層地平面(GND1、GND》通過金屬化通孔(60)短路連接，第二、三層地平面(GND2、GND3)通過金屬化通孔(61)短路連接。收發(fā)組件通過多排金屬化通孔(60，61)構成的屏蔽層實現(xiàn)收發(fā)隔離。圖4是單個典型匪IC芯片在LTCC中集成的局部仰視圖，其中金屬化通孔短路 (60)分布在匪IC芯片(10)的正下方，金屬化通孔短路(61)分布在匪IC芯片(10)和微帶線(5)四周。金屬化通孔短路(60，61)的直徑為0.2mm，金屬化通孔短路(60)之間的橫向、縱向間距(B^b1)都為0. 5mm，金屬化通孔短路(61)之間的橫向、縱向間距(a2,b2)至少小于0. 7mm(接近波長的三十分之一)。這樣的間距很好地抑制了多層地平面間的平板波導模式，使Ku波段收發(fā)組件的無源結構(不供電時)的輸入輸出隔離度大于40dB。經(jīng)過以上設計，收發(fā)組件LTCC基片的尺寸為44mmX 22mmX 1.056mm，裝配之后的收發(fā)組件裝置尺寸為51mm>^9mmX 15mm。在15 17GHz的寬頻帶Ku波段，發(fā)射支路的功率大于500mW，接收支路的增益大于35dB，噪聲系數(shù)小于3. 5dB。發(fā)射與接收支路間具有25dB 以上的隔離度(供電時)。
權利要求
1.一種高性能低成本的微波毫米波收發(fā)組件裝置，其特征在于(1)所述裝置由發(fā)射支路、接收支路及微帶線(5)、芯片饋電網(wǎng)絡(3)、控制網(wǎng)絡(4)、輸入輸出接口和金屬盒體構成；(2)發(fā)射支路屬于射頻部分，由功率放大器(PA)、移相器(PS)、衰減器(ATT)、開關 (SW)、環(huán)行器(CL)功能電路模塊構成；接收支路包含射頻、中頻兩部分。射頻部分由低噪聲放大器(PA)、帶通濾波器(BPF)、移相器(PS)、衰減器(ATT)、開關(SW)、環(huán)行器(CL)功能電路模塊構成，中頻部分由混頻器(MX)、低通濾波器(LPF)功能電路模塊構成；發(fā)射和接收支路共用移相器(PS)、衰減器(ATT)、開關(SW)和環(huán)行器(CL)。
2.權利要求1中的所述功能電路模塊集成在LTCC(低溫共燒陶瓷)多層介質(zhì)基片中共同組成小型化的微波三維立體結構。三維立體結構的特征是由LTCC介質(zhì)基片與金屬導帶交替構成，三維結構的最上層和最底層為金屬導帶，其邊緣緊密靠近金屬盒體。
3.LTCC介質(zhì)基片總厚度(h2)由裝置的復雜性、機械結構的穩(wěn)定性和強度決定。權利要求1中的帶通濾波器(BPF)、低通濾波器(LPF)和微帶線(5)、芯片饋電網(wǎng)絡(3)、控制網(wǎng)絡 (4)、輸入輸出接口由不同形狀的金屬導帶印刷在不同層的LTCC介質(zhì)基片構成。帶通濾波器(BPF)分布在L04，低通濾波器(LPF)分布在L11，芯片饋電網(wǎng)絡(3)分布在L07，控制網(wǎng)絡(4)分布在L02 ；除環(huán)行器(CL)、帶通濾波器(BPF)、低通濾波器(LPF)外的功能電路模塊由匪IC芯片(10)平面電路實現(xiàn)。
4.環(huán)行器(CL)和各MMIC芯片(10)嵌入在LTCC介質(zhì)基片的空腔(2)中?？涨?2)由一定層數(shù)的介質(zhì)基片構成，其特征是空腔(2)的形狀為長方體，在長方體的基礎將其上表面四個頂點修改為擴充的圓弧(20)形式。環(huán)行器嵌入的空腔深度與介質(zhì)基片總厚度(h2) 相等，其它MMiC芯片(I0)嵌入的空腔深度Qll)小于介質(zhì)基片總厚度(h2)，其空腔深度Qll) 由微帶線(5)的特征阻抗和LTCC基片的介電常數(shù)決定。
5.權利要求3中所述的匪IC芯片饋電網(wǎng)絡(3)的近端由饋線焊盤(30)和圍繞焊盤的網(wǎng)格狀金屬導帶(32)組成，其特征是金屬導帶(32)將饋線焊盤(30)中心圍繞成閉合的結構，饋線焊盤(30)不直接接觸MMIC芯片(10)的空腔(2)邊緣。饋線焊盤(30)的輸入端由饋電金屬化通孔(31)連接到遠端的電源接口，饋線焊盤(30)的輸出端由金絲在空氣中形成弧線跳線和MMIC芯片(10)的片上饋電焊盤(11)連接。
6.權利要求2中所述的三維立體結構至少包含三層地平面，第一層地平面(GNDl)是局部地平面，其特征是分布在Lll層，由網(wǎng)格狀的金屬導帶構成，其作用是電磁屏蔽。權利要求5中所述的金屬導帶(32)即為第一層地平面(GNDl)的一部分。第二、三層地平面(GND2、 GND3)由網(wǎng)格狀的金屬導帶和長方形的實心金屬導帶混合構成，實心金屬導帶位于芯片正下方和重要微帶線下方。其中第二層地平面(GND2)是微波地，分布在L08層，第三層地平面(GND3)是最底層地，分布在LOO層。第二層地平面(GND2)連接匪IC芯片(10)背面金屬地和第三層地平面(GND3)。第三層地平面(GND3)連接三維結構的底面和金屬盒體。三層以上的地平面位于第二、三層地平面(GND2、GND3)之間。第一、二層地平面(GND1、GND2) 通過金屬化通孔(60)短路連接，第二、三層地平面(GND2、GND3)通過金屬化通孔(61)短路連接。收發(fā)組件通過多排金屬化通孔(60，61)構成的屏蔽層實現(xiàn)收發(fā)隔離。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種微波毫米波收發(fā)組件裝置，由發(fā)射支路、接收支路及微帶線、芯片饋電網(wǎng)絡、控制網(wǎng)絡、輸入輸出接口、金屬盒體構成；各功能電路模塊集成在LTCC(低溫共燒陶瓷)多層介質(zhì)基片中共同組成小型化的微波三維立體結構。帶通濾波器、低通濾波器和微帶線、饋電網(wǎng)絡、控制網(wǎng)絡、輸入輸出接口由不同形狀金屬導帶印刷在不同層LTCC基片構成；除環(huán)行器、帶通濾波器、低通濾波器外的功能模塊由MMIC芯片電路實現(xiàn)。MMIC芯片饋電網(wǎng)絡的近端由饋線焊盤和網(wǎng)格狀金屬導帶組成，金屬導帶將饋線焊盤中心圍繞成閉合結構。三維立體結構至少包含三層地平面，三層地平面通過金屬化通孔短路連接。本發(fā)明裝置具有高性能、低成本、小型化的優(yōu)點。
文檔編號G01S7/02GK102200574SQ20101013206
公開日2011年9月28日 申請日期2010年3月25日 優(yōu)先權日2010年3月25日
發(fā)明者紀建華, 費元春 申請人:紀建華, 費元春