一种毫米波及太赫兹单片电路封装过渡结构及其实现方法

1.本发明涉及毫米波及太赫兹单片电路封装技术，具体涉及一种毫米波及太赫兹单片电路封装过渡结构及其实现方法。


背景技术：

2.毫米波频率为30ghz～300ghz，波长范围为1mm～10mm，具有丰富的频谱资源；太赫兹频率为100ghz～10thz，波长范围为30μm～3mm，兼有微波与远红外波波谱的特点，具有波长短、频带宽、信息容量大、信噪比高的特点，在通信、雷达、制导、遥感技术、电子对抗、临床医学和射电天文等领域应用广泛。随着频谱资源的日益紧张和通信速率的高速化发展需求，宽带宽的毫米波及太赫兹应用前景也越发广泛。
3.毫米波及太赫兹单片电路的输入输出结构一般为地
‑
信号
‑
地引脚结构，方便进行在片测试。地
‑
信号
‑
地引脚结构本质上相当于一段很短的共面波导，中间的主线也可以作为微带线使用。单片单路封装技术是实现片上电路与其他模块化设备对接的关键技术。现有的模块化封装过渡方案主要采用金丝键合或者倒装芯片焊接的方式实现微波集成电路与微带线、共面波导等的连接，然后由微带探针连接单片电路至波导腔，实现单片电路
‑
过渡结构
‑
波导的信号转换。
4.金丝键合高频处损耗大，且寄生电容和寄生电感较大，会引入额外的损耗且会使单片电路与探针处的匹配变差，使单片电路的能量传输效率降低。此外，在传统金丝键合互连封装模块中，金丝键合互连的微波特性是影响微波组件的微波性能的一个重要因素，其焊丝长度、拱高和跨距、焊点位置等参数均对微波传输有很大影响，而这些参数受加工影响很大，故加工的一致性低。
5.受器件与工艺水平等的制约，关于微波芯片倒装焊互连形式的应用较少，基本还处于起步阶段。倒装芯片焊接有以下难点：1.芯片面朝下安装互连对工艺操作带来难度，且芯片接地容易出现问题，性能易受到影响；2.凸点不能直观检查，只能使用x光、激光超声检测法等，检测复杂；3.芯片焊区上需要制作凸点，增加了互连芯片的制作工艺流程及成本；4.芯片倒装后底部填充工艺复杂。
6.此外，由于毫米波及太赫兹频段波长短，毫米波及太赫兹单片电路尺寸也小，相较而言，金丝键合线或者倒装焊凸点的尺寸较大，且在加工过程中受装配影响较大，无法保证较高的一致性。
7.电磁波在平面传输线及波导中有不同的传输模式，因而需要设计性能良好的过渡结构，以保证电磁波在不同模式下转化时的低损耗，同时需要较宽的频带及加工过程中较高的一致性。传统的过渡方案主要有：波导
‑
脊波导
‑
微带过渡、波导
‑
微带探针过渡等。这些过渡结构难以与单片电路的地
‑
信号
‑
地引脚互连。


技术实现要素：

8.针对以上现有技术中存在的问题，本发明提出了一种毫米波及太赫兹单片电路封
装过渡结构及其实现方法。
9.单片电路包括基板、介质基片、单片电路功能区、输入引脚和输出引脚；其中，在基板上设置介质基片；在介质基片的上表面中心部位形成单片电路功能区；在介质基片上且位于单片电路功能区的两端分别连接输入引脚和输出引脚，输入引脚和输出引脚分别作为单片电路的输入端和输出端。
10.本发明的一个目的在于提出一种毫米波及太赫兹单片电路封装过渡结构。
11.本发明的毫米波及太赫兹单片电路封装过渡结构包括：输入封装过渡结构、输出封装过渡结构、单片电路腔和周期性销钉结构；其中，在基体内中心开设单片电路腔，单片电路放置在单片电路腔内；输入封装过渡结构和输出封装过渡结构关于单片电路呈中心对称结构；
12.周期性销钉结构位于单片电路腔内的单片电路之上，周期性销钉结构的顶端连接单片电路腔的顶壁，与基底连接为一个体，周期性销钉结构的底端与单片电路的上表面之间有距离，并且距离小于工作频段的最高频率处工作波长的1/4；周期性销钉结构包括多个周期性二维排列的销钉；每一个销钉为柱状体，横截面的形状为规则的二维图形；销钉的周期与毫米波及太赫兹单片电路封装过渡结构的工作频段有关，工作频段越高，销钉结构的周期越小，销钉结构的周期小于工作频段的中心频率处工作波长的1/4；
13.输入封装过渡结构包括输入过渡腔、波导输入腔、输入波导
‑
接地共面波导过渡结构、输入接地共面波导、接地共面波导
‑
单片电路输入端互连过渡结构；在基体内单片电路腔的侧壁位于单片电路的输入端开设输入过渡腔；在基体内位于输入过渡腔的输入端开设波导输入腔；在输入过渡腔内放置连接为一体的输入波导
‑
接地共面波导过渡结构和输入接地共面波导；与输入接地共面波导连接为一体的接地共面波导
‑
单片电路输入端互连过渡结构设置在输入过渡腔与单片电路腔的连接处；
14.波导输入腔为在基体内开设的空腔，包括依次连接为一体的标准输入波导、渐变倒切角减高波导、二级减高波导和半圆形短路面；标准输入波导为矩形波导；渐变倒切角减高波导的侧壁沿着波的传播方向宽度逐渐减小，二级减高波导为矩形波导，宽度小于标准输入波导的宽度；渐变倒切角减高波导的输入端的宽度等于标准输入波导的宽度，输出端的宽度等于二级减高波导的宽度；半圆形短路面的形状为半圆柱体，半圆柱体的直径与二级减高波导的宽度一致；标准输入波导、渐变倒切角减高波导、二级减高波导和半圆形短路面的顶壁和底壁等高；在二级减高波导的末端侧壁连接输入过渡腔；
15.输入波导
‑
接地共面波导过渡结构包括过渡介质板、探针、过渡渐变导体带和过渡渐变接地板；在过渡介质板的上表面中心依次设置连接为一体的探针和过渡渐变导体带；探针形状为矩形；过渡渐变导体带的形状为等腰梯形，过渡渐变导体带的宽度逐渐减小；在过渡介质板的上表面且位于过渡渐变导体带的两侧分别设置过渡渐变接地板，过渡渐变接地板的形状为直角梯形，直角梯形的斜边与过渡渐变导体带的等腰梯形的斜边相对，过渡渐变接地板的直角梯形的斜边的倾斜角大于过渡渐变导体带的等腰梯形的斜边的倾斜角，使得渐变接地板与过渡渐变导体带之间的间隙随着波的传播方向逐渐变小；过渡渐变导体带和过渡渐变接地板构成匹配过渡电路；探针中心距离半圆形短路面的距离为工作频段的中心频率处波导波长的1/4；
16.输入接地共面波导包括接地介质板、中心导体带、矩形接地板和梁氏引线；在接地
介质板的上表面中心设置中心导体带，匹配过渡电路的等腰梯形的下底等于探针的宽度，上底等于中心导体带的宽度；在接地介质板的上表面且位于中心导体带的两侧分别设置矩形接地板，矩形接地板的形状为矩形，宽度与过渡渐变接地板的梯形的下底一致；过渡介质板与接地介质板连接为一体形成介质板，过渡渐变接地板与对应侧的矩形接地板连接为一体形成接地板；在矩形接地板的外边缘设置连接为一体的梁氏引线，梁氏引线将接地板固定在基体上；
17.接地共面波导
‑
单片电路输入端互连过渡结构包括互联导体带、互联渐变接地板和互联接地板；在中心导体带的输出端设置形状为矩形的互联导体带，二者的宽度相同且连接为一体；在每一块矩形接地板的输出端分别设置形状为直角梯形的互联渐变接地板，直角梯形的下底与矩形接地板的宽度一致且二者连接为一体；在每一个互联渐变接地板的输出端设置互联接地板，互联接地板的宽度与互联渐变接地板的上底一致且二者连接为一体；两个互联接地板和互联导体带分别连接至单片电路的输入引脚；
18.输出封装过渡结构包括输出过渡腔、波导输出腔、输出波导
‑
接地共面波导过渡结构、输出接地共面波导、接地共面波导
‑
太赫兹单片电路输出端互连过渡结构；
19.te
10
模式的电磁波从波导输入腔的标准输入波导进入，渐变倒切角减高波导将阻抗降低，te
10
模式的电磁波经过渐变倒切角减高波导到达二级减高波导；位于二级减高波导输出端的半圆形短路面使得在二级减高波导及半圆形段路面内形成驻波，电磁波的波节间距离为1/2波导波长，探针中心距离半圆形短路面的距离为工作频段的中心频率处波导波长的1/4，从而保证探针处于最大电压即电场最强的波腹位置，将尽量多的电磁波耦合到探针上，电磁波从te
10
模式转换为准tem模式；准tem模式的电磁波经探针传输至匹配过渡电路，沿电磁波的传播方向，匹配过渡电路将阻抗进一步降低，在匹配过渡电路，电磁波的电场主要存在于过渡渐变导体带和过渡渐变接地板之间的间隙中，将准tem模式电磁波传输至接地共面波导；在接地共面波导，电磁波的电场主要存在于中心导体带和矩形接地板之间的间隙中；电磁波通过连接为一体的中心导体带和互联导体带，以及连接为一体的矩形接地板、互联渐变接地板和互联接地板，传输至接地共面波导
‑
单片电路输入端互连过渡结构；电磁波经过接地共面波导
‑
单片电路输入端互连过渡结构的两个互联接地板和互联导体带传输至单片电路的输入引脚，从而将电磁波传输至单片电路；单片电路上方的周期性销钉结构通过规则的周期性排列的销钉单元，形成电磁波在工作频带的禁带，周期性销钉结构的底部与单片电路上表面的距离小于工作频段的最高频率处的工作波长的1/4，单片电路的上表面到周期性销钉结构的底部之间的腔体因无法满足电磁波传输所需要的边界条件而禁止电磁波的传输，从而抑制高次模；之后，电磁波再经输出封装过渡结构输出。
20.电磁波为毫米波或太赫兹。波导波长是指在波导内沿其轴向传播的电磁波，它的相邻的两个同相位点之间的距离；在本发明是指输入封装过渡结构中所传播的te
10
模式电磁波的相邻两同相位点间的距离。
21.周期性销钉结构的周期为工作频段的中心频率处工作波长的1/8～1/4。
22.每一个销钉为柱状体，横截面的形状为规则的二维图形，为方形、矩形或者圆形。水平尺寸小于工作频段的中心频率处工作波长的1/8，高为工作频段的中心频率处工作波长的1/8～3/4。
23.波导输入腔的渐变倒切角减高波导的侧壁的倾斜角小于45
°
。
24.过渡介质板的材料采用高介电常数的材料(如砷化镓)或者低介电常数的材料(如石英)。
25.探针、过渡渐变导体带和渐变接地板的材料采用金。
26.在本发明中，定义梯形中较长的一条底边为下底，较短的一条底边为上底。
27.本发明的另一个目的在于提出一种毫米波及太赫兹单片电路封装过渡结构的实现方法。
28.本发明的毫米波及太赫兹单片电路封装过渡结构的实现方法，包括以下步骤：
29.1)te
10
模式的电磁波从波导输入腔的标准输入波导进入；
30.2)渐变倒切角减高波导将阻抗降低，te
10
模式的电磁波经过渐变倒切角减高波导到达二级减高波导；
31.3)位于二级减高波导输出端的半圆形短路面使得在二级减高波导及半圆形段路面内形成驻波，电磁波的波节间距离为1/2波导波长，探针中心距离半圆形短路面的距离为工作频段的中心频率处波导波长的1/4，从而保证探针处于最大电压即电场最强的波腹位置，将尽量多的电磁波耦合到探针上，电磁波从te
10
模式转换为准tem模式；
32.4)准tem模式的电磁波经探针传输至匹配过渡电路，沿电磁波的传播方向，匹配过渡电路将阻抗进一步降低，在匹配过渡电路，电磁波的电场主要存在于过渡渐变导体带和过渡渐变接地板之间的间隙中，将准tem模式电磁波传输至接地共面波导；
33.5)在接地共面波导，电磁波的电场主要存在于中心导体带和矩形接地板之间的间隙中；
34.6)电磁波通过连接为一体的中心导体带和互联导体带，以及连接为一体的矩形接地板、互联渐变接地板和互联接地板，传输至接地共面波导
‑
单片电路输入端互连过渡结构；
35.7)电磁波经过接地共面波导
‑
单片电路输入端互连过渡结构的两个互联接地板和互联导体带传输至单片电路的输入引脚，从而将电磁波传输至单片电路；
36.8)单片电路上方的周期性销钉结构通过规则的周期性排列的销钉单元，形成电磁波在工作频带的禁带，周期性销钉结构的底部与单片电路上表面的距离小于工作频段的最高频率处的工作波长的1/4，单片电路的上表面到周期性销钉结构的底部之间的腔体因无法满足电磁波传输所需要的边界条件而禁止电磁波的传输，从而抑制高次模；
37.9)电磁波再经输出封装过渡结构输出。
38.本发明的优点：
39.本发明具有损耗小、频带宽的优点，封装过渡性能优越；本发明不仅适用于220～300ghz频段，还适用于其他毫米波波段及太赫兹波段，同时本发明不仅适用于bcb衬底单片电路，还适用于其他单片电路。
附图说明
40.图1为本发明的毫米波及太赫兹单片电路封装过渡结构的示意图；
41.图2为本发明的毫米波及太赫兹单片电路封装过渡结构的输入封装过渡结构的立体图；
42.图3为本发明的毫米波及太赫兹单片电路封装过渡结构的输入封装过渡结构的俯
视图；
43.图4为本发明的毫米波及太赫兹单片电路封装过渡结构的输入封装过渡结构的输入接地共面波导的示意图；
44.图5为本发明的毫米波及太赫兹单片电路封装过渡结构的芯片的示意图；
45.图6为本发明的毫米波及太赫兹单片电路封装过渡结构的一个实施例的示意图；
46.图7为本发明的太赫兹单片电路封装过渡结构的一个实施例的仿真结果图；
47.图8为本发明的太赫兹单片电路封装过渡结构的一个实施例去掉周期性销钉结构的仿真结果图。
具体实施方式
48.下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。
49.如图1所示，本实施例的毫米波及太赫兹单片电路封装过渡结构包括：输入封装过渡结构a、输出封装过渡结构a’、单片电路腔和周期性销钉结构5；其中，在基体内中心开设单片电路腔，单片电路0放置在单片电路腔内；输入封装过渡结构a和输出封装过渡结构a’关于单片电路呈中心对称结构；
50.周期性销钉结构5位于单片电路腔内的单片电路之上，周期性销钉结构5的顶端连接单片电路腔的顶壁，与基底连接为一个体，周期性销钉结构5的底端与单片电路的上表面之间有距离，并且距离小于工作频段的最高频率处工作波长的1/4；周期性销钉结构5包括多个周期性二维排列的销钉；每一个销钉为柱状体，横截面的形状为规则的二维图形；销钉的周期与毫米波及太赫兹单片电路封装过渡结构的工作频段有关，工作频段越高，销钉结构的周期越小，周期小于工作频段的中心频率处工作波长的1/4；
51.如图2所示，输入封装过渡结构包括输入过渡腔、波导输入腔1、输入波导
‑
接地共面波导过渡结构2、输入接地共面波导3、接地共面波导
‑
单片电路输入端互连过渡结构4；在基体内单片电路腔的侧壁位于单片电路的输入端开设输入过渡腔；在基体内位于输入过渡腔的输入端开设波导输入腔1；在输入过渡腔内放置连接为一体的输入波导
‑
接地共面波导过渡结构2和输入接地共面波导3；与输入接地共面波导3连接为一体的接地共面波导
‑
单片电路输入端互连过渡结构4设置在输入过渡腔与单片电路腔的连接处；
52.如图3所示，波导输入腔1为在基体内开设的空腔，包括依次连接为一体的标准输入波导11、渐变倒切角减高波导12、二级减高波导13和半圆形短路面14；标准输入波导11为矩形波导；渐变倒切角减高波导12的侧壁沿着波的传播方向宽度逐渐减小，波导输入腔1的渐变倒切角减高波导12的侧壁的倾斜角θ为16
°
，二级减高波导13为矩形波导，宽度小于标准输入波导11的宽度；渐变倒切角减高波导12的输入端的宽度等于标准输入波导11的宽度，输出端的宽度等于二级减高波导13的宽度；半圆形短路面14的形状为半圆柱体，半圆柱体的直径与二级减高波导13的宽度一致；标准输入波导11、渐变倒切角减高波导12、二级减高波导13和半圆形短路面14的顶壁和底壁等高；在二级减高波导13的末端侧壁连接输入过渡腔；
53.输入波导
‑
接地共面波导过渡结构2包括过渡介质板、探针2121、过渡渐变导体带2222和过渡渐变接地板2323；在过渡介质板的上表面中心依次设置连接为一体的探针21和过渡渐变导体带22；探针21形状为矩形；过渡渐变导体带22的形状为等腰梯形，过渡渐变导
体带22的宽度逐渐减小；在过渡介质板的上表面且位于过渡渐变导体带22的两侧分别设置过渡渐变接地板23，过渡渐变接地板23的形状为直角梯形，直角梯形的斜边与过渡渐变导体带22的等腰梯形的斜边相对，过渡渐变接地板23的直角梯形的斜边的倾斜角大于过渡渐变导体带22的等腰梯形的斜边的倾斜角，使得渐变接地板与过渡渐变导体带22之间的间隙随着波的传播方向逐渐变小；过渡渐变导体带22和过渡渐变接地板23构成匹配过渡电路；探针21中心距离半圆形短路面14的距离为工作频段的中心频率处波导波长的1/4；
54.如图4所示，输入接地共面波导3包括接地介质板、中心导体带32、矩形接地板33和梁氏引线31；在接地介质板的上表面中心设置中心导体带32，匹配过渡电路的等腰梯形的下底等于探针21的宽度，上底等于中心导体带32的宽度；在接地介质板的上表面且位于中心导体带32的两侧分别设置矩形接地板33，矩形接地板33的形状为矩形，宽度与过渡渐变接地板23的梯形的下底一致；过渡介质板与接地介质板连接为一体形成介质板，过渡渐变接地板23与对应侧的矩形接地板33连接为一体形成接地板；在矩形接地板33的外边缘设置连接为一体的梁氏引线31，梁氏引线31将接地板固定在基体上；
55.接地共面波导
‑
单片电路输入端互连过渡结构4包括互联导体带42、互联渐变接地板43和互联接地板41；在中心导体带32的输出端设置形状为矩形的互联导体带42，二者的宽度相同且连接为一体；在每一块矩形接地板33的输出端分别设置形状为直角梯形的互联渐变接地板43，直角梯形的下底与矩形接地板33的宽度一致且二者连接为一体；在每一个互联渐变接地板43的输出端设置互联接地板41，互联接地板41的宽度与互联渐变接地板43的上底一致且二者连接为一体；两个互联接地板41和互联导体带42分别连接至单片电路的输入引脚；
56.输出封装过渡结构包括输出过渡腔、波导输出腔、输出波导
‑
接地共面波导过渡结构、输出接地共面波导、接地共面波导
‑
太赫兹单片电路输出端互连过渡结构。
57.如图5所示，单片电路0包括基板01、介质基片02、单片电路功能区03、输入引脚04和输出引脚05；其中，在基板上设置介质基片；在介质基片的上表面中心部位形成单片电路功能区；在介质基片上且位于单片电路功能区的两端分别连接输入引脚和输出引脚，输入引脚和输出引脚分别作为单片电路的输入端和输出端。在本实施例中，基板采用半导体磷化铟inp，基板上设有贯通基板的多个金属化通孔；基板上设置苯并环丁烯bcb的介质基片；介质基片上设置输入引脚、输出引脚和单片电路功能区，其中，单片电路功能区设置为微带传输线。
58.本实施例中，波导选用的wr
‑
3标准波导。在225～300ghz频段，wr
‑
3标准波导的阻抗为285～365ω,太赫兹单片电路的阻抗为30ω。由于wr
‑
3标准波导与太赫兹单片电路的阻抗相差过大，采用多级过渡的方式实现wr
‑
3标准波导到太赫兹单片电路的互联过渡。在波导输入结构部分，通过渐变倒切角减高波导12，将波导阻抗由285～365ω降低到170～220ω；在二级减高波导13部分信号较强的部分设微带探针21，将信号传输到阻抗为40ω的微带探针21。在波导
‑
接地共面波导过渡结构部分，通过匹配过渡电路，将平面传输线阻抗降低到35ω。再由切角渐变梁氏引线31连接至单片电路，实现wr
‑
3标准波导到太赫兹单片电路的互联过渡。
59.在本实施例中，电磁波为太赫兹波；工作频段为225ghz～300ghz，周期性销钉结构5的周期为0.2mm；每一个销钉为柱状体，横截面的形状为方形，边长为0.1mm，高为0.27mm。
过渡介质板的材料采用石英；探针21、过渡渐变导体带22和过渡渐变接地板，中心导体带32、矩形接地板33和梁氏引线31，互联导体带42、互联渐变接地板43和互联接地板41，材料采用金。
60.本实施例的毫米波及太赫兹单片电路封装过渡结构的实现方法，包括以下步骤：
61.1)te
10
模式的电磁波从波导输入腔1的标准输入波导11进入；
62.2)渐变倒切角减高波导12将阻抗降低，te
10
模式的电磁波经过渐变倒切角减高波导12到达二级减高波导13；
63.3)位于二级减高波导13输出端的半圆形短路面14使得在二级减高波导13及半圆形段路面内形成驻波，电磁波的波节间距离为1/2波导波长，探针21中心距离半圆形短路面14的距离为工作频段的中心频率处波导波长的1/4，从而保证探针21处于最大电压即电场最强的波腹位置，将尽量多的电磁波耦合到探针21上，电磁波从te
10
模式转换为准tem模式；
64.4)准tem模式的电磁波经探针21传输至匹配过渡电路，沿电磁波的传播方向，匹配过渡电路将阻抗进一步降低，在匹配过渡电路，电磁波的电场主要存在于过渡渐变导体带22和过渡渐变接地板23之间的间隙中，通过仿真优化，调整过渡渐变导体带22和过渡渐变接地板23的尺寸，实现最佳过渡，将准tem模式电磁波传输至接地共面波导；
65.5)在接地共面波导，电磁波的电场主要存在于中心导体带32和矩形接地板33之间的间隙中；
66.6)电磁波通过连接为一体的中心导体带32和互联导体带42，以及连接为一体的矩形接地板33、互联渐变接地板43和互联接地板41，传输至接地共面波导
‑
单片电路输入端互连过渡结构4；
67.7)电磁波经过接地共面波导
‑
单片电路输入端互连过渡结构4的两个互联接地板41和互联导体带42传输至单片电路的输入引脚，从而将电磁波传输至单片电路；
68.8)单片电路上方的周期性销钉结构5通过规则的周期性排列的销钉单元，形成电磁波在工作频带的禁带，周期性销钉结构5的底部与单片电路上表面的距离小于工作频段的最高频率处的工作波长的1/4，单片电路的上表面到周期性销钉结构5的底部之间的腔体因无法满足电磁波传输所需要的边界条件而禁止电磁波的传输，从而抑制高次模；
69.9)电磁波再经输出封装过渡结构输出。
70.图7是本实施例的仿真结果图，如图7所示，在225～300ghz频带范围内，回波损耗小于
‑
20db，插入损耗大于
‑
1db，端口反射较小，电磁波传输过渡效率较高，封装过渡结构性能优越。图8为去掉周期性销钉结构5之后的仿真结果图，可以看出，在225～300ghz频带范围内，如果没有周期性销钉结构5，会受到高次模的影响导致单片电路腔内产生局部谐振，体现在结果图中的尖峰，严重影响电磁波的传输过渡效率和工作频带宽度。
71.最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。