专利名称：具有连接导线的焊接结合组件的制作方法
相关申请交叉参考本发明要求于2004年4月27日提交的目前待批的美国专利申请No.10/833711。
背景技术：
1950年代早期的平面传输介质的发展已对微波电路与元件封装技术产生了重大影响。微波印刷电路的工程技术及用于微波带状线与微波传输带的支持分析理论迅速产生。在微波带状线设计的早期，大都全部专注于诸如定向耦合器、功率分配器、滤波器、以及天线馈送网络的无源电路的设计。早期实现封装在大体积金属外壳中并通过同轴连接器连接。
为了减少大小和重量，开发了更小外壳与更少连接器的耦合器。这些后期实现有时被称为“膜连接”(filmbrid)并包括通过熔合、或者使用热塑或热固膜接合在一起的叠层带状线组件。进一步的改进继续在诸如用于这些器件和微波电路制造工艺本身中的电介质材料的领域中进行。有关微波集成电路的发展及应用的历史展望可在1981年9月的“Microwave Integrated Circuits-An Historical Perspective”(微波集成电路-历史展望)，H.Howe.Jr.，IEEE Trans.MTT-S，卷MTT-32，第991-996页；以及1984年9月的“Microwave Printed Circuits-The Early Years”(微波印刷电路-早期)，R.M.Barrett，IEEE Trans.MTT-S，卷MTT-32，第983-990页中找到。
微波带状线与微波传输带元件已被集成用于各种外壳与封装的应用中、以及整体地集成于共衬底上。集成与封装的方法影响了系统接口与安装、以及模块处理后处理温度的能力(即制造微波带状线与微波传输带元件之后)、和模块的运行热学管理能力(即其传热能力)。用于集成元件的常见技术要求使用例如环氧树脂、粘合剂和焊锡将它们接合在一起。在接合之后导线可连接到模块，以提供耦合到外部信号源的信号。一般说来，已提供了导线连接的现有技术来用于接合之后的导线的连接。
发明内容
公开了一种通过焊接结合工艺形成的电路模块，其中导线在焊接结合工艺期间连接到该模块的内层。连接导线被用来将模块的内部元件耦合到外部信号源，这些元件例如微波耦合器、DC阻断结构、阻抗匹配网络、偏置解耦结构、以及RF负载终端。
在一实现中，耦合组件包括以叠层排列焊接结合在一起的多个合成材料衬底层。衬底层可包括内嵌的信号处理电路，该信号处理电路被配置成连接到信号输入与信号输出。在合成衬底层接合之前，信号导线放置成与内部衬底层上的输入与输出信号路径相接触。导线被放置成在焊接结合层的接合与去除嵌板之后，导线将向外延伸到模块，使得信号能够耦合在合成衬底层上的信号路径与外部源之间。
在一些实现中耦合模块可以是多层模块架构，该架构可包括焊接结合到金属法兰的多个电路层，以及贯穿衬底层的称为“资源阱”(resource well)或“空腔”的器件连接区域。该资源阱允许在模块本身已经形成之后，将器件添加到模块，以及将这些器件耦合到资源模块的电路中。具有“资源阱”的耦合模块的形成还在申请号为10/659542的共同待批的申请中描述。在此实现中，在资源模块的各个层已经被焊接结合之后，附加器件可被添加到资源阱中。在一些实现中，资源阱包括阱中的连接点，由此添加的器件可信号连接到形成于资源模块的电介质层中的耦合器电路。
这些实现可提供一个或多个以下优点。拉拔强度，即将导线从部件中拉出的负载可显著提高。该强度通过将导线焊接到印刷电路板路径与将导线焊接结合到PTEE来共同提供。后者通过切入界面接合内层的沟槽的深度来调整。垂直于部件弯曲的导线可容易地恢复到初始位置而不对元件的性能产生不利影响。不同导线可连接到部件内的不同内层。
本发明的一个或更多实现的细节通过附图和以下说明书阐述。根据说明书、附图、以及权利要求书，本发明的其它特征、目的和优点将是显而易见的。
图1示出组装的信号处理模块的俯视图、侧视图、以及仰视图。
图2示出具有信号处理电路置于其上的电介质衬底的顶层。
图3A示出具有导线连接区域置于其上的电介质衬底的顶层。
图3B示出具有导线连接到其上的表面300(图3A)的一部分的放大图。
图4示出一面板阵列。
具体实施例方式
“资源模块”结构在本文中公开。模块100的俯视图101、仰视图102、以及侧视图103在图1中示出。如侧视图103中所示，资源模块100可由经接合的衬底层104-106与金属法兰层107的叠层成型。各个衬底层可包括在其一侧或两侧的电路。该电路可包括例如微波定向耦合器、以及3dB正交耦合器、阻抗匹配网络、DC阻断、偏置解耦和RF负载终端。法兰层用于安装资源，以及用于改进热性质。信号耦合导线110被连接到模块100内部的电路元件并向外延伸出模块。
用于设计微波定向耦合器与3dB正交耦合器电路的基本原理对于本领域技术人员是公知的，并在诸如1955年10月的论文“Shielded Coupled-Strip TransmissionLine”(屏蔽耦合的带状传输线)，S.B.Cohn，IEEE Trans.MTT-S，卷MTT-3，No.5，第29-38页；1960年9月的论文“Characteristic Impedances ofBroadside-Coupled Strip Transmission Line”(宽边耦合的带状传输线)，S.B.Cohn，IRE Trans.MTT-S，卷MTT-8，No.6，第633-637页；以及1966年1月的论文“Impedances of Offset Parallel-Coupled Strip Transmisson Line”(偏移平行耦合的带状传输线的阻抗)，J.P.Shelton，Jr.，IEEE Trans.MTT-S，卷MTT-14，No.1，第7-15页中描述。这些技术可应用于模块100的内部电路的成型中。
资源模块可使用用厚金属法兰接合在一起的多种电介质衬底层来实现。衬底层可由现代合成电介质材料形成，最好由聚四氟乙烯(PTEE)、玻璃、以及陶瓷构成。这些材料具有在宽泛的温度范围内稳定的电气及机械特性，并具有在微波频率提高性能的低通特性。接近于铜的热膨胀系数值允许形成可靠的电镀通孔和沟槽。这些电镀穿透特性被用于将导电层连接到叠层的带状线结构，以及形成独立的地平面。接地沟槽在数学上可形成于靠近穿过电介质层的信号孔，以便形成薄片传输线来为Z方向上(即，穿过叠层电介质层结构的从顶层到底层)的传播保持受控阻抗。
图2示出模块的合成衬底层105之一的俯视图，而图3A示出模块的另一合成衬底层106的俯视图。在一实施例中，衬底层由聚四氟乙烯、玻璃、陶瓷形成，并具有从2.1到20.0的相关介电系数(Er)的范围，以及从0.005到0.060英寸的厚度(h)范围。衬底层用铜箔进行金属喷涂(通常为0.0007英寸厚，但可在从0.0001到0.003英寸的范围中变化)，并进行蚀刻以形成电路元件(例如，电路元件201)。铜箔被用来形成例如耦合结构、电阻器、电容器、以及其它电路元件。用铜电镀的通孔与沟槽(即细长孔和开口)将一衬底层连接到另一衬底层。例如，形成于第一衬底层105上的电路元件201可通过通孔连接到另一衬底表面300上的导电路径303。模块可被制造成如图4所示的阵列面板。
在此公开中描述的模块可根据美国专利No.6,099,677(‘677专利)与美国专利No.6,395,374(‘374专利)中更充分公开的工艺来制造，这两个专利通过引用结合于此。根据此工艺，衬底层104-106、以及可任选的厚金属法兰107通过熔合工艺直接接合在一起，该熔合过程利用温度与压力的特定曲线来改变材料的状态，并形成均匀电介质，同时也将该电介质永久连接到厚金属法兰。厚金属法兰直接焊接结合到电介质层向系统安装提供了机械安装接口。如本文所公开的，在’677与’374专利中描述的工艺通过使用导线连接工艺来改进，该导线连接工艺用于在焊接结合衬底层104-106期间导线110的紧固连接。在一些实现中，模块100也可包括“资源阱”108以允许器件直接安装到法兰107、或安装到具有导热到法兰的热通孔的电介质层表面。资源阱108与法兰的形成在于2003年9月10日提交的同时待批的申请10/659,542中具体描述。
现在描述资源模块的形成。法兰片层107与各个衬底104-106可根据‘677专利、‘374专利、以及同时待批申请10/659,542的公开内容来制造，这些工艺还可基于下述导线连接工艺进行更改。一般来说，在衬底层制造之后，且在焊接结合之前，导线110被放置成与铜路径303接触，然后进行衬底层的接合。作为示例，导线110被连接到金属路径303。
导线到衬底层的连接1.从导电材料将导线切割成适当的长度和宽度。在一优选实施例中，导线由在镍上覆盖金完成的KovarTM构成。电线的长度、厚度与宽度取决于应用。作为示例，良好的焊接结果可使用例如0.0014”厚的铜路径上的金覆盖镍的0.005”厚的Kovar导线上获得，该铜路径置于厚度薄至0.015”的PTFE材料上。
2.衬底层300的金属喷涂区域被加工成沿导线将要连接的路径303保持铜。最好连接点的宽度至少等于导线宽度，且铜厚度至少是0.0014”厚。
3.接着衬底层104-106沿着导线将要伸出的边缘在全部内层中铣削。参考图4，该铣削去除衬底材料以在衬底面板400的独立模块区域402之间形成间隙401。未铣削区域403被保留在模块之间以在接合期间使模块彼此支承。然后空腔(即沟槽)202在匹配内部衬底层时进行铣削，以用作导线间隙。铣削后沟槽的深度应等于导线材料的厚度。尽管图2示出沟槽202被铣削成穿透衬底105的整个厚度，但应当注意实际沟槽202只需要铣削到等于导线110厚度的深度。此外，尽管为了说明目的，沟槽202的位置在顶表面200上画出，但是铣削将沿着底表面进行(即，铣削将在匹配于表面300顶部的表面上进行)。
5.然后导线可被焊接到衬底层106上的铜信号路径303。尽管焊接是一项在随后接合中确保导线保持适当位置的有用技术，但在一些实现中，可去除焊接步骤，或使用另一种定位技术。图3B示出用于将导线110连接到铜路径303的焊点301的示例。最好使用两个焊点，但是也可使用单独一个焊点(例如，在距离分界铣削区域401的边缘3040.065”处的焊接)。对于给定导线110与铜路径303的宽度，导线110与铜303的厚度指示焊接功率。
6.图4示出衬底层104-106与法兰层107的典型的4层叠层，以形成包含多个模块的面板。注意，各个具有连接导线110的表面300放置在至少具有铣削区域401的层之间。例如，导线110可在层105、106之间，其中各个层105、106被铣削成具有沟槽401。区域401在接合之前的铣削确保在随后的面板分离步骤期间，模块402可相互分离而不会由于疏忽切断连接导线。
7.然后如在‘374与677专利中公开的焊接结合可被用来将层104-107熔合在一起。
8.然后各个模块402通过沿着不包含导线的边缘铣削来分离面板(即，通过材料403的铣削)。
已经描述了本发明的大量实施例。然而，应当理解，可进行各种更改而不背离本发明的精神与范围。因此，其它实施例也在下面权利要求的范围内。
权利要求
1.一种耦合组件，其特征在于，包括多个合成衬底层，以叠层排列焊接结合在一起，其中所述衬底层包括内内嵌信号处理电路；信号连接点，在所述叠层排列的内部，并由形成于所述叠层排列内部的所述第一衬底层上的信号路径形成；以及导线，连接到所述内部信号点并向外延伸到所述叠层排列的边缘，在焊接结合叠层排列之前所述导线放置成与所述信号点接触。
2.如权利要求1所述的组件，其特征在于，还包括法兰层，焊接结合到所述叠层配置的衬底层，所述衬底层放置在法兰层顶部；以及空腔，穿透多个衬底层的区域形成，所述空腔露出耦合到信号处理电路的信号连接端，以便能在法兰与衬底层焊接结合之后将电路元件添加到组件，以及能将所添加的电路元件耦合到信号处理电路。
3.如权利要求1所述的组件，其特征在于，所述多个衬底层还包括一衬底层，它被铣削成可在所述组件内部容纳导线部分的厚度。
4.如权利要求1所述的组件，其特征在于，所述合成衬底层包括含氟聚合物的合成材料。
5.如权利要求2所述的组件，其特征在于，所述多个衬底层的至少两个通过电镀通孔连接。
6.一种耦合组件，其特征在于，包括多个经焊接结合的合成衬底层，包括形成于含氟聚合物材料上的内嵌信号处理电路，所述层放置成叠层排列；信号输入导线，耦合到内嵌信号处理电路并向外延伸到经焊接结合的合成衬底层的边缘；信号输出导线，耦合到内嵌信号处理电路并向外延伸到经焊接结合的合成衬底层的边缘；其中所述信号输入与信号输出导线连接到所述结合层之间的点，并以耦合排列和内嵌信号处理电路的信号连接。
7.如权利要求6所述的耦合组件，其特征在于，还包括法兰层，包括焊接结合到多个合成衬底层的基本均匀的金属芯。
8.如权利要求6所述的组件，其特征在于，内嵌信号处理电路包括微波耦合器电路。
9.一种衬底面板组件，其特征在于，还包括多个经焊接结合的含氟聚合物合成衬底层，放置成叠层排列，所述多个衬底层包括多个可分离的信号处理模块，每个模块包括内嵌的信号处理电路；在所述可分离模块的边缘之间的多个铣削铣透沟槽；以及信号导线，耦合到所述可分离模块的内嵌信号处理电路，从而各导线从多个层的所述叠层排列的内部连接点延伸到由铣削铣透沟槽形成的空隙。
10.如权利要求9所述的面板组件，其特征在于，所述导线在衬底层焊接结合之前焊接到所述衬底层上的信号路径，从而在衬底层接合之后，导线焊接点置于可分离模块的多个层的内部及之间。
11.如权利要求10所述的面板组件，其特征在于，所述导线包括在镍上镀金。
12.一种子组件的制造工艺，其特征在于，包括制造多个合成衬底层；选择性地金属喷涂所述多个合成衬底层的表面以形成多个信号处理模块的信号处理电路元件，所述模块通过以叠层排列接合衬底层来形成；在所述接合之前，铣削多个合成衬底层以形成位于所述多个信号处理模块之间的区域的间隙，在这些间隙中导线向外延伸出所述模块；将信号导线放置成导线从所述金属喷涂表面上的信号耦合点延伸到所述间隙区域；以及将所述多个衬底层相互焊接结合，从而多个衬底层被放置成叠层排列，由此多个信号处理模块得以形成，且信号耦合导线从衬底层内部延伸到所述间隙区域。
13.如权利要求12所述的工艺，其特征在于，还包括铣削所焊接结合的多个衬底层以将信号处理电路相互分开。
14.如权利要求12所述的工艺，其特征在于，所述经铣削区域形成于所述衬底层的每一个上，从而在多个层放置成所述叠层排列时，所述经铣削区域在处理模块之间形成间隙区域。
15.如权利要求14所述的工艺，其特征在于，所述间隙区域被配置成便于随后的面板铣削过程，从而将所述模块相互分离而不切断所述导线。
全文摘要
一种信号处理模块可由多个合成衬底层制成，各个衬底层包括多个独立处理模块的元件。在衬底层以叠层排列焊接结合时，各层的表面被选择性地金属喷涂以形成信号处理元件。在接合之前，衬底层进行铣削以形成位于处理模块之间的区域的间隙。在接合之前，导线被放置成从在所述金属喷涂表面的信号耦合点延伸到间隙区域。然后各衬底层被相互焊接结合，从而多个衬底层形成具有从模块内部延伸到间隙区域的导线的信号处理模块。然后各个模块可通过铣削衬底层来分离以分离模块。
文档编号H05K7/06GK1947477SQ200580012717
公开日2007年4月11日 申请日期2005年2月17日 优先权日2004年4月27日
发明者J·P·洛里欧 申请人:慕里麦克工业股份有限公司