CN113938101A - 一种w波段微封装倍频器模块 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种W波段微封装倍频器模块，包括多层印制电路板、基板、盖板、短路波导、裸芯片、射频探针和无源电子器件；所述多层印制电路板为具有多层台阶结构的框型电路板，其底端与基板固定连接形成具有台阶、内凹的腔室；工作时，电源与控制信号通过外部焊盘经由多层印制电路板的内置线路与裸芯片的相应端口连接，使裸芯片正常工作，射频输入信号通过外部焊盘与裸芯片的射频信号输入端口连接，倍频后由射频输出转接结构输出至模块外部。本发明采用的多层印制电路板体积小、加工装配简单、集成度高、成本低，射频转接电路主要是一块短路波导，其结构简单、体积小，相比传统倍频器模块本发明具有体积小、成本低、易装配的优势。

Description

一种W波段微封装倍频器模块

技术领域

本发明属于倍频器模块封装技术领域，具体涉及一种W波段微封装倍频器模块。

背景技术

倍频器模块是多种毫米波雷达、通信***的重要组成部分，用于为***提供本振信号，一般由封装、裸芯片、射频转接电路、低频转接电路等部分组成。传统的W波段倍频器模块封装一般为金属腔体，裸芯片为主要的有源器件，射频转接电路一般采用基于金属波导腔的微带-波导探针，低频转接电路一般采用玻璃绝缘子。

封装一般为两面开腔结构，开腔处配盖板，为整个模块提供保护和承载，裸芯片、射频转接电路、低频转接电路等部分均安装在封装结构上。裸芯片一般为有源芯片，提供倍频功能，使输出频率为输入频率的数倍。裸芯片与外部电路的连接通过射频转接电路和低频转接电路实现。射频转接电路将外部输入的射频信号连接到裸芯片的输入端，并将裸芯片的输出的倍频信号转接至外部供***使用。低频转接电路将裸芯片对应引脚与外部电源和控制信号相连，使裸芯片可以工作。

受制于金属腔体结构，传统的W波段倍频器模块有多种缺点：金属腔体体积大、加工成本高；微带-波导探针体积大、装配难度大；玻璃绝缘子体积大、装配难度大、成本高。传统的W波段倍频器模块存在的体积大、成本高、装配难等缺点给W波段倍频器模块的工程应用造成了巨大的困难。

发明内容

本发明针对现有技术中的不足，提供一种W波段微封装倍频器模块，其目的在于提供一种小型化的W波段倍频器模块，为太赫兹***提供一种易集成的微封装应用模块方案，以降低模块成本、体积、装配难度，促进太赫兹***的工程应用发展。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种W波段微封装倍频器模块，包括多层印制电路板、基板、盖板、短路波导、裸芯片、射频探针、无源电子器件；

所述多层印制电路板为具有多层台阶结构的框型电路板，其底端与基板固定连接形成具有台阶、内凹的腔室，多层印制电路板位于腔室内的台阶上设置有射频输入信号的内部焊盘和用于电路走线的若干内部焊盘，多层印制电路板位于腔室外的顶层台阶上设置有射频输入信号的外部焊盘和用于低频连接的外部焊盘；

所述裸芯片包含射频信号输入端口和射频信号输出端口，用于提供倍频功能，使输出的射频信号的频率为射频输入信号的数倍；射频信号输入端口通过金丝/金带与射频输入信号的内部焊盘形成电气连接，射频信号输出端口与射频探针电气连接；

所述基板为金属薄板，基板位于腔室内部的一侧固定安装短路波导、裸芯片、射频探针和无源电子器件，基板在与射频探针端部对应的位置处设置有开口，短路波导位于开口上部且其朝向射频探针的一侧开设有缺口，射频探针端部通过该缺口进入短路波导与开口一起形成的半封闭空腔内，使射频输出信号以波导模式由开口输出，短路波导、基板开口、射频探针共同组成射频输出转接结构；

所述无源电子器件通过金丝/金带与用于电路走线的若干内部焊盘、用于低频连接的外部焊盘、裸芯片相关端口形成电气连接，以使裸芯片正常工作；

所述盖板利用多层印制电路板上层台阶的限位作用固定于腔室上方，用于保护腔室内的电路元件；

工作时，电源与控制信号通过用于低频连接的外部焊盘经由多层印制电路板内置的线路与裸芯片的相应端口连接，使裸芯片正常工作，射频输入信号通过射频输入信号的外部焊盘经由多层印制电路板内置的线路与裸芯片的射频信号输入端口连接，经裸芯片的倍频后形成射频输出信号由射频输出转接结构输出至外部。

进一步地，所述短路波导为帽型金属壳体，其内部尺寸符合工作频率的短路波导尺寸要求，短路波导通体镀金或镀银。

进一步地，所述无源电子器件为配合裸芯片和多层印制电路板焊盘连接所需的器件，包括电阻、电容和电感，其数量、规格根据具体电路设计确定。

进一步地，所述射频探针指微带-波导过渡探针，为表面附有金属薄膜的硬质绝缘基片。

进一步地，所述金丝/金带用于电路连接，采用超声键合工艺装配。

进一步地，所述裸芯片的数量、型号、布局根据具体电路设计调整，通过更改电路设计，该倍频器模块的适用覆盖频率包括但不限于W波段。

本发明提供一种W波段微封装倍频器模块，采用的多层印制电路板为主体的封装体积小、加工和装配简单、集成度高、成本低，射频转接电路主要是一块短路波导，其结构简单、体积小、成本低，因此相比传统倍频器模块本发明具有体积小、成本低、易装配的优势，易于集成在微封装***中，可适用于毫米波或更高频率，支持太赫兹频段。

附图说明

图1为本发明模块的结构示意图；

图2为本发明模块的俯视图；

其中，101-盖板，102-短路波导，103-多层印制电路板，104-基板，105-裸芯片，106-金丝/金带，107-外部焊盘，108-内部焊盘，109-无源电子器件，110-射频探针。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。

本发明所述W波段微封装倍频器模块由封装、裸芯片、射频转接电路等部分组成。封装由多层印制电路板作为主体，同时实现了低频转接的功能和部分射频转接的功能，射频转接电路主要是一块短路波导，配合封装实现射频转接。

具体的，本发明由盖板、短路波导、多层印制电路板、基板、裸芯片、金丝/金带、射频探针、无源电子器件、内部焊盘、外部焊盘等部分组成。盖板和基板是两个金属薄板，采用机械加工实现，表面镀金或镀银。盖板焊接于多层印制电路板的上方，用于保护内部电路。基板焊接于多层印制电路板的下方，用于承载其他组成部分，并与***外部形成电气连接和机械连接。基板对应射频输出端口位置加工有开口，形态为矩形或倒圆角的矩形，使信号可以从该开口以波导模式输出。基板与***外部的电气连接主要是电气接地，机械连接主要是焊接或银胶粘接。盖板和基板形态、表面处理工艺可根据具体设计调整。

短路波导是采用高精度冲压、数控机械加工等方式制成的“帽”型金属壳体，可根据具体电路设计调整，其内部尺寸符合工作频率的短路波导尺寸要求(约为1/4波导波长)。短路波导通体镀金或镀银。短路波导朝向射频探针一侧有框型缺口，以便射频探针通过。短路波导位于基板开口上部与开口一起形成半封闭的空腔，短路波导、基片、射频探针共同组成射频输出转接结构

多层印制电路板是采用常规工艺制造的具有电路线条的框型电路板，内有多层台阶结构。内部焊盘和外部焊盘均为多层印制板上的裸露的电路线条端头形成的可用于金丝或金带键合的金属触点。多层印制电路板底部焊接或粘接在基板上，与基板一起形成具有台阶的、内凹的腔。裸芯片、无源器件、射频探针、短路波导均安装在该腔的底部。相对于腔底部，多层印制电路板的第一台阶稍高，第一台阶所在的层及临近层布设有电路线条，用于传输低频信号。第一台阶的内部焊盘与底部无源器件采用金丝或金带键合形成电气连接。射频输入信号的内部焊盘也布设在第一台阶上，通过键合金丝或金带与裸芯片输入端连接。相对于腔底部，多层印制板的第二台阶较第一台阶更高，可布设或不布设焊盘，主要用于配合第一台阶完成电路线条走线，并将盖板限位，避免盖板下沉到腔内。相对于腔底部，多层印制板的第三台阶较第二台阶更高，是多层印制电路板的顶层，表面可布设或不布设电路线条，布设有低频连接的外部焊盘和射频输入连接的外部焊盘，主要用于配合第二台阶将盖板限位，避免盖板移位。内部焊盘、外部焊盘、多层印制板层数、内层布线等均可根据具体电路设计调整。

裸芯片是倍频器模块电路的功能芯片，焊接或粘接在基板上。裸芯片的数量、性能、布局可根据具体电路设计调整，但输出端朝向射频探针方向，输入端朝向射频输入端内部焊盘方向，其他低频信号接口与内部焊盘的连接关系根据实际的电路设计确定。

无源电子器件是配合裸芯片和多层印制板焊盘连接所需的器件，如电阻、电容、电感等器件。无源电子器件焊接或粘接在基板上，和/或焊接或粘接在多层印制板第一台阶上。无源电子器件的种类、数量、规格等根据具体电路设计确定。

本发明所述的金丝/金带，是指用于模块内电路连接的金丝或者金带，并采用超声键合工艺装配。本发明所述的射频探针，是指用于模块输出信号的微带-波导过渡探针，一般为上下表面分别加工金属薄膜的硬质绝缘基片。

另外，本发明可更改尺寸和电路线条布设，使其在不同电磁波频率工作，覆盖频率包括但不限于40GHz～110GHz。在不同工作频率时，本发明构型不变，但尺寸和线条布设改变。

如图1所示，为80GHz-100GHz的倍频器模块。由盖板101、短路波导102、多层印制电路板103、基板104、裸芯片105、金丝/金带106、射频探针107、无源电子器件108、内部焊盘109、外部焊盘110等部分组成。盖板101和基板104是厚度为0.3毫米的两个金属薄板，采用机械加工实现，表面镀金。基板104对应射频输出端口位置加工有倒圆角(倒角半径0.5毫米)的矩形开口。短路波导102是采用机械加工制成的“帽”型金属壳。内凹深度0.75毫米，各面壁厚0.3毫米。短路波导通体镀金。短路波导朝向射频探针一侧有框型缺口，缺口宽0.8毫米、高0.7毫米。

多层印制电路板103是采用常规工艺制造的具有电路线条的框型敷铜电路板，内有5层绝缘材料，并有3个台阶。内部焊盘108和外部焊盘107均为多层印制板上的裸露的镀金触点，有多个，内部焊盘108位于第一台阶，外部焊盘107位于第三台阶(多层印制电路板103的上表面)。内部焊盘108和外部焊盘107中涉及射频连接的焊盘相互联通，采用带状线穿过多层印制板103。

裸芯片105包含共4片基于100um GaAs工艺的芯片，分别是放大器芯片、二倍频器芯片A、二倍频器芯片B、二倍频器芯片C。放大器芯片用于射频输入信号的信号功率放大，二倍频芯片A、二倍频芯片B、二倍频芯片C功能相同但分别工作在对应设计频率。

无源电子器件109为多个薄膜电容，电容值为10pF或100pF。金丝/金带106包含多个金丝或金带，低频连接采用25um金丝，射频连接采用50um金带。射频探针110采用厚度0.254毫米的石英基材，上下表面按设计图样涂覆2um纯金电路薄膜。

本实例的实现步骤如下：

按照设计要求加工和采购各组成部分；

将多层印制板103采用导电银胶粘接在基板104上；

将无源电子器件109(部分)、裸芯片105、射频探针110用导电银胶粘接在基板104对应位置上；

将无源电子器件109(部分)用导电银胶粘接在多层印制板103对应位置上；

将短路波导102采用合金焊料焊接基板103对应位置上；

将裸芯片105、无源电子器件109、射频探针110、多层印制板103的焊盘与内部焊盘108、外部焊盘107按照设计关系进行金丝和金带键合；

将盖板用导电银胶粘接在多层印制板103上。

至此实例结构制作完成。

需要注意的是，发明中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种W波段微封装倍频器模块，其特征在于，包括多层印制电路板、基板、盖板、短路波导、裸芯片、射频探针、无源电子器件；

所述多层印制电路板为具有多层台阶结构的框型电路板，其底端与基板固定连接形成具有台阶、内凹的腔室，多层印制电路板位于腔室内的台阶上设置有射频输入信号的内部焊盘和用于电路走线的若干内部焊盘，多层印制电路板位于腔室外的顶层台阶上设置有射频输入信号的外部焊盘和用于低频连接的外部焊盘；

所述裸芯片包含射频信号输入端口和射频信号输出端口，用于提供倍频功能，射频信号输入端口通过金丝/金带与射频输入信号的内部焊盘形成电气连接，射频信号输出端口与射频探针电气连接；

所述基板为金属薄板，基板位于腔室内部的一侧固定安装短路波导、裸芯片、射频探针和无源电子器件，基板在与射频探针端部对应的位置处设置有开口，短路波导位于开口上部且其朝向射频探针的一侧开设有缺口，射频探针端部通过该缺口进入短路波导与开口一起形成的半封闭空腔内，使射频输出信号以波导模式由开口输出，短路波导、基板开口、射频探针共同组成射频输出转接结构；

所述无源电子器件通过金丝/金带与用于电路走线的若干内部焊盘、用于低频连接的外部焊盘、裸芯片相关端口形成电气连接，以使裸芯片正常工作；

所述盖板利用多层印制电路板上层台阶的限位作用固定于腔室上方，用于保护腔室内的电路元件；

工作时，电源与控制信号通过用于低频连接的外部焊盘经由多层印制电路板内置的线路与裸芯片的相应端口连接，使裸芯片正常工作，射频输入信号通过射频输入信号的外部焊盘经由多层印制电路板内置的线路与裸芯片的射频信号输入端口连接，经裸芯片的倍频后形成射频输出信号由射频输出转接结构输出至外部。

2.如权利要求1所述的一种W波段微封装倍频器模块，其特征在于，所述短路波导为帽型金属壳体，其内部尺寸符合工作频率的短路波导尺寸要求，短路波导通体镀金或镀银。

3.如权利要求1所述的一种W波段微封装倍频器模块，其特征在于，所述无源电子器件为配合裸芯片和多层印制电路板焊盘连接所需的器件，包括电阻、电容和电感，其数量、规格根据具体电路设计确定。

4.如权利要求1所述的一种W波段微封装倍频器模块，其特征在于，所述射频探针指微带-波导过渡探针，为上下表面分别附有金属薄膜的硬质绝缘基片。

5.如权利要求1所述的一种W波段微封装倍频器模块，其特征在于，所述金丝/金带用于电路连接，采用超声键合工艺装配。

6.如权利要求1所述的一种W波段微封装倍频器模块，其特征在于，所述裸芯片的数量、型号、布局根据具体电路设计调整，通过更改电路设计，该倍频器模块的适用覆盖频率包括但不限于W波段。

Images