太赫兹无跳丝共面波导单片及系统级电路低插损封装结构技术方案

本发明专利技术公开一种太赫兹无跳丝共面波导单片及系统级电路低插损封装结构，应用于电路封装技术领域，针对现有的采用金丝键合线互联，存在的高传输损耗的问题，本发明专利技术在每个芯片测试pad上方的Pi介质层打孔制作孔状互联结构，使测试pad与共面波导微带连接，而无需传统的金丝键合跳线结构，微带与互联匹配枝节连接，用于修正孔状互联结构引入的阻抗失配，由于孔状互联结构和互联匹配枝节均采用高精度金属原子溅射技术制作，可以保证良好的一致性和重复性。

【技术实现步骤摘要】
太赫兹无跳丝共面波导单片及系统级电路低插损封装结构
本专利技术属于电路封装
，特别涉及一种太赫兹器件封装技术。
技术介绍
太赫兹波广义上指频率在100GHz～10THz(对应波长为3mm～30um)频谱范围内的电磁波，由于太赫兹波位于宏观电子学与微观光子学的过渡区，具有很多独特的性质。与微波毫米波相比，太赫兹波具有频率高、波长短的特点，因此，太赫兹波的波束定向性更强、分辨率更高、信息容量更大，同时电子设备可以制作得更小。与光波相比，太赫兹波的穿透性更强，可以应用于雨雾、硝烟弥漫的战场等环境，具备全天候工作能力；太赫兹波具有较低的光子能量，可以应用于生物活体组织的无损检测。因此，太赫兹技术在精确制导、宽带通信、物体成像、环境监测以及医疗诊断等领域应用前景广阔。太赫兹单片电路是在单个芯片上实现具有独立功能的各类电路，如功率放大器、低噪声放大器、混频器、倍频器、检波器、振荡器等，功能复杂的单片电路甚至可以集成整个收发前端电路。单片电路封装技术是片上功能电路与各种模块化电路互联的关键技术，系统级封装技术是将具有不同功能的有源、无源单片电路、不同半导体工艺的太赫兹电路等集成封装到一个结构壳体内的关键技术，是未来电子产品小型化、低成本的重要方向。而传统的单片及系统级电路封装技术是将芯片安装在金属腔体中，通过金丝或金带键合连接到微带线，然后由微带-波导过渡探针传输至波导腔，实现芯片-过渡结构-波导的信号传输转换；或者由微带传输至天线，实现芯片-微带-天线的信号传输辐射。如图1所示，使用导电胶将芯片安装在空腔中，然后通过金丝键合连接到高频基板的微带线上。然而，在毫米波和太赫兹频段，金丝键合线的感抗值较大，会造成严重的阻抗失配，金丝键合封装技术已经不能保证良好的传输性能，主要表现在高损耗，高反射，并且由于太赫兹芯片尺寸极小，金丝键合形式的过渡结构无法保证良好的重复性和一致性。面对传统封装技术无法完成良好的信号过渡的问题，目前的解决方法十分有限，芯片倒装是一种更先进的技术，通过使用导电焊球来替代金丝键合线，可减小芯片到微带间的过渡损耗。但它的局限性在于倒装芯片的基板上的焊盘尺寸和间距极小，加工难度较大甚至无法实现，同时会增大芯片的面积和片上传输损耗，导致更高昂的成本和芯片的射频性能下降。另外，主要采用片上天线直接向波导结构辐射的方法完成片上信号-导波信号的转换，然而这种方法完成的片上电路装配前完全无法进行片上测试，对模块的成品率构成了巨大的威胁，并且片上天线对单片工艺有更高更复杂的要求，会增加芯片的面积和成本，并不适用于所有工艺线。探针过渡结构可以实现两种电磁波传输模式的过渡及阻抗匹配。对过渡结构的性能要求是：低传输损耗和回波损耗，同时需要覆盖一定的频带宽度、重复性和一致性高、便于加工制作。矩形波导与平面传输线转换有多种形式，常用的主要是波导-脊波导-微带过渡、波导-微带探针过渡和波导-探针-微带过渡，这些传统微波过渡结构难以和片上电路的测试焊盘(pad)直接互联，而在毫米波及太赫兹频段，采用金丝键合线互联后，又会引入高传输损耗，且无法保证良好的重复性和一致性。为了适应太赫兹单片及系统级电路的平面封装集成需求，一些平面传输线也被提出用于传输太赫兹波。微带线、共面波导和带状线等被应用到太赫兹波的传输中，很多文献分析了其在太赫兹频段的损耗特性和色散特性。使用平面传输线传输太赫兹波面临的首要问题就是如何减小传输损耗，平面传输线的损耗主要由三部分组成：导体损耗、介质损耗和辐射损耗。其中介质损耗是由于介质在交变电场作用下，其内部分子来回碰撞，由此产生的热损耗，介质损耗随着介质损耗角正切值和频率增大而增大。目前在太赫兹频段减小介质损耗的方法十分有限，常用方法是使用石英作为平面传输线的基板，石英基片具有相对较小的介质损耗，但由于石英基片易断裂、加工工艺复杂、成本高等因素，无法大规模使用于太赫兹单片及系统级电路封装结构中。
技术实现思路
为解决上述技术问题，本专利技术提出一种太赫兹无跳丝共面波导单片及系统级电路低插损封装结构，该封装结构兼顾保留单片电路在片测试能力的、无需金丝键合线连接。本专利技术采用的技术方案为：太赫兹无跳丝共面波导单片及系统级电路低插损封装结构，包括：上腔体、下腔体、上腔体封盖在下腔体上形成的屏蔽腔、共面波导探针互联一体化封装结构，所述共面波导探针互联一体化封装结构安装在屏蔽腔内；所述屏蔽腔包括矩形波导腔、共面波导电路屏蔽腔和单片电路屏蔽腔。所述共面波导探针互联封装一体化结构，包括：塑封层、内嵌于塑封层中的太赫兹芯片、塑封层上覆盖的Pi介质层；所述太赫兹芯片包括：测试pad、地pad；在测试pad上方对应的Pi介质层位置钻孔，制作与芯片pad互联的孔状结构，所述Pi介质层上还包括制作：探针、探针阻抗匹配枝节、连接和承载孔状互联结构的微带、互联共面波导匹配枝节；所述与芯片pad互联的孔状结构与连接和承载孔状互联结构的微带相连，连接和承载孔状互联结构的微带与互联共面波导匹配枝节相连，探针与探针阻抗匹配枝节连接，所述探针阻抗匹配枝节连接还与互联共面波导匹配枝节相连。在太赫兹芯片下方为钼铜载板，钼铜载板底部与塑封层底部齐平，安装时采用导电胶将钼铜载板与下腔体烧结粘合。所述探针阻抗匹配枝节与互联阻抗匹配枝节均采用的双枝节串联阻抗匹配网络。塑封层厚度为太赫兹芯片与钼铜载板的厚度之和。孔状互联结构采用金属原子溅射技术制作。采用金属原子溅射技术，在Pi介质层上制作互联阻抗匹配枝节。矩形波导腔在靠近探针端采用减高波导。共面波导电路屏蔽腔采用了台阶状结构。本专利技术的有益效果：本专利技术具备以下优点：(1)本专利技术的封装结构不需要金丝连接芯片与共面波导传输线，消除了跳金丝结构在太赫兹波频段引入的巨大不连续性，有效降低芯片封装结构在太赫兹频段的损耗，提升封装性能；(2)本专利技术的封装结构一致性优于传统金丝键合跳线结构。传统金丝键合跳线结构，由于手工操作等因素，无法准确把控金丝的长度、弧度和角度，导致一致性较差。本专利技术的封装结构，采用金属原子溅射技术，金属图形及互联结构加工精度高达±1um，一致性优于传统金丝键合跳线结构。(3)本专利技术的封装结构采用共面波导作为平面传输线，与微带线相比，具有更小的插损。结合本专利技术的封装结构中双层复合介质基片的特点，通过对微带线和共面波导的场分布分析，由于围绕共面波导的场大部分分布在空气和Pi介质层中，而Pi介质层的损耗角正切值远小于塑封料，因此在本专利技术的封装结构中，共面波导的介质损耗更低，导致传输插损也更低。(4)本专利技术的封装结构相比于片上集成天线式过渡结构，省去了片上天线背部金属剥离和芯片减薄工艺，降低工艺复杂度和成本；(5)本专利技术的封装结构相比于片上集成天线式过渡结构保留了片上电路的测试用pad，可以在封装前在片检测单片电路性能，有效降低复杂电路装腔后出现性能故障的风险；(6)本专利技术的封装结构的形式简洁，不仅适用于单芯片电路封装，根据不同系统的性能和功能要求，也适用于多芯片电路本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.太赫兹无跳丝共面波导单片及系统级电路低插损封装结构，其特征在于，包括：上腔体、下腔体、上腔体封盖在下腔体上形成的屏蔽腔、共面波导探针互联一体化封装结构，所述共面波导探针互联一体化封装结构安装在屏蔽腔内；所述屏蔽腔包括矩形波导腔、共面波导电路屏蔽腔和单片电路屏蔽腔。/n

【技术特征摘要】
1.太赫兹无跳丝共面波导单片及系统级电路低插损封装结构，其特征在于，包括：上腔体、下腔体、上腔体封盖在下腔体上形成的屏蔽腔、共面波导探针互联一体化封装结构，所述共面波导探针互联一体化封装结构安装在屏蔽腔内；所述屏蔽腔包括矩形波导腔、共面波导电路屏蔽腔和单片电路屏蔽腔。


2.根据权利要求1所述太赫兹无跳丝共面波导单片及系统级电路低插损封装结构，其特征在于，所述共面波导探针互联封装一体化结构，包括：塑封层、内嵌于塑封层中的太赫兹芯片、塑封层上覆盖的Pi介质层；
所述太赫兹芯片包括：测试pad、地pad；
在测试pad上方对应的Pi介质层位置钻孔，制作与芯片pad互联的孔状结构，所述Pi介质层上还包括制作：探针、探针阻抗匹配枝节、连接和承载孔状互联结构的微带、互联共面波导匹配枝节；所述与芯片pad互联的孔状结构与连接和承载孔状互联结构的微带相连，连接和承载孔状互联结构的微带与互联共面波导匹配枝节相连，探针与探针阻抗匹配枝节连接，所述探针阻抗匹配枝节连接还与互联共面波导匹配枝节相连。


3.根据权利要求2所述太赫兹无跳丝共面波导单片及系统级电路低插损封装结构，其特征在于，在太赫兹芯片下方为钼铜载板，钼铜载板底部与塑封层底部齐平，安装时采用导电胶将钼铜载板与下腔体烧结粘合。安装时采用导电胶将钼铜载板与下腔体烧结粘合。


4.根据权利要求3所述太赫兹无...

【专利技术属性】
技术研发人员：王志刚，余波，王俊辉，延波，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川;51