一种三维立体集成的GCPW-SIW的垂直过渡结构

技术领域

本发明属于微波毫米波技术领域，尤其涉及一种三维立体集成的GCPW-SIW的垂直过渡结构。

背景技术

随着无线通信系统和雷达探测感知系统应用的快速发展，迫切需要系统设备中的微波毫米波电路子系统集成度不断提高，以满足高性能、小型化、低功耗的系统应用需求。而在微波毫米波频段，基片集成波导(SIW)因其低成本、低传输损耗、可实现高性能天线阵列且易于与其他组件集成，而被广泛使用。接地共面波导(GCPW)则可将微波毫米波芯片与电路高效互联，并且具备优良的信号传输特性。因此，GCPW和SIW的过渡互联结构，非常适合于微波毫米波电路模块的集成和封装天线形式的射频微系统，具有广泛的应用场景。

传统的GCPW-SIW过渡结构为单层平面内的过渡结构，电路尺寸大且难以在同层集成更多的芯片和器件，已无法满足更高集成度的三维立体电路集成与封装的发展要求。而本发明提出的GCPW-SIW垂直过渡结构，正是针对使用微波毫米波芯片和器件实现三维立体集成电路模块和射频微系统的一种技术方案，通过层间垂直过渡结构，实现了各层电路的层叠互联，并具有优良的过渡性能和工作带宽，适合于三维立体集成电路与系统。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种三维立体集成的GCPW-SIW的垂直过渡结构。

本发明是这样实现的，一种三维立体集成的GCPW-SIW的垂直过渡结构，所述三维立体集成的GCPW-SIW的垂直过渡结构包括：依次叠置的第一层(GCPW层)、第二层(绝缘介质层)、第三层(金属波导层)、第四层(SIW层)；第一层(GCPW层)上，电路表面GCPW传输线与芯片或器件通过封装互联工艺技术连接集成在第一层电路中。

GCPW-SIW垂直过渡结构中，层与层之间通过电磁耦合结构连接，并通过电磁耦合的方式，实现信号的垂直过渡传输。

进一步，第一层(GCPW层)与第四层(SIW层)使用标准高频电路板材，确保微波毫米波信号高效传输。第二层(绝缘介质层)可使用标准高频电路板材，也可使用具有绝缘电性能的其他材料板材。

进一步，第一层(GCPW层)包括主GCPW传输线、匹配GCPW传输线和过渡探针，主GCPW传输线与匹配GCPW传输线的线宽相匹配、传输线与地之间的间距通过仿真优化以实现良好的阻抗匹配，主GCPW传输线与有源器件或芯片通过封装互联工艺技术连接。

进一步，第二层(绝缘介质层)中，在对应第一层中的过渡探针位置的正上方，开设有第一矩形槽和矩形槽外围周期性排列的通孔。

进一步，第三层(金属波导层)中，开设有第二矩形槽，第二矩形槽且位于第一层中过渡探针位置的正上方。

进一步，第四层(SIW层)包括构成SIW传输结构的周期性排列的金属孔，和设置在介质基板上顶面和下底面的金属导体层，上顶面和下底面的金属层之间通过所述金属化过孔连接。下底面的金属导体层通过金属腐蚀，开设有第三矩形槽，第三矩形槽且位于第一层中过渡探针位置的正上方。

进一步，第一层(GCPW层)的主GCPW传输线通过一段匹配GCPW传输线与过渡探针相连；第一层中的过渡探针、第二层中的第一矩形槽、第三层中的第二矩形槽、第四层下底面金属导体层中的第三矩形槽，四层结构逐层对齐叠放，形成层间过渡结构。

进一步，基于电磁耦合的层间过渡结构包括：第一层(GCPW层)中的过渡探针、第二层(绝缘介质层)中的第一矩形槽和矩形槽外围周期性排列的通孔、第三层(金属波导层)中的第二矩形槽、第四层(SIW层)中的第三矩形槽。

进一步，第四层(SIW层)包含过渡SIW传输线和主SIW传输线；过渡SIW传输线与主SIW传输线相连。

进一步，在第一层(GCPW层)中，利用封装互联工艺技术将有源器件或芯片与GCPW传输线互联集成，有源器件或芯片产生的微波毫米波信号即可传输至GCPW传输线，而GCPW传输线传输的信号，通过过渡探针和由第一层至第四层逐层对齐叠放构成的层间过渡结构，进而过渡传输至第四层(SIW层)中的过渡SIW传输线，并最终传输至主SIW传输线。主SIW传输线可为标准的SIW传输线结构，也可为基于SIW传输线结构的SIW缝隙天线阵列。

结合上述的技术方案和解决的技术问题，本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：

第一、本发明针对在微波毫米波频段，利用各类器件和芯片(包含模拟射频器件和芯片、数字芯片、电源芯片等，并适用于裸芯片和已封装芯片)，构建三维立体集成SIP(Systemin Package)射频微系统以及三维封装集成形式的微波毫米波电路模块，提出一种应用于有源器件或芯片三维立体集成的GCPW-SIW垂直过渡结构，实现了底层电路中器件和芯片端口与顶层天线端口的三维立体互联，在较宽工作频段内具备良好的过渡传输特性，适用于三维高密度的系统集成互联应用，尤其是在三维多层SIP集成结构中，实现层间器件或芯片层埋的互联集成场景。

第二，本发明实现了易于与器件和芯片互联集成的GCPW传输线与易于实现天线阵列结构的SIW传输线之间的三维层间互联，为三维立体集成封装的微系统和电路模块中，层间内埋各种类型的有源器件和芯片提供了的技术方案。本发明采用GCPW-SIW的多层垂直过渡结构，使得电磁波信号能够在三维电路层间传播，相比传统的单层平面过渡结构，在保持过渡性能不变的前提下，多层垂直过渡结构的尺寸大幅度减小。同时，考虑到不同封装形式(如倒装芯片、金丝键合等)的器件和芯片所需的空间高度不同，本发明中的第三层(金属波导层)的高度可以自由调节，增强了三维立体集成整体设计的灵活度，并能保证很小的传输损耗。仿真结果显示在89.7-99GHz频段内，在第三层(金属波导层)高度为20mm的条件下，驻波比小于1.4，插入损耗平均值为1.1dB，若高度降低，插入损耗则会相应降低。

本发明通过将GCPW传输线、层间垂直过渡结构、SIW传输线整体集成设计，实现了底层GCPW至顶层SIW的低损耗垂直过渡转换。本发明结构简单、加工精度要求低、工作带宽较宽、插入损耗低。本发明适用于需要层埋器件和芯片的三维立体集成应用，能够实现更高的系统集成度和更小的系统整体尺寸。同时，该过渡结构具有低过渡损耗、实现结构简单和较宽工作带宽的特点，能够低成本的广泛应用于微波毫米波前端的系统集成中。仿真结果显示该过渡结构在89.7-99GHz频段内，具有低传输损耗和低反射系数的良好工作特性。

第三，作为本发明的权利要求的创造性辅助证据，还体现在以下几个重要方面：

(1)本发明的技术方案转化后的预期收益和商业价值为：

本发明适用于微波毫米波频段微系统和电路模块的三维立体集成，特别适用于需要层埋器件和芯片的三维立体集成应用。有利于提升集成度，大幅度减小体积尺寸和重量。在小型化通信与雷达探测设备，微波毫米波电路模块领域，有着较大的产业应用推广价值。

(2)本发明的技术方案填补了国内外业内技术空白：

本发明适用于微波毫米波频段微系统和电路模块的三维立体集成，特别适用于需要层埋有源器件和芯片的三维立体集成应用，能够实现更高的系统集成度和更小的系统整体尺寸，而且技术实现方式简单、成本低。目前在三维立体集成中，现有工艺和技术，技术工艺复杂，成本高，实现层间层埋器件或芯片的工艺限制条件多，设计灵活度低，限制了三维立体集成技术与系统的发展和应用推广。

(3)本发明的技术方案是否解决了人们一直渴望解决、但始终未能获得成功的技术难题：

本发明提供了一种低成本、利用常规生产制造和封装工艺，即可实现器件和芯片层埋的三维立体集成的技术途径。和现有能够实现层埋的多层电路技术工艺相比，其成本有望降低70％以上，并能提供更大的设计灵活度和设计通用性。

(4)本发明的技术方案是否克服了技术偏见：

本发明提供了一种采用标准通用的电路板和腔体结构生产制造技术和封装互联工艺，即可实现器件和芯片层埋的三维立体集成的技术途径。规避开了，原有三维立体集成一定要通过先进微电子封装技术或先进封装工艺技术实现的技术途径。例如，在原有技术思想中，实现三维立体集成，需要通过晶圆级的芯片封装互联技术，利用先进的微电子封装工艺和电路制造工艺技术，方能实现三维立体集成的电路模块或微系统，例如利用先进微电子封装技术实现的AIP(Antenna In Package)形式的射频微系统，其实现工艺复杂，设计自由度受工艺限制大，实现成本高，而且受工艺条件限制，能够集成的器件和芯片数量十分有限。本发明避开了现有的三维集成技术思路，旨在利用标准通用的电路板和腔体结构生产制造技术和封装互联工艺，以低成本的方式，提供一种高设计灵活度的三维立体集成技术途径，并能够对各种类型的器件和芯片实现层间层埋，能够低成本的实现更多器件芯片的三维层间集成，有利于提高系统集成度，降低系统的整体尺寸。

第四，基于本发明提供的三维立体集成的GCPW-SIW的垂直过渡结构，以下列举了其带来的显著的技术进步：

1)高效的垂直信号传输：通过使用这种三维立体集成结构，能够在多层间实现高效率的信号垂直过渡。这使得电路的整体布局更为紧凑，为更复杂的系统集成提供了空间。

2)阻抗匹配的优化：通过仿真优化，GCPW层与SIW层之间的阻抗匹配得到了提高，降低了信号在转换过程中的反射和损失。

3)广泛的材料选择：结构设计考虑了多种高频电路板材和其他绝缘电性能的材料板材，为不同的应用条件和需求提供了更多的选择空间。

4)增强的集成能力：通过使用封装互联工艺技术，此结构能够更方便地与其他芯片或器件进行集成，进一步提升了电路的整体性能和可靠性。

5)减少的信号损耗：由于GCPW层和SIW层使用了专门为高频信号设计的电路板材，这降低了在传输过程中的信号损耗，提高了整体的传输效率。

6)灵活的设计：该设计不仅为GCPW到SIW的转换提供了解决方案，还为其他的微波和毫米波信号转换提供了模板，具有很高的应用潜力。

7)成本效益：考虑到使用标准的高频电路板材，该设计提供了一种在成本和性能之间取得平衡的方法，对于大规模生产尤其有利。

8)易于生产和封装：三维立体结构的设计使得生产和封装过程更为简单，可以利用现有的工艺技术，无需额外的复杂设备或方法。

本发明提供的三维立体集成的GCPW-SIW的垂直过渡结构提供了一种高效、可靠且成本效益的解决方案，对于高频、微波和毫米波电路设计领域带来了显著的技术进步。

附图说明

图1是本发明实施例提供的三维立体集成的GCPW-SIW垂直过渡结构的立体结构示意图。

图2是本发明实施例提供的三维立体集成的GCPW-SIW垂直过渡结构的第一层(GCPW层)的俯视图。

图3是本发明实施例提供的三维立体集成的GCPW-SIW垂直过渡结构的第四层(SIW层)的俯视图。

图4是本发明实施例提供的应用于有源器件三维立体集成的示意图。

图5是本发明实施例提供的应用于有源器件三维立体集成的GCPW-SIW垂直过渡结构S参数仿真结果图。

图6是本发明实施例提供的应用于有源器件三维立体集成的GCPW-SIW垂直过渡结构驻波比仿真结果图。

图中：1、第一层(GCPW层)；2、第二层(绝缘介质层)；3、第三层(金属波导层)；4、第四层(SIW层)；5、主GCPW传输线；6、匹配GCPW传输线；7、过渡探针；8、过渡SIW传输线；9、主SIW传输线；10、金属导体层；11、层间空气腔；12、有源器件；13、层间过渡的波导空气腔。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

以下是本发明提供的关于三维立体集成的GCPW-SIW的垂直过渡结构的两个具体实施例及其实现方案：

实施例1：

1)GCPW层(第一层)：此层使用标准的FR4高频电路板材制成。主GCPW传输线和匹配GCPW传输线均使用0.5mm的线宽，并且与地之间的间距为1mm。线宽和间距都通过HFSS仿真软件进行了优化，以确保良好的50欧姆的阻抗匹配。

2)绝缘介质层(第二层)：这一层使用厚度为2mm的聚酰亚胺(PI)板材，确保高的绝缘性和低的损耗。

3)金属波导层(第三层)：此层使用铜板制作，并且具有多个波导孔以支持SIW结构。这些孔的直径为0.3mm，间距为1mm。

4)SIW层(第四层)：此层同样使用标准的FR4高频电路板材制成。SIW结构中的波导孔与第三层的孔对齐，确保信号能够有效地从GCPW结构传输到SIW结构。

实施例2：

1)GCPW层(第一层)：此层使用Rogers RO4350B高频电路板材制成。主GCPW传输线和匹配GCPW传输线均使用0.7mm的线宽，间距为0.8mm。这些参数通过CST仿真软件进行优化，以实现良好的阻抗匹配。

2)绝缘介质层(第二层)：这一层使用厚度为1.5mm的PTFE板材，它提供了出色的绝缘性能和低损耗。

3)金属波导层(第三层)：此层使用铝板制作。波导孔的直径为0.2mm，间距为0.9mm。

4)SIW层(第四层)：此层使用Rogers RO4350B高频电路板材制成。SIW结构中的波导孔与第三层的孔完全对齐。

这两个实施例都针对GCPW-SIW的垂直过渡结构进行了设计，但是使用了不同的材料和参数。这样可以根据具体的应用需求和预算选择最合适的实施方案。本发明实施例提供的三维立体集成的GCPW-SIW垂直过渡结构应用于有源器件或芯片的三维立体集成。

GCPW为接地共面波导(Grounded Coplanar Waveguide:GCPW)。

SIW为基片集成波导(Substrate Integrated Waveguide:SIW)。

如图1所示，本发明实施例提供的三维立体集成的GCPW-SIW垂直过渡结构包括依次叠置的第一层(GCPW层)1、第二层(绝缘介质层)2、第三层(金属波导层)3、第四层(SIW层)4；第一层(GCPW层)1上表面的金属传输导线与有源器件12通过器件或芯片封装工艺技术连接集成在一起；层与层之间通过电磁耦合结构连接。

第一层(GCPW层)1与第四层(SIW层)4使用标准高频电路板材，确保微波毫米波信号高效传输，可用多种微波毫米波电路的加工制造技术实现。第二层(绝缘介质层)2可使用标准高频电路板材，也可使用具有绝缘电性能的其他材料板材。

如图2所示，第一层(GCPW层)1包括主GCPW传输线5、匹配GCPW传输线6和过渡探针7，所述主GCPW传输线5与匹配GCPW传输线6的线宽相匹配、传输线与地之间的间距通过仿真优化实现阻抗匹配，过渡探针7的尺寸能够调节探针结构的阻抗匹配特性，主GCPW传输线5与有源器件12通过封装互联工艺技术相连接。

第二层(绝缘介质层)2中，在对应第一层中的过渡探针位置的正上方，开设有第一矩形槽和矩形槽外围周期性排列的通孔。

第三层(金属波导层)3中，开设有第二矩形槽，第二矩形槽且位于第一层中过渡探针位置的正上方。

如图3所示，第四层(SIW层)4包含过渡SIW传输线8和主SIW传输线9；过渡SIW传输线8与主SIW传输线9相连，第四层(SIW层)4结构包括构成SIW传输结构的周期性排列的金属化通孔和介质基板顶面和底面的金属导体层10，顶面和底面的金属导体层10通过金属化通孔连接导通，介质基板底面的金属导体层10开设有第三矩形槽。

第一层(GCPW层)1中的主GCPW传输线5通过一段匹配GCPW传输线6与过渡探针7相连；所述过渡探针7、所述第二层(绝缘介质层)2中的第一矩形槽、所述第三层(金属波导层)3中的第二矩形槽、所述第四层(SIW层)4中的第三矩形槽逐层对齐叠放。

层与层之间通过电磁耦合结构连接，电磁耦合结构包括：过渡探针7、第二层(绝缘介质层)2中的第一矩形槽和矩形槽外围周期性排列的通孔、第三层(金属波导层)3中的第二矩形槽、第四层(SIW层)4中的第三矩形槽。

如图4所示，所述层间内埋集成有源器件12的三维立体集成结构主要由：第一层(GCPW层)1、第二层(绝缘介质层)2、第三层(金属波导层)3、第四层(SIW层)4构成。有源器件12装配在第一层(GCPW层)1顶面的金属层10上，且放置于层间空气腔11内，并通过封装互联工艺技术(如焊球焊接连接、金丝键合连接等)与第一层(GCPW层)1顶面金属层10中的主GCPW传输线5连接在一起。有源器件12产生的微波毫米波信号即可传输至主GCPW传输线5，而主GCPW传输线5传输的信号，通过过渡探针7和由第一层至第四层逐层对齐叠放构成的层间过渡结构，进而过渡传输至第四层(SIW层)4中的过渡SIW传输线8，并最终传输至主SIW传输线9。主SIW传输线9可为标准的SIW传输线结构，也可为基于SIW传输线结构的SIW缝隙天线阵列。

实施例1：

一种应用于有源器件三维立体集成的GCPW-SIW的垂直过渡结构，该垂直过渡结构包括四层基本结构，具体为依次对齐叠置的第一层(GCPW层)1、第二层(绝缘介质层)2、第三层(金属波导层)3、第四层(SIW层)4。

第一层(GCPW层)1与第四层(SIW层)4使用标准高频电路板材，确保微波毫米波信号高效传输，可用多种微波毫米波电路的加工制造技术实现。第二层(绝缘介质层)2可使用标准高频电路板材，也可使用具有绝缘电性能的其他材料板材。

本实施例中，第一层(GCPW层)1使用0.254mm厚度的Rogers 5880板材，第四层(SIW层)4使用0.508mm厚度的Rogers 5880板材。第二层(绝缘介质层)2使用0.127mm厚度的Rogers 5880板材，一种使用方式为将0.127mm厚度的Rogers 5880板材顶面和底面的金属铜箔腐蚀去除，而仅保留板材的介质层。第三层(金属波导层)3为厚度2.3mm的金属块层，且在第一层(GCPW层)1中的过渡探针7的正上方开设有层间过渡的波导空气腔13，在有源器件12的正上方开设有层间空气腔11。

第一层(GCPW层)1包括主GCPW传输线5、匹配GCPW传输线6和过渡探针7。所述主GCPW传输线5与匹配GCPW传输线6线宽相匹配，传输线与地之间的间距通过仿真优化以实现良好的阻抗匹配。

过渡探针7的外侧长度Lp为0.9λ

第二层(绝缘介质层)2中开设第一矩形槽，矩形槽长度Lr为0.5λ

第三层(金属波导层)3中有开设矩形波导腔，腔的长度Lc为0.6λ

第四层(SIW层)4底层金属开设一个矩形槽，槽长度Lb为0.9λ

图5、图6是三维立体集成的GCPW-SIW垂直过渡结构在本实施例中的过渡性能仿真结果，可以看到在89.7-99GHz频段内，驻波比小于1.4，插入损耗平均值为1.1dB。

实施例2：第二层(绝缘介质层)2中不开设通孔或者开设金属化通孔。其它部分结构与实施例一相同，仍可实现本发明功能。

实施例3：第三层(金属波导层)3的厚度，可根据需层间内埋器件或芯片的高度，而任意调节，以满足有源器件三维立体集成和实现层间阻抗匹配的要求。其它部分结构与实施例一相同，仍可实现本发明功能。

本发明适用于微波毫米波频段微系统和电路模块的三维立体集成，特别适用于需要层埋器件和芯片的三维立体集成应用。有利于提升集成度，大幅度减小体积尺寸和重量。在小型化通信与雷达探测设备，微波毫米波电路模块领域，有着广阔的产业应用推广价值。例如在无人机平台上，搭载基于三维立体集成的小型化通信系统设备，可实现无人机平台的移动无线通信和通信网络组网应用。又例如，将基于三维立体集成的小型化雷达探测设备安装于无人机平台上，则可利用无人机实现低成本且高效的各种雷达探测应用。

本发明提供了一种低成本、利用常规生产制造和封装工艺，即可实现器件和芯片层埋的三维立体集成的技术途径。和现有能够实现层埋的多层电路技术工艺相比，其成本有望降低70％以上，并能提供更大的设计灵活度和设计通用性。十分适用于低成本的射频微系统集成和应用。和现有平面集成的射频系统相比，其体积尺寸能够降低60％以上，重量降低40％以上，能够搭载于如小型无人机这样的轻载荷平台，使其产生更丰富的应用场景。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。