一種集成蛇形天線的3d-mcm射頻系統的製作方法

2023-10-07 03:26:54

專利名稱：一種集成蛇形天線的3d-mcm射頻系統的製作方法
技術領域：
本發明屬於微波毫米波通信技術領域，涉及三維多晶片組件3D-MCM技術和低溫共燒陶瓷LTCC技木，尤其涉及一種應用於無線通信系統的小型化寬帶天線。
背景技術：
現代無線通信技術要求射頻系統向小型化、高性能化、多功能化和低成本方向發展。天線作為無線通信系統的必不可少的部件，必須與特定功能的集成電路IC元器件進行系統集成封裝，使無線通信設備的重量輕、體積小、功能多。在過去幾年中，基於低溫共燒陶瓷LTCC技術，使天線具有便攜、輕、薄、短、小的優點，利用三維多晶片組件3D-MCM技術，易於進行晶片集成，可大幅度提高封裝密度。但是將 LTCC天線技術和3D-MCM技術相結合用於集成封裝的射頻系統的報導還沒有。現有的集成封裝的射頻系統通常將天線和IC元器件封裝在單層介質基板的同一個表面，這使得系統的體積較大，且天線與IC元器件之間的耦合較為嚴重。也有一些將天線和IC元器件不是放在介質基板的同一個表面進行封裝的報導，但IC元器件為單層結構，且天線和封裝層體積較大，天線的帶寬較窄，且不能滿足集成天線的射頻系統對藍牙和Zigbee/802. 15. 4技術在2. 4GHz附近頻段的使用要求。

發明內容
本發明的目的在於針對上述問題，提供一種體積小、功能多、性能穩定的集成天線的3D-MCM射頻系統，以滿足現代無線通信系統對藍牙和Zigbee/802. 15. 4技術在2. 4GHz附近頻段的使用要求。本發明的目的通過下述技術方案實現—種集成蛇形天線的3D-MCM射頻系統，包括四層，自上到下依次為，第一層為LTCC蛇形天線，第二層為內部接地金屬層，第三層為封裝體，第四層為外部金屬接地板；所述LTCC蛇形天線它由LTCC基片(7)、50歐姆匹配線(5)和蛇形輻射單元(6)構成；50歐姆匹配線(5)和蛇形輻射單元(6)位於LTCC基片(7)中且處於同一平面內；50歐姆匹配線(5)位於蛇形輻射單元￠)的左側且與之相連；蛇形輻射單元出)為一段蛇形線結構；50歐姆匹配線(5)左側正下方的LTCC基片(7)中開設有垂直通孔(9)用於天線饋電；所述內部接地金屬層(2)位於LTCC基片(7)的下表面，且位於50歐姆匹配線
(5)的正下方，而在蛇形輻射單元出)的下方沒有金屬；所述內部接地金屬層(2)是通過在LTCC基片(7)的下表面塗覆銀或銅導電材料來實現；所述內部接地金屬層(2)內開設有一個與垂直通孔(9)相通的通道通孔(10)，用於為天線提供饋電通道，該通道通孔(10)的直徑大於垂直通孔(9)的直徑；第三層封裝體它由空腔(13)和四個封裝側壁第一封裝側壁151、第二封裝側壁152、第三封裝側壁153、第四封裝側壁154構成；空腔(13)位於內部接地金屬層(2)的正下方；在空腔(13)內，採用3D-MCM技術集成有多層IC裸晶片(14);在四個封裝側壁內開設有若干接地通孔(12)，孔內灌裝銀材料，用於將內部接地金屬層(2)與外部金屬接地板相連接；在垂直通孔(9)正下方的封裝側壁(151)內還開設有ー個饋電通孔(11)，該孔的直徑等於垂直通孔(9)的直徑，用於實現天線饋電；第四層金屬接地板該金屬接地板位於封裝體的下方，位於內部接地金屬層(2)的正下方，而在蛇形輻射單元(6)的正下方沒有金屬接地板；；金屬微帶饋線8位於PCB板18的上表面，用於實現天線饋電。所述的集成蛇形天線的3D-MCM射頻系統，LTCC基片(7)和封裝體採用採用LTCC陶瓷的相對介電常數範圍為2 14。所述的集成蛇形天線的3D-MCM射頻系統，50歐姆匹配線(5)和蛇形輻射單元(6) 距離LTCC基片(7)上表面的距離為O O. 2mm，50歐姆匹配線(5)的長度SL為10mm，寬度SW為2 3mm，蛇形輻射單元(6)的長度L為10. 2mm，寬度W為5 7mm，該蛇形線的寬度W2為O. 5mm，線間距Wl為O. 5mm, LTCC基片(7)的長度為20. 2mm,寬度比蛇形輻射單元
(6)的寬度大O O. 5mm,厚度為I I. 5mm。所述的集成蛇形天線的3D-MCM射頻系統，封裝體的長度FL等於LTCC基片(7)的長度，寬度FW等於LTCC基片(7)的寬度，厚度ra為I I. 6mm ;3個封裝側壁第一封裝側壁(151)、第二封裝側壁(152)、第三封裝側壁(153)的寬度FWl為O. 6 I. 4mm，第四封裝側壁(154)的寬度FW2為FWl+10.2mm;空腔(13)的高度為O. 9 I. 5mm ;IC裸晶片(14)的尺寸小於空腔的尺寸；若干接地通孔(12)的孔間距為O. 01 λ O. I λ，λ為自由空間波長。所述的集成蛇形天線的3D-MCM射頻系統，所述外部金屬接地板是通過在PCB板(18)的上、下表面電鍍ー層金屬銅形成第一金屬層(4)和第二金屬層(17),PCB板(18)米用玻璃纖維環氧樹脂FR-4 ;第一金屬層(4)和第二金屬層(17)位於封裝體的下方，且位於內部接地金屬層(2)的正下方，而在蛇形輻射單元￠)的正下方沒有金屬；第一金屬層(4)和第二金屬層(17)的長度GL為40mm，寬度GW為30mm，PCB板(18)的長度為50. 2mm,寬度為30mm;微帶饋線(8)為一段50歐姆微帶線，長度為30. 75mm，寬度為I. 5mm，微帶饋線(8)與第一金屬層⑷的間距為SI = S2 = O. 75臟，S3 = O. 5臟。本發明與現有技術相比，具有如下顯著優點(I)本發明由於採用蛇形天線結構，使天線的帶寬更寬，集成該天線的射頻系統的體積更小。(2)本發明由於在封裝體內開設有內部空腔，採用3D-MCM技術，進行多層IC裸晶片集成，使系統的體積更小、功能更加多祥化。(3)本發明由於在蛇形天線和封裝體之間設有內部接地金屬層，它可以最小化天線和封裝器件之間的不需要的耦合，使系統可靠性得到提高。(4)本發明可通過調整天線介質材料的厚度、封裝尺寸、封裝高度、通孔的位置和數量這些關鍵因素，使蛇形天線的諧振點在2. 4GHz附近，集成蛇形天線的3D-MCM射頻系統滿足現代無線通信對藍牙和Zigbee/802. 15. 4技術的要求。


圖I是本發明系統的截面剖視圖；圖2是本發明系統中的天線結構示意圖；圖3是本發明系統中的封裝結構示意圖；圖4是本發明系統中金屬接地板上表面結構示意圖；圖5是本發明系統中的天線中頻率與反射損耗Sll之間的關係仿真圖；圖6是本發明系統中的天線的E面和H面增益方向仿真圖。
具體實施例方式以下結合具體實施例，對本發明進行詳細說明。 參照圖1，本發明系統包括四層，自上到下，第一層為LTCC蛇形天線，第二層為內部接地金屬層，第三層為封裝體，第四層為外部金屬接地板。第一層LTCC蛇形天線，其結構如圖2所示，它由LTCC基片7、50歐姆匹配線5和蛇形輻射單元6構成。50歐姆匹配線5與蛇形輻射單元6相連且處於同一平面內，它們距離LTCC基片7的上表面有一定距離，用於減小環境變化對天線的影響，蛇形輻射單元6為一段蛇形線結構。50歐姆匹配線5和蛇形輻射單元6距離LTCC基片7上表面的距離為O. 127mm, 50歐姆匹配線的長度SL為10mm，寬度SW為2. 85mm,蛇形輻射單元6的長度L為10. 2mm,寬度W為6. Imm,該蛇形線的寬度W2為O. 5mm，線間距Wl為O. 5mm。LTCC基片7的長度為20. 2mm,寬度比蛇形輻射單元6的寬度大O. 2mm,厚度為I. 27mm。50歐姆匹配線5左側正下方的LTCC基片7中開設有垂直通孔9，孔內灌裝銀材料，用幹天線饋電，該孔的半徑 R = O. 075mm。第二層內部接地金屬層2，通過在LTCC基片7的下表面塗覆銀或銅材料來實現，該內部接地金屬層2位於50歐姆匹配線5的正下方，而在蛇形輻射單元6的下方沒有金屬。由於天線和晶片14之間存在耦合，該耦合使系統性能降低，金屬層2的作用是使這種耦合最小化。該內部接地金屬層2內開設有ー個與垂直通孔9相通的通道通孔10為天線提供饋電通道，該垂直通孔9的直徑R = O. 075mm,通道通孔10的半徑R = O. 3mm ;第三層封裝體，其結構如圖，它由空腔13和四個封裝側壁封裝側壁151、封裝側壁152、封裝側壁153、封裝側壁154構成。封裝體的長度FL等於LTCC基片7的長度，寬度FW等於LTCC基片7的寬度，厚度為I. 397mm。空腔13位於內部接地金屬層2的正下方，空腔的高度為I. 143_，在空腔13內，採用3D-MCM技術集成有3層IC裸晶片14，該晶片的長度為3mm，寬度為3mm，高度為O. 3mm。3個封裝側壁151、152、153的寬度FWl為O. 8mm,封裝側壁154的寬度FW2為11mm。在四個封裝側壁內開設有若干接地通孔12，該孔的半徑R=O. 075mm，孔間距為0.01 λ，λ為自由空間波長，孔內灌裝銀材料，用於將內部接地金屬層2與外部金屬接地板相連接。在垂直通孔9正下方的封裝側壁151內還開設有一個饋電通孔11，該孔的直徑等於垂直通孔9的直徑，用於實現天線饋電。第四層外部金屬接地板，它是通過在PCB板18的上、下表面電鍍ー層金屬銅形成金屬層4和金屬層17，PCB板18採用玻璃纖維環氧樹脂FR-4。其上表面的金屬層4的結構如圖4，其下表面的金屬層17為全金屬，上、下表面金屬層位於封裝體的下方，位於內部接地金屬層2的正下方，而在蛇形輻射單元6的正下方沒有金屬。金屬層4和金屬層17的長度GL為40mm，寬度GW為30mm，PCB板18的長度為50. 2mm,寬度為30mm。金屬微帶饋線8位於PCB板18的上表面，用於實現天線饋電，它為一段50歐姆微帶線，長度為30. 75mm,寬度為I. 5mm,微帶饋線8與四周金屬的間距為SI = S2 = O. 75mm, S3 = O. 5mm。其中，LTCC基片7和封裝體採用的LTCC陶瓷的相對介電常數範圍為5. 9。本發明的效果可以通過以下仿真進一步說明 採用電磁場仿真軟體Ansoft-HFSS對優選實施例進行仿真，得到的天線反射係數Sll曲線如圖5，E面和H面增益方向圖如圖6。圖5表明，天線的諧振點為2. 4GHz,該點處的反射係數是_35dB，在2. 257GHz-2. 553GHz頻率範圍內的駐波比小於2，可見，天線帶寬約為300M。圖6表明，該天線是全向性天線且在整個工作頻段範圍內可以獲得極好的線極化。天線峰值增益為2. 68dBi。可見，該集成天線的3D-MCM集成封裝系統能滿足無線通信網絡對藍牙和Zigbee/802. 15. 4技術在2. 4GHz附近頻段的使用要求。應當理解的是，對本領域普通技術人員來說，可以根據上述說明加以改進或變換，而所有這些改進和變換都應屬於本發明所附權利要求的保護範圍。
權利要求
1.ー種集成蛇形天線的3D-MCM射頻系統，其特徵在於，包括四層，自上到下依次為，第ー層為LTCC蛇形天線，第二層為內部接地金屬層，第三層為封裝體，第四層為外部金屬接地板； 所述LTCC蛇形天線它由LTCC基片(7)、50歐姆匹配線(5)和蛇形輻射單元(6)構成；.50歐姆匹配線(5)和蛇形輻射單元(6)位於LTCC基片(7)中且處於同一平面內；50歐姆匹配線(5)位於蛇形輻射單元(6)的左側且與之相連；蛇形輻射單元(6)為一段蛇形線結構；50歐姆匹配線(5)左側正下方的LTCC基片(7)中開設有垂直通孔(9)用幹天線饋電； 所述內部接地金屬層(2)位於LTCC基片(7)的下表面，且位於50歐姆匹配線(5)的正下方，而在蛇形輻射單元出)的下方沒有金屬；所述內部接地金屬層(2)是通過在LTCC基片(7)的下表面塗覆銀或銅導電材料來實現；所述內部接地金屬層(2)內開設有ー個與垂直通孔(9)相通的通道通孔(10)，用於為天線提供饋電通道，該通道通孔(10)的直徑大於垂直通孔(9)的直徑； 第三層封裝體它由空腔(13)和四個封裝側壁第一封裝側壁151、第二封裝側壁.152、第三封裝側壁153、第四封裝側壁154構成；空腔(13)位於內部接地金屬層(2)的正下方；在空腔(13)內，採用3D-MCM技術集成有多層IC裸晶片(14);在四個封裝側壁內開設有若干接地通孔(12)，孔內灌裝銀材料，用於將內部接地金屬層(2)與外部金屬接地板相連接；在垂直通孔(9)正下方的封裝側壁(151)內還開設有ー個饋電通孔(11)，該孔的直徑等於垂直通孔(9)的直徑，用於實現天線饋電； 第四層金屬接地板該金屬接地板位於封裝體的下方，位於內部接地金屬層(2)的正下方，而在蛇形輻射單元出)的正下方沒有金屬接地板；；金屬微帶饋線8位於PCB板18的上表面，用於實現天線饋電。
2.根據權利要求I所述的集成蛇形天線的3D-MCM射頻系統，其特徵在於，LTCC基片(7)和封裝體採用採用LTCC陶瓷的相對介電常數範圍為2 14。
3.根據權利要求I所述的集成蛇形天線的3D-MCM射頻系統，其特徵在於，50歐姆匹配線(5)和蛇形輻射單元(6)距離LTCC基片(7)上表面的距離為O O. 2mm, 50歐姆匹配線(5)的長度SL為10mm，寬度SW為2 3mm，蛇形輻射單元(6)的長度L為10. 2mm,寬度W為.5 7mm，該蛇形線的寬度W2為O. 5mm，線間距Wl為O. 5mm，LTCC基片(7)的長度為20. 2mm,寬度比蛇形福射單元(6)的寬度大O O. 5mm,厚度為I I. 5mm。
4.根據權利要求I所述的集成蛇形天線的3D-MCM射頻系統，其特徵在於，封裝體的長度FL等於LTCC基片(7)的長度，寬度FW等於LTCC基片(7)的寬度，厚度!7H為I I. 6mm ;3個封裝側壁第一封裝側壁(151)、第二封裝側壁(152)、第三封裝側壁(153)的寬度FWl為O. 6 I. 4mm，第四封裝側壁(154)的寬度FW2為FW1+10. 2mm ;空腔(13)的高度為O. 9 .1.5mm ；IC裸晶片(14)的尺寸小於空腔的尺寸；若干接地通孔(12)的孔間距為O. 01 λ .O.I λ，λ為自由空間波長。
5.根據權利要求I所述的集成蛇形天線的3D-MCM射頻系統，其特徵在於，所述外部金屬接地板是通過在PCB板(18)的上、下表面電鍍ー層金屬銅形成第一金屬層(4)和第二金屬層(17)，PCB板(18)採用玻璃纖維環氧樹脂FR-4 ;第一金屬層(4)和第二金屬層(17)位於封裝體的下方，且位於內部接地金屬層(2)的正下方，而在蛇形輻射單元(6)的正下方沒有金屬；第一金屬層⑷和第二金屬層(17)的長度GL為40臟，寬度GW為30mm，PCB板(18)的長度為50. 2mm,寬度為30mm ;微帶饋線(8)為一段50歐姆微帶線，長度為30. 75mm,寬度為I. 5mm,微帶 饋線⑶與第一金屬層⑷的間距為SI = S2 = O. 75mm, S3 = O. 5mm。
全文摘要
本發明公開了一種集成蛇形天線的3D-MCM射頻系統，包括四層，自上到下依次為，第一層為LTCC蛇形天線，第二層為內部接地金屬層，第三層為封裝體，第四層為外部金屬接地板；本發明體積小、頻帶寬、可靠性高，可用於2.4GHz附近頻段的無線通信。
文檔編號H01Q1/22GK102694565SQ20121015675
公開日2012年9月26日 申請日期2012年5月18日 優先權日2012年5月18日
發明者吳櫂耀, 楊銀堂, 董剛 申請人:西安電子科技大學