基于CGA封装的中空杆壁波导器件的制备方法、设计方法

基于cga封装的中空杆壁波导器件的制备方法、设计方法
技术领域
1.本发明涉及传输线波导技术领域，特别涉及一种基于cga封装的中空杆壁波导器件的制备方法、设计方法。


背景技术：

2.传输线发展到今天，在无线电通信、广播、导航、雷达等各种民用和军用系统中发挥了重要作用。由于传输线在各个领域应用的广泛性和重要性，因此实现易加工、低损耗的高性能传输线就具有重要的意义。
3.现有的传输线，例如微带线和波导等，已广泛应用于各个频段的无线电系统。微带线易于构造各种微波电路元件，并与其他微波器件组合，作为小型平面化和集成微波电路单元，但不能用于大功率传输系统，也不适合用于长距离传输线，且在高频段下，微带线馈电网络会存在较高的欧姆损耗和介电损耗，并且以表面波形式存在的杂散辐射和泄露。波导是指截面为各种形状的空心金属波导管，它既没有电介质损耗也没有辐射损耗，具有功率容量大、导体损耗和介质损耗小、结构简单，易于制造等优点，易于实现宽频带、高增益性能、广泛应用于航空航天和雷达通信系统等。但是，存在重量大、不便于系统集成等问题，在毫米波/太赫兹高频领域的高精度制备与量产仍具有挑战性。与传统的波导结构和传播特性类似的基片集成波导siw(substrateintegratedwaveguide)在高频情况下有着很好的优势。具有低损耗、低辐射、高功率容量等特性。但其结构很难像微带线一样灵活设计。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足，提供一种基于cga封装的中空杆壁波导器件的制备方法。
5.为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于cga封装的中空杆壁波导器件的制备方法，包括以下步骤：
6.提供一具有馈电孔的第一铜金属层，所述第一铜金属层具有相对的第一表面和第二表面；
7.将载板键合至所述第一铜金属层的第一表面上；
8.在所述第一铜金属层的第二表面由下至上依次形成一钛金属层以及一铜金属层；
9.在铜金属层的上表面涂覆光刻干膜，光刻、刻蚀形成图案化铜金属层，以露出部分钛金属层；
10.以图案化铜金属层为掩膜，刻蚀去除图案化铜金属层并形成图案化钛金属层；
11.识别图案化钛金属层，进行丝网定位刷导电银浆；
12.识别图案化钛金属层，定位铜柱焊垫位置并根据设计图纸完成铜柱的柱栅列阵封装植柱，所述铜柱呈周期性排布，且相邻铜柱间形成空气间隙，以形成传输通道；
13.提供一具有馈电孔的第二铜金属层；
14.在铜柱的顶表面用银浆进行点胶以焊接在所述第二铜金属层上。
15.柱栅阵列(cga)封装一方面进一步扩大了封装尺寸，增加了引脚数量，其能批量生产的i/o数量超过1000的一种器件封装类型，并且具有如下优点：更好的抗疲劳性能、更好的散热性能，同时具备耐高温、耐高压和良好的抗潮湿性能等，且cga器件的封装结构可以有效缩短信号通路，降低寄生效应，使信号速度和品质得到提高。
16.另一方面，cga封装能够满足高性能fpga等领域特别是航空航天应用等对器件高性能、高密度和高可靠性的要求。基于cga封装工艺的中空杆壁波导具有低损耗、宽频带、高可靠性、散热性能好等优势。
17.在一更佳的实施例中，所述第一铜金属层的厚度为0.4-0.8mm，优选为0.5mm，所述第二铜金属层的厚度为0.4-0.8mm，优选为0.5mm。
18.应注意的是，在本发明中，在考虑到后期堆叠器件，该第一铜金属层、第二铜金属层的厚度可以选择越薄越佳，然而，当该第一铜金属层、第二铜金属层的厚度低于0.4mm后，导致其过软变得无法加工，因而要求该第一金属层、第二金属层的厚度应在0.4mm以上；而在不考虑其堆叠情况下，其可以选择更厚的厚度，而不限于0.4-0.8mm；
19.在另一些实施例中，该第一铜金属层与第二铜金属层的厚度可以相同或者不同；
20.在一更佳的实施例中，在形成图案化钛金属层后移除载板，并在第一表面上进行贴膜。
21.在一更佳的实施例中，所述载板为玻璃载板。
22.在一更佳的实施例中，所述钛金属层的厚度为0.05-0.15μm，优选为0.1μm；所述铜金属层的厚度为0.8-1.2μm，优选为1μm。
23.在一更佳的实施例中，在提供所述第一铜金属层和第二铜金属层之前，对其二者依次进行表面平坦化处理、以及定位孔的打孔。
24.在一更佳的实施例中，所述表面平坦化处理采用cmp化学抛光的方式进行。
25.在一更佳的实施例中，相邻两个铜柱之间的中心距离≥0.1mm。
26.在一更佳的实施例中，所述铜柱的直径为0.4-0.6mm，优选为0.5mm，高度为1.4-1.6mm，优选为1.5mm。
27.基于柱栅阵列(cga)封装工艺的中空杆壁波导为一种新型波导形式，它利用一排周期性打在介质上的cga铜柱代替传统波导金属壁，可以把电磁波限制在一定的空间范围内向前传播。与传统矩形波导相比，基于柱栅阵列(cga)封装工艺的中空杆壁波导具有易于量产和集成、重量轻、成本低等优势，而且兼具了与矩形波导相似的低损耗传播特性。而与传统的基片集成波导最大的不同在于，基于柱栅阵列(cga)封装工艺的中空杆壁波导不采用传统的电介质填充，而仅仅是空气填充，因此与基片集成波导相比，基于柱栅阵列(cga)封装工艺的中空杆壁波导中的介质损耗可忽略不计，更易实现低损耗传输和高效率器件。
28.本发明提供一种中空杆壁波导器件的设计方法，其采用如上任一所述的基于cga封装的中空杆壁波导器件的制备方法所制得的中空杆壁波导器件，并采用如下步骤进行设计：
29.根据设计天线工作频段确定波导长边和短边的范围，再根据传统基片集成波导的设计确定波导尺寸和柱栅列阵铜柱的间距，最终确定波导长边尺寸以及铜柱的间距；
30.对波导进行馈电设计，根据工作频段采用60g波段标准波导wr15进行馈电，该馈电结构为u型结构；
31.设计两种长度的谐振腔，并确定参数，在谐振腔中设置两组柱栅列阵铜柱，并调节两组柱栅列阵铜柱之间的距离，该模型可以用于测试单频点的q值；
32.设计t型功分器，并确定参数；
33.设计3db耦合器，并确定参数；
34.设计1
×
4辐射缝隙模型，使其对外辐射，并确定缝隙尺寸，调节末端缝隙与铜柱的距离以及相邻两个缝隙之间的水平和垂直距离；
35.设计短路模型，该模型用于在测试上述器件时，使用trl校准方法测试上述设计器件。
36.综上所述，本技术包括以下至少一种有益技术效果：
37.本发明提供一种中空杆壁波导器件，在设计中着重控制天线中cga铜柱的尺寸、间距，在加工方面，本发明采用柱栅阵列(cga)封装工艺，与传统加工工艺相比，有效克服了传统扩散焊接工艺等焊接技术中不可避免的误差缺陷，实现了50um以内的加工误差。本发明的损耗小于0.002db/mm，同时实现了w波段的全覆盖，且由于是中空结构，散热效果好，与传统的siw相比有不可比拟的优势。本发明充分发挥天线结构特点以及结构带来的加工工艺优势，实现了低损耗、宽频带，高散热的优点，因此具有广泛的应用价值。本发明在基于柱栅阵列(cga)封装工艺的基础上设计了多种器件，在后期的工作中还可通过堆叠的方式实现器件尺寸的改变，以及对滤波器等更复杂器件的设计。
附图说明
38.图1是用以说明本发明一实施例提供的一种中空杆壁波导器件的俯视结构示意图；
39.图2－图13是用以说明本发明一实施例提供的一种中空杆壁波导器件制造方法剖面图；
40.图14是基于本发明提供的中空杆壁波导器件的设计流程图；
41.图15是本发明图1所示实施例中的馈电结构；
42.图16是本发明图1所示实施例中的直波导俯视图；
43.图17是本发明图1所示实施例中的t型功率分配器俯视图；
44.图18是本发明图1所示实施例中的谐振腔俯视图；
45.图19是本发明图1所示实施例中的3db耦合器俯视图；
46.图20是本发明图1所示实施例中的1
×
4辐射缝隙俯视图；
47.图21是本发明图1所示实施例中的短路俯视图；
48.图22是本发明一优选实施例采用tgv加工所形成的通孔结构示意图；
49.图23是本发明图1所示实施例的直波导反射图；
50.图24是本发明图1所示实施例的直波导在带宽内的损耗图。
51.附图标记说明：10、第一铜金属层；11、第一表面；12、第二表面；13、测试孔；14、馈电孔；20、铜柱；30、第二铜金属层；40、载板；50、钛金属层；51、图案化钛金属层；60、铜金属层；61、图案化铜金属层；70、光刻干膜；80、导电银浆。
具体实施方式
52.下文结合附图1-24和具体实施方式对本发明做进一步说明。
53.在下文中被用于描述附图的某些方向性术语，例如“内”、“外”、“上方”、“下方”和其它方向性术语，将被理解为具有其正常含义并且指正常看附图时所涉及的那些方向。除另有指明，本说明书所述方向性术语基本按照本领域技术人员所理解的常规方向。
54.本发明中所使用的术语“第一”、“第一个”、“第二”、“第二个”及其类似术语，在本发明中并不表示任何顺序、数量或重要性，而是用于将一个部件与其它部件进行区分。
55.请参照图1，图1用以说明本发明一实施例提供的一种中空杆壁波导器件的俯视结构示意图，其可以为从第一铜金属层10一侧俯视所得的结构示意图，也可以是从第二铜金属层30一侧俯视所得的结构示意图；本发明一实施例提供一种中空杆壁波导器件，其包含：一第一铜金属层10、若干铜柱20、以及一第二铜金属层30；该第一铜金属层10、第二铜金属层30在各工序之前，先进行测试孔13、馈电孔14的打孔，所述第一铜金属层10上的馈电孔14与所述第二铜金属层30上的馈电孔14相匹配；在本实施例中，所述铜柱20采用柱栅列阵封装植柱工艺完成，所述铜柱20两端分别固定于第二铜金属层30以及第一铜金属层10上，所述第一铜金属层10具有相对的第一表面11与第二表面12，其朝向第二铜金属层30的表面为第二表面12，该第二表面12上具有图案化钛金属层51，该图案化钛金属层51在实施丝网印刷导电银浆80以及将柱栅阵列的铜柱20进行焊点对位时，具有标识作用，从而使得将加工误差控制在50μm以内。
56.图2至图13为本发明一实施例提供的基于cga封装的中空杆壁波导器件的制造方法剖面图；
57.本发明一实施例提供一种中空杆壁波导器件的制备方法，包括以下步骤：
58.详细来说，请参考图2，提供一具有馈电孔的第一铜金属层10，所述第一金属具10有相对的第一表面11与第二表面12，所述第一铜金属层10的厚度为0.5mm；
59.在所述第一铜金属层10键合载板40之前，对所述第一铜金属层10进行表面平坦化处理；所述表面平坦化处理采用cmp化学抛光的方式进行。
60.请参考图3，激光打孔，对该第一铜金属层10进行激光打孔，该孔为测试孔13，用以将法兰通过该孔穿过并将该第一铜金属层10固定，以便于进行测试，该激光打孔可以采用高能激光的方式进行打孔；
61.请参考图4，在所述第一铜金属层10的第一表面11上键合一载板40，所述载板40为玻璃载板，例如是b270玻璃；
62.请参考图5，在所述第一铜金属层10的第二表面12由下至上依次形成一钛金属层50以及一铜金属层60，所述钛金属层50的厚度为0.5μm；所述铜金属层60的厚度为1μm，形成前述金属层的方法可以是pvd，选用较薄的钛金属层是为了减小加工误差，避免其影响测试结果；
63.请参考图6，在该铜金属层60的上表面涂覆光刻干膜70；
64.请参考图7，光刻、刻蚀形成图案化铜金属层61，以露出部分钛金属层50；
65.请参考图8，以图案化铜金属层61为掩膜，刻蚀去除图案化铜金属层61以及部分钛金属层50并形成图案化钛金属层51，金属钛在金属铜基上，其颜色易于识别、附着且对信号传输影响小；
66.请参考图9，移除载板40，在第一表面11上进行贴膜，具体而言，可以是在第一表面11上用高温黄胶带贴膜，起到隔绝作用，隔绝金属离子透过孔洞，且使得金属层上下短接；
67.请参考图10，识别图案化钛金属层51，进行铜网定位刷导电银浆80；
68.请参考图11，识别图案化钛金属层51，定位铜柱20焊垫位置并根据设计图纸完成铜柱的柱栅列阵封装植柱以形成cga铜柱，相邻两个铜柱20之间的中心距离≥0.1mm，较佳地，本发明提供的所述波导器件中，cga铜柱的相邻距离优选在0.1-0.5mm之间，所述铜柱的直径为0.5mm，高度为1.5mm，在该尺寸下，可以有效平衡器件损耗与加工难度的掣肘，铜柱高度越高，虽然损耗越小，但同时加工难度越大，而cga铜柱其在损耗上具有较大的优势是传统波导金属壁所不具有的，因而可以选择较小的尺寸予以实施；
69.请参考图12、图13，在铜柱20的顶表面用银浆进行点胶以焊接在第二铜金属层30上，所述第二铜金属层30上具有与第一铜金属层10相匹配的馈电孔，所述第二铜金属层30的厚度为0.5mm。
70.作为一其他实施方式，为了进一步提高加工精度，本发明提供另一实施例，其采用tgv(玻璃通孔)技术，用于制作基于玻璃镀铜的上下板，即形成第一金属化层和第二金属化层，相似于前述实施例的第一铜金属层以及第二铜金属层，而后再实施铜柱的柱栅列阵封装植柱。其中，tgv技术是一种应用于圆片级三维封装互连技术，具有优良高频电学特性，工艺流程简单，不需要沉积绝缘层，机械稳定性强、翘曲小且成本低，在射频组件、光电集成等方面得到广泛应用。
71.其加工的板材截面如图22所示，该结构应用于波导转接部分。其侧壁具有一定的突起结构，由于其θ角只有2
°
至3
°
，对波导影响较小，所以可以忽略不计。其中，中间部分为玻璃，从玻璃表面由内至外依次为钛层、铜层，其中，钛层为铜层与玻璃的中间层，用以增强它们之间的粘附性，其厚度为0.1μm；铜层厚度为5μm。
72.参考图14，本发明提供一种中空杆壁波导器件的设计方法，采用如上所述的中空杆壁波导器件的制备方法所制得的中空杆壁波导器件，并采用如下步骤进行设计：
73.根据设计天线工作频段确定波导长边和短边的范围，再根据传统基片集成波导的设计进一步确定波导尺寸和cga铜柱间距，最终确定波导长边尺寸为3.44mm，铜柱间距为0.5mm；
74.对波导进行馈电设计，根据工作频段本发明采用60g波段标准波导wr15进行馈电，该馈电结构为u型结构，具有良好的馈电效果，且加工方便；
75.设计两种长度的谐振腔，并确定参数，在谐振腔中有两组铜柱，通过控制两组铜柱之间的距离，使其在61.5ghz处达到一个良好的谐振效果；
76.设计t型功分器，并确定参数，通过外加两组铜柱调节t型功率分配器的反射，使其达到良好的反射效果；
77.设计3db耦合器，并确定参数，在耦合器中通过掐腰结构以及耦合缝隙长度调节耦合效果；
78.设计1
×
4辐射缝隙模型，使其对外辐射，并确定缝隙尺寸，通过调节末端缝隙与铜柱的距离以及相邻两个缝隙之间的水平和垂直距离，使其达到良好的匹配和辐射效果；
79.设计短路模型，该模型用于在测试上述器件时，使用trl校准方法测试上述设计器件，并减小误差。
80.本实施例为一种基于cga铜柱的中空杆壁波导。该实施采用中心频点为61.5ghz频率的背馈式馈电。在本实施例中，采用一种基于cga铜柱的中空杆壁波导的设计方法，使用hfss仿真软件对该波导进行设计和仿真分析。具体设计步骤如下：
81.请参考图15，图15为所有器件的馈电方式，入口处采用60ghz波段wr15标准波导馈电，通过标准波导和入口将能量耦合到器件中，通过优化将馈电口尺寸bx设为2.658mm，by设为1.163mm，其中部分铜柱偏移量p1设为0.700mm，偏移量p2设为0.800mm，偏移量p3设为0.736mm，偏移量p4设为0.736mm，偏移量p5设为0.88mm，馈电口中心距最外缘铜柱中心距离p6设为2.626mm。
82.请参考图16，图16为直波导模型俯视图，选择合适的cga铜柱尺寸，通过优化cga铜柱中空杆壁波导的宽度，并控制同一排相邻cga铜柱的间距，优化直波导中的电磁波通过率。其中直波导中cga铜柱的直径r为0.5mm，同一排相邻cga铜柱中心间距d设为0.5mm，在优化反射的保证满足加工工艺的要求与电磁波的有效传输，cga铜柱中空杆壁波导宽度w设为3.44mm，高度h设为2.5mm，其中cga铜柱高为1.5mm。图23为一42mm长中空杆壁波导的反射图，s11《20db的带宽为13.11％。图24为该波导的损耗，可以看出在频率带宽内其波导的整体损耗小于0.01db。
83.请参考图17，图17为t型功率分配器的俯视图，通过外加的两组铜柱来调节t型功率分配器的反射，使其达到良好的匹配效果。t型功率分配器中cga铜柱中空杆壁波导宽度同样设为w，高度同样设为h。对于t型功率分配器，窗口宽度w1为3.454mm，内侧cga铜柱偏移量o1为1.190mm，外侧cga铜柱偏移量o2为1.602mm。
84.请参考图18，图18为谐振腔模型俯视图，谐振腔中cga铜柱中空杆壁波导宽度同样设为w，高度同样设为h。通过在直波导中外加4对铜柱形成谐振腔，通过优化，设腔长cl设为6.25mm，4对铜柱的偏移量o3为1mm，腔内宽度w2为2.04mm。
85.请参考图19，图19为3db耦合器俯视图，该耦合器为四端口，两输入两输出。耦合器中cga铜柱中空杆壁波导宽度同样设为w，高度同样设为h。通过优化，在耦合处，偏移量off1设为0.301mm，偏移量off2设为0.339mm，偏移量off3设为0.483mm，偏移量o4设为0.8mm，偏移量o5设为0.651mm。
86.请参考图20，图20为1
×
4辐射缝隙俯视图，其中cga铜柱中空杆壁波导宽度同样设为w，高度同样设为h。通过优化，设当个缝长fx为2.451mm，在水平方向上相邻缝中心距离px为6.566mm，在垂直方向上相邻缝中心距离py为1.539mm。
87.请参考图21，其为本发明图1所示实施例中的短路俯视图。
88.本发明提供了一种基于柱栅阵列(cga)封装工艺制备的中空杆壁波导及其设计方法，所设计的转接器、功率分配器、耦合器、波导缝隙天线等器件，具有易加工、低损耗、宽频带等优点，可广泛用于雷达、卫星、5g通信等领域。
89.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，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，利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均属于侵犯本发明保护范围的行为。

技术特征：
1.一种基于cga封装的中空杆壁波导器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：提供一具有馈电孔的第一铜金属层，所述第一铜金属层具有相对的第一表面和第二表面；将载板键合至所述第一铜金属层的第一表面上；在所述第一铜金属层的第二表面由下至上依次形成一钛金属层以及一铜金属层；在铜金属层的上表面涂覆光刻干膜，光刻、刻蚀形成图案化铜金属层，以露出部分钛金属层；以图案化铜金属层为掩膜，刻蚀去除图案化铜金属层并形成图案化钛金属层；识别图案化钛金属层，进行丝网定位刷导电银浆；识别图案化钛金属层，定位铜柱焊垫位置并根据设计图纸完成铜柱的柱栅列阵封装植柱，所述铜柱呈周期性排布，且相邻铜柱间形成空气间隙，以形成传输通道；提供一具有馈电孔的第二铜金属层；在铜柱的顶表面用银浆进行点胶以焊接在所述第二铜金属层上。2.如权利要求1所述的基于cga封装的中空杆壁波导器件的制备方法，其特征在于：所述第一铜金属层的厚度为0.4-0.8mm，所述第二铜金属层的厚度为0.4-0.8mm。3.如权利要求1所述的基于cga封装的中空杆壁波导器件的制备方法，其特征在于：在形成图案化钛金属层后移除载板，并在第一表面上进行贴膜。4.如权利要求1所述的基于cga封装的中空杆壁波导器件的制备方法，其特征在于：所述载板为玻璃载板。5.如权利要求1所述的基于cga封装的中空杆壁波导器件的制备方法，其特征在于：所述钛金属层的厚度为0.05-0.15μm；所述铜金属层的厚度为0.8-1.2μm。6.如权利要求1所述的基于cga封装的中空杆壁波导器件的制备方法，其特征在于：在提供所述第一铜金属层和第二铜金属层之前，对其二者依次进行表面平坦化处理、以及定位孔的打孔。7.如权利要求1所述的基于cga封装的中空杆壁波导器件的制备方法，其特征在于：所述表面平坦化处理采用cmp化学抛光的方式进行。8.如权利要求1所述的基于cga封装的中空杆壁波导器件的制备方法，其特征在于：相邻两个铜柱之间的中心距离≥0.1mm。9.如权利要求1所述的基于cga封装的中空杆壁波导器件的制备方法，其特征在于：所述铜柱的直径为0.4-0.6mm，高度为1.4-1.6mm。10.一种中空杆壁波导器件的设计方法，其特征在于，采用如权利要求1-9任一项所述的基于cga封装的中空杆壁波导器件的制备方法所制得的中空杆壁波导器件，并采用如下步骤进行设计：根据设计天线工作频段确定波导长边和短边的范围，再根据传统基片集成波导的设计确定波导尺寸和柱栅列阵铜柱的间距，最终确定波导长边尺寸以及铜柱的间距；对波导进行馈电设计，根据工作频段采用60g波段标准波导wr15进行馈电，该馈电结构为u型结构；设计两种长度的谐振腔，并确定参数，在谐振腔中设置两组柱栅列阵铜柱，并调节两组柱栅列阵铜柱之间的距离；
设计t型功分器，并确定参数；设计3db耦合器，并确定参数；设计1
×
4辐射缝隙模型，使其对外辐射，并确定缝隙尺寸，调节末端缝隙与铜柱的距离以及相邻两个缝隙之间的水平和垂直距离；设计短路模型，该模型用于在测试上述器件时，使用trl校准方法测试上述设计器件。

技术总结
本发明涉及传输线波导技术领域，特别涉及一种基于CGA封装的中空杆壁波导器件的制备方法，其包括以下步骤：提供一具有馈电孔的第一铜金属层，第一铜金属层具有相对的第一表面和第二表面；将载板键合至第一铜金属层的第一表面上；在第一铜金属层的第二表面由下至上依次形成一钛金属层以及一铜金属层；在铜金属层的上表面涂覆光刻干膜，光刻、刻蚀形成图案化铜金属层，以露出部分钛金属层；以图案化铜金属层为掩膜，刻蚀去除图案化铜金属层并形成图案化钛金属层；识别图案化钛金属层，进行丝网定位刷导电银浆；识别图案化钛金属层，定位铜柱焊垫位置并根据设计图纸完成铜柱的柱栅列阵封装植柱；提供一具有馈电孔的第二铜金属层；在铜柱的顶表面用银浆进行点胶以焊接在第二铜金属层上。铜金属层上。铜金属层上。


技术研发人员：张淼 吴舒月 周庆 于大全 柳清伙
受保护的技术使用者：厦门大学
技术研发日：2022.10.24
技术公布日：2023/1/6