基于高频传输的LTCC与PCB间垂直互联结构与方法

摘要

本发明涉及宽带高频信号的传输，属于电气互联领域，尤其是涉及一种基于高频传输的LTCC与PCB间垂直互联结构与方法。本发明针对现有技术存在的问题，提供一种垂直互联结构与方法，所设计的互联结构基于球栅阵列（Ball Grid Array，以下简称BGA）焊接结构，利于小型化、高密度的系统集成。本发明包括LTCC组件，PCB组件以及互连结构，通过在第二LTCC组件类同轴结构的焊盘上进行植球焊接，然后将植好焊球的LTCC组件作为一个器件，在PCB组件上采用标准SMT流程进行装配，使得第二LTCC组件类同轴结构通过焊球，与第一PCB组件内同轴结构互联，实现LTCC组件与PCB组件的垂直互联。

说明书

技术领域

本发明涉及宽带高频信号(DC-35GHz)的传输，属于电气互联领域，尤其是一种基于高频传输的LTCC与PCB间垂直互联结构与方法。

背景技术

随着低温共烧陶瓷(Low Temperature Cofired Ceramics，以下简称LTCC)与印制电路板(Printed Circuit Board，以下简称PCB)技术的不断成熟，在当今产品小型化、多功能化的需求推动下，两种组件在系统级产品上实现高频、高密度互连的需求越来越高。以往多采用盒体隔离、金丝(或金带)级联的方式实现互连，但这种互连方法占用的空间大，信号传输距离长，损耗大，且不利于高频信号的应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术存在的问题，提供一种基于高频传输的LTCC与PCB间垂直互联结构与方法。其能在LTCC和PCB之间实现DC-35GHz宽带高频信号传输，且其结构为垂直互联结构，所设计的互联结构基于球栅阵列(Ball Grid Array，以下简称BGA)焊接结构，利于小型化、高密度的系统集成。参考BGA器件在PCB上的组装结构方式，通过大量仿真分析与试验验证，获得一种LTCC在PCB组件上垂直组装、传递高频信号的设计。

本发明采用的技术方案如下：

一种基于高频传输的LTCC与PCB间垂直互联结构包括：

LTCC组件，用于LTCC陶瓷板上组装了相应电子器件的组件；LTCC陶瓷板上表面设置用于传递信号的LTCC组件上表层微带线、用于传递信号的第一LTCC组件类同轴结构、用于传递信号的第二LTCC组件类同轴结构以及屏蔽过孔；LTCC陶瓷板内部设置用于传递信号的LTCC组件内层带状线；LTCC组件上表层微带线一端通过第一LTCC组件类同轴结构，与LTCC组件内层带状线一端连接；LTCC组件内层带状线另一端与第二LTCC组件类同轴结构连接，屏蔽过孔均匀分布在LTCC组件上表层微带线、第一LTCC组件类同轴结构、LTCC组件内层带状线以及第二LTCC组件类同轴结构周围；

PCB组件，用于PCB板上设置相应电子器件的组件；PCB焊接板上表面设置用于传递信号的PCB组件上表层微带线、用于传递信号的第一PCB组件类同轴结构、用于传递信号的第二PCB组件类同轴结构以及屏蔽过孔；PCB焊接板内部设置用于传递信号的PCB组件内层带状线；第二PCB组件类同轴结构与PCB组件内层带状线一端连接；PCB组件内层带状线另一端通过第二PCB类同轴组件，与PCB组件上表层微带线一端连接；屏蔽过孔均匀分布在PCB组件上表层微带线、第一PCB组件类同轴结构、PCB组件内层带状线以及第二PCB组件类同轴结构周围；焊接装置，用于焊球在第二LTCC组件类同轴结构的焊盘上进行植球焊接，然后将植好焊球的LTCC组件作为一个器件，在PCB组件上采用标准SMT流程进行装配，使得第二LTCC组件类同轴结构通过焊球，与第一PCB组件内同轴结构互联，实现LTCC组件与PCB组件的垂直互联；其中信号传输路线为LTCC上表层微带线→第一LTCC组件类同轴结构→LTCC内层带状线→第二LTCC组件上表层微带线→焊球→PCB上表层BGA焊盘→第一PCB组件类同轴结构→PCB内层带状线→第二PCB组件类同轴结构→PCB上表层微带线。

进一步的，所述PCB组件内层带状线与PCB组件上表层微带线之间设置匹配节；所述匹配节通过第二PCB组件类同轴结构与PCB组件上表层微带线连接；匹配节宽度是介于第二PCB组件类同轴结构外导体内径与PCB组件内层带状线导带层宽度之间；第二PCB组件类同轴结构外导体内径大于PCB组件内层带状线导带层宽度。

进一步的，所述LTCC组件上表层微带线、PCB组件上表层微带线都为导带，导带介质分别对应为LTCC基材、PCB基材；LTCC组件上表层微带线是以LTCC陶瓷板内部地层为接地面的微带线，LTCC基材、PCB的基材热膨胀系数都是小于10×10^-6/℃的基材；LTCC基材热膨胀系数与PCB基材热膨胀系数差越小越好；LTCC组件上表层微带线、PCB组件上表层微带线特征阻抗都是其中ε_r分别对应为LTCC组件上表层微带线、PCB组件上表层微带线导带的介质相对介电常数，h分别对应为LTCC组件上表层微带线、PCB组件上表层微带线的导带介质厚度，w分别对应为LTCC组件上表层微带线导带层宽度、PCB组件上表层微带线导带层宽度，t分别对应为LTCC组件上表层微带线、PCB组件上表层微带线导带层厚度。

进一步的，所述第一LTCC组件类同轴结构、第二LTCC组件类同轴结构、第一PCB组件类同轴结构以及第二PCB组件类同轴结构都是以传输信号的垂直过渡孔为内导体，以周围接地的垂直过渡孔为外导体，以LTCC基材的类同轴结构；第一LTCC组件类同轴结构、第二LTCC组件类同轴结构介质为LTCC基材；第一PCB组件类同轴结构以及第二PCB组件类同轴结构介质为PCB基材；第一LTCC组件类同轴结构、第二LTCC组件类同轴结构、第一PCB组件类同轴结构以及第二PCB组件类同轴结构特性阻抗为其中ε_r分别对应为第一LTCC组件类同轴结构、第二LTCC组件类同轴结构、第一PCB组件类同轴结构以及第二PCB组件类同轴结构介质相对介电常数，D分别对应为第一LTCC组件类同轴结构外导体内径、第二LTCC组件类同轴结构外导体内径、第一PCB组件类同轴结构外导体内径以及第二PCB组件类同轴结构外导体内径，d分别为第一LTCC组件类同轴结构的过孔直径、第二LTCC组件类同轴结构的过孔直径、第一PCB组件类同轴结构过孔直径以及第二PCB组件类同轴结构过孔直径。

进一步的，所述LTCC组件内层带状线、PCB组件内层带状线的特征阻抗LTCC组件内层带状线、PCB组件内层带状线分别对应以LTCC内层印制线为导带、PCB内层印制线为导带，以LTCC内层印制线导带、PCB内层印制线导带上下两侧接地层为接地面的带状线，ε_r是LTCC组件内层带状线、PCB组件内层带状线介质相对介电常数；h分别对应为LTCC组件内层带状线介质厚度、PCB组件内层带状线介质厚度，w分别对应为LTCC内层印制线导带宽度、PCB内层印制线导带宽度，t分别对应为LTCC内层印制线导带厚度、PCB内层印制线导带厚度。

一种基于高频传输的LTCC与PCB间垂直互联方法包括：

步骤1：LTCC陶瓷板表面设置用于传递信号的LTCC组件上表层微带线、用于传递信号的第一LTCC组件类同轴结构、用于传递信号的第二LTCC组件类同轴结构以及屏蔽过孔；LTCC陶瓷板内部设置用于传递信号的LTCC组件内层带状线；PCB印制板表面设置用于传递信号的PCB组件上表层微带线、用于传递信号的第一PCB组件类同轴结构、用于传递信号的第二PCB组件类同轴结构以及屏蔽过孔；PCB印制板内部设置用于传递信号的PCB组件内层带状线；LTCC组件是LTCC陶瓷板上装配了相应芯片的结构；PCB组件是PCB板上装配了相应电子器件的结构；步骤2：LTCC组件上表层微带线一端通过第一LTCC组件类同轴结构，与LTCC组件内层带状线一端连接；LTCC组件内层带状线另一端与第二LTCC组件类同轴结构连接，屏蔽过孔均匀分布在LTCC组件上表层微带线、第一LTCC组件类同轴结构、LTCC组件内层带状线以及第二LTCC组件类同轴结构周围；第二PCB组件类同轴结构与PCB组件内层带状线一端连接；PCB组件内层带状线另一端通过第二PCB类同轴组件，与PCB组件上表层微带线一端连接；屏蔽过孔均匀分布在PCB组件上表层微带线、第一PCB组件类同轴结构、PCB组件内层带状线以及第二PCB组件类同轴结构周围；

步骤3：焊球在第二LTCC组件类同轴结构的焊盘上进行植球焊接，然后将植好焊球的LTCC组件作为一个器件，在PCB组件上采用标准SMT流程进行装配，使得第二LTCC组件类同轴结构通过焊球，与第一PCB组件内同轴结构互联，实现LTCC组件与PCB组件的垂直互联；其中信号传输路线为LTCC上表层微带线→第一LTCC组件类同轴结构→LTCC内层带状线→第二LTCC组件上表层微带线→焊球→PCB上表层BGA焊盘→第一PCB组件类同轴结构→PCB内层带状线→第二PCB组件类同轴结构→PCB上表层微带线。

进一步的，所述PCB组件内层带状线与PCB组件上表层微带线之间设置匹配节；所述匹配节通过第二PCB组件类同轴结构与PCB组件上表层微带线连接；匹配节宽度是介于第二PCB组件类同轴结构外导体内径与PCB组件内层带状线导带层宽度；第二PCB组件类同轴结构外导体内径大于PCB组件内层带状线导带层宽度。

进一步的，所述LTCC组件上表层微带线、PCB组件上表层微带线都为导带，导带介质分别对应为LTCC基材、PCB基材；LTCC组件上表层微带线是以LTCC陶瓷板内部地层为接地面的微带线，LTCC基材、PCB的基材热膨胀系数都是小于10×10^-6/℃的基材；LTCC基材热膨胀系数与PCB基材热膨胀系数差越小越好；LTCC组件上表层微带线、PCB组件上表层微带线特征阻抗都是其中ε_r分别对应为LTCC组件上表层微带线、PCB组件上表层微带线导带介质相对介电常数，h分别对应为LTCC组件上表层微带线、PCB组件上表层微带线导带介质厚度，w分别对应为LTCC组件上表层微带线、PCB组件上表层微带线导带层宽度，t分别对应为LTCC组件上表层微带线、PCB组件上表层微带线导带层厚度。

进一步的，所述第一LTCC组件类同轴结构、第二LTCC组件类同轴结构、第一PCB组件类同轴结构以及第二PCB组件类同轴结构都是以传输信号的垂直过渡孔为内导体，以周围接地的垂直过渡孔为外导体，以LTCC基材的类同轴结构；第一LTCC组件类同轴结构、第二LTCC组件类同轴结构介质为LTCC基材；第一PCB组件类同轴结构以及第二PCB组件类同轴结构介质为PCB基材；第一LTCC组件类同轴结构、第二LTCC组件类同轴结构、第一PCB组件类同轴结构以及第二PCB组件类同轴结构特性阻抗为其中ε_r分别对应为第一LTCC组件类同轴结构、第二LTCC组件类同轴结构、第一PCB组件类同轴结构以及第二PCB组件类同轴结构介质相对介电常数，D分别对应为第一LTCC组件类同轴结构外导体内径、第二LTCC组件类同轴结构外导体内径、第一PCB组件类同轴结构外导体内径以及第二PCB组件类同轴结构外导体内径，d分别为第一LTCC组件类同轴结构的过孔直径、第二LTCC组件类同轴结构的过孔直径、第一PCB组件类同轴结构过孔直径以及第二PCB组件类同轴结构过孔直径。

进一步的，所述LTCC组件内层带状线、PCB组件内层带状线的特征阻抗LTCC组件内层带状线、PCB组件内层带状线分别对应以LTCC内层印制线为导带、PCB内层印制线为导带，以LTCC内层印制线导带、PCB内层印制线导带上下两侧接地层为接地面的带状线，ε_r是LTCC组件内层带状线、PCB组件内层带状线介质相对介电常数；h分别对应为LTCC组件内层带状线介质厚度、PCB组件内层带状线介质厚度，w分别对应为LTCC内层印制线导带宽度、PCB内层印制线导带宽度，t分别对应为LTCC内层印制线导带厚度、PCB内层印制线导带厚度。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明采用的垂直互联方法，实现了宽带高频信号(DC-35GHz)在LTCC与PCB间的低损耗传输，回波损耗S11可实现优于-10dB。

2.互联结构采用焊球焊接方式，占用空间小，密度高，便于系统的小型化、多功能化。

3.互连焊球使用柔性的高铅BGA焊球，可以缓解焊点应力，提高可靠性。

4.装配时主要依靠SMT技术，技术相对成熟，资源丰富，便于推广。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是本发明结构爆炸示意图。

1-LTCC组件 2-PCB组件

3-焊球 4-LTCC上表层微带线

5-第一LTCC组件类同轴结构 6-LTCC内层带状线

7-不与焊球相接的第二LTCC组件类同轴结构部分

8-与焊球相接的第二LTCC组件类同轴结构下部

9-与焊球相接的第一PCB组件类同轴结构部分

10-不与焊球相接的第一PCB组件类同轴结构部分

11-PCB内层带状线 12第二PCB组件类同轴 13-PCB上表层微带线

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

本发明相关说明：

1、LTCC组件上表层微带线及PCB组件上表层微带线都是微带线；LTCC组件内层带状线及PCB组件内层带状线都是带状线，只是各自的参数可能不相同。

2、第一LTCC组件类同轴结构、第二LTCC组件类同轴结构、第一PCB组件类同轴结构、第二PCB组件类同轴结构都是类同轴结构，具体结构是以传输信号的垂直过渡孔为内导体，以LTCC组件或PCB组件中周围接地的垂直过渡孔为外导体的类同轴结构。

3、PCB组件内层带状线导带层指的是PCB组件内层带状线的导带层。LTCC组件上表层微带线导带层宽度、PCB组件上表层微带线导带层宽度分别指的是各自微带线的导带层。

4、屏蔽过孔是用于屏蔽干扰信号的过孔。

5、匹配节材质是印制线。

6.垂直过渡孔指的是与LTCC陶瓷板或PCB印制板上下表面垂直的过渡孔。

设计原则：

1.材料选择

从信号传输角度，要求LTCC基材与PCB基材在高频时信号损耗足够小，损耗因子在10GHz时达到1‰以下；从结构强度角度考虑，要求LTCC与PCB焊接板材料的弹性模量相接近，一般选取具有较大弹性模量的PCB基材；从可靠性角度考虑，要求LTCC与PCB板材料的热膨胀系数差越小越好，一般选择热膨胀系数小于10×10^-6/℃的PCB基材。兼顾以上三点，LTCC可选择DuPont的9K7生瓷，PCB可选择Arlon的CLTE-XT基材。

另外为提高陶瓷材料与有机材料之间互连的匹配性，降低两种材料在温变环境下的热应力，中间互连材料选择铅含量的重量百分比大于90％的锡铅焊球，通过高铅焊球的柔性降低应力集中，提高互连的可靠性。

2.传输结构设计

一般使用时，可能的信号传输路径为：LTCC上表层微带线→第一LTCC组件类同轴结构→LTCC内层带状线→第二LTCC组件类同轴结构→LTCC下表层BGA焊盘→焊球→PCB上表层BGA焊盘→第一PCB组件类同轴结构→PCB内层带状线→第二PCB组件类同轴结构→PCB上表层微带线。按传输路径，保持特征阻抗

恒定，叠层及结构设计如表1(各层传输结构设计)所示

3.阻抗匹配

为实现信号在广域频率范围内的稳定传输，三种材料上的传输路径都要满足阻抗匹配要求，特别是信号在水平传输线与垂直传输线的交界处。为缓解结构突变引起的阻抗失配，在互联处增加一到两段不同特性阻抗的传输线作为的匹配节。优化匹配节的长度和宽度，减小局部阻抗，降低水平传输线与垂直传输线间的阻抗差异，可达到传输的高频信号的要求。

4.互联焊盘设计

LTCC和PCB两组件通过之间的BGA焊球实现垂直互联，BGA焊球在整体布局时需保证结构受力的均匀性，可在无信号传输部分设置多个接地BGA焊球进行结构支撑。兼顾信号传输特性和组件强度，焊盘尺寸按照85％的焊球直径设计。

LTCC上的焊盘层，选用高温烧结的浆料，如AuPtPd。PCB上传输信号的BGA焊盘，采用通孔树脂(或金属)塞孔并整平后，电镀铜层法制作，大面积接地层上的BGA焊盘，使用阻焊方式进行隔离限定；PCB焊盘镀层优选ENIG(镍金)镀层。

5.装配方法设计

此种互联结构在装配时要保证装配精度，否则信号在互联处会增加损耗。装配时先进行高铅焊球在LTCC焊盘上的植球焊接，再把带有焊球的LTCC组件作为一个器件，在PCB上采用标准SMT流程进行装配。

具体实施例：

按照图1的信号传输结构，进行各参数的详细设计

LTCC上表层微带线：导带宽度0.42mm，导带厚度0.01mm，介质厚度0.336mm，介质相对介电常数7.1。

第一LTCC组件类同轴结构；内导体外径0.18mm，外导体等效内径1.66mm(外导体具体分布为距内导体中心0.83mm的接地表层和以内导体中心为轴线、沿半径0.92mm均布的￠0.18mm的垂直实心接地金属孔构成)，介质相对介电常数7.1。

LTCC内层带状线：导带宽度0.18mm，导带厚度0.01mm，介质厚度0.672mm，介质相对介电常数7.1；

不与焊球相接的第二LTCC组件类同轴结构部分：内导体外径0.18mm，外导体等效内径1.44mm(具体分布为距内导体中心0.72mm的接地表层和以内导体中心为轴线、沿半径1.01mm均布的￠0.18mm的垂直实心接地金属孔构成)，介质相对介电常数7.1mm。

与焊球相接的第二LTCC组件类同轴结构下部(LTCC下表层BGA焊盘)内导体0.52mm，外导体内径1.64mm；

焊球(BGA焊球相接)：内导体外径为焊球直径，外导体等效内径1.64mm；焊球选￠0.6mm尺寸的锡铅焊球；对应焊盘设计尺寸为0.5mm

与焊球相接的第一PCB组件类同轴结构部分(PCB上表层BGA焊盘)：内导体0.52mm，外导体内径1.64mm；

不与焊球相接的第一PCB组件类同轴结构部分：内导体外径0.2mm，外导体等效内径0.92mm(外导体具体分布为距内导体中心0.46mm的接地表层及以内导体中心为轴线、沿半径0.84mm均布的￠0.3mm的接地通孔构成)，介质相对介电常数为2.89。

PCB内层带状线：导带宽度0.32mm，导带厚度0.035mm，介质厚度0.713mm，介质相对介电常数2.89；

第二PCB组件类同轴结构：内导体外径0.2mm，外导体等效内径0.92mm，介质相对介电常数2.89。

PCB上表层微带线：导带宽度0.64mm，导带厚度0.035mm，介质厚度0.254mm，介质相对介电常数2.89。

装配过程是：先进行焊球在LTCC焊盘上的植球焊接，然后把植好焊球的LTCC组件作为一个器件，在PCB上采用标准SMT流程进行装配，PCB板上焊膏涂覆厚度为0.13mm。组装后的LTCC-PCB组件使用高精度探针测试组件输入输出端之间的信号高频特性，在10MHz～36GHz下，信号回波损耗S11较小，满足多数场合的使用要求。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。