集成波导互连装置及其制备方法

摘要

本发明公开了一种集成波导互连装置及其制备方法，包括：金属波导组件，包括第一本体和容纳在所述第一本体中的金属波导；以及集成波导，包括第二本体，所述第二本体由多层利用陶瓷工艺制成的基板堆叠形成，所述第二本体内形成空气波导，所述空气波导的传输方向与所述金属波导的传输方向具有大于零度的夹角；其中，在所述第二本体内还形成空气互连波导，所述空气互连波导连通所述空气波导和所述金属波导，所述空气互连波导内设有由多层所述基板中的至少两层中间基板形成的阶梯部，使得所述空气互连波导在传输方向上具有大致相等的匹配阻抗。

权利要求

1.一种集成波导互连装置，包括：

金属波导组件(1)，包括第一本体(11)和容纳在所述第一本体中的金属波导(12)；以及集成波导(2)，包括第二本体(21)，所述第二本体由多层利用陶瓷工艺制成的基板堆叠形成，所述第二本体内形成空气波导，所述空气波导的传输方向与所述金属波导的传输方向具有大于零度的夹角；

其中，在所述第二本体内还形成空气互连波导，所述空气互连波导连通所述空气波导和所述金属波导，所述空气互连波导内设有由多层所述基板中的至少两层中间基板形成的阶梯部，使得所述空气互连波导在传输方向上具有大致相等的匹配阻抗；

所述多层基板包括分别设置在所述中间基板(212、213)上下两侧的上基板(211)和下基板(214)，所述上基板的下表面设有上金属层(2111)，所述下基板的上表面设有下金属层(2141)，所述中间基板上形成切除部(2121、2131)，所述切除部的两侧形成在所述传输方向上排列的多个金属化孔(2122、2132)，所述上金属层、下金属层和两排所述金属化孔形成所述空气波导；

通过在至少两层所述中间基板上形成在传输方向上具有不同的长度切除部形成所述阶梯部，所述阶梯部上设有金属层(2123、2133)，至少两层所述中间基板在所述阶梯部沿传输方向的两侧和垂直于传输方向的一侧形成多个金属化孔(2124、2134)，所述金属层和金属化孔形成所述空气互连波导；

所述空气波导和所述空气互连波导的中空部分相互连通，以使所述空气波导和所述空气互连波导相互连通，所述金属波导的端面与所述空气互联波导的端面接触连接，以使所述金属波导和所述空气互联波导相互连通，从而实现所述集成波导与所述金属波导组件的连接，实现金属波导与空气波导的过渡互联。

2.根据权利要求1所述的集成波导互连装置，其中，所述金属波导的传输方向与所述空气波导的传输方向大致相互垂直。

3.根据权利要求1‑2中的任一项所述的集成波导互连装置，其中，所述金属波导设置在多个所述基板中位于最外部的基板(215)上，所述最外部的基板形成有通孔(2151)，所述通孔周围排列有金属化孔(2152)，使得所述空气互连波导延伸至所述最外部的基板。

4.根据权利要求1‑2中的任一项所述的集成波导互连装置，其中，所述金属波导穿过位于在所述中间基板上部的至少一层基板与所述空气互连波导连通。

5.一种如权利要求1～4所述的集成波导互连装置的制造方法，包括：提供多个生瓷带；

使用低温共烧陶瓷工艺对所述生瓷带进行下述操作：

打孔和利用导电材料填充所述孔，以形成金属化孔；

印刷金属层；以及

形成切除部；

将所述生瓷带依次叠置，由所述切除部形成空气波导腔体和空气互连波导腔体；

将牺牲材料块埋入所述空气波导腔体，将支撑材料块埋入所述空气互连波导腔体；

将所述生瓷带压合得到第二本体；

取出所述支撑材料块，对所述第二本体进行烧结，所述牺牲材料块分解，得到所述集成波导；以及将所述金属波导组件结合到所述集成波导。

6.根据权利要求5所述的制造方法，其中，所述牺牲材料块的制作方法包括：将碳带压合得到牺牲材料粗坯；

对所述牺牲材料粗坯进行精细激光加工，得到所述牺牲材料块。

7.根据权利要求5所述的制造方法，其中，所述支撑材料块的制作方法包括：使用硅橡胶在不锈钢模具中成型，得到所述支撑材料块。

8.根据权利要求5所述的制造方法，其中，所述生瓷带压合工艺包括温水等静压工艺。

说明书

集成波导互连装置及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于微波毫米波传输领域，尤其涉及一种基于低温共烧陶瓷集成技术的集成波导互连装置及其制备方法。

背景技术

[0002] 低温共烧陶瓷(Low‑temperature cofired ceramics，LTCC)技术作为一种高密度、多层布线的电路集成技术，其多层并行的加工方式，可同时实现微波部组件的电路传输及复杂三维结构的制作，为微波部组件提供了一种集微带电路互连、无源元件内埋和封装于一体的设计方案。在毫米波太赫兹频段，LTCC集成介质填充波导中的介质会带来额外的损耗，因此在设计中将介质去掉，实现基片集成空气波导，空气波导相对介质填充波导具有明显优势，减少了波导传输损耗，同时空气波导尺寸相对介质填充波导物理尺寸大，有利于毫米波太赫兹器件加工制造。但LTCC集成空气波导与金属波导宽带过渡互连及其制备工艺流程方法还存在技术难题，制约了相关技术发展。

发明内容

[0003] 针对以上问题，本发明提供了一种基于低温共烧陶瓷集成技术的集成波导互连装置及其制备方法，能够实现LTCC集成空气波导与金属波导的宽带过渡互连。

[0004] 根据本发明一个方面的实施例，提供了一种集成波导互连装置，包括：

[0005] 金属波导组件，包括第一本体和容纳在第一本体中的金属波导；以及[0006] 集成波导，包括第二本体，第二本体由多层利用低温共烧陶瓷工艺制成的基板堆叠形成，第二本体内形成空气波导，空气波导的传输方向与金属波导的传输方向具有大于零度的夹角；

[0007] 其中，在第二本体内形成空气互连波导，空气互连波导连通空气波导和金属波导，空气互连波导内设有由多层基板中的至少两层中间基板形成的阶梯部，使得空气互连波导在传输方向上具有大致相等的匹配阻抗。

[0008] 根据本发明的实施例，其中，金属波导的传输方向与空气波导的传输方向大致相互垂直。

[0009] 根据本发明的实施例，其中，多层基板包括分别设置在中间基板上下两侧的上基板和下基板，

[0010] 上基板的下表面设有上金属层，下基板的上表面设有下金属层，中间基板上形成切除部，切除部的两侧形成在传输方向上排列的多个金属化孔，上金属层、下金属层和两排金属化孔形成空气波导。

[0011] 根据本发明的实施例，其中，通过在至少两层中间基板上形成在传输方向上具有不同的长度切除部形成阶梯部，阶梯部上设有金属层，至少两层中间基板在阶梯部沿传输方向的两侧和垂直于传输方向的一侧形成多个金属化孔，金属层和金属化孔形成空气互连波导。

[0012] 根据本发明的实施例，其中，金属波导设置在多个基板中位于最外部的基板上，最外部的基板形成有通孔，通孔周围排列有金属化孔，使得空气互连波导延伸至最外部的基板。

[0013] 根据本发明的实施例，其中，金属波导穿过位于在中间基板上部的至少一层基板与空气互连波导连通。

[0014] 本发明还提供了一种以上集成波导互连装置的制造方法，包括：

[0015] 提供多个生瓷带；

[0016] 使用低温共烧陶瓷工艺对生瓷带进行下述操作：

[0017] 打孔和利用导电材料填充孔，以形成金属化孔；

[0018] 印刷金属层；以及

[0019] 形成切除部；

[0020] 将生瓷带依次叠置，由切除部形成空气波导腔体和空气互连波导腔体；

[0021] 将牺牲材料块埋入空气波导腔体，将支撑材料块埋入空气互连波导腔体；

[0022] 将生瓷带压合得到第二本体；

[0023] 取出支撑材料块，对第二本体进行烧结，牺牲材料块分解，得到集成波导；以及[0024] 将金属波导组件结合到集成波导。

[0025] 根据本发明的实施例，其中，牺牲材料块的制作方法包括：

[0026] 将碳带压合得到牺牲材料粗坯；

[0027] 对牺牲材料粗坯进行精细激光加工，得到牺牲材料块。

[0028] 根据本发明的实施例，其中，支撑材料块的制作方法包括：

[0029] 使用硅橡胶在不锈钢模具中成型，得到支撑材料块。

[0030] 根据本发明的实施例，其中，生瓷带压合工艺包括温水等静压工艺。

[0031] 根据本发明上述实施例的集成波导互连装置，通过空气互连波导的阶梯结构，使得空气互连波导在传输方向上具有大致相等的匹配阻抗，可以实现金属波导与空气波导接触断面的等阻抗变换，在金属波导与空气波导中间形成宽带过渡互连，实现了金属波导与空气波导的宽带激励和低损耗传输。

附图说明

[0032] 图1示意性示出了根据本发明实施例的集成波导互连装置的剖面图；

[0033] 图2示意性示出了根据本发明实施例的集成波导互连装置的立体透视图；

[0034] 图3示意性示出了根据本发明实施例的一个中间基板的俯视图；

[0035] 图4示意性示出了根据本发明实施例的另一个中间基板的俯视图；

[0036] 图5示出了图3和4所示的两个中间基板叠置在一起时的俯视图；

[0037] 图6示意性示出了根据本发明实施例的集成波导互连装置的制造工艺流程图；以及

[0038] 图7示意性示出了根据本发明实施例的空气波导与金属波导的空气互连波导的回波损耗S11和插入损耗S21曲线图。

[0039] 【附图标记】

[0040] 1‑金属波导组件；11‑第一本体；12‑金属波导；

[0041] 2‑集成波导；21‑第二本体；

[0042] 211‑上基板；2111‑金属层；

[0043] 212‑中间基板；2121‑切除部；2122‑金属化孔；2123‑金属层；2124‑金属化孔；

[0044] 213‑中间基板；2131‑切除部；2132‑金属化孔；2133‑金属层；2134‑金属化孔；

[0045] 214‑下基板；2141‑金属层；

[0046] 215‑最外部基板；通孔2151；金属化孔2152。

具体实施方式

[0047] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

[0048] 根据本发明的一个方面的发明构思，提供一种集成波导互连装置，包括：金属波导组件和集成波导，金属波导组件包括第一本体和容纳在第一本体中的金属波导。集成波导包括第二本体，第二本体由多层利用低温共烧陶瓷工艺制成的基板堆叠形成，第二本体内形成空气波导，空气波导的传输方向与金属波导的传输方向具有大于零度的夹角。在第二本体内形成空气互连波导，空气互连波导连通空气波导和金属波导，空气互连波导内设有由多层基板中的至少两层中间基板形成的阶梯部，使得空气互连波导在传输方向上具有大致相等的匹配阻抗。

[0049] 根据本发明另一方面的发明构思，提供一种以上集成波导互连装置的制造方法，包括：

[0050] 提供多个生瓷带；

[0051] 使用低温共烧陶瓷工艺对生瓷带进行下述操作：

[0052] 打孔和利用导电材料填充孔，以形成金属化孔；

[0053] 印刷金属层；以及

[0054] 形成切除部；

[0055] 将生瓷带依次叠置，由切除部形成空气波导腔体和空气互连波导腔体；

[0056] 将牺牲材料块埋入空气波导腔体，将支撑材料块埋入空气互连波导腔体；

[0057] 将生瓷带压合得到第二本体；

[0058] 取出支撑材料块，对第二本体进行烧结，牺牲材料块分解，得到集成波导；以及[0059] 将金属波导组件结合到集成波导。

[0060] 图1示意性示出了根据本发明实施例的集成波导互连装置的剖面图，图2示意性示出了根据本发明实施例的集成波导互连装置的立体透视图。

[0061] 根据本发明的一种实施例，结合图1和图2所示，集成波导互连装置包括：金属波导组件1和集成波导2。金属波导组件1包括第一本体11和容纳在第一本体11中的金属波导12；集成波导2，包括第二本体21，第二本体21由多层利用低温共烧陶瓷工艺制成的基板堆叠形成，第二本体21内形成空气波导，空气波导的传输方向与金属波导12的传输方向具有大于零度的夹角。在第二本体21内形成空气互连波导，空气互连波导连通空气波导和金属波导
12，空气互连波导内设有由多层基板中的至少两层中间基板212、213形成的阶梯部，使得空气互连波导在传输方向上具有大致相等的匹配阻抗。

[0062] 根据本发明的实施例的集成波导互连装置，通过空气互连波导的阶梯结构，使得空气互连波导在传输方向上具有大致相等的匹配阻抗，实现金属波导与空气波导接触断面的等阻抗变换，在金属波导与空气波导中间形成宽带过渡互连，实现了金属波导与空气波导的宽带激励和低损耗传输应用，避免微波传输质量的降低。

[0063] 根据本发明的实施例，如图1和2所示，金属波导12的传输方向与空气波导的传输方向大致相互垂直。

[0064] 根据本发明的实施例，多层基板包括分别设置在中间基板212、213上下两侧的上基板211和下基板214。上基板211的下表面设有上金属层2111，所述下基板214的上表面设有下金属层2141，中间基板212、213上形成切除部2121、2131，切除部的两侧形成在传输方向上排列的多个金属化孔2122、2132，上金属层2111、下金属层2141和两排金属化孔2122、2132形成空气波导。

[0065] 根据本发明的实施例的集成波导互连装置，空气波导使用金属化通孔等效金属波导壁进行屏蔽，并通过金属化通孔与波导表面和背面金属地互连，以保证良好的接地效果。

[0066] 根据本发明的实施例，通过在至少两层中间基板上形成在传输方向上具有不同的长度切除部2121、2131形成阶梯部，阶梯部上设有金属层2123、2133，至少两层中间基板212、213在阶梯部沿传输方向的两侧和垂直于传输方向的一侧形成多个金属化孔2124、
2134，金属层2123、2133和金属化孔2124、2134形成空气互连波导。

[0067] 根据本发明实施例的集成波导互连装置，空气波导的传输方向与所述金属波导的传输方向具有大于零度的夹角，例如，金属波导12的传输方向与空气波导的传输方向大致相互垂直。在LTCC集成空气波导与金属波导中间的过渡部分形成弯曲的空气互连波导，由于工艺条件的限制，空气互连波导的垂直于微波传输方向的横截面面积不是恒定的，这种不恒定的横截面可能影响微波传输质量。通过具有阶梯结构的空气互连波导，以保持过渡空气波导的横截面大致相等，起阻抗变换作用，使得空气互连波导在传输方向上具有大致相等的匹配阻抗，实现金属波导与空气波导接触断面的等阻抗变换，在金属波导与空气波导中间形成宽带过渡互连，实现了金属波导与空气波导的宽带激励和低损耗传输应用，避免微波传输质量的降低。

[0068] 图3示意性示出了根据本发明实施例的一个中间基板212的俯视图。如图3所示，中间基板212上形成切除部2121，切除部2121周围排列有金属化孔2122、2124，同时中间基板212上下表面设有金属层2123。

[0069] 图4示意性示出了根据本发明实施例的另一个中间基板213的俯视图。如图4所示，中间基板213上形成切除部2131，切除部2131周围排列有金属化孔2132、2134，同时中间基板213上下表面设有金属层2133。

[0070] 图5示出了图3和4上述的两个中间基板叠置在一起时的俯视图。中间基板212叠置在中间基板213的上部，由于位于上部的中间基板212的切除部的长度大于位于下部的中间基板213的切除部的长度，使得下部的中间基板213的一部分从上部的中间基板212的切除部暴露，从而形成阶梯部216，阶梯部216在金属波导与空气波导之间的过渡部分形成阶梯形的空气互连波导。

[0071] 根据本发明的实施例，空气互连波导每层阶梯均使用金属化通孔屏蔽，并通过金属化通孔与波导表面和背面金属地互连，以保证良好的接地效果。

[0072] 根据本发明的实施例，其中，金属波导12设置在多个基板中位于最外部的基板215上，最外部的基板形成有通孔2151，通孔周围排列有金属化孔2152，使得空气互连波导延伸至最外部的基板215。

[0073] 根据本发明的实施例，金属波导12穿过位于中间基板上部的至少一层基板与空气互连波导连通。

[0074] 根据本发明的实施例，在空气互连波导结构设计中，结合金属波导内壁和金属波导端面金属壁以及空气波导的端面尺寸，在金属波导与空气互连波导接触时错位，在两者互连的位置形成额外的阶梯匹配，减少空气互连波导阶梯数量的同时实现宽带过度互连。

[0075] 本发明还提供了一种上述集成波导互连装置的制造方法，图6示意性示出了根据本发明实施例的集成波导互连装置的制造流程图。如图6所示，制造集成波导互连装置的方法包括：

[0076] S01：提供多个生瓷带；

[0077] S02：使用低温共烧陶瓷工艺对生瓷带进行下述操作：

[0078] 打孔和利用导电材料填充孔，以形成金属化孔；

[0079] 印刷金属层；以及

[0080] 形成切除部；

[0081] S03：将生瓷带依次叠置，由切除部形成空气波导腔体和空气互连波导腔体；

[0082] S04：将牺牲材料块埋入空气波导腔体，将支撑材料块埋入空气互连波导腔体；

[0083] S05：将生瓷带压合得到第二本体，例如，生瓷带压合工艺包括温水等静压工艺；

[0084] S06：取出支撑材料块，对第二本体进行烧结，牺牲材料块分解，得到所述集成波导；

[0085] S07：将金属波导组件结合到集成波导，实现空气波导与金属波导的互连。

[0086] 根据本发明的实施例，其中，牺牲材料块的制作方法包括：将碳带压合得到牺牲材料粗坯；对牺牲材料粗坯进行精细激光加工，得到牺牲材料块。

[0087] 根据本发明的实施例，其中，支撑材料块的制作方法包括：使用硅橡胶在不锈钢模具中成型，得到支撑材料块。

[0088] 根据本发明的实施例，空气互连波导结构尺寸较小，牺牲材料块埋入操作困难，涉及支撑材料块埋入空气互连波导空腔，牺牲材料块埋入空气波导空腔，生瓷带压合完成后先将支撑材料块取出再进行烧结，牺牲材料块氧化分解，得到集成波导。

[0089] 下面通过具体实施例说明上述集成波导互连装置及其制备方法。需要说明的是，该举例仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明。

[0090] 提供6层生瓷带，单层生瓷带厚度0.188mm。

[0091] 使用低温共烧陶瓷工艺对生瓷带进行以下操作：

[0092] 在第1层生瓷带上根据设计要求打孔并利用导电材料填孔形成金属化孔，在生瓷带的上下表面印刷金属层，并形成切除部；

[0093] 在第2层生瓷带上根据设计要求打孔并利用导电材料填孔形成金属化孔，在生瓷带的上下表面印刷金属层，并形成切除部；

[0094] 在第3层生瓷带上根据设计要求打孔并利用导电材料填孔形成金属化孔，在生瓷带的上下表面印刷金属层，并形成切除部；

[0095] 在第4层生瓷带上根据设计要求打孔并利用导电材料填孔形成金属化孔，在生瓷带的上下表面印刷金属层，并形成切除部；

[0096] 在第5层生瓷带的上表面印刷金属层。

[0097] 将上述各层生瓷带依次叠置由切除部形成空气波导腔体和空气互连波导腔体。

[0098] 其中，空气波导腔体位于第3层、第4层生瓷带，空气波导腔体的上表面为第2层生瓷带的下表面，空气波导腔体的下表面为第5层生瓷带的上表面，空气波导腔体在传输方向上的两侧为金属化孔，金属化孔、空气波导腔体上表面、空气波导腔体下表面和空气波导腔体共同构成空气波导；空气互连波导腔体为阶梯状空腔，第1层与第2层不同位置的切除部和第3层与第4层在传输方向上不同长度的切除部形成阶梯部，阶梯部的表面均为金属层，第1层和第2层的切除部被金属化孔包围，第3层和第4层与空气波导空腔连通，在传输方向上的两侧和垂直于传输方向的一侧为金属化孔，金属化孔、金属层和阶梯状空腔共同构成空气互连波导。

[0099] 将牺牲材料块埋入空气波导腔体，将支撑材料块埋入空气互连波导腔体。其中，牺牲材料块的制作方法包括：将碳带压合得到牺牲材料粗坯；对牺牲材料粗坯进行精细激光加工，得到牺牲材料块。支撑材料块的制作方法包括：使用硅橡胶在不锈钢模具中成型，得到支撑材料块。

[0100] 将生瓷带压合得到第二本体，生瓷带压合工艺包括温水等静压工艺。

[0101] 取出支撑材料块，对第二本体进行烧结，牺牲材料块分解，得到集成波导。

[0102] 将WR6金属波导结合到集成波导，实现空气波导与金属波导的互连。

[0103] 对上述空气波导与金属波导的互连进行检测，图7示意性示出了根据本发明实施例的空气波导与金属波导的空气互连波导的回波损耗S11和插入损耗S21曲线图。如图7所示，在117GHz到178GHz频段，相对带宽为41.4％，端口回波损耗S11大于15dB，插入损耗S21小于0.15dB，实现了空气波导与金属波导的宽带激励和低损耗传输应用。

[0104] 以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。